1.一种PT对称SS拓扑MC‑WPT系统实现方法,将PT对称特性应用至目前常用的两线圈SS拓扑磁耦合无线电能传输系统中,并进一步推广到任意n线圈架构的高阶SS拓扑磁耦合无线电能传输系统中,其中,n=2时为两线圈PT对称MC‑WPT系统,当n>2时为带有中继线圈的高阶PT对称MC‑WPT系统,其特征在于,包括,通过以下步骤1至步骤4构建传输参数模型,通过以下步骤A至步骤C,应用传输参数模型,确定任意n线圈架构PT对称SS拓扑MC‑WPT系统:步骤1、获得磁耦合无线电能传输系统中各个回路分别对应电路的电路参数,所述电路参数包括线圈自感L、线圈等效串联内阻Rp、谐振补偿电容C、负载电阻RL,随后进入步骤2;
步骤2、结合获得的磁耦合无线电能传输系统的电路参数,分别确定磁耦合无线电能传输系统电能发射端、中继端以及电能接收端的电阻参数,其中,所述电阻参数包括电能发射端的总增益、中继端的总电阻以及电能接收端的总损耗,随后进入步骤3;
步骤3、分别针对各个线圈,根据步骤1中获得的电路参数、以及步骤2中获得的电能发射端的总增益、电能接收端的总损耗,得到各个线圈分别对应的固有频率、特征阻抗、衰减参数,并结合宇称时间对称系统的结构对称条件,使各个线圈分别对应的固有频率、特征阻抗、衰减参数满足约束条件,随后进入步骤4;
步骤4、结合步骤1中得到的电路参数、步骤3中得到的各个线圈的固有频率、特征阻抗、衰减参数、并结合磁耦合无线电能传输系统的特征方程表达式和相应的特征值条件,求解得出磁耦合无线电能传输系统的PT对称参数的解析表达式,所述PT对称参数包括奇异点参数、PT对称态参数、以及PT对称破缺态参数,从而获得任意n线圈架构PT对称SS拓扑MC‑WPT系统的传输参数模型;
步骤A、按照步骤1至步骤4中的方法,应用传输参数模型,通过磁耦合无线电能传输系统中各个回路的电路参数、以及电路的特征方程和特征值条件,获得磁耦合无线电能传输系统的PT对称参数的解析表达式,随后进入步骤B;
步骤B、针对磁耦合无线电能系统中的各个线圈,结合PT对称参数中的奇异点参数,确定磁耦合无线电能传输系统的相邻线圈间的临界耦合系数k0,根据临界耦合系数k0确定系统相邻线圈间的最大临界传输距离Dmax,随后进入步骤C;
步骤C、结合磁耦合无线电能传输系统相邻线圈间的最大临界传输距离Dmax,根据磁耦合无线电能传输系统内各个线圈对应的电路参数,并结合磁耦合无线电能传输系统中的负电阻电路,得到任意n线圈架构的高阶PT对称SS拓扑MC‑WPT系统。
2.根据权利要求1所述的一种PT对称SS拓扑MC‑WPT系统实现方法,其特征在于,所述步骤2中,根据以下公式,获得任意n线圈系统的电能发射端的总增益、中继端的总电阻、以及接收端的总损耗:
g=Rg‑Rp1
Ri=Rpi(i=2,…,n‑1)Rn=RL+Rpn
其中,g为电能发射端的总增益,Rg为负电阻的阻值,Rp1为发射线圈的内阻,Ri为第i个中继端的总电阻,Rpi为第i个中继线圈的内阻,Rn为接收端的总电阻,RL为负载电阻,Rpn为接收线圈的内阻。
3.根据权利要求1或2所述的一种PT对称SS拓扑MC‑WPT系统实现方法,其特征在于,所述步骤3中,获得系统电能发射端、电能中继端、电能接收端分别对应的固有频率、特征阻抗、衰减参数,根据公式:
其中ω1、ωi、ωn分别为电能发射端、第i个中继端、电能接收端对应线圈的固有谐振频率,ρ1、ρi、ρn分别为电能发射端、第i个中继端、电能接收端对应的线圈的特征阻抗,α1、αn分别为电能发射端、电能接收端对应的衰减参数。
4.根据权利要求3所述的一种PT对称SS拓扑MC‑WPT系统实现方法,其特征在于,磁耦合无线电能传输系统中各个线圈的线圈自感L、谐振补偿电容C、以及任意两个相邻线圈之间的互感M满足宇称‑时间的结构对称条件:因此,系统电能发射端、中继端、以及接收端分别对应回路的固有频率、特征阻抗、以及衰减参数分别相等:
其中,ω0、ρ0、α0为磁耦合无线电能传输系统各个回路相等的固有频率、特征阻抗、以及衰减参数。
5.根据权利要求4所述的一种PT对称SS拓扑MC‑WPT系统实现方法,其特征在于,所述步骤4中获得高阶磁耦合无线电能传输结构的传输参数,包括以下步骤:步骤4‑1、对于任意n线圈架构的无线电能传输系统,获得其回路电压方程以及电感矩阵、电容矩阵、和电阻矩阵,分别为:T
其中,U=[u1,u2,...un]为系统电容电压矢量,L为电感矩阵,C为电容矩阵,R为电阻矩阵;
步骤4‑2、结合磁耦合无线电能传输系统的回路电压方程,获得任意n线圈架构的磁耦合无线电能传输系统的特征方程一般表达式为:
2 ‑1 ‑1
|‑λIn×n‑λ[LC] RC‑[LC] |=0其中,In×n为n阶单位矩阵,λ为磁耦合无线电能传输系统的本征值其中,kj,j+1为任意第j个线圈与其相邻第j+1个线圈之间的耦合系数,Mj,j+1为任意第j个线圈与其相邻第j+1个线圈之间的互感,Lj为第j个线圈的线圈自感,Lj+1为第j+1个线圈的线圈自感,j=1,2,…,n‑1;
步骤4‑3、求取磁耦合无线电能结构的特征方程解式,当特征值的解全为实数时,磁耦合无线电能传输系统处于PT对称态,当特征值的解存在复数时,磁耦合无线电能传输系统处于PT对称破缺态,磁耦合无线电能传输系统由PT对称态过渡至PT对称破缺态的过渡点称为奇异点,其值为k0。
6.根据权利要求1所述的一种PT对称SS拓扑MC‑WPT系统实现方法,其特征在于,所述步骤B中,相邻线圈之间的最小耦合系数为奇异点k0,在进行对应的SS拓扑系统参数设计时,相邻线圈之间的耦合系数要始终大于奇异点k0的值。
7.根据权利要求1所述的一种PT对称SS拓扑MC‑WPT系统实现方法,其特征在于,所述步骤C中,设计两线圈系统时,保证发射线圈和接收线圈之间的距离小于这一最大临界传输距离,两线圈系统的总传输距离即为Dmax,在设计任意n线圈系统时,两个相邻线圈之间的距离小于这一最大临界传输距离,n线圈系统的总传输距离为(n‑1)Dmax。
8.一种高阶PT对称SS拓扑MC‑WPT系统,其特征在于,包括负电阻电路、发射回路、中继回路以及接收回路;
所述负电阻电路包括运算放大器、以及电阻;
所述发射回路中,包括发射线圈自感、发射线圈等效串联电阻、以及发射回路的补偿电容;
所述接收回路中,包括接收线圈自感、接收线圈等效串联电阻、接收回路补偿电容以及接收回路的负载电阻;
所述中继回路中,包括中继线圈自感、中继线圈等效串联电阻、以及中继回路补偿电容;
所述负电阻电路的输出与运算放大器的负极相连,并串联至发射回路,结合无线电能传输系统中等效输入电阻确定负电阻阻值,以及负电阻电路中各个电阻的阻值;
所述电发射回路、中继回路以及接收回路之间通过线圈之间的磁场耦合进行能量传输。
9.根据权利要求8所述的一种高阶PT对称SS拓扑MC‑WPT系统,其特征在于,所述负电阻二端网络输出端和运放的负极性端相连,负电阻电路中,包括第一电阻Rs1、第二电阻Rs2、以及第三电阻R,各个电阻之间满足Rs2/R=Rs1/Req。
10.根据权利要求9所述的一种高阶PT对称SS拓扑MC‑WPT系统,其特征在于,所述无线电能传输系统中等效输入电阻Req=Rp1+Rpn+RL,其中,Req为无线电能传输系统的等效输入电阻,Rp1为负电阻所在发射端的线圈内阻,Rpn为负载电阻所在接收端的线圈内阻,RL为负载电阻。