基于高阶Anti-PT对称的多负载无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于高阶反宇称-时间(Anti-parity-time,Anti-PT)对称系统中反共振态的“能级钉扎”效应实现高效稳定的多负载无线电能传输系统。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)是一种利用电磁波直接将电能从电源传输到负载的技术，它为人们利用电能开辟了一条新途径，其对于消费电子行业、自动化工业车间以及人工智能平台等需要高自由度电能供应的场景都具有重要的应用价值。然而传统的WPT受到传输距离的严重限制，研究者们发现通过两个谐振线圈之间的近场耦合效应(其中耦合强度随线圈距离增大是指数衰减的)，磁共振WPT可以实现中距离的高效能量传输，进而促进了非辐射磁共振WPT的广泛发展。尽管如此，磁共振WPT最明显的缺点是难以同时实现能量传输的高效率和强稳定性：一方面，对于强耦合情况(谐振线圈间距较小)，可以保证高的传输效率，但是工作频率会因为近场耦合发生劈裂。所以当发射端谐振线圈和接收端谐振线圈间距发生变化时，系统最佳工作频率将发生偏移，从而降低了器件的稳定性。另一方面，对于弱耦合情况(谐振线圈间距较小)，可以保证工作频率稳定，但传输效率将显著降低。因此如何在保持系统高传输效率的同时实现稳定的能量传输，成为了目前中远程WPT中一个很难调和的矛盾。为解决这一问题，研究者们提出使用频率追踪电路来不断变化系统的工作频率，扫描得到效率最高的频率后，再通过切换最佳工作频率来保证高效的WPT。这一方案虽然可以实现较高的传输效率但是系统的频率扫描追踪电路不仅增加了设备构造复杂性，而且对电路元件性能都提出了更高的要求，所以复杂的电路匹配网络在许多应用场景中仍然存在局限性。

近年来，非厄密物理的显著发展为现代WPT技术革新提供了新的原理支撑。研究者们将非厄密物理中的宇称-时间(Parity-Time，PT)对称应用到WPT系统中，通过非线性电路实现了系统最佳工作频率自适应追踪的鲁棒性WPT。该方案尽管受限于核心元件运算放大器，系统最大功率难以达到10W以上，但却启发了人们从新的物理原理出发来探索新的研究视角，进而推动新技术和新器件的产生。目前基于频率追踪电路和非线性效应的WPT技术已经逐步解决了WPT最佳工作频率的锁定问题，然而其对器件内部的复杂电路以及非线性元件仍具有很强的敏感性，所以系统整体的稳定性能仍较差。此外如何实现远距离、发射/接收端高面积比以及多负载的稳定高效WPT仍是目前亟待解决的重要科学难题。

发明内容

针对以上科学问题，本发明首次提出“W型”反共振结构。通过在基本的WPT平台中引入该反共振模式，我们可以方便的构造有效的反宇称-时间(Anti-Parity-Time，Anti-PT)的非厄米系统。将反共振模式的“能级吸引”与反共振模式和共振模式的“能级劈裂”结合，研究了高阶Anti-PT对称具有的“能级钉扎”效应。

本发明采取的技术方案为：

一种基于高阶Anti-PT对称的多负载无线电能传输系统，其包括：利用W型反共振结构与Lorentz共振结构耦合，构造三阶的Anti-PT对称WPT系统；对于W型反共振结构，两个失谐的模式ω

所述系统的运动方程为：

其中的γ

此时系统的等效哈密顿表示为：

其中ω

进一步地，为了不失一般性，首先假设γ＝1，此时不同耦合强度κ下，系统模式发生合并的位置即对应非厄密系统的奇异点。

进一步地，根据公式(1)，由W型反共振结构与Lorentz共振结构三阶Anti-PT对称的WPT系统的传输效率表示为：

其中的S

进一步地，还包括：利用平面型超构线圈来设计反共振发射线圈ATC，继而匹配接收线圈RC，搭建紧凑型的三阶Anti-PT对称的WPT系统。

进一步地，ATC和RC的半径分别用R和r来表示；当固定R＝15cm时，ATC与RC的近场耦合系数是随着发射/接收端面积比增大指数衰减的κ

进一步地，利用旁路电容作为合成维度的ATC的等效电路图，当交流电源电压为U＝-I

其中I

假设1/C＝1/C

得到ATC结构的等效增益和有效耦合分别为γ

进一步地，还包括提出合成的三阶Anti-PT对称的WPT系统，假设L

这里的M＝ξL表示合成的ATC和TC的互感；ξ＝-C/C

使用幺正变换

设定Δ＝1/2ωC

当定义γ＝γ

本发明上述技术方案的有益效果在于：

与传统的共振WPT相比，反共振WPT具有更高的安全性(即更低的待机功率损耗)、稳定性、传输效率和灵活性。考虑到器件的小型化和集成化，本发明采用“合成维度”设计了“超构线圈”，并用于构造高阶Anti-PT对称系统，进而实现多负载的高效WPT。基于高阶Anti-PT对称的“能级钉扎”效应提出的新型WPT技术不仅为丰富非厄密物理提供了良好的应用研究平台，而且为突破传统共振机制的近场应用，如共振成像、无线传感、光子路由等开辟了新的途径。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1表示有效三阶Anti-PT对称非厄密系统；其中，(a)为“W型”反共振结构与Lorentz共振结构耦合的能量传输模型；(b)为不同耦合强度κ下，系统的本征频率实部(实线)与虚部(虚线)；(c)为有效三阶Anti-PT对称非厄密系统的等效三能级模型。

图2表示有效三阶Anti-PT对称非厄密系统的等效电路模型；其中，(a)为单独的ATC的电路模型；(b)为ATC和RC耦合的电路模型。

图3表示“超构线圈”构造三阶Anti-PT对称WPT系统中的ATC与RC的耦合强度随发射/接收端面积比的变化。

图4表示不同发射/接收端面积比R/r下，系统的本征频率实部(a)与虚部(b)，其中，实线和虚线分别表示ATC和RTC对应的WPT系统。

图5表示ATC和RTC对应的WPT系统的传输效率对比。

图6表示引入ATC的WPT系统用于多负载能量传输，其中，(a)、(b)为移动负载A时，系统的传输效率；(c)、(d)为两个相同负载的传输效率对比；(e)、(f)、(g)为两个不同负载的传输效率对比。

图7表示ATC和RTC对应的WPT系统的待机功率损耗对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

一、方案原理介绍

本发明提出利用“W型”反共振结构与Lorentz共振结构耦合，构造三阶的Anti-PT对称WPT系统，其相应的物理模型如图1(a)所示。对于“W型”反共振结构而言，两个失谐的模式ω

其中的γ

此时系统的等效哈密顿可以表示:

其中ω

根据公式(1)，由“W型”反共振结构与Lorentz共振结构三阶Anti-PT对称的WPT系统的传输效率可以表示为：

其中的S

二、实验步骤及结果

本发明在实验中提出利用平面型“超构线圈”来设计反共振发射线圈(Anti-resonance transmitter coil,ATC)，继而匹配接收线圈(Receiver coil,RC)，搭建紧凑型的三阶Anti-PT对称的WPT系统，如图3插图所示。ATC和RC的半径分别用R和r来表示。当固定R＝15cm时，图3展示了ATC与RC的近场耦合系数是随着发射/接收端面积比增大指数衰减的κ

利用旁路电容作为“合成维度”的ATC的等效电路图，如图3所示。当交流电源电压为U＝-I

其中I

进一步为了将Kirchhoff方程与耦合模理论联系起来，我们得到了ATC结构的等效增益和有效耦合分别为γ

考虑图3所示的ATC和RC耦合的结构，本发明提出了合成的三阶Anti-PT对称的WPT系统。为了简化系统，我们假设L

这里的M＝ξL表示合成的ATC和TC的互感。ξ＝-C/C

使用一个合适的幺正变换

假定Δ＝1/2ωC

当定义γ＝γ

从公式(4)可以发现三阶Anti-PT对称非厄密系统可以实现对耦合强度不依赖的能量传输，也即实现不同发射/接收端面积比的高效WPT。当选定L＝98μH,C＝5.1nF和Z＝50Ω时，随着RC半径改变得到的系统的本征值实部和虚部分别如图4所示。可以清楚的看到纯实数的本征频率ω

与传统共振WPT系统相比，合成的反共振系统的传输效率如图5所示。RTC(ATC)WPT系统的计算和测量结果分别用实线(虚线)和五角星(圆圈)表示。我们可以看到，一方面，对于共振WPT系统，当考虑不同半径比条件下，需要跟踪最佳工作频率。然而引入反共振的Anti-PT对称WPT系统，其工作频率始终固定在ω

本发明利用Anti-PT对称WPT系统实现的高发射/接收端面积比的高效WPT提出多样化的多负载WPT。首先，对于螺旋线构造的平面线圈结构，其内部的磁场分布是均匀的。图6(a)中展示了我们在z方向上移动负载A不同的距离来测试发射线圈与接收线圈的耦合强度，结果发现移动RC时发射线圈和RC的耦合强度始终接近恒定，从而导致传输效率与RC的位置无关。图6(b)中的虚线和圆圈分别表示对应半径比为R/r＝6(耦合强度为κ

其次，考虑包含n个相同负载A(负载间的耦合可以忽略不计)的情况，系统的Kirchhoff方程可以写为

其中I

以图6(c)所示的两个负载A1和A2(Z

其中χ表示多负载WPT系统的一个常数因子，κ

最后我们还研究了引入ATC的WPT系统在多负载条件下，传输效率的选择性分配问题。考虑图6(e)所示的两个不同的负载A

η

其中γ

着眼于安全和节能，当系统处于空闲状态时，保持系统的低能量输出是非常有意义的。在传统的WPT方案中，空闲功率损耗始终是一个很难被解决的问题。然而，对于反共振模式构建的Anti-PT对称系统，这种限制可以被很好的克服。与传统共振WPT系统相比，Anti-PT对称WPT系统的待机功率损耗如图7所示。ATC和RTC对应WPT系统的计算和测量结果分别用实线和符号表示。可以清楚地看到，Anti-PT对称的WPT系统在工作频率附近的空闲功率损耗明显小于传统共振WPT情况，这有利于间歇无线充电，并且在实际应用中具有更好的安全性。本发明提出的基于高阶Anti-PT对称的多负载无线电能传输系统，优点如下：

1.“W”型反共振模式构造的高阶Anti-PT对称WPT系统具有实数本征值，传输效率高。

2.将反共振模式的“能级吸引”与反共振模式和共振模式的“能级劈裂”结合，研究了高阶Anti-PT对称具有的“能级钉扎”效应，其可以保证能量传输的频率锁定，稳定性高。

3.具有反共振模式的“超构线圈”构造简单，线圈尺寸与传统共振线圈相当。

4.高阶Anti-PT对称WPT系统传输效率对近场耦合强度鲁棒性强，可以实现发射/接收端高面积比，以及多负载的高效能量传输。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。