本发明涉及无线能量传输技术领域，特指一种高阶空间—时间对称的无线能量传输系统及方法。
背景技术：
近年来，量子力学中空间-时间(parity-time，pt)对称的概念引发了广泛的研究。在联合空间和时间反转操作下，pt对称是不变的。在此类pt对称系统中存在纯实数的特征值，其中异常点(exceptionalpoint，ep)出现在对称保护和对称破坏相之间的相变。在光学和光子系统中，pt对称以及增益和损耗之间的相互作用以及不同组分之间的耦合强度会产生许多有趣的现象，例如相干完美吸收、拓扑相控制、手性模式和增强的传感等。此外，pt对称概念也用于实现稳定传输的无线能量传输(wirelesspowertransfer，wpt)技术。射频(radio-frequency，rf)wpt技术在可植入医疗器件、电动汽车等一系列实际应用中引起了巨大的研究兴趣。一般而言，wpt系统主要由两个磁耦合谐振线圈(发射线圈和接收线圈)组成，分别放置在源和负载端。分别调节源与发射线圈、发射线圈与接收线圈、接收线圈与负载端之间的耦合速率，可以获得有效的能量传输。但是，在二阶pt对称电子系统中，精确的pt对称相需要很强的耦合强度，这会导致分叉的纯实的本征频率出现，因此我们需要调节工作频率以跟踪具有变化的与耦合强度有关的纯实数本征频率。此外，当系统处在破缺的pt相(即弱耦合区域)，尽管本征频率的实部不变，由于本征频率虚部的增加，系统的传输效率会随耦合距离的增大而急剧下降。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种高阶空间—时间对称的无线能量传输系统及方法，解决现有的频率追踪wpt技术中由于本征频率虚部的增加使得系统的传输效率会随着耦合距离的增大而急剧下降的问题。实现无需频率追踪、无需增加额外线圈或优化线圈结构，在较大的耦合距离范围内都能获得较优的传输效率。
实现上述目的的技术方案是：
本发明提供了一种高阶空间—时间对称的无线能量传输方法，包括如下步骤：
提供n阶复合线圈，所提供的n阶复合线圈包括n个谐振电路，其中n大于等于1，且n为奇数，当n大于等于3时，所述的n阶复合线圈中相邻的两个谐振电路的连接端部接入一散射电容；
提供m阶复合线圈，所提供的m阶复合线圈包括m个谐振电路，其中m大于等于2，且m为偶数，所述的m阶复合线圈中相邻的两个谐振电路的连接端部处接入一散射电容；
将所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路耦合连接以实现无线能量传输；
为所述的n阶复合线圈连接负载、为所述的m阶复合线圈连接交流供电源；或者为所述的n阶复合线圈连接交流供电源、为所述的m阶复合线圈连接负载；
在无线能量传输过程中，根据所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路间的耦合强度的变化，调节n m个谐振电路中与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路和m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路中的电容，以获得最佳无线能量传输效率。
本发明提供了一种三阶及其以上的高阶空间—时间对称的无线能量传输方法，且高阶为奇数阶，利用奇数阶空间—时间对称性表现出的独特的与耦合距离无关的纯实数本征频率，使得无线能量传输方法无需频率追踪，并根据无线能量传输中的耦合距离变化来调节电容的大小，在不改变线圈结构或者添加额外的线圈的情况下较大的耦合距离范围内都能获得较优传输效率，解决了现有的二阶pt对称中存在的传输效率会随着耦合距离的增大而急剧下降的问题。与二阶pt对称系统相比，高阶空间—时间对称的无线能量传输中的异常点(ep)对应的临界耦合强度更小，相应的耦合距离更大，从而使得无线能量有效传输的距离也更大。
本发明的高阶空间—时间对称的无线能量传输方法的进一步改进在于，在相邻的两个谐振电路中接入散射电容时，将所述散射电容的一端连接在相邻的两个谐振电路中的线圈之间，另一端连接在相邻的两个谐振电路中的电容之间。
本发明的高阶空间—时间对称的无线能量传输方法的进一步改进在于，在调节电容时，调节n m个谐振电路中与所述的n阶复合线圈中的第一谐振电路相对称的谐振电路中的电容、与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路中的电容以及连接在与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路和m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路之间的散射电容，让调节电容形成的耦合强度与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路间的耦合强度相等。
本发明的高阶空间—时间对称的无线能量传输方法的进一步改进在于，当所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路为所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路；
当所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路为所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路。
本发明的高阶空间—时间对称的无线能量传输方法的进一步改进在于，所述的n阶复合线圈中的n为3，所述的m阶复合线圈中的m为2。
本发明还提供了一种高阶空间—时间对称的无线能量传输系统，包括：
n阶复合线圈，包括n个谐振电路，其中n大于等于1，且n为奇数，当n大于等于3时，所述的n阶复合线圈中相邻的两个谐振电路的连接端部接入一散射电容；
m阶复合线圈，包括m个谐振电路，其中m大于等于2，且m为偶数，所述的m阶复合线圈中相邻的两个谐振电路的连接端部处接入一散射电容；所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路耦合连接以实现无线能量传输；
与所述的n阶复合线圈连接的第一端口，所述第一端口可连接负载或交流供电源；
与所述的m阶复合线圈连接的第二端口，所述第二端口可连接交流供电源或负载；以及
与所述的n阶复合线圈或者所述的m阶复合线圈连接的处理模块，所述处理模块用于根据所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路间的耦合强度的变化，调节n m个谐振电路中与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路和m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路中的电容，以获得系统的最佳能量传输效率。
本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统的进一步改进在于，所述散射电容的一端连接在相邻的两个谐振电路中的线圈之间，另一端连接在相邻的两个谐振电路中的电容之间。
本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统的进一步改进在于，所所述处理模块在调节电容时，调节n m个谐振电路中与所述的n阶复合线圈中的第一谐振电路相对称的谐振电路中的电容、与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路中的电容以及连接在与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路和m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路之间的散射电容，让调节电容形成的耦合强度与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路间的耦合强度相等。
本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统的进一步改进在于，当所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，所述处理模块将所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路作为与其相对称的谐振电路；
当所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，所述处理模块将所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路作为与其相对称的谐振电路。
本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统的进一步改进在于，所述的n阶复合线圈中的n为3，所述的m阶复合线圈中的m为2。
附图说明
图1为本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统中三阶的等效电路图。
图2为本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统中的五阶的第一实施例的等效电路图。
图3为本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统中的五阶的第二实施例的等效电路图。
图4为本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统中的七阶的第一实施例的等效电路图。
图5为本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统中的七阶的第二实施例的等效电路图。
图6为本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统及方法中三阶与五阶同现有技术中的二阶传输效率随距径比的变化示意图。
图7为本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统及方法中三阶与五阶同现有技术中的二阶传输效率随耦合强度的变化示意图。
图8为本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
参阅图1，本发明提供了一种高阶空间—时间对称的无线能量传输系统及方法，用于解决现有技术中的无线能量传输中传输效率会随着耦合距离的增大而急剧下降的问题。该无线能量传输系统及方法适用于无线电能的传输，用于提供一种稳定的传输效率，使其不会因耦合距离的变化而急剧下降。本发明的无线能量传输系统及方法利用奇数阶空间—时间对称性表现出的独特的与耦合距离无关的纯实数本征频率特征来实现无需频率追踪的高效稳定的无线能量传输，在无线能量传输过程中，根据耦合距离的变化来调节相应的电容的大小，以实现高阶pt对称性，从而实现最佳的传输效率。下面结合附图对本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统及方法进行说明。
参阅图1，显示了本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统中三阶的等效电路图。下面结合图1，对本发明高阶空间—时间对称的无线能量传输系统进行说明。
如图1所示，本发明的高阶空间—时间对称的无线能量传输系统包括n阶复合线圈20、m阶复合线圈30、第一端口40、第二端口50以及处理模块；其中的n阶复合线圈20包括n个谐振电路，其中n大于等于1，且n为奇数，也即n阶复合线圈20为奇数阶复合线圈，其包括奇数个谐振电路，当n大于等于3时，结合图2所示，该n阶复合线圈20中相邻的两个谐振电路的连接端部接入一散射电容。m阶复合线圈30包括m个谐振电路，其中m大于等于2，且m为偶数，也即该m阶复合线圈30为偶数接复合线圈，其包括偶数个谐振电路，该m阶复合线圈30中的相邻的两个谐振电路的连接端部处接入一散射电容。m阶复合线圈30中的第一个谐振电路与n阶复合线圈20中的第一个谐振电路耦合连接以实现无线能量传输，具体地，如图1所示，m阶复合线圈30的第一个谐振电路中的谐振线圈l21与n阶复合线圈20的第一个谐振电路中的谐振线圈l11耦合连接。
第一端口40与n阶复合线圈20连接，该第一端口40可连接负载或交流供电源，当第一端口40与负载连接时，该n阶复合线圈20作为能量接收端，通过第一端口40为负载供电；当第一端口40与交流供电源连接时，该n阶复合线圈20作为能量发射端，为对应的能量接收端提供电源。
第二端口50与m阶复合线圈30连接，该第二端口50可连接交流供电源或负载，具体地，当第一端口40与负载连接时，该第二端口50与交流供电源连接，交流供电源为m阶复合线圈30提供交流电，经由m阶复合线圈30的第一个谐振电路的谐振线圈传输给n阶复合线圈20的第一个谐振电路的谐振线圈，再通过第一端口40提供给负载，实现为负载供电或充电。当第一端口40与交流供电源连接时，该第二端口50与负载连接，交流供电源提供的交流电经过n阶复合线圈20、m阶复合线圈30以及第二端口50传输给负载，实现为负载供电或充电。
处理模块与n阶复合线圈20或者m阶复合线圈30连接，该处理模块用于根据n阶复合线圈20中的第一个谐振电路与m阶复合线圈30中的第一个谐振电路间的耦合强度的变化，n m个谐振电路中与n阶复合线圈20中的第一个谐振电路和m阶复合线圈30中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路中的电容，以获得系统的最佳能量传输效率。由于n为奇数，m为偶数，n m个谐振电路是奇数，该奇数个谐振电路以位于中间的谐振电路为轴相对称设置，从而在将n阶复合线圈20中的第一个谐振电路与m阶复合线圈30中的第一个谐振电路连接在一起后，就能够找到n m个谐振电路中位于中间的谐振电路，进而可以该中间的谐振电路为轴，得到与n阶复合线圈20中的第一个谐振电路相对称的谐振电路，和与m阶复合线圈30中的第一个谐振电路相对称的谐振电路，将这两个谐振电路中连接的电容设置成可调电容，通过调节电容来获得系统的最佳能量传输效率。
本发明的无线能量传输系统包括n阶复合线圈20和m阶复合线圈30，n为奇数，m为偶数，该n阶复合线圈20和m阶复合线圈30耦合后形成了奇数阶空间—时间对称的无线能量传输系统，利用奇数阶空间—时间对称性表现出的独特的与耦合距离无关的纯实数本征频率特征，本发明的无线能量传输系统将n阶复合线圈20和m阶复合线圈30分别作为能量发射端和能量接收端，让n阶复合线圈20和m阶复合线圈30中的发射线圈和接收线圈均在上述的纯实数本征频率下工作，可免去设计复杂的频率追踪电路。在无线电能传输方法实施例中，线圈之间的耦合距离发生变化，相应的耦合强度也随之发生变化，通过调节复合线圈中的电容值使得电容引起的耦合强度与距离引起的耦合强度相等，以获得系统的最佳传输效率。当系统处于理想状态(即系统没有任何本征损耗)时，可实现100％的传输效率，效果如图7所示；在实际情况(系统存在真实本征损耗)中，能量传输效率会随耦合强度的下降而降低，但下降程度比较缓慢，效果如图6所示。
较佳地，n阶复合线圈20和m阶复合线圈30中的谐振电路均包括一个电容和一个线圈，且n阶复合线圈20和m阶复合线圈30的第一个谐振电路中的线圈为谐振线圈，作为发射线圈或者接收线圈，该谐振线圈采用分布式线圈。n阶复合线圈20和m阶复合线圈30中除第一个谐振电路之外的所有谐振电路中的线圈为集总式电感。进一步地，谐振线圈由绝缘非磁性框架和导线组成，该绝缘非磁性框架为透明圆柱形有机玻璃管，该导线为利兹线，该有机玻璃管的材质为聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)，该有机玻璃管的外半径为30cm、内半径为29.3cm、厚度为0.7cm、长度为6.5cm；该利兹线是以聚氨酯漆包线为芯线的涤纶丝包线，规格为0.078*400股，该利兹线的截面直径约为3.9mm，铜芯截面积约为1.91mm2；将该利兹线在该有机玻璃管侧面进行多重密绕，绕制圈数优选为25圈，且具有小于工作波长的1/1000的单元尺寸，以能够实现具有深亚波长特征之特性。集总式电感为环形fesial电感，型号为s106125，27mm，12a；电容均为可耐1000v以上高电压的集总式金属化聚酯膜直插电容。
在本发明的一种具体实施方式中，散射电容的一端连接在相邻的两个谐振电路中的线圈之间，另一端连接在相邻的两个谐振电路中的电容之间。在图1所示的实例中，m阶复合线圈30为二阶复合线圈，包括两个谐振电路，第一个谐振电路中的谐振线圈l21与第二个谐振电路中的线圈l22连接，第一个谐振电路中的谐振电容c21与第二个谐振电路中的电容c22连接，散射电容c00的一端连接在谐振线圈l21和线圈l22之间，另一端连接在谐振电容c21和电容c22之间，第二端口50连接在线圈l22和电容c22之间。在图2所示的实例中，n阶复合线圈20为三阶复合线圈，包括三个谐振电路，第一个谐振电路中的谐振线圈l31与第二个谐振电路中的线圈l32和第三个谐振电路中的线圈l33连接，第一个谐振电路中的电容c31与第二个谐振电路中的电容c32和第三个谐振电路中的电容c33连接，一散射电容c01的一端接连接在谐振线圈l31和线圈l32之间，另一端连接在谐振电容c32和电容c32之间；另一散射电容c03的一端连接在线圈l32和线圈l33之间，另一端连接在电容c32和电容c33之间，第一端口40连接在线圈l33和电容c33之间。
在本发明的一种具体实施方式中，如图1和图2所示，处理模块在调节电容时，调节n m个谐振电路中与n阶复合线圈20中的第一谐振电路相对称的谐振电路中的电容、与m阶复合线圈30中的第一个谐振电路相对称的谐振电路中的电容以及连接在与n阶复合线圈20中的第一个谐振电路和m阶复合线圈30中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路之间的散射电容，让调节电容形成的耦合强度与n阶复合线圈20中的第一个谐振电路与m阶复合线圈30中的第一个谐振电路间的耦合强度相等。
以图1为例，n为1，m为2，该系统共有3个谐振电路，n阶复合线圈20中的第一个谐振电路与m阶复合线圈30中的第二个谐振电路以m阶复合线圈30中的第一个谐振电路为轴相对称设置，可视为m阶复合线圈30中的第一个谐振电路与其自身相对称，处理模块在图1所示的系统中，调节m阶复合线圈30中第一个谐振电路中的电容c21、m阶复合线圈30第二个谐振电路中的电容c22以及连接在m阶复合线圈30的第一个谐振电路和第二个谐振电路之间的散射电容c00。
较佳地，在图1所示的系统中，m阶复合线圈30中的第一个谐振电路中的电容、第二个谐振电路中的电容以及连接在第一个谐振电路和第二个谐振电路之间的散射电容均为可调电容。
在无线能量传输系统中，当能量发射端和能量接收端之间的距离发生变化时，结合图1所示，也就是谐振线圈l11和谐振线圈l21之间的距离发生了变化，谐振线圈l11和谐振线圈l21间的耦合强度随之发生变化，处理模块监测到谐振线圈l11和谐振线圈l21间的耦合强度的变化，根据该耦合强度的变化自适应的调节电容c21、电容c22和散射电容c00，使得调节电容c21、电容c22以及散射电容c00形成的的耦合强度与谐振线圈l11和谐振线圈l21间的耦合强度相等，获得系统的最佳能量传输效率，实现了系统稳定的传输能量的效果。
在本发明的一种具体实施方式中，当n阶复合线圈20中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，处理模块将的n阶复合线圈20中的第一个谐振电路作为与其相对称的谐振电路；当m阶复合线圈30中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，处理模块将的m阶复合线圈30中的第一个谐振电路作为与其相对称的谐振电路。
如图2所示，图2所示的系统中，n为3，m为2，共5个谐振电路，假若将n阶复合线圈20中的第一个谐振电路和m阶复合线圈30中第一个谐振电路连接起来，该5个谐振电路形成以n阶复合线圈20中的第一个谐振电路为轴对称设置的电路结构，其中与m阶复合线圈30中的第一个谐振电路相对称的谐振电路是n阶复合线圈20中的第二个谐振电路，而n阶复合线圈30的第一个谐振电路处于n m个谐振电路的中间位置，其与自身相对称，处理模块在调节图2所示的系统中的电容时，调节n阶复合线圈20中第一个谐振电路的电容c31、第二个谐振电路的电容c32以及连接在第一个谐振电路和第二个谐振电路之间的散射电容c01，让调节电容形成的耦合强度与n阶复合线圈20中的第一个谐振电路与m阶复合线圈20中的第一个谐振电路间的耦合强度相等。
较佳地，n阶复合线圈20中的第一谐振电路中的电容c31、第二个谐振电路中的电容c32以及连接在第一个谐振电路和第二个谐振电路之间的散射电容c01均为可调电容。
在本发明的一种具体实施方式中，图1所示为三阶空间—时间对称的无线能量传输系统的等效电路图，其中的n阶复合线圈20为一阶复合线圈，包括一个谐振电路，谐振线圈l11与电容c11串接，并在谐振线圈l11与电容c11之间连接第一端口40；m阶复合线圈30为二阶复合线圈，包括两个谐振电路，谐振线圈l21与电容c21串接，线圈l22与谐振线圈l21串接，线圈l22和电容c22之间连接第二端口50，电容c22与谐振电容c21连接，散射电容c00一端接入谐振线圈l21和线圈l22之间，另一端接入到谐振电容c21和电容c22之间。其中的n阶复合线圈20可以作为发射端，也可以作为接收端，相应地，m阶复合线圈30可以作为接收端，也可也作为发射端。谐振线圈l21和谐振线圈l11耦合连接，实现无线电能传输。
在该三阶空间—时间对称的无线能量传输系统中，谐振线圈l11、谐振线圈l21以及线圈l22的电感值相等。电容c11为固值，电容c21、电容c22以及散射电容c00为可调电容，且电容c21与电容c22的电容值相等。电容c11、电容c22以及散射电容c00符合如下关系式：
在图1所示的实施例中，相应的参数值设定如下：l21＝l21＝l11＝l＝0.737mh，c11＝4.76nf。由耦合距离d导致的耦合强度k的变化关系式可近似为：k＝16exp(-0.43*d)。当耦合距离d变化引起耦合强度k发生变化时，相应的调节电容c00、c21及c22带来的耦合强度k1也要发生变化以保证k1＝k，从而获得最佳的能量传输效率。较佳地，随着d从0增大到60cm时，将c00从7.95nf增大到149.6nf，c22从11.86nf减少至4.91nf，系统能够获得最佳的能量传输效率。
进一步地，在调节电容c21、电容c22以及散射电容c00的大小时，处理模块可利用上述两个关系式快速计算出适应变化后的耦合强度的电容大小，再将电容c21、电容c22以及散射电容c00调节到位。处理模块还可以先快速地为散射电容c00赋值，而后逐级地调节电容c21和电容c22，让三个电容的耦合强度快速地与耦合强度k相一致。
再进一步地，处理模块可实时检测系统的耦合强度k，具体地，处理模块可实时获取谐振线圈l21和谐振线圈l11间的互感系数，通过互感系数与系统的共振频率相乘即可得到耦合强度。较佳地，通过在接收端或者发射端接入网络分析仪可直接获得谐振线圈l21和谐振线圈l11间的耦合强度。处理模块还可以实时检测系统中的谐振线圈l21和谐振线圈l11间的耦合距离，通过耦合距离计算得到耦合强度。
更进一步地，可通过网络分析仪实时测量系统的透射系数，利用透射系数可计算出系统的能量传输效率。该能量传输效率η＝|s|2，s表示透射系统。
本实施例中，谐振线圈l21和谐振线圈l11的共振频率f0与线圈的电感值l和谐振电容c的关系为：
又进一步地，本实施例中的m阶复合线圈30中除了谐振线圈l21外的线圈与电容均可集成在一个pcb板上，能够节约系统空间，谐振线圈l21与该pcb板电性连接，该谐振线圈l21设于pcb板的旁侧。
在本发明的一种具体实施方式中，图2所示为一种五阶空间—时间对称的无线能量传输系统的等效电路图，n阶复合线圈20中的n为3，的m阶复合线圈20中的m为2，电路的具体连接如图2所示，同样地，n阶复合线圈20可以作为发射端，也可以作为接收端，相应地，m阶复合线圈30可以作为接收端，也可也作为发射端。谐振线圈l21和谐振线圈l31耦合连接，实现无线电能传输。
在该第一种五阶空间—时间对称的系统中，谐振线圈l21、谐振线圈l31、线圈l22、线圈l32以及线圈l33的电感值相等。电容c22、电容c21、散射电容c00以及电容c33为固值，且电容c21与电容c22的电容值相等，散射电容c03与散射电容c00的电容值相等，m阶复合线圈30的等效电容c与散射电容c00和电容c22的关系为：
在图2所示的实施例中，相应的参数值设定如下：l21＝l22＝l31＝l32＝l33＝l＝0.737mh，c＝4.76nf，f0＝85khz。由耦合距离d导致的耦合强度k的变化关系式近似为：k＝16exp(-0.43*d)。当耦合距离d变化引起耦合k发生变化时，相应的调节电容c01、c31及c32带来的耦合强度k1也要发生变化以保证k1＝k。较佳地，随着d从0增大到60cm时，将c01从10.97nf增大到149.6nf，c31从36.01nf减少至5.08nf，c32从14.95nf减少至5.38nf，系统可获得最佳传输效率。
此外，为减少系统的可调参数，我们还固定相关参数：c00＝c03＝57.43nf，c21＝c22＝c33＝5.19nf，使得由支路电容c00和c03引起的耦合强度k2满足关系式：
进一步地，在调节电容大小时，处理模块可利用上述关系式快速计算出适应变化后的耦合强度的电容大小，再将电容c31、电容c32以及散射电容c01调节到位。处理模块还可以先快速地为散射电容c01赋值，而后逐级地调节电容c31和电容c32，让三个电容的耦合强度快速地与耦合强度k相一致。
在本发明的一种具体实施方式中，图3所示为另一种五阶空间—时间对称的无线能量传输系统的等效电路图，n阶复合线圈20中的n为1，的m阶复合线圈20中的m为4，电路的具体连接如图3所示，同样地，n阶复合线圈20可以作为发射端，也可以作为接收端，相应地，m阶复合线圈30可以作为接收端，也可也作为发射端。谐振线圈l11和谐振线圈l41耦合连接，实现无线电能传输。此时电容c43、散射电容c00以及电容c44为可调电容，其余电容均为固值。
在本发明的一种具体实施方式中，图4所示为一种七阶空间—时间对称的无线能量传输系统的等效电路图，n阶复合线圈20中的n为5，m阶复合线圈20中的m为2，电路的具体连接如图4所示，同样地，n阶复合线圈20可以作为发射端，也可以作为接收端，相应地，m阶复合线圈30可以作为接收端，也可也作为发射端。谐振线圈l21和谐振线圈l51耦合连接，实现无线电能传输。此实施例中，可以让电容c53、散射电容c01以及电容c54为可调电容，其余电容均为固值。
在本发明的一种具体实施方式中，图5所示为另一种七阶空间—时间对称的无线能量传输系统的等效电路图，n阶复合线圈20中的n为3，m阶复合线圈20中的m为4，电路的具体连接如图5所示，同样地，n阶复合线圈20可以作为发射端，也可以作为接收端，相应地，m阶复合线圈30可以作为接收端，也可也作为发射端。谐振线圈l31和谐振线圈l41耦合连接，实现无线电能传输。此实施例中，可以让电容c41、散射电容c00以及电容c42为可调电容，其余电容均为固值。
提供图1所示的三阶空间—时间对称的无线能量传输系统，图2所示的五阶空间—时间对称的无线能量传输系统，与现有的二阶空间—时间对称的无线能量传输系统进行无线能量传输实验。如图6所示，显示了在相同条件下三种系统的传输效率随距径比的变化，图6中实心球与虚线结合的曲线为二阶系统的传输效率变化曲线，实心星星与实线结合的曲线为三阶系统的传输效率变化曲线，空心星星与虚线结合的曲线为五阶系统的传输效率变化曲线。从图6所示可知，当传输效率下降到50％时，二阶、三阶和五阶的无线传输系统相应的距径比分别为1、1.4和1.6，在相同条件下，阶数越高，有效传输距离越大。其中的距径比为耦合距离与谐振线圈缠绕的半径的比值。在不考虑系统的本征损耗情况下，上述的三种系统的传输效率随耦合强度变化如图7所示，耦合强度与耦合距离相关，耦合强度越小，耦合距离越大。从图7可知，二阶系统在弱耦合区域的传输效率随着耦合强度的减小而迅速下降，而三阶和五阶系统能够保证不随耦合强度变化而变化的100％传输效率。虽然理论上，无线能量传输系统的能量传输效率不受耦合距离的影响，但耦合距离在一定范围内，系统的传输效率的稳定性最佳，该耦合距离的范围较佳为谐振线圈的半径发1.5倍左右。
本发明还提供了一种高阶空间—时间对称的无线能量传输方法，包括如下步骤：
如图8所示，执行步骤s101，提供n阶复合线圈，所提供的n阶复合线圈包括n个谐振电路，其中n大于等于1，且n为奇数，当n大于等于3时，n阶复合线圈中相邻的两个谐振电路的连接端部接入一散射电容；接着执行步骤s102；
执行步骤s102，提供m阶复合线圈，所提供的m阶复合线圈包括m个谐振电路，其中m大于等于2，且m为偶数，m阶复合线圈中相邻的两个谐振电路的连接端部处接入一散射电容；接着执行步骤s103；
执行步骤s103，将n阶复合线圈中的第一个谐振电路与m阶复合线圈中的第一个谐振电路耦合连接以实现无线能量传输；接着执行步骤s104；
执行步骤s104，为n阶复合线圈连接负载、为m阶复合线圈连接交流供电源；或者为n阶复合线圈连接交流供电源、为m阶复合线圈连接负载；接着执行步骤s105；
执行步骤s105，在无线能量传输过程中，根据的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与的m阶复合线圈中的第一个谐振电路间的耦合强度的变化，调节n m个谐振电路中与n阶复合线圈中的第一个谐振电路和m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路中的电容，以实现合成的n m阶pt对称，从而获得最佳无线能量传输效率。
在本发明的一种具体实施方式中，接入散射电容时，将散射电容的一端连接在相邻的两个谐振电路中的线圈之间，另一端连接在相邻的两个谐振电路中的电容之间。
在本发明的一种具体实施方式中，在调节电容时，调节n m个谐振电路中与n阶复合线圈中的第一谐振电路相对称的谐振电路中的电容、与m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路中的电容以及连接在与n阶复合线圈中的第一个谐振电路和m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路之间的散射电容，让调节电容形成的耦合强度与n阶复合线圈中的第一个谐振电路与m阶复合线圈中的第一个谐振电路间的耦合强度相等。
在本发明的一种具体实施方式中，当n阶复合线圈中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，与n阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路为n阶复合线圈中的第一个谐振电路；
当m阶复合线圈中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，与m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路为m阶复合线圈中的第一个谐振电路。
在本发明的一种具体实施方式中，n阶复合线圈中的n为3，m阶复合线圈中的m为2。
以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
1.一种高阶空间—时间对称的无线能量传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供n阶复合线圈，所提供的n阶复合线圈包括n个谐振电路，其中n大于等于1，且n为奇数，当n大于等于3时，所述的n阶复合线圈中相邻的两个谐振电路的连接端部接入一散射电容；
提供m阶复合线圈，所提供的m阶复合线圈包括m个谐振电路，其中m大于等于2，且m为偶数，所述的m阶复合线圈中相邻的两个谐振电路的连接端部处接入一散射电容；
将所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路耦合连接以实现无线能量传输；
为所述的n阶复合线圈连接负载、为所述的m阶复合线圈连接交流供电源；或者为所述的n阶复合线圈连接交流供电源、为所述的m阶复合线圈连接负载；
在无线能量传输过程中，根据所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路间的耦合强度的变化，调节n m个谐振电路中与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路和m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路中的电容，以获得最佳无线能量传输效率。
2.如权利要求1所述的高阶空间—时间对称的无线能量传输方法，其特征在于，在相邻的两个谐振电路中接入散射电容时，将所述散射电容的一端连接在相邻的两个谐振电路中的线圈之间，另一端连接在相邻的两个谐振电路中的电容之间。
3.如权利要求1所述的高阶空间—时间对称的无线能量传输方法，其特征在于，在调节电容时，调节n m个谐振电路中与所述的n阶复合线圈中的第一谐振电路相对称的谐振电路中的电容、与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路中的电容以及连接在与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路和m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路之间的散射电容，让调节电容形成的耦合强度与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路间的耦合强度相等。
4.如权利要求3所述的高阶空间—时间对称的无线能量传输方法，其特征在于，当所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路为所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路；
当所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路为所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路。
5.如权利要求1所述的高阶空间—时间对称的无线能量传输方法，其特征在于，所述的n阶复合线圈中的n为3，所述的m阶复合线圈中的m为2。
6.一种高阶空间—时间对称的无线能量传输系统，其特征在于，包括：
n阶复合线圈，包括n个谐振电路，其中n大于等于1，且n为奇数，当n大于等于3时，所述的n阶复合线圈中相邻的两个谐振电路的连接端部接入一散射电容；
m阶复合线圈，包括m个谐振电路，其中m大于等于2，且m为偶数，所述的m阶复合线圈中相邻的两个谐振电路的连接端部处接入一散射电容；所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路耦合连接以实现无线能量传输；
与所述的n阶复合线圈连接的第一端口，所述第一端口可连接负载或交流供电源；
与所述的m阶复合线圈连接的第二端口，所述第二端口可连接交流供电源或负载；以及
与所述的n阶复合线圈或者所述的m阶复合线圈连接的处理模块，所述处理模块用于根据所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路间的耦合强度的变化，调节n m个谐振电路中与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路和m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路中的电容，，以获得系统的最佳能量传输效率。
7.如权利要求6所述的高阶空间—时间对称的无线能量传输系统，其特征在于，所述散射电容的一端连接在相邻的两个谐振电路中的线圈之间，另一端连接在相邻的两个谐振电路中的电容之间。
8.如权利要求6所述的高阶空间—时间对称的无线能量传输系统，其特征在于，所述处理模块在调节电容时，调节n m个谐振电路中与所述的n阶复合线圈中的第一谐振电路相对称的谐振电路中的电容、与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的谐振电路中的电容以及连接在与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路和m阶复合线圈中的第一个谐振电路相对称的两个谐振电路之间的散射电容，让调节电容形成的耦合强度与所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路与所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路间的耦合强度相等。
9.如权利要求6所述的高阶空间—时间对称的无线能量传输系统，其特征在于，当所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，所述处理模块将所述的n阶复合线圈中的第一个谐振电路作为与其相对称的谐振电路；
当所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路位于n m个谐振电路的中间位置时，所述处理模块将所述的m阶复合线圈中的第一个谐振电路作为与其相对称的谐振电路。
10.如权利要求6所述的高阶空间—时间对称的无线能量传输系统，其特征在于，所述的n阶复合线圈中的n为3，所述的m阶复合线圈中的m为2。
技术总结