CN101924399B - 基于磁共振的中继无线供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种基于磁共振的中继无线供电系统。本发明包括频率发生模块、发射模块、中继模块、接收模块、高频整流模块和稳压模块，频率发生模块的信号输出端连接到发射模块的信号输入端，发射模块的输出信号经自由空间传播到中继模块，中继模块的输出信号经自由空间传播到接收模块，接收模块的信号输出端连接到高频整流模块的信号输入端，高频整流模块的信号输出端连接到稳压模块的信号输入端，稳压模块的信号输出端连接到负载。本发明摆脱了有线电源的限制，避免了电源导线布线的不便，特别适用于不方便布线的应用环境，如医学植入、物联网相关的传感器网络等。

Description

基于磁共振的中继无线供电系统

技术领域

本发明涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种基于磁共振的中继无线供电系统。

背景技术

现代人拥有各种电子产品，这些产品即使是无线产品，也仅仅是信号传输无线，即无线‘通讯，装置，因为它们仍然需要藉由一条电线把电源从墙上的插座传送到设备中或电池中，而不是全然的‘无线’，仍然无法摆脱电源线的束缚。研制无线供电系统，能将人们从这些电源线中解放出来，真正享受无线的快乐和便捷。对于一些无法或不方便使用导线供电以及使用电池维护成本过高的特殊场合，如心脏起搏器等医用植入设备、或桥梁压力传感等传感器网络，无线供电系统具有极大的应用价值。

众所周知，周围磁场的变化将在电线中产生电流。但是电磁辐射无方向性，能量耗散在无用的空间中，传输效率很低。过去研究的无线供电主要有两种方式。一种是基于微波束或激光，微波束或激光的传输效率高，但是会随距离发散，为了使波束更紧密，需要非常巨大的天线。此外，为了保证传输效率，发射端和接收端中间不能有障碍物。另一种是基于电磁感应，该项技术已有100多年历史。电磁感应，也称变压器技术，因其具有简单、高效以及安全等特性，现已广泛应用于各种电子设备。它主要利用的是近场电磁耦合原理，因此传输距离很短，只有毫米量级。

发明内容

针对以上存在的技术问题，本发明的目的是提供一种基于磁共振的中继无线供电系统，能有效的提高传输距离，且能穿越障碍，支持多接收目标，接收线圈尺寸可以很小。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

频率发生模块、发射模块、中继模块、接收模块、高频整流模块和稳压模块，频率发生模块的信号输出端连接到发射模块的信号输入端，发射模块的输出信号经自由空间传播到中继模块，中继模块的输出信号经自由空间传播到接收模块，接收模块的信号输出端连接到高频整流模块的信号输入端，高频整流模块的信号输出端连接到稳压模块的信号输入端，稳压模块的信号输出端连接到负载。

所述中继模块由N个中继子模块组成，所述N≥1，其中每个中继子模块由中继侧电感线圈和中继侧耦合电容组成，采用并联方式连接；

所述中继侧电感线圈以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制，且封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；

所述中继侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以与发射模块产生共振；

所有的中继模块均调谐到工作频率，与发射模块和接收模块共振。

所述接收模块由M个接收子模块组成，所述M≥1，其中每个接收子模块由接收侧电感线圈和接收侧耦合电容组成，采用并联方式连接；

所述接收侧电感线圈以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制，且封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；

所述接收侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，在工作频率点上与发射模块、中继模块产生共振；

所述接收侧电感线圈位于以中继侧线圈为圆心，半径为中继侧电感线圈直径的2-4倍的圆面积内的任意位置。

发射侧电感线圈、中继侧电感线圈直径均为270mm，匝数2圈，接收侧电感线圈直径为270mm，匝数2圈，或者直径为10mm，匝数为10圈。

所述频率发生模块采用考比兹振荡电路构成，由电感、电容组成振荡回路，反馈信号由电容两端取出反馈到NPN晶体管Q1的输入端。

所述发射模块由发射侧电感线圈和发射侧耦合电容组成，发射侧电感线圈和发射侧耦合电容采用并联方式连接；

所述发射侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以发生谐振。

所述高频整流模块采用栅交叉耦合的NMOS、PMOS管桥式整流电路构成。

所述稳压模块由三个串联的二极管与电阻组成电压感应器，控制泄流晶体管的栅极电压，使其导通时能将储能电容上的多余电荷释放掉。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)与现有有线供电技术相比，本发明摆脱了有线电源的限制，避免了电源导线布线的不便，特别适用于不方便布线的应用环境，如医学植入、物联网相关的传感器网络等；

2)与现有无线供电技术相比，本发明利用磁共振原理，能有效的进行能量传输，且能穿越障碍；

3)通过中继模块，可以对磁场能量进行多次中继传输，大大提高了无线供电的距离；

4)支持多个接收模块，且接收侧电感线圈无需与发射侧电感线圈同轴，支持小直径接收侧电感线圈。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的基于磁共振的中继无线供电系统的电路框图。

图2是本发明实施例1提供的基于磁共振的中继无线供电系统的频率发生模块的电路图。

图3是本发明实施例1提供的基于磁共振的中继无线供电系统的高频整流模块的电路图。

图4是本发明实施例1提供的基于磁共振的中继无线供电系统的稳压模块的电路图。

图5是本发明实施例2提供的基于磁共振的中继无线供电系统的电路框图。

图6是本发明实施例3提供的基于磁共振的中继无线供电系统的电路框图。

具体实施方式

下面以四个具体实施例分别结合附图对本发明作进一步说明：

具体实施例1

本实施方式的基于磁共振的中继无线供电系统包括频率发生模块1、发射模块2、中继模块3、接收模块4、高频整流模块5和稳压模块6，频率发生模块1的信号输出端连接到发射模块2的信号输入端；发射模块2的输出信号经自由空间传播到中继模块3；中继模块3的输出信号经自由空间传播到接收模块4；接收模块4的信号输出端连接到高频整流模块5的信号输入端；高频整流模块5的信号输出端连接稳压模块6的信号输入端；稳压模块6的信号输出端连接到负载。

频率发生模块1主要完成振荡信号的产生，为能量的传递提供一个发射频率；频率发生模块采用考比兹振荡电路产生系统需要的工作频率，电路结构参见图2所示，其中由L1-2、C1-2和C1-3组成了振荡回路，反馈信号由C1-3两端取出反馈到NPN晶体管Q1的输入端，R1-1是电感线圈L1-1的等效损耗电阻，R1-2、R1-3是偏置电阻。根据应用需要，调节电路参数，可以产生不同的发射频率。

发射模块2由发射侧电感线圈L2和发射侧耦合电容C2组成。发射侧电感线圈L2和发射侧耦合电容C2采用并联连接，所述发射侧耦合电容C2为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以发生谐振。

中继模块3位于发射模块2和接收模块4之间，接收发射模块2发射后经自由空间传输的磁场能量，中继后经自由空间传输到接收模块4；中继模块3由一个中继模块组成，包括中继侧电感线圈L3和中继侧耦合电容C3，其中，中继侧电感线圈L3和中继侧耦合电容C3采用并联连接，所述中继侧电感线圈L3以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制，且封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；中继侧耦合电容C3为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以与发射模块产生共振；中继侧电感线圈L3与发射侧电感线圈L2距离为发射侧电感线圈直径的2-4倍。

接收模块4接收中继模块3经自由空间传输的磁场能量，由一个接收模块组成，包括接收侧电感线圈L4和接收侧耦合电容C4组成，其中，接收侧电感线圈L4和接收侧耦合电容C4采用并联连接，接收侧电感线圈L4以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制，且封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；接收侧耦合电容C4为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以与发射模块2、中继模块3产生共振；接收侧电感线圈L4无需与发射侧线圈L1处于同轴位置，可以位于以中继侧线圈L3为圆心，半径为中继侧电感线圈L2直径的2-4倍的圆面积内的任意位置。

高频整流模块5对接收模块的输出信号进行高频整流，输出供负载使用的直流信号；高频整流模块采用栅交叉耦合的NMOS、PMOS管桥式整流电路，电路结构参见图3，其中：M5-1和M5-3是PMOS管，M5-2和M5-4是NMOS管；当输入的交流电压为正半周时，M5-1和M5-4导通，M5-2和M5-3断开；当输入的交流电压为负半周时，M5-2和M5-3导通，M5-1和M5-4断开，整个周期输出电压方向一致。

稳压模块6对高频整流模块的输出信号进行稳压，输出稳定的电压供负载使用；电路结构参见图4，三个串联的二极管D6-1、D6-2和D6-3与电阻R6组成电压感应器，控制泄流管M6的栅极电压；当电压升高到一定程度，超过三个二极管开启电压之和后，M6栅极电压升高，M6导通，稳压电路中电压感应器将控制泄流源M6将储能电容C6上的多余电荷释放掉，以此达到稳压的目的。

具体实施例2

本实施方式的基于磁共振的中继无线供电系统，如图4所示包括频率发生模块2-1、发射模块2-2、中继模块2-3、接收模块2-4、高频整流模块2-5和稳压模块2-6，频率发生模块2-1的信号输出端连接到发射模块2-2的信号输入端；发射模块2-2的输出信号经自由空间传播到中继模块2-3；中继模块2-3包括中继模块2-3-1，中继模块2-3-2，……，中继模块2-3-n；中继模块的输出信号经自由空间依次传播，最后传播到到接收模块2-4；接收模块2-4的信号输出端连接到高频整流模块2-5的信号输入端；高频整流模块2-5的信号输出端连接稳压模块2-6的信号输入端；稳压模块2-6的信号输出端连接到负载。

本实施例与实施例1的主要区别在于：在发射模块2-2和接收模块2-3之间存在多个中继模块，分别是中继模块2-3-1，中继模块2-3-2，……，中继模块2-3-n。中继模块2-3-1，2-3-2，……2-3-n位于发射模块2-2和接收模块2-4之间，中继模块2-3-1接收发射模块2-2发射后经自由空间传输的磁场能量，中继后经自由空间传输到中继模块2-3-2；中继模块2-3-3接收中继模块2-3-2中继后经自由空间传输的磁场能量，中继后经自由空间传输到中继模块2-3-4，以此类推，直至将磁场能量传输到接收模块2-4。

每个中继模块由中继侧电感线圈和中继侧耦合电容组成，其中：中继侧电感线圈和中继侧耦合电容采用并联连接，所述中继侧电感线圈以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制，且封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；中继侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以与发射模块产生共振；所有的中继模块均调谐到工作频率，与发射模块2-2和接收模块2-4共振；中继模块2-3-1，2-3-2，……2-3-n之间、以及与发射模块2-2、接收模块2-4之间的距离为发射侧电感线圈直径的2-4倍。

具体实施例3

本实施方式提供的基于磁共振的中继无线供电系统，如图6所示，包括频率发生模块3-1、发射模块3-2、中继模块3-3、接收模块3-4、高频整流模块3-5和稳压模块3-6，频率发生模块3-1的信号输出端连接到发射模块3-2的信号输入端；发射模块3-2的输出信号经自由空间传播到中继模块3-3；中继模块3-3包括中继模块3-3-1，中继模块3-3-2，……，中继模块3-3-n；中继模块的输出信号经自由空间依次传播，最后传播到到接收模块3-4-1，接收模块3-4-2，……，接收模块3-4-m；每个接收模块3-4-1，3-4-2，……3-4-m的信号输出端分别连接到高频整流模块3-5的信号输入端；高频整流模块3-5的信号输出端连接稳压模块3-6的信号输入端；稳压模块3-6的信号输出端连接到负载。

本实施例与实施例2的主要区别在于：在以中继侧线圈为圆心的圆面积内的任意位置，存在多个接收模块3-4-1，3-4-2，……3-4-m；接收模块3-4-1，3-4-2，……，3-4-m接收中继模块3-3经自由空间传输的磁场能量，每个接收模块由接收侧电感线圈和接收侧耦合电容组成，其中：接收侧电感线圈和接收侧耦合电容采用并联连接，接收侧电感线圈以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制，且封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；接收侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以与发射模块3-2、中继模块3-3产生共振；每个接收侧电感线圈可以位于在以中继侧线圈为圆心，半径为中继侧电感线圈直径的2-4倍的圆面积内的任意位置。

具体实施例4

本实施方式提供的基于磁共振的中继无线供电系统，如图6所示，包括频率发生模块3-1、发射模块3-2、中继模块3-3、接收模块3-4、高频整流模块3-5和稳压模块3-6，频率发生模块3-1的信号输出端连接到发射模块3-2的信号输入端；发射模块3-2的输出信号经自由空间传播到中继模块3-3；中继模块3-3的输出信号经自由空间传播到接收模块3-4；接收模块3-4的信号输出端连接到高频整流模块3-5的信号输入端；高频整流模块3-5的信号输出端连接稳压模块3-6的信号输入端；稳压模块3-6的信号输出端连接到负载。

本实施例与实施例1-3的主要区别在于：接收侧电感线圈采用小尺寸；发射侧电感线圈、中继侧电感线圈直径均为270mm，匝数2圈，接收侧电感线圈直径为10mm，匝数为10圈。

本发明提供的基于磁共振的中继无线供电系统工作时，由频率发生模块产生工作需要的频率，提供给发射模块，以磁场能量的形式进行发送，中继模块捕捉到发射的磁场能量，进行中继传输，接收模块接收到中继传输的磁场能量，经高频整流模块整流后，输出直流，经稳压模块后，输出稳定的电压，向负载供电。

Claims (5)

1.一种基于磁共振的中继无线供电系统，其特征在于，包括：

频率发生模块、发射模块、中继模块、接收模块、高频整流模块和稳压模块，频率发生模块的信号输出端连接到发射模块的信号输入端，发射模块的输出信号经自由空间传播到中继模块，中继模块的输出信号经自由空间传播到接收模块，接收模块的信号输出端连接到高频整流模块的信号输入端，高频整流模块的信号输出端连接到稳压模块的信号输入端，稳压模块的信号输出端连接到负载；

所述中继模块由N个中继子模块组成，所述N≥1，其中每个中继子模块由中继侧电感线圈和中继侧耦合电容组成，采用并联方式连接；

所述中继侧电感线圈以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制，且封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；

所述中继侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以与发射模块产生共振；

所有的中继子模块均调谐到工作频率，与发射模块和接收模块共振；

所述发射模块由发射侧电感线圈和发射侧耦合电容组成，发射侧电感线圈和发射侧耦合电容采用并联方式连接；

所述发射侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以发生谐振；

所述接收模块由M个接收子模块组成，所述M≥1，其中每个接收子模块由接收侧电感线圈和接收侧耦合电容组成，采用并联方式连接；

所述接收侧电感线圈以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制，且封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；

所述接收侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，在工作频率点上与发射模块、中继模块产生共振；

所述接收侧电感线圈位于以中继侧电感线圈为圆心，半径为中继侧电感线圈直径的2-4倍的圆面积内的任意位置。

2.根据权利要求1所述的基于磁共振的中继无线供电系统，其特征在于：

发射侧电感线圈、中继侧电感线圈直径均为270mm，匝数2圈，接收侧电感线圈直径为270mm，匝数2圈，或者直径为10mm，匝数为10圈。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的基于磁共振的中继无线供电系统，其特征在于：

所述频率发生模块采用考比兹振荡电路构成，由电感、电容组成振荡回路，反馈信号由电容两端取出反馈到NPN晶体管Q1的输入端。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的基于磁共振的中继无线供电系统，其特征在于：

所述高频整流模块采用栅交叉耦合的NMOS、PMOS管桥式整流电路构成。

5.根据权利要求1或2中任一项所述的基于磁共振的中继无线供电系统，其特征在于：

所述稳压模块由三个串联的二极管与电阻组成电压感应器，控制泄流晶体管的栅极电压，使其导通时能将储能电容上的多余电荷释放掉。

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