CN102347640A - 一种无线能量传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线能量传输装置，包括功率源、发射装置和接收装置；发射装置包括发射线圈和用来将发射线圈两端的效率最佳等效发射阻抗Z_eqt调节到功率源最佳负载阻抗Z_s的效率调节发射网络，效率调节发射网络一端连发射线圈，其另一端连功率源；接收装置包括通过交变电磁场与发射线圈进行能量耦合的接收线圈和用来将接收负载阻抗ZL调节到接收线圈两端的效率最佳等效接收阻抗Z_eqr的效率调节接收网络，效率调节接收网络一端连接收线圈，其另一端连接收负载。本发明的传输能量不会被周围的非谐振频率点上的物体所吸收，拥有良好的传输效率；本发明适用于任何大小的负载和输出负载的功率源，做到在任何距离下都保持最高佳输效率。

Description

一种无线能量传输装置

技术领域

本发明涉及一种能量传输装置，具体涉及一种无线能量传输装置。 

背景技术

目前，作为无线能量传输应用的最为广泛的技术是磁感应技术，也是目前国际无线充电联盟Qi技术标准所使用的技术，其工作原理是法拉第电磁感应定律，能量在两个线圈之间通过电磁感应进行传递。大致原理是：当交变电流通过线圈之后，便会产生交变磁场；而产生的交变磁场又会形成交变电场，进而在线圈上形成电压；有了电压之后便会产生电流，可为待充电设备进行充电。 

这种磁感应技术的优点是发射线圈和接收线圈的体积都可以做得比较小，结构简单，方便嵌入小型电子设备中，因此目前的无线充电标准Qi采用此技术。但是磁感应技术由于采用的是普通的磁感应耦合，周围磁场的强度随距离增加急剧衰减，因此传输效率就会随着距离的增加而迅速下降。这导致有效传输距离只有几个毫米，因此要求带充电设备紧贴充电板，这样在很大程度上限制了无线能量传输的应用范围及应用场合。 

另外一种技术是微波传输技术，它采用一个发射天线和一个接收天线，电磁能量在两个天线之间通过微波进行传输，它的主要技术特征是两个天线之间的距离远大于一个电磁波的波长，因此相当于天线的远场 传播。它需要保证传播路径上障碍物尽量少，否则会导致电磁波的反射，致使传输效率会极大地降低。同时，由于采用微波频段，这样高频率大功率的电磁波对人体有很大的辐射。 

最后一种技术是磁耦合谐振式无线能量传输技术，这种技术最早是由该技术思路最早由美国麻省理工学院(MIT)物理系助理教授Marin Soljacic研究小组于2006年11月在美国AIP工业物理论坛上提出，并于2007年6月进行了实验验证，相隔2.16m隔空将一只60W灯泡点亮。这种技术区别于基于普通电磁感应的近场耦合，通过使接收线圈和发射线圈产生共振来实现能量的无线传输。本质上，这个过程与量子隧道效应相似，只是电磁波替代了量子力学中的波函数。该技术可在有障碍物的情况下传输，传输距离可达到米级范围。这种磁耦合谐振式无线能量传输技术由于发射线圈和接收线圈之间是共振耦合，因此可以在耦合系数很低的时候获得比传统磁感应技术高的多的传输效率，使得有效传输距离大大增加，周边的非谐振物体的存在也几乎不影响传输效率。同时接收线圈的摆放方位自由得多，并且同一个发射线圈可以为多个接收线圈进行能量传输，这突破了磁感应技术中一对一充电的局限。但是这种磁耦合谐振式无线能量传输技术结构采用了四个线圈，包括Drive Loop，Transmitting Loop，Receiving Loop，Load loop。它严格要求Drive Loop和Transmitting Loop之间有一定的距离。同理，Receiving Loop和Load loop之间也要保持一定距离，距离的改变会在很大程度上影响传输效率。因此，这种技术在制造和使用上都有一定的难度及不便。 

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种不受传输距离及障碍物的限制、易于制造及使用且传输效率高的无线能量传输装置。 

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现： 

本发明包括功率源、发射装置和接收装置；发射装置包括发射线圈和用来将发射线圈两端的效率最佳等效发射阻抗Z_eqt调节到功率源最佳负载阻抗Z_s的效率调节发射网络(前者通过效率调节发射网络后等效阻抗等于后者)，效率调节发射网络一端连发射线圈，其另一端连功率源；接收装置包括通过交变电磁场与发射线圈进行能量耦合的接收线圈和用来将接收负载阻抗Z_L调节到接收线圈两端的效率最佳等效接收阻抗Z_eqr的效率调节接收网络(前者通过效率调节接收网络后等效阻抗等于后者)，效率调节接收网络一端连接收线圈，其另一端连接收负载；功率源最佳负载阻抗Z_s＝R_s+jX_s，接收负载阻抗Z_L＝R_L+jX_L； 

接收线圈两端的效率最佳等效接收阻抗 

$Z_{\mathrm{eqr}}=\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\sqrt{L_t{L}_r}\right)}^2{R}_{\mathrm{pr}}+R_{\mathrm{pt}}{R_{\mathrm{pr}}}^2}{R_{\mathrm{pt}}}}-\mathrm{j\ω}{L}_r=R_{\mathrm{eqr}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eqr}};$

发射线圈两端的效率最佳等效发射阻抗 

$Z_{\mathrm{eqt}}=\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\sqrt{L_t{L}_r}\right)}^2{R}_{\mathrm{pt}}+R_{\mathrm{pr}}{R_{\mathrm{pt}}}^2}{R_{\mathrm{pr}}}}+\mathrm{j\ω}{L}_t=R_{\mathrm{eqt}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eqt}};$

其中，R_s是功率源最佳负载电阻，X_s是功率源最佳负载电抗，R_L是接收负载电阻，X_L是接收负载电抗，k是发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，ω是整个无线能量传输装置的工作角频率，L_t是发射线圈自感，R_pt是发射线圈损耗电阻，L_r是接收线圈自感，R_pr是接收线圈损耗电阻，R_eqr是效率最佳等效接收电阻，R_eqt是效率最佳等效发射电阻，X_eqr是效率最佳等效接收电抗，X_eqt是效率最佳等效发射电抗，j是虚数单位。 

当效率最佳等效接收电阻R_eqr＜接收负载电阻R_L时，通过所述效率调节接收网络，使接收负载阻抗Z_L等于效率最佳等效接收阻抗Z_eqr；当效率最佳等效发射电阻R_eqt＜功率源最佳负载电阻R_s时，通过所述效率调节发射网络，使效率最佳等效发射阻抗Z_eqt等于功率源最佳负载阻抗Z_s。 

上述效率调节接收网络和效率调节发射网络采用的均是A类工作模式效率调节网络。 

上述A类工作模式效率调节网络采用的是两元件的AL1型效率调节网络、AL2型效率调节网络、AL3型效率调节网络或AL4型效率调节网络中的一种、或三元件的APi1型效率调节网络、APi2型效率调节网络、APi3型效率调节网络或APi4型效率调节网络中的一种，或三元件的AT1型效率调节网络、AT2型效率调节网络、AT3型效率调节网络、AT4型效率调节网络或AT5型效率调节网络中的一种。 

当效率最佳等效接收电阻R_eqr＞接收负载电阻R_L时，通过所述效率调节接收网络，使接收负载阻抗Z_L等于效率最佳等效接收阻抗Z_eqr；当效率最佳等效发射电阻R_eqt＞功率源最佳负载电阻R_s时，通过所述效率调节发射网络，使效率最佳等效发射阻抗Z_eqt等于功率源最佳负载阻抗Z_s。 

上述效率调节接收网络和效率调节发射网络采用的均是C类工作模式效率调节网络。 

上述C类工作模式效率调节网络采用的是两元件的CL1型效率调节网络或CL2型效率调节网络中的一种、三元件的CPi1型效率调节网络或CPi2型效率调节网络中的一种，或三元件的CT1型效率调节网络、CT2型效率调节网络、CT3型效率调节网络或CT4型效率调节网络中的一种。 

当效率最佳等效接收电阻R_eqr＝接收负载电阻R_L时，通过所述效率调节接收网络，使接收负载阻抗Z_L等于效率最佳等效接收阻抗Z_eqr；当效率最佳等效发射电阻R_eqt＝功率源最佳负载电阻R_s时，通过所述效率调节发射网络，使效率最佳等效发射阻抗Z_eqt等于功率源最佳负载阻抗Z_s。 

上述效率调节接收网络和效率调节发射网络采用的是B类工作模式效率调节网络。 

上述B类工作模式效率调节网络采用的是一元件的B1型效率调节网络或B2型效率调节网络中的一种。 

上述接收负载可以为待供电设备和/或充电设备。 

上述功率源采用的是射频电源。 

本发明的发射线圈和接收线圈谐振在同一频率，能量能在这两个线圈之间有效地传输，不会被周围的非谐振频率点上的物体所吸收，在这两 个线圈之间的距离较大的情况下(即耦合系数k较低的情况下)也拥有良好的传输效率；本发明具有可调性，改变效率调节接收网络及效率调节发射网络中元件的参数，使得本发明可以适用于任何大小的负载和任何输出负载的功率源，做到在任何距离下(即任何耦合系数k)都保持最高佳输效率；且本发明结构简单易于制造和使用，适合批量制造和推广。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明； 

图1为本发明的整体结构示意图； 

图2为本发明的AL1型效率调节网络结构示意图； 

图3为本发明的AL2型效率调节网络结构示意图； 

图4为本发明的AL3型效率调节网络结构示意图； 

图5为本发明的AL4型效率调节网络结构示意图； 

图6为本发明的APi1型效率调节网络结构示意图； 

图7为本发明的APi2型效率调节网络结构示意图； 

图8为本发明的APi3型效率调节网络结构示意图； 

图9为本发明的APi4型效率调节网络结构示意图； 

图10为本发明的AT1型效率调节网络结构示意图； 

图11为本发明的AT2型效率调节网络结构示意图； 

图12为本发明的AT3型效率调节网络结构示意图； 

图13为本发明的AT4型效率调节网络结构示意图； 

图14为本发明的AT5型效率调节网络结构示意图； 

图15为本发明的CL1型效率调节网络结构示意图； 

图16为本发明的CL2型效率调节网络结构示意图； 

图17为本发明的CPi1型效率调节网络结构示意图； 

图18为本发明的CPi2型效率调节网络结构示意图； 

图19为本发明的CT1型效率调节网络结构示意图； 

图20为本发明的CT2型效率调节网络结构示意图； 

图21为本发明的CT3型效率调节网络结构示意图； 

图22为本发明的CT4型效率调节网络结构示意图； 

图23为本发明的B1型效率调节网络结构示意图； 

图24为本发明的B2型效率调节网络结构示意图； 

图25表示效率调节网络中的任何一个电容代表该元件是一个成容性的电抗，其组合可能有多种类型； 

图26表示效率调节网络中的任何一个电感代表该元件是一个成感性的电抗，其组合可能有多种类型； 

图27是实施例1的结构示意图； 

图28是实例1中传输效率efficiency随耦合系数k的变化关系图； 

图29是实例1中两个直径为30cm的、线径为2.5mm的匝数为3匝的螺线线圈相对d距离放置时，耦合系数k随距离distance变化的关系图； 

图30是实例1中两个直径为30cm的、线径为2.5mm的匝数为3匝的螺线线圈相对d距离放置时，传输效率efficiency随距离distance变化的关系图； 

图31是实例1中当k分别等于0.1，0.03，0.01，0.001时，效率 调节网络优化出四组参数后的电路传输特性，即传输效率efficiency随耦合系数k变化的关系图； 

图32是实例1中当k分别等于0.1，0.03，0.01，0.001时，效率调节网络优化出四组参数后的电路传输特性，即传输效率efficiency随距离distance变化的关系图； 

图33是实例2中传输效率efficiency随耦合系数k的变化关系图； 

图34是实例2中传输效率efficiency随距离distance的变化关系图； 

图35是实施例3的结构示意图； 

图36是无线能量传输装置演示样机的示意图； 

图37是演示样机中发射线圈和接收线圈之间相对摆放方位关系的示意图 

图38是无线能量传输在实际应用中的发射装置系统框图； 

图39是无线能量传输在实际应用中的接收装置系统框图； 

图40是无线充电板的示意图； 

图41是无线充电架的示意图； 

图42是带有无线能量传输接收装置的手机的示意图； 

图43是带有无线能量传输接收装置的笔记本电脑的示意图； 

图44是带有无线能量传输发射装置的桌子的示意图； 

图45桌子里面镶嵌上一个较大的线圈或者一组较小的线圈的阵列； 

图46是装有多个无线能量传输发射装置的房间的示意图； 

图47是带有无线能量传输接收装置的电动汽车的示意图； 

图48是带有无线能量传输接收装置的电动公交车的示意图； 

图49是带有无线能量传输接收装置的电瓶车的示意图； 

图50是装有无线能量传输发射装置的无线充电停车场； 

图51是装有无线能量传输发射装置的无线充电公路； 

图52是各种平面发射线圈和接收线圈的样式的示意图。 

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。 

实施例1： 

参见图1，本发明包括功率源1、发射装置、接收装置和接收负载6。本实施例中，接收负载6可以是待供电设备和/或充电设备，如纯电阻也可以是含有电抗成分，可以是直接耗电的设备如灯泡，或者带有存储能量的设备如电池，或者边消耗、边存储的如带充电电池的电脑或手机等；功率源1采用的是射频电源。 

其中，发射装置包括发射线圈3和效率调节发射网络2，发射线圈3连接效率调节发射网络2的Port2端口，功率源1连接效率调节发射网络2的Port1端口。 

接收装置包括接收线圈4及效率调节接收网络5，接收线圈4连接效率调节接收网络5的Port2端口，接收负载6连接效率调节接收网络5的Port1端口。 

发射线圈3和接收线圈4之间通过交变电磁场进行能量耦合。 

功率源最佳负载阻抗Z_s＝R_s+jX_s，接收负载阻抗Z_L＝R_L+jX_L。(为公知 常识，此处不再赘述) 

接收线圈4两端的效率最佳等效接收阻抗 

$Z_{\mathrm{eqr}}=\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\sqrt{L_t{L}_r}\right)}^2{R}_{\mathrm{pr}}+R_{\mathrm{pt}}{R_{\mathrm{pr}}}^2}{R_{\mathrm{pt}}}}-\mathrm{j\ω}{L}_r=R_{\mathrm{eqr}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eqr}};$

发射线圈3两端的效率最佳等效发射阻抗 

$Z_{\mathrm{eqt}}=\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\sqrt{L_t{L}_r}\right)}^2{R}_{\mathrm{pt}}+R_{\mathrm{pr}}{R_{\mathrm{pt}}}^2}{R_{\mathrm{pr}}}}+\mathrm{j\ω}{L}_t=R_{\mathrm{eqt}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eqt}};$

功率源1输出到接收负载6的最大传输效率 

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\right)}^2{L}_t{L}_r}{R_{\mathrm{pt}}{R}_{\mathrm{pr}}}+1}-1}{\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\right)}^2{L}_t{L}_r}{R_{\mathrm{pt}}{R}_{\mathrm{pr}}}+1}+1};$

其中，R_s是功率源最佳负载电阻，X_s是功率源最佳负载电抗，R_L是接收负载电阻，X_L是接收负载电抗，k是发射线圈3和接收线圈4之间的耦合系数，ω是整个无线能量传输装置的工作角频率，L_t是发射线圈自感，R_pt是发射线圈损耗电阻，L_r是接收线圈自感，R_pr是接收线圈损耗电阻，R_eqr是效率最佳等效接收电阻，R_eqt是效率最佳等效发射电阻，X_eqr是效率最佳等效接收电抗，X_eqt是效率最佳等效发射电抗，j是虚数单位。 

以上公式是通过以下步骤得到的： 

(1)确定本发明工作的频率f或者角频率ω＝2πf。 

(2)通过直接或者间接的测量方法如LCR测量仪(用来测试电感和电容)，阻抗分析仪，Q表等分析得到在工作频率下，发射线圈3和接收线圈4的各个参数：发射线圈自感L_t，发射线圈损耗电阻R_pt，接收线 圈自感L_r，接收线圈损耗电阻R_pr，和要传输能量的相对位置下发射线圈3和接收线圈4的互感M，计算得到耦合系数k 

$k=\frac{M}{\sqrt{L_t{L}_r}}$

为表述方便，本发明用Z_r表示整个接收端的阻抗，在工作频率处，Z_r＝R′_L+R_pr，其中R′_L表示实际负载经过效率调节接收网络5后的等效负载的实部的大小；用Z_t表示接收线圈4耦合到发射线圈3的等效阻抗。在工作频率处， 

$Z_t=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{Z_r}=k^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r\·\frac{1}{Z_r}$

$\mathrm{\η}=\frac{R_L^{\′}}{Z_r}\·\frac{Z_t}{Z_t+R_{\mathrm{pt}}}=\frac{R_L^{\′}}{R_L^{\′}+R_{\mathrm{pr}}}\·\frac{k^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r\·\frac{1}{Z_r}}{k^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r\·\frac{1}{Z_r}+R_{\mathrm{pt}}}=\frac{R_L^{\′}}{R_L^{\′}+R_{\mathrm{pr}}}\·\frac{k^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r}{k^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+R_{\mathrm{pt}}(R_L^{\′}+R_{\mathrm{pr}})}$

对R′_L求导， 

得当 $R_L^{\′}=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pr}}}{R_{\mathrm{pt}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pr}}}^2}$ 时效率最大 

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pr}}}{R_{\mathrm{pt}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pr}}}^2}\·k^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r}{(\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pr}}}{R_{\mathrm{pt}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pr}}}^2}+R_{\mathrm{pr}})\·[k^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+R_{\mathrm{pt}}(\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pr}}}{R_{\mathrm{pt}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pr}}}^2}+R_{\mathrm{pr}})]}$

因此效率调节接收网络5应当将R_L调节到Z_eqr，其中 

$Z_{\mathrm{eqr}}=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pr}}}{R_{\mathrm{pt}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pr}}}^2}-\mathrm{j\ω}{L}_2=R_{\mathrm{eqr}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eqr}}$

又显而易见， 

$Z_{\mathrm{eqt}}=Z_t+R_{\mathrm{pt}}+\mathrm{j\ω}{L}_t=k^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r\·\frac{1}{R_{\mathrm{eqr}}+R_{\mathrm{pr}}}+R_{\mathrm{pt}}+\mathrm{j\ω}{L}_t$

$=\frac{R_{\mathrm{pt}}}{R_{\mathrm{pr}}}\·(\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pr}}}{R_{\mathrm{pt}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pr}}}^2}-R_{\mathrm{pr}})+R_{\mathrm{pt}}+\mathrm{j\ω}{L}_t$

$=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pt}}}{R_{\mathrm{pr}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pt}}}^2}+\mathrm{j\ω}{L}_t=R_{\mathrm{eqt}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eqt}}$

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{R_{\mathrm{eqt}}-R_{\mathrm{pt}}}{R_{\mathrm{eqt}}}\·\frac{R_{\mathrm{eqr}}}{R_{\mathrm{eqr}}+R_{\mathrm{pr}}}$

$=\frac{\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pt}}}{R_{\mathrm{pr}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pt}}}^2}-R_{\mathrm{pt}}}{\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pt}}}{R_{\mathrm{pr}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pt}}}^2}}\·\frac{\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pr}}}{R_{\mathrm{pt}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pr}}}^2}}{\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pr}}}{R_{\mathrm{pt}}}{k}^2{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{L}_r+{R_{\mathrm{pr}}}^2}+R_{\mathrm{pr}}}$

$=\frac{\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\right)}^2{L}_t{L}_r}{R_{\mathrm{pt}}{R}_{\mathrm{pr}}}+1}-1}{\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\right)}^2{L}_t{L}_r}{R_{\mathrm{pt}}{R}_{\mathrm{pr}}}+1}+1}$

通过以上推导，可得出接收线圈4两端的效率最佳等效接收阻抗Z_eqr和此时发射线圈3两端的效率最佳等效发射阻抗Z_eqt为 

$Z_{\mathrm{eqr}}=\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\sqrt{L_t{L}_r}\right)}^2{R}_{\mathrm{pr}}+R_{\mathrm{pt}}{R_{\mathrm{pr}}}^2}{R_{\mathrm{pt}}}}-\mathrm{j\ω}{L}_r=R_{\mathrm{eqr}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eqr}}$

$Z_{\mathrm{eqt}}=\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\sqrt{L_t{L}_r}\right)}^2{R}_{\mathrm{pt}}+R_{\mathrm{pr}}{R_{\mathrm{pt}}}^2}{R_{\mathrm{pr}}}}-\mathrm{j\ω}{L}_t=R_{\mathrm{eqt}}+{\mathrm{jX}}_{\mathrm{eqt}}$

最后给出在给定耦合系数k、频率f、发射线圈自感L_t，发射线圈损耗电阻R_pt，接收线圈自感L_r，接收线圈损耗电阻R_pr的情况下，无线能量传输装置所能达到的最大传输效率 

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\right)}^2{L}_t{L}_r}{R_{\mathrm{pt}}{R}_{\mathrm{pr}}}+1}-1}{1+\sqrt{\frac{{\left(\mathrm{k\ω}\right)}^2{L}_t{L}_r}{R_{\mathrm{pt}}{R}_{\mathrm{pr}}}+1}}.$

为了方便分析，本发明仅分析功率源最佳负载阻抗Z_s为纯电阻R_s，接收负载阻抗Z_L为纯电阻R_L的情况，在复阻抗的情况下只需要串接一个电感或者电容就可以变成纯电阻了。 

当效率最佳等效接收电阻R_eqr＜接收负载电阻R_L时，通过效率调节接收网络5，使接收负载阻抗Z_L等于效率最佳等效接收阻抗Z_eqr，即接收负载电阻R_L等于效率最佳等效接收电阻R_eqr，接收负载电抗X_L等于效率最佳等效接收电抗X_eqr。 

当效率最佳等效发射电阻R_eqt＜功率源最佳负载电阻R_s时，通过效率调节发射网络2，使效率最佳等效发射阻抗Z_eqt等于功率源最佳负载阻抗Z_s，即效率最佳等效发射电阻R_eqt等于功率源最佳负载电阻R_s，效率最佳等效发射电抗X_eqt等于功率源最佳负载电抗X_s。 

效率调节接收网络5和效率调节发射网络2采用的均是A类工作模式效率调节网络。 

A类工作模式效率调节网络采用的是两元件的AL1型效率调节网络(参见图2，AL1型效率调节网络中元件参数是根据以下条件确定的：当AL1型效率调节网络作为效率调节发射网络：“效率最佳等效发射阻抗Z_eqt等于功率源最佳负载阻抗Z_s”；当AL1型效率调节网络作为效率调节接受网络：“接收负载阻抗Z_L等于效率最佳等效接收阻抗Z_eqr”。其结构设计为现有的设计，不在此处赘述)、AL2型效率调节网络(参见图3，同上)、AL3型效率调节网络(参见图4，同上)或AL4型效率调节网络(参见图5，同上)中的一种、或三元件的APi1型效率调节网络(参见图6，同上)、APi2型效率调节网络(参见图7，同上)、APi3型效率调节网络(参见图8，同上)或APi4型效率调节网络(参见图9，同上)中的一种，或三元件的AT1型效率调节网络(参见图10，同上)、AT2型效率调节网络(参见图11，同上)、AT3型效率调节网络(参见图12，同上)、AT4型效率 调节网络(参见图13，同上)或AT5型效率调节网络(参见图14，同上)中的一种。 

当效率最佳等效接收电阻R_eqr＞接收负载电阻R_L时，通过效率调节接收网络5，使接收负载阻抗Z_L等于效率最佳等效接收阻抗Z_eqr，即接收负载电阻R_L等于效率最佳等效接收电阻R_eqr，接收负载电抗X_L等于效率最佳等效接收电抗X_eqr。 

当效率最佳等效发射电阻R_eqt＞功率源最佳负载电阻R_s时，通过效率调节发射网络2，使效率最佳等效发射阻抗Z_eqt等于功率源最佳负载阻抗Z_s，即效率最佳等效发射电阻R_eqt等于功率源最佳负载电阻R_s，效率最佳等效发射电抗X_eqt等于功率源最佳负载电抗X_s。 

效率调节接收网络5和效率调节发射网络2采用的均是C类工作模式效率调节网络。 

C类工作模式效率调节网络采用的是两元件的CL1型效率调节网络(参见图15，同上)或CL2型效率调节网络(参见图16，同上)中的一种、或三元件的CPi1型效率调节网络(参见图17，同上)或CPi2型效率调节网络(参见图18，同上)中的一种，或三元件的CT1型效率调节网络(参见图19，同上)、CT2型效率调节网络(参见图20，同上)、CT3型效率调节网络(参见图21，同上)或CT4型效率调节网络(参见图22，同上)中的一种。 

当效率最佳等效接收电阻R_eqr＝接收负载电阻R_L时，通过效率调节接收网络5，使接收负载阻抗Z_L等于效率最佳等效接收阻抗Z_eqr，即接收负载电阻R_L等于效率最佳等效接收电阻R_eqr，接收负载电抗X_L等于效率最佳等效接收电抗X_eqr。 

当效率最佳等效发射电阻R_eqt＝功率源最佳负载电阻R_s时，通过效率调节发射网络2，使效率最佳等效发射阻抗Z_eqt等于功率源最佳负载阻抗Z_s，即效率最佳等效发射电阻R_eqt等于功率源最佳负载电阻R_s，效率最佳等效发射电抗X_eqt等于功率源最佳负载电抗X_s。 

效率调节接收网络5和效率调节发射网络2采用的是B类工作模式效率调节网络。 

B类工作模式效率调节网络采用的均是一元件的B1型效率调节网络(参见图23，同上)或B2型效率调节网络(参见图24，同上)中的一种。 

因此整个无线能量传输装置可工作在九种状态中，其中， 

当Reqr＜RL且Reqt＜Rs时，整个无线能量传输装置工作在状态A-A； 

当Reqr＜RL且Reqt＝Rs时，整个无线能量传输装置工作在状态A-B； 

当Reqr＜RL且Reqt＞Rs时，整个无线能量传输装置工作在状态A-C； 

当Reqr＝RL且Reqt＜Rs时，整个无线能量传输装置工作在状态B-A； 

当Reqr＝RL且Reqt＝Rs时，整个无线能量传输装置工作在状态B-B； 

当Reqr＝RL且Reqt＞Rs时，整个无线能量传输装置工作在状态B-C； 

当Reqr＞RL且Reqt＜Rs时，整个无线能量传输装置工作在状态C-A； 

当Reqr＞RL且Reqt＝Rs时，整个无线能量传输装置工作在状态C-B； 

当Reqr＞RL且Reqt＞Rs时，整个无线能量传输装置工作在状态C-C。 

实际上四元件及更多元件所组成的效率调节网络，由于篇幅限制，在这里只列举两元件和三元件的，其他类型的效率调节网络的作用都是将接收负载电阻Z_L调节到效率最佳等效接收阻抗Z_eqr，将效率最佳等效发射阻抗Z_eqt调节到功率源最佳负载电阻Z_s，属于本发明的范畴。 

另外需要说明的是效率调节网络中的任何一个电容代表该元件是一个成容性的电抗，其组合可能有多种类型(参见图25)；任何一个电感代表该元件是一个成感性的电抗，其组合可能有多种类型(参见图26)。 

本实施例中，R_eqr＜R_L且R_eqt＜R_s，效率调节接收网络5和效率调节发射网络2采用的都是AL2型效率调节网络(参见图27)。 

具体电路参数为：L_t＝6.4μH，L_r＝6.4μH，R_pt＝0.3ohm，R_pr＝0.3ohm，R_L＝100ohm，R_s＝26ohm，k＝0.03，f＝4Mhz。 

这里本发明根据图所示推导出效率调节接收网络5中的C3和C4的 解析解，用来将接收负载阻抗Z_L调节到效率最佳等效接收阻抗Z_eqr，也以通过smith圆图方式求得C3和C4。 

首先在接收端，从Port 1看过去的等效阻抗为RL_eq+j*C_eq，其中RL_eq为等效阻抗的实部，C_eq为等效阻抗的虚部。 

${\mathrm{RL}}_{\mathrm{eq}}+j*C_{\mathrm{eq}}=\frac{(R_L+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_4})}{\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_3}}=\frac{1+\mathrm{j\ω}{C}_4{R}_L}{-{\mathrm{\ω}}^2{C}_4{C}_3{R}_L+\mathrm{j\ω}(C_3+C_4)}$

其中 

${\mathrm{RL}}_{\mathrm{eq}}=\frac{-C_3{C}_4{R}_L+C_4{R}_L(C_3+C_4)}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_4^2{C}_3^2{R_L}^2+{(C_3+C_4)}^2}\≈R_L{\left(\frac{C_4}{C_3+C_4}\right)}^2$

$C_{\mathrm{eq}}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{C}_4^2{C}_3^2{R_L}^2+{(C_3+C_4)}^2}{{\mathrm{\ω}}^2{C}_3{C}_4^2{R_L}^2+(C_3+C_4)}\≈(C_3+C_4)$

这里根据数量级判断 $(C_3+C_4)>>{\mathrm{\ω}}^2{C}_3{C}_4^2{R_L}^2;{(C_3+C_4)}^2>>{\mathrm{\ω}}^2{C}_4^2{C}_3^2{R_L}^2,$ 因此忽略高阶小项 

由方程 

$\left\{\begin{array}{c}\frac{C_4}{C_3+C_4}=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{eq}}}{R_L}}\\ C_3+C_4=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_r}\end{array}\right.$

解出 

$\left\{\begin{array}{c}{C}_4=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{eqr}}}{R_L}}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_r}\\ C_3=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_r}(1-\sqrt{\frac{R_{\mathrm{eqr}}}{R_L}})\end{array}\right.$

其中， $R_{\mathrm{eqr}}=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{pr}}}{R_{\mathrm{pt}}}{\mathrm{\κ}}^2\frac{L_t}{C_3+C_4}+{R_{\mathrm{pr}}}^2}.$

同样方法，本发明根据图所示推导出效率调节发射网络2中的C1和 C2的解析解，用来将发射线圈3两端的效率最佳等效发射阻抗Z_eqt调节到功率源最佳负载阻抗Z_s，也以通过smith圆图方式求得C1和C2。 

首先在发射端，从Port 2看过去的等效阻抗如下： 

$Z_{\mathrm{in}}=\frac{(R+\mathrm{j\ω}{L}_t)\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_2}}{R+\mathrm{j\ω}{L}_t+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_2}}+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1}=\frac{R+\mathrm{j\ω}{L}_t}{1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{C}_2+\mathrm{j\ω}{C}_{2}R}+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1}$

$=\frac{R(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{C}_2)+{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{C}_{2}R}{{(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{C}_2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{C}_2^2{R}^2}+j(\frac{\mathrm{\ω}{L}_t(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{C}_2)-\mathrm{\ω}{R}^2{C}_2}{{(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{C}_2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{C}_2^2{R}^2}-\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_1})$

电路发生谐振时虚部为零必须满足 

$\frac{\mathrm{\ω}{L}_t(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{C}_2)-\mathrm{\ω}{R}^2{C}_2}{{(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_t{C}_2)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{C}_2^2{R}^2}-\frac{1}{\mathrm{\ω}{C}_1}=0$

按ω降幂展开 

${L_t}^2{C}_2(C_1+C_2){\mathrm{\ω}}^4+(R^2{C}_2^2+R^2{C}_1{C}_2-2L_t{C}_2-L_t{C}_1){\mathrm{\ω}}^2+1=0$

忽略高阶小项 

L_t ²C₂(C₁+C₂)ω⁴-(2L_tC₂+L_tC₁)ω²+1＝0 

因式分解 

[L_t(C₁+C₂)ω²-1][L_tC₂ω²-1]＝0 

得到 

带入到R_s的实部 

$R_s=\frac{R_{\mathrm{eqt}}}{{\left(\frac{C_1}{C_1+C_2}\right)}^2+{\mathrm{\ω}}^2{C}_2^2{R_{\mathrm{eqt}}}^2}$

忽略高阶小项 

$R_s=\frac{R_{\mathrm{eqt}}}{{\left(\frac{C_1}{C_1+C_2}\right)}^2}$

得到 

$\left\{\begin{array}{c}\frac{C_1}{C_1+C_2}=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{eqt}}}{R_s}}\\ C_1+C_2=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_t}\end{array}\right.$

解出 

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=\sqrt{\frac{R_{\mathrm{eqt}}}{R_s}}\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_t}\\ C_2=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_t}(1-\sqrt{\frac{R_{\mathrm{eqt}}}{R_s}})\end{array}\right.$

其中 $R_{\mathrm{eqt}}={\mathrm{\κ}}^2\frac{L_t}{C_3+C_4}\·\frac{1}{(R_{\mathrm{eqr}}+R_{\mathrm{pr}})}+R_{\mathrm{pt}}.$

通过以上公式，求得C1＝137pF，C2＝110pF，C3＝177pF，C4＝70pF。通过数值仿真，可以得出效率和耦合系数k的关系，参见图28，可以看出，在k＝0.05时，传输效率达到92.87％，随着距离的增近，k增大，传输效率进一步提高，当k＝0.3时达到96.25％，另外可以看出当k＞0.01时，传输效率始终大于48％。 

为了得出传输效率和传输距离的关系，这里本发明对两个直径为30cm的、线径为2.5mm的匝数为3匝的螺线线圈相对d距离放置的情形进行了三维电磁仿真，求出其自感L_t，L_r以及互感M，其自感L_t＝L_r＝6.4μH，通过 

耦合系数k和距离的关系，参见图29，可以看出，k随距离的增加成指数式下降，在一倍线圈直径距离下，耦合系数k约为0.28，两倍线圈直径距离下k约为0.006，三倍线圈直径距离下k约为0.002。 

本发明可以得出效率和距离的关系，如图30所示，可以看到，在20cm距离处，效率达到93.25％，在30cm处(即一倍线圈直径距离)，效率达到84.45％，在45cm处(即1.5倍线圈直径距离)，效率接近56.42％，在60cm处(即2倍线圈直径距离)，效率达到25.89％。 

为了说明整个无线能量传输装置的可调节性，即在任何距离下，可以通过效率调节网络中各元件参数的设计来使当前耦合系数k下的传输效率最高。固定其他参数不变，令k分别等于0.1，0.03，0.01，0.001，通过公式或者smith圆图方法，可以求得效率调节接收网络5及效率调节发射网络2中四组不同的电容值C1、C2、C3和C4，如表1所示， 

表1 

将每组电容值带入到整个电路中进行数值仿真，可以得到图31，从图中可以看出，当距离发生变化时，只需要改变效率调节接收网络5及效率调节发射网络2中元件的参数即可使得当前耦合系数k下(即当前距离d下)传输效率最大化。 

本发明可以得出传输效率和距离的关系，如图32所示，从图中可以看出，随着k的减小，近距离的最大传输效率有所降低，但是有效传输距离大大延长，因此可以根据实际需要的传输距离来优化效率调节网络中的各元件的值。 

实施例2： 

实施例1中，发射线圈3和接收线圈4相等，为了说明这种整个无线能量传输网络同样适用于不对称的情况，本实施例中，发射线圈3和接收线圈4不等大。 

具体电路参数为：L_t＝16μH，L_r＝1.4μH，R_pt＝1ohm，R_pr＝0.2ohm，R_L＝100ohm，R_s＝26ohm，k＝0.05，f＝4Mhz。 

通过以上公式，求得C1＝71pF，C2＝28pF，C3＝946pF，C4＝184pF。通过数值仿真，可以得出效率和耦合系数k的关系，如图33所示，可以看出，在k＝0.05时，传输效率达到85.24％，随着距离的增近，k增大，传输效率进一步提高，当k＝0.3时达到91.85％，另外可以看出当k＞0.01时，传输效率始终大于30％。 

本发明可以得出传输效率和距离的关系，如图34所示，相距5cm时，传输效率达到75.4％，相距10cm时，传输效率达到61.18％，相距15cm时，传输效率达到40.13％，相距20cm时，传输效率达到21.01％。可以看出， 由于接收线圈4直径大大减小，有效传输距离比实例1中有所减小，不过这种情况适用于将线圈嵌入到小型电子设备中如手机，这样的有效传输距离完全满足应用需求。 

实施例3： 

实施例1中，R_eqr＞R_L且R_eqt＜R_s，效率调节接收网络5采用CL2型效率调节网络，效率调节发射网络2采用AL1型效率调节网络，整个无线能量传输装置工作在状态A-C。 

参见图35所示，有一个功率源1，功率源最佳负载电阻R_s＝50欧姆，接收负载R_L＝0.5欧姆，本发明设定工作频率为f＝10MHz，则根据本发明提供的方法可以获得效率最佳等效接收阻抗Z_eqr和效率最佳等效发射阻抗Z_eqt，同时根据本发明提供的效率公式，预计最大效率为81.79％，具体参数如表2所示， 

表2 

为了尽量实现最大效率传输，本实例接收端采用图16所示结构，发射段采用图3所示结构。仿真的结果如表3所示，在第一组值当中，本发明将Z_L严格匹配到Z_eqr，将Z_eqt严格匹配到Z_s，这个时候效率跟本发明给出的公式完全一致；在第二组值当中，调节后的阻抗实部虚部都产生了一些偏差，效率会下降的很厉害，大概严格匹配效率的66％左右，第三组值中实部有一点误差，但是虚部几乎没有误差，效率仍然很高， 第四组值中实部误差很大，虚部仍然保持很好的吻合，此时效率也会下降的很快，约只有严格匹配效率的68％左右，可以发现，本发明的精神就是将阻抗的实部和虚部尽量调节一致。 

表3 

下面是为了验证本无线能量传输装置的特性而制作的一个演示样机。它展示了本无线能量传输装置在实际应用中所需要的一些必要的模块。 

如图36所示为一个无线能量传输系统，11为开关电源或变压器，将220V市电转化为直流，12高频振荡源，产生4MHz的方波，13为开关类高效率功率放大器，经过选频滤波网络输出4MHz的高频能量波，14为效率调节网络，将最佳发射阻抗匹配到功率放大器的最佳负载电阻，15为发射线圈，在周围形成环形磁场，16为接收线圈，当它靠近发射线 圈附近的时候，就能耦合到发射线圈的能量，17为接收端效率调节网络，将负载阻抗调节到最佳的接收阻抗，18为接收端的桥式整流电路，将高频交流能量转化成直流能量，19是一个小灯泡，表示待供电或充电设备。20表示发射线圈周围的磁场或磁力线。 

目前，我们制作了四种不同直径的发射线圈15和接收线圈16，具体参数如表4所示， 

表4 

演示过程中，只需要将电源适配器插到220v市电上，便可以给发射装置供电，当带有待供电负载(小灯泡)的接收装置靠近发射装置时，可以很明显的看到小灯泡持续点亮，表示能量通过本装置无线式地传输到了接收装置。小灯泡的亮度随着接收装置和发射装置之间的距离和摆放角度的变化而变化，表示两个线圈之间的耦合系数随着发射线圈和接收线圈之间的距离和相对角度变化而变化(当然功率放大器的输出功率和工作效率也会随着负载的变化而变化)。 

当用20cm直径的发射线圈作为发射装置，接收装置采用以上任意直径的接收线圈时，在发射线圈附近25cm范围内，灯泡的亮度都在1.2w以上，并且摆放的方位和角度很随意，如图37所示，并且一个发射机可 以为多个接收机提供无线能量传输。经过测试，当在发射线圈附近25cm范围内有四个接收装置的情况下，总机的效率(从15v直流输入到最终灯泡接收到的实际功率)在50％以上。并且中间存在的任何非金属物体几乎不降低传输效率。 

这里列出了无线能量传输在实际应用中的系统框图，发射装置系统框图如图38所示，接收装置系统框图如所示。所示的无线能量传输系统框图可以适用于各种实际场合中，可以对小型电子设备进行无线供电或充电，如手机、MP3及数码相机等；可以对中型电子设备进行无线供电或充电，如笔记本电脑；也可以对大型设备进行无线供电或充电，如电动自行车及电动汽车。 

先看发射装置系统框图(如图38)，主要包含以下七个模块，分别是发射装置系统框图包括微控制单元(MCU)、功率放大器(Power Amplifier)、效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)、发射线圈(Transmitting Coil)、人机交互接口(Human-Machine Interface)、传感器(Sensors)以及电流/电压监控单元(Current/Voltage detector)，其中微控制单元(MCU)产生的高频振荡信号通过功率放大器(Power Amplifier)放大后送入效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)，之后信号被传输到发射线圈(Transmitting Coil)上，通过连接到效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)及发射线圈(Transmitting Coil)上的传感器(Sensors)以和电流/电压监控单元(Current/Voltage detector)来检测电压电流的变化以及其他异常情况，将检测到的这些信号反馈给微控制单元(MCU)进行处理然后微控制单元(MCU)会对输出信号作出相应的反应以实时适应接收负载及外 界环境的变化，使得传输效率时刻最优化，用户可以通过连接到微控制单元(MCU)上的人机交互接口(Human-Machine Interface)来进行各种不同的充电及其他选择。下面将逐一对每个模块做一简要介绍。 

微控制单元(MCU)负责协调整个无线能量传输系统中每个模块的运作，收集从人机交互接口(Human-Machine Interface)发送过来的用户信息以及从传感器(Sensors)和电流/电压监控单元(Current/Voltage detector)传送过来的信号进行分析后，产生相应的控制信号来控制功率放大器(Power Amplifier)的输出以及效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)中各元件的参数，保证在任何情况下按照用户的需求为待供电设备提供合适的功率以及良好的传输效率。 

功率放大器(Power Amplifier)，由于本无线能量传输装置需要提供一定功率的频率为f的高频功率信号给发射线圈(Transmitting Coil)，因此需要将微控制单元(MCU)产生的频率为f的小信号通过功率放大器(Power Amplifier)放大到合适的功率。功率放大器可采用工作在开关模式的具有高效率的E类功率放大器，输出功率可以从0.01w到10kw。它受控于微控制单元(MCU)发来的控制信号，时刻调整发射功率，以满足待供电设备时刻变化的功率需求。 

效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)，在发射端即为效率调节发射网络2，用于将发射线圈两端的效率最佳等效发射阻抗Zeqt调节到功率源最佳负载电阻Rs，使效率最优化。它受控于微控制单元(MCU)发来的控制信号，时刻根据待供电设备的负载变化改变网络中元件的值，使得效率最优化。 

发射线圈(Transmitting Coil)用来将功率放大器(Power Amplifier)提供的功率信号耦合到接收线圈(Receiving Coil)。 

人机交互接口(Human-Machine Interface)可以随时接收来自用户端的各种请求，比如需要者加大无线供电功率、减小无线供电功率或者停止无线供电。它将收集到的各种信息提供给受控于微控制单元(MCU)，微控制单元(MCU)会根据这些用户信息对相应的模块单元做出相应的控制。例如在汽车充电应用场合中，人机交互接口(Human-Machine Interface)将负责判断该车的车型，进而通知微控制单元(MCU)产生合适的功率信号，提供合适的充电功率，同时还负责如计费等功能。在手机及数码相机等小型电子设备的充电应用场合中，他将判断所要充电的小型电子设备的型号，为其提供合适的充电功率。 

传感器(Sensors)用于探测发射装置附近是否有非待供电设备的存在，例如大面积的金属物靠近，生物体的靠近等，如果探测到这些干扰物的存在，将会停止发射装置工作，并发出警告，避免损坏外部设备以及发射装置。例如，在在汽车充电应用场合中，传感器(Sensors)负责辅助汽车在停车时对准汽车的接收装置，以便提高传输效率。 

传感器(Sensors)以及电流/电压监控单元(Current/Voltage detector)用于探测效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)和发射线圈(Transmitting Coil)上的电流和电压，将电流电压数据反馈给微控制单元(MCU)，当带充电设备的负载发生改变或者所需的供电功率发生变化时，微控制单元(MCU)将根据收集到的电压电流的关系来判定当前应如何对效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)中的元件参数进行改 变，保证效率调节网络的正常工作。 

再来看接收装置系统框图(如图39)，主要包含以下九个模块，分别是微控制单元(MCU)、功率放大器(Power Amplifier)、效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)、接收线圈(Receiving Coil)、人机交互接口(Human-Machine Interface)、传感器(Sensors)、整流及充电控制单元(Rectifier/Charging Control Unit)、电流/电压监控单元(Current/Voltage detector)以及待供电设备(Device Under Powered)，其中从接收线圈(Receiving Coil)接收到的高频功率信号通过效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)后送入到整流及充电控制单元(Rectifier/Charging Control Unit)进行整合和电压电流控制，保证给待供电设备(Device Under Powered)提供一个所需要的稳定的电压和电流，通过连接到效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)及接收线圈(Transmitting Coil)上的传感器(Sensors)以和电流/电压监控单元(Current/Voltage detector)来检测电压电流的变化以及其他异常情况，将检测到的这些信号反馈给微控制单元(MCU)进行处理然后微控制单元(MCU)会对输出信号作出相应的反应以实时适应接收负载及外界环境的变化，使得传输效率时刻最优化，用户可以通过连接到微控制单元(MCU)上的人机交互接口(Human-Machine Interface)来进行各种不同的充电及其他选择。 

效率调节网络(Efficiency Optimizer Network)，在发射端即为效率调节发射网络RNet，用于将负载ZL调节到Zeqr，使效率最优化。它受控于微控制单元(MCU)发来的控制信号，时刻根据待供电设备的负载变化改变网络中元件的值，使得效率最优化。 

接收线圈(Receiving Coil)用来接收从发射线圈耦合过来的能量。 

待供电设备(Device Under Powered)可以是需要无线供电或充电的各种设备，比如手机及数码相机等小型电子设备，或者是电动自行车等中型设备，或者是电动汽车、电动巴士等大型设备，抑或是心脏起搏器等微型设备。 

无线能量传输未来应用场合 

首先是小型电子设备的供电或者充电，比如如图40所示的无线充电板，内嵌有一个或多个发射装置为带充电设备提供能量。使用的时候只需要将装有无线能量接收的带充电设备(如手机，MP3，数码相机等)放到无线充电板上，无线充电板自己自动地为其充电。 

图41所示的是另一种无线充电装置——无线充电架。它是一种立体的多层结构的无线充电装置，每一层可以放置一个或多个待充电设备(如手机，MP3，数码相机等)，每一层可以抽出或者旋转开(如图41(b)所示)这种立体多层式无线充电架可以节省桌面宝贵的空间，其在家庭、办公以及公共场合都有很好的适用性。 

下面是内嵌有无线能量传输接收装置的各种小型待供电或充电设备，如图42所示的带有无线能量传输接收装置的手机，接收线圈以及接收控制电路可以小型化，嵌入到手机背部壳体内(可以从图42(b)清楚看出)。又如图43所示的带有无线能量传输接收装置的笔记本电脑，接收线圈可以嵌入到笔记本电脑的底部(可以从图43(b)清楚看出)。 

图44所示的是一个装有无线能量传输发射装置的无线充电桌，桌子里面镶嵌上一个较大的线圈或者一组较小的线圈的阵列(如图45所示)。 一些移动设备诸如笔记本电脑、手机、照相机放置在桌面上以后就开始自动充电。充电完成后自动停止充电。传统的有线充电需要大量的电线、插头，如果用电器比较多的情况下，光是保管这些设备的电线、插头就很麻烦，而且电线和插头损坏以后配件比较麻烦。再者，很多的电线缠绕以后清理比较麻烦。而我们的无线充电系统省去了电线的麻烦，而且更智能、更方便，也更安全(不存在漏电等问题)。家里或者诸如娱乐场所的桌子上面做成这样的系统，我们在平时休息的时候电子设备就可以随时充电，这样也可以缓解现在电子设备用电量太大电量不够的问题，比如现在大屏幕的手机、MP4等用电非常厉害，有的甚至一天都支持不到，有了这种即时方便的无线充电方式，随时补充电量就不用担心电量的问题。 

图46是一个家庭使用无线充电的全景图，在房间的8个角各安置一个线圈，这样可以使无线能量的覆盖范围扩大到整个房间，同时房间内的多个线圈之间组网，可以根据接收装置的方位自动调控每个发射装置的功率输出，使得效率进一步提高。这种方案可以让房间里的大多数电器都永久摆脱了电线和插座的烦恼，用电器在搬移位置的时候也比较方便。 

本发明不仅能够应用在小型电子设备的供电或者充电，还可以为大型设备提供无线能量传输，比如汽车，公交汽车和电动车等。众所周知，电动汽车是我们将来走清洁能源道路的发展目标。我们可以将线圈镶嵌在电动汽车底部(如图47所示)，电动公交车底部(如图48所示)，电瓶车底部(如图49所示)，或其他的交通工具的底部。由于汽车充电所 需传送的功率极大，因此汽车底部可以嵌入多个无限能量线圈(如图47(b)所示)，这样可以降低每个接收装置的负荷，减轻发射装置和接收装置的设计难度和制作成本，同时提高传输效率；同理，电动公交车也可以在底部嵌入多个线圈(如图48(b)所示)。作为一个很好的应用前景，我们可以在公交车站台上布置充电线圈。电动公交车到达每个站台后会都会停车一会儿，无线能量传输装置就可以利用这段间隙给电动公交车车进行充电。发射线圈接收到电动公交车的信号后开始发射能量，公交车开走后充电过程停止。由于公交车的运营特点，需要多次停靠以及相对固定的停车位置，这些零散的时间加起来足够给电动公交车补充足够的电力，因此很有希望在短时间内普及电动公交车的无线充电桩。如果使用有线充电，那么城市里大量的电动公交车就需要很多的停车场地和充电站充电桩来及时充电，从而保证汽车的连续正常的运营。而我们设计的无线充电系统，让公交车在靠站的过程中充电，既有效的节约了时间，又省去了插插头拉线这些繁琐的过程，同时节省了大量的地皮资源。 

图50(a)所示的是可以为电动汽车提供无线能量传输的公共停车场，每个停车位的地下都埋有无线能量传输发射装置，为带有无线能量接收装置的电动汽车进行充电。公共停车场由于汽车停留时间短，所以需要大功率的无线能量发射装置，为电动汽车提供短时间快速充电。图50(b)所示的是家庭或者小区的停车场，同样在每个停车位的地下都埋有无线能量传输发射装置，为带有无线能量接收装置的电动汽车进行充电。由于家用停车场汽车停留时间长，因此无线能量发射装置所需要发射的能量就比公共停车场的小很多，可以在晚间长达10多小时的时间内 为用户的汽车进行慢速充电，提高充电电池的使用寿命。 

图51是无线能量传输的远期应用场景的设想——无线充电公路。由于现在的电动汽车电池电量有限(续航距离在100～200公里左右)，并且化学电池的单位提及容量在短时期内很难有突破性进展，这使得将来驾驶电动汽车做长途旅行成为一个比较难以客服的难题，将在很大程度上限制电动汽车的广泛应用。因此针对这个难题，可以建设一条充电的公路，公路的路面下的每隔固定距离就埋有一个无线能量传输发射装置，因此这条公路可以连续地为带有无线能量传输接收装置的电动汽车提供无线能量传输，这样汽车在行驶的过程中实时地补充能量，大大延长了电动汽车的出行范围。这样就解决了电动汽车的远距离续航能力难题，可以大大促进电动汽车的长足发展和广泛应用。 

最后一种应用是微型电子设备的供电或者充电，如心脏起搏器，目前由于化学电池的使用寿命问题，一般心脏起搏器的寿命在6～8年之间，达到使用期限之后，要将整个起搏器换掉。而更换的过程中无疑会带来一定的危险。而使用无线能量传输来为心脏起搏器的可充电电池进行充电，只需要每隔一段固定时间(如半年或者一年)为心脏起搏器的可充电电池充一次电，就不需要对病人进行手术更换心脏起搏器了。由于心脏起搏器的电池容量相对很小，所需的充电功率也就很小，整个充电过程将非常安全，甚至在病人睡眠的过程当中就可以不知不觉的完成。因此这种方案可以避免更因换心脏起搏器对患者带来的生命危险和昂贵医疗费用，节省了大量的人力和物力。 

以上的所有线圈可以是平面的方形(如图52(a1)(a2)所示)，平面的 圆形(如图52(b1)(b2)所示)，平面的正六边形(如图52(c1)(c2)所示)，平面的菱形(如图52(d1)(d2)所示)，平面的椭圆形(如图52(e1)(e2)所示)，平面的长方形(如图52(f1)(f2)所示)。也可以是非平面的类似弹簧的方形、圆形、正六边形、菱形、椭圆形、长方形、如图37所示。 

以上所有的线圈所使用的线材为漆包铜线，截面为圆形或者矩形，截面积从0.5-30平方毫米。或者使用多股绞合线，股数从10股到1500股。 

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (12)

1.一种无线能量传输装置，其特征在于，包括功率源、发射装置和接收装置；

所述发射装置包括发射线圈和用来将发射线圈两端的效率最佳等效发射阻抗Z_eqt调节到功率源最佳负载阻抗Z_s的效率调节发射网络，所述效率调节发射网络一端连发射线圈，其另一端连功率源；

所述接收装置包括通过交变电磁场与发射线圈进行能量耦合的接收线圈和用来将接收负载阻抗Z_L调节到接收线圈两端的效率最佳等效接收阻抗Z_eqr的效率调节接收网络，所述效率调节接收网络一端连接收线圈，其另一端连接收负载；

所述功率源最佳负载阻抗Z_s＝R_s+jX_s；

所述接收负载阻抗Z_L＝R_L+jX_L；

所述接收线圈两端的效率最佳等效接收阻抗

所述效率最佳等效发射阻抗

其中，R_s是功率源最佳负载电阻，X_s是功率源最佳负载电抗，R_L是接收负载电阻，X_L是接收负载电抗，k是发射线圈和接收线圈之间的耦合系数，ω是整个无线能量传输装置的工作角频率，L_t是发射线圈自感，R_pt是发射线圈损耗电阻，L_r是接收线圈自感，R_pr是接收线圈损耗电阻，R_eqr是效率最佳等效接收电阻，X_eqr是效率最佳等效接收电抗，R_eqt是效率最佳等效发射电阻，X_eqt是效率最佳等效发射电抗，j是虚数单位。

2.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其特征在于，当效率最佳等效接收电阻R_eqr＜接收负载电阻R_L时，通过所述效率调节接收网络，使接收负载阻抗Z_L等于效率最佳等效接收阻抗Z_eqr；

当效率最佳等效发射电阻R_eqt＜功率源最佳负载电阻R_s时，通过所述 效率调节发射网络，使效率最佳等效发射阻抗Z_eqt等于功率源最佳负载阻抗Z_s。

3.根据权利要求2所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述效率调节接收网络和效率调节发射网络采用的均是A类工作模式效率调节网络。

4.根据权利要求3所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述A类工作模式效率调节网络采用的是两元件的AL1型效率调节网络、AL2型效率调节网络、AL3型效率调节网络或AL4型效率调节网络中的一种、或三元件的APi1型效率调节网络、APi2型效率调节网络、APi3型效率调节网络或APi4型效率调节网络中的一种，或三元件的AT1型效率调节网络、AT2型效率调节网络、AT3型效率调节网络、AT4型效率调节网络或AT5型效率调节网络中的一种。

5.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其特征在于，当效率最佳等效接收电阻R_eqr＞接收负载电阻R_L时，通过所述效率调节接收网络，使接收负载阻抗Z_L等于效率最佳等效接收阻抗Z_eqr；

当效率最佳等效发射电阻R_eqt＞功率源最佳负载电阻R_s时，通过所述效率调节发射网络，使效率最佳等效发射阻抗Z_eqt等于功率源最佳负载阻抗Z_s。

6.根据权利要求5所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述效率调节接收网络和效率调节发射网络采用的均是C类工作模式效率调节网络。

7.根据权利要求6所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述C类工作模式效率调节网络采用的是两元件的CL1型效率调节网络或CL2型效率调节网络中的一种、三元件的CPi1型效率调节网络或CPi2型效率调节网络中的一种，或三元件的CT1型效率调节网络、CT2型效率调节网络、CT3型效率调节网络或CT4型效率调节网络中的一种。

8.根据权利要求1所述的无线能量传输装置，其特征在于，当效率最佳等效接收电阻R_eqr＝接收负载电阻R_L时，通过所述效率调节接收网络，使接收负载阻抗Z_L等于效率最佳等效接收阻抗Z_eqr；

当效率最佳等效发射电阻R_eqt＝功率源最佳负载电阻R_s时，通过所述效率调节发射网络，使效率最佳等效发射阻抗Z_eqt等于功率源最佳负载 阻抗Z_s。

9.根据权利要求8所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述效率调节接收网络和效率调节发射网络采用的均是B类工作模式效率调节网络。

10.根据权利要求9所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述B类工作模式效率调节网络采用的是一元件的B1型效率调节网络或B2型效率调节网络中的一种。

11.根据权利要求1至10任意一项所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述接收负载可以为待供电设备和/或充电设备。

12.根据权利要求1至10任意一项所述的无线能量传输装置，其特征在于，所述功率源采用的是射频电源。 

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