CN102593964A - 一种具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电方法及装置，其方法包括利用一能量发射线圈在高频功率信号激励下产生交变磁场，与所述发射线圈对应设置由三个在x、y、z轴方向上构成三维正交结构的接收线圈组成的能量接收单元，使所述能量接收单元中的接收线圈分别保持与所述发射线圈具有相同的谐振频率并产生磁耦合谐振，通过电压处理电路将所述三个接收线圈获取的交流电压转化为满足负载要求的直流电压。本发明具有如下特点：一是设计简单、成本低、易于实现；二是能量接收具有方向适应性，大大降低了对能量发射线圈方向的约束。

Description

一种具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电方法及装置

技术领域

本发明属于无线能量传输技术领域，特别提供一种能适应方向性的磁耦合谐振无线能量传输方法及装置。

背景技术

随着社会的不断发展进步，各种无线、移动电子设备日益进入日常生活、工业生产以及军事领域中，对电能供应的灵活性提出了较高的要求，而无线能量传输技术的出现可以很好地解决这个问题，它是利用一种特殊装置对电能以无线形式进行传输，从而可以在无需线缆的情况下提供电能，在无线传输网络、空间技术、机器人、移动终端设备、交通、医学等领域具有迫切应用需求。

电能如何实现高效传输是无线能量传输技术的核心问题之一。目前常用的方法是建立在电磁感应原理基础上的，即设置相互接近的两个初、次级线圈，当初级线圈中流过的电流发生变化时，通过次级线圈磁通量也会发生变化，由于电磁感应而在次级线圈中产生感应电动势，实现电能的无线传输。该无线传输方式原理简单、易于实现，但其传输效率与传输距离、线圈方向紧密相关，距离越大、同轴性越差，传输效率会急剧下降，故只能工作在几厘米范围内，大大限制了其应用范围。因此，迫切需要一种能适应方向性、高效的、远距离无线供电方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电方法及装置，以实现高效的、远距离无线供电。

本发明具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电方法，包括利用一能量发射线圈在高频功率信号激励下产生交变磁场，与所述能量发射线圈对应设置由三个在x、y、z轴方向上构成三维正交结构的接收线圈组成的能量接收单元，使所述能量接收单元中的接收线圈分别保持与所述能量发射线圈具有相同的谐振频率并产生磁耦合谐振，通过电压处理电路对所述三个接收线圈获取的交流电压先进行整流，再并联后将其转化为满足负载要求的直流电压。

本发明具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电装置，包括配置有第一谐振电容并与高频功率放大电路连接的能量发射线圈，与所述能量发射线圈对应设置由三个在x、y、z轴方向上构成三维正交结构的接收线圈组成的能量接收单元，所述能量接收单元中各接收线圈分别配置第二谐振电容并与电压处理电路连接，所述电压处理电路包括与三个接收线圈分别连接的整流电路，整流电路并联后与滤波电路和DC-DC电压转换电路连接。

所述能量接收单元的圆心最好设置在能量发射线圈的圆心轴上，且能量接收单元中的任一接收线圈最好与能量发射线圈平行，此时接收到的能量最大。

本发明装置中高频功率放大电路采用E类开关功率放大；能量发射线圈与能量接收单元中接收线圈的谐振频率均由线圈分布电感和谐振电容的大小来确定。能量发射线圈采用单个线圈，在高频功率信号激励下产生交变磁场，三个呈三维正交结构的接收线圈，每一维接收线圈的谐振频率与能量发射线圈的谐振频率相同。电压处理电路对三个接收线圈获取的交流电压先进行整流，再进行并联连接，将其转化为满足负载要求的直流电压，这种方式可以在任何时候得到三个接收线圈中的最大耦合产生的输出电压。

本发明装置中，高频功率放大电路、整流电路、滤波电路、DC-DC电压转换电路均可选择常规电路。

本发明提供的具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电方法及装置，利用非辐射性磁耦合谐振原理来进行远距离能量传输，当能量发射线圈与能量接收线圈产生磁耦合谐振时，线圈回路阻抗达到最小，从而使大部分能量传输到接收端；同时利用正交的接收线圈提高了方向适应性。

本发明方法及装置由于采用了三维正交结构的能量接收线圈，每一维线圈在交变电磁场中会由于耦合谐振产生交流电动势。当能量接收线圈分别处于其x、y、z任意位置时，能量发射线圈产生的磁场总有大部分穿过其中一个能量接收线圈，因此该能量接收线圈能与能量发射线圈产生较大的谐振耦合，传输更多的电能，从而减小了对能量发射线圈方向的要求，提高了方向适应性。

本发明具有如下特点：一是设计简单、成本低、易于实现，只需通过调节谐振电容、谐振线圈电感大小以及它们之间的比例就可以显著提高无线能量传输的性能，使得在不同距离下都可以获得最佳能量传输效率；二是能量接收具有方向适应性，大大降低了对能量发射线圈方向的约束。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明装置中的高频功率放大电路图。

图3是本发明装置中的电压处理电路。

图4是本发明装置中三维正交接收线圈接收电压的曲面图。

具体实施方式

本发明的具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电装置如图1所示，包括配置有第一谐振电容1并与高频功率放大电路连接的能量发射线圈2，与所述能量发射线圈2对应设置由三个在x、y、z轴方向上固定连接构成三维正交结构的接收线圈6、7、8组成的能量接收单元，能量接收单元的圆心O₂设置在过能量发射线圈圆心O₁的圆心轴9上，能量接收单元中各接收线圈6、7、8分别配置第二谐振电容3、4、5并与电压处理电路连接，所述电压处理电路包括与三个接收线圈分别连接的整流电路，整流电路并联后与滤波电路和DC-DC电压转换电路连接。

高频功率放大电路如图2所示，采用E类开关功率放大器，开关器件M1选用了增强型N沟道MOS场效应管，其型号可选用IRF840、IRF640、IRF250等。为了将信号发生器输出方波电压放大，达到E类开关功率放大器中MOS场效应管的工作电压，需要增加一个驱动电路，驱动芯片U1选取原则是驱动电流大、工作频率高，为此选用了桥式驱动集成电路芯片IR2110。电压Vcc的取值必须小于M1的耐压值，电阻R1、R2和电容C的取值根据实际功率和频率要求来确定。外部信号发生器产生方波信号，输入到驱动芯片U1的LIN管脚，在LO管脚上产生大功率的方波信号通过电阻R1作为开关器件M1的开关信号。

能量发射线圈2及其谐振电容1构成了能量发射单元，在高频功率信号激励下产生交变磁场。能量接收单元中的三个接收线圈6、7、8分别由三根不同漆包铜线绕制，两两正交构成了三维正交结构；每一个接收线圈配置了相应的谐振电容：接收线圈6、7、8分别配置谐振电容3、4、5，它们的固有频率都与能量发射线圈2的固有频率相同。当接收线圈6、7、8工作时，能量发射线圈2产生的磁场总有大部分穿过其中一个接收线圈，因此该接收线圈能与能量发射线圈产生较大的谐振耦合，再采用合适的电压处理电路可以将该谐振耦合能量转化成直流电压为负载供电，保证了较高的能量传输效率。

所述的电压处理电路如图3所示，主要包括桥式整流、滤波和DC-DC电压转换。三个正交的接收线圈6、7、8分别进行桥式整流后，再并联连接到滤波和DC-DC电压转换电路，为负载提供合适的直流电压。

本发明装置中，高频功率放大电路、整流电路、滤波电路、DC-DC电压处理电路还可以采用其它的常规电路，在此不再赘述。

原理说明：

假设三个正交接收线圈的匝数和半径均相同，则三个接收线圈6、7、8全桥整流电路并联以后的输出电压为：

u＝V×max(|cosθ₁|，|cosθ₂|，|cosθ₃|)            (1)

其中V为单个接收线圈与能量发射线圈同轴平行时的接收电压，θ₁、θ₂、θ₃分别为三个接收线圈6、7、8与发射线圈的法向夹角。由于三个能量接收线圈正交，故有cos²θ₁+cos²θ₂+cos²θ₃＝1，因此输出电压为：

$u=V\×\max |\left(\right|\cos {\mathrm{\θ}}_1|,|\cos {\mathrm{\θ}}_2\left|\right),\sqrt{1-{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1-{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2}---\left(2\right)$

记三个能量接收线圈6、7、8的轴向分别为x、y、z轴，由于三维正交线圈为球对称结构，只需分析八分之一的球区域，利用式(2)可以计算三个能量接收线圈6、7、8的电压输出特性如图4所示，其中曲面上的点到原点的距离大小表示该位置时接收到的归一化电压值。从图4中可以看出：当三个正交能量接收线圈中的任一一个线圈与能量发射线圈平行时，接收电压达到最大值1；当三个能量接收线圈6、7、8平面法向与能量发射线圈平面法向夹角相等时，接收电压达到最小值

从而验证了这种三维正交的能量接收线圈对能量发射线圈的方向适应性。

Claims (4)

1.一种具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电方法，其特征在于包括利用一能量发射线圈在高频功率信号激励下产生交变磁场，与所述发射线圈对应设置由三个在x、y、z轴方向上构成三维正交结构的接收线圈组成的能量接收单元，使所述能量接收单元中的接收线圈分别保持与所述发射线圈具有相同的谐振频率并产生磁耦合谐振，通过电压处理电路对所述三个接收线圈获取的交流电压先进行整流，再并联后将其转化为满足负载要求的直流电压。

2.根据权利要求1所述的具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电方法，其特征在于将所述能量接收单元的圆心设置在能量发射线圈的圆心轴上，且将能量接收单元中的任一接收线圈与能量发射线圈平行。

3.一种具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电装置，其特征在于包括配置有第一谐振电容并与高频功率放大电路连接的能量发射线圈，与所述能量发射线圈对应设置由三个在x、y、z轴方向上构成三维正交结构的接收线圈组成的能量接收单元，所述能量接收单元中各接收线圈分别配置第二谐振电容并与电压处理电路连接，所述电压处理电路包括与三个接收线圈分别连接的整流电路，整流电路并联后与滤波电路和DC-DC电压转换电路连接。

4.根据权利要求3所述的具有方向适应性的磁耦合谐振式无线供电装置，其特征在于所述能量接收单元的圆心设置在能量发射线圈的圆心轴上，且能量接收单元中的任一接收线圈与能量发射线圈平行。

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