CN102868235A - 一种无线电能传输系统及传输方法 - Google Patents

Abstract

一种无线电能传输系统及传输方法。无线电能传输系统包含多个区域，其中每个区域均包含一个主节点和多个副节点。主节点通过磁谐振耦合方式把能量单向传输给所在区域的副节点，实现区域内无线电能传输。各区域主节点之间通过磁谐振耦合方式进行双向无线电能传输，实现区域间无线电能传输。一方面主节点作为能量的来源，通过从环境中捕获振动能、太阳能、热能等为系统中所有节点提供能量；另一方面主节点作为系统的节点之一，完成相应的功能。副节点从主节点获取能量完成相应的功能。本发明可根据不同时段各区域节点的能量需求信息，实现各主节点之间的能量协调分配，双向无线传输。

Description

一种无线电能传输系统及传输方法

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输系统及方法。

背景技术

近年来，无线传感器已经广泛应用于工业领域，而供电是制约其应用的瓶颈问题之一。目前，无线传感器的电源主要采用电池。由于电池的寿命短，存储能量有限，相对被供电器件而言体积和质量大；而且，在某些应用中更换电池成本很高，过程复杂。能量采集器可以把环境中存在的能量，如振动能、太阳能、热能等转换成电能，而成为一种可代替电池和可自我维持的新型电源。然而，太阳能电池可以把光能转换成电能从而为无线产品和MEMS器件供电，但是，它只能应用于有光的环境中。热电式微电源可以把热能转换成电能，但是，这种方式必须存在于有温度梯度的环境中。因此，无线传感器节点从环境中捕获能量受环境因素影响较大，具有不均衡性和非持续性特点，势必导致系统能量分配的不均衡，影响系统稳定工作。

为了既能自动采集环境中的能量为无线传感器节点供电，又能解决环境捕获能量不均衡性和非持续性的问题，引入无线电能传输技术。无线电能传输技术可以使供电设备和用电设备在完全封闭的条件下实现高效电能传输，是解决环境能量捕获的不均衡和非持续问题的重要手段。

目前无线电能传输方式主要有三种：电磁感应式、磁谐振耦合式和微波方式。国内外已经有很多公司将无线充电技术应用于小型电器及电动汽车的充电，采用的供电方式为电磁感应式，能量传输距离很近（厘米或毫米级），这显然不适合随机分布的无线传感器网络。磁谐振耦合无线电能传输方式相较于感应式，其能量传输性能稳定，距离远，该方式对环境友好，具有良好的穿透性，对非铁磁材料障碍不敏感，且无严格的方向性，能同时给有效区域内多个相近谐振频率的接收装置供电，而其他频率不匹配的物体几乎不受影响。将无线传感器网络与磁谐振耦合无线电能传输技术结合，将充分发挥无线传感器网络自由分布的特性。

当前无线电能传输主要采用一个电源对多个用电设备传输电能的方式，为了保证最远处用电设备获得足够的电能，需要提高电源的能量输出，由于磁谐振耦合无线电能传输随着距离增加效率下降速度变快，导致电源的输出远大于系统中所有用电设备的电能需求量，系统传输效率低，造成资源浪费。对于一定空间内任意分布的无线传感器节点，由于传感器节点分布随机性、各节点电能容量及耗电量的不一致性，导致用电设备呈现出明显的不均衡性。而且，如果每个节点都配备环境能量捕获装置，势必会造成无线传感器节点的成本增加，体积增大，造成资源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于，克服环境捕获能量不均衡和非持续性的缺点，提高能量利用效率，提供一种基于环境能量捕获的分区无线电能传输系统及区域能量可协调的无线电能传输方法。

本发明无线电能传输系统划分为多个区域，每个区域均包含一个主节点和多个副节点。各区域主节点将环境中的振动能、太阳能、热能等转换成电能，为无线电能传输系统提供能量，解决主节点和副节点由电池供电带来的诸多不便。区域主节点之间可以实现双向无线电能传输，解决了主节点获取电能不均衡和各区域节点用电不均衡导致的无线电能传输系统稳定性差的问题，保证所述的系统所有节点能量持续高效的供给。

为了实现上述目的，本发明基于环境能量捕获的分区无线电能传输系统划分为多个区域，每个区域包含一个主节点和多个副节点。每个主节点包括能量捕获模块、能量存储模块、能量转换模块、能量发送/接收模块、能量管理模块和无线通信模块。每个副节点包括能量接收模块、能量转换模块、能量存储模块、能量管理模块和无线通信模块。主节点通过磁谐振耦合方式把能量单向传输给所在区域的副节点，实现区域内无线电能传输；各区域主节点之间通过磁谐振耦合方式进行双向无线电能传输，实现区域间无线电能传输。

所述的主节点中，所述能量捕获模块获取能量的来源为环境中的振动能、太阳能、热能中的一种或几种，和能量存储模块单向连接，能量存储模块与能量转换模块双向连接，用于能量的存储和释放；能量转换模块与能量发送/接收模块双向连接，能量转换模块根据能量流向将电能由直流转换成高频交流或由高频交流转换成直流，能量发送/接收模块用于能量的发送或接收；能量管理模块用于管理系统能量的存储、转换和分配，能量管理模块与能量捕获模块、能量存储模块、能量变换模块，以及能量发送/接收模块均双向连接；无线通信模块用于区域内主节点与副节点之间，区域间主节点之间的信号传输，无线通信模块与能量管理模块双向连接。

所述的副节点中，所述的能量接收模块与能量转换模块单向连接，能量接收模块用于能量的接收；能量转换模块与能量存储模块单向连接，能量转换模块将电能由高频交流转换成直流，能量存储模块用于存储能量；能量管理模块用于管理系统能量的存储、转换和分配，能量管理模块与能量接收模块、能量转换模块和能量存储模块双向连接；无线通信模块用于区域内主节点与副节点之间的信号传输，无线通信模块与能量管理模块双向连接。

所述的区域内无线电能传输为区域内主节点向副节点的单向能量传输，主节点只作为能量发送端，副节点只作为能量接收端；区域间无线电能传输为区域主节点之间的双向能量传输，主节点既可以作为能量发送端，又可以作为能量接收端。

所述的主节点全部为静止节点，所述的副节点为静止节点或运动节点，向运动副节点提供电能的主节点由运动节点接收电能时刻所处的位置决定。

本发明提供一种区域能量可协调的无线电能传输方法，步骤如下：

1）当副节点电能供应不足时，无线通信模块将能量管理模块检测到的能量需求信息发送给所在区域主节点无线通信模块，提出能量请求；

2）区域主节点的无线通信模块接收到请求后，能量管理模块检测能量存储模块存储的电量是否能满足副节点的需求；如果满足，所述区域主节点将能量传输给副节点，完成区域内无线电能传输过程；如果不满足，则进入以下步骤：

3）区域主节点作为能量请求主节点向邻近区域主节点发出能量供给请求，所属能量管理模块根据邻近区域主节点能量管理模块反馈的信息，依据无线电能传输最优路径选择标准决定能量供给主节点及能量传输路径；

4）选定的能量供给主节点将能量无线传输给能量请求主节点，完成区域间无线电能传输过程；

5）能量请求主节点再将能量传输给请求传输能量的副节点，完成区域内无线电能传输过程。

上述步骤中所述无线电能传输最优路径选择标准为：

1）能量请求主节点的相邻区域主节点的能量存储量可以满足需求时，相邻区域主节点直接向能量请求主节点无线传输电能；如果与能量请求主节点相邻的多个区域主节点均满足能量供给需求，能量管理模块选择能量传输路程最短的主节点作为能量供给主节点；如果多个主节点到能量请求主节点的路程相同且能量存储量均能够满足能量请求主节点的需求，能量管理模块选择能量存储量最大的主节点作为能量供给主节点。

2）能量请求主节点的相邻区域主节点能量存储量不能满足需求时，能量请求主节点请求非相邻区域的主节点提供能量。由于距离较远，直接传输能量效率低，因此系统设置只有相邻区域的主节点可以直接传输能量。借助能量供给主节点到能量请求主节点路径之间的区域主节点作为中继主节点，能量供给主节点完成向能量请求主节点的无线电能传输。能量传输路径中起中继传输作用的主节点从其相邻区域主节点接收能量后无需进行能量的转换，而是直接将能量传输给能量请求主节点或者下一个中继主节点，所以在中继主节点消耗的能量很少，可以保证整体的传输效率不受影响。另一方面，传输到中继主节点的能量无需占用该节点的存储单元，不会影响到该节点的正常工作。如果有多个主节点满足能量请求主节点的能量供给需求，并且到能量请求主节点的能量传输路程相同，则选择能量传输路径上中继主节点最少的主节点作为能量供给主节点。反之，如果多个主节点到能量请求主节点之间的路径上中继主节点个数相同，则选择能量传输路程最短的主节点作为能量供给主节点。

上述步骤中所述的区域内无线电能传输，主节点只作为能量发送端，副节点只作为能量接收端。区域内无线电能传输过程中，主节点的能量发送过程和副节点的能量接收过程如下：

主节点的能量发送过程：

1）主节点接收到能量传输指令，所属能量存储模块通过电池充放电电路放电，将直流电传输给能量转换模块；

2）能量转换模块将直流电经过逆变电路变换成高频交流电输送给能量发送线圈，从而将直流电以高频电磁能量形式发送给副节点的能量接收线圈。

副节点的能量接收过程：

1）所述副节点的能量接收线圈接收主节点发送/接收线圈的高频电磁能量，传输给能量转换模块；

2）能量转换模块经过整流滤波电路将高频交流电变换成直流电输送给能量存储模块。

步骤中所述的区域间无线电能传输，主节点既可作为能量供给主节点，也可作为能量接收主节点。区域间无线电能传输过程中，能量供给主节点的能量发送过程和能量接收主节点能量接收过程如下：

能量供给主节点的能量发送过程：

（1）能量供给主节点接收到能量传输指令，所属能量存储模块通过电池充放电电路放电，将直流电传输给能量转换模块；

（2）能量转换模块将直流电经过逆变电路变换成高频交流电输送给能量发送/接收线圈，从而将直流电能以高频电磁能量形式发送给能量请求主节点的能量发送/接收线圈。

所述能量请求主节点的能量接收过程：

（1）所述能量请求主节点的能量发送/接收线圈接收能量发送主节点发送/接收线圈的高频电磁能量，传输给能量转换模块；

（2）能量转换模块经过整流滤波电路将高频交流电变换成直流电输送给能量存储模块。

本发明拥有以下有益效果：节点系统的能量来源为环境中捕获的能量，解决了更换电池的问题。分区域选取部分节点作为主节点，只有主节点为能量捕获节点，避免了每个节点都安装相应的能量捕获和能量存储单元，降低了整个系统节点的体积和成本，并有利于能量管理。每个主节点均可以根据需求执行能量发送、接收和中继功能，在能量管理模块的协调下实现双向无线电能传输，传输效率高，弥补了环镜能量捕获的不均衡和非持续性引起的供电不稳定和非持续等不足。电能的分配再利用同时起到节约能源的作用，提高系统整体的能源利用率。

附图说明

图1基于环境能量捕获的分区无线电能传输系统示意图；

图2主节点结构框图；

图3副节点结构框图；

图4区域内无线电能传输框图；

图5区域间无线电能传输框图；

图6区域内无线电能传输结构图；

图7区域间无线电能传输结构图；

图8无线电能传输最优路径选择示意图；

图9副节点为运动节点时的能量供给示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

基于环境能量捕获的分区无线电能传输系统示意图如图1所示。整个系统划分为多个区域，其中每个区域包含一个主节点和多个副节点；主节点通过磁谐振耦合方式把能量单向传输给所在区域的副节点，实现区域内无线电能传输；各区域主节点之间通过磁谐振耦合方式进行双向无线电能传输，实现区域间无线电能传输。

所述主节点的结构框图如图2所示。所述的主节点包括能量捕获模块、能量存储模块、能量转换模块、能量发送/接收模块、能量管理模块和无线通信模块。其中能量捕获模块获取能量的来源为环境中的振动能、太阳能、热能中的一种或几种，和能量存储模块单向连接，能量存储模块与能量转换模块双向连接，用于能量的存储和释放；能量转换模块与能量发送/接收模块双向连接，能量转换模块根据能量流向将电能由直流转换成高频交流或由高频交流转换成直流，能量发送/接收模块用于能量的发送或接收；能量管理模块用于管理系统能量的存储、转换和分配，能量管理模块与能量捕获模块、能量存储模块、能量变换模块，以及能量发送/接收模块均双向连接；无线通信模块用于区域内主节点与副节点之间，区域间主节点之间的信号传输，无线通信模块与能量管理模块双向连接。

所述副节点的结构框图如图3所示。所述的副节点包括能量接收模块、能量转换模块、能量存储模块、能量管理模块和无线通信模块。所述的能量接收模块与能量转换模块单向连接，能量接收模块用于能量的接收；能量转换模块与能量存储模块单向连接，能量转换模块将电能由高频交流转换成直流，能量存储模块用于存储能量；能量管理模块用于管理系统能量的存储、转换和分配，能量管理模块与能量接收模块、能量转换模块和能量存储模块双向连接；无线通信模块用于区域内主节点与副节点之间的信号传输，无线通信模块与能量管理模块双向连接。

所述的基于环境能量捕获的分区无线电能传输系统电能传输方式有两种，分别为区域内无线电能传输和区域间无线电能传输。图4所示为区域内无线电能传输框图；图6为区域内无线电能传输结构图。当副节点电能供应不足时，无线通信模块将能量管理模块检测到的能量需求信息发送给所在区域主节点无线通信模块，提出能量请求；区域主节点的无线通信模块接收到请求后，能量管理模块检测能量存储模块存储的电量是否能满足副节点的需求；如果满足，主节点接收能量传输指令，所属能量存储模块通过电池充放电电路放电，将直流电传输给能量转换模块，能量转换模块将直流电经过逆变电路变换成高频交流电输送给能量发送/接收线圈，从而将直流电能以高频电磁能量形式发送给副节点的能量接收线圈；副节点的能量接收线圈接收主节点发送/接收线圈的高频电磁能量，传输给能量转换模块，能量转换模块经过整流滤波电路将高频交流电变换成直流电输送给能量存储模块。

如果所述区域主节点存储的能量不能满足副节点的需求，则所述区域主节点即作为能量请求主节点向其他区域主节点提出能量传输请求，获取足够能量后再传输给副节点。图5所示为区域间无线电能传输框图；图7为区域间无线电能传输结构图。能量请求主节点向邻近区域主节点发出能量供给请求，所属能量管理模块根据邻近区域主节点能量管理模块反馈的信息，依据无线电能传输最优路径选择标准决定能量供给主节点及能量传输路径；能量供给主节点接收能量传输指令，所属能量存储模块通过电池充放电电路放电，将直流电传输给能量转换模块；能量转换模块将所述直流电经过逆变电路变换成高频交流电输送给能量发送/接收线圈，从而将直流电能以高频电磁能量形式发送给能量请求主节点的能量发送/接收线圈；能量请求主节点的能量发送/接收线圈接收能量供给主节点能量发送/接收线圈的高频电磁能量，传输给能量转换模块；能量转换模块经过整流滤波电路将高频交流电变换成直流电输送给能量存储模块。

所述无线电能传输最优路径选择示意图如图8所示。所述能量请求主节点的相邻区域主节点的能量存储量可以满足需求时，相邻区域主节点直接将能量无线传输给能量请求主节点。如果与能量请求主节点相邻的多个区域主节点均满足能量供给需求，能量管理模块选择能量传输路程最短的主节点作为能量供给主节点。如果多个主节点到能量请求主节点的路程相同且能量存储量均能够满足能量请求主节点的需求，能量管理模块根据相邻主节点反馈回来的能量存储量信息选择能量存储量最大的主节点作为能量供给主节点。

当能量请求主节点的相邻区域主节点能量存储量不能满足需求时，能量请求主节点请求非相邻区域的主节点提供能量。由于距离较远，直接传输能量效率低，因此系统设置只有相邻区域的主节点可以直接传输能量。借助能量供给主节点到能量请求主节点路径之间的区域主节点作为中继主节点，能量供给主节点完成向能量请求主节点的无线电能传输。一方面，能量传输路径中起中继传输作用的主节点从其相邻区域主节点接收能量后无需进行能量的转换，而是直接将能量传输给能量请求主节点或者下一个中继主节点，所以在中继主节点消耗的能量很少，可以保证整体的传输效率不受影响；另一方面，传输到中继主节点的能量无需占用该节点的存储单元，不会影响到该节点的正常工作。如果有多个主节点均能满足能量请求主节点的能量供给需求，并且到能量请求主节点的能量传输路程相同，则选择能量传输路径上中继主节点最少的主节点作为能量供给主节点；反之，如果多个主节点到能量请求主节点之间的路径上中继主节点数量相同，则选择能量传输路程最短的主节点作为能量供给主节点。

所述的主节点全部为静止节点，所述的副节点为静止节点或运动节点。副节点为运动节点时的能量供给示意图如图9所示。副节点的供电主节点由副节点沿运动路径运动过程中请求供电时刻所处位置决定。副节点由所在区域的主节点提供电能，如果副节点位于区域的交界处，则由交界线所属所有区域主节点共同提供电能。

Claims (9)

1.一种无线电能传输系统，其特征在于：所述的无线电能传输系统划分为多个区域，每个区域均包含一个主节点和多个副节点；主节点通过磁谐振耦合方式把能量单向传输给所在区域的副节点，实现区域内无线电能传输；各区域主节点之间通过磁谐振耦合方式进行双向无线电能传输，实现区域间无线电能传输。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述的主节点包括能量捕获模块、能量存储模块、能量转换模块、能量发送/接收模块、能量管理模块和无线通信模块；所述的副节点包括能量接收模块，能量转换模块、能量存储、能量管理模块和无线通信模块；所述的主节点通过磁谐振耦合无线电能传输的方式把能量单向传输给所在区域的副节点，实现区域内无线电能传输；各区域主节点之间进行双向无线电能传输，实现区域间无线电能传输。

3.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述的主节点中，所述的能量捕获模块和能量存储模块单向连接，能量存储模块与能量转换模块双向连接，用于能量的存储和释放；能量转换模块与能量发送/接收模块双向连接，能量转换模块根据能量流向将电能由直流转换成高频交流或由高频交流转换成直流，能量发送/接收模块用于能量的发送或接收；能量管理模块用于管理系统能量的存储、转换和分配，能量管理模块与能量捕获模块、能量存储模块、能量转换模块，以及能量发送/接收模块均双向连接；无线通信模块用于区域内主节点与副节点之间，以及区域间主节点之间的信号传输，无线通信模块与能量管理模块双向连接。

4.根据权利要求1或2所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述的副节点中，所述的能量接收模块与能量转换模块单向连接，能量接收模块用于能量的接收；能量转换模块与能量存储模块单向连接，能量转换模块用于将电能由高频交流转换成直流，能量存储模块用于存储能量；能量管理模块用于管理系统能量的存储、转换和分配，能量管理模块与能量接收模块、能量转换模块和能量存储模块双向连接；无线通信模块用于区域内主节点与副节点之间的信号传输，无线通信模块与能量管理模块双向连接。

5.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述的区域内无线电能传输为区域内主节点向副节点的单向能量传输，主节点只作为能量发送端，副节点只作为能量接收端；区域间无线电能传输为区域主节点之间的双向能量传输，主节点既作为能量发送端，又作为能量接收端。

6.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于，所述的主节点全部为静止节点，所述的副节点为静止节点或运动节点；向运动副节点提供电能的主节点由运动节点接收电能时刻所处的位置决定。

7.根据权利要求1所述的无线电能传输系统，其特征在于：所述的主节点的能量捕获模块获取能量的来源为环境中的振动能、太阳能、热能中的一种或几种。

8.应用权利要求1所述的无线电能传输系统的无线电能传输方法，其特征在于：

1）当副节点电能供应不足时，无线通信模块将能量管理模块检测到的能量需求信息发送给所在区域主节点无线通信模块，提出能量请求；

2）区域主节点的无线通信模块接收到请求后，能量管理模块检测能量存储模块存储的电量是否能满足副节点的需求；如果满足，所述区域主节点将能量传输给副节点，完成区域内无线电能传输过程；如果不满足，则进入以下步骤：

3）区域主节点作为能量请求主节点向邻近区域主节点发出能量供给请求，所属能量管理模块根据邻近区域主节点能量管理模块反馈的信息，依据无线电能传输最优路径选择标准决定能量供给主节点及能量传输路径；

4）选定的能量供给主节点将能量无线传输给能量请求主节点，完成区域间无线电能传输过程；

5）能量请求主节点再将能量传输给副节点，完成区域内无线电能传输过程。

9.根据权利要求8所述的无线电能传输方法，其特征在于：所述步骤3）中无线电能传输最优路径选择标准为：

1）能量请求主节点的相邻区域主节点的能量存储量可以满足需求时，相邻区域主节点直接向能量请求主节点无线传输电能；如果与能量请求主节点相邻的多个区域主节点均满足能量供给需求，能量管理模块选择能量传输路程最短的主节点作为能量供给主节点；如果多个主节点到能量请求主节点的路程相同且能量存储量均能够满足能量请求主节点的需求，能量管理模块选择能量存储量最大的主节点作为能量供给主节点；

2）能量请求主节点的相邻区域主节点能量存储量不能满足需求时，能量请求主节点请求非相邻区域的主节点提供能量；借助能量供给主节点到能量请求主节点路径之间的区域主节点作为中继主节点，能量供给主节点完成向能量请求主节点的无线电能传输；如果有多个主节点满足能量请求主节点的能量供给需求，并且到能量请求主节点的能量传输路程相同，则选择能量传输路径上中继主节点最少的主节点作为能量供给主节点；反之，如果多个主节点到能量请求主节点之间的路径上中继主节点数量相同，则选择能量传输路程最短的主节点作为能量供给主节点。

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