CN103066709A - 多接受端磁耦合无线能量传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多接受端磁耦合无线能量传输系统，包括：多个接受电路、控制电路、受到控制电路控制的驱动电路、一个发射电路；发射电路包括：一个发射线圈、多个与发射线圈并联的谐振电容支路、与发射线圈串联的受驱动电路驱动的频率开关、为发射线圈和频率开关串联而成的电路提供电能的交流电源；谐振电容支路包括：一个发射端谐振电容和一个与之串联的受到控制电路控制的支路开关，本发明提供一种仅采用单个发射线圈既实现单个发射端为多个接受端中仅指定的那一个提供电能传输的磁耦合无线能量传输系统，本发明的系统具备为所有接受端提供无线电能传输的能力的前提下，可保证在一种状态下仅对一个接受端实现无线供电，其结构实用、易于实现并且大大降低了成本。

Description

多接受端磁耦合无线能量传输系统

技术领域

本发明涉及一种无线能量传输系统，具体涉及一种多接受端磁耦合无线能量传输系统，属于无线能量传输领域。

背景技术

非辐射性磁耦合谐振作为新型无线供电技术，通过使两个相同频率的谐振物体产生很强的相互耦合，而对周围非谐振频率的接受端只有较弱的耦合。磁耦合谐振系统包括发射谐振线圈、次级接受谐振线圈和负载。MIT的 Marin Soljacic 助理教授是该系统的发明者，其MIT 研究小组演示了无线供电，他们从2米的距离成功地点亮了60W灯泡。磁耦合谐振技术可实现中距离(mid-range) 的能量传输，而不需要增强磁场强度，而传统的磁耦合只能在短距离范围内（一般在十厘米）取得相对良好的效果，传输距离只能通过增强磁场强度来增加。同时磁谐振耦合系统有一个重要优点就是可以穿透各种不同非金属障碍物，而且对系统的能量传输效率、功率等指标没有影响。

现有的技术大多研究一个发射线圈对应于具有相同谐振频率的多个不同接受端同时提供电能。在有些场合（如多个植入式体外供电设备、LED彩灯等），我们需要为多个不同的负载接受端单独提供电能来保证用电安全或达到预期效果，如果采用多个发射谐振线圈则系统的体积和成本都会增加。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种仅采用单个发射线圈既实现单个发射端为多个接受端中仅指定的那一个提供电能传输的磁耦合无线能量传输系统。 

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

多接受端磁耦合无线能量传输系统，包括：N+1个接受电路，每个接受电路包括一个接受线圈，其还包括：控制电路、受到控制电路控制的驱动电路、一个发射电路；发射电路包括：一个发射线圈、N个与发射线圈并联的谐振电容支路、与发射线圈串联的受驱动电路驱动的频率开关、为发射线圈和频率开关串联而成的电路提供电能的交流电源；谐振电容支路包括：一个发射端谐振电容和一个与之串联的受到控制电路控制的支路开关，N的取值范围为大于或等于1的自然数。

进一步地，控制电路分别为驱动电路和支路开关提供动作信号，驱动电路接受控制电路的动作信号，并驱动频率开关进行高频的开关动作。

进一步地，接受电路还包括：与接受线圈并联的接受端谐振电容和负载。

进一步地，发射线圈和接受线圈的谐振电感量相等。

进一步地，N的取值为2，即包括3个接受电路和2个谐振电容支路，3个接受电路中的接受端谐振电容分别为第一接受端谐振电容、第二接受端谐振电容、第一接受端谐振电容，2个谐振电容支路中的发射端谐振电容分别为第一发射端谐振电容和第二发射端谐振电容；第一接受端谐振电容与第一发射端谐振电容的谐振电容值相等，第二接受端谐振电容与第二发射端谐振电容的谐振电容值相等，第三接受端谐振电容的谐振电容值等于第一发射端谐振电容的谐振电容值与第二发射端谐振电容的谐振电容值之和。

进一步地，上述发射线圈的谐振电感量为22μH；第一发射端谐振电容的谐振电容值为470nF，第二发射端谐振电容的谐振电容值为220nF。

进一步地，支路开关为继电器开关，频率开关为场效应管开关，控制电路包括有DSP控制芯片，驱动电路包括有IR2100芯片。

本发明的有益之处在于：提供一种仅采用单个发射线圈既实现单个发射端为多个接受端中仅指定的那一个提供电能传输的磁耦合无线能量传输系统，本发明的系统具备为所有接受端提供无线电能传输的能力的前提下，可保证在一种状态下仅对一个接受端实现无线供电，其结构实用、易于实现并且大大降低了成本。

附图说明

图1是本发明的一个优选实施例多接受端磁耦合无线能量传输系统的电路结构示意图；

图2是图1所示实施例仅有支路开关S1导通时的电路结构示意图；

图3是图1所示实施例仅有支路开关S2导通时的电路结构示意图；

图4是图1所示实施例支路开关S1和S2均导通时的电路结构示意图。 

图中附图标记的含义：

1、2、3-接受电路；4-发射电路；5-控制电路；6-驱动电路；

V1-交流电源；

C1-第一发射端谐振电容；C2-第二发射端谐振电容；C3-第一接受端谐振电容；C4-第二接受端谐振电容；C5-第三接受端谐振电容；

L1-发射线圈；L2、L3、L4-接受线圈；

R1、R2、R2-负载；

S1、S2-支路开关；S3-频率开关。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1所示，本发明的多接受端磁耦合无线能量传输系统主要包括：多个接受电路（1、2、3）、一个发射电路4、一个控制电路5、一个驱动电路6。

每个接受电路包括：一个接受线圈（L2、L3、L4）以及与之并联的接受端谐振电容（C3、C4、C5）和负载（R1、R2、R2），作为优选，负载（R1、R2、R2）的其中一端接地。

发射电路4包括：交流电源V1、一个发射线圈L1、多个发射线圈L1并联的谐振电容支路、与发射线圈L1串联的受驱动电路6驱动的频率开关S3。谐振电容支路包括：一个发射端谐振电容（C1、C2）和一个与之串联的受到控制电路5控制的支路开关(S1、S2)。其中发射线圈L1与频率开关S3串联所形成的电路的两端连接到交流电源V1，交流电源V1用于为它们提供电能。作为一种优选方案，频率开关S3与交流电源V1连接的一端接地。

控制电路5分别为驱动电路6和支路开关提供动作信号，驱动电路6接受控制电路5的动作信号，并为频率开关S3提供高频工作所需的驱动能力，使其进行高频的开关动作。

接受电路（1、2、3）的数目（即接受端的数目）和发射电路4中谐振电容支路的数目应当满足这样的关系，如果接受电路（1、2、3）的数目为N+1，则发射电路4中谐振电容支路数目为N，其中N为大于或等于1的自然数。这样一来， 发射电路4中谐振电容支路的数目必然使其具有N+1种接入组合的方式，肯定可以满足为N+1个接受电路（1、2、3）传递能量的需要。我们可以通过适当配置发射端谐振电容（C1、C2）的谐振电容值与接受端谐振电容（C3、C4、C5）的谐振电容值以及发射线圈L1和接受线圈（L2、L3、L4）的谐振电感量，即可实现在一种接入组合的方式仅使一个接受电路（1或2或3）产生谐振频率相同的强耦合作用。

在某一接受电路（1或2或3）中的接受线圈（L2或L3或L4）的谐振电感量与接受端谐振电容（C3或C4或C5）的谐振电容值的乘积在满足等于发射线圈L1的谐振电感量与接入的发射电路4的发射端谐振电容（C1、C2）的总谐振电容值的乘积的条件时（此时驱动电路6驱动频率开关S3工作的开关频率等于发射电路此时的谐振频率时），它们的谐振频率才能相同（在线圈与电容并联时谐振频率仅与电容值和电感量的乘积有关，该计算公式中其他均为常量），该接受电路（1或2或3）的接受线圈（L2或L3或L4）才会产生较强的耦合，这就提供给我们通过匹配谐振电感量和谐振电容值的乘积从而按照我们意愿选择需要发生强耦合的接受电路（1或2或3）的可能性。

为了简化方案，我们设定所有的接受电路（1、2、3）中的接受线圈（L2、L3、L4）的谐振电感量均等于发射线圈L1的谐振电感量时，控制发射电路4中接入的谐振电容支路的数目，使接入的所有发射端谐振电容（C1、C2）的谐振电容值的和与某一接受电路（1或2或3）的接受端谐振电容（C3或C4或C5）的谐振电容值相等，发射电路4即能实现有选择的对某一接受电路（1或2或3）进行能量传输了。

如图1所示，我们以N的取值为2的实施例对本发明进行进一步的说明，即在本发明的系统中包括3个接受电路和2个谐振电容支路，3个接受电路中的接受端谐振电容分别为第一接受端谐振电容C3、第二接受端谐振电容C4、第一接受端谐振电容C3，2个谐振电容支路中的发射端谐振电容分别为第一发射端谐振电容C1和第二发射端谐振电容C2；第一接受端谐振电容C3与第一发射端谐振电容C1的谐振电容值相等，第二接受端谐振电容C4与第二发射端谐振电容C2的谐振电容值相等，第三接受端谐振电容C5的谐振电容值等于第一发射端谐振电容C1的谐振电容值与第二发射端谐振电容C2的谐振电容值之和；发射线圈L1和接受线圈（L2、L3、L4）的谐振电感量相等。

比如，第一发射端谐振电容C1、第二发射端谐振电容C2的谐振电容值分别为470nF和220nF，那么第一接受端谐振电容C3、第二接受端谐振电容C4的谐振电容值则分别为470nF和220nF，第三接受端谐振电容C5的电容值则为690 nF。发射线圈L1和所有的接受线圈（L2、L3、L4）的谐振电感量均为22μH。

这样一来，如图2所示，当我们单独接入第一发射端谐振电容C1所在的谐振电容支路时，即支路开关S1导通，而另一支路开关S2断开时，控制电路5控制驱动电路6使其给频率开关S3提供的开关频率等于此状态下发射电路4的谐振频率。

在前述的单独接入第一发射端谐振电容C1所在的谐振电容支路时，即支路开关S1导通，而另一支路开关S2关闭时，由于仅接入第一发射端谐振电容C1，所以其谐振电容值也就是发射电路4中接入的总的谐振电容值，所以在三个接受电路（1、2、3）中，只有第一接受端谐振电容C3所在的接受电路1的接受线圈L2能够处于强耦合状态，实现能量传递。

如图3所示，在支路开关S1断开、另一支路开关S2导通时，控制电路5也控制驱动电路6使其给频率开关S3提供的开关频率等于此状态下发射电路4的谐振频率，根据同样的原理，此时只有第二接受端谐振电容C4所在的接受电路2的接受线圈L3能够处于强耦合状态，实现能量传递。

如图4所示，支路开关S1、S2均导通，控制电路5也控制驱动电路6使其给频率开关S3提供的开关频率等于此状态下发射电路4的谐振频率，根据同样的原理，此时只有第三接受端谐振电容C5所在的接受电路3的接受线圈L4能够处于强耦合状态，实现能量传递。

综上，我们通过设定接入发射电路4中的发射端谐振电容的总的谐振电容值以获得不同的谐振频率，只有发射线圈L1和接受线圈（L2或L3或L4）具有相同谐振频率可获得比较强的耦合，而其他接受电路的接受线圈处于弱耦合状态，因此可以实现单独给某个负载端供电的功能。通过这样的设计，就可以极大的降低无线电能传输装置的成本和体积，提高了系统可靠性。

本发明的优势是明显的，比如在医疗领域中，如果病患体内植入多个需要无线传输电能的负载，为了保证安全，我们希望每次仅对其中的一个进行充电而影响其他的接受端，本发明的系统无疑能很好的实现这个目标。

作为一种优选方案，支路开关(S1、S2)为继电器开关，它们可以由控制电路5直接控制，而频率开关S3为场效应管开关，其需要驱动电路6为其提供高频驱动，所以控制电路5通过控制驱动电路6间接控制频率开关S3。

作为一种优选方案，交流电源V1提供的交流电压的电压值为24V，控制电路5包括有DSP控制芯片，其具体型号可以是DSP TMS320F2812，而驱动电路6中则采用IR2100芯片作为驱动芯片，频率开关S3的具体型号可采用IPB108N15N3G。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。 

Claims (10)

1.多接受端磁耦合无线能量传输系统，包括：N+1个接受电路，每个所述接受电路包括一个接受线圈，其特征在于，还包括：控制电路、受到所述控制电路控制的驱动电路、一个发射电路；所述发射电路包括：一个发射线圈、N个与所述发射线圈并联的谐振电容支路、与所述发射线圈串联的受所述驱动电路驱动的频率开关、为所述发射线圈和频率开关串联而成的电路提供电能的交流电源；所述谐振电容支路包括：一个发射端谐振电容和一个与之串联的受到所述控制电路控制的支路开关，所述N的取值范围为大于或等于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的多接受端磁耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述控制电路分别为所述驱动电路和支路开关提供动作信号，所述驱动电路接受所述控制电路的动作信号，并驱动所述频率开关进行高频的开关动作。

3.根据权利要求1或2所述的多接受端磁耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述接受电路还包括：与所述接受线圈并联的接受端谐振电容和负载。

4.根据权利要求3所述的多接受端磁耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述发射线圈和接受线圈的谐振电感量相等。

5.根据权利要求4所述的多接受端磁耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述N的取值为2，即包括3个接受电路和2个谐振电容支路，3个接受电路中的接受端谐振电容分别为第一接受端谐振电容、第二接受端谐振电容、第一接受端谐振电容，2个谐振电容支路中的发射端谐振电容分别为第一发射端谐振电容和第二发射端谐振电容；所述第一接受端谐振电容与第一发射端谐振电容的谐振电容值相等，所述第二接受端谐振电容与第二发射端谐振电容的谐振电容值相等，所述第三接受端谐振电容的谐振电容值等于所述第一发射端谐振电容的谐振电容值与第二发射端谐振电容的谐振电容值之和。

6.根据权利要求5所述的多接受端磁耦合无线能量传输系统，其特征在于，上述发射线圈的谐振电感量为22μH；第一发射端谐振电容的谐振电容值为470nF，第二发射端谐振电容的谐振电容值为220nF。

7.根据权利要求1或2所述的多接受端磁耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述支路开关为继电器开关。

8.根据权利要求1或2所述的多接受端磁耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述频率开关为场效应管开关。

9.根据权利要求1或2所述的多接受端磁耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述控制电路包括有DSP控制芯片。

10.根据权利要求1或2所述的多接受端磁耦合无线能量传输系统，其特征在于，所述驱动电路包括有IR2100芯片。

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