CN104617680A - 基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统，该系统的电力供应单元与用电单位通过电力供应电路、谐振单元与电力接收单元之间的电磁耦合连接进行能量的传递。电力供应单元与用电单位通过供电单元的无线通讯单元与用电单位的无线通讯单元之间的无线通讯连接进行请求信号与密钥信息的传递。通过对频率加密可以实现对能量传输的加密。应用混沌函数生成密钥实现不可预测的频率调节。本发明的效果是该无线充电系统实现了对被授权用电单位的无线电力供应，同时未被授权的用电单位不能获得有效的电力供应。实验中被授权的用电单位获得的供应电压稳定在10V左右，而实验中未被授权的用电单位获得的供应电压接近0V。有效提高了无线充电的安全性。

Description

基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术，特别是一种基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统。

背景技术

无线充电技术源于无线电力输送技术，其利用电磁耦合，供电设备将电能传输至用电装置，该装置利用接受到的能量为电池充电同时供其本身运作。相比与有线充电技术，其能量传输不需要配电线路，因此非常适合对移动设备进行电力供应。随着电动汽车以及移动机器人等的发展，无线充电的需求越来越大。无线充电技术的实现方式主要有电磁感应式充电，无线电波式充电以及磁共振式充电。电磁感应式充电原理类似于变压器原理，初级线圈通以一定频率的交流电，利用电磁感应原理在次级线圈能产生一定的电流，这种技术的空间传递的距离非常短(mm级)而且传输效率较低。无线电波式充电技术已经是发展较为成熟的技术，类似于早期使用的矿石收音机，主要由微波发射装置和微波接收装置组成，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波能量，在随负载调整的同时保持稳定的直流电压。磁共振式充电系统由能量发送装置，和能量接收装置组成，当两个装置调整到相同频率，或者说在一个特定的频率上共振，它们就可以交换彼此的能量，是目前正在研究的一种技术，2007年麻省理工学院(MIT)的研究团队利用该技术点亮了两米外的一盏60瓦灯泡，相比于电磁感应式充电，其传输距离以及效率都有明显增加，为无线充电技术以及无线电力输送技术开辟了新的方向。

无线充电系统面向多个用电单位，但是其没有配电线路来定义合法授权的用电单位，其电能传输的安全机制有待开发。

发明内容

针对现有技术的空白，本发明提供一种基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统，其目的是实现对被授权用电单位的无线电力供应，同时未被授权的用电单位不能获得有效的电力供应。

为实现上述目的，本发明提供一种基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统，其中：该系统包括有电力供应单元、用电单位，所述电力供应单元包括有相互连接的电力供应电路、基于混沌函数的密钥生成单元、供电单元的无线通讯单元，所述用电单位包括有相互连接的谐振单元、电力接收单元、用电单位的无线通讯单元、密钥解码单元、电容调节单元。

所述电力供应单元与用电单位通过电力供应电路、谐振单元与电力接收单元之间的电磁耦合连接进行能量的传递。

所述电力供应单元与用电单位通过供电单元的无线通讯单元与用电单位的无线通讯单元之间的无线通讯连接进行请求信号与密钥信息的传递。

本发明的有益效果是本发明提出的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统可以实现对被授权用电单位的无线电力供应，同时未被授权的用电单位不能获得有效的电力供应。缩减规模的实验结果为：实验中被授权的用电单位获得的供应电压稳定在10V左右，而实验中未被授权的用电单位获得的供应电压接近0V。结果表明本发明提出的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统可以实现磁共振耦合式无线充电的能量加密，有效提高了无线充电的安全性。

附图说明

图1为本发明所提出的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统的结构图；

图2为高斯映射的分叉图；

图3-1、图3-2为缩减规模实验所得的结果图。

1、电力供应单元2、用电单位3、电力供应电路4、谐振单元5、电力接收单元6、基于混沌函数的密钥生成单元7、供电单元的无线通讯单元8、DC/AC变换器9、用电单位的无线通讯单元10、密钥解码单元11、电容调节单元12、实验中授权用电单位的电压波形13、实验中未授权用电单位的电压波形

具体实施方式

结合附图对本发明的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统的结构进行描述。

本发明的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统的创新点在于利用磁共振耦合无线充电的频率敏感性，应用混沌函数生成密钥实现不可预测的频率调节，从而实现了对无线充电的能量加密。

本发明的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统，该系统包括有电力供应单元1、用电单位2，所述电力供应单元1包括有相互连接的电力供应电路3、基于混沌函数的密钥生成单元6、供电单元的无线通讯单元7，所述用电单位2包括有相互连接的谐振单元4、电力接收单元5、用电单位的无线通讯单元9、密钥解码单元10、电容调节单元11。

所述电力供应单元1与用电单位2通过电力供应电路3、谐振单元4与电力接收单元5之间的电磁耦合连接进行能量的传递。

所述电力供应单元1与用电单位2通过供电单元的无线通讯单元7与用电单位的无线通讯单元9之间的无线通讯连接进行请求信号与密钥信息的传递。

所述电力供应单元1包括有相互连接的电力供应电路3、基于混沌函数的密钥生成单元6以及供电单元的无线通讯单元7，所述基于混沌函数的密钥生成单元6通过混沌函数生成密钥，并将生成的密钥传输给供电单元的无线通讯单元7，同时基于混沌函数的密钥生成单元6将密钥传送给电力供应电路3的DC/AC变换器8，DC/AC变换器8将电力供应电路3的开关频率调整至密钥对应的频率。

所述用电单位2包括有相互连接谐振单元4、电力接收单元5、用电单位的无线通讯单元9、密钥解码单元10以及电容调节单元11，用电单位的无线通讯单元9将从电力供应单元1所接受的密钥传送给密钥解码单元10，密钥解码单元10根据所得密钥解码出电力供应电路3的开关频率，并传递给电容调节单元11，电容调节单元11调节谐振单元4与电力接收单元5的电容值，使谐振单元4与电力接受单元5的固有频率与所得开关频率相同。

所述电力供应单元1与所述用电单位2的能量传递是通过磁共振耦合。

如图1所示的本发明的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统的整体结构。本发明的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统包括有由电力供应电路3、基于混沌函数的密钥生成单元6、供电单元的无线通讯单元7组成的电力供应单元1和由谐振单元4、电力接收单元5、用电单位的无线通讯单元9、密钥解码单元10、电容调节单元11组成的用电单位2。

本发明的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统依赖于磁共振耦合原理。电力供应电路3、谐振单元4以及电力接收单元5构成了基于磁共振耦合原理的无线充电整体电路，它们之间通过电磁感应的原理实现能量传递。只有当谐振单元4和电力接受单元5的固有频率与电力供应电路3的开关频率ω₀相同时用电单位2才能获得最大的传输能量。即：

${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{L_2{C}_2}}=\frac{1}{\sqrt{L_3{C}_3}}$

电力供应单元1通过基于混沌函数的密钥生成单元6以某一混沌函数不停进行密钥的调节，DC/AC变换器8按照密钥对应的频率对电力供应电路3的开关频率进行调节，等待用电单位2的供电请求。当用电单位2电力不足需要电力供应时，其通过用电单位的无线通讯单元9向电力供应单元1发送供电请求，供电单元的无线通讯单元8接受到供电请求同时发送密钥给用电单位1，用电单位的无线通讯单元9接收到密钥后，通过密钥解码单元10获取电力供应单元1的开关频率ω₀，再由电容调节单元11调节谐振单元4的电容C₂和电力接受单元5的电容C₃使得其固有频率与ω₀相匹配从而获得最大的传输能量。

上述无线充电过程中得以进行的前提是用电单位2为被授权的用电单位，即其密钥解码单元10与电力供应单元1的基于混沌函数的密钥生成单元6相匹配.未被授权的用电单位缺乏电力供应单元1密钥生成的信息，无法获得ω₀，从而也就无法获得有效的电力供应。

图2所示为高斯映射的分叉图。高斯映射为一种混沌函数。其为一位非线性迭代映射，其可用公式描述：

x_n+1＝exp(-αx_n ²)+β

其中α为混沌振荡幅值的调节参数，β为分叉参数，图2所示为当α为6.2时，β由-0.7到-0.3变化时，x_n序列在(-0.3,0.7)的区间混沌振荡。因此利用(0.8+x_n)设定密钥μ，同时开关频率ω可以在(0.5ω₀,1.5ω₀)的区间混沌调节依据下式：

ω＝μω₀

这样便实现了频率的不可预测的调节，没有密钥生成信息的用电单位不可能获得最优频率，无法获得有效的电力供应。

图3-1、图3-2为本发明的缩减规模实验的结果，其中横坐标每间隔代表1s,纵坐标每间隔代表5V。可见实验中授权用电单位的电压波形12的幅值稳定在10V左右，而实验中未授权用电单位的电压波形13的幅值几乎为0。

Claims (4)

1.一种基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统，其特征是：该系统包括有电力供应单元(1)、用电单位(2)，所述电力供应单元(1)包括有相互连接的电力供应电路(3)、基于混沌函数的密钥生成单元(6)、供电单元的无线通讯单元(7)，所述用电单位(2)包括有相互连接的谐振单元(4)、电力接收单元(5)、用电单位的无线通讯单元(9)、密钥解码单元(10)、电容调节单元(11)；

所述电力供应单元(1)与用电单位(2)通过电力供应电路(3)、谐振单元(4)与电力接收单元(5)之间的电磁耦合连接进行能量的传递；

所述电力供应单元(1)与用电单位(2)通过供电单元的无线通讯单元(7)与用电单位的无线通讯单元(9)之间的无线通讯连接进行请求信号与密钥信息的传递。

2.根据权利要求1所述的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统，其特征是：所述电力供应单元(1)包括有相互连接的电力供应电路(3)、基于混沌函数的密钥生成单元(6)以及供电单元的无线通讯单元(7)，所述基于混沌函数的密钥生成单元(6)通过混沌函数生成密钥，并将生成的密钥传输给供电单元的无线通讯单元(7)，同时基于混沌函数的密钥生成单元(6)将密钥传送给电力供应电路(3)的DC/AC变换器(8)，DC/AC变换器(8)将电力供应电路(3)的开关频率调整至密钥对应的频率。

3.根据权利要求1所述的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统，其特征是：所述用电单位(2)包括有相互连接谐振单元(4)、电力接收单元(5)、用电单位的无线通讯单元(9)、密钥解码单元(10)以及电容调节单元(11)，用电单位的无线通讯单元(9)将从电力供应单元(1)所接受的密钥传送给密钥解码单元(10)，密钥解码单元(10)根据所得密钥解码出电力供应电路(3)的开关频率，并传递给电容调节单元(11)，电容调节单元(11)调节谐振单元(4)与电力接收单元(5)的电容值，使谐振单元(4)与电力接受单元(5)的固有频率与所得开关频率相同。

4.根据权利要求1所述的基于能量加密的磁共振耦合式无线充电系统，其特征是：所述电力供应单元(1)与所述用电单位(2)的能量传递是通过磁共振耦合。