CN106059118B - 一种无线电能传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线电能传输方法，无线电能发射器根据资源状态决定是否接受无线电能接收器的输电请求，为接受请求的无线电能接收器配置充电资源，并根据资源状态的变化对充电资源配置进行调整；通过采用收发协同的电波最优发射方向搜索技术，优化无线电波的定向发射方向和发射范围，通过不断调整无线电能接收器的基准发射波束，使无线电能接收器接收到最大功率，实现电能的高效率远程无线传输。该方法克服了现有技术的不足，不但能够实现远程电能无线传输而且提高了无线传输的效率，降低设备成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输方法，特别是涉及一种无线电能传输方法。
背景技术
电子产品为人们的工作生活带来了极大的便捷，电子产品需要消耗电能才能工作，但传统的电能传输方式大多是通过导线将电能传输到终端电子产品供其使用或存储，由于导线与其他物体存在摩擦和自身老化等问题，电能传输过程中很容易产生火花，进而影响到用电设备的寿命和用电安全。而且很多场合存在无法布线或布线困难的问题，如矿井、水中、植入体内的医疗设备等。人们希望能摆脱传统有线电能传输方式的束缚岁解除纷乱电源线带来的困扰，实现电能的无线传输。
目前，实现无线电能传输的主要方式有电磁感应、电磁共振、激光、无线电波等。电磁感应式传输功率大、传输效率高但传输距离近。电磁共振式传输距离比电磁感应式远，传输效率较高，但电磁共振式存在实现和控制都很困难问题，而且传输距离也无法满足人们的需求。激光式可以实现大功率、远距离能量的传输，但激光传输对发射器和接收器之间的相对位置关系要求严苛，而且其存在安全隐患。无线电波式具有传输距离远、灵活、容易实现、容易控制等优点，但由于无线电波在发送时向整个空间发射，所以其存在传输过程中能量损耗大，传输效率过低的缺点。通过采用定向发射可以大大提高无线电波方式能量的传输效率，但由于定向发射波束的指向误差对接收器接收到的无线电波的功率和传输效率影响很大，而接收器与发射器相对位置经常变化，确定和跟踪某个接收器的最佳发射波束方向往往比较困难，尤其是在上行(无线电能接收器到无线电能发射器)频率与下行(无线电能发射器到无线电能接收器)频率不一致，上行频率又快速变化(如采用跳频)时就更加困难。
本发明就是针对目前无线电能传输中的缺陷，提出一种距离远、效率高、成本低的无线电能传输方法。
发明内容
针对现有方法的不足，本发明提供了一种无线电能传输方法。通过采用收发协同的电波最优发射方向搜索技术，优化无线电波的定向发射方向和发射范围，实现电能的高效率远程无线传输。该方法克服了现有方法的不足，不但能够实现远程电能无线传输而且提高了无线传输的效率，降低设备成本。
本发明的目的是一种无线电能传输方法，用以解决上述现有技术的缺陷。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种无线电能传输方法，包括如下步骤：
1、无线电能发射器开机后广播系统信息；
2、无线电能接收器接收到所述系统信息后，与无线电能发射器建立通信连接，并向无线电能发射器发送输电请求；
3、无线电能发射器根据资源状态决定是否接受无线电能接收器的输电请求；如果接受，则为无线电能接收器配置充电资源，并根据资源状态的变化对充电资源配置进行调整；
4、无线电能发射器定期或不定期采用不同指向的发射波束发射无线电波并同时广播当前发射波束的标识，无线电能接收器接收无线电波并记录接收到的电波强度和/或功率信息；
5、无线电能接收器把接收到的电波强度和／或功率信息上报无线电能发射器；
6、无线电能发射器根据无线电能接收器上报的电波强度和／或功率信息选取能使该无线电能接收器接收到最大功率的发射波束作为该无线电能接收器的基准发射波束；
7、无线电能发射器定期或不定期在基准发射波束附近搜索，找到能使该无线电能接收器接收到最大功率的最优发射波束作为该无线电能接收器的新的基准发射波束，并通过基准发射波束发射无线电波，从而向该无线电能接收器进行无线电能传输；
进一步的，所述步骤3的资源状态包括无线电能发射器的最大允许功率、无线电能发射器的当前发送功率、无线电能发射器的可用发送频率、可用发送时间以及无线电能接收器类型、无线电能接收器当前电量状态、无线电能接收器耗电功率信息；
进一步的，所述步骤3中为无线电能接收器配置充电资源是指通过资源配置算法为发送输电请求的无线电能接收器配置发送功率、发送频率、发送时间和/或初始输电波束，所述资源配置算法包括：无线电能发射器运用电能维持时间最短者优先传输，其中所述无线电能发射器运用电能维持时间等于无线电能接收器剩余电能除以无线电能接收器的平均耗电功率，或者根据无线电能接收器的类型优先传输，或者电能传输路径损耗最小者优先传输，或者这三种优先传输方式的结合；
进一步的，所述步骤4的不同指向的发射波束是通过调整阵列天线发射电无线电波的幅度和相位实现的；
进一步的，所述步骤7还包括以下步骤：
（1）无线电能发射器需要定期或不定期在每个无线电能接收器的当前基准发射波束临近的一个小范围内选定预设的搜索波束；
（2）无线电能发射器在设定的预定时间段内，在发射总功率一定的情况下，通过调整阵列天线每个天线发射信号的幅度和相位形成指向预设的某个搜索波束的定向波束，同时通过无线通信系统通知无线电能接收器当前的发射波束的标识；
（3）无线电能接收器接收无线电能发射器发射的射频信号，并通过整流、稳压这些流程将射频信号转换成直流电能，求取并记录传输电能的平均输电功率，并通过无线通信系统通知无线电能发射器；
（4）无线电能发射器接收到无线电能接收器发送的每个定向波束发射时的电波强度和／或输电功率信息后，从中选取能使无线电能接收器接收到最大输电功率的波束作为向这个无线电能接收器发送无线电能的新的基准发射波束，然后采用新的基准发射波束发射无线电波向该无线电能接收器进行无线电能传输。
采用上述技术方案，本发明的无线电能传输方法通过多级搜索的方式寻找和跟踪最优无线电能发射方向，不但提高了无线电能的传输效率，而且算法和装置简单成本低、适应性好。
附图说明
图1是本发明的无线电能传输方法的逻辑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1以内置无线WiFi路由器功能的无线电能发射器和无线电能接收器为例说明本发明的具体实施方式，本发明的方法包含S1-S7等7个步骤（参见图1），具体如下：
S1、无线电能发射器开机后广播系统信息；内置WiFi通信功能的无线电能发射器开机后，其内置的WiFi无线通信单元的三个AP各自采用120度定向天线广播各自的beacon帧；
S2、无线电能接收器与无线电能发射器建立通信连接并向无线电能发射器发送充电请求；无线电能接收器内置的WiFi STA搜索可接入的无线电能发射器的WiFi接入点AP并选择向一个信号最强的AP进行关联，建立通信连接进行数据交互，然后无线电能接收器向无线电能发射器发送无线电能传输请求消息，消息里包含无线电能接收器的标识、类型、当前电量状态、耗电功率等信息；
S3、无线电能发射器根据资源状态决定是否接受无线电能接收器的输电请求，如果接受，则为无线电能接收器配置输电资源并根据情况的变化进行调整；无线电能发射器接到无线电能接收器的输电请求后根据目前输电资源(如发送功率、频率、时间)占用状态和无线电能接收器的类型、当前电量状态、耗电功率、电能传输功率这些信息，运用资源配置算法为请求输电的无线电能接收器配置、定期或不定期调整输电资源(包括发送功率、频率、时间、初始输电波束等)，这里的无线电能接收器包括发送输电请求的无线电能接收器和/或系统内的其他无线电能接收器，这里所述的资源配置算法包括但不限于电能维持时间(剩余电能除以平均耗电功率)最短者优先、类型优先、路径损耗最小者优先，或者三者的结合，具体到本实施例则采用电能维持时间最小者优先的策略配置输电资源，这样可以保证最需要电能的无线电能接收器尽快获得电能，避免由于电能耗尽而停止工作甚至失去与无线电能发射器的联系。如果超过规定时间，输电配置名单内仍有无线电能接收器没有发送输电请求的，则给这些没有发送输电请求的无线电能接收器优先配置输电资源并向管理系统报告。超过规定时间仍然没有提出输电请求，报告电量状态的无线电能接收器可能没有电能供其与无线电能接收器进行通信联络或者是由于故障无法工作，所以需要优先对其输电，同时把当前这些没有提出输电请求的无线电能接收器通过网络报告管理系统，通知管理人员诊断处理。
S4、无线电能发射器定期(如每隔1个小时)或不定期(如无线电能接收器由于位置变化发生了在WiFi AP之间的切换事件)采用不同指向的发射波束发射传输电能的无线电波并同时广播当前发射波束的标识，无线电能接收器接收无线电波并记录接收到的电波强度和／或功率等信息；
无线电能发射器根据无线电能接收器选定的WiFi AP的标识、接收到的无线电能接收器STA所发WiFi信号的电波强度和／或功率等确定给无线电能接收器传输电能的无线电波最优发射方向的搜索范围，然后在预定时间段内在发射总功率一定的情况下通过调整阵列天线每个天线发射信号的幅度和相位形成指向设定方向的定向波束，同时通过WiFi通信系统广播当前波束的标识，无线电能接收器接收无线电能发射器发射的射频信号并通过整流、稳压等流程把它转换成直流电能，求取并记录传输电能的平均输电功率，在预定的下一个时间段内通过调整阵列天线每个天线发射信号的幅度和相位形成指向下一个设定方向的定向波束，同样通过WiFi通信系统广播当前波束的标识，无线电能接收器接收无线电能发射器发射的射频信号并通过整流、稳压等流程把它转换成直流电能，求取并记录传输电能的平均输电功率，以此类推直到覆盖确定的无线电波最优发射方向的搜索范围。
S5、无线电能接收器把接收到的每个发射波束发射时的电波强度／功率等信息上报无线电能发射器；无线电能接收器把接收到的每个定向波束发射时的电波强度和／或输电功率信息通过WiFi发送给无线电能发送器；
S6、无线电能发射器根据每个无线电能接收器上报的每个定向波束发射时的电波强度和／或输电功率信息后，从中选取能使该无线电能接收器接收到最大功率的发射波束作为该无线电能接收器的基准发射波束；
无线电能发射器接收到无线电能接收器发送的每个定向波束发射时的电波强度和／或输电功率信息后，从中选取能使无线电能接收器接收到最大输电功率的波束并把该波束作为向这个无线电能接收器发送无线电能的基准发射波束。
S7、无线电能发射器定期或不定期在基准发射波束附近搜索，找到能使该无线电能接收器接收到最大功率的最优发射波束作为该无线电能接收器的新的基准发射波束并通过基准发射波束发射无线电波向该无线电能接收器进行无线电能传输；
由于无线电能接收器可以移动或者周围环境可能发生变化，所以步骤6选出的基准发射波束不可能一直是能使无线电能接收器接收到最大功率的最优发射波束，为了跟踪无线电能接收器位置或环境的变化，无线电能发射器需要定期(比如对快速移动的无线电能接收器每隔1秒，对慢速移动的无线电能接收器每隔2分钟，对静止或固定的无线电能接收器每隔1小时到1天)或不定期(如无线电能接收器由于位置变化发生了在WiFi AP之间的切换)的在每个无线电能接收器的当前基准发射波束临近的一个小范围内的(范围的大小要能覆盖无线电能接收器可能移动的范围，比如左右各两个波束，上下各一个波束)选定预设的搜索波束，并在设定的预定时间段内在发射总功率一定的情况下通过调整阵列天线每个天线发射信号的幅度和相位形成指向预设的某个搜索波束的定向波束，同时通过WiFi通信系统通知无线电能接收器当前的发射波束的标识，无线电能接收器接收无线电能发射器发射的射频信号并通过整流、稳压等流程把它转换成直流电能，求取并记录传输电能的平均输电功率。
无线电能接收器把接收到的每个定向波束发射时的电波强度／输电功率信息通过WiFi发送给无线电能发送器；
无线电能发射器接收到无线电能接收器发送的每个定向波束发射对的电波强度／输电功率信息后，从中选取能使无线电能接收器接收到最大输电功率的波束作为向这个无线电能接收器发送无线电能的新的基准发射波束，然后采用新的基准发射波束发射无线电波向该无线电能接收器进行无线电能传输。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种无线电能传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）无线电能发射器开机后广播系统信息；
（2）无线电能接收器接收到所述系统信息后，与无线电能发射器之间建立通信连接，并向无线电能发射器发送输电请求；
（3）无线电能发射器根据资源状态决定是否接受无线电能接收器的输电请求；如果接受，则为无线电能接收器配置充电资源，并根据资源状态的变化对充电资源配置进行调整；
（4）无线电能发射器定期或不定期采用不同指向的发射波束发射无线电波，并广播当前发射波束的标识，无线电能接收器接收无线电波，记录接收到的电波强度和/或功率信息；
（5）无线电能接收器把接收到的电波强度和／或功率信息上报无线电能发射器；
（6）无线电能发射器根据无线电能接收器上报的电波强度和／或功率信息选取能使该无线电能接收器接收到最大功率的发射波束，作为该无线电能接收器的基准发射波束；
（7）无线电能发射器定期或不定期在基准发射波束附近搜索，找到能使该无线电能接收器接收到最大功率的最优发射波束作为该无线电能接收器的新的基准发射波束，并通过所述新的基准发射波束发射无线电波，从而向该无线电能接收器进行无线电能传输。
2.如权利要求1所述的一种无线电能传输方法，其特征在于，所述步骤3中的资源状态包括无线电能发射器的最大允许功率、无线电能发射器的当前发送功率、无线电能发射器的可用发送频率、可用发送时间以及无线电能接收器类型、无线电能接收器当前电量状态、无线电能接收器耗电功率。
3.如权利要求2所述的一种无线电能传输方法，其特征在于，所述步骤3中为无线电能接收器配置充电资源是指通过资源配置算法为发送输电请求的无线电能接收器配置发送功率、发送频率、发送时间和/或初始输电波束，所述资源配置算法包括：无线电能发射器运用电能维持时间最短者优先传输，其中所述无线电能发射器运用电能维持时间等于无线电能接收器剩余电能除以无线电能接收器的平均耗电功率，或者根据无线电能接收器的类型优先传输，或者电能传输路径损耗最小者优先传输，或者这三种优先传输方式的结合。
4.如权利要求1所述的一种无线电能传输方法，其特征在于，所述步骤4的不同指向的发射波束是通过调整阵列天线发射电无线电波的幅度和相位实现的。
5.如权利要求1所述的一种无线电能传输方法，其特征在于，所述步骤7还包括以下步骤：
（1）无线电能发射器需要定期或不定期在每个无线电能接收器的当前基准发射波束临近的一个小范围内选定预设的搜索波束；
（2）无线电能发射器在设定的预定时间段内，在发射总功率一定的情况下，通过调整阵列天线每个天线发射信号的幅度和相位形成指向预设的某个搜索波束的定向波束，同时通过无线通信系统通知无线电能接收器当前的发射波束的标识；
（3）无线电能接收器接收无线电能发射器发射的射频信号，并通过整流、稳压将射频信号转换成直流电能，求取并记录传输电能的平均输电功率，并通过无线通信系统通知无线电能发射器；
（4）无线电能发射器接收到无线电能接收器发送的每个定向波束发射时的电波强度和／或输电功率信息后，从中选取能使无线电能接收器接收到最大输电功率的波束作为向这个无线电能接收器发送无线电能的新的基准发射波束；然后，采用新的基准发射波束发射无线电波向该无线电能接收器进行无线电能传输。
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