CN106230127A - 点对点无线供电线圈耦合模型及点对点无线供电系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种点对点无线供电线圈耦合模型及点对点无线供电系统，其中，所述点对点无线供电线圈耦合模型包括：发射谐振环和接收谐振环；所述点对点无线供电线圈耦合模型中的发射谐振环与所述接收谐振环彼此耦合且所述发射谐振环的谐振频率与所述接收谐振环的谐振频率相同，即所述发射谐振环和所述接收谐振环处于磁共振状态下，而处于磁共振状态下的发射谐振环和接收谐振环可以提高无线供电过程中的传输效率。

Description

点对点无线供电线圈耦合模型及点对点无线供电系统

本申请要求于2016年3月4日提交中国专利局、申请号为201610122657.4、发明名称为“点对点无线供电谐振线圈的耦合模型”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。另外本申请还要求于2016年3月4日提交中国专利局、申请号为201620165451.5、实用新型名称为“点对点无线供电谐振线圈的耦合模型”的国内申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及无线供电技术领域，更具体地说，涉及一种点对点无线供电线圈耦合模型及点对点无线供电系统。

背景技术

无线供电是指通过非物理接触的电能传输方式，是继无线通讯、无线网络之后的第三次无线革命，被业界视为一项具有基础应用性意义的前沿科技。无线供电技术自2007年诞生在实验室以来，经过数年的优化，已经能够在手机无线充电和汽车无线充电中试用。

现有技术中的无线供电技术主要基于电磁感应原理，发射线圈在周围空间中产生交变磁场B，变化的磁场又感应出感应电场E，这一过程由麦克斯韦方程给出：在传输过程中，接收线圈处在交变磁场B感应出的环形电场中，获得感应电动势ε(即开路电压)，这跟穿过所述接收线圈的磁通量φ的变化有关：至此完成电能从所述发射线圈向所述接收线圈无线传输的过程。

但是基于传统的磁感应原理进行电能传输的无线供电技术的传输效率较低，使得所述无线供电技术难以满足实际应用的要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种点对点无线供电线圈耦合模型及点对点无线供电系统，以实现提高无线供电过程中的传输效率的目的。

为实现上述技术目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种点对点无线供电线圈耦合模型，包括：发射谐振环和接收谐振环；其中，

所述发射谐振环包括第一电容和与所述第一电容串联或并联的至少两个发射线圈；

所述接收谐振环包括第二电容和与所述第二电容串联或并联的接收线圈；

所述发射谐振环与所述接收谐振环彼此耦合，且所述发射谐振环的谐振频率与所述接收谐振环的谐振频率相同。

优选的，所述发射线圈和所述接收线圈为紧密型线圈或松散型线圈。

优选的，还包括：第一磁芯和第二磁芯；

所述第一磁芯用于提升所述至少两个发射线圈的磁通密度；

所述第二磁芯用于提升所述接收线圈的磁通密度。

优选的，所述第一磁芯为条形磁体，设置于所述发射线圈背离所述接收线圈一侧；

所述第二磁芯为条形磁体，设置于所述接收线圈背离所述发射线圈一侧。

优选的，所述第一磁芯为U型磁体，环绕所述发射线圈设置；

所述第二磁芯为U型磁体，环绕所述接收线圈设置。

优选的，所述发射谐振环包括第一电容和与所述第一电容串联或并联的两个发射线圈；

两个所述发射线圈在同一平面内拼接后的第一等效发射线圈的形状与所述接收线圈相同；

所述第一等效发射线圈所在平面与所述接收线圈所在平面相互平行，且所述第一等效发射线圈与所述接收线圈为周边耦合。

优选的，所述发射谐振环包括第一电容和与所述第一电容串联或并联的两个发射线圈；

两个所述发射线圈设置于所述接收线圈两侧，且与所述接收线圈周边耦合。

优选的，所述发射谐振环包括第一电容和与所述第一电容串联或并联的三个发射线圈；

三个所述发射线圈拼接后的第二等效发射线圈所在平面与所述接收线圈所在平面相互平行，且与所述接收线圈周边耦合。

优选的，所述发射谐振环包括第一电容和与所述第一电容串联或并联的四个发射线圈；

四个所述发射线圈首尾串联，拼接后的第三等效发射线圈所在平面与所述接收线圈所在平面相互平行，且与所述发射线圈周边耦合。

优选的，所述第一电容由与所述至少两个发射线圈数量相同的子电容构成；

每个所述子电容与一个所述发射线圈构成一个子谐振环；

所述子谐振环之间串联或并联构成所述发射谐振环。

优选的，所述发射线圈为椭圆形线圈或梯形线圈或方形线圈或三角形线圈或半圆形线圈；

所述接收线圈为椭圆形线圈或梯形线圈或方形线圈或三角形线圈或半圆形线圈。

一种点对点无线供电系统，包括：无线供电发射器和无线供电接收器；其中，所述无线供电发射器和无线供电接收器中设置有如上述任一实施例所述的点对点无线供电线圈耦合模型。

优选的，还包括应答码发送装置和多个识别码发送装置；其中，

所述多个识别码发送装置的数量与所述点对点无线供电线圈耦合模型中的发射线圈数量相同，且每个所述识别码发送装置与一个所述发射线圈绑定，用于发送识别码，并在接收到所述应答码发送装置发送的应答码后控制与其绑定的发射线圈开始工作；

所述应答码发送装置与所述点对点无线供电线圈耦合模型中的接收线圈绑定，用于在接收到所述识别码后发送应答码。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种点对点无线供电线圈耦合模型及点对点无线供电系统，其中，所述点对点无线供电线圈耦合模型中的发射谐振环与所述接收谐振环彼此耦合且所述发射谐振环的谐振频率与所述接收谐振环的谐振频率相同，即所述发射谐振环和所述接收谐振环处于磁共振状态下，而处于磁共振状态下的发射谐振环和接收谐振环可以提高无线供电过程中的传输效率。这是因为在电能的无线传输过程中能量密度S由感应电场的电场强度E和磁场强度H决定(S＝E×H)，而谐振过程则会倍增环路电流，加强空间中的感应电场与磁场，从而大大提升能流密度S，进而提升电能在无线传输过程中的传输效率；并且磁共振能够很好地吸引并聚集周围的磁力线从而有效俘获更多的电磁能量，进而进一步地提升电能在无线传输过程中的传输效率。

由于所述发射谐振环由第一电容和与所述第一电容串联或并联的至少两个发射线圈构成，而LC回路的谐振有益于很好的滤除输入信号的高次谐波分量，这样即提高了传输效率，又可以减少高频杂波辐射，降低了对环境的电磁污染，非常符合现今的绿色环保理念。

并且由于所述发射谐振环由第一电容和与所述第一电容串联或并联的至少两个发射线圈构成，使得所述发射谐振环发射的电能在其内部分布均匀，从而降低发热量；并且多个发射线圈的构成使得所述发射谐振环的能量发送范围变大，从而可以降低所述发射谐振环与所述接收谐振环的耦合精度要求，或者说允许的所述发射谐振环与所述接收谐振环的位置误差增大，降低了所述点对点无线供电线圈耦合模型的设计要求。

进一步的，在所述点对点无线供电线圈耦合模型的实际应用过程中，可以通过将构成所述发射谐振环的至少两个发射线圈中的一个或多个发射线圈以旁路的方式进行单个发射线圈工作状态的切换，从而实现输出功率的分级控制，进而使得所述点对点无线供电线圈耦合模型的适用范围更加广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种点对点无线供电线圈耦合模型的连接示意图；

图2为本申请实施例提供的LC震荡的模型示意图；

图3和图4为磁共振谐振回路中Q值的两种表示方式的曲线示意图；

图5为并联谐振和串联谐振时的谐振曲线；

图6为谐振环并联接法表现出的阻抗特性；

图7为谐振环串联接法表现出的阻抗特性；

图8为软磁材料的磁化曲线；

图9和图10为磁芯的两种设置方式的示意图；

图11为本申请的一个具体实施例提供的包括两个发射线圈的点对点无线供电线圈耦合模型的连接示意图；

图12为本申请的一个实施例提供的包括两个发射线圈的点对点无线供电线圈耦合模型的位置关系示意图；

图13为如图12设置的包括两个发射线圈的点对点无线供电线圈耦合模型的平移耦合曲线；

图14为本申请的另一个实施例提供的包括两个发射线圈的点对点无线供电线圈耦合模型的位置关系示意图；

图15为本申请的一个具体实施例提供的包括三个发射线圈的点对点无线供电线圈耦合模型的连接示意图

图16为本申请的一个实施例提供的包括三个发射线圈的点对点无线供电线圈耦合模型的位置关系示意图；

图17为如图16设置的包括三个发射线圈的点对点无线供电线圈耦合模型的平移耦合曲线；

图18为本申请的一个具体实施例提供的包括四个发射线圈的点对点无线供电线圈耦合模型的连接示意图

图19和图20为本申请实施例提供的包括四个发射线圈的点对点无线供电线圈耦合模型两种位置关系示意图；

图21、23和25为本申请实施例提供的三种无线供电发射器的电路示意图；

图22为如图21所示的无线供电发射器的直流供电波形和发送输出波形的示意图；

图24为如图23所示的无线供电发射器的直流供电波形和发射输出波形的示意图；

图26为如图25所示的无线供电发射器的直流供电波形和发射输出波形的示意图；

图27为无线供电发射器输出占空比示意图；

图28和29为本申请实施例提供的两种可行的无线供电接收器的结构示意图；

图30为本申请的一个实施例提供的一种点对点无线供电系统的识别传输示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种点对点无线供电线圈耦合模型，如图1所示，包括：发射谐振环和接收谐振环；其中，

所述发射谐振环包括第一电容C1和与所述第一电容C1串联或并联的至少两个发射线圈(L11、L12……L1N)；

所述接收谐振环包括第二电容C2和与所述第二电容C2串联或并联的接收线圈L2；

所述发射谐振环与所述接收谐振环彼此耦合，且所述发射谐振环的谐振频率与所述接收谐振环的谐振频率相同。

图1中的左图为所述至少两个发射线圈与所述第一电容C1串联构成所述发射谐振环的结构示意图；右图为所述至少两个发射线圈与所述第一电容C1并联构成所述发射谐振环的结构示意图。

需要说明的是，在本申请中，我们进行如下定义：

1、根据绕制方式的不同，我们可以将线圈分为松散型线圈和紧密型线圈，如果线圈中的每一圈绕线之间具有空隙，则称其为松散型线圈；反之，如果线圈中的每一圈相邻的绕线都紧贴则称其为紧密型线圈。在本申请中，所述发射线圈和所述接收线圈L2可以为所述紧密型线圈，也可以为所述松散型线圈。本申请对所述发射线圈和所述接收线圈L2的具体种类并不做限定，具体视实际情况而定。

2、所述发射谐振环与所述接收谐振环彼此耦合的方式可以为单边耦合，还可以为周边耦合；其中，所述单边耦合是指所述发射线圈的一边与所述接收线圈L2的一边贴近的耦合方式；所述周边耦合是指所述发射线圈的四周与所述接收线圈L2的四周都贴近的耦合方式。本申请对所述发射谐振环与所述接收谐振环彼此耦合的具体方式并不做限定，具体视实际情况而定。

3、在本申请中所述发射谐振环和所述接收谐振环都属于谐振环，是指由电容和电感(谐振线圈)串联或并联构成的环路结构，串联构成的谐振环中存在串联谐振，并联构成的谐振环中存在并联谐振；无线供电系统中至少有两个谐振环，一个就是所述发射谐振环，另一个就是所述接收谐振环。

4、在本申请中等效线圈是指由两个或两个以上的线圈串联或并联构成的线圈，它可以是等效发射线圈(如本申请中的第一等效发射线圈、第二等效发射线圈和第三等效发射线圈)，也可以是等效接收线圈；另外在本申请中的第一电容和第二电容可以指单个电容，也可以指由两个或两个以上的单个电容串联或并联构成的电容结构；

5、如果一个无线供电系统中只有一个发射谐振环和一个接收谐振环，则这个无线供电系统称之为点对点无线供电系统；如上述定义，如果发射谐振环由一个等效发射线圈和一个等效电容串联或并联构成，接收谐振环由一个等效接收线圈和一个等效电容串联或并联构成，由这两个谐振环构成的无线供电系统也属于点对点无线供电系统。

还需要说明的是，在本申请的实施例中，处于磁共振状态下的所述发射谐振环与所述接收谐振环满足如下条件：

构成所述发射谐振环的第一电容C1的容量和所述至少两个发射线圈的等效电感量的乘积，等于构成所述接收谐振环的第二电容C2的容量和所述接收线圈L2的电感量的乘积，这个乘积我们称之为LC常数，即：L1×C1＝L2×C2＝J＝1/ω²，其中，L1为所述至少两个发射线圈的等效电感量，J表示所述LC常数，ω表示所述发射谐振环或所述接收谐振环的谐振角频率。

下面我们对LC谐振状态下的电能传输(磁共振状态下的电能传输)过程进行分析：

电容器在磁共振状态下的特性：其中，i_c表示通过所述电容器的等效电流；U表示电容器两端的电压；q为电容器存储的电量；

电感器在磁共振状态下的特性：其中，φ表示磁通量；i表示通过所述电感器的电流；u_c表示电感器两端电压；

如图2所示，当电容器C与电感器L的两端连接时：(假设为一理想的封闭状态，初始条件：t＝0，u_c＝U₀，U₀为施加在LC回路中的输入信号的最大电压；)

i_c＝i_L＝i；于是得到：

u_c+u_L＝0(t＝0，u_c＝U₀)

$u_c-L\frac{di}{dt}=u_c-LC\frac{d^{2}u}{{\mathrm{dt}}^2};$

此微分方程的解即为谐振函数：

i_c-i_L＝0

同样的，可得电流的方程为：

所得的解是：i_L(t)＝U₀Cω₀sin(ω₀t)。

电容器C和电感器L之间进行着能量交换：电压(绝对值)最大时能量以电场的形式存储于电容器C中；电压为零时能量以磁场的形式存储于电感器L中，此时电流(绝对值)最大；电流与电压的相位差为1/2π。每个充放电周期中有四次能量转换：其中，W_C表示电容器C中的能量；W_L表示电感器L中的能量；C表示电容器C的容量，L表示电感器L的电感量。

在实际工作中，发射电路持续为所述发射谐振环的谐振回路提供能量，以补充因传出或损耗而减少的电能，维持稳定的LC震荡。所述接收谐振环的谐振频率和所述发射谐振环的谐振频率相同，在所述发射谐振环产生的交变电磁场中，能够最大幅度的吸收电磁能量而引起同频共振(即磁共振)，并且还能够所述接收谐振环中取出足够多的电能为负载供电，而接收回路的维持震荡则以来发射谐振环提供的交变电磁场。有研究表明因同频磁共振而维持的电能传输链在空间上有更大的工作适应范围。

并且处于磁共振状态下的发射谐振环和接收谐振环可以提高无线供电过程中的传输效率。这是因为在电能的无线传输过程中能量密度S由感应电场的电场强度E和磁场强度H决定(S＝E×H)，而谐振过程则会倍增环路电流，加强空间中的感应电场与磁场，从而大大提升能流密度S，进而提升电能在无线传输过程中的传输效率；并且磁共振能够很好地吸引并聚集周围的磁力线从而有效俘获更多的电磁能量，进而进一步地提升电能在无线传输过程中的传输效率。

由于所述发射谐振环由第一电容C1和与其串联或并联的至少两个发射线圈构成，而LC回路的谐振有益于很好的滤除输入信号的高次谐波分量，这样即提高了传输效率，又可以减少高频杂波辐射，降低了对环境的电磁污染，非常符合现今的绿色环保理念。并且由于发射谐振环由第一电容C1和与其串联或并联的至少两个发射线圈构成，使得所述发射谐振环发送的电能在其内部分布均匀，从而降低发热量；并且多个发射线圈的构成使得所述发射谐振环可产生的感应电场的范围变大，从而可以降低所述发射谐振环与所述接收谐振环的耦合精度要求，或者说允许的所述发射谐振环与所述接收谐振环的位置误差增大，降低了所述点对点无线供电线圈耦合模型的设计要求。

进一步的，在所述点对点无线供电线圈耦合模型的实际应用过程中，可以通过将构成所述发射谐振环的至少两个发射线圈中的一个或多个发射线圈旁路的方式进行单个发射线圈工作状态的切换，从而实现输出功率的分级控制，进而使得所述点对点无线供电线圈耦合模型的适用范围更加广泛。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述点对点无线供电线圈耦合模型还包括：第一磁芯和第二磁芯；

所述第一磁芯用于提升所述发射线圈的磁通密度；

所述第二磁芯用于提升所述至少两个接收线圈L2的磁通密度。

需要说明的是，对于磁共振谐振回路(特别是对于所述接收谐振环来说)而言，如图3所示，Q值的增加也能明显提升电能传输效率，Q＝ωL/R，其中R为谐振回路中的等效电阻，包括直流电阻和各种交流损耗的总和，一般在当ω不变时(LC＝1/ω²)可以通过增加电感L和降低电容容量C的方法来提升Q值。如图4所示，Q值还可以表示为：Q＝ω₀/2△ω，其中，ω₀表示谐振频率，当Q值较大时要求电感L和电容容量C的乘积精确度就高(比如并联谐振)，Q值较小时要求电感L和电容容量C的乘积精度就低(比如串联谐振)。

在并联谐振(接法)时，如图5左图所示，因为输电(发射)与取电(接收)电路连接于线圈两端，在低振幅时阻尼很小，谐振回路的Q值将会很高；并且输入(发射端)与输出(接收端)阻尼也较大。同时对谐振回路中的谐振电容值的精度要求也较高(±5％以内)。

在串联谐振(接法)时，如图5右图所示，由于发射电路和接收电路与谐振回路的等效损耗电阻串联，使其Q值大大降低(一般在5以下)，发射端输入阻抗与接收端输出阻抗较小；在低阻抗应用中可以选用串联谐振，表现为谐振电容值对谐振幅度不敏感(容差可达±20％)。

因此可以根据不同接收负载的电器参数特性，来选择比较合适的发射谐振环的连接方式以及接收谐振环的连接方式(串联或并联)，可以满足各种设备的无线供电需求。

谐振环(谐振线圈和电容)的并联接法表现出的阻抗特性如图6所示，谐振线圈和电容的串联接法表现出的阻抗特性如图7所示；从图6和图7中可以看出，在空载时需要特别注意考虑谐振线圈和电容表现出的阻抗特性，不论是作为发射端还是接收端，并联谐振的高阻抗特性以及串联谐振表现出的低阻抗特性为实际应用提供了可选方案：在低于谐振频率ω₀时都表现为容性，高于谐振频率时都表现为感性，但并联接法和串联接法的谐振环的阻抗变化率相反。

因为磁性材料(如铁氧体)的磁导率μ_r一般都在1000以上，所以磁芯可以将线圈的磁通密度B(B＝μH＝μ₀μ_rH)提升至千倍(磁场强度H与介质无关，μ_r为介质磁导率，μ₀为真空中磁导率)，磁芯可以大量收集空间中的磁力线，降低磁阻，提高功率容量。

磁通密度B的增加使得磁通量φ加大(φ＝∫_sB·ds)，因此电感也随之增加了，这有利于减小电感线圈的尺寸，有利于减小所述点对点无线供电线圈耦合模型的尺寸，实现所述点对点无线供电线圈耦合模型的小型化。

在较大功率(100W以上)的无线供电过程中，为了提高功率密度(可大幅缩小设备体积)，可以通过使用磁芯提升电感线圈(所述发射线圈和接收线圈L2)的磁通密度的方法。这样可以对无线供电的传输效率有很大的提升，并且增加了电感线圈的电感量，提升了其Q值，使耦合系数也进一步增加，在大功率的应用中常常采用设置铁芯的方法。

但是使用磁芯时需要注意电感线圈(接收线圈L2或发射线圈)的工作状态和范围，避免电感线圈进入饱和区，如图8所示，处于饱和区的电感线圈的电感是非线性的，即电感量会改变，从而造成工作异常(如发热、功率降低等)。磁饱和情况的发生主要是由于磁芯使用不当，此时将有明显的磁致伸缩现象，产生危害性噪声与机械振动。

在本申请中，设置磁芯的方式主要分两种类型，第一种如图9所示，所述第一磁芯为条形磁体，设置于所述发射线圈背离所述接收线圈L2一侧；

所述第二磁芯为条形磁体，设置于所述接收线圈L2背离所述发射线圈一侧。

这种设置方法主要应用于较小功率的无线供电传输系统中，这样设置有两个主要作用：一是通过磁导原理屏蔽了谐振线圈一侧的磁场从而实现定向的能量传输，对传输效率有很大提升；二是所述第一磁芯和第二磁芯增加了所述接收线圈L2和所述发射线圈的电感量，提升了Q值，使它们之间的耦合系数也进一步增加，在大功率的无线供电过程中常常采用这种磁芯设置方法。

第二种如图10所示，所述第一磁芯为U型磁体，环绕所述发射线圈设置；

所述第二磁芯为U型磁体，环绕所述接收线圈L2设置。

这种铁芯设置方法主要应用于大功率无线供电传输系统中，U型磁体可以增加所述发射线圈和所述接收线圈L2的磁通密度，从而提高传输功率。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体实施例中，如图11和图12所示，所述发射谐振环包括第一电容C1和与所述第一电容C1串联或并联的两个发射线圈；

两个所述发射线圈在同一平面内拼接后的第一等效发射线圈的形状与所述接收线圈相同；

所述第一等效发射线圈所在平面与所述第二线圈所在平面相互平行，且所述第一等效发射线圈与所述接收线圈为周边耦合。

在本实施例中，如图12所示，所述第一等效发射线圈由两个发射线圈(L11和L12)串联或并联组成，且L11和L12位于所述接收线圈L2的同一侧，它们的连接原理见图11，构成所述发射谐振环的第一电容C1的容量和两个所述发射线圈的等效电感量的乘积，等于构成所述接收谐振环的第二电容C2的容量和所述接收线圈L2的电感量的乘积，即：L1×C1＝L2×C2＝J＝1/ω²，其中，L1为L11和L12的等效电感量(串联时L1＝L11+L12，并联时L1＝L11·L12/(L11+L12))，J表示所述LC常数，ω表示所述发射谐振环或所述接收谐振环的谐振角频率。

在本实施例中，L11和L12相对L2在X轴方向平移时的耦合衰变曲线如图13所示(图中的纵坐标k表示耦合系数)，从图13中可以看出，整个传输面耦合都比较平坦。除了将L11和L12串联起来共同发送能量以外，还可以利用旁路L11或旁路L12的方式实现传输功率的分级控制。

在上述实施例的基础上，在本申请的另一个具体实施例中，如图11和图14所示，所述发射谐振环包括第一电容C1和与所述第一电容C1串联或并联的两个发射线圈；

两个所述发射线圈设置于所述接收线圈L2两侧，且与所述接收线圈L2周边耦合。

在本实施例中，两个所述发射线圈设置于所述接收线圈L2的两侧，处于两个平面上，接收线圈L2位于两个发射线圈L11和L12的中间，处于三个不同的平面，这三个平面相互平行。所述接收谐振环和所述发射谐振环的连接原理见图11，构成所述发射谐振环的第一电容C1的容量和两个所述发射线圈的等效电感量的乘积，等于构成所述接收谐振环的第二电容C2的容量和所述接收线圈L2的电感量的乘积，即：L1×C1＝L2×C2＝J＝1/ω²，其中，L1为L11和L12的等效电感量(串联时L1＝L11+L12，并联时L1＝L11·L12/(L11+L12))，J表示所述LC常数，ω表示所述发射谐振环或所述接收谐振环的谐振角频率。

在上述实施例的基础上，在本申请的又一个具体实施例中，如图15和图16所示，所述发射谐振环包括第一电容C1和与所述第一电容C1串联或并联的三个发射线圈；

三个所述发射线圈拼接后的第二等效发射线圈所在平面与所述接收线圈L2所在平面相互平行，且与所述接收线圈L2周边耦合。

在本实施例中，如图16所示，所述第二等效发射线圈由三个发射线圈(L11、L12和L13)串联或并联组成，且L11、L12和L13位于所述接收线圈L2的同一侧，它们的连接原理见图15，构成所述发射谐振环的第一电容C1的容量和三个所述发射线圈的等效电感量的乘积，等于构成所述接收谐振环的第二电容C2的容量和所述接收线圈L2的电感量的乘积，，即：L1×C1＝L2×C2＝J＝1/ω²，其中，L1为L11、L12和L13的等效电感量，J表示所述LC常数，ω表示所述发射谐振环或所述接收谐振环的谐振角频率。

在本实施例中，L11、L12和L13相对L1在X轴方向平移时的耦合衰变曲线如图17所示，从图17中可以看出，整个传输面耦合都比较平坦。除了将L11、L12和L13串联起来共同发送能量以外，还可以通过旁路L11或旁路L12或旁路L13的方式实现传输功率的分级控制。

在上述实施例的基础上，在本申请的再一个具体实施例中，如图18所示，所述发射谐振环包括第一电容C1和与所述第一电容C1串联或并联的四个发射线圈；

四个所述发射线圈首尾串联，拼接后的第三等效发射线圈所在平面与所述接收线圈所在平面相互平行，且与所述接收线圈L2周边耦合。

图19和图20为两种可行的所述第三等效发射线圈的形状以及与所述接收线圈L2的位置关系示意图；L2为所述接收线圈L2，L11、L12、L13和L14这4个发射线圈构成所述第三等效发射线圈；整个所述第三等效发射线圈平面上都能够输送电能，因为四个所述发射线圈是同相串联连接的，只要有一个所述发射线圈能够向所述接收线圈传输电能，整个所述第三等效发射线圈都有磁共振，所述第三等效发射线圈就可以进行电能输出。当然，也可以通过旁路L11或旁路L12或旁路L13或旁路L14的方式实现传输功率的分级控制。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个具体优选实施例中，所述第一电容C1由于所述至少两个发射线圈数量相同的子电容构成；

每个所述子电容与一个所述发射线圈构成一个子谐振环；

所述子谐振环之间串联或并联构成所述发射谐振环。

在本实施例中，这种连接方式能够大幅提高无线供电的传输效率，又可以根据实际需要增加工作区域，远离工作区的线圈减少或完全消除不必要的能量损耗，并且可以通过旁路其中一个或多个子谐振环的方式进行输出功率的分级控制，简洁并且高效，在移动无线供电中可以凸显优势。

在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述发射线圈为椭圆形线圈或梯形线圈或方形线圈或三角形线圈或半圆形线圈；

所述接收线圈L2为椭圆形线圈或梯形线圈或方形线圈或三角形线圈或半圆形线圈。

本申请对所述发射线圈和接收线圈L2的具体形状并不做限定，具体视实际情况而定。

综上所述，本申请实施例提供了一种点对点无线供电线圈耦合模型，其中，所述点对点无线供电线圈耦合模型中的发射谐振环与所述接收谐振环彼此耦合且所述发射谐振环的谐振频率与所述接收谐振环的谐振频率相同，即所述发射谐振环和所述接收谐振环处于磁共振状态下，而处于磁共振状态下的发射谐振环和接收谐振环可以提高无线供电过程中的传输效率。这是因为在电能的无线传输过程中能量密度S由感应电场的电场强度E和磁场强度H决定(S＝E×H)，而谐振过程则会倍增环路电流，加强空间中的感应电场与磁场，从而大大提升能流密度S，进而提升电能在无线传输过程中的传输效率；并且磁共振能够很好地吸引并聚集周围的磁力线从而有效俘获更多的电磁能量，进而进一步地提升电能在无线传输过程中的传输效率。

由于所述发射谐振环由串联或并联的发射线圈和第一电容C1构成，而LC回路的谐振有益于很好的滤除输入信号的高次谐波分量，这样即提高了传输效率，又可以减少高频杂波辐射，降低了对环境的电磁污染，非常符合现今的绿色环保理念。

并且由于所述发射谐振环由第一电容C1和与所述第一电容C1串联或并联的至少两个发射线圈构成，使得所述发射谐振环发射的电能在其内部分布均匀，从而降低发热量；并且多个发射线圈的构成使得所述发射谐振环的能力发送范围变大，从而可以降低所述发射谐振环与所述接收谐振环的耦合精度要求，或者说允许的所述发射谐振环与所述接收谐振环的位置误差增大，降低了所述点对点无线供电线圈耦合模型的设计要求。

进一步的，在所述点对点无线供电线圈耦合模型的实际应用过程中，可以通过将构成所述发射谐振环的至少两个发射线圈中的一个或多个发射线圈以旁路的方式进行单个发射线圈工作状态的切换，从而实现输出功率的分级控制，进而使得所述点对点无线供电线圈耦合模型的适用范围更加广泛。

相应的，本申请实施例还提供了一种点对点无线供电系统，包括：无线供电发射器和无线供电接收器；其中，所述无线供电发射器和无线供电接收器中设置有如上述任一实施例所述的点对点无线供电线圈耦合模型。

需要说明的是所述点对点无线供电线圈耦合模型中的发射谐振环设置于所述无线供电发射器中；所述点对点无线供电线圈耦合模型中的接收谐振环设置于所述无线供电接收器中。

在上述实施例的基础上，本申请的一个实施例提供了一种具体的无线供电发射器的结构示意图，如图21所示，市电220V交流的经过整流电路得到脉冲直流电，然后以较小的电容滤波旁路对发射工作频率进行退耦，而不对波动电压进行处理，直接供给所述发射谐振环(图21中未示出)；这种结构的无线供电发射器的功率因数比较好，可以由于0.95，并且电路简单成本低廉，适合中小功率(500W以下)要求较低的无线供电设备，如照明以及发热电器等。图22为本实施例中无线供电发射器中的直流供电波形与发送输出波形的示意图。

在上述实施例的基础上，本申请的另一个实施例提供了一种具体的无线供电发射器的结构示意图，如图23所示，在图21的基础上增加了PFC电子功率因数校正电路，经过校正以后的直流电压平稳，又有很好的功率因数。这将会提高所述无线供电发射器的整体成本，但是工作性能优良，适合要求较高的供电设备以及大功率的无线传输。如图24为本实施例中所述无线供电发射器中的直流供电波形与发送输出波形的示意图。

在上述实施例的基础上，本申请的又一个实施例提供了一种具体的无线供电发射器的结构示意图，如图25所示，在本实施例中，所述无线供电发射器适用于更大功率(5KW以上)的无线供电传输，因为市电已不足以满足更高的功率负载要求，这时可以从三相工业电网获取更强大的电力资源。如图26所示，经过整流后的直流供电波形波动不大，较小的电容滤波就能满足要求，但对发送工作频率要有足够的退耦。

根据传输功率的大小，将所述无线供电发射器的输出占空比应该设置在适合位置，如图27所示，负载较大时对应需要较大的占空比率。当占空比超过一定值时接收功率将不再增加(这跟谐振特性有关)，而空载损耗会逐渐变大。在发射端所述发射谐振环的内部能量不急是靠发射电路脉冲的前沿部分来提供的，当脉宽足够时继续增加脉冲宽度则会对输出功率没有贡献。所以实际应用中占空比设在比输出功率最大值时对于的占空比略大一点的位置处即可，当然还要兼顾市电变化范围。

在上述实施例的基础上，本申请的一个实施例提供了一种具体的无线供电接收器的结构示意图，本实施例提供的所述无线供电接收器适用于中小功率，采用如图28所示的半桥结构即可满足要求，所述接收谐振环(图28中未示出)的一端连接半桥输出端，另一端接在两个串联的滤波电容的中间即可。

在更大功率的时候可以使用全桥结构的无线供电接收器，如图29所示，这样输出电压幅值可以加倍，满足更高的输出功率要求。

在上述实施例的基础上，在本申请的一个优选实施例中，所述点对点无线供电系统还包括应答码发送装置和多个识别码发送装置；其中，

所述多个识别码发送装置的数量与所述点对点无线供电线圈耦合模型中的发射线圈数量相同，且每个所述识别码发送装置与一个所述发射线圈绑定，用于发送识别码，并在接收到所述应答码发送装置发送的应答码后控制与其绑定的发射线圈开始工作；

所述应答码发送装置与所述点对点无线供电线圈耦合模型中的接收线圈绑定，用于在接收到所述识别码后发送应答码。

如图30所示(以三个所述发射线圈L11、L12和L13构成的发射谐振环为例)，在本实施例中，与所述点对点无线供电线圈耦合模型中的发射谐振环中的每个发射线圈绑定的识别码发送装置可以通过向外发送识别码的方式扫描所述接收谐振环中的接收线圈L2的位置，当最靠近所述接收线圈L2的发射线圈接收到与所述接收线圈L2绑定的应答码发送装置发送的应答码后建立传输链接(即接收到所述应答码的识别码发送装置控制与其绑定发射线圈开始工作)，从而开始无线供电的传输。通过这种方式可以让处于最佳位置的发射线圈工作，可以形成最佳的电能收发链路，既能扩大所述点对点无线供电系统的工作区域范围，又可以提高传输效率。

所述识别码发送装置发送的识别码以及所述应答码发送装置发送的应答码均可以通过载波的方式实现，例如红外线、蓝牙以及Wi-Fi等，本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。

综上所述，本申请实施例提供了一种点对点无线供电线圈耦合模型及点对点无线供电系统，其中，所述点对点无线供电线圈耦合模型中的发射谐振环与所述接收谐振环彼此耦合且所述发射谐振环的谐振频率与所述接收谐振环的谐振频率相同，即所述发射谐振环和所述接收谐振环处于磁共振状态下，而处于磁共振状态下的发射谐振环和接收谐振环可以提高无线供电过程中的传输效率。这是因为在电能的无线传输过程中能量密度S由感应电场的电场强度E和磁场强度H决定(S＝E×H)，而谐振过程则会倍增环路电流，加强空间中的感应电场与磁场，从而大大提升能流密度S，进而提升电能在无线传输过程中的传输效率；并且磁共振能够很好地吸引并聚集周围的磁力线从而有效俘获更多的电磁能量，进而进一步地提升电能在无线传输过程中的传输效率。

由于所述发射谐振环由第一电容C1和与所述第一电容C1串联或并联的至少两个发射线圈构成，而LC回路的谐振有益于很好的滤除输入信号的高次谐波分量，这样即提高了传输效率，又可以减少高频杂波辐射，降低了对环境的电磁污染，非常符合现今的绿色环保理念。

并且由于所述发射谐振环由第一电容C1和与所述第一电容C1串联或并联的至少两个发射线圈构成，使得所述发射谐振环发射的电能在其内部分布均匀，从而降低发热量；并且多个发射线圈的构成使得所述发射谐振环的能量发送范围变大，从而可以降低所述发射谐振环与所述接收谐振环的耦合精度要求，或者说允许的所述发射谐振环与所述接收谐振环的位置误差增大，降低了所述点对点无线供电线圈耦合模型的设计要求。

进一步的，在所述点对点无线供电线圈耦合模型的实际应用过程中，可以通过将构成所述发射谐振环的至少两个发射线圈中的一个或多个发射线圈旁路的方式进行单个发射线圈工作状态的切换，从而实现输出功率的分级控制，进而使得所述点对点无线供电线圈耦合模型的适用范围更加广泛。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (13)

1.一种点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，包括：发射谐振环和接收谐振环；其中，

所述发射谐振环包括第一电容和与所述第一电容串联或并联的至少两个发射线圈；

所述接收谐振环包括第二电容和与所述第二电容串联或并联的接收线圈；

所述发射谐振环与所述接收谐振环彼此耦合，且所述发射谐振环的谐振频率与所述接收谐振环的谐振频率相同。

2.根据权利要求1所述的点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，所述发射线圈和所述接收线圈为紧密型线圈或松散型线圈。

3.根据权利要求1所述的点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，还包括：第一磁芯和第二磁芯；

所述第一磁芯用于提升所述至少两个发射线圈的磁通密度；

所述第二磁芯用于提升所述接收线圈的磁通密度。

4.根据权利要求3所述的点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，所述第一磁芯为条形磁体，设置于所述发射线圈背离所述接收线圈一侧；

所述第二磁芯为条形磁体，设置于所述接收线圈背离所述发射线圈一侧。

5.根据权利要求3所述的点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，所述第一磁芯为U型磁体，环绕所述发射线圈设置；

所述第二磁芯为U型磁体，环绕所述接收线圈设置。

6.根据权利要求1所述的点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，所述发射谐振环包括第一电容和与所述第一电容串联或并联的两个发射线圈；

两个所述发射线圈在同一平面内拼接后的第一等效发射线圈的形状与所述接收线圈相同；

所述第一等效发射线圈所在平面与所述接收线圈所在平面相互平行，且所述第一等效发射线圈与所述接收线圈为周边耦合。

7.根据权利要求1所述的点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，所述发射谐振环包括第一电容和与所述第一电容串联或并联的两个发射线圈；

两个所述发射线圈设置于所述接收线圈两侧，且与所述接收线圈周边耦合。

8.根据权利要求1所述的点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，所述发射谐振环包括第一电容和与所述第一电容串联或并联的三个发射线圈；

三个所述发射线圈拼接后的第二等效发射线圈所在平面与所述接收线圈所在平面相互平行，且与所述接收线圈周边耦合。

9.根据权利要求1所述的点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，所述发射谐振环包括第一电容和与所述第一电容串联或并联的四个发射线圈；

四个所述发射线圈首尾串联，拼接后的第三等效发射线圈所在平面与所述接收线圈所在平面相互平行，且与所述发射线圈周边耦合。

10.根据权利要求1所述的点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，所述第一电容由与所述至少两个发射线圈数量相同的子电容构成；

每个所述子电容与一个所述发射线圈构成一个子谐振环；

所述子谐振环之间串联或并联构成所述发射谐振环。

11.根据权利要求1-10任一项所述的点对点无线供电线圈耦合模型，其特征在于，所述发射线圈为椭圆形线圈或梯形线圈或方形线圈或三角形线圈或半圆形线圈；

所述接收线圈为椭圆形线圈或梯形线圈或方形线圈或三角形线圈或半圆形线圈。

12.一种点对点无线供电系统，其特征在于，包括：无线供电发射器和无线供电接收器；其中，所述无线供电发射器和无线供电接收器中设置有如权利要求1-11任一项所述的点对点无线供电线圈耦合模型。

13.根据权利要求12所述的点对点无线供电系统，其特征在于，还包括应答码发送装置和多个识别码发送装置；其中，

所述多个识别码发送装置的数量与所述点对点无线供电线圈耦合模型中的发射线圈数量相同，且每个所述识别码发送装置与一个所述发射线圈绑定，用于发送识别码，并在接收到所述应答码发送装置发送的应答码后控制与其绑定的发射线圈开始工作；

所述应答码发送装置与所述点对点无线供电线圈耦合模型中的接收线圈绑定，用于在接收到所述识别码后发送应答码。