CN109193972A - 一种基于耦合中继的二维无线供能方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于耦合中继的二维无线供能方法。多个矩形能量耦合单元构成二维无线能量中继平面，能量发射线圈和能量接收线圈安装于二维无线能量中继平面；能量发射线圈中，高频信号源的输出端通过放大器接入发射天线，高频信号源产生的高频能量经过放大器放大后由发射天线耦合到最近的矩形能量耦合单元；矩形能量耦合单元中，矩形线圈感应产生电流而产生自身电磁场将高频无线能量传递给相邻的矩形能量耦合单元；能量接收线圈中，接收天线从最近的矩形能量耦合单元获得高频能量后通过整流、滤波得直流电输送给负载。本发明适合无线高频能量接收装置在平面上自由移动的场合，系统灵活性高，避免多余的空间能量耗散。

Description

一种基于耦合中继的二维无线供能方法

技术领域

本发明涉及一种二维无线供能方法，尤其涉及了一种基于耦合中继的二维无线供能方法。

背景技术

无线供电的典型应用包括手机充电、电动汽车、机器人和植入式医疗设备等。相比于传统的有线供电方式，无线供电方式避免了用电终端的线缆连接问题，使得在不方便使用电缆的场合也能获得稳定持续的能量供给。此外，近年来迅速增加的运动中无线供能方式在用电目标移动的过程中向其持续供电，可以大幅降低长时间、大功率用电设备的电池容量。然而，现有的运动中无线供能方式大多采用在目标设备的固定运动路线上铺设能量发射器，将物体的运动方向限制为一维。此外，也有新的方式使用立体的无线供能笼，将目标设备放置于该笼中向其供电。但这种方式供能没有指向性，在传递能量的过程中会造成很大的能量耗散，使得系统效率低下。

发明内容

为了解决在二维平面上对自由移动的设备进行无线供能的问题，本发明提出了一种基于耦合中继的二维无线供能方法。

本发明采用的技术方案是：

本发明采用二维无线供能装置，二维无线供能装置包括能量发射线圈、多个具备能量传递功能的矩形能量耦合单元和能量接收线圈；多个矩形能量耦合单元相互靠近且以矩阵式排列方式布置在同一平面上构成二维无线能量中继平面，能量发射线圈安装在二维无线能量中继平面的上方或下方，能量接收线圈在二维中继平面上方或者下方自由移动；能量发射线圈包括发射天线、放大器和高频信号源，高频信号源的输出端通过放大器接入发射天线，高频信号源产生的高频能量经过放大器放大后由发射天线耦合到离能量发射线圈最近的矩形能量耦合单元；矩形能量耦合单元包括电子开关和矩形线圈，矩形线圈的两端与电子开关串联构成回路，通过高频交变磁场的谐振将无线能量传递给相邻的矩形能量耦合单元中的矩形线圈。

能量接收线圈包括接收天线、二极管整流桥、滤波电容和负载，接收天线经二极管整流桥并联到滤波电容，负载的两端并联到滤波电容，能量发射线圈发射的高频能量经由至少一个矩形能量耦合单元耦合至能量接收线圈，能量接收线圈中的接收天线从离能量接收线圈最近的矩形能量耦合单元获得高频能量后通过二极管整流桥进行整流、由滤波电容进行滤波得到稳定的直流电，输送给负载。

电子开关通过切换开关状态控制每个矩形能量耦合单元耦合功能的打开和关闭，从而控制其工作和休眠状态：电子开关闭合时，矩形线圈处于短路状态，矩形能量耦合单元的耦合功能关闭，该单元处于休眠状态作为休眠单元，电子开关断开时，矩形线圈处于断路状态，矩形能量耦合单元的耦合功能打开，该单元处于工作状态作为工作单元；

矩形能量耦合单元仅与其自身四边相邻的四个矩形能量耦合单元进行能量传递，当矩形能量耦合单元将能量传递给相邻的矩形能量耦合单元使其耦合获得能量后，通过传递获得能量的相邻的矩形能量耦合单元成为工作单元，而其余没有通过传递获得能量的相邻的矩形能量耦合单元成为休眠单元。

从能量发射线圈到能量接收线圈经过的矩形能量耦合单元数量最少的路径定义为最佳路径，在二维无线能量中继平面上，能量发射线圈发射的高频能量沿最佳路径从能量发射线圈传递至离能量接收线圈。

当二维无线能量中继平面上存在障碍物或有不希望产生电磁场的位置时，绕开该位置且从能量发射线圈到能量接收线圈经过的矩形能量耦合单元数量最少的路径定义为最佳路径。

当能量接收线圈在二维无线能量中继平面上自由移动时，根据能量接收线圈移动前后的位置将所有可能的移动后的路径和移动前的最佳路径进行比较，以需要切换状态的矩形能量耦合单元数量最少的路径定义为移动后的最佳路径。

本发明利用电磁感应原理在耦合线圈之间传递能量，通电的线圈产生电磁场将高频能量耦合给相邻的线圈，控制每个线圈的工作状态可以实现能量沿指定的路径传递。

本发明具有的有益效果是：

1)实现了在二维平面上对设备自由移动的过程中进行无线供能。

2)系统灵活性高，适合无线高频能量接收装置在平面上自由移动的场合且可以避免多余的空间能量耗散。

附图说明

图1是本发明方法供能系统示意图；

图2是能量发射线圈与能量接收线圈的示意图；

图3是矩形能量耦合单元耦合示意图；

图4是实施例中能量传递的最佳路径示意图。

图中：1.能量发射线圈，2.矩形能量耦合单元，3.能量接收线圈，4.二维无线能量中继平面，11.发射天线，12.放大器，13.高频信号源，31.接收天线，32.二极管整流桥，33.滤波电容，34.负载，201.工作单元，202.休眠单元，203.电子开关，204.矩形线圈。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的实施过程。

如图1所示，本发明具体实施采用了二维无线供能装置，二维无线供能装置包括能量发射线圈1、多个具备能量传递功能的矩形能量耦合单元2和能量接收线圈3；多个矩形能量耦合单元2相互靠近且以矩阵式排列方式布置在同一平面上构成二维无线能量中继平面4，能量发射线圈1安装在二维无线能量中继平面4的上方或下方，能量接收线圈3在二维中继平面4上方或者下方自由移动。

如图2所示，能量发射线圈1包括发射天线11、放大器12和高频信号源13，高频信号源13的输出端通过放大器12接入发射天线11，高频信号源13产生的高频能量经过放大器12放大后由发射天线11耦合到离能量发射线圈1最近的矩形能量耦合单元2；

能量接收线圈3包括接收天线31、二极管整流桥32、滤波电容33和负载34，接收天线31经二极管整流桥32并联到滤波电容33，负载34的两端并联到滤波电容33，能量发射线圈1发射的高频能量经由至少一个矩形能量耦合单元2耦合至能量接收线圈3，能量接收线圈3中的接收天线31从离能量接收线圈3最近的矩形能量耦合单元2获得高频能量后通过二极管整流桥32进行整流、由滤波电容33进行滤波得到稳定的直流电，输送给负载34。

如图3所示，矩形能量耦合单元2包括电子开关203和矩形线圈204，矩形线圈204的两端与电子开关203串联构成回路，矩形线圈204受周围电磁场感应产生电流进而自身通电产生自身电磁场将高频无线能量传递给相邻的矩形能量耦合单元2中的矩形线圈204。电子开关203采用继电器开关，一端连接到控制电路，控制每一个矩形能量耦合单元2上电子开关203的通断状态。

电子开关203通过切换开关状态控制每个矩形能量耦合单元2耦合功能的打开和关闭，从而控制其工作和休眠状态：

电子开关203断开时，矩形线圈204处于断路状态，矩形能量耦合单元2的耦合功能打开，该单元处于工作状态作为工作单元201，相当于一个由等效电容和等效电感组成的谐振回路。工作单元201的谐振频率相同，相邻的两个工作单元201发生谐振，在产生的高频交变磁场中发生能量传递。

电子开关203闭合时，矩形线圈204处于短路状态，矩形能量耦合单元2的耦合功能关闭，该单元处于休眠状态作为休眠单元202。闭合的电子开关203相当于单元中的等效电容短路，该单元的谐振回路改变，导致谐振频率与工作单元201不同，无法与相邻的工作单元201发生谐振，因此能量无法经由休眠单元202传递。

矩形能量耦合单元2仅与其自身四边相邻的四个矩形能量耦合单元2进行能量传递，当矩形能量耦合单元2将能量传递给相邻的矩形能量耦合单元2使其耦合获得能量后，通过传递获得能量的相邻的矩形能量耦合单元2成为工作单元201，而其余没有通过传递获得能量的相邻的矩形能量耦合单元2成为休眠单元202。

具体实施中，从能量发射线圈1到能量接收线圈3经过的矩形能量耦合单元2数量最少的路径定义为最佳路径，在二维无线能量中继平面4上，能量发射线圈1发射的高频能量沿最佳路径从能量发射线圈1传.递至离能量接收线圈3。

当二维无线能量中继平面4上存在障碍物或有不希望产生电磁场的位置时，绕开该位置且从能量发射线圈1到能量接收线圈3经过的矩形能量耦合单元2数量最少的路径定义为最佳路径。

当能量接收线圈3在二维无线能量中继平面4上自由移动时，根据能量接收线圈3移动前后的位置将所有可能的移动后的路径和移动前的最佳路径进行比较，以需要切换状态的矩形能量耦合单元2数量最少的路径定义为移动后的最佳路径。

现结合图4详细说明本发明的实例过程。

本实施例中，能量发射线圈1、矩形能量耦合单元2和能量接收线圈3相互之间通过高频电磁场通过电磁感应工作，高频电磁场的工作频率为13.56MHz，矩形能量耦合单元2中的矩形线圈204的尺寸为1016mm×1016mm×1.6mm,匝数为4，矩形线圈所用绕线选取16mm×1.6mm的铜线，每一匝间距为16mm。

能量发射线圈1和能量接收线圈3采用的线圈尺寸相同，均为960mm×960mm×1.6mm的单匝铜线。具体实施中，能量发射线圈1位于二维无线能量中继平面4的上方或下方，能量接收线圈1位于二维无线能量中继平面4上方，两者与平面的距离均为10mm。

如图4所示，根据能量发射线圈1和能量接收线圈3的相对位置，可确定最佳路径中所经过矩形能量耦合单元2的最少数量为三个，由此选取沿能量发射线圈1右方位于最佳路径上的矩形能量耦合单元2为工作单元201，从相邻单元耦合获取并传递能量，工作单元201如图中所示；不在最佳路径上的单元没有通过传递获得能量，成为休眠单元202。

本实施例的工作过程如下：能量发射线圈1通电后，距离其最近的矩形能量耦合单元2的电子开关203断开，该单元成为工作单元201，通过高频磁场耦合从能量发射线圈1处获得能量，最佳路径上的矩形能量耦合单元2成为工作单元201，其余单元则保持电子开关203闭合的状态成为休眠单元202，能量经最佳路径传递至离能量接收线圈3最近的工作单元201，并通过高频磁场耦合将能量传递给能量接收线圈3，当能量接收线圈3在二维无线能量中继平面4上自由移动时，根据能量接收线圈3移动前后的位置将所有可能的移动后的路径和移动前的最佳路径进行比较，以需要切换状态的矩形能量耦合单元2数量最少的路径定义为移动后的最佳路径，保证能量传递的效果，避免多余能量耗散。

Claims (5)

1.一种基于耦合中继的二维无线供能方法，其特征在于：采用二维无线供能装置，二维无线供能装置包括能量发射线圈(1)、多个具备能量传递功能的矩形能量耦合单元(2)和能量接收线圈(3)；多个矩形能量耦合单元(2)相互靠近且以矩阵式排列方式布置在同一平面上构成二维无线能量中继平面(4)，能量发射线圈(1)安装在二维无线能量中继平面(4)的上方或下方，能量接收线圈(3)在二维中继平面(4)上方或者下方自由移动；

所述的能量发射线圈(1)包括发射天线(11)、放大器(12)和高频信号源(13)，高频信号源(13)的输出端通过放大器(12)接入发射天线(11)，高频信号源(13)产生的高频能量经过放大器(12)放大后由发射天线(11)耦合到离能量发射线圈(1)最近的矩形能量耦合单元(2)；

所述的矩形能量耦合单元(2)包括电子开关(203)和矩形线圈(204)，矩形线圈(204)的两端与电子开关(203)串联构成回路，矩形线圈(204)受周围电磁场感应产生电流进而自身通电产生自身电磁场将高频无线能量传递给相邻的矩形能量耦合单元(2)中的矩形线圈(204)；

所述的能量接收线圈(3)包括接收天线(31)、二极管整流桥(32)、滤波电容(33)和负载(34)，接收天线(31)经二极管整流桥(32)并联到滤波电容(33)，负载(34)的两端并联到滤波电容(33)，能量发射线圈(1)发射的高频能量经由至少一个矩形能量耦合单元(2)耦合至能量接收线圈(3)，能量接收线圈(3)中的接收天线(31)从离能量接收线圈(3)最近的矩形能量耦合单元(2)获得高频能量后通过二极管整流桥(32)进行整流、由滤波电容(33)进行滤波得到稳定的直流电，输送给负载(34)。

2.根据权利要求1所述的一种基于耦合中继的二维无线供能方法，其特征在于：

所述的电子开关(203)通过切换开关状态控制每个矩形能量耦合单元(2)耦合功能的打开和关闭，从而控制其工作和休眠状态：电子开关(203)闭合时，矩形线圈(204)处于短路状态，矩形能量耦合单元(2)的耦合功能关闭，该单元处于休眠状态作为休眠单元(202)，电子开关(203)断开时，矩形线圈(204)处于断路状态，矩形能量耦合单元(2)的耦合功能打开，该单元处于工作状态作为工作单元(201)；矩形能量耦合单元(2)仅与其自身四边相邻的四个矩形能量耦合单元(2)进行能量传递，当矩形能量耦合单元(2)将能量传递给相邻的矩形能量耦合单元(2)使其耦合获得能量后，通过传递获得能量的相邻的矩形能量耦合单元(2)成为工作单元(201)，而其余没有通过传递获得能量的相邻的矩形能量耦合单元(2)成为休眠单元(202)。

3.根据权利要求1所述的一种基于耦合中继的二维无线供能方法，其特征在于：

从能量发射线圈(1)到能量接收线圈(3)经过的矩形能量耦合单元(2)数量最少的路径定义为最佳路径，在二维无线能量中继平面(4)上，能量发射线圈(1)发射的高频能量沿最佳路径从能量发射线圈(1)传递至离能量接收线圈(3)最近的矩形能量耦合单元(2)。

4.根据权利要求1所述的一种基于耦合中继的二维无线供能方法，其特征在于：

当二维无线能量中继平面(4)上存在障碍物或有不希望产生电磁场的位置时，绕开该位置且从能量发射线圈(1)到能量接收线圈(3)经过的矩形能量耦合单元(2)数量最少的路径定义为最佳路径。

5.根据权利要求4所述的一种基于耦合中继的二维无线供能方法，其特征在于：当能量接收线圈(3)在二维无线能量中继平面(4)上自由移动时，根据能量接收线圈(3)移动前后的位置将所有可能的移动后的路径和移动前的最佳路径进行比较，以需要切换状态的矩形能量耦合单元(2)数量最少的路径定义为移动后的最佳路径。