CN111478456A - 磁共振无线充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁共振无线充电方法，用于对负载进行无线充电，其中与负载连接的一端作为接收端，与供电源连接的一端作为发射端，无线充电方法包括如下步骤：于发射端和接收端均设置共振线圈，且共振线圈的本征频率相同；将发射端和接收端的共振线圈耦合连接以实现无线电能传输；在无线电能传输开始后，监测发射端的输入功率及接收端的输出功率；依据输出功率与输入功率的比值，对发射端的能量增益速率和/或接收端的能量损耗速率以使得输出功率与输入功率的比值落入设定范围，并保持无线电能传输处于正交模式范围内。本发明在无线电能传输过程中追踪正交模式，大大增加高效率传输的范围，具有单频和高效的特点，还具有较强的稳定性和安全性。

Description

磁共振无线充电系统及方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，特指一种磁共振无线充电系统及方法。

背景技术

近年来，随着科学技术发展，无线电能传输技术在学术和工程领域都获得了极大的关注。由于其便利性，110kHz至210kHz的感应式无线电能传输方案在手机和耳机等消费电子类产品中获得了广泛的应用。但感应式无线电能传输技术的缺陷在于无法提供充电距离，其传输距离通常低于10mm。2007年美国麻省理工学院的Marin教授首次提出了共振式无线电能传输技术(Science 317,83-86 2007)，即在系统发射端和接收端使用两个频率相同的线圈进行磁场耦合，该技术可以大大提高无线电能传输的传输距离。但是当系统位于强耦合区域时，由于近场作用系统的本征模式劈裂为两个相位相反的模式，其中相位相同的模式称为对称模式(共振线圈间相位差为0°)，相位相反的模式称为反对称模式(共振线圈间相位差为180°)。虽然上述两个模式均能提供最佳传输效率，但是两者的本征频率却会随着耦合强度变化而不断变化，使得传输效率降低。

针对该物理现象工程邻域直观的提出了频率追踪电路实现对最佳传输效率点的锁定，2017年美国斯坦福大学的Fan Shanhui教授提出的利用非线性电路自动追踪劈裂模式(Nature 546,387-390 2017)的研究更是受到了广泛的关注。利用对称模式或反对称模式实现无线充电系统存在一些原理上的缺陷，首先系统构建必须满足发射端和接收端的能量耦合速率完全相同，即系统参数必须完全对称；其次，所用模式处于强耦合区域，当系统传输距离较远时系统效率下降明显；并且，由于电路部分需引入频率追踪，电路稳定性较低，空载压力大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种磁共振无线充电系统及方法，解决现有的共振式无线电能传输方案因模式耦合导致频率劈裂，传输效率降低以及追踪频率方案的系统稳定性差和需要严格的对称系统等的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种磁共振无线充电方法，用于对负载进行无线充电，其中与负载连接的一端作为接收端，与供电源连接的一端作为发射端，所述无线充电方法包括如下步骤：

于所述发射端和所述接收端均设置共振线圈，且所述共振线圈的本征频率相同；

将所述发射端和所述接收端的共振线圈耦合连接以实现无线电能传输；

在无线电能传输开始后，监测所述发射端的输入功率及所述接收端的输出功率；以及

依据所述输出功率与所述输入功率的比值，对所述发射端的能量增益速率和/或所述接收端的能量损耗速率进行动态调节以使得所述输出功率与所述输入功率的比值落入设定范围，并保持无线电能传输处于正交模式范围内。

本发明的磁共振无线充电方法，在无线电能传输过程中追踪正交模式范围，大大增加高效率传输的范围，具有单频和高效的特点，也即无线电能传输过程中发射端处的输入频率为单一频率，从而使得本发明的充电方法避免了频率追踪电路的设计，避免了系统稳定性差的问题，同时本发明的充电方法还具有较强安全性，能够有效的解决共振式无线电能传输方案因模式耦合导致频率劈裂和传输效率降低的问题和追踪频率方案的系统稳定性差及需要严格的对称系统的问题。

本发明磁共振无线充电方法的进一步改进在于，对所述发射端的能量增益速率和所述接收端的能量损耗速率进行动态调节时，还包括：

在无线电能传输开始后，先动态调节所述接收端的能量损耗速率以使得无线电能传输处于正交模式范围内；

再动态调节所述发射端的能量增益速率与所述接收端的能量损耗速率以保持无线电能传输处于正交模式范围内。

本发明磁共振无线充电方法的进一步改进在于，还包括：

于所述发射端的共振线圈处接入一发射阻抗调节模块；和/或于所述接收端的共振线圈处接入一接收阻抗调节模块；

通过调节所述发射阻抗调节模块的阻抗以实现调节所述发射端的能量增益速率，和/或通过调节所述接收阻抗调节模块的阻抗以实现调节所述接收端的能量损耗速率。

本发明磁共振无线充电方法的进一步改进在于，还包括：

设定一低限值；

在无线电能传输过程中，比较判断所述输出功率与所述输入功率的比值是否低于所述低限值；

在所述输出功率与所述输入功率的比值低于所述低限值时，动态调节所述发射端的能量增益速率和/或所述接收端的能量损耗速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入所述设定范围。

本发明磁共振无线充电方法的进一步改进在于，还包括：

将所述发射端的共振线圈处的输入频率设置为一设定频率范围内的一频率值，所述设置频率范围为ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀，其中的ω₀为所述发射端的共振线圈的本征频率。

本发明还提供了一种磁共振无线充电系统，用于对负载进行无线充电，其中与所述负载连接的一端作为接收端，与供电源连接的一端作为发射端，所述无线充电系统包括：

设于所述发射端的共振线圈；

设于所述接收端的共振线圈，所述接收端的共振线圈与所述发射端的共振线圈耦合连接以实现无线电能传输，且所述发射端和所述接收端的共振线圈的本征频率相同；

接入所述发射端的输入功率监测模块，用于监测所述发射端的输入功率；

接入所述接收端的输出功率监测模块，用于监测所述接收端的输出功率；

与所述发射端和所述接收端均控制连接的处理模块，所述处理模块还与所述输入功率监测模块和所述输出功率监测模块连接，用于接收所述输入功率和所述输出功率，并依据所述输出功率与所述输入功率的比值，对所述发射端的能量增益速率和/或所述接收端的能量损耗速率进行动态调节以使得所述输出功率与所述输入功率的比值落入设定范围，且保持无线电能传输处于正交模式范围内。

本发明磁共振无线充电系统的进一步改进在于，对所述发射端的能量增益速率和所述接收端的能量损耗速率进行动态调节时，所述处理模块在无线电能传输开始后，先动态调节所述接收端的能量损耗速率以使得无线电能传输处于正交模式范围内；再动态调节所述发射端的能量增益速率与所述接收端的能量损耗速率以保持无线电能传输处于正交模式范围内。

本发明磁共振无线充电系统的进一步改进在于，还包括接入所述发射端的共振线圈处的发射阻抗调节模块和/或接入所述接收端的共振线圈处的接收阻抗调节模块；

所述处理模块与所述发射阻抗调节模块和/或所述接收阻抗调节模块连接，通过调节所述发射阻抗调节模块的阻抗以实现调节所述发射端的能量增益速率，和/或通过调节所述接收阻抗调节模块的阻抗以实现调节所述接收端的能量损耗速率。

本发明磁共振无线充电系统的进一步改进在于，所述处理模块内设有一低限值；

所述处理模块在无线电能传输过程中，比较判断所述输出功率与所述输入功率的比值是否低于所述低限值，在所述输出功率与所述输入功率的比值低于所述低限值时，动态调节所述发射端的能量增益速率和/或所述接收端的能量损耗速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入所述设定范围。

本发明磁共振无线充电系统的进一步改进在于，还包括设于所述发射端并与所述发射端的共振线圈连接的高频逆变模块，用于向所述发射端的共振线圈输入高频电磁波，所输入的高频电磁波的频率范围在ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀之间，其中的ω₀为所述发射端的共振线圈的本征频率。

附图说明

图1为本发明磁共振无线充电系统的系统图。

图2为本发明磁共振无线充电系统的物理模型图。

图3为本发明磁共振无线充电系统的第一实施例的模型图。

图4为本发明磁共振无线充电系统的第二实施例的模型图。

图5为本发明磁共振无线充电系统的第三实施例的模型图。

图6为本发明磁共振无线充电系统的第四实施例的模型图。

图7为本发明磁共振无线充电系统的共振线圈工作频率随近场耦合强度变化的示意图。

图8为本发明磁共振无线充电系统的共振线圈相位差随近场耦合强度变化的示意图。

图9为共振式无线充电系统的模式变化图。

图10为本发明磁共振无线充电系统中接收端能量损耗速率的变化图。

图11为本发明磁共振无线充电系统中发射端能量增益速率的变化图。

图12为本发明磁共振无线充电系统在不同耦合强度下能量传输效率及共振线圈相位差的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参阅图1，本发明提供了一种磁共振无线充电系统及方法，为负载进行无线充电，用于解决现有的共振式无线电能传输方案因模式近场耦合导致频率劈裂，传输效率低的问题；还用于解决追踪频率方案存在系统稳定性差的问题。本发明的磁共振无线充电系统基于正交模式，通过控制发射端的能量增益速率和/或接收端的能量损耗速率实现系统的能量传输效率的最大化，具有单频和高效的特点，实现正交模式追踪锁定可以大大增加高效率传输的范围。下面结合附图对本发明磁共振无线充电系统及方法进行说明。

参阅图1，显示了本发明磁共振无线充电系统的系统图。下面结合图1，对本发明磁共振无线充电系统进行说明。

如图1所示，本发明提供的磁共振无线充电系统用于对负载进行无线充电，其中与负载连接的一端作为接收端，与供电源连接的一端作为发射端，磁共振无线充电系统包括发射端的共振线圈21、接收端的共振线圈22、处理模块23、输入功率监测模块24以及输出功率监测模块25，发射端的共振线圈21设于发射端，与供电源连接，用于将供电源的电流以高频电磁波的形式发送出去。接收端的共振线圈22设于接收端，并与发射端的共振线圈21耦合连接以实现无线电能传输，且该发射端的共振线圈21和接收端的共振线圈22的本征频率相同。接收端的共振线圈22接收发射端的共振线圈21发射的高频电磁波，而后在接收端将高频电磁波转变为直流，供给负载使用。输入功率监测模块24接入发射端，用于监测发射端的输入功率；输出功率监测模块25接入接收端，用于监测接收端的输出功率；处理模块23与发射端和接收端均控制连接，较佳地，处理模块23与发射端和接收端的电路控制连接，通过控制发射端和接收端的电路来实现对发射端及接收端处的参数进行调控。处理模块23还与输入功率监测模块24和输出功率监测模块25连接，该处理模块23用于接收输入功率和输出功率，并计算输出功率与输入功率的比值，并依据输出功率与输入功率的比值，对发射端的能量增益速率和/或接收端的能量损耗速率进行动态调节以使得输出功率与输入功率的比值落入设定范围，且保持无线电能传输处于正交模式范围内。

处理模块23设有三种调节模式，第一种是通过动态调节发射端的能量增益速率来使得输出功率与输入功率的比值落入设定范围，也即单独调节发射端。第二种是通过动态调节接收端的能量损耗速率来使得输出功率与输入功率的比值落入设定范围，也即单独调节接收端。第三种是通过动态调节发射端的能量增益速率和接收端的能力损耗速率，也即双端调节。

发射端的共振线圈21和接收端的共振线圈22的本征频率由线圈本身的材料和结构确定，与线圈空间位置及耦合状态无关，也称为线圈的固有频率。本发明所指的正交模式是在双共振系统中的弱耦合区域内，有且仅有一个工作频率位于本征频率处的无损耗模式，结合图9所示，曲线F1即表示正交模式下无线电能传输效率与频率的变化关系，在该正交模式下，发射端的输入频率若为本征频率ω₀，则无线充电系统的电能传输效率即处于最大值，即电能传输效率最高。图9中的P表示系统的频率，X表示透射系数，具体是由无线电能传输效率开根号求得。结合图7和图8所示，在正交模式下，发射端和接收端的共振线圈的电压或电流相位正交，即相位差为90°。本发明所述的正交模式范围是指发射端和接收端的共振线圈的电压或电流的相位差在85°至95°之间，也就是在靠近正交模式的一段范围内。

本发明的磁共振无线充电系统基于正交模式和/或正交模式范围，实现了锁定频率、锁定效率以及锁定功率的效果，其中锁定频率是指在正交模式下，磁共振无线充电系统实现三频合一，即发射端和接收端的共振线圈的本征频率、系统模式频率(该系统模式频率与两个线圈耦合状态密切相关)以及系统的发射端的输入频率三者相同，从而在无线充电过程中发射端始终以一个固定的输入频率输入至发射端的共振线圈，即使在充电过程中发生传输距离的变化，也无需调整发射端的输入频率，只需要通过调节发射端的能量增益速率和/或接收端的能量损耗速率使得系统回到正交模式即可获取最佳的电能传输效率，这样也就实现了锁定效率及锁定功率，达到了电路稳定及高效的特点。

具体地，基于耦合模方程的物理原理，分析得到双共振系统中系统工作模式的表达式为：

其中，ω_±为系统模式频率，ω₀为共振线圈的本征频率，i为虚部的符号，k为共振线圈间近场耦合强度，g为发射端的共振线圈的能量增益速率，γ为接收端的共振线圈的能量损耗速率。通过求解得到，当系统满足条件：k²＝g*γ时，无线充电系统处于正交模式，即系统中有且仅有一个位于本征频率处的无损耗模式，ω_±＝ω₀。此时发射端的输入频率等于共振线圈的本征频率，即ω_working＝ω₀，ω_working为发射端的输入频率，无线充电的电能传输效率处于最佳。

磁共振无线充电系统采用一对本征频率(intrinsic resonant frequency)相同的共振线圈作为能量传输的载体，线圈近场耦合后形成的系统将会有本征模式(eigenmodes)，该模式的实部代表模式的本征频率，也称系统模式频率ω_±，虚部代表模式的损耗。在强耦合区域系统本征模式发生劈裂，如图7和图8所示，当系统的近场耦合强度较高时，系统模式劈裂为对称模式ω₊和反对称模式ω_-，在对称模式ω₊处，系统模式频率ω₊＝ω₀+k，两个共振线圈的相位差(即图8中的

)处于90～180°；在反对称模式ω_-处，系统模式频率ω_-＝ω₀-k，两个共振线圈的相位差处于0～90°，此时系统处于强耦合区。结合图9所示，当无线充电系统中发射端和接收端的传输距离发生变化时，两端共振线圈的耦合强度会急剧变化，而系统的工作模式也会改变。结合图9的虚线位置，当传输距离变近时，系统处于过耦合状态，曲线F3所示，本证模式会发生劈裂从ω₀变化为ω₀±k(分别为对称模式和反对称模式)；当距离变远时，系统处于欠耦合状态，曲线F2所示，在ω₀处的本征模式损耗会增加，过耦合状态和欠耦合状态均会导致能量传输效率下降。现有技术中的自动追踪劈裂模式是通过调节发射端的输入频率使其追踪系统模式频率而提高电能传输效率，也即令ω_working＝ω_±，但是频率追踪调节会使得电路稳定性较低，从而影响电能的整体传输功效。

而本发明的正交模式与上述的对称模式ω₊和反对称模式ω_-不同，结合图7和图8所示，随着近场耦合强度下降，对称模式ω₊和反对称模式ω_-最终在ω₀处合并为正交模式，两个共振线圈的相位差几近于90°，此时系统进入弱耦合区域。在传输距离发生变化时，通过动态调节共振线圈的能量增益速率和/或能量损耗速率，而始终使系统处于正交模式下和/或正交模式范围内，实现了对正交模式及正交模式范围的追踪，使得系统具有单频和高效的特点，也即ω_working＝ω_±＝ω₀，发射端的输入频率为一固定频率，无需进行追踪调节即可获得较佳的电能传输效率，进而避免了因模式耦合导致频率劈裂，传输效率降低的问题，还避免了频率调节会使电路稳定性低的问题。

本发明的发射端的能量增益速率是指通道耦合造成能量幅度增加的速率，该处的通道耦合是指发射端处的电路和/或线圈与发射端的共振线圈间的耦合关系，用于为发射端的共振线圈输入能量。本发明的接收端的能量损耗速率是指通道耦合造成能量幅度减少的速率，该处的通道耦合是指接收端处的电路和/或线圈与接收端的共振线圈的耦合关系，用于从接收端的共振线圈处接收能量。对于能量损耗速率的定义可参阅技术文献《WAVESAND FIELDS IN OPTOELECTRONICS》，HERMANN A.HAUS,Massachusetts Institute ofTechnology，第204页中关于公式(7.28)的1/τ₀的定义。

在本发明的一种具体实施方式中，单独调节发射端的能量增益速率时，系统运行启动电压输出，一般为40V启动，通过监控输出功率与输入功率的比值，处理模块缓慢增加发射端的能量增益速率，直至调控至输出功率与输入功率的比值落入到设定范围内，也即系统进入了正交模式范围内。而后在无线电能传输的过程中，处理模块23实时监控输出功率与输入功率的比值变化，进行动态追踪，在其发生变化时，以控制该输出功率与输入功率的比值在设定范围内，也即维持系统稳定的处于正交模式。较佳地，处理模块可通过调节发射端电路内的阻抗来实现发射端增益速率的调节。

在本发明的一种具体实施方式中，单独调节接收端的能量损耗速率时，系统运行，初始时接收端的损耗速率设为无穷大，通过监控输出功率与输入功率的比值，处理模块缓慢降低接收端的能量损耗速率，直至调控至输出功率与输入功率的比值落入到设定范围内，也即系统进入了正交模式范围内。而后在无线电能传输的过程中，处理模块23实时监控输出功率与输入功率的比值变化，进行动态追踪，在其发生变化时，以控制该输出功率与输入功率的比值在设定范围内，也即维持系统稳定的处于共振模式。较佳地，处理模块可通过调节接收端的阻抗来实现接收端增益速率的调节。通过接收端电路内阻抗的调节，可对应的调节接收端的能量损耗速率。

在本发明的一种具体实施方式中，双端调节时，处理模块23在无线电能传输开始后，先动态调节接收端的能量损耗速率以使得无线电能传输处于正交模式范围内；再动态调节发射端的能量增益速率与接收端的能量损耗速率以保持无线电能传输处于正交模式范围内。磁共振无线充电系统启动后，发射端的能量增益速率g较小，处理模块23先将接收端的能量损耗速率γ增大至正交模式条件k²＝g*γ，此时系统完成正交模式锁定或正交模式范围内的锁定，实现了高效率。本发明的处理模块23先调节接收端的能量损耗速率γ，可使得系统快速处于正交模式，提高系统的正交模式锁定的效率。但由于发射端的能量增益效率较低，系统的输出功率也较低，在处于正交模式后，处理模块23在缓慢增大发射端的能量增益效率g，减小发射端的能量损耗速率γ，而使系统保持在正交模式范围内的条件，且在调节时系统输出功率将上升且维持较高的效率，直至系统满载。该种做法实现了在保持系统的正交模式或正交模式范围内不变的前提下，提升了系统的能量传输功率。

在本发明的一种具体实施方式中，如图2所示，本发明的磁共振无线充电系统还包括接入发射端的共振线圈21处的发射阻抗调节模块26和/或接入接收端的共振线圈处的接收阻抗调节模块27；处理模块23与发射阻抗调节模块26和/或接收阻抗调节模块27连接，通过调节发射阻抗调节模块26的阻抗以实现调节发射端的能量增益速率，和/或通过调节接收阻抗调节模块27的阻抗以实现调节接收端的能量损耗速率。在图2中，R1代表发射阻抗调节模块26的阻抗，g为R1的函数，也即调节阻抗R1系统的发射端的能量增益效率也会随着变化，s表示共振线圈间距离，k为s的函数，也即随着距离s的变化系统的进场耦合强度也会发生变化，R2代表接收阻抗调节模块27的阻抗，γ为R2的函数，也即调节阻抗R2系统的接收端的能量损耗效率也会随着变化。

具体地，在单独调节发射端的能量增益速率时，于发射端接入发射阻抗调节模块26。在单独调节接收端的能量损耗速率时，于接收端接入接收阻抗调节模块27。在双端调节时，于发射端和接收端分别接入发射阻抗调节模块26和接收阻抗调节模块27。

较佳地，本发明的发射阻抗调节模块26和接收阻抗调节模块27可采用纯电路构成，还可以采用纯线圈构成，或者采用电路和线圈共同构成。其中纯电路可选用buck拓扑类型电路、boost拓扑类型电路或其它利用场效应管(MOSFET)实现输出控制的电路拓扑。如图3所示，显示了纯电路构成示意图，处理模块通过调节阻抗相应地实现调节能量增益速率和能量损耗速率。在发射端的共振线圈21处接入-R1，在接收端的共振线圈21处接入+R2，调节发射端处的-R1时，发射端电路的电压会随之变化，进而发射端的能量增益速率也会变化，发射端电路的电压变大时，发射端的能量增益速率也会变大。调节接收端处的+R2时，接收端电路的电阻会随之变化，进而接收端的能量损耗速率也会变化，接收端电路的电阻变小时，能量损耗速率也会变小。如图4所示，显示了纯线圈构成示意图，发射端的共振线圈21处耦合一发射端非共振线圈31，接收端的共振线圈22处耦合一接收端非共振线圈32，处理模块可通过调节发射端非共振线圈31和接收端非共振线圈32匝数，来实现调节能量增益速率和能量损耗速率。如图5和图6所示，显示了电路和线圈构成示意图。图5中在发射端的共振线圈21处耦合连接一发射端非共振线圈31，接收端的共振线圈22连接纯电路。图6中在接收端的共振线圈22处耦合连接一接收端非共振线圈32，发射端的共振线圈21连接纯电路。在发射端设计非共振线圈使得空载阶段系统处于断路状态，可以很好的回避通常磁共振系统空载功率过大而烧毁电路的风险，进一步增加了系统的稳定性。

在本发明的一种具体实施方式中，处理模块23内设有一低限值；处理模块在无线电能传输过程中，比较判断输出功率与输入功率的比值是否低于低限值，在输出功率与输入功率的比值低于低限值时，动态调节发射端的能量增益速率和/或接收端的能量损耗速率，直至输出功率与输入功率的比值落入设定范围。处理模块23并非在输出功率与输入功率的比值超出设定范围即进行动态调控发射端的电压，而是通过设定一个较低的低限值，在低于该低限值时，及时进行动态调控。

较佳地，上述的设定范围依据图9中频率ω₀对应的能量传输效率所对应的线圈间进场耦合强度来设计，该设定范围较佳为0.85至1。低限值较佳为0.8。输出功率与输入功率的比值即为能量传输效率，在发射端的共振线圈和接收端的共振线圈间的距离发生变化时，无线能量传输效率会产生影响，进而通过实时监测输出功率与输入功率的比值即可监测到无线能量传输效率的变化。

又佳地，本发明的输入功率监测模块24接入本发明磁共振无线充电系统的发射端，用于监测输入到发射端的共振线圈21的电流和电压，利用监测得到的电流和电压计算得出输入功率。具体地，可通过在电路中接入霍尔元件检测电路中的电流，利用分压电阻检测电路中的电压。相应地，输出功率监测模块25接入本发明磁共振无线充电系统的接收端，用于监测输入到负载的电流和电压，利用监测得到的电流和电压计算得到输出功率。具体地，可通过在电路中接入霍尔元件检测电路中的电流，利用分压电阻检测电路中的电压。

进一步地，在发射端和接收端均接入有保护电路模块，用于在发射端和接收端的电路内的电流及电压超过保护范围时，切断发射端和接收端的电路。实现了发射端和接收端的过压欠压以及过流欠流保护。具体地，保护电路模块包括Vin监控子模块、Iin监控子模块以及输入阻抗调控子模块，Vin监控子模块、Iin监控子模块用于监控电路中的电流及电压，该电流及电压可输入给处理模块23，处理模块23判断电流及电压是否在保护范围内，若否通过调控输入阻抗调控子模块253而断开电路。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括设于发射端并与发射端的共振线圈连接的高频逆变模块，用于向发射端的共振线圈输入高频电磁波，所输入的高频电磁波的频率范围在ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀之间，其中的ω₀为发射端的共振线圈的本征频率。该处的向发射端的共振线圈输入的高频电磁波的频率即为发射端的输入频率ω_working，高频逆变模块较佳为DC-AC高频逆变模块，该DC-AC高频逆变模块与供电源连接，还与发射端的共振线圈21连接，DC-AC高频逆变模块用于将直流电变成高频电磁波送入到发射端的共振线圈21，该高频电磁波的频率范围为1kHz～20MHz，而本发明将DC-AC高频逆变模块输出的高频电磁波的频率设定在一范围内，该范围为ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀之间，处理模块将系统锁定在正交模式范围内，这样使得系统的能量传输效率达到较大。较佳地，高频电磁波的频率为发射端的共振线圈的本征频率，此时系统的能量传输效率达到最大。

较佳地，供电源为系统提供市电220V、50Hz接入，在供电源和DC-AC高频逆变模块之间连接有AC-DC整流降压模块，用于对市电进行整流降压，使其变成5V～310V直流电压，送入到DC-AC高频逆变模块。接收端的共振线圈22处连接有AC-DC高频整流模块，用于将高频电磁破转变为直流再供给负载。

下面结合图10至图11，对本发明的实际效果进行说明。

如图10所示，接收端的接收阻抗调节模块27调节阻抗时，接收端处的电压相应地发生变化，图10显示了在正交模式下接收端的输入电压与损耗速率的关系，随着输入电压的增大损耗速率逐渐减小。如图11所示，发射端的发射阻抗调节模块26调节阻抗时，发射端的电压相应地发生变化，图11显示了在正交模式下发射端的输出电压与增益速率的关系，随着输出电压的增大增益速率逐渐变大。

当系统的传输距离发生变化时，近场耦合强度k将变化，而本发明通过增益速率和/或损耗速率的调整，满足正交模式条件k²＝g*γ，使得系统锁定在高效率传输。如图12所示，基于正交模式系统实现了在一段跨度较大的耦合强度中的高效传输，当系统耦合强度低于2kHz时，系统整体能量传输效率η才缓慢下降，如图12中实线部分。通过测试共振线圈相位差，可以观察到系统中两个共振线圈时刻保持90°的相位差，证明了该系统处于正交模式(图中虚线部分)。

本发明磁共振无线充电系统的有益效果为：

基于正交模式的物理原理实现无线充电能量高效率传输，具有单频和高效的特点；利用发射端增益调节和/或接收端损耗调节实现正交模式追踪，可以大大增加高效率传输的范围；系统空载呈现开路特性，稳定性和安全性较强；可实现系统功率输出的调控。

本发明还提供了一种磁共振无线充电方法，下面对磁共振无线充电方法进行说明。

本发明的一种磁共振无线充电方法，用于对负载进行无线充电，其中与负载连接的一端作为接收端，与供电源连接的一端作为发射端，无线充电方法包括如下步骤：

于发射端和接收端均设置共振线圈，且共振线圈的本征频率相同；

将发射端和接收端的共振线圈耦合连接以实现无线电能传输；

在无线电能传输开始后，监测发射端的输入功率及接收端的输出功率；以及

依据输出功率与输入功率的比值，对发射端的能量增益速率和/或接收端的能量损耗速率进行动态调节以使得输出功率与输入功率的比值落入设定范围，并保持无线电能传输处于正交模式范围内。

本发明的磁共振无线充电方法可通过上述的磁共振无线充电系统中的处理模块来实现对负载的高效率的无线充电，其高效率传输电能的原理与上述的处理模块的高效率传输电能原理相同，可参见上述的具体描述，在此不再赘述。

在本发明的一种具体实施方式中，在对发射端的能量增益速率和接收端的能量损耗速率进行动态调节时，还包括：

在无线电能传输开始后，先动态调节接收端的能量损耗速率以使得无线电能传输处于正交模式范围内；

再动态调节发射端的能量增益速率与接收端的能量损耗速率以保持无线电能传输处于正交模式范围内。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括：

于发射端的共振线圈处接入一发射阻抗调节模块，和/或于接收端的共振线圈处接入一接收阻抗调节模块；

通过调节发射阻抗调节模块的阻抗以实现调节发射端的能量增益速率，和/或通过调节接收阻抗调节模块的阻抗以实现调节接收端的能量损耗速率。

本发明磁共振无线充电方法的进一步改进在于，还包括：

设定一低限值；

在无线电能传输过程中，比较判断输出功率与输入功率的比值是否低于低限值；

在输出功率与输入功率的比值低于低限值时，动态调节发射端的能量增益速率和/或接收端的能量损耗速率，直至输出功率与输入功率的比值落入设定范围。

在本发明的一种具体实施方式中，还包括：

将发射端的共振线圈处的输入频率设置为一设定频率范围内的一频率值，所述设置频率范围为ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀，其中的ω₀为所述发射端的共振线圈的本征频率。在该频率范围内，可使得电能传输处于正交模式范围内。较佳地，将发射端的共振线圈处的输入频率设置为发射端的共振线圈的本征频率，此时的能量传输效率达到最大。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁共振无线充电方法，用于对负载进行无线充电，其中与负载连接的一端作为接收端，与供电源连接的一端作为发射端，其特征在于，所述无线充电方法包括如下步骤：

于所述发射端和所述接收端均设置共振线圈，且所述发射端和所述接收端的共振线圈的本征频率相同；

将所述发射端和所述接收端的共振线圈耦合连接以实现无线电能传输；

在无线电能传输开始后，监测所述发射端的输入功率及所述接收端的输出功率；以及

依据所述输出功率与所述输入功率的比值，对所述发射端的能量增益速率和/或所述接收端的能量损耗速率进行动态调节以使得所述输出功率与所述输入功率的比值落入设定范围，并保持无线电能传输处于正交模式范围内。

2.如权利要求1所述的磁共振无线充电方法，其特征在于，在对所述发射端的能量增益速率和所述接收端的能量损耗速率进行动态调节时，还包括：

在无线电能传输开始后，先动态调节所述接收端的能量损耗速率以使得无线电能传输处于正交模式范围内；

再动态调节所述发射端的能量增益速率与所述接收端的能量损耗速率以保持无线电能传输处于正交模式范围内。

3.如权利要求1所述的磁共振无线充电方法，其特征在于，还包括：

于所述发射端的共振线圈处接入一发射阻抗调节模块，和/或于所述接收端的共振线圈处接入一接收阻抗调节模块；

通过调节所述发射阻抗调节模块的阻抗以实现调节所述发射端的能量增益速率，和/或通过调节所述接收阻抗调节模块的阻抗以实现调节所述接收端的能量损耗速率。

4.如权利要求1所述的磁共振无线充电方法，其特征在于，还包括：

设定一低限值；

在无线电能传输过程中，比较判断所述输出功率与所述输入功率的比值是否低于所述低限值；

在所述输出功率与所述输入功率的比值低于所述低限值时，动态调节所述发射端的能量增益速率和/或所述接收端的能量损耗速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入所述设定范围。

5.如权利要求1所述的磁共振无线充电方法，其特征在于，还包括：

将所述发射端的共振线圈处的输入频率设置为一设定频率范围内的一频率值，所述设定频率范围为ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀，其中的ω₀为所述发射端的共振线圈的本征频率。

6.一种磁共振无线充电系统，用于对负载进行无线充电，其中与所述负载连接的一端作为接收端，与供电源连接的一端作为发射端，其特征在于，所述无线充电系统包括：

设于所述发射端的共振线圈；

设于所述接收端的共振线圈，所述接收端的共振线圈与所述发射端的共振线圈耦合连接以实现无线电能传输，且所述发射端和所述接收端的共振线圈的本征频率相同；

接入所述发射端的输入功率监测模块，用于监测所述发射端的输入功率；

接入所述接收端的输出功率监测模块，用于监测所述接收端的输出功率；

与所述发射端和所述接收端均控制连接的处理模块，所述处理模块还与所述输入功率监测模块和所述输出功率监测模块连接，用于接收所述输入功率和所述输出功率，并依据所述输出功率与所述输入功率的比值，对所述发射端的能量增益速率和/或所述接收端的能量损耗速率进行动态调节以使得所述输出功率与所述输入功率的比值落入设定范围，且保持无线电能传输处于正交模式范围内。

7.如权利要求6所述的磁共振无线充电系统，其特征在于，对所述发射端的能量增益速率和所述接收端的能量损耗速率进行动态调节时，所述处理模块在无线电能传输开始后，先动态调节所述接收端的能量损耗速率以使得无线电能传输处于正交模式范围内；再动态调节所述发射端的能量增益速率与所述接收端的能量损耗速率以保持无线电能传输处于正交模式范围内。

8.如权利要求6所述的磁共振无线充电系统，其特征在于，还包括接入所述发射端的共振线圈处的发射阻抗调节模块和/或接入所述接收端的共振线圈处的接收阻抗调节模块；

所述处理模块与所述发射阻抗调节模块和/或所述接收阻抗调节模块连接，通过调节所述发射阻抗调节模块的阻抗以实现调节所述发射端的能量增益速率，和/或通过调节所述接收阻抗调节模块的阻抗以实现调节所述接收端的能量损耗速率。

9.如权利要求6所述的磁共振无线充电系统，其特征在于，所述处理模块内设有一低限值；

所述处理模块在无线电能传输过程中，比较判断所述输出功率与所述输入功率的比值是否低于所述低限值，在所述输出功率与所述输入功率的比值低于所述低限值时，动态调节所述发射端的能量增益速率和/或所述接收端的能量损耗速率，直至所述输出功率与所述输入功率的比值落入所述设定范围。

10.如权利要求6所述的磁共振无线充电系统，其特征在于，还包括设于所述发射端并与所述发射端的共振线圈连接的高频逆变模块，用于向所述发射端的共振线圈输入高频电磁波，所输入的高频电磁波的频率范围在ω₀-1％ω₀至ω₀+1％ω₀之间，其中的ω₀为所述发射端的共振线圈的本征频率。

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