CN111490598A - 高效率的无线充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高效率的无线充电方法，通过调节超表面的晶格常数，并根据预设的频率参数，在激励源的激励下，超表面工作于连续区束缚态模式，进而使得超表面的品质因数在单个谐振器的基础上有进一步地提升，能够极大地增强超表面的磁场强度，增大通过接收终端的磁通量，提高无线充电的效率和充电距离；此外，通过调节超表面的晶格常数，可以控制超表面介质柱单元之间的耦合，从而灵活地调控超表面的磁场分布；同时，调节晶格常数后能够使超表面的磁场强度逐渐发散，实现较均匀的磁场分布，从而实现高效率的多个接收终端进行充电。

Description

高效率的无线充电方法
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，特别是涉及一种高效率的无线充电方法。
背景技术
连续区束缚态表现为不衰减的谐振，其本质上是一种波现象，被证明可以发生在波动物理学的许多不同领域，包括声学，微波和纳米光子学。同时，连续区束缚态可以被认为是具有零线宽的共振，即连续区束缚态是一种谐振模式。进一步地，理想的连续区束缚态模式具有无限大的品质因数，但是在实际上，工作于连续区束缚态模式下的超表面也具有超高的品质因数。
而工作于连续区束缚态模式下的超表面与WPT技术的传输性能存在联系，WPT技术是指无线电能传输技术，而无线电能传输技术又称无线电力传输技术或非接触电能传输技术，它是指通过发射器将电能转换为其他形式的中继能量，如电磁场能、激光、微波及机械波等，在隔空传输一段距离后，再通过接收器将中继能量转换为电能，实现无线电能传输。近年来，一些便携式电器如笔记本电脑、手机、音乐播放器等移动设备都需要电池和充电。电源电线频繁地拔插，既不安全，也不美观可靠，且容易磨损。一些充电器、电线、插座标准也并不完全统一，这样既造成了浪费，也形成了对环境的污染。目前，主流WPT技术包括磁场耦合式和电磁辐射式两种，其中磁场耦合式以磁感应耦合式和磁耦合谐振式为主，电磁辐射式以微波辐射式和激光方式为主。
然而，现阶段的磁感应耦合式充电的方式的充电距离有限，其实际充电距离为毫米级，充电速度与有线充电相差较大，并且只能实现一对一无线充电；而相比于磁耦合谐振式，其虽然能够实现多端无线充电，但仍存在接收终端相互影响、阻抗匹配等问题，进而导致各个接收终端充电效率不一致。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种能够平衡接收终端的充电效率、能够提高无线充电的充电距离以及能够实现多端无线充电的高效率的无线充电方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种高效率的无线充电方法，包括如下步骤：
S101、制备超表面，并将所述超表面组成多个单元介质柱依次排列在承托载体上；
S102、分别一一计算所述超表面对应不同晶格常数的谐振频率，并分别计算所述超表面不同的各所述晶格常数分别对应的磁场分布情况；
S103、将发射装置进行通电处理，以使激励源产生交变磁场；
S104、将接收装置放置在所述超表面的中央，对准所述超表面最中间的单元，以将交变磁场转化为交流电，供负载使用；
S105、根据预设频率参数，以使所述交变磁场激励所述超表面工作在连续区束缚态模式，进而使所述交变磁场的磁场强度增强。
在其中一个实施例中，所述承托载体上开设有多个横向安装位及多个纵向安装位，所述横向安装位的数量与所述纵向安装位的数量相同。
在其中一个实施例中，各所述单元介质柱分别设置在各所述横向安装位及各所述纵向安装位内。
在其中一个实施例中，所述激励源为线圈。
在其中一个实施例中，所述发射装置包括信号发生器及功率放大器，信号发生器用于产生高频交流电，功率放大器用于将交流电进行功率放大输出。
在其中一个实施例中，所述单元介质柱为氧化物陶瓷。
在其中一个实施例中，所述单元介质柱具有圆柱形横截面。
在其中一个实施例中，在所述步骤S105后，还包括如下步骤：
S106、调节所述超表面的所述晶格常数至所述超表面磁场均匀分布时对应的所述晶格常数，同时调节频率参数至该所述晶格常数对应的谐振频率，将多个接收终端分别一一对应放置在各所述单元介质柱上，以进行充电操作。
在其中一个实施例中，所述预设频率参数为6.45GHz。
本发明相比于现有技术的优点及有益效果如下：
本发明为一种高效率的无线充电方法，根据预设的频率参数，在激励源的激励下，超表面工作于连续区束缚态模式，进而使得超表面的品质因数在单个谐振器的基础上有进一步地提升，能够极大地增强超表面的磁场强度，增大通过接收终端的磁通量，提高无线充电的效率和充电距离；此外，通过调节超表面的晶格常数，可以控制超表面介质柱单元之间的耦合，从而灵活地调控超表面的磁场分布；同时，调节晶格常数后能够使超表面的磁场强度逐渐发散，实现较均匀的磁场分布，从而实现高效率的多个接收终端进行充电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施方式的高效率的无线充电方法的步骤流程图；
图2为本发明一实施方式的晶格常数与磁场强度分布的对应关系示意图；
图3为本发明一实施方式的品质因数的对数与波矢的关系示意图；
图4为本发明一实施方式的S参数与频率的关系示意图；
图5为本发明一实施方式的介质型超表面的结构示意图；
图6为本发明一实施方式的超表面的品质因数与晶格常数的关系示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，一种高效率的无线充电方法，包括如下步骤：
S101、制备超表面，并将所述超表面组成多个单元介质柱依次排列在承托载体上。
具体地，单元介质柱为氧化物陶瓷。
再具体地，单元介质柱具有圆柱形横截面。
需要说明的是，本实施中单元介质柱的材质为氧化物陶瓷，且具有圆柱形横截面，若有材料或单元结构与本实施例不同的超表面同样在激励源的激励下能够实现连续区束缚态模式，同样可用作本申请的超表面的组成单元，从而实现无线充电。进一步地，本申请中的承托载体起到固定及支撑各超表面单元介质柱的作用。
S102、分别一一计算所述超表面对应不同晶格常数的谐振频率，并分别计算所述超表面不同的各所述晶格常数分别对应的磁场分布情况。
具体地，对应最优情况的单个接收终端充电和多个接收终端充电的晶格常数不同。
需要说明的是，晶格常数是超表面的周期值，通过计算超表面的晶格常数，能够得到不同晶格常数下超表面的磁场分布。
S103、将发射装置进行通电处理，以使激励源产生交变磁场。
具体地，激励源为线圈。
再具体地，发射装置包括信号发生器及功率放大器，信号发生器用于产生高频交流电，功率放大器用于将交流电进行功率放大输出。
需要说明的是，本实施中的激励源为线圈，信号发生器产生高频交流电经功率放大器进行功率放大输出后，激励源处产生交变磁场。
S104、将接收装置放置在超表面的中央，对准超表面最中间的单元，以将交变磁场转化为交流电，供负载使用。
需要说明的是，品质因子或Q值是物理及工程中的无量纲参数，是表示振子阻尼性质的物理量，也可表示振子的共振频率相对于带宽的大小，高Q值表示振子能量损失的速率较慢，振动可持续较长的时间。高品质因数也为高Q，高Q表示谐振强度强，频谱线宽窄，超表面是一种谐振器。高Q的超表面指这类超表面在连续区束缚态模式下的谐振很强，频谱线宽很窄，超表面内部和附近的磁场显著增强，从而提高无线电能传输的效率和距离。请参阅图3，图3为品质因数的对数与波矢K的变化关系图，a为晶格常数，当品格常数a＝18mm时，超表面在K＝0形成一个连续区束缚态。进一步地，请参阅图2，晶格常数从21mm减小到18mm的磁场分布情况。当晶格常数a＝20mm时，超表面中间位置的磁场强度最强，是单端无线充电的最优情况。当晶格常数进一步减小，超表面的磁场强度逐渐发散，实现较均匀的磁场分布，这样便可以实现效率基本一致的多端无线充电。
S105、根据预设频率参数，以使所述交变磁场激励所述超表面工作在连续区束缚态模式，进而使所述交变磁场的磁场强度增强。
具体地，预设频率参数为6.45GHz。
再具体地，在步骤S105后，还包括如下步骤：
S106、调节超表面的晶格常数至超表面磁场均匀分布时对应的晶格常数，同时调节频率参数至该晶格常数对应的谐振频率，将多个接收终端分别一一对应放置在各单元介质柱上，以进行充电操作。
需要说明的是，预设频率与超表面的谐振频率一致，请再次参阅图4，在激励源的激励下，晶格常数a＝20mm的9*9超表面的S参数(S参数中的S21是指发射装置到接收端的透射系数，无线电能传输效率为|S21|2)，工作频率为6.45GHz，在该频率下，超表面的谐振较强且谱线宽度较窄。进一步地，本申请中的预设频率参数会随着超表面组成单元的材料和形状发生改变，故6.45GHz为本实施例中的介质型超表面的特定频率。
如此，综合上述高效率的无线充电方法，具有以下优势：1、提高现有WPT技术的效率和距离。本申请通过利用连续区束缚态模式，以提高超表面的品质因数以及超表面附近的磁场强度。在现有无线充电系统中增加这个高Q的超表面，使超表面附近的磁场强度显著增强，从而将原来无线充电系统的充电效率进一步提升。2、提高电磁感应WPT技术的效率和距离。传统的电磁感应技术充电距离有限，局限在mm级。通过设计结构合理的电磁超表面来实现连续区束缚态模式，可显著增强附近超表面附近的磁场强度，并进一步通过调节晶格常数来控制超表面介质柱之间的耦合，使超表面的磁场局域在最中间，从而使超表面最中间的介质柱的磁场强度显著增强，最终提高了WPT的效率和距离。3、提高磁耦合谐振WPT技术中谐振器的品质因子，从而提高WPT的效率和距离。众所周知，磁耦合谐振技术的关键在于谐振器的Q值，Q值越大，表明了谐振强度越强；所以在一定范围内，传输的效率和距离随着Q值的增大而越高。同时，具有连续区束缚态模式的超表面，其Q值与单元结构中的单个谐振器相比明显提高。这种具有高Q模式的超表面应用于磁耦合谐振式WPT，传输的效率和距离将大大提高。4、本申请还能解决如何实现多端充电的无线电能传输技术的问题。目前，传统的电磁感应技术无法实现多端无线充电。而磁耦合谐振技术虽然能够实现多端充电，但由于产生的磁场不均匀，通过各个接收线圈的磁场强度不同，导致不同接收装置的充电效率不同，不能实现充电效率一致的多端无线充电。而本申请在激励源的激励下，加之超表面由同个单元结构重复组合而成，结构简单，易于制造。高Q的超表面在激励线圈的激励下，谐振很强，除了增强表面的磁场外，通过调节晶格常数，可以使超表面的磁场强度均匀分布，在一定空间范围内磁场强度基本相等，请参阅图5，每个接收终端对应一个单元结构，放置在上方，就可以均匀地接收到发射端的能量，这样由多单元结构组成的电磁超表面便可实现高效率的多接收终端进行无线充电。
进一步地，请再次参阅图5，承托载体上开设有多个横向安装位及多个纵向安装位，横向安装位的数量与纵向安装位的数量相同。
具体地，各超表面介质柱分别设置在各横向安装位及各纵向安装位内。
需要说明的是，各个超表面介质柱的排列方式是采用n*n的阵列方式，本实施例中是采用9*9的阵列方式进行排列。其目的为了磁场强度的分布更加均匀。同时，请参阅图6，阵列数目为9x 9的超表面的Q值随晶格常数的变化情况。通过调节具有连续区束缚态模式的超表面的晶格常数，可以显著提高Q值，图6中在晶格常数为18mm时Q值达到最大进一步地，在本实施例中承托载体为泡沫板，通过将承托载体的材质设置成泡沫板，由于泡沫板的相对介电常数接近1，进而能够降低能量的损耗；当然，若其他材质的承托载体的相对介电常数接近1同样可替代本实施方式中的泡沫板。
下面为一具体实施例：
首先，对超表面进行制备，组成超表面的单元的材料选取可根据所选的材料的相对介电常数进行选择，一般高相对介电常数的材料即可，原因在于高相对介电常数的材料的所组成的谐振单元Q值较高，谐振较强，能量损耗相对较少。进一步地，将组成超表面的多个单元介质柱根据承托载体上划分的区域进行排列，可具体参照图5，这里需要说明的是，本实施方式中采取的是泡沫板，承托载体的材料选取与空气的电磁特性相同，只需选取相对介电常数接近1的即可，还需要说明的是，多个单元介质柱的排列方式是通过n*n的阵列方式进行排列，即多个单元介质柱在完成排列后是一个正方形，所谓的正方形就是横向的单元介质柱的数量与纵向的单元介质柱的数量相同，采用如此方式排列能够使得磁场强度的分布更加均匀，磁场强度更加集中，本申请超表面的阵列方式是9*9；再进一步地，将激励源安装在各单元介质柱的上方，然后对信号发生器及功率放大器进行通电操作，其目的为了激励源能够产生交变磁场，紧接着通过调节计算超表面在不同晶格常数时对应的谐振频率，通入激励源的交流电的频率应与该谐振频率一致。并计算不同晶格常数下超表面的磁场分布情况，再通过调节信号发生器所输出的频率至6.45GHz，以使交变磁场激励超表面工作在连续区束缚态模式，工作于连续区束缚态能够增强超表面的品质因数，提高谐振强度，从而能够极大地增强超表面的磁场强度，增大通过接收终端的磁通量，为了更好地解释上述原理，具体可参照图2，在特定频率的激励源的激励下，不同晶格常数的9x 9的超表面的磁场强度分布情况。当a＝20mm，位于中间位置的磁场强度最大，是单端无线充电的最优条件。通过减小晶格常数，磁场逐渐变成均匀分布，可用于实现多端无线充电；此外，通过调节超表面的晶格常数，可以控制各单元介质柱之间的耦合，从而灵活地调控超表面的磁场分布；同时，本申请能够提高无线充电的效率和充电距离，能够实现高效率的多个接收终端进行充电。在完成上述操作步骤后，只需将多个接收终端对应放置在各单元介质柱上进行充电操作即可。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
上述高效率的无线充电方法，通过调节超表面的晶格常数，并根据预设的频率参数，在激励源的激励下，超表面工作于连续区束缚态模式，进而使得超表面的品质因数在单个连续区束缚态的基础上有进一步地提升，能够极大地增强超表面的磁场强度，增大通过接收终端的磁通量，提高无线充电的效率和充电距离；此外，通过调节超表面的晶格常数，可以控制超表面介质柱单元之间的耦合，从而灵活地调控超表面的磁场分布；同时，调节晶格常数后能够使超表面的磁场强度逐渐发散，实现较均匀的磁场分布，从而实现高效率的多个接收终端进行充电。
以上所述实施方式仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高效率的无线充电方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、制备超表面，并将所述超表面组成多个单元介质柱依次排列在承托载体上；
S102、分别一一计算所述超表面对应不同晶格常数的谐振频率，并分别计算所述超表面不同的各所述晶格常数分别对应的磁场分布情况；
S103、将发射装置进行通电处理，以使激励源产生交变磁场；
S104、将接收装置放置在所述超表面的中央，对准所述超表面最中间的单元，以将交变磁场转化为交流电，供负载使用；
S105、根据预设频率参数，以使所述交变磁场激励所述超表面工作在连续区束缚态模式，进而使所述交变磁场的磁场强度增强。
2.根据权利要求1所述的高效率的无线充电方法，其特征在于，所述承托载体上开设有多个横向安装位及多个纵向安装位，所述横向安装位的数量与所述纵向安装位的数量相同。
3.根据权利要求2所述的高效率的无线充电方法，其特征在于，各所述单元介质柱分别设置在各所述横向安装位及各所述纵向安装位内。
4.根据权利要求1所述的高效率的无线充电方法，其特征在于，所述激励源为线圈。
5.根据权利要求1所述的高效率的无线充电方法，其特征在于，所述发射装置包括信号发生器及功率放大器，信号发生器用于产生高频交流电，功率放大器用于将交流电进行功率放大输出。
6.根据权利要求1所述的高效率的无线充电方法，其特征在于，所述单元介质柱为氧化物陶瓷。
7.根据权利要求1所述的高效率的无线充电方法，其特征在于，所述单元介质柱具有圆柱形横截面。
8.根据权利要求1所述的高效率的无线充电方法，其特征在于，在所述步骤S105后，还包括如下步骤：
S106、调节所述超表面的所述晶格常数至所述超表面磁场均匀分布时对应的所述晶格常数，同时调节频率参数至该所述晶格常数对应的谐振频率，将多个接收终端分别一一对应放置在各所述单元介质柱上，以进行充电操作。
9.根据权利要求1所述的高效率的无线充电方法，其特征在于，所述预设频率参数为6.45GHz。
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