CN114189058A - 一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，包括发射端和接收端，其特征在于：还包括四个中间端，所述的发射端和接收端通过电磁感应耦合连接，以发射端为中心分布四个中间端，四个中间端均和发射端电磁感应耦合。传统的高频射频识别系统供电方向受限、供电距离短、自由度低，本发明装置采用磁耦合谐振无线电能传输技术、分段补偿技术、辅助线圈谐振网络及动态调谐技术，使该装置在大范围空间内产生较均匀的高频交流电磁场，多个无源电子标签在该空间内任意位置都能获取电能，能够将供电区域扩大至数十立方米。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置。
背景技术
近年来，随着物联网的不断发展，将可识别目标与互联网连接起来的RFID技术在包装零售、物品定位、智能交通、安防门禁、仓储物流、资产管理、图书馆借书系统等场景中得到广泛的应用，成为物联网发展的重要技术之一。通常，RFID系统主要由电子标签、读写器、和计算机及其应用软件三部分组成，典型工作频率有：125/134.2kHz(低频)、6.78/13.56MHz(高频)、860/960MHz(超高频)、2.4GHz和5.8GHz(微波)。其中，高频频段没有超高频射频识别系统的环境反射问题，在能量传输空间内不受人或物体的影响，在电磁兼容性、抗环境噪声、数据传输率等方面都有更好的特性。因此，高频频段的电子标签是实际应用中使用量最大的电子标签之一，高频射频识别系统设计也成为当前射频识别系统发展的重点。
在高频系统中，读写器中的发射线圈和电子标签中的内置线圈通过空间高频电磁场电磁耦合传递能量，电子标签将接收到的电磁能量转化为直流电为标签电路供电，实现能量和数据的交换。但在高频段，电子标签充电方向受限，工作距离较近，典型作用距离为10-20cm，当无源电子标签位于识别区域之外，将无法及时获取相关位置和信息。同时，基于超高频及微波频率段的射频系统，虽然增加了工作距离，但其磁场能量通常只能用于电子标签与读写器之间的信号传输，该能量还不足以使电子标签芯片工作，因此大多数电子标签仍采用电池辅助供电，需要定期更换电池，成本较高。
利用RFID技术在大范围空间环境中定位人和物品追踪其轨迹的功能需求受到人们的重视和青睐，要使多个无源电子标签随时实现物品寻找、定位追踪、实时传输数据的功能，关键在于解决为多个电子标签同时供电难、供电距离短、方向受限等问题，因此，在高频系统中，研究大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的无线电能传输空间耦合装置的设计变得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置来解决现有技术中存在的在高频频段无源电子标签供电方向受限、供电距离短、自由度低、无源电子标签丢失即失去定位寻找功能、多个无源电子标签不能同时供电等问题；解决在超高频或微波系统中因频率太高导致的器件选型和电路设计复杂、传输功率小等问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：提供一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，包括发射端和接收端，其创新点在于：还包括四个中间端，所述的发射端和接收端通过电磁感应耦合连接，以发射端为中心分布四个中间端，四个中间端均和发射端电磁感应耦合。
进一步的，所述的发射端包括读写器硬件系统、发射端补偿网络和发射线圈分段补偿网络，所述的发射线圈分段补偿网络包括n个发射线圈部分和n个发射补偿电容，n个发射线圈部分为一个发射线圈Ls分为n个发射线圈部分，分别为Ls1……Lsn，n个发射补偿电容分别为Cs1……Csn，n个发射线圈部分和n个发射补偿电容对应相间分布设置，且依次串联连接，所述的读写器硬件系统、发射端补偿网络、发射线圈分段补偿网络依次顺序连接，所述的发射线圈分段补偿网络两端连接发射端补偿网络，即发射补偿电容Cs1和发射线圈部分Lsn分别连接发射端补偿网络。
进一步的，所述的接收端包括m个接收单元，分别为A1……Am，m个接收单元布置于空间任意位置，m表示无源电子标签的数量，设其中任意一个接收单位为Ab，则接收单元Ab包括负载Rb、整流电路、接收端补偿网络和接收线圈Lb，所述的负载Rb两端连接整流电路，所述的整流电路连接接收端补偿网络，所述的接收端补偿网络连接接收线圈Lb两端，接收线圈Lb和发射端的发射线圈分段补偿网络电磁感应耦合。
进一步的，所述的发射端补偿网络和接收端补偿网络为LCC补偿网络或LC补偿网络或CLC补偿网络或S型补偿网络。
进一步的，所述的整流电路为二极管整流或桥式整流结构或栅交叉桥式整流结构或倍压整流电路或Dickson整流电路。
进一步的，每一个所述的中间端包括辅助线圈谐振网络和动态调谐电路，所述的中间端的辅助线圈谐振网络采用串联分段补偿，且辅助线圈谐振网络和发射端的发射线圈分段补偿网络电磁感应耦合。
进一步的，所述的辅助线圈谐振网络包括i个辅助线圈部分和i个辅助补偿电容，i个辅助线圈部分为一个辅助线圈Lr分为i个辅助线圈部分，分别为Lr1……Lri，i个辅助补偿电容分别为Cr1……Cri，i个辅助线圈部分和i个辅助补偿电容对应相间分布设置，且依次串联连接，所述的辅助线圈谐振网络两端连接动态调谐电路。
进一步的，所述的动态调谐电路为基于频率跟踪技术的动态调谐电路或基于阻抗匹配思想的动态调谐电路或将频率跟踪和阻抗匹配二者结合的复合动态调谐电路。
进一步的，所述的发射线圈分段补偿网络及辅助线圈谐振网络的线圈材料选用铜箔或PCB印制电路板。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)传统高频射频识别系统为无源电子标签提供电能的方向受限、供电距离短，本发明采用磁耦合谐振无线电能传输技术、分段补偿技术、辅助线圈谐振网络及动态调谐技术，使该装置在大范围空间内产生较均匀的高频交流电磁场，电子标签在该空间内任意位置都能获取电能，能够将供电区域扩大至数十立方米。
(2)目前基于超高频及微波频率段的射频系统，虽然增加了工作距离，但其磁场能量还不足以使电子标签芯片工作，大多数电子标签仍采用电池辅助供电，需要定期更换电池。当该装置应用在高频射频识别系统中，系统传输功率和供电的空间自由度都有所提升，实现无源电子标签供电距离上的增加和空间上的扩展，减少成本。
(3)只要无源电子标签位于该装置所提供的高频交流电磁场中，无需人为手持或移动读写器就可以对多个无源电子标签供电，电子标签获得电能即可进行工作，能够有效减少人力成本，提高工作效率，可应用在各种在大范围空间内需要多个电子标签同时工作的智能化在线监测管理场所和领域。
(4)本装置能够同时为多个无源电子标签提供电能，且不受周围非谐振物体的影响，可以随时保持在工作或待机状态。例如，在一个房间中，当电子标签丢失或某件贴有电子标签的物品被遗忘在某处时，传统的高频系统因无法对标签供电，导致不能找到该电子标签或被遗忘物品。而当电子标签或贴有电子标签的物品在该装置内，装置可以在该空间按内为电子标签提供电能，可以实现跟踪、定位、查找功能，电子标签或遗忘物品被会被即时找到，有利于提高生活的便捷性。
附图说明
图1是本发明提出的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置的原理图。
图2是本发明中间端的结构示意图。
图3是仅有发射端时在空间中产生的高频交变电磁场在XY平面上的空间磁场分布示意图。
图4是本发明装置中的发射端和接收端在空间中产生的高频交变电磁场在XY平面上的空间磁场分布示意图。
图5是将本发明应用在智能家居中的实施例示意图。
图6是将本发明实施例中的线圈结构示意图。
附图中各标号表示的结构为：1-发射端，2-中间端，3-接收端，4-屋顶，5-屋壁，6-地面。
具体实施方式
下面将结合本发明专利中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，包括发射端和接收端，其具体原理结构如图1所示，还包括四个中间端，发射端和接收端通过电磁感应耦合连接，以发射端为中心分布四个中间端，四个中间端均和发射端电磁感应耦合。
本发明的发射端包括读写器硬件系统、发射端补偿网络和发射线圈分段补偿网络，发射线圈分段补偿网络包括n个发射线圈部分和n个发射补偿电容，n个发射线圈部分为一个发射线圈Ls分为n个发射线圈部分，分别为Ls1……Lsn，n个发射补偿电容分别为Cs1……Csn，n个发射线圈部分和n个发射补偿电容对应相间分布设置，且依次串联连接，读写器硬件系统、发射端补偿网络、发射线圈分段补偿网络依次顺序连接，发射线圈分段补偿网络两端连接发射端补偿网络，即发射补偿电容Cs1和发射线圈部分Lsn分别连接发射端补偿网络。
本发明的接收端包括m个接收单元，分别为A1……Am，m个接收单元布置于空间任意位置，m表示无源电子标签的数量，设其中任意一个接收单位为Ab，则接收单元Ab包括负载Rb、整流电路、接收端补偿网络和接收线圈Lb，负载Rb两端连接整流电路，整流电路连接接收端补偿网络，接收端补偿网络连接接收线圈Lb两端，接收线圈Lb和发射端的发射线圈分段补偿网络电磁感应耦合。
优选的，本发明的发射端补偿网络和接收端补偿网络为LCC补偿网络或LC补偿网络或CLC补偿网络或S型补偿网络。优选的，本发明的整流电路为二极管整流或桥式整流结构或栅交叉桥式整流结构或倍压整流电路或Dickson整流电路。由于上述发射端补偿网络、接收端补偿网络的选择和整流电路的选择为根据实际需要选择，可选择的网络或电路均为公知电路，是本领域的技术人员熟知的技术，本发明的方案中在此不做具体描述。
本发明的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置的每一个中间端包括辅助线圈谐振网络和动态调谐电路，中间端的辅助线圈谐振网络采用串联分段补偿，且辅助线圈谐振网络和发射端的发射线圈分段补偿网络电磁感应耦合。
本发明的辅助线圈谐振网络包括i个辅助线圈部分和i个辅助补偿电容，i个辅助线圈部分为一个辅助线圈Lr分为i个辅助线圈部分，分别为Lr1……Lri，i个辅助补偿电容分别为Cr1……Cri，i个辅助线圈部分和i个辅助补偿电容对应相间分布设置，且依次串联连接，辅助线圈谐振网络两端连接动态调谐电路，具体如图2所示。
优选的，动态调谐电路为基于频率跟踪技术的动态调谐电路或基于阻抗匹配思想的动态调谐电路或将频率跟踪和阻抗匹配二者结合的复合动态调谐电路。由于上述动态调谐电路的选择为根据实际需要选择，可选择的电路均为公知电路，是本领域的技术人员熟知的技术，本发明的方案中在此不做具体描述。
优选的，本发明的发射线圈分段补偿网络及辅助线圈谐振网络的线圈材料选用铜箔或PCB印制电路板。
针对上述方案，本发明的具体实施方式如图5所示，整个装置具体实施在智能家居的房屋中，本实施例中，首先在房屋的房顶4的中心位置处安装一个发射端1，发射线圈分段补偿网络的线圈材料选用PCB印制电路板及采用空心短圆柱型线圈结构，如图6所示，其效果是，有效减少高频电磁场下由集肤效应和邻近效应引起的高频交流损耗。设计发射线圈分段补偿网络为串联补偿拓扑，即发射线圈的发射线圈部分与发射补偿电容构成串联谐振电路，采用分段补偿如图1所示，从图中可以看出，n个发射线圈部分和n个发射补偿电容串联连接。当置于屋顶4发射端的发射线圈分段补偿网络流过高频交流电流后，根据法拉第电磁感应定理，高频交流电流在空间中感应出高频交变电磁场，该磁场在XY平面上磁场分布如图3所示，从图中可以看出，仅有发射端时产生的电磁场方向单一，在离发射端较远处的磁场强度较小，靠近地面6的磁场强度最弱。采用磁耦合谐振无线电能传输技术，当发射端、中间端和接收端频率一致时，系统功率传输最大，其效果是，增大电能的传输距离和传输功率。采用发射线圈分段补偿网络构建更加均匀的高频交变电磁场，其效果是，满足对应频率下小于人体的电磁场强度安全限制，也能满足对应频率下接收端接到足够大的功率，提高无线电能传输的系统性能。磁耦合谐振无线电能传输和磁感应无线电能传输相比，其效果是，磁耦合谐振无线电能传输使得非谐振的物体不会吸收多的电能，在电磁兼容性、传输距离、方向性等方面都有更好的特性。
本实施例在室内的四个屋壁5的中心处分别安装一个中间端2，中间端的中心轴线与发射端的中心轴线垂直，布置在谐振空间中，辅助线圈谐振网络中的辅助线圈处于高频交变电磁场中会产生感应电流，进而产生磁场影响发射端在空间中所产生的高频交变电磁场，此时，发射端和接收端在空间中产生的高频交变电磁场在XY平面上的空间磁场分布，如图4所示，从图中可以看出，系统的磁场强度方向发生改变，辅助线圈谐振网络附近的磁场得以加强。辅助线圈谐振网络采用串联分段补偿，如图2所示，中间端的辅助线圈谐振网络和动态调谐电路，其效果是，使该系统的空间磁场强度增强，功率传输方向发生改变，系统的空间自由度提高，实现接收端从水平到竖直范围内任意角度的无线充电，保证小尺寸接收端在大空间范围、远距离传输时的传输效果，满足设备不同工作状态时的充电需求。辅助线圈谐振网络的背面支撑材料选用电磁超材料，其效果是，增强辅助线圈谐振网络附近区域的磁场，辅助线圈谐振网络的线圈材料结构尺寸与发射线圈分段补偿网络的线圈材料结构尺寸相同。
进一步的，接收端3放置于该房屋内的任意位置，如图5所示。接收端中的每一个接收单元为无源电子标签，无源电子标签中的接收线圈为无源电子标签中的内置线圈，实施例中，参照ISO/IEC7810中规定的ZD-I型卡可获得无源电子标签的外形尺寸，参照ISO/IEC10536-2可获得线圈内部的耦合区域的尺寸和位置。接收端补偿网络为并联补偿结构，即标签内置接收线圈的电感与补偿电容并联谐振。在系统处于谐振状态时，发射端所产生的高频交变电磁场引起接收线圈的磁通量发生变化产生感应电流，接收线圈感应出感应电压，经接收端整流电路后直接提供给负载，无源电子标签获得正常工作电压，电子标签中的芯片、电路启动工作，从而实现发射端到接收端的电能的传递。
本发明实施例中的发射端补偿网络和接收端补偿网络可以选用LCC补偿网络、LC补偿网络、CLC补偿网络或S型补偿网络，可根据设计自由度、充电需求、输出可控性(恒压或恒流)，软开关特性等要求选择。其效果是，无线电能传输通过空气进行传输，发射端与接收端之间的耦合系数较低，漏感较大，产生的无功功率会使系统的传输效率降低，加入补偿网络对系统进行无功补偿可以提高系统的传输效率。常见补偿网络可分为低阶补偿网络和高阶补偿网络，现有高阶补偿网络都是个例分析，没有一个全面且完整的系统分析和网络选择方法。可通过对谐振补偿网络的设计及系统的优化控制来实现不同的目标，提高功率传输能力，输出可控性，实现软开关等。例如四种基本补偿拓扑(SS、SP、PS、PP)由于设计自由度有限，难以同时满足各种要求；再如LCC高阶补偿网络相较于串联补偿网络，系统参数设计灵活，在各种工况下均能安全工作，被更广泛应用在无线电能传输系统中。
本发明实施例中的接收端整流电路可以选用二极管整流、桥式整流结构、栅交叉桥式整流结构、倍压整流电路、Dickson整流电路，可根据高转换效率、低功耗、高精度等需求来进行接收端整流电路的设计选择。其效果是，在高频系统中，接收端整流电路将接收到的电磁能量高效率转变为直流电，给整个芯片供电。
本发明实施例中的动态调谐电路可以选用基于频率跟踪技术的动态调谐电路、基于阻抗匹配思想的动态调谐电路、或者将频率跟踪和阻抗匹配二者结合的复合动态调谐电路。其效果是，磁耦合谐振无线电能传输系统偏离谐振状态时，传输效率会明显下降，动态调谐电路能够帮助维持系统处于谐振状态，提高系统传输效率和稳定性。
本发明实施例中的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置的工作原理是：
在房屋的房顶4上安装一个发射端1，在房屋的四个屋壁5的中心处分别安装一个中间端2，接收端3即无源电子标签放置在房屋的任意位置。置于屋顶的发射端的发射线圈分段补偿网络流过高频交流电流，在空间中感应出高频交变电磁场。中间端的辅助线圈谐振网络使空间磁场强度增强，功率传输的方向发生改变，实现无源电子标签从水平到竖直范围内任意角度的无线充电。中间端的动态调谐电路使系统工作在最佳谐振频率处，最大效率的传输电能。发射线圈分段补偿网络和中间端的辅助线圈谐振网络的分段补偿使产生高频交变电磁场更加均匀，满足对应频率下小于人体的电磁场强度安全限制，也能满足对应频率下接收端接到足够大的功率。最终发射端和中间端在房屋空间中产生一个较均匀的高频交变电磁场，经过磁场耦合电磁谐振的方式，该高频交变电磁场引起接收线圈的磁通量发生变化，电能以磁场为介质将能量高效率传输，接收线圈感应出感应电压，经接收端整流电路直接提供给负载，从而实现发射端到接收端的电能传输。将无源电子标签粘贴或悬挂在某个需要被识别的物体上，当该标签处于高频交变电磁场中，部分磁力线穿过电子标签内置的接收线圈，无源电子标签产生感应电压经接收端整流电路整流稳压后为电子标签电路提供直流工作电压，该装置对无源电子标签供电完成。
Claims (9)
1.一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，包括发射端和接收端，其特征在于：还包括四个中间端，所述的发射端和接收端通过电磁感应耦合连接，以发射端为中心分布四个中间端，四个中间端均和发射端电磁感应耦合。
2.根据权利要求1所述的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，其特征在于：所述的发射端包括读写器硬件系统、发射端补偿网络和发射线圈分段补偿网络，所述的发射线圈分段补偿网络包括n个发射线圈部分和n个发射补偿电容，n个发射线圈部分为一个发射线圈Ls分为n个发射线圈部分，分别为Ls1……Lsn，n个发射补偿电容分别为Cs1……Csn，n个发射线圈部分和n个发射补偿电容对应相间分布设置，且依次串联连接，所述的读写器硬件系统、发射端补偿网络、发射线圈分段补偿网络依次顺序连接，所述的发射线圈分段补偿网络两端连接发射端补偿网络，即发射补偿电容Cs1和发射线圈部分Lsn分别连接发射端补偿网络。
3.根据权利要求1所述的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，其特征在于：所述的接收端包括m个接收单元，分别为A1……Am，m个接收单元布置于空间任意位置，m表示无源电子标签的数量，设其中任意一个接收单元为Ab，则接收单元Ab包括负载Rb、整流电路、接收端补偿网络和接收线圈Lb，所述的负载Rb两端连接整流电路，所述的整流电路连接接收端补偿网络，所述的接收端补偿网络连接接收线圈Lb两端，接收线圈Lb和发射端的发射线圈分段补偿网络电磁感应耦合。
4.根据权利要求2或3所述的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，其特征在于：所述的发射端补偿网络和接收端补偿网络为LCC补偿网络或LC补偿网络或CLC补偿网络或SS型补偿网络或SP型补偿网络。
5.根据权利要求3所述的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，其特征在于：所述的整流电路为二极管整流或桥式整流结构或栅交叉桥式整流结构或倍压整流电路或Dickson整流电路。
6.根据权利要求1所述的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，其特征在于：每一个所述的中间端包括辅助线圈谐振网络和动态调谐电路，所述的中间端的辅助线圈谐振网络采用串联分段补偿，且辅助线圈谐振网络和发射端的发射线圈分段补偿网络电磁感应耦合。
7.根据权利要求6所述的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，其特征在于：所述的辅助线圈谐振网络包括i个辅助线圈部分和i个辅助补偿电容，i个辅助线圈部分为一个辅助线圈Lr分为i个辅助线圈部分，分别为Lr1……Lri，i个辅助补偿电容分别为Cr1……Cri，i个辅助线圈部分和i个辅助补偿电容对应相间分布设置，且依次串联连接，所述的辅助线圈谐振网络两端连接动态调谐电路。
8.根据权利要求7所述的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，其特征在于：所述的动态调谐电路为基于频率跟踪技术的动态调谐电路或基于阻抗匹配思想的动态调谐电路或将频率跟踪和阻抗匹配二者结合的复合动态调谐电路。
9.根据权利要求2或7所述的一种在大范围空间内为多个无源电子标签提供电能的装置，其特征在于：所述的发射线圈分段补偿网络及辅助线圈谐振网络的线圈材料选用铜箔或PCB印制电路板。
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2021
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