[发明专利]一种一对多点的无线共振能量传输系统

说明书

技术领域

本发明是有关一种无线共振能量传输系统，尤指一种一对多点的无线共振能量传输系统，且其所有在工作范围内的无线共振能量接收器皆能独立正常工作而互不干扰。

背景技术

自尼古拉.特斯拉(Nikola Tesla)在1891年所进行的共振线圈实验以来，及在后续众多科学家共同努力下，使用电磁共振线圈以进行无线能量传输的可能性及其工作原理已经获得证实。基于电磁共振线圈可进行无线能量传输的原理，科技界也开发出了，例如，共振变压器，RF电池充电器及RFID(Radio Frequency Identification)等系统，广泛地应用于现代生活的各个层面。

图1所示为一传统的单点发射，单点接收共振能量传输的系统方块示意图。如图1所示，一发射器驱动电路102接收自一能量源101的能量以驱动发射共振电路103的线圈，以圆形的发射线圈为例，该线圈的特征尺寸(characteristic dimension)可以半径r表示，令其在空间中产生于一频率为f₀的周期变化磁场。其它形状的线圈的特征尺寸也可以其它参数表示。而置于离发射共振电路103距离d的接收共振电路104，其接收共振线圈被调整到具有相同的共振频率f₀，以保证以最佳的耦合效率从空间中接收该周期变化磁场，扣除经过冗余能量损耗电路105的损耗后，最终转变为接收共振电路104的后续能量消耗电路106的能量源。其中，为了保证系统的适用性及更佳的耦合效率，发射及接收线圈都会设计成小尺寸，使其产生的磁场具有较强的集中方向性。并且，该发射及接收线圈具有相近的特征尺寸，以及极高的Q值。

随着电磁共振线圈能量传输观念的普及，也引发了许多应用或改善设计的技术尝试。例如，应如何建立一种一对多点的共振能量传输系统，使得该系统能在特定的工作距离范围，例如，一米(1m)内能令所有共振接收器都能吸收到维持其正常工作所需的能量。然而要建立一套一对多点的共振能量传输系统，该系统是必须具有以下特征的：

1.其产生的磁场的面积或体积必须足够大工作范围(work range)，至少能容纳系统定义要求下的最大数量的接收器。

2.其产生的磁场在各向(omni-directional)或各点必须足够平均，令位于工作范围内的接收器都能吸收到维持其正常工作所需的能量。

3.所有在工作范围内的接收器应能独立正常工作并且互不干扰。

针对以上特征，如果把如图1所示的传统单点发射，单点接收共振能量传输作为基础，直接发展为一对多点的共振能量传输系统，一般的办法是直接增加发射能量，以产生更大的磁场，然而这样会存在至少下列几个问题。

首先，根据已知原理，如图2所示，以发射线圈为中心点，与发射线圈的为垂直方向所产生的磁场密度(B)与耦合距离(d)之间存在一反比三次方的关系(inverse cube law)；而发射线圈的水平方向所产生的磁场密度(B)与耦合距离(d)之间存在一反比二次方的关系(inverse square law)。无论是反比三次方的关系或是反比二次方的关系，都显示了发射器产生的磁场会随耦合距离(d)的增加而急速衰减。虽然高Q值的共振发射和接收线圈可吸引更多的磁力线经过接收线圈，进而增加接收到的能量，但其接收到的能量仍然是与耦合距离(d)成反比二次方的关系。也就是说，形成耦合效率非常大程度地取决于耦合距离。换言之，也就是之间的磁场分布非常不平均。在这种系统的结构下，如果要做到系统定义的最远工作距离下接收器还能接收到系统定义的最低接收能量，所需的发射能量必然非常大。然而，当接收器位于距离(d)少于系统定义的最远工作距离时，接收器能接受到的能量就会多于供应其正常工作所需的最低接收能量。一般来说，已知的作法是将接收器及其相关后续电路都设计成在接收到系统定义的最低接收能量时，接收器的相关后续能量损耗电路应该仍能正常工作；或者，因为接收器其相关后续电路的工作性能表现不应该在不同的工作距离下有所变化，所以所接收的过多能量通常是通过限压或稳压电路将其消耗掉。就能量而言，这是极大的无谓浪费，而且系统整体的效率也很低。另一方面，极大的发射能量会大幅地增加了发射器的设计难度，增加了建置与运作的成本。