[发明专利]基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，属无线电能传输技术领域。

背景技术

随着电子、电气和自动化控制技术的不断发展，各种家电设备及3C设备(Computer电脑、Communication通信设备和Consumer electronics消费电子产品)已得到了广泛普及，然而传统家电依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，而采用内置电池的新兴3C设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，使得为这些电子设备提供电能供给的电线随处可见。这些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了设备使用的方便性，同时还产生了安全用电的隐患。因此，随着人们对真正可以“无线使用”的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅速成为国内外学术界和工业界的焦点。目前，该技术已逐渐被应用于人们日常生活中的低功耗电子产品中，替代原有的电源线来实现对设备的无线充电，给人们的生活带来额外的便利。例如基于磁感应耦合技术的无线充电牙刷和无线充电毯。然而无线能量传输技术的应用价值和市场潜力远远不止于此。例如无线能量传输技术在智能家居领域的应用将移颠覆传统家电及新兴3C设备的使用模式，以住宅为平台，利用中距离无线能量传输技术、隐藏布线技术以及自动控制技术彻底移除家居生活区域内所有电源线，对设备进行无线充电或者持续电能供给，提升家居安全性、便利性、舒适性和艺术性，构建高效、环保、节能的居住环境。另外，对于生物医学领域中的可用于诊疗的可植入医疗设备来说，考虑到对其进行有线持续供电或充电的不方便性、不可行性甚至高危险性，无线能量传输技术的应用也显得极为重要和关键；除此之外，无线能量传输技术物联网领域的应用也势在必行。一方面，将无线能量传输技术应用于物联网四大核心技术中的无线传感器网络系统(Wireless Sensor Networks)，通过磁耦合的方式实现对传感器节点的无线供电，可以大大降低WSN的运营和维护成本，提高传感测量和数据传输的有效性和可靠性；另一方面，无线能量传输技术还可被用于物联网中的视频识别(RFID)系统，以提高无源RFID标签的读取范围和读取效率，实现对RFID读取器和有源RFID标签的无线供电或充电。

无线能量传输模式和机理大体可分为磁感应耦合方式、电磁辐射方式和磁谐振耦合方式。和前两种方式相比，磁耦合谐振方式在中远距离传输、安全性和传输效率上具有优势。然而目前已公开的基于磁谐振耦合方式的无线能量传输系统均采用呈环形的铜芯导线绕组来设计收发线圈，为立体结构，不仅剖面尺寸大、笨重，加工精度要求高，而且不利于系统电路模块的集成化、小型化、加工成本较高。

发明内容

本发明的目的是，为了实现对便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和LED照明设备的无线充电或电能供给，本发明提出一种基于磁谐振耦合的中距离、平板型无线电能传输系统的设计。

本发明的技术方案是一种基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，包括用于无线电能的发射的发射模块，和用于无线电能的接收的接收模块。所述发射模块为平板型结构，正面有同处一面的发射谐振线圈和激励线圈，背面有同处一面的发射端外环寄生线圈和发射端内环寄生线圈；

所述接收模块为平板型结构，正面有同处一面的接收谐振线圈和负载线圈，背面有同处一面的接收端外环寄生线圈和接收端内环寄生线圈；

由所述发射模块和接收模块组成的无线电能传输系统可以实现传输效率大于75％、传输距离高于收发线圈截面尺寸的中距离无线电能传输。

所述发射模块正面的发射谐振线圈和激励线圈为四方环形；发射谐振线圈位于平面的外圈，激励线圈位于平面的内圈；背面的外环寄生线圈位于外圈，内环寄生线圈位于内圈；打孔插针将寄生线圈结构与发射谐振线圈相联接。

所述接收模块正面的接收谐振线圈和负载线圈为四方环形；接收谐振线圈位于平面的外圈，负载线圈位于平面的内圈；背面的外环寄生线圈位于外圈，内环寄生线圈位于内圈；打孔插针将寄生线圈结构与接收谐振线圈相联接。

实现本发明的技术方案是，本发明对无线电能传输系统的收发端线圈采用印刷螺旋线圈设计，并通过将发射端谐振线圈与发射端激励线圈共面，将接收端谐振线圈与接收端负载线圈共面，设计了具有平面化结构的无线电能传输系统；通过对谐振线圈采用寄生结构，提高系统收发线圈的品质因子(Q值)；通过设计面向于不同应用的匹配电路、AC-DC整流电路和DC-DC电压型稳压电路，并将它们整合于系统的接收端，来实现同时对多个消费电子产品、通讯设备和LED照明设备的无线充电或电能供给。