[发明专利]一种无线输电系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过利用聚焦的红外线光束进行无线输电的系统。

背景技术

几十年来电池技术进步缓慢，导致电池性能已经成为智能移动设备和小型IoT(即物联网)设备最主要的性能瓶颈。容易理解，智能移动设备和IoT设备的计算能力，实时数据交换能力，无外部供电下的续航能力，传感器精度及分辨率和多传感器支持能力等一系列性能都会受到功耗和电池性能的影响。基于IoT的智能家居系统，若想要实现IoT智能控制系统自动控制调整各设备的工作状态，首先需要通过大量布置在各个房间或分布于每个房间内各个角落的传感器阵列获得各种环境参数和用户(语音或行为)指令，此时广泛铺设有线供电网络则会显著降低智能移动设备和IoT设备的用户体验，并提高此类设备安装的难度和获得体验的门槛(因强电一般需要装修领域的专业人士安装接线，还有严重破坏装修效果的问题)。

因此，多年来，大量厂家和科研单位一直在研究多种不同的无线充电技术。当前，最主要的无线充电技术还是基于源于上百年前尼古拉·特斯拉发明的无线输电技术，主要包括电磁感应技术(ICPT)和电磁谐振技术(ERPT)。另一种无线充电技术——电波辐射技术(MPT)因效率低(一般低于38％)，成本高和使用不便(远距离传输时，发射天线直径可高达1km，接收整流天线直径可高达10km)和很可能对健康产生危害(常用微波输送能量)而少有应用。当前消费电子产品主流无线充电标准分别为QI标准、A4WO标准和PMA标准。其中，A4WP采用效率较低但传输距离稍远的电磁谐振原理，QI采用效率较高但传输距离较近的电磁感应原理。一个典型的QI标准的无线充电系统，传输10W功率时的转换效率约为70％(更详细地说，当前技术下，输电和充电设备接触，只有在充电和放电线圈距离在10mm及以下时，充电效率才能达到65％～75％)。而电磁谐振效率一般为50％～60％(因多用于数厘米到数十厘米的相对较远距离输电)，现有技术下最高可支持数十厘米的输电距离。

上述两种主要技术中，电磁感应技术效率较高且电磁污染较少，但具有几个局限性：1.充电线圈和接收线圈彼此位置需要吻合，两者稍有偏差就可能引起充电效率的大幅度降低、2.线圈间的可用距离太短，一般仅有数毫米、3.一个充电线圈无法实现多设备同时充电。

相对而言，电磁谐振技术则没有设备(线圈)间严格的位置要求，可实现数十厘米(放弃效率时可达数米)的充电距离，可输出高达几千瓦的大功率，而且支持一个充电线圈同时对多个设备进行充电。然而，电磁谐振需要直径较大的充电线圈，会在充电线圈周围布置具有相当强度的电磁场(尤其是磁场)，可能造成大范围内电子设备的电磁干扰，并会让部分用户(尤其是具备电磁波恐慌的周边邻居或者孕妇和老人)产生健康方面的心理焦虑。最后，开放的磁场无法杜绝周围其他用户“借电”的可能性。此外，根据国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)发布的对于电磁辐射的安全规范，对无线充电常用的3～150kHz频段的电磁波， 一般暴露的平均辐射场强不应超过6.25uT，职业暴露不超过2.0/fuT(其中f是工作频率，单位为MHz)。计算可知，家庭室内使用，电磁谐振技术如果用于对大范围内的设备进行大功率充电，确实有超标风险。有研究显示，对于3kW输送功率为电动充电汽车的无线充电系统，周边最大场强可远超100uT，因此需在车身现有钢板外再加额外的磁场屏蔽层，并在距离线圈中心870mm外的区域才能达到ICNIRP的安全标准。