[发明专利]基于不同谐振频率辅助线圈的无线能量传输方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线电能传输，尤其涉及一种通过增加不同谐振频率的辅助线圈的高效率无线能量传输方法。

背景技术

无线能量传输(Wireless Power Transmission,WPT)是一项在通信、工业、医疗、消费电子等领域有着巨大应用前景的实用技术。WPT技术可以无线传输能量，使便携式、可穿戴式设备真正摆脱电源线的限制；可以远程传输能量，解决无线传感网络中自主型节点、自主型机器人、RFID标签的供电问题；还可以穿过障碍物传输能量，使医学植入式设备的续航得以保障。WPT技术主要分为：感应式WPT，共振式WPT，和辐射式WPT。三种技术各有优缺点：感应式WPT技术在距离极近时可以获得较大的传输效率，但是传输效率随着距离的增大迅速下降；辐射式WPT可以利用定向辐射获得较大的传输距离，但是其传输效率较低，并存在射频污染的可能。

共振式WPT则是利用各自独立的自谐振线圈之间的临界耦合，将感应式WPT的传输距离提高到数倍于线圈尺寸，在牺牲部分传输效率的情况下，获得比较可观的传输功率。然而，传统的共振式WPT的传输距离仍然受到线圈尺寸的限制，无法实现中远距离(传输距离数十倍于线圈尺寸)的能量传输。近年来，为了实现中远距离的WPT，研究者开始尝试使用多个中继线圈以拓展共振式无线能量传输的传输距离。这种包含一个发射线圈、多个中继线圈、一个或多个接收线圈的无线能量传输方式被称为“中继式无线能量传输(Wireless Power Transfer with Relay Resonators)”。这种多个耦合谐振环的结构最早由E.Shamonina等人在2002年提出，主要用于传感网络的通信，该结构是将多个环形谐振器排成一条直线或曲线，利用谐振器之间的磁耦合使电磁波得以远距离传播，因而被称为“磁感应波导(MIW,Magneto-inductive waveguide)”。近年来，这种磁感应波导结构被用于无线能量传输，也被称为“中继式WPT”、“多米诺谐振式无线能量传输(Wireless Power Domino-Resonator System)”或“阵列式无线输能(WPT System with Array of Resonators)”等。

这种传统的“中继式WPT”系统设计要求所有线圈(包括发射线圈，中继线圈和接收线圈)调谐在相同的谐振频率下实现共振传输能量。当中继线圈数量增加时，不可避免地会出现频率分裂的现象。这种频率分裂的现象会使得系统在谐振频率处效率很低。为了解决这一问题，国内外许多研究者也提出了频率跟踪和阻抗匹配的方法，但是实施起来比较复杂。因此，我们提出了一种新型的系统结构，能够缓解频率分裂的现象，高效率的传输系统能量。

发明内容

发明目的：针对磁耦合共振无线电能传输系统随着传输距离的增大，耦合系数的减小而导致系统传输效率急剧下降的问题，本发明的目的是提供一种通过增加不同谐振频率辅助线圈以缓解频率分裂、实现高效率电能传输的无线电能传输方法。

技术方案：本发明所述的基于不同谐振频率辅助线圈的无线能量传输方法，包括如下步骤：

(A)构建无线传输系统，所述系统包括高频信号发生器、发射线圈、接收线圈、辅助线圈和负载，其中，高频信号发生器与发射线圈相连，接收线圈和负载相连，辅助线圈放置在负载附近的某个位置；所述发射线圈和接收线圈具有相同的结构和电参数；且发射线圈、接收线圈和辅助线圈中任意两者之间的距离可调；

(B)发射线圈，接收线圈和辅助线圈利用高频下的等效电阻、自身电感和可变电容分别组成各自的谐振电路，并通过可变电容调谐电路产生特定的谐振频率；其中，发射线圈和接收线圈具有相同的谐振频率f1，辅助线圈的自谐振频率为f2，且f2≠f1；

(C)高频信号发生器产生高频谐振信号，其频率与发射线圈、接收线圈的谐振频率相同，使得发射线圈和接收线圈产生共振；

(D)根据发射线圈与接收线圈之间的传输距离，调节辅助线圈在两者之间的位置，使功率传输效率能够随着传输距离的变化始终稳定在60％以上。

所述发射线圈、接收线圈和辅助线圈均由铜线绕制而成，且位置上满足轴线平行。

所述辅助线圈可为一个或者多个，当发射线圈与接收线圈的间距很远或者相对位置比较复杂时，一个辅助线圈可能并不能实现效率更优，这时候就需要增加辅助线圈的个数或者调节辅助线圈的谐振频率来实现效率优化。