[发明专利]一种立体空间多节点功率均衡无线供电系统及方法

说明书

本发明公开了一种立体空间多节点功率均衡无线供电系统及方法，针对盘式螺旋结构的系统，对立体空间中同一高度的接收线圈，在接收线圈下方放置一个发射线圈，使得同一高度接收线圈对称位于对应发射线圈轴线四周；在不同高度的发射线圈中，仅对最底层的发射线圈通电，其余的作为中继发射线圈，不通电。供电时，首先建立发射线圈和中继发射线圈之间互感随距离变化的对应关系；确定所有负载接收功率相等时，发射线圈和中继发射线圈之间互感值的限定条件；然后对发射线圈与中继发射线圈的回路电阻进行削弱或增强，以调节满足限定条件的两线圈间的互感值，使其符合与线圈间距离的对应关系，实现功率均衡无线供电。本发明克服了功率均衡时电源端电流过大的缺点。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，特别涉及一种立体空间多节点功率均衡无线供电系统及方法。

背景技术

导线直接接触是电能传输的主要方式，但是这种方式不可避免的会产生传输损耗，同时线路老化、尖端放电等因素也易导致电火花，大大降低了设备供电的可靠性和安全性。无线充电技术可以解决传统充电所面临的充电基础设施局限和上述安全问题，已经引起研究者的高度重视。为了进一步提高无线充电的利用率，人们设想各种立体空间多节点供电系统，比如多层立体车库电动汽车的无线充电系统，无线传感网络(WSNs)节点设备的无线充电系统，超市多层货架电子标签(ESLs)的无线充电系统等。增大发射线圈通入电流能够保持各层多负载功率均衡，但是对前端驱动电源所提供的电流要求较高，实施起来有难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立体空间多节点功率均衡无线供电系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种立体空间多节点功率均衡无线供电系统，针对盘式螺旋结构的无线供电系统，对立体空间中同一高度的接收线圈，在接收线圈下方放置一个发射线圈，使得同一高度接收线圈对称位于对应发射线圈轴线四周；在不同高度的发射线圈中，仅对最底层的发射线圈通电，其余的作为中继发射线圈不通电。

作为一种优选实施方式，每层的发射线圈的尺寸一致。

作为一种优选实施方式，每层的接收线圈的个数和尺寸一致。

一种立体空间多节点功率均衡无线供电方法，包括如下步骤：

步骤1、根据线圈参数，建立发射线圈和中继发射线圈之间互感随距离变化的对应关系；

步骤2、确定所有负载接收功率相等时，发射线圈和中继发射线圈之间互感值的限定条件；

步骤3、对发射线圈与中继发射线圈的回路电阻进行削弱或增强，以调节满足限定条件的两线圈间的互感值，使其符合与线圈间距离的对应关系，实现功率均衡无线供电。

作为一种优选实施方式，针对双层负载的情况，步骤1中，发射线圈与中继发射线圈之间的互感与距离满足如下关系：

式中，Ψ₂₁表示穿过发射线圈TX1和中继发射线圈TX2的磁通链，Φ_sn表示中继发射线圈中第n匝线圈的磁通量，M₁₂和M₂₁表示发射线圈和中继发射线圈之间的互感，I_TX1表示通过发射线圈的电流，μ₀表示真空磁导率，n₁和n₂分别表示发射线圈和中继发射线圈的匝数，d和d₁分别表示发射线圈和中继发射线圈的匝间距，发射线圈外半径为R，中继发射线圈内半径为R’，则中继发射线圈半径r取值范围为0—R’+(j-1)d₁，H表示中继发射线圈和发射线圈之间的距离，φ表示角度，无实际意义。

作为一种更优选实施方式，步骤2中，忽略接收线圈之间的相互影响，以及非同层的发射线圈或中继发射线圈对接收线圈的影响，对第一层发射线圈、第二层中继发射线圈和一二层接收线圈分别列写KVL方程：