[发明专利]变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统及方法

说明书

本发明公开了磁耦合谐振无线电能传输技术领域中一种变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统及方法，主要解决了由于负载类型和拓扑结构不完全匹配的现象而导致传输功率的下降问题，该方法通过改变磁耦合谐振无线电能传输系统拓扑结构来提高系统的功率的方法，负载获得最优的传输功率，使得系统达到最优的传输性能。本发明对于深入研究无线电能传输技术奠定了基础，为设计不同负载时的传输系统提供了有益指导。

技术领域

本发明属于磁耦合谐振无线电能传输技术领域，涉及一种变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统，尤其涉及一种通过改变发射端模块和接收端模块的拓扑结构来提高传输功率的方法。

背景技术

自尼古拉·特斯拉在一个世纪以前提出无线电能传输理论之后，无线电能传输就一直是人们研究的热点。多年来国内外专家一直在进行无线电能传输的研究，但一直以来科研进展缓慢，直到2007年6月，麻省理工学院(MIT)物理教授Marin Soljacic及其小组成员提出一种基于强磁耦合磁共振的全新方案,实验中使用两个直径为60cm、由铜线绕制的线圈，并使线圈的固有谐振频率处于9.9MHz，利用磁耦合共振原理成功点亮了一个离电源约2m的60W电灯泡，后来这项技术被称为WiTricity，至此，开辟了无线电能传输技术的研究盛况。为了使无线电能传输技术尽快得到应用，2010年9月1日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织--无线充电联盟(Wireless Power Consortium，WPC)在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国，信息产业部通信电磁兼容质量监督中心也加入该组织，其中深圳桑菲消费通信有限公司是Qi标准的支持者，也是该联盟常务理事成员中唯一一家中国企业。

目前国内外无线电能传输的实现有三种方式：

1.电磁感应式——类似于松耦合变压器，通过初级和次级线圈的电磁感应产生电流，从而将能量从发射端输送到接收端，适合效率较高的近距离传输。

2.电磁辐射式——其基本原理类似于早期使用的矿石收音机，目前已有相对成熟的理论，作用范围广、传送功率大，但对生物环境影响较大且效率低下。

3.磁耦合共振式——麻省理工学院Marin Soljacic及其小组成员提出的全新方案，其原理是利用磁场的非辐射近场耦合来传递能量，在很大程度上减小了对人体的伤害，延长了无线电能传输的距离，此方式传输效率高、距离远、功率大，是未来无线电能传输发展的主流方向。

磁耦合谐振无线电能传输系统是通过发射线圈与接收线圈以相同的谐振频率发生谐振，使得能量只在两个谐振物体之间进行传输，而有很少的能量损失在其他不发生谐振的物体上，通过磁场的相互耦合实现能量的有效传输。

磁耦合谐振无线电能传输系统由于电感和电容的连接方式而分为四种拓扑结构：串联-串联结构、串联-并联结构、并联-串联结构、并联-并联结构。这四种拓扑结构都可以随着距离的改变使系统达到最优的传输性能，从而负载获得最优功率的传输。但是在系统运行时，当负载类型和拓扑结构不完全匹配时，系统的输出功率会大大降低，其原因主要是由于负载中的容性或感性部分引起系统的频率失谐导致传输功率的下降。

综上所述，磁耦合谐振无线电能传输系统中由于负载类型和拓扑结构不完全匹配的情况而导致传输功率的下降问题不可忽视。由于接收端需要满足灵活性和便利性的要求，对负载进行负载匹配的方法显然在实际应用中复杂且存在困难。为此，我们必须找到一种相对简单的方法来优化传输系统——当负载所表现出不同的特性时，可以获得最优的传输功率。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对磁耦合谐振无线电能传输系统，当负载类型与拓扑结构不完全匹配时，由于负载的感性或容性部分而引起系统的频率失谐的情况，提出了一种变拓扑结构磁耦合谐振无线电能传输系统及方法。该方法根据负载特性对负载加以区分，通过改变发射线圈或接收线圈的拓扑结构，负载获得最优的传输功率，使得系统达到最优的传输性能。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：