[发明专利]基于三个共振线圈的无线电能传输系统及其传输方法

说明书

本发明提供一种基于三个共振线圈的无线电能传输系统及其传输方法，所述系统包括一个非共振源线圈、共振频率相同的发射线圈、中继线圈和接收线圈以及一个非共振负载线圈。利用在绝缘非磁性材料框架侧面上多重绕匝导线并加载电容器形成的一对共振线圈实现调控线圈共振频率，并通过利用基于宇称‑时间对称的三共振线圈的物理性质，使系统工作频率位于共振线圈的共振频率处。本发明系统在相同条件下较传统的WPT系统在共振频率处具有传输效率下降缓慢，鲁棒性更强，待机功率损耗较小，减少系统向周围的能量辐射的优势。此外，该系统即使接收部分小型化在一定传输距离下也具有较强的鲁棒性；还可同时给多个互不影响的小型化接收部分以不同效率进行充电。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体来说涉及利用多个(三个及其以上)非辐射的磁耦合线圈进行无线电能传输的系统及其传输方法。

背景技术

传统的可携用电设备往往采用有线充电的方式，因此需要在可携用电设备上留有充电接口，使得供电及充电装置皆不能密封，影响了装置的防水防尘等级且可靠性下降。为解决前述问题，近些年来，无线电能传输的技术在便携式移动设备、电动汽车等领域得到了不断发展和推广，无线充电是指不借助导体物质即可以实现对一定空间范围内的用电设备充电；与传统有线充电相比，无线充电体积小、便携性高、兼容性强，同时也有利于如手机等用电设备防水防尘设计等优点。

近年来，美国麻省理工大学(MIT)科学家Marin提出基于磁耦合共振原理的无线能量传输(Wireless Power Transfer，WPT)技术，利用线圈谐振使得大大加强周围的磁场局限在线圈周围，突破了早期基于电磁感应机制的无线电能传输系统(以下简称为WPT系统)传输距离非常短的限制，因而引起了广泛关注。

值得注意的是，该技术在传输距离和效率方面尚存在一些明显的瓶颈。传统的基于两个共振线圈的WPT系统谐振线圈共振频率往往设计成与系统工作频率相同，仅当两个共振线圈工作在临界耦合距离时系统能获得最大传输效率。当两个谐振线圈距离比较近时，系统处于强耦合区域，存在随距离变化十分敏感的频率劈裂的现象，导致最大输出功率分裂至不同的频率点上，因而系统在原共振频率处的传输效率很低。目前较多的手段是基于电路控制的频率追踪技术，增加阻抗匹配网络重新调节系统工作在最大传输效率点等。然而，这些电路也会占据特定的空间，还增加额外的功率损耗。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提供一种基于三个共振线圈的无线电能传输系统及其传输方法，在考虑到基于共振线圈的无线电能传输系统(以下简称为WPT系统)与外界环境发生了能量交换(例如，需要外界能量的激励)，是典型的非厄米(Non-Hermitian)系统，本发明通过包括一个非共振源线圈、三个共振频率相同的共振线圈(发射线圈、中继线圈和接收线圈)以及一个非共振负载线圈的WPT系统，利用在绝缘非磁性框架侧面上多重绕匝导线并加载电容器形成的一对共振线圈(发射线圈、接收线圈)实现调控线圈共振频率，并通过利用基于宇称-时间对称的三共振线圈的物理性质，在所述一对共振线圈(发射线圈、接收线圈)之间设置另一共振线圈(中继线圈)，使系统工作频率位于共振线圈的共振频率处，形成基于宇称-时间(Parity-Time，PT)对称的三个相同共振频率谐振器系统，使系统的本征频率始终有一支和共振频率相同，从而实现系统工作频率不随耦合距离的变化而变化。此外，对比归一化耦合距离下的基于三个共振线圈WPT系统在共振频率处传输效率明显比基于两个共振线圈WPT系统在共振频率处传输效率下降缓慢，同时在静止状态下待机功率损耗明显要低。而且，还可将基于三个共振线圈WPT系统推广至单个或多个小型化接收端。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于三个共振线圈的无线电能传输系统，所述系统包括非共振源线圈；共振频率相同的共振线圈，所述共振线圈包括发射线圈、中继线圈及接收线圈；非共振负载线圈；其中，所述发射线圈、所述中继线圈和所述接收线圈依次设于所述非共振源线圈与所述非共振负载线圈之间；所述非共振源线圈与所述发射线圈相邻设置，所述发射线圈与所述中继线圈相邻设置，所述中继线圈与所述接收线圈相邻设置，所述接收线圈与所述非共振负载线圈相邻设置。