无线传能系统及无线传能控制方法技术方案

本发明专利技术提供一种无线传能系统及传能方法，包括n个线圈模组，n个所述线圈模组中的至少一个与其余的所述线圈模组之间以规定的谐振频率基于磁耦合谐振形成一个无线传能通路，若用F

Wireless energy transmission system and wireless energy transmission control method

【技术实现步骤摘要】
无线传能系统及无线传能控制方法
本专利技术涉及以磁耦合的方式将电能转化成磁场，传输后在接收侧转化成电能的远场无线传能技术，具体而言，涉及一种无线传能系统及无线传能控制方法。
技术介绍
目前，为手机、手表、平板电脑、电动车等无线充电的技术得到了广泛关注。近年来，基于磁耦合的无线电能传输技术更是成为研究及产业应用的热点。基于磁耦合的无线电能传输技术的原理是：将高频电源施加于发射侧线圈，使发射侧线圈在电源激励下产生高频磁场，接收侧线圈在此高频磁场的作用下，耦合产生电流，从而实现无线电能传输。基于近场磁耦合技术的靠近式无线充电设备已得到实际应用。例如将手机、手表等负载放置于充电座上，基于近场磁耦合来实现对负载的充电。但是，基于近场耦合技术的充电方式仍然受到电线、距离、空间位置等诸多因素的限制，在使用中依然存在不足够便利的缺陷。本专利技术的专利技术人希望研发出能够以更远距离进行充电的技术，例如，将接入电源的发射端放置于房间某处(例如房间角落、房顶等)，通过该发射端能够对处于该房间内的接收端(即负载，例如手机、可行走机器人、发光照明装置等)等终端进行充电，该接收端可以是移动的，并且不要求接收端必须处于发射端周围例如10cm左右的空间范围内。即：本专利技术是对基于磁耦合的中远场电能传输技术的进一步研究。如本领域技术人员所知，在基于磁耦合的中远场传输过程中，耦合系数k随着耦合线圈之间距离(即，传输距离)的增大而变化，与此同时，耦合线圈之间的电能传输效率也会变化，但是，一般认为传输效率在谐振频率与各耦合线圈的固有频率相同的情况下相对最好(如图1所示)。具体而言，若发射侧线圈的固有频率为f1，接收侧线圈的固有频率为f2，磁谐振系统的谐振频率为f0，则f0＝f1＝f2时系统传输效率最好。但是，由于耦合系统的折算电阻因素，发射线圈与接收线圈在距离变近的过程中，会互相折射一个等效电阻，于是存在频率分裂的现象。取得谐振频率f0时的效率不是最大的效率点，而最大的效率点由一个变成2个，因此需要追踪频率最大点，需要调节发射侧频率f1或接收侧频率f2以获得相对最大频率。因此，已有的技术中，有的随着耦合系数k的改变(例如因耦合线圈之间的距离变化而导致耦合系数k改变、因不同的耦合线圈结构而导致耦合系数k改变等)而调节谐振频率f0以获得最大的能量传输效率(如专利文献1)；有的根据谐振频率f0来调节发射侧线圈及接收侧线圈的耦合系数(如专利文献2)。但是，由于谐振电路在传能时本身也会产生欧姆损耗，存在趋肤效应，并且通过调节电容和电感来调节频率通常是离散性的，难以实现连续平滑地调节，所以频率的调节存在局限性，很难实现在某一范围内频率或效率是一个恒定最大值。而且，当存在许多个发射端和/或接收端的情况下，也存在难以调节耦合系数k或是谐振频率f0的情况。当将这样的无线传能系统例如用于为多个负载(如手机等移动终端)充电时，存在整体上看充电效率不佳的问题。因此，本专利技术意在寻求即使在多个发射端和/或多个接收端同时参与基于磁耦合谐振的无线电能传输的情况下、也能够获得良好的能量传输效率的技术。现有技术专利文献1：CN101682216A专利文献2：CN103414261A
技术实现思路
本专利技术为了解决上述现有技术中存在的问题，提出了一种无线传能系统及无线传能控制方法，使得包含了许多个发射端和/或接收端的基于磁耦合的无线电能传输系统能够在不频繁调节频率的情况下获得良好的系统能量传输效率。为解决上述技术问题，本专利技术采用了如下技术方案。本专利技术提供了一种无线传能系统，其特征在于，包括n个线圈模组，各所述线圈模组包括：第一线圈，与外部电源或外部负载电连接；阻抗匹配网络，与所述第一线圈电连接，用于与所述外部电源或所述外部负载实现阻抗匹配；第二线圈，与所述第一线圈磁耦合；以及动态阻抗变换器，与所述第二线圈电连接，且使该第二线圈的电抗为零，并且能够使该线圈模组的等效电阻(R)变化，n个所述线圈模组中的至少一个与其余的所述线圈模组之间以规定的谐振频率基于磁耦合谐振形成一个无线传能通路，若用F123..n表示所述无线传能系统的折算品质因子、用F123..n表示所述无线传能通路的传能系数，则存在下述关系：其中，n表示所述系统中线圈模组的数量且n大于等于2；Rn表示第n个线圈模组中的等效电阻；L'表示各所述线圈模组的自感(L)的归一化基准自感值；τl表示归一化自感拟合系数，数值在1～5的范围内；M'表示各所述线圈模组之间的归一化基准互感值；τm表示归一化互感拟合系数，数值在0～8的范围内；ω0表示所述系统的谐振角频率且满足ω0＝2π·f(式3)，f表示所述规定的系统谐振频率，通过控制至少一个所述线圈模组中的所述动态阻抗变换器，来调节该至少一个所述线圈模组中的等效电阻(R)，使得所述F123..n最大，当所述F123..n最大时，所述无线传能通路的综合传能效率最高。在上述的无线传能系统中，当所述线圈模组作为传能发射端来使用时，该线圈模组的所述第一线圈与所述外部电源电连接，所述阻抗匹配网络用于与所述外部电源实现阻抗匹配；当所述线圈模组作为传能接收端来使用时，该线圈模组的所述第一线圈与所述外部负载电连接，所述阻抗匹配网络用于与所述外部负载实现阻抗匹配。在上述的无线传能系统中，优选通过控制包括第n个所述线圈模组在内的至少一个所述线圈模组中的所述动态阻抗变换器，来调节该至少一个线圈模组中的等效电阻(R)，使得所述F123..n最大。在上述的无线传能系统中，可以是τl为1；τm为1～8。本专利技术还提供了一种无线传能控制方法，其特征在于，包括在n个线圈模组之间建立无线传能通路的步骤，其中，各所述线圈模组包括：第一线圈，与外部电源或外部负载电连接；阻抗匹配网络，与所述第一线圈电连接，用于与所述外部电源或所述外部负载实现阻抗匹配；第二线圈，与所述第一线圈磁耦合；以及动态阻抗变换器，与所述第二线圈电连接，且使该第二线圈的电抗为零，并且能够使该线圈模组的等效电阻(R)变化，n个所述线圈模组中的至少一个与其余的所述线圈模组之间以规定的谐振频率基于磁耦合谐振形成一个无线传能通路，若用Q123..n表示所述无线传能通道的折算品质因子、用F123..n表示所述无线传能通路的传能系数，则存在下述关系式：其中，n表示所述线圈模组的数量且n大于等于2；Rn表示第n个线圈模组中的等效电阻；L'表示各所述线圈模组的自感(L)的归一化基准自感值；τl表示归一化自感拟合系数，数值在1～5的范围内；M'表示各所述线圈模组之间的归一化基准互感值；τm表示归一化互感拟合系数，数值在0～8的范围内；ω0表示谐振角频率且满足ω0＝2π·f(式3)，f表示所述规定的系统谐振频率。所述控制方法还包括下述步骤：确定所述线圈模组的数量(n)；确定所述归一化基准自感值(L')和所述归一化基准互感值(M')；选取所述自感拟合系数(τl)和所述互感拟合系数(τm)；基于所述关系式，控制至少一个所述线圈模组中的所述动态阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线传能系统，其特征在于，/n包括n个线圈模组，各所述线圈模组包括：/n第一线圈，与外部电源或外部负载电连接；/n阻抗匹配网络，与所述第一线圈电连接，用于与所述外部电源或所述外部负载实现阻抗匹配；/n第二线圈，与所述第一线圈磁耦合；以及/n动态阻抗变换器，与所述第二线圈电连接，且使该第二线圈的电抗为零，并且能够使该线圈模组的等效电阻(R)变化，/nn个所述线圈模组中的至少一个与其余的所述线圈模组之间以规定的谐振频率基于磁耦合谐振形成一个无线传能通路，/n若用Q

【技术特征摘要】
1.一种无线传能系统，其特征在于，
包括n个线圈模组，各所述线圈模组包括：
第一线圈，与外部电源或外部负载电连接；
阻抗匹配网络，与所述第一线圈电连接，用于与所述外部电源或所述外部负载实现阻抗匹配；
第二线圈，与所述第一线圈磁耦合；以及
动态阻抗变换器，与所述第二线圈电连接，且使该第二线圈的电抗为零，并且能够使该线圈模组的等效电阻(R)变化，
n个所述线圈模组中的至少一个与其余的所述线圈模组之间以规定的谐振频率基于磁耦合谐振形成一个无线传能通路，
若用Q123..n表示所述无线传能系统的折算品质因子、用F123..n表示所述无线传能通路的传能系数，则存在下述关系：






其中，
n表示所述系统中线圈模组的数量且n大于等于2；
Rn表示第n个线圈模组中的等效电阻；
L'表示各所述线圈模组的自感(L)的归一化基准自感值；
τl表示归一化自感拟合系数，数值在1～5的范围内；
M'表示各所述线圈模组之间的归一化基准互感值，
τm表示归一化互感拟合系数，数值在0～8的范围内；
ω0表示所述系统的谐振角频率且满足ω0＝2π·f(式3)，
f表示所述规定的系统谐振频率，
通过控制至少一个所述线圈模组中的所述动态阻抗变换器，来调节该至少一个所述线圈模组中的等效电阻(R)，使得所述F123..n最大，
当所述F123..n最大时，所述无线传能通路的综合传能效率最高。


2.根据权利要求1所述的无线传能系统，其特征在于，
当所述线圈模组作为传能发射端来使用时，该线圈模组的所述第一线圈与所述外部电源电连接，所述阻抗匹配网络用于与所述外部电源实现阻抗匹配；
当所述线圈模组作为传能接收端来使用时，该线圈模组的所述第一线圈与所述外部负载电连接，所述阻抗匹配网络用于与所述外部负载实现阻抗匹配。


3.根据权利要求1所述的无线传能系统，其特征在于，
通过控制包括第n个所述线圈模组在内的至少一个所述线圈模组中的所述动态阻抗变换器，来调节该至少一个线圈模组中的等效电阻(R)，使得所述F123..n最大。


4.根据权利要求3所述的无线传能系统，其特征在于，
τl为1；τm为1～8。
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵一阳，姜志亮，
申请(专利权)人：赵一阳，
类型：发明
国别省市：北京;11