基于磁共振的中继无线供电系统技术方案

本发明专利技术涉及无线供电技术领域，尤其涉及一种基于磁共振的中继无线供电系统。本发明专利技术包括频率发生模块、发射模块、中继模块、接收模块、高频整流模块和稳压模块，频率发生模块的信号输出端连接到发射模块的信号输入端，发射模块的输出信号经自由空间传播到中继模块，中继模块的输出信号经自由空间传播到接收模块，接收模块的信号输出端连接到高频整流模块的信号输入端，高频整流模块的信号输出端连接到稳压模块的信号输入端，稳压模块的信号输出端连接到负载。本发明专利技术摆脱了有线电源的限制，避免了电源导线布线的不便，特别适用于不方便布线的应用环境，如医学植入、物联网相关的传感器网络等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线供电
，尤其涉及一种基于磁共振的中继无线供电系统。
技术介绍
现代人拥有各种电子产品，这些产品即使是无线产品，也仅仅是信号传输无线，即 无线‘通讯，装置，因为它们仍然需要藉由一条电线把电源从墙上的插座传送到设备中或电 池中，而不是全然的‘无线’，仍然无法摆脱电源线的束缚。研制无线供电系统，能将人们从 这些电源线中解放出来，真正享受无线的快乐和便捷。对于一些无法或不方便使用导线供 电以及使用电池维护成本过高的特殊场合，如心脏起搏器等医用植入设备、或桥梁压力传 感等传感器网络，无线供电系统具有极大的应用价值。众所周知，周围磁场的变化将在电线中产生电流。但是电磁辐射无方向性，能量耗 散在无用的空间中，传输效率很低。过去研究的无线供电主要有两种方式。一种是基于微 波束或激光，微波束或激光的传输效率高，但是会随距离发散，为了使波束更紧密，需要非 常巨大的天线。此外，为了保证传输效率，发射端和接收端中间不能有障碍物。另一种是基 于电磁感应，该项技术已有100多年历史。电磁感应，也称变压器技术，因其具有简单、高效 以及安全等特性，现已广泛应用于各种电子设备。它主要利用的是近场电磁耦合原理，因此 传输距离很短，只有毫米量级。
技术实现思路
针对以上存在的技术问题，本专利技术的目的是提供一种基于磁共振的中继无线供电 系统，能有效的提高传输距离，且能穿越障碍，支持多接收目标，接收线圈尺寸可以很小。为达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案频率发生模块、发射模块、中继模块、接收模块、高频整流模块和稳压模块，频率发 生模块的信号输出端连接到发射模块的信号输入端，发射模块的输出信号经自由空间传播 到中继模块，中继模块的输出信号经自由空间传播到接收模块，接收模块的信号输出端连 接到高频整流模块的信号输入端，高频整流模块的信号输出端连接到稳压模块的信号输入 端，稳压模块的信号输出端连接到负载。所述中继模块由N个中继子模块组成，所述N≥1，其中每个中继子模块由中继侧 电感线圈和中继侧耦合电容组成，采用并联方式连接；所述中继侧电感线圈以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制，且 封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；所述中继侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以与发 射模块产生共振；所有的中继模块均调谐到工作频率，与发射模块和接收模块共振。所述接收模块由M个接收子模块组成，所述M ≥1，其中每个接收子模块由接收侧 电感线圈和接收侧耦合电容组成，采用并联方式连接；所述接收侧电感线圈以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准进行绕制，且 封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；所述接收侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，在工作频率点上与发射模块、中继 模块产生共振；所述接收侧电感线圈位于以中继侧线圈为圆心，半径为中继侧电感线圈直径的 2-4倍的圆面积内的任意位置。发射侧电感线圈、中继侧电感线圈直径均为270mm，匝数2圈，接收侧电感线圈直 径为270mm，匝数2圈，或者直径为10mm，匝数为10圈。所述频率发生模块采用考比兹振荡电路构成，由电感、电容组成振荡回路，反馈信 号由电容两端取出反馈到NPN晶体管Ql的输入端。所述发射模块由发射侧电感线圈和发射侧耦合电容组成，发射侧电感线圈和发射 侧耦合电容采用并联方式连接；所述发射侧耦合电容为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以发生 谐振。所述高频整流模块采用栅交叉耦合的NMOS、PMOS管桥式整流电路构成。所述稳压模块由三个串联的二极管与电阻组成电压感应器，控制泄流晶体管的栅 极电压，使其导通时能将储能电容上的多余电荷释放掉。本专利技术具有以下优点和积极效果1)与现有有线供电技术相比，本专利技术摆脱了有线电源的限制，避免了电源导线布 线的不便，特别适用于不方便布线的应用环境，如医学植入、物联网相关的传感器网络等；2)与现有无线供电技术相比，本专利技术利用磁共振原理，能有效的进行能量传输，且 能穿越障碍；3)通过中继模块，可以对磁场能量进行多次中继传输，大大提高了无线供电的距 罔；4)支持多个接收模块，且接收侧电感线圈无需与发射侧电感线圈同轴，支持小直 径接收侧电感线圈。附图说明图1是本专利技术实施例1提供的基于磁共振的中继无线供电系统的电路框图。图2是本专利技术实施例1提供的基于磁共振的中继无线供电系统的频率发生模块的 电路图。图3是本专利技术实施例1提供的基于磁共振的中继无线供电系统的高频整流模块的 电路图。图4是本专利技术实施例1提供的基于磁共振的中继无线供电系统的稳压模块的电路图。图5是本专利技术实施例2提供的基于磁共振的中继无线供电系统的电路框图。图6是本专利技术实施例3提供的基于磁共振的中继无线供电系统的电路框图。具体实施例方式下面以四个具体实施例分别结合附图对本专利技术作进一步说明具体实施例1本实施方式的基于磁共振的中继无线供电系统包括频率发生模块1、发射模块2、 中继模块3、接收模块4、高频整流模块5和稳压模块6，频率发生模块1的信号输出端连接 到发射模块2的信号输入端；发射模块2的输出信号经自由空间传播到中继模块3 ；中继模 块3的输出信号经自由空间传播到接收模块4 ；接收模块4的信号输出端连接到高频整流 模块5的信号输入端；高频整流模块5的信号输出端连接稳压模块6的信号输入端；稳压模 块6的信号输出端连接到负载。频率发生模块1主要完成振荡信号的产生，为能量的传递提供一个发射频率；频 率发生模块采用考比兹振荡电路产生系统需要的工作频率，电路结构参见图2所示，其中 由Ll-2、Cl-2和C1-3组成了振荡回路，反馈信号由C1-3两端取出反馈到NPN晶体管Ql的 输入端，Rl-I是电感线圈Ll-I的等效损耗电阻，Rl-2、R1-3是偏置电阻。根据应用需要， 调节电路参数，可以产生不同的发射频率。发射模块2由发射侧电感线圈L2和发射侧耦合电容C2组成。发射侧电感线圈L2 和发射侧耦合电容C2采用并联连接，所述发射侧耦合电容C2为可变电容，其容抗可调，以 满足在工作频率点上可以发生谐振。中继模块3位于发射模块2和接收模块4之间，接收发射模块2发射后经自由空间 传输的磁场能量，中继后经自由空间传输到接收模块4 ；中继模块3由一个中继模块组成， 包括中继侧电感线圈L3和中继侧耦合电容C3，其中，中继侧电感线圈L3和中继侧耦合电 容C3采用并联连接，所述中继侧电感线圈L3以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标 准进行绕制，且封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；中继侧耦 合电容C3为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以与发射模块产生共振；中 继侧电感线圈L3与发射侧电感线圈L2距离为发射侧电感线圈直径的2-4倍。接收模块4接收中继模块3经自由空间传输的磁场能量，由一个接收模块组成，包 括接收侧电感线圈L4和接收侧耦合电容C4组成，其中，接收侧电感线圈L4和接收侧耦合 电容C4采用并联连接，接收侧电感线圈L4以在工作频率点上可吸收最大磁场能量为标准 进行绕制，且封装在绝缘但不衰减磁场能量并能保持电感线圈形状的壳体内；接收侧耦合 电容C4为可变电容，其容抗可调，以满足在工作频率点上可以与发射模块2、中继模块3产 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于磁共振的中继无线供电系统，其特征在于，包括：频率发生模块、发射模块、中继模块、接收模块、高频整流模块和稳压模块，频率发生模块的信号输出端连接到发射模块的信号输入端，发射模块的输出信号经自由空间传播到中继模块，中继模块的输出信号经自由空间传播到接收模块，接收模块的信号输出端连接到高频整流模块的信号输入端，高频整流模块的信号输出端连接到稳压模块的信号输入端，稳压模块的信号输出端连接到负载。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：石新智，石振华，钱俊，祁昶，胡继承，王高峰，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]