[發明專利]一種無線電能傳輸系統及傳輸方法

有效

• 申請號: 201210320837.5
• 申請日: 2012-08-31
• 公開（公告）號: CN102868235A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 張超;劉國強;郭亮;徐小宇;宋顯錦
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H02J17/00
• 分類號: H02J17/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種無線電能傳輸系統及方法。

背景技術

近年來，無線傳感器已經廣泛應用于工業領域，而供電是制約其應用的瓶頸問題之一。目前，無線傳感器的電源主要采用電池。由于電池的壽命短，存儲能量有限，相對被供電器件而言體積和質量大；而且，在某些應用中更換電池成本很高，過程復雜。能量采集器可以把環境中存在的能量，如振動能、太陽能、熱能等轉換成電能，而成為一種可代替電池和可自我維持的新型電源。然而，太陽能電池可以把光能轉換成電能從而為無線產品和MEMS器件供電，但是，它只能應用于有光的環境中。熱電式微電源可以把熱能轉換成電能，但是，這種方式必須存在于有溫度梯度的環境中。因此，無線傳感器節點從環境中捕獲能量受環境因素影響較大，具有不均衡性和非持續性特點，勢必導致系統能量分配的不均衡，影響系統穩定工作。

為了既能自動采集環境中的能量為無線傳感器節點供電，又能解決環境捕獲能量不均衡性和非持續性的問題，引入無線電能傳輸技術。無線電能傳輸技術可以使供電設備和用電設備在完全封閉的條件下實現高效電能傳輸，是解決環境能量捕獲的不均衡和非持續問題的重要手段。

目前無線電能傳輸方式主要有三種：電磁感應式、磁諧振耦合式和微波方式。國內外已經有很多公司將無線充電技術應用于小型電器及電動汽車的充電，采用的供電方式為電磁感應式，能量傳輸距離很近（厘米或毫米級），這顯然不適合隨機分布的無線傳感器網絡。磁諧振耦合無線電能傳輸方式相較于感應式，其能量傳輸性能穩定，距離遠，該方式對環境友好，具有良好的穿透性，對非鐵磁材料障礙不敏感，且無嚴格的方向性，能同時給有效區域內多個相近諧振頻率的接收裝置供電，而其他頻率不匹配的物體幾乎不受影響。將無線傳感器網絡與磁諧振耦合無線電能傳輸技術結合，將充分發揮無線傳感器網絡自由分布的特性。

當前無線電能傳輸主要采用一個電源對多個用電設備傳輸電能的方式，為了保證最遠處用電設備獲得足夠的電能，需要提高電源的能量輸出，由于磁諧振耦合無線電能傳輸隨著距離增加效率下降速度變快，導致電源的輸出遠大于系統中所有用電設備的電能需求量，系統傳輸效率低，造成資源浪費。對于一定空間內任意分布的無線傳感器節點，由于傳感器節點分布隨機性、各節點電能容量及耗電量的不一致性，導致用電設備呈現出明顯的不均衡性。而且，如果每個節點都配備環境能量捕獲裝置，勢必會造成無線傳感器節點的成本增加，體積增大，造成資源的浪費。

發明內容

本發明的目的在于，克服環境捕獲能量不均衡和非持續性的缺點，提高能量利用效率，提供一種基于環境能量捕獲的分區無線電能傳輸系統及區域能量可協調的無線電能傳輸方法。

本發明無線電能傳輸系統劃分為多個區域，每個區域均包含一個主節點和多個副節點。各區域主節點將環境中的振動能、太陽能、熱能等轉換成電能，為無線電能傳輸系統提供能量，解決主節點和副節點由電池供電帶來的諸多不便。區域主節點之間可以實現雙向無線電能傳輸，解決了主節點獲取電能不均衡和各區域節點用電不均衡導致的無線電能傳輸系統穩定性差的問題，保證所述的系統所有節點能量持續高效的供給。

為了實現上述目的，本發明基于環境能量捕獲的分區無線電能傳輸系統劃分為多個區域，每個區域包含一個主節點和多個副節點。每個主節點包括能量捕獲模塊、能量存儲模塊、能量轉換模塊、能量發送/接收模塊、能量管理模塊和無線通信模塊。每個副節點包括能量接收模塊、能量轉換模塊、能量存儲模塊、能量管理模塊和無線通信模塊。主節點通過磁諧振耦合方式把能量單向傳輸給所在區域的副節點，實現區域內無線電能傳輸；各區域主節點之間通過磁諧振耦合方式進行雙向無線電能傳輸，實現區域間無線電能傳輸。

所述的主節點中，所述能量捕獲模塊獲取能量的來源為環境中的振動能、太陽能、熱能中的一種或幾種，和能量存儲模塊單向連接，能量存儲模塊與能量轉換模塊雙向連接，用于能量的存儲和釋放；能量轉換模塊與能量發送/接收模塊雙向連接，能量轉換模塊根據能量流向將電能由直流轉換成高頻交流或由高頻交流轉換成直流，能量發送/接收模塊用于能量的發送或接收；能量管理模塊用于管理系統能量的存儲、轉換和分配，能量管理模塊與能量捕獲模塊、能量存儲模塊、能量變換模塊，以及能量發送/接收模塊均雙向連接；無線通信模塊用于區域內主節點與副節點之間，區域間主節點之間的信號傳輸，無線通信模塊與能量管理模塊雙向連接。