[發明專利]磁耦合諧振式無線電能傳輸系統和方法

有效

• 申請號: 201410398980.5
• 申請日: 2014-08-13
• 公開（公告）號: CN104638774B
• 公開（公告）日: 2017-01-25
• 發明（設計）人: 管保安;管宇
• 申請（專利權）人: 武漢泰可電氣股份有限公司
• 主分類號: H02J50/12
• 分類號: H02J50/12
• 代理公司: 北京風雅頌專利代理有限公司11403
• 代理人: 李弘,田欣欣

技術領域

本發明涉及無線電能傳輸技術，特別是指一種磁耦合諧振式無線電能傳輸系統和方法。

背景技術

中國在大力發展智能電網技術中，安裝在輸電桿塔上的設備沒有工作電源，傳統的辦法是采用太陽能極板和蓄電池的組合來提供設備工作電源，這種供電方式的后期維護成本較高。而高壓輸電線路感應取電技術為等電位取電，可以給工作在線路上的設備提供工作電源。然而工作在桿塔上的設備仍然沒有工作電源，如果由導線將電能傳遞至桿塔，等同將輸電線路的高電位與地電位短路，不可實施。

無線電能傳輸(Wireless?Power?Transmission，WPT)，即無線輸電是借助于電磁場或電磁波進行能量傳遞的一種新型技術。隨著科技的發展，傳統的輸電方式很難滿足其供電需求。因此，發展無線電能傳輸技術的重要性日益凸顯出來。

現有的無線輸電大致可分為：電磁感應式、電磁輻射式和電磁共振式。電磁感應式傳輸距離近、效率低。發電機、電動機的定轉子之間的能量傳遞就是利用此原理，傳輸距離為毫米級。電磁輻射式傳輸距離遠，但如果是全方向性輻射，傳輸電能的效率會十分低；而如果是定向輻射，要具有不問斷可視的方位和十分復雜的追蹤儀器設備，其研制難度很大。電磁共振式，主要利用磁耦合諧振式輸能技術，是對感應式的突破，理論上可以在幾米的范圍內實現高效能量傳輸，一旦技術上取得突破將改變人們的用電方式，其應用前景廣闊。

磁耦合諧振式輸能技術思路最早由麻省理工學院(MIT)于2006年提出，并于2007年得到了初步的實驗驗證，實驗結果發表在了《Science》雜志。該項技術本質上依靠磁場傳遞能量，它通過諧振線圈間磁場的耦合，借助發射和接收線圈產生的共振實現能量的無線傳輸。此項技術理論上可以在米級距離傳輸較大功率的能量，同時具有穿越非導磁性障礙物、對相對位置要求較低等突出優點。

該技術的基本實現方式主要是在發射端設置輸能電源、驅動電路和發射電路；在接收端設置接收電路和穩壓電路等。其中發射電路一般是由發射線圈和電容組成的LC振蕩回路，接收電路是由接收線圈和電容組成的LC振蕩回路。由輸能電源給發射線圈提供持續的能量輸出，由驅動電路產生驅動信號激勵發射線圈諧振，產生交變磁場。交變磁場作用于接收線圈，使接收線圈產生諧振，由于接收線圈與發射線圈頻率相同，因此二者產生共振，從而將輸能電源的能量傳輸到接收線圈。

參見圖1所示，為該現有技術一種典型實現方案的結構。包括直流電源、開關電路、發射電路、增強器、諧振接收電路五個部分。其中，直流電源、開關電路與發射電路串聯連接，通過開關電路，作為產生驅動信號的驅動電路，控制開關管T的開通和關斷，從而得到激勵發射電路諧振的高頻方波電壓，使發射電路的LC回路產生高頻振蕩；接收電路的LC回路產生同頻共振，接收發射電路發射的能量。

目前對該項技術的研究難點在于：為了提高傳輸效率和傳輸距離，使其達到可應用級別，都迫切要求提高發射電路的振蕩頻率。但是這樣一方面要求提高發射電路的LC回路振蕩頻率，同時也要求驅動電路產生與之匹配的高頻驅動信號，并且要求在高頻率下該驅動信號與發射電路中的LC回路振蕩頻率保持完全同步。一般的做法是精確測定發射電路的固有振蕩頻率后，再設置驅動信號的發生頻率，并且在設備工作時還需要調節該驅動信號頻率與LC回路頻率同步。但隨著發射線圈振蕩頻率的提高，控制開關管T自身的器件所決定的開關頻率和時機很難調節，因此難以實現精準控制，無法使線圈隨時都振蕩在諧振頻率上。

控制開關管T的開關頻率也要達到發射電路的振蕩頻率，對控制開關的損耗也很大。

接收電路的諧振頻率也必須與發射電路的發射頻率一致，因此無論對發射線圈還是接收線圈的加工工藝要求都比較高。

并且隨著溫度、濕度等外部環境的改變，離散電感參數也在隨之發生變化，并且由于無線傳能裝置離散參數復雜，線圈容易受到外圍電路干擾，造成頻點漂移。而現有技術驅動信號的頻率卻不能隨之自適應地改變，從而將嚴重影響無線能量傳輸的可靠性以及效率。從而對無線輸電技術在工程上特別是高壓輸電領域實際應用和推廣造成了很大障礙。目前始終沒有一個方案能很好地解決此問題。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提出一種磁耦合諧振式無線電能傳輸的系統和方法，以解決傳統無線傳能方案高頻控制難，自適應性差等難題。

基于上述目的本發明提供的磁耦合諧振式無線電能傳輸系統，包括：發射設備和接收設備；