[發明專利]一種室內無線輸能系統以及無線輸能方法

有效

• 申請號: 201710058090.3
• 申請日: 2017-01-23
• 公開（公告）號: CN106856346B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 胡斌杰;李冰
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00;H02J50/23
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 羅觀祥

本發明公開了一種室內無線輸能系統以及無線輸能方法；該輸能系統包括功率接收端和功率發射端；功率發射端由功率發射陣、信號分析電路、信號處理模塊、可變功率放大器和功率監測模塊組成；接收模式的功率發射陣與信息分析電路、信號處理模塊、可變功率放大器和功率監測模塊依次連接；發射模式的功率發射陣與可變功率放大器連接；功率接收端由多個待充電設備組成；每一個待充電設備均由能量接收天線和整流電路組成。本發明解決了傳統方法中利用電磁波傳播進行無線輸能只適用于規則排布單元結構相同的天線組成功率發射陣、單頻操作、多目標波束優化時間長、對無需充電設備產生嚴重干擾、難以保障輸能空間中人類、動植物和無需充電的設備的安全問題。

技術領域

本發明涉及無線輸能，特別是涉及利用電磁波傳播進行無線輸能的系統，具體涉及一種利用時間反演技術、整流電路、天線及天線陣的室內無線輸能系統以及無線輸能方法。

背景技術

由于無線通信的出現，生活變得越來越便利和高效。人們也逐漸意識到不使用電纜來對大量的靜止/移動的便攜式設備供電才會使這些電子設備變得真正的“便攜”。無線輸能(WPT)就是這種不需要電纜的供電方式。與無線通信不同，WPT傳輸的是能量而不是數據。待充電的電子設備，比如手機、平板電腦等，可以通過整流電路或整流天線將來自功率發射陣的電磁能量轉化為直流能量以便直接使用或儲存到自身的可充電電池中。

WPT的應用具有非常重要的意義。比如，人類及動物就不需要忍受由于對植入體內的心臟起搏器進行輸能所帶來的不必要的痛苦，電子設備變得輕巧及價格低廉，對于危險環境的供能不再成為問題等。總之，從WPT的應用前景可以發現，WPT必將成為未來的主要供電方式。

目前，WPT一般采用電磁感應、電磁共振和電磁波傳播。其中，利用電磁感應進行WPT的傳輸距離近，一般為幾毫米到幾厘米，并且隨著初次級線圈的距離增加，傳輸效率急劇下降；利用電磁感應進行WPT會在整個輻射區產生高強度的電磁能量，對輸能空間中的人類、動植物或其他電子設備產生威脅；利用電磁波傳播進行WPT的傳輸距離遠，影響該種方法的功率傳輸效率的主要因素有兩個，一個是由整流電路或整流天線引起的射頻到直流的轉換效率，改善整流效率的技術在許多專利和文獻中都有研究，這些研究為WPT提供了理論基礎；另一個是電磁波的傳輸效率，電磁能量會隨著傳輸距離的增加而減小，而電磁波在空間中傳播的衰減是無法避免的，但可以通過控制電磁波能量波束向待充電設備處聚焦來改善電磁波的傳輸效率，使待充電設備獲得更多的電磁能量。因此，研究電磁波的聚焦技術及新型的整流技術成為了WPT要攻克的技術難題。

目前，國內在利用電磁波傳播進行WPT方面還相對薄弱。在國外已經發表了一些關于在特定環境中利用電磁波傳播進行WPT的研究，比如在室內、辦公室、停車場及倉庫等環境下的WPT。這些應用一般都是采用逆反射技術和相控陣波束成形技術來實現電磁波波束向待充電設備處聚焦。但這兩種技術在實現和操作方面都有很多不足。其中，逆反射技術是在單頻上實現連續波，采用該項技術的不足可以分為以下幾點：1)波束聚焦位置會發生偏移，2)對其他未發送充電請求信號的設備產生干擾，3)會產生大量的能量浪費，4)單頻操作的設備比較昂貴和繁重。

雖然，相控陣波束成形技術可以實現寬頻的波束聚焦，但該技術實質上是在單頻上對波束建立多目標優化函數，這就增加了整個系統在整個頻帶的計算復雜度和成本，而且當功率發射陣與待充電設備之間存在障礙物以及待充電設備處于移動狀態時，相控陣波束成形法不能有效地進行WPT，此種情況產生的高頻電磁波會對輸能空間中的人類、動植物及其他無需充電的設備造成傷害。除此之外，相控陣作為功率發射陣的成本高、重量重、尺寸大、對天線單元結構及排布要求高。因此，改善上述WPT技術的不足成為了亟待解決的問題。

發明內容

本發明的目的是為了解決在室內環境中無法同時為多個靜止/移動的電子電氣設備無線輸能、對無需充電的設備產生干擾以及對輸能空間中的人類、動植物和無需充電的設備產生安全威脅的問題，提出的一種傳輸效率高、干擾小以及安全性高的無線輸能系統以及無線輸能方法。