[發明專利]一種全方向無線電能傳輸系統及其尋優控制方法

有效

• 申請號: 201710888029.1
• 申請日: 2017-09-27
• 公開（公告）號: CN107508389B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 鄭宗華;張偉豪;陳為;李少綱
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: H02J50/80
• 分類號: H02J50/80
• 代理公司: 35100 福州元創專利商標代理有限公司
• 代理人: 蔡學俊

本發明涉及一種全方向無線電能傳輸系統及其尋優控制方法。包括發射模塊、接收模塊、無線通信模塊，所述發射模塊包括依次連接的高頻逆變電路、發射側補償網絡、發射線圈，所述發射線圈為兩個以上正交線圈組成，還包括一中央處理單元；所述接收模塊包括依次連接的接收線圈、接受側補償網絡、高頻整流電路、接收側電能轉換電路、負載、采樣反饋電路；中央處理單元用于實現發射線圈、接收線圈、采樣反饋電路數據的接收及處理，以實現全方向無線電能傳輸。本發明實現了全方向無線電能傳輸，通過全方向掃描并增加通信模塊實現最大效率策略的無線電能傳輸，實現方法簡便易行；采用時分復用充電方法，可以動態滿足所有負載的充電需求，并可以定制需求。

技術領域

本發明涉及一種全方向無線電能傳輸系統及其尋優控制方法。

背景技術

無線電能傳輸(Wireless Power Transfer，WPT)是一項有廣泛應用前景的技術。它具有使用便捷、充電安全、能在惡劣環境下工作等優勢，可被用于電動汽車、智能家居、可植入醫療、井下作業等領域。雖然特斯拉等科學家在20世紀初就進行了這項技術的相關研究，但受限于理論、經費等因素，但直到最近幾年它才開始迅速發展成一個新興的行業。一般來講，無線電能傳輸方式可以分為遠電磁場輻射式和近電磁場耦合式。

諧振式無線電能傳輸由于傳輸距離及功率等級適中，在無線電能傳輸技術中的適用最為廣泛。其典型拓撲結構如圖1所示，包括：功率因數校正電路、高頻逆變電路、發射側補償網絡、磁耦合系統、接收側補償網絡、高頻整流電路及功率電壓調節電路。

發射側及接收側之間通過磁耦合結構實現無線電能傳輸。但是目前現有全方向無線電能傳輸技術中一對一線圈難以實現全方向無線電能傳輸(OWPT，Omnidirectionalwireless power transfer)，基于三維正交發射線圈磁耦合結構的全方向無線電能傳輸技術近年得到關注。三維正交的發射線圈能夠通過改變發射線圈電流大小、相位、相位角等值實現全方向的磁場大小及方向控制，從而當接收線圈為普通螺旋線圈時能夠通過控制發射線圈的不同線圈電流大小、相位、相位角等實現接收任意方向上的磁場能量，接收設備能夠在有限半徑范圍內任意移動。但是現有全方向無線電能傳輸的控制策略及電路拓撲研究仍舊處于初級階段，沒有能夠較實用的方法實現高效率中遠距離無線電能傳輸。

現有技術：

1、兩耦合線圈正對方案及其衍生

現有Qi標準無線充電等大部分采用雙平面螺旋形線圈或屏幕矩形線圈對應結構如圖2所示。該結構質量輕，設計簡單，線圈Q值較高，能夠實現較高效率的一對一點對點無線充電，缺點是磁場泄露較嚴重，位置自由度低，兩線圈只有在正對排列時才能達到最高效率。

為了實現更大的移動自由度，申請號201310156410.0《一種無線充電設備》如圖3、以及香港城市大學等提出多種陣列發射線圈結構如圖4，其接收線圈均為普通螺線形線圈。陣列發射線圈能夠實現平面一定自由度的無線充電，但是其線圈布置復雜，至少需要3層PCB，線圈損耗較大，而且在兩線圈間存在磁場能量較低位置，磁場均勻度較差。

上述方案正對發射側線圈和接收側線圈的相對位置是相對固定的，必須保證在垂直方向兩者沒有錯位，這樣限制了無線充電裝置使用的便捷性。陣列化的線圈由于各線圈緊密或交替排列，產生的磁場相互抵消了一部分，總磁場強度與單個線圈相比，大大減弱。所以為了達到足夠的功率，往往通過提高輸入的電壓或電流，這樣不僅對系統容量有更高的要求，而且電力電子半導體器件的電壓電流應力增大，損耗也增大，也就是說對于系統性能要提高，成本也相應提高。

2、三維正交線圈文獻及專利介紹