[发明专利]一种无线电能传输系统及传输方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线电能传输系统及方法。

背景技术

近年来，无线传感器已经广泛应用于工业领域，而供电是制约其应用的瓶颈问题之一。目前，无线传感器的电源主要采用电池。由于电池的寿命短，存储能量有限，相对被供电器件而言体积和质量大；而且，在某些应用中更换电池成本很高，过程复杂。能量采集器可以把环境中存在的能量，如振动能、太阳能、热能等转换成电能，而成为一种可代替电池和可自我维持的新型电源。然而，太阳能电池可以把光能转换成电能从而为无线产品和MEMS器件供电，但是，它只能应用于有光的环境中。热电式微电源可以把热能转换成电能，但是，这种方式必须存在于有温度梯度的环境中。因此，无线传感器节点从环境中捕获能量受环境因素影响较大，具有不均衡性和非持续性特点，势必导致系统能量分配的不均衡，影响系统稳定工作。

为了既能自动采集环境中的能量为无线传感器节点供电，又能解决环境捕获能量不均衡性和非持续性的问题，引入无线电能传输技术。无线电能传输技术可以使供电设备和用电设备在完全封闭的条件下实现高效电能传输，是解决环境能量捕获的不均衡和非持续问题的重要手段。

目前无线电能传输方式主要有三种：电磁感应式、磁谐振耦合式和微波方式。国内外已经有很多公司将无线充电技术应用于小型电器及电动汽车的充电，采用的供电方式为电磁感应式，能量传输距离很近（厘米或毫米级），这显然不适合随机分布的无线传感器网络。磁谐振耦合无线电能传输方式相较于感应式，其能量传输性能稳定，距离远，该方式对环境友好，具有良好的穿透性，对非铁磁材料障碍不敏感，且无严格的方向性，能同时给有效区域内多个相近谐振频率的接收装置供电，而其他频率不匹配的物体几乎不受影响。将无线传感器网络与磁谐振耦合无线电能传输技术结合，将充分发挥无线传感器网络自由分布的特性。

当前无线电能传输主要采用一个电源对多个用电设备传输电能的方式，为了保证最远处用电设备获得足够的电能，需要提高电源的能量输出，由于磁谐振耦合无线电能传输随着距离增加效率下降速度变快，导致电源的输出远大于系统中所有用电设备的电能需求量，系统传输效率低，造成资源浪费。对于一定空间内任意分布的无线传感器节点，由于传感器节点分布随机性、各节点电能容量及耗电量的不一致性，导致用电设备呈现出明显的不均衡性。而且，如果每个节点都配备环境能量捕获装置，势必会造成无线传感器节点的成本增加，体积增大，造成资源的浪费。

发明内容

本发明的目的在于，克服环境捕获能量不均衡和非持续性的缺点，提高能量利用效率，提供一种基于环境能量捕获的分区无线电能传输系统及区域能量可协调的无线电能传输方法。

本发明无线电能传输系统划分为多个区域，每个区域均包含一个主节点和多个副节点。各区域主节点将环境中的振动能、太阳能、热能等转换成电能，为无线电能传输系统提供能量，解决主节点和副节点由电池供电带来的诸多不便。区域主节点之间可以实现双向无线电能传输，解决了主节点获取电能不均衡和各区域节点用电不均衡导致的无线电能传输系统稳定性差的问题，保证所述的系统所有节点能量持续高效的供给。

为了实现上述目的，本发明基于环境能量捕获的分区无线电能传输系统划分为多个区域，每个区域包含一个主节点和多个副节点。每个主节点包括能量捕获模块、能量存储模块、能量转换模块、能量发送/接收模块、能量管理模块和无线通信模块。每个副节点包括能量接收模块、能量转换模块、能量存储模块、能量管理模块和无线通信模块。主节点通过磁谐振耦合方式把能量单向传输给所在区域的副节点，实现区域内无线电能传输；各区域主节点之间通过磁谐振耦合方式进行双向无线电能传输，实现区域间无线电能传输。

所述的主节点中，所述能量捕获模块获取能量的来源为环境中的振动能、太阳能、热能中的一种或几种，和能量存储模块单向连接，能量存储模块与能量转换模块双向连接，用于能量的存储和释放；能量转换模块与能量发送/接收模块双向连接，能量转换模块根据能量流向将电能由直流转换成高频交流或由高频交流转换成直流，能量发送/接收模块用于能量的发送或接收；能量管理模块用于管理系统能量的存储、转换和分配，能量管理模块与能量捕获模块、能量存储模块、能量变换模块，以及能量发送/接收模块均双向连接；无线通信模块用于区域内主节点与副节点之间，区域间主节点之间的信号传输，无线通信模块与能量管理模块双向连接。