[发明专利]基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统，尤其涉及一种无线电能传输系统中发射线圈的新型设计方法，以此来减小近距离能量传输频率分裂对传输效率所产生的影响，提高无线电能传输系统的近距离能量传输效率。

背景技术

自尼古拉·特斯拉在一个世纪以前提出无线电能传输理论之后，无线电能传输就一直是人们研究的热点。多年来国内外专家一直在进行无线电能传输的研究，但一直以来科研进展缓慢，2006年11月在美国物理学会工业物理论坛上，美国麻省理工学院(MIT)的Marin Soljacic科研小组首次提出磁耦合谐振式无线电能量传输技术的理论。其原理是利用两个具有相同谐振频率(9.9MHz)、直径60cm、单层单向铜线绕制线圈的磁耦合谐振原理成功点亮了一个离电源约2m的60W电灯泡，后来这项技术被称为WiTricity，至此，开辟了无线电能传输技术在中远距离(传输距离大于线圈几何尺寸)能量传输的新纪元。随着磁耦合谐振技术的日益成熟，近年来无线输电的应用也在渐渐地渗透到我们的日常生活中，例如磁悬浮列车、植入式医疗设备、电动汽车以及移动设备等方面。2010年9月1日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织--无线充电联盟(Wireless Power Consortium，WPC)在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国，信息产业部通信电磁兼容质量监督中心也加入该组织。近年来无线充电技术虽然一直处在蓬勃发展当中，但此技术却未真正普及到智能设备中，其中的一大原因便是无线充电标准的不统一。市面上主要的三大无线充电联盟分携各自的标准呈分庭抗礼之势，而且还都拉拢了电子行业的大佬壮声势，这三家联盟分别是无线充电联盟WPC(Wireless Power Consortium)、功率事务联盟PMA(Power Matters Alliance)与无线充电联盟A4WP(Alliance for Wireless Power)。

目前国内外无线电能传输的实现有三种方式：

1.电磁感应式无线电能传输(Electromagnetic Induction Wireless Power Transmission，EI-WPT)——类似于可分离变压器，其原理是法拉第电磁感应：电流流过导体线圈时，在线圈周围产生磁场，相邻的线圈在变化的磁场中产生感应电动势，进而产生感应电流，供给负载，达到电能的无线传输。由于可分离变压器中气隙代替了原有的铁芯，故而电能从发射端传输到接收端的效率较低，而且随着初、次级线圈距离的增加，效率会变得更低，适合近距离无限能量传输。

2.无线电波式无线电能传输(Radio-wave Wireless Power Transmission，RWPT)——其基本原理是把电能转换成高频无线电波(如微波)在空间传输，接收端收集散布在环境中的电磁波，经过检波和整流后供给直流负载使用，通过远场来进行能量的传输。适用于远距离、大范围的无线电能传输，尤其适宜在能量接收终端比较密集、不易受周围环境限制的条件下传输，是目前研究比较多的无线电波能量传输方式，但此种无线电能传输方式对生物环境影响较大且效率很低。

3.磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless power transmission，MCR-WPT)——麻省理工学院Marin Soljacic及其小组成员提出的全新方案，其原理是利用两个具有相同谐振频率的谐振线圈之间的非辐射近场磁耦合来传递能量，能量在两谐振线圈间来回振荡交换，在很大程度上减小了对人体的伤害，延长了无线电能传输的距离，此方式传输效率高、距离远、功率大，是未来无线电能传输发展的主流方向。

频率分裂是磁耦合谐振和感应式无线电能传输中普遍存在的现象，尤其在近距离能量传输时，频率分裂严重影响系统的传输效率。依据耦合系数大小及系统的工作模式，无线电能传输系统的工作区域可分为三种：强耦合、临界耦合、弱耦合区域。

研究发现当无线电能传输系统处于强耦合区域时，系统的传输效率在谐振频率两侧取得最大值，即出现频率分裂，随着传输距离的增加，耦合系数减小，频率分裂现象逐渐消失，当耦合系数达到临界耦合时，系统的传输效率在谐振频率处取得最大值，随着耦合系数进一步减小达到弱耦合区域时，系统的传输效率随耦合系数的减小而急剧下降，但系统最佳的传输状态始终是在谐振频率处，即是频率分裂只出现在强耦合区域。