[发明专利]一种基于耦合中继的二维无线供能方法

说明书

本发明公开了一种基于耦合中继的二维无线供能方法。多个矩形能量耦合单元构成二维无线能量中继平面，能量发射线圈和能量接收线圈安装于二维无线能量中继平面；能量发射线圈中，高频信号源的输出端通过放大器接入发射天线，高频信号源产生的高频能量经过放大器放大后由发射天线耦合到最近的矩形能量耦合单元；矩形能量耦合单元中，矩形线圈感应产生电流而产生自身电磁场将高频无线能量传递给相邻的矩形能量耦合单元；能量接收线圈中，接收天线从最近的矩形能量耦合单元获得高频能量后通过整流、滤波得直流电输送给负载。本发明适合无线高频能量接收装置在平面上自由移动的场合，系统灵活性高，避免多余的空间能量耗散。

技术领域

本发明涉及一种二维无线供能方法，尤其涉及了一种基于耦合中继的二维无线供能方法。

背景技术

无线供电的典型应用包括手机充电、电动汽车、机器人和植入式医疗设备等。相比于传统的有线供电方式，无线供电方式避免了用电终端的线缆连接问题，使得在不方便使用电缆的场合也能获得稳定持续的能量供给。此外，近年来迅速增加的运动中无线供能方式在用电目标移动的过程中向其持续供电，可以大幅降低长时间、大功率用电设备的电池容量。然而，现有的运动中无线供能方式大多采用在目标设备的固定运动路线上铺设能量发射器，将物体的运动方向限制为一维。此外，也有新的方式使用立体的无线供能笼，将目标设备放置于该笼中向其供电。但这种方式供能没有指向性，在传递能量的过程中会造成很大的能量耗散，使得系统效率低下。

发明内容

为了解决在二维平面上对自由移动的设备进行无线供能的问题，本发明提出了一种基于耦合中继的二维无线供能方法。

本发明采用的技术方案是：

本发明采用二维无线供能装置，二维无线供能装置包括能量发射线圈、多个具备能量传递功能的矩形能量耦合单元和能量接收线圈；多个矩形能量耦合单元相互靠近且以矩阵式排列方式布置在同一平面上构成二维无线能量中继平面，能量发射线圈安装在二维无线能量中继平面的上方或下方，能量接收线圈在二维中继平面上方或者下方自由移动；能量发射线圈包括发射天线、放大器和高频信号源，高频信号源的输出端通过放大器接入发射天线，高频信号源产生的高频能量经过放大器放大后由发射天线耦合到离能量发射线圈最近的矩形能量耦合单元；矩形能量耦合单元包括电子开关和矩形线圈，矩形线圈的两端与电子开关串联构成回路，通过高频交变磁场的谐振将无线能量传递给相邻的矩形能量耦合单元中的矩形线圈。

能量接收线圈包括接收天线、二极管整流桥、滤波电容和负载，接收天线经二极管整流桥并联到滤波电容，负载的两端并联到滤波电容，能量发射线圈发射的高频能量经由至少一个矩形能量耦合单元耦合至能量接收线圈，能量接收线圈中的接收天线从离能量接收线圈最近的矩形能量耦合单元获得高频能量后通过二极管整流桥进行整流、由滤波电容进行滤波得到稳定的直流电，输送给负载。

电子开关通过切换开关状态控制每个矩形能量耦合单元耦合功能的打开和关闭，从而控制其工作和休眠状态：电子开关闭合时，矩形线圈处于短路状态，矩形能量耦合单元的耦合功能关闭，该单元处于休眠状态作为休眠单元，电子开关断开时，矩形线圈处于断路状态，矩形能量耦合单元的耦合功能打开，该单元处于工作状态作为工作单元；

矩形能量耦合单元仅与其自身四边相邻的四个矩形能量耦合单元进行能量传递，当矩形能量耦合单元将能量传递给相邻的矩形能量耦合单元使其耦合获得能量后，通过传递获得能量的相邻的矩形能量耦合单元成为工作单元，而其余没有通过传递获得能量的相邻的矩形能量耦合单元成为休眠单元。

从能量发射线圈到能量接收线圈经过的矩形能量耦合单元数量最少的路径定义为最佳路径，在二维无线能量中继平面上，能量发射线圈发射的高频能量沿最佳路径从能量发射线圈传递至离能量接收线圈。

当二维无线能量中继平面上存在障碍物或有不希望产生电磁场的位置时，绕开该位置且从能量发射线圈到能量接收线圈经过的矩形能量耦合单元数量最少的路径定义为最佳路径。