[发明专利]磁共振无线充电系统及方法

说明书

本发明涉及一种磁共振无线充电方法，用于对负载进行无线充电，其中与负载连接的一端作为接收端，与供电源连接的一端作为发射端，无线充电方法包括如下步骤：于发射端和接收端均设置共振线圈，且共振线圈的本征频率相同；将发射端和接收端的共振线圈耦合连接以实现无线电能传输；在无线电能传输开始后，监测发射端的输入功率及接收端的输出功率；依据输出功率与输入功率的比值，对发射端的能量增益速率和/或接收端的能量损耗速率以使得输出功率与输入功率的比值落入设定范围，并保持无线电能传输处于正交模式范围内。本发明在无线电能传输过程中追踪正交模式，大大增加高效率传输的范围，具有单频和高效的特点，还具有较强的稳定性和安全性。

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，特指一种磁共振无线充电系统及方法。

背景技术

近年来，随着科学技术发展，无线电能传输技术在学术和工程领域都获得了极大的关注。由于其便利性，110kHz至210kHz的感应式无线电能传输方案在手机和耳机等消费电子类产品中获得了广泛的应用。但感应式无线电能传输技术的缺陷在于无法提供充电距离，其传输距离通常低于10mm。2007年美国麻省理工学院的Marin教授首次提出了共振式无线电能传输技术(Science 317,83-86 2007)，即在系统发射端和接收端使用两个频率相同的线圈进行磁场耦合，该技术可以大大提高无线电能传输的传输距离。但是当系统位于强耦合区域时，由于近场作用系统的本征模式劈裂为两个相位相反的模式，其中相位相同的模式称为对称模式(共振线圈间相位差为0°)，相位相反的模式称为反对称模式(共振线圈间相位差为180°)。虽然上述两个模式均能提供最佳传输效率，但是两者的本征频率却会随着耦合强度变化而不断变化，使得传输效率降低。

针对该物理现象工程邻域直观的提出了频率追踪电路实现对最佳传输效率点的锁定，2017年美国斯坦福大学的Fan Shanhui教授提出的利用非线性电路自动追踪劈裂模式(Nature 546,387-390 2017)的研究更是受到了广泛的关注。利用对称模式或反对称模式实现无线充电系统存在一些原理上的缺陷，首先系统构建必须满足发射端和接收端的能量耦合速率完全相同，即系统参数必须完全对称；其次，所用模式处于强耦合区域，当系统传输距离较远时系统效率下降明显；并且，由于电路部分需引入频率追踪，电路稳定性较低，空载压力大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种磁共振无线充电系统及方法，解决现有的共振式无线电能传输方案因模式耦合导致频率劈裂，传输效率降低以及追踪频率方案的系统稳定性差和需要严格的对称系统等的问题。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种磁共振无线充电方法，用于对负载进行无线充电，其中与负载连接的一端作为接收端，与供电源连接的一端作为发射端，所述无线充电方法包括如下步骤：

于所述发射端和所述接收端均设置共振线圈，且所述共振线圈的本征频率相同；

将所述发射端和所述接收端的共振线圈耦合连接以实现无线电能传输；

在无线电能传输开始后，监测所述发射端的输入功率及所述接收端的输出功率；以及

依据所述输出功率与所述输入功率的比值，对所述发射端的能量增益速率和/或所述接收端的能量损耗速率进行动态调节以使得所述输出功率与所述输入功率的比值落入设定范围，并保持无线电能传输处于正交模式范围内。

本发明的磁共振无线充电方法，在无线电能传输过程中追踪正交模式范围，大大增加高效率传输的范围，具有单频和高效的特点，也即无线电能传输过程中发射端处的输入频率为单一频率，从而使得本发明的充电方法避免了频率追踪电路的设计，避免了系统稳定性差的问题，同时本发明的充电方法还具有较强安全性，能够有效的解决共振式无线电能传输方案因模式耦合导致频率劈裂和传输效率降低的问题和追踪频率方案的系统稳定性差及需要严格的对称系统的问题。