無線電能傳輸系統及方法
【專利摘要】本發明提供一種無線電能傳輸系統及方法，該系統包括：發射模塊，用于接收驅動電壓生成驅動電流以產生交變磁場，與接收模塊耦合，進行無線電能傳輸；接收模塊，用于與發射模塊耦合進行無線電能傳輸，并將反饋信息發送給控制模塊；控制模塊，用于根據反饋信息獲得控制驅動電流的幅值和相位，并按照獲得的幅值和相位使電源模塊工作；電源模塊，用于接收幅值和相位進行調整后向發射模塊提供驅動電壓，生成所需的驅動電流。本發明提供了一種基于三維線圈波束成形技術的無線電能傳輸系統及方法，通過控制流入線圈的電流幅值、相位來控制三維空間內磁感應強度的大小和方向，使其指向特定位置，并不斷反饋信息，降低系統穩態誤差，達到磁場定向的目的。
【專利說明】
無線電能傳輸系統及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及電力電子技術領域，尤其涉及一種無線電能傳輸系統及方法。
【背景技術】
[0002] 目前，環境和能源問題日益成為全球的突出問題之一。如何有效地利用現有能源， 已引起了各國學者的廣泛關注。隨著材料學、電力電子器件、功率變換和控制技術的發展， 無線電能傳輸系統在電動汽車、航空航天、電力系統、新能源發電、醫療儀器、照明、便攜式 通訊設備等領域均有著廣泛的應用前景。
[0003] 電磁耦合諧振無線電能傳輸技術屬于電能輸送領域的前沿課題，是一個全新的技 術領域，利用磁耦合諧振原理，通過兩個具有相同諧振頻率的線圈產生高頻交變耦合磁場 實現電能在一定距離范圍內傳輸。相對于傳統的接線式電能傳輸技術，該技術更加靈活、安 全、可靠，能實現供電設備和用電設備之間的近、中程距離電能傳輸，具有通用性強、安全性 尚等優點。
[0004] 磁耦合諧振無線電能傳輸技術就是通過磁場的諧振耦合進行能量的傳輸，類似于 物理中的共振現象，共振的兩物體會產生強烈的相互作用；同樣道理，兩個諧振頻率相同的 諧振電路，它們的諧振線圈之間會產生較強的磁場耦合，這樣兩線圈就可以通過磁場耦合 不斷的交換能量，從而達到能量高效率的無線傳輸。隨著國內無線電能傳輸技術研究的不 斷升溫，影響系統傳輸特性的因素太多，系統在傳輸功率、效率和距離上離實際應用還有差 距，為保證系統達到較好的傳輸效果，過去的很多研究一直專注于提高諧振器之間的品質 因數，阻抗匹配精度和位置對準。
[0005] 雖然這些方法同樣可以增加系統傳輸效率，但由于其形成的耦合磁場是非定向 場，所以在傳輸過程中能量會很容易地被浪費掉。因此，更多的人開始關注新的技術，如優 化控制磁場成形。磁場成形技術可以使得磁場朝向一個特定的位置從而減少不必要的能量 損失來增加能量的傳輸效率。而目前在非輻射磁耦合諧振無線電能傳輸系統中的能量波束 成形技術的相關研究都只能在二維空間實現，這使得無線電力傳輸系統的傳輸范圍大大受 限。
【發明內容】
[0006] 本發明提供一種無線電能傳輸系統及方法，用于解決現有技術中無線電力傳輸系 統的傳輸范圍大大受限的問題。
[0007] 第一方面，本發明提供一種無線電能傳輸系統，包括：
[0008] 發射模塊，用于接收驅動電壓生成驅動電流以產生交變磁場，與接收模塊耦合，進 行無線電能傳輸，所述發射模塊包括發射線圈，所述發射線圈包括中心相互重合且所在平 面相互垂直的三個線圈；
[0009] 接收模塊，用于與發射模塊耦合進行無線電能傳輸，并將反饋信息發送給控制模 塊，所述接收模塊包括接收線圈，所述反饋信息包括接收線圈所獲得的功率大小信息和接 收線圈的方位角信息；
[0010] 控制模塊，用于根據反饋信息獲得控制驅動電流的幅值和相位，并根據獲得的幅 值和相位使電源模塊工作；
[0011] 電源模塊，用于接收幅值和相位進行調整后向發射模塊提供驅動電壓。
[0012] 優選地，所述發射線圈為多匝方形線圈，線圈的邊長大小相同。
[0013] 優選地，所述發射模塊還包括諧振電容，每個線圈均串聯一個所述諧振電容。
[0014] 優選地，所述電源模塊包括第一電源模塊、第二電源模塊和第三電源模塊，每個電 源模塊分別向所述發射線圈中對應的線圈連接。
[0015] 優選地，所述接收線圈為多匝螺旋圓形線圈，一整流穩壓電路連接于所述接收線 圈的輸出端，一負載連接于所述整流穩壓電路的輸出端。
[0016] 優選地，每個電源模塊均包括交流電壓源、整流電路和逆變電路。
[0017] 第二方面，本發明提供一種無線電能傳輸方法，包括：
[0018] 在發射模塊與接收模塊進行無線電能傳輸時，獲取接收模塊當前功率大小信息和 方位角信息，并將信息傳遞給控制模塊；
[0019] 控制模塊根據功率大小信息和方位角信息獲得控制驅動電流的幅值和相位，并根 據獲得的幅值和相位使電源模塊工作；
[0020] 電源模塊接收到幅值和相位對交流電進行調整后產生變化后的驅動電壓，并作用 于發射模塊以產生驅動電流；
[0021] 發射模塊通過中心相互重合且所在平面相互垂直的三個線圈上的驅動電流產生 交變磁場，將無線電能傳遞給接收模塊。
[0022] 優選地，控制模塊根據功率大小信息和方位角信息采用磁場波束成形算法獲得控 制驅動電流的幅值和相位，并根據獲得的幅值和相位使電源模塊工作。
[0023] 優選地，電源模塊接收到幅值和相位對交流電進行調整后產生變化后的驅動電 壓，并作用于發射模塊以產生驅動電流，具體包括：
[0024] 將三個電源模塊同時接于同一單相工頻交流電；
[0025] 每個電源模塊將工頻交流電通過整流和逆變形成高頻交流電壓，分別作用于發射 模塊的三個線圈上，以使得線圈內產生驅動電流。
[0026]優選地，所述發射模塊的三個線圈均為多匝正方形線圈，且線圈的邊長大小相同。
[0027] 由上述技術方案可知，本發明提供了一種基于三維線圈波束成形技術的無線電能 傳輸系統及方法，通過特定結構三維線圈和波束成形技術對無線電能傳輸系統中的耦合磁 場進行塑造，本發明通過控制流入線圈的電流幅值、相位來控制三維空間內磁感應強度的 大小和方向，使其能夠指向任意位置，并不斷反饋接收模塊的功率及方位角信息，降低系統 穩態誤差，達到磁場定向的目的。一旦擁有相同諧振頻率的感應線圈進入該磁場的范圍，則 可在其線圈上產生諧振耦合，并將耦合得到的電能不斷供給給負載，而其他未達到諧振頻 率或未放置于定向磁場波束中的物體則不能感應磁場、產生能量。本發明具有傳輸范圍廣、 效率高、指向性強、能量損耗小、成本低、操作簡便等優點。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發明實施例1提供的無線電能傳輸系統的結構示意圖；
[0029] 圖2為本發明實施例提供的三維線圈結構示意圖；
[0030] 圖3為本發明實施例三維線圈磁場波束成形技術實現示意圖；
[0031]圖4為無線電能傳輸系統的原理圖；
[0032]圖5為本發明實施例2提供的無線電能傳輸系統的流程示意圖；
[0033]圖6為具體案例中t = 0T時的磁場分布；
[0034]圖7為具體案例中t = 0.125T時的磁場分布；
[0035]圖8為具體案例中t = 0.25T時的磁場分布；
[0036]圖9為具體案例中t = 0.375T時的磁場分布；
[0037]圖10為具體案例中t = 0.5T時的磁場分布；
[0038]圖11為具體案例中t = 0.625T時的磁場分布；
[0039]圖12為具體案例中t = 0.75T時的磁場分布；
[0040]圖13為具體案例中t = 0.875T時的磁場分布；
[00411圖14為具體案例中t = T時的磁場分布。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0043] 圖1示出了本發明實施例1提供的一種無線電能傳輸系統，包括：
[0044] 發射模塊1，用于接收驅動電壓生成驅動電流以產生交變磁場，與接收模塊耦合， 進行無線電能傳輸。其中，所述發射模塊包括發射線圈和諧振電容，所述發射線圈采用三維 線圈結構，其包括中心相互重合且所在平面相互垂直的三個線圈。每個線圈均與一個諧振 電容串聯連接，諧振電容根據驅動電流頻率和線圈電感選取。
[0045]如圖2所示為所述發射線圈的三維結構示意圖。以圖中結構進行解釋說明：以三維 XYZ坐標系為參考，線圈A位于Χ0Ζ平面，線圈B位于Υ0Ζ平面，線圈C位于Χ0Υ平面，線圈A與線 圈B垂直，線圈A與線圈C垂直，線圈B與線圈C垂直；線圈A的一邊B與線圈B的一邊F平分且垂 直，線圈A的一邊D與線圈B的一邊Η平分且垂直，線圈A的一邊A與線圈C的一邊L平分且垂直， 線圈A的一邊C與線圈C的一邊J平分且垂直，線圈B的一邊E與線圈C的一邊I平分且垂直，線 圈B的一邊G與線圈C的一邊K平分且垂直;線圈A、線圈B和線圈C相互獨立且絕緣，分別由第 一電源模塊、第二電源模塊和第三電源模塊分別供電，如圖中所不的第一整流器、第一逆變 器和交流電壓源形成第一電源模塊，第二整流器、第二逆變器和交流電壓源形成第二電源 模塊，第三整流器、第三逆變器和交流電壓源形成第三電源模塊。
[0046] 本發明實施例采用三維線圈結構是為了使線圈之間進行有效的磁耦合諧振，使線 圈之間不存在互感干擾，以免影響到電能傳輸質量。當三個線圈互相垂直，且邊長長度相同 時，根據諾依曼公式計算獲得三個線圈之間的互感均為零。故本發明實施例采用上述三個 線圈的放置狀態。
[0047] 接收模塊2,用于與發射模塊耦合進行無線電能傳輸，并將反饋信息發送給控制模 塊。所述接收模塊包括接收線圈、串聯的諧振電容、整流穩壓集成電路和負載(或變流器）， 所述接收線圈上產生感應電流，接收線圈的輸出端連接整流穩壓集成電路，整流穩壓集成 電路的輸出端連接負載。其中，所述反饋信息包括接收線圈所獲得的功率大小信息和接收 線圈的方位角信息。
[0048] 控制模塊4,用于根據反饋信息獲得控制驅動電流的幅值和相位，并根據獲得的幅 值和相位使電源模塊工作。具體為控制模塊根據功率大小信息和方位角信息采用磁場波束 成形算法獲得驅動電流的幅值和相位。
[0049] 如圖3所示為三維線圈磁場波束成形技術實現示意圖，通過圖3可以了解所述磁場 波束成形算法。
[0050] 假設線圈A:頂點坐標：（a，0，c)，（a，0，-c)，（-a，0，c)，（-a，0，_c)，四邊分別為A，B， C，D;線圈 B:頂點坐標：（0，b，c)，（0，b，-c)，（0，-b，c)，（0，-b，-c)，四邊分別為E，F，G，H ;線圈 C:頂點坐標：（3，13,0)，（&，-13,0)，（-&，13，(3)，（- &，-13,0)，四邊分別為1，1，1(兒。下面用矢量的 形式來表示線圈每條邊的方向：
[0051]
[0052]
[0053]
[0054] 假定線圈A上有一A點，坐標為(xi，yi，zi)，線圈B上有一B點，坐標為(X2，y2，Z2)，線 圈C上有一C點，坐標為(x 3，y3，z3)，然后在空間內任一取一點P，設其坐標為(x，y，z)。
[0055] A、B、C三點到P點的單位矢量分別為：
[0059] 當流過線圈A、B、C的電流分別等于Iacos( ω t+θΑ)、Ibcos( ω t+θβ)、Iccos( ω t+θ。） 時，線圈A、Β、C分別在Ρ點產生的磁感應強度。
[0056]
[0057]
[0058]
[0063] 分別將瓦：，瓦：，瓦：的X，Y，Z軸分量從中分離，可得線圈A、線圈B和線圈C 在P點產生的總磁感應強度的X、Y、Z軸分量，如下表所不：
[0064]
[0065]
[0066]
[0067]其中，Bm是磁感應強度空間內的m軸分量，BmlccdiN是線圈N在P點產生的磁感應強度 的m軸分量。
[0068]為了簡化分析空間內合成磁場的大小和方向，選取線圈A、B、C的幾何中心點p〇(0， 0，0)。由上表的公式可得到各線圈在P〇 (0，0，0)產生的磁感應強度在X，y，z軸的分量，如下 表所示：
[0069]
[0070] 將線圈A，B和C在任意一點產生的磁感應強度轉換為球坐標來表示，方便確定其在 三維空間中的位置(上表中負號僅表示方向）：
[0071]
[0072]
[0073]
[0074] 因此，線圈A、B、C在pQ(0,0,0)點產生的磁感應強度用球坐標表示可得：
[00811 又因為a = b = c = l，由上式可以得到下式，其中的控制變量包括IA，Ib，Ic，0a，0b， Θγ . ω "
[0085] 因此，由接收模塊所需功率大小以及方位角信息，可以通過功率與磁場強度的換 算得到磁場強度，然后再通過以上表達式計算出各驅動電流所需的幅值、相位，并傳輸給相 應電源模塊。
[0086] 電源模塊3,用于接收幅值和相位進行調整后向發射模塊提供驅動電壓。
[0087]本發明提供了一種基于三維線圈波束成形技術的無線電能傳輸系統，通過特定結 構三維線圈和波束成形技術對無線電能傳輸系統中的耦合磁場進行塑造，本發明通過控制 流入線圈的電流幅值、相位來控制三維空間內磁感應強度的大小和方向，使其能夠指向任 意位置的，并不斷反饋接收功率及方位角信息，降低系統穩態誤差，達到磁場定向的目的。 一旦擁有相同諧振頻率的感應線圈進入該磁場的范圍，則可在其線圈上產生諧振耦合，并 將耦合得到的電能不斷供給給負載，而其他未達到諧振頻率或未放置于定向磁場波束中的 物體則不能感應磁場、產生能量。本發明具有傳輸范圍廣、效率高、指向性強、能量損耗小、 成本低、操作簡便等優點。
[0088]圖4示出了本發明實施例2提供一種無線電能傳輸方法，包括：
[0089] S11、在發射模塊與接收模塊進行無線電能傳輸時，接收模塊獲取當前功率大小信 息和方位角信息，并將信息傳遞給控制模塊。
[0090] S12、控制模塊根據功率大小信息和方位角信息獲得控制驅動電流的幅值和相位， 并根據獲得的幅值和相位使電源模塊工作。需要說明的是，控制模塊根據功率大小信息和 方位角信息采用磁場波束成形算法獲得控制驅動電壓的幅值和相位，并根據獲得的幅值和 相位使電源模塊工作。
[0091] S13、電源模塊接收到驅動電流的幅值和相位對交流電進行調整后產生變化后的 驅動電壓，并作用于發射模塊以產生驅動電流。需要說明的是，本步驟具體為:將三個電源 模塊同時接于同一單相工頻交流電，每個電源模塊將工頻交流電通過整流和逆變形成高頻 交流電壓，分別作用于發射模塊的三個線圈上，以使得線圈內產生驅動電流。
[0092] S14、發射模塊通過中心相互重合且所在平面相互垂直的三個線圈上的驅動電流 產生交變磁場，將無線電能傳遞給接收模塊。需要說明的是，所述發射模塊的三個線圈均為 多匝方形線圈，且線圈的邊長大小相同。
[0093]本發明實施例所述方法基于本發明實施例1的系統基礎上，其工作原理與系統的 工作原理相同，在此不再贅述。
[0094]下面以兩個案例進行說明。
[0095]為了驗證基于三維線圈波束成形技術的無線電能傳輸系統的可行性，取（1)接收 線圈方位角為θ = 45°，爐=45 ;(2)接收線圈方位角為θ = 60°，供=:60_°進行驗證。
[0096]假設三維線圈的各線圈均為邊長為lm，匝數為10匝，無級聯，傳輸功率與電流幅值 和接收線圈位置有關，為方便計算，故令線圈A與線圈B通入的電流幅值為10(A)，線圈C通入 的電流幅值為10^0)，頻率為20Khz，周期為50us，即I A=IB=Im=10A， /(. = ,并取Θα=0，Θβ-Θα= Δ Δ θ2以方便計算，兩個案例均取pQ(〇,〇， 〇)為參考點;那么，下式
[0102]
[0103]
V----V-------丄"
[0104] (1)將θ = 45。，供=45°帶入上式，可得
[0105] Δ θ!= Δ 02 = 2kJT(k = O，1，2···)，即 Δ θ! = Δ 02 = 0
[0106] 則當線圈A，B，C通入的電流分別為 lA=10cos(400003it)(A)，IB=10cos(400003it) (A)，^二.Uh/Ic〇s(40 0 007Ti) (/4)時，三維線圈所產生磁場將指向θ = 45°，爐=45方位 角，在Ρ。點所產生的磁感應強度大小為1.1314Χ l(T6C〇S(400003it) (Τ)，說明磁感應強度的 大小與時間有關，為交變磁場。
[0107] (2)將θ = 60°，r=6CT帶入上式，可得
[0108]
[0109] 則當線圈A，B，C通入的電流分別為 lA=10cos(400003it)(A)，IB=10cos(400003it+ 54·73°) (Λ)，/c二10力c〇s(40000；Ti: +6L87。）〇4)時，三維線圈所產生磁場將指向Θ = 60°= 60°方位角，在P。點所產生的磁感應強度大小為：
[0110]
[0111] 說明磁感應強度的大小與時間有關，為交變磁場。
[0112] 如圖6所示，為案例（1)中t = 0T時的磁場分布(T為50us);
[0113] 如圖7所示，為案例⑴中t = 0.125T時的磁場分布(T為50us);
[0114] 如圖8所示，為案例⑴中t = 0.25T時的磁場分布(T為50us);
[0115] 如圖9所示，為案例⑴中t = 0.375T時的磁場分布(T為50us);
[0116] 如圖10所示，為案例⑴中t = 0.5T時的磁場分布(T為50us);
[0117] 如圖11所示，為案例⑴中t = 0.625T時的磁場分布(T為50us);
[0118] 如圖12所示，為案例⑴中t = 0.75T時的磁場分布(T為50us);
[0119] 如圖13所示，為案例⑴中t = 0.875T時的磁場分布(T為50us);
[0120] 如圖14所示，為案例（1)中t = T時的磁場分布(T為50us)。
[0121] 此外，本領域的技術人員能夠理解，盡管在此所述的一些實施例包括其它實施例 中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同實施例的特征的組合意味著處于本發明的 范圍之內并且形成不同的實施例。例如，在下面的權利要求書中，所要求保護的實施例的任 意之一都可以以任意的組合方式來使用。
[0122] 應該注意的是上述實施例對本發明進行說明而不是對本發明進行限制，并且本領 域技術人員在不脫離所附權利要求的范圍的情況下可設計出替換實施例。在權利要求中， 不應將位于括號之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞"包含"不排除存在未 列在權利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞"一"或"一個"不排除存在多個這樣的 元件。本發明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當編程的計算機來實 現。在列舉了若干裝置的單元權利要求中，這些裝置中的若干個可以是通過同一個硬件項 來具體體現。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序。可將這些單詞解釋為名 稱。
[0123]本領域普通技術人員可以理解：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而 非對其限制;盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員 應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者 全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發 明權利要求所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種無線電能傳輸系統，其特征在于，包括： 發射模塊，用于接收驅動電壓生成驅動電流以產生交變磁場，與接收模塊耦合，進行無 線電能傳輸，所述發射模塊包括發射線圈，所述發射線圈包括中心相互重合且所在平面相 互垂直的三個線圈； 接收模塊，用于與發射模塊耦合進行無線電能傳輸，并將反饋信息發送給控制模塊，所 述接收模塊包括接收線圈，所述反饋信息包括接收線圈所獲得的功率大小信息和接收線圈 的方位角信息； 控制模塊，用于根據反饋信息獲得驅動電流的幅值和相位，并根據獲得的幅值和相位 使電源模塊工作； 電源模塊，用于接收驅動電流的幅值和相位進行調整后向發射模塊提供驅動電壓，生 成所需的驅動電流。2. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述發射線圈為多匝方形線圈，線圈的邊 長大小相同。3. 根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于，所述發射模塊還包括諧振電容，每個線 圈均串聯一個所述諧振電容。4. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述電源模塊包括第一電源模塊、第二電 源模塊和第三電源模塊，每個電源模塊分別與所述發射線圈中對應的線圈連接。5. 根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述接收線圈為多匝螺旋圓形線圈，一整 流穩壓電路連接于所述接收線圈的輸出端，一負載連接于所述整流穩壓電路的輸出端。6. 根據權利要求4所述的系統，其特征在于，每個電源模塊均包括交流電壓源、整流電 路和逆變電路。7. -種無線電能傳輸方法，其特征在于，包括： 在發射模塊與接收模塊進行無線電能傳輸時，獲取接收模塊當前功率大小信息和方位 角信息，并將信息傳遞給控制模塊； 控制模塊根據功率大小信息和方位角信息獲得線圈驅動電流的幅值和相位，并根據獲 得的幅值和相位使電源模塊工作； 電源模塊接收到幅值和相位對交流電進行調整后產生變化后的驅動電壓，并作用于發 射模塊以產生驅動電流； 發射模塊通過中心相互重合且所在平面相互垂直的三個線圈上的驅動電流產生交變 磁場，將無線電能傳遞給接收模塊。8. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，控制模塊根據功率大小信息和方位角信息 采用磁場波束成形算法獲得驅動電流的幅值和相位，并根據獲得的幅值和相位使電源模塊 工作。9. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，電源模塊接收到幅值和相位對交流電進行 調整后產生變化后的驅動電壓，并作用于發射模塊以產生驅動電流，具體包括： 將三個電源模塊同時接于同一單相工頻交流電； 每個電源模塊將工頻交流電通過整流和逆變形成高頻交流電壓，分別作用于發射模塊 的三個線圈上，以使得線圈內產生驅動電流。10. 根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述發射模塊的三個線圈均為多匝正方 形線圈，且線圈的邊長大小相同。
【文檔編號】H02J50/40GK105896743SQ201610245101
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月19日
【發明人】朱奇, 粟梅, 孫堯, 楊建 , 馬昂, 趙梓亦, 寧思捷, 但漢兵, 鄧書豪, 俞璐, 鄧慧
【申請人】中南大學