[发明专利]基于磁共振阵列的无线能量传输系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线能量传输系统，尤其是一种基于磁共振阵列的无线能量传输系统。

背景技术

目前，无线能量传输技术有三个研究方向，分别为微波/激光方式无线能量传输、感应耦合能量传输和磁共振耦合式无线能量传输。

微波/激光方式无线能量传输技术是利用微波源或者激光源把直流电转变为微波或者激光，然后由天线发射出去。该技术的缺点是：高功率辐射对发射装置的定向性要求极高，且产生的电磁辐射/激光光束对人和动物造成巨大危害。

感应耦合能量传输技术是将两个线圈放置在邻近位置上，当电流在一个线圈中流动时产生的磁通量作为媒介，导致另一个线圈中产生电动势。该技术的缺点是：难以克服距离的限制，能量传输距离只能在1 cm以内。

磁共振耦合式无线能量传输技术根据两个具有相同谐振频率的物体能够耦合，而与环境中其他非谐振物体的相互作用很小，可以在非辐射场通过谐振耦合的方式实现中距离能量的传输。然而，磁共振无线能量传输技术在实际应用中最大的困难在于磁共振线圈的调谐。

传统的磁共振无线能量传输系统如图1所示，由原级部分1和次级部分2组成，原级部分1由主功率变换器3、原级谐振电容4、原级磁感应线圈5和原级磁共振单元6，次级部分由功率控制器7、次级谐振电容8、次级磁感应线圈9和次级磁共振单元10，主功率变换器3的输出端分别连接原级谐振电容4的两端，该原级谐振电容4的两端还分别连接原级磁感应线圈5的首端、末端，该原级磁共振单元6间隔设置在原级磁感应线圈5的前方且由一个原级磁共振线圈和一个原级共振调谐电容组成，其中该原级磁共振线圈的首端、末端分别连接该原级共振调谐电容的两端；该次级磁共振单元10间隔设置在次级磁感应线圈9的前方且由一个次级磁感应线圈和一个次级共振调谐电容，其中该次级磁感应线圈的首端、末端分别连接次级共振调谐电容的两端，该次级磁感应线圈9的首端、末端分别连接次级谐振电容8的两端且次级谐振电容8的两端还分别连接功率控制器的输入端。

传统的磁共振无线能量传输系统的工作原理为：在原级部分1，主功率变换器1接收工频交流且将该工频交流变换为高频谐振形式的能量（即电压和电流），传输给由原级谐振电容4和原级磁感应线圈5组成的原级谐振回路，高频谐振形式的能量在该原级谐振回路中激发谐振并且在原级磁感应线圈5的周围产生高频交流磁场，在该高频交流磁场的作用下，原级磁共振单元6与次级磁共振单元10之间产生磁共振，实现将能量从原级部分1传输至次级部分2。在次级部分接收到能量后，次级磁共振单元10的周围产生高频交流磁场，在高频交流磁场的作用下次级磁感应线圈9产生感应电动势，并且在由次级磁感应线圈9和次级谐振电容8组成的次级谐振回路中形成谐振，感应电动势通过功率控制器向负载输出。

在磁共振无线能量传输系统中由于磁共振线圈的品质因素较高，因此要求原级部分的激励频率与磁共振线圈的固有振荡频率非常接近，通常容许的偏差不能超过几百Hz，才能保证整个传输系统的有效工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁共振阵列的无线能量传输系统，极大地减小了激励频率在选择上的困难度，解决了磁共振线圈调谐困难的问题，并且提高了系统使用的灵活性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于磁共振阵列的无线能量传输系统，其包括原级部分和次级部分，其中所述原级部分（1）包括主功率变换器（3）、原级谐振电容（4）和原级磁感应线圈（5），其中所述主功率变换器（3）的输出端分别连接所述原级谐振电容（4）的两端，所述原级谐振电容（4）的两端还连接所述原级磁感应线圈（5）的首端、末端；

所述次级部分（2）包括次级磁感应线圈（9）、次级谐振电容（8）和功率控制器（7）组成，其中所述次级磁感应线圈（9）的首端、末端分别连接所述次级谐振电容（8）的两端，所述次级谐振电容（8）的两端还连接所述功率控制器（7）的输入端；

其特征在于：所述原级部分（1）还包括原级磁共振阵列（6’）且所述次级部分（2）还包括次级磁共振阵列（10’），所述原级磁共振阵列（6’）和所述次级磁共振阵列（10’）均由多个磁共振单元组成，每个磁共振单元均由一个磁共振线圈和共振调谐电容组成，其中所述磁共振线圈的首端、末端分别连接所述共振调谐电容的两端。

所述原级部分（1）中所述原级谐振电容（4）、原级磁感应线圈（5）分别与所述次级部分（2）中所述次级谐振电容（8）、次级磁感应线圈（9）完全相同。

所述原级部分（1）中所述原级磁共振阵列（6’）与所述次级部分（1）中所述次级磁共振阵列（10’）完全相同。