[发明专利]一种全方向无线电能传输系统及其寻优控制方法

说明书

本发明涉及一种全方向无线电能传输系统及其寻优控制方法。包括发射模块、接收模块、无线通信模块，所述发射模块包括依次连接的高频逆变电路、发射侧补偿网络、发射线圈，所述发射线圈为两个以上正交线圈组成，还包括一中央处理单元；所述接收模块包括依次连接的接收线圈、接受侧补偿网络、高频整流电路、接收侧电能转换电路、负载、采样反馈电路；中央处理单元用于实现发射线圈、接收线圈、采样反馈电路数据的接收及处理，以实现全方向无线电能传输。本发明实现了全方向无线电能传输，通过全方向扫描并增加通信模块实现最大效率策略的无线电能传输，实现方法简便易行；采用时分复用充电方法，可以动态满足所有负载的充电需求，并可以定制需求。

技术领域

本发明涉及一种全方向无线电能传输系统及其寻优控制方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer，WPT)是一项有广泛应用前景的技术。它具有使用便捷、充电安全、能在恶劣环境下工作等优势，可被用于电动汽车、智能家居、可植入医疗、井下作业等领域。虽然特斯拉等科学家在20世纪初就进行了这项技术的相关研究，但受限于理论、经费等因素，但直到最近几年它才开始迅速发展成一个新兴的行业。一般来讲，无线电能传输方式可以分为远电磁场辐射式和近电磁场耦合式。

谐振式无线电能传输由于传输距离及功率等级适中，在无线电能传输技术中的适用最为广泛。其典型拓扑结构如图1所示，包括：功率因数校正电路、高频逆变电路、发射侧补偿网络、磁耦合系统、接收侧补偿网络、高频整流电路及功率电压调节电路。

发射侧及接收侧之间通过磁耦合结构实现无线电能传输。但是目前现有全方向无线电能传输技术中一对一线圈难以实现全方向无线电能传输(OWPT，Omnidirectionalwireless power transfer)，基于三维正交发射线圈磁耦合结构的全方向无线电能传输技术近年得到关注。三维正交的发射线圈能够通过改变发射线圈电流大小、相位、相位角等值实现全方向的磁场大小及方向控制，从而当接收线圈为普通螺旋线圈时能够通过控制发射线圈的不同线圈电流大小、相位、相位角等实现接收任意方向上的磁场能量，接收设备能够在有限半径范围内任意移动。但是现有全方向无线电能传输的控制策略及电路拓扑研究仍旧处于初级阶段，没有能够较实用的方法实现高效率中远距离无线电能传输。

现有技术：

1、两耦合线圈正对方案及其衍生

现有Qi标准无线充电等大部分采用双平面螺旋形线圈或屏幕矩形线圈对应结构如图2所示。该结构质量轻，设计简单，线圈Q值较高，能够实现较高效率的一对一点对点无线充电，缺点是磁场泄露较严重，位置自由度低，两线圈只有在正对排列时才能达到最高效率。

为了实现更大的移动自由度，申请号201310156410.0《一种无线充电设备》如图3、以及香港城市大学等提出多种阵列发射线圈结构如图4，其接收线圈均为普通螺线形线圈。阵列发射线圈能够实现平面一定自由度的无线充电，但是其线圈布置复杂，至少需要3层PCB，线圈损耗较大，而且在两线圈间存在磁场能量较低位置，磁场均匀度较差。

上述方案正对发射侧线圈和接收侧线圈的相对位置是相对固定的，必须保证在垂直方向两者没有错位，这样限制了无线充电装置使用的便捷性。阵列化的线圈由于各线圈紧密或交替排列，产生的磁场相互抵消了一部分，总磁场强度与单个线圈相比，大大减弱。所以为了达到足够的功率，往往通过提高输入的电压或电流，这样不仅对系统容量有更高的要求，而且电力电子半导体器件的电压电流应力增大，损耗也增大，也就是说对于系统性能要提高，成本也相应提高。

2、三维正交线圈文献及专利介绍