專利名稱：多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種無線能量傳輸系統(tǒng)，具體涉及一種多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，屬于無線能量傳輸領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
非輻射性磁耦合諧振作為新型無線供電技術(shù)，通過使兩個(gè)相同頻率的諧振物體產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合，而對周圍非諧振頻率的接受端只有較弱的耦合。磁耦合諧振系統(tǒng)包括發(fā)射諧振線圈、次級(jí)接受諧振線圈和負(fù)載。MIT的Marin Soljacic助理教授是該系統(tǒng)的實(shí)用新型者，其MIT研究小組演示了無線供電，他們從2米的距離成功地點(diǎn)亮了 60W燈泡。磁耦合諧振技術(shù)可實(shí)現(xiàn)中距離(mid-range)的能量傳輸，而不需要增強(qiáng)磁場強(qiáng)度，而傳統(tǒng)的磁耦合只能在短距離范圍內(nèi)(一般在十厘米)取得相對良好的效果，傳輸距離只能通過增強(qiáng)磁場強(qiáng)度來增加。同時(shí)磁諧振耦合系統(tǒng)有一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是可以穿透各種不同非金屬障礙物，而且對系統(tǒng)的能量傳輸效率、功率等指標(biāo)沒有影響?，F(xiàn)有的技術(shù)大多研究一個(gè)發(fā)射線圈對應(yīng)于具有相同諧振頻率的多個(gè)不同接受端同時(shí)提供電能。在有些場合(如多個(gè)植入式體外供電設(shè)備、LED彩燈等)，我們需要為多個(gè)不同的負(fù)載接受端單獨(dú)提供電能來保證用電安全或達(dá)到預(yù)期效果，如果采用多個(gè)發(fā)射諧振線圈則系統(tǒng)的體積和成本都會(huì)增加。

實(shí)用新型內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種僅采用單個(gè)發(fā)射線圈既實(shí)現(xiàn)單個(gè)發(fā)射端為多個(gè)接受端中僅指定的那一個(gè)提供電能傳輸?shù)拇篷詈蠠o線能量傳輸系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案:多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，包括:N+1個(gè)接受電路，每個(gè)接受電路包括一個(gè)接受線圈，其還包括:控制電路、受到控制電路控制的驅(qū)動(dòng)電路、一個(gè)發(fā)射電路；發(fā)射電路包括:一個(gè)發(fā)射線圈、N個(gè)與發(fā)射線圈并聯(lián)的諧振電容支路、與發(fā)射線圈串聯(lián)的受驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的頻率開關(guān)、為發(fā)射線圈和頻率開關(guān)串聯(lián)而成的電路提供電能的交流電源；諧振電容支路包括:一個(gè)發(fā)射端諧振電容和一個(gè)與之串聯(lián)的受到控制電路控制的支路開關(guān)，N的取值范圍為大于或等于I的自然數(shù)。進(jìn)一步地，控制電路分別為驅(qū)動(dòng)電路和支路開關(guān)提供動(dòng)作信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路接受控制電路的動(dòng)作信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)頻率開關(guān)進(jìn)行高頻的開關(guān)動(dòng)作。進(jìn)一步地，接受電路還包括:與接受線圈并聯(lián)的接受端諧振電容和負(fù)載。進(jìn)一步地，發(fā)射線圈和接受線圈的諧振電感量相等。進(jìn)一步地，N的取值為2，即包括3個(gè)接受電路和2個(gè)諧振電容支路，3個(gè)接受電路中的接受端諧振電容分 別為第一接受端諧振電容、第二接受端諧振電容、第一接受端諧振電容，2個(gè)諧振電容支路中的發(fā)射端諧振電容分別為第一發(fā)射端諧振電容和第二發(fā)射端諧振電容；第一接受端諧振電容與第一發(fā)射端諧振電容的諧振電容值相等，第二接受端諧振電容與第二發(fā)射端諧振電容的諧振電容值相等，第三接受端諧振電容的諧振電容值等于第一發(fā)射端諧振電容的諧振電容值與第二發(fā)射端諧振電容的諧振電容值之和。 進(jìn)一步地，上述發(fā)射線圈的諧振電感量為22 μ H;第一發(fā)射端諧振電容的諧振電容值為470nF，第二發(fā)射端諧振電容的諧振電容值為220nF。進(jìn)一步地，支路開關(guān)為繼電器開關(guān)，頻率開關(guān)為場效應(yīng)管開關(guān)，控制電路包括有DSP控制芯片，驅(qū)動(dòng)電路包括有IR2100芯片。本實(shí)用新型的有益之處在于:提供一種僅采用單個(gè)發(fā)射線圈既實(shí)現(xiàn)單個(gè)發(fā)射端為多個(gè)接受端中僅指定的那一個(gè)提供電能傳輸?shù)拇篷詈蠠o線能量傳輸系統(tǒng)，本實(shí)用新型的系統(tǒng)具備為所有接受端提供無線電能傳輸?shù)哪芰Φ那疤嵯拢杀ＷC在一種狀態(tài)下僅對一個(gè)接受端實(shí)現(xiàn)無線供電，其結(jié)構(gòu)實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)并且大大降低了成本。

圖1是本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1所示實(shí)施例僅有支路開關(guān)SI導(dǎo)通時(shí)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖1所示實(shí)施例僅有支路開關(guān)S2導(dǎo)通時(shí)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖1所示實(shí)施例支路開關(guān)SI和S2均導(dǎo)通時(shí)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖中附圖標(biāo)記的含義:1、2、3_接受:電路；4_發(fā)射電路；5_控制電路；6_驅(qū)動(dòng)電路；Vl-交流電源；Cl-第一發(fā)射端諧振電容；C2_第二發(fā)射端諧振電容；C3_第一接受端諧振電容；C4-第二接受端諧振電容；C5-第三接受端諧振電容；L1-發(fā)射線圈；L2、L3、L4-接受線圈；R1、R2、R2_ 負(fù)載；S1、S2-支路開關(guān)；S3_頻率開關(guān)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作具體的介紹。參照圖1所示，本實(shí)用新型的多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)主要包括:多個(gè)接受電路(1、2、3 )、一個(gè)發(fā)射電路4、一個(gè)控制電路5、一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路6。每個(gè)接受電路包括:一個(gè)接受線圈(L2、L3、L4)以及與之并聯(lián)的接受端諧振電容(C3、C4、C5)和負(fù)載(Rl、R2、R2)，作為優(yōu)選，負(fù)載(Rl、R2、R2)的其中一端接地。發(fā)射電路4包括:交流電源V1、一個(gè)發(fā)射線圈L1、多個(gè)發(fā)射線圈LI并聯(lián)的諧振電容支路、與發(fā)射線圈LI串聯(lián)的受驅(qū)動(dòng)電路6驅(qū)動(dòng)的頻率開關(guān)S3。諧振電容支路包括:一個(gè)發(fā)射端諧振電容(C1、C2)和一個(gè)與之串聯(lián)的受到控制電路5控制的支路開關(guān)(S1、S2)。其中發(fā)射線圈LI與頻率開關(guān)S3串聯(lián)所形成的電路的兩端連接到交流電源VI，交流電源Vl用于為它們提供電能。作為一種優(yōu)選方案，頻率開關(guān)S3與交流電源Vl連接的一端接地?？刂齐娐?分別為驅(qū)動(dòng)電路6和支路開關(guān)提供動(dòng)作信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路6接受控制電路5的動(dòng)作信號(hào)，并為頻率開關(guān)S3提供高頻工作所需的驅(qū)動(dòng)能力，使其進(jìn)行高頻的開關(guān)動(dòng)作。接受電路(1、2、3)的數(shù)目(即接受端的數(shù)目)和發(fā)射電路4中諧振電容支路的數(shù)目應(yīng)當(dāng)滿足這樣的關(guān)系，如果接受電路(1、2、3)的數(shù)目為N+1，則發(fā)射電路4中諧振電容支路數(shù)目為N，其中N為大于或等于I的自然數(shù)。這樣一來，發(fā)射電路4中諧振電容支路的數(shù)目必然使其具有N+1種接入組合的方式，肯定可以滿足為N+1個(gè)接受電路(1、2、3)傳遞能量的需要。我們可以通過適當(dāng)配置發(fā)射端諧振電容(C1、C2)的諧振電容值與接受端諧振電容(C3、C4、C5)的諧振電容值以及發(fā)射線圈LI和接受線圈(L2、L3、L4)的諧振電感量，即可實(shí)現(xiàn)在一種接入組合的方式僅使一個(gè)接受電路(I或2或3)產(chǎn)生諧振頻率相同的強(qiáng)耦合作用。在某一接受電路(I或2或3)中的接受線圈(L2或L3或L4)的諧振電感量與接受端諧振電容(C3或C4或C5)的諧振電容值的乘積在滿足等于發(fā)射線圈LI的諧振電感量與接入的發(fā)射電路4的發(fā)射端諧振電容(Cl、C2)的總諧振電容值的乘積的條件時(shí)(此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路6驅(qū)動(dòng)頻率開關(guān)S3工作的開關(guān)頻率等于發(fā)射電路此時(shí)的諧振頻率時(shí))，它們的諧振頻率才能相同(在線圈與電容并聯(lián)時(shí)諧振頻率僅與電容值和電感量的乘積有關(guān)，該計(jì)算公式中其他均為常量)，該接受電路(I或2或3)的接受線圈(L2或L3或L4)才會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合，這就提供給我們通過匹配諧振電感量和諧振電容值的乘積從而按照我們意愿選擇需要發(fā)生強(qiáng)耦合的接受電路(I或2或3)的可能性。為了簡化方案，我們設(shè)定所有的接受電路(1、2、3)中的接受線圈(L2、L3、L4)的諧振電感量均等于發(fā)射線圈LI的諧振電感量時(shí)，控制發(fā)射電路4中接入的諧振電容支路的數(shù)目，使接入的所有發(fā)射端諧振電容(C1、C2)的諧振電容值的和與某一接受電路(I或2或3)的接受端諧振電容(C3或·C4或C5)的諧振電容值相等，發(fā)射電路4即能實(shí)現(xiàn)有選擇的對某一接受電路(I或2或3 )進(jìn)行能量傳輸了。如圖1所示，我們以N的取值為2的實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步的說明，即在本實(shí)用新型的系統(tǒng)中包括3個(gè)接受電路和2個(gè)諧振電容支路，3個(gè)接受電路中的接受端諧振電容分別為第一接受端諧振電容C3、第二接受端諧振電容C4、第一接受端諧振電容C3，2個(gè)諧振電容支路中的發(fā)射端諧振電容分別為第一發(fā)射端諧振電容Cl和第二發(fā)射端諧振電容C2 ;第一接受端諧振電容C3與第一發(fā)射端諧振電容Cl的諧振電容值相等，第二接受端諧振電容C4與第二發(fā)射端諧振電容C2的諧振電容值相等，第三接受端諧振電容C5的諧振電容值等于第一發(fā)射端諧振電容Cl的諧振電容值與第二發(fā)射端諧振電容C2的諧振電容值之和；發(fā)射線圈LI和接受線圈(L2、L3、L4)的諧振電感量相等。比如，第一發(fā)射端諧振電容Cl、第二發(fā)射端諧振電容C2的諧振電容值分別為470nF和220nF，那么第一接受端諧振電容C3、第二接受端諧振電容C4的諧振電容值則分別為470nF和220nF，第三接受端諧振電容C5的電容值則為690 nF。發(fā)射線圈LI和所有的接受線圈(L2、L3、L4)的諧振電感量均為22 μ H。這樣一來，如圖2所示，當(dāng)我們單獨(dú)接入第一發(fā)射端諧振電容Cl所在的諧振電容支路時(shí)，即支路開關(guān)SI導(dǎo)通，而另一支路開關(guān)S2斷開時(shí)，控制電路5控制驅(qū)動(dòng)電路6使其給頻率開關(guān)S3提供的開關(guān)頻率等于此狀態(tài)下發(fā)射電路4的諧振頻率。在前述的單獨(dú)接入第一發(fā)射端諧振電容Cl所在的諧振電容支路時(shí)，即支路開關(guān)SI導(dǎo)通，而另一支路開關(guān)S2關(guān)閉時(shí)，由于僅接入第一發(fā)射端諧振電容Cl，所以其諧振電容值也就是發(fā)射電路4中接入的總的諧振電容值，所以在三個(gè)接受電路(1、2、3)中，只有第一接受端諧振電容C3所在的接受電路I的接受線圈L2能夠處于強(qiáng)耦合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能量傳遞。如圖3所示，在支路開關(guān)SI斷開、另一支路開關(guān)S2導(dǎo)通時(shí)，控制電路5也控制驅(qū)動(dòng)電路6使其給頻率開關(guān)S3提供的開關(guān)頻率等于此狀態(tài)下發(fā)射電路4的諧振頻率，根據(jù)同樣的原理，此時(shí)只有第二接受端諧振電容C4所在的接受電路2的接受線圈L3能夠處于強(qiáng)耦合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能量傳遞。如圖4所示，支路開關(guān)S1、S2均導(dǎo)通，控制電路5也控制驅(qū)動(dòng)電路6使其給頻率開關(guān)S3提供的開關(guān)頻率等于此狀態(tài)下發(fā)射電路4的諧振頻率，根據(jù)同樣的原理，此時(shí)只有第三接受端諧振電容C5所在的接受電路3的接受線圈L4能夠處于強(qiáng)耦合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能量傳遞。綜上，我們通過設(shè)定接入發(fā)射電路4中的發(fā)射端諧振電容的總的諧振電容值以獲得不同的諧振頻率，只有發(fā)射線圈LI和接受線圈(L2或L3或L4)具有相同諧振頻率可獲得比較強(qiáng)的耦合，而其他接受電路的接受線圈處于弱耦合狀態(tài)，因此可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)給某個(gè)負(fù)載端供電的功能。通過這樣的設(shè)計(jì)，就可以極大的降低無線電能傳輸裝置的成本和體積，提聞了系統(tǒng)可罪性。本實(shí)用新型的優(yōu)勢是明顯的，比如在醫(yī)療領(lǐng)域中，如果病患體內(nèi)植入多個(gè)需要無線傳輸電能的負(fù)載，為了保證安全，我們希望每次僅對其中的一個(gè)進(jìn)行充電而影響其他的接受端，本實(shí)用新型的系統(tǒng)無疑能很好的實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。作為一種優(yōu)選方案，支路開關(guān)(S1、S2)為繼電器開關(guān)，它們可以由控制電路5直接控制，而頻率開關(guān)S3為場效應(yīng)管開關(guān)，其需要驅(qū)動(dòng)電路6為其提供高頻驅(qū)動(dòng)，所以控制電路5通過控制驅(qū)動(dòng)電路6間接控制頻率開關(guān)S3。作為一種優(yōu)選方案，交流電源Vl提供的交流電壓的電壓值為24V，控制電路5包括有DSP控制芯片，其具·體型號(hào)可以是DSP TMS320F2812，而驅(qū)動(dòng)電路6中則采用IR2100芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片，頻率開關(guān)S3的具體型號(hào)可采用IPB108N15N3G。以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理、主要特征和優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，上述實(shí)施例不以任何形式限制本實(shí)用新型，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，包括:N+1個(gè)接受電路，每個(gè)所述接受電路包括一個(gè)接受線圈，其特征在于，還包括:控制電路、受到所述控制電路控制的驅(qū)動(dòng)電路、一個(gè)發(fā)射電路；所述發(fā)射電路包括:一個(gè)發(fā)射線圈、N個(gè)與所述發(fā)射線圈并聯(lián)的諧振電容支路、與所述發(fā)射線圈串聯(lián)的受所述驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的頻率開關(guān)、為所述發(fā)射線圈和頻率開關(guān)串聯(lián)而成的電路提供電能的交流電源；所述諧振電容支路包括:一個(gè)發(fā)射端諧振電容和一個(gè)與之串聯(lián)的受到所述控制電路控制的支路開關(guān)，所述N的取值范圍為大于或等于I的自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路分別為所述驅(qū)動(dòng)電路和支路開關(guān)提供動(dòng)作信號(hào)，所述驅(qū)動(dòng)電路接受所述控制電路的動(dòng)作信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)所述頻率開關(guān)進(jìn)行高頻的開關(guān)動(dòng)作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述接受電路還包括:與所述接受線圈并聯(lián)的接受端諧振電容和負(fù)載。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)射線圈和接受線圈的諧振電感量相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述N的取值為2，即包括3個(gè)接受電路和2個(gè)諧振電容支路，3個(gè)接受電路中的接受端諧振電容分別為兎一接受端諧振電各、弟~■接受端諧振電各、弟一接受端諧振電各，2個(gè)諧振電各支路中的發(fā)射端諧振電容分別為第一發(fā)射端諧振電容和第二發(fā)射端諧振電容；所述第一接受端諧振電容與第一發(fā)射端諧振電容的諧振電容值相等，所述第二接受端諧振電容與第二發(fā)射端諧振電容的諧振電容值相等，所述第三接受端諧振電容的諧振電容值等于所述第一發(fā)射端諧振電容的諧振電容值與第二發(fā)射端諧振電容的諧振電容值之和。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，上述發(fā)射線圈的諧振電感量為22 μ H ;第一發(fā)射端諧振電容的諧振電容值為470nF，第二發(fā)射端諧振電容的諧振 電容值為220nF。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述支路開關(guān)為繼電器開關(guān)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述頻率開關(guān)為場效應(yīng)管開關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電路包括有DSP控制芯片。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電路包括有IR2100芯片。
專利摘要本實(shí)用新型公開了多接受端磁耦合無線能量傳輸系統(tǒng)，包括多個(gè)接受電路、控制電路、受到控制電路控制的驅(qū)動(dòng)電路、一個(gè)發(fā)射電路；發(fā)射電路包括一個(gè)發(fā)射線圈、多個(gè)與發(fā)射線圈并聯(lián)的諧振電容支路、與發(fā)射線圈串聯(lián)的受驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)的頻率開關(guān)、為發(fā)射線圈和頻率開關(guān)串聯(lián)而成的電路提供電能的交流電源；諧振電容支路包括一個(gè)發(fā)射端諧振電容和一個(gè)與之串聯(lián)的受到控制電路控制的支路開關(guān)，本實(shí)用新型提供一種僅采用單個(gè)發(fā)射線圈既實(shí)現(xiàn)單個(gè)發(fā)射端為多個(gè)接受端中僅指定的那一個(gè)提供電能傳輸?shù)拇篷詈蠠o線能量傳輸系統(tǒng)，本實(shí)用新型的系統(tǒng)具備為所有接受端提供無線電能傳輸?shù)哪芰Φ那疤嵯?，可保證在一種狀態(tài)下僅對一個(gè)接受端實(shí)現(xiàn)無線供電，其結(jié)構(gòu)實(shí)用、易于實(shí)現(xiàn)并且大大降低了成本。
文檔編號(hào)H02J17/00GK203151238SQ201320052029
公開日2013年8月21日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者周造辰, 周巖 申請人:江蘇華英光寶科技股份有限公司