封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)及其控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)及其控制方法，該系統(tǒng)包括封閉空間、一個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器和至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器，所述封閉空間的邊界由金屬或者能夠?qū)σ欢l率范圍內(nèi)的微波電磁波產(chǎn)生全反射的材料構(gòu)成；所述無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器在所述封閉空間內(nèi)激勵(lì)形成微波電磁駐波，并通過(guò)一定范圍內(nèi)的頻率掃描搜索確定最佳工作頻點(diǎn)，所述無(wú)線(xiàn)能量接收器分布于所述微波電磁駐波的波腹及波腹附近位置，從電磁駐波中捕獲無(wú)線(xiàn)能量，并轉(zhuǎn)換成直流電能對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行充電。該方案避免了電磁波傳播過(guò)程中的空間輻射損耗，也避免了電磁波對(duì)區(qū)域外部電子設(shè)備的干擾以及可能對(duì)人體的傷害，并且能夠充分利用三維空間同時(shí)對(duì)多個(gè)電子設(shè)備提供高效率無(wú)線(xiàn)充電。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)可以用于為手機(jī)、無(wú)線(xiàn)傳感器、射頻識(shí)別標(biāo)簽等電子設(shè)備提供無(wú)線(xiàn)充電。目前已有的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)主要包括近場(chǎng)電感耦合、射頻電磁波傳輸和激光傳輸?shù)葞追N方式。近場(chǎng)電感耦合是目前最為成熟的無(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)，市場(chǎng)上已有針對(duì)手機(jī)充電的商用產(chǎn)品，但該技術(shù)只能用于近距離(毫米量級(jí))能量傳輸，被充電設(shè)備需放置于一個(gè)二維表面上。激光傳輸可以攜帶較大量的功率，并實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的供電，然而障礙物的存在會(huì)影響發(fā)射與接收裝置之間的能量傳遞。射頻電磁波傳輸采用高頻電磁波束傳輸能量，同樣適合較遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)供電，其優(yōu)點(diǎn)是受環(huán)境影響較小，主要缺點(diǎn)則是在開(kāi)放空間中傳輸?shù)妮椛鋼p耗大，傳輸效率相對(duì)較低，并且容易對(duì)周邊其它電子設(shè)備產(chǎn)生干擾，甚至對(duì)人體產(chǎn)生傷害?？偠灾?，現(xiàn)有的技術(shù)仍然難以實(shí)現(xiàn)在較遠(yuǎn)距離上對(duì)一個(gè)三維區(qū)域內(nèi)多個(gè)電子設(shè)備的同時(shí)無(wú)線(xiàn)充電。
[0003]封閉空間對(duì)于通訊領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，會(huì)產(chǎn)生大量的干擾信號(hào)，是通訊領(lǐng)域里一直想努力解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:如何對(duì)分布于三維區(qū)域內(nèi)多個(gè)電子設(shè)備同時(shí)進(jìn)行高效率和較遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)充電的問(wèn)題。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案:
封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)，包括封閉空間、一個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器和至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器，所述封閉空間的邊界由金屬或者能夠?qū)σ欢l率范圍內(nèi)的微波電磁波產(chǎn)生全反射的材料構(gòu)成;所述無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器在所述封閉空間內(nèi)激勵(lì)形成微波電磁駐波，并通過(guò)一定范圍內(nèi)的頻率掃描搜索確定最佳工作頻點(diǎn)，所述無(wú)線(xiàn)能量接收器分布于所述微波電磁駐波的波腹及波腹附近位置，從電磁駐波中捕獲無(wú)線(xiàn)能量，并轉(zhuǎn)換成直流電能對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行充電。
[0006]所述無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器包括頻率可調(diào)微波源、耦合饋電單元、回波功率監(jiān)測(cè)單元、電磁波激勵(lì)單元;其中，頻率可調(diào)微波源用于生成無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射所需的微波能量;耦合饋電單元用于將微波源輸出的微波能量饋電至電磁波激勵(lì)單元的輸入端，同時(shí)將激勵(lì)單元的回波功率耦合至回波功率監(jiān)測(cè)單元的輸入端；電磁波激勵(lì)單元將輸入的微波能量轉(zhuǎn)換為封閉空間內(nèi)的微波電磁波；回波功率監(jiān)測(cè)單元用于監(jiān)測(cè)電磁波激勵(lì)單元端口處的回波損耗，根據(jù)回波損耗的大小判斷無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的效率和狀態(tài)，并據(jù)此輸出控制信號(hào)控制和優(yōu)化微波源的輸出頻率。
[0007]所述無(wú)線(xiàn)能量接收器包括電磁波接收單元、射頻開(kāi)關(guān)、射頻-直流轉(zhuǎn)換單元和直流能量存儲(chǔ)單元；當(dāng)無(wú)線(xiàn)能量接收器需要接收無(wú)線(xiàn)能量時(shí)，射頻開(kāi)關(guān)處于開(kāi)狀態(tài)，電磁波接收單元接收微波能量，經(jīng)射頻開(kāi)關(guān)輸入至射頻-直流轉(zhuǎn)換單元;射頻-直流轉(zhuǎn)換單元將接收到的微波能量轉(zhuǎn)換為直流電源輸出，并將輸出能量存儲(chǔ)于直流能量存儲(chǔ)單元，用于為電子設(shè)備充電；當(dāng)無(wú)線(xiàn)能量接收器終止接收無(wú)線(xiàn)能量時(shí)，射頻開(kāi)關(guān)處于關(guān)狀態(tài)，電磁波接收單元與射頻-直流轉(zhuǎn)換單元之間的連接斷開(kāi)，電磁波接收單元將接收到的微波能量完全反射至周?chē)臻g。
[0008]封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的控制方法，首先，設(shè)定封閉空間的尺寸、形狀，選擇無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)某跏碱l點(diǎn)，計(jì)算初始頻點(diǎn)電磁駐波波腹點(diǎn)的位置;然后，在電磁駐波波腹點(diǎn)的位置附近選擇無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的初始位置，將無(wú)線(xiàn)能量接收器設(shè)定在波腹點(diǎn)附近的一個(gè)或多個(gè)位置;無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器和無(wú)線(xiàn)能量接收器獨(dú)立工作，其中，所述無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的控制包括如下步驟:
步驟1、設(shè)定正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值、終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值；
步驟2、調(diào)節(jié)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的微波源輸出頻率，同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射器激勵(lì)單元端口的回波損耗，并獲取最小回波損耗和最小回波損耗對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)；
步驟3、判斷步驟2中確定的最小回波損耗是否小于正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值，如果是，執(zhí)行步驟4，否則，判斷該回波損耗是否大于終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值，如果是，控制無(wú)線(xiàn)發(fā)射器終止無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射，否則，調(diào)節(jié)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的位置后，返回步驟2;
步驟4、控制無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器采用步驟3中確定的頻點(diǎn)發(fā)射微波能量，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前回波損耗，若監(jiān)測(cè)到回波損耗大于正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值，返回執(zhí)行步驟2;所述無(wú)線(xiàn)能量接收器的具體控制方法如下:
控制所有無(wú)線(xiàn)能量接收器接收無(wú)線(xiàn)能量，實(shí)時(shí)檢測(cè)無(wú)線(xiàn)能量接收器對(duì)電子設(shè)備充電的狀態(tài)，如果任一無(wú)線(xiàn)能量接收器完成對(duì)電子設(shè)備充電時(shí)，控制該無(wú)線(xiàn)能量接收器中射頻開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，終止接收無(wú)線(xiàn)能量，直至所有無(wú)線(xiàn)能量接收器均終止接收無(wú)線(xiàn)能量。
[0009]所述正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值和終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
1、本發(fā)明微波無(wú)線(xiàn)能量限制在一個(gè)封閉空間區(qū)域內(nèi)，既避免了電磁波傳播過(guò)程中的空間輻射損耗，也避免了電磁波對(duì)區(qū)域外部電子設(shè)備的干擾以及可能對(duì)人體的傷害，與現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)相比，能夠充分利用三維空間同時(shí)對(duì)多個(gè)電子設(shè)備提供高效率無(wú)線(xiàn)充電。
[0011]2、本發(fā)明將封閉空間用于無(wú)線(xiàn)充電領(lǐng)域，利用了封閉空間的特點(diǎn)，將其他領(lǐng)域需要解決的缺點(diǎn)作為本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用，克服了無(wú)線(xiàn)充電領(lǐng)域一直想解決而未能解決的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明的封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器與無(wú)線(xiàn)能量接收器系統(tǒng)組成框圖。
[0013]圖2為本發(fā)明無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)工作流程圖。
[0014]圖3為本發(fā)明提出的利用封閉空間中的電磁駐波實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式示意圖。
[0015]圖4為本發(fā)明提出的封閉空間內(nèi)電磁駐波分布示意圖實(shí)例。
[0016]圖5a為單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的位置分布圖。
[0017]圖5b為單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。
[0018]圖6a為單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)兩個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的位置分布圖。
[0019]圖6b為單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)兩個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。
[0020]圖7a為單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)四個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的位置分布圖。
[0021]圖7b為單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)四個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。
[0022]圖8為四個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器中的一個(gè)完成充電后的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。
[0023]圖9為四個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器中的兩個(gè)完成充電后的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。
[0024]圖10為四個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器中的三個(gè)完成充電后的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程作進(jìn)一步說(shuō)明:
本發(fā)明利用封閉空間內(nèi)微波電磁駐波實(shí)現(xiàn)對(duì)立體分布于該空間的多個(gè)電子設(shè)備的無(wú)線(xiàn)充電。該無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)包含一個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器和立體分布于所述封閉空間的多個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器。封閉空間邊界由金屬或其它可以在特定一個(gè)或多個(gè)頻段內(nèi)對(duì)微波電磁波產(chǎn)生全反射的材料構(gòu)成。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器在封閉空間內(nèi)激勵(lì)形成的微波電磁波呈現(xiàn)駐波分布，即無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器發(fā)射的電磁波經(jīng)封閉空間邊界的多次反射形成的多路徑反射波相互疊加，在封閉空間內(nèi)多個(gè)特定區(qū)域相互增強(qiáng)形成波腹點(diǎn)。將無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器放置于波腹點(diǎn)位置附近可以有效地激勵(lì)起封閉空間內(nèi)的電磁駐波。分布于波腹點(diǎn)位置附近的無(wú)線(xiàn)能量接收器可以有效地從該電磁駐波中捕獲無(wú)線(xiàn)能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電子設(shè)備的高效率無(wú)線(xiàn)充電。波腹點(diǎn)的分布主要取決于封閉空間的結(jié)構(gòu)形狀和電磁波的頻率，對(duì)于規(guī)則形狀的封閉空腔結(jié)構(gòu)，如矩形、圓柱形空腔，波腹點(diǎn)的位置可以通過(guò)解析表達(dá)式計(jì)算得至IJ，對(duì)于非規(guī)則的腔體，波腹點(diǎn)的位置不能通過(guò)解析表達(dá)式求解時(shí)，可通過(guò)電磁場(chǎng)全波仿真或?qū)嶋H測(cè)量確定波腹點(diǎn)位置。
[0026]實(shí)際應(yīng)用中，首先選擇一個(gè)初始頻點(diǎn)計(jì)算封閉空間內(nèi)波腹點(diǎn)的位置，并據(jù)此確定無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的位置和無(wú)線(xiàn)能量接收器的分布。然而，在該初始頻點(diǎn)上，無(wú)線(xiàn)能量傳輸效率不一定達(dá)到最大。這是因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器和無(wú)線(xiàn)能量接收器存在會(huì)導(dǎo)致封閉空間內(nèi)電磁波的分布發(fā)生擾動(dòng)，從而使得無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)淖罴杨l點(diǎn)偏離所選的初始頻點(diǎn)。在本發(fā)明的封閉空間內(nèi)，導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)能量傳輸效率降低的主要原因是無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器輸出端口因阻抗不匹配反射回來(lái)的回波功率。定義無(wú)線(xiàn)能量傳輸總效率T為所有無(wú)線(xiàn)能量接收器接收到的微波功率之和與無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器微波激勵(lì)端口的饋電功率之比，定義回波損耗R為無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器微波激勵(lì)端口的回波功率與饋電功率之比。忽略封閉空間內(nèi)其它損耗，則有T +R = 100%。當(dāng)R小于特定的閾值時(shí)(例如，R < 20%)，可以保證無(wú)線(xiàn)能量傳輸就有較高的傳輸效率(T > 80%) ο將該閾值定義為正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值。均為頻率的函數(shù)、且與無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的位置、無(wú)線(xiàn)能量接收器的數(shù)量與分布均有關(guān)。為最大化能量傳輸效率T，本發(fā)明的無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)回波損耗R，采用頻率掃描，在初始頻點(diǎn)附近的一定范圍內(nèi)搜索回波損耗R最小的頻點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)墓ぷ黝l點(diǎn)。此外，本發(fā)明通過(guò)調(diào)整無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的位置可進(jìn)一步減小回波損耗R。
[0027]無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器傳輸至各個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的微波能量也可能是不均勻的，從而導(dǎo)致各個(gè)電子設(shè)備的充電速度快慢不一。在本發(fā)明中，無(wú)線(xiàn)能量接收器一旦完成充電，即通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電路調(diào)整工作狀態(tài)，終止接收無(wú)線(xiàn)能量，從而使得其它未完成充電的無(wú)線(xiàn)能量接收器能夠接收到更多的功率。
[0028]圖1為本發(fā)明的封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器與無(wú)線(xiàn)能量接收器系統(tǒng)組成框圖。無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器由頻率可調(diào)微波源、耦合饋電單元、回波功率監(jiān)測(cè)單元、電磁波激勵(lì)單元四個(gè)部分組成。頻率可調(diào)微波源用于生成無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射所需的微波能量。耦合饋電單元用于將微波源輸出的微波能量饋電至電磁波激勵(lì)單元的輸入端，同時(shí)將激勵(lì)單元的回波功率耦合至回波功率監(jiān)測(cè)單元輸入端。電磁波激勵(lì)單元將輸入的微波能量轉(zhuǎn)換為封閉空間內(nèi)的微波電磁波?；夭üβ时O(jiān)測(cè)單元用于監(jiān)測(cè)激勵(lì)單元端口處的回波損耗R，同時(shí)根據(jù)R的大小判斷無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的效率和狀態(tài)，并據(jù)此輸出控制信號(hào)控制和優(yōu)化微波源的輸出頻率。多個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的結(jié)構(gòu)相同，均包括電磁波接收單元、射頻開(kāi)關(guān)、射頻-直流轉(zhuǎn)換單元和直流能量存儲(chǔ)單元。無(wú)線(xiàn)能量接收器需要接收能量時(shí)，射頻開(kāi)關(guān)處于開(kāi)狀態(tài)。電磁波接收單元接收到的微波能量經(jīng)射頻開(kāi)關(guān)輸入至射頻-直流轉(zhuǎn)換單元。射頻-直流轉(zhuǎn)換單元將接收到的微波能量轉(zhuǎn)換為直流輸出，該直流輸出能量存儲(chǔ)于被充電電子設(shè)備的直流能量存儲(chǔ)單元。當(dāng)被充電電子設(shè)備判斷充電完畢時(shí)，發(fā)送控制信號(hào)至射頻開(kāi)關(guān)，射頻開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電磁波接收單元與射頻-直流轉(zhuǎn)換單元的連接，終止接收無(wú)線(xiàn)能量。此時(shí)電磁波接收單元的作用相當(dāng)于一個(gè)金屬散射體，其接收到的微波能量被完全反射至周?chē)臻g。
[0029]當(dāng)所有無(wú)線(xiàn)能量接收器均終止接收無(wú)線(xiàn)能量時(shí)，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器激勵(lì)端口的回波損耗在所有頻點(diǎn)均接近于100%。因此，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器監(jiān)測(cè)到的回波損耗R在掃描頻段范圍內(nèi)均大于特定閾值(例如90%)時(shí)，可判定所有無(wú)線(xiàn)能量接收器已經(jīng)完成了對(duì)電子設(shè)備的充電。將該閾值定義為終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值。
[0030]圖2為本發(fā)明無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)工作流程圖，首先，給定封閉空間的尺寸、形狀，選擇無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)某跏碱l點(diǎn)，仿真計(jì)算初始頻點(diǎn)電磁駐波波腹點(diǎn)的位置，然后，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求確定無(wú)線(xiàn)能量接收器的數(shù)量，無(wú)線(xiàn)能量接收器在波腹點(diǎn)附近的分布，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器和無(wú)線(xiàn)能量接收器獨(dú)立工作，其工作過(guò)程描述如下:
步驟1:在電磁駐波波腹點(diǎn)的位置附近選擇無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的初始位置，設(shè)定正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值(例如20%)、終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值(例如90%);
步驟2:在初始頻點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的微波源輸出頻率，同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射器激勵(lì)單元端口的回波損耗R，確定最小回波損耗Rmin和最小回波損耗對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)
步驟3 = SRmin < 20%，即無(wú)線(xiàn)能量傳輸效率T > 80%，判斷無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)在頻點(diǎn)滿(mǎn)足正常工作條件，執(zhí)行步驟4;否則，若Rmin > 90%，判斷無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)滿(mǎn)足正常終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸條件(即所有無(wú)線(xiàn)能量接收器均已完成充電)，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器停止發(fā)射能量;否則，調(diào)節(jié)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的位置后，返回步驟2;
步驟4:無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器采用步驟2確定的頻點(diǎn)發(fā)射微波能量，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前回波損耗。若監(jiān)測(cè)到回波損耗大于正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值，返回步驟2。
[0031]無(wú)線(xiàn)能量接收器在確定好位置之后開(kāi)始接收無(wú)線(xiàn)能量，其工作狀態(tài)獨(dú)立于步驟I至步驟4。在無(wú)線(xiàn)能量傳輸過(guò)程中，任一無(wú)線(xiàn)能量接收器完成對(duì)電子設(shè)備充電時(shí)，切換該無(wú)線(xiàn)能量接收器中射頻開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，該無(wú)線(xiàn)能量接收器終止接收無(wú)線(xiàn)能量，從而導(dǎo)致步驟4中無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器監(jiān)測(cè)到的回波損耗發(fā)生變化。當(dāng)所有無(wú)線(xiàn)能量接收器均終止接收無(wú)線(xiàn)能量時(shí)，導(dǎo)致步驟3中最小回波損耗大于終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值。
[0032]上述工作過(guò)程中，正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值設(shè)置為20%，終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值設(shè)定為90%。所述正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值和終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整。例如，如果多個(gè)被充電電子設(shè)備的表面材料對(duì)電磁波存在較強(qiáng)的遮擋和反射作用，則可能導(dǎo)致正常工作時(shí)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的回波損耗在各種位置的整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)均高于20%。此時(shí)需要提高正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值，直至無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)能夠在至少一個(gè)工作頻點(diǎn)滿(mǎn)足進(jìn)入正常工作所需的條件。如果多個(gè)被充電電子設(shè)備表面材料對(duì)電磁波有較強(qiáng)的吸收作用，則可能導(dǎo)致所有無(wú)線(xiàn)能量接收器均終止接收無(wú)線(xiàn)能量時(shí)，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的回波損耗小于90%，此時(shí)需要降低終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值，從而使得無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)臈l件。
[0033]圖3是本發(fā)明提出的利用封閉空間中的電磁駐波實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方式示意圖。該方法使用金屬壁構(gòu)建一個(gè)全封閉區(qū)域，無(wú)線(xiàn)發(fā)射器在這個(gè)全封閉區(qū)域內(nèi)激勵(lì)起微波電磁駐波。在封閉區(qū)域內(nèi)部可布設(shè)多個(gè)非金屬材料的架子。當(dāng)多個(gè)電子設(shè)備被放置在架子上的指定位置上時(shí)，它們同時(shí)以無(wú)線(xiàn)的方式從電磁駐波獲取能量。封閉區(qū)域的邊界不限于金屬材料，也可以由能夠在特定一個(gè)或多個(gè)頻點(diǎn)對(duì)電磁波產(chǎn)生全反射的特殊材料構(gòu)成。
[0034]圖4為邊長(zhǎng)I米的立方體封閉空間內(nèi)激勵(lì)起的電磁駐波的電場(chǎng)強(qiáng)度分布實(shí)例示意圖。立方體表面材料為金屬招。在oxyz三維坐標(biāo)系內(nèi)，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器位于(X = 20 cm, y=20 cm, z=0 cm)的位置，其激勵(lì)單元為一根長(zhǎng)為17cm，沿z方向放置的金屬探針。初始頻點(diǎn)Z1Q選擇為424 MHz時(shí)，仿真計(jì)算得到該頻點(diǎn)的電磁駐波在(X = 25 cm, y = 25 cm)、(x = 75 cm, y = 25 cm)、(x = 25 cm, y = 75 cm)、(x = 75 cm, y = 75 cm)四個(gè)位置上形成波腹。波腹沿z方向基本不變。圖中顯示了電場(chǎng)強(qiáng)度在z = 30 cm、z = 60 cm和z =90 cm三個(gè)位置上沿xy平面的分布，其中亮度越大的位置代表場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)。圍繞波腹位置擺放一個(gè)或多個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器，所有無(wú)線(xiàn)能量接收器的電磁波接收單元均采用沿z方向放置的金屬探針，探針長(zhǎng)度17cm ο
[0035]圖5a所示為基于圖4所示封閉空間和電磁駐波波腹位置的單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的位置分布圖，圖5b為單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。從圖中可知，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器位于(X = 20 cm, y = 20cm, z = 0 cm)的位置，無(wú)線(xiàn)能量接收器位于波腹點(diǎn)正中間(x = 75 cm, y = 75 cm, z =0 cm)的位置，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的激勵(lì)單元和無(wú)線(xiàn)能量接收器的接收單元均采用長(zhǎng)度17 cm的金屬探針。仿真結(jié)果表明，單個(gè)發(fā)射器對(duì)單個(gè)接收器傳輸能量的回波損耗R在/_ = 414MHz的最佳頻點(diǎn)達(dá)到最小值1%，傳輸效率T達(dá)到最大值99%。在385MHz至430MHz的頻率范圍內(nèi)，傳輸效率T均達(dá)到了 80%以上。
[0036]圖6a所示為基于圖4所示封閉空間和電磁駐波波腹位置的單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)兩個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的位置分布圖，圖6b為單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)兩個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。從圖中可知，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器位于(X = 20 cm, y = 20cm, z = 0 cm)的位置，兩個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器分別位于(X = 70 cm, y = 70 cm, z = Ocm)和(x = 70 cm, y = 80 cm, z = 0 cm)的位置，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的激勵(lì)單元和無(wú)線(xiàn)能量接收器的接收單元均采用長(zhǎng)度17 cm的金屬探針。分別定義接收器I和接收器2接收到的微波功率與發(fā)射器激勵(lì)端口饋電功率的比值為T(mén)l和T2，則單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)兩個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器同時(shí)傳輸能量的總效率為T(mén) = Tl + T2。仿真結(jié)果表明，單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)兩個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器同時(shí)傳輸能量的回波損耗R在/ _ = 421 MHz的最佳頻點(diǎn)達(dá)到最小值1%，傳輸效率T達(dá)到最大值99%，其中Tl = 51%，T2 = 48%。在392MHz至430MHz的頻率范圍內(nèi)，傳輸效率T均達(dá)到了 80%以上。
[0037]圖7a所示為基于圖4所示封閉空間和電磁駐波波腹位置的單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)四個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的位置分布圖，圖7b為單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)四個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。從圖中可知，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器位于(X = 20 cm, y = 20cm, z = 0 cm)的位置，四個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器分別位于(X = 70 cm, y = 70 cm, z = Ocm)N(x = 70 cm, y = 80 cm, z = 0 cm)、(x = 80 cm, y = 70 cm, z = 0 cm)和(x =80 cm, y = 80 cm, z = 0 cm)的位置。無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的激勵(lì)單元和無(wú)線(xiàn)能量接收器的接收單元均采用長(zhǎng)度17 cm的金屬探針。分別定義無(wú)線(xiàn)能量接收器1、無(wú)線(xiàn)能量接收器2、無(wú)線(xiàn)能量接收器3和無(wú)線(xiàn)能量接收器4接收到的功率與無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器激勵(lì)端口饋電功率的比值為T(mén)1、T2、T3和T4，則單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)四個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器同時(shí)傳輸能量時(shí)總效率為T(mén) = Tl + Τ2 + Τ3 + Τ4。仿真結(jié)果表明，單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)四個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器同時(shí)傳輸能量的回波損耗R在= 390 MHz的最佳頻點(diǎn)達(dá)到最小值15%，傳輸效率T達(dá)到最大值85%，其中Tl = 16%,T2 = T3 = 18%,T4 = 33%。在385MHz至418MHz的頻率范圍內(nèi)，傳輸效率T均達(dá)到了 80%以上。
[0038]圖8所示為圖7所示實(shí)例中無(wú)線(xiàn)能量接收器4完成充電后的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。此時(shí)T4 = 0，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)剩余三個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器同時(shí)傳輸能量的總效率為T(mén) = Tl + T2 + T3。無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器重新掃描頻率可確定回波損耗R在/Cipt = 416MHz的最佳頻點(diǎn)達(dá)到最小值15%，傳輸效率T達(dá)到最大值85%，其中Tl = 27%，T2 = Τ3 = 29%。
[0039]圖9所示為圖7所示實(shí)例中無(wú)線(xiàn)能量接收器3和4均完成充電后的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。此時(shí)Τ3 = Τ4 = 0，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)剩余兩個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器同時(shí)傳輸能量的總效率為T(mén) = Tl + Τ2。無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器重新掃描頻率可確定回波損耗R在/Cipt =418 MHz的最佳頻點(diǎn)達(dá)到最小值5%，傳輸效率T達(dá)到最大值95%，其中Tl = 46%，Τ2 = 49%。
[0040]圖10所示為圖7所示實(shí)例中無(wú)線(xiàn)能量接收器2、3和4均完成充電后的能量傳輸效率及回波損耗曲線(xiàn)圖。此時(shí)Τ2 = Τ3 = Τ4 = 0，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器對(duì)剩余單個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器傳輸能量的效率為T(mén) = Tl。無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器重新掃描頻率可確定回波損耗R在/Cipt = 423MHz的最佳頻點(diǎn)達(dá)到最小值2%，傳輸效率T達(dá)到最大值98%。
[0041]本方案將多個(gè)被充電電子設(shè)備分布放置于一個(gè)封閉空間內(nèi)，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器通過(guò)在封閉空間內(nèi)激勵(lì)起微波頻段的電磁駐波對(duì)無(wú)線(xiàn)能量接收器傳輸能量。封閉空間的邊界由金屬或其它可以在特定一個(gè)或多個(gè)頻段內(nèi)對(duì)微波電磁波產(chǎn)生全反射的材料構(gòu)成，避免微波電磁波空間輻射損耗。采取頻率掃描搜索最佳工作頻點(diǎn)的方法，保證本發(fā)明提出的無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)不同數(shù)目和充電狀態(tài)的電子設(shè)備都能達(dá)到較高的充電效率。
[0042]需要說(shuō)明，上述描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。例如，無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器和接收器也可采用微帶線(xiàn)和線(xiàn)圈等耦合方式。封閉空間邊界也可以采用周期結(jié)構(gòu)的金屬網(wǎng)或超材料實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的全反射，防止電磁波的泄漏。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于:包括封閉空間、一個(gè)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器和至少一個(gè)無(wú)線(xiàn)能量接收器，所述封閉空間的邊界由金屬或者能夠?qū)σ欢l率范圍內(nèi)的微波電磁波產(chǎn)生全反射的材料構(gòu)成;所述無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器在所述封閉空間內(nèi)激勵(lì)形成微波電磁駐波，并通過(guò)一定范圍內(nèi)的頻率掃描搜索確定最佳工作頻點(diǎn)，所述無(wú)線(xiàn)能量接收器分布于所述微波電磁駐波的波腹及波腹附近位置，從電磁駐波中捕獲無(wú)線(xiàn)能量，并轉(zhuǎn)換成直流電能對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行充電。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器包括頻率可調(diào)微波源、耦合饋電單元、回波功率監(jiān)測(cè)單元、電磁波激勵(lì)單元;其中，頻率可調(diào)微波源用于生成無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射所需的微波能量;耦合饋電單元用于將微波源輸出的微波能量饋電至電磁波激勵(lì)單元的輸入端，同時(shí)將激勵(lì)單元的回波功率耦合至回波功率監(jiān)測(cè)單元的輸入端；電磁波激勵(lì)單元將輸入的微波能量轉(zhuǎn)換為封閉空間內(nèi)的微波電磁波；回波功率監(jiān)測(cè)單元用于監(jiān)測(cè)電磁波激勵(lì)單元端口處的回波損耗，根據(jù)回波損耗的大小判斷無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的效率和狀態(tài)，并據(jù)此輸出控制信號(hào)控制和優(yōu)化微波源的輸出頻率。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述無(wú)線(xiàn)能量接收器包括電磁波接收單元、射頻開(kāi)關(guān)、射頻-直流轉(zhuǎn)換單元和直流能量存儲(chǔ)單元；當(dāng)無(wú)線(xiàn)能量接收器需要接收無(wú)線(xiàn)能量時(shí)，射頻開(kāi)關(guān)處于開(kāi)狀態(tài)，電磁波接收單元接收微波能量，經(jīng)射頻開(kāi)關(guān)輸入至射頻-直流轉(zhuǎn)換單元;射頻-直流轉(zhuǎn)換單元將接收到的微波能量轉(zhuǎn)換為直流電源輸出，并將輸出能量存儲(chǔ)于直流能量存儲(chǔ)單元，用于為電子設(shè)備充電；當(dāng)無(wú)線(xiàn)能量接收器終止接收無(wú)線(xiàn)能量時(shí)，射頻開(kāi)關(guān)處于關(guān)狀態(tài)，電磁波接收單元與射頻-直流轉(zhuǎn)換單元之間的連接斷開(kāi)，電磁波接收單元將接收到的微波能量完全反射至周?chē)臻g。4.基于權(quán)利要求1所述的封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:首先，設(shè)定封閉空間的尺寸、形狀，選擇無(wú)線(xiàn)能量傳輸?shù)某跏碱l點(diǎn)，計(jì)算初始頻點(diǎn)電磁駐波波腹點(diǎn)的位置;然后，在電磁駐波波腹點(diǎn)的位置附近選擇無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的初始位置，將無(wú)線(xiàn)能量接收器設(shè)定在波腹點(diǎn)附近的一個(gè)或多個(gè)位置;無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器和無(wú)線(xiàn)能量接收器獨(dú)立工作，其中，所述無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的控制包括如下步驟: 步驟1、設(shè)定正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值、終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值； 步驟2、調(diào)節(jié)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的微波源輸出頻率，同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)射器激勵(lì)單元端口的回波損耗，并獲取最小回波損耗和最小回波損耗對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)； 步驟3、判斷步驟2中確定的最小回波損耗是否小于正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值，如果是，執(zhí)行步驟4，否則，判斷該回波損耗是否大于終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值，如果是，控制無(wú)線(xiàn)發(fā)射器終止無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射，否則，調(diào)節(jié)無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器的位置后，返回步驟2; 步驟4、控制無(wú)線(xiàn)能量發(fā)射器采用步驟3中確定的頻點(diǎn)發(fā)射微波能量，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前回波損耗，若監(jiān)測(cè)到回波損耗大于正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值，返回執(zhí)行步驟2; 所述無(wú)線(xiàn)能量接收器的具體控制方法如下: 控制所有無(wú)線(xiàn)能量接收器接收無(wú)線(xiàn)能量，實(shí)時(shí)檢測(cè)無(wú)線(xiàn)能量接收器對(duì)電子設(shè)備充電的狀態(tài)，如果任一無(wú)線(xiàn)能量接收器完成對(duì)電子設(shè)備充電時(shí)，控制該無(wú)線(xiàn)能量接收器中射頻開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，終止接收無(wú)線(xiàn)能量，直至所有無(wú)線(xiàn)能量接收器均終止接收無(wú)線(xiàn)能量。5.基于權(quán)利要求4所述的封閉空間內(nèi)無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:所述正常工作狀態(tài)回波損耗上限閾值和終止無(wú)線(xiàn)能量傳輸狀態(tài)回波損耗下限閾值能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整。
【文檔編號(hào)】H02J50/20GK106026317SQ201610327815
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月17日
【發(fā)明人】王薪, 陸明宇
【申請(qǐng)人】南京航空航天大學(xué)