一种基于分布式节点布局的无线传能系统的制作方法

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于分布式节点布局的无线传能系统。

背景技术：

目前无线电能传输技术快速发展，采用无线电能传输技术的设备也得到了一定规模的应用，目前主流的无线充电方式为线圈式，要求设备接收线圈和发射线圈在相距较近的范围内，同时一个发射线圈对应一个充电线圈，这种方式只能实现一对一无线传能，同时对设备的摆放有较高要求，运用易受空间限制。关于共振磁耦合无线电能传输的研究，绝大多数都集中于固定方向传输。随着物联网时代到来，越来越多的设备有供电需求，采用单方向无线电能传输的方式进行能量供应，需要与设备数相同数量的无线电能发射端和接收端，数量庞大，而且经济性差，同时单方向一对一无线电能传输限制了设备的运用范围，限制了无线电能传输的应用场景。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于分布式节点布局的无线传能系统。发明提出的采用分布式节点布局的无线传能结构，可以加大无线电能传输的范围，延长无线电能传输的距离，增大无线电能传输的功率，提高无线电能传输的效率，对在一定范围内移动的设备优化，使得无线电能传输方式更加灵活。

本发明的技术方案为一种基于分布式节点布局的无线传能系统，其特征在于：包括n个发射模块和接收模块，n≥2，且n为偶数；多个发射模块采用分布式节点布局，使得接收模块可以在一定的空间范围内移动，多个发射模块相互配合对接收模块进行优化供能。

所述接收模块分别与所述n个发射模块均通过磁耦合谐振式无线电能传输方式连接，并进行能量传递，且均工作在同一谐振频率下；

作为优选，所述的n个发射模块之间具备相互通讯的能力。

作为优选，所述的发射模块和接收模块之间具备相互通讯的能力。

作为优选，所述的n个发射模块通过相互配合为所述接收模块供能。

作为优选，所述的接收模块可以在一定的空间范围内自由移动，该空间可以根据实际情况选定。

作为优选，所述第i发射模块包括：电源模块、输出端口、检测电路模块、逆变模块、发射通讯模块、发射控制模块、发射补偿电容和发射线圈，i∈[1,n]；

所述的发射线圈、发射补偿电容、输出端口依次连接，所述的发射控制通讯模块、发射控制模块、逆变模块、检测电路模块、输出端口依次连接，所述的检测电路模块与所述的发射控制模块连接，所述电源模块分别与所述的逆变模块、发射通讯模块、发射控制模块依次连接；

作为优选，所述的电源模块的供电方式可以是交流电也可以是直流电。

进一步讲：所述的电源模块包括整流电路模块、滤波电路模块、控制电源电路模块；

所述整流电路模块与所述滤波电路模块连接，所述控制电源电路模块与所述整流模块连接。

作为优选，所述的整流电路模块可以是不可控整流电路模块、半控整流电路模块或全控整流电路模块。

作为优选，所述的滤波电路模块可以是无源滤波电路模块或有源滤波电路模块。

进一步讲：所述的无源滤波电路模块可以是电容滤波模块、电感滤波模块或复式滤波模块。

作为优选，所述的发射通讯模块可以是wifi模块、蓝牙模块、zigbee模块、红外线模块或移动蜂窝模块。

作为优选，所述的发射控制模块可以是基于嵌入式微处理器的控制电路也可以是其他具有控制功能的电路模块；

作为优选，所述的发射补偿电容可以单个电容、多个多并联电容、多个串联电容或同样起补偿作用的电路等。

作为优选，所述的发射线圈可以是平面线圈结构、螺线管线圈结构或其他起发射电磁波作用的线圈，可以是包含铁氧体结构也可以是不包含铁氧体结构。

作为优选，所述的接收模块包括：接收滤波电路模块、储能单元、dc-dc变换电路模块、输出滤波电路模块、输出端口、接收通讯模块和接收控制模块、接收补偿电容和接收线圈；

所述的接收线圈、补偿电容、接收滤波电路模块依次连接，所述接收滤波电路模块与所述dc-dc变换电路模块连接，所述储能单元与所述dc-dc变换电路模块连接，所述储能单元与所述输出滤波电路模块连接，所述输出滤波电路模块与所述输出端口连接，所述的接收通讯模块、接收控制模块、dc-dc变换电路模块依次连接，所述的接收控制模块和所述的储能单元连接。

作为优选，所述的接收滤波电路模块可以是无源滤波电路或有源滤波电路。

进一步讲：所述的无源滤波电路可以是电容滤波、电感滤波或复式滤波。

作为优选，所述的储能单元可以是可充电电池或不可充电电池，所述的储能单元可充电电池可以是锂电池或镍氢电池；所述的储能单元不可充电电池可以是锂锰电池或碱性锌锰电池。

作为优选，所述的dc-dc变换电路模块可以是升压电路或降压电路。

作为优选，所述的输出滤波电路模块可以是无源滤波电路或有源滤波电路。

进一步讲：所述的无源滤波电路可以是电容滤波、电感滤波或复式滤波。

作为优选，所述的输出端口可以是dc电源接口、usb接口、microusb接口或usbtypec接口。

作为优选，所述的接收通讯模块可以是wifi模块、蓝牙模块、zigbee模块、红外线模块或蜂窝移动数据模块。

作为优选，所述的接收控制模块可以是基于嵌入式微处理器的控制电路也可以是其他具有控制功能的电路模块；

作为优选，所述的接收补偿电容可以单个电容、多个多并联电容、多个串联电容或同样起补偿作用的电路。

进一步讲：所述的接收线圈可以是平面线圈结构、螺线管线圈结构或其他起发射电磁波作用的线圈，所述的接收线圈可以是包含铁氧体结构也可以是不包含铁氧体结构。

在使用时：所述第i发射模块接入电源，电源模块为多个发射模块其他组件提供电能：所述第i发射模块的电源模块中的整流电路模块可将交流电整流为直流电，直流电经过所述第i发射模块的电源模块中的滤波电路模块滤去高频杂波得到稳定的直流电，分别供给所述第i发射模块的电源模块中的控制电源电路模块、所述第i发射模块的逆变模块、所述第i发射模块的发射通讯模块、所述第i发射模块的发射控制模块。所述第i发射模块的电源模块用于提供所述第i发射模块的发射控制模块、发射通讯模块、逆变模块的工作电平。所述第i发射模块的逆变模块在所述第i发射模块的发射控制模块的控制下产生交流电。所述第i发射模块的发射通讯模块用于在发射模块、与所述接收模块的接收通讯模块之间建立通讯，所述第i发射模块的发射控制模块结合所述第i发射模块的发射通讯数据和检测电路模块反馈数据从而进行相应控制，所述第i发射模块的发射模块内的所有控制均由所述第i发射模块的发射控制模块进行控制。输出端口连接所述第i发射模块的发射线圈和所述第i发射模块的发射补偿电容，i∈[1,n]；

所述接收线圈接收所述多个发射线圈传递的电磁波，与所述接收补偿电容共同作用转变为电能，经过所述接收滤波电路模块滤去高频杂波得到稳定的直流电，供给所述dc-dc变换电路模块按供电需求进行相应变换，再经过所述输出滤波电路模块滤去高频杂波，后通过相应的所述输出端口为所述负载提供电能。所述储能单元的选择视实际需求而定，既可以选择不具有充电功能的储能模块也可选择具有充电功能的储能模块，若所述储能单元可充电则由输出滤波电路模块为其提供电能。所述接收通讯模块和所述接收控制模块的供电由接收储能单元供给。

一种根据基于分布式节点布局的无线传能系统进行基于分布式节点布局的无线传能方法，其特征在于：

基于所述n个发射模块的线圈中心和所述接收模块的线圈中心分别位于两个相互平行的平面内，进一步说明基于分布式节点布局的无线传能方法；

存在有n＝2m个发射模块，m≥1；

在一条轴线(-d，d)的范围内排列，接收模块rx可在所述多个发射模块轴线上方(-d，d)的范围内移动，发射线圈和接收线圈所在平面间的距离为z0，，则可以得到所述第k发射模块的发射线圈和所述第n发射模块的发射线圈之间的互感hn,k:

(k∈[1,2m],n∈[1,2m],k≠n)

所述第n发射模块的发射线圈和接收线圈之间的互感hn,0：

其中，dn,k为第k发射模块的发射线圈和所述第n发射模块的发射线圈之间的距离，dn,0为接收线圈和第n发射线圈之间的水平距离，是赛贝尔函数，μ为真空中磁导率，btx为发射线圈匝数，brx为接收线圈匝数，ecoil,tx是发射线圈线圈的平均半径，z0为发射线圈与接收线圈所在平面的垂直高度；

由此可以变换成带有互感的电路，

通过对电路求解，可得所述第n发射模块的功率pn和所述接收模块的功率p0为：

其中，ω为系统共振频率的角速度，为第n发射线圈中的电流，rrx,1为系统的总电阻，rrx为接收线圈电阻；

由于所述2m个发射模块总功率一定，所以可以改变所述第n(n∈[1,2m])发射模块的电流in使得p0有最大值，实际变为一个非凸二次约束二次规划问题，解出在in满足下式时p0取得最大值；

其中，pmax为发射模块最大功率，rtx为发射线圈电阻，通过预先设计各个发射线圈之间的距离dn,k，接收线圈与发射线圈平面的高度z0得到分布式节点布局，再控制in即实现对接收模块的最优化传输。

本发明优点在于，可以加大无线电能传输的范围，延长无线电能传输的距离，增大无线电能传输的功率，提高无线电能传输的效率，对在一定范围内移动的设备优化，使得无线电能传输方式更加灵活。

附图说明

图1：是本发明的系统框图；

图2：电源模块结构示意图；

1：发射模块；2：发射线圈；3：发射补偿电容；4：输出端口；5：检测电路模块；6：逆变模块；7：发射控制模块；8：发射通讯模块；9：电源模块；10：接收模块；11：接收线圈；12：接收补偿电容；13：接收滤波电路模块；14：dc-dc变换电路模块；15：储能单元；16：接收控制模块；17：接收通讯模块；18：输出滤波电路模块；19：输出端口；20：整流电路模块；21：滤波电路模块；22：控制电源电路模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示一种采用分布式节点布局的无线传能结构，包括n＝4个发射模块和接收模块，多个发射模块采用分布式节点布局，使得接收模块可以在一定的空间范围内移动，多个发射模块相互配合对接收模块进行优化供能。

所述接收模块分别与所述n个发射模块均通过磁耦合谐振式无线电能传输方式连接，并进行能量传递，且均工作在同一谐振频率下；

所述的n个发射模块之间具备相互通讯的能力。

所述的发射模块和接收模块之间具备相互通讯的能力。

所述的n个发射模块通过相互配合为所述接收模块供能。

所述的接收模块可以在一定的空间范围内自由移动，该空间可以根据实际情况选定。

所述第i发射模块包括：电源模块、输出端口、检测电路模块、逆变模块、发射通讯模块、发射控制模块、发射补偿电容和发射线圈，i∈[1,n]；

所述的发射线圈、发射补偿电容、检测电路模块、逆变模块输出端口依次串联连接，所述的发射控制通讯模块、发射控制模块、检测电路模块、逆变模块、检测电路模块、输出端口依次串联连接，所述的检测电路模块与所述的发射控制模块连接，所述电源模块分别与所述的检测电路模块、逆变模块、发射通讯模块、发射控制模块依次连接；作为优选，所述的电源模块的供电方式可以是交流电也可以是直流电。

进一步讲：所述的电源模块包括整流电路模块、滤波电路模块、控制电源电路模块；

所述整流电路模块与所述滤波电路模块连接，所述控制电源电路模块与所述整流模块连接。

所述的整流电路模块可以是不可控整流电路模块、半控整流电路模块或全控整流电路模块。

所述的滤波电路模块可以是无源滤波电路模块或有源滤波电路模块。

进一步讲：所述的无源滤波电路模块可以是电容滤波模块、电感滤波模块或复式滤波模块。

所述的发射通讯模块可以是wifi模块、蓝牙模块、zigbee模块、红外线模块或移动蜂窝模块。

所述的发射控制模块可以是基于嵌入式微处理器的控制电路也可以是其他具有控制功能的电路模块；

所述的发射补偿电容可以单个电容、多个多并联电容、多个串联电容或同样起补偿作用的电路等。

所述的发射线圈可以是平面线圈结构、螺线管线圈结构或其他起发射电磁波作用的线圈，可以是包含铁氧体结构也可以是不包含铁氧体结构。

所述的接收模块包括：接收滤波电路模块、储能单元、dc-dc变换电路模块、输出滤波电路模块、输出端口、接收通讯模块和接收控制模块、接收补偿电容和接收线圈；

所述的接收线圈、补偿电容、接收滤波电路模块依次串联连接，所述接收滤波电路模块与所述dc-dc变换电路模块储能单元连接，所述储能单元与所述dc-dc变换电路模块连接，所述储能单元dc-dc变换电路模块与所述输出滤波电路模块连接，所述输出滤波电路模块与所述输出端口连接，所述的接收通讯模块、接收控制模块、dc-dc变换电路模块依次串联连接，所述的接收控制模块和所述的储能单元连接。

所述的接收滤波电路模块可以是无源滤波电路或有源滤波电路。

进一步讲：所述的无源滤波电路可以是电容滤波、电感滤波或复式滤波。

所述的储能单元可以是可充电电池或不可充电电池，所述的储能单元可充电电池可以是锂电池或镍氢电池；所述的储能单元不可充电电池可以是锂锰电池或碱性锌锰电池。

所述的dc-dc变换电路模块可以是升压电路或降压电路。

所述的输出滤波电路模块可以是无源滤波电路或有源滤波电路。

进一步讲：所述的无源滤波电路可以是电容滤波、电感滤波或复式滤波。

所述的输出端口可以是dc电源接口、usb接口、microusb接口或usbtypec接口。

所述的接收通讯模块可以是wifi模块、蓝牙模块、zigbee模块、红外线模块或蜂窝移动数据模块。

所述的接收控制模块可以是基于嵌入式微处理器的控制电路也可以是其他具有控制功能的电路模块；

所述的接收补偿电容可以单个电容、多个多并联电容、多个串联电容或同样起补偿作用的电路。

进一步讲：所述的接收线圈可以是平面线圈结构、螺线管线圈结构或其他起发射电磁波作用的线圈，所述的接收线圈可以是包含铁氧体结构也可以是不包含铁氧体结构。

在具体实施方式实施时：

电源模块采用交流电供电，整流电路模块采用不可控整流电路模块，滤波电路模块采用无源滤波电路模块，采用电容滤波模块，发射通讯模块采用蓝牙模块，发射控制模块采用基于嵌入式微处理器的控制电路，发射补偿电容采用单个电容，发射线圈采用平面线圈结构，接收滤波电路采用无源滤波电路，采用电容滤波，储能单元采用锂电池，dc-dc变换电路采用升压电路，输出滤波电路模块采用无源滤波电路，采用电容滤波，输出端口采用dc电源接口，接收通讯模块采用蓝牙模块，接收补偿电容采用单个电容，接收线圈采用平面线圈结构。

所述整流模块选型为vi-261-cv，所述滤波电路模块选型为104，所述控制电源电路模块选型为lm2596s，所述输出端口选型为dg308，所述检测电路模块选型为lm224，所述逆变模块选型为gs66508b，所述发射通讯模块选型为hc-05-06-08-02，所述发射控制模块选型为tms320f28335，所述发射补偿电容选型为cbb，所述发射线圈选型为利兹线。

所述接收滤波电路模块选型为104，所述储能单元选型为18650，所述dc-dc变换电路模块选型为lm2596s，所述输出滤波电路模块选型为104，所述输出端口选型为dg308，所述接收通讯模块选型为hc-05-06-08-02，所述接收控制模块选型为tms320f28335，所述接收补偿电容选型为cbb，所述接收线圈选型为利兹线。

所述第i发射模块接入电源，电源模块为多个发射模块其他组件提供电能：所述第i发射模块的电源模块中的整流电路模块整流电路模块可将交流电整流为直流电，直流电经过所述第i发射模块的电源模块中的滤波电路模块滤去高频杂波得到稳定的直流电，分别供给所述第i发射模块的电源模块中的控制电源电路模块、所述第i发射模块的逆变模块逆变电源电路模块、所述第i发射模块的发射通讯模块、所述第i发射模块的发射控制模块、所述第i发射模块的检测电路模块和输出端口。所述第i发射模块的电源模块控制电源电路模块用于提供控制模块、所述第i发射模块的发射控制模块、发射通讯模块、检测电路逆变模块的工作电平。所述第i发射模块的逆变电源电路模块和逆变模块配合，在所述第i发射模块的发射控制模块的控制下产生交流电。所述第i发射模块的发射通讯模块用于在发射模块、与所述接收模块的接收通讯模块之间建立通讯，所述第i发射模块的发射控制模块结合所述第i发射模块的发射通讯数据和检测电路模块反馈数据从而进行相应控制，所述第i发射模块的发射模块内的所有控制均由所述第i发射模块的发射控制模块进行控制。输出端口连接所述第i发射模块的发射线圈和所述第i发射模块的发射补偿电容，i∈[1,n]；

所述接收线圈接收所述多个发射线圈传递的电磁波，与所述接收补偿电容共同作用转变为电能，供给接收控制模块，经过所述接收滤波电路模块滤去高频杂波得到稳定的直流电，供给所述dc-dc变换电路模块按供电需求进行相应变换，再经过所述输出滤波电路模块滤去高频杂波，后通过相应的所述输出端口为所述负载提供电能。所述储能单元的选择视实际需求而定，既可以选择不具有充电功能的储能模块也可选择具有充电功能的储能模块，若所述储能单元可充电则由输出滤波电路模块为其提供电能。所述接收通讯模块和所述接收控制模块的供电有两种选择，由接收输出滤波电路模块供给或由接收储能单元供给。在使用时：所述第i发射模块接入电源，电源模块为多个发射模块其他组件提供电能：所述第i发射模块电源模块中的的整流电路模块可将交流电整流为直流电，直流电经过所述第i发射模块的电源模块中的滤波电路模块滤去高频杂波得到稳定的直流电，分别供给所述第i发射模块的电源模块中的控制电源电路模块、所述第i发射模块的逆变模块、所述第i发射模块的发射通讯模块、所述第i发射模块的发射控制模块。所述第i发射模块的电源模块用于提供所述第i发射模块的发射控制模块、发射通讯模块逆变模块的工作电平。所述第i发射模块的逆变模块在所述第i发射模块的发射控制模块的控制下产生交流电。所述第i发射模块的发射通讯模块用于在发射模块、与所述接收模块的接收通讯模块之间建立通讯，所述第i发射模块的发射控制模块结合所述第i发射模块的发射通讯数据和检测电路模块反馈数据从而进行相应控制，所述第i发射模块的发射模块内的所有控制均由所述第i发射模块的发射控制模块进行控制。输出端口连接所述第i发射模块的发射线圈和所述第i发射模块的发射补偿电容，i∈[1,n]；

所述接收线圈接收所述多个发射线圈传递的电磁波，与所述接收补偿电容共同作用转变为电能，经过所述接收滤波电路模块滤去高频杂波得到稳定的直流电，供给所述dc-dc变换电路模块按供电需求进行相应变换，再经过所述输出滤波电路模块滤去高频杂波，后通过相应的所述输出端口为所述负载提供电能。所述储能单元的选择视实际需求而定，既可以选择不具有充电功能的储能模块也可选择具有充电功能的储能模块，若所述储能单元可充电则由输出滤波电路模块为其提供电能。所述接收通讯模块和所述接收控制模块的供电由接收储能单元供给。

一种根据基于分布式节点布局的无线传能系统进行基于分布式节点布局的无线传能方法，具体为：

发射线圈数n＝4，轴线范围d＝30cm，平面间距离z0＝10cm，发射线圈匝数btx＝10，接收线圈匝数brx＝10，发射线圈线圈的平均半径ecoil,tx＝2.5cm。

基于所述n个发射模块的线圈中心和所述接收模块的线圈中心分别位于两个相互平行的平面内，进一步说明基于分布式节点布局的无线传能方法；

存在有n＝2m个发射模块，m≥1；

在一条轴线(-d，d)的范围内排列，接收模块rx可在所述多个发射模块轴线上方(-d，d)的范围内移动，发射线圈和接收线圈所在平面间的距离为z0，，则可以得到所述第k发射模块的发射线圈和所述第n发射模块的发射线圈之间的互感hn,k:

(k∈[1,2m],n∈[1,2m],k≠n)

所述第n发射模块的发射线圈和接收线圈之间的互感hn,0：

其中，dn,k为第k发射模块的发射线圈和所述第n发射模块的发射线圈之间的距离，dn,0为接收线圈和第n发射线圈之间的水平距离，是赛贝尔函数，μ为真空中磁导率，btx为发射线圈匝数，brx为接收线圈匝数，ecoil,tx是发射线圈线圈的平均半径，z0为发射线圈与接收线圈所在平面的垂直高度；

由此可以变换成带有互感的电路，

通过对电路求解，可得所述第n发射模块的功率pn和所述接收模块的功率p0为：

其中，ω为系统共振频率的角速度，为第n发射线圈中的电流，rrx,1为系统的总电阻，rrx为接收线圈电阻；

由于所述2m个发射模块总功率一定，所以可以改变所述第n(n∈[1,2m])发射模块的电流in使得p0有最大值，实际变为一个非凸二次约束二次规划问题，解出在in满足下式时p0取得最大值；

其中，pmax为发射模块最大功率，rtx为发射线圈电阻，通过预先设计各个发射线圈之间的距离dn,k，接收线圈与发射线圈平面的高度z0得到分布式节点布局，再控制in即实现对接收模块的最优化传输。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。