基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统的制作方法
【专利摘要】一种平板型的基于磁谐振耦合的中距离无线能量传输系统，所述无线能量传输系统采用了平面化结构，能够通过印刷电路板的制板方式来进行加工。本实用新型还采用了线圈共面设计，通过将激励线圈（102）和发射端谐振线圈（101）置于介质基板的同一面，同时将负载线圈和接收端谐振线圈置于同一面，使得印刷板的底层可被用来添加可调电子元器件、匹配电路和整流稳压电路，提高了系统的集成度。本实用新型还采用了寄生结构，通过对谐振线圈采用寄生线圈，增强了磁耦合谐振线圈之间的耦合强度，提高了系统的传输效率和传输距离。本实用新型还提出了单点对多点无线电能传输系统的设计及应用方案，实现同时对多个消费电子产品、通讯设备和LED照明设备的无线充电或电能供给。
【专利说明】基于磁谐振閒合的中距离平板型无线电能传输系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于磁谐振禪合的中距离平板型无线电能传输系统，属无线电能 传输【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着电子、电气和自动化控制技术的不断发展，各种家电设备及3C设备 (Computer电脑、Communication通信设备和Consumerelectronics消费电子产品）已得 到了广泛普及，然而传统家电依赖电源线和电源插座之间的有线连接来实现供电，而采用 内置电池的新兴3C设备也需要充电线与电源插座之间的有线连接来进行充电，使得为该 些电子设备提供电能供给的电线随处可见。该些电线不仅占据了我们的活动空间，限制了 设备使用的方便性，同时还产生了安全用电的隐患。因此，随着人们对真正可无线使用" 的便携式设备和绿色能源系统的需求的不断增长，对于无线能量传输技术的研究和应用迅 速成为国内外学术界和工业界的焦点。目前，该技术已逐渐被应用于人们日常生活中的低 功耗电子产品中，替代原有的电源线来实现对设备的无线充电，给人们的生活带来额外的 便利。例如基于磁感应禪合技术的无线充电牙刷和无线充电毯。然而无线能量传输技术的 应用价值和市场潜力远远不止于此。例如无线能量传输技术在智能家居领域的应用将移颠 覆传统家电及新兴3C设备的使用模式，W住宅为平台，利用中距离无线能量传输技术、隐 藏布线技术W及自动控制技术彻底移除家居生活区域内所有电源线，对设备进行无线充电 或者持续电能供给，提升家居安全性、便利性、舒适性和艺术性，构建高效、环保、节能的居 住环境。另外，对于生物医学领域中的可用于诊疗的可植入医疗设备来说，考虑到对其进 行有线持续供电或充电的不方便性、不可行性甚至高危险性，无线能量传输技术的应用也 显得极为重要和关键；除此之外，无线能量传输技术物联网领域的应用也势在必行。一方 面，将无线能量传输技术应用于物联网四大核也技术中的无线传感器网络系统（Wireless SensorNetworks)，通过磁禪合的方式实现对传感器节点的无线供电，可W大大降低WSN的 运营和维护成本，提高传感测量和数据传输的有效性和可靠性；另一方面，无线能量传输技 术还可被用于物联网中的视频识别（RFID)系统，W提高无源RFID标签的读取范围和读取 效率，实现对RFID读取器和有源RFID标签的无线供电或充电。
[0003] 无线能量传输模式和机理大体可分为磁感应禪合方式、电磁福射方式和磁谐振禪 合方式。和前两种方式相比，磁禪合谐振方式在中远距离传输、安全性和传输效率上具有优 势。然而目前已公开的基于磁谐振禪合方式的无线能量传输系统均采用呈环形的铜芯导线 绕组来设计收发线圈，为立体结构，不仅剖面尺寸大、笨重，加工精度要求高，而且不利于系 统电路模块的集成化、小型化、加工成本较高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是，为了实现对便携式计算机、通讯产品、消费电子产品和LED照明 设备的无线充电或电能供给，本发明提出一种基于磁谐振禪合的中距离、平板型无线电能 传输系统的设计。
[0005] 本发明的技术方案是一种基于磁谐振禪合的中距离平板型无线电能传输系统，包 括用于无线电能的发射的发射模块，和用于无线电能的接收的接收模块。所述发射模块为 平板型结构，正面有同处一面的发射谐振线圈和激励线圈，背面有同处一面的发射端外环 寄生线圈和发射端内环寄生线圈；
[0006] 所述接收模块为平板型结构，正面有同处一面的接收谐振线圈和负载线圈，背面 有同处一面的接收端外环寄生线圈和接收端内环寄生线圈；
[0007] 由所述发射模块和接收模块组成的无线电能传输系统可W实现传输效率大于 75%、传输距离高于收发线圈截面尺寸的中距离无线电能传输。
[0008] 所述发射模块正面的发射谐振线圈和激励线圈为四方环形；发射谐振线圈位于平 面的外圈，激励线圈位于平面的内圈；背面的外环寄生线圈位于外圈，内环寄生线圈位于内 圈；打孔插针将寄生线圈结构与发射谐振线圈相联接。
[0009] 所述接收模块正面的接收谐振线圈和负载线圈为四方环形；接收谐振线圈位于平 面的外圈，负载线圈位于平面的内圈；背面的外环寄生线圈位于外圈，内环寄生线圈位于内 圈；打孔插针将寄生线圈结构与接收谐振线圈相联接。
[0010] 实现本发明的技术方案是，本发明对无线电能传输系统的收发端线圈采用印刷螺 旋线圈设计，并通过将发射端谐振线圈与发射端激励线圈共面，将接收端谐振线圈与接收 端负载线圈共面，设计了具有平面化结构的无线电能传输系统；通过对谐振线圈采用寄生 结构，提高系统收发线圈的品质因子怕值）；通过设计面向于不同应用的匹配电路、AC-DC 整流电路和DC-DC电压型稳压电路，并将它们整合于系统的接收端，来实现同时对多个消 费电子产品、通讯设备和L邸照明设备的无线充电或电能供给。
[0011] 本发明采用的是发射端谐振线圈与激励线圈共面、接收端谐振线圈与负载线圈共 面的设计，。采用共面设计不仅实现了系统收发端线圈组的一体化，提高的加工的方便性， 减少了板材的消耗；而且在采用了该技术方案后，收发端印刷电路板的底层可被用来添加 可调电子元器件、匹配电路和整流电路，提高了系统的集成度，降低了系统的插入损耗。
[0012] 本发明在发射端谐振线圈和发射端激励线圈的背面设置的寄生印刷螺旋线圈结 构，包括发射端外环寄生结构和发射端内环寄生结构；并利用打孔插针的方式将寄生线圈 结构与发射端谐振线圈相联接。在接收端谐振线圈和接收端负载线圈的背面设置的寄生印 刷螺旋线圈结构，包括接收端外环寄生结构和接收端内环寄生结构，并利用打孔插针的方 式将寄生线圈结构与接收端谐振线圈相联接。用W提高谐振线圈的品质因子和增强谐振线 圈之间的磁场禪合强度，从而提高系统的传输效率和传输距离，降低福射损耗。
[0013] 对于无线电能传输系统的收发端既可W采用对称设计也可W采用不对称设计，其 中对称设计指的是发射端线圈组和接收端线圈组的几何形状、尺寸和电参数均相同的设 计；而不对称设计是指发射端线圈组与接收端线圈组在几何形状、尺寸或电参数上不相同 的设计。
[0014] 本发明还提出了针对单点对多点无线电能传输的系统化设计方案，通过设计面向 于不同应用的匹配电路、AC-DC整流电路和DC-DC电压型稳压电路，将激励匹配电路、负载 匹配电路、整流稳压电路W及所有的电子元器件都可W加载在印刷板的底层，整合于系统 的接收端，来实现同时对多个消费电子产品、通讯设备和L邸照明设备的无线充电或电能 供给。
[0015] 本发明的有益效果是，本发明基于磁谐振禪合中距无线能量传输方案，设计了基 于四线圈结构的无线电能传输系统的收发端，系统整体品质较高；传输距离相同的情况下， 传输效率更高。本发明采用了印刷螺旋线圈的平面化设计方案，能够通过印刷电路板的制 板方式来加工系统的收发端线圈，实现了系统的小型化和集成化，极大的降低了系统的生 产、安装和维护成本；本发明提出了收发端谐振线圈与激励（负载）线圈共面的设计，在实 现系统的低剖面和进一步小型化的同时，提高了系统加工的灵活性和集成度；本发明中的 线圈结构的棱角都经过了平滑处理，降低了线圈的损耗电阻，提升了线圈的品质因子，提升 了系统的无线能量传输效率；本发明提出了添加寄生结构的设计，进一步提高了系统的传 输效率和传输距离；本发明还提出了针对不同应用设计不同的匹配电路、整流电路和稳压 电路的技术方案，并将它们与系统的接收端相整合，实现同时对多个消费电子产品、通讯设 备和LED照明设备的无线充电或电能供给。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为无线电能传输系统采用对称设计时，系统发射端正面结构图；
[0017] 图2为无线电能传输系统采用对称设计时，系统接收端正面结构图；
[0018] 图3为无线电能传输系统采用对称设计时，系统发射端背面结构图；
[0019] 图4为无线电能传输系统采用对称设计时，系统接收端背面结构图；
[0020] 图5为当无线电能传输系统采用不对称设计时，系统发射端和接收端的正面结构 图；
[0021] 图6为当无线电能传输系统采用不对称设计时，系统发射端和接收端的背面结构 图；
[0022] 图7为本发明中图1、图2和图3、图4所示的设计工作在不同频率下时，传输无线 能量的效率图；
[0023] 图8为本发明中图1、图2和图3、图4所示的设计在不同传输距离时传输无线能 量的效率图；
[0024] 图9为本发明中图5和图6所示的设计在不同传输距离时传输无线能量的效率 图；
[0025] 图10为本发明所提出的单点对多点无线电能传输系统的设计方案示意图；
[0026] 图1中，101为发射端谐振线圈，102为发射端激励线圈；Rf为发射端正面结构的中 也点到发射端谐振线圈101外沿之间的距离，Ri为发射端的正面结构的中也点到激励线圈 102外沿之间的距离，Wi为激励线圈102中微带线的宽度，S为发射端谐振线圈101中相邻 微带线之间的距离，Wf为发射端谐振线圈101中微带线的宽度。
[0027] 图2中103为接收端谐振线圈，104为接收端负载线圈。由于采用了对称设计，系 统接收端谐振线圈和负载线圈的几何结构、物理尺寸和电参数分别与101和102相同。
[002引图3中201为发射端外环寄生结构，202为发射端内环寄生结构。Vias为连接寄 生环和谐振线圈101的短路针，Rp为背面结构中也点到最外层寄生结构外沿的最短距离，Sp 为寄生结构中相邻微带线之间的距离，Wp为寄生结构中微带线的宽度。203为接收端外环 寄生结构，204为接收端内环寄生结构。
[0029] 图4中，由于采用了对称设计，系统接收端的外环、内环寄生线圈的几何结构、物 理尺寸和电参数分别与203和204相同。
[0030] 图5中301为激励线圈，302为发射端谐振线圈，303为负载线圈，304为接收端谐 振线圈，305为用W连接接收端谐振线圈和印刷板背面的集成电路、电子元件的短路针，306 为用W连接发射端谐振线圈和印刷板背面的集成电路、电子元件的短路针。Rixt为发射端正 面结构的中也点到发射端谐振线圈302外沿之间的距离，Rtxi为发射端的正面结构的中也 点到激励线圈301外沿之间的距离，Wtxi为激励线圈301中微带线的宽度，St&为发射端谐 振线圈302中相邻微带线之间的距离，Wtx,为发射端谐振线圈302中微带线的宽度。Rcxi为 本发明的接收端正面结构的中也点到负载线圈303外沿之间的距离，馬&为接收端的正面 结构的中也点到接收端谐振线圈304外沿之间的距离，Wcxi为负载线圈303中微带线的宽 度，Scxt为接收端谐振线圈304中相邻微带线之间的距离，Wext为接收端谐振线圈304中微 带线的宽度。
[0031] 图6中401为发射端背面微带线路，用W连接图3中短路针306和发射端背面的 集成电路、电子元件；402为发射端可调电容；403为接收端背面微带线路，用W连接图3中 短路针305和接收端背面的集成电路、电子元件；404为接收端可调电容；405、406分别为 图3中的短路针305和306。
[0032] 图7中包含了本发明在无寄生结构时的理论方法计算结果，无寄生结构时的电磁 仿真结果，有寄生结构情况下的电磁仿真结果，无寄生机构情况下的实测结果和有寄生结 构情况下的实测结果。
[0033] 图8中分别显示了本发明在无寄生结构情况下的实测结果和有寄生结构情况下 的实测结果。
[0034] 图9中显示的是本发明在采用不对称结构、无寄生结构时的实测结果。
[0035] 图10中，901为220V?50化家用交流电源；902为发射端AC(交流）-DC(直流） 整流器；903为发射端DC(直流）-DC(直流）稳压电路，其中电压输出为3. 3V,电流输出为 100mA;904为信号发生模块，产生13. 56MHz正弦波信号；905为射频功率放大模块；906为 发射端线圈组；907为多点接收线圈组；908为对应不同应用的匹配电路网络；909为接收 端对应不同应用的AC-DC整流电路；910为接收端对应不同应用的DC-DC稳压电路；911为 不同消费电子产品、通讯设备和L邸照明设备。
【具体实施方式】
[0036] 如图1至图6所示，本发明实施例中的所有结构均为平面化结构，传输端谐振线 圈、接收端谐振线圈、激励和负载线圈均采用印刷电路板工艺加工而成，为附着在介质板材 上的金属片。本发明通过采用共面设计，将发射谐振线圈和激励线圈放置于同一平面，且将 接收谐振线圈和负载线圈放置于同一平面，然后在印刷板的另一面添加匹配电路、整流稳 压集成电路和相关电子元器件。
[0037] 本发明的无线能量传输系统由发射模块和接收模块两部分组成，分别联接激励电 路和负载电路，发射和接收模块均采用双层结构的印刷电路板设计。图1和图2为采用对 称设计时的无线电能传输系统的发射模块和接收模块的正面结构图；图3和图4为采用对 称设计时系统的发射模块和接收模块的背面结构图；图5是当采用不对称设计时，系统的 发射模块和接收模块的正面结构图；图6是当采用不对称设计时，系统的发射模块和接收 模块的背面结构图。
[003引实施例1;采用对称线圈结构的平板型磁谐振禪合无线电能传输系统
[0039] 发射模块和接收模块的正面结构图分别如图1和图2所示，背面无任何金属片附 着。
[0040] 根据图1和图2所示结构图中的符号标识，并结合实际的应用需求，对此实施例中 的设计采用如下几何参数和电气参数：
[0041] 表1实施例1发射模块和接收模块的几何参数和电气参数 「004引
【权利要求】
1. 一种基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，其特征在于，包括 发射模块，用于无线电能的发射； 接收模块，用于无线电能的接收； 所述发射模块为平板型结构，正面有同处一面的发射谐振线圈和激励线圈；背面有同 处一面的发射端外环寄生线圈和发射端内环寄生线圈； 所述接收模块为平板型结构，正面有同处一面的接收谐振线圈和负载线圈；背面有同 处一面的接收端外环寄生线圈和接收端内环寄生线圈。
2. 根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，其特 征在于，所述发射模块正面的发射谐振线圈和激励线圈为四方环形；发射谐振线圈位于平 面的外圈，激励线圈位于平面的内圈；背面的外环寄生线圈位于外圈，内环寄生线圈位于内 圈；打孔插针将寄生线圈结构与发射谐振线圈相联接。
3. 根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，其特 征在于，所述接收模块正面的接收谐振线圈和负载线圈为四方环形；接收谐振线圈位于平 面的外圈，负载线圈位于平面的内圈；背面的外环寄生线圈位于外圈，内环寄生线圈位于内 圈；打孔插针将寄生线圈结构与接收谐振线圈相联接。
4. 根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，其特征 在于，所述发射模块和接收模块既可以采用对称结构也可以采用不对称结构，其中对称结 构指的是发射端线圈组和接收端线圈组的几何形状、尺寸和电参数均相同的结构；不对称 结构是指发射端线圈组与接收端线圈组在几何形状、尺寸或电参数上不相同的结构。
5. 根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，其特征 在于，所述发射模块和接收模块的线圈结构的棱角处为光滑圆弧结构。
6. 根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，其特征 在于，所述发射模块将激励匹配电路加载在印刷板的底层；所述接收模块将负载匹配电路、 整流稳压电路以及所有的电子元器件加载在印刷板的底层。
7. 根据权利要求1所述的基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，其特征 在于，添加了寄生线圈结构时，发射模块和接收模块的几何参数和电气参数如下： 发射端正面结构的中心点到发射端谐振线圈外沿之间的距离Rr为50mm; 发射端的正面结构的中心点到激励线圈外沿之间的距离Rl为25~33mm ; 激励线圈中微带线的宽度胃1为2. 1~2. 8 mm ; 发射端谐振线圈中微带线的宽度\\为5. 9~6. 8mm ; 发射端谐振线圈101中相邻微带线之间的距离S为3. 2~4. 5mm ; 谐振电容值为20(T250pF ; 背面结构中心点到最外层寄生结构外沿的最短距离Rp为50mm ; 寄生结构中相邻微带线之间的距离Sp为3. (Γ4. 6mm ; 寄生结构中微带线的宽度Wp为5. 9~6. 6mm。
8. 根据权利要求4所述的基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，其特征 在于，采用对称设计时，发射模块和接收模块的几何参数和电气参数如下： 发射端正面结构的中心点到发射端谐振线圈外沿之间的距离Rr为50mm ; 发射端的正面结构的中心点到激励线圈外沿之间的距离Rl为25~33mm ; 激励线圈中微带线的宽度胃1为2. 1~2. 8 mm ; 发射端谐振线圈中微带线的宽度Wjt为5. 9~6. 8mm ; 发射端谐振线圈101中相邻微带线之间的距离S为3. 2~4. 5mm ; 谐振电容值为200?250pF。
9. 根据权利要求4所述的基于磁谐振耦合的中距离平板型无线电能传输系统，其特征 在于，采用不对称线圈结构时，发射模块和接收模块的几何参数和电气参数如下： 发射端正面结构的中心点到发射端谐振线圈外沿之间的距离RTa为IOOmm ; 发射端的正面结构的中心点到激励线圈外沿之间的距离为43~58mm ; 激励线圈中微带线的宽度WTX;S 3. 4~5. Omm ; 发射端谐振线圈中相邻微带线之间的距离ST&为11. 9~14. 2mm; 发射端谐振线圈中微带线的宽度Wtxi.为7. 1-8. 5mm ; 本发明的接收端正面结构的中心点到负载线圈外沿之间的距离Rrk为14. 接收端的正面结构的中心点到接收端谐振线圈外沿之间的距离为25mm; 负载线圈中微带线的宽度Wrk为0. 8~1. 4mm; 接收端谐振线圈中相邻微带线之间的距离SK&为0. 79~1. 32mm; 接收端谐振线圈中微带线的宽度Wrxi为I. 7~2. 6mm; 发射端可调电容为30?50pF ; 接收端可调电容为19(T240pF。
【文档编号】H02J17/00GK204179761SQ201420621475
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】喻易强, 朱拉里 法瑞德., 陈志璋 申请人:喻易强, 陈志璋