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
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于磁谐振耦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Consumer electronics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，使得为这 些电子设备提供电能供给的电线随处可见。这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，随着人们对真正可以"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宄和应用迅 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。例如基于磁感应耦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，以住宅为平台，利用中距离无线能量传输技术、隐 藏布线技术以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心技术中的无线传感器网络系统（Wireless Sensor Networks)，通过磁親合的方式实现对传感器节点的无线供电，可以大大降低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，以提高无源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耦合方式、电磁辐射方式和磁谐振耦 合方式。和前两种方式相比，磁耦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耦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耦合的中距离、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耦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以实现传输效率大于 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（Q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LED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。用以提高谐振线圈的品质因子和增强谐振线 圈之间的磁场耦合强度，从而提高系统的传输效率和传输距离，降低辐射损耗。
[0013] 对于无线电能传输系统的收发端既可以采用对称设计也可以采用不对称设计，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、整流稳压电路以及所有的电子元器件都可以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LED照明设备的无线充电或电能 供给。
[0015] 本发明的有益效果是，本发明基于磁谐振耦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。
【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；R,为发射端正面结构的中 心点到发射端谐振线圈101外沿之间的距离，&为发射端的正面结构的中心点到激励线圈 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，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。
[0028] 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，R p为背面结构中心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，WpS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为用以连接接收端谐振线圈和印