一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统.pdf

本发明公开了一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统，包括可调高频电源系统、能量发射总谐振器、无线供电线圈阵列、高频补偿可调电容、多能量转换型直流稳压系统、电压采集反馈模块及多负载阵列。多能量转换型直流稳压系统采用电磁能-磁势能-机械能-电能的能量转化方式将能量供给负载。解决了小功率负载节点的供电电压不稳定、供电方式局限性的问题，特别是物联网系统下传感器节点或人体植入性设备等供电难、换电池烦的问题，且供电性能稳定，不存在常规整流稳压系统中所出现的关断虚高电压及导通过电流特性，抗干扰能力强。

权利要求书1.  一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统，其特征在于：包括可调高频 电源系统、能量发射总谐振器、无线供电线圈阵列、若干多能量转换型直流稳压系统及 多负载阵列；所述可调高频电源系统用于输出功率可调的高频交流电到所述能量发射总 谐振器，所述能量发射谐振器通过磁谐振方式将电能发送到所述无线供电线圈阵列；所 述无线供电线圈阵列包括若干个能量无线接收装置，每个能量无线接收装置的电能输出 端对应连接一个多能量转换型直流稳压系统； 其中，所述每个多能量转换型直流稳压系统包括用软铁材料制备的可磁化磁极、硬 磁铁、多层压电储能系统以及储能电容器；所述可磁化磁极、硬磁铁、多层压电储能系 依次设置在能量无线接收装置一侧，并与无线接收装置的供电线圈同心轴设置；所述硬 磁铁紧贴多层压电储能系统的压电片，多层压电储能系统的电能输出端连接所述储能电 容器的输入端，所述储能电容器的输出端连接所述多负载阵列中的一个负载节点。 2.  根据权利要求1所述的一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统，其特 征在于：所述可磁化磁极为“工”字形结构，其主体为圆柱结构，圆柱结构两端面的圆 面积为分别为圆柱体横截面的1.5倍。 3.  根据权利要求1或2所述的一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统， 其特征在于：所述每个多能量转换型直流稳压系统还包括电压采集反馈模块，所述电压 集反馈模块用于采集多层压电储能系统输出电压大小并与负载节点所需电压做比较后， 反馈控制信号到所述可调高频电源系统。

说明书一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统
技术领域
本发明涉及一种无线充电技术，特别是涉及一种小功率多负载无线供电自适应直流 稳压系统。
背景技术
近年来，随着人们生活水平的不断提高和探索物质世界的逐渐深入，人们对电能的 传输方式和传输质量也有了新的要求。传统的电能传输主要是由导线或导体直接接触进 行的，接触产生的火花、滑动磨损、碳积累及带电导体裸露等带来了一系列问题。无线 电能传输是一种利用无线电传输电能的技术，最早由尼古拉特斯拉提出，与传统的电能 传输方式相比，无线电能传输的过程中供电和用电之间不存在电的直接连接，避免了裸 露导体和接触火花，具有使用安全、方便等优点，因而受到了广大研究工作者的关注和 重视。无线电能传输技术应用领域非常广泛，特别是在军事、矿山、水下、医疗、石油、 交通等特殊和恶劣环境下具有广泛的应用前景。因此，对于无线电能传输技术的研究有 着非常深远的意义。
小功率负载特别是例如传感器节点的供电方式多半采用换电池的方式，较为单一， 不实用，同时，电池寿命有限，大规模的更换电池不仅耗费大量的人力、财力，对环境 存在极大的污染，而且特殊场合下的小功率负载电池不容易更换，甚至会造成人身财产 安全的损害。出于以上供电环境的考虑，在特殊场合下的小功率负载进行供电可采用锂 电池作为辅助电源，这样极大的延长了电池的生命周期，同时也能保证各小功率负载的 正常工作。特别需要指出的是，负载电池所需的是直流电能的注入，而无线电能传输系 统传输的能量为高频电能，其频率与传输距离存在一定的关系，一般在几百kHz到几 MHz不等，不能被电池直接受用。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系 统，可为多个小功率负载提供稳定直流电能。
技术方案：一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统，包括可调高频电源系 统、能量发射总谐振器、无线供电线圈阵列、若干多能量转换型直流稳压系统及多负载 阵列；所述可调高频电源系统用于输出功率可调的高频交流电到所述能量发射总谐振 器，所述能量发射谐振器通过磁谐振方式将电能发送到所述无线供电线圈阵列；所述无 线供电线圈阵列包括若干个能量无线接收装置，每个能量无线接收装置的电能输出端对 应连接一个多能量转换型直流稳压系统；
其中，所述每个多能量转换型直流稳压系统包括用软铁材料制备的可磁化磁极、硬 磁铁、多层压电储能系统以及储能电容器；所述可磁化磁极、硬磁铁、多层压电储能系 依次设置在能量无线接收装置一侧，并与无线接收装置的供电线圈同心轴设置；所述硬 磁铁紧贴多层压电储能系统的压电片，多层压电储能系统的电能输出端连接所述储能电 容器的输入端，所述储能电容器的输出端连接所述多负载阵列中的一个负载节点。
作为本发明的优选方案，所述可磁化磁极为“工”字形结构，其主体为圆柱结构， 圆柱结构两端面的圆面积为分别为圆柱体横截面的1.5倍。
进一步的，所述每个多能量转换型直流稳压系统还包括电压采集反馈模块，所述电 压集反馈模块用于采集多层压电储能系统输出电压大小并与负载节点所需电压做比较 后，反馈控制信号到所述可调高频电源系统。
有益效果：本发明的一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统，通过多能量 转换型直流稳压系统将无线电能传输系统中的高频电磁能经过电磁能-磁势能-机械能- 电能的能量转换方式转换为负载所需电压等级的直流电能，同时通过电压采集反馈模块 自适应增加电源端的输出功率，在保证负载正常工作的前提下，高效的利用电能，避免 造成能源的浪费。多能量转换型直流稳压系统既可以将高频电能隔离式输出，又可以避 免不同负载接入对无线电能传输系统输出性能的影响。易磁化高饱和度软铁材料在高频 磁场下被磁化，形成磁极，将电磁能转化为磁势能，并将磁势能以磁推力的形式转化为 高强度硬磁铁的机械能，这将高频电磁能转化为了磁势能，最终以机械能的形式输出， 这是第一级负载接入与系统功率输出的隔离系统，避免了负载接入而带来的阻抗不匹配 问题。高强度硬磁铁紧贴并压迫高能密多层压电储能系统，同时将机械能转化为电能， 这是第二级隔离系统。
附图说明
图1是一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统结构示意图；
图2可磁化磁极结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统，包括可调高频电源 系统、能量发射总谐振器、无线供电线圈阵列、若干多能量转换型直流稳压系统及小功 率多负载阵列。可调高频电源系统用于将市电转化为无线电能传输系统用的高频电能， 将功率可调的高频交流电发送至能量发射总谐振器。能量发射总谐振器包括高频补偿可 调电容及能量发射线圈，通过调节高频补偿可调电容使得能量发射总谐振器处于谐振状 态下，将高频电能转化为高频电磁能。无线供电线圈阵列包括若干个能量无线接收装置， 每个能量无线接收装置由一个供电线圈与一个高频补偿可调电容串联连接构成。无线供 电线圈阵列中的每个供电线圈阵列与能量发射线圈呈平行排列，并使得每个供电线圈与 能量发射线圈距离一致，调节每个供电线圈串联的高频补偿可调电容使得其谐振频率与 可调高频电源系统工作频率及能量发射总谐振器的谐振频率三者保持相同，通过电磁谐 振耦合方式接收能量发射总谐振器发出的高频电磁能。
其中，每个多能量转换型直流稳压系统包括用软铁材料制备的可磁化磁极、硬磁铁、 多层压电储能系统、储能电容器以及电压采集反馈模块。可磁化磁极、硬磁铁、多层压 电储能系统依次设置在能量无线接收装置一侧，并与无线接收装置的供电线圈同心轴设 置。可磁化磁极和多层压电储能系统固定设置，硬磁铁紧贴多层压电储能系统的压电片， 多层压电储能系统的电能输出端连接储能电容器的输入端，储能电容器的输出端连接多 负载阵列中的一个负载节点。其中，可磁化磁极采用易磁化高饱和度的软铁材料制备， 硬磁铁为高强度硬磁铁。如图2所示，可磁化磁极为“工”字形结构，其主体为圆柱结 构，为了保证磁化速度与磁推力强度，圆柱结构两端面的圆面积为分别为圆柱体横截面 的1.5倍，圆柱结构一个端面紧贴多层压电储能系统的压电片。其中，可磁化磁极、硬 磁铁、多层压电储能系统以及储能电容器的尺寸及电气特性可根据实际需要选择。
每个能量无线接收装置的电能输出端对应连接一个多能量转换型直流稳压系统，能 量无线接收装置将接收的电能磁化可磁化磁极，易磁化高饱和度软铁材料在高频磁场下 被磁化，形成磁极，将电磁能转化为磁势能；具有磁势能的可磁化磁极以磁推力的形式 转化为高强度硬磁铁的动能，硬磁铁压迫多层压电储能系统的高能密压电片，将机械能 转化为电能；多层压电储能系统的电能输出端连接储能电容器的输入端，储能电容器储 存用于存储高能密多层压电储能系统产生的电能，储能电容器的输出端连接小功率多负 载阵列中的一个负载节点，输出电能供给小功率负载使用。为了能使多层压电储能系统 快速动作，且保证磁推能最大化，本系统的工作频率应为软铁材料磁化饱和频率。
每个多能量转换型直流稳压系统中的电压采集反馈模块为单输入通道单输出通道 实时采集控制模块，该模块并接于一个高能密多层压电储能系统两端，实时采集高能密 多层压电储能系统输出电压大小。本实施例中，小功率多负载阵列由若干锂电池组成， 一个小功率负载对应一个无线供电线圈，并通过一个多能量转换型自适应直流稳压系统 与供电线圈隔离连接。当每个电压采集反馈模块采集到的电压Vg均大于所对应负载节 点电压Vs时，系统正常工作；当其中任意电压采集反馈模块采集到的电压Vg小于负 载节点所需电压Vs时，该电压采集反馈模块发送控制信号给高频电源系统，驱动可调 高频电源系统增加输出功率，使得输出的Vg＞Vs，实现自适应调节可调高频电源系统 的输出功率。其中，每个多能量转换型直流稳压系统中的储能电容器能够对高能密多层 压电储能系统输出的电压进行适配调节，使其满足其连接负载的电压等级。
与现有技术相比，本发明的小功率多负载无线供电自适应直流稳压系统具有如下特 点：1、在无线电能传输系统中采用多能量转换概念，将不易控制的高频电磁能通过多 种形式能的转化，最终得到电压等级可控的直流电能，满足小功率负载的要求。2、利 用易磁化高饱和度软铁材料及高强度硬磁铁将电磁能转化为磁势能，并将磁势能以磁推 力的形式转化为高强度硬磁铁的机械能，这是第一级负载接入与系统功率输出的隔离系 统。3、采用高强度硬磁铁紧贴并压迫高能密多层压电储能系统，将机械能转化为电能， 这是无线电能传输系统中的能量二次转换装置，也是二次隔离输出装置，是直流负载的 直接电能来源。4、本发明提供的无线电能传输系统的自适应直流稳压系统可为多个小 功率负载提供所需电压等级的稳定直流电能，且可随着负载节点接入的变动，自适应增 加或减少所需注入的高频电能，供电性能稳定，不存在常规整流稳压系统中所出现的关 断虚高电压及导通过电流特性，抗干扰能力强。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。