一種具有多負(fù)載隔離特性的可拓展無(wú)線(xiàn)充電墊的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種具有多負(fù)載隔離特性的可拓展無(wú)線(xiàn)充電墊，包括逆變交流電源、K變換器、平面發(fā)射墊、無(wú)線(xiàn)能量接收器；K變換器由T型或者π型LC電路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；平面發(fā)射墊由平面發(fā)射線(xiàn)圈以及發(fā)射線(xiàn)圈調(diào)諧電容串聯(lián)構(gòu)成，并粘附固定在絕緣材料的軟墊上；無(wú)線(xiàn)能量接收器由接收線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈調(diào)諧電容以及負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成，放置在發(fā)射墊上；逆變交流源通過(guò)K變換器與平面發(fā)射墊通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)，接收線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈調(diào)諧電容串聯(lián)，并通過(guò)輸出端口與負(fù)載電路相連。本實(shí)用新型容易實(shí)施，效果顯著。待充電負(fù)載的無(wú)線(xiàn)能量接收器可以任意放置在充電區(qū)域里而不受其他充電負(fù)載影響；同時(shí)提高充電面積利用率，且擴(kuò)展和拼接后不影響負(fù)載隔離效果。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種具有多負(fù)載隔離特性的可拓展無(wú)線(xiàn)充電墊
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型屬于無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電子產(chǎn)品的日益增多，一個(gè)方便的家用充電平臺(tái)被迫切需求。作為一種新的 技術(shù)，無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)可W很好滿(mǎn)足運(yùn)個(gè)需求。在運(yùn)些無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)中，磁諧振禪合 式無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)由于它的安全、中距離傳輸和高效率等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的看好。因此，利用運(yùn)項(xiàng) 技術(shù)可W很好地做成一個(gè)家用無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)。
[0003] 傳統(tǒng)的多負(fù)載無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)是利用一個(gè)大的發(fā)射線(xiàn)圈和多個(gè)小的接收線(xiàn)圈構(gòu)成 的。在運(yùn)個(gè)系統(tǒng)中，接收線(xiàn)圈非常容易受到其它接收線(xiàn)圈的干擾而無(wú)法穩(wěn)定的工作。在目前 已有的研究成果中，多數(shù)是利用在負(fù)載端接一個(gè)匹配的電路的方法來(lái)減小干擾。但是，對(duì)于 一個(gè)負(fù)載相對(duì)較多的系統(tǒng)，運(yùn)種方法顯得比較麻煩且很不實(shí)用。同時(shí)，在已有的一些可擴(kuò)展 的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中，由于擴(kuò)展結(jié)構(gòu)特殊，需要大面積覆蓋W保證均勻充電或者有需要 特定的擴(kuò)展位置和方式，使得系統(tǒng)的擴(kuò)展十分的繁瑣。
[0004] 在專(zhuān)利號(hào)CN104159A提出的具有負(fù)載隔離特性的多負(fù)載均勻充電平臺(tái)中，利用特 殊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一個(gè)3D的均勻充電空間，多個(gè)負(fù)載可W任意擺放，且充電時(shí)互不影響；同時(shí)， 該平臺(tái)可W在垂直方向擴(kuò)充W容納更多的負(fù)載。但是，該平臺(tái)結(jié)構(gòu)的充電面積利用率較低， 傳輸效率隨著擴(kuò)充而降低，且只適合應(yīng)用于特定的場(chǎng)合。
[0005] 文獻(xiàn)"M巧er P, Germano P, Markovic M, et al. Design of a contactless energy transfer system for desktop peripher曰ls[J]. Industry Applications IEEE Transactions on, 2011, 47(4): 1643-1651"基于平面螺旋四邊形提出一種可用于多負(fù)載 供電的多層陣列式原邊磁能發(fā)射網(wǎng)，該結(jié)構(gòu)為可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，但由于單層陣列結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)分布 不均勻，所W需要用多層大面積覆蓋的方式相互補(bǔ)償W保證負(fù)載可W在任意位置充電，在 應(yīng)用上極為的不方便。同時(shí)，文獻(xiàn)"Zhong W X，Liu X，Hui S Y R. A Novel Single- Layer Winding Array and Receiver Coil Structure for Contactless Battery Charging Systems With Free-Positioning and Localized Charging Features[J]. Industrial Electronics IE邸 Transactions on, 2011, 58(9) :4136-4144"提出了一種 帶鐵忍的單層繞線(xiàn)陣列的磁能發(fā)射網(wǎng)，接收端可W任意擺放，發(fā)射網(wǎng)也能夠擴(kuò)展，由于每一 個(gè)擴(kuò)展單元的鐵忍材料和位置都有要求使得工藝要求高和實(shí)施難度大。文獻(xiàn)"習(xí)寅亮.產(chǎn) 生均勻磁場(chǎng)的無(wú)線(xiàn)充電平臺(tái)中初級(jí)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].北京郵電大學(xué)，201Γ基于感應(yīng)式 無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)提出了一種能夠產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的初級(jí)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)，并通過(guò)仿真得到了驗(yàn) 證，同時(shí)，為了結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展對(duì)初級(jí)線(xiàn)圈進(jìn)行了改進(jìn)。然而，W上Ξ個(gè)文獻(xiàn)中對(duì)多個(gè)負(fù)載間的 干擾與隔離沒(méi)有詳細(xì)討論，甚至沒(méi)討論，僅僅在于系統(tǒng)擴(kuò)展和負(fù)載擺放可W忽略位置。同 時(shí)，Ξ個(gè)文獻(xiàn)都是基于感應(yīng)式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)，使得充電距離僅為一張二維平面，離開(kāi)即 不能充電，因此無(wú)法更廣泛的應(yīng)用。
[0006] 在"Kim J, Son Η C, Kim D H, et al. Impedance matching considering cross coupling for wireless power transfer to multiple receivers[C]. Wireless Power Transfer. 2013:226-229'/ "Kim J, Kim D H, Park Y J. Analysis of Capacitive Impedance Matching Networks for Simultaneous Wireless Power Transfer to Multiple Devices[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015，62(5):2807-2813"W及巧an K K, Chuan B T, Imura T, et al. Impedance matching and power division algorithm considering cross coupling for wireless power hansfer via ma 即 etic resonance!! J]. 2012:1-5"等文獻(xiàn)中，多數(shù)利用負(fù)載端接 一個(gè)匹配的電路的方法來(lái)減小多負(fù)載間的交叉干擾。但是，在一個(gè)負(fù)載相對(duì)較多的系統(tǒng)中， 運(yùn)種方法顯得十分麻煩且很不實(shí)用。因此需要一種方便的負(fù)載隔離方案，讓負(fù)載端無(wú)需匹 配電路。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在單源單負(fù)載或單源多負(fù)載應(yīng)用時(shí)充電 平臺(tái)不可擴(kuò)展W及多接收負(fù)載的狀態(tài)彼此相互干擾等問(wèn)題，提出一種新型的具有多負(fù)載隔 離特性的可擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)充電墊。
[0008] 本實(shí)用新型通過(guò)K變換器并聯(lián)到同一逆變電源兩端的多個(gè)充電墊，可W在X軸和Y 軸方向W平鋪的方式擴(kuò)展和拼接出更大的面積W容納接收線(xiàn)圈占用面積更大和數(shù)目更多 的負(fù)載。通過(guò)無(wú)縫的拼接，每個(gè)充電墊的邊角連接處都能得到充分的利用，有效提高充電墊 面積利用率;擴(kuò)展和拼接后，多充電墊無(wú)線(xiàn)充電結(jié)構(gòu)仍然保持多負(fù)載隔離特征。在多個(gè)負(fù)載 同時(shí)充電時(shí)，充電負(fù)載的接收線(xiàn)圈可W實(shí)現(xiàn)很好的隔離，充電互不影響。
[0009] 本實(shí)用新型通過(guò)W下技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0010] 本實(shí)用新型包括逆變交流電源、K變換器、平面發(fā)射墊、無(wú)線(xiàn)能量接收器。
[0011] 本實(shí)用新型所述的K變換器又稱(chēng)為阻抗變換器，由T型或者31型LC電路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。其 中，電感和電容的取值為里=f /(Ssr/n)和C = 1 /(2sr/aT)。/ 0是系統(tǒng)的工作頻率，J 是K變換器的特征參數(shù)。
[0012] 所述的平面發(fā)射墊由平面發(fā)射線(xiàn)圈W及發(fā)射線(xiàn)圈調(diào)諧電容串聯(lián)構(gòu)成，并粘附固定 在絕緣材料的軟墊上。各平面發(fā)射墊中平面發(fā)射線(xiàn)圈的規(guī)格、繞向等均為一致。每個(gè)平面發(fā) 射墊通過(guò)K變換器并聯(lián)到交流源兩端。
[0013] 所述的無(wú)線(xiàn)能量接收器由接收線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈調(diào)諧電容W及負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成，放置 在發(fā)射墊上。
[0014] 逆變交流源通過(guò)K變換器與平面發(fā)射墊通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)，接收線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈調(diào)諧 電容串聯(lián)，并通過(guò)輸出端口與負(fù)載電路相連。
[0015] 所述的平面發(fā)射線(xiàn)圈可W采用方形或者圓形的勻強(qiáng)磁場(chǎng)平面線(xiàn)圈。優(yōu)選方形的勻 強(qiáng)磁場(chǎng)平面線(xiàn)圈，便于充電墊的拼接，它可W在線(xiàn)圈所在面積內(nèi)產(chǎn)生縱向的均勻磁場(chǎng)。發(fā)射 線(xiàn)圈調(diào)諧電容用于發(fā)射端電路調(diào)諧使諧振頻率調(diào)到系統(tǒng)工作頻率/〇。
[0016] 所述的接收線(xiàn)圈外接負(fù)載后可W放置在平面發(fā)射線(xiàn)圈上的任意位置。接收線(xiàn)圈調(diào) 諧電容用于接收端電路調(diào)諧使諧振頻率也調(diào)到系統(tǒng)工作頻率/〇。
[0017] 本實(shí)用新型所述的充電墊可W向X軸和Y軸方向W平鋪的方式擴(kuò)展和拼接出更大 的面積，并且共用一個(gè)交流源。每個(gè)平面發(fā)射墊都通過(guò)K變換器連接到逆變交流源兩端，W 保證系統(tǒng)的負(fù)載隔離效果。
[0018] 本實(shí)用新型所述的逆變交流源是使用DC-AC或者AC-DC-AC電路經(jīng)過(guò)一個(gè)全橋或半 橋逆變器變換而來(lái)。該逆變交流源內(nèi)阻很小，僅有很小的開(kāi)關(guān)損耗，可W粗略地視為無(wú)內(nèi)阻 的交流電壓源。
[0019] 本實(shí)用新型公開(kāi)的無(wú)線(xiàn)充電墊容易實(shí)施，效果顯著。本實(shí)用新型利用特殊繞制的 方形勻強(qiáng)磁場(chǎng)平面線(xiàn)圈作為平面發(fā)射線(xiàn)圈W產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)，并且利用K變換器W實(shí)現(xiàn)負(fù)載 隔離，因此待充電負(fù)載的無(wú)線(xiàn)能量接收器可W任意放置在充電區(qū)域里而不受其他充電負(fù)載 影響；同時(shí)，利用同一個(gè)交流源，多個(gè)無(wú)線(xiàn)充電墊可W任意的擴(kuò)展和拼接出更大的面積來(lái)W 容納更多的負(fù)載，為提高充電面積利用率，充電墊的邊角連接處也能充分的利用起來(lái)，并且 擴(kuò)展和拼接后不影響負(fù)載隔離效果。
【附圖說(shuō)明】

[0020] 圖1為可擴(kuò)展的無(wú)線(xiàn)多負(fù)載充電墊系統(tǒng)電路原理圖。
[002。 圖中，Ks為逆變交流源，K為K變換器，Ζτχι和ΖΤΧ2為平面發(fā)射線(xiàn)圈電感，幻XI和幻X2為 發(fā)射線(xiàn)圈調(diào)諧電容，打、公、公和公為接收線(xiàn)圈電感，G、C2、C3和C4為接收線(xiàn)圈調(diào)諧電容， 化1、Rl2、Rl3和Rl4為簡(jiǎn)化的外接負(fù)載電路。
[0022] 圖2為實(shí)施例的系統(tǒng)電路原理圖。
[0023] 圖3為實(shí)施例的K變換器結(jié)構(gòu)電路原理圖。
[0024] 圖4為交流電源電壓峰值Ks為5V，負(fù)載電阻化1為10Ω，其它負(fù)載開(kāi)路（即只對(duì)單 負(fù)載Rli充電），頻率（KHZ)-電壓幅度（V)曲線(xiàn)圖。頻率為83.35KHZ(工作頻率）時(shí)，Vi為 3.847V。
[0025] 圖5為交流電源電壓峰值Ks為5V，負(fù)載電阻化2為5Ω，其它負(fù)載開(kāi)路（即只對(duì)單負(fù) 載化2充電），頻率化HZ)-電壓幅度(V)曲線(xiàn)圖。頻率為83.35KHZ(工作頻率)時(shí)，V2為3.744V。
[0026] 圖6為交流電源電壓峰值Ks為5V，負(fù)載電阻化3為20Ω，其它負(fù)載開(kāi)路（即只對(duì)單 負(fù)載Rl3充電），頻率（KHZ)-電壓幅度（V)曲線(xiàn)圖。頻率為83.35KHZ(工作頻率）時(shí)，V3為 3.883V。
[0027] 圖7為交流電源電壓峰值Ks為5V，負(fù)載電阻化1為10Ω，負(fù)載電阻化2為5Ω，其它負(fù) 載開(kāi)路（即只對(duì)化1和化2充電），頻率(KHZ)-電壓幅度(V)曲線(xiàn)圖，兩個(gè)負(fù)載隔開(kāi)2.5cm(等于 接收線(xiàn)圈的半徑）。頻率為83.35K監(jiān)(工作頻率)時(shí)，Vi為3.825V，V2為3.730V。
[002引圖8為交流電源電壓峰值Ks為5V，負(fù)載電阻化2為5Ω，負(fù)載電阻化3為20Ω，其它負(fù) 載開(kāi)路（即只對(duì)化2和化3充電），頻率(KHZ)-電壓幅度(V)曲線(xiàn)圖，兩個(gè)負(fù)載緊挨著。頻率為 83.35K 監(jiān)(工作頻率)時(shí)，V2為3.686V，V3為3.822V。
[0029] 圖9為交流電源電壓峰值Ks為5V，負(fù)載電阻化1為10Ω，負(fù)載電阻化3為20Ω，其它 負(fù)載開(kāi)路（即只對(duì)化1和化3充電），頻率(KHZ)-電壓幅度(V)曲線(xiàn)圖，兩個(gè)負(fù)載隔開(kāi)5cm(等于 接收線(xiàn)圈的直徑）。頻率為83.35K監(jiān)(工作頻率)時(shí)，Vi為3.847V，V3為3.883V。
[0030] 圖10為交流電源電壓峰值Ks為5V，負(fù)載電阻化1為10Ω，負(fù)載電阻化2為5Ω，負(fù)載 電阻Rl3為20Ω，；個(gè)負(fù)載同時(shí)充電，頻率化監(jiān))-電壓幅度(V)曲線(xiàn)圖，Rli和Rl2隔開(kāi)2.5畑1，化1 和Rl3隔開(kāi)5cm，Rl2和Rl3緊密挨著。頻率為83.35K監(jiān)(工作頻率）時(shí)，Vi為3.825V，V2為3.675V， V3 為3.822V。
【具體實(shí)施方式】
[0031] W下將結(jié)合【附圖說(shuō)明】和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明，但不作為本實(shí)用新型范 圍W及應(yīng)用的限制。
[0032] 如圖2所示。該充電系統(tǒng)由4個(gè)具有相同規(guī)格的平面發(fā)射線(xiàn)圈的平面發(fā)射墊拼接而 成，其中，每個(gè)平面發(fā)射線(xiàn)圈為線(xiàn)徑1mm的漆包銅線(xiàn)繞制10應(yīng)而成，每應(yīng)的邊長(zhǎng)分別為 5.4cm、12.9cm、16.4cm、18.9cm、20.8cm、22.3cm、23.4cm、24.2cm、24.6cm、24.9cm，平面發(fā)射 線(xiàn)圈電感Z TX均為119.化H，發(fā)射線(xiàn)圈調(diào)諧電容CTX為30.7nF，將其調(diào)諧在/ 0為83.35K監(jiān)的 系統(tǒng)操作頻率上。無(wú)線(xiàn)能量接收器中接收線(xiàn)圈的規(guī)格相同，直徑為5cm，用線(xiàn)徑為1mm的漆包 銅線(xiàn)繞制40圈而成，其電感Z為55.2地，接收線(xiàn)圈調(diào)諧電容C為68.7nF。^在運(yùn)里統(tǒng)一取值 5.23 Ω，實(shí)施例中的K變換器采用圖3的T型LC電路網(wǎng)絡(luò)，因此L=9.98地，C=365. InF。
[0033] 圖4至圖9給出了交流電源電壓峰值Ks為5V，負(fù)載1電阻化1為10Ω，負(fù)載2電阻化2 為5 Ω，負(fù)載3電阻化3為20 Ω，在不同情況下的頻率化HZ)-電壓幅度(V)的仿真曲線(xiàn)。圖4至圖 6分別為Rl、Rl2 W及Rl3各自單獨(dú)存在時(shí)，在操作頻率上的電壓幅度值。例如：在約為 83.35K監(jiān)頻率下，負(fù)載1的電壓幅度Vi為3.847V，負(fù)載2的電壓幅度V2為3.744V，負(fù)載3的電壓 幅度V3為3.883V，其與估算值基本一致。圖7為化1和化2相隔2.5cm(等于接收線(xiàn)圈的半徑）同 時(shí)充電的情況，此時(shí)，電壓幅度Vi為3.825V，電壓幅度V2為3.730V，與它們獨(dú)自充電時(shí)相比， 分別僅下降了0.5%和0.3%。圖8為化2和化3緊密挨著同時(shí)充電的情況，電壓幅度V2為3.686V， 電壓幅度V3為3.822V，與它們獨(dú)自充電時(shí)相比，分別下降了 1%和1.5%。圖9為Rli和化3相隔 5cm(等于接收線(xiàn)圈的直徑）同時(shí)充電的情況，電壓幅度Vi為3.847V，電壓幅度V2為3.744V，與 它們獨(dú)自充電時(shí)一致。由此可見(jiàn)，當(dāng)負(fù)載緊密相鄰時(shí)，如圖8緊挨著的情況，負(fù)載間有些干 擾，但是影響不大。同時(shí)，只要接收線(xiàn)圈有隔開(kāi)一些間隔，如圖7的情況，負(fù)載間的干擾很小。 當(dāng)隔開(kāi)距離約為接收線(xiàn)圈的直徑時(shí)，如圖9的情況，負(fù)載可W完全的隔離。圖10為化1、化2和 化擁應(yīng)W上幾種擺放情況同時(shí)充電，Vi為3.825V，V2為3.675V，V3為3.822V，與它們獨(dú)自充電 時(shí)相比，分別下降了0.5%、1.3%和1.5%，結(jié)果和在圖7到圖9中任意一種情況下加入第Ξ個(gè)負(fù) 載一致。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有多負(fù)載隔離特性的可拓展無(wú)線(xiàn)充電墊，其特征是:包括逆變交流電源、K變 換器、平面發(fā)射墊、無(wú)線(xiàn)能量接收器； 所述的Κ變換器由Τ型或者31型LC電路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成；其中，電感和電容的取值為，/〇是系統(tǒng)的工作頻率，是Κ變換器的特征參數(shù)； 所述的平面發(fā)射墊由平面發(fā)射線(xiàn)圈以及發(fā)射線(xiàn)圈調(diào)諧電容串聯(lián)構(gòu)成，并粘附固定在絕 緣材料的軟墊上； 所述的無(wú)線(xiàn)能量接收器由接收線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈調(diào)諧電容以及負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成，放置在發(fā) 射墊上； 逆變交流源通過(guò)Κ變換器與平面發(fā)射墊通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)，接收線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈調(diào)諧電容 串聯(lián)，并通過(guò)輸出端口與負(fù)載電路相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多負(fù)載隔離特性的可拓展無(wú)線(xiàn)充電墊，其特征是:所述的 平面發(fā)射線(xiàn)圈采用方形或者圓形的勻強(qiáng)磁場(chǎng)平面線(xiàn)圈。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多負(fù)載隔離特性的可拓展無(wú)線(xiàn)充電墊，其特征是:所述的 各平面發(fā)射墊中平面發(fā)射線(xiàn)圈的規(guī)格、繞向等均為一致。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多負(fù)載隔離特性的可拓展無(wú)線(xiàn)充電墊，其特征是:所述的 充電墊可以向X軸和Υ軸方向以平鋪的方式擴(kuò)展和拼接，并且共用一個(gè)交流源。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有多負(fù)載隔離特性的可拓展無(wú)線(xiàn)充電墊，其特征是:所述的 逆變交流源是使用DC-AC或者AC-DC-AC電路經(jīng)過(guò)一個(gè)全橋或半橋逆變器變換。
【文檔編號(hào)】H02J50/12GK205693449SQ201620532971
【公開(kāi)日】2016年11月16日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日 公開(kāi)號(hào)201620532971.5, CN 201620532971, CN 205693449 U, CN 205693449U, CN-U-205693449, CN201620532971, CN201620532971.5, CN205693449 U, CN205693449U
【發(fā)明人】羅斌, 周俊杰
【申請(qǐng)人】南昌大學(xué)