基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统及其控制方法，所述系统包括一个发射器和多个接收端负载，所述发射器的多个谐振单元排列成阵列，对应地设置多条行线和列线，数量分别与阵列的行数和列数对应；并且每条行线同时连接阵列中同一行的多个谐振单元，每条列线同时连接阵列中同一列的多个谐振单元，所述行线和列线的另一端分别连接发射器MCU对应引脚；所述谐振单元包含一谐振线圈和一延时开关；通过控制延时开关的闭合或打开在发射器产生变化的磁场，多个接收端负载从变化的磁场中拾取能量。本发明降低了器件数量，相同资源前提下增多谐振线圈数量，增大了发射板覆盖面积；并且，避免了频繁扫描选通所造成的能量震荡损失。
【专利说明】基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线电能传输领域，尤其涉及一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输 系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 基于感应稱合电能传输技术的无线电能传输系统，大部分仅能进行一对一的充 电，即一个发射器同一时间只能对一个接收端负载进行充电，限制性大，无法满足对多个负 载设备同时充电的需求。
[0003] 而现有的少数能同时对多个接收端负载设备进行充电的无线电能传输系统，其无 线电能发射器的发射板，对每个发射器谐振单元(谐振线圈）都需要一路控制信号控制其开 闭。因此数十个谐振单元的发射板，对应的需要上百个MCU GPI0(General Purpose Input Output，通用输入/输出）管脚，结构设计复杂，布线繁琐。当发射器谐振线圈数量庞大，达 到近百个发射谐振线圈时，对应地则需要大量的MCU资源，甚至超出现有MCU的承受能力， 系统扩展性差。可见，由于MCU资源的限制，现有技术无法将发射板的面积做的更大，进而 制约了一对多接收端负载的无线电能传输系统可同时充电的负载数量。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统及其控制方 法，以降低一对多接收端负载的无线电能传输系统的硬件设计复杂度和成本，扩充可同时 充电的负载数量，提高系统的扩展性。
[0005] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] 本发明一方面提供了一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统，包括一个发射 器和多个接收端负载，所述发射器中的多个谐振单元排列成阵列，并设置了分别与所述阵 列的行数和列数对应的多条行线和列线；每条行线同时连接阵列中同一行的谐振单元，每 条列线同时连接阵列中同一列的谐振单元；同时，所述行线和列线的另一端分别连接发射 器MCU的对应引脚；其中，每个谐振单元包含一个谐振线圈和一个延时开关；且谐振线圈的 一端接在列线上，另一端接在延时开关上，延时开关的另一端接在行线上；
[0007] 发射器MCU通过所述行线和列线控制谐振单元的延时开关的闭合或打开，当所述 延时开关闭合时，对应的谐振线圈并入逆变电路，逆变电路对该谐振线圈进行充电，该谐振 单元被激活；当所述延时开关打开时，对应的谐振线圈与逆变电路断开；由此在发射器四 周产生变化的磁场，所述多个接收端负载的拾取电路从所述变化的磁场中拾取能量，经整 流后为接收端负载供电。
[0008] 其中，每个谐振单元分别设置在所述行线与所述列线的各个交叉点处。
[0009] 其中，所述阵列的行数和列数相等，对应的所述行线和所述列线的数量相等，所述 谐振单元的数量小于等于所述行线数量与所述列线数量的乘积。
[0010] 其中，所述发射器MCU通过所述行线和列线控制谐振单元的延时开关的闭合或打 开，具体为：发射器MCU通过所述行线和列线上的电平控制谐振单元的延时开关的闭合或 打开，
[0011] 当谐振单元连接的行线为高电平，列线为低电平时，发射器MCU控制该谐振单元 的延时开关闭合，使该谐振单元的谐振线圈并入逆变电路；
[0012] 当谐振单元连接的行线为低电平，列线为高电平时，发射器MCU控制该谐振单元 的延时开关打开，使该谐振单元的谐振线圈与逆变电路断开。
[0013] 其中，初始化系统时，所述行线均为低电平，所述列线均为高电平。
[0014] 本发明第二方面提供了一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的控制方法， 包括：
[0015] S1、初始化系统，将发射器中的所有行线置为低电平，所有列线置为高电平；
[0016] S2、依次扫描所述列线，并将当前扫描到的列线置低电平，送出低电平列线对应的 列选通信号；
[0017] S3、发射器MCU根据所述列选通信号，将与该列线连接的、需激活的谐振单元的行 线置高电平，控制对应谐振单元的延时开关闭合，该谐振单元被激活；
[0018] S4、将该列线恢复高电平，对应的行线恢复低电平，向所述延时开关发出打开的信 号，判断所有列线是否扫描完，若否，则返回步骤S2 ;
[0019] S5、按预设的时间间隔开始新一轮的扫描；
[0020] 其中，所述发射器中的多个谐振单元排列成阵列，并设置了分别与所述阵列的行 数和列数对应的多条行线和列线；每条行线同时连接阵列中同一行的谐振单元，每条列线 同时连接阵列中同一列的谐振单元；同时，所述行线和列线的另一端分别连接发射器MCU 的对应引脚；其中，每个谐振单元包含一个谐振线圈和一个延时开关；且谐振线圈的一端 接在列线上，另一端接在延时开关上，延时开关的另一端接在行线上。
[0021] 其中，所述时间间隔小于等于所述延时开关的延时。
[0022] 其中，所述行线和所述列线的数量相等，所述谐振单元的数量小于等于所述行线 数量与所述列线数量的乘积。
[0023] 本发明第三方面提供了一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的控制方法， 包括：
[0024] L1、初始化系统，将发射器中的所有行线置为低电平，所有列线置为高电平；
[0025] L2、依次扫描所述行线，并将当前扫描到的行线置高电平，送出高电平行线对应的 行选通信号；
[0026] L3、发射器MCU根据所述行选通信号，将与该行线连接的、需激活的谐振单元的列 线置低电平，控制对应谐振单元的延时开关闭合，该谐振单元被激活；
[0027] L4、将该行线恢复低电平，对应的列线恢复高电平，向对应延时开关发出打开的信 号，判断所有行线是否扫描完，若否，则返回步骤L2,若是，进入下一步；
[0028] L5、按预设的时间间隔开始新一轮的扫描；
[0029] 其中，所述发射器中的多个谐振单元排列成阵列，并设置了分别与所述阵列的行 数和列数对应的多条行线和列线；每条行线同时连接阵列中同一行的谐振单元，每条列线 同时连接阵列中同一列的谐振单元；同时，所述行线和列线的另一端分别连接发射器MCU 的对应引脚；其中，每个谐振单元包含一个谐振线圈和一个延时开关；且谐振线圈的一端 接在列线上，另一端接在延时开关上，延时开关的另一端接在行线上。
[0030] 其中，所述时间间隔小于等于所述延时开关的延时；
[0031] 所述行线和所述列线的数量相等，所述谐振单元的数量小于等于所述行线数量与 所述列线数量的乘积。
[0032] 实施本发明实施例，具有如下有益效果：
[0033] 本发明实施例通过将发射器的所有谐振线圈按照η行η列的阵列方式排列，对应 设置连接发射器MCU管脚的η根行线和η根列线，每个谐振线圈通过一个延时开关与一根 行线和一根列线接通为一个回路，因此，只需MCU的2η个GPIOPin即可控制η 2个谐振线圈， 降低器件数量，相同资源基础上增多线圈数量，实现发射板覆盖面积增大；而且，通过延时 开关的延时效应，避免了频繁扫描选通线圈造成的能量震荡损失；本发明结构设计简单，布 线方式明了，便于后期管理和维护。
【专利附图】
【附图说明】
[0034] 图1是本发明一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的一实施方式的示意 图。
[0035] 图2是本发明一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的发射器的一实施方 式的示意图。
[0036] 图3是本发明一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的控制方法的一实施 方式的流程图。
[0037] 图4是本发明一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的控制方法的一实施 方式的执行示意图。
[0038] 图5是本发明一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的控制方法的又一实 施方式的流程图。
[0039] 图6是本发明一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的控制方法的又一实 施方式的执行示意图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0041] 请参见图1和图2,本实施例中，所述无线电能传输系统包括一个发射器100和多 个接收端负载200,其中，所述发射器100包含：逆变电路，连接逆变电路的MCU10,排列成 阵列的多个谐振单元20,以及与所述阵列的行数和列数分别对应的多条行线30和列线40 ; 并且，每条行线30同时连接位于阵列中同一行的多个谐振单元20,每条列线40同时连接位 于所述阵列中同一列的多个谐振单元20,所述行线30和列线40的另一端分别连接发射器 MCU对应引脚；其中，所述谐振单元20包含一个谐振线圈21和一个延时开关22,且谐振线 圈的一端接在列线上，另一端接在延时开关上，延时开关的另一端接在行线上。
[0042] 所述系统的工作原理为：当所述延时开关22闭合时，对应的谐振单元20并入逆 变电路，逆变电路对该谐振单元的谐振线圈进行充电，该谐振单元被激活；当所述延时开关 22打开时，对应的谐振单元20与逆变电路断开；发射器MCU通过所述行线和列线控制所 述多个谐振单元的延时开关的闭合或打开，使得在发射器1〇〇四周产生变化的磁场，所述 多个接收端负载200的拾取电路从所述变化的磁场中拾取能量，经整流后为接收端负载供 电。
[0043] 较佳地，如图2所示，所述每个谐振单元20分别设置在所述行线30与所述列线40 的各个交叉点上，使得发送端的布线更加规范，便于后期管理和维护。
[0044] 较佳地，所述谐振单元的数量小于等于所述行线数量与所述列线数量的乘积。本 实施例中，多个谐振单元组成的阵列的行数和列数相等，对应的所述行线和所述列线的数 量相等，即所述谐振单元的数量小于等于所述行线数量的平方或所述列线数量的平方。以 3x3点阵为例(实际使用时会远远大于此)。3x3阵列对应3条行线和3条列线，最多可设置 9个谐振单元，且每个谐振单元放置在行线和列线的交叉点上。
[0045] 工作时，发射器MCU通过行线和列线控制所述多个谐振单元的延时开关的闭合或 打开，使得对于的谐振单元并入所述逆变电路，具体为：发射器MCU根据谐振单元选择电路 的反馈(通过感应电容或线圈两端电压变化）获得所述行线和列线上的电平，根据所述行线 和列线上的电平控制所述延时开关的闭合或打开。本实施例中为：当谐振单元连接的行线 为高电平，列线为低电平时，则控制该谐振单元的延时开关闭合，使该谐振单元并入逆变电 路；逆变电路开始对该谐振单元的谐振线圈进行充电，该谐振单元被激活；当谐振单元连 接的行线为低电平，列线为高电平时，则控制该谐振单元的延时开关打开，使该谐振单元与 逆变电路断开，逆变电路停止对该谐振单元的谐振线圈充电。由此在发射器四周产生变化 的磁场，所述多个接收端负载的拾取电路从所述变化的磁场中拾取能量，经整流后为接收 端负载供电。本实施例的所述系统初始化时，所述行线均为低电平，所述列线均为高电平。 由于本实施例所述系统工作时配合延时开关的延时，采用动态扫描原理，可实现通过η条 行线和η条列线的对η 2谐振单元的控制。
[0046] 换言之，本实施例将发射器的多个谐振线圈按照η行η列的阵列方式排列，并对应 设置η根行线和η根列线，每个线圈的一端接在列线上，另一端接在一个延时开关上，延时 开关的另一端接在行线上，并在行线为高电平、列线为低电平时闭合该谐振线圈到逆变电 路上，进行充电。
[0047] 本实施例只需MCU的2η个GPIO Pin即可控制η2个谐振线圈，为到达同等的技术 效果时降低了器件数量，在相同资源前提下可增加更多的谐振线圈数量，增大了发射板的 覆盖面积；而且，通过与所述谐振线圈连接的延时开关控制，还避免了频繁扫描选通谐振线 圈造成的能量震荡损失。
[0048] 基于上述实施例的基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统，参见图3和图4,本发 明还提供了一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的控制方法的实施例，所述控制方 法包括如下步骤S10-S50.
[0049] S10、初始化所述系统，将发射器中的所有行线置为低电平，所有列线置为高电平； 由于在本实施例中，当谐振单元连接的行线为高电平，列线为低电平时，发射器MCU控制该 谐振单元的延时开关闭合，使该谐振单元并入逆变电路，即初始化时，所述发射器中的谐振 单元均处于未激活状态。
[0050] S20、依次扫描所述列线，并将当前扫描到的列线置低电平，送出低电平列线对应 的列选通信号。所述列选通信号指示了当前可激活谐振单元所在的列。即基于谐振单元阵 列的列进行扫描。
[0051] S30、发射器MCU根据所述列选通信号，将与该列线连接的、需激活的谐振单元的 行线置高电平，控制对应谐振单元的延时开关闭合，该谐振单元被激活。
[0052] 较佳地，本实施例中当谐振单元连接的行线为高电平，列线为低电平时，发射器 MCU控制该谐振单元的延时开关闭合，使该谐振单元并入逆变电路。同理，也可根据需要设 定为当谐振单元连接的行线为低电平，列线为高电平时，发射器MCU控制该谐振单元的延 时开关闭合，该变换属于本实施所述情况的同等置换。
[0053] S40、将该列线恢复高电平，对应的行线恢复低电平，向对应延时开关发出打开的 信号，判断所有列线是否扫描完，若否，则返回步骤S20。
[0054] S50、按预设的时间间隔开始新一轮的扫描。
[0055] 本实施例中，所述时间间隔小于等于所述延时开关的延时，所述行线和所述列线 的数量相等，所述谐振单元的数量小于等于所述行线数量与所述列线数量的乘积，即所述 谐振单元的数量小于等于所述行线数量的平方。
[0056] 由上述实施例可知，虽然同一时刻只有一列的谐振单元被激活，但由于延时开关 的延时效应，所有被激活过的谐振单元在关闭之前，都会被下一轮的动态扫描再次激活，因 此，可保证所有需工作的谐振单元都保持在激活状态；当某一谐振单元不再需要工作时，则 在下一轮动态扫描时不激活此谐振单元，延时开关正常延时后打开，此谐振单元与逆变电 路断开。配合延时开关，采用周而复始循环的动态扫描原理，避免了频繁扫描选通线圈造成 的能量震荡损失。
[0057] 基于上述实施例，参见图5和图6,本发明还提供了所述基于谐振线圈阵列的无线 电能传输系统的控制方法的另一实施例，包括如下步骤L10-L50.
[0058] L10、初始化，将所有行线置为低电平，所有列线置为高电平。
[0059] 由于在本实施例中，当谐振单元连接的行线为高电平，列线为低电平时，发射器 MCU控制该谐振单元的延时开关闭合，使该谐振单元并入逆变电路，即初始化时，所述发射 器中的谐振单元均处于未激活状态。
[0060] L20、依次扫描所述行线，并将当前扫描到的行线置高电平，送出高电平行线对应 的行选通信号。即基于谐振单元阵列的行进行扫描。
[0061] L30、发射器MCU根据所述行选通信号，将与该行线连接的、需激活的谐振单元的 列线置低电平，控制对应谐振单元的延时开关闭合，该谐振单元被激活。
[0062] 同理，也可根据需要设定为当谐振单元连接的行线为低电平，列线为高电平时，发 射器MCU控制该谐振单元的延时开关闭合，该变换属于本实施所述情况的同等置换。
[0063] L40、将该行线恢复低电平，对应的列线恢复高电平，向对应延时开关发出打开的 信号，判断所有行线是否扫描完，若否，则返回步骤L20,若是，进入下一步。
[0064] L50、按预设的时间间隔开始新一轮的扫描。
[0065] 本实施例中，所述时间间隔小于等于所述延时开关的延时，所述行线和所述列线 的数量相等，所述谐振单元的数量小于等于所述行线数量与所述列线数量的乘积，即所述 行线数量的平方。
[0066] 由上述实施例可知，虽然同一时刻只有一行的谐振单元被激活，但由于延时开关 的延时效应，所有被激活过的谐振单元在关闭之前，都会被下一轮的动态扫描再次激活，因 此，可保证所有需工作的谐振单元都保持在激活状态；当某一谐振单元不再需要工作时，则 在下一轮动态扫描时不激活此谐振单元，延时开关正常延时后打开，此谐振单元与逆变电 路断开。配合延时开关，采用周而复始循环的动态扫描原理，避免了频繁扫描选通线圈造成 的能量震荡损失。
[0067] 通过实施本发明的上述实施例，只需MCU的2η个GPIO Pin即可控制η2个谐振线 圈，降低器件数量，相同资源基础上增多线圈数量，实现发射板覆盖面积增大；而且，通过延 时开关的延时效应，避免了频繁扫描选通线圈造成的能量震荡损失；此外，本发明实施例结 构设计简单，布线方式明了，便于后期管理和维护。
[0068] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统，包括一个发射器和多个接收端负载， 其特征在于，所述发射器中的多个谐振单元排列成阵列，并设置了分别与所述阵列的行数 和列数对应的多条行线和列线；每条行线同时连接阵列中同一行的谐振单元，每条列线同 时连接阵列中同一列的谐振单元；同时，所述行线和列线的另一端分别连接发射器MCU的 对应引脚；其中，每个谐振单元包含一个谐振线圈和一个延时开关，且谐振线圈的一端接在 列线上，另一端接在延时开关上，延时开关的另一端接在行线上； 发射器MCU通过所述行线和列线控制谐振单元的延时开关的闭合或打开，当所述延 时开关闭合时，对应的谐振单元并入逆变电路，逆变电路对该谐振单元的谐振线圈进行充 电，该谐振单元被激活；当所述延时开关打开时，对应的谐振单元与逆变电路断开；由此在 发射器四周产生变化的磁场，所述多个接收端负载的拾取电路从所述变化的磁场中拾取能 量，经整流后为接收端负载供电。
2. 根据权利要求1所述的基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统，其特征在于，每个 谐振单元分别设置在所述行线与所述列线的各个交叉点处。
3. 根据权利要求1所述的基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统，其特征在于，所述 阵列的行数和列数相等，对应的所述行线和所述列线的数量相等，所述谐振单元的数量小 于等于所述行线数量与所述列线数量的乘积。
4. 根据权利要求1所述的基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统，其特征在于，所述 发射器MCU通过所述行线和列线控制谐振单元的延时开关的闭合或打开，具体为：发射器 MCU通过所述行线和列线上的电平控制谐振单元的延时开关的闭合或打开， 当谐振单元连接的行线为高电平，列线为低电平时，发射器MCU控制该谐振单元的延 时开关闭合，使该谐振单元的谐振线圈并入逆变电路； 当谐振单元连接的行线为低电平，列线为高电平时，发射器MCU控制该谐振单元的延 时开关打开，使该谐振单元的谐振线圈与逆变电路断开。
5. 根据权利要求4所述的基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统，其特征在于，初始 化系统时，所述行线均为低电平，所述列线均为高电平。
6. -种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，包括： 51、 初始化系统，将发射器中的所有行线置为低电平，所有列线置为高电平； 52、 依次扫描所述列线，并将当前扫描到的列线置低电平，送出低电平列线对应的列选 通信号； 53、 发射器MCU根据所述列选通信号，将与该列线连接的、需激活的谐振单元的行线置 高电平，控制对应谐振单元的延时开关闭合，该谐振单元被激活； 54、 将该列线恢复高电平，对应的行线恢复低电平，向所述延时开关发出打开的信号， 判断所有列线是否扫描完，若否，则返回步骤S2 ; 55、 按预设的时间间隔开始新一轮的扫描； 其中，所述发射器中的多个谐振单元排列成阵列，并设置了分别与所述阵列的行数和 列数对应的多条行线和列线；每条行线同时连接阵列中同一行的谐振单元，每条列线同时 连接阵列中同一列的谐振单元；同时，所述行线和列线的另一端分别连接发射器MCU的对 应引脚；其中，每个谐振单元包含一个谐振线圈和一个延时开关；且谐振线圈的一端接在 列线上，另一端接在延时开关上，延时开关的另一端接在行线上。
7. 根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述时间间隔小于等于所述延时开 关的延时。
8. 根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述行线和所述列线的数量相等，所 述谐振单元的数量小于等于所述行线数量与所述列线数量的乘积。
9. 一种基于谐振线圈阵列的无线电能传输系统的控制方法，其特征在于，包括： L1、初始化系统，将发射器中的所有行线置为低电平，所有列线置为高电平； L2、依次扫描所述行线，并将当前扫描到的行线置高电平，送出高电平行线对应的行选 通信号； L3、发射器MCU根据所述行选通信号，将与该行线连接的、需激活的谐振单元的列线置 低电平，控制对应谐振单元的延时开关闭合，该谐振单元被激活； L4、将该行线恢复低电平，对应的列线恢复高电平，向对应延时开关发出打开的信号， 判断所有行线是否扫描完，若否，则返回步骤L2,若是，进入下一步； L5、按预设的时间间隔开始新一轮的扫描； 其中，所述发射器中的多个谐振单元排列成阵列，并设置了分别与所述阵列的行数和 列数对应的多条行线和列线；每条行线同时连接阵列中同一行的谐振单元，每条列线同时 连接阵列中同一列的谐振单元；同时，所述行线和列线的另一端分别连接发射器MCU的对 应引脚；其中，每个谐振单元包含一个谐振线圈和一个延时开关；且谐振线圈的一端接在 列线上，另一端接在延时开关上，延时开关的另一端接在行线上。
10. 根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于， 所述时间间隔小于等于所述延时开关的延时； 所述行线和所述列线的数量相等，所述谐振单元的数量小于等于所述行线数量与所述 列线数量的乘积。
【文档编号】H02J17/00GK104124776SQ201310157224
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2013年4月28日
【发明者】李聃, 张从鹏, 董秀莲, 孙伟, 刘宝, 刁德鹏 申请人:海尔集团技术研发中心, 海尔集团公司