基于磁共振多设备无线充电功率最大化传输方法及系统与流程

本发明涉磁共振无线充电技术领域，尤其涉及一种基于磁共振多设备无线充电功率最大化传输方法及系统。

背景技术：

目前，无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、电场耦合式、无线电波式四种基本方式。当前最成熟、最普遍的是电磁感应式，其技术是应用电磁感应原理，交变电流流过发射线圈产生变化的磁场，发射线圈在变化的磁场下产生电流，从而为接收设备充电。磁共振式技术也是应用电磁感应原理，发射与接收频率相同达到共振效果，以加强传输效率。电场耦合技术原理是通过电场将发射的电能转移到接收，利用通过垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能。无线电波技术原理是将电磁波转换为电流，通过电路传输电流，但具有传输距离小、转换效率低、辐射大等缺点。

现有技术：三星立式无线充电板、Apple watch无线充电器等各式各样充电底座的原理基本上是电磁感应式充电，充电设备与充电底座需要贴合，随着无线充电技术的不断发展与演进，各大公司的研究方向已转为发射端可以为任意方向、适当距离内为多台移动设备充电，现有的贴合式无线充电产品并不能满足人们的需求。

现有技术：三星立式无线充电板、Apple watch无线充电器等各式各样充电板的原理基本上是电磁感应式充电，充电设备与充电板需要贴合，随着无线充电技术的不断发展与演进，各大公司的研究方向已转为充电板可以为任意方向、适当距离内为多台移动设备充电，现有的贴合式无线充电产品并不能满足人们的需求。

而磁共振无线充电技术是无线充电的主流技术之一，具有传输距离长和效率高等优点。伴随着WPC1.2规范发布后，当前的市场开始由磁感应技术向磁共振无线充电技术转变，其主要针对移动智能设备、穿戴式设备、低功率小型设备等进行充电。磁共振无线充电技术产品可以制作成一个充电板(含有单个或多个线圈发射端)，可同时对多个接收设备充电，成为无线充电市场未来的发展方向。充电接收设备端的充电效率与离充电板位置息息相关，充电板是由多个线圈构成的发射端，每个线圈与在充电区移动设备都有不同的磁感应程度。为了提高充电移动设备端的功率接收效率，需要提出一个功率最大化传输方案，使得发射端合理分配功率。

由于多设备无线充电技术这几年国内外才开始研究，今后应用领域主要是移动智能设备、穿戴式设备、小型低功率设备等。在多线圈无线充电发射端对多设备充电方案的角度出发，有以下论文：

论文(Wireless Power Hotspot that Charges All of Your Devices)里阐述了磁共振情况下多线圈发射端对多设备进行充电的示例，接收充电的设备与发射端各线圈的频率都是一样的，以达到共振提高充电效率。此论文中发射端根据移动接收端反馈回来的数据，对各磁信道进行估计，将接收功率写成向量和矩阵的表达形式，通过矩阵证明求出每个线圈的电流值，再计算出每个线圈的电压值，发射端根据移动设备端定时反馈回来数据进行重新估计和更新线圈的电压值。这个示例给了我们研究参考的方向与证实了多设备无线充电的可行性，文章中对接收端功率最大化传输的理论分析值得学习和参考，但是控制发射端的线圈电压使得移动设备接收端的功率最大化也有其它的方案。

由于单一的无线充电技术已经发展较为成熟，多设备无线充电技术国内外已有很多公司在研究，现有的论文和专利也只是能够实现多线圈发射端对多个移动设备充电，并没有一个很好算法和方案使得移动设备端的接收功率达到最优化。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于磁共振多设备无线充电功率最大化传输方法及系统，旨在优化多线圈发射端对多移动设备充电效率，从而达到提高移动设备端的充电效率，优化分配发射端线圈功率的目的。

本发明是这样实现的，一种基于磁共振多设备无线充电功率最大化传输方法，包括以下步骤：

确定发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式；

当确定所述发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式时，所述发射端以时分的方式分配电压给各线圈；

所述发射端获取接收端发送包含各移动设备的充电数据的数据包，其中，当所述接收端检测到各线圈的充电数据时，所述接收端发送包括各移动设备的充电数据的数据包给所述发射端；

所述发射端根据接收到的所述接收端发送的包含各移动设备的充电数据的数据包，通过磁信道参数计算公式计算出各线圈对各移动设备的磁信道参数；

所述发射端根据计算出的各线圈对各移动设备的磁信道参数，计算出所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值；

所述发射端根据计算出的所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值分配电压给各线圈。

其中，所述发射端根据计算出的各线圈对各移动设备的磁信道参数，计算出所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值的步骤具体包括：

将所述各线圈对各移动设备的磁信道参数代入接收端总功率计算公式计算出接收端总功率；

根据所述接收端总功率计算出所述发射端接收功率最大化各线圈的电流值；

根据所述发射端接收功率最大化各线圈的电流值计算出所述发射端接收功率最大化各线圈的电压值。

其中，所述磁信道参数计算公式为：H_nm＝jωM_nm(z_Rmn+R_R)^-1。

其中，所述接收端总功率计算公式为：

相应地，本发明还提供了一种基于磁共振多设备无线充电功率最大化传输系统，包括由多个设置在充电板上的线圈组成的发射端及由多个移动设备组成的接收端，所述充电板包括：

确定模块，用于确定发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式；

充电初始化模块，用于在所述确认模块确认发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式时，则所述发射端以时分的方式分配电压给各个线圈；

获取模块，用于获取接收端发送包括各移动设备的充电数据的数据包，其中，当所述接收端检测到各线圈的充电数据时，所述接收端发送包括各移动设备的充电数据的数据包给所述发射端；

第一计算模块，用于根据所述获取模块获取的所述接收端发送的包括各移动设备的充电数据的数据包，通过磁信道参数计算公式计算出各线圈对各移动设备的磁信道参数；

第二计算模块，用于根据所述第一计算模块计算出的各线圈对各移动设备的磁信道参数，计算出所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值；

分配模块，用于根据所述第二计算模块计算出的所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值分配电压给各线圈。

其中，所述磁信道参数计算公式为：H_nm＝jωM_nm(z_Rmn+R_R)^-1。

其中，所述接收端总功率计算公式为：

其中，所述第二计算模块包括：

第一计算单元，用于将第一计算模块计算出的各线圈对各移动设备的磁信道参数代入接收端总功率计算公式计算出接收端总功率；

第二计算单元，用于根据所述第一计算单元计算出的所述接收端总 功率计算出发射端接收功率最大化每个线圈的电流值；

第三计算单元，用于根据所述第二计算单元计算出的所述发射端接收功率最大化每个线圈的电流值计算出所述发射端接收功率最大化每个线圈的电压值。

本实施中，当确定发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式时，发射端以时分的方式分配电压给各线圈，发射端获取接收端发送包含各移动设备的充电数据的数据包，并通过磁信道参数计算公式计算出各线圈对各移动设备的磁信道参数；发射端根据计算出的各线圈对各移动设备的磁信道参数，计算出所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值；发射端根据计算出的所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值分配电压给各线圈，这样，优化多线圈发射端对多移动设备充电效率，从而达到提高移动设备端的充电效率，优化分配发射端线圈功率的目的。

附图说明

图1是本发明提供的基于磁共振多设备无线充电功率最大化传输方法的流程示意图。

图2是图1中S102步骤中初始化阶段发射端线圈时分分配电压示意图。

图3是图1中的S104步骤中多发射线圈与多接收线圈电路示意图。

图4是图1中的S105步骤中计算发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值的示意图。

图5是发射端的结构示意图。

图6是本发明提供的基于磁共振多设备无线充电功率最大化传输系统的结构示意图。

图7是图6中的充电板的结构示意图。

图8是图7中的充电板其第二计算模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明提供的基于磁共振多设备无线充电功率最大化传输方法的流程示意图。如图1所示，该基于磁共振多设备无线充电功率最大化传输方法，其包括：

S101，确定发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式；

S102，当确定所述发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式时，则发射端以时分的方式分配电压给各线圈；

S103，发射端获取接收端发送包含各移动设备的充电数据的数据包，其中，当所述接收端检测到各线圈的充电数据时，所述接收端发送包括各移动设备的充电数据的数据包给所述发射端；

需要说明的是，本发明实施例中移动设备的充电数据包括移动设备电池的电量、温度及接收端阻抗值。

S104，发射端根据接收到的接收端发送的包含各移动设备的充电数据的数据包，通过磁信道参数计算公式计算出各线圈对各移动设备的磁信道参数；

S105，所述发射端根据计算出的各线圈对各移动设备的磁信道参数，计算出所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值，其中，所述移动设备的当前数据包括移动设备电池的电量、温度及接收端阻抗值；

S106，所述发射端根据计算出的所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值分配电压给各线圈。

本实施例中，针对多线圈发射端对多移动设备充电，提出了一种功率最大化传输方法，该方法包括发射端初始化阶段时分分配电压给线圈，在该阶段移动设备端反馈充电数据包回来，发射端计算出各线圈与各移动设备端之间的磁信道系数，并根据计算出的各线圈对各移动设备的磁信道参数，计算出所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值，最后发射端为线圈供电对移动设备端充电。这样，当发射端 进入功率最大化传输模式，实行此方法可以提高移动设备端的充电效率，解决了发射端线圈功率优化分配问题。

具体地，下述对图1中的步骤进行详细说明。

如图2所示，是图1中的S102的实施例的初始化阶段发射端线圈时分分配电压示意图，本例中，当确定发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式之后，发射端进入初始化阶段发射端线圈时分分配电压，其中发射端100的线圈有Tx1(101)、Tx2(102)、Tx3(103)、…、Tx(n-1)(40(n-1))、Txn(10n)；初始化阶段发射端线圈从Tx1开始供电，供电时间t1；间隔时间t'，线圈Tx2开始供电，供电时间t2，以此类推发射端以时分的方式给线圈供电；其中供电时间t1、t2、…tn时间相同，从线圈Tx1到Txn总共供电时间为T；移动设备端有Rx1(201)、Rx2(202)、…Rxn(20n)；移动设备端检测到的数据包如201_1、202_2、20n_n，并将其反馈到发射端；数据包(101_1、102_2、10n_n)中的t1时间段的数据是发射端线圈Tx1感应的，t2时间段的数据是线圈Tx2感应的，以此类推各移动端反馈回来的数据包都可以知道发射端各线圈单独作用移动设备端充电的数据；发射端将这些数据读出来并计算每个线圈对移动设备充电的磁信道参数；其中接收端数据包所占时长与发射端线圈Tx1到Txn总供电时间T相同，且T的时间远小于移动设备端定时反馈数据给发射端的时间。

如图3所示，是图1中的S104的实施例的计算各线圈对各移动设备的磁信道参数示意图，本例中，不考虑移动移动设备端之间的磁感应，由于发射端以时分分配电压给各线圈，当其中一个线圈在供电时，其它线圈属于开路状态，所以移动设备端反馈回来的数据包都是线圈单独感应的数据，由：

i_R(z_R+R_R)＝jωMi_T

其中，i_R为接收端电流，Z_R为接收端阻抗，M为线圈与接收端的磁感应系数，i_T为发射端线圈电流，有：

i_Rmn(z_Rmn+R_Rm)＝jwM_nmi_Tn

i_Rmn＝jwM_nm(z_Rmn+R_Rm)^-1i_Tn

其中，m表示有m个接收端，n表示发射端有n个线圈，i_Rmn、z_Rmn、R_m、M_nm、R_m和i_Tn分别表示第m个接收端收到发射端线圈n的磁感应产生的电流、阻抗、之间的互感、第m个接收端的负载和当前供电线圈的电流；

令H_nm＝jωM_nm(z_Rmn+R_R)^-1，H_nm为发射端线圈n对m移动设备端磁信道的参数，即式子：

i_Rmn＝H_nmi_Tn

因移动设备端反馈回来的数据包为每个线圈对移动设备单独充电的z_Rmn值和R_m值，由公式推导得：

其中：z_Rmn、z_Tsi为发射端第n个线圈在第m个移动设备充电时产生的阻抗和在没有移动设备下固有的阻抗，这两个值都可以在发射端被检测电路检测出来，z_Rmn和R_R为移动设备反馈回来的数据，所以每个线圈对当前在充电移动设备的磁信道系数H_nm都可以计算出来，i_Ti已知，所以i_Rmn也可以计算出来。

如图4所示，是图1中的S105的实施例的计算所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值的示意图，其包括以下步骤：

S401，将各线圈对各移动设备的磁信道参数代入接收端总功率计算公式计算出接收端总功率；

本例中，将所述各线圈对各移动设备的磁信道参数代入接收端总功 率计算公式计算出接收端总功率具体如下：

首先，将磁信道参数H_nm代入求接收端总功率计算公式；

其中，一个移动设备端接收的总电流为：

i_Rm＝i_Rm1+i_Rm2+…+i_Rmn

其中，移动设备端接收端总功率为：

P_R＝P_R1+P_R2+…+P_Rm

P_R＝i_R1²R_R1+i_R2²R_R2+…+i_Rm²R_Rm

将i_Rm用H_nm与i_Tn表示：

P_R＝(H₁₁i_T1+H₂₁i_T2+…+H_n1i_Tn)²R_R1+…+(H_1mi_T1+H_2mi_T2+…+H_nmi_Tn)²R_Rm

其次，整理式子最终得接收端总功率计算公式：

其中，n与i同样表示发射端线圈。

S402，根据所述接收端总功率计算出所述发射端接收功率最大化各线圈的电流值；

本例中，根据所述接收端总功率计算出所述发射端接收功率最大化各线圈的电流值具体如下：

首先，为了求P_R的最大值，引用拉格朗日求极值的方法，受限条件为：

其中，z_Tn为发射端的线圈的阻抗，P_T的值为一个定值P，将其引入P_R中，有下面式子：

其次，对函数z求i_T1,i_T2,…,i_Tn求偏导，即可以求出使得P_R值最大；

S403，根据所述发射端接收功率最大化各线圈的电流值计算出所述发射端接收功率最大化各线圈的电压值。

本例中，如图5所示，图5为发射端简易示意图，其中，图5中无线充电系统可置于充电板10上；在发射端的线圈100固定了之后，只需完整测量一次即可以得到发射端的线圈100之间的互感系数；测量方法是每次对一个线圈100进行供电，对剩下其中一个线圈100闭合回路不供电，其它线圈100区域内开路状态，测量两线圈100之间的电流值和阻抗即可计算出两线圈100之间的磁信道系数H_Tnk；充电板10中其任意两线圈100之间感应系数也是通过上述方式计算得出；其中H_Tnk＝jwM_Tnk，M_Tnk为线圈之间的磁感应系数；

发射端的各线圈的电压为：

其中，为线圈与发射端其它线圈的感应电压，为线圈与接收端线圈的感应电压，由于i_Tn、z_Tn、H_Tnk、H_nm、i_Tk、i_Rm已知，故可以求出使得P_R值最大。

请参阅图6，图6是本发明提供的基于磁共振多设备无线充电功率最大化传输系统的结构示意图。如图6所示，该基于磁共振多设备无线 充电功率最大化传输系统包括由多个设置在充电板10上的线圈100组成的发射端及由多个移动设备20组成的接收端200，其中，如图7所示，所述充电板10包括：

确认模块11，用于确认发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式；

充电初始化模块12，用于在所述确认模块11确认所述发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式时，则所述发射端以时分的方式分配电压给各个线圈；

获取模块13，用于获取接收端发送包括各移动设备的充电数据的数据包，其中，当所述接收端检测到各线圈的充电数据时，所述接收端发送包括各移动设备的充电数据的数据包给所述发射端；

第一计算模块14，用于根据所述获取模块获取的所述接收端发送的包括各移动设备的充电数据的数据包，通过磁信道参数计算公式计算出各线圈对各移动设备的磁信道参数；

第二计算模块15，用于根据所述第一计算模块计算出的各线圈对各移动设备的磁信道参数，计算出所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值；

分配模块16，用于根据所述第二计算模块计算出的所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值分配电压给各线圈。

其中，所述判断模块11，用于感知是否有新的移动设备接入或者离开所述发射端的充电范围，当在感知到有新的移动设备接入或者离开所述发射端的充电范围时，判断所述发射端的当前充电模式为功率最大化传输模式。

其中，当所述判断模块11判断发射端的当前充电模式不为功率最大化传输模式时，则所述判断模块11继续判断所述发射端的当前充电模式是否为功率最大化传输模式的步骤。

其中，所述第二计算模块15包括：

第一计算单元151，用于将第一计算模块计算出的各线圈对各移动设备的磁信道参数代入接收端总功率计算公式计算出接收端总功率；

第二计算单元152，用于根据所述第一计算单元计算出的所述接收端总功率计算出发射端接收功率最大化每个线圈的电流值；

第三计算单元153，用于根据所述第二计算单元计算出的所述发射端接收功率最大化每个线圈的电流值计算出所述发射端接收功率最大化每个线圈的电压值。

本实施例中，针对多线圈发射端对多移动设备充电，提出了一种功率最大化传输方法，该方法包括发射端初始化阶段时分分配电压给线圈，在该阶段移动设备端反馈充电数据包回来，发射端计算出各线圈与各移动设备端之间的磁信道系数，并根据计算出的各线圈对各移动设备的磁信道参数，计算出所述发射端在功率最大化传输模式下的各线圈所需要的电压值，最后发射端为线圈供电对移动设备端充电。这样，当发射端进入功率最大化传输模式，实行此方法可以提高移动设备端的充电效率，解决了发射端线圈功率优化分配问题。

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。