一类基于中继模块的无线充电功能拓展方法

1.本发明涉及一类无线充电发射器。


背景技术：

2.近年来感应无线电能传输(ipt)技术得到了快速的发展，众多技术问题得到了有效解决，进一步推动了无线充电技术在市场上的广泛应用。目前，小功率无线充电器大都遵循qi标准，其为无线充电的大规模应用创造了可能。但qi标准也存在一定的局限性：一是充电区域有限，如果仅使用一对尺寸相同的线圈作为耦合器，系统对两线圈间的偏移容忍度很低；二是大部分基于qi标准的充电器无法支持多负载充电。
3.为了解决以上问题，部分企业给出了尝试性的解决方案。主要可分为以下两种：第一种是在发射器中引入电动装置，在充电区域内，发射线圈自动追踪接收器位置，始终保持耦合线圈中心位置对齐。这种方案能够保证任意位置下的电能传输效率，但电动装置的引入增加了成本，同时运行过程中产生的噪声影响用户体验。第二种是采用多线圈阵列，实现全充电区域交叠覆盖，根据接收器的位置激活对应的发射线圈。这种方案也能保证任意位置下的电能传输效率，但由于每个发射线圈都采用独立电路进行驱动，成本大幅增加，并且实际工作过程中的发热问题较难解决。总之，这些尝试性的方案并没有做到充电偏移容忍性能、多负载能力和用户体验、经济成本等问题的兼顾，因此也没有取得广泛的市场应用。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：现有的大多数中小功率无线充电发射器产品偏移容忍性能差，仅支持单一负载充电，除此之外，已被提出的尝试性方案也无法做到充电偏移容忍性能、多负载能力与用户体验、经济成本等问题的兼顾。
5.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一类基于中继模块的无线充电功能拓展方法，其特征在于，源模块通过中继模块为负载模块充电，通过中继模块拓展源模块的功能，其中：
6.中继模块包括一个辅助中继线圈以及至少一个主中继线圈，辅助中继线圈与源模块的线圈耦合，使得中继模块能够从源模块中提取足够的功率，所提取的功率经由补偿网络传递至所有主中继线圈，辅助中继线圈与主中继线圈之间通过磁隔离层避免线圈间的交叉耦合；主中继线圈与负载模块的线圈耦合，实现对负载模块的无线充电，为满足不同的充电功能，选择不同类型的主中继线圈。
7.优选地，所述中继模块设计为平面结构或设计为不同形状的立体结构。
8.优选地，有至少两个所述主中继线圈，包括一个主中继线圈一以及至少一个主中继线圈二，其中：主中继线圈一布置于单负载快速充电区域，能够为单个负载模块提供快速充电；所有主中继线圈二布置于多负载慢速充电区域，能够同时为多个负载模块提供慢速充电。
9.本发明提出的一类基于中继模块的无线充电功能拓展方法采用不同的中继线圈
结构，实现多种充电功能拓展。实验结果表明，本发明能保证全充电区域的传输功率和效率，做到了充电偏移容忍、多负载、快慢充结合等功能与用户体验、经济成本等问题的兼顾。
附图说明
10.图1示意了本发明所提出的基于中继模块的无线充电功能拓展方法的基本原理，包括源模块tx、中继模块rex、负载模块rx以及补偿网络comp.，图1展示出整个系统架构，并突出中继模块的三层结构；
11.图2(a)及图2(b)举例说明一种基于中继线圈的快慢充结合功能拓展的系统设计形式，包括系统架构和中继模块形状，其中：图2(a)是系统架构，中继模块rex从源模块tx提取能量并传递给一个快充模块rx1和多个慢充模块rx2等；图2(b)设计了碗形的中继模块，快充模块rx1置于源模块tx正上方，慢充模块rx2置于碗壁四围。
12.图3是补偿网络的电路模型，包括串联补偿、t型补偿和π型补偿，可添加不同元件对源模块tx、中继模块rex及负载模块rx中的补偿网络进行设计。
13.图4(a)以及图4(b)举例说明中继模块rex的几种拓扑形式，其中：图4(a)是单充电区域的中继模块拓扑，l
rea
为辅助中继线圈，l
re
为主中继线圈，可为大尺寸负载或多负载进行充电；图4(b)是具有两个充电区域的中继模块rex的拓扑，l
re1
和l
re2
分别表示中继模块rex的两个主中继线圈，l
re1
设计用于单负载快速充电区域，l
re2
用于多负载慢速充电区域，lr、c
r1
、c
r2
、c
r3
等为谐振补偿元件。
14.图5是使用中继模块rex实现无线充电功能拓展的一个电路拓扑，包括半桥逆变电路、源线圈及其补偿网络、中继线圈及其补偿网络、多负载线圈及其补偿网络和全桥整流电路。
15.图6是基于中继模块rex的实验样机的测试结果，当rx1和rx2的输出功率均为5w时，可以得到源模块电流(i
tx
)、中继模块电流(i
re
)和负载模块电流(i
rx1
,i
rx2
)。
16.图7(a)以及图7(b)是基于中继拓展模块的实验样机在不同负载条件下的电压增益和功率传输效率，其中：从图7(a)可以看出，实验所得的电压增益与理论电压增益基本拟合；如图7(b)所示，在两个负载线圈的功率在1-10w变化时，系统整体有较高的效率。
具体实施方式
17.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
18.如图1所示，本发明包括源模块tx、中继模块rex以及负载模块rx。源模块tx、中继模块rex以及负载模块rx均具有补偿网络，用来消除线圈自感引起的无功功率。
19.中继模块rex为三层结构，用来拓展源模块tx的功能。中继模块rex的底层是辅助中继线圈rex-a，顶层是主中继线圈rex，底层与顶层之间加入磁隔离层，避免辅助中继线圈rex-a与主中继线圈rex间的交叉耦合。
20.当中继模块rex置于源模块tx正上方时，其可利用辅助中继线圈rex-a从源模块tx提取出足够的功率，以满足负载模块rx的高偏移容忍或多负载的充电要求。同时，本发明给
出了多种类型的主中继线圈rex以满足不同的充电功能。图2(a)给出了快慢充结合系统电路模型，主中继线圈rex的位置如图2(b)所示。将中继模块rex总体外形设计为碗状，具有两个充电区域，分别为底部充电区域以及侧面充电区域。底部充电区域可以对单个设备提供快速充电，侧面充电区域可以为多个设备提供慢速充电。
21.中继模块rex不仅可以提高系统的耦合性能，还可以提高系统的设计自由度。可以使用ss、lcc-s、lcc-lcc等补偿网络拓扑对源模块tx、中继模块rex以及负载模块rx进行设计，基本的补偿网络如图3所示。同时，如图4(a)以及图4(b)所示，本发明给出了中继模块rex的几种拓扑形式，包括单充电区域和双充电区域的拓扑。
22.中继模块rex可以针对不同应用定制化设计，它不局限于平面结构，并且可以设计成各种形状以克服原始源模块tx的限制。从制造商的角度来看，仍然可以使用原装源模块tx作为基本功能充电器为负载设备供电，并将中继模块rex作为可选择的辅助模块来提供独特充电功能。这里需要强调的是，本发明提供的基于中继线圈的发射器侧线圈结构和拓扑形式仅为举例说明，并不限制其范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
23.以图5所述的电路拓扑结构对本发明做进一步说明，该电路拓扑包括半桥逆变电路、源线圈及其补偿网络和中继线圈及其补偿网络，并用电路模型表示。此处接收器形式可多种多样，仅举例说明，其包括负载线圈及其补偿网络、整流电路，同时用电路模型表示。
24.在图5所示的电路拓扑中，电源(v
in
)经半桥逆变电路输出接入源线圈补偿网络(电容c
tx
)和源线圈(等效电感l
tx
)，中继线圈(等效电感l
re
+l
rea
)及其补偿网络(电容cr)，到多负载线圈(等效电感l
rx1
和l
rx2
)及其补偿网络(电容c
rx1
和c
rx2
)，经输出(v
o1
和v
o1
)给负载(r
l1
和r
l2
)供电。
25.图5中，l
tx
和l
rea
的尺寸是相同的，两线圈间耦合较强，以便中继模块从源模块提取出足够的功率。l
re
与l
rea
相比是一个体积更大的中继线圈，可以为多负载提供足够的充电面积。考虑到电磁安全，设定每个负载的最大功率为10w。
26.图5所示各级电路主要参数满足以下条件：
[0027][0028]
式中，ω表示系统工作角频率。
[0029]
系统的电压增益如下：
[0030][0031]
式中，m
rer1
表示中继线圈l
re1
和负载线圈l
rx1
的互感，m
trea
表示源线圈tx和中继线圈l
rea
的互感，m
rer2
表示中继线圈l
re2
和负载线圈l
rx2
的互感。
[0032]
按照上述所提方案，针对图1所示的一类基于中继模块的无线充电功能拓展方案，制作了实验样机，其参数如下表1所示：
[0033]
工作频率fs125khz直流输入电压vd20v
源线圈自感l
tx
17.9uh负载线圈自感l
rx1
19.3uh负载线圈自感l
rx2
28.4uh中继线圈自感l
rea
23.5uh中继线圈自感l
re
44.8uh源线圈补偿电容c
tx
90.6nf负载线圈补偿电容c
rx1
83.9nf负载线圈补偿电容c
rx2
57.1nf中继线圈补偿电容cr23.8nf满载输出功率p
l1
+p
l2
20w
[0034]
表1基于中继模块的无线充电功能拓展方案方案样机参数
[0035]
基于上述参数的实验样机的测试结果分别如图6、图7(a)以及图7(b)所示。可以看到，经半桥逆变器后的输入电压v
in
为软开关，可有效降低功耗，改善电磁干扰问题。输入电压v
in
保持恒定时，中继模块rex的电流基本保持恒定，它可以建立稳定的耦合磁场将功率传输到负载端。i
tx
、i
re
和i
rx1
(或i
rx2
)之间存在90
°
的相位差，这与理论分析一致。测量了系统在不同负载下的电压增益，实验结果与理论分析结果基本吻合，误差主要来自逆变器、整流器以及及线圈寄生电阻的功耗。计算得到负载模块rx1和rx2在不同功率下，系统均有较高的效率。
[0036]
由此可见，本发明所提的一类基于中继模块的无线充电功能拓展方法能够有效地克服现有产品方案中存在的不足，保证系统整体的电能传输效率，同时，方案简洁明了，做到了充电偏移容忍性能、多负载、快慢充结合和用户体验、经济成本等问题的兼顾。