一种具有多负载隔离特性的可拓展无线充电垫的制作方法
【专利摘要】一种具有多负载隔离特性的可拓展无线充电垫，包括逆变交流电源、K变换器、平面发射垫、无线能量接收器；K变换器由T型或者π型LC电路网络构成；平面发射垫由平面发射线圈以及发射线圈调谐电容串联构成，并粘附固定在绝缘材料的软垫上；无线能量接收器由接收线圈和接收线圈调谐电容以及负载串联构成，放置在发射垫上；逆变交流源通过K变换器与平面发射垫通过导线并联，接收线圈和接收线圈调谐电容串联，并通过输出端口与负载电路相连。本发明容易实施，效果显著。待充电负载的无线能量接收器可以任意放置在充电区域里而不受其他充电负载影响；同时提高充电面积利用率，且扩展和拼接后不影响负载隔离效果。
【专利说明】
一种具有多负载隔离特性的可拓展无线充电垫
技术领域
[0001 ]本发明属于无线能量传输系统设计技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着电子产品的日益增多，一个方便的家用充电平台被迫切需求。作为一种新的 技术，无线电能传输技术可以很好满足这个需求。在这些无线电能传输技术中，磁谐振耦合 式无线充电技术由于它的安全、中距离传输和高效率等优点被广泛的看好。因此，利用这项 技术可以很好地做成一个家用无线充电系统。
[0003] 传统的多负载无线充电系统是利用一个大的发射线圈和多个小的接收线圈构成 的。在这个系统中，接收线圈非常容易受到其它接收线圈的干扰而无法稳定的工作。在目前 已有的研究成果中，多数是利用在负载端接一个匹配的电路的方法来减小干扰。但是，对于 一个负载相对较多的系统，这种方法显得比较麻烦且很不实用。同时，在已有的一些可扩展 的无线电能传输系统中，由于扩展结构特殊，需要大面积覆盖以保证均匀充电或者有需要 特定的扩展位置和方式，使得系统的扩展十分的繁琐。
[0004] 在专利号CN104159A提出的具有负载隔离特性的多负载均匀充电平台中，利用特 殊结构产生了一个3D的均匀充电空间，多个负载可以任意摆放，且充电时互不影响；同时， 该平台可以在垂直方向扩充以容纳更多的负载。但是，该平台结构的充电面积利用率较低， 传输效率随着扩充而降低，且只适合应用于特定的场合。
[0005] 文献 "Meyer P，German。P，Markovic M，et al ? Design of a contactless energy transfer system for desktop peripherals[J]. Industry Applications IEEE Transactions on, 2011，47(4): 1643-1651"基于平面螺旋四边形提出一种可用于多负载 供电的多层阵列式原边磁能发射网，该结构为可扩展结构，但由于单层阵列结构磁场分布 不均匀，所以需要用多层大面积覆盖的方式相互补偿以保证负载可以在任意位置充电，在 应用上极为的不方便。同时，文献"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 IEEE Transactions on, 2011，58(9) :4136_4144"提出了一种 带铁芯的单层绕线阵列的磁能发射网，接收端可以任意摆放，发射网也能够扩展，由于每一 个扩展单元的铁芯材料和位置都有要求使得工艺要求高和实施难度大。文献"刁寅亮.产 生均匀磁场的无线充电平台中初级线圈结构设计[D].北京邮电大学，2011"基于感应式 无线电能传输技术提出了一种能够产生均匀磁场的初级线圈结构，并通过仿真得到了验 证，同时，为了结构的扩展对初级线圈进行了改进。然而，以上三个文献中对多个负载间的 干扰与隔离没有详细讨论，甚至没讨论，仅仅在于系统扩展和负载摆放可以忽略位置。同 时，三个文献都是基于感应式无线电能传输技术，使得充电距离仅为一张二维平面，离开即 不能充电，因此无法更广泛的应用。
[0006] 在"Kim J, Son H 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"以及"Ean K K, Chuan B T, Imura T, et al. Impedance matching and power division algorithm considering cross coupling for wireless power transfer via magnetic resonance[J]. 2012:1-5" 等文献中，多数利用负载端接 一个匹配的电路的方法来减小多负载间的交叉干扰。但是，在一个负载相对较多的系统中， 这种方法显得十分麻烦且很不实用。因此需要一种方便的负载隔离方案，让负载端无需匹 配电路。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是针对现有技术中存在单源单负载或单源多负载应用时充电平台 不可扩展以及多接收负载的状态彼此相互干扰等问题，提出一种新型的具有多负载隔离特 性的可扩展无线充电垫。
[0008] 本发明通过K变换器并联到同一逆变电源两端的多个充电垫，可以在X轴和Y轴方 向以平铺的方式扩展和拼接出更大的面积以容纳接收线圈占用面积更大和数目更多的负 载。通过无缝的拼接，每个充电垫的边角连接处都能得到充分的利用，有效提高充电垫面积 利用率;扩展和拼接后，多充电垫无线充电结构仍然保持多负载隔离特征。在多个负载同时 充电时，充电负载的接收线圈可以实现很好的隔离，充电互不影响。
[0009] 本发明通过以下技术实现。
[0010] 本发明包括逆变交流电源、K变换器、平面发射垫、无线能量接收器。
[0011] 本发明所述的K变换器又称为阻抗变换器，由T型或者31型LC电路网络构成。其中， 电感和电容的取值为尤=昃/(25e/q)和= 是系统的工作频率，X是K变 换器的特征参数。
[0012] 所述的平面发射垫由平面发射线圈以及发射线圈调谐电容串联构成，并粘附固定 在绝缘材料的软垫上。各平面发射垫中平面发射线圈的规格、绕向等均为一致。每个平面发 射垫通过K变换器并联到交流源两端。
[0013] 所述的无线能量接收器由接收线圈和接收线圈调谐电容以及负载串联构成，放置 在发射垫上。
[0014] 逆变交流源通过K变换器与平面发射垫通过导线并联，接收线圈和接收线圈调谐 电容串联，并通过输出端口与负载电路相连。
[0015] 所述的平面发射线圈可以采用方形或者圆形的匀强磁场平面线圈。优选方形的匀 强磁场平面线圈，便于充电垫的拼接，它可以在线圈所在面积内产生纵向的均匀磁场。发射 线圈调谐电容用于发射端电路调谐使谐振频率调到系统工作频率/〇。
[0016] 所述的接收线圈外接负载后可以放置在平面发射线圈上的任意位置。接收线圈调 谐电容用于接收端电路调谐使谐振频率也调到系统工作频率/〇。
[0017] 本发明所述的充电垫可以向X轴和Y轴方向以平铺的方式扩展和拼接出更大的面 积，并且共用一个交流源。每个平面发射垫都通过K变换器连接到逆变交流源两端，以保证 系统的负载隔离效果。
[0018] 本发明所述的逆变交流源是使用DC-AC或者AC-DC-AC电路经过一个全桥或半桥逆 变器变换而来。该逆变交流源内阻很小，仅有很小的开关损耗，可以粗略地视为无内阻的交 流电压源。
[0019] 本发明公开的无线充电垫容易实施，效果显著。本发明利用特殊绕制的方形匀强 磁场平面线圈作为平面发射线圈以产生均匀磁场，并且利用K变换器以实现负载隔离，因此 待充电负载的无线能量接收器可以任意放置在充电区域里而不受其他充电负载影响；同 时，利用同一个交流源，多个无线充电垫可以任意的扩展和拼接出更大的面积来以容纳更 多的负载，为提高充电面积利用率，充电垫的边角连接处也能充分的利用起来，并且扩展和 拼接后不影响负载隔离效果。
【附图说明】
[0020] 图1为可扩展的无线多负载充电垫系统电路原理图。
[0021] 图中，Ks为逆变交流源，K为K变换器，Ztxi和ZTX2为平面发射线圈电感，Cm和CTX2为 发射线圈调谐电容山、心、心和h为接收线圈电感，g、c 2、c3和64为接收线圈调谐电容， RlI、Rl2、Rl3和Rl4为简化的外接负载电路。
[0022] 图2为实施例的系统电路原理图。
[0023]图3为实施例的K变换器结构电路原理图。
[0024]图4为交流电源电压峰值Ks为5V，负载电阻1^为10 n，其它负载开路（即只对单负 载Rli充电），频率(KHZ)-电压幅度(V)曲线图。频率为83.35KHZ(工作频率)时，.847V。 [0025]图5为交流电源电压峰值Ks为5V，负载电阻Rl 2为5 Q，其它负载开路（即只对单负载 Rl2充电），频率(KHZ)-电压幅度(V)曲线图。频率为83.35KHZ(工作频率)时，V2为3.744V。 [0026]图6为交流电源电压峰值Ks为5V，负载电阻Rl 3为20 Q，其它负载开路（即只对单负 载Rl3充电），频率(KHZ)-电压幅度(V)曲线图。频率为83.35KHZ(工作频率)时，V 3为3.883V。 [0027] 图7为交流电源电压峰值Ks为5V，负载电阻Rli为10Q，负载电阻Rl2为5Q，其它负载 开路（即只对RL1和RL2充电），频率(KHZ)-电压幅度(V)曲线图，两个负载隔开2.5cm(等于接 收线圈的半径）。频率为83.35KHZ(工作频率)时，V^3.825V，V2为3.730V。
[0028] 图8为交流电源电压峰值Ks为5V，负载电阻Rl2为5Q，负载电阻Rl3为20Q，其它负载 开路（即只对Rl2和Rl3充电），频率(KHZ)-电压幅度（V)曲线图，两个负载紧挨着。频率为 83 ? 35KHZ(工作频率）时，V2为3 ? 686V，V3为3 ? 822V。
[0029] 图9为交流电源电压峰值Ks为5V，负载电阻Rli为10Q，负载电阻Rl3为20Q，其它负 载开路（即只对Ru和RL3充电），频率(KHZ)-电压幅度(V)曲线图，两个负载隔开5cm(等于接 收线圈的直径）。频率为83.35KHZ(工作频率)时，.847V，V3为3.883V。
[0030] 图10为交流电源电压峰值Ks为5V，负载电阻Rli为10Q，负载电阻RL2为5Q，负载电 阻Rl3为20Q，三个负载同时充电，频率(KHZ)-电压幅度(V)曲线图，Rli和Rl2隔开2.5cm，RLi和 Rl3隔开5cm，RL2和Rl3紧密挨着。频率为83.35KHZ(工作频率）时，.825V，V2为3.675V，V 3 为3.822V。
【具体实施方式】
[0031] 以下将结合【附图说明】和实施例对本发明进一步说明，但不作为本发明范围以及应 用的限制。
[0032] 如图2所示。该充电系统由4个具有相同规格的平面发射线圈的平面发射垫拼接而 成，其中，每个平面发射线圈为线径1mm的漆包铜线绕制10匝而成，每匝的边长分别为 5 ? 4cm、12 ? 9cm、16.4cm、18 ? 9cm、20 ? 8cm、22 ? 3cm、23 ? 4cm、24.2cm、24 ? 6cm、24 ? 9cm，平面发射 线圈电感Ztx均为119.2uH，发射线圈调谐电容Ctx为30.7nF，将其调谐在A为83.35KHZ的系统 操作频率上。无线能量接收器中接收线圈的规格相同，直径为5cm，用线径为1_的漆包铜线 绕制4〇圈而成，其电感1为55.21111，接收线圈调谐电容0368.71^。^：在这里统一取值5.23 Q，实施例中的K变换器采用图3的T型LC电路网络，因此L=9.98uH，C=365. InF。
[0033] 图4至图9给出了交流电源电压峰值Ks为5V，负载1电阻Rli为10Q，负载2电阻Rl2为5 Q，负载3电阻Rl3为20 Q，在不同情况下的频率(KHZ)-电压幅度(V)的仿真曲线。图4至图6分 别为Rl、Rl2以及Rl 3各自单独存在时，在操作频率上的电压幅度值。例如:在约为83.35KHZ 频率下，负载1的电压幅度.847V，负载2的电压幅度％为3.744V，负载3的电压幅度V 3为 3.883V，其与估算值基本一致。图7为Rli和Rl2相隔2.5cm(等于接收线圈的半径）同时充电 的情况，此时，电压幅度VA3.825V，电压幅度％为3.730V，与它们独自充电时相比，分别仅 下降了0.5%和0.3%。图8为Rl2和Rl3紧密挨着同时充电的情况，电压幅度V 2为3.686V，电压幅 度V3为3.822V，与它们独自充电时相比，分别下降了 1%和1.5%。图9为Rli和Rl3相隔5cm(等于 接收线圈的直径）同时充电的情况，电压幅度.847V，电压幅度％为3.744V，与它们独自 充电时一致。由此可见，当负载紧密相邻时，如图8紧挨着的情况，负载间有些干扰，但是影 响不大。同时，只要接收线圈有隔开一些间隔，如图7的情况，负载间的干扰很小。当隔开距 离约为接收线圈的直径时，如图9的情况，负载可以完全的隔离。图10为Ru、Rl 2和Rl3对应以 上几种摆放情况同时充电，￥1为3.825￥，￥ 2为3.675￥，￥3为3.822￥，与它们独自充电时相比， 分别下降了 〇. 5%、1.3%和1.5%，结果和在图7到图9中任意一种情况下加入第三个负载一致。
【主权项】
1. 一种具有多负载隔离特性的可拓展无线充电垫，其特征是包括逆变交流电源、K变换 器、平面发射垫、无线能量接收器； 所述的Κ变换器由Τ型或者31型LC电路网络构成；其中，电感和电容的取值为ft是系统的工作频率，是Κ变换器的特征参数； 所述的平面发射垫由平面发射线圈以及发射线圈调谐电容串联构成，并粘附固定在绝 缘材料的软垫上； 所述的无线能量接收器由接收线圈和接收线圈调谐电容以及负载串联构成，放置在发 射垫上； 逆变交流源通过K变换器与平面发射垫通过导线并联，接收线圈和接收线圈调谐电容 串联，并通过输出端口与负载电路相连。2. 根据权利要求1所述的具有多负载隔离特性的可拓展无线充电垫，其特征是所述的 平面发射线圈采用方形或者圆形的匀强磁场平面线圈。3. 根据权利要求1所述的具有多负载隔离特性的可拓展无线充电垫，其特征是所述的 各平面发射垫中平面发射线圈的规格、绕向等均为一致。4. 根据权利要求1所述的具有多负载隔离特性的可拓展无线充电垫，其特征是所述的 充电垫向X轴和Y轴方向以平铺的方式扩展和拼接，并且共用一个交流源。5. 根据权利要求1所述的具有多负载隔离特性的可拓展无线充电垫，其特征是所述的 逆变交流源是使用DC-AC或者AC-DC-AC电路经过一个全桥或半桥逆变器变换。
【文档编号】H02J7/00GK105958666SQ201610388141
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】罗斌, 周俊杰
【申请人】南昌大学