一種具有多負載隔離特性的可拓展無線充電墊的制作方法
【專利摘要】一種具有多負載隔離特性的可拓展無線充電墊，包括逆變交流電源、K變換器、平面發射墊、無線能量接收器；K變換器由T型或者π型LC電路網絡構成；平面發射墊由平面發射線圈以及發射線圈調諧電容串聯構成，并粘附固定在絕緣材料的軟墊上；無線能量接收器由接收線圈和接收線圈調諧電容以及負載串聯構成，放置在發射墊上；逆變交流源通過K變換器與平面發射墊通過導線并聯，接收線圈和接收線圈調諧電容串聯，并通過輸出端口與負載電路相連。本實用新型容易實施，效果顯著。待充電負載的無線能量接收器可以任意放置在充電區域里而不受其他充電負載影響；同時提高充電面積利用率，且擴展和拼接后不影響負載隔離效果。
【專利說明】
-種具有多負載隔離特性的可拓展無線充電墊
技術領域
[0001 ]本實用新型屬于無線能量傳輸系統設計技術領域。
【背景技術】
[0002] 隨著電子產品的日益增多，一個方便的家用充電平臺被迫切需求。作為一種新的 技術，無線電能傳輸技術可W很好滿足運個需求。在運些無線電能傳輸技術中，磁諧振禪合 式無線充電技術由于它的安全、中距離傳輸和高效率等優點被廣泛的看好。因此，利用運項 技術可W很好地做成一個家用無線充電系統。
[0003] 傳統的多負載無線充電系統是利用一個大的發射線圈和多個小的接收線圈構成 的。在運個系統中，接收線圈非常容易受到其它接收線圈的干擾而無法穩定的工作。在目前 已有的研究成果中，多數是利用在負載端接一個匹配的電路的方法來減小干擾。但是，對于 一個負載相對較多的系統，運種方法顯得比較麻煩且很不實用。同時，在已有的一些可擴展 的無線電能傳輸系統中，由于擴展結構特殊，需要大面積覆蓋W保證均勻充電或者有需要 特定的擴展位置和方式，使得系統的擴展十分的繁瑣。
[0004] 在專利號CN104159A提出的具有負載隔離特性的多負載均勻充電平臺中，利用特 殊結構產生了一個3D的均勻充電空間，多個負載可W任意擺放，且充電時互不影響；同時， 該平臺可W在垂直方向擴充W容納更多的負載。但是，該平臺結構的充電面積利用率較低， 傳輸效率隨著擴充而降低，且只適合應用于特定的場合。
[0005] 文獻"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載 供電的多層陣列式原邊磁能發射網，該結構為可擴展結構，但由于單層陣列結構磁場分布 不均勻，所W需要用多層大面積覆蓋的方式相互補償W保證負載可W在任意位置充電，在 應用上極為的不方便。同時，文獻"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 帶鐵忍的單層繞線陣列的磁能發射網，接收端可W任意擺放，發射網也能夠擴展，由于每一 個擴展單元的鐵忍材料和位置都有要求使得工藝要求高和實施難度大。文獻"習寅亮.產 生均勻磁場的無線充電平臺中初級線圈結構設計[D].北京郵電大學，201?；诟袘?無線電能傳輸技術提出了一種能夠產生均勻磁場的初級線圈結構，并通過仿真得到了驗 證，同時，為了結構的擴展對初級線圈進行了改進。然而，W上Ξ個文獻中對多個負載間的 干擾與隔離沒有詳細討論，甚至沒討論，僅僅在于系統擴展和負載擺放可W忽略位置。同 時，Ξ個文獻都是基于感應式無線電能傳輸技術，使得充電距離僅為一張二維平面，離開即 不能充電，因此無法更廣泛的應用。
[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"等文獻中，多數利用負載端接 一個匹配的電路的方法來減小多負載間的交叉干擾。但是，在一個負載相對較多的系統中， 運種方法顯得十分麻煩且很不實用。因此需要一種方便的負載隔離方案，讓負載端無需匹 配電路。 【實用新型內容】
[0007] 本實用新型的目的是針對現有技術中存在單源單負載或單源多負載應用時充電 平臺不可擴展W及多接收負載的狀態彼此相互干擾等問題，提出一種新型的具有多負載隔 離特性的可擴展無線充電墊。
[0008] 本實用新型通過K變換器并聯到同一逆變電源兩端的多個充電墊，可W在X軸和Y 軸方向W平鋪的方式擴展和拼接出更大的面積W容納接收線圈占用面積更大和數目更多 的負載。通過無縫的拼接，每個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;擴展和拼接后，多充電墊無線充電結構仍然保持多負載隔離特征。在多個負載 同時充電時，充電負載的接收線圈可W實現很好的隔離，充電互不影響。
[0009] 本實用新型通過W下技術實現。
[0010] 本實用新型包括逆變交流電源、K變換器、平面發射墊、無線能量接收器。
[0011] 本實用新型所述的K變換器又稱為阻抗變換器，由T型或者31型LC電路網絡構成。其 中，電感和電容的取值為里=f /(Ssr/n)和C = 1 /(2sr/aT)。/ 0是系統的工作頻率，J 是K變換器的特征參數。
[0012] 所述的平面發射墊由平面發射線圈W及發射線圈調諧電容串聯構成，并粘附固定 在絕緣材料的軟墊上。各平面發射墊中平面發射線圈的規格、繞向等均為一致。每個平面發 射墊通過K變換器并聯到交流源兩端。
[0013] 所述的無線能量接收器由接收線圈和接收線圈調諧電容W及負載串聯構成，放置 在發射墊上。
[0014] 逆變交流源通過K變換器與平面發射墊通過導線并聯，接收線圈和接收線圈調諧 電容串聯，并通過輸出端口與負載電路相連。
[0015] 所述的平面發射線圈可W采用方形或者圓形的勻強磁場平面線圈。優選方形的勻 強磁場平面線圈，便于充電墊的拼接，它可W在線圈所在面積內產生縱向的均勻磁場。發射 線圈調諧電容用于發射端電路調諧使諧振頻率調到系統工作頻率/〇。
[0016] 所述的接收線圈外接負載后可W放置在平面發射線圈上的任意位置。接收線圈調 諧電容用于接收端電路調諧使諧振頻率也調到系統工作頻率/〇。
[0017] 本實用新型所述的充電墊可W向X軸和Y軸方向W平鋪的方式擴展和拼接出更大 的面積，并且共用一個交流源。每個平面發射墊都通過K變換器連接到逆變交流源兩端，W 保證系統的負載隔離效果。
[0018] 本實用新型所述的逆變交流源是使用DC-AC或者AC-DC-AC電路經過一個全橋或半 橋逆變器變換而來。該逆變交流源內阻很小，僅有很小的開關損耗，可W粗略地視為無內阻 的交流電壓源。
[0019] 本實用新型公開的無線充電墊容易實施，效果顯著。本實用新型利用特殊繞制的 方形勻強磁場平面線圈作為平面發射線圈W產生均勻磁場，并且利用K變換器W實現負載 隔離，因此待充電負載的無線能量接收器可W任意放置在充電區域里而不受其他充電負載 影響；同時，利用同一個交流源，多個無線充電墊可W任意的擴展和拼接出更大的面積來W 容納更多的負載，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，并且 擴展和拼接后不影響負載隔離效果。
【附圖說明】

[0020] 圖1為可擴展的無線多負載充電墊系統電路原理圖。
[002。 圖中，Ks為逆變交流源，K為K變換器，Ζτχι和ΖΤΧ2為平面發射線圈電感，幻XI和幻X2為 發射線圈調諧電容，打、公、公和公為接收線圈電感，G、C2、C3和C4為接收線圈調諧電容， 化1、Rl2、Rl3和Rl4為簡化的外接負載電路。
[0022] 圖2為實施例的系統電路原理圖。
[0023] 圖3為實施例的K變換器結構電路原理圖。
[0024] 圖4為交流電源電壓峰值Ks為5V，負載電阻化1為10Ω，其它負載開路（即只對單 負載Rli充電），頻率（KHZ)-電壓幅度（V)曲線圖。頻率為83.35KHZ(工作頻率）時，Vi為 3.847V。
[0025] 圖5為交流電源電壓峰值Ks為5V，負載電阻化2為5Ω，其它負載開路（即只對單負 載化2充電），頻率化HZ)-電壓幅度(V)曲線圖。頻率為83.35KHZ(工作頻率)時，V2為3.744V。
[0026] 圖6為交流電源電壓峰值Ks為5V，負載電阻化3為20Ω，其它負載開路（即只對單 負載Rl3充電），頻率（KHZ)-電壓幅度（V)曲線圖。頻率為83.35KHZ(工作頻率）時，V3為 3.883V。
[0027] 圖7為交流電源電壓峰值Ks為5V，負載電阻化1為10Ω，負載電阻化2為5Ω，其它負 載開路（即只對化1和化2充電），頻率(KHZ)-電壓幅度(V)曲線圖，兩個負載隔開2.5cm(等于 接收線圈的半徑）。頻率為83.35K監(工作頻率)時，Vi為3.825V，V2為3.730V。
[002引圖8為交流電源電壓峰值Ks為5V，負載電阻化2為5Ω，負載電阻化3為20Ω，其它負 載開路（即只對化2和化3充電），頻率(KHZ)-電壓幅度(V)曲線圖，兩個負載緊挨著。頻率為 83.35K 監(工作頻率)時，V2為3.686V，V3為3.822V。
[0029] 圖9為交流電源電壓峰值Ks為5V，負載電阻化1為10Ω，負載電阻化3為20Ω，其它 負載開路（即只對化1和化3充電），頻率(KHZ)-電壓幅度(V)曲線圖，兩個負載隔開5cm(等于 接收線圈的直徑）。頻率為83.35K監(工作頻率)時，Vi為3.847V，V3為3.883V。
[0030] 圖10為交流電源電壓峰值Ks為5V，負載電阻化1為10Ω，負載電阻化2為5Ω，負載 電阻Rl3為20Ω，；個負載同時充電，頻率化監)-電壓幅度(V)曲線圖，Rli和Rl2隔開2.5畑1，化1 和Rl3隔開5cm，Rl2和Rl3緊密挨著。頻率為83.35K監(工作頻率）時，Vi為3.825V，V2為3.675V， V3 為3.822V。
【具體實施方式】
[0031] W下將結合【附圖說明】和實施例對本實用新型進一步說明，但不作為本實用新型范 圍W及應用的限制。
[0032] 如圖2所示。該充電系統由4個具有相同規格的平面發射線圈的平面發射墊拼接而 成，其中，每個平面發射線圈為線徑1mm的漆包銅線繞制10應而成，每應的邊長分別為 5.4cm、12.9cm、16.4cm、18.9cm、20.8cm、22.3cm、23.4cm、24.2cm、24.6cm、24.9cm，平面發射 線圈電感Z TX均為119.化H，發射線圈調諧電容CTX為30.7nF，將其調諧在/ 0為83.35K監的 系統操作頻率上。無線能量接收器中接收線圈的規格相同，直徑為5cm，用線徑為1mm的漆包 銅線繞制40圈而成，其電感Z為55.2地，接收線圈調諧電容C為68.7nF。^在運里統一取值 5.23 Ω，實施例中的K變換器采用圖3的T型LC電路網絡，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，負載1電阻化1為10Ω，負載2電阻化2 為5 Ω，負載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。圖4至圖 6分別為Rl、Rl2 W及Rl3各自單獨存在時，在操作頻率上的電壓幅度值。例如：在約為 83.35K監頻率下，負載1的電壓幅度Vi為3.847V，負載2的電壓幅度V2為3.744V，負載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(等于接收線圈的半徑）同 時充電的情況，此時，電壓幅度Vi為3.825V，電壓幅度V2為3.730V，與它們獨自充電時相比， 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，與它們獨自充電時相比，分別下降了 1%和1.5%。圖9為Rli和化3相隔 5cm(等于接收線圈的直徑）同時充電的情況，電壓幅度Vi為3.847V，電壓幅度V2為3.744V，與 它們獨自充電時一致。由此可見，當負載緊密相鄰時，如圖8緊挨著的情況，負載間有些干 擾，但是影響不大。同時，只要接收線圈有隔開一些間隔，如圖7的情況，負載間的干擾很小。 當隔開距離約為接收線圈的直徑時，如圖9的情況，負載可W完全的隔離。圖10為化1、化2和 化擁應W上幾種擺放情況同時充電，Vi為3.825V，V2為3.675V，V3為3.822V，與它們獨自充電 時相比，分別下降了0.5%、1.3%和1.5%，結果和在圖7到圖9中任意一種情況下加入第Ξ個負 載一致。
【主權項】
1. 一種具有多負載隔離特性的可拓展無線充電墊，其特征是:包括逆變交流電源、K變 換器、平面發射墊、無線能量接收器； 所述的Κ變換器由Τ型或者31型LC電路網絡構成；其中，電感和電容的取值為，/〇是系統的工作頻率，是Κ變換器的特征參數； 所述的平面發射墊由平面發射線圈以及發射線圈調諧電容串聯構成，并粘附固定在絕 緣材料的軟墊上； 所述的無線能量接收器由接收線圈和接收線圈調諧電容以及負載串聯構成，放置在發 射墊上； 逆變交流源通過Κ變換器與平面發射墊通過導線并聯，接收線圈和接收線圈調諧電容 串聯，并通過輸出端口與負載電路相連。2. 根據權利要求1所述的具有多負載隔離特性的可拓展無線充電墊，其特征是:所述的 平面發射線圈采用方形或者圓形的勻強磁場平面線圈。3. 根據權利要求1所述的具有多負載隔離特性的可拓展無線充電墊，其特征是:所述的 各平面發射墊中平面發射線圈的規格、繞向等均為一致。4. 根據權利要求1所述的具有多負載隔離特性的可拓展無線充電墊，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展和拼接，并且共用一個交流源。5. 根據權利要求1所述的具有多負載隔離特性的可拓展無線充電墊，其特征是:所述的 逆變交流源是使用DC-AC或者AC-DC-AC電路經過一個全橋或半橋逆變器變換。
【文檔編號】H02J50/12GK205693449SQ201620532971
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月6日 公開號201620532971.5, CN 201620532971, CN 205693449 U, CN 205693449U, CN-U-205693449, CN201620532971, CN201620532971.5, CN205693449 U, CN205693449U
【發明人】羅斌, 周俊杰
【申請人】南昌大學