具有匀强磁场特性的磁谐振耦合式多负载无线充电平台

摘要

一种具有匀强磁场特性的磁谐振耦合式多负载无线充电平台，包括交流电源、源端耦合电感线圈、源端调谐电容、电感线圈阵列、阵列调谐电容、阵列连接导线、固定托台、附加托台、负载端耦合电感线圈、负载端调谐电容、支架；交流电源、源端耦合电感线圈、源端调谐电容串联，电感线圈阵列和阵列调谐电容通过阵列连接导线相串联、负载端耦合电感线圈和负载端调谐电容串联，并通过输出端口与负载电路相连；电感线圈阵列的电感线圈缠绕在固定托台侧面上，固定托台与支架固定并支撑电感线圈阵列。本发明结构简单，容易实施，待充电负载的耦合线圈可平行地随意放置在匀强磁场区域中任意一处，而不影响其充电效果，可支持多个负载同时进行充电。

说明书

技术领域

本发明属于无线能量传输系统设计技术领域。

背景技术

作为一种新型的无线能量传输技术，磁谐振耦合式无线充电技术能在几倍于电感项圈口径的距离以较高的效率传递电能，克服了感应式无线充电技术只能在非常近的距离才能应用的弊端。可用于从毫瓦级到千瓦级的各种应用场合。

传统的磁谐振耦合式无线充电系统有四电感线圈形式和两电感线圈形式两种。在四电感线圈形式中，电源通过一个耦合电感线圈和发射电感线圈相耦合，负载则通过另一个耦合电感线圈和接收电感线圈相耦合；而在两电感线圈形式中，耦合电感线圈被取消，电源、负载直接和发射电感线圈、接收电感线圈相连接。它们的共同特点是单电源、单负载，效率和功率对电感线圈之间的距离、相对位置非常敏感。而若局限于这种一对一的单电源、单负载的传统技术，要同时对多个负载进行充电只能采用多个充电装置的方法。

目前已有一些均匀磁场的无线充电技术，其特点是能够在一定空间区域中产生均匀磁场，在此空间区域中，待充电负载（以及其耦合电感线圈）可随意移动而不影响其充电性能。但它们是基于磁感应原理的，均匀磁场区域通常被局限在一张面积一定的二维平面上，导致负载的耦合电感线圈的位置被局限在距离发射线圈几个毫米的范围内，这极大地限制了无线充电平台的进一步发展和应用。

为克服磁感应式均匀磁场无线充电技术的上述弱点，打破传统的磁谐振耦合式无线充电负载只能放置在固定位置以及只能对单个负载进行充电的弊端，满足越来越多的多负载无线充电的需求，迫切需要一种具有较大的三维均匀磁场空间，能够同时对多负载进行充电的技术方案。该方案还应对各充电负载进行有效隔离，以避免多个充电负载之间在充电时的相互干扰。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种磁谐振耦合式无线充电平台，利用多个同轴的绕向相同的平行电感线圈构成能在一定三维空间区域范围内产生均匀磁场的电感线圈阵列。该平台可以对多个负载同时进行充电；充电负载的耦合电感线圈可放置在该均匀磁场区域范围内任意位置；多负载充电时，只要充电负载的耦合电感线圈彼此隔开一定的位置就能相互隔离，保证充电状态互不影响。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明由交流电源(9)、源端耦合电感线圈(3)、源端调谐电容(10)、电感线圈阵列(11)、阵列调谐电容(1)、阵列连接导线(2)、固定托台(5)、附加托台(12)、负载端耦合电感线圈(4)、负载端调谐电容(7)、支架(6)构成。交流电源(9)和源端耦合电感线圈(3)以及源端调谐电容(10)通过导线相串联，电感线圈阵列(11)和阵列调谐电容(1)通过阵列连接导线(2)相串联、负载端耦合电感线圈(4)和负载端调谐电容(7) 相串联，并通过输出端口(8)与负载电路相连。

所述的电感线圈阵列(11)由两个或两个以上的同轴平行的大口径空心电感线圈通过导线(2)串联而成，绕向保持一致。如此，可以在由最下面电感线圈为底部、最上面电感线圈为顶部所构成的柱形区域（柱形区域横截面形状取决于阵列电感线圈的形状）附近获得近似均匀的磁场。所述的这些电感线圈可以为圆形，也可绕制为矩形或其它几何形状。

这些大口径空心电感线圈缠绕在固定托台(5)侧面上，固定托台(5)是由非金属、非磁性材料（如玻璃、塑料等）制成的扁柱结构，和支架(6)一起固定并支撑电感线圈阵列。各固定托台(5)中，除了最靠近源端耦合电感线圈(3)的固定托台之外，待充电电器可放置在其它固定托台的上面进行充电。另外，还可在最上和最下固定托台之间的空间内，平行于固定托台的其它适当位置放置若干附加托台(12)。

支架(6)由非金属、非磁性材料（如玻璃、塑料、木材等）制成，除了固定和支撑固定托台(5)和电感线圈阵列(11)的作用外，还可以支撑多个附加托台(12)放置在近似均匀磁场区域内。固定托台(5)和附加托台(12)安装在匀强磁场空间内，垂直于电感线圈阵列(11)轴向，由支架(6)支撑、固定。

电感线圈阵列的总电感分为两部分，一部分是各空心线圈的自感，另一部分是各空心线圈彼此之间的互感，总电感量L_A为以上两部分电感的总和。阵列调谐电容C_A (1)将电感线圈阵列的谐振频率调谐到工作频率f₀，即                                                。通常，工作频率f₀可在125KHz、133KHz、225KHz、13.56MHz等频率中进行选择。

源端耦合电感线圈 (3，电感量L_S)放置在充电平台底部，但也可平行于线圈阵列置于匀强磁场圆柱状区域内其它部位，源端调谐电容(10，C_S)用于源端谐振电路的调谐，其作用是将谐振频率也调谐到工作频率f₀，L_S和C_S满足谐振关系。 

负载端耦合电感线圈L_L以及负载端调谐电容C_L (7)通过导线 与输出端口(8)相串联，一般负载端耦合电感线圈L_L可平放在固定托台或附加托台上。负载端调谐电容C_L(7)用于负载端谐振电路的调谐，其谐振频率也调谐到工作频率f₀，L_L和C_L满足谐振关系。待充电的设备和充电电路（包括整流、滤波、匹配电路）直接连接到输出端口(8)。

交流电源(9)为直流电源通过DC-AC、或低频交流源（如220V50Hz市电）通过AC-DC-AC电路经全桥逆变或半桥逆变变换而来。如此，交流电源(9)可等效为0欧姆内阻的交流电压源。

在设计制作电感线圈阵列(11)线圈电感L_A、源端耦合线圈(3) 电感L_S和负载端耦合线圈电感L_L时，建议满足约束条件M_SA=M_AL，以获得源端匹配的效果。这里，M_SA是L_S与L_A的互感，M_AL是L_A与L_L的互感。

当有多个负载同时充电时，为避免或减小充电负载之间的相互干扰，应满足关系式M_LmLn<<M_SA，M_LmLn为第m个负载端耦合线圈和第n个负载端耦合线圈之间的互感。为达到这一目的，可将负载端耦合线圈在空间上彼此隔开一定的距离。如可以将负载放置在不同高度的固定托台上（高度差大于2倍负载耦合线圈直径）；若放置在同一个固定托台或附加托台上，则负载耦合线圈的圆心距至少要大于2倍负载耦合线圈直径。

发明的效果：本发明公开的充电平台结构简单，容易实施。本发明利用绕向相同的稀疏平行电感线圈阵列产生磁场近似均匀的柱形区域（柱形区域横截面形状取决于阵列电感线圈本身的几何形状），因此待充电负载的耦合线圈可平行地随意放置在该区域中任意一处，而不影响其充电效果。

该无线充电平台可支持多个负载同时进行充电。当负载耦合线圈之间的互感远小于负载耦合线圈和匀强磁场线圈阵列之间的互感时，充电负载之间的相互影响可忽略。

附图说明

图1是本发明的整体系统电路原理图。其中，1为阵列调谐电容，2为阵列连接导线，3为源端耦合线圈，4为负载端耦合线圈，5为固定托台，6为支架，7为负载端调谐电容， 8为输出端口，9为电源，10为源端调谐电容，11为电感线圈阵列，12为附加托台。

图2是实施例的系统电路原理图，图中两负载简化为电阻负载R_L1和R_L2。

图3是图2所示实施例中，双平行电感线圈阵列的纵剖面磁力线分布图，图中框线部分表示近似均匀磁场区域。

图4为电压源峰峰值为V_S=20V，负载电阻R_L1=8Ω、，负载R_L2开路时(即只对单负载R_L1充电)，频率(kHz)-电流幅度(A)曲线图。频率为225.0kHz(工作频率)时，I₁=2.543A。

图5为电压源峰峰值为V_S=20V，负载R_L1开路，负载电阻R_L2为10Ω时(即只对单负载R_L2充电)，频率(kHz)-电流幅度(A)曲线图。频率为225.0kHz时，I₂=1.916A。

图6为电压源峰峰值为V_S=20V，负载电阻R_L1=8Ω，负载电阻R_L2=10Ω，负载端耦合电感线圈的圆心距为10cm时(等于2倍负载耦合线圈直径)，频率(kHz)-电流幅度(A)曲线图。频率为225.0kHz时，I₁=2.533A， I₂=1.906A。

图7为电压源峰峰值为V_S=20V，负载电阻R_L1=8Ω，负载电阻R_L2 =10Ω，负载端耦合电感线圈的圆心距为5cm时(等于1倍负载耦合线圈直径)，频率(kHz)-电流幅度(A)曲线图。频率为225.0kHz时，I₁=2.062A， I₂=1.664A。

具体实施方式

本发明将结合附图通过具体的实施例作进一步说明，但是不应作为本发明范围及其应用的限制。

实施例。平行同轴双线圈阵列匀强磁场充电平台。

该充电平台如图2所示。线圈阵列由2个相距15cm、口径（直径）30cm的空心线圈串联而成，每个空心线圈由线直径0.8mm的漆包铜线绕制10匝而成。其总电感L_A为240μH，调谐电容C_A=2.1nF，将其调谐在f=225KHz的系统工作频率上。该线圈阵列周围的磁场分布纵剖面图如图3所示，由图可见框线所示区域（圆柱体）内部磁场近似均匀分布。电源耦合线圈口径（直径）10cm，由线直径0.8mm的漆包铜线绕制3匝而成，其电感量约为L_S=2.77μH，调谐电容C_S=0.18μF。负载耦合线圈规格相同，口径(直径)5cm，由线直径0.8mm的漆包铜线绕制12匝而成，其电感量约为L_L=19μH，调谐电容C_L=26nF。负载耦合线圈放置在托台上，各负载耦合线圈之间的圆心距应不小于10cm。

图4-图7给出了电压源峰峰值为V_S=20V，负载1电阻R_L1=8Ω，负载2电阻R_L2为10Ω时，在不同情况下的频率(kHz)-电流幅度(A)的仿真曲线。图4对应只有R_L1存在时；图5对应只有R_L2存在时。中心频率处的电流幅度可用公式V_S/R_Li估算。例如：在225kHz处，负载1上的电流幅度值应为20V/8Ω=2.5A，负载2上的电流幅度值应为20V/10Ω=2A；与仿真得到的2.543A和1.916A基本吻合。图6对应两负载同时充电，且耦合线圈的圆心距为10cm的情形，电流幅度值I₁=2.533A，I₂=1.906A，与单负载充电时相比，仅分别降低0.39%和0.5%。图7对应两负载同时充电，且耦合线圈的圆心距为5cm的情形，此时电流幅度值I₁=2.062A、I₂=1.664A，与单负载充电时相比分别降低了18.9%和13.2%。可见，当多负载充电且放置在同一托台上时，若耦合线圈的圆心距≥2倍线圈直径时，各负载彼此独立充电，其相互影响很小，负载吸收的功率完全由源电压和负载电路自身等效阻抗决定。