CN103138408A - 单发多收式的无线能量传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单发多收式的无线能量传输装置，包括一个发射机和至少两个接收机，每个接收机包括接收线圈、负载和接收阻抗匹配网络，接收线圈中存在接收高频寄生电阻，接收阻抗匹配网络的一侧与接收线圈两端相连接，另一侧与负载两端相连接。在相同的距离下，相比单发单收式的无线能量传输方式，本发明可以显著提高无线能量传输效率，接收机的数量越多，总体传输效率越高；为了达到单发多收式的无线能量传输效率，需要在电路结构上所做的改变就是要根据接收机之间的相互耦合系数的大小来调整接收机阻抗匹配网络，使得从发射机的高频功率源看过去的阻抗仍与高频功率源内阻相匹配。

Description

单发多收式的无线能量传输装置

技术领域

本发明涉及一种单发多收式的无线能量传输装置，尤其涉及一种单个发射机对多个接收机进行高效率无线能量传输的装置接收机。 

背景技术

无线充电是近几年非常热门的研究方向，从早期的感应式的能够无线充电的电动牙刷及电动剃须刀到后来的能够为手机充电的Powermat无线充电套装，再到后来的Palmpre、诺基亚Lumia920无线充电手机，如今市面上已经有不少品牌的无线充电器，无论从充电功率、充电效率或者使用便捷性方面都有了不小的提高，2010年9月1日，全球首个推动无线充电技术的标准化组织——无线充电联盟在北京宣布将Qi无线充电国际标准率先引入中国，目前也与各大公司联合推出了符合Qi标准的各类型的手机无线充电器，但是这些产品的有效无线充电距离都不远（在1cm以内），即都要求待充电设备与发射机即充电板紧贴，同时都是一个发射机对应一个接收机，如果需要对两个待充电设备进行充电，就需要两个发射线圈。 

除此之外，无线充电还更安全，没有了外露的连接器，漏电、跑电等安全隐患都彻底避免了。有人担心辐射的问题，这一技术最先在净水器中运用，至今已经有8年时间了，安全性已经得到了36个国家的验证，肯定不会对人体和环境带来危害。无线充电大致上是通过磁场输送能量，而人类以及人类身边的绝大多数物件都是非磁性的，可以容忍很大强度的低频率磁场。无线充电还有一个好处是省电，无线充电设备的效能接收在70%左右，和有线充电设备相等，但是它具备电满自动关闭功能，避免了不必要的能耗。而且这个效能接收率在不断提高. 

无线充电设备比普通充电器“聪明”很多，对于不同的电子产品，电源接口能自动对 应，需要充电时，发射器和接收芯片会同时自动开始工作，充满电时，两方就会自动关闭。它还能自动识别不同的设备和能量需求，进行‘个性化工作’，这就是智能。 

我们所发明的单发多收式无线能量传输装置能够使得一个发射机对多个接收机进行无线能量传输，在相同的距离下，相比单发单收式的无线能量传输方式，本发明可以显著提高无线能量传输效率，接收机的数量越多，总体传输效率越高；在相同的传输效率下，相比单发单收式的无线能量传输方式，本发明可以显著延长无线能量传输距离，并且接收机的数量越多，有效无线能量传输距离越远。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种单发多收式的无线能量传输装置，该装置能够使得在相同的距离下，相比单发单收式的无线能量传输方式，显著提高无线能量传输效率，接收机的数量越多，总体传输效率越高；在相同的传输效率下，相比单发单收式的无线能量传输方式，本发明可以显著延长无线能量传输距离，并且接收机的数量越多，有效无线能量传输距离越远。 

技术方案：本发明的单发多收式的无线能量传输装置包括一个发射机和至少两个接收机，每个接收机包括接收线圈、负载和接收阻抗匹配网络，接收线圈中存在接收高频寄生电阻，接收阻抗匹配网络的一侧与接收线圈两端相连接，另一侧与负载两端相连接。发射机包括高频功率源、发射线圈和发射阻抗匹配网络，发射线圈中存在发射高频寄生电阻，发射阻抗匹配网络的一侧与高频功率源两端相连接，另一侧与发射线圈两端相连接。发射机用于将高频功率源产生的高频振荡功率信号以近场电磁波的形式发射出去，发射机和每个接收机之间相互耦合。 

本发明中，当任意两个接收线圈之间的耦合系数大于0.002时，则需要调整接收机的接收阻抗匹配网络，使得从发射机的高频功率源看过去的阻抗仍与高频功率源内阻相匹配。 

本发明中的接收机用于接收发射机中发射线圈发出的高频振荡功率信号，然后经 过整流滤波后传递给负载。 

其中发射机的发射线圈的电感为Lt，发射线圈的高频寄生电阻为Rpt；接收机的接收线圈的电感分别为Lr1、Lr2或Lrn，接收机的接收线圈的高频寄生电阻分别为Rpr1、Rpr2或Rprn，负载的电阻为RL，；发射线圈与接收线圈1、发射线圈2以及发射线圈n之间的耦合系数分别为ktr1、ktr1及ktrn，整个装置工作在谐振频率ω。如图1所示。 

对于n个相同的接收线圈，不考虑接收线圈之间的相互耦合时，既 

L_r1=L_r2=…=L_rn

R_pr1=R_pr2=…=R_prn

κ_tr1=κ_tr2=…=κ_trn

当Reqr1、Reqr2和Reqrn满足 

$R_{\mathrm{eqr}1}=R_{\mathrm{eqe}2}=\·\·\·=R_{\mathrm{eqrn}}=\sqrt{\frac{n\·{\left({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}\right)}^2+R_{\mathrm{pt}}{R_{\mathrm{pr}1}}^2}{R_{\mathrm{pt}}}}$

η有最大值 

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{\sqrt{{Q_{\mathrm{eqn}}}^2+1}-1}{\sqrt{{Q_{\mathrm{eqn}}}^2+1}+1}$

其中 

$Q_{\mathrm{eqn}}=\sqrt{n}\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}}{\sqrt{R_{\mathrm{pt}}{R}_{\mathrm{pr}1}}}$

上面各式中，Reqr1和Reqr2以及Reqrn分别是接收机的阻抗匹配网络运用戴维南等效定理等效后的等效电阻，Qeqn是n个接收机的等效Q值。 

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

可应用在小功率、中功率及大功率无线充电中，以实现在相同距离下，比传统的单发单收式的无线充电具有更高效率和更高功率的充电特性，同时接收机数量越多， 总体充电效率越高 

从无线传输效率上来看，在相同的距离下，相比传统的单发单收式的无线能量传输方式，本发明可以显著提高无线能量传输效率，接收机的数量越多，总体传输效率越高。 

从系统结构上来看，相对于传统的单发单收式的无线能量传输方式，需要在电路结构上所做的改变就是要根据接收机之间的相互耦合系数的大小来调整接收机阻抗匹配网络，使得从发射机的高频功率源看过去的阻抗仍与高频功率源内阻相匹配。难点在于，如果要实现一个单发多收的、能够实时达到最高无线传输效率的系统，需要优化设计一个自动实时的接收机阻抗匹配网络，使得高频功率源看过去的阻抗仍与高频功率源内阻实时相匹配。 

传统的无线能量传输系统中对多个无线接收机进行充电，仍是采用多个发射机对其相应的接收机进行单对单式无线充电，然而本发明所提供的单发多收式的无线能量传输装置，可以在减少发射机数量的同时，增大无线能量传输效率，降低了硬件成本，提高了电能的利用效率。 

附图说明

图1为本发明装置的系统框图。 

图2为本发明中两个发射机一个接收机情况下的电路图。 

图3为本发明网络传输效率随接收机数量变化而变化的曲线图； 

图4为本发明提供的一种串并联式的阻抗匹配网络的单发多收式的无线能量传输电路图； 

图5为本发明的单发两收的考虑接收机之间耦合的效率以及输入阻抗随耦合系数kr1r2变化的曲线图； 

图6为本发明的单发两收的考虑接收机之间耦合的效率以及输入阻抗随耦合系数kr1r2变化的曲线图（已通过减小接收端阻抗匹配网络中等效电容解决输入阻抗匹配的 问题）。 

图中有：发射机TX，接收机RX，接收线圈Lr，负载RL，接收阻抗匹配网络IMR，接收高频寄生电阻Rpr，高频功率源AC，发射线圈Lt，发射阻抗匹配网络IMT，发射高频寄生电阻Rpt，发射机和每个接收机之间的耦合系数κ_trn，接收机1和接收机2等效到发射机的等效电阻R₁和R₂，负载RL1和RL2分别经过接收机1和接收机2的阻抗匹配网络后的等效电阻R_eqr1和R_eqr2，发射阻抗匹配网络中的等效匹配电容Ceqt，接收阻抗匹配网络中的等效匹配电容Ceqrn，发射阻抗匹配网络中的串联匹配电容Cts，发射阻抗匹配网络中的并联匹配电容Ctp，接收阻抗匹配网络中的串联匹配电容Crsn，接收阻抗匹配网络中的并联匹配电容Crpn。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。 

首先我们不考虑接收机之间的耦合： 

这里先讨论两个接收机，一个发射机的情况，如图2所示： 

接收机1和接收机2等效到发射机的等效电阻为R₁和R₂，如下所示， 

$R_1=\frac{{\left({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}\right)}^2}{R_{\mathrm{eqr}1}+R_{\mathrm{pr}1}}$

$R_2=\frac{{\left({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}2}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}\right)}^2}{R_{\mathrm{eqr}2}+R_{\mathrm{pr}2}}$

其中R_eqr1和R_eqr2分别是负载RL1和RL2分别经过接收机1和接收机2的阻抗匹配网络后的等效电阻。 

接着，我们可以计算各个负载的功率和效率，其中定义Pin是高频功率源发出的功率，Pr1和Pr2分别是接收机1和接收机2的负载RL1和RL2分别接收到的功率，P1和P2分别是等效电阻R1和R2上获得的功率，η是总传输效率。 

$P_{r1}=P_{\mathrm{in}}\frac{R_1}{R_{\mathrm{pt}}+R_1+R_2}$

$P_{r2}=P_{\mathrm{in}}\frac{R_2}{R_{\mathrm{pt}}+R_1+R_2}$

$P_1=P_{r1}\frac{R_{\mathrm{eqr}1}}{R_{\mathrm{eqr}1}+R_{\mathrm{pr}1}}=P_{\mathrm{in}}\frac{R_1}{R_{\mathrm{pt}}+R_1+R_2}\frac{R_{\mathrm{eqr}1}}{R_{\mathrm{eqr}1}+R_{\mathrm{pr}1}}$

$P_2=P_{r2}\frac{R_{\mathrm{eqr}2}}{R_{\mathrm{eqr}2}+R_{\mathrm{pr}2}}=P_{\mathrm{in}}\frac{R_2}{R_{\mathrm{pt}}+R_1+R_2}\frac{R_{\mathrm{eqr}2}}{R_{\mathrm{eqr}2}+R_{\mathrm{pr}2}}$

$\mathrm{\η}=\frac{P_1+P_2}{P_{\mathrm{in}}}=\frac{R_1}{R_{\mathrm{pt}}+R_1+R_2}\frac{R_{\mathrm{eqr}1}}{R_{\mathrm{eqr}1}+R_{\mathrm{pr}1}}\frac{R_2}{R_{\mathrm{pt}}+R_1+R_2}\frac{R_{\mathrm{eqr}2}}{R_{\mathrm{eqr}2}+R_{\mathrm{pr}2}}$

考虑两个接收线圈对称且忽略接收线圈之间耦合情况下： 

P₁=P₂

P_r1=P_r2

R_eqr1=R_eqr2

R_pr1=R_pr2

R₁=R₂

我们得到 

$\mathrm{\η}=\frac{P_1+P_2}{P_{\mathrm{in}}}=2\·\frac{R_1}{R_{\mathrm{pt}}+R_1+R_2}\frac{R_{\mathrm{eqr}1}}{R_{\mathrm{eqr}1}+R_{\mathrm{pr}1}}$

$=2\·\frac{\frac{{\left({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}\right)}^2}{R_{\mathrm{eqr}1}+R_{\mathrm{pr}1}}}{R_{\mathrm{pt}}+\frac{{\left({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}\right)}^2}{R_{\mathrm{eqr}1}+R_{\mathrm{pr}1}}}\frac{R_{\mathrm{eqr}1}}{R_{\mathrm{eqr}1}+R_{\mathrm{pr}1}}$

$=2\·\frac{{\left({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}\right)}^2}{(R_{\mathrm{pr}1}+R_{\mathrm{eqr}1})R_{\mathrm{pt}}+2\·{\left({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}\right)}^2}\frac{R_{\mathrm{eqr}1}}{R_{\mathrm{eqr}1+R_{\mathrm{pr}1}}}$

当发射线圈和接收线圈的参数（即Lt、Lr1、Lr2、Rpt和Rpr1）、线圈之间的耦合系数ktr1以及系统的功率频率ω给定以后，即可以看出，系统总效率η只含有Reqr1一个变量，为了求η得最大值，我们将表达式η对Reqr1求导，得出当 

$R_{\mathrm{eqr}1}=R_{\mathrm{eqr}2}=\sqrt{\frac{2\·{\left({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}\right)}^2+R_{\mathrm{pt}}{R_{\mathrm{pr}1}}^2}{R_{\mathrm{pt}}}}$

η有最大值 

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{\sqrt{{Q_{\mathrm{eq}2}}^2+1}-1}{\sqrt{{Q_{\mathrm{eq}2}}^2+1}+1}$

其中2个接收机的等效Q值 

$Q_{\mathrm{eq}2}=\sqrt{2}\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}}{\sqrt{R_{\mathrm{pt}}{R}_{\mathrm{pr}1}}}$

以此类推对于n个相同的接收线圈，当 

$R_{\mathrm{eqr}1}=R_{\mathrm{eqe}2}=\·\·\·=R_{\mathrm{eqrn}}=\sqrt{\frac{n\·{\left({\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}\right)}^2+R_{\mathrm{pt}}{R_{\mathrm{pr}1}}^2}{R_{\mathrm{pt}}}}$

η有最大值 

${\mathrm{\η}}_{\max }=\frac{\sqrt{{Q_{\mathrm{eqn}}}^2+1}-1}{\sqrt{{Q_{\mathrm{eqn}}}^2+1}+1}$

其中n个接收机的等效Q值 

$Q_{\mathrm{eqn}}=\sqrt{n}\frac{{\mathrm{\κ}}_{\mathrm{tr}1}\mathrm{\ω}\sqrt{L_t{L}_{r1}}}{\sqrt{R_{\mathrm{pt}}{R}_{\mathrm{pr}1}}}$

可以看出随着接收机数量的增多，n个接收机的等效Q值Qeqn呈

倍增长，系统最大总传输效率随着Qeqn增大而增大。因此发射机数量越多，系统总效率越高。为了更加明显的展示这个效果，我们采用Matlab来仿真1到10个接收机的情况，发射机和接收机的具体参数如表1所示。 

表1 

f	κ	Lr	Rpr	Lt	Rpt
						4MHz	0.008	5μH	0.4ohms	30μH	2.3ohms

[0072] 通过图3可以看出，当只有1个接收机的时候效率只有46.7%，而当有两个接收机的时候效率达到58%，10个接收机的时候效率达到78%，效率的提升很可观。 

为了在实际中能够让高频功率源正常工作，需要采用合适的阻抗匹配网络，这里我们提供一种串并联式的阻抗匹配网络，如图4所示。 

现在考虑更为一般的情况，即考虑接收机之间的耦合： 

这里先讨论两个接收机，一个发射机的情况，如图2所示： 

此时假设两个发射线圈之间的耦合系数kr1r2由小变大（范围），其余电路参数如表4所示，我们通过Matlab编写的程序来观看此时传输效率和输入阻抗的变化情况，如图5所示。 

表4 

Lr1=Lr2=Lt	4uH	Reqr1=Reqr2	8.886
				Ceqr1=Ceqr2=Ceqt	253pF	f	5MHz
Rpr1=Rpr2=Rpt	0.3ohms	Ktr1=ktr2	0.05

可以发现传输效率不随发射线圈之间的耦合kr1r2变化，只是输入阻抗Zin的虚部会随着kr1r2的增大而变大，而实部始终是8.886ohms，系统传输效率也始终保持在93.47%不变，但由于Zin随着kr1r2的增大，存在较大的虚部，在实际中会使得高频功率源不能正常输出功率。 

为了解决这个问题，我们尝试将接收机的阻抗匹配网络的中的等效电容减少一些。这里我们将Ceqr1和Ceqr2减小为203pF，依然通过Matlab编写程序来观看此时传输效率和输入阻抗的变化情况。如图6所示。可以看出，当kr1r2等于0.246的时候，输入阻抗Zin的虚部恰好为零，高频功率源可以正常输出功率，系统的传输效率也和之前不考虑发射机之间耦合时的一样。 

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。 

Claims (2)

1.一种单发多收式的无线能量传输装置，其特征在于，该装置包括一个发射机(TX)和至少两个接收机(RX)，每个所述接收机(RX)包括接收线圈(Lr)、负载(RL)和接收阻抗匹配网络(IMR)，所述接收线圈(Lr)中存在接收高频寄生电阻(Rpr)，所述接收阻抗匹配网络(IMR)的一侧与接收线圈(Lr)两端相连接，另一侧与负载(RL)两端相连接；

所述发射机(TX)包括高频功率源(AC)、发射线圈(Lt)和发射阻抗匹配网络(IMT)，所述发射线圈(Lt)中存在发射高频寄生电阻(Rpt)，所述发射阻抗匹配网络(IMT)的一侧与高频功率源(AC)两端相连接，另一侧与发射线圈(Lt)两端相连接；

所述的发射机(TX)用于将高频功率源(AC)产生的高频振荡功率信号以近场电磁波的形式发射出去，发射机(TX)和每个接收机(RX)之间相互耦合。

2.根据权利要求1所述的单发多收式的无线能量传输装置，其特征在于，当任意两个接收线圈(Lr)之间的耦合系数大于0.002时，则需要调整接收机(TX)的接收阻抗匹配网络(IMR)，使得从发射机(TX)的高频功率源看过去的阻抗仍与高频功率源内阻相匹配。

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