CN103532255A - 一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线充电装置，尤其是涉及一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，包括依次连接的电源、控制电路、驱动电路、发射端；以及依次连接的接收端和电能变换电路，所述发射端包括若干螺旋形线圈，所述接收端为一个螺旋形线圈。因此，本发明具有如下优点：1、高效阵列结构的线圈，不同于常规的圆形线圈，在一定程度上，阵列线圈可以使电磁场分布均匀；2、相比于常规的线圈，由高效阵列线圈产生的电磁场的分布更规则；3、在外界环境条件一定的情况下，可是调整高效阵列线圈的分布，以使能够高效传输电能；4、发射阵列线圈结构和接受阵列线圈结构，可相同也可不同，可灵活调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线充电装置，尤其是涉及一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置。
背景技术
与导体连接的充电方式相比，无线充电更安全、方便，以及充电过程不易受干扰。无线充电器因为天然的电网隔离，其可靠性和安全性得到极大提升。电能传递通过发射线圈与安装在设备上的接收线圈通过适当距离进行的，可以消除电缆、连接器和插头引起的短路等不便，是一个自主的充电系统。
目前的无线电源充电装置主要基于两种方法：感应耦合和磁共振。感应耦合方式已经在各个领域有了一些应用，但是它存在几个缺点。一是接收端线圈尺寸对接收到的电能影响较大，需要提供很大电流才能保证充电的正常进行；二是传输距离非常短、传输效率非常低，且易受发射端和接收端线圈偏离影响，应用范围受到极大限制；三是对周围辐射较大，影响周围动植物体以及电子设备的正常运行等。磁共振方法已被广泛用于信号传输，但是它在电能传输中的应用报道较少，磁共振方式相对于感应耦合式，由于采用磁共振线圈选择性传能，使得周围人体及其他物体接收到的辐射也大为减少，降低了对周围环境的影响；同时使得线圈偏移对能量传输的影响减弱，传输距离和传输效率都有了很大提高。
发明内容
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，其特征在于，包括依次连接的电源、控制电路、驱动电路、发射端；以及依次连接的接收端和电能变换电路，所述发射端包括若干螺旋形线圈，所述接收端为一个螺旋形线圈。
在上述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，所述发射端的螺旋形线圈为正方形螺旋形线圈，并且均匀排列成一个正方形；所述接收端的螺旋形线圈的尺寸与发射端的单个螺旋形线圈相同，或者是基于发射端的单个螺旋形线圈的等比例放大倍数的螺旋形线圈。
作为另一种实施方案，在上述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，所述发射端的螺旋形线圈为三角形螺旋形线圈，并且均匀排列成一个三角形；所述接收端的螺旋形线圈的尺寸与发射端的单个螺旋形线圈相同，或者是基于发射端的单个螺旋形线圈的等比例放大倍数的螺旋形线圈。
作为另一种实施方案，在上述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，所述发射端的螺旋形线圈为圆形螺旋形线圈，并且均匀排列成花瓣形；所述接收端的螺旋形线圈的尺寸与发射端的单个螺旋形线圈相同，或者是基于发射端的单个螺旋形线圈的等比例放大倍数的螺旋形线圈。
作为另一种实施方案，在上述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，发射端的螺旋形线圈为正六边形螺旋形线圈，并且均匀排列成花瓣形；所述接收端的螺旋形线圈的尺寸与发射端的单个螺旋形线圈相同，或者是基于发射端的单个螺旋形线圈的等比例放大倍数的螺旋形线圈。
作为另一种实施方案，在上述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，所述发射端的的若干个螺旋形线圈包括一个圆形螺旋形线圈以及若干个扇形螺旋形线圈，所述圆形螺旋形线圈以及若干个扇形螺旋形线圈均匀排列成圆形，所述接收端的螺旋形线圈的尺寸与发射端的单个扇形螺旋形线圈相同，或者是基于发射端的单个扇形螺旋形线圈的等比例放大倍数的螺旋形线圈。
在上述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，所述控制电路包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管，两组绝缘栅双极型晶体管并联后一端接电源，另一端与一电阻串联后与电源连接，分别从两组串联的绝缘栅双极型晶体管的中间节点引出，作为输出端；所述驱动电路包括一组电容和电阻并联后与电感串联，其中电阻与线圈串联后与电容器并联；所述电能变换电路包括两组并联的二极管，每组二极管包括两个串联的二极管，两组二极管并联后与一线圈连接；分别从两组串联的二极管的中间节点引出，作为输出端。
本发明具有如下优点：1、高效阵列结构的线圈，不同于常规的圆形线圈，在一定程度上，阵列线圈可以使电磁场分布均匀；2、相比于常规的线圈，由高效阵列线圈产生的电磁场的分布更规则；3、在外界环境条件一定的情况下，可是调整高效阵列线圈的分布，以使能够高效传输电能；4、发射阵列线圈结构和接受阵列线圈结构，可相同也可不同，可灵活调整。
附图说明
图1是本发明结构的电路图。
附图2a是本发明第一种实施例的发射端的线圈布置示意图；
附图2b是本发明第一种实施例的接收端的线圈布置示意图；
附图3a是本发明第二种实施例的发射端的线圈布置示意图；
附图3b是本发明第二种实施例的接收端的线圈布置示意图；
附图4a是本发明第三种实施例的发射端的线圈布置示意图；
附图4b是本发明第三种实施例的接收端的线圈布置示意图；
附图5a是本发明第四种实施例的发射端的线圈布置示意图；
附图5b是本发明第四种实施例的接收端的线圈布置示意图；
附图6a是本发明第五种实施例的发射端的线圈布置示意图；
附图6b是本发明第五种实施例的接收端的线圈布置示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本发明公开几种磁共振远距离无线充电的阵列线圈结构，以下结合提出的结构对本发明进一步说明。发射端是一个由相同线圈组成的线圈序列单元，通过施加一个高频的交流电流给发射线圈来产生交变的磁场。接收端线圈与发射端线圈序列中的一个线圈相同，通过交变磁场接收传递过来的能量，并将其传输到负载。可在上述系统引入电流和电压反馈及控制器提高发射端和接收端之间的功率传输效率。
线圈按照阵列方式布置，可以最大化地利用发射线圈的面积。发射端和接收端之间在空间中的磁通分布是均匀的。此外，发射端的每个线圈可以被分别控制，以适应接收端的负载或电池系统的要求。
如上所述，本发明利用线圈和铜带以形成谐振电路，该系统的主要特点是通过适当的设计铜带及线圈使得它们达到共振，每组线圈都有一个固有共振频率，即本征频率。
本发明所设计的充电装置，比现有技术的有线式充电系统和感应式无线充电系统，可以做到无物理接触，更小的尺寸，较高的效率和更短的充电时间。
图1是本发明本发明结构的电路图。发射端包括电源本体和其内阻，电源可以从电力电子电路中或者其它方法获取，它的频率与所设计的共振频率相匹配。本发明所述的充电装置的关键特点是：通过设计发射端线圈和它对应的铜带，以及接收线圈和其相应的铜带，得到磁谐振频率。所设计的发射线圈和铜带用电感器和电容器来表示。发送线圈的一端连接到输入方波或正弦波的AC电压源上，另一端连接到参考点。充电时，接收端停在发射线圈上。接收线圈可以定位在任何一个发射端线圈，从而给与发射线圈对准的接收线圈通电。接收线圈的两端子连接到接收端电力电子电路的两个输入端。接收端电力电子电路的两个输出端与目标负载或电池系统连接。接收线圈通过磁谐振从发送线圈接收电能。如上所述，接收线圈连接到电力电子电路，电力电子电路控制目标负载或电池系统的电压和电流。电子电路的拓扑和目标负载按应用场合不同而定 。
如图2a和图2b所示，发射线圈的磁场通过迭代程序设计为均匀场。图2a为长方形或正方形螺旋四线圈阵列发射端，图2b为单个长方形或正方形螺旋线圈接收端。
实施例2：
图3a为三角形螺旋三线圈阵列发射端，图3b为单个三角形螺旋线圈接收端。其他均与实施例相同，在此不在赘述。
实施例3：
图4a为圆形螺旋六线圈阵列发射端，图4b为单个圆形螺旋线圈接收端。其他均与实施例相同，在此不在赘述。
实施例4：
图5a为六边形螺旋六线圈阵列发射端，图5b为单个圆形螺旋线圈接收端。其他均与实施例相同，在此不在赘述。
实施例5：
图6a为扇形螺旋六线圈阵列发射端，图6b为单个扇形螺旋线圈接收端。其他均与实施例相同，在此不在赘述。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，其特征在于，包括依次连接的电源、控制电路、驱动电路、发射端；以及依次连接的接收端和电能变换电路，所述发射端包括若干螺旋形线圈，所述接收端为一个螺旋形线圈。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，其特征在于，所述发射端的螺旋形线圈为正方形螺旋形线圈，并且均匀排列成一个正方形；所述接收端的螺旋形线圈的尺寸与发射端的单个螺旋形线圈相同，或者是基于发射端的单个螺旋形线圈的等比例放大倍数的螺旋形线圈。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，其特征在于，所述发射端的螺旋形线圈为三角形螺旋形线圈，并且均匀排列成一个三角形；所述接收端的螺旋形线圈的尺寸与发射端的单个螺旋形线圈相同，或者是基于发射端的单个螺旋形线圈的等比例放大倍数的螺旋形线圈。
4.根据权利要求1所述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，其特征在于，所述发射端的螺旋形线圈为圆形螺旋形线圈，并且均匀排列成花瓣形；所述接收端的螺旋形线圈的尺寸与发射端的单个螺旋形线圈相同，或者是基于发射端的单个螺旋形线圈的等比例放大倍数的螺旋形线圈。
5.根据权利要求1所述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，其特征在于，发射端的螺旋形线圈为正六边形螺旋形线圈，并且均匀排列成花瓣形；所述接收端的螺旋形线圈的尺寸与发射端的单个螺旋形线圈相同，或者是基于发射端的单个螺旋形线圈的等比例放大倍数的螺旋形线圈。
6.根据权利要求1所述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，其特征在于，所述发射端的的若干个螺旋形线圈包括一个圆形螺旋形线圈以及若干个扇形螺旋形线圈，所述圆形螺旋形线圈以及若干个扇形螺旋形线圈均匀排列成圆形，所述接收端的螺旋形线圈的尺寸与发射端的单个扇形螺旋形线圈相同，或者是基于发射端的单个扇形螺旋形线圈的等比例放大倍数的螺旋形线圈。
7.根据权利要求1所述的一种基于阵列线圈的磁共振无线充电装置，其特征在于，所述控制电路包括两个串联的绝缘栅双极型晶体管，两组绝缘栅双极型晶体管并联后一端接电源，另一端与一电阻串联后与电源连接，分别从两组串联的绝缘栅双极型晶体管的中间节点引出，作为输出端；所述驱动电路包括一组电容和电阻并联后与电感串联，连接于控制电路的其中一输出连接点，其中电阻与线圈串联后与电容器并联；所述电能变换电路包括两组并联的二极管，每组二极管包括两个串联的二极管，两组二极管并联后与一线圈连接；分别从两组串联的二极管的中间节点引出，作为输出端。
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