CN103560562B - 位置自适应无线充电耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种位置自适应无线充电耦合器，属于无线电能传输与转换范畴，可以实现在无线充电范围内自动适应接收线圈的位置，以实现高效稳定的无线充电，具有广阔的市场前景。该装置包括有无线充电电源(1)将高频电磁功率经由通断控制开关(2)及自动跟踪电路(3)加载到阵列发射线圈(4)上，阵列发射线圈(4)在线圈扫描电路(6)的控制下对每一个发射线圈进行开通和关断，最终确定接收线圈(5)所正对的四个发射线圈，实现接收线圈(5)位置的自动跟踪。

Description

位置自适应无线充电耦合器
技术领域
无线电能传输技术是目前电气工程领域最活跃的热点研究方向之一，是集基础研究与应用研究为一体的前沿课题，是当前国内外学术界和工业界探索的一个多学科强交叉的新的研究领域，涵盖电磁场、电力电子技术、电力系统、控制技术、物理学、材料学、信息技术等诸多技术领域。该技术通过发射线圈与接收线圈之间的非辐射近场区域完成能量的传输与转换，能够有效克服电线连接方式存在的各类缺陷，实现电子电器的自由供电，具有重要的应用预期和广阔的发展前景。
本发明——位置自适应无线充电耦合器，基于无线电能传输技术原理，采用矩阵型排布的发射线圈，通过行列扫描的方式确定用于无线充电的最佳工作线圈，实现高效率无线充电，能够充分发挥无线充电系统的电气特性，可以广泛应用于公共用电场合或各种移动类设备无线供电的环境。
背景技术
无线电能传输技术大致可分为三种：第一种为感应耦合式电能传输，它利用松耦合变压器原理进行传能，发射端与接收端一般存在降低回路磁阻的铁心装置。第二种为电磁耦合谐振式电能传输，通过高品质因数的谐振器上电感与分布式电容发生谐振传输能量。第三种为电磁辐射式电能传输，在该技术中电能被转换为微波形式，传输距离超过数千米，可实现电能的远程传送。其中电磁耦合谐振技术利用非辐射电磁场近场区域完成电能传输，一方面较之电磁感应式传能，在传输距离上有了很大的扩展；另一方面相比电磁辐射式传能，近场区域能量具有非辐射的特点，该技术有较好的安全性，因此目前得到很大的关注和研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对当系统开始无线充电时，由于移动类线圈位置的轴向偏移而造成充电效率大幅下降的问题，设计矩阵型排布的发射线圈，通过通断控制开关对发射线圈进行逐一检测，最终确定工作效率最佳的发射线圈，实现电能的高效可靠无线传输。
本发明所采用的技术方案是：位置自适应无线充电耦合器，包括有无线充电电源(1)将高频电磁功率经由通断控制开关(2)及自动跟踪电路(3)加载到阵列发射线圈(4)上，阵列发射线圈(4)在线圈扫描电路(6)的控制下对每一个发射线圈进行开通和关断，最终确定接收线圈(5)所正对的四个发射线圈，实现接收线圈(5)位置的自动跟踪。
所述的通断控制开关(2)由带控制信号线的空气开关组成，整体连接成六行九列的矩阵形式，其中每一行空气开关控制信号线的左端输入口连接在一起，并引出六个行扫描口，每一列空气开关控制信号线的右端输出口连接在一起，并引出九个列扫描口，空气开关之间的连接导线采用线径为0.1mm2、匝数为1000匝且相互绝缘的铜质漆包线，六个行扫描口及九个列扫描口均接入线圈扫描电路(6)。
所述的阵列发射线圈(4)由单个发射线圈组成，每个线圈由线径为0.1mm2、匝数为1000匝且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈具有平面矩形螺旋渐开型结构，最外层边长为30cm，整体排布成六行九列矩阵，每一个线圈与对应的通断控制开关相连。
所述的接收线圈(5)采用线径为0.1mm2、匝数为1000匝且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈具有平面矩形螺旋渐开型结构，最外层边长为30cm，线圈平铺在牌号为PC95的高导磁铁氧体平板之上；当线圈的四个顶点与阵列发射线圈矩阵中的四个相邻线圈中心重合时为理论最佳工作位置。
本发明的位置自适应无线充电耦合器，通过线圈扫描电路(6)以行列逐一扫描的方式对阵列发射线圈(4)中的每一个线圈进行开断通电，由自动跟踪电路(3)获取接收线圈(5)上获得的功率，直至找到接收线圈(5)对应的最佳发射线圈，以获得高效可靠的无线电能传输效果。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是通断控制开关(2)的结构图；
图3是阵列发射线圈(4)的结构图；
图4是接收线圈(5)最佳工作位置图。
其中：
(1)：无线充电电源；(2)：通断控制开关；(3)：自动跟踪电路；(4)：阵列发射线圈；(5)：接收线圈；(6)：线圈扫描电路。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明的位置自适应无线充电耦合器做出详细说明。
如图1所示，本发明的位置自适应无线充电耦合器，包括有：无线充电电源(1)，通断控制开关(2)，自动跟踪电路(3)，阵列发射线圈(4)，接收线圈(5)，线圈扫描电路(6)。
如图2所示，所述的通断控制开关(2)由带控制信号线的空气开关组成，整体连接成六行九列的矩阵形式，其中每一行空气开关控制信号线的左端输入口连接在一起，并引出六个行扫描口，每一列空气开关控制信号线的右端输出口连接在一起，并引出九个列扫描口，六个行扫描口及九个列扫描口均接入线圈扫描电路(6)。当自动跟踪电路(3)检测到接收线圈(5)的电压信号以后，通断控制开关(2)六个行扫描口及九个列扫描口依次发射闭合信号，周期为20ms，间隔10ms，空气开关将对应的发射线圈接入无线充电电源(1)，直至所有行列扫描口都完成一次扫描。
如图3所示，所述的阵列发射线圈(4)由单个发射线圈组成，整体排布成六行九列矩阵，每一个线圈与对应的通断控制开关相连。当自动跟踪电路(3)检测到接收线圈(5)的电压信号以后，无线充电电源(1)开始启动。自动跟踪电路(3)通过通断控制开关(2)对每一个发射线圈进行短暂通电，同时实时检测接收线圈(5)反馈的功率信号，直至阵列发射线圈(4)中的每一个线圈都完成一次通断。
如图4所示，所述的接收线圈(5)在阵列发射线圈(4)上方任意位置放置，在无线充电电源(1)工作前处于断路状态且没有电压信号输出，当无线充电电源(1)工作以后，接收线圈(5)将接收到的电磁功率信号发送给自动跟踪电路(3)并由自动跟踪电路(3)进行记录。自动跟踪电路(3)将阵列发射线圈(4)中线圈循环通电一遍以后，根据接收到的功率信号，找出四个最大功率值所对应的线圈位置，并判断是否处于相邻状态。如果线圈处于相邻状态，则通断控制开关(2)将线圈接入无线充电电源(1)，从而实现接收线圈(5)的位置自适应无线供电；如果其中有线圈与其他线圈不相邻，则通断控制开关(2)将相邻的线圈接入无线充电电源(1)，从而实现接收线圈(5)的位置自适应无线供电；如果线圈均不相邻，则通断控制开关(2)不动作。当线圈的四个顶点与阵列发射线圈矩阵中的四个相邻线圈中心重合时为理论最佳工作位置。
本发明的位置自适应无线充电耦合器，通过线圈扫描电路(6)以行列逐一扫描的方式对阵列发射线圈(4)中的每一个线圈进行开断通电，由自动跟踪电路(3)获取接收线圈(5)上获得的功率，直至找到接收线圈(5)对应的最佳发射线圈，以获得高效可靠的无线电能传输效果。在正常工作情况下，能够实现对处于阵列发射线圈(4)上方的任意接收线圈(5)进行位置自适应选择，并实现高效无线供电，可以广泛应用于公共用电场合或各种移动设备无线充电环境，具有高效安全可靠、成本与维护费用低、操作简便与智能可控等优点。

Claims (3)

1.一种位置自适应无线充电耦合器，其特征在于无线充电电源(1)将高频电磁功率经由通断控制开关(2)及自动跟踪电路(3)加载到阵列发射线圈(4)上，阵列发射线圈(4)在线圈扫描电路(6)的控制下对每一个发射线圈进行开通和关断，由自动跟踪电路(3)获取接收线圈(5)上获得的功率，直至找到接收线圈(5)对应的最佳发射线圈，最终确定接收线圈(5)所正对的四个发射线圈，实现接收线圈(5)位置的自动跟踪；
所述的通断控制开关(2)由带控制信号线的空气开关组成，整体连接成六行九列的矩阵形式，其中每一行空气开关控制信号线的左端输入口连接在一起，并引出六个行扫描口，每一列空气开关控制信号线的右端输出口连接在一起，并引出九个列扫描口，空气开关之间的连接导线采用线径为0.1mm2、匝数为1000匝且相互绝缘的铜质漆包线，六个行扫描口及九个列扫描口均接入线圈扫描电路(6)。
2.根据权利要求1所述的位置自适应无线充电耦合器，其特征还在于，所述的阵列发射线圈(4)由单个发射线圈组成，每个线圈由线径为0.1mm2、匝数为1000匝且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈具有平面矩形螺旋渐开型结构，最外层边长为30cm，整体排布成六行九列矩阵，每一个线圈与对应的通断控制开关相连。
3.根据权利要求1所述的位置自适应无线充电耦合器，其特征还在于，所述的接收线圈(5)采用线径为0.1mm2、匝数为1000匝且相互绝缘的铜质漆包线绕制而成，线圈具有平面矩形螺旋渐开型结构，最外层边长为30cm，线圈平铺在牌号为PC95的高导磁铁氧体平板之上；当线圈的四个顶点与阵列发射线圈矩阵中的四个相邻线圈中心重合时为理论最佳工作位置。
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