CN107425613A - 一种传输效率随距离变化可调的无线能量收发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种传输效率随距离变化可调的无线能量收发装置，包括发射板、接收板、第一控制电路板、第二控制电路板、以及十六根导电金属棒，接收板平行放置在发射板的上方并且距离任意可调，发射板和接收板的端口加载有调节阻抗匹配和谐振的电容，第一控制电路板和第二控制电路板通过金属棒连接；发射板和接收板之间充电距离改变时，第一控制电路板通过选择第二控制电路板中不同的调谐电容值来进行阻抗匹配，进而调节能量传输效率。本发明可用于手机、平板等移动设备的无线充电系统，其优点在于能量传输效率随距离变化可调，通过自适应调节提高了用电设备的充电效率，线圈和控制电路均采用平面印刷结构，加工方便，成本较低。
Description
技术领域
本发明属于无线能量传输技术领域，涉及一种传输效率随距离变化可以调节的无线能量传输收发装置。
背景技术
磁谐振耦合无线能量传输技术基于近场耦合，能量通过磁场的形式进行传播。美国科学家尼古拉·特斯拉在1899年就开始研究无线能量传输并建立了实验系统。2006年，美国麻省理工学院(MIT)Marin Soljacic教授率先提出利用磁场耦合谐振进行能量无线传输这一概念，从理论上分析了在非辐射磁近场两个具有相同谐振频率的物体通过谐振耦合的方式实现中等距离无线能量传输的可能性。继MIT提出磁谐振耦合无线能量传输之后，该领域成为这些年研究的热点，主要研究应用的领域包括中小功率的手机和平板电脑无线充电、智能家居中台灯和风扇等设备无线供电，中大功率的电动汽车和移动机器人无线充电等，目前该技术在市场上的拓展应用正在快速发展。
当充电距离变化时如何继续保持高效率充电是磁谐振耦合无线能量传输系统中的关键技术之一，体现了无线能量传输系统的稳定性和实用性。充电距离的改变会导致阻抗失配，这样能量反射和损耗都很严重，进而使得能量传输效率剧烈下降，用电设备的充电效率降低，所以对于移动的充电设备，进行自适应阻抗匹配调节来实现能量传输效率随距离变化可调变得尤为关键。
但是对于传统的磁谐振耦合无线能量传输系统，一旦收发线圈确定后，存在一个最佳距离点使得充电效率最高，当接收模块靠近或者远离发射模块的时候，能量传输效率都会急剧下降，进而导致充电效率降低。针对充电距离改变导致能量传输效率降低的问题，Takehiro Imura等人提出一种通过等效电路分析来提高能量传输效率的方法(TakehiroImura,and Yoichi Hori.Maximizing Air Gap and Efficiency of Magnetic ResonantCoupling for Wireless Power Transfer Using Equivalent Circuit and NeumannFormula.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,vol.58)，在不同的充电距离处，通过改变功放源的特性阻抗来对发射线圈的输入端口进行阻抗匹配调节，从而实现在不同的距离点，系统仍然具有较高的能量传输效率。只是该方法需要改变功放源的内阻，实际中功放在设计的时候内阻就确定了，所以该方法实现起来比较困难。Teck ChuanBeh等人提出通过阻抗匹配提高能量传输效率(Teck Chuan Beh,Takehiro Imura,MasakiKato.Basic Study of Improving Efficiency of Wireless Power Transfer viaMagnetic Resonance Coupling Based on Impedance Matching[J].2011)，当收发两个线圈之间距离不断变化进而导致整个系统匹配恶化时，通过调节匹配网络中的电容C1、C2来实现最大传输效率处于谐振频率点13.56MHz处。只是该方法需要同时调节两个电容，增加了调谐电路的难度，并且是通过手动调节，电容调谐电路没有和发射板进行集成，整个发射电路占用的体积太大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，当充电距离改变时，只需调节发射端匹配网络中的一个并联电容就能够保持高效率的能量传输，通过添加控制电路实现自适应的阻抗匹配，无需手动调节电容，同时实现了发射线圈和电调控制电路的集成化。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种传输效率随距离变化可调的无线能量收发装置，包括发射板、接收板、第一控制电路板、第二控制电路板、以及连接第一控制电路板和第二控制电路板的十六根导电金属棒；所述的发射板和第二控制电路板通过PCB印刷组合为一体，第一控制电路板和第二控制电路板相距一定距离并通过导电金属棒连接和相互固定；接收板平行放置在发射板的上方，接收板与发射板之间的垂直距离任意可调。
进一步的，所述发射板包括第一介质基板、印刷在第一介质基板上面的第一组合电路结构、印刷在第一介质基板下面的第一金属铜片以及两个第一金属化通孔；所述第一组合电路结构包括第一平面螺旋线圈、第一匹配谐振电容、第二匹配谐振电容，第一平面螺旋线圈的首尾与第一金属铜片通过第一金属化通孔连接为闭合整体；所述接收板包括第二介质基板、印刷在第二介质基板上面的第二组合电路结构、印刷在第二介质基板下面的第二金属铜片以及两个第二金属化通孔；所述第二组合电路结构包括第二平面螺旋线圈、第三匹配谐振电容、第四匹配谐振电容，第二平面螺旋线圈的首尾与第二金属铜片通过第二金属化通孔连接为闭合整体。
进一步的，所述第二控制电路板包括第三介质基板、印刷在第三介质基板上面的第三组合电路结构、印刷在第三介质基板下面的金属地板(23)、连接第三组合电路结构和金属地板的两个第三金属化通孔以及用于加载导电金属棒的16个第一圆形金属化通孔；所述第三组合电路结构包括8个相同的PIN控制电路单元、8个调谐电容、第三金属铜片、第四金属铜片以及第五金属铜片；每个PIN控制电路单元由两个PIN管、两个大电阻和两个隔直电容组成；所述PIN管和大电阻并联，PIN管和大电阻的一端连接调谐电容，另一端连接第一圆形金属化通孔，隔直电容的一端连接第一圆形金属化通孔，另一端连接第三金属铜片；所述调谐电容分别与PIN控制电路单元和第四金属铜片相连；所述第三金属铜片、第四金属铜片与发射板的第一平面螺旋线圈相连实现调谐电容与发射板的第一匹配谐振电容并联；第三金属铜片、第五金属铜片与金属地板通过第三金属化通孔连通。
进一步的，所述第一控制电路板包括第四介质基板、印刷在第四介质基板上面的第四组合电路结构、印刷在第四介质基板下面的第五电路结构、第四金属化通孔、用于加载导电金属棒的16个第二圆形金属化通孔、第五金属化通孔、8个相同的第六金属化通孔以及8个相同的第七金属化通孔；所述第四组合电路结构包括8个相同场效应管控制单元、8位的移位寄存器、第一焊盘、第二焊盘；所述每个场效应管控制单元由1个场效应开关管、1个分压电阻和1个限流电阻组成；所述16个第二圆形金属化通孔由8个相同的低电压金属化通孔和8个相同的高电压金属化通孔组成；所述移位寄存器的8个引脚通过金属线与场效应管控制单元的限流电阻相连，限流电阻的另一端连接场效应开关管的栅极，分压电阻连接场效应开关管的漏极，场效应开关管的源极通过第七金属化通孔接地；低电压输入接入到第一焊盘，高电压输入接入到第二焊盘；所述第一焊盘通过金属线与8个低电压金属化通孔相连；所述第二焊盘通过第四金属化通孔与第五组合电路结构的第一金属线相连，第一金属线通过第五金属化通孔与第四组合电路结构中每个场效应管控制单元的分压电阻连接，分压电阻的另一端通过第六金属化通孔与第五组合电路结构的8根相同的第二金属线相连，8根相同的第二金属线分别与对应的高电压金属化通孔连接；导电金属棒通过第一控制电路板的16个第二圆形金属化通孔与第二控制电路板的16个第一圆形金属化通孔将第一控制电路板和第二控制电路板相互连接和固定，其中第二控制电路板和第一控制电路板相隔一定距离上下平行排列。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的线圈端口阻抗匹配网络为L枝节型电容匹配，当充电距离变化时，只需调节发射端阻抗匹配网络中的一个并联电容就能够保证能量传输效率保持在较高值，并且能够实现距离在较大范围内变化时，能量传输效率可调。该设计的匹配网络结构简单，所用元件数少，位于收发线圈的端口处，实现起来容易。
(2)本发明的控制电路结构简单，体积小，并且与发射线圈集成于同一电路板。该设计实现了移位寄存器通过控制电路进行不同电容取值的自动切换，避免手动去焊接电容，电容切换更加方便快捷。
(3)本发明的线圈和控制电路均采用平面印刷结构，有利于加工，容易集成，同时成本较低。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明的发射线圈结构示意图。
图3是本发明的接收线圈结构示意图。
图4是本发明的第二控制电路板结构示意图。
图5是本发明的第二控制电路板的顶层平面电路结构示意图。
图6是本发明的第一控制电路板结构示意图。
图7是本发明的第一控制电路板的顶层平面电路结构示意图。
图8是本发明的第一控制电路板的底层平面电路结构示意图。
图9是本发明在不同距离点处阻抗匹配调节与否的效率对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明：如图1的总体结构展开示意图所示，一种传输效率随距离变化可调的无线能量收发装置，包括发射板1、接收板5、第一控制电路板4、第二控制电路板2、以及连接第一控制电路板4和第二控制电路板2的十六根导电金属棒3；所述发射板1和第二控制电路板2通过PCB印刷组合为一体；第一控制电路板4和第二控制电路板2相距一定距离并通过导电金属棒3连接和相互固定；接收板5平行放置在发射板1的上方，接收板5与发射板1之间的垂直距离任意可调。如图2所示，所述的发射板1包括第一介质基板12、印刷在第一介质基板12上面的第一组合电路结构11、印刷在第一介质基板12下面的第一金属铜片13以及两个第一金属化通孔14。第一介质基板12为1mm厚度的FR4基板，介电常数为4.6，损耗正切角为0.025，两个第一金属化通孔14直径均为1.2mm。所述第一组合电路结构11包括第一平面螺旋线圈111、第一匹配谐振电容112、第二匹配谐振电容113；第一平面螺旋线圈111的首尾与第一金属铜片13通过第一金属化通孔14连接为闭合整体；所述第一平面螺旋线圈111长宽分别为21.2cm*19.2cm，圈数为5匝；第一匹配谐振电容112的值不固定,第二匹配谐振电容113为51pF。如图3所示，所述接收板5包括第二介质基板52、印刷在第二介质基板52上面的第二组合电路结构51、印刷在第二介质基板52下面的第二金属铜片53以及两个第二金属化通孔54；第二介质基板52为1mm厚度的FR4基板。所述第二组合电路结构51包括第二平面螺旋线圈511、第三匹配谐振电容512、第四匹配谐振电容513；第二平面螺旋线圈511的首尾与第二金属铜片53通过第二金属化通孔54连接为闭合整体；所述第二平面螺旋线圈511长宽分别为10.3cm*9.3cm，圈数为4匝；第三匹配谐振电容512为450pF，第四匹配谐振电容513为78pF。所述接收板5平行放置在发射板1的上方，接收板5与发射板1之间的垂直距离任意可调。第二匹配谐振电容113、第三匹配谐振电容512、第四匹配谐振电容513的值固定不变，第一匹配谐振电容112的值根据发射板1和接收板5之间距离改变而改变，通过选取不同的第一匹配谐振电容112值来实现充电距离改变时对端口进行阻抗匹配，从而实现能量传输效率可调节，一直维持在较高值。
进一步的，如图4所示，所述第二控制电路板2包括第三介质基板22、印刷在第三介质基板22上面的第三组合电路结构21、印刷在第三介质基板22下面的金属地板23、连接第三组合电路结构21和金属地板23的两个第三金属化通孔24以及用于加载导电金属棒3的16个第一圆形金属化通孔25。所述第二控制电路板2长宽为6cm*4.8cm，第三介质基板22为1mm厚度的FR4基板，两个第三金属化通孔24直径均为0.8mm，16个第一圆形金属化通孔25直径均为1.5mm。如图5所示，所述第三组合电路结构21包括8个相同的PIN控制电路单元210、8个调谐电容214、第三金属铜片215、第四金属铜片216以及第五金属铜片217；所述16个第一圆形金属化通孔25用于加载导电金属棒3，目的是将第一控制电路板4中16个第二圆形金属化通孔45的高低电压导通至第二控制电路板2的每个PIN控制电路单元210，从而控制每一个调谐电容214的开断。所述调谐电容214为8个不同容值的电容组成的电容阵，电容最多有256种组合；所述每个PIN控制电路单元210由两个PIN管211、两个大电阻212和两个隔直电容213组成；所述大电阻212的阻值为10M欧姆，隔直电容213为1nF；所述PIN管211和大电阻212并联，PIN管211和大电阻212的一端连接调谐电容214，另一端连接第一圆形金属化通孔25；所述隔直电容213的一端连接第一圆形金属化通孔25，另一端连接第三金属铜片215；所述调谐电容214分别与PIN控制电路单元210和第四金属铜片216相连，每个PIN控制电路单元210负责开断与之相连的调谐电容214。所述第三金属铜片215、第四金属铜片216分别连接到发射板1中第一平面螺旋线圈111的第一匹配谐振电容112的两端，实现调谐电容214与发射板1的第一匹配谐振电容112并联，这样第一匹配谐振电容112的值就等于调谐电容214的电容组合值；当充电距离变化时，调谐电容214取对应的电容组合值，通过第一匹配谐振电容112进行发射线圈端口阻抗匹配，从而调节能量传输效率；第三金属铜片215、第五金属铜片217与金属地板23通过第三金属化通孔24连通。
进一步的，如图6所示，所述第一控制电路板4包括第四介质基板42、印刷在第四介质基板42上面的第四组合电路结构41、印刷在第四介质基板42下面的第五电路结构43、第四金属化通孔44、用于加载导电金属棒3的16个第二圆形金属化通孔45、第五金属化通孔46、8个相同的第六金属化通孔47以及8个相同的第七金属化通孔48。所述第一控制电路板4长宽为4.2cm*4.1cm，第四介质基板42为1mm厚度的FR4基板，第四金属化通孔44的直径为1.2mm，第五金属化通孔46的直径为1.2mm，第六金属化通孔47直径为0.5mm，第七金属化通孔48直径为0.5mm。如图7所示，所述第四组合电路结构41包括8个相同场效应管控制单元410、8位的移位寄存器414、第一焊盘415、第二焊盘416；所述每个场效应管控制单元410由1个场效应开关管411、1个阻值为1M欧姆的分压电阻412和1个阻值为1000欧姆的限流电阻413组成；所述16个第二圆形金属化通孔45分为8个相同的低电压金属化通孔451和8个相同的高电压金属化通孔452；所述移位寄存器414的8个引脚通过金属线与场效应管控制单元410的限流电阻413相连，限流电阻413的另一端连接场效应开关管411的栅极，分压电阻412连接场效应开关管411的漏极，场效应开关管411的源极通过第七金属化通孔48接地；5V低电压输入接入到第一焊盘415，28V高电压输入接入到第二焊盘416；所述第一焊盘415通过金属线与8个低电压金属化通孔451相连，8个低电压金属化通孔451带电压为5V；所述第二焊盘416通过第四金属化通孔44与第五组合电路结构43的第一金属线431相连，第一金属线431通过第五金属化通孔46连接到第四组合电路结构41，再通过金属线与每个场效应管控制单元410的分压电阻412的一端相连，分压电阻412的另一端通过第六金属化通孔47与第五组合电路结构43的8根相同的第二金属线432连接，8根相同的第二金属线432分别与对应的高电压金属化通孔452相连，8个高电压金属化通孔452带电压为28V。所述第二控制电路板2和第一控制电路板4相隔一定距离上下平行排列，导电金属棒3通过第一控制电路板4的16个第二圆形金属化通孔45与第二控制电路板2的16个第一圆形金属化通孔25将第一控制电路板4和第二控制电路板2相互连接，通过16个金属化通孔将5V低电压和28V高电压导通至第二控制电路板2的PIN控制电路单元210，每个PIN控制电路单元210的两个金属化通孔中包含一个28V高电压和一个5V低电压。所述8位移位寄存器414的每个引脚可接入0V或者5V的电压；当引脚接入0V时，与引脚相连的场效应管控制单元410的场效应开关管411则处于关闭状态，则第二控制电路板2的PIN控制电路单元210不能够接通与之相连的调谐电容214，此路的电容处于关断状态；当引脚接入5V时，与引脚相连的场效应管控制单元410的场效应开关管411则处于导通状态，则第二控制电路板2的PIN控制电路单元210可以接通与之相连的调谐电容214，此路的电容处于接入状态。所述调谐电容214与第一匹配谐振电容112并联，则第一匹配谐振电容112通过移位寄存器的控制而具有不同的电容值，当充电距离变化时，通过移位寄存器中存储数据的控制，就能够选择不同的第一匹配谐振电容112值，进而实现发射线圈端口的阻抗匹配，进行能量传输效率的自动调节，使效率保持在较高值。
图9给出了发射线圈和接收线圈相隔不同距离d时，不改变第一匹配谐振电容112进行阻抗匹配调节和改变第一匹配谐振电容112的值进行阻抗匹配调节两者的仿真效率对比图。该磁谐振耦合无线能量传输系统工作于13.56MHz，当发射线圈和接收线圈距离d为40mm时，系统处于过耦合状态，在中心13.56MHz处出现了频率分裂，能量传输效率为42.81％，通过阻抗匹配调节后，效率提升到70.33％；当发射线圈和接收线圈距离d为80mm时，能量传输效率为64.16％，通过阻抗匹配调节后，效率提升到85％；当发射线圈和接收线圈距离d相隔比较远，系统处于弱耦合状态时，通过改变匹配电容进行阻抗匹配仍然可以提高效率，充电距离d为160mm时，能量传输效率下降到28.68％，阻抗匹配调节使效率提高到40.66％。从仿真可以看出，不同充电距离点，改变第一匹配谐振电容112调节阻抗匹配可以大幅提高能量传输效率。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种传输效率随距离变化可调的无线能量收发装置，包括发射板(1)、接收板(5)、第一控制电路板(4)、第二控制电路板(2)、以及连接第一控制电路板(4)和第二控制电路板(2)的十六根导电金属棒(3)；其特征在于：所述的发射板(1)和第二控制电路板(2)通过PCB印刷组合为一体，第一控制电路板(4)和第二控制电路板(2)相距一定距离并通过导电金属棒(3)连接和相互固定；接收板(5)平行放置在发射板(1)的上方，接收板(5)与发射板(1)之间的垂直距离任意可调。
2.根据权利要求1所述的一种传输效率随距离变化可调的无线能量收发装置，其特征在于：发射板(1)包括第一介质基板(12)、印刷在第一介质基板(12)上面的第一组合电路结构(11)、印刷在第一介质基板(12)下面的第一金属铜片(13)以及两个第一金属化通孔(14)；所述第一组合电路结构(11)包括第一平面螺旋线圈(111)、第一匹配谐振电容(112)、第二匹配谐振电容(113)，第一平面螺旋线圈(111)的首尾与第一金属铜片(13)通过第一金属化通孔(14)连接为闭合整体；所述接收板(5)包括第二介质基板(52)、印刷在第二介质基板(52)上面的第二组合电路结构(51)、印刷在第二介质基板(52)下面的第二金属铜片(53)以及两个第二金属化通孔(54)；所述第二组合电路结构(51)包括第二平面螺旋线圈(511)、第三匹配谐振电容(512)、第四匹配谐振电容(513)，第二平面螺旋线圈(511)的首尾与第二金属铜片(53)通过第二金属化通孔(54)连接为闭合整体。
3.根据权利要求1所述的一种传输效率随距离变化可调的无线能量收发装置，其特征在于：第二控制电路板(2)包括第三介质基板(22)、印刷在第三介质基板(22)上面的第三组合电路结构(21)、印刷在第三介质基板(22)下面的金属地板(23)、连接第三组合电路结构(21)和金属地板(23)的两个第三金属化通孔(24)以及用于加载导电金属棒(3)的16个第一圆形金属化通孔(25)；所述第三组合电路结构(21)包括8个相同的PIN控制电路单元(210)、8个调谐电容(214)、第三金属铜片(215)、第四金属铜片(216)以及第五金属铜片(217)；所述每个PIN控制电路单元(210)由两个PIN管(211)、两个大电阻(212)和两个隔直电容(213)组成；所述PIN管(211)和大电阻(212)并联，PIN管(211)和大电阻(212)的一端连接调谐电容(214)，另一端连接第一圆形金属化通孔(25)；所述隔直电容(213)的一端连接第一圆形金属化通孔(25)，另一端连接第三金属铜片(215)；所述调谐电容(214)分别与PIN控制电路单元(210)和第四金属铜片(216)相连；所述第三金属铜片(215)、第四金属铜片(216)与发射板(1)的第一平面螺旋线圈(111)相连实现调谐电容(214)与发射板(1)的第一匹配谐振电容(112)并联；第三金属铜片(215)、第五金属铜片(217)与金属地板(23)通过第三金属化通孔(24)连通。
4.根据权利要求1所述的一种传输效率随距离变化可调的无线能量收发装置，其特征在于：第一控制电路板(4)包括第四介质基板(42)、印刷在第四介质基板(42)上面的第四组合电路结构(41)、印刷在第四介质基板(42)下面的第五电路结构(43)、第四金属化通孔(44)、用于加载导电金属棒(3)的16个第二圆形金属化通孔(45)、第五金属化通孔(46)、8个相同的第六金属化通孔(47)以及8个相同的第七金属化通孔(48)；所述第四组合电路结构(41)包括8个相同场效应管控制单元(410)、8位的移位寄存器(414)、第一焊盘(415)、第二焊盘(416)；每个场效应管控制单元(410)由1个场效应开关管(411)、1个分压电阻(412)和1个限流电阻(413)组成；所述16个第二圆形金属化通孔(45)由8个相同的低电压金属化通孔(451)和8个相同的高电压金属化通孔(452)组成；所述移位寄存器(414)的8个引脚通过金属线与每个场效应管控制单元(410)的限流电阻(413)相连，限流电阻(413)的另一端连接场效应开关管(411)的栅极，分压电阻(412)连接场效应开关管(411)的漏极，场效应开关管(411)的源极通过第七金属化通孔(48)接地；低电压输入接入到第一焊盘(415)，高电压输入接入到第二焊盘(416)；所述第一焊盘(415)通过金属线与8个低电压金属化通孔(451)相连；所述第二焊盘(416)通过第四金属化通孔(44)与第五组合电路结构(43)的第一金属线(431)相连，第一金属线(431)通过第五金属化通孔(46)与第四组合电路结构(41)中每个场效应管控制单元(410)的分压电阻(412)连接，分压电阻(412)的另一端通过第六金属化通孔(47)与第五组合电路结构(43)的8根相同的第二金属线(432)相连，8根相同的第二金属线(432)分别与对应的8个高电压金属化通孔(452)连接；导电金属棒(3)通过第一控制电路板(4)的16个第二圆形金属化通孔(45)与第二控制电路板(2)的16个第一圆形金属化通孔(25)将第一控制电路板(4)和第二控制电路板(2)相互连接和固定，所述第二控制电路板(2)和第一控制电路板(4)相隔一定距离上下平行排列。
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