CN107733095A

CN107733095A - 一种桌面无线供电系统及供电控制方法

Info

Publication number: CN107733095A
Application number: CN201710876334.9A
Authority: CN
Inventors: 蔡华; 季金虎; 胡永峰
Original assignee: Beijing Machinery Equipment Research Institute
Current assignee: Beijing Machinery Equipment Research Institute
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2018-02-23
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: CN107733095B

Abstract

本发明提供了一种桌面无线供电系统及供电控制方法，供电系统包括发射装置、接收装置和开关控制系统；发射装置和开关控制系统嵌入在桌面下表面内，接收装置放置在桌面上，开关控制系统控制发射装置的开闭，发射装置和接收装置通过电磁感应实现无线供电。该桌面无线供电系统具有多套不同功率等级的原边电能发射装置，可以满足桌面常用负载的功率需求。

Description

一种桌面无线供电系统及供电控制方法

技术领域

本发明涉及无线供电领域，尤其是一种桌面无线供电系统及供电控制方法。

背景技术

目前桌面上电子产品众多，如电脑、手机、电热杯、加湿器等设备，由此带来的各种电源线、数据线、充电线缠绕繁琐、并且存在插座插头裸露遇水触电等危险，给用电安全带来很大隐患，并且造成用电的众多不方便。

目前桌面供电传统采用有线供电模式，桌面具有多个电源插座供用电设备使用，在用电设备增多时，桌面上凌乱的电线会给人造成很大的视觉污染，影响工作效率。众多的插座以及插排也存在触电的风险，尤其是桌面有水杯的时候，容易误碰翻水杯引发插座电源短路。

基于电磁感应原理，利用原副边完全分离的非接触变压器(原边和副边线圈)将电能从供电侧以非接触的形式从桌面下传递到桌面上用电设备，桌面上不再有缠绕不清的各种电源线。

发明内容

本发明的目的是提供一种桌面无线供电系统及供电控制方法，解决用电时有线供电桌面凌乱、易触电的问题。

本发明提出桌面无线供电系统，在桌面内嵌入无线电能发射装置，在用电设备内或者配件内嵌入无线电能接收装置，基于电磁感应原理，实现电能从桌面到用电设备的无线传输。本发明提出的桌面无线供电系统，采用开关阵列方式在桌面布置多个无线发射线圈或供电轨道，并通过电子标签技术检测副边线圈来控制相应原边线圈的供电与否，另外还可以手动控制原边线圈通电与否。原边线圈采用无线发射轨道方式，副边线圈可以沿轨道有一定的活动范围，且不影响供电。桌面无线供电系统的输入电源为兼容交流输入和直流输入两种模式，除了市电交流输入，还可以接入新能源如光伏发电装置，提高新能源的利用率。桌面无线供电系统具有多套不同功率等级的原边电能发射装置，可以满足桌面常用负载的功率需求。相比传统有线接触式供电，桌面无线供电从根本上解决了桌面电源线凌乱、插座触电危险等问题。

具体的，本发明提供了一种桌面无线供电系统的供电控制方法供电系统包括发射装置、接收装置和开关控制系统；

发射装置和开关控制系统嵌入在桌面下表面内，接收装置放置在桌面上，开关控制系统控制发射装置的开闭，发射装置和接收装置通过电磁感应实现无线供电；该供电系统没有外在的明线连接，能够减少电线消耗。

供电控制方法包括以下步骤：

步骤一、用电设备与接收装置连接，发射装置通过RFID电子标签技术识别用电设备位置，并通过开关控制系统打开相应位置原边线圈的开关；

步骤二、开关打开后，开关控制系统将启动信号传输至逆变器、通信模块A和通信模块B，逆变器开始输出电流；

步骤三、通信模块B采集稳压器输入的直流电压、输出电压和输出电流信息，将该采集到的信息传输至通信模块A；

步骤四、通信模块A将接收到的稳压器输入的直流电压、输出电压和输出电流信息发送给逆变器；

步骤五、逆变器接收到信息后，控制改变逆变器自身的输出电压占空比和频率，调节逆变器的输出电流。

进一步地，当不能识别或者用电设备未安装电子标签时，步骤一还可以为用电设备与接收装置连接，通过开关控制系统手动控制相应位置的原边线圈的开关打开。

这样的开关控制系统不能识别时可避免不能及时供电，手动开启供电系统，系统可正常供电。

进一步地，副边线圈感应电压为：Us＝2πfMIp，其中f为原边线圈的电流频率，M为原边线圈和副边线圈的互感系数，Ip为逆变器的输出额定电流。副边线圈感应电压与原边线圈的电流频率相关，通过这个公式可知，可对原先线圈的电流频率进行控制，进而控制整个系统的电压。

另外，本申请提供了一种应用该供电控制方法的桌面无线供电系统，所述接收装置包括副边线圈、整流滤波模块、稳压器和通信模块B；

所述副边线圈输出端与整流滤波模块的输入端相连，整流滤波模块的输出端与稳压器的输入端相连，稳压器的输出端连接用电设备，通信模块B连接至稳压器。

进一步地，发射装置包括整流器、逆变器、原边线圈和通信模块A；

所述整流器的输入端与输入电源相连，整流器输出端与逆变器的输入端相连，逆变器的输出端与原边线圈相连，通信模块A连接至逆变器。

进一步地，接收装置数量为n，逆变器数量为k、原边线圈数量为m；其中n、k、m均为正整数；

所述n个接收装置之间相互独立设置。

独立的接收装置可分别布置在桌面的多个地方，可独立供电，以满足不同功率用电设备的需求，并且实现无线供电效率最大化。

进一步地，逆变器与原边线圈之间有开关；

所述开关控制系统与逆变器和开关相连。

开关控制系统可对所有的开关进行控制，实现供电系统的自动化控制。

进一步地，原边线圈为圆形、矩形或导轨式长矩形平面线圈；副边线圈为圆形或矩形平面线圈；

在原边线圈和副边线圈的相对的一面上和边缘布置有磁性元件。

原边线圈和副边线圈的形状相匹配，可有利于提高互感系数，提高供电效率。

进一步地，发射装置与接收装置的中心偏移量在副边线圈的30％最大边长范围内，垂直距离在100mm以内。

在该范围内，发射装置和接收装置之间有较高的供电效率，提高电能利用率。

进一步地，开关控制系统具有一组按钮阵列，该按钮阵列和桌面原边线圈数量一致，并且按钮的位置与桌面原边线圈的位置一一对应。

通过按钮控制原边线圈对应开关的闭合与断开，提高整个系统的用电安全性，并且可对每个线圈分别控制。

本申请的桌面无线供电系统具有以下优点：

(a)桌面无线供电的输入电源为市电和直流双输入模式，即可以直接接入屋顶光伏发电装置，提高新能源的利用率，减少电费消耗。

(b)发射装置具有多个原边线圈以及对应的开关，通过RFID电子标签技术识别用电设备位置，并给相应位置的原边线圈通电。一套逆变器可以接多个原边线圈。

(c)发射装置原边线圈可以采用轨道形式，也可以采用圆形或矩形形式，前者可允许副边接收装置在一定范围内移动，具有更好的灵活性，不必放在规定位置。

(d)一套桌面无线供电系统可以由多套发射装置构成，分别布置在桌面的常用地方。多套发射装置的线圈功率可以不同，以满足不同功率用电设备的需求，并且实现无线供电效率最大化。

(e)具有桌面无线供电开关控制系统，在不能适应识别用电设备时，可以采用开关控制系统手动模式接通相应的无线供电发射线圈。

(f)整个系统中没有外在的明线连接，减少电线消耗，既美观，又能避免发生触电事故。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明的桌面无线供电系统整体结构示意图。

图2是本发明的桌面无线供电系统中的原边线圈的布置方式图。

图3是本发明中开关控制系统按钮布局图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种桌面无线供电系统，如图1所示，包括发射装置、接收装置和开关控制系统。

接收装置数量为n，发射装置包括整流器、k个逆变器、m个原边线圈和通信模块A，n、k、m均为正整数，可以兼容交流市电输入和直流输入两种供电制式。整流器的输入端与交流市电输入或直流输入相连，整流器输出端与逆变器的输入端相连，逆变器的输出端通过开关与原边线圈相连，通信模块A连接至逆变器，通信模块A的供电取自逆变器的输入直流电，通信模块A与逆变器进行数据传递，逆变器与原边线圈之间有开关。整流器兼容市电输入和直流输入两种供电方式。

可选的，整流器可连接光伏发电装置，由光伏发电装置为整流器提供电源，光伏发电装置利用光能发电，能够节约能源，节约负载运行所需成本。

接收装置包括副边线圈、整流滤波模块、稳压器、通信模块B，直接给用电设备供电。副边线圈与原边线圈相对安装，副边线圈输出端与整流滤波模块的输入端相连，整流滤波模块的输出端与稳压器的输入端相连，稳压器的输出端连接用电设备，通信模块B连接至稳压器。

开关控制系统与逆变器和开关相连，控制发射装置的开闭，进而控制供电系统的开闭。

为了使得原边线圈和副边线圈在最合适的感应距离内，以有利于感应发电，发射装置和开关控制系统嵌入在桌面下表面内，接收装置放置在桌面上，发射装置与接收装置中心允许有偏移，偏移量在副边线圈的30％最大边长范围内，垂直距离100mm以内均可工作，超过该距离则供电系统供电效率会大大减小。该处最大边长指的是任意两点连线的最大距离。例如，若副边线圈为圆形，则最大边长指得是圆形的直径；若副边线圈为正方形，则最大边长指的是对角线。开关系统嵌入在桌面下表面内既不影响手动操作，又能节省空间，同时可防止触电。

电源与用电设备之间没有电缆连接，物理分离、电气隔离，具有很好的安全性和使用灵活性，使用过程中避免了繁杂的电线连接，既美观，又能够避免发生触电等危险事故。

原边线圈的个数为一个或多个。原边线圈和副边线圈为圆形或矩形平面线圈，或导轨式长矩形线圈。原边线圈和副边线圈相对的另一面上和边缘布置有磁性元件，如铁氧体等材料，以增强磁耦合性能。原边线圈和副边线圈形状相同、尺寸接近时无线传输效率更高，否则效率降低，如果尺寸差别巨大则副边可能供电不足。如果原边为导轨式长矩形线圈，则电能接收装置可以沿着原边线圈的导轨的长度方向进行一定距离的移动，具有更好的位置灵活性。

接收装置数量为n，接收装置之间是相互独立的，相互之间没有连接。接收装置之间独立，供电系统可同时给不同的负载供电，可以应用于不同功率的负载，适用于多种用电场合。

整流器的作用是将交流输入或直流输入经过整流后变换为直流电。整流器内部包含整流桥，即为二极管构成的不控整流桥。

逆变器为高频逆变器，是单相全桥或者单相半桥拓扑，用于将整流器输出的直流电变换为指定频率的交流电，这里的频率可以根据负载用电情况进行一定的变化。

原边线圈通电后，副边线圈感应发电，输出交流电，经整流滤波模块处理后得到比较平稳的直流电，再经过稳压器后得到用电设备所需的稳定的直流电压，供给用电设备。整流滤波模块为二极管不控整流桥，电容并联连接到整流桥的正负极输出，形成整流滤波模块。稳压器的作用是将整流模块不稳定的直流电源变换为稳定的直流电源，且输出电压为用电设备所需要的电压等级。稳压器的输出电压设置与用电设备输入电压相匹配。稳压器的输入采用宽范围输入方式，这样对原边线圈的控制要求大大降低，提高了对原边线圈的兼容性。

通信模块A和通信模块B之间为无线通信，通信方式可以为Zigbee、蓝牙、以太网等方式，主要包括副边的稳压器输出的直流电压、电流等信息。通信模块A和逆变器连接，通信模块B和稳压器连接。通信模块B将稳压器输入的直流电压、输出电压、和电流等信息发送给通信模块A。通信模块A将接收到的信息发送给逆变器，逆变器通过改变输出电压占空比和频率，在一定范围内调节逆变器输出电流，进而调节接收装置的副边线圈感应电压。

发射装置具有多个原边线圈以及对应的开关，通过RFID电子标签技术识别用电设备位置，并给相应位置的原边线圈通电。如果不能识别或者用电设备未安装电子标签，则可以通过开关控制系统手动控制相应位置的原边线圈供电与否。

图2所示，原边线圈可为圆形线圈、矩形线圈、导轨式长矩形线圈三种形式，满足多种形式接收装置线圈类型，以及多种位置供电组合需求。由于原边线圈较多，可以采用多个逆变器通过开关控制系统分别连接到不同的原边线圈，以便多个线圈同时供电，如采用3个逆变器通过开关控制系统分别连接到原边线圈1～原边线圈13。例如，逆变器1连接原边线圈1～原边线圈3和原边线圈11～原边线圈13；逆变器2连接原边线圈4～原边线圈7；逆变器3连接原边线圈8～原边线圈10。保证逆变器的工作效率不会出现一对多(如，13个原边线圈)情况下轻载时效率过低的情况。

桌面无线供电系统具有多套不同功率等级的原边电能发射装置，可以满足桌面常用负载的功率需求。如逆变器1为中小功率使用，对应用电设备放置在原边线圈1～原边线圈3、原边线圈11～原边线圈13之上。逆变器2和逆变器3为中大功率设备使用，对应用电设备放置在线圈4～线圈10之上。这样采用不同功率等级的发射装置满足不同功率需求范围的用电设备，能较好的发挥无线供电的效率，避免出现大马拉小车的现象。

每个接收装置的稳压器输出与用电设备预先匹配好的规定电压，用电设备的用电功率由用电设备自身使用情况决定。

本发明还提供了一种该桌面无线供电系统的供电控制方法，包括以下步骤：

步骤五、逆变器接收到信息后，控制改变逆变器自身的输出电压占空比和频率，调节逆变器的输出电流，进而调节接收装置的副边线圈感应电压。

逆变器的控制采用原边电流控制方式，原边电流即为逆变器的输出电流，保持逆变器的输出电流控制在额定电流I_p，此时副边线圈感应电压为U_s＝2πfMI_p，其中f为原边线圈的电流频率，M为原边线圈和副边线圈的互感系数；经过整流滤波模块后，根据后级负载功率大小不同，整流模块的输出电压在一定范围内波动，其最大值为感应电压U_s的峰值。

由于有可能1个逆变器给多个原边线圈同时供电，如果调解逆变器的输出电流则有可能会影响到其他接收装置的输入电压。因此，逆变器的输出电流调节应处于一定的范围，并通过接收装置通信模块B的反馈，确保对应接收装置的稳压器输入电压在规定范围内。

如图3所示，本申请的一个实施例中的开关按钮布局与图2中的线圈布置相对应，开关控制系统具有一组按钮阵列，该按钮阵列和桌面原边线圈数量一致，即按钮1～按钮13与开关1～开关13、原边线圈1～原边线圈13分别一一对应，通过按钮控制原边线圈对应开关的闭合与断开。如果按钮1～按钮3、按钮11～按钮13任何一个或几个按下时，逆变器1收到开关控制系统的启动信号并开始输出电流，同时开关1～开关3、开关11～开关13也被对应闭合(例如，按钮2按下，开关2闭合，原边线圈2带电)，否则逆变器1收到开关控制系统的停机信号并停止工作，开关1～开关3、开关11～开关13也都断开。其他按钮、开关、逆变器、原边线圈开关控制及供电同理。

综上所述，本发明提供了一种桌面无线供电系统，可以实现桌面供电电源和用电设备之间物理隔离，不受电源线约束，具有很好的供电灵活性。可以广泛用于办公桌面、实验室等桌面供电场合。

尽管已经结合优选的实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解的是在不违背本发明精神和实质的情况下，各种修正都是允许的，它们都落入本发明的权利要求的保护范围之中。

Claims

1.一种桌面无线供电系统的供电控制方法，其特征在于，所述供电系统包括发射装置、接收装置和开关控制系统；

所述发射装置和开关控制系统嵌入在桌面下表面内，所述接收装置放置在桌面上，所述开关控制系统控制发射装置的开闭，所述发射装置和所述接收装置通过电磁感应实现无线供电；所述供电控制方法包括以下步骤：

步骤一、用电设备与接收装置连接，所述发射装置通过RFID电子标签技术识别用电设备位置，并通过开关控制系统打开相应位置原边线圈的开关；

2.根据权利要求1所述的供电控制方法，其特征在于，当不能识别或者用电设备未安装电子标签时，所述步骤一还可以为用电设备与接收装置连接，通过开关控制系统手动控制相应位置的原边线圈的开关打开。

3.根据权利要求2所述的供电控制方法，其特征在于，所述副边线圈感应电压为：Us＝2πfMI_p，其中f为原边线圈的电流频率，M为原边线圈和副边线圈的互感系数，I_p为逆变器的输出额定电流。

4.一种应用权利要求1-3任一所述供电控制方法的桌面无线供电系统，其特征在于，所述接收装置包括副边线圈、整流滤波模块、稳压器和通信模块B；

5.根据权利要求4所述的供电系统，其特征在于，所述发射装置包括整流器、逆变器、原边线圈和通信模块A；

6.根据权利要求5所述的供电系统，其特征在于，所述接收装置数量为n，逆变器数量为k、原边线圈数量为m；其中n、k、m均为正整数；

所述n个接收装置之间相互独立设置。

7.根据权利要求5所述的供电系统，其特征在于，所述逆变器与原边线圈之间有开关；

所述开关控制系统与逆变器和开关相连。

8.根据权利要求7所述的供电系统，其特征在于，所述原边线圈为圆形、矩形或导轨式长矩形平面线圈；所述副边线圈为圆形或矩形平面线圈；

在所述原边线圈和副边线圈的相对的一面上和边缘布置有磁性元件。

9.根据权利要求8所述的供电系统，其特征在于，所述发射装置与接收装置的中心偏移量在副边线圈的30％最大边长范围内，垂直距离在100mm以内。

10.根据权利要求6所述的供电系统，其特征在于，开关控制系统具有一组按钮阵列，该按钮阵列和桌面原边线圈数量一致，并且按钮的位置与桌面原边线圈的位置一一对应。