CN108667154B - 一种具有负载隔离特性的多频多负载无线充电平台 - Google Patents

Abstract

一种具有负载隔离特性的多频多负载无线充电平台，由交流电流源、发射线圈、LC多频调谐网络和多个不同工作频率的接收机组成；交流电流源可产生含有N个不同频率分量的交流电流；发射线圈采用赫姆霍兹线圈结构，由两个同轴放置且中心距离等于线圈半径的相同规格的线圈组成；LC多频调谐网络包括N个并联臂电容和N‑1个串联臂电感；接收机由接收线圈、调谐电容、负载构成；交流逆变电流源、发射线圈L₁、LC多频调谐网络相互串联组成源端发射部分；工作时接收机可放置于充电平台的任意位置。本发明结构简单，容易实施，可支持多个不同工作频率的无线电能接收机同时进行充电，各接收机之间相互隔离，互不干扰。

Description

一种具有负载隔离特性的多频多负载无线充电平台

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域。

背景技术

无线电能传输技术因其干净，方便，安全的优点而广受青睐。目前，无线电能传输技术领域已形成Qi、PMA、A4WP、SAE、PT61980等多个技术标准，然而遵循这些标准的无线电能传输系统通常工作在单一频率，且其工作频率并不统一，例如：Qi工作频段为110-205kHz、PMA工作频段为110-300kHz、A4WP工作频段为6.78Mhz±15kHz、SAE工作频段为81.38-90kHz。目前已有的单一工作频率的无线电能充电平台只能供与其工作频率相同的接收机进行充电，无法给多个不同工作频率的接收机充电。为了解决这一问题，文献“KimY,Ha D,Chappell W J,et al.Selective Wireless Power Transfer for Smart PowerDistribution in a Miniature-Sized Multiple-Receiver System[J].IEEETransactions on Industrial Electronics,2016,63(3):1853-1862”根据线圈的最大Q值和频率的关系以及最小频率干扰的原则选择出了三个最佳的工作频点，用分时段切换电源频率给三个负载供电的方式实现负载隔离和功率分配，但是不能同时给多个不同工作频率负载供电；文献“Beppu A,Katsura S.Analysis of dual-mode wireless power transferwith two frequencies[C].Industrial Electronics Society,IECON 2016-,Conferenceof the IEEE.IEEE,2016:4487-4492.”通过给接收机增加匹配线圈以满足不同频率的接收，但是也不能同时给多个不同工作频率负载供电；在文献“Zhong W,Hui S YR.Auxiliary Circuits for Power Flow Control in Multi-frequency Wireless PowerTransfer Systems With Multiple Receivers[J].IEEE Transactions on PowerElectronics,2015,30(10):5902-5910”中通过给接收机增加辅助电路，使得其能接收两个不同频率的电能，但是接收机上的充电负载彼此存在相互干扰；文献“李琳，李然.双频段磁耦合谐振式无线电能传输系统特性分析及实验验证[J].电工技术学报,2017,32(18):90-97.”提供两个不同频率的传输通道以实现电能和信号的同步传输，根据单一谐振频率的电能传输线圈的阻抗特性提出了双频段无线电能传输线圈的设计思路；文献“Wang Guoxing,Wang Peijun,Tang Yina,et al.Analysis of dual band power and data telemetryfor biomedical implants[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits andSystem,2012,6(3):208-2015.”在WPT系统中额外构建一套固有谐振频率不同于电能传输线圈的信号传输线圈，以实现两条独立的物理通道，由于系统包括两套独立的线圈，线圈间的交叉耦合将会带来两条物理通道之间的干扰，同时也不便于系统装置的小型化。文献“Kung M L,Lin K H.Enhanced analysis and design method of dual-band coilmodule for near-field wireless power transfer systems[J].IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,2015,63(3):821-832.”中构建了具有两个固有谐振频率的单匝双频线圈，并实现了利用两个频段同时传输电能以提高效率，然而对于多个负载或接收机之间的相互干扰并未考虑。

发明内容

本发明的目的是克服目前无线电能传输系统只能工作于单一频率、不能同时为多种不同工作频率接收机充电的缺陷，提出了一种磁耦合谐振式的多频多负载无线充电平台，可用于同时给多个不同工作频率的接收机无线充电，接收机负载电压由电流源决定，电流源中其它频率对其串扰很小，且各接收机之间保持良好的隔离，互不影响。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种具有负载隔离特性的多频多负载无线充电平台，由交流电流源、发射线圈、LC多频调谐网络和多个不同工作频率的接收机组成。

所述的交流电流源为可产生含有N个不同频率分量的交流电流源，由AC-DC电路、逆变电路、FPGA控制电路构成。220V50/60Hz市电经AC-DC变换后给逆变电路供电；逆变电路采用全桥电流型逆变电路，同时通过FPGA编程输出逆变器开关管的控制信号，得到交流电流源的输出电流波形包含所需的各正弦频率分量，各正弦频率分量的角频率按由小到大次序排列分别为ω₁,ω₂,…,ω_N，角频率和频率的关系满足ω_i＝2πf_i(i＝1,2,…,N)，各正弦频率分量电流幅度分别为I₁,I₂,…,I_N。

所述的发射线圈采用赫姆霍兹线圈结构，由两个同轴放置且中心距离等于线圈半径的相同规格的线圈组成，发射线圈的电感量的具体取值可由应用需求决定。

所述的LC多频调谐网络是一个单端口的阶梯形集总参数LC网络，包括N个并联臂电容和N-1个串联臂电感。

所述的接收机由接收线圈、调谐电容、负载构成，接收线圈通过与发射线圈的磁耦合谐振拾取电能。

交流逆变电流源、发射线圈L₁、LC多频调谐网络相互串联组成源端发射部分。工作时接收机可放置于充电平台的任意位置。

LC多频调谐网络的电容和电感的具体取值可按如下方案选取：

1)构造函数：

分母中的参数ω_1,2,…,ω_N-1,N满足：ω_i＜ω_i,i+1＜ω_i+1(i＝1,2,...,N-1)，通常可以取或/>或/>(i＝1,2,...,N-1)；

2)将Z(s)展开为s的连分数形式，即：

利用以上关系可提取出并联臂电容值C₁～C_N和串联臂电感值L₂～L_N。

第j个接收谐振器由接收端电感线圈L_Rj、调谐电容C_Rj和负载R_Rj串联而成，j＝1,2,3,...。谐振器j调谐在ω₁,ω₂,…,ω_N中的某个频率ω_i上，即ω_i∈{ω₁,ω₂,...,ω_N}。负载在此频率上呈现纯电阻性或近似纯电阻性。为限制临近频率的相互干扰，谐振角频率为ω_i的接收谐振器的线圈电感量L_Rj应满足：

Min(ω_iL_Rj|ω_i+1/ω_i-ω_i/ω_i+1|,ω_iL_Rj|ω_i/ω_i-1-ω_i-1/ω_i|)＞＞R_Rj

则负载R_Rj两端输出电压幅度为|V_Rj|＝ω_iI_iM_1j，与负载无关。

本发明公开的充电平台结构简单，容易实施。该无线充电平台可支持多个不同工作频率的无线电能接收机同时进行充电，且各接收机负载两端电压幅度与自身负载和其它负载均无关，因而各接收机之间相互隔离，互不干扰。

附图说明

图1是本发明的电路原理图，(I₁,f₁)(I₂,f₂)…(I_N,f_N)为输出包含多种频率分量的电流源，L₁为发射电感线圈，C₁、C₂…C_N为LC源端多频调谐网络的并联臂电容，L₂、L₂…L_N为串联臂电感，L_R1、L_R1'为谐振频率f₁的负载接收线圈，L_R2、L_R3…为谐振频率为f₂、f₃…f_N的负载接收线圈，C_R1、C_R1’、C_R2、C_R3…为各自的谐振电容，满足R_R1、R_R1'、R_R2、R_R3…为负载，M₁₁、M_11'、M₁₂、M₁₃…为各接收线圈L_N与发射线圈L₁的互感。

图2是一种双频多负载无线充电平台的实施例图，这里的发射谐振器电感采用亥姆霍兹线圈。本实施例接收机选择工作频率f₁＝90kHz、f₂＝180kHz，其中90kHz工作在SAE标准波段，180kHz工作在QI标准波段。R_R1、R_R1’为谐振频率f₁的两个接收机的负载，R_R2所在接收机的谐振频率为f₂。

图3是电流源幅值为1A时，负载R_R1、R_R2在10ohm至100ohm阻值范围内，负载R_R1’开路时，R_R1随着阻值变化的频率(kHz)-电压幅度曲线图，其中，(a)是R_R1在谐振频率90kHz附近的电压幅度曲线图，(b)是R_R1在频率180kHz附近的电压幅度曲线图。

图4是电流源幅值为1A时，负载R_R1、R_R2在10ohm至100ohm阻值范围内，负载R_R1’开路时，R_R2随着阻值变化的频率(kHz)-电压幅度曲线图，其中，(a)是R_R2在谐振频率180kHz附近的电压幅度曲线图，(b)是在频率90kHz附近的电压幅度曲线。

图5是电流源幅值为1A时，负载R_R1、R_R1‘ R_R2存在时，负载R_R1、R_R1’、R_R2在10ohm至100ohm阻值范围内，R_R1随着阻值变化的频率(kHz)-电压幅度曲线图，其中(a)是R_R1在谐振频率90kHz附近的电压幅度曲线图，(b)是R_R1在频率180kHz附近的电压幅度曲线图。

图6是电流源幅值为1A时，负载R_R1、R_R1‘ R_R2存在时，负载R_R1、R_R1’、R_R2在10ohm至100ohm阻值范围内，R_R1’随着阻值变化的频率(kHz)-电压幅度曲线图，其中，(a)是R_R2在谐振频率180kHz附近的电压幅度曲线图，(b)是在频率90kHz附近的电压幅度曲线

图7是电流源幅值为1A时，负载R_R1、R_R1‘ R_R2存在时，负载R_R1、R_R1’、R_R2在10ohm至100ohm阻值范围内，R_R2随着阻值变化的频率(kHz)-电压幅度曲线图，其中，(a)是R_R2在谐振频率180kHz附近的电压幅度曲线图，(b)是在频率90kHz附近的电压幅度曲线。

具体实施方式

本发明将结合附图通过具体的实施例作进一步说明，但是不应作为本发明范围及其应用的限制。

实施例：一种双频工作的多负载无线充电平台。

如图2所示，本发明平台由产生两个不同频率f₁＝90kHz,f₂＝180kHz的交流电流源、LC源端调谐电路、发射电路、负载接收电路构成，R_r为接收线圈的损耗电阻R_R1、R_R2、R_R1’是负载电阻，M₁₁、M₁₂、M_11’为接收线圈与发射线圈之间的互感，接收线圈的交叉耦合在此忽略不计。实施例中的交流电流源是通过对FPGA编程控制全桥逆变器开关管从而产生多个不同频率分量的电流源，LC源端调谐电路由一个单端口的T型集总参数LC网络构成，发射电路由赫姆霍兹源端耦合电感线圈和源端调谐电容组成，该线圈周围的磁场近似均匀分布。接收端电路由负载端耦合电感线圈和负载端调谐电容组成。该充电平台实现不同频段的电能经过同一个源线圈发射同时传递给不同频率的接收机。

实施例的具体电路参数如下：本实施例中f₁＝90kHz,f₂＝180kHz，电流源电流幅度值1A，赫姆霍兹发射线圈由2个相距15cm、口径(直径)30cm的空心线圈串联而成，(赫姆霍兹两线圈距离＝半径)每个空心线圈由线直径1mm的漆包铜线绕制12匝而成，其总电感L₁＝180μH，根据公式，取C₁＝6.9nF,L₂＝500μH,C₂＝3.9nF。负载L_R1、L_R1’线圈规格相同，口径(直径)为10cm，由线直径1mm的漆包铜线绕制17匝而成，其电感量约为L_R1＝L_R1’＝100μH，L_R1、L_R1’接收线圈串联一个集总电感以提高其Q值，从而降低其他频率(即180kHz)对他的干扰，集总电感值取200μH；负载L_R2线圈规格为口径(直径)为10cm，由线直径1mm的漆包铜线绕制10匝而成，其电感量约为L_R2＝60μH；调谐电容C_R1＝C_R1’＝8nF、C_R2＝13nF分别调谐到f₁＝90kHz,f₂＝180kHz。负载与发射的互感M₁₁＝M_11’＝9μH，M₁₂＝5μH，负载耦合线圈放置在中继线圈之上，以减小各相邻负载线圈的交叉耦合。

图3到图7给出了交流电流幅值为1A时，负载在不同情况下的频率(kHz)-电压幅度曲线图。

图3、图4为电流源峰值为1A，R_R1‘开路时，负载R_R1、R_R2阻值在10ohm至100ohm范围内扫描的频率-电压幅度曲线图，如图3(a)所示，R_R1在谐振频率90kHz处电压峰峰值达到10V。图3(b)所示频率为180kHz处，R_R1电压峰峰值低于0.6V(非目标频率造成的干扰电压)。图4(b)所示R_R2在频率为90kHz处电压峰峰值低于0.6V(非目标频率造成的干扰电压,图4(a)所示频率为180kHz处，R_R2电压峰峰值达到最大为10V，可以看出负载在各自的谐振频率达到电压幅值最大，且谐振点的电压和负载阻值无关，负载阻值不同时谐振点电压幅值相同，非目标频率电流源给的干扰电压小于工作电压的10％。

图5、图6、图7为电流源峰值为1A，R_R1、R_R1'、R_R2都存在时，即增加R_R1'负载后负载R_R1、R_R1'、R_R2阻值在10ohm至100ohm范围内扫描的频率-电压幅度曲线图。例如，在图5(a)中，R_R1在频率为90kHz处电压峰峰值达到最大为10V，，频率为180kHz处，R_R1电压峰峰值低于0.6V(非目标频率造成的干扰电压)，如图5(b)所示。

在图6(a)中，R_R1’在频率为90kHz处电压峰峰值达到最大为10V，在图6(b)中频率为180kHz处，R_R1’电压峰峰值为低于0.6V(非目标频率造成的干扰电压)。负载R_R1、R_R1’阻值不同，电压却相同，由此可见，负载电压和自身的阻值是无关的。

在图7(b)中，R_R2在频率为90kHz处电压峰峰值低于0.6V(非目标频率造成的干扰电压)，在图7(a)中频率为180kHz处，R_R2电压峰峰值达到最大为10V。可以看出加入R_R1′负载后，R_R2负载电压不受影响，

从两种情况对比可得出，多负载同时供电时和负载单独供电时，负载电压幅值相同，负载的电压不随其他负载的加入和减少而改变，此系统达到了负载隔离的效果，即负载单独存在时和多个负载存在时，负载电压幅值是一样的，负载两端电压幅度是负载无关的，与自身负载和其它负载无关，各负载之间相互隔离。

负载在谐振频率点的电压可根据需求，通过调节电流幅值或者互感值(接收机和发射之间的)来进行获得，提高接收机线圈Q值可减小非目标频率作用的干扰电压。

由此可见一个精心设计的多频多负载无线充电平台能够实现给不同频率的多个接收机进行供电，且各接收机负载两端电压幅度是负载无关的，与自身负载和其它负载无关，各负载之间相互隔离，互不干扰，电流源对非目标接收机干扰较小，各负载相互独立，不影响其充电效果。

Claims (2)

1.一种具有负载隔离特性的多频多负载无线充电平台，其特征是由交流电流源、发射线圈、LC多频调谐网络和多个不同工作频率的接收机组成；

所述的交流电流源为可产生含有N个不同频率分量的交流电流源，由AC-DC电路、逆变电路、FPGA控制电路构成；220V50/60Hz市电经AC-DC变换后给逆变电路供电；逆变电路采用全桥电流型逆变电路，同时通过FPGA编程输出逆变器开关管的控制信号，得到交流电流源的输出电流波形包含所需的各正弦频率分量，各正弦频率分量的角频率按由小到大次序排列分别为ω₁,ω₂,…,ω_N，角频率和频率的关系满足ω_i＝2πf_i(i＝1,2,…,N)，各正弦频率分量电流幅度分别为I₁,I₂,…,I_N；

所述的发射线圈采用赫姆霍兹线圈结构，由两个同轴放置且中心距离等于线圈半径的相同规格的线圈组成，发射线圈的电感量的具体取值可由应用需求决定；

所述的LC多频调谐网络是一个单端口的阶梯形集总参数LC网络，包括N个并联臂电容和N-1个串联臂电感；

所述的接收机由接收线圈、调谐电容、负载构成，接收线圈通过与发射线圈的磁耦合谐振拾取电能；

交流逆变电流源、发射线圈L₁、LC多频调谐网络相互串联组成源端发射部分；工作时接收机可放置于充电平台的任意位置。

2.根据权利要求1所述的一种具有负载隔离特性的多频多负载无线充电平台，其特征是LC多频调谐网络的电容和电感的具体取值按如下方案选取：

1)构造函数：

分母中的参数ω_1,2,…,ω_N-1,N满足：ω_i＜ω_i,i+1＜ω_i+1(i＝1,2,...,N-1)，取或/>或/>

2)将Z(s)展开为s的连分数形式，即：

利用以上关系可提取出并联臂电容值C₁～C_N和串联臂电感值L₂～L_N；

第j个接收谐振器由接收端电感线圈L_Rj、调谐电容C_Rj和负载R_Rj串联而成，j＝1,2,3,...；谐振器j调谐在ω₁,ω₂,…,ω_N中的某个频率ω_i上，即ω_i∈{ω₁,ω₂,...,ω_N}；负载在此频率上呈现纯电阻性或近似纯电阻性；为限制临近频率的相互干扰，谐振角频率为ω_i的接收谐振器的线圈电感量L_Rj应满足：

Min(ω_iL_Rj|ω_i+1/ω_i-ω_i/ω_i+1|,ω_iL_Rj|ω_i/ω_i-1-ω_i-1/ω_i|)＞＞R_Rj

则负载R_Rj两端输出电压幅度为|V_Rj|＝ω_iI_iM_1j，与负载无关。