CN113162253A - 一类基于中继线圈的平面无线充电发射器 - Google Patents

一类基于中继线圈的平面无线充电发射器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一类基于中继线圈的平面无线充电发射器，包括逆变电路，该逆变电路用于将直流电源转换为高频交流电后接入源线圈及源线圈补偿网络，其特征在于，还包括源线圈、源线圈补偿网络、中继线圈及中继线圈补偿网络，源线圈补偿网络及中继线圈补偿网络分别用于消除源线圈及自感引起的无功功率。本发明提出的一类基于平面无线充电发射器方案采用可投入/切出的中继线圈，当接收器与源线圈中心位置对齐或偏移量较小时，中继线圈切出；反之，偏移量较大时，中继线圈投入。实验结果表明，本发明能保证发射器全充电区域的传输功率和效率，做到了充电偏移容忍性能与用户体验、经济成本等问题的兼顾。

Description

一类基于中继线圈的平面无线充电发射器
技术领域
本发明涉及一类平面无线充电发射器。
背景技术
无线充电作为一种非接触式供电技术，在便携式电子设备、可植入医疗器械、电动汽车等诸多领域取得了广泛应用。以手机为代表的中小功率设备为例，现有市场上的大多数无线充电发射器产品在与接收器中心对齐放置时，能够以较高的效率传输电能。但是，当两者之间的水平位置偏移量增大时，传输效率迅速降低，即偏移容忍性能差。
为了解决这一问题，部分企业给出了尝试性的解决方案。主要可分为以下三种：第一种是直接增大发射器中发射线圈尺寸，这种方案虽然有效地拓展了充电区域，保证接收器与发射器中心位置偏移量较大时也有可观的电能传输效率，但是会牺牲中心位置对齐时的效率。第二种是在发射器中引入电动装置，在充电区域内，发射线圈自动追踪接收器位置，始终保持中心位置对齐，这种方案能够保证任意位置下的电能传输效率，但电动装置的引入增加了成本，同时运行过程中产生的噪声影响用户体验。第三种是采用多线圈阵列，实现全充电区域交叠覆盖，根据接收器的位置激活正对的发射线圈，这种方案也能保证任意位置下的电能传输效率，但由于每个发射线圈都采用独立电路进行驱动，成本大幅增加，并且实际工作过程中发热问题较难解决。
总之，现有尝试性的方案并没有做到充电偏移容忍性能与用户体验、经济成本等问题的兼顾，因此也没有取得广泛的市场应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有的大多数中小功率无线充电发射器产品偏移容忍性能差，除此之外，已被提出的尝试性方案也无法做到充电偏移容忍性能与用户体验、经济成本等问题的兼顾。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一类基于中继线圈的平面无线充电发射器，包括逆变电路，该逆变电路用于将直流电源转换为高频交流电后接入源线圈及源线圈补偿网络，其特征在于，还包括源线圈、源线圈补偿网络、中继线圈及中继线圈补偿网络，源线圈补偿网络及中继线圈补偿网络分别用于消除源线圈及自感引起的无功功率：
当外部的接收器与源线圈的中心位置对齐或偏移量较小时，中继线圈及中继线圈补偿网络被切出，由＝源线圈＝与外部的接收器形成电能传输路径；
当外部的接收器与源线圈的中心位置的偏移量较大时，投入中继线圈及中继线圈补偿网络，由源线圈及中继线圈与外部的接收器共同形成电能传输路径。
优选地，以所述平面无线充电发射器用于承载所述接收器的面板建立坐标系，通过传感器装置采样获得接收器的中心位置在该坐标系下坐标值，并反馈回所述平面无线充电发射器中计算得出接收器的中心位置与坐标系原点之间的偏移量，将该偏移量与预先设定的阈值进行比较：若偏移量小于或等于阈值，则判断为偏移量较小；反之，则判断为偏移量较大。
优选地，通过开关控制所述中继线圈及所述中继线圈补偿网络的切出以及投入。
优选地，所述中继线圈置于所述源线圈外或者中继线圈位于所述源线圈内部。
优选地，所述中继线圈采用单个线圈，或由多个线圈组合而成。
本发明提出的一类基于平面无线充电发射器方案采用可投入/切出的中继线圈，当接收器与源线圈中心位置对齐或偏移量较小时，中继线圈切出；反之，偏移量较大时，中继线圈投入。实验结果表明，本发明能保证发射器全充电区域的传输功率和效率，做到了充电偏移容忍性能与用户体验、经济成本等问题的兼顾。
附图说明
图1是本发明所提出的基于中继线圈的平面无线充电发射器，包括逆变电路、源线圈SX及源线圈补偿网络和可投入/切出(通过开关S控制)的中继线圈ReX及中继线圈补偿网络；
图2a及图2b举例说明中继线圈的几种设计形式，包括单线圈及其多线圈分裂形式。其中，图2a是各种几何形状下中继线圈的设计形式，可以置于源线圈外或源线圈内部；图2b以圆形中继线圈放在源线圈外的线圈设计形式为例，说明单中继到多中继线圈的分裂方法。
图3是基于中继线圈的平面无线充电系统电路模型，包括半桥逆变电路、源线圈及其补偿网络、可投入/切出的中继线圈及中继线圈补偿网络、负载线圈及负载线圈补偿网络和全桥整流电路。
图4是基于单中继线圈的实验样机的测试结果，展示了接收器与发射器中心位置偏移增大时，源-中继、中继-负载、源-负载线圈之间的耦合系数ksr、krl、ksl，中继线圈投入时源线圈到负载线圈的等效耦合系数ksl,eq，取ksl和ksl,eq中较大者形成的包络线ks2l(代表中继线圈合理切出/投入)，以及全充电区域中线圈最优电能传输效率ηmax的变化情况。
图5a及图5b是基于三中继线圈与单中继线圈的实验样机的测试结果对比。类比图4，图5a可以看出，接收器沿任何轴向偏移时，三线圈样机系统都能获得更高的ks2l，这也意味着，如图5b所示，三线圈样机系统能够获得更高的最优传输效率。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本实施例公开的一类基于中继线圈的平面无线充电发射器包括逆变电路、源线圈SX及源线圈补偿网络和可投入/切出(通过开关S控制)的中继线圈ReX及中继线圈补偿网络。源线圈补偿网络及中继线圈补偿网络分别用来消除源线圈SX及中继线圈ReX自感引起的无功功率。逆变电路将直流电源转换为高频交流电，接入源线圈及源线圈补偿网络。
当外部的接收器与源线圈SX的中心位置对齐或偏移量较小时，中继线圈ReX被切出，由源线圈SX和接收器形成电能传输路径。反之，当偏移量较大时，中继线圈ReX投入，由源线圈SX、中继线圈ReX和接收器共同形成电能传输路径。
本实施例中的中继线圈ReX的设计形式(用单匝线圈简化表示)可以如图2a及图2b所示，包括多种形状的单线圈及其多线圈分裂形式。线圈的几何形状、中继线圈ReX与源线圈SX的相对位置、中继线圈ReX的分裂个数等可以具有多种形式。相比单中继线圈方案，多中继线圈方案可以实现更高的传输效率。
本发明中的接收器形式可多种多样，以下仅一具体实例来帮助本领域技术人员理解本发明，如图3所示，在本发明公开的具体实例中，本发明还进一步包括负载线圈及负载线圈补偿网络、全桥整流电路，同时用电路模型表示。
电源Vin经半桥逆变电路输出接入源线圈补偿网络(电容Csx)和源线圈(等效电感Lsx，等效串联电阻rsx)，经可投入/切出(通过开关S控制)的中继线圈(等效电感Lrx，等效串联电阻rrx)及其补偿网络(电容Crx)，到负载线圈(等效电感Llx，等效串联电阻rlx)及负载线圈补偿网络(电容Clx)，经全桥整流电路后输出Vo给负载供电。
上述各级电路主要参数满足以下条件：
Figure BDA0003035985860000041
同时，发射器到接收器的电能传输最优效率ηmax为
Figure BDA0003035985860000042
当开关S断开时，满足以下条件
Figure BDA0003035985860000043
当开关S闭合时，满足以下条件
Figure BDA0003035985860000044
上述公式中，ω为系统工作角频率；Lsx、Lrx、Llx分别为源线圈、中继线圈、负载线圈的自感值，对应地，Csx、Crx、Clx为各补偿电容值，Qsx、Qrx、Qlx为各线圈品质因数。ksr、krl、ksl为源-中继、中继-负载、源-负载线圈之间的耦合系数；a、b、c、d为简化公式的中间参数。
为了直观地说明接收器与发射器中心位置偏移量较大时，引入中继线圈对提高系统传输效率的作用，从能量传输路径简化的角度出发，定义开关S闭合时，最优效率下，源线圈到负载线圈的等效耦合系数为：
Figure BDA0003035985860000051
此时，当开关S断开和闭合时，发射器到接收器的电能传输最优效率ηmax分别为
Figure BDA0003035985860000052
ηmax,S_off为开关断开后的电能传输最优效率，ηmax,S_on为开关闭合后的电能传输最优效率。
显然，当接收器与发射器的中心位置偏移量增大时，如果开关S闭合，满足ksl,eq>ksl，则说明中继线圈的投入能获得更高的线圈电能传输最优效率。
在本实施例中，采用以下方式确定偏移量并判定其大小：
以本发明提供的发射器的面板的中心为原点、且以面板所在平面为坐标系平面建立坐标系。通常发射器的面板用于放置接收器，接收器放置在面板上后即可实现无线充电。接收器放置在面板上后，利用诸如数位板之类的传感器装置获得接收器的中心位置的坐标值，并将该坐标值转换至之前建立的坐标系。由此转换后的坐标值与坐标系原点之间的距离即为偏移量。根据经验或者试验预先设定一个阈值，将计算得到的偏移量与初始设定阈值进行比较。若偏移量小于或等于阈值，则判断为偏移量较小，无须投入中继线圈。反之，则判定为偏移量较大，须要投入中继线圈。
按照上述所提方案，针对图2所示的可投入/切出的单中继线圈和三中继线圈发射器方案，分别制作了实验样机。其参数如下表1所示：
表1.基于可投入/切出的单中继与多中继线圈发射器方案样机参数
Figure BDA0003035985860000061
基于上述参数的单中继线圈和三中继线圈实验样机的测试结果分别如图4及图5所示。可以看到，随着接收器相对发射器中心位置偏移量的增大，源线圈与负载线圈的耦合系数减小，对应的传输效率也会降低。当这种递减趋势过了临界点，满足ks2l>ksl时，投入中继线圈，可保证偏移量较大情况下的传输效率。同时，三中继线圈方案相比单中继线圈方案而言，可以获得个更高的线圈耦合系数，进而获得更高的最优传输效率。
由此可见，本发明所提的基于中继线圈的平面无线充电发射器方案能够有效地克服现有产品方案中存在的不足，保证发射器全充电区域的电能传输效率，同时，方案简洁明了，做到了充电偏移容忍性能与用户体验、经济成本等问题的兼顾。

Claims (5)

1.一类基于中继线圈的平面无线充电发射器，包括逆变电路，该逆变电路用于将直流电源转换为高频交流电后接入源线圈及源线圈补偿网络，其特征在于，还包括源线圈、源线圈补偿网络、中继线圈及中继线圈补偿网络，源线圈补偿网络及中继线圈补偿网络分别用于消除源线圈及自感引起的无功功率：
当外部的接收器与源线圈的中心位置对齐或偏移量较小时，中继线圈及中继线圈补偿网络被切出，由源线圈与外部的接收器形成电能传输路径；
当外部的接收器与源线圈的中心位置的偏移量较大时，投入中继线圈及中继线圈补偿网络，由源线圈及中继线圈与外部的接收器共同形成电能传输路径。
2.如权利要求1所述的一类基于中继线圈的平面无线充电发射器，其特征在于，以所述平面无线充电发射器用于承载所述接收器的面板建立坐标系，通过传感器装置采样获得接收器的中心位置在该坐标系下坐标值，并反馈回所述平面无线充电发射器中计算得出接收器的中心位置与坐标系原点之间的偏移量，将该偏移量与预先设定的阈值进行比较：若偏移量小于或等于阈值，则判断为偏移量较小；反之，则判断为偏移量较大。
3.如权利要求1所述的一类基于中继线圈的平面无线充电发射器，其特征在于，通过开关控制所述中继线圈及所述中继线圈补偿网络的切出以及投入。
4.如权利要求1所述的一类基于中继线圈的平面无线充电发射器，其特征在于，所述中继线圈置于所述源线圈外或者中继线圈位于所述源线圈内部。
5.如权利要求1所述的一类基于中继线圈的平面无线充电发射器，其特征在于，所述中继线圈采用单个线圈，或由多个线圈组合而成。
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