CN114899921A - 一种具有扩展性的无线充电平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有扩展性的新型无线充电平台，包括原边整流模块、PFC模块、原边DC/DC模块、高频逆变模块、无功补偿网络、扩展性耦合线圈、位置检测模块、通信模块、副边接收电路和负载；所述扩展性耦合线圈原边发射端由发射单元构成，所述发射单元采用多线圈可拼接式结构，副边采用双线圈结构；原边发射端线圈由一个分散混合绕制的平面线圈和两个空间与其正交的螺线管线圈构成，在充电平台的正上方产生一定范围的均匀磁场。本发明在负载在充电过程中由于外界因素导致位置发生偏移时，发射端将实时检测负载位置并切换供电区域，实现充电区域追踪负载，保证系统供电的稳定性，提高系统的抗偏移能力。

Description

一种具有扩展性的无线充电平台
技术领域
本发明涉及无线充电领域，特别涉及一种具有扩展性的无线充电平台。
背景技术
随着物联网时代的到来，新型智能电子设备广泛应用于日常生活中，用户对充电设备的便捷性要求也随之提高，无线充电这种相对新型的供电方式越来越受到关注，与传统有线充电方式相比，无线充电技术由于不受线缆束缚、不存在电火花等优点，如今已成为能量传输领域的研究热点。
目前的无线充电技术大多采用一对一的供电情形，即一个发射源对应一个接收负载，若每一个电气设备都配备一个无线充电平台，当设备数量过多时必然会出现资源浪费的现象，且传统无线充电平台只有在原副边正对时才能有效传输能量，当系统发生偏移时，传输效率急剧下降。
发明内容
基于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有扩展性的无线充电平台，可根据负载及应用场合需求，对无线充电系统发射端进行扩展，充电平台实施划区域控制，实时检测负载所在区域，对充电区域进行切换，可实现多区域多负载同时供电。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有扩展性的新型无线充电平台，包括原边整流模块、PFC模块、原边DC/DC模块、高频逆变模块、无功补偿网络、扩展性耦合线圈、位置检测模块、通信模块、副边接收电路和负载；
所述扩展性耦合线圈原边发射端由发射单元构成，所述发射单元采用多线圈可拼接式结构，副边采用双线圈结构，原边发射端线圈数量能根据负载需求进行调整；原边发射端线圈由一个分散混合绕制的平面线圈和两个空间与其正交的螺线管线圈构成，在充电平台的正上方产生范围性的均匀磁场；
根据应用需求，对充电平台能进行扩展或拆卸，系统实时检测负载位置变化，根据负载位置切换充电平台的供电区域。
优选的，所述发射单元中分散混合绕制的平面线圈形状能根据实际应用场合而改变。
优选的，通过发射单元拼接的方式进行充电平台的扩展，将发射单元相关电路进行集中模块化制作，线圈及相关电路利用非金属外壳封装，将整个发射单元相关电路及发射线圈制成一个独立的发射模组，需要使用时通过接口相互连接，不需要时自主拆卸即可。
优选的，发射平台中发射单元的数量根据实际需求及装置面积而定。
优选的，扩展性耦合线圈副边接收端的一个接收线圈组采用平面线圈和空间螺线管线圈相互嵌套的两线圈形式，且副边负载数量不局限于单个，能根据实际需求进行多负载同时供能。
优选的，所述位置检测模块包括原边电流传感器以及线圈切换控制器，原边电流传感器检测原边支路输入电流以确定副边线圈所处区域，将检测信号传送给DSP进行处理，DSP进行判断运算对线圈切换控制器动作，选择开启线圈区域对负载进行供能。
优选的，副边接收电路中接收线圈的结构为一个接收线圈组由一个平面接收线圈与嵌套在其中部的接收线圈组成。
优选的，扩展性耦合线圈原边发射端根据实时检测负载位置的变化，实施供电区域的切换，实现可控的区域化无线供电，达到充电区域追踪负载供电。
优选的，磁芯的数量及形状根据所述扩展性耦合线圈原边发射端与接收端的实际应用场合及工作频率选择添加。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明将扩展性耦合线圈中的原边发射线圈单元及相关电路进行模块化制作，每个模块均留有通用的接口，用户可随意按照使用需求自由进行拆装，使用更加灵活便捷。
2.本发明在负载在充电过程中由于外界因素导致位置发生偏移时，发射端将实时检测负载位置并切换供电区域，实现充电区域追踪负载，保证系统供电的稳定性，提高系统的抗偏移能力。
3.本发明通过发射端供电区域的切换，负载在充电平台的任意位置均可进行稳定的能量供应。当系统处于多负载模式下，同理进行原边发射支路的电流检测，判断多个负载所处区域，通过线圈切换器进行对应的区域供能，若负载数量过多，导致发射端充电区域面积不够使用时，通过预留接口将所需的发射单元模块接入原边电路，充电区域便可实现扩展；若不需要时，由于各发射支路相互独立，可随时移除，使用过程中用户更加自主便捷，充电平台的利用率以及系统传输效率都将有所提高。
4.本发明采用多发射端并联发射的形式，当单个发射单元的一个发射支路发生故障后，并不会影响本发射模块其他两发射支路，该发射模块仍可正常工作，发射模块间同理，独立的单元控制提高了系统的冗余度及容错性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例的单发射单元对应单负载系统原理框图；
图2为本发明一实施例的原边扩展单元线圈结构图；
图3为本发明一实施例的副边接收线圈结构图；
图4为本发明一实施例的原边经过一次扩展后的线圈结构图；
图5为本发明一实施例的多发射单元对应多负载工况原理示意图；
图6为本发明一实施例的原边5个发射单元拼接线圈结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图6，本发明提供一种技术方案：
一种具有扩展性的新型无线充电平台，包括：发射平台，发射平台中发射单元的数量可为1个、2个、3个等，具体数量根据实际需求及装置面积而定。
还包括：
原边整流模块①：将工频交流电通过整流二极管转换成单向脉动性的直流电；
PFC(功率因数校正)模块①：作用于输入电流，对电流波形进行控制，使其同步输入电压波形，减小由于输入电流与电压之间存在的相位差而造成的交换功率损失，提高电力的利用率；
原边DC/DC模块②：将经过整流滤波后的高压直流电转换成无线充电系统正常工作所需的直流电；
高频逆变模块③：将经过前级DC/DC变换后的直流电转换成高频交流信号，在发射线圈上方产生高频交变磁场，利用电磁感应定律进行能量传输；
无功补偿网络④：利用电感及电容组合形成的无功补偿网络对松耦合变压器存在的漏感进行无功补偿且与发射线圈及接收线圈形成谐振，保证能量有效传输；
扩展性耦合线圈⑤：本发明提出的扩展性耦合线圈中原边发射端采用多线圈可拼接式结构，副边采用双线圈结构，原边发射端线圈数量根据负载需求进行调整；原边发射端线圈由一个分散混合绕制的平面线圈和两个空间与其正交的螺线管线圈构成，在充电平台的正上方产生一定范围的均匀磁场；副边接收电路中接收线圈的结构为一个接收线圈组由一个平面接收线圈与嵌套在其中部的接收线圈组成，扩展性耦合线圈副边接收端的一个接收线圈组采用平面线圈和空间螺线管线圈相互嵌套的两线圈形式，且副边负载数量不局限于单个，可根据实际需求进行多负载同时供能，扩展性耦合线圈原边发射端与接收端根据实际应用场合及工作频率选择添加一定数量及形状的磁芯。
位置检测模块⑥：该模块包括原边电流传感器以及线圈切换控制器，原边电流传感器检测原边支路输入电流以确定副边线圈所处区域，将检测信号传送给DSP进行处理，DSP进行判断运算对线圈切换控制器动作，选择开启合适的线圈区域对负载进行供能；
通信模块⑦：通信方式采用双向通信，负载侧可由通信模块将负载电压及电流信息发送到原边DSP进行处理，原边可将发射平台工作状态发送至负载端供用户查看；
副边接收电路及负载⑧；
②～⑦部分构成发射端的主要电路，共同组成一个发射单元，发射平台中发射单元的数量根据实际需求及装置面积而定，其中扩展性耦合线圈⑤为发射平台的核心部件，一组扩展性耦合线圈由三个发射子线圈组成，扩展性耦合线圈的结构如图2所示，TX1为混合反向绕制的平面线圈，TX1-1及TX1-2为空间螺线管线圈，线圈1由外向内共分为三层，分别记为L1、L2、L3，其中导线匝数随着层数的递增而减小，相邻层数间导线上的电流方向相反，利用磁场空间互补原理在充电平台上方产生一定范围的均匀磁场，TX1-1及TX1-2为辅助线圈，主要有两大作用：
(1)当副边线圈偏移范围超过均匀磁场范围后，进行磁场弥补；
(2)两个发射单元拼接时作为中部“稳定桥梁”，辅助线圈采用对半卡扣连接的形式，可将两个平面线圈通过其进行固定，实现充电平台的扩展，同理进行拆卸时，只需将辅助线圈卡扣打开，即可将多余的发射单元移除。
图4为本发明无线充电系统发射平台经过一次扩展后的线圈结构示意图，发射线圈TX1及TX2为发射主线圈，发射线圈TX1-1、TX1-2、TX2-1、TX2-1为辅助线圈，当系统处于单负载模式，且负载沿x方向发生持续性偏移时，发射平台工作状况如下：
(1)当系统启动后，发射端持续检测每条支路的输入电流，由于本系统为恒压输入，恒压输出型，输入电流反映系统传输效率及负载所处位置，设定辅助线圈和发射主线圈工作于最低传输效率时的输入电流分别为I1、I2。当负载在充电平台最左侧时，检测到TX1-1支路的电流达到I1，TX1支路的电流未达到I2时，切换器控制TX1-1为副边接收端供能，其余线圈关闭；
(2)若负载继续发生偏移，TX1支路电流达到I2时，TX1-1支路电流低于阈值I1，由主线圈TX1为负载提供能量；
(3)直到负载偏移至TX1支路电流低于I2，TX2-1支路电流达到I1时，发射端切换至TX2-1工作；
(4)TX2-1切换至TX2的过程同理通过原边发射端支路电流检测进行区域切换，若原边发射端各支路电流均未到达上述的电流阈值，即系统在充电区域内未检测到负载，系统发射端不工作，在其他方向发生偏移时，系统工作过程同上述。
根据应用需求，对充电平台可进行扩展或拆卸，系统实时检测负载位置变化，根据负载位置切换充电平台的供电区域。通过上述原边发射端供电区域的切换，负载在充电平台的任意位置均可进行稳定的能量供应。当系统处于多负载模式下，同理进行原边发射端支路的电流检测，判断多个负载所处区域，通过线圈切换器进行对应的区域供能，若负载数量过多，导致原边发射端充电区域面积不够使用时，通过预留接口将所需的发射单元模块接入原边电路，充电区域便可实现扩展；若不需要时，由于各发射支路相互独立，可随时移除，使用过程中用户更加自主便捷，充电平台的利用率以及系统传输效率都将有所提高。
副边接收电路⑧中接收线圈的结构如图3所示，一个接收线圈组由一个平面接收线圈RX1与嵌套在其中部的接收线圈RX1-1组成，副边线圈工作状态分为以下两种：
(1)接收线圈位于原边均匀磁场范围内：该状态下原副边线圈仅有TX1和RX1工作，在均匀磁场范围内，RX1在任意位置均可接收到相同的能量，负载电压及传输效率维持恒定；
(2)接收线圈超过均匀磁场范围：该状态下，TX1停止向副边接收端发射能量，根据负载所在位置TX1-1或TX1-2转为发射状态，由于TX1-1及TX1-2与RX1空间正交，RX1不接收能量，RX1-1与原边辅助线圈构成能量传输传输通道，保持系统在较大偏移情况下仍可正常工作。
需要说明的是，本申请中的线圈形状不限定于图2及图3中的方形，可根据实际需求改为圆形、正六边形等其他形状。
为了实现上述线圈工作状态的切换，本系统含有位置检测模块⑥，工作原理如下：
该系统为了提高副边电路集成化程度，选用LCC-S拓扑进行无功补偿，根据LCC-S补偿网络的输出特性：
Figure BDA0003690469820000061
其中Uo为负载两端电压、M为原副边线圈互感值、Uin为原边输入直流电压、Lf为原边补偿电感，得到系统输出电压可由原边输入电压及补偿网络参数调控，因此接收端不需要添加额外的电压转换电路即可实现恒压输出。根据补偿网络的输入电流公式：
Figure BDA0003690469820000062
其中Iin为补偿网络输入电流、Lp为发射线圈自感值、RL为负载值，得到系统输入电流与互感值相关，互感值与副边线圈所在位置有关，因此当系统开始运行后，原边电流检测单元以一定频率持续检测每路子线圈的输入电流，假定副边线圈位于均匀磁场范围内时，Iin＝3A；超出均匀磁场范围后，TX1-1或TX1-2开始工作，假定该状态下输入电流为：2A<Iin<3A；若副边不处于系统供电范围时，Iin<2A。通过检测各子电路输入电流值以及符合电流阈值的支路数目，即可判断负载所在区域以及系统是否处于多载模式，并将其转换成对应的控制信号进行发射线圈的选择，即可实现发射区域可控化。
当系统中的接收线圈由于外界因素的影响发生偏移时，原边发射平台检测副边线圈所在位置，通过上述的区域化控制实现充电区域追踪供电，在副边接收线圈偏移过程中，原边充电区域的切换过程不可避免地会出现负载电压波动的情况，为了使输出电压维持恒定，反馈回路采用基准电压稳定法，通过改变原边直流变换器的控制信号，使输入直流电压变化以达到负载电压维持恒定的效果。
若系统处于多负载运行工况，且负载数量过多导致充电平台面积不够使用时，可通过发射单元拼接的方式进行充电平台的扩展。将发射单元相关电路进行集中模块化制作，线圈及相关电路利用非金属外壳封装，将整个发射单元相关电路及发射线圈制成一个独立的发射模组，其中②～⑦部分作为发射单元，为了使各其实现相互拼接，发射线圈及相关电路进行模块化制作，所述模块化电路组件由多个独立的三维打印电路模块组装而成，利用3D打印技术制作线圈的固定底板，在底板正反面均设有导线凹槽，发射线圈按照正面凹槽进行铺设，电路模块上装有通用接口，电路模块间通过通用接口进行连接；所述电路模块的顶面设有四个正方排布的定位槽，线圈固定底板的左上部设有与之对应的定位销，两者可相互卡合，将电路模块固定在固定底板的背面；在发射线圈绕线的初始位置与终止位置设有与固定底板反面导线凹槽相连通的贯穿孔，发射线圈通过贯穿孔，铺设在反面的导线凹槽中连接至电路模块，最后利用非金属外壳将固定底板及电路模块进行包装，将整个发射单元制成一个独立的发射模组，在外壳的四个侧面均设有磁吸式电气接口，需要使用时通过接口相互连接，不需要时自主拆卸即可。多发射单元对应多负载的原理示意图如图5所示，各发射模组及发射支路间相互并联，当单个发射单元的一个发射支路发生故障后，并不会影响本发射模块其他两发射支路，该发射模块仍可正常工作，发射模块间同理，独立的单元控制提高了系统的冗余度及容错性。图6以5个发射单元组成的发射平台为例呈现多发射单元情况下线圈的排布方式，为克服发射线圈间的交叉耦合，两两发射单元间，平面线圈重叠一定面积放置，且由于平面线圈与缠绕的螺线管线圈的能量传输通道空间正交，两者磁力线不存在交链，即各发射线圈间不存在交叉耦合。需要说明，本申请并不限定于所示的线圈数量，具体数量根据实际需求进行增减。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种具有扩展性的新型无线充电平台，其特征在于，包括原边整流模块、PFC模块、原边DC/DC模块、高频逆变模块、无功补偿网络、扩展性耦合线圈、位置检测模块、通信模块、副边接收电路和负载；
所述扩展性耦合线圈原边发射端由发射单元构成，所述发射单元采用多线圈可拼接式结构，副边采用双线圈结构，原边发射端线圈数量能根据负载需求进行调整；原边发射端线圈由一个分散混合绕制的平面线圈和两个空间与其正交的螺线管线圈构成，在充电平台的正上方产生范围性的均匀磁场；
根据应用需求，对充电平台能进行扩展或拆卸，系统实时检测负载位置变化，根据负载位置切换充电平台的供电区域。
2.根据权利要求1所述的一种具有扩展性的新型无线充电平台，其特征在于，所述发射单元中分散混合绕制的平面线圈形状能根据实际应用场合而改变。
3.根据权利要求1所述的一种具有扩展性的新型无线充电平台，其特征在于，通过发射单元拼接的方式进行充电平台的扩展，将发射单元相关电路进行集中模块化制作，线圈及相关电路利用非金属外壳封装，将整个发射单元相关电路及发射线圈制成一个独立的发射模组，需要使用时通过接口相互连接，不需要时自主拆卸即可。
4.根据权利要求1所述的一种具有扩展性的新型无线充电平台，其特征在于，发射平台中发射单元的数量根据实际需求及装置面积而定。
5.根据权利要求1所述的一种具有扩展性的新型无线充电平台，其特征在于，扩展性耦合线圈副边接收端的一个接收线圈组采用平面线圈和空间螺线管线圈相互嵌套的两线圈形式，且副边负载数量不局限于单个，能根据实际需求进行多负载同时供能。
6.根据权利要求1所述的一种具有扩展性的新型无线充电平台，其特征在于，所述位置检测模块包括原边电流传感器以及线圈切换控制器，原边电流传感器检测原边支路输入电流以确定副边线圈所处区域，将检测信号传送给DSP进行处理，DSP进行判断运算对线圈切换控制器动作，选择开启线圈区域对负载进行供能。
7.根据权利要求1所述的一种具有扩展性的新型无线充电平台，其特征在于，副边接收电路中接收线圈的结构为一个接收线圈组由一个平面接收线圈与嵌套在其中部的接收线圈组成。
8.根据权利要求1所述的一种具有扩展性的新型无线充电平台，其特征在于，扩展性耦合线圈原边发射端根据实时检测负载位置的变化，实施供电区域的切换，实现可控的区域化无线供电，达到充电区域追踪负载供电。
9.根据权利要求1所述的一种具有扩展性的新型无线充电平台，其特征在于，磁芯的数量及形状根据所述扩展性耦合线圈原边发射端与接收端的实际应用场合及工作频率选择添加。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117614154A (zh) * 2023-12-11 2024-02-27 浙江智行微电子有限公司 一种新型车载无线充系统

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