CN221263464U - 一种基于多抽头分束型线圈的无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，涉及无线充电技术领域，包括发射端和接收端，所述的发射端包括抽头分束型线圈，线圈由四个线圈束组成，该线圈外接有多个抽头，其中与线圈中心位置连接的抽头in为输入端，其他四个抽头out为输出端基于磁耦合谐振式无线电能传输，本发明提出一种抽头分束型线圈结构.分束型线圈可改善充电区域平面中的磁场均匀度，减少对位时的偏移对传输效率的影响。抽头分束型线圈在分束线圈的基础上在每一个线圈束上加入抽头。在保证稳定的传输效率的前提下，通过不同的抽头改变发射线圈的匝数，适配相应的谐振拓扑单元从而改变系统的传输功率，实现不同充电功率下智能机器人的无线充电。
Description
技术领域
本实用新型具体涉及无线充电技术领域，具体是一种基于多抽头分束型线圈的无线充电系统。
背景技术
磁耦合谐振式无线电能传输技术主要通过一次侧线圈和二次侧线圈之间的谐振耦合来实现能量的高效传输。其主要物理原理是基于在固有频率相同时，一次侧线圈和二次侧线圈会形成强耦合谐振磁场，且此强耦合磁场不会受到非辐射电磁场范围内非谐振物体的影响，从而为能量提供一个高效和远距离的传输通道。能量在两个谐振电路之间以磁场能的形式传递，一个谐振电路在发射端，另一个谐振电路在接收端，每个谐振电路由连接电容的线圈或者自谐振线圈或者含有内部电容的其它谐振器组成。
机器人无线充电技术面临的一个严峻挑战就是接收线圈和发射线圈之间的精确定位问题，两线圈中心点不重合会对系统的传输效率产生明显的影响。线圈对位的偏移会使线圈间耦合程度降低，进而对线圈间耦合系数和系统传输效率产生较大影响；对位有偏移时，系统的工作频率也会发生一定的变化，不利于系统工作的稳定性。
根据机器人种类和体型的不同，机器人配备的无线充电模块输出功率也截然不同。目前市面上的机器人无线充电模块种类繁多，其充电功率低至几十W，高至几千W。不同的无线充电接收模块需要配备不同的无线发射模块造成资源的浪费。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，基于磁耦合谐振式无线电能传输，本发明提出一种抽头分束型线圈结构.分束型线圈可改善充电区域平面中的磁场均匀度，减少对位时的偏移对传输效率的影响。抽头分束型线圈在分束线圈的基础上在每一个线圈束上加入抽头。在保证稳定的传输效率的前提下，通过不同的抽头改变发射线圈的匝数，适配相应的谐振拓扑单元从而改变系统的传输功率，实现不同充电功率下智能机器人的无线充电。以解决上述背景技术中所提出的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，包括发射端和接收端，所述的发射端与接收端无线感应连接；
所述的发射端包括抽头分束型线圈，线圈由四个线圈束组成，该线圈外接有多个抽头，其中与线圈中心位置连接的抽头in为输入端，其他四个抽头out为输出端。
作为本实用新型的进一步技术方案，四个线圈束分别为线圈束Lp1、线圈束Lp2、线圈束Lp3和线圈束Lp4。
作为本实用新型的进一步技术方案，线圈束Lp1、线圈束Lp2、线圈束Lp3和线圈束Lp4所对应的四个输出型抽头上分别串接有电容Cp1、电容Cp2、电容Cp3和电容Cp4以及开关F1、开关F2、开关F3和开关F4。
作为本实用新型的进一步技术方案，四个线圈束的输出端抽头与输入端抽头均与可控高频电压源电性连接。
作为本实用新型的进一步技术方案，所述的接收端包括一个接收线圈LS，该接收线圈LS串联电容CS之后与整流电路连接，其中整流电路还并联电容C6；与电容C6并联的还有DC变压器，该DC变压器外接有电阻RL。
作为本实用新型的进一步技术方案，所述的DC变压器包括三极管Q1以及与三极管Q1并联的二极管D6。
作为本实用新型的进一步技术方案，所述的二极管D6与电阻RL之间还连接有变换器输出滤波电感。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型，基于磁耦合谐振式无线电能传输，本发明提出一种抽头分束型线圈结构.分束型线圈可改善充电区域平面中的磁场均匀度，减少对位时的偏移对传输效率的影响。抽头分束型线圈在分束线圈的基础上在每一个线圈束上加入抽头。在保证稳定的传输效率的前提下，通过不同的抽头改变发射线圈的匝数，适配相应的谐振拓扑单元从而改变系统的传输功率，实现不同充电功率下智能机器人的无线充电。
2.本实用新型，通过抽头的原理改变线圈的品质因数进而改变其发射功率，适配不同功率的机器人充电模块；线圈分束改善线圈的磁场均匀度，提高线圈的抗偏移能力，使机器人发射模块在对位不准的情况下依然保持较高的充电效率。
3.本实用新型，抗偏移能力强，适配多种充电功率的充电模块进行充电。
附图说明
图1是本实用新型的无线充电系统电路图。
图2是本实用新型中抽头分束型线圈平面图。
图3是本实用新型中抽头分束型线圈立体图。
图4是机器人的充电流程图。
图中：1-发射端，2-接收端。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-4，本实用新型实施例中，一种基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，包括发射端1和接收端2，所述的发射端1与接收端2无线感应连接；
所述的发射端1包括抽头分束型线圈，线圈由四个线圈束组成，该线圈外接有多个抽头，其中与线圈中心位置连接的抽头in为输入端，其他四个抽头out为输出端。
具体一点的，四个线圈束分别为线圈束Lp1、线圈束Lp2、线圈束Lp3和线圈束Lp4。线圈束Lp1、线圈束Lp2、线圈束Lp3和线圈束Lp4所对应的四个输出型抽头上分别串接有电容Cp1、电容Cp2、电容Cp3和电容Cp4以及开关F1、开关F2、开关F3和开关F4。
作为本实施例的进一步说明，图2是抽头分束型线圈的平面示意图，该线圈由四个线圈束组成，每个线圈束匝数、匝间距和束间距根据具体情况计算(例如需要满足传输效率、功率密度、磁场分布等)得到；线圈束可以是若干束，线圈形状可以是其他形状(例如方形线圈)，根据设计需要进行调整；图2中in为输入端，其他四个out为输出端，即四个抽头，线圈束之间相互连接，通过选取不同抽头调整线圈束和匝数。
图3是抽头分束线圈的立体图，为一个三抽头分束型线圈。
抽头线圈是指带有抽头的线圈，抽头是指线圈中接出的一个或若干个接头。抽头设置的位置是根据电路设计的特性和线圈的电气特性经过计算得出来的，根据实际需要的不同而设置。抽头线包括有公共端，该公共端可以设置在抽头线圈的任意位置。在实施例中，固定抽头线圈的公共端，改变抽头线圈中的抽头的位置，进而改变抽头线圈的公共端与连接抽头之间的线圈匝数，从而改变所连接抽头线圈的电感值。
图1是基于抽头分束型线圈的无线充电系统电路示意图。该电路基于S-S谐振拓扑结构。电路中的电压源为可控高频电压源，可以调整电源的输出频率。
图中系统参数LS、Lpi分别表示接收端、接通第i个抽头发射端的自感，CS、Cpi分别表示接收端、第i个发射端补偿电容,C6表示接收端直流母线电容，LB表示接收端Buck变换器输出滤波电感。该系统发射端使用电力电子变换器进行高频逆变，通过S-S补偿网络进行无功补偿和带通滤波，在耦合线圈中形成稳定的谐振电流，实现能量的磁耦合谐振式无线传输。各接收端对线圈电流进行二极管整流后，为直流母线电容C6提供稳定电压。RL为电压源型负载的内阻，即负载电阻。
LS为接收端的线圈自感,Lpi为接通第i个抽头发射端的电感。开关F1关闭时，电感值为Lp1；F2关闭时，电感值为Lp2，以此类推；注意的是，开关只允许一个开关关闭。开关Fi为电子开关管，开关管的导通和截止通过微控制器控制。
基于S-S拓扑结构的WPT系统的传输效率和传输功率主要与系统频率、负载阻值和互感值决定，充电过程中负载阻值一般保持不变，而互感值又由线圈的参数有关(匝数、半径、线圈间的距离(线圈距离一般固定))。系统要想达到最佳的传输功率和传输效率，可以调整这些参数，这些参数值可通过最优化算法提前计算出。所以本系统设计了可变匝数的线圈结构并且加入了可控高频电压源，可调整线圈匝数、半径和系统频率。这意味着一个开关的接通适配一种无线充电接收模块的充电。通过提前计算并设计系统的线圈匝数、半径、系统频率和谐振电容的电容值等参数来达到所适配无线充电接收模块的所需功率和最优传输效率。
图4是机器人的充电流程图，当机器人电量低于预设值时自动导航到充电位置进行充电，充电位置自动识别机器人的类型(可以使用摄像头目标检测等方法)；系统得到机器人类型后通过微控制器控制电子开关的开断分配相应功率的发射线圈和发射端电路并调整可控高频电压源的输出系统频率，充电结束后系统回归原来的状态。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (7)
1.一种基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，其特征在于：包括发射端(1)和接收端(2)，所述的发射端(1)与接收端(2)无线感应连接；
所述的发射端(1)包括抽头分束型线圈，线圈由四个线圈束组成，该线圈外接有多个抽头，其中与线圈中心位置连接的抽头in为输入端，其他四个抽头out为输出端。
2.根据权利要求1所述的基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，其特征在于：四个线圈束分别为线圈束Lp1、线圈束Lp2、线圈束Lp3和线圈束Lp4。
3.根据权利要求2所述的基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，其特征在于：线圈束Lp1、线圈束Lp2、线圈束Lp3和线圈束Lp4所对应的四个输出型抽头上分别串接有电容Cp1、电容Cp2、电容Cp3和电容Cp4以及开关F1、开关F2、开关F3和开关F4。
4.根据权利要求1所述的基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，其特征在于：四个线圈束的输出端抽头与输入端抽头均与可控高频电压源电性连接。
5.根据权利要求1所述的基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，其特征在于：所述的接收端(2)包括一个接收线圈LS，该接收线圈LS串联电容CS之后与整流电路连接，其中整流电路还并联电容C6；与电容C6并联的还有DC变压器，该DC变压器外接有电阻RL。
6.根据权利要求5所述的基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，其特征在于：所述的DC变压器包括三极管Q1以及与三极管Q1并联的二极管D6。
7.根据权利要求6所述的基于多抽头分束型线圈的无线充电系统，其特征在于：所述的二极管D6与电阻RL之间还连接有变换器输出滤波电感。
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