CN110112839A - 一种充电区域可调的无线充电装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种充电区域可调的无线充电装置及其方法，以阵列天线为基础，多线圈发射和单线圈接收的模型，采用并并联磁耦合谐振式工作原理，通过调节发射线圈阵列中单元的输入电压，来改变充电区域，适用于手机、无人机、电动汽车等领域的无线充电。不同于传统的单线圈模型，它的传输距离远，抗偏移能力强，传输效率高，有利于应用在无线电能传输系统中，极大提高用户体验效果。
Description
技术领域
本发明属于无线充电领域，具体涉及一种充电区域可调的无线充电装置及其方法。
背景技术
电的发现大大改变了人们的生活，可以说我们已经永远离不开它了。但自从电的使用，电线就一直伴随着我们左右，空间或桌上满布的电线，给我们带来的许多麻烦。能否使我们的周围环境变的更加整洁，在不使用电线的情况下，使我们的用电设备可以正常工作，成为我们追求的梦想。因此，无线电能传输技术(Wireless Power Transmission，WPT)正是在这样的背景下应运而生。无线电能传输技术具有十分诱人的前景。例如，它可以为人体内的植入器件进行体外充电，免除了病人通过手术更换电池的痛苦；为手机、台灯、移动机器人等用电设备进行无线充电，免除拖带电线的烦恼；为电动汽车充电进行无线充电，避免插拔电线造成火花。
目前，无线充电装置大多采用单线圈结构，一个发射线圈和一个接收线圈，对于磁感应耦合原理的无线充电装置，充电距离短，只有几十毫米，要求充电线圈必须完全对准接收线圈才能进行无线充电，用户体验较差；对于谐振式无线充电，传输距离较长，有几厘米，但是接收线圈偏移1厘米左右也不能接收到能量，可充电的区域也很小，不能真正提高用户体验。为了解决线圈错位时，充电效率明显下降的问题，目前有人提出了一些措施：采用足够大的发射线圈，耗铜量大、增加输入电压，耗能大、通过改进收发线圈的结构来提高抗偏移能力，但不能从根本上解决偏移问题。这些方法要么不经济要么不灵活，不能有效地解决收发线圈错位导致充电效率下降的问题。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种充电区域可调的无线充电装置及其方法，解决传统的单线圈无线充电方式在偏移情况下无法充电，和收发线圈错位导致传输效率下降的问题。
本发明的技术方案是：一种充电区域可调的无线充电装置,其特征在于：包括阵列式发射装置和接收装置；
所述阵列式发射装置包括多个发射装置、第一单片机、第一蓝牙和电源；所述发射装置依次由数字可调式DC-DC、逆变器和发射线圈连接组成，各数字可调式DC-DC均与所述第一单片机连接，同时所述第一单片机与所述第一蓝牙连接；所述阵列式发射装置中的发射线圈位于同一平面并构成矩形阵列结构；各数字可调式DC-DC并联后与所述电源连接；
所述接收装置中接收线圈依次和整流器、功率计、第二单片机和第二蓝牙连接；所述功率计与负载连接；
将所述接收线圈平行放置于所述发射线圈上方，进行无线充电。
本发明的进一步技术方案是：所述接收线圈和发射线圈采用相同型号。
一种充电区域可调的无线充电装置的充电方法，其特征在于：所述阵列式发射装置的总功率是P，所述发射线圈组成的矩形阵列结构分布形式为a×b，a为行数，b为列数；当所述接收线圈位于所述发射线圈上方某一位置时，充电方法步骤如下：
步骤一：首先设定所述阵列式发射装置中横向相邻两个发射线圈的中心距为dx，0＜dx＜线圈外直径D，所述发射线圈和接收线圈之间的垂直距离为dz，0＜dz＜线圈的外半径D/2；利用电磁仿真软件Ansoft MAXWELL对接收线圈的横向偏移距离offset1分别进行仿真，0＜offset1＜D+dx，得到耦合系数ki，通过公式(1)得到统计量K，依据设定的dx的不同取值，得出接收线圈的横向偏移距离offset1和K的曲线图，将曲线最为平缓的dx值作为最优值；
然后设定纵向相邻两个发射线圈的中心距为dy，0＜dy＜线圈外直径D，所述发射线圈和接收线圈之间的垂直距离为dz，0＜dz＜线圈的外半径D/2；通过上述取得的最优dx值并利用电磁仿真软件Ansoft MAXWELL对接收线圈纵向dy的不同取值分别进行横向偏移距离offset2仿真，0＜offset2＜D+dx，得到耦合系数ki，通过公式(1)得到统计量K，依据设定的dy的不同取值，得出接收线圈的横向偏移距离offset2和K的曲线图，将曲线最为平缓的dy值作为最优值；
最后，将dx和dy的最优值作为最优分布；
统计量K公式如下：
其中，ki表示第i个发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；
步骤二：依据步骤一确定发射线圈的最优分布之后，对各所述发射装置进行排布；当接收线圈水平偏移时，依次给每个发射线圈单独供电，电压为U1，其余发射线圈供电电压为0，接收端的功率计依次检测到接收线圈的电压为U2，分别计算出每个发射线圈与接收线圈的耦合系数近似为ki＝U1/U2；
步骤三：接收装置通过第二蓝牙将步骤二中求得的耦合系数ki的值发送给发射装置的第一蓝牙，对阵列式发射装置中第i个逆变器的输入电压Ui进行计算，公式如下：
其中，Pi是阵列式发射装置中第i个逆变器的输入功率，阵列式发射装置的输入总功率为Zin(ki)是第i个发射装置的输入阻抗；
通过所述第一单片机控制第i个数字可调式DC-DC电路，将第i个发射装置的输入电压调整为前面计算所得输入电压Ui；每个所述发射装置调节完成后即可进行充电；
步骤四：当发射线圈再次偏移时，接收线圈的电压降低，然后重复步骤二到步骤四。
进一步技术方案：步骤一中的所述统计量K大于0.1。
有益效果
本发明的有益效果在于：本发明一种充电区域可调的无线充电装置及其方法,采用多个发射线圈阵列和一个接收线圈的结构，当接收线圈位于阵列式发射线圈上方任意位置时，根据根据步骤二来确定第i个发射线圈与接收线圈之间的耦合系数ki，步骤三利用耦合系数ki来调节各个发射装置的输入电压，达到充电区域的可调，最终使系统处于最有效率的工作状态；当接收线圈再次偏移时，重复上述步骤，从而保证传输效率的稳定性，相应地提高整个系统的抗偏移能力。从而解决收发线圈错位导致传输效率下降的问题。采用阵列式发射线圈，相比单个线圈的充电区域大大增加了，提高了用户体验。
附图说明
图1是阵列式无线充电系统；
图2是图1中耦合结构的示意图；
图3是图1中数字可调式DC-DC的原理图；
图4是单个线圈模型；
图5是阵列式发射线圈与接收线圈模型；
图6是横向偏移距离offset和K的曲线图；
图7是不同纵向偏移距离dy＝15,20,25,30mm下的横向偏移距离offset和K的曲线图；
图8是本发明实施例中并并联谐振式无线电能传输系统电路；
图9是图8的等效电路；
附图标记说明：a.发射线圈阵列，b.接收线圈。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明一种充电区域可调的无线充电装置,包括阵列发射装置和接收装置；
所述阵列式发射装置包括多个发射装置、第一单片机、第一蓝牙和电源；所述发射装置依次由数字可调式DC-DC、逆变器和发射线圈连接组成，各数字可调式DC-DC均与所述第一单片机连接，同时所述第一单片机与所述第一蓝牙连接；所述阵列式发射装置中的发射线圈位于同一平面并构成矩形阵列结构；各数字可调式DC-DC并联后与所述电源连接；
所述接收装置中接收线圈依次和整流器、功率计、第二单片机和第二蓝牙连接；所述功率计与负载连接；
接收线圈和发射线圈型号相同，将所述接收线圈平行放置于所述发射线圈上方，调整所述接收线圈水平位置，当所述接收线圈电压值达到最大时，进行无线充电。
充电方法具体操作步骤如下：
假设所述阵列式发射线圈是2×2矩形阵列线圈组成(实际应用中可以由更多线圈组成)如图2所示，四个发射线圈分别标记为TX1 Coil、TX2 Coil、TX3 Coil、TX4 Coil，接收线圈标记为RX Coil。发射线圈和接收线圈型号都一样，线圈模型如图1所示，线圈参数如表1所示，Di是线圈内半径，Do是线圈外半径，p是线圈间隙，w是线圈宽度，h是线圈厚度。在Ansoft MAXWELL软件静磁场环境下仿真，通过1A电流进行馈电，得到线圈电感为3.66uH，接下来的实验都是采用这个线圈来仿真。
步骤一：首先为了得到最优的dx值，在电磁仿真软件Ansoft MAXWELL中建立两个发射线圈TX1和TX2与一个接收线圈RX进行仿真。设定所述发射线圈和接收线圈之间的垂直距离为dist＝10mm，横向相邻两个发射线圈的中心距为dx＝5,10,15,20,25,30,35,40mm，对dx这8种情况进行仿真，利用电磁仿真软件Ansoft MAXWELL对接收线圈的横向偏移距离offset分别进行仿真，offset从0mm增加到40mm，得到耦合系数ki，通过公式(1)得到统计量K，依据设定的dx的不同取值，得出接收线圈的横向偏移距离offset和K的曲线图，如图3所示，将曲线整体最为平缓的dx＝25mm作为最优值；
然后为了得到最优的dy值,在电磁仿真软件Ansoft MAXWELL中建立四个发射线圈TX1、TX2、TX3、TX4与一个接收线圈RX进行仿真。设定所述发射线圈和接收线圈之间的垂直距离为dist＝10mm，纵向相邻两组发射线圈(每组为横向相邻的两个发射线圈)的中心距为dy＝15,20,25,30mm。通过上述取得的最优dx＝25mm值,对接收线圈纵向中心距dy的不同取值分别进行仿真。设定接收线圈纵向偏移dy2＝0,5,10,15,20mm,利用电磁仿真软件AnsoftMAXWELL分别对横向偏移距离offset进行仿真，offset从0增加到40mm，得到耦合系数ki，通过公式(1)得到统计量K，依据设定的dy的不同取值，得出接收线圈不同纵向偏移情况下的横向偏移距离offset和K的曲线图，如图4所示，将曲线图中整体最为平缓的dy＝20mm作为最优值。将dx＝25mm和dy＝20mm作为最优值的最优分布。
表1线圈参数
步骤二：依据步骤一确定发射线圈的最优分布之后，当接收线圈水平偏移时，依次给每个发射线圈单独供电，电压为U1，其余发射线圈供电电压为0，接收端的功率计依次检测到接收线圈的电压为U2，分别计算出每个发射线圈与接收线圈的耦合系数近似为ki＝U1/U2；
步骤三：接收装置通过第二蓝牙将耦合系数ki的值发送给发射装置的第一蓝牙，利用公式(2)(3)对阵列式发射装置中第i个逆变器的输入电压Ui进行计算；
其中输入阻抗Zin的计算如下：如图8所示，电路中的发射线圈和接收线圈是完全相同的，R1＝Rr＝R，L1＝Lr＝L，C1＝Cr＝C，k是发射线圈与接收线圈之间的耦合系数，RL是接收端的负载电阻。电压源Us和电源内阻Rs组成系统的输入电源。如图9所述，并并联谐振式无线电能传输系统电路可以转换成带有反映阻抗Ze的等效电路，反映阻抗Ze的表达式：
发射装置的输入阻抗是：
通过所述第一单片机控制第i个数字可调式DC-DC电路，来将第i个发射装置的输入电压调整为前面计算所得输入电压Ui；然后调节每个数字可调式DC-DC电路，使每个所述发射装置的输入电压达到Ui，每个所述发射装置调节完成后即可进行充电；
步骤四：当发射线圈再次偏移时，接收线圈的电压降低，然后重复步骤二到步骤四。
发射线圈阵列中每个线圈都与逆变器和数字可调的DC-DC变换器连接，给可调DC-DC变换器提供12V的直流电，通过调节DC-DC变换器，可以改变逆变器的输入电压，这样发射线圈阵列产生的最大磁场的位置就会改变。通过改变四个线圈的电压值等同于给不同的发射线圈分配不同的功率，可以改变充电区域，接收线圈耦合到不同的能量，选择耦合到最大能量值对应的各发射线圈的电压值，通过蓝牙把信息发给接收装置，这样接收装置对线圈的电压进行调节，接收线圈就可以接收到最大能量。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (4)
1.一种充电区域可调的无线充电装置,其特征在于：包括阵列式发射装置和接收装置；
所述阵列式发射装置包括多个发射装置、第一单片机、第一蓝牙和电源；所述发射装置依次由数字可调式DC-DC、逆变器和发射线圈连接组成，各数字可调式DC-DC均与所述第一单片机连接，同时所述第一单片机与所述第一蓝牙连接；所述阵列式发射装置中的发射线圈位于同一平面并构成矩形阵列结构；各数字可调式DC-DC并联后与所述电源连接；
所述接收装置中接收线圈依次和整流器、功率计、第二单片机和第二蓝牙连接；所述功率计与负载连接；
将所述接收线圈平行放置于所述发射线圈上方，进行无线充电。
2.根据权利要求1所述充电区域可调的无线充电装置：所述接收线圈和发射线圈采用相同型号。
3.权利要求1或2所述充电区域可调的无线充电装置的充电方法，其特征在于：所述阵列式发射装置的总功率是P，所述发射线圈组成的矩形阵列结构分布形式为a×b，a为行数，b为列数；当所述接收线圈位于所述发射线圈上方某一位置时，充电方法步骤如下：
步骤一：首先设定所述阵列式发射装置中横向相邻两个发射线圈的中心距为dx，0＜dx＜线圈外直径D，所述发射线圈和接收线圈之间的垂直距离为dz，0＜dz＜线圈的外半径D/2；利用电磁仿真软件Ansoft MAXWELL对接收线圈的横向偏移距离offset1分别进行仿真，0＜offset1＜D+dx，得到耦合系数ki，通过公式(1)得到统计量K，依据设定的dx的不同取值，得出接收线圈的横向偏移距离offset1和K的曲线图，将曲线最为平缓的dx值作为最优值；
然后设定纵向相邻两个发射线圈的中心距为dy，0＜dy＜线圈外直径D，所述发射线圈和接收线圈之间的垂直距离为dz，0＜dz＜线圈的外半径D/2；通过上述取得的最优dx值并利用电磁仿真软件Ansoft MAXWELL对接收线圈纵向dy的不同取值分别进行横向偏移距离offset2仿真，0＜offset2＜D+dx，得到耦合系数ki，通过公式(1)得到统计量K，依据设定的dy的不同取值，得出接收线圈的横向偏移距离offset2和K的曲线图，将曲线最为平缓的dy值作为最优值；
最后，将dx和dy的最优值作为最优分布；
统计量K公式如下：
其中，ki表示第i个发射线圈与接收线圈之间的耦合系数；
步骤二：依据步骤一确定发射线圈的最优分布之后，对各所述发射装置进行排布；当接收线圈水平偏移时，依次给每个发射线圈单独供电，电压为U1，其余发射线圈供电电压为0，接收端的功率计依次检测到接收线圈的电压为U2，分别计算出每个发射线圈与接收线圈的耦合系数近似为ki＝U1/U2；
步骤三：接收装置通过第二蓝牙将步骤二中求得的耦合系数ki的值发送给发射装置的第一蓝牙，对阵列式发射装置中第i个逆变器的输入电压Ui进行计算，公式如下：
其中，Pi是阵列式发射装置中第i个逆变器的输入功率，阵列式发射装置的输入总功率为Zin(ki)是第i个发射装置的输入阻抗；
通过所述第一单片机控制第i个数字可调式DC-DC电路，将第i个发射装置的输入电压调整为前面计算所得输入电压Ui；每个所述发射装置调节完成后即可进行充电；
步骤四：当发射线圈再次偏移时，接收线圈的电压降低，然后重复步骤二到步骤四。
4.根据权利要求3所述充电方法，其特征在于：步骤一中的所述统计量K大于0.1。
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