实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列

1.本发明属于无线充电技术领域，尤其涉及一种实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列。


背景技术：

2.随着科技的发展，各种各样的消费类电子产品进入了人类的生活。受限于电池的容量，消费类电子产品需要经常充电。目前依赖于金属导线的充电，存在充电线多和乱等问题，同时频繁的插拔也容易产生火花甚至有触电的危险。传统的有线充电存在便利性、安全性和适用性等问题。
3.为了解决这些问题，无线电能传输技术受到了越来越多的关注。无线充电相比于有线充电，无需利用金属的点对点进行电能传输，提高了充电系统的便利性、安全性和适用性。目前研究和应用得最为广泛的无线电能传输技术是磁耦合无线电能传输技术，在电动汽车和手机等消费类电子产品上已有应用的范例。在消费类电子产品基于磁耦合的无线充电技术中，qi标准已经被广泛采用。在qi标准中，接收线圈需要紧贴着发射线圈，这就意味着被充电设备需要放置在充电器中，无法实现手机等消费类电子产品便利的边玩边充电。同时充电位置也相对固定，用户体验不佳。为了提高用户体验，需要扩大充电区域，实现自由位置无线充电。在当前的自由位置无线充电方案中，需要用许多发射线圈铺满整个平面，同时需要用开关阵列进行发射线圈的切换。这带来了成本上升的问题。
4.同时，在当前面向手机的自由位置无线充电系统中，主要是在二维平面上实现了自由位置无线充电，即被充电装置必须放置在充电盘上。用户不能在使用的过程中进行充电，用户体验同样不佳。在办公桌等应用场景中，手机的“边玩边充”意味着安装在手机上的接收线圈要与水平面呈一定的倾斜角度。而目前对实现一定倾斜角度下的自由位置无线充电，仍需进一步的研究探索。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为了填补现有技术的空白，本发明的目的在于提供一种实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列，考虑到现有技术受限于较为固定的充电区域，消费类电子产品的无线充电的用户体验较差的问题。基于倾斜长轨发射线圈阵列，提出了一种高自由度无线充电系统，实现水平放置和倾斜角度放置下的自由位置无线充电。采用长轨型发射线圈，可以实现长轨方向的自由位置无线充电。采用长轨发射线圈阵列并在边缘位置同时驱动两个相邻的发射线圈，可以实现在垂直于长轨方向上的自由位置无线充电。同时利用倾斜角度，提高接收线圈在倾斜状态下与发射线圈的耦合。并采用lcc-s拓扑以提高对弱耦合情况下的兼容性。本发明所提的系统可以在使用较少的发射线圈和不使用选通开关的情况下，实现水平位置和倾斜角度的自由位置无线充电。并通过实验结果验证了该方案的有效性。
6.基于以上研究和设计，本发明具体采用以下技术方案：
7.一种实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列，其特征在于：包括多个发射线圈和长导轨；每一所述发射线圈与长导轨构成可相对滑动和转动的连接；每一所述发射线圈与长导轨之间构成的角度相同。
8.进一步地，通过调整发射线圈的倾斜角θ和发射线圈之间的距离d，使相邻发射线圈实现解耦。
9.进一步地，通过相邻发射线圈之间的耦合系数随其距离的变化关系曲线，确定合适的发射线圈之间的距离d，使相邻发射线圈之间的耦合系数最小。
10.进一步地，在确定发射线圈的倾斜角θ的情况下，通过调整合适的发射线圈之间的距离，使发射线圈与接收线圈在长轨方向上，可以保持自由位置无线充电。
11.进一步地，所述发射线圈为倾斜设置；所述接收线圈与发射线圈平行设置，或水平设置。
12.与现有技术相比，本发明及其优选方案主要有以下优势：
13.(1)提高了与空间倾斜角度的接收线圈的耦合。
14.(2)实现发射线圈之间的解耦和独立控制。
15.(3)无需额外的选通开关对发射线圈进行选择。
16.(4)容易安装。
17.其所提出的实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列，根据接收线圈的尺寸和倾斜角度，设计发射线圈的尺寸和倾斜角度，从而提高发射线圈与接收线圈的耦合系数。
18.从发射线圈阵列中，选择与接收线圈耦合最大的发射线圈或者相邻的两个发射线圈进行供电，从而提高功率传输能力和效率。
附图说明
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
20.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
21.图1为本发明实施例倾斜长轨发射线圈阵列示意图；
22.图2为本发明实施例相邻发射线圈的耦合系数随其距离的变化关系示意图；
23.图3为本发明实施例接收线圈平放于发射线圈上方示意图；
24.图4为本发明实施例水平放置时发射与接收线圈的耦合系数随其距离的变化关系示意图；
25.图5为本发明实施例接收线圈倾斜30
°
放于发射线圈上方示意图；
26.图6为本发明实施例倾斜放置时发射与接收线圈的耦合系数随其距离的变化关系示意图；
27.图7为本发明实施例发射与接收的等效总耦合示意图；
28.图8为本发明实施例高自由度无线充电系统拓扑示意图；
29.图9为本发明实施例只有一个线圈供电时的等效电路示意图；
30.图10为本发明实施例两个相邻线圈同时供电时的等效电路示意图；
31.图11为本发明实施例实验装置照片；
32.图12为本发明实施例实验结果示意图；
33.图13为本发明实施例实验波形示意图；
34.图14为本发明实施例实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列示意图；
35.图15为现有的实现自由位置无线充电的发射线圈阵列示意图；
36.图16为本发明实施例实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列的横截面示意图；
37.图17为本发明实施例实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列为在平面上的接收线圈进行无线充电示意图；
38.图18为本发明实施例倾斜放置的实验装置图。
具体实施方式
39.为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
40.下面将结合本发明实施例中附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处的附图中的描述和示出的组件可以以不同配置来组合设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的选定实施例的详细描述并非为了限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
42.本实施例所提出的实现空间特定角度充电的自由位置无线充电系统的基本设计如图14所示。以多个发射线圈呈一定的倾斜角度放置。当用户使用手机等消费类电子产品时，安装在手机上的接收线圈通常会跟水平面呈一定的倾斜角度。因此，把发射线圈阵列设计为相近的倾斜角度，可以增强发射线圈跟接收线圈之间的耦合。
43.而现有传统的自由位置无线充电系统如图15所示。发射线圈水平地放置于充电平面上。此时由于发射线圈与接收线圈存在一定的角度偏移，减小了发射线圈与接收线圈之间的耦合。
44.本实施例所提出的立体线圈结构，其横截面如图16所示。可以通过调整发射线圈的倾斜角θ和发射线圈之间的距离d，使得相邻发射线圈实现解耦。从而对每个发射线圈进行独立控制。
45.本实施例所提出的实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列的角度可以为需要的任意值，如30
°
、45
°
或60
°
等。采用的发射线圈，不仅仅可以为单极性线圈，也可以为双极型线圈或其他线圈结构。该倾斜角度发射线圈阵列同样可以为在充电平面上的线圈进行无线充电，如图17所示。也可以适配倾斜放置的接收线圈，如图18所示。
46.以下结合具体的实验案例对本实施例以上方案进行进一步的设计和验证。
47.为了实现水平位置和倾斜角度下的自由位置无线充电，本实施例提出了基于倾斜长轨发射线圈阵列的高自由度无线充电系统。基于该线圈阵列、电感-电容-电容-串联(inductor-capacitor-capacitor-series,lcc-s)补偿拓扑和对应的控制策略，在不使用线圈选通开关的情况下，仅用了4个发射线圈，就实现了在近300mm
×
300mm的范围内水平放置和倾斜角度放置下的自由位置无线充电。
48.1所提倾斜长轨发射线圈阵列
49.1.1线圈结构
50.在耦合线圈中，方形接收线圈沿长轨发射线圈的长轨方向上，可以取得较为平稳的耦合系数变化。某些动态无线充电系统充分利用该特性，利用长轨线圈作为发射线圈，实现接收端在前进过程中的平稳充电。
51.为了实现在平面范围内的自由位置无线充电，可以利用长轨线圈，实现在某一方向上的自由位置无线充电，而在与之垂直的方向上，则可以使用多个长轨发射线圈，构成发射线圈阵列，实现与长轨垂直方向上的自由位置无线充电。同时，在“边玩边充”的场景下，接收线圈与水平面呈一定的倾斜角度，为了提高与倾斜的接收线圈的耦合，设计发射线圈呈一定的倾斜角度，保证在与水平放置的接收线圈具有足够耦合的同时，提高与倾斜接收线圈的耦合。所提的倾斜长轨发射线圈阵列如图1所示。
52.1.2仿真分析
53.图1中，沿着y方向的长轨线圈的长度设定为300mm，宽度为80mm，绕组宽度为14mm。倾斜角设定为30
°
。为了实现相邻发射线圈之间的解耦，需要合理设定相邻发射线圈之间的距离。相邻发射线圈之间的耦合系数随其距离的变化关系如图2所示。从图2可以看出，当相邻的发射线圈之间的距离设定为62mm时，相邻发射线圈之间的耦合系数最小。因此，设定发射线圈之间的距离为62mm，实现发射线圈之间的解耦。
54.接收线圈尺寸为100mm
×
100mm，绕组宽度为14mm。当接收线圈平放于发射线圈上方时，其结构图如图3所示。
55.选取二号发射线圈tx2的中点为坐标轴的原点。当接收线圈中心位于二号发射线圈tx2的正上方时，即x＝0时，接收线圈与各个发射线圈之间的耦合系数沿着y方向的偏移如图4(a)所示。此时可以看到接收线圈与二号发射线圈tx2的耦合系数最大，为0.20，且在y方向上的偏移保持稳定。与其他发射线圈的耦合较小。当接收线圈中心位于二号发射线圈tx2和三号发射线圈tx3的上方时，即x＝-31mm时，接收线圈与各个发射线圈之间的耦合系数沿着y方向的偏移如图4(b)所示。接收线圈与三号发射线圈tx3的耦合系数基本保持在0.12，与二号发射线圈tx2的耦合系数基本保持在0.10。从图4(a)和图4(b)可以看出，在所提出的线圈结构下，发射线圈与接收线圈在y方向(即长轨方向)上，可以保持自由位置无线充电。
56.在x方向上，当y＝0时，接收线圈与发射线圈之间的耦合系数随着x方向的偏移如图4(c)所示。在每个发射线圈的中心位置，以及与之相邻的发射线圈的中心位置内，该发射线圈与接收线圈均能取得较高的耦合系数。
57.当接收线圈与水平面呈30
°
放置于发射线圈上方时，其结构图如图5所示。
58.与水平放置的类似，此时，接收线圈与发射线圈之间的耦合系数如图6所示。当接收线圈中心位于二号发射线圈tx2的正上方时，即x＝0时，接收线圈与各个发射线圈之间的耦合系数沿着y方向的偏移如图6(a)所示。此时可以看到接收线圈与二号发射线圈tx2的耦合系数最大，为0.10，且在y方向上的偏移保持稳定。与其他发射线圈的耦合较小。当接收线圈中心位于二号发射线圈tx2和三号发射线圈tx3的上方时，即x＝-31mm时，接收线圈与各个发射线圈之间的耦合系数沿着y方向的偏移如图6(b)所示。接收线圈与三号发射线圈tx3的耦合系数基本保持在0.08，与二号发射线圈tx2的耦合系数基本保持在0.05。从图6(a)和
图6(b)可以看出，在所提出的线圈结构下，发射线圈与接收线圈在y方向(即长轨方向)上，可以保持自由位置无线充电。
59.在x方向上，当y＝0时，接收线圈与发射线圈之间的耦合系数随着x方向的偏移如图6(c)所示。在每个发射线圈的中心位置，以及与之相邻的发射线圈的中心位置内，该发射线圈与接收线圈均能取得较高的耦合系数。
60.从图4(c)和图6(c)可以看出，当接收线圈位于发射线圈正上方时，可以选择该发射线圈作为功率传输线圈；当接收线圈位于两个发射线圈中间中，可以选择这两个发射线圈作为功率传输线圈。在该设定下，总的等效耦合如图7所示。从图7可以看出，利用该方法可以实现在x方向上的自由位置无线充电方案。
61.2拓扑结构及建模分析
62.2.1拓扑结构
63.由于长轨线圈的使用，在实现长轨方向自由位置无线充电的同时，可以极大减少发射线圈个数。同时，由前述可知，需要开通某个线圈或者相邻两个线圈。因此，本文提出高自由度无线充电系统的拓扑图如图8所示。其中，v
inv
为逆变器直流电压，s
1-s
10
为逆变器开关管，构成多相逆变器，u
1-u4为逆变器输出电压。v
rec
和i
rec
为接收端整流器的直流电压和电流，d
1-d2为整流器二极管，构成半桥整流器，ur为整流桥的交流输入电压。l
f1-l
f4
为补偿电感，i
f1-i
f4
为对应的电流。c
f1-c
f4
为发射端并联补偿电容，c
1-c4为发射端串联补偿电容，l
1-l4为发射线圈，i
1-i4为对应的发射线圈电流。cr为接收端串联补偿电容，lr为接收线圈，ir为接收线圈电流。m
1r
和m
2r
分别为发射线圈l1和l2与接收线圈lr之间的互感。r
l
为负载电阻。值得注意的是，此时相邻线圈是按照相反的极性接入逆变电路中。
64.l
1-l4构成发射线圈阵列。如果有更多的发射线圈阵列，则可以由相同的连接方式进行拓展，即增加逆变器的相数和利用lcc补偿来拓展发射线圈的个数。
65.各个发射线圈的参数一致，即
[0066][0067]
系统工作在谐振状态，即
[0068][0069]
2.2系统建模
[0070]
当接收线圈位于某个发射线圈正上方时，只对该线圈进行供电。以位于一号发射线圈上面为例，当只给该发射线圈进行供电时，系统的等效电路图如图9所示。
[0071]
基于基波等效法，有
[0072][0073]
基于基尔霍夫电压定律，输出功率为
[0074][0075]
当接收线圈位于相邻两个发射线圈中间时，由两个对应的发射线圈进行供电。以一号和二号发射线圈为例，当这两个发射线圈同时供电时，其等效电路如图10所示。
[0076]
逆变器的第一个桥臂(s1和s2)的输出电压与第二个桥臂(s3和s4)的输出电压是反向的，而与第三个桥臂(s5和s6)是同相的，因此u1＝-u2。在相反的供电电压下，l1和l2要以相反的极性接入电路中，因此两个发射线圈的供电是正向叠加的。
[0077]
基于基尔霍夫电压定律，输出功率为
[0078][0079]
结合公式(4)和(5)以及图7，可以看出只要保持总互感(或总耦合系数)稳定，就能保持输出功率稳定。
[0080]
3实验验证
[0081]
3.1实验设定
[0082]
基于所提的自由位置无线充电系统，搭建实验平台如图11所示。实验装置的参数如表1所示。
[0083]
表1实验装置参数
[0084]
参数符号数值单位工作频率f190khz逆变器直流电压v
inv
50v负载电阻r
l
50ω
[0085]
3.2实验结果
[0086]
当接收线圈水平放置于发射线圈上时，即分别位于一号发射线圈tx1上和位于一号和二号发射线圈tx1和tx2上时，测量得到的输出功率和直流-直流效率如图12(a)所示。当接收线圈以30
°
的角度倾斜放置于发射线圈上时，即分别位于一号发射线圈tx1上和位于一号和二号发射线圈tx1和tx2上时，测量得到的输出功率和直流-直流效率如图12(b)所示。从图12可以看出，无论是水平或是倾斜，所提的系统可以实现较为平稳的功率输出。
[0087]
当接收线圈水平位于发射线圈tx1上时，实验波形如图13所示。
[0088]
4结论
[0089]
本实施例提出了一种基于倾斜长轨发射线圈阵列的高自由度无线充电系统。采用长轨型发射线圈，可以实现长轨方向的自由位置无线充电。采用长轨发射线圈阵列并在边缘位置同时驱动两个相邻的发射线圈，可以实现在垂直于长轨方向上的自由位置无线充
电。同时利用倾斜角度，提高接收线圈在倾斜状态下与发射线圈的耦合。并采用lcc-s拓扑以提高对弱耦合情况下的兼容性。本发明所提的系统可以在使用较少的发射线圈和不使用选通开关的情况下，实现水平位置和倾斜角度的自由位置无线充电。实验结果验证了该方案的有效性。
[0090]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
[0091]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

技术特征：
1.一种实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列，其特征在于：包括多个发射线圈和长导轨；每一所述发射线圈与长导轨构成可相对滑动和转动的连接；每一所述发射线圈与长导轨之间构成的角度相同。2.根据权利要求1所述的实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列，其特征在于：通过调整发射线圈的倾斜角θ和发射线圈之间的距离d，使相邻发射线圈实现解耦。3.根据权利要求2所述的实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列，其特征在于：通过相邻发射线圈之间的耦合系数随其距离的变化关系曲线，确定合适的发射线圈之间的距离d，使相邻发射线圈之间的耦合系数最小。4.根据权利要求2所述的实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列，其特征在于：在确定发射线圈的倾斜角θ的情况下，通过调整合适的发射线圈之间的距离，使发射线圈与接收线圈在长轨方向上，可以保持自由位置无线充电。5.根据权利要求4所述的实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列，其特征在于：所述发射线圈为倾斜设置；所述接收线圈与发射线圈平行设置，或水平设置。

技术总结
本发明提出一种实现空间无线充电的倾斜角度发射线圈阵列，包括多个发射线圈和长导轨；每一所述发射线圈与长导轨构成可相对滑动和转动的连接；每一所述发射线圈与长导轨之间构成的角度相同。其采用长轨型发射线圈，可以实现长轨方向的自由位置无线充电。采用长轨发射线圈阵列并在边缘位置同时驱动两个相邻的发射线圈，可以实现在垂直于长轨方向上的自由位置无线充电。同时利用倾斜角度，提高接收线圈在倾斜状态下与发射线圈的耦合。并采用LCC-S拓扑以提高对弱耦合情况下的兼容性。本发明所提的系统可以在使用较少的发射线圈和不使用选通开关的情况下，实现水平位置和倾斜角度的自由位置无线充电。并通过实验结果验证了该方案的有效性。方案的有效性。方案的有效性。


技术研发人员：张艺明 王辉 沈志伟 吴元超 潘文斌
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8