用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓

1.本发明属于电气工程专业的无线充电技术领域，涉及一种用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓。


背景技术：

2.随着人类社会的不断发展，人们对用电需求也越来越高，传统的有线充电已经满足不了诸多环境下的供电需求。利用传统的有线电能传输方式存在弊端，如传输电线逐渐的磨损老化，频繁的插拔容易出现火花，一个智能终端设备需要一个有线充电模块，这导致手机、手表、耳机等需要多个模块分别充电，带来充电线路的凌乱与复杂，而且这些都会给用户和用电设备带来很多的安全问题，无线电能传输技术可以借助电磁感应实现电能的无线传输，从而避免了使用传输电线带来的杂乱无章、磨损老化、安全隐患等问题，提高了用电的整洁性、可靠性与安全性。
3.然而感应电能传输系统中的充电线圈大多为平面结构，平面充电线圈感应的磁场主要是垂直方向，能量沿一个方向移动，无法为所有便携式设备提供方便自由的多方位无线充电，尤其对于小型的便携式设备，如智能手机、智能手表、无线耳机等可穿戴设备，由于其位置放置灵活，会出现很多种放置情况，但由于平面充电线圈产生的磁场沿固定方向，当接收器平面和磁场的角度很小时，嵌入设备中的接收器线圈只能接收少量磁通，导致能量传递效率变低，充电速度变慢，因此需要接收器平面位置与发射线圈位置对准，这在实际应用中限制了充电设备的摆放位置，导致非常不便。为了有效解决耦合机构相对偏移而导致的效率变低或不能正常工作的情况，发射线圈就应该能够产生一个多方向的磁场，也就是全方向的无线充电。通过调制励磁电流，产生三维磁场，控制三个方向的矢量大小即可合成想要的磁场方向实现真正的全方向无线充电能力。
4.如何将全方向无线电能传输应用到我们的大量便携式电子设备充电上来，即研究出一套用于便携式设备的无线电能传输系统，采用特殊的电路连接形式，构造一个充电仓实现对多个设备、多个方位、高效率的充电，这样我们日常所用的许多便携式电子设备如手机，无线耳机和智能手表等就可以通过这样的方式同时高效充电，能够省去繁杂的多个插座开关和电源电路大大提高了我们使用的便利性和用电的安全性。关键即在于设计发射线圈的耦合连接电路，通过上述提到的新型的无线充电仓及其新型电路，可实现对我们日常所用的多个电子设备同时充电。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓，解决了现有技术中存在的无法实现对多个设备、多个方位、高效率的同时充电的问题。
6.本发明所采用的技术方案是用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓，包括呈碗形结构的第一仓体，第一仓体的内表面开设有凹槽，凹槽内安装有第一发射线圈，第一发射线圈共五组，包括线圈ⅰ、线圈ⅱ、线圈ⅲ、线圈ⅳ、线圈
ⅴ
；线圈ⅰ、线圈ⅱ、线圈ⅲ、线圈
ⅳ
从第一仓体的底部到第一仓体的侧面绕制，线圈
ⅴ
在第一仓体底部绕制。
7.本发明的特点还在于：
8.充电仓采用磁谐振式无线电能传输系统来进行无线充电。
9.磁谐振式无线电能传输系统由发射电路和接收电路两部分组成，其中发射电路包括整流电路、高频逆变电路、补偿网络和发射线圈，接收电路包括接收线圈、补偿网络，整流滤波电路和负载构成。
10.线圈ⅰ、线圈ⅱ感应y轴方向的磁场，线圈ⅲ、线圈ⅳ感应x轴方向，线圈
ⅴ
产生z轴方向的磁场；线圈ⅰ、线圈ⅱ承载相同励磁电流i1；线圈ⅲ、线圈ⅳ承载相同励磁电流i2；线圈
ⅴ
承载励磁电流i3；当x，y和z方向的磁场位于第一仓体底部时，通过调制励磁电流i1、i2、i3来控制磁场沿不同方向旋转，从而在第一仓体底部形成全向的磁场分布。
11.本发明还包括第二仓体，第二仓体呈半球形弧顶结构，第二仓体与第一第一仓体可扣合；第二仓体的内表面开设有凹槽，凹槽内安装有第二发射线圈，第二发射线圈包括线圈ⅵ、线圈ⅶ、线圈
ⅷ
、线圈
ⅸ
。
12.第二发射线圈通入电流后形成垂直磁场，垂直磁场分布在第二仓体表面，形成区域ⅵ、区域ⅶ、区域
ⅷ
、区域
ⅸ
四个区域，区域ⅵ、区域ⅶ、区域
ⅷ
、区域
ⅸ
的磁场与线圈ⅰ、线圈ⅱ、线圈ⅲ、线圈ⅳ产生的磁场相加强。
13.第二发射线圈采用独立电源驱动。
14.充电仓采用lcc-s为补偿拓扑。
15.电能传输系统包括四组补偿模块，补偿模块分别第一发射线圈的驱动线圈ⅰ和线圈ⅱ、线圈ⅲ和线圈ⅳ、线圈
ⅴ
和第二发射线圈连接。
16.本发明根据充电仓的结构考虑不同设备对磁场的要求。基于不同充电设备对磁场的要求，设计了在充电仓中的发射器线圈结构，保证了对不同便携式设备的全方向功率传输，提高了磁场的利用率和用电的安全性。克服了现有技术中大多数耦合机构还采用传统正对平面线圈结构、缺乏立体化设计、且均是“一对一”的充电，未实现“一对多”的弊端。
附图说明
17.图1是本发明用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓的结构示意图；
18.图2是本发明用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓的第一仓体的发射线圈排布示意图；
19.图3是本发明用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓中线圈ⅰ、线圈ⅱ和线圈ⅲ、线圈ⅳ在充电仓底部产生磁场示意图；
20.图4是本发明用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓中线圈ⅰ在充电仓侧壁产生磁场示意图；
21.图5是本发明用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓中线圈
ⅴ
在充电仓底部产生磁场排布示意图；
22.图6是本发明用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓的第二仓体的发射线圈排布示意图；
23.图7是本发明用于便携式设备的立体化、全方向无线充电仓的电能传输系统示意图。
的要求，而磁谐振式的无线充电技术具有传输距离远(可达到米级)，可同时对多个接收装置供电以及受到位置偏移的影响小等诸多优点。本发明内容采用磁谐振式无线充电技术，磁谐振无线充电技术是利用两个或多个相同谐振频率的线圈将电能从发射端传输到接收端的技术，其中每个线圈的激励电压频率要等于线圈固有的谐振频率从而使发射线圈和接收线圈产生共振实现能量的高效传输。
32.本发明内容中设计的磁谐振式无线电能传输系统由发射电路和接收电路两部分组成其中发射电路包括整流电路、高频逆变电路、补偿网络和发射线圈，接收电路包括接收线圈、补偿网络，整流滤波电路和负载构成，其中补偿网络的拓朴结构不但实现电路的谐振状态，而且用于改善无线电能传输系统的电力传输能力。因此在磁谐振式无线电能传输系统中补偿网络的选择至关重要。
33.对于全向无线电能传输系统对补偿网络的要求可以总结如下：(1)谐振频率与耦合系数和负载无关(2)输出电压不随负载变化(3)发射线圈电流不随负载变化(4)可以实现有源器件的软开关(5)最大效率的功率传输。对于四种基本的补偿拓扑ss型(原副边串联补偿)、sp型(原边串联补偿副边并联补偿)、ps型(原边并联补偿副边串联补偿)、pp型补偿拓扑(原副边并联补偿)，其中ps型、pp型补偿参数的选取和负载大小有关，当负载变化时会导致系统失谐，而全方向无线充电仓可给多个设备充电，负载条件会随充电设备的个数而变化，所以ps型和pp型不适合负载变化的无线电能传输系统。
34.另外，sp型、ps型、pp型补偿参数和互感大小有关，当发射线圈位置和接收线圈位置发生偏移或距离改变时互感大小会发生变化，从而导致系统失谐，所以在要求接收设备自由度高的无线电能传输系统中并不适用。ss型的补偿参数虽与负载和互感大小无关，但ss型补偿拓扑无法满足输出电压恒定，负载变化时输出电压会有显著的波动，因此为了满足充电需求只能在后级增加电压调节电路，使设计难度增加。而且当负载增大时原边电流会增大即无法满足发射线圈电流独立于负载变化所以不适用于全方向无线电能传输系统。为了使发射线圈电流恒定，补偿网络应该将输入电压源转换为输入电流源。其中最简单的方式就是通过并联谐振回路，根据诺顿定理，电压源串联补偿电感lr等效于电流源并联谐振电感lr，则当lr和cr发生并联谐振时，并联谐振回路阻抗无穷大，等效的电流源iac直接与发射线圈lp串联从而实现原边发射线圈电流ip恒定即ip＝iac，而且此时谐振频率仅由lr和cr的参数决定既满足了条件1也满足了条件3。另外接收线圈感应电压大小等于jωmi
p
，因为原边电流恒定所以加在接收线圈上的感应电压也是恒定并且不随负载变化，所以此时只要副边补偿网络可以抵消接收线圈电感ls,此时感应出的电压就直接加在负载上实现输出电压不随负载变化即可满足条件2。
35.此外，由于无线电能传输系统往往工作在高频状态下，所以实现开关器件的zvs对减少开关损耗以及和开关相关得电磁干扰问题十分重要。开关器件要想实现zvs就需要让系统的输入阻抗呈现感性，也就意味着要让输入电流滞后于输入电压。然而由于输入阻抗呈现感性导致在系统中存在无功能量的流动使得相关的循环功率损耗增加。为了解决这个问题就必须精确的控制输入阻抗，进行略感性调节使循环功率损耗最小化。lcc补偿结构在原边发射线圈支路上增加了一个串联补偿电容来调整输入阻抗的角度，从而大大提升了设计的自由度。与之相对称的拓扑clc也可以满足前面的五个条件，但考虑到谐波的存在会影响补偿电路的谐振状态进而降低发射线圈电流的独立性而且还会干扰接收设备中的通信
芯片，而lcc中的谐振电容cr可以旁路输入电压源的高频谐波，具有很好的滤波作用，所以最终选定lcc-s为本次全方向无线充电仓的补偿拓扑。
36.立体化、全方向无线充电的电能传输系统如图7所示，电路工作时，四组补偿模块进行工作，经补偿电路后励磁发射线圈，四个补偿模块均采用lcc型补偿，其中三组补偿模块驱动第一仓体的五组线圈，其中线圈ⅰ和线圈ⅱ由一组模块驱动，线圈ⅲ和线圈ⅳ由一组模块驱动，线圈
ⅴ
由一组模块驱动，第四组驱动充电仓第二仓体的发射线圈，通过对发射线圈励磁电流的幅度调制，以实现在充电仓中的全磁场覆盖。
37.本发明采用特殊的电路连接形式，一个充电仓实现对多个设备、多个方位、高效率的同时充电，日常所用的许多便携式电子设备如手机，无线耳机和智能手表等就可以通过这样的方式同时高效充电，能够省去繁杂的多个插座开关和电源电路，大大提高了使用的便利性和用电的安全性。