可擴展多負載無線充電平臺

周俊杰 張肖雄 胡瑤

摘 要：根據(jù)當(dāng)前的用戶需求，文中設(shè)計了一款可擴展多負載無線充電平臺。該平臺由AC-DC-AC電源、多個K變換器、多個鑲嵌于平面充電墊中的均勻磁場平面電感線圈以及多個負載接收端組成，具有可擴展特性與負載隔離特性，能夠同時為多個負載供電，體積小巧，成本低廉，具有廣闊的市場發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：多負載；無線充電

1 作品簡介

文中基于磁耦合諧振無線電能傳輸技術(shù)設(shè)計了一種具有可擴展特性與負載隔離特性的多接收端平面無線充電平臺，由AC-DC-AC電源、多個K變換器、多個鑲嵌于平面充電墊中的均勻磁場平面電感線圈以及多個負載接收端組成。雙端口的K變換器一端連接平面電感線圈，另一端與電源連接，起到負載隔離的作用，放置在平面充電墊上的多個接收端負載（手機、平板、燈泡等）可同時充電；通過多個K變換器同時連接到電源，平面發(fā)射線圈可獨立或拼接使用，在有效擴大充電面積的同時仍能保持負載隔離的特性。

該裝置將需要充電的負載接收線圈放置于該區(qū)域任意位置，同時不影響其吸收功率和效率。此外，為避免多個負載同時充電會相互干擾，本作品采用了負載隔離技術(shù)以減小多負載充電時的干擾。具有上述兩個特征的無線充電平臺能夠同時為多個負載如燈泡、手機等供電，可拓展可拼接也可單獨使用，靈活便捷，應(yīng)用場景前景廣闊。實物電路連接如圖1所示。

2 工作原理

本小組基于磁耦合諧振無線能量傳輸技術(shù)設(shè)計了一款具有負載隔離特性的可拓展平面多負載無線充電平臺，由逆變交流電源、K變換器、平面發(fā)射墊（包括接收線圈、接收線圈調(diào)諧電容、負載）組成。首先將直流電壓進行高頻逆變至諧振頻率的交流電壓源線圈，源發(fā)射線圈通過磁耦合諧振將能量傳輸給接收線圈，然后通過整流濾波將諧振頻率的交流電壓整流成直流電壓輸送至負載端。

發(fā)射線圈采用電磁學(xué)原理繞制而成，能產(chǎn)生大面積的均勻磁場。平面發(fā)射墊由發(fā)射線圈以及發(fā)射線圈調(diào)諧電容串聯(lián)而成，并粘附固定在非金屬非合金的軟墊上。多個平面發(fā)射墊通過K變換器并聯(lián)到交流源兩端。接收線圈和接收線圈調(diào)諧電容以及負載串聯(lián)構(gòu)成了無線能量接收器，放置在發(fā)射墊上。在本作品中，各平面發(fā)射墊中的電感線圈規(guī)格、繞向等均一致。

平面發(fā)射線圈采用前面所述的方形平面均勻磁場線圈結(jié)構(gòu)，發(fā)射線圈調(diào)諧電容用于發(fā)射端電路調(diào)諧使諧振頻率達到系統(tǒng)工作頻率f0。

接收線圈外接負載后可放置在發(fā)射線圈上的任意位置。接收線圈調(diào)諧電容用于接收端電路調(diào)諧使諧振頻率達到系統(tǒng)工作頻率f0。

該充電平臺可以按X軸和Y軸方向以平鋪的方式擴展和拼接出更大的面積，共用一個交流源。每個平面發(fā)射墊前都連接一個K變換器以保證擴展后系統(tǒng)的負載隔離效果。交流源使用DC-AC或者AC-DC-AC電路經(jīng)過一個全橋或半橋逆變器變換而來。該交流源內(nèi)阻很小，僅有很小的開關(guān)損耗，可以粗略地視為無內(nèi)阻的交流電壓源。該充電系統(tǒng)可由多個規(guī)格相同的發(fā)射線圈拼接而成，每個發(fā)射線圈為線徑1 mm的漆包銅線繞制10匝而成。

其中，每匝的邊長分別為5.4 cm、12.9 cm、16.4 cm、18.9cm、20.8 cm、22.3 cm、23.4 cm、24.2 cm、24.6 cm、24.9cm，發(fā)射線圈電感LTX為119.2 μH，調(diào)諧電容CTX為30.7 nF，將其調(diào)諧在f0為83.35 kHz的系統(tǒng)操作頻率上。接收線圈的規(guī)格相同，直徑為5 cm，用線徑為1 mm的漆包銅線繞制40圈而成，其電感L為55.2 μH，調(diào)諧電容C為68.7 nF。

K變換器一端連接平面電感線圈，另一端與電源連接，起到負載隔離的作用。K統(tǒng)一取值5.23。

在實際電路中，多負載之間相互干擾的因素如下：

（1）多負載分壓效應(yīng)。多負載分壓效應(yīng)是由于負載在源端的反射阻抗分壓，導(dǎo)致各負載分配電壓和功率相互影響，可在電源和發(fā)射諧振器間插入K變換器予以消除；

（2）交叉耦合。當(dāng)負載個數(shù)大于或等于2時，負載之間都存在交叉耦合，該效應(yīng)也會影響系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致系統(tǒng)效率和負載功率下降，可選擇較低的工作頻率（<100 kHz），并將多個接收端彼此間隔一定的距離予以消除。

本作品采用高頻交流電，因此需用直流源將市電轉(zhuǎn)為直流電，再對直流電進行逆變得到高頻交流電。本作品采用的是220 V市電轉(zhuǎn)12 V直流穩(wěn)壓電源模塊

3 創(chuàng)新點

本作品有以下創(chuàng)新點：

（1）單源多負載，負載隔離。該平臺可以為處于充電平臺均勻磁場表面區(qū)域的多個負載進行無線充電。設(shè)計中充分考慮了導(dǎo)致多負載充電時各負載之間相互干擾的多負載分壓效應(yīng)和交叉耦合效應(yīng)，可采用負載隔離技術(shù)予以消除。

（2）大面積均勻磁場空間。根據(jù)電磁繞制而成的平面線圈使得充電平臺上待充電設(shè)備的充電情況不會因為位置變化而發(fā)生改變。

4 市場前景

該充電平臺具有很高的實用價值，能夠同時給多個負載如燈泡、手機、風(fēng)扇、平板電腦等供電，不僅可以隨時隨地單獨擺放，還可靈活拓展拼接成需要的充電面積給需要的設(shè)備供電，并做成公共充電站，同時為多部設(shè)備供電。充電墊采用平面結(jié)構(gòu)，不僅占據(jù)空間小，也易于與家具共形，可應(yīng)用于家庭、咖啡館、會議室等場所，美觀大方，應(yīng)用前景廣闊。

本產(chǎn)品是基于智能家居的具有多負載隔離特性的可拓展無線充電平臺，擺脫了電線的束縛，真正實現(xiàn)了無線與多負載充電。我們的產(chǎn)品定位如下：

（1）適用于個人的小型無線多負載充電平臺，可在茶幾、書桌、臺燈底座等產(chǎn)品中嵌入無線充電裝置，或者直接出售簡易無家具共形的多負載無線充電設(shè)備。這些產(chǎn)品體積小，成本相對較低，銷售渠道多樣化，可選擇電商平臺等直接銷售，減少中間環(huán)節(jié)，降低成本。且這種小型家具共形充電產(chǎn)品需求大，對于創(chuàng)業(yè)前期市場的開闊阻力較小，風(fēng)險相對較低，此類產(chǎn)品可根據(jù)不同的嵌入家具來定價。

（2）適用于辦公桌等公共場所的大型無線多負載充電平臺。此類產(chǎn)品體積稍大，需求較小，可與當(dāng)前市場中的傳統(tǒng)家居行業(yè)合作，采用用戶直接定制的方式，根據(jù)用戶的不同需求設(shè)計共形家具。