可擴(kuò)展多負(fù)載無(wú)線(xiàn)充電平臺(tái)

周俊杰 張肖雄 胡瑤

摘 要：根據(jù)當(dāng)前的用戶(hù)需求，文中設(shè)計(jì)了一款可擴(kuò)展多負(fù)載無(wú)線(xiàn)充電平臺(tái)。該平臺(tái)由AC-DC-AC電源、多個(gè)K變換器、多個(gè)鑲嵌于平面充電墊中的均勻磁場(chǎng)平面電感線(xiàn)圈以及多個(gè)負(fù)載接收端組成，具有可擴(kuò)展特性與負(fù)載隔離特性，能夠同時(shí)為多個(gè)負(fù)載供電，體積小巧，成本低廉，具有廣闊的市場(chǎng)發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：多負(fù)載；無(wú)線(xiàn)充電

1 作品簡(jiǎn)介

文中基于磁耦合諧振無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)了一種具有可擴(kuò)展特性與負(fù)載隔離特性的多接收端平面無(wú)線(xiàn)充電平臺(tái)，由AC-DC-AC電源、多個(gè)K變換器、多個(gè)鑲嵌于平面充電墊中的均勻磁場(chǎng)平面電感線(xiàn)圈以及多個(gè)負(fù)載接收端組成。雙端口的K變換器一端連接平面電感線(xiàn)圈，另一端與電源連接，起到負(fù)載隔離的作用，放置在平面充電墊上的多個(gè)接收端負(fù)載（手機(jī)、平板、燈泡等）可同時(shí)充電；通過(guò)多個(gè)K變換器同時(shí)連接到電源，平面發(fā)射線(xiàn)圈可獨(dú)立或拼接使用，在有效擴(kuò)大充電面積的同時(shí)仍能保持負(fù)載隔離的特性。

該裝置將需要充電的負(fù)載接收線(xiàn)圈放置于該區(qū)域任意位置，同時(shí)不影響其吸收功率和效率。此外，為避免多個(gè)負(fù)載同時(shí)充電會(huì)相互干擾，本作品采用了負(fù)載隔離技術(shù)以減小多負(fù)載充電時(shí)的干擾。具有上述兩個(gè)特征的無(wú)線(xiàn)充電平臺(tái)能夠同時(shí)為多個(gè)負(fù)載如燈泡、手機(jī)等供電，可拓展可拼接也可單獨(dú)使用，靈活便捷，應(yīng)用場(chǎng)景前景廣闊。實(shí)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(wú)線(xiàn)能量傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)了一款具有負(fù)載隔離特性的可拓展平面多負(fù)載無(wú)線(xiàn)充電平臺(tái)，由逆變交流電源、K變換器、平面發(fā)射墊（包括接收線(xiàn)圈、接收線(xiàn)圈調(diào)諧電容、負(fù)載）組成。首先將直流電壓進(jìn)行高頻逆變至諧振頻率的交流電壓源線(xiàn)圈，源發(fā)射線(xiàn)圈通過(guò)磁耦合諧振將能量傳輸給接收線(xiàn)圈，然后通過(guò)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(fù)載端。

發(fā)射線(xiàn)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(chǎng)。平面發(fā)射墊由發(fā)射線(xiàn)圈以及發(fā)射線(xiàn)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(gè)平面發(fā)射墊通過(guò)K變換器并聯(lián)到交流源兩端。接收線(xiàn)圈和接收線(xiàn)圈調(diào)諧電容以及負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成了無(wú)線(xiàn)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(xiàn)圈規(guī)格、繞向等均一致。

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

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

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

其中，每匝的邊長(zhǎng)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(xiàn)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(xiàn)圈的規(guī)格相同，直徑為5 cm，用線(xiàn)徑為1 mm的漆包銅線(xiàn)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(xiàn)圈，另一端與電源連接，起到負(fù)載隔離的作用。K統(tǒng)一取值5.23。

在實(shí)際電路中，多負(fù)載之間相互干擾的因素如下：

（1）多負(fù)載分壓效應(yīng)。多負(fù)載分壓效應(yīng)是由于負(fù)載在源端的反射阻抗分壓，導(dǎo)致各負(fù)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(fù)載個(gè)數(shù)大于或等于2時(shí)，負(fù)載之間都存在交叉耦合，該效應(yīng)也會(huì)影響系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致系統(tǒng)效率和負(fù)載功率下降，可選擇較低的工作頻率（<100 kHz），并將多個(gè)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(duì)直流電進(jìn)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(diǎn)

本作品有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）單源多負(fù)載，負(fù)載隔離。該平臺(tái)可以為處于充電平臺(tái)均勻磁場(chǎng)表面區(qū)域的多個(gè)負(fù)載進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。設(shè)計(jì)中充分考慮了導(dǎo)致多負(fù)載充電時(shí)各負(fù)載之間相互干擾的多負(fù)載分壓效應(yīng)和交叉耦合效應(yīng)，可采用負(fù)載隔離技術(shù)予以消除。

（2）大面積均勻磁場(chǎng)空間。根據(jù)電磁繞制而成的平面線(xiàn)圈使得充電平臺(tái)上待充電設(shè)備的充電情況不會(huì)因?yàn)槲恢米兓l(fā)生改變。

4 市場(chǎng)前景

該充電平臺(tái)具有很高的實(shí)用價(jià)值，能夠同時(shí)給多個(gè)負(fù)載如燈泡、手機(jī)、風(fēng)扇、平板電腦等供電，不僅可以隨時(shí)隨地單獨(dú)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(shí)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(huì)議室等場(chǎng)所，美觀(guān)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(fù)載隔離特性的可拓展無(wú)線(xiàn)充電平臺(tái)，擺脫了電線(xiàn)的束縛，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)與多負(fù)載充電。我們的產(chǎn)品定位如下：

（1）適用于個(gè)人的小型無(wú)線(xiàn)多負(fù)載充電平臺(tái)，可在茶幾、書(shū)桌、臺(tái)燈底座等產(chǎn)品中嵌入無(wú)線(xiàn)充電裝置，或者直接出售簡(jiǎn)易無(wú)家具共形的多負(fù)載無(wú)線(xiàn)充電設(shè)備。這些產(chǎn)品體積小，成本相對(duì)較低，銷(xiāo)售渠道多樣化，可選擇電商平臺(tái)等直接銷(xiāo)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(duì)于創(chuàng)業(yè)前期市場(chǎng)的開(kāi)闊阻力較小，風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，此類(lèi)產(chǎn)品可根據(jù)不同的嵌入家具來(lái)定價(jià)。

（2）適用于辦公桌等公共場(chǎng)所的大型無(wú)線(xiàn)多負(fù)載充電平臺(tái)。此類(lèi)產(chǎn)品體積稍大，需求較小，可與當(dāng)前市場(chǎng)中的傳統(tǒng)家居行業(yè)合作，采用用戶(hù)直接定制的方式，根據(jù)用戶(hù)的不同需求設(shè)計(jì)共形家具。