可扩展多负载无线充电平台

周俊杰 张肖雄 胡瑶

摘 要：根据当前的用户需求，文中设计了一款可扩展多负载无线充电平台。该平台由AC-DC-AC电源、多个K变换器、多个镶嵌于平面充电垫中的均匀磁场平面电感线圈以及多个负载接收端组成，具有可扩展特性与负载隔离特性，能够同时为多个负载供电，体积小巧，成本低廉，具有广阔的市场发展前景。

关键词：多负载；无线充电

1 作品简介

文中基于磁耦合谐振无线电能传输技术设计了一种具有可扩展特性与负载隔离特性的多接收端平面无线充电平台，由AC-DC-AC电源、多个K变换器、多个镶嵌于平面充电垫中的均匀磁场平面电感线圈以及多个负载接收端组成。双端口的K变换器一端连接平面电感线圈，另一端与电源连接，起到负载隔离的作用，放置在平面充电垫上的多个接收端负载（手机、平板、灯泡等）可同时充电；通过多个K变换器同时连接到电源，平面发射线圈可独立或拼接使用，在有效扩大充电面积的同时仍能保持负载隔离的特性。

该装置将需要充电的负载接收线圈放置于该区域任意位置，同时不影响其吸收功率和效率。此外，为避免多个负载同时充电会相互干扰，本作品采用了负载隔离技术以减小多负载充电时的干扰。具有上述两个特征的无线充电平台能够同时为多个负载如灯泡、手机等供电，可拓展可拼接也可单独使用，灵活便捷，应用场景前景广阔。实物电路连接如图1所示。

2 工作原理

本小组基于磁耦合谐振无线能量传输技术设计了一款具有负载隔离特性的可拓展平面多负载无线充电平台，由逆变交流电源、K变换器、平面发射垫（包括接收线圈、接收线圈调谐电容、负载）组成。首先将直流电压进行高频逆变至谐振频率的交流电压源线圈，源发射线圈通过磁耦合谐振将能量传输给接收线圈，然后通过整流滤波将谐振频率的交流电压整流成直流电压输送至负载端。

发射线圈采用电磁学原理绕制而成，能产生大面积的均匀磁场。平面发射垫由发射线圈以及发射线圈调谐电容串联而成，并粘附固定在非金属非合金的软垫上。多个平面发射垫通过K变换器并联到交流源两端。接收线圈和接收线圈调谐电容以及负载串联构成了无线能量接收器，放置在发射垫上。在本作品中，各平面发射垫中的电感线圈规格、绕向等均一致。

平面发射线圈采用前面所述的方形平面均匀磁场线圈结构，发射线圈调谐电容用于发射端电路调谐使谐振频率达到系统工作频率f0。

接收线圈外接负载后可放置在发射线圈上的任意位置。接收线圈调谐电容用于接收端电路调谐使谐振频率达到系统工作频率f0。

该充电平台可以按X轴和Y轴方向以平铺的方式扩展和拼接出更大的面积，共用一个交流源。每个平面发射垫前都连接一个K变换器以保证扩展后系统的负载隔离效果。交流源使用DC-AC或者AC-DC-AC电路经过一个全桥或半桥逆变器变换而来。该交流源内阻很小，仅有很小的开关损耗，可以粗略地视为无内阻的交流电压源。该充电系统可由多个规格相同的发射线圈拼接而成，每个发射线圈为线径1 mm的漆包铜线绕制10匝而成。

其中，每匝的边长分别为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，发射线圈电感LTX为119.2 μH，调谐电容CTX为30.7 nF，将其调谐在f0为83.35 kHz的系统操作频率上。接收线圈的规格相同，直径为5 cm，用线径为1 mm的漆包铜线绕制40圈而成，其电感L为55.2 μH，调谐电容C为68.7 nF。

K变换器一端连接平面电感线圈，另一端与电源连接，起到负载隔离的作用。K统一取值5.23。

在实际电路中，多负载之间相互干扰的因素如下：

（1）多负载分压效应。多负载分压效应是由于负载在源端的反射阻抗分压，导致各负载分配电压和功率相互影响，可在电源和发射谐振器间插入K变换器予以消除；

（2）交叉耦合。当负载个数大于或等于2时，负载之间都存在交叉耦合，該效应也会影响系统的性能，导致系统效率和负载功率下降，可选择较低的工作频率（<100 kHz），并将多个接收端彼此间隔一定的距离予以消除。

本作品采用高频交流电，因此需用直流源将市电转为直流电，再对直流电进行逆变得到高频交流电。本作品采用的是220 V市电转12 V直流稳压电源模块

3 创新点

本作品有以下创新点：

（1）单源多负载，负载隔离。该平台可以为处于充电平台均匀磁场表面区域的多个负载进行无线充电。设计中充分考虑了导致多负载充电时各负载之间相互干扰的多负载分压效应和交叉耦合效应，可采用负载隔离技术予以消除。

（2）大面积均匀磁场空间。根据电磁绕制而成的平面线圈使得充电平台上待充电设备的充电情况不会因为位置变化而发生改变。

4 市场前景

该充电平台具有很高的实用价值，能够同时给多个负载如灯泡、手机、风扇、平板电脑等供电，不仅可以随时随地单独摆放，还可灵活拓展拼接成需要的充电面积给需要的设备供电，并做成公共充电站，同时为多部设备供电。充电垫采用平面结构，不仅占据空间小，也易于与家具共形，可应用于家庭、咖啡馆、会议室等场所，美观大方，应用前景广阔。

本产品是基于智能家居的具有多负载隔离特性的可拓展无线充电平台，摆脱了电线的束缚，真正实现了无线与多负载充电。我们的产品定位如下：

（1）适用于个人的小型无线多负载充电平台，可在茶几、书桌、台灯底座等产品中嵌入无线充电装置，或者直接出售简易无家具共形的多负载无线充电设备。这些产品体积小，成本相对较低，销售渠道多样化，可选择电商平台等直接销售，减少中间环节，降低成本。且这种小型家具共形充电产品需求大，对于创业前期市场的开阔阻力较小，风险相对较低，此类产品可根据不同的嵌入家具来定价。

（2）适用于办公桌等公共场所的大型无线多负载充电平台。此类产品体积稍大，需求较小，可与当前市场中的传统家居行业合作，采用用户直接定制的方式，根据用户的不同需求设计共形家具。