可擴展多負載無線充電平臺

周俊杰 張肖雄 胡瑤

摘 要：根據當前的用戶需求，文中設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，具有廣闊的市場發展前景。

關鍵詞：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設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設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、平面發射墊（包括接收線圈、接收線圈調諧電容、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。

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

平面發射線圈采用前面所述的方形平面均勻磁場線圈結構，發射線圈調諧電容用于發射端電路調諧使諧振頻率達到系統工作頻率f0。

接收線圈外接負載后可放置在發射線圈上的任意位置。接收線圈調諧電容用于接收端電路調諧使諧振頻率達到系統工作頻率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。每個平面發射墊前都連接一個K變換器以保證擴展后系統的負載隔離效果。交流源使用DC-AC或者AC-DC-AC電路經過一個全橋或半橋逆變器變換而來。該交流源內阻很小，僅有很小的開關損耗，可以粗略地視為無內阻的交流電壓源。該充電系統可由多個規格相同的發射線圈拼接而成，每個發射線圈為線徑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，發射線圈電感LTX為119.2 μH，調諧電容CTX為30.7 nF，將其調諧在f0為83.35 kHz的系統操作頻率上。接收線圈的規格相同，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。多負載分壓效應是由于負載在源端的反射阻抗分壓，導致各負載分配電壓和功率相互影響，可在電源和發射諧振器間插入K變換器予以消除；

（2）交叉耦合。當負載個數大于或等于2時，負載之間都存在交叉耦合，該效應也會影響系統的性能，導致系統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12 V直流穩壓電源模塊

3 創新點

本作品有以下創新點：

（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域的多個負載進行無線充電。設計中充分考慮了導致多負載充電時各負載之間相互干擾的多負載分壓效應和交叉耦合效應，可采用負載隔離技術予以消除。

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

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備供電，并做成公共充電站，同時為多部設備供電。充電墊采用平面結構，不僅占據空間小，也易于與家具共形，可應用于家庭、咖啡館、會議室等場所，美觀大方，應用前景廣闊。

本產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，真正實現了無線與多負載充電。我們的產品定位如下：

（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備。這些產品體積小，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，減少中間環節，降低成本。且這種小型家具共形充電產品需求大，對于創業前期市場的開闊阻力較小，風險相對較低，此類產品可根據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。此類產品體積稍大，需求較小，可與當前市場中的傳統家居行業合作，采用用戶直接定制的方式，根據用戶的不同需求設計共形家具。