一种应用于移动设备的矩阵网络式无线供电系统及其充电方法技术方案

本发明专利技术提出一种应用于移动设备的矩阵网络式无线供电系统及其充电方法，所述无线供电系统由发射端供电装置、接收端受电装置和检测控制装置三部分组成，所述发射端供电装置安装在充电区域的地面下方，所述接收端受电装置安装在移动设备上，所述检测控制装置的输出端与所述发射端供电装置连接；本发明专利技术提出的应用于移动设备的矩阵网络式无线供电系统及其充电方法中，移动设备在充电区域内的任意位置均可以实现稳定的功率输出，实现了大范围内灵活高效充电。通过充电方法控制发射线圈矩阵的协同工作方式，保证了电能无线传输的高效率和低辐射，同时无需考虑线圈间的解耦问题，很好地解决了目前无线供电系统的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于移动设备的矩阵网络式无线供电系统及其充电方法
本专利技术属于无线电能传输
，特别是涉及一种应用于移动设备的矩阵网络式无线供电系统及其充电方法。
技术介绍
随着环境污染与石油危机的爆发，凭借零排放、能量利用率高、能源来源广泛的优点，电能取代传统燃油作为移动设备的动力来源已成为未来的必然趋势。然而，传统的接触式充电方式存在许多问题：(1)充电不便，受接口的限制，充电过程繁琐；(2)维护成本高，充电插头存在摩擦损耗，需要频繁维护；(3)安全性差，供电接口和充电插头均有高压，会对操作人员产生安全威胁。而采用无线电能传输技术进行无线供电则可以很好地解决上述问题。国内外各研究机构针对移动设备的无线供电系统进行了许多研究，丰田公司在2014年公开的专利(公开号为WO2014/118615A2)中提出了一种无线供电系统，但该系统中发射线圈产生的磁场分布不均匀，接收线圈只有与发射端正对时才能高效充电，抗偏移能力差；福州大学在2013年申请公布的专利(专利号为CN102946154)中提出了一种矩形阵列线圈品字型分布的无线电能传输系统，该系统抗偏移能力强，但需要导通全部的发射线圈，传输效率较低，电磁辐射严重。韩国KAIST在2017年发表的文献《SixDegreesofFreedomWide-rangeIPTforMultipleIoTbyDQRotatingMagneticField》中提出了一种具有dq发射线圈的无线供电系统，该系统同样需要导通充电区域内全部的发射线圈，传输效率低。日本名古屋工业大学在2013年发表的文献《AConsiderationofEfficiencyImprovementofTransmittingCoilArrayinWirelessPowerTransferwithMagneticallyCoupledResonance》中提出了一种矩阵网络式磁耦合机构，但是该结构中多相阵列发射线圈存在相间耦合，导致系统谐振频率偏谐，效率较低。综上所述，对于应用于移动设备的无线供电系统，目前存在技术缺陷如下：1、传输效率低。充电区域内的发射线圈需要全部导通，发射线圈上损耗大，导致发热严重，系统传输效率低。2、电磁辐射严重。在接收线圈外侧区域，由于发射线圈产生的主磁场没有被有效利用，会产生较大电磁辐射，对周围人体或生物产生安全威胁。3、抗偏移能力差。接收线圈只有与发射端正对时才能高效充电，出现偏移后，互感迅速降低，系统的输出功率下降；4、矩阵线圈之间存在相互耦合。线圈之间的相互耦合会使系统的谐振频率出现偏移，增大无功功率，降低系统的有功输出。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决目前应用于移动设备的无线供电系统中传输效率低、抗偏移能力差、电磁辐射严重等问题，提出了一种应用于移动设备的矩阵网络式无线供电系统及其充电方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种应用于移动设备的矩阵网络式无线供电系统，所述无线供电系统由发射端供电装置、接收端受电装置和检测控制装置三部分组成，所述发射端供电装置安装在充电区域的地面下方，所述接收端受电装置安装在移动设备上，所述检测控制装置的输出端与所述发射端供电装置连接；所述的发射端供电装置包括供电端功率变化模块、供电端多线圈矩阵网络1和供电端磁芯2；其中供电端功率变换模块的输出端经过检测控制装置后与供电端多线圈矩阵网络1连接，供电端磁芯2铺设在供电端多线圈矩阵网络1下方；所述的接收端受电装置包括受电端线圈4、受电端磁芯3、受电端补偿网络、受电端功率变换器和电池组；其中受电端线圈4经受电端补偿网络后与受电端功率变换器连接，转换为直流输出向电池组充电；所述受电端磁芯3铺设于受电端线圈4的上方；所述检测控制装置包括位置检测装置、控制单元、切换开关、供电端谐振补偿模块和开关矩阵网络；位置检测装置经控制单元分别连接切换开关和开关矩阵网络，用于控制供电端谐振补偿模块和供电端多线圈矩阵网络1工作。进一步地，所述供电端多线圈矩阵网络1的排布方式为紧贴排布方式或重叠排布方式。进一步地，所述供电端多线圈矩阵网络1由N×M个独立平面矩形线圈组成，其中N和M均为正整数，铺设在供电端磁芯2上方；在平面内呈矩阵阵列排布，且相邻的两个线圈紧密排列在一起，或，任意相邻的两个线圈中，相邻的导线在空间上水平对齐，并沿竖直方向叠放在一起；所有的N×M个矩形线圈的尺寸和形状参数完全相同，导线均为利兹线，其粗细和股数均相同；所有矩形线圈的匝数均为n匝，其中n为正整数，线圈匝数由输出功率、输出电流大小及导线的线径综合决定。进一步地，所述控制单元为DSP数字控制芯片，输入端连接位置检测装置，输出端分别连接切换开关和开关矩阵网络，根据受电端的位置信息，经过计算比较，确定系统使用的供电策略，之后根据供电策略分别控制切换开关和开关矩阵网络工作。进一步地，所述供电策略包括单发射线圈独立工作供电策略、双发射线圈协同工作供电策略和四发射线圈协同工作供电策略。进一步地，所述供电端谐振补偿模块包括单线圈补偿模块、双线圈补偿模块和四线圈补偿模块，输入端连接切换开关，输出端连接开关矩阵网络；切换开关会根据控制信号切换不同的补偿模块接入主电路中工作，此时其余的补偿模块不工作。进一步地，所述单发射线圈独立工作供电策略：当受电端位于某个发射线圈的正上方位置附近时，受电端线圈4与该发射线圈磁场耦合，为了提高系统传输效率，系统进入单发射线圈独立工作模式，控制单元控制切换开关使单线圈补偿模块接入主电路中，开关矩阵网络控制对应的单个发射线圈导通以产生高频交变磁场，在受电端线圈4中产生感应电势向负载供电，此时其余发射线圈均处于断路状态；所述双发射线圈协同工作供电策略：当受电端位于两个发射线圈的中间位置区域时，受电端线圈4与所述两个发射线圈磁场耦合，系统进入双发射线圈协同工作模式，控制切换开关使双线圈补偿模块串入主电路中，并通过开关矩阵网络使对应的两个发射线圈串联后导通，且线圈中电流方向相同；此时两个发射线圈中相邻的两束导线中电流幅值相等，方向相反，产生的磁场相互抵消，因此，协同工作的两个发射线圈可以等效为一个宽度增加一倍的大矩形线圈，产生方向相同的合成磁场向受电端供电以保证系统的输出功率；所述四发射线圈协同工作供电策略：当受电端侧移至四个发射线圈的中心位置区域时，受电端线圈4同时与所述四个发射线圈磁场耦合，为了保证输出功率不降低，系统进入四发射线圈协同工作模式，控制切换开关使四线圈补偿模块串入主电路中，并通过开关矩阵网络使对应的四个发射线圈串联后导通，并保证四个线圈中电流的方向相同；此时不同的线圈中相邻的两束导线中电流幅值相等，方向相反，产生的磁场相互抵消，四个发射线圈可以等效为一个尺寸增大4倍的大矩形线圈，产生方向相同的合成磁场向受电端供电。进一步地，所述开关矩阵网络中使用MOSFET开关或IGBT开关，根据控制单元产生的控制信号，开关矩阵网络中对应的开关工作，导通与受电端距离最近的单个或多个发射线圈向受电端传输能量。进一步地，所述供电端磁芯2和受电端磁芯3均为平板型磁芯，材料为软磁铁氧体。本专利技术还提出一种应用于移动设备的矩阵网络式无线供电系统的充电方法，当移动设备进入充电区域后，通过位置检测装置检测受电端相对于供电端多线圈矩阵网络本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于移动设备的矩阵网络式无线供电系统，其特征在于：所述无线供电系统由发射端供电装置、接收端受电装置和检测控制装置三部分组成，所述发射端供电装置安装在充电区域的地面下方，所述接收端受电装置安装在移动设备上，所述检测控制装置的输出端与所述发射端供电装置连接；所述的发射端供电装置包括供电端功率变化模块、供电端多线圈矩阵网络(1)和供电端磁芯(2)；其中供电端功率变换模块的输出端经过检测控制装置后与供电端多线圈矩阵网络(1)连接，供电端磁芯(2)铺设在供电端多线圈矩阵网络(1)下方；所述的接收端受电装置包括受电端线圈(4)、受电端磁芯(3)、受电端补偿网络、受电端功率变换器和电池组；其中受电端线圈(4)经受电端补偿网络后与受电端功率变换器连接，转换为直流输出向电池组充电；所述受电端磁芯(3)铺设于受电端线圈(4)的上方；所述检测控制装置包括位置检测装置、控制单元、切换开关、供电端谐振补偿模块和开关矩阵网络；位置检测装置经控制单元分别连接切换开关和开关矩阵网络，用于控制供电端谐振补偿模块和供电端多线圈矩阵网络(1)工作。

【技术特征摘要】
1.一种应用于移动设备的矩阵网络式无线供电系统，其特征在于：所述无线供电系统由发射端供电装置、接收端受电装置和检测控制装置三部分组成，所述发射端供电装置安装在充电区域的地面下方，所述接收端受电装置安装在移动设备上，所述检测控制装置的输出端与所述发射端供电装置连接；所述的发射端供电装置包括供电端功率变化模块、供电端多线圈矩阵网络(1)和供电端磁芯(2)；其中供电端功率变换模块的输出端经过检测控制装置后与供电端多线圈矩阵网络(1)连接，供电端磁芯(2)铺设在供电端多线圈矩阵网络(1)下方；所述的接收端受电装置包括受电端线圈(4)、受电端磁芯(3)、受电端补偿网络、受电端功率变换器和电池组；其中受电端线圈(4)经受电端补偿网络后与受电端功率变换器连接，转换为直流输出向电池组充电；所述受电端磁芯(3)铺设于受电端线圈(4)的上方；所述检测控制装置包括位置检测装置、控制单元、切换开关、供电端谐振补偿模块和开关矩阵网络；位置检测装置经控制单元分别连接切换开关和开关矩阵网络，用于控制供电端谐振补偿模块和供电端多线圈矩阵网络(1)工作。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述供电端多线圈矩阵网络(1)的排布方式为紧贴排布方式或重叠排布方式。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述供电端多线圈矩阵网络(1)由N×M个独立平面矩形线圈组成，其中N和M均为正整数，铺设在供电端磁芯(2)上方；在平面内呈矩阵阵列排布，且相邻的两个线圈紧密排列在一起，或，任意相邻的两个线圈中，相邻的导线在空间上水平对齐，并沿竖直方向叠放在一起；所有的N×M个矩形线圈的尺寸和形状参数完全相同，导线均为利兹线，其粗细和股数均相同；所有矩形线圈的匝数均为n匝，其中n为正整数，线圈匝数由输出功率、输出电流大小及导线的线径综合决定。4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其特征在于：所述控制单元为DSP数字控制芯片，输入端连接位置检测装置，输出端分别连接切换开关和开关矩阵网络，根据受电端的位置信息，经过计算比较，确定系统使用的供电策略，之后根据供电策略分别控制切换开关和开关矩阵网络工作。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述供电策略包括单发射线圈独立工作供电策略、双发射线圈协同工作供电策略和四发射线圈协同工作供电策略。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述供电端谐振补偿模块包括单线圈补偿模块、双线圈补偿模块和四线圈补偿模块，输入端连接切换开关，输出端连接开关矩阵网络；切换开关会根据控制信号切换不同的补偿模块接入主电路中工作，此时其余的补偿模块不工作。7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述单发射线圈独立工作供电策略：当受电端位于某个发射线圈的正上方位置附近时，受电端线圈(4)与该发射线圈磁场耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：董帅，宋贝贝，崔淑梅，朱春波，高鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23