CN112542896A - 一种全区域多负载恒功率的无尾供电*** - Google Patents

一种全区域多负载恒功率的无尾供电*** Download PDF

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Abstract

本发明是一种全区域多负载恒功率的无尾供电***。本发明涉及无线电能传输技术领域，所述***包括220V单相工频交流电、不控整流电路、Buck变换电路、D组逆变桥、Q组逆变桥、原边补偿网络、发射线圈、接收线圈、串联补偿拓扑、高频整流桥、DC/DC稳压电路和负载。本发明实现同时对桌面多个用电设备无线供电。本发明采用双发射线圈多接收线圈的***结构，获得供电区域内感应电压恒定的特性，使得用电设备在全充电区域任意位置均可与恒定功率下工作。本发明采用LCL的补偿拓扑，可以保证发射电流的恒定，且不受负载性质、数量、大小的影响，智能匹配负载，任意切入切出和调整功率。

Description

一种全区域多负载恒功率的无尾供电***
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，是一种全区域多负载恒功率的无尾供电***。
背景技术
家用学习桌、工作用办公桌等桌面上常放置多种电子设备，例如台灯、风扇、音箱、热水壶等，各设备的电源连接线往往使得桌面杂乱无章，占用很大空间；需经常插拔，使用不便；而且存在漏电、短路等安全隐患，使得用户体验较差。
采用无线电能传输技术，可以取消掉桌面电子设备的电源线，真正做到“无尾供电”，不但能够提升其便捷性，使用起来更加方便，也使桌面更加整洁；而且具有很高的安全性，消除了插拔操作可能存在的安全隐患。
发明内容
本发明为采用静态无线供电技术，降低安全隐患，本发明提供了以下技术方案：
一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，所述***包括220V单相工频交流电、不控整流电路、Buck变换电路、D组逆变桥、Q组逆变桥、原边补偿网络、发射线圈、接收线圈、串联补偿拓扑、高频整流桥、DC/DC稳压电路和负载；
所述220V单相工频交流电数据电流经过不控整流电路和Buck变换电路，得到直流母线电压，直流母线电压经过D组逆变桥和Q组逆变桥后，通过原边补偿网络对发射线圈进行供电，所述发射线圈与接收线圈互感，所述接收线圈通过串联补偿拓扑、高频整流桥和DC/DC稳压电路，为负载供电；所述原边补偿网络用于实现负载随意切入切出及调整功率。
优选地，所述不控整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1和二极管D2一端接入220V单相工频交流电正极，二极管D1另一端连接二极管D3一端，所述二极管D2另一端连接二极管D4一端，所述二极管D3和二极管D4另一端接入220V单相工频交流电负极。
优选地，所述Buck变换电路包括电容C0、开关管S0、二极管D0和电感L0，所述电容C0一端分别连接二极管D3一端和开关管S0一端，所述电容C0一端分别连接二极管D0和二极管D4一端，所述二极管D0与开关管S0另一端连接电感L0一端。
优选地，所述D组逆变桥包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4和电容C1，所述电感L0另一端分别连接开关管S1、开关管S3和电容C1一端，开关管S1另一端连接开关管S2一端，开关管S3另一端连接开关管S4一端，开关管S2和开关管S4另一端连接电容C1另一端。
优选地，所述Q组逆变桥包括开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8和电容C2，所述电感L0另一端分别连接开关管S5、开关管S7和电容C2一端，开关管S5另一端连接开关管S6一端，开关管S7另一端连接开关管S8一端，开关管S6和开关管S8另一端连接电容C2另一端。
优选地，所述原边补偿网络采用LCL的补偿拓扑，所述原边补偿网络包括电感LDr、电容CD、电感LQr和电容CQ，所述发射线圈包括第一发射线圈LD和第二发射线圈LQ；所述发射线圈采用两组方形线圈构成，空间位置互错1/4极距；
开关管S1另一端连接电感LDr一端，电感LDr另一端连接电容CD和第一发射线圈LD一端，所述电容CD和第一发射线圈LD另一端连接开关管S4一端；
开关管S5另一端连接电感LQr一端，电感LQr另一端连接电容CQ和第二发射线圈LQ一端，所述电容CQ和第二发射线圈LQ另一端连接开关管S8一端。
优选地，所述接收线圈包括第一接收线圈LT、第二接收线圈LF和第三接收线圈LY，所述串联补偿拓扑包括电容CT、电容CF、电容CY，所述高频整流桥包括第一整流桥、第二整流桥和第三整流桥，所述第一整流桥包括二极管DT1、二极管DT2、二极管DT3、二极管DT4和电容CT0，所述第一接收线圈LT一端连接电容CT一端，所述电容CT另一端分别连接二极管DT1和二极管DT2一端，所述第一接收线圈LT另一端分别连接二极管DT3和二极管DT4一端，所述二极管DT1另一端连接二极管DT3另一端和电容CT0一端，所述二极管DT2另一端连接二极管DT4和电容CT0另一端。
优选地，所述DC/DC稳压电路包括第一DC/DC稳压电路、第二DC/DC稳压电路和第三DC/DC稳压电路，所述电容CT0两端分别连接第一DC/DC稳压电路；
所述第一整流桥、第二整流桥和第三整流桥结构相同，所述第一整流桥、第二整流桥和第三整流桥与串联补偿拓扑、接收线圈和DC/DC稳压电路连接关系相同。
优选地，所述负载包括第一负载、第二负载和第三负载，所述第一DC/DC稳压电路、第二DC/DC稳压电路和第三DC/DC稳压电路依次为第一负载、第二负载和第三负载供电。
优选地，所述负载包括台灯、风扇、蓝牙音箱、热水壶、净化器、手机、键盘和鼠标等多种用电设备。
本发明具有以下有益效果：
本发明实现同时对桌面多个用电设备无线供电。本发明采用双发射线圈多接收线圈的***结构，获得全供电区域内感应电压恒定的特性，使得用电设备在充电区域任意位置均可于恒定功率下工作。
本发明采用LCL的补偿拓扑，可以保证发射电流的恒定，且不受负载性质、数量、大小的影响，智能匹配负载，任意切入切出和调整功率。
附图说明
图1为基于无线电能传输的无尾供电***拓扑示意图；
图2为基于无线电能传输的无尾供电***的发射端示意图；
图3为样机的耦合机构示意图；
图4为负载示意图；
图5为高频逆变源示意图；
图6为无尾供***实物图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图6所示，本发明提供一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，具体为：
一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，所述***包括220V单相工频交流电、不控整流电路、Buck变换电路、D组逆变桥、Q组逆变桥、原边补偿网络、发射线圈、接收线圈、串联补偿拓扑、高频整流桥、DC/DC稳压电路和负载；
所述220V单相工频交流电经过不控整流电路和Buck变换电路，得到直流母线电压，直流母线电压经过D组逆变桥和Q组逆变桥后，通过原边补偿网络对发射线圈进行供电，所述发射线圈与接收线圈互感，所述接收线圈通过串联补偿拓扑、高频整流桥和DC/DC稳压电路，为负载供电；所述原边补偿网络用于实现负载随意切入切出及调整功率。
所述不控整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1和二极管D2一端接入220V单相工频交流电正极，二极管D1另一端连接二极管D3一端，所述二极管D2另一端连接二极管D4一端，所述二极管D3和二极管D4另一端接入220V单相工频交流电负极。
所述Buck变换电路包括电容C0、开关管S0、二极管D0和电感L0，所述电容C0一端分别连接二极管D3一端和开关管S0一端，所述电容C0一端分别连接二极管D0和二极管D4一端，所述二极管D0与开关管S0另一端连接电感L0一端。
所述D组逆变桥包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4和电容C1，所述电感L0另一端分别连接开关管S1、开关管S3和电容C1一端，开关管S1另一端连接开关管S2一端，开关管S3另一端连接开关管S4一端，开关管S2和开关管S4另一端连接电容C1另一端。
所述Q组逆变桥包括开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8和电容C2，所述电感L0另一端分别连接开关管S5、开关管S7和电容C2一端，开关管S5另一端连接开关管S6一端，开关管S7另一端连接开关管S8一端，开关管S6和开关管S8另一端连接电容C2另一端。
所述原边补偿网络采用LCL的补偿拓扑，所述原边补偿网络包括电感LDr、电容CD、电感LQr和电容CQ，所述发射线圈包括第一发射线圈LD和第二发射线圈LQ；所述发射线圈采用两组方形线圈构成，空间位置互错1/4极距；
开关管S1另一端连接电感LDr一端，电感LDr另一端连接电容CD和第一发射线圈LD一端，所述电容CD和第一发射线圈LD另一端连接开关管S4一端；
开关管S5另一端连接电感LQr一端，电感LQr另一端连接电容CQ和第二发射线圈LQ一端，所述电容CQ和第二发射线圈LQ另一端连接开关管S8一端。
所述接收线圈包括第一接收线圈LT、第二接收线圈LF和第三接收线圈LY，所述串联补偿拓扑包括电容CT、电容CF、电容CY，所述高频整流桥包括第一整流桥、第二整流桥和第三整流桥，所述第一整流桥包括二极管DT1、二极管DT2、二极管DT3、二极管DT4和电容CT0，所述第一接收线圈LT一端连接电容CT一端，所述电容CT另一端分别连接二极管DT1和二极管DT2一端，所述第一接收线圈LT另一端分别连接二极管DT3和二极管DT4一端，所述二极管DT1另一端连接二极管DT3另一端和电容CT0一端，所述二极管DT2另一端连接二极管DT4和电容CT0另一端。
所述DC/DC稳压电路包括第一DC/DC稳压电路、第二DC/DC稳压电路和第三DC/DC稳压电路，所述电容CT0两端分别连接第一DC/DC稳压电路；
所述第一整流桥、第二整流桥和第三整流桥结构相同，所述第一整流桥、第二整流桥和第三整流桥与串联补偿拓扑、接收线圈和DC/DC稳压电路连接关系相同。
所述负载包括第一负载、第二负载和第三负载，所述第一DC/DC稳压电路、第二DC/DC稳压电路和第三DC/DC稳压电路依次为第一负载、第二负载和第三负载供电。
所述负载包括台灯、风扇、蓝牙音箱、热水壶、净化器、手机、键盘和鼠标等多种用电设备。
具体实施例二：
无尾供电桌***的电路拓扑如图1，发射端输入为220V单相工频交流电(1)，经不控整流电路(2)和Buck变换电路(3)之后得到直流母线电压，后经D(Direct)组逆变桥(4)和Q(Quadrature)组逆变桥(5)分别给两组发射线圈(7)供电，原边补偿网络采用LCL(Inductance-Capacitance-Inductance)拓扑(6)，该拓扑具有硬件恒流的特性，使得发射电流的大小与负载无关，因此多个负载之间不会相互影响，可以实现负载随意切入切出及调整功率。接收端视负载不同采用不同的线圈和电能变换电路。一般包括接收线圈(8)、串联补偿拓扑(9)、高频整流桥(10)、DC/DC稳压电路(11)及负载(12)等环节。
无尾供电桌***耦合机构发射端如图2所示，由D线圈(1)和Q线圈(2)两组方形线圈构成，空间位置互错1/4极距。由于两组线圈空间上正交，因此不存在交叉耦合。两组线圈分别由D组逆变桥和Q组逆变桥独立供电，二者逆变输出电压相位互错90°，使得两发射线圈中电流相位互错90°，可以在空间中产生幅值恒定的交变磁场，从而在接收线圈中感应出幅值恒定的接收电压，实现在发射线圈区域内任意位置处均可获得稳定的输出电压和输出功率，允许负载设备在任意位置处正常工作。
根据所发明的线圈结构及电路拓扑，研制了一套无线供电桌面演示***，发射线圈绕制在一个用以模拟桌面的木板上，为减小趋肤效应对***损耗和效率的影响，采用利兹线绕成多匝的矩形线圈。负载包括台灯、风扇、蓝牙音箱三个用电设备，接收线圈使用利兹线绕制的多匝圆形线圈如图3所示。
对所用的三个负载进行改装，将锂电池取出，并装上接收线圈、谐振电容、高频整流电路，DC/DC稳压电路，接到负载控制电路的输入端口。改装好的负载如图4所示。
实验表明，风扇正常运转，台灯正常照明，蓝牙音箱播放音乐、收音、显示屏、呼吸灯等功能均正常；且负载在桌面上任意位置工作状态均无变化；负载可以任意切入切出，可任意调节亮度、转速、音量，不会对***工作状态产生影响。
以上所述仅是一种全区域多负载恒功率的无尾供电***的优选实施方式，一种全区域多负载恒功率的无尾供电***的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，其特征是：所述***包括220V单相工频交流电、不控整流电路、Buck变换电路、D组逆变桥、Q组逆变桥、原边补偿网络、发射线圈、接收线圈、串联补偿拓扑、高频整流桥、DC/DC稳压电路和负载；
所述220V单相工频交流电数据电流经过不控整流电路和Buck变换电路，得到直流母线电压，直流母线电压经过D组逆变桥和Q组逆变桥后，通过原边补偿网络对发射线圈进行供电，所述发射线圈与接收线圈互感，所述接收线圈通过串联补偿拓扑、高频整流桥和DC/DC稳压电路，为负载供电；所述原边补偿网络用于实现负载随意切入切出及调整功率。
2.根据权利要求1所述的一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，其特征是：所述不控整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D4，所述二极管D1和二极管D2一端接入220V单相工频交流电正极，二极管D1另一端连接二极管D3一端，所述二极管D2另一端连接二极管D4一端，所述二极管D3和二极管D4另一端接入220V单相工频交流电负极。
3.根据权利要求2所述的一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，其特征是：所述Buck变换电路包括电容C0、开关管S0、二极管D0和电感L0，所述电容C0一端分别连接二极管D3一端和开关管S0一端，所述电容C0一端分别连接二极管D0和二极管D4一端，所述二极管D0与开关管S0另一端连接电感L0一端。
4.根据权利要求3所述的一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，其特征是：所述D组逆变桥包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4和电容C1，所述电感L0另一端分别连接开关管S1、开关管S3和电容C1一端，开关管S1另一端连接开关管S2一端，开关管S3另一端连接开关管S4一端，开关管S2和开关管S4另一端连接电容C1另一端。
5.根据权利要求4所述的一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，其特征是：所述Q组逆变桥包括开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8和电容C2，所述电感L0另一端分别连接开关管S5、开关管S7和电容C2一端，开关管S5另一端连接开关管S6一端，开关管S7另一端连接开关管S8一端，开关管S6和开关管S8另一端连接电容C2另一端。
6.根据权利要求1所述的一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，其特征是：所述原边补偿网络采用LCL的补偿拓扑，所述原边补偿网络包括电感LDr、电容CD、电感LQr和电容CQ，所述发射线圈包括第一发射线圈LD和第二发射线圈LQ；所述发射线圈采用两组方形线圈构成，空间位置互错1/4极距；
开关管S1另一端连接电感LDr一端，电感LDr另一端连接电容CD和第一发射线圈LD一端，所述电容CD和第一发射线圈LD另一端连接开关管S4一端；
开关管S5另一端连接电感LQr一端，电感LQr另一端连接电容CQ和第二发射线圈LQ一端，所述电容CQ和第二发射线圈LQ另一端连接开关管S8一端。
7.根据权利要求6所述的一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，其特征是：所述接收线圈包括第一接收线圈LT、第二接收线圈LF和第三接收线圈LY，所述串联补偿拓扑包括电容CT、电容CF和电容CY，所述高频整流桥包括第一整流桥、第二整流桥和第三整流桥，所述第一整流桥包括二极管DT1、二极管DT2、二极管DT3、二极管DT4和电容CT0，所述第一接收线圈LT一端连接电容CT一端，所述电容CT另一端分别连接二极管DT1和二极管DT2一端，所述第一接收线圈LT另一端分别连接二极管DT3和二极管DT4一端，所述二极管DT1另一端连接二极管DT3另一端和电容CT0一端，所述二极管DT2另一端连接二极管DT4和电容CT0另一端。
8.根据权利要求7所述的一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，其特征是：所述DC/DC稳压电路包括第一DC/DC稳压电路、第二DC/DC稳压电路和第三DC/DC稳压电路，所述电容CT0两端分别连接第一DC/DC稳压电路；
所述第一整流桥、第二整流桥和第三整流桥结构相同，所述第一整流桥、第二整流桥和第三整流桥与串联补偿拓扑、接收线圈和DC/DC稳压电路连接关系相同。
9.根据权利要求8所述的一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，其特征是：所述负载包括第一负载、第二负载和第三负载，所述第一DC/DC稳压电路、第二DC/DC稳压电路和第三DC/DC稳压电路依次为第一负载、第二负载和第三负载供电。
10.根据权利要求9所述的一种全区域多负载恒功率的无尾供电***，其特征是：所述负载采用多种用电设备，所述负载包括台灯、风扇、蓝牙音箱、热水壶、净化器、手机、键盘和鼠标。
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