[發明專利]一種基于無線充電技術的新型定向運動打卡裝置

在審

• 申請號: 202110222205.4
• 申請日: 2021-02-28
• 公開（公告）號: CN112994262A
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發明（設計）人: 徐維傲;葉晴;董洪芳
• 申請（專利權）人: 金陵科技學院
• 主分類號: H02J50/10
• 分類號: H02J50/10;H02J7/00;H04B5/00;G08B7/06
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 蔣昱

1.一種基于無線充電技術的新型定向運動打卡裝置，所述裝置包括控制電路、可充電鋰電池(6)、無線充電接收線圈(7)、外殼(9)和底座(10)，其特征在于：所述外殼(9)和底座(10)內有控制電路、可充電鋰電池(6)和無線充電接收線圈(7)，所述控制電路包括微處理器電路模塊(1)、NFC通信模塊(2)、計時電路模塊(3)、聲光報警模塊(4)和供電模塊(5)，微處理器電路模塊(1)與NFC通信模塊(2)連接，供電模塊(5)分別與微處理器電路模塊(1)、NFC通信模塊(2)、計時電路模塊(3)和聲光報警模塊(4)連接，供電模塊(5)連接可充電鋰電池(6)，可充電鋰電池(6)與該裝置后部的無線充電接收線圈相連，所述無線充電接收線圈(7)采用平面螺旋線圈，作為ICPT系統的耦合線圈，線圈安裝在裝置后面外殼的槽內，并建立PS型單管逆變ICPT技術系統等效模型進行優化：

所述無線充電接收線圈(7)優化設計如下：

(1)PS型單管逆變ICPT系統主電路拓撲，U_in為直流輸入電壓，L_T和L_R分別為發射線圈和接收線圈，C_T為原邊電路并聯補償電容，C_R為副邊電路串聯補償電容，C_in和C_o分別為輸入濾波電容和輸出濾波電容，M為耦合線圈間互感，R_o為阻性負載；

根據互感等效原理，可得PS型單管逆變ICPT電路等效模型，U_CT是U_in逆變后發射線圈并聯補償電容兩端電壓，R_L為整流器、濾波器和等效負載R_O折算到虛線位置的等效電阻，Z_RF為二次回路阻抗和互感抗反映到一次側的等效阻抗，U_TR為接收線圈產生的互感電壓，r_T和r_R分別為發射線圈和接收線圈的交流內阻，I_T為流經L_T的電流，I_R為流經L_R的電流：

無線充電系統互感模型進行分析，系統的傳輸效率為：

式(1)表明，系統的傳輸效率與線圈間互感成正比，與發射、接收線圈的等效內阻成反比；

(2)綜合考慮互感與線圈內阻對傳輸效率的影響，引入強耦合系數的概念：

其中：k為耦合系數；Q_T為發射線圈的品質因數；Q_R為接收線圈的空載品質因數：

進一步整理可得，

運用均值不等式對式(5)求解，當且僅當：

R_L為最優負載，此時系統傳輸效率取得最大值：

(3)由式(5)～(7)可知，不同負載條件下，系統傳輸效率與強耦合系數的關系是：增大強耦合系數，可以有效的提高傳輸效率，隨著強耦合系數的增大，對于傳輸效率的提升作用越來越??；強耦合系數較大時，負載變化對傳輸效率的影響不明顯，選擇強耦合系數作為優化目標，在給定傳輸距離下，對發射線圈與接收線圈間的尺寸匹配關系進行分析；

(4)由于平面螺旋線圈的品質因數較高，磁場分布較為均勻，選擇平面螺旋線圈作為ICPT系統的耦合線圈；

其中，x₁為線圈的外半徑，x₂為線圈的內半徑，為線圈的平均半徑，兩同軸放置的單匝平行線圈，其互感大小由諾依曼公式推得：

其中，

式中：x_i為接收線圈半徑；x_j為發射線圈半徑；d為兩耦合線圈圓心間距；K(n)、E(n)分別是具有模式n的第一類、第二類橢圓積分；

(5)兩同軸放置的多匝平行線圈，其互感大小可由多組不同半徑的單匝環形線圈間互感疊加而得，若發射線圈的匝數為N_T，接收線圈的匝數為N_R，則平面螺旋線圈間互感表示為：

平面螺旋線圈的等效內阻由兩部分組成，分別是歐姆電阻r_ohm和輻射電阻r_rad，各參數的計算公式如下：

式中：ω為線圈的自諧振角頻率；σ銅的電導率；l為導線長度；a為利茲線半徑；N為線圈的匝數；為線圈的平均半徑；λ為工作頻率下所對應的波長；

(6)歐姆電阻和輻射電阻的大小與系統工作頻率有關，在100kHz的工作頻率下，輻射電阻遠小于歐姆電阻，將式(10)、(11)代入式(2)，構造出強耦合系數k_Q關于發射線圈平均半徑接收線圈平均半徑以及傳輸距離d的目標函數：

(7)強耦合系數k_Q隨發射線圈平均半徑的變化曲線，可知隨著發射線圈平均半徑的增大，強耦合系數k_Q呈現出先上升后下降的趨勢；存在唯一的使k_Q取得最大值，越大，k_Q取得最大值時所對應的越大，強耦合系數k_Q取得峰值時，發射線圈平均半徑總是略大于接收線圈平均半徑

(8)選擇平面螺旋線圈作為接收線圈，根據流經接收線圈電流大小，選用0.1mm×200股的利茲線繞制；

強耦合系數k_Q取得最大值時發射線圈的平均半徑為7.0cm，建立發射、接收線圈的有限元模型，保持平均半徑不變，改變發射線圈外半徑，仿真得出不同平均半徑下互感M隨著發射線圈外半徑x_T1的變化曲線，將互感M的仿真數值代入式(2)、(3)，即可得到耦合系數k與強耦合系數k_Q隨著發射線圈外半徑x_T1的變化規律：耦合系數k和強耦合系數k_Q取得最大值時對應的發射線圈尺寸不同，發射線圈外半徑x_T1＝9cm，內半徑x_T2＝5cm時，強耦合系數k_Q取得最大值。