[发明专利]一种基于无线充电技术的新型定向运动打卡装置

权利要求书

1.一种基于无线充电技术的新型定向运动打卡装置，所述装置包括控制电路、可充电锂电池(6)、无线充电接收线圈(7)、外壳(9)和底座(10)，其特征在于：所述外壳(9)和底座(10)内有控制电路、可充电锂电池(6)和无线充电接收线圈(7)，所述控制电路包括微处理器电路模块(1)、NFC通信模块(2)、计时电路模块(3)、声光报警模块(4)和供电模块(5)，微处理器电路模块(1)与NFC通信模块(2)连接，供电模块(5)分别与微处理器电路模块(1)、NFC通信模块(2)、计时电路模块(3)和声光报警模块(4)连接，供电模块(5)连接可充电锂电池(6)，可充电锂电池(6)与该装置后部的无线充电接收线圈相连，所述无线充电接收线圈(7)采用平面螺旋线圈，作为ICPT系统的耦合线圈，线圈安装在装置后面外壳的槽内，并建立PS型单管逆变ICPT技术系统等效模型进行优化：

所述无线充电接收线圈(7)优化设计如下：

(1)PS型单管逆变ICPT系统主电路拓扑，U_in为直流输入电压，L_T和L_R分别为发射线圈和接收线圈，C_T为原边电路并联补偿电容，C_R为副边电路串联补偿电容，C_in和C_o分别为输入滤波电容和输出滤波电容，M为耦合线圈间互感，R_o为阻性负载；

根据互感等效原理，可得PS型单管逆变ICPT电路等效模型，U_CT是U_in逆变后发射线圈并联补偿电容两端电压，R_L为整流器、滤波器和等效负载R_O折算到虚线位置的等效电阻，Z_RF为二次回路阻抗和互感抗反映到一次侧的等效阻抗，U_TR为接收线圈产生的互感电压，r_T和r_R分别为发射线圈和接收线圈的交流内阻，I_T为流经L_T的电流，I_R为流经L_R的电流：

无线充电系统互感模型进行分析，系统的传输效率为：

式(1)表明，系统的传输效率与线圈间互感成正比，与发射、接收线圈的等效内阻成反比；

(2)综合考虑互感与线圈内阻对传输效率的影响，引入强耦合系数的概念：

其中：k为耦合系数；Q_T为发射线圈的品质因数；Q_R为接收线圈的空载品质因数：

进一步整理可得，

运用均值不等式对式(5)求解，当且仅当：

R_L为最优负载，此时系统传输效率取得最大值：

(3)由式(5)～(7)可知，不同负载条件下，系统传输效率与强耦合系数的关系是：增大强耦合系数，可以有效的提高传输效率，随着强耦合系数的增大，对于传输效率的提升作用越来越小；强耦合系数较大时，负载变化对传输效率的影响不明显，选择强耦合系数作为优化目标，在给定传输距离下，对发射线圈与接收线圈间的尺寸匹配关系进行分析；

(4)由于平面螺旋线圈的品质因数较高，磁场分布较为均匀，选择平面螺旋线圈作为ICPT系统的耦合线圈；

其中，x₁为线圈的外半径，x₂为线圈的内半径，为线圈的平均半径，两同轴放置的单匝平行线圈，其互感大小由诺依曼公式推得：

其中，

式中：x_i为接收线圈半径；x_j为发射线圈半径；d为两耦合线圈圆心间距；K(n)、E(n)分别是具有模式n的第一类、第二类椭圆积分；

(5)两同轴放置的多匝平行线圈，其互感大小可由多组不同半径的单匝环形线圈间互感叠加而得，若发射线圈的匝数为N_T，接收线圈的匝数为N_R，则平面螺旋线圈间互感表示为：

平面螺旋线圈的等效内阻由两部分组成，分别是欧姆电阻r_ohm和辐射电阻r_rad，各参数的计算公式如下：

式中：ω为线圈的自谐振角频率；σ铜的电导率；l为导线长度；a为利兹线半径；N为线圈的匝数；为线圈的平均半径；λ为工作频率下所对应的波长；

(6)欧姆电阻和辐射电阻的大小与系统工作频率有关，在100kHz的工作频率下，辐射电阻远小于欧姆电阻，将式(10)、(11)代入式(2)，构造出强耦合系数k_Q关于发射线圈平均半径接收线圈平均半径以及传输距离d的目标函数：

(7)强耦合系数k_Q随发射线圈平均半径的变化曲线，可知随着发射线圈平均半径的增大，强耦合系数k_Q呈现出先上升后下降的趋势；存在唯一的使k_Q取得最大值，越大，k_Q取得最大值时所对应的越大，强耦合系数k_Q取得峰值时，发射线圈平均半径总是略大于接收线圈平均半径

(8)选择平面螺旋线圈作为接收线圈，根据流经接收线圈电流大小，选用0.1mm×200股的利兹线绕制；

强耦合系数k_Q取得最大值时发射线圈的平均半径为7.0cm，建立发射、接收线圈的有限元模型，保持平均半径不变，改变发射线圈外半径，仿真得出不同平均半径下互感M随着发射线圈外半径x_T1的变化曲线，将互感M的仿真数值代入式(2)、(3)，即可得到耦合系数k与强耦合系数k_Q随着发射线圈外半径x_T1的变化规律：耦合系数k和强耦合系数k_Q取得最大值时对应的发射线圈尺寸不同，发射线圈外半径x_T1＝9cm，内半径x_T2＝5cm时，强耦合系数k_Q取得最大值。