CN102611215A - 无线电能发射装置及无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种包括无线电能发射、接收装置的无线充电系统，该系统通过将电力转化为电磁场进行电能的传输，从而以无线方式进行对小型化电子设备的充电。其中，在电能发射端，根据充电装置的不同工作状态，分别进行不同方式的指示，从而使得充电方式更为便捷，提升了用户使用的体验；另外，在电能接收装置端，安装一可对电磁场进行屏蔽的屏蔽模块，以防止电磁场对充电设备内部元零件的影响，确保了充电设备的正常使用，从而使得整个系统的品质得以提升。

Description

无线电能发射装置及无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术，尤其涉及一种可为型号化电子产品进行充电的无线电能发射装置及应用该无线电能发射装置的无线充电系统。

背景技术

在电子信息技术飞速发展的现今，一些小型化电子产品（诸如，手机、MP3/MP4播放器、个人数字助理（PDA）等等）成为了人们日常生活中供人娱乐、社交所必不可少的设备。目前，与此类电子产品相配套的充电设备包括有线充电器和无线充电器，其中，因有线充电技术较为成熟，其在目前市场上仍然占据主流地位，然而，有线充电设备更多地依赖于各种形式的插口、插座或专用器件，导致充电条件受到限制，同时，采用有线的方式进行充电或供电，在多设备充电时容易造成线的缠绕，此“剪不断，理还乱”的现象给使用者带来不舒服的使用体验。因此，无线充电技术越来越多地成为人们不断致力于研究的课题。

无线充电器是指利用电磁波感应原理进行充电的设备，其原理类似于变压器，在发送端和接收端各设置有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。现有技术中，此无线充电器可与多种被充电设备相兼容，“剪不断，理还乱”的情况将不复存在。

然而，现有技术中的无线充电设备，在其充电过程中，使用者无法获知充电设备的各种工作状态（比如，电源是否接通、夜间模式、日间模式、是否有障碍物、待充电装置是否匹配、出错等等状况），这势必会给使用者带来不良的使用体验。同时，在大多数待充电设备端，由于其通过接收线圈来进行电能的接收，所以在此类充电设备端往往处于电磁波的包裹当中，这势必会给设备内部的元器件产生电磁干扰，以至对充电设备的使用寿命带来不良影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对不同工作状态进行不同方式指示的无线电能发射装置。

本发明的目的还在于提供一种应用上述无线电能发射装置、无线电能接收装置的无线充电系统，其通过对电磁场进行有效屏蔽，以保证给设备进行无线充电的同时，设备内各元器件不受电磁场的影响。

为实现上述发明目的之一，本发明的技术方案如下：一种无线电能发射装置，包括：初级电源模块，将电力转换为一定频率的交流电信号，并用于检测该无线电能发射装置的工作状态；谐振模块，与所述初级电源模块连接，接收所述交流电信号并转化为一定范围内的电磁场，该谐振模块包括一个或多个用于发射所述电磁场的发射线圈；充电平台，其用于对发射线圈与待充电设备进行匹配，并可针对所述无线电能发射装置的不同工作状态进行不同方式的指示。

作为本发明的进一步改进，所述充电平台设置有用于指示不同工作状态的指示灯和/或蜂鸣器。

作为本发明的进一步改进，所述指示灯包括充电状态指示灯和错误状态指示灯。

作为本发明的进一步改进，所述工作状态包括日间模式状态、和/或夜间模式状态、和/或待机状态、和/或充电状态、和/或充满状态、和/或出错状态。

作为本发明的进一步改进，在日间模式时，指示灯均正常指示发射装置的工作状态；在夜间模式时，指示灯均熄灭；在待机状态时，指示灯均常亮；在充电状态时，充电状态指示灯为闪烁，错误状态指示灯熄灭；在充满状态时，充电状态指示灯为常亮，错误状态指示灯熄灭；在出错状态时，充电指示灯为熄灭，错误状态指示灯根据出错信息的不同为常亮或者闪烁。

作为本发明的进一步改进，当所述充电平台匹配到合适的待充电装置时，所述蜂鸣器进行短鸣。

作为本发明的进一步改进，所述充电平台还包括一用于选择该无线电能发射装置的工作模式的模式选择开关。

作为本发明的进一步改进，所述初级电源模块包括：AC-DC模块，将输入的交流电转变为一直流电源；控制模块，控制初级电源模块中各模块的运作、以及指示灯和/或蜂鸣器的工作；检测模块，连接于所述谐振模块与所述控制模块之间，用于检测谐振模块的工作参数及感应发射线圈的接收端的反馈信息，并反馈给所述控制模块；逆变模块，用于产生一定频率的高频交流电信号；驱动模块，连接于所述逆变模块与所述控制模块之间，用于驱动所述逆变模块工作；电源模块：为上述各模块供电；其中，所述控制模块根据所述反馈信息调整逆变模块输出信号的频率或相位或占空比。

作为本发明的进一步改进，所述检测模块所感应的发射线圈的接收端的反馈信息包括：接收设备信息、或线圈耦合信息、或参数配置信息、或充电状态信息、或参数调整信息、或接收到的能量信息、或上述参数的组合。

作为本发明的进一步改进，所述检测模块所检测的工作参数包括谐振模块的振荡频率、或发射线圈的电流或电压、或发射线圈的温度、或上述参数的任意组合。

作为本发明的进一步改进，所述发射线圈内部、或者周边、或电路板上、或者其它散热部位设置有用以感测温度变化的温度感测头。

作为本发明的进一步改进，所述AC-DC模块和电源模块之间设置有一负温度系数热敏电阻，用以吸收浪涌电流的冲击。

相应地，为实现上述另一发明目的，本发明的技术方案如下：一种无线充电系统，包括：一无线电能发射装置，其包括：初级电源模块，将电力转换为一定频率的交流电信号，并用于检测该无线电能发射装置的工作状态、以及接收电能接收端发送的反馈信息；谐振模块，与所述初级电源模块连接，接收所述交流电信号并转化为一定范围内的电磁场，该谐振模块包括一个或多个用于发射所述电磁场的发射线圈；充电平台，其用于对发射线圈与待充电装置进行匹配；一无线电能接收装置，其包括：接收线圈，与所述发射线圈相匹配，感应电磁场信号并产生感应电动势；电能转换模块，将所述感应电动势转化为可供电池充电的电力；屏蔽模块，设于所述接收线圈和待充电设备之间，用于屏蔽电磁场，以防止对待充电设备内部元器件的影响。

作为本发明的进一步改进，所述充电平台还用于针对所述无线电能发射装置的不同工作状态进行不同方式的指示。

作为本发明的进一步改进，所述充电平台设置有用于指示不同工作状态的指示灯和/或蜂鸣器。

作为本发明的进一步改进，所述屏蔽模块包括设置于接收线圈与待充电设备内各元器件之间的金属丝网、或金属片、或导电橡胶、或导电布、或导磁材料、或绝缘材料、或上述材质的任意组合。

作为本发明的进一步改进，所述电能转换模块包括一用于将感应电动势转换为适合电池充电使用的直流电力的电源管理电路。

作为本发明的进一步改进， 所述无线电能接收装置还包括一信号反馈模块。

作为本发明的进一步改进，所述信号反馈模块将接收装置的充电信息传输到无线电能发射装置内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在发射端将电能转换为一定范围的电磁场，在接收端通过线圈感应电磁场并转换为一定的电力，为待充电设备进行充电，从而无线充电功能。其中，在电能发射端，根据充电装置的不同工作状态，分别进行不同方式的指示，从而使得充电方式更为便捷，提升了用户使用的体验；另外，在接收装置端，安装一可对电磁场进行屏蔽的屏蔽模块，以防止电磁场对充电设备内部元零件的影响，确保了充电设备的正常使用。 

附图说明

图1是本发明一具体实施方式中无线充电系统的基本结构示意图；

图2是本发明一具体实施方式中无线电能发射装置的工作原理示意图；

图3是本发明中LC谐振模组（串联方式）的原理图；

图4是本发明中LC谐振模组（并联方式）的原理图；

图5是本发明一具体实施方式中无线电能接收装置的工作原理示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

首先，请参图1所示，为本发明一具体实施方式中用于对小型电子设备进行充电的无线充电系统的基本结构示意图。具体地，该系统可为手机、蜂窝电话、PDA、MP3、MP4、遥控器等等设备的电池进行充电，对手机的充电方式包括电池、手机背壳或其他接收装置形式的充电，实现手机等产品的无线充电功能。上述可充电电池包括锂离子电池、锂聚合物电池在内的可充电电池。

为了实现上述功能，此无线充电系统，包括：一无线电能发射装置10和无线电能接收装置20，具体工作原理便是：无线电能发射装置的输入端连接一交流电源网络（国家电网所供应的标准市电（民用、商用等），例如，50Hz/60Hz，220V/100V，在其他实施方式中，也可直接输入一直流电力），无线电能发射装置10将输入的交流电力或者直流电力转换为一定范围内辐射的电磁场，并通过该装置内的发射线圈140（也可称为初级线圈）进行电磁场的发射。

无线电能接收装置20可设置在待充电设备内，以手机为例，该接收装置在手机制造时，便作为手机的基本组件组装于手机内，其包括一用于感应电磁场的接收线圈21。当需要充电时，便将手机放于无线电能发射装置10上，接收线圈21通过感应电磁场而产生感应电动势，并经过一系列电力转换电路，给手机电池输送充电电力。

结合图1、图2所示，本实施方式中，无线电能发射装置包括一初级电源模块12、一谐振模块14以及一用于放置待充电设备的充电平台13，优选地，初级电源模块11通过插头/插座的形式连接一外接电流电源40（220V）输入交流电力，然后经过AC-DC输出一直流电信号到电源模块，AC-DC模块可以用适配器来实现。电源模块为各个模块提供电源。控制模块产生一信号到驱动模块，其频率、占空比、相位可变，再将此信号传输给与之相连的驱动模块，经过逆变后产生一交流信号到谐振模块14，此谐振模块包括一个或者多个用于发射电磁场的发射线140。检测模块，用于检测来源于谐振模块的电流、电压以及来源于接收端的反馈信息，并将这些信息反馈给控制模块。其中，谐振模块14是由电感、电容通过各种电路拓扑结构连接组成，谐振模块中的发射线圈140即电路中电感部分。

值得一提的是，本发明的充电系统通过设置多个线圈，从而可实现为多个待充电设备同时进行充电。需要说明的是，不一定是一个线圈对应于一个设备进行充电，也可以为多个线圈对应于一台设备进行充电。

在本发明一优选的实施方式中，充电平台13包括一基座（未图示）、适配器接口、指示灯（优选地，本实施方式中包括充电状态指示灯130和出错状态指示灯131）、蜂鸣器132以及一用于选择该无线电能发射装置的工作模式的模式选择开关133，工作模式包括日间模式和夜间模式。

充电平台13用于对发射线圈与待充电设备进行匹配，充电平台上可同时放置多个待充电设备进行充电，此时，每个位置上都可以对放置在上面的的接收设备进行充电。优选地，在本实施方式中，当所述充电平台匹配到合适的待充电装置时，所述蜂鸣器132进行短鸣。

充电平台13上还集成有可针对所述无线电能发射装置的不同工作状态进行不同方式的指示的功能。本发明中，发射装置的工作状态包括日间模式状态、和/或夜间模式状态、和/或待机状态、和/或充电状态、和/或充满状态、和/或出错状态等等，出错状态包括电路出错，通讯出错等等。

具体地，在本实施方式中，指示灯根据不同的工作状态，可进行以下不同方式的指示：在日间模式时，指示灯均正常指示发射装置的状态；在夜间模式时，指示灯均为熄灭；在待机状态时，指示灯均为常亮；在充电状态时，充电指示灯为闪烁，错误指示灯熄灭；在充满状态时，充电指示灯为常亮，错误指示灯熄灭；在出错状态时，充电指示灯为熄灭，错误指示灯根据出错信息的不同为常亮或闪亮。通过这样的方式，使用者可以很快捷地知道充电装置的各工作状态，使用方便，也实现了无线电力进行充电的功能，使用体验好。

如图2所示，在本实施方式中，初级电源模块12包括AC-DC模块121、逆变模块122、控制模块123、检测模块124、驱动模块125、电源模块126以及滤波模块（未图示）。当然，在其他实施方式中，若外接电源为直流电源，那么AC-DC模块也可省去。以上所述的充电平台上各功能部件（指示灯、蜂鸣器等等）均由发射装置内部的电源模块126提供电力进行供电，并且，由内部的控制模块123进行控制。

AC-DC模块121通常由变压器、主电路和滤波器等组成，其可为半波整流电路、全波整流电路或者桥式整流电路。其输入端接入交流电力，并将交流电经过电源模块转化为各模块所需的供电电压。

逆变电路122与所述驱动模块相连，将控制模块输出的一可变频率、相位、占空比的脉冲信号经过驱动、逆变后转换为可供谐振的交流电信号。

控制模块123控制初级电源模块中各模块的运作，其在基本组成上可包括中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、或者微处理单元(Micro Control Unit，MCU）、或者现场可编程门阵列（Field－Programmable Gate Array，FPGA）、或者具体特定功能的集成电路等等。

在本实施方式中，检测模块124用于检测系统中一些工作参数。其可与谐振模块直接相连用于检测发射线圈的电流、电压值等等，用于检测接收端发送过来的反馈信息。在其他实施方式中，此电路还可用于检测输入的电流、电压、发射线圈的温度等等信息。

其中，本发明中，对于电能发射装置内各散热部件的温度测量通过一温度传感器来完成，所述温度传感器的引脚设置在发射控制电路板上，发射线圈内部、或者周边、或电路板上、或者其它散热部位设置有用以感测温度变化的温度感测头。如此，一旦电路板或者线圈的温度超出预警值，那控制模块便可通过驱动模块对整个发射装置进行关闭，以达到保护系统安全的功能。

驱动模块125连接于逆变模块122与控制模块123之间，用于驱动所述逆变模块122工作。优选地，该驱动电路接收控制模块发送的控制信号后，通过对其进行放大以增强对逆变电路的驱动能力。

于本发明中，检测模块124用于将发射线圈中的电压和/或电流的变化情况、反馈信息提供给控制模块，控制模块用于根据检测模块反馈的电压和/或电流或反馈信息调整为驱动模块125提供的信号频率、相位、占空比；驱动模块用于将控制模块提供的信号进行驱动后经过逆变模块变成交流电，加载到发射线圈上，并通过加载的振荡频率信号与接收线圈进行匹配，并在匹配成功后进行能量传输。

继续参照图2所示，在本发明一优选的实施方式中，在电源模块126与AC-DC模块121之间设置了一负温度系数电阻NTC，解决了由于上电瞬间浪涌电流大而产生电火花的问题，同时，由于负温度系数电阻的负温度系数特性，在发射器正常工作时不会产生较大的功率损耗。。

以下，参图3、4所示，本发明的LC谐振电路可为串联方式和并联方式，其中并联方式分为两种连接方式，因此电路原理为本领域普通技术人员所熟知的技术，故，申请人在此不再赘述。

图5所示的是本发明一具体实施方式中无线电能接收装置的工作原理示意图，该装置用于放置于充电平台上，通过电耦合将电磁场转化为感应电动势，输出给待充电设备充电使用。具体地，在本实施方式中，该装置包括：接收线圈21、电能转换电路22、屏蔽模块23、可充电电池24（手机电池等）。接收线圈21处于电磁场，感应无线电能发射装置所发射的电磁场，并以产生交变电信号；电能转换电路22连接于接收线圈21与可充电电池24之间，用于将所述交变电信号（感应电动势）转换为可供可充电电池24使用的电力。

值得一提的是，发射端和接收端都有电磁屏蔽模块。发射端的屏蔽模块设置与发射线圈的底层。接收端的屏蔽模块23设置于感应接收模块与待充电设备内各元器件27之间。屏蔽模块可为导磁材料，如铁氧体材料制成，用于屏蔽电磁场，以避免对待充电设备内各元器件的干扰以及对外界环境的干扰。优选地，在本发明一实施方式中，屏蔽模块可为涂覆于待充电设备上的屏蔽导磁漆，其为可喷涂的一种油漆，干燥形成漆膜后能起到导磁的作用，从而起到屏蔽电磁波干扰的功能；屏蔽模块也可以是导磁材料，如铁氧体；在其他实施方式中，屏蔽模块也可为设置于感应接收模块与待充电设备内各元器件之间的金属丝网、金属片，指形簧片（不同表面涂覆层）等等。

在本发明一实施方式中，电能转换模块包括一用于将交流电信号转换为适合待充电电池24使用的直流电力的整流电路220和一恒流、恒压电路222，恒流、恒压电路222利用预定电平的直流电压产生对电池进行充电的恒流和恒压。即，恒流、恒压电路222在电池的初始充电点维持恒流模式，当电池的充电电压饱和时，将恒流模式转换为恒压模式。

在本实施方式中，所述无线电能接收装置20还包括一信号反馈模块25和一调制电路，信号反馈模块25用于将接收端需求能量信息、状态信息等通过调制电路以无线的方式发送到无线电能发射装置内部，当然，在无线发射装置内也相应设置有接收电路，也即反馈信息检测电路，如此，接收电路便将接收端的信息传达给控制模块，控制模块便可控制整个系统的工作状态，并针对一些状态（充电中、充电已满）进行适当的指示（指示灯的常亮或者闪烁）。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在发射端将电能转换为一定范围的电磁场，在接收端通过线圈感应电磁场并转换为一定的电力，为待充电设备进行充电，从而无线充电功能。其中，在电能发射端，根据充电装置的不同工作状态，分别进行不同方式的指示，从而使得充电方式更为便捷，提升了用户使用的体验；另外，在电能接收装置端，安装一可对电磁场进行屏蔽的屏蔽模块，以防止电磁场对充电设备内部元零件的影响，确保了充电设备的正常使用。 

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种无线电能发射装置，其特征在于，该装置包括：

初级电源模块，将电力转换为一定频率的交流电信号，并用于检测该无线电能发射装置的工作状态；

谐振模块，与所述初级电源模块连接，接收所述交流电信号并转化为一定范围内的电磁场，该谐振模块包括一个或多个用于发射所述电磁场的发射线圈；

充电平台，其用于对发射线圈与待充电设备进行匹配，并可针对所述无线电能发射装置的不同工作状态进行不同方式的指示。

2.根据权利要求1所述的发射装置，其特征在于，所述充电平台设置有用于指示不同工作状态的指示灯和/或蜂鸣器。

3.根据权利要求2所述的发射装置，其特征在于，所述指示灯包括充电状态指示灯和错误状态指示灯。

4.根据权利要求2所述的发射装置，其特征在于，所述工作状态包括日间模式状态、和/或夜间模式状态、和/或待机状态、和/或充电状态、和/或充满状态、和/或出错状态。

5.根据权利要求4所述的发射装置，其特征在于，

在日间模式时，指示灯均正常指示发射装置的工作状态；

在夜间模式时，指示灯均熄灭；

在待机状态时，指示灯均常亮；

在充电状态时，充电状态指示灯为闪烁，错误状态指示灯熄灭；

在充满状态时，充电状态指示灯为常亮，错误状态指示灯熄灭；

在出错状态时，充电指示灯为熄灭，错误状态指示灯根据出错信息的不同为常亮或者闪烁。

6.根据权利要求2所述的发射装置，其特征在于，当所述充电平台匹配到合适的待充电装置时，所述蜂鸣器进行短鸣。

7.根据权利要求1所述的发射装置，其特征在于，所述充电平台还包括一用于选择该无线电能发射装置的工作模式的模式选择开关。

8.根据权利要求1所述的发射装置，其特征在于，所述初级电源模块包括：

AC-DC模块，将输入的交流电转变为一直流电源；

控制模块，控制初级电源模块中各模块的运作、以及指示灯和/或蜂鸣器的工作；

检测模块，连接于所述谐振模块与所述控制模块之间，用于检测谐振模块的工作参数及感应发射线圈的接收端的反馈信息，并反馈给所述控制模块； 

逆变模块，用于产生一定频率的高频交流电信号；

驱动模块，连接于所述逆变模块与所述控制模块之间，用于驱动所述逆变模块工作；

电源模块：为上述各模块供电；

其中，所述控制模块根据所述反馈信息调整逆变模块输出信号的频率或相位或占空比。

9.根据权利要求8所述的发射装置，其特征在于，所述检测模块所感应的发射线圈的接收端的反馈信息包括：接收设备信息、或线圈耦合信息、或参数配置信息、或充电状态信息、或参数调整信息、或接收到的能量信息、或上述参数的组合。

10.根据权利要求8所述的发射装置，其特征在于，所述检测模块所检测的工作参数包括谐振模块的振荡频率、或发射线圈的电流或电压、或发射线圈的温度、或上述参数的任意组合。

11.根据权利要求1所述的发射装置，其特征在于，所述发射线圈内部、或者周边、或电路板上、或者其它散热部位设置有温度感测头。

12.根据权利要求8所述的发射装置，其特征在于，所述AC-DC模块和电源模块之间设置有一负温度系数热敏电阻。

13.一种无线充电系统，其特征在于，该系统包括：

一无线电能发射装置，其包括：

初级电源模块，将电力转换为一定频率的交流电信号，并用于检测该无线电能发射装置的工作状态、以及接收电能接收端发送的反馈信息；

谐振模块，与所述初级电源模块连接，接收所述交流电信号并转化为一定范围内的电磁场，该谐振模块包括一个或多个用于发射所述电磁场的发射线圈；

充电平台，其用于对发射线圈与待充电装置进行匹配；

一无线电能接收装置，其包括：

接收线圈，与所述发射线圈相匹配，感应电磁场信号并产生感应电动势；

电能转换模块，将所述感应电动势转化为可供电池充电的电力；

屏蔽模块，设于所述接收线圈和待充电设备之间，用于屏蔽电磁场。

14.根据权利要求13所述的无线充电系统，其特征在于，所述充电平台还用于针对所述无线电能发射装置的不同工作状态进行不同方式的指示。

15.根据权利要求14所述的无线充电系统，其特征在于，所述充电平台设置有用于指示不同工作状态的指示灯和/或蜂鸣器。

16.根据权利要求13所述的无线充电系统，其特征在于，所述屏蔽模块包括设置于接收线圈与待充电设备内各元器件之间的金属丝网、或金属片、或导电橡胶、或导电布、或导磁材料、或绝缘材料、或上述材质的任意组合。

17.根据权利要求13所述的无线充电系统，其特征在于，所述电能转换模块包括一用于将感应电动势转换为适合电池充电使用的直流电力的电源管理电路。

18.根据权利要求13至17中任意一项所述的无线充电系统，其特征在于， 所述无线电能接收装置还包括一信号反馈模块。

19.根据权利要求18所述的无线充电系统，其特征在于，所述信号反馈模块将接收装置的充电信息传输到无线电能发射装置内。

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