CN102751770A

CN102751770A - 干电池替代方案

Info

Publication number: CN102751770A
Application number: CN2011101148479A
Authority: CN
Inventors: 朱斯忠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明是一种干电池替代方案，它由无线充电器和电能存储器两部分组成，无线充电器将电能转化为磁能向外发射能量，电能存储器接收磁能转化为电能并储存在法拉电容中，电能存贮器相当于一个可充电电池，可以直接替代原有的干电池，并采用无线供电的方式为法拉电容快速充电，彻底杜绝了电器使用中因为干电池带来的一系列问题，包括环境污染、接触不良、电池漏液等，为用户节省了使用成本，更为重要的是，如果在心脏起搏器这样的电路中使用，就可以让病人免受因为更换干电池而不得不开刀的痛苦，并节省医疗费，对病人的身心健康都是有益的。

Description

干电池替代方案

技术领域

本发明涉及一种干电池替代方案，特别是一种使用法拉电容储能和无线充电的干电池替代方案。

背景技术

有不少的低功耗电器，比如说，手表、时钟、遥控器、心脏起搏器、计算器、电话机等，为了使用的方便性，通常使用干电池供电。

事实上，由于本身固有的缺陷，干电池对电器的损坏率是相当高的，主要表现为以下几方面：1、由于干电池电极氧化，或电器中与干电池相连的电极氧化引起的接触不良；2、干电池外壳破损，电解液泄漏，引起电极腐蚀和电器内部的电路短路；3、使用干电池供电的电器，因为需要更换电池，不能采用密封结构，导致电器的回潮和霉变；除此以外，使用干电池不但增加了使用成本、而且干电池的生产和使用均不环保，对环境有一定的破坏作用。

能否不用干电池而解决此类电器的供电问题，以实现一个既环保、节能，方便、省钱又实用的供电方案？答案是肯定的。

发明内容

本发明是一种干电池替代方案，它由无线充电器和电能存储器两部分组成，无线充电器将电能转化为磁能向外发射能量，电能存储器接收磁能转化为电能并存储在法拉电容中，电能存储器相当于一个可充电电池，可以直接替代原有的干电池；无线充电器和电能存储器在结构上是完全分离的，两者之间没有物理上的任何电路连接；两者之间的能量传递方式是电磁共振，即谐振状态下的电磁感应，当它们相互靠近时，无线充电器就可以将电能转化为磁能传递给电能存储器，电能存储器内将磁能转化电能为法拉电容充电，实现非接触式充电。

具体地说，无线充电器是一个电/磁转化电路，主要由一个并联的LC谐振发射回路与一个功率开关，即发射专用芯片串联组成，这个功率开关元件是一种具有固定频率的功率开关，内置振荡器和功率输出管，外部并联的LC发射回路的频率与发射芯片的频率一致，整个电路工作于谐振状态下，电能在发射线圈L的作用下，转化为磁能，并向线圈的两侧发射出去，传递给电能存储器；

电能存储器是一个具有与无线充电器相同谐振频率的磁/电转化电路，由一个接收线圈、一个接收控制芯片、整流滤波电路及法拉电容组成；控制芯片是专用的谐振接收电路，它共有三个引脚，1为输入端，2为地，3为输出端；接收电路采用半波整流，即接收线圈的一端接一个整流二极管，将电能先储存于滤波电容中，再通过一个保护二极管，将电能储存于法拉电容中供电器使用，这里，法拉电容相当于一个电池，它具有体积小、容量大、充电速度快、寿命长、循环充电次数可以万次以上、无污染等特点，是一种理想的储能元件，法拉电容的正极相当于电池的正极，它的负极相当于电池的负极；接收控制芯片的输入端和输出端分别接在整流二极管的输入端和输出端，以控制接收电流的大小，达到稳压输出的目的，因此接收电路不再使用LDO电路。

整个电能存储器相当于一个可充电电池，当内部的接收线圈与无线充电器的发射线圈靠近时，通常距离在5CM之内，磁能就从发射线圈传输到接收线圈中，因为发射线圈发出的是一种交变磁场，所以在接收线圈的两端就可以感应出交流电压，整流后就可以为法拉电容充电。

由于交变磁场可以穿透所有非金属介质，即可以透过塑料、玻璃、水、空气、木制品等，即可以透过电器的外壳，因此，采用本方案就可以实现非接触充电。

发射芯片的输出频率决定整个方案的中心频率，发射谐振回路的频率，电能接收的谐振频率，均以它为参考。

根据不同电器内部的不同结构，发射线圈和接收线圈，有不同的大小和形状，因此线圈的绕制方法有多种，包括：

1、平面线圈，即用一条漆包线在同一个平面上由内向外绕制，这种线圈面积较大，但厚度很小(通常小于1MM)，适用于要求很薄的电路中使用。

2、磁芯线圈，即用一条漆包线在一个磁芯上绕制，这种线圈面积小，但较厚。

3、空芯线圈，即用一条漆包线在一个骨架上绕制，之后抽去骨架。

4、敷铜线圈和FPC线圈，即印刷电路上的线圈或软电路板上的线圈，属于腐蚀而成的线圈，其最大特点是一致性高、稳定性好。

实际应用时，发射线圈和接收线圈的大小、形状存在着固定的关系：两个线圈的形状基本一致，并尽量要求大小基本一致，以求得最佳的传递效率。

无线充电器使用直流供电，电压通常在DC24V以下，推荐使用DC5V供电，即USB电压模式，因为这种供电模式中民用电器中的比例最大，兼容性强，使用起来更为方便。

无线充电器是完全独立的，由于元件少，可集中在一个小小的PCB上，发射线圈置于PCB的旁边，整个电路可以装入一个扁平外壳内；电能存储器通常不是一个独立的结构，而是整合在电器中，法拉电容的两端直接为电器供电。

本方案中，法拉电容的充电时间，主要由法拉电容的容量决定，对于微功耗的电器如，遥控器、钟表和起搏器等，用1F的法拉电容，充电一次可以工作至少数周，甚至一年的时间，而每次充电的时间则只需要数秒至几分钟。

本发明的实际效果：本方案用电能存储器取代了传统的干电池，并采用无线供电的方式为法拉电容充电，既能快速充电，又彻底杜绝了电器使用中因为干电池带来的一系列问题，包括环境污染、接触不良、电池漏液等，为用户节省了使用成本，更为重要的是，如果在心脏起搏器这样的电路中使用，就可以让病人免受因为更换干电池而不得不开刀的痛苦，还可以为病人省下不少的医疗费，对病人的身心健康都是有益的。

附图说明

图1是干电池替代方案的工作原理图。

图1中，虚框TX表示无线充电器，虚框RX表示电能存储器，箭头表示磁场方向，L1为发射线圈，C1为谐振电容，IC1为发射芯片，R1为电阻，C2为电源滤波电容；L2为接收线圈，IC2为接收控制芯片，C3为滤波电容，D1为整流二极管，D2保护二极管，FC为法拉电容，T+为正极，T-为负极。

具体实施方式

以下结合实例对干电池替代方案作进一步说明。

例一、遥控器的干电池替代方法。

如图1所示，干电池替代方案由两部分组成：无线充电器TX和电能存储器RX，电能存储器相当于一个干电池，用于代替原来的干电池为遥控器供电。

无线充电器包括：发射线圈L1，谐振电容C1，发射芯片IC1，电阻R1，滤波电容C2；电能存储器包括：接收线圈L2，接收控制芯片IC2，滤波电容C3，整流二极管D1、保护二极管D2，法拉电容FC，采用法拉电容FC作为储能元件，直接为遥控器提供电能。无线充电器和电能存储器是完全分离的，两者之间没有物理上的电路连接，实际应用中，无线充电器作为一个独立的供电底座置于遥控器的外部，电能存储器包括法拉电容FC，置于遥控器的内部，与遥控器整合成一体。

这里，电能发射芯片IC1是一个具有固定频率并带有功率输出开关器件，型号为VOX05MP01、VOX12MP05等，它是一个三端功率器件，三个端口分别是电源正端、电源负端和功率输出端；发射回路是由一个发射线圈L1与一个谐振电容C1并联组成的，这个回路的一端与电源Vc相连，另一端与电能发射芯片IC1的输出端相连，当电流从发射线圈L1中流过，由于电能发射芯片IC1的激励作用，线圈L1将电流转化为交变磁场，磁场向线圈的两侧发射出去；R1是发射芯片IC1的供电电阻，C2是供电电源的滤波电容；

接收线圈L2的一端经整流二极管D1整流后，在滤波电容C3上变为直流电，然后通过二极管D2给法拉电容FC充电，二极管D2的作用是防止法拉电容FC中的电流倒流。IC2是一个谐振接收的专用芯片，如型号VOXR10D，它的输入端和输出端分别接收整流二极管D1的输入端和输出端，以控制接收电流的大小，达到稳压输出的目的，因此接收电路不再使用LDO电路即稳压电路。

发射线圈L1的制作方式：平面线圈或空心线圈；接收线圈L2的制作方式：印刷线圈，直接固定在遥控器的主板的下方。

使用时，将遥控器放在无线充电器的上方，让发射线圈L1和接收线圈L2靠近，无线充电器将电能转化为交变磁能传递到遥控器中，电能存储器接收磁能转化为电能，给法拉电容FC快速充电，法拉电容FC相当于一个电池，T+为正极，T-为负极，可以直接给遥控器供电。

例二、心脏起搏器的干电池的替代方法。

心脏起搏器的电池通常植于胸前的皮肤下面，一般每隔一年的时间就要切开皮肤更换电池，这给病人带来了更多的肉体上和精神上的痛苦，还有经济上的负担。若采用本方案的供电方法，则可以不用手术，只要定期充电一次就可以补充电能，且充电时间只需要几分钟。

如附图1所示，无线充电器TX做成一个便携式的外置充电板，电能存储器RX当作一个可充电的电池，用于取代原来的干电池，其中法拉电容使用1F的小体积电容。由于要植入人体皮肤内，RX的电子元件和材料必须符合以下几个条件：微型化、最小厚度、环保无害、防腐。

其工作原理与例一相同，唯有对元件和生产工艺的要求不同，不再重复。

使用时，手持无线充电器，将发射线圈L1靠近人体皮肤内的接收线圈L2，并保持几分钟，然后移走无线充电器。

例三、钟表干电池的替代方法。

原理如图1所示，在钟表内，由于大量的金属零件，可能会吸收来自无线充电器TX的能量，产生涡流而发热，因此，电能存储器RX所用的接收线圈L2可以用体积小的磁芯线圈，同样，无线充电器的发射线圈L1也是磁芯线圈，由于两个磁芯线圈都比较小，因此，只能点对点充电，即发射线圈L1与接收线圈L2对齐，在电能发射的外壳上必须给钟表一个可以固定的位置。

特别声明，这里所列举的几个例子是本发明的几个典型示范，本发明包含它们在内，但不局限于此，微功耗的电器多种多样，只要根据本发明的原理制作的干电池替代方案，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种干电池替代方案，方案由无线充电器和电能存储器两部分组成，其特征是，无线充电器和电能存储器在结构上是完全分离的，两者之间没有物理上的任何电路连接，无线充电器就可以将电能转化为磁能传递给电能存储器，电能存储器内将磁能转化电能并储存在法拉电容中；电能存储器相当于一个充电电池，可以直接替代原来的干电池；

具体地说，无线充电器是一个电/磁转化电路，主要由一个并联的LC谐振发射回路与一个功率开关，即发射专用芯片串联组成，这个发射专用芯片是一种具有固定频率的功率开关，内置振荡器和功率输出管，外部并联的LC发射回路的频率与发射芯片的频率一致，整个电路工作于谐振状态下，电能在发射线圈L的作用下，转化为磁能，并向线圈的两侧发射出去，传递给电能存储器；

电能存储器是一个具有与无线充电器相同谐振频率的磁/电转化电路，由一个接收线圈、一个接收控制芯片、整流滤波电路及法拉电容组成；接收电路采用半波整流，即接收线圈的一端接一个整流二极管，将电能先贮存于滤波电容中，再通过一个保护二极管，将电能储存于法拉电容中供电器使用，法拉电容的正极相当于电池的正极，它的负极相当于电池的负极；接收控制芯片的输入端和输出端分别接在整流二极管的输入端和输出端，以控制接收电流的大小，达到稳压输出的目的。

2.根据权利要求1所述的干电池替代方案，其特征是：无线充电器作为一个独立的供电底座置于电器的外部，电能存储器包括法拉电容FC，置于电器的内部，替代原来的干电池，与电器整合成一体，无线充电器与电能存储器靠近时，可以实现非接触式充电。

3.根据权利要求1所述的干电池替代方案，其特征是：所用的发射芯片为VOX05MP01，VOX12MP05；所用的接收控制芯片为VOXR10D。

4.根据权利要求1所述的干电池替代方案，其特征是：所用的发射线圈和接收线圈可以选用以下结构的一种或两种：平面线圈，磁芯线圈，空芯线圈，或敷铜线圈和FPC线圈。