发明内容
有鉴于此,本发明提供一种无线充电装置,以实现在一定距离范围内高效率、低辐射、低剖面的汽车无线充电。
一种无线充电装置,包括:
与交流电源相连、具有第一特征指标的第一谐振线圈,所述第一谐振线圈位于发射端;
罩于所述第一谐振线圈外围、具有第一特定固有属性的第一电磁屏蔽罩;
与所述第一谐振线圈间隔预设距离、具有第一特征指标的第二谐振线圈,所述第二谐振线圈位于接收端;
与所述第二谐振线圈共平面、处于所述第二谐振线圈外围的负载线圈,所述负载线圈与外部器件相连、耦合所述第二谐振线圈携带的电能;
罩于所述第二谐振线圈和负载线圈外围、具有第一特定固有属性的第二电磁屏蔽罩;其中:
所述第一特征指标和第一特定固有属性均根据所述预设距离和预设频率计算得到,所述预设频率为第一谐振线圈和第二谐振线圈的谐振频率。
优选地,所述无线充电装置还包括:
与交流电源相连、与所述第一谐振线圈共平面并处于所述第一谐振线圈外围的驱动线圈,所述驱动线圈耦合所述交流电源提供的电能至所述第一谐振线圈。
优选地,所述第一谐振线圈和第二谐振线圈为平面螺旋结构。
优选地,所述谐振频率为电磁波开放频段的频率。
优选地,所述第一谐振线圈、第二谐振线圈和负载线圈的材料为铜质材料。
优选地,所述第一特征指标包括线圈匝数、内径、外径以及导线直径。
优选地,所述第一特定固有属性包括所述第一电磁屏蔽罩和第二电磁屏蔽罩的半径和厚度。
优选地,所述负载线圈和驱动线圈为单匝线圈。
从上述的技术方案可以看出,本发明提供的一种无线充电装置,包括罩于第一谐振线圈外围、具有第一特定固有属性的第一电磁屏蔽罩,以及罩于第二谐振线圈和负载线圈外围、具有第一特定固有属性的第二电磁屏蔽罩,电磁屏蔽罩的使用,屏蔽掉了汽车外界金属设备对谐振线圈的电磁干扰,消除了金属设备与线圈之间的强耦合现象,同时引入了谐振线圈与电磁屏蔽罩之间的互电容,降低了第一谐振线圈和第二谐振线圈之间的耦合系数,减小了发生过耦合的几率。另外,具有第一特征指标的第一谐振线圈和第二谐振线圈以及具有第一特定固有属性的第一电磁屏蔽罩和第二电磁屏蔽罩是根据预设距离和预设频率计算设计的,也保证了谐振线圈在一定距离范围内、不受外界干扰地、以稳定不变的谐振频率通电,以得到系统电能的高传输率,低辐射率,保证电能的充分利用。
并且,负载线圈以共平面的方式设置于所述第二谐振线圈的外围,提高了系统的低剖面性能,使得该装置在使用时不影响汽车底盘的高度,更加易于安装。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种无线充电装置,以实现在一定距离范围内高效率、低辐射、低剖面的汽车无线充电。
一种无线充电装置,如图1所示,包括:
与交流电源相连、具有第一特征指标的第一谐振线圈101,第一谐振线圈位于发射端;
罩于第一谐振线圈外围、具有第一特定固有属性的第一电磁屏蔽罩102;
与第一谐振线圈间隔预设距离、具有第一特征指标的第二谐振线圈103,第二谐振线圈位于接收端;
与第二谐振线圈103共平面、处于第二谐振线圈103外围的负载线圈104,负载线圈104与外部器件相连、耦合第二谐振线圈携带的电能;
罩于第二谐振线圈103和负载线圈104外围、具有第一特定固有属性的第二电磁屏蔽罩105;其中:
第一特征指标和第一特定固有属性均根据所述预设距离和预设频率计算得到,预设频率为第一谐振线圈和第二谐振线圈的谐振频率。
从上述实施例可以看出,本发明提供的一种无线充电装置,包括罩于第一谐振线圈101外围、具有第一特定固有属性的第一电磁屏蔽罩102,以及罩于第二谐振线圈103和负载线圈104外围、具有第一特定固有属性的第二电磁屏蔽罩105,电磁屏蔽罩的使用,屏蔽掉了汽车外界金属设备对谐振线圈的电磁干扰,消除了金属设备与线圈之间的强耦合现象,同时引入了谐振线圈与电磁屏蔽罩之间的互电容,降低了第一谐振线圈101和第二谐振线圈103之间的耦合系数,减小了发生过耦合的几率。另外,具有第一特征指标的第一谐振线圈和第二谐振线圈以及具有第一特定固有属性的第一电磁屏蔽罩和第二电磁屏蔽罩是根据预设距离和预设频率计算设计的,也保证了谐振线圈在一定距离范围内、不受外界干扰地、以稳定不变的谐振频率通电,以得到系统电能的高传输率,低辐射率,保证电能的充分利用。
并且,负载线圈104以共平面的方式设置于第二谐振线圈103的外围,提高了系统的低剖面性能,使得该装置在使用时不影响汽车底盘的高度,更加易于安装。
在本发明实施例公开的无线充电装置中,第二谐振线圈位于接收端,接收端是指汽车底盘上用来安装无线充电装置的位置,第一谐振线圈位于发射端,发射端是指汽车停泊处的地面,在设计第一谐振线圈和第二谐振线圈的位置时,采用对称结构,这样方便加工。一般情况下,汽车底盘距离汽车停泊处的地面应该是10到25厘米,但是,通常汽车底盘上安装有驱动轴突起的部分,它的厚度为5厘米,而无线充电装置显然不可能装在突起的位置上,因此,底盘高度通常是指驱动轴突起部分的顶部距离地面的高度,因此接收端的高度定位于15到30厘米之间,所以,预设距离应该取在这个范围之内。
众所周知,每个线圈均有其本身固有的谐振频率,线圈的规格不同,谐振频率也就随之不同,在实际制作线圈的过程中,第一特征指标根据预设距离15到30厘米之间和预设频率计算得到,预设频率为第一谐振线圈和第二谐振线圈的谐振频率。这里为了能量传输率的最大化,第一谐振线圈和第二谐振线圈都采用相同的规格,它们的谐振频率也因此相同。
正常来说,很多工业设备工作的频率都在一定的电磁波频段内,这个频段是无线频率委员会所规定的、一般工业设备正常工作的频段,为了不与这些工业设备形成电磁干扰,对彼此产生不利影响。本发明实施例公开的无线充电装置中,工程人员采用电磁波开放频段上的某个频率给系统供电,这样很少有其他设备工作于这个频率段内,因此也就不会对此无线充电装置产生电磁干扰。综合考虑制作线圈和获取此频率的难易程度等因素,工程人员采用13.56兆赫兹的交流电源给此无线装置供电,因此,就必须将谐振频率定为13.56兆赫兹。
在计算第一谐振线圈和第二谐振线圈的第一特征指标的时候,是根据第一谐振线圈和第二谐振线圈之间的距离范围以及两个线圈之间的距离在预设距离范围内变化,而第一谐振线圈和第二谐振线圈仍然保持以13.56兆赫兹的谐振频率工作,以保持系统的工作频率保持不变。这样在整个充电装置工作的过程中,才会使得电能以高效率传输,辐射到空间中损失的电能达到最小值,保证了电能的充分利用。
为了保证能量的传输效率不低于80%,辐射效率不高于0.25%,同时第一谐振线圈和第二谐振线圈在预设的距离范围内变化,一般是15到30厘米之间,第一谐振线圈和第二谐振线圈以不变的谐振频率13.56兆赫兹通电,第一谐振线圈与第二谐振线圈可以为平面螺旋结构,计算出谐振线圈的第一特征指标,主要包括线圈匝数、内径、外径以及导线直径。
计算时主要根据天线原理,当线圈工作在谐振频率时,谐振线圈中的电流成驻波特性,线圈长度约为谐振波长的一半,采用全波分析方法中的矩量法结合遗传算法进行优化。计算所得的线圈匝数为14.515圈,内径为5厘米,外径为15厘米,导线直径为0.3厘米,因此,在无线充电装置的制作中就选用这种规格的线圈,以实现在一定距离范围内高效率、低辐射、低剖面的汽车无线充电。
本发明另一实施例还公开了一种无线充电装置,如图2所示,除了包括:
与交流电源相连、具有第一特征指标的第一谐振线圈101,第一谐振线圈101位于发射端;
罩于第一谐振线圈101外围、具有第一特定固有属性的第一电磁屏蔽罩102;
与第一谐振线圈101间隔预设距离、具有第一特征指标的第二谐振线圈103,第二谐振线圈103位于接收端;
与第二谐振线圈103共平面、处于第二谐振线圈103外围的负载线圈104,负载线圈与外部器件相连、耦合第二谐振线圈103携带的电能;
罩于第二谐振线圈103和负载线圈104外围、具有第一特定固有属性的第二电磁屏蔽罩105;其中:
第一特征指标和第一特定固有属性均根据预设距离和预设频率计算得到,预设频率为第一谐振线圈101和第二谐振线圈103的谐振频率。
还包括:
与交流电源相连、与第一谐振线圈101共平面并处于第一谐振线圈外围的驱动线圈106,驱动线圈106耦合交流电源提供的电能至所述第一谐振线圈101。
从本发明另一实施例公开的无线充电装置中可以看出,电磁屏蔽罩的使用,屏蔽掉了汽车外界金属设备对谐振线圈的电磁干扰,消除了金属设备与线圈之间的强耦合现象,同时引入了谐振线圈与电磁屏蔽罩之间的互电容,降低了第一谐振线圈101和第二谐振线圈103之间的耦合系数,减小了发生过耦合的几率。另外,具有第一特征指标的第一谐振线圈和第二谐振线圈以及具有第一特定固有属性的第一电磁屏蔽罩和第二电磁屏蔽罩是根据预设距离和预设频率计算设计的,也保证了谐振线圈在一定距离范围内、不受外界干扰地、以稳定不变的谐振频率通电,以得到系统电能的高传输率,低辐射率,保证电能的充分利用。
并且,负载线圈104以共平面的方式设置于第二谐振线圈103的外围,以及驱动线圈106与第一谐振线圈101共平面并处于第一谐振线圈外围同时提高了系统的低剖面性能,使得该装置在使用时不影响汽车底盘的高度,更加易于安装。
第一电磁屏蔽罩102和第二电磁屏蔽罩105所具有的第一特定固有属性也是根据第一谐振线圈和第二谐振线圈之间的距离范围以及两个线圈之间的距离在预设距离范围内变化,而第一谐振线圈和第二谐振线圈的工作频率仍然保持不变计算得到的,如果工程人员仍然选用13.56兆赫兹,安装于距离地面高度为15到30厘米之间的汽车底盘上,在设计第一电磁屏蔽罩和第二电磁屏蔽罩时,计算的第一特定固有属性主要包括有第一电磁屏蔽罩和第二电磁屏蔽罩的半径和厚度,根据特定的算法计算屏蔽罩的半径为20厘米,厚度为1.5厘米。
在本发明另一实施例公开的无线充电装置中,交流电源也可以先给驱动线圈供电,利用磁耦合技术和麦克斯韦电磁理论,驱动线圈耦合电源电能至第一谐振线圈,这里采用的驱动线圈和第一谐振线圈共平面,以起到低剖面的作用。谐振线圈采用平面螺旋结构,其自身分布电感、分布电容及与屏蔽罩互电容构成谐振回路,以实现耦合驱动线圈电能及将谐振线圈中的电能耦合至负载线圈的目的。
在上述实施例公开的无线充电装置中,为了保证能量可以高效率、低辐射的传输,第一谐振线圈置于驱动线圈内部和第二谐振线圈置于负载线圈内部,使得次级线圈产生的磁场完全通过初级线圈的链路,提高了能量的传输效率。同时,工程人员在选用驱动线圈和负载线圈时,均采用单匝线圈,置于谐振线圈外,并且选用谐振频率与谐振线圈谐振频率相差较大的线圈,这样在通电过程中,不易与谐振线圈形成干扰。
实际选用线圈时,第一谐振线圈、第二谐振线圈、驱动线圈与负载线圈的材料可采用铜质材料,负载线圈直接与外置整流负载电路相连,实现给汽车的充电。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。