CN103931078B - 无线电力中继器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线电力中继器。所述无线电力中继器在无线电力发射器和电子装置之间中继电力。所述无线电力中继器包括:充电容器,所述充电容器具有至少一个侧面,其中,所述充电容器具有用于收纳电子装置的形式;中继线圈,所述中继线圈放置在所述充电容器的所述至少一个侧面中的一个侧面上,以利用谐振在所述无线电力发射器和所述电子装置之间中继所述电力。

Description

无线电力中继器
技术领域
[0001]本发明涉及一种无线电力中继器。更具体地,本发明涉及一种能够在同一时间有效地传输电力给多个接收器的无线电力中继器。
背景技术
[0002]通常,在诸如手机、笔记本电脑以及PDA的便携式电子装置中设置有蓄电池,以便在移动的时候,用户可以使用所述便携式电子装置。
[0003]然而,便携式电子装置配有额外的充电器来充电到蓄电池中。所述充电器连接到通常的电源,通过提供充电电流到便携式电子装置的蓄电池来充电到所述蓄电池中。同时,为了使得所述充电器提供充电电流到所述便携式电子装置的蓄电池中,构成充电器的充电主体必须电连接到所述便携式电子装置的蓄电池。为了将充电主体电连接到便携式电子装置的蓄电池,在有线充电器(接触型充电器)的情况下,充电主体和便携式电子装置或者蓄电池分别包括连接器。相应地,为了充电到便携式电子装置的蓄电池中,便携式电子装置或者蓄电池的连接器必须相互连接到充电主体的连接器。
[0004]但是,在通过连接器使充电体连接到蓄电体或便携式电子装置的接触型充电器中,连接器突出到外部,因此不仅影响了外观,而且连接器会受到外界异物污染进而发生连接故障。另外,由于在一些场合下不恰当的使用,连接器被短路,导致充电电池被完全放电。
[0005]为了解决上述问题,已经开发出了通过无线(非接触)方案将充电主体电连接到便携式电子装置的蓄电池来使充电主体的能量充入到蓄电体中的方案。
[0006]根据所述无线充电方案,以高频率运行的初级电路构成充电主体,并且次级电路构成蓄电池所在的一侧,也就是说,次级电路设置在便携式电子装置或蓄电池中,使得充电主体的电流即能量通过感应耦合被供应给便携式电子装置的蓄电池。采用感应耦合的无线充电方案已经被应用在多个应用领域(例如,电动牙刷或电动剃须刀)。
[0007] 然而,当无线充电方案应用于诸如手机、便携式MP3播放器、CD播放器、MD播放器、盒式磁带播放器、笔记本电脑以及PDA等便携式电子装置时,待充电的目标具有各种尺寸并且需要各种电力(充电容量)来充电。
[0008]因此,当安装在各种电子装置上的无线电池通过使用无线充电器充电时,必须基于待充电目标的尺寸和容量使用恰当实现的无线充电器以提高充电效率。
[0009]然而,当用户使用适合于每种无线电池充电的充电器来给安装在各种电子装置上的无线电池充电时,用户必须持有各种类型的无线充电器。此外,如果需要的话,用户必须不方便地寻找适合于每种无线电池的无线充电器来给无线电池充电。
[0010]另外,由于无法通过只使用一个充电主体来给具有不同尺寸和不同形状的多个便携式装置同时充电,使空间利用受到影响。
发明内容
[0011] 技术问题
[0012]本发明提供一种无线电力中继器,不论接收器的位置如何,所述中继器能够通过使用谐振现象同时将电力有效地充入到具有各种尺寸和形状的各种类型的接收器中。
[0013]技术方案
[0014]根据本发明的另一个实施例,本发明提供一种在无线电力发射器和电子装置之间中继电力的无线电力中继器,所述无线电力中继器包括具有至少一个侧面的充电容器,其中,所述充电容器具有用于收纳电子装置的形式,中继线圈布置在所述充电容器的所述至少一个侧中的一个侧上,以利用谐振在所述无线电力发射器与所述电子装置之间中继电力。
[0015]有益效果
[0016]如上所述,根据本发明的各种实施例,本发明具有以下效果。
[0017] 第一,通过使用布置在充电容器的一侧上的中继线圈的结构,可以给电子装置同时充电,不受电子装置的位置、尺寸、形状和数量的影响。
[0018]第二,即使无线电力发射器和电子装置的位置或方向并未处于合适的位置或方向上,使用布置在充电容器的一侧上的中继线圈的结构也能够提高电力传输效率。
[0019]第三,使用中继部分的结构来集中磁通量可以提高无线电力效率。
附图说明
[0020]图1是示出根据本发明一个实施例的无线电力传输系统的示图;
[0021]图2是示出根据本发明一个实施例的发射感应线圈210的等效电路的电路图;
[0022]图3是示出根据本发明一个实施例的电源装置100和无线电力发射器200的等效电路的电路图;
[0023]图4是示出根据本发明一个实施例的无线电力接收器300的等效电路的电路图;
[0024]图5是示出根据本发明一个实施例的包括无线电力中继器的无线电力传输系统的示图;
[0025]图6是示出根据本发明一个实施例的无线电力中继器的结构和磁通量的示图;以及
[0026]图7是示出根据本发明的另一个实施例的无线电力中继器的结构的示图。
具体实施方式
[0027]在下文中,将参照附图详细描述实施例,以使得本领域的技术人员可以容易地实施所述实施例。
[0028]图1是示出根据本发明一个实施例的无线电力传输系统的示图。
[0029]参照图1,所述无线电力传输系统可以包括电源装置100、无线电力发射器300、无线电力接收器300以及负载400。
[0030]根据一个实施例,电源装置100可以被包含在无线电力发射器200内。
[0031 ] 无线电力发射器200可以包含发射感应线圈210和发射谐振线圈220。
[0032]无线电力接收器300可以包括接收谐振线圈、接收感应线圈320、整流单元330和负载400。
[0033]电源装置100的两个端子连接到发射感应线圈210的两个端子。
[0034] 发射谐振线圈220可以与发射感应线圈210间隔开预定距离。
[0035]接收谐振线圈310可以与接收感应线圈320间隔开预定距离。
[0036]接收感应线圈320的两个端子连接到整流单元330的两个端子,并且负载400连接到整流单元330的两个端子。根据一个实施例,负载400可以被包含在无线电力接收器300内。
[0037]从电源装置100产生的电力被传输到无线电力发射器200。在无线电力发射装置200中接收的电力被传输到无线电力接收器300,由于谐振现象无线电力接收器与无线电力发射器200形成共振,也就是说,无线电力接收器具有与无线电力发射器200的谐振频率相同的谐振频率。
[0038]在下文中,将详细描述电力传输过程。
[0039]电源装置100产生具有预定频率的交流电并传输交流电至无线电力发射器200。
[0040]发射感应线圈210和发射谐振线圈220相互电感耦合。换言之,如果由于从电源装置100接收的电力,交流电流流经发射感应线圈210,那么发射谐振线圈220利用电磁感应被感应到交流电流,发射谐振线圈与发射感应线圈210在物理上间隔开。
[0041 ]然后,在发射谐振线圈220中接收的电力被传输到无线电力接收器300,该无线电力接收器利用谐振与无线电力发射器200形成谐振电路。
[0042]可以利用谐振在阻抗匹配的两个LC电路之间传输电力。利用谐振传输电力与通过电磁感应传输电力相比能够传输地更远,效率更高。
[0043]接收谐振线圈310利用谐振从发射谐振线圈220接收电力。交流电流通过所接收的电力流经接收谐振线圈310。在接收谐振线圈310中接收的电力通过电磁感应传输给接收感应线圈320,所述接收感应线圈与接收谐振线圈310电感耦合。在接收感应线圈320中所接收的电力通过整流单元330整流并被传输给负载400。
[0044]无线电力发射器200的发射谐振线圈220利用磁场可以传输电力给无线电力接收器300的接收谐振线圈310。
[0045]详言之,发射谐振线圈220和接收谐振线圈310磁性谐振耦合并且它们中的每一个都能够在谐振频率下工作。
[0046]发射谐振线圈220和接收谐振线圈310之间的谐振耦合能显著提高无线电力发射器200和无线电力接收器300之间的电力传输效率。
[0047]品质因数和耦合系数在无线电力传输中是重要的。换言之,电力传输效率可以随着品质因数和耦合系数的值增加而逐渐提高。
[0048]品质因数指的是在无线电力发射器或无线电力接收器附近可以接收的能量的指标。
[0049]品质因数可以根据工作频率W,线圈的形状、尺寸和材料而变化。品质因数可以表示为下面的公式,Q = w*L/R。在上述公式中,L指线圈的电感,R指的是与在线圈中导致的电力损失的量相对应的电阻。
[0050]品质因数可以具有O到无穷大的值。
[0051]耦合系数表示在发射线圈和接收线圈之间的感应耦合的程度,并且具有O至I的值。
[0052]耦合系数可以根据发射线圈和接收线圈之间的相对位置和距离而变化。
[0053]图2是示出根据本发明一个实施例的发射感应线圈210的等效电路的电路图。
[0054] 如图2所示,发射感应线圈210可以包含电感器LI和电容器Cl,并且通过电感器LI和电容器Cl可以构造具有想要的电感和想要的电容的电路。
[0055]发射感应线圈210可以构建为一种等效电路,在该等效电路中,电感器LI的两端连接到电容器Cl的两端。换言之,发射感应线圈210可以构建为一种等效电路,在该等效电路中,电感器LI并联连接到电容器Cl。
[0056]电容器Cl可以包括可变电容器,并且可以通过调整该可变电容器进行阻抗匹配。发射谐振线圈220、接收谐振线圈310以及接收感应线圈320的等效电路可以与图2所示的电路相同。
[0057]图3是示出根据本发明一个实施例的电源装置100和无线电力发射器200的等效电路的电路图。
[0058] 如图3所示,通过分别使用具有预定电感和电容的电感器LI和L2以及电容器Cl和C2,可以构造发射感应线圈210和发射谐振线圈220。
[0059]图4是示出根据本发明一个实施例的无线电力接收器300的等效电路的电路图。
[0060] 如图4所示,通过分别使用具有预定电感和电容的电感器L3和L4以及电容器C3和C4,可以构造接收谐振线圈310和接收感应线圈320。
[0061] 通过使用二极管Dl和整流电容器C5可以构造整流单元330,并且该整流单元通过将交流电转换成直流电可以输出直流电。
[0062] 整流单元330可以包含整流器和平流电路。该整流器可以包括作为整流元件的硅整流器。
[0063]该平流电路对整流器的输出进行平流。
[0064]负载400可以包括预定可充电电池或需要直流电的装置。例如,负载400可以指蓄电池。
[0065]无线电力接收器300可以安装在需要电力的电子装置上,例如,手机、笔记本电脑、或者鼠标。
[0066]无线电力发射器200可以利用与无线电力接收器300的带内通信来调整传输给无线电力接收器300的电力。
[0067]所述带内通信是指利用具有在无线电力发射中所用的频率的信号在无线电力发射器200和无线电力接收器300之间交换信息的通信。通过开关操作,无线电力接收器300可以接收或不接收从无线电力发射器200传输的电力。因此,无线电力发射器200检测在无线电力发射器200中消耗的电量来识别无线电力接收器300的开信号或关信号。
[0068] 详言之,通过使用电阻器和开关,无线电力接收器300可以通过调整在电阻器内吸收的电量来改变无线电力发射器200中的电力消耗。无线电力发射器200检测电力消耗的变化来获得无线电力接收器300的状态信息。该开关可以串联连接到该电阻器。
[0069]更详言之,如果开关是断开的,那么电阻器内吸收的电力变为零,并且无线电力发射器200中消耗的电力减少。
[0070]如果开关是闭合的,电阻器内吸收的电力变得大于零,并且无线电力发射器200中消耗的电力增加。如果无线电力接收器重复上述操作,无线电力发射器200检测其中的电力消耗来与无线电力接收器300通信。
[0071]无线电力发射器200通过上述操作接收无线电力接收器300的状态信息,使得无线电力发射器200能够发射恰当的电力。
[0072] 相比之下,无线电力发射器200包括电阻器和开关来将无线电力发射器200的状态信息发射到无线电力接收器300。
[0073]图5是示出根据本发明一个实施例的包括无线电力中继器的无线电力传输系统的示图。
[0074]参照图5,该无线电力传输系统可以包括电源装置100、无线电力发射器200以及无线电力中继器500。
[0075]该无线电力传输系统可以进一步包括图1所示的无线电力接收器300。无线电力接收器300可以安装在图5所示的电子装置600上,并且从无线电力发射器200和无线电力中继器500以无线方式接收电力。
[0076]无线电力发射器200可以包括图1所示的发射感应线圈210和发射谐振线圈220。
[0077] 无线电力中继器500可以与无线电力发射器200和无线电力接收器300谐振耦合。换言之,无线电力中继器500可以利用谐振从无线电力发射器200接收电力,并且利用谐振将接收到的电力传输到配备有无线电力接收器300的电子装置600。
[0078]在下文中,对于电子装置600的电力接收的描述是基于以下假设:电子装置600的电力接收的执行方式与安装在电子装置600上的无线电力接收器300的电力接收的执行方式相同。
[0079]换言之,无线电力发射器200从连接到外部装置的电源装置100接收电力,并且通过基于谐振的非辐射方案将电力传输给无线电力中继器500,该电力会通过与发射谐振线圈的耦合来传输。
[0080] 无线电力发射器200可以传输电力给无线电力中继器500和电子装置600。换言之,电子装置600可以从无线电力发射器200和无线电力中继器500接收电力。
[0081] 如图5所示,无线电力发射器200可以布置在电子装置600的底侧。
[0082] 无线电力中继器500可以包含充电容器510和中继部分520。
[0083] 充电容器510可以收纳电子装置600。如图5所示,充电容器510的形状可以是六面体的盒子形状。但是,本实施例并不限于此,而且充电容器510可以具有足够收纳电子装置600的各种形状,例如,圆柱形或者矩形棱柱形。
[0084]中继部分520可以包括中继线圈和电容器,所述中继线圈和电容器被构建成用于与无线电力发射器200的发射谐振线圈谐振耦合。
[0085]所述电容器可以包括具有固定电容的固定电容器和具有可变电容的可变电容器。
[0086]中继线圈可以与无线电力发射器200的发射谐振线圈220谐振耦合以在谐振频率下接收电力。中继线圈可以与安装在电子装置600上的接收谐振线圈310谐振耦合以在谐振频率下向电子装置600发射电力。
[0087]可以通过使用一整条导电线沿充电容器510的至少一个侧面形成重复图案来提供该中继线圈。
[0088]如果充电容器510具有六面体盒子形状,则可以通过将一整条导电线围绕六面体充电容器510的外部部分缠绕几圈来构建该中继线圈。
[0089]充电容器510可以具有在其中足够安装中继部分520的各种结构。优选地,充电容器510可以包括印刷电路板或者柔性绝缘膜(基膜)。
[0090]中继部分520的中继线圈可以提供成导体线缠绕形式或导体图案。换言之,中继部分520的中继线圈可以具有导体图案,在所述导体图案中,包括导电性优越的金(Au)、银(Ag)、铝(Al)和铜(Cu)的金属薄膜层叠在充电容器510上。
[0091]因此,根据本发明,中继线圈应从广义上理解,并且可以通过缠绕导体线或蚀刻金属薄膜来形成。换言之,该中继线圈可以具有呈线圈形式的所有图案。
[0092]无线电力中继器500可以将电力传输给放置在无线电力发射器20不能传输电力之处的电子装置600。
[0093] 例如,如果手机610放置在作为图5所示的电子装置600的遥控器620上,并且不提供无线电力中继器500,那么磁场通过无线电力发射器200传输到遥控器620。但是,磁场到手机610的传输被遥控器620中断,因此手机610不能够有效接收来自无线电力发射器200的电力。在这种情况下,手机610可以从形成在充电容器510至少一个侧面上的无线电力中继器500的中继部分520接收电力,这些电力通常不能从无线电力发射器200接收。
[0094]虽然使用了两个无线电力接收器300,但是,即使电子装置600不能从无线电力发射器200接收电力,通过图5所示的无线电力发射器200和无线电力中继器500的结构,甚至至少两个电子装置600可以从无线电力中继器500接收电力。
[0095]同时,如图5所示,虽然电子装置600包括手机610和遥控器620,但本实施例并不限于此。换言之,电子装置600可以包括各种需要电力接收的小型电子装置,例如,PDA、便携式MP3播放器、⑶播放器。
[0096] 如上所述,通过使用无线电力发射器200和无线电力中继器500,不论电子装置600的位置和数量如何,电子装置600都可以同时充电。
[0097]图6是示出根据本发明一个实施例的无线电力中继器的结构和磁通量的示图。
[0098]在下文中,将描述根据本发明一个实施例的具有六面体结构的无线电力中继器500。
[0099]图6(a)是示出根据本发明一个实施例的无线电力中继器500的中继线圈的示图。
[0100]参照图6(a),中继部分520以螺线管线圈的形式放置在充电容器的侧壁上。当中继部分520的形式为具有矩形形状的螺线管线圈时沿着充电容器510的侧壁缠绕一整条导体线,磁场可以集中在无线电力中继器500底侧的中心部分上。因此,当在无线电力中继器500底侧的中心部分上设置电子装置600时,电子装置600可以有效地从无线电力中继器500接收电力。另外,在这种情况下,电子装置600可以通过从无线电力发射器200接收电力来更加迅速地充电。
[0101] 参照图6(b),磁通密度集中在无线电力中继器500的中心部分设置的手机610上,从而可以有效地实现电力传输。
[0102]虽然根据本发明的一个实施例,中继部分520的形式是具有矩形形状的螺线管线圈,但是本发明并不限于此,而且中继部分520的形式可以是具有诸如三角形、六边形,或八边形的多边形或圆形形状的电磁线圈。
[0103]虽然中继部分520以螺线管线圈的形式放置在充电容器510的侧壁上,但是中继部分520也可以呈螺旋形式。如图6(b)所示,即使在螺旋层叠结构的情况下,磁场也集中在无线电力中继器500的底侧的中心部分上,并且磁通量可以集中在无线电力接收器300上。所述螺旋形式可以具有诸如三角形、六边形或八边形的多边形形状或圆形。
[0104]图7是示出根据本发明的另一个实施例的无线电力中继器的结构示图。
[0105]图7所示的无线电力中继器500的结构补充了一种情况,在所述情况下,当无线电力发射器200和电子装置600处于其合适位置(方向)以外时,无法有效地实现电力传输。换言之,为了允许电子装置600有效地从无线电力发射器200接收电力,发射谐振线圈220和接收谐振线圈310都不能在其合适位置(方向)以外,使得从发射谐振线圈220产生的磁通量必须尽量多地传输到接收谐振线圈310。例如,当中继部分520放置在相对于电子装置600中所包含的接收谐振线圈310成90度方向上时,磁通量的方向可能错位从而消除。因此,无法正确地传输电力。
[0106]为了解决上述问题,可以通过以螺旋形式反复缠绕一整条导体线来形成在无线电力中继器500的每一个侧面上的中继线圈。如图7所示,中继部分520可以包含第一中继线圈521、第二中继线圈52,以及第三中继线圈523。
[0107]虽然图7示出了第一到第三中继线圈521、522和523,但是中继线圈可以额外放置在无线电力中继器500的除了顶侧以外的侧壁上。
[0108] 如果第一中继线圈521相对于电子装置600的接收谐振线圈成90度放置,磁通量的方向彼此消除,所以无法正确地传输电力。第二中继线圈522和第三中继线圈523以及接收谐振线圈的磁通量的方向不错位,才能够有效地传输电力。
[0109]另外,无线电力中继器500还包括控制器(未示出),并且所述控制器使电流以预定的时间间隔流过第一至第三中继线圈521、522和523。换言之,如果控制器对第一至第三中继线圈521、522和523以预定的时间间隔轮流施加电流来产生磁场,即使因为任一个中继线圈和电子装置600未处于其合适的位置而在该中继线圈与电子装置600之间无法稳定地传输电力,也可以有效地传输电力给电子装置600。例如,即使电子装置600的接收谐振线圈相对于第一至第三中继线圈521、522和523不成90度放置,而是相对于第一至第三中继线圈521、522、和523呈预定角度放置,第一至第三中继线圈521、522和523也依次发射磁场,所以能够有效地传输电力。
[0110]可以通过使用一个开关来实现允许电流以预定的时间间隔轮流流过第一至第三中继线圈521、522和523的操作。
[0111]如上所述,即使中继部分520和电子装置600在其合适位置(方向)以外,由于根据本发明的实施例的无线电力中继器500的结构,也可以有效地传输电力给电子装置600。
[0112]尽管由于说明性目的描述了本发明的优选实施例,但是,本领域的技术人员应当理解,不脱离本发明的附属权利要求书的范围和精神的各种修改、添加和替换是可能的。

Claims (8)

1.一种无线电力中继器,用于将从无线电力发射器接收的无线电力中继给电子装置,包括: 充电容器,具有至少一个侧面,其中,所述充电容器具有用于收纳电子装置的形式,第一线圈和第二线圈,所述第一线圈和所述第二线圈通过将一整条导体线反复缠绕而放置在所述充电容器的两个侧面处;以及 控制器,用于以预定的时间间隔令电流流过所述线圈; 其中,所述第一线圈和第二线圈是中继线圈。
2.根据权利要求1所述的无线电力中继器,其中,每一个线圈具有螺旋形式或圆形形状。
3.根据权利要求1所述的无线电力中继器,其中,所述充电容器具有六面体形状。
4.根据权利要求1所述的无线电力中继器,其中,每一个线圈具有螺线管形式或螺旋形式。
5.根据权利要求1所述的无线电力中继器,其中,所述充电容器包括印刷电路板(PCB)。
6.根据权利要求1所述的无线电力中继器,其中,所述控制器通过使用开关来轮流地运作所述线圈。
7.根据权利要求1所述的无线电力中继器,进一步包括第三线圈, 其中,第三线圈是中继线圈, 其中,所述控制器通过以预定的时间间隔轮流地对所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈施加电流来生成磁场。
8.根据权利要求1所述的无线电力中继器,其中,每一个线圈通过使用谐振来在所述无线电力发射器和电子装置之间中继电力。
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