CN110165726B - 无线充电装置及充电方法 - Google Patents

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Abstract

无线充电装置，包括设有内空间的外壳、固定于所述内空间底部的环形轨道、安装于所述环形轨道的圆心位置处的驱动电机、可绕所述环形轨道转动的发射线圈、连接所述发射线圈与驱动电机的径向连杆及微控制器，所述驱动电机驱动所述发射线圈沿所述环形轨道移动寻找与待充电设备的最佳耦合位置；本申请还提供一种无线充电方法。

Description

无线充电装置及充电方法
技术领域
本申请涉及无线充电领域，尤其涉及一种无线充电装置及充电方法。
背景技术
WPC或Qi协议的无线充电技术是基于近场磁感应方式，将能量从初级线圈感应到次级线圈，从而达到无线电力传输的目的。为提高无线充电的系统效率，通常要求发射端和接收端的线圈必须尽可能对准并贴紧。虽然基于Airfuel协议的无线充电不要求完全对准，但是将导致充电效率大幅下降。因此，无论是WPC或Airfuel都希望尽可能对准线圈以提高系统效率。无线充电设备通常受限于空间或线圈尺寸，在实际使用时空间自由度比较低，影响用户的无线充电体验。
目前，主要有两种提高空间自由度的技术方式。其一，发射端采用多线圈组合的方式。该方式受限于线圈的数目，过多的线圈将导致成本提高并且效率会降低。同时，在切换线圈或控制方面变得很复杂。反之，过少的线圈空间自由度扩展有限，意义不大。另一种，发射端采用单线圈移动方式。该方式通过在充电设备基座内部，内置横轴(X轴)和纵轴(Y轴)导轨及步进电机。通过微控制器控制线圈移动靠近或对准待充电设备。由于需要内置两套独立的导轨和电机设备，提高了整体设备的成本以及控制复杂度。
发明内容
鉴于此，本申请提供了一种无线充电装置及无线充电方法，以在降低线圈数目的情况下，简化硬件结构，降低控制复杂度及成本，极大地提高无线充电装置的空间自由度。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种无线充电装置，包括设有内空间的外壳、固定于所述内空间底部的环形轨道、安装于所述环形轨道的圆心位置处的驱动电机、可绕所述环形轨道转动的发射线圈、连接所述发射线圈与驱动电机的径向连杆及微控制器，所述驱动电机驱动所述发射线圈沿所述环形轨道移动寻找与待充电设备的最佳耦合位置。
优选地，所述内空间包括以环形轨道的圆心为圆心的留置区及以环形轨道圆心为圆心的充电覆盖区，所述发射线圈的半径为r1，所述留置区的半径为rd，所述充电覆盖区的半径为rd+2r1，所述充电覆盖区的面积为环面，即不包括留置区。
优选地，所述发射线圈的沿环形轨道移动可以完全覆盖所述充电覆盖区。
优选地，所述内空间包括以环形轨道圆心为圆心的充电覆盖区，所述发射线圈包括安装于所述环形轨道上的第一发射线圈及安装于所述环形轨道的圆心位置处的第二发射线圈，所述第一、第二发射线圈的半径分别为r1，r2。
优选地，所述发射线圈还包括第三至第N发射线圈，所述第一至第N发射线圈的圆心处于同一直线上，所述第二发射线圈固定于所述环形轨道圆心位置处不可移动，所述第一、第三至第N个发射线圈连接为一个整体。
优选地，所述微控制器最终选择第一至第N发射线圈中与待充电设备耦合度最高的一个为待充电设备充电，其余发射线圈则处于初始检测状态。
优选地，所述驱动电机的转动直接驱动所述径向连杆带动所述第一、第三至第N发射线圈在所述环形轨道上转动，所述第一至第N发射线圈的投影上相互部分重合或者相邻两个发射线圈的外边缘局部处于同一平面。
为解决上述技术问题，本申请还提供了一种无线充电方法，包括如下步骤：
S10、实时检测是否有待充电设备，若检测到有待充电设备，则发送充电指示信号给微控制器；
S20、获取当前若干发射线圈的Q值，并选出Q值最低的充电线圈或者选出Q值较低的2或3个发射线圈；
S30、将选出的一个发射线圈与待充电设备建立连接，或者选出的多个发射线圈分时与待充电设备建立连接；
S40、获取当前发射线圈的充电效率值，将获取的充电效率值与预设值进行比较：当充电效率值高于预设值时，所述发射线圈在当前位置持续为待充电设备充电；当充电效率值低于预设值时，移动发射线圈在环形轨道上的位置直至当前充电效率值高于预设值止。
优选地，步骤S40还包括：当充电效率值低于预设值时：
所述发射线圈沿着环形轨道顺时针或逆时针移动到下一个预设位置并获取当前位置的充电效率值：若当前充电效率值大于前一次获取的充电效率值，则继续沿同一方向移动一个位置直至获取的充电效率值大于预设值；若当前充电效率值小于前一次获取的充电效率值，则反向移动到下一个位置直至获取的充电效率值大于预设值。
优选地，还包括步骤S50、当充电结束或待充电设备移走时，所述发射线圈自动移动至预设的默认位置或直接停留在当前位置或选择一个该用户常用位置。
本申请通过设置环形轨道，仅需较少的发射线圈沿所述环形轨道移动即可覆盖无线充电装置的所有表面区域，节省成本的同时，提供了真正意义上的自由定位需求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本申请无线充电装置实施例1的示意图；
图2为本申请无线充电装置实施例2的示意图；
图3为本申请无线充电装置实施例3的示意图；
图4为本申请无线充电装置实施例4的示意图；
图5为本申请无线充电装置实施例5的示意图；
图6为本申请无线充电装置位置移动的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
请参阅图1所示，本申请实施例1的无线充电装置包括外壳1、安装于所述外壳1内的发射线圈2、驱动电机3、环形轨道4、径向轨道5、径向连杆6、连接器7及微控制器8。所述外壳1呈圆柱体类结构，所述外壳1内中空形成内空间，所述内空间为柱形空间，所述内空间设有圆心A；所述内空间9包括以所述圆心A为圆心、半径为rd的留置区及以圆心A为圆心的充电覆盖区9，所述发射线圈2的半径为r1，所述环形轨道4的半径为rd+r1，所述充电覆盖区9的半径大于rd+2r1。所述驱动电机3安装于所述留置空区的圆心A位置处，所述径向连杆6连接所述驱动电机3与所述发射线圈2的圆心，所述驱动电机3转动时通过所述径向连杆6驱动所述发射线圈2沿所述环形轨道4转动。所述径向轨道5在径向方向固定于所述发射线圈2上侧或下侧，所述发射线圈2可沿所述径向轨道5在径向方向运动，所述径向轨道5以所述发射线圈2的圆心为起点在径向方向两侧延伸。
所述连接器7用于使所述发射线圈2电性连接电源。
所述驱动电机3还可以驱动所述发射线圈2沿所述径向轨道5移动，此时，可使所述发射线圈2脱离所述环形轨道4。当通过一个驱动电机3来驱动所述发射线圈2在环形轨道4及径向轨道5上移动时，需要一个离合装置，使所述驱动电机分时控制所述发射线圈2在环形轨道4及在径向轨道5的移动。或者，在所述发射线圈2或所述径向轨道5上设置第二驱动电机以驱动所述发射线圈2在径向方向的移动。
请参阅图6所示，本实施例1的无线充电装置的充电方法包括如下步骤：
S10、实时检测是否有待充电设备，若检测到有待充电设备，则发送充电指示信号给微控制器；
此步骤中，通过一些周期性工作或伺服的辅助设施或方法，例如辅助定位线圈、发射线圈Q值检测、重力感应、红外感应或其他传感器等检测是否有待充电设备。在检测不到待充电设备时，所述驱动电机处于休息状态，从而减小待机功耗，并提高电机寿命。
S20、微控制器8接收到充电指示信号时，微控制器8控制发射线圈与待充电设备建立连接；
此步骤中所述发射线圈2与待充电设备之间建立的连接可以是WPC或Qi协议。
S30、获取当前发射线圈2的充电效率值，将获取的充电效率值与预设值进行比较：当充电效率值高于预设值时，所述发射线圈2在当前位置持续为待充电设备充电；当充电效率值低于预设值时，移动发射线圈2在环形轨道4上的位置直至当前充电效率值高于预设值止。充电效率值是待充电设备的接收功率除以发射线圈的发射功率获得。
当充电效率值低于预设值时：微控制器8控制驱动电机3驱动所述发射线圈2沿着环形轨道4顺时针或逆时针移动到下一个预设位置L1，L2并获取当前位置的充电效率值：
若当前充电效率值大于前一次获取的充电效率值，则继续沿同一方向移动一个位置直至获取的充电效率值大于预设值；
若当前充电效率值小于前一次获取的充电效率值，则反向移动到下一个位置直至获取的充电效率值大于预设值。
此步骤中，所述发射线圈在所述环形轨道上的位置，依据无线充电装置和发射线圈的大小来设置，例如平均分成4、8、12、16等分。充电效率值的比较算法可以采用经典的二分查找法减少迭代时间，或者简单的轮询比较等。如果在上述过程的任何位置，当充电效率值高于预设值时，查找结束；否则，优选一个最佳效率值的位置。
S40、获取发射线圈在径向轨道上的最佳位置以获得最优充电效率值；
S401、微控制器8控制驱动电机驱动所述发射线圈2在径向轨道5上沿内或外移动至下一个位置J1，J2并获取当前位置的充电效率值：若当前充电效率值大于当前移动位置之前的充电效率值，则继续沿同方向移动一个位置直至找到最优充电效率值的位置；若当前充电效率值小于当前移动之前的充电效率值，则反向移动至下一个位置直至找到最优充电效率值的位置。
S50、当充电结束或待充电设备移走时，所述发射线圈2自动移动预设的默认位置或直接停留在当前位置或选择一个该用户常用位置。
本实施例通过设置环形轨道与径向轨道，仅需要一个较小的发射线圈即可覆盖无线充电装置的所有表面区域。且只需要一个驱动电机用于分时驱动环形或径向的移动或两个驱动电机分别驱动环形或径向移动，节省成本的同时，提供了真正意义上的自由定位需求。
实施例2
请参阅图2所示，本申请实施例2的无线充电装置包括外壳1、安装于所述外壳1内的发射线圈2、环形轨道4、径向连杆6、连接器7及微控制器8。所述外壳1呈圆柱体类结构，所述外壳1内中空形成内空间，所述内空间为柱形空间，所述内空间设有圆心A；所述内空间包括以所述圆心A为圆心、半径为rd的留置区及以圆心A为圆心的充电覆盖区9，所述发射线圈2的半径为r1，所述环形轨道4的半径为rd+r1，所述充电覆盖区9的半径为2r1+rd，即所述发射线圈2绕环形轨道4一周，所述发射线圈2即可完全覆盖所述充电覆盖区9，发射线圈2的覆盖面积＝π(2r1+rd)2-πrd2＝4πr1 2+2πr1rd。所述驱动电机3安装于所述留置空区的圆心A位置处，所述径向连杆6连接所述驱动电机3与所述发射线圈2的圆心，所述驱动电机3转动时通过所述径向连杆6驱动所述发射线圈2沿所述环形轨道4转动。
参阅图6所示，实施例2的无线充电装置的充电方法包括如下步骤：
S10、实时检测是否有待充电设备，若检测到有待充电设备，则发送充电指示信号给微控制器；
此步骤中，通过一些周期性工作或伺服的辅助设施或方法，例如辅助定位线圈、发射线圈Q值检测、重力感应、红外感应或其他传感器等检测是否有待充电设备。在检测不到待充电设备时，所述驱动电机处于休息状态，从而减小待机功耗，并提高电机寿命。
S20、微控制器8接收到充电指示信号时，微控制器8控制发射线圈2与待充电设备建立连接；
此步骤中所述发射线圈2与待充电设备之间建立的连接可以是WPC或Qi协议。
S30、获取当前发射线圈2的充电效率值，将获取的充电效率值与预设值进行比较：当充电效率值高于预设值时，所述发射线圈2在当前位置持续为待充电设备充电；当充电效率值低于预设值时，移动发射线圈2在环形轨道4上的位置直至当前充电效率值高于预设值止。
当充电效率值低于预设值时：微控制器8控制驱动电机3驱动所述发射线圈2沿着环形轨道4顺时针或逆时针移动到下一个预设位置L1，L2并获取当前位置的充电效率值：
若当前充电效率值大于前一次获取的充电效率值，则继续沿同一方向移动一个位置直至获取的充电效率值大于预设值；
若当前充电效率值小于前一次获取的充电效率值，则反向移动到下一个位置直至获取的充电效率值大于预设值。
此步骤中，所述发射线圈在所述环形轨道上的位置，依据无线充电装置和发射线圈的大小来设置，例如平均分成4、8、12、16等分。充电效率值的比较算法可以采用经典的二分查找法减少迭代时间，或者简单的轮询比较等。如果在上述过程的任何位置，当充电效率值高于预设值时，查找结束；否则，优选一个最佳效率值的位置。
S40、当充电结束或待充电设备移走时，所述发射线圈2自动移动预设的默认位置或直接停留在当前位置或选择一个该用户常用位置。
本实施例仅设置环形轨道，并设置一个直径与充电覆盖区半径相等的发射线圈，所述发射线圈绕环形轨道一周即可完全覆盖所述充电覆盖区9。且只需要一个驱动电机驱动所述发射线圈绕环形轨道移动即可，结构简单、成本较低。
实施例3
请参阅图3所示，本申请实施例3的无线充电装置包括外壳1、安装于所述外壳1内的第一发射线圈2、第二发射线圈10、驱动电机3、环形轨道4、径向连杆6、连接器7及微控制器8。所述外壳1呈圆柱体类结构，所述外壳1内中空形成内空间，所述内空间为柱形空间，所述内空间设有圆心A；所述内空间包括以圆心A为圆心的充电覆盖区9。所述第一发射线圈2的半径为r1，所述第二发射线圈10的半径为r2，所述第一发射线圈2滑动固定于所述环形轨道4上，所述第二发射线圈10安装于所述圆心A位置处。所述环形轨道4的半径为第一发射线圈2与第二发射线圈10的圆心之间的距离d12，所述第一发射线圈2与第二发射线圈10部分位置重合且处于上下两层设计；或者，所述第一发射线圈2与所述第二发射线圈10的外侧缘切合，即所述环形轨道4的半径等于所述第一发射线圈2与第二发射线圈10的半径之和。优选所述第一发射线圈2的半径大于所述第二发射线圈10。所述第二发射线圈10是可以转动或者是不可动的。
所述充电覆盖区9的半径为d12+r1。所述驱动电机3安装于所述内空间的圆心A位置处，所述径向连杆6连接所述驱动电机3与所述第一发射线圈2的圆心，所述驱动电机3转动时通过所述径向连杆6驱动所述第一发射线圈2沿所述环形轨道4转动。
所述连接器7用于使所述发射线圈2电性连接电源。
实施例4
请参阅图4所示，本申请实施例4的无线充电装置相较于实施例3的区别在于，除所述第一、第二发射线圈2，10外，还在第一发射线圈2的径向外侧或内设有若干第三发射线圈11。本实施例发射线圈2，10，11可以完全覆盖充电覆盖区9，覆盖面积＝π(d12+d13+r3)2，其中d12<r1+r2,d13<r1+r3,d12是第一发射线圈2与第二发射线圈10圆心之间的距离，d13是第一发射线圈2与第三发射线圈11圆心之间的距离，r3是第三发射线圈11的半径。第一、第二、第三发射线圈2，10，11的圆心处于同一直线上。
请参阅图6所示，本实施例3、实施例4的无线充电装置的充电方法包括如下步骤：
S10、实时检测是否有待充电设备，若检测到有待充电设备，则发送充电指示信号给微控制器；
此步骤中，通过一些周期性工作或伺服的辅助设施或方法，例如辅助定位线圈、发射线圈Q值检测、重力感应、红外感应或其他传感器等检测是否有待充电设备。在检测不到待充电设备时，所述驱动电机处于休息状态，从而减小待机功耗，并提高电机寿命。
S20、获取当前若干发射线圈的Q值，并选出Q值最低的充电线圈或者选出Q值较低的2或3个发射线圈；
此步骤中，Q值是发射线圈(电感)的品质因素，Q值会随所述发射线圈上是否有负载而产生变化。
S30、将选出的一个发射线圈与待充电设备建立连接，或者选出的多个发射线圈分时与待充电设备建立连接；
此步骤中所述发射线圈2与待充电设备之间建立的连接可以是WPC或Qi协议。
S40、获取当前发射线圈2的充电效率值，将获取的充电效率值与预设值进行比较：当充电效率值高于预设值时，所述发射线圈2在当前位置持续为待充电设备充电；当充电效率值低于预设值时，移动发射线圈2在环形轨道4上的位置直至当前充电效率值高于预设值止。
当充电效率值低于预设值时：微控制器8控制驱动电机3驱动所述发射线圈2沿着环形轨道4顺时针或逆时针移动到下一个预设位置L1，L2并获取当前位置的充电效率值：
若当前充电效率值大于前一次获取的充电效率值，则继续沿同一方向移动一个位置直至获取的充电效率值大于预设值；
若当前充电效率值小于前一次获取的充电效率值，则反向移动到下一个位置直至获取的充电效率值大于预设值。
此步骤中，所述发射线圈在所述环形轨道上的位置，依据无线充电装置和发射线圈的大小来设置，例如平均分成4、8、12、16等分。充电效率值的比较算法可以采用经典的二分查找法减少迭代时间，或者简单的轮询比较等。如果在上述过程的任何位置，当充电效率值高于预设值时，查找结束；否则，优选一个最佳效率值的位置。
S50、当充电结束或待充电设备移走时，所述发射线圈自动移动预设的默认位置或直接停留在当前位置或选择一个该用户常用位置。
实施例5
请参阅图5所示，实施例5是在实施例3和实施例4的基础上，省去环形轨道4，直接利用驱动电机3驱动发射线圈顺时针或逆时针转动。该实施例中的发射线圈可以是两个或三个其中一个发射线圈与所述驱动电机3一起固定于圆心位置。以此类推，也可以增加更多的线圈，可以是轴单边或轴中心对称的方式设置。
实施例5的无线充电装置的充电方法与实施例3、实施例4的充电方法类似，差别在于，所述发射线圈的环形移动是通过电机转动直接带动发射线圈转动，而无须环形轨道的配合。
此外，实施例3至实施例5为多发射线圈模式，可以允许放置多个待充电设备。因此，通过微控制器控制算法的支持，充电装置也可以支持多个设备依次顺序充电，直到所有被检测到的设备都完成充电。例如，当按上述充电步骤和方法，充电完成以后，充电装置重复第一步预检测功能。由于已完成设备可能未及时移除，或仍有其他设备在充电区域，导致预检测输出判断仍有设备放入。充电装置将在上一个完成位置后，继续顺序扫描其他位置，检测是否有未充电完成的设备。当所有扫描完成后，如未发现更多待充电设备，或预检测结果未发现设备放入，充电装置充电完成，重新进入周期性工作或伺服的状态。
本申请的无线充电装置，在尽可能少增加硬件成本或控制复杂度的基础上，极大的提高了无线充电装置的空间自由度。本申请的无线充电方法，用于上述发明实施例的无线充电装置中，确保上述技术方案实施中的简单高效。从而提升了用户的无线充电体验，真正做到随意放置均可充电，同时可以支持单个或多个待充电设备依次充电。进而推动无线充电的更广泛应用。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种基于无线充电装置的无线充电方法，其特征在于，该装置包括外壳、安装于所述外壳内的发射线圈、驱动电机、径向连杆、连接器及微控制器；所述外壳呈圆柱体类结构，所述外壳内中空形成内空间，所述内空间为柱形空间，所述内空间设有圆心A；所述内空间包括以圆心A为圆心的充电覆盖区；所述驱动电机驱动发射线圈顺时针或逆时针转动，发射线圈是两个或三个，其中一个发射线圈与所述驱动电机一起固定于圆心位置；圆心处的发射线圈通过径向连杆连接于其余的发射线圈，所述内空间中还设有微控制器；所述无线充电方法包括以下步骤：S10、实时检测是否有待充电设备，若检测到有待充电设备，则发送充电指示信号给微控制器；此步骤中，通过一些周期性工作或伺服的辅助设施或方法，通过辅助定位线圈、发射线圈Q 值检测、重力感应、红外感应传感器检测是否有待充电设备；在检测不到待充电设备时，驱动电机处于休息状态，从而减小待机功耗，并提高电机寿命；S20、获取当前若干发射线圈的Q值，并选出Q值最低的充电线圈或者选出Q值较低的2或3个发射线圈；此步骤中，Q值是发射线圈的品质因数，Q值会随所述发射线圈上是否有负载而产生变化；S30、将选出的一个发射线圈与待充电设备建立连接，或者选出的多个发射线圈分时与待充电设备建立连接；此步骤中所述发射线圈与待充电设备之间建立的连接是WPC或Qi协议；S40、获取当前发射线圈的充电效率值，将获取的充电效率值与预设值进行比较：当充电效率值高于预设值时，所述发射线圈在当前位置持续为待充电设备充电；当充电效率值低于预设值时，移动发射线圈的位置直至当前充电效率值高于预设值止，当充电效率值低于预设值时：微控制器控制驱动电机驱动所述发射线圈顺时针或逆时针移动到下一个预设位置，并获取当前位置的充电效率值：若当前充电效率值大于前一次获取的充电效率值，则继续沿同一方向移动一个位置直至获取的充电效率值大于预设值；若当前充电效率值小于前一次获取的充电效率值，则反向移动到下一个位置直至获取的充电效率值大于预设值；此步骤中，所述发射线圈的位置，依据无线充电装置和发射线圈的大小来设置，所述发射线圈的位置平均分成4、8、12、16等分；充电效率值的比较算法采用经典的二分查找法减少迭代时间，或者简单的轮询比较，当充电效率值高于预设值时，查找结束；否则，优选一个最佳效率值的位置；S50、当充电结束或待充电设备移走时，所述发射线圈自动移动预设的默认位置或直接停留在当前位置或选择一个用户常用位置。
2.根据权利要求 1所述的一种基于无线充电装置的无线充电方法，其特征在于，所述微控制器最终选择第一至第N 发射线圈中与待充电设备耦合度最高的一个为待充电设备充电，其余发射线圈则处于初始检测状态。
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