CN112260333A - 无线充电装置及无线充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线充电装置，包括：外壳、承载装置、驱动装置和若干发射线圈；所述外壳具有一收容空间，所述承载装置和所述驱动装置设于所述收容空间内；所述驱动装置驱动所述承载装置旋转，使设于所述承载装置上的若干所述发射线圈绕所述承载装置的轴心做环形运动至与待充电设备的最佳耦合位置；其中，若干所述发射线圈沿所述承载装置径向互相错位且间隔设于所述承载装置上，相邻两个所述发射线圈做环形运动形成的圆环覆盖区域部分重叠。本发明还提供了一种无线充电方法。

Description

无线充电装置及无线充电方法

技术领域

本发明涉及无线充电的技术领域，特别是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都希望尽可能对准接收和发射线圈，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显著提高，并且由于过多线圈的交叠会导致充电效率降低。反之，过少的线圈空间自由度扩展有限，无法达到自由放置的目的。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逐步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。目前也有通过内置单电机和多线圈的无线充电装置出现，但是仍存在多线圈交叠导致充电效率低等问题。

发明内容

基于此，为了解决上述方案的缺点，本发明提供了一种结构简单、成本低且线圈耦合度高的无线充电装置和无线充电方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种无线充电装置，包括：外壳、承载装置、驱动装置和若干发射线圈；所述外壳具有一收容空间，所述承载装置和所述驱动装置设于所述收容空间内；所述驱动装置驱动所述承载装置旋转，使设于所述承载装置上的若干所述发射线圈绕所述承载装置的轴心做环形运动至与待充电设备的最佳耦合位置；其中，若干所述发射线圈沿所述承载装置径向互相错位且间隔设于所述承载装置上，相邻两个所述发射线圈做环形运动形成的圆环覆盖区域部分重叠。

优选地，若干所述发射线圈通过环形运动形成的覆盖区域为充电覆盖区域。

优选地，所述发射线圈为3个、4个或N个，所述发射线圈圆心不在同一直线上，所述充电覆盖区域半径小于所述发射线圈直径之和。

优选地，所述承载装置为圆盘，所述圆盘为印刷电路板，所述发射线圈印制在所述圆盘上。

优选地，所述圆盘圆心分别与相邻两个所述发射线圈圆心所在的直线形成的圆心角为所述圆盘旋转的最小角度的整数倍。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种无线充电方法，包括如下步骤：

S10、检测所述无线充电装置上是否有待充电设备，如果有，则发送充电指令；

S20、接收所述充电指令，控制所述发射线圈与待充电设备建立充电连接；

S30、获取当前所述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，旋转所述承载装置改变所述发射线圈的位置，直至充电效率值高于预设值。

优选地，所述“S10、检测所述无线充电装置上是否有待充电设备”步骤包括：

通过发射线圈的Q值交替检测是否有待充电设备，比较Q值与预设阈值；

若Q值低于预设阈值，则判断有待充电设备；

若Q值高于预设阈值，控制所述承载装置顺时针或逆时针旋转，通过发射线圈的Q值交替检测是否有待充电设备，比较Q值与预设阈值，直至扫描一周，完成一个周期检测。

优选地，所述“S30、获取当前所述发射线圈的充电效率值，当充电效率值低于预设值时，旋转承载装置改变发射线圈的位置，直至充电效率值高于预设值”步骤包括：

控制所述承载装置上的所述发射线圈旋转至下一个预设位置；

获取所述发射线圈当前预设位置的充电效率值；

对比当前预设位置与上一个预设位置的充电效率值，若充电效率值高于上一个预设位置的充电效率值，则继续同方向再旋转一个预设位置，直至当前预设位置的充电效率值高于预设值；

若充电效率值低于上一个预设位置的充电效率值，则反向旋转到原预设位置的下一个预设位置，直至当前预设位置的充电效率值高于预设值。

优选地，所述无线充电方法还包括步骤S40：

控制所述发射线圈旋转至下一个预设位置；

获取所述发射线圈当前预设位置的充电效率值；

对比当前预设位置与上一个预设位置的充电效率值；若当前充电效率值高于上一个预设位置的充电效率值，则继续沿同方向移动一个预设位置，直至获取充电效率值最高的位置；若当前充电效率值低于上一个预设的充电效率值，则反向移动至下一个预设位置，直至获取充电效率值最高的位置。

优选地，所述无线充电方法还包括步骤还包括S50：

当充电结束后，继续周期性扫描其他区域，检测是否有新的待充电设备，若检测到新的待充电设备，则重复所述充电方法。

本发明提供了一种可实现自由放置的无线充电装置以及无线充电方法。通过对发射线圈承载装置的改进以及对发射线圈更合理的设置，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自由放置空间度。

附图说明

图1为本发明实施例的正视解剖示意图；

图2为本发明实施例的三发射线圈摆放位置示意图；

图3为本发明实施例的四发射线圈摆放位置示意图；

图4为本发明实施例的五发射线圈摆放位置示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员更好地理解本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

请参照图1，本发明提供了一种无线充电装置，包括外壳1、用于驱动的驱动装置2、圆盘3、若干发射线圈4、中心轴5、基座6、微控制器7。外壳1采用圆柱体结构，外壳1内部中空形成一收容空间，该收容空间可以容纳无线充电装置的各个部件。具体地，基座6位于无线充电装置底部，基座6通过位于圆盘3轴心上的中心轴5与圆盘3连接，使圆盘3围绕中心轴5也就是圆盘3的轴心做顺时针或逆时针旋转。驱动装置2驱动圆盘3旋转，使设于圆盘3上的若干发射线圈4绕圆盘3的轴心做环形运动至与待充电设备的最佳耦合位置。

进一步地，圆盘3为无线充电装置的承载装置一种实现方式。虽然本发明实施例的承载装置为圆盘3，但也可以是其他形状，例如椭圆盘、星状盘等。圆盘3用于承载元件，具体地，在圆盘3上设有若干发射线圈4、微控制器7等。在可选的实施例中，圆盘3可以由不同的材料制作，需要综合考虑承载能力和可靠性。在本发明的实施例中，圆盘3使用印刷电路板(PCB)制作，方便将所需元件和布线直接印刷在PCB上。

进一步地，在一可选实施例中，发射线圈4可以选择分立线圈，焊接在PCB圆盘3上。在另一可选实施例中，发射线圈4可以采用直接在PCB圆盘3上印制线圈的方式，这样可以更加有效的降低制作成本，同时还可以提高圆盘3的可靠性。具体地，请参照图2-4，发射线圈4沿圆盘3的径向互相错位且间隔设于圆盘3上。发射线圈4按照特定的角度错开，避免直接交叠。即发射线圈4在圆盘3上的位置完全不重叠，没有直接接触。由于圆盘3上的发射线圈4采用此方式放置，当直接在PCB上印制多个发射线圈4时，可以采用层次较少的PCB板材(如2层)。相较于其它在PCB印制多线圈时，需要多层次板材(如4层、8层或甚至更多等)，本发明可以极大降低PCB成本。圆盘3上方的表面区域为充电装置的充电面板，用于放置单个或多个待充电设备并对其进行充电。

进一步地，微控制器7根据探测的信号，判断是否有待充电设备放置在无线充电装置上；如果有，则发送控制信号给驱动装置2。驱动装置2可以设于无线充电装置的底部，可以是各类电机或马达；驱动装置2通过齿轮、轴承或其他带动装置，驱动圆盘3围绕中心轴5做顺时针或逆时针转动做环形运动，即围绕圆盘3的轴心旋转。发射线圈4随着圆盘3旋转到某个位置，保证最大可能对准接收线圈后，开始进入功率传输阶段。因此，可以极大改善无线充电由于收发线圈耦合不佳导致的系统效率降低。

具体地，发射线圈4通过环形运动形成的覆盖区域为充电覆盖区域10。无线充电装置的充电覆盖区域10的面积，取决于发射线圈4的多少，以及每个发射线圈4的大小。发射线圈4圆心不在同一直线上，充电覆盖区域10半径小于发射线圈4直径之和。由于本发明发射线圈4采用的设置方式，可以尽可能减小圆盘3上方所需的高度，进而提高收发线圈的耦合紧密程度。进一步地，相邻两个发射线圈4做环形运动形成的圆环覆盖区域部分重叠。这样可以避免当待充电设备置于相邻两个发射线圈间时，发射线圈4与待充电设备无法耦合或者耦合程度过低。该重叠区域的大小可以根据实际应用需要来调整。假设要达到相同的充电覆盖面积，如果重叠区域越大，则要求越多的发射线圈来覆盖，好处是可以提高圆盘3径向的发射线圈覆盖精度。

发射线圈4在圆盘3切向的覆盖精度取决于圆盘3旋转的最小角度精度。原则上，越小的旋转角度可以达到越大的切向分辨度，即更精细。但是如果分辨度太高，将导致旋转次数过多，造成发射线圈4对齐接收线圈位置的过程时间变得更长；另外也对驱动装置2的控制精度要求更高，进而影响制造成本。因此，需要考虑各方面因素，如分辨度、时间以及成本；同时也需要考虑不同的线圈大小或圆盘大小等，根据实际情况进行选择。

在一可选实施例中，将圆盘3切向分成32等分步骤，足以覆盖所有的充电覆盖区域10。即360度/32＝11.25度的最小旋转角度，称之为角度基。圆盘3切向旋转控制时，可以编号步骤#1到#32(角度基)，从而便于算法控制旋转角度的设置。也可以根据实际情况，将圆盘3切向分成8、16或者其他数量的等分步骤。

进一步地，圆盘3圆心分别与相邻两个所述发射线圈4圆心所在的直线形成的圆心角为所述圆盘3旋转的最小角度的整数倍，即多个发射线圈4切向的错位放置角度位置，选取基于角度基的整数倍(1～32)差值。这样，所有的发射线圈4位置都在一个已知的角度基倍数上，圆盘3旋转时只要保证最小旋转精度等于角度基即可。

下面进一步举例说明，不同数目发射线圈4时在圆盘3的错位放置角度取值。

请参见图2，为3个发射线圈的一种摆放位置实施例。其中，第一发射线圈41和第二发射线圈42分别在角度45度(#4)和225度(#20)的相对位置，第三发射线圈43在角度180度(#16)位置。本实施例所有位置都处在角度基(11.25度)的整数倍上。

请参见图3，为4个发射线圈的一种摆放位置实施例。其中，第一发射线圈41和第二发射线圈42分别在角度112.5度(#10)和292.5度(#26)的相对位置，第三发射线圈43在角度225度(#20)位置，第四发射线圈44在角度180度(#16)位置。本实施例所有位置都处在角度基(11.25度)的整数倍上。

请参见图4，为5个发射线圈的一种摆放位置实施例。其中，第一发射线圈41和第二发射线圈42分别在角度135度(#12)和315度(#28)的相对位置，第三发射线圈43在角度258.75度(#23)位置，第四发射线圈44在角度213.75度(#19)位置，第五发射线圈45在角度180度(#16)位置。本实施例所有位置都处在角度基(11.25度)的整数倍上。

上述仅举例说明了发射线圈4的摆放位置，实际生产过程中可以根据情况选择其他的摆放角度，或者选择不同大小的角度基。

根据同样的原理，可以根据不同的应用需求，增加更多的发射线圈4，例如6个、7个，以扩展圆盘3的充电覆盖区域10的面积。

本发明还提供了一种无线充电装置的充电方法。包括如下步骤：

S10、检测无线充电装置上是否有待充电设备，如果有，则发送充电指令；

S20、接收所述充电指令，控制发射线圈4与待充电设备建立充电连接；

S30、获取当前发射线圈4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，发射线圈4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，旋转承载装置圆盘3改变发射线圈4的位置，直至充电效率值高于预设值。

具体地，在步骤S10“检测无线充电装置上是否有待充电设备”，可以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。这样可以避免或减少驱动电机在没有待充电设备时，高频的周期性的开启工作。从而减小待机功耗，并提高电机寿命。

进一步地，本发明步骤S10选择发射线圈Q值检测方法进行检查，具体包括如下步骤：

通过发射线圈4的Q值交替检测是否有待充电设备，比较Q值与预设阈值；

若Q值低于预设阈值，则判断有待充电设备；

若Q值高于预设阈值，控制圆盘3顺时针或逆时针旋转，通过发射线圈4的Q值交替检测是否有待充电设备，比较Q值与预设阈值，直至扫描一周，完成一个周期检测。

进一步地，使用Q值检测时，由于充电装置表面面积很大，可能导致固定位置的发射线圈4感应区域不够，有一部分区域没法覆盖。因此，在当前位置时：首先，可以先交替使用发射线圈4的Q值检测是否有待充电设备；然后，顺时针旋转90度，再次交替使用发射线圈4的Q值检测，再次顺时针旋转90度，再次交替使用发射线圈4的Q值检测；最后，再顺时针旋转90度，再次交替使用发射线圈4的Q值检测。通过上述四个步骤的叠加检测，可以完全覆盖所有的无线充电装置的充电覆盖区域10，避免遗漏。Q值检测的目的是为了发现待充电设备，因此需要周期性开启探测，具体可以根据应用需要。由于Q值检测本身具有的简单操作，无需开启功率传输且检测时间很短，因此可以极大的提高检测效率，同时避免了频繁的大功率工作。

当Q值检测扫描一周后，对比所有扫描检测过程中不同发射线圈4的探测值。Q值检测原理上，当发射线圈与接收线圈距离越接近时，其检测的值越小。当发现所有的探测值中，有低于预设值的Q值阈值，则可以初步判断有待充电设备放入。微控制器7记录并获取最小值出现的发射线圈位置(#1-#32)和发射线圈号，然后控制驱动装置2让圆盘3旋转到对应位置，通过最小值的发射线圈4尝试与待充电设备建立连接，如WPC或Qi协议等。如果无法建立连接，有可能探测的设备不是有效的待充电设备，例如，可能是金属类的异物等，充电装置则回到周期性检测状态。

进一步地，“S30、获取当前发射线圈的充电效率值，当充电效率值低于预设值时，旋转承载装置改变发射线圈的位置，直至充电效率值高于预设值”步骤包括：

控制圆盘3上的发射线圈4旋转至下一个预设位置；

获取发射线圈4当前预设位置的充电效率值；

对比当前预设位置与上一个预设位置的充电效率值，若充电效率值高于上一个预设位置的充电效率值，则继续同方向再旋转一个预设位置，直至当前预设位置的充电效率值高于预设值；

若充电效率值低于上一个预设位置的充电效率值，则反向旋转到原预设位置的下一个预设位置，直至当前预设位置的充电效率值高于预设值。

具体比较算法可以采用二分查找法、或者简单的轮询比较法。如果在上述过程的任何位置，当效率值高于某个预设值，可以认为查找结束。在优选位置的过程中，基本上可以保持连接不中断功率传输，因此不用担心优选过程的时间问题。如果意外出现旋转位置后，连接中断则回到原来位置重新连接。

优选地，在一可选实施例中，该无线充电方法还包括步骤S40：

控制发射线圈4旋转至下一个预设位置；获取发射线圈4当前预设位置的充电效率值；对比当前预设位置与上一个预设位置的充电效率值；若当前充电效率值高于上一个预设位置的充电效率值，则继续沿同方向移动一个预设位置，直至获取充电效率值最高的位置；若当前充电效率值低于上一个预设的充电效率值，则反向移动至下一个预设位置，直至获取充电效率值最高的位置。即无论如何，优选一个最佳效率值的位置。

当确定好最佳位置后，无线充电装置开始稳定持续为待充电设备提供电源。

进一步地，无线充电方法还包括步骤S50：当充电结束后，继续周期性扫描其他区域，检测是否有新的待充电设备，若检测到新的待充电设备，则重复步骤S10-S30或者重复步骤S10-S40。如果已充电设备仍然放置在充电覆盖区域10，当没有新的待充电设备加入，充电装置仍然可以周期性的对该设备进行再次充电。由于该实施例，有效增加了无线充电装置的充电覆盖区域10面积，可以允许同时或分时放置多个待充电设备。因此，通过微控制器7控制算法的支持，充电装置可以支持多个设备依次顺序充电，或者优选电量少的先充，或者分时充等，直到所有被检测到的设备都完成充电为止，充电装置回到周期性伺服状态。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种无线充电装置，其特征在于，包括：外壳、承载装置、驱动装置和若干发射线圈；所述外壳具有一收容空间，所述承载装置和所述驱动装置设于所述收容空间内；所述驱动装置驱动所述承载装置旋转，使设于所述承载装置上的若干所述发射线圈绕所述承载装置的轴心做环形运动至与待充电设备的最佳耦合位置；其中，若干所述发射线圈沿所述承载装置径向互相错位且间隔设于所述承载装置上，相邻两个所述发射线圈做环形运动形成的圆环覆盖区域部分重叠。

2.根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于，若干所述发射线圈通过环形运动形成的覆盖区域为充电覆盖区域。

3.根据权利要求2所述的无线充电装置，其特征在于，所述发射线圈为3个、4个或N个，所述发射线圈圆心不在同一直线上，所述充电覆盖区域半径小于所述发射线圈直径之和。

4.根据权利要求1所述的无线充电装置，其特征在于，所述承载装置为圆盘，所述圆盘为印刷电路板，所述发射线圈印制在所述圆盘上。

5.根据权利要求4所述的无线充电装置，其特征在于，所述圆盘圆心分别与相邻两个所述发射线圈圆心所在的直线形成的圆心角为所述圆盘旋转的最小角度的整数倍。

6.一种基于权利要求1-5任意一项所述无线充电装置的无线充电方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10、检测所述无线充电装置上是否有待充电设备，如果有，则发送充电指令；

S20、接收所述充电指令，控制所述发射线圈与待充电设备建立充电连接；

S30、获取当前所述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，旋转所述承载装置改变所述发射线圈的位置，直至充电效率值高于预设值。

7.根据权利要求6所述的无线充电方法，其特征在于，所述“S10、检测所述无线充电装置上是否有待充电设备”步骤包括：

通过所述发射线圈的Q值交替检测是否有待充电设备，比较Q值与预设阈值；

若Q值低于预设阈值，则判断有待充电设备；

若Q值高于预设阈值，控制所述承载装置顺时针或逆时针旋转，通过发射线圈的Q值交替检测是否有待充电设备，比较Q值与预设阈值，直至扫描一周，完成一个周期检测。

8.根据权利要求6所述的无线充电方法，其特征在于，所述“S30、获取当前所述发射线圈的充电效率值，当充电效率值低于预设值时，旋转承载装置改变发射线圈的位置，直至充电效率值高于预设值”步骤包括：

控制所述承载装置上的所述发射线圈旋转至下一个预设位置；

获取所述发射线圈当前预设位置的充电效率值；

对比当前预设位置与上一个预设位置的充电效率值，若充电效率值高于上一个预设位置的充电效率值，则继续同方向再旋转一个预设位置，直至当前预设位置的充电效率值高于预设值；

若充电效率值低于上一个预设位置的充电效率值，则反向旋转到原预设位置的下一个预设位置，直至当前预设位置的充电效率值高于预设值。

9.根据权利要求6所述的无线充电方法，所述无线充电方法还包括步骤S40：

控制所述发射线圈旋转至下一个预设位置；

获取所述发射线圈当前预设位置的充电效率值；

对比当前预设位置与上一个预设位置的充电效率值；若当前充电效率值高于上一个预设位置的充电效率值，则继续沿同方向移动一个预设位置，直至获取充电效率值最高的位置；若当前充电效率值低于上一个预设的充电效率值，则反向移动至下一个预设位置，直至获取充电效率值最高的位置。

10.根据权利要求6所述的无线充电方法，其特征在于，所述无线充电方法还包括步骤S50：

当充电结束后，继续周期性扫描其他区域，检测是否有新的待充电设备，若检测到新的待充电设备，则重复步骤S10-S30。

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