CN113890197B - 一种高充电效率的碗状无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高充电效率的碗状无线充电装置，涉及无线传输技术领域，该装置包括碗状器皿本体、发射线圈组以及充电控制电路，充电控制电路连接发射线圈组，碗状器皿本体包括呈正N边形的底面以及N个分别呈等腰梯形结构的侧面，底部发射线圈呈正N边形并内置于碗状器皿本体的底面的内部，N个侧边发射线圈均呈等腰梯形结构并分别内置于碗状器皿本体的各个侧面的内部，底部发射线圈与其中一个侧面发射线圈串联，每相邻两个侧面发射线圈反向串联，这样的连接方法增大了发射线圈的自感以及接收装置与发射装置之间的互感，这使得装置在相同输入电压的情况下，可以实现系统传输功率和传输效率的最大化。

Description

一种高充电效率的碗状无线充电装置

技术领域

本发明涉及无线传输技术领域，尤其是一种高充电效率的碗状无线充电装置。

背景技术

近些年来，无线充电技术逐渐进入到人们的日常生活之中，具有无线充电功能的设备越来越多，其中以手机、耳机、手表等最为突出。但是这些设备需要配套的无线充电器才能进行无线充电，而且大多数的无线充电器只能同时对一台设备进行无线充电。此外，目前市场上的无线充电器大都无法实现“随放随充”，需要用户将待充电设备放置于无线充电器的正上方，降低了用户的使用体验。

公开号为CN110649717A的中国专利公布了一种三维全向无线电能传输发射装置及其制备办法，该装置采用的线圈结构为碗状的发射线圈，可以实现对放置于碗内设备的无线充电，但是该专利提出的拓扑存在较大的充电盲区，即当待充电设备放置不合适时，无线充电装置与待充电设备之间的耦合较低，无法进行正常的充电。此外，该专利未对线圈中的通电方向进行说明，不同的通电方向会较大程度地影响系统的传输性能。

公开号为CN107276249A的中国专利公布了一种磁耦合谐振式无线电能传输碗状原边线圈，该线圈结构为碗状的发射线圈，一共有七个线圈进行叠加，这种结构可以实现对碗内设备的“随放随充”。但是该线圈结构包含的线圈数量较多，线圈位置较为特殊，需借助外部部件固定，而且线圈之间有很大面积的叠加。这些缺点一方面会加大装置的体积和成本，另一方面会为装置的散热以及性能带来一定的影响。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种高充电效率的碗状无线充电装置，本发明的技术方案如下：

一种高充电效率的碗状无线充电装置，该装置包括：碗状器皿本体、发射线圈组以及充电控制电路，充电控制电路连接发射线圈组；

碗状器皿本体包括呈正N边形的底面以及N个分别呈等腰梯形结构的侧面，N≥4，相邻两个侧面之间采用圆角相连形成器皿边缘棱边；

发射线圈组包括底部发射线圈和N个侧面发射线圈，底部发射线圈呈正N边形并内置于碗状器皿本体的底面的内部，N个侧边发射线圈均呈等腰梯形结构并分别内置于碗状器皿本体的各个侧面的内部；

底部发射线圈与其中一个侧面发射线圈串联，每相邻两个侧面发射线圈反向串联。

其进一步的技术方案为，底部发射线圈采用顺时针绕制方式或逆时针绕制方式，各个侧面发射线圈分别采用由外而内顺时针绕制方式或由外而内逆时针绕制方式、且相连两个侧面发射线圈的绕制方式不同。

其进一步的技术方案为，每个发射线圈均采用0.1*400股的高频利兹线绕制而成，每个发射线圈的匝数分别为5～20匝。

其进一步的技术方案为，碗状器皿本体的底面的朝向碗状器皿本体内腔的一侧外表面呈波浪状凸起结构。

其进一步的技术方案为，在底部发射线圈和N个侧面发射线圈中的每个发射线圈的背面分别对应设置一个铁氧体导磁片，铁氧体导磁片的形状与对应的发射线圈的形状一致且尺寸大于对应的发射线圈，发射线圈的背面是发射线圈的远离碗状器皿本体的内腔的一面。

其进一步的技术方案为，充电控制电路包括设置在PCB板上并通过PCB板内部预设布线相连的主控单元、谐振补偿电路、功率变换电路和无线通信单元，发射线圈组连接至谐振补偿电路，谐振补偿电路通过功率变换电路连接主控单元，主控单元连接无线通信单元，PCB板内置在碗状器皿本体的底面的内部且位于底部发射线圈的远离碗状器皿本体的内腔的一侧。

其进一步的技术方案为，主控单元采用铝箔屏蔽罩进行电磁隔离，功率变换电路采用散热片进行散热。

其进一步的技术方案为，功率变换电路包括BUCK电路以及高频逆变电路，BUCK电路内部的开关器件以及续流二极管均采用GaN器件实现，高频逆变电路采用全桥逆变的拓扑结构且内部开关器件采用GaN器件实现，所有GaN器件均由对应的高精度触发电路驱动。

其进一步的技术方案为，无线通信单元包括WIFI模块、蓝牙模块、ZigBee模块和GPRS模块中的至少一种。

其进一步的技术方案为，碗状无线充电装置在运行时，主控单元通过无线通信单元依次与内置于碗状器皿本体中的多个待充电设备进行充电握手、并确定各个待充电设备的充电配置信息，根据各个待充电设备的充电配置信息通过功率变换电路调节电压输入对多个待充电设备进行无线充电，并在待充电设备的数量发生变化以及存在待充电设备充电完毕时，动态调节电压输入。

本发明的有益技术效果是：

本申请公开了一种高充电效率的碗状无线充电装置，该碗状无线充电装置的碗壁上的侧面发射线圈采用相邻线圈反向串联的连接方式，这样的连接方法增大了发射线圈的自感以及接收装置与发射装置之间的互感，这使得装置在相同输入电压的情况下，可以实现系统传输功率和传输效率的最大化。

碗状器皿本体的侧面以及侧面发射线圈为平面梯形结构，一方面可以为待充电设备提供充足的充电区域，减小收发装置线圈之间的传输距离，另一方面利用梯形连接处的棱边不易摆放待充电装置的特点，避免了反向串联线圈在过渡区域的“传输盲点”。

碗状无线充电装置的底部内表面采用正方向波浪结构防滑，可以为不同尺寸的待充电设备提供位置卡槽，用以确保待充电装置位置的相对稳定，提升了系统的运行稳定性。该碗状无线充电装置可以为放入装置中的多个待充电设备同时进行充电，提升了装置的性能。

附图说明

图1是本申请的碗状无线充电装置中的发射线圈组的连接以及安装示意图。

图2是装置内部线圈按照相邻线圈同向串联的连接方法时，装置中心沿x轴方向的磁感应强度分布图。

图3是装置内部线圈按照相邻线圈反向串联的连接方法时，装置中心沿x轴方向的磁感应强度分布图。

图4是碗状无线充电装置的底面的外表面的波浪状凸起结构示意图。

图5是碗状无线充电装置的底面的内部的模块分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种高充电效率的碗状无线充电装置，该碗状无线充电装置包括碗状器皿本体、发射线圈组以及充电控制电路，请参考图1，碗状器皿本体包括呈正N边形的底面1以及N个分别呈等腰梯形结构的侧面2，N≥4，图1以N＝4的情况为例，每个侧面2的上边连接底面1的一条边、使得侧面2与底面1之间形成预定夹角，相邻两个侧面2的腰相连形成器皿边缘棱边。进一步的，本申请中，相邻两个侧面之间采用圆角相连形成器皿边缘棱边，使得待充电设备不易摆放在棱边处，避免在过渡区域形成传输盲点。

碗状器皿本体的每个面都可以认为形成一个内部可容纳物体的壳体结构，发射线圈组内置于碗状器皿本体的内部。发射线圈组包括底部发射线圈3和N个侧面发射线圈4，底部发射线圈3呈正N边形并内置于碗状器皿本体的底面1的内部，N个侧边发射线圈4均呈等腰梯形结构并分别内置于碗状器皿本体的各个侧面2的内部。如图1所示，4个侧面发射线圈41、42、43、44分别内置于碗状器皿本体的4个侧面2的内部，图1只是示出了侧面发射线圈41在碗状器皿本体的一个侧面2的内部的绕设示意图，实际使用时其内置其中是看不见的。

其中，底部发射线圈3与其中一个侧面发射线圈4串联，每相邻两个侧面发射线圈4反向串联。相邻线圈反向串联的连接方式可以为磁通提供更短的磁路，增加装置的自感和收发线圈之间的互感，有利于提高装置的传输功率和传输效率。采用相邻线圈同向串联方法时，装置最佳工作位置的磁感应强度为12.5单位，且磁感应强度随位置的变化迅速降低，有效工作区域较小，装置中心沿x轴方向的磁感应强度分布图如图2所示。而采用本申请这种相邻线圈反向串联的方法，装置最佳工作位置的磁感应强度为20单位，且磁感应强度随位置的变化缓慢降低，有效工作区域较大，装置中心沿x轴方向的磁感应强度分布图如图3所示。对比图2和图3可以明显看出本申请这种结构的磁感应强度更强。

具体的，底部发射线圈采用顺时针绕制方式或逆时针绕制方式，各个侧面发射线圈分别采用由外而内顺时针绕制方式或由外而内逆时针绕制方式、且相连两个侧面发射线圈的绕制方式不同。每个发射线圈均采用0.1*400股的高频利兹线绕制而成，每个发射线圈的匝数分别为5～20匝。然后发射线圈组通过0.1*400股的高频利兹线或者FPC软板连接到充电控制电路。

如图4所示，碗状器皿本体的底面1的朝向碗状器皿本体内腔的一侧外表面呈波浪状凸起结构11，也即碗状器皿本体内腔的底面，波浪状凸起结构相应形成的凹槽作为待充电设备的卡槽，用以确保待充电装置位置的相对稳定，提升系统的运行稳定性。具体的，如图4所示，外表面的波浪状凸起结构形成若干个同心型的正方形波浪，从而可以为不同尺寸的待充电设备提供位置卡槽。

在底部发射线圈3和N个侧面发射线圈4中的每个发射线圈的背面分别对应设置一个铁氧体导磁片，铁氧体导磁片的形状与对应的发射线圈的形状一致且尺寸大于对应的发射线圈，发射线圈的背面是发射线圈的远离碗状器皿本体的内腔的一面，实际铁氧体导磁片的尺寸约为对应发射线圈的尺寸的1.2倍。如图5所示，在碗状器皿本体的底面1的内部，底部发射线圈3的背面设置有对应的铁氧体导磁片5。

充电控制电路也内置于碗状器皿本体的内部，充电控制电路包括设置在PCB板6上并通过PCB板6内部预设布线相连的主控单元、谐振补偿电路、功率变换电路和无线通信单元，发射线圈组连接至谐振补偿电路，谐振补偿电路通过功率变换电路连接主控单元，主控单元连接无线通信单元。PCB板6内置在碗状器皿本体的底面的内部且位于底部发射线圈的远离碗状器皿本体的内腔的一侧。

其中，谐振补偿电路采用简单的SS补偿拓扑电路，发射线圈与谐振电容为串联关系。功率变换电路包括BUCK电路以及高频逆变电路，BUCK电路内部的开关器件以及续流二极管均采用GaN器件实现。高频逆变电路采用传输功率较高的全桥逆变的拓扑结构且内部开关器件采用GaN器件实现，所有GaN器件均由对应的高精度触发电路驱动。无线通信单元包括WIFI模块、蓝牙模块、ZigBee模块和GPRS模块中的至少一种。

PCB板6留有一个供电接口7用于给碗状无线充电装置供电。主控单元采用铝箔屏蔽罩8进行电磁隔离，功率变换电路采用散热片进行散热。

本申请的碗状无线充电装置可以对多个待充电设备进行一对多的无线充电，对于诸如手机之类的体积和功率较大的待充电装置可以放置在该碗状无线充电装置的四个侧面进行无线充电，而对于诸如耳机、智能手表之类的体积和功率较小的待充电装置可以放置于该碗状无线充电装置的底面进行无线充电。

而且该碗状无线充电装置在运行时，主控单元通过无线通信单元依次与内置于碗状器皿本体中的多个待充电设备进行充电握手、并确定各个待充电设备的充电配置信息，根据各个待充电设备的充电配置信息通过功率变换电路调节电压输入对多个待充电设备进行无线充电，并在待充电设备的数量发生变化以及存在待充电设备充电完毕时，动态调节电压输入。具体的：

步骤一：在系统运行时，无线通信单元通过板载天线以预定的通信频率一直向外部发射信号，检测是否有待充电设备置于新型碗状无线充电装置内。

步骤二：置于新型碗状无线充电装置内的待充电设备发包表示其在装置内。倘若装置接收到多个待充电设备发送的信息，则按照先后顺序，依次进行步骤三、步骤四。倘若装置在工作过程中，待充电设备数量增加，进行步骤三、四即可。倘若装置在工作过程中，待充电设备数量减少，直接进行步骤六即可。

步骤三：待充电设备与该碗状无线充电装置之间握手，建立通信，待充电设备向装置提供配置信息，建立功率传输协议。

步骤四：该碗状无线充电装置进行异物检测，确认无误之后，装置内部的主控单元根据待充电设备提供的配置信息，通过BUCK电路调节系统的输入电压，进而实现功率控制，开始进行稳态功率传输。

步骤五：待充电设备充电完毕之后，一方面切断自身充电电路，另一方面向新型碗状无线充电装置发送充电完毕的信息，新型碗状无线充电装置通过BUCK电路降低系统的电压输入，仅对未充满的设备进行充电。

步骤六：当倘若装置检测到与某一待充电设备通信中断时，直接中断与该待充电设备建立的功率传输协议，通过BUCK电路降低系统的输入电压，达到系统的供需功率平衡，防止较大的功率冲击，提高了装置的运行可靠性。

由此可见，待充电设备在开始充电、数量发生变化、结束充电时，本申请的碗状无线充电装置通过建立“一对多”的通信，并建立相关功率传输协议，进行稳态功率传输。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高充电效率的碗状无线充电装置，其特征在于，所述装置包括：碗状器皿本体、发射线圈组以及充电控制电路，所述充电控制电路连接所述发射线圈组；

所述碗状器皿本体包括呈正N边形的底面以及N个分别呈等腰梯形结构的侧面，N≥4，相邻两个侧面之间采用圆角相连形成器皿边缘棱边；

所述发射线圈组包括底部发射线圈和N个侧面发射线圈，所述底部发射线圈呈正N边形并内置于所述碗状器皿本体的底面的内部，N个侧边发射线圈均呈等腰梯形结构并分别内置于所述碗状器皿本体的各个侧面的内部；

所述底部发射线圈与其中一个侧面发射线圈串联，每相邻两个侧面发射线圈反向串联。

2.根据权利要求1所述的碗状无线充电装置，其特征在于，所述底部发射线圈采用顺时针绕制方式或逆时针绕制方式，各个侧面发射线圈分别采用由外而内顺时针绕制方式或由外而内逆时针绕制方式、且相连两个侧面发射线圈的绕制方式不同。

3.根据权利要求1所述的碗状无线充电装置，其特征在于，每个发射线圈均采用0.1*400股的高频利兹线绕制而成，每个发射线圈的匝数分别为5～20匝。

4.根据权利要求1所述的碗状无线充电装置，其特征在于，所述碗状器皿本体的底面的朝向所述碗状器皿本体内腔的一侧外表面呈波浪状凸起结构。

5.根据权利要求1所述的碗状无线充电装置，其特征在于，在所述底部发射线圈和N个侧面发射线圈中的每个发射线圈的背面分别对应设置一个铁氧体导磁片，铁氧体导磁片的形状与对应的发射线圈的形状一致且尺寸大于对应的发射线圈，发射线圈的背面是发射线圈的远离所述碗状器皿本体的内腔的一面。

6.根据权利要求1所述的碗状无线充电装置，其特征在于，所述充电控制电路包括设置在PCB板上并通过所述PCB板内部预设布线相连的主控单元、谐振补偿电路、功率变换电路和无线通信单元，所述发射线圈组连接至所述谐振补偿电路，所述谐振补偿电路通过功率变换电路连接所述主控单元，所述主控单元连接所述无线通信单元，所述PCB板内置在所述碗状器皿本体的底面的内部且位于所述底部发射线圈的远离所述碗状器皿本体的内腔的一侧。

7.根据权利要求6所述的碗状无线充电装置，其特征在于，所述主控单元采用铝箔屏蔽罩进行电磁隔离，所述功率变换电路采用散热片进行散热。

8.根据权利要求6所述的碗状无线充电装置，其特征在于，所述功率变换电路包括BUCK电路以及高频逆变电路，所述BUCK电路内部的开关器件以及续流二极管均采用GaN器件实现，所述高频逆变电路采用全桥逆变的拓扑结构且内部开关器件采用GaN器件实现，所有GaN器件均由对应的高精度触发电路驱动。

9.根据权利要求6所述的碗状无线充电装置，其特征在于，所述无线通信单元包括WIFI模块、蓝牙模块、ZigBee模块和GPRS模块中的至少一种。

10.根据权利要求6所述的碗状无线充电装置，其特征在于，所述碗状无线充电装置在运行时，所述主控单元通过所述无线通信单元依次与内置于所述碗状器皿本体中的多个待充电设备进行充电握手、并确定各个待充电设备的充电配置信息，根据各个待充电设备的充电配置信息通过所述功率变换电路调节电压输入对多个待充电设备进行无线充电，并在待充电设备的数量发生变化以及存在待充电设备充电完毕时，动态调节电压输入。