CN204928311U - 一种基于磁共振的无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种充电系统，尤其涉及一种对智能穿戴设备、水下设备等适用的无线充电系统。一种基于磁共振的无线充电系统，包括供能电路和负载电路，所述供能电路和所述负载电路之间通过谐振体连接。本实用新型的无线充电系统可以随身随地、高效率的进行能量的传输，不但克服了电池能量对智能穿戴设备、水下设备的限制，还有效延长了智能穿戴设备、水下设备的续航时间需求。

Description

一种基于磁共振的无线充电系统

技术领域

本实用新型涉及一种充电系统，尤其涉及一种对智能穿戴设备、水下设备等适用的无线充电系统。

背景技术

自2013年以来，创新性的可穿戴产品层出不穷，大小厂商借由GoogleGlass“三星Gear手表”、JawboneUP手环以及Pebble手表等产品分别诠释了对可穿戴设备发展的理解。在各大国际会展上，可穿戴设备也再次成为科技产品的热点，被全球众多厂商所青睐，由传统ICT巨头与创投企业领衔掀起了新一轮可穿戴设备的发展浪潮。可穿戴设备的市场依旧群雄割据，三星对原有GalaxyGear进行了更新，推出了GalaxyGear2/Fit/Neo索尼也推出了SmartBand手环，分担之前由SmartWatch2单独支撑的可穿戴市场。华为、中兴也先后推出了可穿戴设备，以手表和手环为主要突破口。

然而智能穿戴设备发展到如今也没有得到普遍应用，究其原因，其一是大多数用户还没有养成使用的习惯，其二是其供能、续航问题一直是制约智能穿戴设备发展的重要因素，包括较为成熟的苹果iWatch也公开承认存在续航问题，因此，能够有效解决智能穿戴设备的供能问题将成为智能穿戴设备得到广泛应用的关键问题。

目前国内智能穿戴设备多采用电池或充电的方式，前者受限与手环体积，不能有效提供长时间的续航，后者受充电场所限制，限制了用户的体验，制约手环使用的方便性。而国外智能手环有些已经使用无线充电的方式进行续航，然而不同的无线充电方式也造成了充电效率和充电器体积的不同。

现有的无线能量传输技术主要有：①电磁感应耦合技术：通过相对很直接的接触来进行能量传输，尤如把机器放在一个垫子上就能进行充电。电磁感应是基于主线圈产生主磁场，二次线圈要处于这一磁场之中，所以使得传输距离非常有限。在较大距离下，这种非共振、非辐射耦合传输效率非常低，能量损耗严重。②磁场共振技术：当两个物体在同一频率实现共振时，将实现能量的无线传输。③基于微波或光波的辐射技术：通过某种独特的接收器接收空气中尚未散失的辐射能量，并将其转换成电能，储存在电池中，目前，除了太阳能辐射的热能之外，由于损耗大、效率低制约了其应用。这三种基于不同原理的技术在传输距离上分别对应近、中和远距离。

基于磁场共振耦合传能可以克服电磁感应耦合和基于微波或光波辐射技术的无线能量传输的缺点，磁场会通过类似“隧道”的传能形式到达具有相同谐振频率的接收线圈。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于磁共振的无线充电系统，以解决智能设备、水下设备续航短的问题。

本实用新型采用的技术方案是，一种基于磁共振的无线充电系统，包括供能电路和负载电路，所述供能电路和所述负载电路之间通过谐振体连接。

进一步的，所述谐振体包括第一谐振体、第二谐振体、第三谐振体和第四谐振体，所述第一谐振体采用小尺寸线圈将所述供能电路传来的电能转变成磁场能；所述第一谐振体将磁场能传递给所述第二谐振体；所述第二谐振体与所述第三谐振体为两个大尺寸线圈，两者通过谐振以高频磁场为媒介实现电能的中距离无线传输；所述第三谐振体以电磁感应方式将能量传递给所述第四谐振体，所述第四谐振体为一个小线圈与所述负载电路相连，将系统的磁场能转变成电能为所述负载电路供电。

进一步的，所述第一谐振体和所述第四谐振体的线圈尺寸小于1cm×1cm，所述第二谐振体和所述第三谐振体的线圈尺寸均在1cm×1cm～2cm×2cm之间。

进一步的，所述第一谐振体、第二谐振体、第三谐振体和第四谐振体均为串联式谐振电路。

进一步的，所述供能电路的等效电压源的一端连接所述第一谐振体的第一补偿电容，另一端连接所述第一谐振体的第一等效电感，在所述第一补偿电容与第一等效电感之间依次串联有所述第一谐振体的第一等效串联电阻和第一反射阻抗；所述第二谐振体依次由第二反射阻抗、第一分布电容、第二等效串联电阻和第二等效电感串联组成闭合回路；所述第三谐振体依次由第三反射阻抗、第二分布电容、第三等效串联电阻和第三等效电感串联组成闭合回路；所述负载电路的等效负载电阻的一端连接所述第四谐振体的第二补偿电容，另一端连接所述第四谐振体的第四等效串联电阻，在所述第二补偿电容和第四等效串联电阻之间还串联有第四谐振体的第四等效电感。

进一步的，所述第一反射阻抗为所述第二谐振体对所述供能电路的反射阻抗；所述第二反射阻抗为所述第三谐振体对所述第二谐振体的反射阻抗；所述第三反射阻抗为所述负载电路对所述第三谐振体的反射阻抗。

进一步的，所述第一谐振体与所述第二谐振体间存在第一互感系数；所述第二谐振体与所述第三谐振体间存在互感系数；所述第三谐振体与所述第四谐振体间存在互感系数。

进一步的，所述供能电路包括电源、整流电路、谐振电路和E类功率放大器，所述电源、整流电路、谐振电路和E类功率放大器依次串联而成；所述E类功率放大器将谐振频率提高到兆赫兹级以上。

进一步的，所述负载电路包括谐振电路、整流电路、稳压电路和负载，所述谐振电路、整流电路、稳压电路和负载依次串联而成，将磁场能转换为电能对所述负载进行供电。

由于采用了上述基于磁共振的技术方案，本实用新型的无线充电系统可以随身随地、高效率的进行能量的传输，不但克服了电池能量对智能穿戴设备、水下设备的限制，还有效延长了智能穿戴设备、水下设备的续航时间需求。

附图说明

图1为本实用新型实施例的一种基于磁共振的无线充电系统的结构示意图。

图2a和图2b是谐振电路拓扑结构示意图。

图3是本实用新型一个实施例的无线传能系统拓扑结构示意图。

具体实施方式

为了便于对本实用新型的进一步理解，下面将结合附图以及具体实施例对本实用新型的技术方案做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本实用新型实施例的限定。

本实用新型适用于智能穿戴设备，比如智能手环、智能眼镜等等；还适用于水下设备，比如潜艇、传感器、鱼雷等。

如图1所示，一种基于磁共振的无线充电系统，包括供能电路10、谐振体20和负载电路30，供能电路10与负载电路30通过谐振体20连接，其中：

供能电路包括电源11、整流电路12、谐振电路13和E类功率放大器14，电源11、整流电路12、谐振电路13和E类功率放大器14依次串联，由于供能电路的能量发射变换环节利用的不再是正常的50Hz交流电，而是通过E类放大器将谐振频率大幅度提高到兆赫兹级以上成为高频信号，比如达到10MHz左右，因此能够为谐振体20提供稳定的能量级别。

谐振体20包括第一谐振体21、第二谐振体22、第三谐振体23和第四谐振体24，第一谐振体21采用小尺寸线圈将电路的电能转变成磁场能，供能电路10最终通过E类放大器将电信号转变成电磁波的形式到达第一谐振体21；第一谐振体21将磁场能传递给第二谐振体22；第二谐振体22与第三谐振体23为两个大尺寸线圈，两者通过谐振以高频磁场为媒介实现了电能的中距离无线传输；第三谐振体23以电磁感应方式将能量传递给第四谐振体24，第四谐振体24为一个小线圈与负载电路30相连，主要将系统的磁场能转变成电能为负载电路供电。在以智能穿戴设备作为负载的情况下，第一谐振体21和第四谐振体24的线圈尺寸小于1cm×1cm，第二谐振体22和第三谐振体23的线圈尺寸均在1cm×1cm～2cm×2cm之间。在以其他设备作色负载的时候，可根据需要调整各谐振体的线圈尺寸。

负载电路30包括谐振电路31、整流电路32、稳压电路33和负载34，谐振电路31、整流电路32、稳压电路33和负载34依次串联，最终将磁场能转换为电能对负载34进行供电。

通过上述实施例可以看出，由于能量无限传输环节增加了两个大尺寸谐振线圈（第二谐振体22和第三谐振体23），线圈可利用自身的分布电容使自身谐振频率达到整个系统的谐振频率，进而增大了能量的传输距离。

图2a和图2b分别示出了并联谐振电路与串联谐振电路的两种方式。图2a并联谐振电路在发生谐振时线圈与电容的等效阻抗为无限大，回路中的等效阻抗也近似为无线大。图2b串联谐振电路在发生谐振时线圈与电容的等效阻抗大约为0，回路中的阻抗近似为线路阻抗。

在给智能穿戴设备、水下设备等供电的情况时，考虑到供能端电源电压不会很高，负载端负载不会过大的实际情况，将两端谐振电路均确定为串联式谐振电路，则磁共振无线传能系统的电路拓扑结构如图3所示：

第二谐振体22与第三谐振体23之间可以完成中距离的电能传输。图3中，为磁共振无线传能系统的等效电压源；为系统中的等效电流；为各个回路中的等效串联电阻；为负载端负载的等效电阻；分别为第一谐振体21到第四谐振体24的等效电感；与分别为第一谐振体21与第四谐振体24的补偿电容；分别为第二谐振体22与第三谐振体23的分布电容；为第二谐振体22对供能电路10的反射阻抗；为第三谐振体23对第二谐振体22的反射阻抗；为负载电路30对第三谐振体23的反射阻抗；第一互感系数为第一谐振体21与第二谐振体22间的互感系数；第二互感系数为第二谐振体22与第三谐振体23间的互感系数；第三互感系数为第三谐振体23与第四谐振体24间的互感系数。

供能电路10的等效电压源的一端连接第一谐振体21的第一补偿电容，另一端连接第一谐振体21的第一等效电感L1，在第一补偿电容与第一等效电感L1之间依次串联有第一谐振体21的第一等效串联电阻R1和第一反射阻抗；第二谐振体22依次由第二反射阻抗、第一分布电容C2、第二等效串联电阻R2和第二等效电感L2串联组成闭合回路；第三谐振体23依次由第三反射阻抗、第二分布电容C3、第三等效串联电阻R3和第三等效电感L3串联组成闭合回路；负载电路30的等效负载电阻的一端连接第四谐振体24的第二补偿电容，另一端连接第四谐振体24的第四等效串联电阻R4，在第二补偿电容和第四等效串联电阻R4之间还串联有第四谐振体24的第四等效电感L4。

通过上述实施例，可以发现本实用新型具有下述优点：

（1）基于磁共振的无线电能传输的效率高、稳定性好，可以保证持续、足够的能量供给。

（2）克服电池能量对智能穿戴设备、水下设备的使用限制，有效延长智能穿戴设备、水下设备的续航时间。

（3）安全、稳定、无电磁辐射，可以保证持续的能量供给，人们可以放心使用。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于磁共振的无线充电系统，包括供能电路（10）和负载电路（30），其特征在于：所述供能电路（10）和所述负载电路（30）之间通过谐振体（20）连接，其中，所述供能电路（10）用于为所述谐振体（20）提供稳定的能量；所述谐振体（20）包括第一谐振体（21）、第二谐振体（22）、第三谐振体（23）和第四谐振体（24），所述第一谐振体（21）采用小尺寸线圈将所述供能电路（10）传来的电能转变成磁场能；所述第一谐振体（21）将磁场能传递给所述第二谐振体（22）；所述第二谐振体（22）与所述第三谐振体（23）为两个大尺寸线圈，两者通过谐振以高频磁场为媒介实现电能的中距离无线传输；所述第三谐振体（23）以电磁感应方式将能量传递给所述第四谐振体（24），所述第四谐振体（24）为一个小线圈与所述负载电路（30）相连，将系统的磁场能转变成电能为所述负载电路供电。

2.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于：所述第一谐振体（21）和所述第四谐振体（24）的线圈尺寸小于1cm×1cm，所述第二谐振体（22）和所述第三谐振体（23）的线圈尺寸均在1cm×1cm～2cm×2cm之间。

3.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于：所述第一谐振体（21）、第二谐振体（22）、第三谐振体（23）和第四谐振体（24）均为串联式谐振电路。

4.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于：所述供能电路（10）的等效电压源（）的一端连接所述第一谐振体（21）的第一补偿电容（），另一端连接所述第一谐振体（21）的第一等效电感（L1），在所述第一补偿电容（）与第一等效电感（L1）之间依次串联有所述第一谐振体（21）的第一等效串联电阻（R1）和第一反射阻抗（）；所述第二谐振体（22）依次由第二反射阻抗（）、第一分布电容（C2）、第二等效串联电阻（R2）和第二等效电感（L2）串联组成闭合回路；所述第三谐振体（23）依次由第三反射阻抗（）、第二分布电容（C3）、第三等效串联电阻（R3）和第三等效电感（L3）串联组成闭合回路；所述负载电路（30）的等效负载电阻（）的一端连接所述第四谐振体（24）的第二补偿电容（），另一端连接所述第四谐振体（24）的第四等效串联电阻（R4），在所述第二补偿电容（）和第四等效串联电阻（R4）之间还串联有第四谐振体（24）的第四等效电感（L4）。

5.如权利要求4所述的无线充电系统，其特征在于：所述第一反射阻抗（）为所述第二谐振体（22）对所述供能电路（10）的反射阻抗；所述第二反射阻抗（）为所述第三谐振体（23）对所述第二谐振体（22）的反射阻抗；所述第三反射阻抗（）为所述负载电路（30）对所述第三谐振体（23）的反射阻抗。

6.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于：所述第一谐振体（21）与所述第二谐振体（22）间存在第一互感系数（）；所述第二谐振体（22）与所述第三谐振体（23）间存在互感系数（）；所述第三谐振体（23）与所述第四谐振体（24）间存在互感系数（）。

7.如权利要求1-6任一权利要求所述的无线充电系统，其特征在于：所述供能电路包括电源（11）、整流电路（12）、谐振电路（13）和E类功率放大器（14），所述电源（11）、整流电路(12)、谐振电路(13)和E类功率放大器(14)依次串联而成；所述E类功率放大器(14)将谐振频率提高到兆赫兹级以上。

8.如权利要求1-6任一权利要求所述的无线充电系统，其特征在于：所述负载电路（30）包括谐振电路（31）、整流电路（32）、稳压电路（33）和负载（34），所述谐振电路（31）、整流电路（32）、稳压电路（33）和负载（34）依次串联而成，将磁场能转换为电能对所述负载（34）进行供电。