CN208904772U - 自适应磁共振无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种自适应磁共振无线充电装置，包括：发射端和接收端，其中，发射端与接收端包括谐振频率相同的发射端线圈及接收端线圈，所述发射端包括红外传感器，用于获取发射端与接收端的空间距离，其中，所述空间距离用于调整发射线圈的耦合系数始终处于耦合点。通过利用矢量天线技术和传感器技术相融合，智能判断接收端和发射端的空间结构特征，不断调整系统的耦合系数，让系统的传输效率和传输功率始终保持最优值，从而达到无线充电作用距离远，传输效率高的特点。

Description

自适应磁共振无线充电装置

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种自适应磁共振无线充电装置。

背景技术

随着智能手机日益普及，各类消费电子产品对电的需求无处不在，如何摆脱传统线缆的束缚，避免频繁充电的繁琐，已经成为取悦消费者的新方式。无线充电技术(Wireless charging technology)源于无线电能传输技术，从功率上划分可分为小功率无线充电和大功率无线充电两种方式。从技术实现角度上划分，目前成熟的技术路线有：电磁感应方式、无线电波方式、磁共振方式、电场感应方式。目前所有的无线充电实现都有发射和接收两部分组成。目前主流的无线充电方式及对应的标准包括：无线充电联盟(Wireless Power Consortium)推出的QI标准-电磁感应方式； A4WP(Alliance forWireless Power)和PMA(Power Matters Alliance)合并后的国际无线充电行业联盟(AirFuel Alliance)-磁共振方式；无线电波充电方式以及电场耦合式无线充电方式。上述几种技术实现方式各有优缺点，在综合考虑充电功率，充电效率，技术可行性以及成本对消费电子产品的影响，亟需一种新型的磁感应无线充电技术的实现方法，在兼顾充电功率和充电效率的同时，能够解决在50mm距离内无线充电的难题。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型提供了一种自适应磁共振无线充电装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本实用新型的一个方面，提供了一种自适应磁共振无线充电装置，包括：发射端和接收端，其中，发射端与接收端包括谐振频率相同的发射端线圈及接收端线圈，所述发射端包括红外传感器，用于获取发射端与接收端的空间距离，其中，所述空间距离用于调整发射线圈的耦合系数始终处于耦合点。

在本实用新型一些实施例中，发射端包括：发射端电路板；发射端磁屏蔽片，设置在发射端电路板上方；至少一个发射端线圈，设置于发射端磁屏蔽片上；以及红外传感器，其一端对应设置在每个发射端线圈的中心，另一端设置在发射端电路板上。

在本实用新型一些实施例中，接收端包括：接收端磁屏蔽片，以及；至少一个接收端线圈，设置在接收端磁屏蔽片上。

在本实用新型一些实施例中，发射线圈的耦合系数由两个因素决定：空载谐振Q值和负载时谐振Q值，其中，负载谐振Q值根据红外传感器测获取的发射端与接收端的空间距离动态调整。

在本实用新型一些实施例中，负载谐振Q值为：

Q＝V2/(V1*L)，

其中，V1为输入信号的电压值，V2为磁共振产生之后的通过谐振电容的电压值，L为发射端与接收端的空间距离。

在本实用新型一些实施例中，发射线圈的空载谐振Q值可以根据下式确定：

Q＝π/(-ln(Rate))，

其中Rate是信号衰减率。

在本实用新型一些实施例中，所述空载谐振Q值由线圈的直径和匝数确定。

根据本实用新型的另一个方面，提供了一种自适应磁共振无线充电方法，包括：

S1：通过红外传感器获取发射端到接收端的空间距离，并根据该空间距离确定线圈的负载谐振Q值；

S2：根据确定是线圈的负载谐振Q值及空载谐振Q值确定线圈的耦合系数，使收发线圈的耦合系数始终处于耦合点；

S3：发射线圈向接收线圈传送能量，具有相同谐振频率的接收线圈接收电力并将其转换为可为设备充电的电流。

在本实用新型一些实施例中，所述步骤S2包括，通过每个红外传感器获取的空间距离负调整载谐振Q值后，再根据空载谐振Q值确定线圈的耦合系数，使收发线圈的耦合系数始终处于耦合点，调整每个线圈的发射功率和谐振频率，使得传输功率和传输效率达到最优值。

在本实用新型一些实施例中，所述步骤S3包括，使用谐振技术的充电器将振荡电流注入到高谐振的发射线圈中以产生振荡电磁场，具有相同谐振频率的接收线圈从电磁场接收电力并将其转换为可为设备充电的电流。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型自适应磁共振无线充电装置至少具有以下有益效果：

通过利用矢量天线技术和传感器技术相融合，智能判断接收端和发射端的空间结构特征，不断调整系统的耦合系数，让系统的传输效率和传输功率始终保持最优值，从而达到无线充电作用距离远，传输效率高的特点。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例自适应磁共振无线充电装置的结构示意图。

图2为本实用新型实施例发射线圈信号衰减的示意图。

图3为本实用新型实施例发射线圈在负载谐振时确定Q值的示意图。

图4为本实用新型实施例自适应磁共振无线充电装置的方法流程图。

【附图中本实用新型实施例主要元件符号说明】

1、接收端线圈； 2、接收端磁屏蔽片；

3、发射端线圈； 4、红外传感器；

5、发射端电路板； 6、发射端磁屏蔽片。

具体实施方式

目前商用的QI充电标准充电距离要求是收发线圈的中心距离不大于 8mm，为了克服现有的电磁感应充电方式，作用距离短，使用空间局限性的缺点，本实用新型提供了一种自适应磁共振无线充电装置，无线充电的距离可达到50mm左右，同时兼顾了充电功率和充电效率。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

本实用新型某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本实用新型的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本实用新型满足适用的法律要求。

现有的磁共振充电的原理是将两个线圈的频率调谐到共振状态，由此产生电能并进行无线电力传输。基于电磁耦合的原理，使用谐振技术的充电器将振荡电流注入到高谐振线圈中以产生振荡电磁场。具有相同谐振频率的第二线圈从电磁场接收电力并将其转换为可为设备充电的电流。

现有的磁共振充电装置当发射线圈开始向接收电路传送能量时，根据谐振耦合系数的变化，会出现三种工作状态：欠耦合状态、临界耦合点、过耦合状态。三种状态的不同导致充电功率和充电效率的不同，而充电系统本身并不知道外界的环境从而无法自动调整耦合系数，从而无法使磁共振真正大规模应用于消费电子产品。本实用新型自适应磁共振装置利用矢量天线技术和传感器技术相融合，智能判断接收端和发射端的空间结构特征，不断调整系统的耦合系数，让系统的传输效率和传输功率始终保持最优值。从而达到无线充电作用距离远，传输效率高的特点。

在本实用新型的第一个示例性实施例中，提供了一种自适应磁共振无线充电装置。图1为本实用新型第一实施例自适应磁共振无线充电装置的结构示意图。如图1所示，本实施例自适应磁共振无线充电装置包括发射端和接收端，其中，发射端包括发射端线圈3、红外传感器4、发射端电路板5及发射端磁屏蔽片6；接收端包括接收端线圈1及接收端磁屏蔽片 2。

以下分别对本实施例自适应磁共振无线充电装置的各个组成部分进行详细描述。

其中，在接收端，多个接收线圈1设置于接收端磁屏蔽片2上；在发射端，多个发射端线圈3设置于发射端磁屏蔽片6上，每个发射端线圈3 中心有一个红外传感器4，红外传感器采用时间片轮询的方式，在1ms的时间戳内对外界环境进行阵列扫描，多线圈可以组成网络对三维空间结构进行实时监测。红外传感器4一端设置在发射端线圈3中心处，另一端设置在发射端磁屏蔽片6下方的发射端电路板5上。在本实施例中，发射线圈的直径为30mm～40mm，线圈的匝数满足电感值为47uH；接收线圈的直径为20mm，线圈的匝数满足电感值为22uH。

发射端的红外传感器4组成红外传感器阵列测量到外界探测到的被充电设备壳体的空间距离，一般地，被充电设备的壳体到其壳体内部接收端线圈的距离为一固定值，由此可以获得发射端线圈到接收端线圈的空间距离，从而自适应磁共振装置根据获取的发射端到接收端的空间距离动态调整每个发射线圈的发射功率和谐振频率。

其中，动态调整每个线圈的发射功率和谐振频率的原理如下：

单个线圈的耦合系数由两个因素决定：空载谐振Q值和负载时谐振Q 值。

线圈的空载谐振Q值可以根据Q＝π/(-ln(Rate))确定，Rate是信号衰减率。图2所示为发射线圈信号衰减的示意图。

图3所示为发射线圈在负载谐振时确定Q值的示意图。线圈的负载谐振Q值可以根据谐振频率点确定，在本实施例自适应磁共振装置中，空载谐振Q值是由线圈的直径和匝数确定的，而负载谐振Q值需要根据红外传感器测的空间距离动态调整。最终单个线圈的负载谐振Q值为 Q＝V2/(V1*L)，其中，V1为输入信号的电压值，V2为磁共振产生之后的通过谐振电容(Resonance Capacitor)的电压值。V1可以通过MCU调整占空比。L为发射端到接收端的距离。

通过每个红外传感器测的空间距离负调整载谐振Q值后，在根据空载谐振Q值确定线圈的耦合系数，使收发线圈的耦合系数始终处于耦合点，调整每个线圈的发射功率和谐振频率，使得传输功率和传输效率达到最优值。

当然，上述硬件结构还应当包含向红外传感器供电的电源模块(图未示)等功能模块，这些是本领域内的一般技术人员可以理解的，本领域内一般技术人员也可以根据功能的需要，添加相应的功能模块，在此不作赘述。

至此，本实用新型第一实施例自适应磁共振无线充电装置介绍完毕。

在本实用新型的第二个示例性实施例中，提供了一种自适应磁共振无线充电方法。

图4为本实用新型实施例自适应磁共振无线充电装置的方法流程图。如图4所示，本实施例自适应磁共振无线充电方法包括：

步骤S1，红外传感器对线圈的空间距离进行测量，并确定线圈的负载谐振Q值；

步骤S2，根据确定是线圈的负载谐振Q值及空载谐振Q值确定线圈的耦合系数，使收发线圈的耦合系数始终处于耦合点；

步骤S3，发射线圈开始向接收线圈传送能量，具有相同谐振频率的接收线圈从电磁场接收电力并将其转换为可为设备充电的电流。

以下分别对本实施例自适应磁共振无线充电装置的各个步骤部分进行详细描述。

其中，步骤S1中，红外传感器4测量到被充电设备壳体的空间距离，从而获取发射端到接收端的空间距离，从而在步骤S2中，自适应磁共振装置根据该测量的空间距离动态调整每个线圈的发射功率和谐振频率，使收发线圈的耦合系数始终处于耦合点，达到传输功率和传输效率的最优值。

单个线圈的耦合系数由两个因素决定：空载谐振Q值和负载时谐振Q 值。

线圈的空载谐振Q值可以根据Q＝π/(-ln(Rate))确定，Rate是信号衰减率。线圈的负载谐振Q值可以根据Q＝V2/V1，即谐振频率点确定，其中，V1为输入信号的电压值，V2为磁共振产生之后的通过谐振电容的电压值。V1可以通过MCU调整占空比。

在本实施例自适应磁共振无线充电方法中，空载谐振Q值是由线圈的直径和匝数确定的，而负载谐振Q值需要根据红外传感器测的空间距离动态调整。最终单个线圈的负载谐振Q值为Q＝V2/(V1*L)，其中，L为发射端到接收端的空间距离。

通过每个红外传感器测的空间距离负调整载谐振Q值后，在根据空载谐振Q值确定线圈的耦合系数，使收发线圈的耦合系数始终处于耦合点，调整每个线圈的发射功率和谐振频率，使得传输功率和传输效率达到最优值。

步骤S3中，使用谐振技术的充电器将振荡电流注入到高谐振的发射线圈，发射线圈中以产生振荡电磁场，具有相同谐振频率的接收线圈从电磁场接收电力并将其转换为可为设备充电的电流。

当然，根据实际需要，本实用新型显示装置的制备方法还包含其他的步骤，由于同本实用新型的创新之处无关，此处不再赘述。

为了达到简要说明的目的，上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

至此，本实用新型第二实施例自适应磁共振无线充电方法介绍完毕。

至此，已经结合附图对本实用新型实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本实用新型的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本实用新型实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本实用新型的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/ 或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本实用新型并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本实用新型的示例性实施例的描述中，本实用新型的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本实用新型要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本实用新型的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自适应磁共振无线充电装置，包括：发射端和接收端，其特征在于，发射端与接收端包括谐振频率相同的发射端线圈及接收端线圈，所述发射端包括红外传感器，用于获取发射端与接收端的空间距离，所述空间距离用于调整发射线圈的耦合系数始终处于耦合点。

2.根据权利要求1所述的自适应磁共振无线充电装置，其特征在于，发射端包括：

发射端电路板；

发射端磁屏蔽片，设置在发射端电路板上方；

至少一个发射端线圈，设置于发射端磁屏蔽片上；以及

红外传感器，其一端对应设置在每个发射端线圈的中心，另一端设置在发射端电路板上。

3.根据权利要求2所述的自适应磁共振无线充电装置，其特征在于，接收端包括：

接收端磁屏蔽片，以及；

至少一个接收端线圈，设置在接收端磁屏蔽片上。