CN220053531U - 无线充电设备及充电自行车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线充电设备及充电自行车，无线充电设备包括接收线圈和发射线圈，所述接收线圈能够轴向嵌入或脱离所述发射线圈的内部，当接收线圈轴向嵌入发射线圈内部时，发射线圈和接收线圈同轴耦合。本实用新型发射端及接收端结构能够完全藏于设备内部，减少了用线量，减少了尺寸，降低了重量及成本，提高了充电效率。

Description

无线充电设备及充电自行车

技术领域

本实用新型属于无线充电技术领域，涉及一种无线充电设备及充电自行车。

背景技术

传统的接触式导电滑环高速摩擦会产生热量和噪声，久而久之，甚至会有电弧和火花，并且会导致传输信号的畸变。非接触式的电容耦合技术是在空气气隙上采用不断变化的电场来传输信息，适用于近距离的信号传输。

现有的非接触式的供电设备有几个缺点：

1，一般是kHz级传输系统，线圈用线比较长。线是铜线及利兹线，重量大，成本高。

2，线圈主要使用平面线圈或者大型套筒结构，综合效率欠佳。功率效率的差别直接影响耗电量和温升；而且平面线圈没有包覆型结构，电磁侧漏比较大，容易对周边造成干扰和其他不良影响。

3，现有的设计模块是从设计简易出发，为了容易嵌入系统里，所以多数是扁平的模块，人性化设计不足。

此外，电动自行车已越来越普及，现行电动自行车的充电方式只是单个外部电源对应一耦合线圈，仅对单个电动自行车进行充电，而不能使得单个电源对应给多个电动车之间充电，更不能使电动自行车之间相互充电。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种无线充电设备，发射端及接收端结构能够完全藏于设备内部，减少了用线量，减少了尺寸，降低了重量及成本，提高了充电效率，解决了现有技术中存在的问题。

本实用新型的另一目的是，提供一种充电自行车。

本实用新型所采用的技术方案是，一种无线充电设备，包括接收线圈和发射线圈，所述接收线圈能够轴向嵌入或脱离所述发射线圈的内部，当接收线圈轴向嵌入发射线圈内部时，发射线圈和接收线圈同轴耦合。

进一步的，所述发射线圈和接收线圈的线圈半径均在6-200mm内，同轴耦合时发射线圈和接收线圈的径向间距为0.1-20mm。

进一步的，所述发射线圈和接收线圈的轴向高度相同，高度为5mm-100mm。

进一步的，所述发射线圈和接收线圈的匝数为2-100圈，绕制方向相同；工作频率20KHz-6.78MHz。

进一步的，所述发射线圈和接收线圈均绕制于对应的绝缘骨架上，当接收线圈位于发射线圈的上方时，发射线圈的外部、底部敷设有软导磁层，接收线圈的内部、上部敷设有软导磁层。

一种充电自行车，包括上述无线充电设备，包括智能充电柜发射端和电动自行车接收端；所述智能充电柜发射端包括发射端逆变器，发射端逆变器与无线充电设备的发射线圈电连接；

所述电动自行车接收端包括整流稳压模块，整流稳压模块连接无线充电设备的接收线圈；经整流稳压后连接充电电池；接收线圈在充电时能够同轴嵌入到发射线圈内，进行无线充电。

进一步的，所述电动自行车接收端设置在自行车车把横梁的中间位置、车架或座椅底部。

进一步的，所述电动自行车上还设置有接收端逆变器、电动自行车发射线圈，整流稳压模块的输出端分别连接充电电池和设置在车把内的接收端逆变器，接收端逆变器通过设置在该自行车车把横梁内的直流传输线连接电动自行车发射线圈，接收线圈通过线路与整流稳压模块的输入端连接，电动自行车发射线圈的结构与发射线圈的结构相同；自行车的接收线圈与另一自行车的电动自行车发射线圈耦合，或者自行车的接收线圈与智能充电柜发射端的发射线圈耦合。

本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型无线充电设备为非接触式传能，发射端及接收端结构完全藏于设备内部，可做全封闭处理，以及防水、防尘、防震、防爆等需要；所有金属点不外露，大幅降低了漏电风险或者因漏电造成的电池或电路故障。

2.本实用新型基于高频共振原理，工作频率为100KHz-13.56MHz；用线量比现有的绕法少很多，减少了尺寸，降低了重量及成本。

3.本实用新型无线充电收发装置可以安装在自行车的不同位置，便于综合考虑环境因素、人体惯性、用户习惯等进行设计，对用户来说更人性化，经久耐用，方便操作、维护。

4.当设备通过电网或储能电池获取电力时，将根据所有已经串联设备电量进平衡充电，优先给末端及低电量设备充电，通过上述级联方式配合电池BMS及相互无线通信进行实时匹配控制，也可兼顾其他优先级设计。当设备通过自身电量充电时，将以平衡充电逻辑进行，也可兼顾其他优先级设计。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例单个电动自行车充电原理图。

图2是本实用新型实施例两个及以上电动自行车图相互充电原理图。

图3是本实用新型实施例自行车充电时效率图。

图4是本实用新型实施例线圈耦合结构示意图。

图5是本实用新型实施例中电动自行车及其充电位置的结构示意图。

图6是本实用新型实施例中电动自行车发射线圈与接收线圈分离状态的结构示意图。

图7是本实用新型实施例中接收线圈置于电动自行车发射线圈内的结构示意图。

图8是本实用新型实施例中智能充电柜发射端给电动自行车级联充电的示意图。

图9是本实用新型实施例中车头充电器的侧图。

图10是本实用新型实施例中车头充电器横图。

图11是本实用新型实施例中车头充电器侧切图。

图12是本实用新型实施例中整流电路图。

图13是本实用新型实施例中降压电路图。

图14是本实用新型实施例中升压电路图。

图中，1、智能充电柜发射端，2、电动自行车接收端，3、发射线圈，4、接收线圈，5、电动自行车发射线圈，6、整流稳压模块，7、软导磁层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1，

一种无线充电设备，如图4所示，接收线圈4能够轴向嵌入或脱离发射线圈3的内部，当接收线圈4轴向嵌入发射线圈3内部时，发射线圈3和接收线圈4同轴耦合，进行无线充电。接收线圈4和发射线圈3均为立体线圈，导线同向旋转，形成强磁场耦合。

发射线圈3和接收线圈4均绕制于对应的绝缘骨架上，发射线圈3的外部、底部敷设有软导磁层7，接收线圈4的内部、上部敷设有软导磁层7。

如图9-11所示，发射线圈3和接收线圈4的相关的参数：发射线圈3和接收线圈4的半径均在范围6-200mm内，发射线圈3和接收线圈4的径向间距0.1-20mm，高度5mm-100mm，单线或双线并绕制，匝数2-100圈，频率20KHz-6.78MHz。

实施例2，

采用实施例1所述无线充电设备的电动自行车，结构如图1、5所示，包括智能充电柜发射端1和电动自行车接收端2；

智能充电柜发射端1包括：设置在智能充电柜上的发射端逆变器，发射端逆变器与发射线圈3连接，发射端逆变器的作用是DC/AC转换。

电动自行车接收端2包括：可与发射线圈3耦合的接收线圈4，接收线圈4通过连接线与设置在电动自行车内的整流稳压模块6连接，整流稳压模块6与自行车的充电电池连接。

其中，发射端逆变器可以是太阳能光伏板供电，也可以是市电供电。

在一些实施例中，电动自行车接收端2设置在自行车车把横梁的中间位置(或者其他合适位置：如车架，座椅底部等)，优选的，接收线圈4可设置在车把横梁中间位置的开口内；电动自行车接收端2的接收线圈4在充电的时候同轴嵌套到智能充电柜发射端1的发射线圈3内，进行非接触式耦合传能。

实施例3，

如图2、6所示，在电动自行车上还设置有电动自行车发射线圈5；优选的，电动自行车发射线圈5设置在车把横梁的中间位置内，整流稳压模块6的输出端分别连接充电电池和设置在车把内的接收端逆变器，接收端逆变器通过设置在该自行车车把横梁内的直流传输线连接电动自行车发射线圈5，接收线圈4通过线路与整流稳压模块6的输入端连接，电动自行车发射线圈5的结构与发射线圈3的结构相同。1#自行车的电动自行车发射线圈5与另一自行车(2#自行车)的接收线圈4同轴耦合时，1#自行车的充电电池的电能通过接收端逆变器传送至电动自行车发射线圈5，通过电动自行车发射线圈5与接收线圈4，将电能无线传输至2#自行车的接收线圈4。自行车的接收线圈4与另一自行车的电动自行车发射线圈5耦合，或者自行车的接收线圈4与智能充电柜发射端1的发射线圈3耦合，满足自行车串联充电，或者自行车间相互充电。

无线充电设备的电动自行车的充电方法，包括以下步骤：

如图6-8所示，当第一辆电动自行车需要充电时，智能充电柜发射端1的发射端逆变器输出100W(或更大)功率，将第一辆电动自行车的接收线圈4同轴嵌入在智能充电柜发射端1的发射线圈3内，接收线圈4通过整流稳压模块6输出100W的功率至充电电池。

当第二辆电动自行车需要充电时，将第二辆电动自行车放置在第一辆电动自行车的旁边，第二辆电动自行车的接收线圈4同轴嵌入在第一辆电动自行车发射线圈5内；此时第一辆电动自行车的充电电池输出50W功率(或更大)至第一辆的电动自行车发射线圈5，第二辆电动自行车通过接收线圈4无线接收电能并通过整流稳压模块6给第二辆电动自行车的充电电池充电。同理，第n+1辆电动自行车可以放置第n辆电动自行车的旁边进行充电。此时第一辆电动自行车可以在智能充电柜上边充电边给第二辆电动自行车充电，也可以不充电仅放电。当电动车不需要充电时，可以将接收线圈4放置在各自的电动自行车发射线圈5内收纳。

本实用新型实施例增强了自行车充电的灵活性，可以由充电柜独立给自行车充电，也可以充电柜与多辆自行车串联充电(自行车级联充电)，也可以是自行车之间相互充电，自行车之间相互充电，电量来自自行车携带的充电电池；可以避免充电桩位置不够而无法多车同时充电，节省综合时间。

本实用新型实施例采用共振技术，可以有效地在某频率、以更少的材料和空间来达到更高的共振耦合效率，同时更有效地减少不必要的电磁干扰，使本实用新型在自行车以及其他合适场景比现有的技术更优秀。

本实用新型的高频电路的设计需要关注更多设计参数和原理要素：

1，耦合线缆的趋肤效应

高频电路的趋肤反应更显著。需要选择合适的线径和包皮材料来避免趋肤造成的损耗。线皮材料是PVC，它的选择主要在于其角正切损耗，线径视乎所流通的电流量，本实施例采用的线径是1mm，线径的适用范围0.2-5mm。

2，线体的温升

线圈的长度需要控制在半波长内，以避免过偶、损耗影响导磁线圈温升偏高。本实施例不采用低频的利兹线，否则内损耗会很高。粗利兹线的特性只能用在1MHz以下，损耗在1-2MHz，已经临近一般同规格的铜线了，因此权衡总重量、总线径和总成本，不采用利兹线，并且其较重，不宜用于移动便携设备。本实施例线圈为铜线、细利兹线(直径范围是0.1-50mm)、包漆铜线等导线。

3，阻抗匹配

高频电路对阻抗比较敏感，需要比较精准的矢量测试仪的测量，达到优秀的系统优化。由于高电压低电流能带来更高的效率，本实施例利用匹配电路将线圈的输入和输出阻抗提高到40至60欧姆之间。这样耦合的效率高，温升低。

4，电路设计

高频电路设计所需的电子元器件需体积小、质量轻，需要筛选并实测才能选到合适的。比如温升低的高频电感，所需要的黄色等级磁环；二极管、功率管所需要的低开关损耗；电容需要陶瓷类里的高频等级，等等。

整流稳压模块6包括整流电路、降压电路和升压电路。整流电路，如图12所示，在现有桥式整流电路的基础上增加了宽频LC谐振电路，增大了整流带宽，进行了小型化。

降压电路，如图13所示，进行了小型化，降压核心器件见表1。

表1降压核心器件

器件	器件参数	编号
			VMML1352A121MV	120μF/100V	C9,C10
VMML1351K181MV	180μF/80V	C40,C41,C42
			STTH2002CG-TR	——	D1
SS220	——	D2
			SS220	——	D4,D5
SMMS1770-680M	68μH/5.2A	L1
			IRFS4227TRLPBF	——	Q1

升压电路，如图14所示，进行了小型化，升压核心器件见表2。

表2升压核心器件

5，导磁回路

低磁损、高效率的导磁回路所需的材料在市场上供应链比较驳杂，普及化和归类不细致，所以不容易配对设计参数。需要经验和多番测试才能确认某型号、厚度、长宽是否合适；因此，找到合适的导磁材料更难。本实施例软导磁层7选导磁材料型号JCXB，导磁率100以上，材料厚度0.1mm以上。

本实用新型实施例的充电自行车充电效率如图3所示，可以看出，各部分之间的效率较高，整体实测充电效率达到了85％。

本实用新型的无线充电设备，不仅可以应用在充电自行车，还可用于电动助力车、平衡车、玩具、工具等各种设备。即提供非接触式供电及多级串联充电，让各类设备可以从电网，储能电池，动力电池获得能量进行充电，可提供<1kw的充电功率。发射端及接收端结构完全藏于设备内部，可做全封闭处理，以及各等级防水，防尘，防震，防爆等需要。基于高频共振原理，工作频率有100KHz-13.56MHz，可根据传输功率和场景需求优化无线充电设备的结构尺寸形态，如，扁圆形，长圆形，方形，梯形等。发射端与接收端间通过无线模式进行数据交互，可应用电磁波、红外线、超声波等不同形态。

当设备通过电网或储能电池获取电力时，将根据所有已经串联设备电量进平衡充电，优先给末端及低电量设备充电，通过上述级联方式配合电池BMS及相互无线通信进行实时匹配控制，也可兼顾其他优先级设计。当设备通过自身电量充电时，将以平衡充电逻辑进行，也可兼顾其他优先级设计。

本实用新型实施例建立了完整的储-充-用场景，以电动自行车为载体建立非接触式能量传输闭环体系，通过非接触方式，可以有效避免常规有线充电造成的危险情景，甚至是损害电池产生更严重问题。本实用新型实施例的整个系统能够适配自行车结构和骑行者使用习惯，耦合器及电路模块紧凑，同时达到了设计和系统要求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无线充电设备，其特征在于，包括接收线圈（4）和发射线圈（3），所述接收线圈（4）能够轴向嵌入或脱离所述发射线圈（3）的内部，当接收线圈（4）轴向嵌入发射线圈（3）内部时，发射线圈（3）和接收线圈（4）同轴耦合；接收线圈（4）和发射线圈（3）均为立体线圈，导线同向旋转，形成强磁场耦合。

2.根据权利要求1所述一种无线充电设备，其特征在于，所述发射线圈（3）和接收线圈（4）的线圈半径均在6-200mm内，同轴耦合时发射线圈（3）和接收线圈（4）的径向间距为0.1-20mm。

3.根据权利要求1所述一种无线充电设备，其特征在于，所述发射线圈（3）和接收线圈（4）的轴向高度相同，高度为5mm-100mm。

4.根据权利要求1所述一种无线充电设备，其特征在于，所述发射线圈（3）和接收线圈（4）的匝数为2-100圈，绕制方向相同；工作频率20KHz-6.78MHz。

5.根据权利要求1所述一种无线充电设备，其特征在于，所述发射线圈（3）和接收线圈（4）均绕制于对应的绝缘骨架上，当接收线圈（4）位于发射线圈（3）的上方时，发射线圈（3）的外部、底部敷设有软导磁层（7），接收线圈（4）的内部、上部敷设有软导磁层（7）。

6.一种充电自行车，包括如权利要求1所述一种无线充电设备，其特征在于，包括智能充电柜发射端（1）和电动自行车接收端（2）；

所述智能充电柜发射端（1）包括发射端逆变器，发射端逆变器与无线充电设备的发射线圈（3）电连接；

所述电动自行车接收端（2）包括整流稳压模块（6），整流稳压模块（6）连接无线充电设备的接收线圈（4）；经整流稳压后连接充电电池；接收线圈（4）能够同轴嵌入到发射线圈（3）内，进行无线充电。

7.根据权利要求6所述一种充电自行车，其特征在于，所述电动自行车接收端（2）设置在自行车车把横梁的中间位置、车架或座椅底部。

8.根据权利要求7所述一种充电自行车，其特征在于，所述电动自行车上还设置有接收端逆变器、电动自行车发射线圈（5），整流稳压模块（6）的输出端分别连接充电电池和设置在车把内的接收端逆变器，接收端逆变器通过设置在该自行车车把横梁内的直流传输线连接电动自行车发射线圈（5），接收线圈（4）通过线路与整流稳压模块（6）的输入端连接，电动自行车发射线圈（5）的结构与发射线圈（3）的结构相同；自行车的接收线圈（4）与另一自行车的电动自行车发射线圈（5）耦合，或者自行车的接收线圈（4）与智能充电柜发射端（1）的发射线圈（3）耦合。