TWI701888B - 微波轉電並儲能的無線充電器 - Google Patents

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Abstract

一種微波轉電並儲能的無線充電器，係包含一接收天線用以接收一微波；一阻抗匹配電路電性連接該接收天線；一倍壓整流濾波電路電性連接該阻抗匹配電路；一升壓模組電性連接該倍壓整流濾波電路；一儲能模組電性連接該升壓模組；其中該接收天線經適當的設計，使得該微波於進入該接收裝置時有極小的信號反射及極小的能量損耗；同時該阻抗匹配電路與該倍壓整流濾波電路的相互作用，亦可使得該微波經轉成直流電後有極小的反射能量損耗；該微波轉電之直流電經該升壓模組的作用，可形成較高電壓用以直接或間接對一待充電裝置進行充電，藉此達到真正無線充電，以及方便且即時的充電效果。

Description

微波轉電並儲能的無線充電器
本發明係關於一種無線充電的技術領域，特別是關於一種將微波轉電能並可儲存所產生之電能的無線充電器。
目前市面上販售之無線充電器為Qi規格，其為一種由無線充電聯盟(Wireless Power Consortium，WPC)所制定的短距離低功率無線感應式電力傳輸的互連標準，主要目的是提供行動電話手機與其他攜帶型電子裝置便利與通用的無線充電。該無線充電器主要具有一充電盤連接一電線與插頭的組合，且該插頭用以連接一外部電源。待充電的攜帶型電子裝置放置於該充電盤上，則該充電盤可對行動裝置進行充電。然而，由於該充電盤仍需連接該電線與插頭的組合，所以整體效果上並未達到真正的無線充電狀態；再者，待充電裝置的充電位置需位於該充電盤上，所以充電位置受到侷限。
已知以色列的創新團隊Wi-Charge公司具有多筆利用接收燈光或紅外線或電射並轉換成電能的專利，例如US 10,063,109 B2、US 9,653,949 B2及US 20180366993 A1。此外該公司亦於網際網路揭示利用紅外線進行無線充電之產品。然而，由於光容易受到遮蔽而無法傳遞到待充電物件，所以在使用上仍受到環境的限制。
另外，中華人民共和國第CN108336832號專利中揭露一種微波遠程手機充電裝置與其充電方法。其中提出利用手機發出充電請求至路由器，才會啟動微波充電，無法自動進行充電，反而增加使用者的使用流程。
又中華人民共和國第CN102882289號專利中揭露一種微波充電系統，包含有一微波發生裝置、一微波充電裝置以及一充電設備，該微波充電裝置將電磁波轉為機械能，並將機械能轉換成電能。此發明於轉換過程中損耗較大，由此可見此發明仍有改善空間。
台灣專利申請號第092126698號揭示一種無線微波充電，其技術內容揭示具有一微波/直流電轉換暨充電控制模組，當低功率時使用一高頻變壓電路做為整流電路；當高功率時以橋式整流電路並聯一稽納二極體予以箝位。雖然該專利前案揭示可以針對低功率及高功率的微波提供不同的變壓整流電路，然而該專利前案未揭示低功率微波及高功率微波的自動偵測及自切手段；再者該專利前案揭示低功率倍壓整流電路在良好阻抗匹配及濾波器的配合下，直流電位的輸出效率為85%；然而，該專利前案並未揭示利用何種形式的阻抗匹配可以達成預期的效果。
本發明的目的在於提供一種微波轉電並儲能的無線充電器，其具有將微波能量有效轉換成一電能，並將該電能儲存，進一步提供該電能給待充電裝置之功效。
為達上述的目的與功效，本實施例揭示一種微波轉電並儲能的無線充電器，其包含一接收天線用以接收一微波；一阻抗匹配電路電性連接該接收天線；一倍壓整流濾波電路電性連接該阻抗匹配電路；一升壓模組電性連接 該倍壓整流濾波電路；一儲能模組電性連接該升壓模組；其中該接收天線經適當的設計，使得該微波於進入該接收裝置時有極小的信號反射及極小的能量損耗；同時該阻抗匹配電路與該倍壓整流濾波電路的相互作用，亦可使得該微波經轉成直流電後有極小的反射能量損耗；該微波轉電之直流電經該升壓模組的作用，可形成較高電壓用以直接或間接對一待充電裝置進行充電。
以上技術手段可解決習用無法有效轉換能源與其通訊控制之問題。本發明可有效將微波轉換成電能給被充電裝置，其不需經由通訊控制即可進行無線充電之過程，提供使用者便利性，更節省寶貴的資源。
以下即依本創作的目的與功效，茲舉出較佳實施例，並配合圖示詳細說明。
10:發射裝置
11:變壓器電路
12:高壓倍壓整流電路
13:磁控管
14:指向元件
20:接收裝置
21:接收天線
22:阻抗匹配電路
23:倍壓整流濾波電路
24:升壓模組
25:儲能模組
26:顯示模組
30、31、32:待充電裝置
40:接收裝置
41:接收天線
42:電磁波感測器
43:開關模組
431、432、433:開關單元
44:阻抗匹配電路模組
441、442、443:阻抗匹配電路
45:倍壓整流濾波電路模組
451、452、453:倍壓整流濾波電路
50、51、52:電接頭
第1圖係本發明一較佳實施例的無線充電系統示意圖。
第2圖係本發明一較佳實施例之發射裝置方塊示意圖。
第3圖係本發明一較佳實施例之接收裝置方塊示意圖。
第4圖係本發明一較佳實施例之接收天線的史密斯圖。
第5圖係本發明一較佳實施例之接收天線的反射損耗圖。
第6圖係本發明另一較佳實施例之接收裝置電路示意圖。
第7圖係本發明一較佳實施例之倍壓整流濾波電路的示意圖。
第8圖係本發明另一較佳實施例之倍壓整流濾波電路的示意圖。
第9圖係本發明又一較佳實施例之倍壓整流濾波電路的示意圖。
第10圖係本發明一較佳實施例之接收裝置具有複數電接頭的結構示意圖。
請參閱第1圖所示，本實施例中揭示一無線充電系統包含一發射裝置10、一接收裝置20及一待充電裝置30。其中該發射裝置10係用以提供預設頻率/功率的微波；該接收裝置20用以接收該發射裝置10所發出的微波能量，以及將微波能量轉換成電能；該待充電裝置30係連結該接收裝置20，且該接收裝置20所做微波轉電的電能可對該待充電裝置30進行充電。上述該待充電裝置30連結該接收裝置20，係指該接收裝置20安裝於該待充電裝置30之外，或是該接收裝置20安裝於該待充電裝置30內部。
請參閱第2圖，該發射裝置10係一變壓器電路11、一高壓倍壓整流電路12、一磁控管13以及一指向元件14的組合。其中該變壓器電路11電性連接一插頭，如此藉由該插頭與外界電力連接，可使該外界電力進入該發射裝置10。該高壓倍壓整流電路12用以電性連接該變壓器電路11，藉此使電能進行倍壓整流。經倍壓整流後的電能可傳遞至該磁控管13，藉此使電能經該磁控管13而轉換成預設頻率/功率的微波。該指向元件14連接該磁控管13，該磁控管13所產生的微波可自該指向元件14的輸出端輸出。值得注意的是，該指向元件14的輸出端可以具備一喇叭狀構造，如此可以集中微波及引導微波朝預設方向輸出。
請參閱第3圖，該接收裝置20係包含一接收天線21、一阻抗匹配電路22、一倍壓整流濾波電路23、一升壓模組24、一儲能模組25及一顯示模組26的組合。
進一步而言，該接收天線21可以是偶極性天線、印刷電路天線或其他類似性質的微波接收天線。此外依實際需求可調整該接收天線21的數量。 該阻抗匹配電路22電性連接該接收天線21。該阻抗匹配電路22可以L型阻抗電路、T型阻抗電路或是π型阻抗電路，其中以電感成並聯狀的π型阻抗電路為較佳。
該倍壓整流濾波電路23電性連接該阻抗匹配電路22。該倍壓整流濾波電路23係可為一種包含複數電容電性連接複數二極體及其他電子元件的組合電路。該升壓模組24電性連接該倍壓整流濾波電路23。輸出自該倍壓整流濾波電路23的電壓可藉由該升壓模組24提高電壓值。
該儲能模組25可以是充電電池或電容。該儲能模組25係電性連接該升壓模組24，輸出自該升壓模組24的電能可對該儲能模組25進行充電儲能。該顯示模組26，例如LED燈或液晶螢幕，係電性連接該儲能模組25，且該顯示模組26可用以顯示該儲能模組25的目前電能存量及充電狀態。
根據第1圖至第3圖所揭示的內容，該發射裝置10所產生的微波可被該接收裝置20的該接收天線21接收，經過該阻抗匹配電路22及該倍壓整流濾波電路23的相互作用可以輸出適當電壓，且該電壓再經升壓模組24的作用可提高電壓降，並以直流電及較高電壓的形式對該儲能模組25，或該待充電裝置30進行充電儲能。換言之，微波轉電所形成的直流電直接或間接對該待充電裝置30進行充電。
依前述該發射裝置及該接收裝置的架構，且令該發射裝置提供微波頻率2.45GHz以進行微波轉電實驗，其中該接收天線長度可被設計成為該微波波長的半波長整數倍，藉此獲得更好的能量接收。
請參閱第4圖揭示史密斯圖，其顯示該接收天線於接收2.45GHz微波之匹配阻抗為50.13-j6.17Ω，非常接近電纜線之阻抗值(50Ω)。第5圖係一 反射損耗圖，其顯示該接收天線於2.45GHz之反射損耗數值為-29dB，經由公式可計算出其反射損耗率僅為0.125%。
其次，該產生微波功率為8W的發射裝置與該接收裝置在相對距離不同的條件下，經實驗記錄得到的微波轉電數值如下表：
Figure 108137944-A0305-02-0009-2
根據以上的實驗結果及數值，本實施例可藉由適當的π型阻抗匹配電路，使微波接收僅有極小信號的反射及極小的能量損耗，且確實能夠在預定的距離下轉換成適量的電壓與電流。進一步推知，藉由提高產生微波的功率，可以使充電距離更提高，而且可以產生更大的電壓與電流。
請參閱第6圖，進一步言之，本發明的另一實施例，係一接收裝置40包含一或多個接收天線41、一電磁波感測器42、一開關模組43、一阻抗匹配電路模組44及一倍壓整流濾波電路模組45。
該電磁波感測器42係電性連接該接收天線41。該電磁波感測器42可以是一種已知的霍爾磁性感測器模組，該電磁波感測器42可偵測電磁波強度區間為：0~20W/m2。
該開關模組43電性連接該電磁波感測器42，且該開關模組43包含複數開關單元431、432及433。該阻抗匹配電路模組44包含複數阻抗匹配電路 441、442及443。該倍壓整流濾波電路模組45包含複數倍壓整流濾波電路451、452及453。
其中該開關單元431、該阻抗匹配電路441及該倍壓整流濾波電路451形成電性連接；該開關單元432、該阻抗匹配電路442及該倍壓整流濾波電路452形成電性連接；該開關單元433、該阻抗匹配電路443及該倍壓整流濾波電路453形成電性連接。
依該電磁波感測器42偵測到不同電磁波(微波)強度時，可促使該開關模組43的一該開關單元431、432或433形成開路，其他為斷路，如此電力可以經由該開關模組43進入對應的該阻抗匹配電路441、442或443及該倍壓整流濾波電路451、452或453。舉例而言，弱電磁波強度可經該開關單元431、該阻抗匹配電路441及該倍壓整流濾波電路451的組合電路，電磁波強度區間為0~5W/m2；中電磁波強度可經該開關單元432、該阻抗匹配電路442及該倍壓整流濾波電路452的組合電路，電磁波強度區間為5~12W/m2；強電磁波強度可經該開關單元433、該阻抗匹配電路443及該倍壓整流濾波電路453的組合電路，電磁波強度區間為大於12W/m2。
請參閱第7圖，圖中揭示該倍壓整流濾波電路451的可行實施例。請參閱第8圖，圖中揭示該倍壓整流濾波電路452的可行實施例。請參閱第9圖，圖中揭示該倍壓整流濾波電路453的可行實施例。
請參閱第10圖，因應不同形式或種類的該待充電裝置30，本實施例的該接收裝置20具有一個或複數電接頭50、51及52，各該電接頭50、51及52具有不同的規格用以插接對應的該待充電裝置30、31及32。
各該電接頭50、51及52係與該接收裝置20內部的該儲能模組(未顯示)電性連接，如此可將該接收裝置20接收微波後所轉換的電力可經過該電接頭50、51或52輸入對應的該待充電裝置30、31及32。
根據以上所述，本發明不但可以將微波順利轉換成電力並對不同的該待充電裝置進行充電，更利用該接收裝置可直接連接或內建於該待充電裝置，以及該微波不易受到阻擋的特性，真正達到無線充電的效果。於實際應用上，該發射裝置可以被建置在預定的場所，例如居家客廳、車站、機場、圖書館或公園，使用者在進入預定的範圍內，便可使得該待充電裝置自動進行充電，達到方便且即時的充電效果。
上述實施例僅為例示性說明本發明之技術及其功效，而非用於限制本發明。任何熟於此項技術人士均可在不違背本發明之技術原理及精神的情況下，對上述實施例進行修改及變化，因此本發明之權利保護範圍應如後所述之申請專利範圍所列。
20:接收裝置
21:接收天線
22:阻抗匹配電路
23:倍壓整流濾波電路
24:升壓模組
25:儲能模組
26:顯示模組

Claims (7)

  1. 一種微波轉電並儲能的無線充電器，係一接收裝置用以接收一發射裝置所輸出的一微波及連接一待充電裝置，該接收裝置包含：一接收天線，用以接收該發射裝置所發射的該微波；一阻抗匹配電路模組，係電性連接該接收天線；一倍壓整流濾波電路模組，係電性連接該阻抗匹配電路模組；一升壓模組，係電性連接該倍壓整流濾波電路模組；一電磁波感測器，係電性連接該接收天線；一開關模組，係連接該電磁波感測器；其中該開關模組包含複數開關單元，該阻抗匹配電路模組包含複數阻抗匹配電路，該倍壓整流濾波電路模組包含複數倍壓整流濾波電路，每一該開關單元電性連接一該阻抗匹配電路，且每一該阻抗匹配電路電性連接一該倍壓整流濾波電路，依該電磁波感測器偵測到不同電磁波強度的電磁波促使該開關模組的一該開關單元形成開路，其他為斷路，且該微波經轉成直流電後經該開關模組進入對應的該阻抗匹配電路及該倍壓整流濾波電路；其中該接收天線係用以使得該微波於進入該接收裝置時有極小的信號反射及極小的能量損耗；該阻抗匹配電路與該倍壓整流濾波電路的相互作用，使得該微波經轉成直流電後有極小的反射能量損耗；該微波轉電之直流電經該升壓模組的作用，可形成較高電壓用以直接或間接對該待充電裝置進行充電。
  2. 依據請求項1所述之微波轉電並儲能的無線充電器，其中該阻抗匹配電路係包含電感成並聯狀的π型阻抗電路。
  3. 依據請求項1所述之微波轉電並儲能的無線充電器，其中該倍壓整流濾波電路係包含複數電容電性連接複數二極體及其他電子元件的組合電路。
  4. 依據請求項1所述之微波轉電並儲能的無線充電器，其中該接收裝置包含一儲能模組電性連接一顯示模組，且該儲能模組電性連接該升壓模組。
  5. 依據請求項1或4所述之微波轉電並儲能的無線充電器，其中該接收裝置具有一電接頭用以插接於該待充電裝置。
  6. 依據請求項1所述之微波轉電並儲能的無線充電器，其中該接收天線優選為偶極性天線。
  7. 依據請求項1或6所述之微波轉電並儲能的無線充電器，其中該接收天線長度為該微波波長的半波長整數倍。
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