近距离一对多的无线充电装置及系统

技术领域

本发明属于感应电力技术领域，涉及一种近距离一对多的无线充电装置及系统。

背景技术

现有大部分无线充电装置采用的线圈主要使用QI技术标准：由紧密缠绕的线圈和磁芯组成，利用电磁感应原理，通过线圈连续能量耦合进行能量的传送，线圈和磁芯共同作用提高传输效率。

目前，Qi的公信力让无线电能厂家普遍采用外国厂家出的Qi类型的线圈模块，必然根据Qi类型的线圈模块为参考，即使定制线圈，也往往直接用线圈厂家的多圈线圈；以目前已发表的论文、公开的专利也能够明显看出大部分技术方案均以Qi类型的线圈模块、多圈线圈为基础，通过优化线圈模块排位实现。由于本行业的上述实际问题的限制，极大程度上增大了通过优化线圈本身提升无线充电装置的性能的创造难度，阻碍了新方案的拓展。

现有技术1（申请公布号为CN110571031A的发明专利）公开了一种无线充电发射线圈，包括至少两层上下堆叠的线圈布线层，各线圈布线层中均包括若干设置于同一平面的线圈；其中，当前线圈布线层中各线圈分别设置于其他线圈布线层的各充电盲区中；通过多线圈的堆叠提高无线充电发射端利用率。该技术方案需要很多QI技术标准的kHz独立线圈堆叠阵列，每个线圈两根线，大阵列就有很多对线。

现有技术2（申请公布号为CN105723479A的发明专利）公开了一种用于感应电力传输系统的发射器，具有用于产生交变磁场的多个发射线圈，发射线圈通过每个发射线圈与行内邻接的发射线圈部分重叠而排列成一行，一种连接到每个发射线圈的发射电路可以驱动发射线圈，从而使每个发射线圈的交变磁场相对于行内邻接发射线圈的交变磁场相移，或者使由发射线圈产生交变磁场沿充电表面平移。由于每个发射线圈与行内邻接的发射线圈部分重叠，发射线圈的中空区域被邻接的发射线圈遮蔽，发射线圈的垂直区磁场受到较大影响；当发射线圈产生交变磁场沿充电表面平移时，发射线圈的垂直区和横区磁场均难以对准，导致耦合电力大大下降。

上述现有技术不得不采用过度复杂、叠料的方法，而且还不一定处理得当。难以将多个线圈产生的“圆形磁场”转成接近直立的磁场，依然存在盲区。此外，每个线圈都要一个数字控制模块，线圈模块越多，所需的控制、传输和协议处理的端口需求就越多。这样，硬件需求就很高了，连带着系统固件就会很容易出bug，需要花费更多的时间、人力去处理，导致整个中央控制模块的成本和设计难度会增高。

大部分现有技术用的都是密度很高的紫铜线线圈和多层复合紧密叠层方式来设计。为了快充，高密度结构由于散热量大很容易发热，需要加散热结构。除了成本、复杂性，还有重量和操作性的问题。小小的无线充电平面板里，结构和模块的拼接越复杂就代表细微结构隐忧越多，再加上是磁场应用，塑料材料必须用得多，这种叠加式技术结晶比较不耐久。很容易衍生各种故障问题，为了避免这些问题，厂家一般降低传输功率，在用户看不见的层面降温，同时增加稳定性；导致在实际应用中难以达到设计功率。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种近距离一对多的无线充电装置及系统，无需线圈叠加，极大程度上减小了体积、重量的同时保持了平滑、均匀的近场，几乎没有盲区，使得接收设备可以在充电平板上任意拼接，大大降低了成本，提高了控制稳定性、充电效率和适用性，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种近距离一对多的无线充电装置，包括设于基体上的发射线圈，发射线圈为单根金属导线从外向内绕制，在中心区域短路后，一次性连贯地以相反的方向从内向外绕制；一线入、同线出，每匝导线和邻近砸导线的电流方向相反。

进一步的，所述线圈的中心短路区域关于线圈的中心对称，线圈的中心短路区域线圈间距A大于非中心区相邻线圈间距B的30-50%。

进一步的，所述线圈线宽3-7mm，线圈非中心区相邻线圈间距B为16-25mm，从外向内绕制的线圈匝数为1-10。

进一步的，所述单根金属导线从外向内绕制，在中心区域短路后，靠近已绕制线圈一次性连贯地以相反的方向从内向外绕制。

进一步的，所述单根金属导线从外向内绕制所得线圈电流方向相同的相邻线圈间距为6-80mm、线宽3-7mm、匝数为1-10。

进一步的，所述发射线圈产生的有效密度的磁场距基体40mm以内。

进一步的，所述线圈为矩形、其他正多边形或圆形，线圈转弯处为倒圆角或直角，线圈转弯处线宽和直线宽一致。

进一步的，所述基体表面覆有金属层。

进一步的，所述基体为FR-4或PCB。

一种无线充电系统，包括上述一种近距离一对多的无线充电装置。

本发明的有益效果是：

1、本发明发射线圈阵列的横向磁场远远多于直区磁场，发射线圈阵列一线入，同线出，可以认为是一个单线线圈，实则是个短路双线线圈（英文：shorted bifilar）。无需线圈叠加即可获得平滑、均匀的近场磁场，发射线圈的整体厚度很薄，极大程度上减小了体积、重量和成本；因为在PCB上叠加线圈意味着要加一倍的PCB基板层使得成本将大幅增加。

2、本发明仅需一个驱动源，设计回路简便，减少复杂程度、工程压力和后制成本，同时提高了稳定性，降低了损耗。

3、这十多年来科研界都聚焦在推远电磁场好让距离更远，本发明把强磁拉回板面，这不是本领域的常规操作，因为这种做法在电磁远场现象属于抵消方式（fieldcancellation），在现有研究中均尽可能降低或减少电磁场抵消。本发明利用单面电路的横场塑造平滑的近磁场，将磁场拉近保持平滑、均匀，允许mm等级的近场传输，填补了现有技术的空白。没有盲区，使得接收设备可以在充电平板上任意拼接，更容易扩展，不需要射频板材就能办到，大大降低了成本，简化了生产难度，提高了适用性，更利于大规模推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明实施例1中每组线圈的结构示意图。

图2是本发明实施例1中发射线圈的表面的仿真磁场矢量图。

图3是本发明实施例1中发射线圈的横切面仿真磁场矢量图。

图4是本发明实施例2的发射线圈的横切面仿真磁场矢量图。

图5是本发明对比例1中发射线圈结构图。

图6是本发明对比例1中发射线圈的横切面仿真磁场矢量图。

图7-8是本发明实施例中不同线圈间距对应的仿真磁场矢量图。

图9是本发明实施例3中发射线圈的表面的仿真磁场矢量图。

图10是本发明实施例3中发射线圈的横切面仿真磁场矢量图。

图11是本发明实施例4中发射线圈的结构示意图。

图12是本发明实施例4中发射线圈的横切面仿真磁场矢量图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1，

一种近距离一对多的无线充电装置，包括发射线圈，发射线圈为单根金属导线从外向内绕制，在中心区域短路后，一次性连贯地以相反的方向从内向外绕制，形成类似“富贵不到头”的回纹图案纹路；这种回路一线入、同线出，使得每匝和邻近匝的电流方向是相反的，如图1-2所示。

发射线圈设于基体上，一线出一次性连贯地呈现出来的，整个大基体就一个线圈回路，不像Qi那种每个线圈通过一层利兹线、一层胶、又一层磁芯片、又一层塑料或金属隔层等等叠出来。

在一些实施例中，图1中线圈的中心短路区域关于线圈的中心对称，周围的磁场除开平均，中心短路区域见图1中虚线框。线圈的中心短路区域线圈间距A大于非中心区相邻线圈间距B的30-50%；中心短路区域线圈间距A如果太小，整体的磁场会在中心凹下去。中心短路区域间距A太大，就会太凸出；同样的，间距B的布局也是经过长时间仿真微调得到的，以达到所需平衡度和传输距离。

在一些实施例中，线圈为矩形或其他任何多边形，要求各个方向形状一致，比如正五边形、正六边形，与此类推至接近圆形。线圈不能有凹凸或其他非规则性折弯，会影响磁场平均度，造成不平均的盲区。直线的磁场是平均左右一致的，在每一个转折处，比如转左的话，左边转折口前后的磁场会得到增益而右边的磁场就会折扣。在一些实施例中，图1中线圈转弯处为倒圆角或直角，要求转弯处线宽和直线宽一致。

本发明实施例1把强磁拉回板面，如果磁场抵消太过度，会导致可以传输电能的密度不够。实施例1的线圈有两个最大影响力的调整参数，即每一匝线圈之间的间距和线宽，根据所需板型和传输距离经过优化、调教，得到如图3（标准正中心横切面）的磁场密度。图3中虚线圈起来的部分就是密度最适合无线电能耦合的程度，非常平均，把有效密度（磁场密度5A/m以上）集中在板台面的几个mm到10mm，甚至是40mm内，是平面传输的最合适距离；有效密度的距离根据所用板框内最大间距B来决定；用50mm长宽的接收端实测，有效距离一般为0至1.5×B mm，更大的接收端可以有更远一点的传输距离。往外扩展的稀疏磁场并不适合高电能传输（10W以下），可能只足够给微瓦级应用。每一匝圈之间的间距和线宽大了或小了，均会影响磁场分布的均匀程度和传输距离。在一对多无线充电应用中，磁场平滑、平均是至关重要的，因为用户会把很多家电放在发射平面，要避免某些区域磁场过强造成接收端异常或损坏，只有平均的磁场能适用。依照多圈线圈的特性，不管怎么设计排列，电磁近场里都会有不够均匀的区域，这是无法避免的。

实施例2，

基体表面覆有金属层，因为磁场全来自单面的覆铜基体（覆铜板），那么穿过基板的磁场少，降低了基板的正切损耗对无线充电装置的传输效率的影响。铜层的厚度是1-5盎司（OZ）。在一些实施例中，基体采用FR-4或PCB，均能实现高效率的电能传输；基体表面覆有金属层。在一些实施例中，覆铜板不用淋阻焊层；通过沉银可获得更高的性能。

实施例2基体为覆铜板的无线充电装置的仿真磁场，如图4（标准正中心横切面）所示，图右边的黑线即金属层，使得磁场被隔开，对另一边进行屏蔽。

线圈线宽3mm，线圈非中心区相邻线圈间距B为16mm，从外向内绕制的线圈匝数为4；如图7（标准正中心横切面）所示，磁场均匀，能够实现有效的无线电能传输，线宽和间距的比例不合适难以得到高效的无线传输。线圈线宽4mm，线圈非中心区相邻线圈间距B为25mm，从外向内绕制的线圈匝数为4；如图8（标准正中心横切面）所示，与图7相比，近场磁场可以推远；黑色小方框表示输入端口，因为有硬件，端口区磁场较弱。

实施例3，

结构如图9所示，实施例3和实施例1、2的结构类似，图9中电流方向相反的相邻线圈间距为8mm、线宽4mm，从外向内绕制的线圈匝数为3；其仿真结果如图10（在右边纵线的切面）所示，与图3、图4的仿真结果相比，图10中边缘处的磁场分布更平滑。

实施例4，

在图10中黑箭头指的位置（即画虚线的通道）是比较弱的磁场区，这些不是普通线圈设计里的无磁黑区，只是比较弱，即图10中的内凹处。在实施例3的基础上对发射线圈结构进一步改进，结构如图11所示，单根金属导线从外向内绕制，在中心区域短路后，尽量靠近已绕制线圈一次性连贯地以相反的方向从内向外绕制；图11中，单根金属导线从外向内绕制，电流方向相同的相邻线圈间距为16mm、线宽3mm、匝数为3，距离D为0.2mm。在定制的PCB范围下设计线圈，靠近已绕制线圈的距离D必须是一般PCB工业生产能力内最小的间距，间距C必须是所选择圈数下能达到的最大的间距，间距C在此例为20-30mm。

实施例4将实施例3中弱区磁场两边的线圈尽量拉近，弱区两边的磁场就会融合，实施例4的仿真结果如图12（在右边纵线的切面）所示，弱区接近强区的磁场密度。同时，图12中间区域的磁场也更平滑、均匀性更好。磁场的平滑、均匀性是平面类无线传能的关键优劣判定指标，经过反复实验，在表面上每个方位都是有电的，而且每分寸的接收电压差异不大，接收功率波动幅度在20%以内，跟电感器件的性能误差一样等级；可见，产生的磁场在接收端那一面没有死角或弱区。

表1 不同尺寸对应的有效密度磁场距基体距离的试验数据

从表1能够看出，实施例2、4均能把有效密度集中在距基体40mm内，有效保持磁场均匀性的同时能够控制磁场厚度。实施例2中每一匝线圈的线宽是为了调节电流强度，高电流就需要宽线，每一匝线圈间距影响近场的厚度，间距过大容易导致磁场分布均匀性降低，这情况在实施例4有大幅度改善。实施例4中相邻线圈间隔范围更宽，且实现了弱区接近强区的磁场密度，同时中间区域的磁场也更平滑、均匀性更好。

本发明在优化上述参数后，非常容易控制和设计。能够用在MHz和kHz频段，没有强迫性遵循的设计频率限制。本发明实施例与一般的模块组合方式相比，更简单，只需要调配好谐振频率后并加上功放，不管接收端的大小，只要谐振频率相同，均可根据谐振面积收到能量。

实施例1-4中发射线圈的整体尺寸可以按照1:2、1:3、1:4或1:5等比例放缩，缩放后仍需进行优化和调整；基体的尺寸可以采用20×20mm、40×40mm、60×60mm、100×100mm或200×200mm中的任意一种。可以为全PCB工艺，结构很简单，一体化设计；规格大小根据匝数增减。

实施例5，

一种无线充电系统，包括上述近距离一对多的无线充电装置。接收线圈和发射线圈的结构、形状不必一致，磁场谐振虽然来自不用结构体，但是双方还是处于那个密度范围内和谐振频段，因此传输依然存在、有效。

现有技术3（一种用于实现无线充电平面恒压充电的发射线圈），线圈通过复数的匝数作为一个电流向来产生磁场，然后隔一段距离再来反方向。那么，在这种情况之下，如果是离台面近的话，磁场是相同一个方向的，因此现有技术3明确记载了竖直间距D≥0.25a（a为20cm），具有较为均匀的磁场分布。本发明把表面近场浓缩在表面，而且是全面积可用。这是因为整个面积都有计算好的正负电流磁场覆盖，如图2的磁场分布。

对比例1，

双线型线圈结构如图5所示，相邻线圈的电流流向相反，实质为两个线圈，需要两个驱动源，其仿真磁场如图6（标准正中心横切面）所示，把磁场推出去造成了圆弧形，难以适用于mm等级的近场传输。

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