一种磁共振无线充电装置

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种磁共振无线充电装置。

背景技术

无线充电方式多种多样，但当今主流方式是通过磁耦合进行电力传输的电磁感应式与磁共振式，电磁感应式和磁共振式无线充电是通过接收及发射线圈产生的磁场，以非接触方式进行电力传输。在电压较高或电流较大的充电环境里如电动汽车，无线输电避免了人体直接和导体接触，所以更加安全；无线输电省去了复杂的接线程序或是电池更换，所以更加方便；无线充电导线内置不容易损坏可以消除电缆、连接器和插头引起的短路，所以稳定性相较于有限输电更加稳定。电磁感应式无线充电一直广泛用于电动剃须刀、电动牙刷、移动式电话等产品中，其优点在于原理及结构简单且成本较低；但是当发射线圈与接收线圈的相对位置和距离变大时，电力传输效率便会发生急速下降，因此线圈之间必须保持较近的距离，应用范围比较有限。磁共振式无线充电是在发射侧与接收侧插入电容器，形成LC谐振电路，使其发射侧与接收侧的谐振频率一致后进行电力输送的方式。这种方式的优点在于可拉大线圈的距离，可同时为多台移动设备进行无线充电。但是存在以下缺点：大功率的无线充电发射线圈将会使周边的人、动物和直播被超过标准的电磁场辐射，超过标准的电场、磁场辐射给周围的动植物体带来伤害，并且会影响电子设备的正常运行，所以目前往往需要在电磁屏蔽上花费大量的成本；另外，磁共振无线充电产品使用时需要极高的精确度，发射线圈和接收线圈之间位置、角度的变化都将显著影响电能的传输效率，使用要求高，因此限制了其大规模应用。

发明内容

本发明解决的技术问题为：一种磁共振无线充电装置，降低了充电装置的漏磁风险、屏蔽成本；提高能源利用率和电能传输效率。

本发明提供的具体解决方案包括如下步骤：

本发明提供了一种磁共振无线充电装置，包括：支撑装置；发射端，所述发射端包括并联连接的若干谐振发射电路以及用于驱动各谐振发射电路的电源电路，各所述谐振发射电路分别具有发射线圈，各所述发射线圈分别设置于所述支撑装置上且各所述发射线圈围设形成空间凹形曲面结构，各所述发射线圈分别为凹形曲面结构；接收端，所述接收端包括谐振接收电路，所述谐振接收电路接收线圈，用于接收各所述发射线圈发射的电磁波；调节装置，用于调节所述支撑装置的角度和/或位置；检测装置，用于检测所述谐振接收电路输出端的电压和电流以及所述电源电路输出端的电压和电流，并将谐振接收电路输出端的电压和电流以及所述电源电路输出端的电压和电流发送给控制单元；控制单元，用于当接收线圈接收到所述发射线圈发射的电磁波时，根据所述谐振接收电路的输出端的电压和电流以及电源电路输出端的电流和电压计算电能传输效率，当所述电能传输效率小于预设传输效率时，调节所述支撑装置的角度和/或位置，直至所述电能传输效率不小于预设传输效率。

基于本发明的技术方案，具有以下有益技术效果：

采用凹形曲面结构的线圈，围设形成空间凹形曲面结构，多个线圈同时作用，通过电磁波干涉在特定位置(空间凹形曲面结构凹面一侧)产生强磁场，其他的位置(空间凹形曲面结构凸面一侧侧或者凹面附近)附近的磁场抵消，磁场弱，即使磁场在待充电设备中的磁场更强，在其他不需要磁场强度的位置磁场强度降低，降低了外部漏磁的风险，降低屏蔽成本，提高能源利用率，；且通过调节单元调整发射端的角度和位置以达到较高的充电功率和充电效率。

在上述方案的基础上，本发明还可以进行如下改进：

进一步，还包括红外检测单元，用于检测发射端的充电位是否放置有所述发射线圈，所述红外检测检测单元电连接所述控制单元。

具体的，红外检测单元为红外传感器，当待充电接收端(发射线圈)处于充电位上时，控制单元开始计算电能传输效率并根据需要发射端的角度和/或位置，直到电能传输效率达到要求。

进一步，所述空间凹形曲面结构为1/8～1/3球形曲面或1/8～1/3椭球曲面。

由此，可以在空间凹形曲面的凹面侧产生具有一定距离的强磁场，可用于大功率设备的较远距离充电，比如用于车辆等充电，且空间凹形曲面的凸面侧磁场弱，屏蔽成本低。

可选的，所述空间凹形曲面结构为1/2～7/8球形曲面、1/2～7/8半椭球形曲面，这样会在空间凹形曲面结构内部产生较强的磁场，可用于体积较小的装置，如手机、蓝牙耳机等充电。

可选的，所述空间凹形曲面结构也可以不规则的空间曲面结构。可以在设计充电装置时，对发射线圈的结构和位置进行调整以满足在需要的特定方向、特定距离上产生较强的充电磁场。

进一步，各所述发射线圈中部分别设置有铁芯，各所述发射线圈分别由线材缠绕其中部的铁芯制成。

在线圈中间增加具有导磁性能的铁芯，铁芯能把线圈周围的磁力线都集中，可增加局部磁场强度，增加充电装置在特定方向、特定距离上充电磁场的强度。

具体的，所述铁芯与发射线圈通过胶水或螺丝进行固定，进一步增加二者连接的固定性。

进一步，其中一个所述铁芯设置于所述发射线圈的中部且与所述发射线圈中部处的切面垂直，其他各所述铁芯围绕所述中部处的所述铁芯设置，其他各所述铁芯靠近所述中部处铁芯的一侧的长度大于远离所述中部处铁芯的一侧的长度。

增加各所述铁芯靠近所述中部处铁芯的一侧的长度，可增强沿中部处的所述铁芯轴向方向的磁场强度，降低空间凹形曲面结构凸面侧以及空间凹形曲面结构凹面附件的磁场强度，降低磁场泄露风险。

进一步，所述支撑装置包括第一磁屏蔽壳体，所述第一磁屏蔽壳体固定于所述调节装置，所述第一磁屏蔽壳体罩设于各所述发射线圈凸面一侧，各所述发射线圈分别与所述第一磁屏蔽壳体固定连接。

由此，第一磁屏蔽壳体既可对泄漏于凹形曲面结构外部的磁场进行屏蔽，又可对各所述发射线圈的位置进行固定，一体设置。

具体的，所述第一磁屏蔽壳体与所述空间凹形曲面结构的结构相匹配。

进一步，所述第一磁屏蔽壳体由高磁导率的磁性材料和高电导率的金属材料的混合材料制备得到。

具体的，所述高磁导率的磁性材料和高电导率的金属材料的混合材料经压制成型得到，具有良好的磁屏蔽效果。

进一步，所述支撑装置包括若干第二磁屏蔽壳体，各所述第二磁屏蔽壳体分别与所述调节装置固定连接，各所述第二磁屏蔽壳体分别为盘状结构且各所述发射线圈分别固定于一个所述第二磁屏蔽壳体内。

因此，既可以采用第一磁屏蔽壳体对各充电线圈围设成的空间凹形曲面结构进行整体屏蔽，也可以采用第二磁屏蔽壳体对充电线圈进行一一对应的单独屏蔽；也可以在采用第二磁屏蔽壳体对充电线圈进行一一对应的单独屏蔽之后，再采用第一磁屏蔽壳体对各充电线圈围设成的空间凹形曲面结构进行整体屏蔽，均可以实现良好的磁屏蔽效果。

进一步，所述调节装置包括用于调节所述支撑装置水平位置的平移调节结构，所述平移调节结构包括分别水平设置的第一平移丝杠、第一平移滑轨、第一平移滑块、用于驱动所述第一平移丝杠转动的第一平移电机、第二平移丝杠、第二平移滑轨、第二平移滑块和用于驱动所述第二平移丝杠转动的第二平移电机，所述第一平移丝杠和所述第一平移滑轨平行设置，所述第一平移滑块与所述第一平移丝杠的螺母连接，所述第一平移滑块与所述第一平移滑轨滑动连接；所述第二平移丝杠和所述第二平移滑轨平行设置，所述第二平移滑块与所述第二平移丝杠的螺母连接，所述第二平移滑块与所述第二平移滑轨滑动连接，所述第二平移滑轨垂直于所述第一平移滑轨设置，所述第二平移滑轨固定于所述第一平移滑块上，所述支撑装置固定于所述第二平移滑块上，所述控制单元分别与所述第一平移电机和第二平移电机电连。

由此，控制单元可以根据需要调节支撑装置(发射端)沿第一平移滑轨方向移动的位置和沿第二平移滑轨方向移动的位置，相比于电磁感应式无线充电磁，磁共振式无线充电磁虽然可实现较远距离充电，但是对于发射线圈和接收线圈的耦合程度要求同样很高，对于特定结构的接收端和发射端(待充电装置)，二者之间的最佳位置，即耦合程度最大的最佳充电位的位置是确定的，因此，当发射端的高度、角度固定后，最佳充电位的位置就固定了，因此可以事先设置好发射端的高度和角度，然后设定充电位，在使用时，只需要将具有接收线圈的待充电装置粗略放置在充电位，然后通过调节装置，细调发射端以及最佳充电位的水平位置，使待充电装置的接收线圈刚好位于最佳充电位上，电能传输效率最佳。

进一步，所述调节装置还包括用于调节所述支撑装置角度的角度调节结构，所述角度调节结构包括竖向设置的转轴和用于驱动所述转轴转动的第三电机，所述第三电机固定于所述第二平移滑块上，所述支撑装置固定于转轴上，所述第三单元与控制单元电连接。

可同时通过角度调节和位置调节共同对发射端上的各发射线圈进行调节，使接收端和发射端达到较佳的耦合程度，适用范围广。

具体的，还包括整流电路，所述谐振接收电路无线充电接收线圈与所述整流电路的输入端电性连接，整流电路的输出端与目标负载或充电电池连接。

具体的，所述电源电路包括电源、整流滤波电路和逆变电路。

具体的，所述检测装置包括第一电流电压检测电路和第二电流电压检测电路，所述第一电流电压检测电路连接所述逆变电路的输出端，用于检测所述逆变电路输出端的电压和电流并将其发送给控制单元；所述第二电流电压检测电路与谐振接收电路的输出端连接，用于检测所述谐振接收电路输出端的电流和电压并将其发送给控制单元。

具体的，所述控制单元包括：第一计算模块、第二计算模块和控制模块，所述第一计算模块用于接收所述第一电流电压检测电路发送的逆变电路输出端的电压和电流并进行功率计算得到输出功率并其发送给控制模块；所述第二计算模块用于接收所述第二电流电压检测电路发送的所述谐振接收电路输出端的电流和电压并进行功率计算得到充电功率并将其发送给所述控制模块；所述控制模块根据所述充电功率和输出功率计算得到电能传输效率并将其发送给所述角度调节单元。

具体的，所述第一计算模块和所述控制模块通过蓝牙模块连接。

具体的，所述第一计算模块将计算得到的输出功率发送给第一蓝牙模块，所述控制模块连接有第二蓝牙模块，所述第一计算模块和所述控制模块通过所述第一蓝牙模块和所述第二蓝牙模块连接。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为基于本发明的第一个实施例中发射端的结构示意图。

图2为基于本发明实施例的磁共振无线充电装置的结构示意图。

图3为基于本发明的第二个实施例中发射端的结构示意图。

图4为基于本发明的第三个实施例中第二磁屏蔽壳体与发射线圈的结构示意图。

图5为基于本发明的实施例中调节装置的结构示意图。

附图1-5中，各标号所代表的部件名称如下：

1、发射线圈；11、铁芯；

2、支撑装置；21、第一磁屏蔽壳体；22、第二磁屏蔽壳体；

3、调节装置；31、第一平移丝杠；32、第一平移滑轨；33、第一平移滑轨；34、第一平移电机；35、第二平移丝杠；36、第二平移滑轨；37、第二平移滑块；38、转轴。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1-5并参考具体实施例描述本发明。

如图1-5所示，本发明提供了一种磁共振无线充电装置，包括：支撑装置2；发射端，所述发射端包括并联连接的若干谐振发射电路以及用于驱动各谐振发射电路的电源电路，各所述谐振发射电路分别具有发射线圈1,即L

基于本发明实施例的磁共振无线充电装置，还包括红外检测单元，用于检测发射端的充电位是否放置有所述发射线圈1，所述红外检测检测单元电连接所述控制单元。

具体的，红外检测单元为红外传感器，当待充电接收端处于充电位上时，控制单元开始计算电能传输效率并根据需要发射端的角度和/或位置，直到电能传输效率达到要求。

基于本发明实施例的磁共振无线充电装置，所述空间凹形曲面结构为1/8～1/3球形曲面或1/8～1/3椭球曲面。可以在空间凹形曲面的凹面侧产生具有一定距离的强磁场，可用于大功率设备的较远距离充电，比如用于车辆等充电，且空间凹形曲面的凸面侧磁场弱，屏蔽成本低。

可选的，所述空间凹形曲面结构为1/2～7/8球形曲面、1/2～7/8半椭球形曲面，这样会在空间凹形曲面结构内部产生较强的磁场，可用于体积较小的装置，如手机、蓝牙耳机等充电。

可选的，所述空间凹形曲面结构也可以不规则的空间曲面结构。可以在设计充电装置时，对发射线圈的结构和位置进行调整以满足在需要的特定方向、特定距离上产生较强的充电磁场。

如图1所示，基于本发明实施例的磁共振无线充电装置，各所述发射线圈1中部分别设置有铁芯11，各所述发射线圈分别由线材缠绕其中部的铁芯制成。在线圈中间增加具有导磁性能的铁芯，铁芯能把线圈周围的磁力线都集中，可增加局部磁场强度，增加充电装置在特定方向、特定距离上充电磁场的强度。

具体的，所述铁芯与发射线圈通过胶水或螺丝进行固定，进一步增加二者连接的固定性。

基于本发明实施例的磁共振无线充电装置，其中一个所述铁芯11设置于所述发射线圈的中部且与所述发射线圈中部处的切面垂直，其他各所述铁芯围绕所述中部处的所述铁芯设置，其他各所述铁芯靠近所述中部处铁芯的一侧的长度大于远离所述中部处铁芯的一侧的长度。增加各所述铁芯靠近所述中部处铁芯的一侧的长度，可增强沿中部处的所述铁芯轴向方向的磁场强度，降低空间凹形曲面结构凸面侧以及空间凹形曲面结构凹面附件的磁场强度，降低磁场泄露风险。

如图3所示，基于本发明实施例的磁共振无线充电装置，所述支撑装置2包括第一磁屏蔽壳体21，所述第一磁屏蔽壳体21固定于所述调节装置，所述第一磁屏蔽壳体21罩设于各所述发射线圈1凸面一侧，各所述发射线圈1分别与所述第一磁屏蔽壳体21固定连接。第一磁屏蔽壳体既可对泄漏于凹形曲面结构外部的磁场进行屏蔽，又可对各所述发射线圈的位置进行固定，一体设置。

具体的，所述第一磁屏蔽壳体与所述空间凹形曲面结构的结构相匹配。

基于本发明实施例的磁共振无线充电装置，所述第一磁屏蔽壳体由高磁导率的磁性材料和高电导率的金属材料的混合材料制备得到。

具体的，所述高磁导率的磁性材料和高电导率的金属材料的混合材料经压制成型得到，具有良好的磁屏蔽效果。

如图4所示，基于本发明实施例的磁共振无线充电装置，所述支撑装置2包括若干第二磁屏蔽壳体22，各所述第二磁屏蔽壳体22分别与所述调节装置3固定连接，各所述第二磁屏蔽壳体22分别为盘状结构且各所述发射线圈1分别固定于一个所述第二磁屏蔽壳体22内。既可以采用第一磁屏蔽壳体对各充电线圈围设成的空间凹形曲面结构进行整体屏蔽，也可以采用第二磁屏蔽壳体对充电线圈进行一一对应的单独屏蔽；也可以在采用第二磁屏蔽壳体对充电线圈进行一一对应的单独屏蔽之后，再采用第一磁屏蔽壳体对各充电线圈围设成的空间凹形曲面结构进行整体屏蔽，均可以实现良好的磁屏蔽效果。

如图5所示，基于本发明实施例的磁共振无线充电装置，所述调节装置3包括用于调节所述支撑装置水平位置的平移调节结构，所述平移调节结构包括分别水平设置的第一平移丝杠31、第一平移滑轨32、第一平移滑块33、用于驱动所述第一平移丝杠转动的第一平移电机34、第二平移丝杠35、第二平移滑轨36、第二平移滑块37和用于驱动所述第二平移丝杠转动的第二平移电机，所述第一平移丝杠31和所述第一平移滑轨32平行设置，所述第一平移滑块33与所述第一平移丝杠31的螺母连接，所述第一平移滑块33与所述第一平移滑轨32滑动连接；所述第二平移丝杠35和所述第二平移滑轨36平行设置，所述第二平移滑块37与所述第二平移丝杠35的螺母连接，所述第二平移滑块37与所述第二平移滑轨36滑动连接，所述第二平移滑轨36垂直于所述第一平移滑轨32设置，所述第二平移滑轨36固定于所述第一平移滑块33上，所述支撑装置固定于所述第二平移滑块37上，所述控制单元分别与所述第一平移电机34和第二平移电机电连。具体的，所述第一平移滑轨、所述第二平移滑轨和所述充电位平行设置，所述第二平移滑块竖直设置于所述第二平移滑块上。控制单元可以根据需要调节支撑装置(发射端)沿第一平移滑轨方向移动的位置和沿第二平移滑轨方向移动的位置，相比于电磁感应式无线充电磁，磁共振式无线充电磁虽然可实现较远距离充电，但是对于发射线圈和接收线圈的耦合程度要求同样很高，对于特定结构的接收端发射端(待充电装置)，二者之间的最佳位置，即耦合程度最大的最佳充电位的位置是确定的，因此，当发射端的高度、角度固定后，最佳充电位的位置就固定了，因此可以事先设置好发射端的高度和角度，然后设定充电位，在使用时，只需要将具有接收线圈的待充电装置粗略放置在充电位，然后通过调节装置，细调发射端以及最佳充电位的水平位置，使待充电装置的接收线圈刚好位于最佳充电位上，电能传输效率最佳。

基于本发明实施例的磁共振无线充电装置，所述调节装置还包括用于调节所述支撑装置角度的角度调节结构，所述角度调节结构包括竖向设置的转轴38和用于驱动所述转轴转动的第三电机，所述第三电机固定于所述第二平移滑块37上，所述支撑装置固定于转轴上，所述第三单元与控制单元电连接。可同时通过角度调节和位置调节共同对发射端进行调节，使接收端和发射端达到较佳的耦合程度，适用范围广。

具体的，如图2所示，还包括整流电路，所述无线充电接收线圈输出端与所述整流电路的输入端电性连接，所述整流电路的输出端与目标负载或充电电池连接。

具体的，所述电源电路包括电源、整流滤波电路和逆变电路。

具体的，所述检测装置包括第一电流电压检测电路和第二电流电压检测电路，所述第一电流电压检测电路连接所述逆变电路的输出端，用于检测所述逆变电路输出端的电压和电流并将其发送给控制单元；所述第二电流电压检测电路与谐振接收电路的输出端连接，用于检测所述谐振接收电路输出端的电流和电压并将其发送给控制单元。

具体的，如图3所示，所述控制单元包括：第一计算模块、第二计算模块和控制模块，第一计算模块用于接收所述第一电流电压检测电路发送的逆变电路输出端的电压和电流并进行功率计算得到输出功率并其发送给控制模块；所述第二计算模块用于接收所述第二电流电压检测电路发送的所述谐振接收电路输出端的电流和电压并进行功率计算得到充电功率并将其发送给所述控制模块；所述控制模块根据所述充电功率和输出功率计算得到电能传输效率并将其发送给所述角度调节单元。具体的，所述第一计算模块和所述控制模块通过蓝牙模块连接。具体的，所述第一计算模块将计算得到的输出功率发送给第一蓝牙模块，所述控制模块连接有第二蓝牙模块，所述第一计算模块和所述控制模块通过所述第一蓝牙模块和所述第二蓝牙模块连接。

具体的，所述控制模块为单片机。

尽管上面已经详细描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。