CN106385072B - 一种无线电传输系统及其应用装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要属于无线充电领域，具体涉及一种无线电传输系统及其应用装置。所述系统包括发射部和接收部，其特征在于，所述发射部包括发射线圈和发射谐振线圈，所述接收部包括接收线圈和接收谐振线圈；所述发射线圈和所述发射谐振线圈在同一平面，所述接收线圈和所述接收谐振线圈在同一平面，所述发射部和所述接收部通过磁共振方式实现电传输。激励线圈和谐振线圈处于同一平面，有效地减少项圈间的直接耦合，能降低后端的电路对接收线圈的牵引作用，使得两个线圈一起的Q值更高，从而提高捕获空间能量的能力同时提高能量传送效率和传送距离的方法。

Description

一种无线电传输系统及其应用装置

技术领域

本发明主要属于无线充电领域，具体涉及一种无线电传输系统及其应用装置。

背景技术

无线充电由于其出众的用户体验正在市场上快速地铺开。目前在市场上比较多见的是磁感应式充电系统。磁感应式充系统需要充电设备和被充设备接触或位置对准。并没有充分地体现无线充电的优点。而更先进的磁共振充电系统不需要接触或对准，也可以在一定范围内自由移动，能提供更好的用户体验。但因为磁共振充系统需要发射和接收谐振在同一频率上。同时充电系统的效率很大程度地决定于发射和接收电路的Q值，磁共振充电系统没有得到大范围的推广普及。其中，让发射和接收电路谐振在同一频率上相对比较容易。而如何提高充电器的效率是目前面临的难题。

Q值是衡量电感、电容器件的主要参数，是指电感、电容器件在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。Q值越高，其损耗越小，效率越高。而目前市面上的标准电感、电容器件的Q值都不够高。因此，用现有的市场上的电感电容器件组成的磁共振充电器的Q值也相应地受到限制。从而影响发射效率和发射距离从而影响用户体验。对磁共振结构的充电系统而言，无论充电距离和充电效率，都和发射和接受的效率有直接关系。

另一方面，现有技术无线充电系统中的无线功率在各个方向上是均等的，而在实际使用过程中，我们希望在充电的方向上功率集中，在其它方向上比较小，现有技术造成了部分能量浪费。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种无线电传输系统，来进一步提高线圈的Q值从而提高电路的工作值最终达到提高充电效率和距离的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无线电传输系统，所述系统包括发射部和接收部，所述发射部包括发射线圈和发射谐振线圈，所述接收部包括接收线圈和接收谐振线圈；所述发射线圈和所述发射谐振线圈在同一平面或近似在同一平面，所述接收线圈和所述接收谐振线圈在同一平面或近似在同一平面，所述发射部和所述接受部通过磁共振方式实现电传输。

进一步地，所述发射谐振线圈或所述接收谐振线圈的个数为至少一个，可通过控制所述发射谐振线圈或的个数所述接收谐振线圈及各所述发射谐振线圈或各所述接收谐振线圈的开启来控制所述无线电传输系统的辐射方向。

进一步地，所述发射线圈、所述发射谐振线圈、所述接收谐振线圈和所述接收线圈的自谐振点可以有差异；所述差异根据具体的应用而有所不同，所述差异不得超过线圈频带宽度的十分之一。

进一步地，所述发射线圈、所述谐振线圈和所述接收线圈的形状为圆形、椭圆、或多边形中的任一种或任意两种以上的组合。

进一步地，所述发射部和所述接收部的距离为随所述发射线圈和所述接收线圈的大小而变化，所述距离可达75公分以上。

进一步地，所述发射部配置于充电设备；所述接收部配置于搭载了可充电电池的设备。

一种无线电传输系统应用装置，使用上述任一所述一种无线电传输系统，所述无线电传输系统应用装置包括充电器和与充电器相应的待充电设备；所述充电器的发射线圈和发射谐振线圈在同一平面，与充电器相应的待充电设备的接收线圈和接收谐振线圈在同一平面。

进一步地，所述充电器还包括功率控制电路202、第一通讯电路203、电源204、第一MCU207、功率频率驱动器和接口205；所述功率频率驱动器和接口205与所述发射线圈连接；所述电源接收直流或交流电并将其输输出稳定的工作电压为所述第一MCU和功率频率驱动器和接口提供电能；所述第一MCU207直接连接并监控所述功率控制电路202、第一通讯电路203、电源204和功率频率驱动器和接口205；所述通讯电路保障和所述与充电器相应的待充电设备的通讯；功率控制电路202的通过控制功率频率驱动器和接口205来调节馈给发射线圈206的功率。

进一步地，所述与充电器相应的待充电设备还包括接口匹配和控制电路305、储能元件308、第二MCU307、第二通讯电路303、执行机构304、人机界面309和鉴权端元302；其中执行机构的功能是打开或关上所述带充电设备；人机界面主要指生物识别器包括键盘、触摸屏、显示器和指纹识别器等；鉴权端元的功能是判断所操作的人员是否是合法用户。所述接口匹配和控制电路305与所述接收线圈相连；所述所述第二MCU307直接连接并监控所述接口匹配和控制电路305、通讯电路303、执行机构304和鉴权端元302；所述接口匹配和控制电路305与所述储能元件308相连；所述第二通讯电路303实现与充电器的通讯。

本发明的有益技术效果：

（1）本发明激励线圈和谐振线圈处于同一平面，有效地减少项圈间的直接耦合，能降低后端的电路对激励线圈的牵引作用。使得两个线圈一起的Q值更高，从而提高捕获空间能量的能力同时提高能量传送效率和传送距离；

（2）能通过调节各谐振线圈的开启调节辐射方向，使充电方向更集中，提高效率节约能源；

（3）本发明汇总发射线圈和接收线圈的共振频率不必完全一致，可以有小范围的误差，降低了工艺难度；

（4）本发明发射部和接收部的距离提高到原来的150%，使用更便捷。

（5）通过选择性地接入不同的谐振线圈可以调整辐射方向，从而到达自适应的功能，例如，在给电动汽车充电时，如果汽车没有完全泊到位，充电器可以自己控制辐射方向来对准固定在汽车下面的接收器，从而提供充电器的有效性和工作范围。

附图说明：

图1、本发明激励线圈和谐振线圈位置示意图；

图2、线圈法线剖面上磁场强度分布图；

图3、在同一个平面上的三个平行线圈的位置示意图；

图4、图3中三个线圈法线所在平面的电磁场强度示意图；

图5、图3中三个线圈法线所在平面的电磁场强度示意图；

图6、不同线圈工作时的频率响应曲线；

图7、不同激励线圈和谐振线圈位置示意图；

图8、不同激励线圈和谐振线圈位置示意图；

图9、不同激励线圈和谐振线圈位置示意图；

图10、不同激励线圈和谐振线圈位置示意图；

图11、不同激励线圈和谐振线圈位置示意图；

图12、不同激励线圈和谐振线圈位置示意图；

图13、不同激励线圈和谐振线圈位置示意图；

图14、不同激励线圈和谐振线圈位置示意图；

图15、不同激励线圈和谐振线圈位置示意图；

图16、充电器电路示意图；

图17、与充电器相应的待充电设备电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

一种无线电传输系统，所述系统包括发射部和接收部，所述发射部包括发射线圈和发射谐振线圈，所述接收部包括接收线圈和接收谐振线圈；所述发射线圈和所述发射谐振线圈在同一平面，所述接收线圈和所述接收谐振线圈在同一平面，所述发射部和所述接受部通过磁共振方式实现电传输。现有技术中谐振线圈和激励线圈（激励线圈指发射线圈或接收线圈）是一组在同一法线上的不同平面上的线圈组成。它们是前后配置，在两个线圈距离比较近的时候有很强的耦合。通常需要拉大两个线圈直接的距离来减少耦合。这在空间比较有限的情况下很难实现。如图1所示，本发明将谐振线圈和激励线圈放在同一个平面上可以有效地减少项圈间的直接耦合能够很好地解决两个线圈耦合过强的问题。即提高每个线圈的独立性，可以更方便地调整发射系统从而达到整个系统更优的效果。

同时由于两个线圈之间有一定的耦合，能降低后端的电路对接收线圈或发射线圈的牵引作用，使得两个线圈一起的Q值更高，从而提高捕获空间能量的能力。

进一步地，所述发射谐振线圈或所述接收谐振线圈的个数为至少一个，可通过控制所述发射谐振线圈或的个数所述接收谐振线圈及各所述发射谐振线圈或各所述接收谐振线圈的开启来控制所述无线电传输系统的辐射方向。通过选择不同线圈的开启的或耦合量多少的方法可以改变辐射的方向。通过控制辐射方向的方法让电磁波向希望的方向上多一些。在不希望的方向上少一些。从而达到提高性能和降低对人体辐射的双重目的。如图2所示，图2是线圈法线剖面上磁场强度分布图，从图2中可以看出两点：1，双线圈结构沿法线方向上的磁场分量更多；2，在激励线圈和谐振线圈法线方向上各有一个极点。相对于单线圈结构而言，磁场分量向谐振线圈方向移动。从而达到改变辐射方向的目的。为了更进一步说明如何使用多线圈结构来控制辐射方向，生成了图3-图5。其中，图3是在同一个平面上的三个平行线圈的结构。在图3中，中间线圈是发射线圈，左右两边是两个谐振线圈。通过在VC1和VC2上分别施加电压的方式来选择是否需要对应的谐振线圈工作。具体地说，当VC1或VC2上有正电压时，二极管D1或D2导通，对应的谐振线圈工作。图4和图5是三个线圈法线所在平面的电磁场强度示意图。在图4中，深色A区的辐射图是只有发射线圈工作，谐振线圈都不工作的时候的辐射图；浅色B区的图案是三个线圈都工作的时候的辐射图。对比深色A区和浅色B区，可见当三个线圈都工作时，沿发射线圈法线方向上的电磁场得到增强；远离法线的区域随着距离的增加而快速地下降。也就是说，当有谐振线圈和发射线圈一起工作时，辐射的方向性增加了。图5是用来表示如何选择不同的谐振线圈的接入来改变辐射方向图的。在图5中，P1区是在VC1端加正电压，VC2端没有电压时的辐射图；P2区是在VC1端没有电压，在VC2端有电压时的辐射图。由此可以看出，选择性地开启不同的谐振线圈，就可以控制辐射方向图。

进一步地，所述发射线圈、所述发射谐振线圈、所述接收谐振线圈和所述接收线圈的自谐振点可以有差异，差异可以根据具体的应用而有所不同，一般情况下不要超过带宽的十分之一。两个线圈的自谐振点可以有一点点的差异，从而合成一个宽更宽的频率特性，如图6。图6中，T1是单独一个线圈工作时的频率响应曲线。我们可以看到无论是响应幅度还是两个带宽都比较有限。T2的特性也和T1类似。带宽和幅度都比较有限。当把这两个线圈靠的很近或者是放在同一个平面上的时候，就会形成图中T3类似的曲线。T3是由T1和T2合成的曲线。无论是幅度还是带宽都要优于单独的T1或T2。适当地调节T1和T2的谐振点。可以控制T3的特性。可以让T3表现出一个或两个峰值点。

进一步地，所述发射线圈、所述谐振线圈和所述接收线圈的形状为圆形、椭圆、或多边形中的任一种或任意两种以上的组合。同时，由于平行配置的线圈间耦合较小。让多个谐振线圈的实现更为容易和灵活。甚至可以做到异形的配置，如图7-图15所示。其中，图15中激励线圈和谐振线圈近似在一个平面。

进一步地，所述发射部和所述接收部的距离为。根据不同的应用和发射、接收的线圈的尺寸不同而不同。可以超过75公分。

进一步地，所述发射部配置于充电设备；所述接收部配置于搭载了可充电电池的设备。

一种无线电传输系统应用装置，使用上述任一所述一种无线电传输系统，所述无线电传输系统应用装置包括充电器和与充电器相应的待充电设备，所述充电器的发射线圈和发射谐振线圈在同一平面，与充电器相应的待充电设备的接收线圈和接收谐振线圈在同一平面。

进一步地，所述充电器还包括功率控制电路202、第一通讯电路203、电源204、第一MCU207、功率频率驱动器和接口205；所述功率频率驱动器和接口205与所述发射线圈连接；所述电源接收直流或交流电并将其输输出稳定的工作电压为所述第一MCU和功率频率驱动器和接口提供电能；所述第一MCU207直接连接并监控所述功率控制电路202、第一通讯电路203、电源204和功率频率驱动器和接口205；所述通讯电路保障和所述与充电器相应的待充电设备的通讯；功率控制电路202的通过控制功率频率驱动器和接口205来调节馈给发射线圈206的功率。如图16所示。

进一步地，所述与充电器相应的待充电设备还包括接口匹配和控制电路305、储能元件308、第二MCU307、第二通讯电路303、执行机构304、人机界面309和鉴权端元302；所述接口匹配和控制电路305与所述接收线圈相连；所述所述第二MCU307直接连接并监控所述接口匹配和控制电路305、第二通讯电路303、执行机构304和鉴权端元302；其中执行机构的功能是打开或关上电子锁；人机界面主要指键盘、触摸屏、显示器和指纹识别器等生物识别器；鉴权端元的功能是判断所操作的人员是否是合法用户。所述接口匹配和控制电路305与所述储能元件308相连；所述第二通讯电路303实现与充电器的通讯，如图17所示。

Claims (8)

1.一种无线电传输系统，所述系统包括发射部和接收部，其特征在于，所述发射部包括发射线圈和发射谐振线圈，所述接收部包括接收线圈和接收谐振线圈；所述发射线圈和所述发射谐振线圈在同一平面或近似在同一平面，所述接收线圈和所述接收谐振线圈在同一平面或近似在同一平面，所述发射部和所述接收部通过磁共振方式实现电传输；所述发射谐振线圈或所述接收谐振线圈的个数为至少一个，可通过控制所述发射谐振线圈或所述接收谐振线圈的个数及各所述发射谐振线圈或各所述接收谐振线圈的开启来控制所述无线电传输系统的辐射方向；

谐振线圈和激励线圈没有重合部分；

所述激励线圈指发射线圈或接收线圈。

2.如权利要求1所述一种无线电传输系统，其特征在于，所述发射线圈、所述发射谐振线圈、所述接收谐振线圈和所述接收线圈的自谐振点可以有差异；所述差异根据具体的应用而有所不同，所述差异不得超过线圈频带宽度的十分之一。

3.如权利要求1所述一种无线电传输系统，其特征在于，所述发射线圈、所述谐振线圈和所述接收线圈的形状为圆形、椭圆、或多边形中的任一种或任意两种以上的组合。

4.如权利要求1所述一种无线电传输系统，其特征在于，所述发射部和所述接收部的距离随所述发射线圈和所述接收线圈的大小而变化，所述距离可达75公分以上。

5.如权利要求1-4任一所述一种无线电传输系统，其特征在于，所述发射部配置于充电设备；所述接收部配置于搭载了可充电电池的设备。

6.一种无线电传输系统应用装置，其特征在于，使用权利要求1-5任一所述一种无线电传输系统，所述无线电传输系统应用装置包括充电器和与充电器相应的待充电设备；所述充电器的发射线圈和发射谐振线圈在同一平面或近似在同一平面，与充电器相应的待充电设备的接收线圈和接收谐振线圈在同一平面或近似在同一平面；所述发射谐振线圈或所述接收谐振线圈的个数为至少一个，可通过控制所述发射谐振线圈或所述接收谐振线圈的个数及各所述发射谐振线圈或各所述接收谐振线圈的开启来控制所述无线电传输系统的辐射方向；

谐振线圈和激励线圈没有重合部分；

所述激励线圈指发射线圈或接收线圈。

7.如权利要求6所述一种无线电传输系统应用装置，其特征在于，所述充电器还包括功率控制电路(202)、第一通讯电路(203)、电源(204)、第一MCU(207)、功率频率驱动器和接口(205)；所述功率频率驱动器和接口(205)与所述发射线圈连接；所述电源接收直流或交流电并将其输出稳定的工作电压为所述第一MCU(207)和功率频率驱动器和接口(205)提供电能；所述第一MCU(207)直接连接并监控所述功率控制电路(202)、第一通讯电路(203)、电源(204)和功率频率驱动器和接口(205)；所述第一通讯电路保障充电器和所述待充电设备的通讯；功率控制电路(202)通过控制功率频率驱动器和接口(205)来调节馈给发射线圈(206)的功率。

8.如权利要求6所述一种无线电传输系统应用装置，其特征在于，所述与充电器相应的待充电设备还包括接口匹配和控制电路(305)、储能元件(308)、第二MCU(307)、第二通讯电路(303)、执行机构(304)、人机界面(309)和鉴权端元(302)；其中执行机构的功能是打开或关上所述待充电设备；人机界面主要指生物识别器，包括键盘、触摸屏、显示器和指纹识别器；鉴权端元的功能是判断所操作的人员是否是合法用户；所述接口匹配和控制电路(305)与所述接收线圈相连；所述第二MCU(307)直接连接并监控所述接口匹配和控制电路(305)、第二通讯电路(303)、执行机构(304)和鉴权端元(302)；所述接口匹配和控制电路(305)与所述储能元件(308)相连；所述第二通讯电路(303)实现与所述充电器的通讯。