一种无线充电切换线圈式耦合机构、电路及装置

1.本发明涉及无线充电领域，尤其涉及一种无线充电切换线圈式耦合机构、电路及装置。


背景技术：

2.随着科技的发展，无线充电渐渐进入我们的生活，无线充电技术是一种安全、可靠和灵活的供电新技术，其利用电感耦合进行非接触式充电，无线充电技术的优势在于便捷性和安全性，因此无线充电被广泛应用于无人机续航、电子植入式医疗设备、便携式移动电子产品、电动汽车以及各类电器设备中。
3.对于无线充电技术，进行无线电能传输时，提高发射线圈和接收线圈之间的互感是保持充电效率的重要举措，也就是要保证发射线圈和接收线圈之间的对准情况。然而，由于接收线圈位置的不确定性，现实中发射线圈与接收线圈之间会不可避免地存在线圈偏移问题，引起线圈间的互感降低，无法对准，大大影响无线充电的功率和效率，这极大程度的限制了无线充电的发展节奏。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中发射线圈和接收线圈之间的对准问题，提供了一种无线充电切换线圈式耦合机构、电路及装置。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
6.在一个技术方案中提供一种无线充电切换线圈式耦合机构，该耦合机构包括发射线圈模块和接收线圈模块，所述发射线圈模块设在第一铁氧体衬底上，所述接收线圈模块设在第二铁氧体衬底上，所述发射线圈模块包括多个内部为空心的发射线圈，多个所述发射线圈相互交叠呈正方型，相邻两个发射线圈的空心区域边缘重合形成耦合区域；所述接收线圈模块包括单个内部为空心的接收线圈，所述接收线圈与所述耦合区域对应设置。
7.作为一优选项，在该无线充电切换线圈式耦合机构中，所述发射线圈和接收线圈均由两条1200股利兹线绕制呈方型，其中，所述两条1200股利兹线竖直堆叠在一起。
8.作为一优选项，在该无线充电切换线圈式耦合机构，所述发射线圈的空心区域和接收线圈的空心区域均为矩形，并在空心区域的内角处采用倒圆角设计。
9.作为一优选项，在该无线充电切换线圈式耦合机构中，所述发射线圈的空心区域为245mm*215mm的矩形，所述接收线圈的空心区域为120mm*120mm的矩形。
10.作为一优选项，在该无线充电切换线圈式耦合机构中，第一铁氧体衬底和第二铁氧体衬底均为锰锌铁氧体衬底。
11.在另一个技术方案中，本发明提供一种无线充电切换线圈式电路，包括所述的无线充电切换线圈式耦合机构，还包括逆变电路、原边补偿电路、副边补偿电路和整流滤波电路；其中，逆变电路、原边补偿电路、发射线圈模块、接收线圈模块、副边补偿电路和整流滤波电路依次连接。
12.作为一优选项，在该无线充电切换线圈式电路中，所述发射线圈之间相互并联，发射线圈的两端分别通过继电器连接至所述原边补偿电路的两端，通过控制继电器的开关来选择使用的发射线圈。
13.作为一优选项，在该无线充电切换线圈式电路中，每个所述发射线圈均串联有对应的补偿电容。
14.作为一优选项，在该无线充电切换线圈式电路中，所述继电器为大电流继电器。
15.本发明还提供一种无线充电装置，其包括所述的无线充电切换线圈式电路。
16.需要进一步说明的是，上述各选项对应的技术特征在不冲突的情况下可以相互组合或替换构成新的技术方案。
17.与现有技术相比，本发明有益效果是：
18.(1)本发明的耦合机构中，通过将多个发射线圈相互交叠呈正方型，相邻两个发射线圈的空心区域边缘重合形成耦合区域，形成更大的耦合区域，使无线充电摆脱需要对准的繁琐步骤，实现自动化以及高效无线充电。
19.(2)本发明的无线充电切换线圈式电路通过继电器来控制发射线圈的工作状态，使未工作的发射线圈不构成回路，很大程度能够消除发射线圈之间互感带来的影响，保证发射线圈模块的输出功率，保证充电效率。
附图说明
20.图1为本发明示出的耦合机构的结构示意图；
21.图2为本发明示出的多发射线圈的结构示意图；
22.图3为本发明示出的耦合机构的侧视图；
23.图4为本发明示出的发射线圈之间的耦合区域示意图；
24.图5为本发明示出的耦合区域分区示意图；
25.图6为本发明示出的发射线圈的结构示意图；
26.图7为本发明示出的接收线圈的的结构示意图；
27.图8为本发明示出的无线充电切换线圈式电路的示意图；
28.图9为本发明示出的无线充电切换线圈式电路的具体电路结构图。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
33.本发明主要通过将多个发射线圈相互交叠呈正方型，相邻两个发射线圈的空心区域边缘重合形成耦合区域，并且经过控制继电器的开关，能实现进入某个耦合区域就打开该耦合区域对应的线圈，形成更大的耦合区域，使无线充电摆脱需要对准的繁琐步骤，实现自动化以及高效无线充电。
34.实施例1
35.在该示例性实施例中，提供一种无线充电切换线圈式耦合机构，如图1所示，耦合机构包括发射线圈模块1和接收线圈模块2，所述发射线圈模块1设在第一铁氧体衬底3上，所述接收线圈模块2设在第二铁氧体衬底4上；如图2-4所示，所述发射线圈模块1包括多个内部为空心的发射线圈11，多个所述发射线圈11相互交叠呈正方型，相邻两个发射线圈11的空心区域边缘重合形成耦合区域5；所述接收线圈模块2包括单个内部为空心的接收线圈21，所述接收线圈21与所述耦合区域5对应设置。
36.具体地，本发明的发射线圈模块1将多个发射线圈11相互重叠，如图2、4所示，相邻两个发射线圈11的空心区域边缘重合，提高耦合区域的可利用面积，所有发射线圈11的空心区域竖直看下去相当于一个大矩形，实现发射侧的耦合区域全覆盖，形成更大的耦合区域，使无线充电摆脱需要对准的繁琐步骤，实现自动化以及高效无线充电。其中发射线圈11的个数不限制为图中的4个，若需要更多的耦合区域，可增加线圈。
37.以4个发射线圈11为例，发射线圈11的放置顺序及位置如下：
38.先在左上角放置第一个发射线圈11，接着在左上角线圈的右侧放置第二个发射线圈11，第二个发射线圈11的内部空心矩形左边沿与第一个发射线圈11的内部空心矩形右边沿重合，第三个发射线圈11放置在第二个发射线圈11的下方，第三个发射线圈11的内部空心矩形上边沿和第二个发射线圈11的内部空心矩形下边沿重合，第四个发射线圈11放置在第三个发射线圈11的左侧以及第一个发射线圈11的下方，第四个发射线圈11的内部空心矩形上边沿和第一个发射线圈11的内部空心矩形下边沿重合，第四个发射线圈11的内部空心矩形右边沿和第三个发射线圈11的内部空心矩形左边沿重合。
39.进一步地，如图5所示，对耦合区域5进行划分，其中区域a对应第一个发射线圈11，区域b对应第二个发射线圈11，区域c对应第三个发射线圈11，区域d对应第四个发射线圈11。接收线圈21的中心点进入对应的区域就开启相应的发射线圈11进行充电。
40.实施例2
41.基于实施例1，提供一种无线充电切换线圈式耦合机构，如图6、图7所示，所述发射线圈11和接收线圈21均由两条1200股利兹线(外径为4.8mm)绕制呈方型，其中，所述两条1200股利兹线竖直堆叠在一起，以增大过电流值。
42.进一步地，所述发射线圈11的空心区域和接收线圈21的空心区域均为矩形，并在空心区域的内角处采用倒圆角设计。所述发射线圈11的空心区域为245mm*215mm的矩形，所述接收线圈21的空心区域为120mm*120mm的矩形。其中，发射线圈11的最内圈半径为10mm，
其余圈半径递增，匝间距为7.6mm，一共11匝。接收线圈21整体区域外径略大于发射线圈内部空心区域内径(不超过20％)，且接收线圈21整体区域外径小于单个发射线圈11的整体区域外径，更容易实现耦合机构之间的耦合充电，不需要繁琐的对准步骤，接收线圈21共9匝，匝间距为5.6mm。最内部倒圆角半径为8mm。
43.进一步地，第一铁氧体衬底3和第二铁氧体衬底4均为锰锌铁氧体衬底，其中发射线圈11的下面均铺设锰锌铁氧体衬底，尽量实现平面全覆盖，锰锌铁氧体衬底尺寸为50*50*2.5mm，初始磁导率为2800。
44.实施例3
45.在该实施中，提供一种无线充电切换线圈式电路，如图8所示，包括以上实施例中所述的无线充电切换线圈式耦合机构，还包括逆变电路、原边补偿电路、副边补偿电路和整流滤波电路；其中，逆变电路、原边补偿电路、发射线圈模块1、接收线圈模块2、副边补偿电路和整流滤波电路依次连接。
46.具体地，如图9所示，所述发射线圈11之间相互并联，发射线圈11的两端分别通过继电器12连接至所述原边补偿电路的两端，所述继电器为大电流继电器。图9中，逆变电路采用单逆变器、原边补偿电路采用单补偿网络相比现有多逆变器以及多补偿网络的结构具有更少的消耗，相比通过逆变器、补偿网络来控制发射线圈的方式，本设计通过继电器来控制发射线圈，直接在线圈侧切换继电器状态，其他发射线圈为开路，其耦合不能产生电流，所以发射线圈间的耦合影响可以忽略，能够避免发射线圈之间存在补偿网络的回路带来的耦合，大大提高无线充电传输的效率。
47.进一步地，每个所述发射线圈均串联有对应的补偿电容。本发明采用双lcc补偿电路，因为发射线圈是交叠排布，所以每个线圈的自感是不同的，所以每个线圈所需要的补偿电容(即c1,2,3..n)大小不一样，电路初级侧先确定原边的阻抗大小，从而先确定lf、cf的值，在根据回路谐振条件，把每个发射线圈都串联了一个补偿电容，这个补偿电容是为了补偿发射线圈的部分感值。我们定义一个电容c1,2,3..n和线圈l1,2,3..n为一个线圈单元，每个线圈单元的2个端口连接了2个大电流继电器12，这2个继电器12另一端分别接了原边补偿网络的两端(即cf两端)。通过控制继电器的开关来控制使用哪个发射线圈。该电路中以线圈单元来控制线圈的工作状态，使未工作的线圈不构成回路，很大程度能够消除发射线圈之间互感带来的影响。
48.实施例4
49.提供一种无线充电装置，包括以上实施例所述的无线充电切换线圈式电路该无线充电装置还包括控制电路的控制器以及其他外围电路，无线充电装置可一体化集成在箱体或者其他结构中。
50.以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。