CN102270886B - 一种级联无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种级联无线充电装置，装置中发射模块和接收模块分别将发射端频率信号和接收端频率信号发送到第三无线收发单元，第三无线收发单元分别通过发射匹配单元和接收匹配单元对发射线圈的阻抗和接收线圈的阻抗进行匹配，发射线圈接收发射模块发射的电磁波能量信号并耦合到耦合线圈，耦合线圈将电磁波能量信号分别传递给电源单元和接收线圈，接收线圈将电磁波能量信号传递到接收模块。本发明结构简单，运行稳定；可以对不同频率的电磁波能量信号进行中转,增加了无线传输距离；有效解决了复杂布线带来的问题，消除了线材老化所带来的安全隐患。

Description

一种级联无线充电装置

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，更具体涉及一种级联无线充电装置。适用于对家用电器、手持移动设备无线供电。

背景技术

随着电动汽车、高铁、无线传感网络等高新技术产业的蓬勃发展，以及电子设备在越来越多场合的应用，传统的有线供电方式暴露出了诸多局限，而蓄电池式供电又造成了大量的资源浪费和环境污染，大电流接触式供电的本身线损与反复插拔线损严重，受环境温度和空气湿度影响明显，且容易产生火花，供电方式的改革势在必行。而传统无线供电方式辐射性强、传输效率低、传输距离近、发送频率和接收频率必须相同或在一定范围之内，发送线圈和接收线圈需配套使用，不能只更换其中之一，并且不同频率的电磁波能量不能够中转，限制了无线供电相关应用的推广。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种级联无线充电装置，可以对不同频率的电磁波能量信号进行中转，增加了无线传输距离，有效解决了复杂布线带来的问题，消除了线材老化所带来的安全隐患。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种级联无线充电装置，包括发射模块和接收模块，还包括中继模块，中继模块包括第三无线收发单元、发射匹配单元、接收匹配单元、耦合线圈、发射线圈、接收线圈和电源单元，发射模块和接收模块分别将发射端频率信号和接收端频率信号发送到第三无线收发单元，第三无线收发单元分别通过发射匹配单元和接收匹配单元对发射线圈的阻抗和接收线圈的阻抗进行匹配，发射线圈接收发射模块发射的电磁波能量信号并耦合到耦合线圈，耦合线圈将电磁波能量信号分别传递给电源单元和接收线圈，接收线圈将电磁波能量信号传递到接收模块。

如上所述的发射匹配单元包括发射频率调整单元和第一阻抗匹配单元，发射频率调整单元根据从第三无线收发单元得到的发射端频率信号通过第一阻抗匹配单元对发射线圈的阻抗进行匹配。

如上所述的接收匹配单元包括接收频率调整单元和第二阻抗匹配单元，接收频率调整单元根据从第三无线收发单元得到的接收端频率信号通过第二阻抗匹配单元对接收线圈的阻抗进行匹配。

如上所述的发射模块包括第一无线收发单元，所述的接收模块包括第二无线收发单元，第一无线收发单元和第二无线收发单元分别将发射端频率信号和接收端频率信号发送到中继模块。

如上所述的电源单元包括AC/DC单元、充电控制单元和电源，AC/DC单元将从耦合线圈的到电磁波能量信号转换成电能并通过充电控制单元将电能储存到电源。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1.结构简单，运行稳定；

2.可以对不同频率的电磁波能量信号进行中转，增加了无线传输距离；

3.有效解决了复杂布线带来的问题，消除了线材老化所带来的安全隐患。

附图说明

图1为一种级联无线充电装置的原理示意图。

图2为图1中发射匹配单元的原理示意图。

图3为图1中接收匹配单元的原理示意图。

图4为图1中电源单元的原理示意图。

图中：1-发射模块；2-接收模块；3-中继模块；101-第一无线收发单元；201-第二无线收发单元；301-第三无线收发单元；302-发射匹配单元；303-接收匹配单元；304-耦合线圈；305-AC/DC单元；306-充电控制单元；307-电源；308-发射频率调整单元；309-第一阻抗匹配单元；310-发射线圈；311-接收频率调整单元；312-第二阻抗匹配单元；313-接收线圈；314-电源单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细描述：

实施例：

如图1、图2、图3所示，一种级联无线充电装置，包括发射模块1、接收模块2、中继模块3，中继模块3包括第三无线收发单元301、发射匹配单元302、接收匹配单元303、耦合线圈304、发射线圈310、接收线圈313和电源单元314，发射模块1和接收模块2分别将发射端频率信号和接收端频率信号发送到第三无线收发单元301，第三无线收发单元301分别通过发射匹配单元302和接收匹配单元303对发射线圈310的阻抗和接收线圈313的阻抗进行匹配，发射线圈310接收发射模块1发射的电磁波能量信号并耦合到耦合线圈304，耦合线圈304将电磁波能量信号分别传递给电源单元314和接收线圈313，接收线圈313将电磁波能量信号传递到接收模块2。

发射匹配单元302包括发射频率调整单元308和第一阻抗匹配单元309，发射频率调整单元308根据从第三无线收发单元301得到的发射端频率信号通过第一阻抗匹配单元309对发射线圈310的阻抗进行匹配。

接收匹配单元303包括接收频率调整单元311和第二阻抗匹配单元312，接收频率调整单元311根据从第三无线收发单元301得到的接收端频率信号通过第二阻抗匹配单元312对接收线圈313的阻抗进行匹配。

发射模块1通过第一无线收发单元101将发射端频率信号发送到第三无线收发单元301，第三无线收发单元301将发射端频率信号传递给发射频率调整单元308，发送频率调整单元308根据发射端频率信号计算发射端信号频率值，并通过发射端信号频率值计算发射线圈310需要匹配的阻抗，并控制第一阻抗匹配单元309内的场效应管的开关频率。由于场效应管在不同的开关频率下，导通电阻不一样，从而实现对发射线圈310的阻抗匹配。阻抗匹配后的发射线圈310可以顺利接收发射模块1发射的电磁波能量信号，并将电磁波能量信号耦合到耦合线圈304，耦合线圈304将电磁波能量信号分别传递给电源单元314和接收线圈313。

接收模块2通过第二无线收发单元201将接收端频率信号发送到第三无线收发单元301，第三无线收发单元301将接收端频率信号传递给接收频率调整单元311，接收频率调整单元311根据接收端频率信号计算接收端信号频率值，并通过接收端信号频率值计算接收线圈313需要匹配的阻抗，并控制第二阻抗匹配单元312内的场效应管的开关频率，从而实现对接收线圈313的阻抗匹配。阻抗匹配后的接收线圈313将通过耦合线圈304接收到的电磁波能量信号发送到接收模块2，实现电磁波能量信号的中转。

发送频率调整单元308根据发射端信号频率值计算发射线圈310需要匹配的阻抗和接收频率调整单元311根据接收端信号频率值计算接收线圈313需要匹配的阻抗是基于如下公式：

$f=\frac{\sqrt{Q^2-1}}{2\mathrm{\πQ}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

式中：f为信号频率，L为线圈电感；C为线圈分布电容；

R_L为线圈表现的阻抗；R_c为线圈分布电容表现的阻抗；π为圆周率。

如图4所示，电源单元314包括AC/DC单元305、充电控制单元306和电源307，AC/DC单元305将从耦合线圈304的到电磁波能量信号转换成电能并通过充电控制单元306将电能储存到电源307，电源307给中继模块3供电。

相对于传统的磁共振无线充电装置，本发明在发射模块1和接收模块1中间增加了中继模块3。该中继模块3不需要外部供电，目的是自适应接收中转发射模块1和接收模块1的不同电磁波能量信号，使发射模块1和接收模块1的电磁波能量信号的频率不同时，也能够进行能量中转。并且节约能量传输中所需线材，从而减少了铜、铝等不可再生的有色金属资源的浪费，并避免其生产过程中产生的废弃物以及废弃一次性电池对环境的污染，达到了大幅节能减排的目的。本发明耗材少、成本低，适用于对家用电器、手持移动设备无线供电，摆脱了线缆、电源适配器和充电器的束缚，有效解决了复杂布线带来的问题，消除了线材老化所带来的安全隐患，同时也满足了在电动汽车、无线传感器网络、医学机械等特殊场合的供电需要。

发射模块1和接收模块2是两个带有无线收发模块的无线能量传输装置。第一无线收发单元101、第二无线收发单元201、第三无线收发单元301由通用的无线传输模块RF2410组成。发射频率调整单元308和接收频率调整单元311可由DDS信号发生器实现。发射线圈310、接收线圈313和耦合线圈304为漆包线绕制而成。AC/DC单元305由通用整流桥及滤波电容电感电路实现。电源由普通可充电池组成。

Claims (3)

1.一种级联无线充电装置，包括发射模块（1）和接收模块（2），其特征在于：还包括中继模块（3），中继模块（3）包括第三无线收发单元（301）、发射匹配单元（302）、接收匹配单元（303）、耦合线圈（304）、发射线圈(310)、接收线圈（313）和电源单元（314），发射模块（1）和接收模块（2）分别将发射端频率信号和接收端频率信号发送到第三无线收发单元（301），第三无线收发单元（301）分别通过发射匹配单元（302）和接收匹配单元（303）对发射线圈（310）的阻抗和接收线圈（313）的阻抗进行匹配，发射线圈（310）接收发射模块（1）发射的电磁波能量信号并耦合到耦合线圈（304），耦合线圈（304）将电磁波能量信号分别传递给电源单元（314）和接收线圈（313），接收线圈（313）将电磁波能量信号传递到接收模块（2），发射匹配单元（302）包括发射频率调整单元（308）和第一阻抗匹配单元（309），发射频率调整单元（308）根据从第三无线收发单元（301）得到的发射端频率信号通过第一阻抗匹配单元（309）对发射线圈（310）的阻抗进行匹配，接收匹配单元（303）包括接收频率调整单元（311）和第二阻抗匹配单元（312），接收频率调整单元（311）根据从第三无线收发单元（301）得到的接收端频率信号通过第二阻抗匹配单元（312）对接收线圈（313）的阻抗进行匹配，

发送频率调整单元（308）根据发射端信号频率值计算发射线圈（310）需要匹配的阻抗和接收频率调整单元（311）根据接收端信号频率值计算接收线圈（313）需要匹配的阻抗是基于如下公式：

$f=\frac{\sqrt{Q^2-1}}{2\mathrm{\πQ}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

式中：f为信号频率，L为线圈电感；C为线圈分布电容；

；R_L为线圈表现的阻抗；R_c为线圈分布电容表现的阻抗；π为圆周率。

2.根据权利要求1所述的一种级联无线充电装置，其特征在于：所述的发射模块（1）包括第一无线收发单元（101），所述的接收模块（2）包括第二无线收发单元（201），第一无线收发单元（101）和第二无线收发单元（201）分别将发射端频率信号和接收端频率信号发送到中继模块（3）。

3.根据权利要求1所述的一种级联无线充电装置，其特征在于：所述的电源单元（314）包括AC/DC单元（305）、充电控制单元（306）和电源（307），AC/DC单元（305）将从耦合线圈（304）的到电磁波能量信号转换成电能并通过充电控制单元（306）将电能储存到电源（307）。

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