CN105226842A - 无线传输电能的设备 - Google Patents

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CN105226842A CN201510405785.5A CN201510405785A CN105226842A CN 105226842 A CN105226842 A CN 105226842A CN 201510405785 A CN201510405785 A CN 201510405785A CN 105226842 A CN105226842 A CN 105226842A
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Abstract

无线传输电能的设备。无线传输电能的设备包括传输线圈，被配置为响应AC电流而改变磁场，屏蔽单元，被配置为限制从传输线圈产生的磁场的传播；以及外壳，被配置为包围传输线圈和屏蔽单元。该传输线圈通过在同一个平面上沿着等腰三角形各边缠绕导线而以单层形式形成，该等腰三角形的高大于底边，并且该传输线圈的***高度为52±0.5mm，内部高度为34±0.5mm，***宽度为46±0.5mm，内部宽度为28±0.5mm，厚度为1.1±0.3mm。该传输线圈可由导线沿等腰三角形各边缠绕八圈形成。

Description

无线传输电能的设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年6月3日申请的韩国专利申请号为10-2014-0067950的在先申请数据及其优先权的权益，其内容通过引用全文并入本文。
技术领域
本发明涉及无线传输电能的设备。
背景技术
随着当前通信和信息处理技术的发展，例如智能电话的智能终端的使用逐渐增加。一种普遍用于智能终端充电的方法是将连接到电源的适配器直接连接到智能终端并且使用外部电源给智能终端充电的方法，或者是一种通过主机的USB终端将适配器连接到智能终端并且使用主机的USB电源对智能终端充电的方法。
为了减少智能终端必须通过连接线直接连接到适配器或者连接到主机的不便，近来，一种使用磁耦合而不使用电接触给电池无线充电的无线充电方法被逐渐应用于智能终端。
有一些无线提供或者接收电能的方法。代表性的方法包括基于电磁电感现象的电感耦合方法以及根据特定频率的无线电能信号的基于电磁共振现象的电磁共振耦合方法。
以上方法通过在无线充电装置和电子装置，例如智能终端，之间形成通信信道并且交换数据，能够确保电能传输的可靠性以及改善传输效率。该电感耦合方法的问题在于当无线传输电能时，电能接收设备移动而造成的传输效率的恶化，而电磁共振耦合方法的问题在于通信信道中产生的噪声使得电能的传输停止。
电磁共振耦合方法的商业化需要一些时间，并且因此其标准化的推进很慢。相反，电感耦合方法的标准化以及商业化都推进的很迅速。
在电感耦合方法中，当要给一个装置即接收设备充电时，与充电器的中心即传输设备匹配得非常好时，充电可以流畅地进行。由于这一原因，在一些产品中，传输设备和接收设备的中心通过辅助磁铁匹配。因此，虽然用于无线传输电能的设备的中心以及接收设备没有很好匹配，仍然需要传输设备能够充电或者不恶化效率。
发明内容
本发明的目的是为了改善用于无线传输电能的设备的传输效率。
本发明的另一个目的是为了改善在使用电感耦合方法无线传输电能的设备中的传输线圈的特性。
本发明的又另一个目的是提出一种在使用电感耦合方法无线传输电能的设备中的Tx线圈的有效的形状和大小。
根据本发明的实施例，提供了一种无线传输电能的设备，包括传输线圈，被配置为响应AC电流而改变磁场，屏蔽单元，被配置为限制从传输线圈产生的磁场的传播，以及外壳，被配置为包围该传输线圈和该屏蔽单元。该传输线圈通过在同一个平面上沿着等腰三角形各边缠绕导线而以单层形式形成，该等腰三角形的高大于底边，并且该传输线圈***高度为52±0.5mm，内部高度为34±0.5mm，***宽度为46±0.5mm，内部宽度为28±0.5mm，厚度为1.1±0.3mm。
在一个实施例中，可通过沿着等腰三角形的各边缠绕八圈导线形成传输线圈。
在一个实施例中，屏蔽单元的至少一部分可被配置为超出传输线圈的***。
在一个实施例中，该屏蔽单元可形成在传输线圈和外壳之间。
根据本发明的另一个实施例，传输线圈被配置为响应AC电流而改变磁场并且无线发送电能。该传输线圈通过在同一个平面上沿着等腰三角形各边缠绕导线而以单层形式形成，该等腰三角形的高大于底边，该传输线圈的***高度为52±0.5mm，内部高度为34±0.5mm，***宽度为46±0.5mm，内部宽度为28±0.5mm，厚度为1.1±0.3mm，并且该导线可沿等腰三角形各边缠绕八圈。
附图说明
图1是一个示出了从无线传输电能的设备向电子装置无线传输电能的例子的概念图；
图2是一个示出了在使用了电磁电感方法的无线传输电能的设备的电能转换单元中的电路的构造的概念图；
图3示出了用于在无线传输电能的设备和接收设备之间交换电能和消息的结构；
图4是一个示出了一个用于控制在无线传输电能的设备和接收设备之间的电能传输的回路的框图；
图5示出了应用了本发明的实施例的传输线圈；以及
图6是一个包括图5的Tx线圈的充电器的分解透视图。
具体实施方式
下面，将参考附图详细描述根据本发明实施例的用于无线传输电能的设备。
图1是一个示出了从无线传输电能的设备向电子装置无线传输电能的例子的概念图。
用于无线传输电能的设备100可以是用于把电能无线传输到无线电能接收设备或者电子装置200的电能传输装置，或者可以是用于无线传输电能从而给电子装置200的电池充电的无线充电装置。在一些实施例中，设备100可以被实现为以非接触方式把电能提供给需要电源的电子装置200的各类型的设备。
该电子装置200是能够使用从无线传输电能的设备100无线接收到的电能来运行的装置，并且其可以使用该无线接收的电能对其电池充电。该用于无线接收电能的电子装置200可以包括可携带的所有类型的电子装置，例如，智能电话、智能终端、平板电脑、多媒体终端、键盘、鼠标以及输入/输出装置，例如视频或者音频助理装置。
用于无线传输电能的设备100可以根据无线电能信号使用基于电磁感应现象的电感耦合方法无线发送电能。也就是说，响应于无线传输电能的设备100传输的无线电能信号，在电子装置200中产生共振，并且根据共振现象以非接触的方式将该电能从用于无线传输电能的设备100传输到电子装置200。根据电磁感应现象，初级线圈的磁场被AC电流改变，向次级线圈感生电流，并因此传输电能。
如果流入到无线传输电能的设备100的初级线圈中的电流强度发生改变，该电流改变通过初级线圈(或者传输(Tx)线圈)的磁场。该改变的磁场在电子装置200中的次级线圈(或者接收(Tx)线圈)中产生感生电动势。
如果用于无线传输电能的设备100和电子装置200被布置为使得无线传输电能的设备100的Tx线圈以及电子装置200的Rx线圈彼此相邻，并且无线传输电能的设备100控制Tx线圈的电流使其改变，则电子装置200使用感生到Rx线圈中的电动势给例如电池的负载提供电源。
使用电感耦合方法的无线电能传输的效率受到无线传输电能的设备100和电子装置200的布置以及他们之间距离的影响。因此，无线传输电能的设备100可被构造为包括平的接口面，Tx线圈可被布置在接口面以下，一个或者多个电子装置可位于接口面以上。如果布置在接口面以下的Tx线圈和布置在接口面以上的Rx线圈之间的间隔被充分减小，就能够改善使用电感耦合方法的无线电能传输的效率。
指示电子装置将被安置的位置的标记可被指示在接口面上。该标记可指示电子装置的位置使得位于接口面以下的Tx线圈和位于接口面以上的Rx线圈被合适地布置。用于引导电子装置位置的突出形状的结构可形成于接口面上。磁性材料，例如磁铁，可形成在接口面以下使得Tx线圈和Rx线圈通过在磁性材料和提供在电子装置内的另一极的磁性材料之间的引力被很好地设置。
图2是一个示出了在使用电磁电感方法的无线传输电能的设备的电能转换单元中的电路的构造的概念图。
用于无线传输电能的设备可基础地包括电源和包含有转换器和共振电路的电能转换单元。该电源可以是电压源或者电流源。电能转换单元将电源提供的电能转换为无线电能信号并且将转换的能量传输到接收设备。该无线电能信号形成为具有共振特性的磁场或者电磁场形式，并且共振电路包括产生无线电能信号的线圈。
该转换器通过切换元件和控制电路将DC输入转换为具有所需电压和频率的AC波形。图2中，示出了全桥转换器，但是也可以使用例如半桥转换器的其他类型的转换器。
该共振电路包括使用磁电感方法发送电能的Tx线圈Lp以及电容器Cp。该传输线圈Lp和电容器Cp确定电能传输的基本共振频率。该Tx线圈根据电流的改变形成对应于电能信号的磁场，并且其被实现为平面或者螺旋线形式。
当通过转换器转换的AC电流驱动共振电路时，在Tx线圈中形成磁场。该转换器产生接近于共振电路共振频率的频率的AC，因此能够增加传输设备的传输效率。传输设备的传输效率可以通过控制转换器来改变。
图3示出了用于在无线传输电能和接收设备之间交换电能和消息的结构。
电能转换单元仅单方面发送电能而不考虑接收设备的接收状态。为了根据接收设备的状态发送电能，用于接收关于接收设备的接收状态的反馈的元件需要被配置到用于无线传输电能的设备。
用于无线传输电能的设备100可被配置为包括电能转换单元110、通信单元120、控制单元130以及电源单元140。用于无线接收电能的设备200可被配置为包括电源接收单元210、通信单元220和控制单元230，并且还可进一步包括将要被提供所接收电能的负载250。
电能转换单元110包括图2的转换器和共振电路，并且可被配置为进一步包括用于控制如被用于形成无线电能信号的频率、电压和电流的特性的电路。
通信单元120被连接到电能转换单元110。通信单元120可解调通过使用磁电感耦合方法从传输设备100中无线接收电能的接收设备200调制的无线电能信号，并且可检测电能控制消息。
控制单元130可基于通信单元120检测的消息确定一个或多个特性，如电能转换单元110的工作频率、电压和电流，并可控制电能转换单元110以使电能转换单元110产生适用于消息的无线电能信号。通信单元120和控制单元130可按一个模块形式来构造。
电能接收单元210包括匹配单元，包括用于响应通过电源转换单元110的Tx线圈产生的磁场的改变而产生电感电动势的Rx线圈和电容器。该电能接收单元210可包括用于整流流入Rx线圈的AC电流和流出Tx线圈的DC电流的整流器电路。
接收设备的通信单元220连接到电源接收单元210。该通信单元220可通过以与控制DC中的电阻性负载和/或AC中的电容性负载相同的方式来控制电能接收单元210的负载，从而改变传输设备100和接收设备200之间的无线电能信号，并且可将电能控制消息发送到传输设备100。
接收设备的控制单元230控制接收设备200的各元件。该控制单元230可以电流或者电压形式测量电能接收单元210的输出，可基于测量的输出控制通信单元220，并且可将电能控制消息传输到传输设备100。电能控制消息可指示传输设备100开始或者终止无线电能信号的传输，并且还可控制传输设备100使得其控制无线电能信号的特性。
电能接收单元210接收传输设备100的电能转换单元110形成的无线电能信号。控制单元230控制通信单元220使得其调制无线电能信号。控制单元230可执行调制处理，从而通过改变通信单元220的电抗来改变从无线电源信号接收的电能的量。如果改变了从无线电能信号接收的电能的量，形成无线电能信号的电源转换单元110的电流和/或电压也改变。传输设备100的通信单元120可检测电源转换单元110的电流和/或电压的改变并且执行解调处理。
接收设备200的控制单元230可产生包括将要传输给传输设备100的消息的包(packet)，并且可调制无线电能信号使其包括该包。传输设备100的控制单元130可通过解码从通信单元120提取的包获得电能控制消息。为了控制接收的电能，控制单元230基于通过电源接收单元210接收的电能的量，发送请求无线电能信号的特性改变的消息。
图4是示出了控制在传输设备和接收设备之间的电能传输的回路的框图。
响应于通过传输设备100的电能转换单元110产生的磁场的改变，从接收设备200的电能接收单元210中感生电流，并且传输电能。接收设备的控制单元230选择需要的控制点，即在该点输出需要的电流和/或电压，并且确定实际的控制点，在该控制点通过电能接收单元210接收的能量被控制。
虽然电能被传输，接收设备的控制单元230使用需要的控制点和实际控制点来计算控制误差值，并且可取得两个输入电压或者电流之间的差值，例如，作为控制误差值。控制单元230可确定控制误差值，例如如果需要小电能来达到需要的控制点时使其为负值，并且确定控制误差值使得如果需要大的电能来达到需要的控制点时使其为正值。接收设备的控制单元230可产生包括使用改变电能接收单元210额外时间的电抗的方法计算的控制误差值的包，并且将该包通过通信单元220发送到设备100。
传输设备100的通信单元120解调包括在通过接收设备200调制的无线电能信号中的包并且检测消息。在这种情况下，通信单元120可解调包括控制误差值的控制误差包。
传输设备100的控制单元130可通过解码从通信单元120中提取的控制误差包来获取控制误差值，并且可使用控制误差值和流入到电能转换单元110中的实际电流值来确定传输设备能够传输给接收设备200所要电能的新的电流值。
如果在从接收设备接收控制误差包的过程中***是稳定的，传输设备100的控制单元130控制电能转换单元110使得流入Tx线圈的真实电流值变为新的电流值和新的操作点，也就是，提供给Tx线圈的AC电压的量、频率以及占空比达到新的值，并且连续保持新的操作点使得接收设备200额外地交换一些控制信息或者状态信息。
在传输设备100和接收设备200之间的交互通过四个步骤来执行，包括选择、ping、识别&配置以及电能传输。在选择步骤中，传输设备100发现位于接口面的目标。在ping步骤中，检查该目标是否包括接收设备200。在识别&配置步骤中，电能被准备好以便于被发送到接收设备200，从接收设备200中接收合适的信息，并且在传输设备100和接收设备200之间确立电能传输合约。在电能传输步骤中，通过在传输设备100和接收设备200之间的交互将电能实际传输到接收设备200。
在ping步骤中，接收设备200通过共振波形的调制，向传输设备100发送一个指示在Tx线圈和Rx线圈之间的磁通量耦合等级的信号强度包(SSP)。该SSP可成为由接收设备200整流的电压值。
在识别&配置步骤中，接收设备200向设备100发送标识包，其包括关于接收设备200的版本、生产商代码以及装置ID的信息，以及配置包，其包括关于最大电能以及接收设备200的电能传输方法的信息。
在电能传输步骤中，接收设备200将表示在接收设备200接收电能信号的操作点和在电能传输合约中确定的操作点之间的差值的控制误差包(CEP)和表示通过接口面由接收设备200接收的电能平均值的接收的电能包(RPP)发送给设备100。
包括在设备100的电能转换单元110中的每个传感单元(未示出)从共振波形的改变中提取包。该控制单元130可通过解码提取的包获取消息，可基于该消息控制电能转换单元110，并可无线传输接收设备200在改变电能传输特性时需要的电能。
在根据电感耦合方法的无线传输电能的方法中，效率很少受到频率特性的影响，但是受到设备100和接收设备200的布置和他们之间的距离的影响。
无线电能信号能够达到的区域基本上被划分为两个区域。这两个区域包括激活区域和检测区域。当传输设备100无线传输电能给接收设备200时，接口面的高效的磁场可以通过的一部分被称为激活区域。设备100能够检测到接收设备200的存在的区域被称为检测区域。
传输设备100的控制单元130可检测接收设备200是被布置在激活区域还是被布置在检测区域，或者接收设备200是否已经被从激活区域或者检测区域移除。在这种情况下，控制单元130使用电能转换单元110产生的无线电能信号或者使用独立的传感器来检测接收设备200是否已经布置在激活区域或者检测区域中，或从中移除。例如，传输设备100的控制单元130通过监视是否由于无线电能信号受到检测区域中的接收设备200的影响使得形成电能转换单元110的无线电能信号的电能特性已经改变，从而检测接收设备200的存在。传输设备100的控制单元130执行识别接收设备200的过程或者根据检测接收设备200的存在的结果确定是否开始电能的无线传输。
传输设备100的电能转换单元110可进一步包括位置确定单元。该位置确定单元可移动或者旋转Tx线圈从而改善根据电感耦合方法的无线电能传输的效率。具体地，当传输设备100的激活区域中不存在接收设备200时，可使用位置确定单元。
位置确定单元可被配置为包括一个驱动单元，该单元被配置为移动Tx线圈从而使得在设备100的Tx线圈和接收设备200的Rx线圈的中心之间的距离变为特定范围，或者配置为旋转Tx线圈使得Tx线圈和Rx线圈的中心重合。为此目的，设备100还可包括一个传感器或者配置为检测接收设备200的位置的检测单元。传输设备100的控制单元130可基于从检测单元的传感器接收的以及关于接收设备200的位置的信息控制位置确定单元。
可选择地，传输设备100的控制单元130可通过通信单元120接收关于传输设备100和接收设备200的布置以及他们之间的距离的控制信息，并且可基于控制信息控制位置确定单元。
此外，设备100可进一步被配置为包括多个传输线圈从而选择性地使用一些属于多个传输线圈中的并且适合于配置接收设备200的Rx线圈的线圈来改善传输效率。在这种情况下，位置确定单元可确定多个传输线圈中的哪一个将被用于发送电能。
用于形成通过激活区域的磁场的单一传输线圈或者一个或者多个传输线圈的组合可被称为初级单元。传输设备100的控制单元130可检测接收设备200的位置，可基于检测的位置确定激活区域，可连接被配置为形成对应于激活区域的初级单元的传输模块，以及可执行控制使得传输模块的对应的Tx线圈或者对应的多个Tx线圈以及接收设备200的对应的Rx线圈服从于电感耦合。
接收设备200可被嵌入在电子装置中，例如智能电话、包括多媒体回放终端的智能电话，或者智能装置。由于电子装置垂直或者水平的以不规则的方向或者在不规则的位置上位于设备100的接口上，传输设备需要宽的激活区域。
如果多个传输线圈被用于加宽激活区域，需要与Tx线圈数量相等的驱动电路，并且对多个传输线圈的控制是很复杂的。因此，当传输设备100在商业化时，传输设备100的消耗即无线充电器会增加。此外，如果使用改变Tx线圈的位置的方法来加宽激活区域，就存在一个问题，体积和重量就会增加并且生产成本就会增加，这是因为需要包括一个用于移动Tx线圈位置的传输机构。
如果有一种仅使用位置被固定的单一Tx线圈来加宽激活区域的方法，将会非常有效。如果Tx线圈的大小增加了，Tx线圈的每一个单位区域的磁通量密度降低，由于在Tx和Rx线圈之间的磁耦合被减弱，该激活区域没有如期望地增加，并且传输效率也恶化了。
如上所述，确定Tx线圈的形状和大小以便于加快激活区域和改善传输效率是非常重要的。
图5示出了应用了本发明的实施例的传输线圈。
Tx线圈的激活区域需要被确保并且增大从而在特定的包括接收设备的电子装置处于多种姿态时的状态中，也就是，很长地直立水平或者很长地直立垂直，在包括传输设备的充电器中，保证特定的充电效率。
根据本发明的实施例的Tx线圈以导线被缠绕从而电流被转换为磁通量的方式而形成，以及如图5示出的三角形形式的单层而形成。具体地，Tx线圈的三角形的拐角被变圆。在这种情况下，Tx线圈在相同平面沿着等腰三角的边缠绕，并且该等腰三角形的高度大于底边。
根据本发明的实施例的Tx线圈的***高度H0为52±0.5mm，内部高度为Hi为34±0.5mm，***宽度W0为46±0.5mm，内部宽度为Wi为28±0.5mm，厚度dc为1.1±0.3mm，并且直径为0.8mm。该导线以单一层被缠绕8次。该导线被概括在下面的表1中。
【表1】
符号 H0 Hi W0 Wi dc
值(mm) 52±0.5 34±0.5 46±0.5 28±0.5 1.1±0.3
包括具有相同层激活区域的单一三角形线圈或者较高的如多个线圈的传输设备通过单一三角形线圈的形状和规格来实现，即使没有使用多个线圈。
此外，根据现有的A16设计的Tx线圈具有***高度H0为59±0.5mm，内部高度为Hi为43±0.5mm，***宽度W0为52±0.5mm，内部宽度为Wi为36±0.5mm，以及厚度dc为1.1±0.3mm，该Tx线圈的导线被缠绕在单一层内7次。
可以发现根据本发明的实施例的Tx线圈具有扩展的可充电范围(也就是，与线圈A16比较改进3％的效率)，具有与线圈A16相比改善的效率特性以及因此较低的电能消耗和散热特性(也就是，与线圈A16比较改进的3℃的散热特性)，能够运行线圈A16(也就是能够运行无线电能联盟(WPC)兼容性测试配置D)，具有与线圈A16比较改进的接收设备中的振荡特性，以及，与现有的A16设计的Tx线圈相比，通过与线圈A16相比改进的与接收设备的兼容性具有改进的充电再尝试现象。
图6是一个包括图5的Tx线圈的充电器的分解透视图。
参考图6，充电器300包括配置为提供感生电能的传输设备。包括接收设备的电子装置即被充电的目标，位于充电器300的上表面。具有操作区域的安装面形成于充电器300的上表面。当电子装置位于上表面时，充电器检测该放置并且开始无线充电。
充电器300可包括布置在前壳311和后壳312之间的图5的Tx线圈320以及布置在Tx线圈320下面并且配置为包围Tx线圈320的屏蔽单元330。也就是，该屏蔽单元330可形成在充电器300的后壳312和Tx线圈320之间，并且屏蔽单元330的至少一部分被形成为超出Tx线圈320的***。
屏蔽单元330可以防止如安装在电路板(未示出)上的微处理器和存储器的元件受到根据Tx线圈320的操作的电磁影响，并且能够阻止Tx线圈320收到根据安装在电路板上的元件的操作的电磁影响。该屏蔽单元330可由不锈钢或者无需电镀的钛构成。
充电器300可被配置为具有包括Tx线圈的电能转换单元、通信单元、控制单元以及包括在单一主体内的电源或者可被配置为被分割为配置有Tx线圈320和安装在其上的屏蔽单元330的第一主体以及连接到第一主体并且配置为包括控制Tx线圈320、通信单元、控制单元和电源单元操作的电能转换单元的第二主体。
此外，输出单元，例如显示器或者扬声器，用户输入单元，配置为提供电源的插座，以及外部装置耦合的接口可被布置在充电器300的主体上。显示单元可形成在前壳311的上表面，而用户输入单元和插座可布置在的主体侧面。
因此，由于操作区域被额外地确保，可充电区域能被扩展，并且因此电能被可靠传输。
此外，还具有很多优点，在于传输效率能够得到改善，电能消耗能被降低，散热特性能够得到改善，以及能够阻止额外发热的产生。
对于本领域技术人员来说，很明显的，本发明不限制于上述实施例，并且可以在不超出本发明的精神和范围的情况下做出修改和变形。因此，这样的修改或者变形应当被认为属于本发明的权利要求。

Claims (5)

1.一种无线传输电能的设备，包括：
传输线圈，被配置用于响应AC电流而改变磁场；
屏蔽单元，被配置用于限制从所述传输线圈产生的磁场的传播；以及
外壳，被配置用于包围所述传输线圈和所述屏蔽单元，
其中，通过在同一个平面上沿着等腰三角形的各边缠绕导线以单层形式形成所述传输线圈，该等腰三角形的高大于底边，并且
所述传输线圈的***高度为52±0.5mm，内部高度为34±0.5mm，***宽度为46±0.5mm，内部宽度为28±0.5mm，厚度为1.1±0.3mm。
2.根据权利要求1的设备，其中通过沿所述等腰三角形的各边缠绕八圈导线形成所述传输线圈。
3.根据权利要求1的设备，其中所述屏蔽单元的至少一部分被配置为超出所述传输线圈的周边。
4.根据权利要求1的设备，其中所述屏蔽单元形成在所述传输线圈和所述外壳之间。
5.一种传输线圈，被配置用于响应AC电流而改变磁场并且无线发送电能，
其中，通过在同一个平面上沿着等腰三角形的各边缠绕导线而以单层形式形成该传输线圈，该等腰三角形的高大于底边，
该传输线圈的***高度为52±0.5mm，内部高度为34±0.5mm，***宽度为46±0.5mm，内部宽度为28±0.5mm，厚度为1.1±0.3mm，并且
该导线沿所述等腰三角形的各边缠绕八圈。
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