大功率中远距离无线传输的充电线圈及其制备方法与流程

本发明属于无线电磁与能源技术领域，涉及一种大功率中远距离无线传输的充电线圈及其制备方法。

背景技术：

无线电能传输技术源于特斯拉在1891年进行的实验：由一个电磁发射源和一个电磁波接收端形成一个无线电磁能传输通道。这项技术由麻省理工学院在2007年改进发表并获得广泛关注。与其最为近似的电磁技术，就是被大众所熟知和使用的无线数据通讯传输技术(如：3g、4g、wifi)。无线数据传输原理与无线电能传输工作原理相似，不同的是数据传输主要利用远场平面波(farfield)，而无线电能输送则是利用近场电磁波(nearfield)。伴随着移动数据终端的兴盛和广泛使用，无线电能输送在2000年后被企业界重新关注。在技术研究领域，无线电能传输主要分为两个发展方向：以实验室为依托的尖端前沿领域的技术探索；专注于消费领域的可实用技术研发。

目前，市场应用领域的技术主要分为：1.极近距离电磁波共振传输，理论上来说，这是基于传统变压器(transformer)的原理，将电磁场两端传输器微调至共振频段，从而实现电能的无线电感共振传输(systemoftransmissionofelectricalenergy.us645576a)。2.借助于电磁波传输的较远距离无线电能传输。这项技术主要是利用高频天线阵实现的阵列增益，在特定方向上，提高天线发射阵列与接收天线之间的传输效率，如powercast公司的wattup；相较于现在较成熟的无线数据传输技术，无线电能传输技术仍然处于初期阶段，有效传输距离近（几厘米），电路结构复杂，成本高昂。

目前，现有针对手机无线充电主要使用qi技术标准：由缠绕线圈和磁芯组成，这就造成了体积较大，传输效率在50%~70%，易在手机内部产生热量；穿透能力低，造成了传输距离3~5mm，充电功率5~10瓦，另外发射线圈和接收线圈需要严格对准。此类技术的诸多缺点严重制约了无线充电在手机平板和可穿戴设备等的应用前景。

由于工作原理，qi技术使用的电磁感应方式必须使用铜线线圈和磁芯共同作用提高传输效率，这造成了在手机内部的qi充电模块体积较大，散热量较高。针对手机、平板、可穿戴设备等空间狭小的设备，位于设备内部无线充电接收模块体积必须足够小，保证高传输效率。伴随着手机平板可穿戴设备功能的日益强大，传输功率也需要越来越大以达到快速充电的需求。为了提高产品的用户体验保持较长传输距离，较低散热量等要求也需要综合考虑。这些都需要使用全新理念进行设计。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种大功率中远距离无线传输的充电线圈，以解决现有充电线圈模块体积大、传输效率以及传输功率低、传输距离短、散热量较高等问题。

本发明实施例的另一目的在于提供一种大功率中远距离无线传输的充电线圈的制备方法。

本发明实施例所采用的技术方案是，大功率中远距离无线传输的充电线圈，包括电路板，电路板上表面设有上层电路布线a，电路板下表面设有下层电路布线b；上层电路布线a是由从电路板的上表面中心沿逆时针或顺时针方向双线依次向外环绕至电路板该表面一侧边沿的贴片铜线绕制形成；上层电路布线a的双线起始端均贯穿电路板到达电路板的下表面，其中一路贴片铜线的起始端通过与其规格相同的贴片铜线并经电容模块与能源端口连接，且该路贴片铜线的末端贯穿电路板后与另一路贴片铜线的起始端通过与其规格相同的贴片铜线连接，形成下层电路布线b；所述另一路贴片铜线的末端延伸至接地端口并与接地端口连接；所述上层电路布线a和下层电路布线b的贴片铜线上沿其线路固定有金属条或金属管。

进一步的，所述金属条宽度或金属管外径，与上层电路布线a以及下层电路布线b的贴片铜线宽度相等；

所述金属条或金属管的线间距，与上层电路布线a以及下层电路布线b的线间距相等；

所述金属管采用铜管，所述金属条采用铜条。

进一步的，所述上层电路布线a和下层电路布线b的线宽均为2±1.5mm、线间距均为3.25±2mm，其线路拐弯处采用弧线形设置。

进一步的，所述电路板为介电常数小于5、厚度小于5mm的硬质或柔性板材，其长和宽均小于15cm。

进一步的，所述上层电路布线a和下层电路布线b上焊接的金属管内流通有导电率差、阻抗高的冷却液，且所述上层电路布线a上焊接的金属管穿过电路板与下层电路布线b上焊接的金属管连接。

进一步的，所述导电率差、阻抗高的冷却液由与该传输线圈连接形成闭环回路的外部散热装置供给；

所述外部散热装置由水泵、散热器、进水管、第一出水管和第二出水管组成，水泵的冷却液出口经进水管与线圈的冷却液入口连接，线圈的冷却液出口经第一出水管与散热器的冷却液入口连接进行散热，散热器的冷却液出口经第二出水管与水泵的冷却液入口连接。

进一步的，所述线圈的冷却液入口为上层电路布线a与接地端口连接处的金属管管口，所述线圈的冷却液出口为电容模块不与能源端口连接的引脚与下层电路布线b连接处的金属管管口；或所述线圈的冷却液入口为电容模块不与能源端口连接的引脚与下层电路布线b连接处的金属管管口，所述线圈的冷却液出口为上层电路布线a与接地端口连接处的金属管管口；

所述水泵采用微泵；

所述导电率差、阻抗高的冷却液采用液氮；

所述进水管、第一出水管和第二出水管均采用橡胶软管，其内径小于等于该传输线圈上的金属管内径。

本发明实施例所采用的另一技术方案是，大功率中远距离无线传输的充电线圈的制备方法，按照以下步骤进行：

步骤s1、仿真调校优化上层电路布线a和下层电路布线b的物理参数即线宽、线间距和拐角处弧线形设置的弯角角度，确定上层电路布线a和下层电路布线b的最佳物理参数；

步骤s2、依据上层电路布线a和下层电路布线b的最佳物理参数，在电路板上刻蚀上层电路布线a和下层电路布线b，然后在刻蚀的上层电路布线a和下层电路布线b的贴片铜线上焊接金属条或金属管。

进一步的，所述步骤s1是先按照一定的物理参数在电路板上刻蚀上层电路布线a和下层电路布线b制备形成贴片铜线线圈，测量其传输效率，然后采用仿真软件对上层电路布线a和下层电路布线b的物理参数进行仿真调校优化，依据优化的上层电路布线a和下层电路布线b的物理参数制备形成优化的贴片铜线线圈并测量其传输效率，循环进行仿真优化、刻蚀、测量传输效率，直至得到使贴片铜线线圈的传输效率最大的上层电路布线a和下层电路布线b的物理参数，将其作为上层电路布线a和下层电路布线b的最佳物理参数；

所述步骤s2中的金属条或金属管的厚度大于等于趋肤深度。

进一步的，所述步骤s2是采用模具辅助固定，依据电路板上刻蚀的上层电路布线a和下层电路布线b的布线直接在其贴片铜线上沿其线路焊接金属条或金属管，使得在间隔1mm~10cm的距离内，焊接电容模块即可于6.78mhz产生1.5mhz带宽的传输效率高于85%的电磁共鸣耦合。

本发明实施例的有益效果是，为了降低高传输功率的升温问题并获得更高的传输效率，在贴片铜线上布设金属条或金属管，且金属条或金属管的厚度满足趋肤深度，金属条或金属管外层传输能量或数据、内部散热，有效减缓升温速度并降低温度饱和临界值，使得在过温值前快速完成充电；同时金属的增量能产生更强大的磁场，既增加了充电线圈的导热能力，又提升了线圈的传输效率，可进行功率大于等于500w、传输距离在1mm~10cm的能量传输，且电路板的长和宽小于15cm，传输效率达到90~95%，有效解决了现有充电线圈模块体积大、传输效率以及传输功率低、传输距离短、散热量较高等问题。且对于功率大于500w的能量传输，在贴片铜线上布设金属管，并在金属管内流通导电率差、阻抗高的冷却液，在外部循热装置作用下，该冷却液将金属管上的热能导至外部，对大功率充电线圈进行有效散热。且本发明实施例的线圈在提高耦合传输的效率的同时，并不影响电路设计参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的充电线圈的结构示意图。

图2是本发明实施例的充电线圈的上层电路布线a示意图。

图3是本发明实施例的充电线圈的仿真效果图。

图4是传输线圈各项指标关系图。

图5是本发明实施例的线圈与未采用金属条或金属管布线的线圈的传输效率对比图。

图6(a)是未采用金属条或金属管布线的线圈的磁场分布示意图。

图6(b)是本发明实施例线圈的磁场分布示意图。

图7是本发明实施例的外部散热装置结构框图。

图中，1.电路板，2.上层电路布线a，3.通孔，4.下层电路布线b，5.能源端口，6.接地端口，7.电容模块，11.上层第一通孔，12.上层第二通孔，13.上层第三通孔，21.下层第一通孔，22.下层第二通孔，23.下层第三通孔，8.水泵，9.散热器，10.进水管，14.第一出水管，15.第二出水管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

大功率中远距离传输的充电线圈结构如图1~2所示，包括电路板1，电路板1上表面设有上层电路布线a2，电路板1下表面设有下层电路布线b4；上层电路布线a2是由从电路板1的上表面中心沿逆时针方向双线依次向外环绕至电路板1该表面一侧边沿的贴片铜线绕制形成；上层电路布线a2的双线起始端均贯穿电路板1到达电路板1的下表面，其中一路贴片铜线的起始端通过与其规格相同的贴片铜线并经电容模块7与能源端口5连接，且该路贴片铜线的末端贯穿电路板1后与另一路贴片铜线的起始端通过与其规格相同的贴片铜线连接，形成下层电路布线b4；所述另一路贴片铜线的末端延伸至接地端口6并与接地端口6连接。具体地，双线中的一路铜线末端经穿透电路板1的上下表面的通孔3（过孔）到达电路板1的下表面，通孔3位于电路板1上表面一端为上层第一通孔11，其位于电路板1下表面一端为下层第一通孔21，经通孔3的一路贴片铜线到达电路板1下表面的下层第一通孔21处。电路板1的上表面中心设有上层第二通孔12和上层第三通孔13，电路板1的下表面中心设有下层第二通孔22和下层第三通孔23，上层第二通孔12与下层第二通孔22垂直贯通，上层第三通孔13与下层第三通孔23垂直贯通。上层电路布线a2的双线中一路贴片铜线的起始端依次经上层第二通孔12和下层第二通孔22，并通过相同规格的贴片铜线与经通孔3位于电路板1下表面的一路贴片铜线的起始端相连接。双线中另一路贴片铜线的起始端依次经上层第三通孔13和下层第三通孔23，并通过相同规格的贴片铜线与电容模块7的一端相连接，电容模块7的另一端经相同规格的贴片铜线连接能源端口5，能源端口5连接外部线缆。且上层电路布线a2和下层电路布线b4的贴片铜线上沿其线路固定有金属条或金属管。

本实施例中上层电路布线a2和下层电路布线b4的贴片铜线的宽度、线间距均相等，其宽度为2±1.5mm，线间距为3.25±2mm。铜管外径/铜条宽度以及线间距均与贴片铜线的宽度、线间距相等。另外，本发明实施例充电线圈所有拐弯处均采用弧线形设置，弯角角度即折弯的角度为30~85°，保证传输效率。这是因为铜管/铜条的拐弯处采用直角设置时传输效率会降低10~15%。电路板1为介电常数小于5，厚度小于5mm的硬质或柔性板材，其长、宽均小于15cm。电容模块7根据电容组大小，可安装封装为0402、0603、0805、1206、1812、2010、2225、2512的各种电容组。

本实施例在提高传输效率的同时进行散热，使得到达过温值的时间变长，保证能够在过温值前快速完成充电。在电路板1的上层电路布线a2和下层电路布线b4的贴片铜线上焊接直径为3mm、厚度为0.8mm（即内径为2.2mm）的铜管，所得线圈在250w的能量传输功率下，在2小时内完成10ah容量的48v电池的充电，而其温度不会超过一般消费人市场的产品的标准温度指标80℃，线圈厚度即铜管壁厚或铜条厚度为2.5-3mm时，其能量传输功率可达到500w，本实施例对铜管和铜条的厚度不做限定，具体依据需求设置且满足趋肤深度即可。

能量传输功率大于等于500w时，系统必然存在过温问题，为解决该问题，本发明实施例在采用铜管进行能量传输散热的基础上，增加铜管外径和厚度的同时，在上层电路布线a2和下层电路布线b4上焊接的铜管内流通导电率差、阻抗高的冷却液（如液氮），且所述上层电路布线a2上焊接的铜管穿过电路板1与下层电路布线b4上焊接的铜管连接。该导电率差、阻抗高的冷却液由与充电线圈连接形成闭环回路的外部散热装置供给。如图7所示，外部散热装置由水泵8、散热器9、进水管10、第一出水管14和第二出水管15组成，水泵8的冷却液出口经进水管10与线圈的冷却液入口连接，线圈的冷却液出口经第一出水管14与散热器9的冷却液入口连接进行散热，散热器9的冷却液出口经第二出水管15与水泵8的冷却液入口连接。线圈的冷却液入口为上层电路布线a2与接地端口6连接处的铜管管口，所述线圈的冷却液出口为电容模块7不与能源端口5连接的引脚与下层电路布线b4连接处的铜管管口；或所述线圈的冷却液入口为电容模块7不与能源端口5连接的引脚与下层电路布线b4连接处的铜管管口，所述线圈的冷却液出口为上层电路布线a2与接地端口6连接处的铜管管口。水泵8采用微泵，进水管10、第一出水管14和第二出水管15均采用橡胶软管，其内径小于等于该传输线圈上的金属管内径。通过水泵8、散热器9、导电率差或阻抗高的冷却液以及形成的闭环回路，实现铜管的换热和散热，并实现该冷却液的循环利用。

本发明实施例可以缩短电容模块7与能源端口5之间的贴片铜线，以致电容模块7临近能源端口5，那么由电容模块7上方的铜管开始至到接地端口6处的铜管结束即形成冷却液循环回路，缩短了的贴片铜线（接近能源端口5）的温度影响被无限压低，因此可忽略不计。

本发明实施例巧妙地利用铜管的输水功能，让小型大瓦数的铜管线圈可以用上一般水冷的设备。水冷设备用软橡胶水管把冷却液灌入热点上的铜管，循环一圈通过软橡胶水管去到外头的散热器9，把热能带走。再者，此时高频电会选择阻抗低的物理表面，而且是在趋肤表面以内流通，所以不会对高频线圈性能产生负面影响。因此采用焊接铜管+冷却液散热的散热方法可有效解决工作功率在500瓦及以上到几万瓦的系统的过温问题，如电动巴士（功率100-150kw）、电动汽车（功率20-50kw）等充电系统的过温问题。

本实施例的线圈布线时，按照以下步骤进行：

步骤s1、仿真调校优化上层电路布线a2和下层电路布线b4的线宽、线间距以及拐角处弧线形设置的弯角角度等物理参数，确定上层电路布线a2和下层电路布线b4的最佳物理参数。具体是先按照一定的物理参数在电路板1上刻蚀上层电路布线a2和下层电路布线b4形成贴片铜线线圈，测量其传输效率，然后采用仿真软件对上层电路布线a2和下层电路布线b4的物理参数进行仿真调校优化，依据优化的上层电路布线a2和下层电路布线b4的物理参数制备形成优化的贴片铜线线圈并测量其传输效率，循环进行仿真优化、刻蚀、测量传输效率，直至得到使贴片铜线线圈的传输效率最大的上层电路布线a2和下层电路布线b4的物理参数，将其作为上层电路布线a2和下层电路布线b4的最佳物理参数。

步骤s2、依据上层电路布线a2和下层电路布线b4的最佳物理参数，在电路板1上刻蚀上层电路布线a2和下层电路布线b4，然后在刻蚀的上层电路布线a2和下层电路布线b4的贴片铜线上沿其线路焊接金属条或金属管。具体是采用模具辅助固定，依据电路板1上刻蚀的上层电路布线a2和下层电路布线b4的布线直接在其贴片铜线上沿其线路焊接金属条或金属管。

采用模具辅助固定，依据贴片铜线线圈的布线直接在贴片铜线线圈上焊接铜管或铜条，不必再重新细调，就可具备散热好、效率高和传输距离远的特性，线圈电感值必须能够达到共振耦合的程度，经优化调校该线圈电感值在1-1500pf范围内，使得在间隔1mm~10cm的距离内，线圈只需电容模块7即可在有效设计距离内于6.78mhz产生高效率电磁共鸣耦合，耦合效果如图3所示，是本发明实施例充电线圈的仿真结果图，其中约有0.8mhz带宽的传输系数为97.4%，传输效率为97.4²=95%；1.3mhz带宽的传输系数为94.8%，传输效率为94.8²=90%；1.5mhz带宽的传输系数为92.2%，传输效率为92.2²=85%，目前没有其他设计可以达到如此宽频率高效率能量传输。图3中，曲线s1,1为发射线圈端口的反射系数随频率的变化曲线，曲线s2,2为接收线圈端口的反射系数随频率的变化曲线，曲线s1,2为反向传输系数随频率的变化曲线，s2,1为正向传输系数随频率的变化曲线。

金属管的外径或者金属条的宽度与电路板1上的贴片铜线宽度相等，金属条厚度需要保证在趋肤深度范围外，即金属条厚度要大于趋肤深度，且经过适当的厚度设计调整，可以让系统在过温值前快速充电完毕。

传输距离与线圈大小和磁场强弱有关，在同样频率、面积和传输功率下，电磁场强大就能有效地耦合转换，传输效率就高；同时，面积大的线圈，磁场就大，相应的距离就远，因此要使线圈面积小而传输距离又大，就较为困难。本申请线圈长、宽均小于15cm，在间隔1mm~10cm的距离内，线圈只需电容模块7即可在有效设计距离内于6.78mhz产生高效率电磁共鸣耦合，效果见图3，目前的充电设备的传输效率一般70%，最佳可达到85%，而本实施例的充电线圈传输效率达到90~95%。

图4描述了传输线圈与其电磁特性及传输特性之间的关系，其中，a代表功率vs温度，b代表多层设计vs温度，c代表尺寸vs效率，d代表距离vs效率，e代表频率vs尺寸，f代表频率vs效率，g代表所有指标vs成本。由图4可知，传输功率越高，线圈温度越高；线圈层数越多，表面温度越低；线圈尺寸越大，传输效率越高；线圈间距离越远，传输效率越低，工作频率越高，线圈尺寸越小，工作频率和传输效率没有直接关系；各项指标越高，成本越高。因此可以看出，很多指标（成本、效率、难易度、大小、距离等）之间是矛盾的关系，互相牵制，而要使得各指标之间达到较好的平衡则十分困难，但本发明实施例采用简易的加工处理就能得到理想的效果，且成本低廉。

图5是本发明实施例的线圈与未采用金属条或金属管布线的线圈的传输效率对比图，从图5可看出，在6~7.1mhz之间（包含6.78mhz），本发明实施例的线圈传输效率大于未采用金属条或金属管布线的线圈。图6(a)是未采用金属条或金属管布线的线圈的磁场分布示意图，图6(b)是奔赴卖给你实施例线圈的磁场分布示意图，由图6可看出，本发明实施例线圈的磁场分布更加密集、稳定、均匀。且本发明实施例的电磁能量被严格限制在线圈附近，尤其是线圈之间，特别是核心区域，这也是本发明的特殊点，经测量，在15cm距离下，电磁能量被严格束缚。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。