电磁耦合无线输电装置及方法

电磁耦合无线输电装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种电磁耦合无线输电装置及方法，解决了Qi标准需要通信协议的缺点。装置部分主要由放大电路1、输入线圈2和输出线圈3组成的基础振荡电路和主要由接收线圈4和回馈线圈5组成的控制网络两部分组成，基础振荡电路与控制网络无导线连接。基础振荡电路与控制网络不存在强的电磁耦合时处于待机状态，存在时处于振荡状态。不需要输电时，控制网络远离基础振荡电路，或和断开接收线圈4和回馈线圈5之间的连接，或和短路接收线圈4或和回馈线圈5的两端；需要输电时，控制网络靠近基础振荡电路，或和闭合接收线圈4和回馈线圈5之间的连接，或和开路接收线圈4或和回馈线圈5的两端。广泛应用于汽车、手机和电器的线输充电和输电领域。
【专利说明】
电磁耦合无线输电装置及方法
一 ■
技术领域
[0001]本发明属于无线输电领域，特别涉及电磁耦合无线输电装置及方法。
二.【背景技术】
[0002]无线输电的提出最早要追溯到1889年物理学家尼古拉-特斯拉，无论不同的无线输电技术的差别有多大，它们背后的原理就是我们熟知的电磁耦合现象，具体来说就是利用变化的电场产生变化的磁场，再利用变化的磁场产生电场，从而产生电流为设备输电。
[0003]我们都知道一根通电导线周围产生的磁场的方向垂直于电流方向，而且通常情况下是非常微弱的，但是如果将导线绕成圆形或者螺旋形的话，相同方向的磁场便会叠加，从而形成较强的磁场。其实无线输电的原理就类似于我们生活中常见的变压器，都是利用一个线圈中的电流在另一个线圈中产生电流。但区别于变压器通过铁芯传导磁场的方式，无线输电设备中的感应线圈经过了一些特殊的调整，是以空气为介质传导磁场的，从而产生感应电流。同时，和声音的共振一样，两个线圈感应也需要设置一个共振频率，使接收线圈和输出线圈的频率一致，从而在输出线圈电流很小的情况下，也能在接收线圈中产生足够强的感应电流。
[0004]无线输电技术基本有三种方式，分别是电磁耦合、无线电波以及共振作用，在此基础上，无线输电目前有三个比较成熟的联盟标准:Qi标准、PMA标准和A4WP标准。由于目前无线输电主要应用于电池充电，因此普遍将无线输电称为无线充电。
[0005]目前还没有采用A4WP技术的设备上市，所以三种方式中，哪个技术更优秀还不得而知。对于普通用户来说，设备兼容性和效率才是他们最关心的两个因素，从这个角度来说，Qi和PMA略有优势;而对咖啡厅之类公共场合来说，能够为多个设备同时输电的A4WP无线输电技术显然更为实用。不过，最有可能决定谁能胜出的因素还是这三种标准的应用率，而在这方面，有着多家合作伙伴和一百多款上市设备的Qi遥遥领先。
[0006]三种无线输电技术中，应用最广泛的是Qi无线充电标准，Qi是由无线电源联盟(Wireless Power Consortium，简称WPC)提出的标准，具有便携性和通用性两大特征。WPC是全球首个推动无线输电技术的标准化组织，也是目前世界上最大的无线输电标准组织，其成员包括来自15个不同国家的137个合作伙伴，包括HTC、诺基亚LG、摩托罗拉、三星等，并已有一百多款搭载Qi技术的设备上市。Qi基于电磁耦合原理进行输电，这个系统由发射器线圈和接收器线圈组成，两个线圈共同构成一个电磁耦合感应器。发射器线圈所携带的交流电生成磁场，并通过感应使接收器线圈产生电压。
[0007]Qi采用了较小的感应线圈，从而能够很容易地在较高频率下传输电能。Qi现阶段只能为5W以下的电子产品提供无线输电，比如智能手机、平板电脑、相机等等。供电效率也仅有50.2%，相较常用的直流电源适配器72%的平均效率相差甚远，但在无线输电技术来说已经相当可观。而在远景计划中，WPC计划将Qi输电站植入到家庭、汽车、火车等各个公共场所。不过其缺点也很明显，那就是需要发射器和接收器之间的通信协议。
[0008]Qi无线充电通信协议采用的是backscatter调制方式，简单来说就是一种负载调制方式，类似于RFID的原理。并且无线充电过程主要是由Power Receiver(—般指手机)控制，而Power Transmitter(充电板)是被动接受请求并处理。
[0009]Qi无线充电通信流程如下:
[0010]I)将手机放在充电板上。
[0011]2)充电板根据发送侧线圈的电容变化探测到有物体放在了充电板上。
[0012]3)充电板使用电力信号到初级线圈上作为ping消息，并等待超时，如果超时就说明是异物放置在了充电板上，这时充电板撤销电力供应，这个过程也叫F0D，即异物检测;如果没有超时，就进入下一步。
[0013]4)手机检测到次级线圈感应了电压信号，就发送Signal Strength消息(主要内容是初级线圈和次级线圈的耦合程度，也就是放的位置正不正)。
[0014]5)充电板检测到Signal Strength消息，取消超时，进入ID&Configurat1n阶段，等待手机发送这两种消息。
[0015]6)手机发送ID消息(包括VID和产品序列号)，发送Configurat 1n消息(主要是整流电路需要输出的最大功率Max Power = UDo
[00? 0] 7)充电板根据接受的Conf i gurat i on消息调整初级线圈相应的参数，并调整初级线圈震荡频率开始发送正常的电力。
[0017]8)在充电过程中充电板还接受手机发送的Charge Status和Control Error等消息，譬如手机的电池充满了，手机发送充电完成消息，充电板接收到消息就停止充电。
[0018]Qi无线充电标准引入的无线充电通信协议，是保证Qi无线充电标准顺利实施的必要条件，不可缺少。一旦去掉Qi无线充电通信协议，充电板不知道手机、平板电脑、相机等是否在充电板上，不知道什么时候开始输电，也不知道电池是否充满，什么时候停止输电。
[0019]Qi无线充电标准引入的无线充电通信协议，需要在充电板和手机上添加无线充电通信协议的芯片，这增加了无线充电设备的复杂性，使无线充电设备的可靠性下降，同时增加了体积、功耗和成本，并且由于不同厂家的无线充电通信协议的差异，降低了无线充电设备的兼容性。
[0020]同时，Qi无线充电标准中两个线圈感应需要设置一个共振频率，使接收线圈和输出线圈的频率一致，从而在输出线圈电流很小的情况下，也能在接收线圈中产生足够强的感应电流，增加传输距离，提高传输效率。但是，要使两个线圈的谐振频率完全一致，存在生产上的困难。即使生产上解决了两个线圈的谐振频率完全一致，随着时间的推移，谐振频率也会漂移，并且会以不同的速率和方向变化。现在有的公司已经注意到这个问题，提出扫频输电方案来保证两个线圈的谐振。这回进一步增加Qi无线充电标准的复杂性、体积、功耗和成本。
[0021]如果能够去掉无线充电通信协议，始终保持两个线圈的共振，可以大大减小无线充电设备的复杂性，提高传输距离、传输效率和可靠性，减小无线充电设备的体积、功耗和成本，消除不同厂家的无线充电通信协议的差异，提高兼容性，让无线输电真正广泛应用于人们的日常生活，带来一个没有插头和插板的世界。
[0022]本发明提供的电磁耦合无线输电装置及方法，正是为了解决这个技术难题。
三.
【发明内容】

[0023]本发明的目的是提供一种电磁耦合无线输电装置及方法，当接收器远离发射器时，自动停止输电，进入待机状态，当接收器靠近发射器时，自动为接收器输电，充电结束停止输电，无需通信协议，输电过程保持线圈的谐振。这样就能够克服Qi无线充电标准的上述缺点，提高了传输距离、传输效率、可靠性、通用性和兼容性，减小了无线充电设备的复杂性、体积、功耗和成本，扩大了无线输电应用范围。
[0024]本发明的目的是这样实现的:一种电磁耦合无线输电装置及方法，电磁耦合无线输电装置主要由基础振荡电路(相当于发射器)和控制网络(相当于接收器)两部分组成，基础振荡电路与控制网络无导线连接，通过基础振荡电路和控制网络相互之间的电磁耦合的强弱，控制电磁耦合无线输电装置的反馈幅度或和相位，让电磁耦合无线输电装置处于待机状态或振荡状态(输电状态)。电磁耦合无线输电装置组成示意图见图1。
[0025]电磁耦合无线输电装置各个部分的组成如下:
[0026]I)电磁耦合无线输电装置主要由基础振荡电路和控制网络两部分组成，基础振荡电路部分主要由放大电路1、输入线圈2和输出线圈3组成，控制网络部分主要由接收线圈4和回馈线圈5组成。
[0027]2)基础振荡电路和控制网络可以包含附属元器件，如电源、导线、负载、电容、选频网络、稳幅电路、开关、集成电路、二极管等有源和无源元器件；
[0028]3)放大电路I是主要由有源元器件组成的同相或反相放大电路，放大电路I在工作频段上具有放大能力，满足放大倍数、功率、频率、工作电压等要求；
[0029]4)输入线圈2、输出线圈3、接收线圈4和回馈线圈5是主要由导线或印刷线路工艺制作的电感线圈，可以包含谐振电容，形成LC谐振回路，还可以包含其他附属元器件，如磁性元器件等。
[0030]电磁耦合无线输电装置各个部分的连接如下:
[0031]I)基础振荡电路与控制网络无导线连接；
[0032]2)基础振荡电路中，放大电路I的输入端与输入线圈2连接，放大电路I的输出端与输出线圈3连接；
[0033]3)控制网络中，接收线圈4和回馈线圈5连接。
[0034]电磁耦合无线输电装置各个部分的相对位置如下:
[0035]I)基础振荡电路的输出线圈3与控制网络的接收线圈4和基础振荡电路的输入线圈2与控制网络的回馈线圈5在需要时可以充分靠近并能够产生强的电磁耦合;或者一直充分靠近，在需要时能够产生强的电磁耦合。
[0036]2)基础振荡电路与控制网络，可以组合在一起，形成一体，通过控制网络上的附属开关，控制相互之间的电磁耦合的强弱；也可以分开放置，相互独立、无约束，能够充分靠近和远离，通过相对位置的充分靠近和远离，控制相互之间的电磁耦合的强弱。
[0037]3)控制网络中，接收线圈4和回馈线圈5可以放置在一起，形成一个整体，在控制网络充分靠近基础振荡电路时，让基础振荡电路的输出线圈3与控制网络的接收线圈4和基础振荡电路的输入线圈2与控制网络的回馈线圈5充分靠近，能够产生强的电磁耦合;也可以分开放置在不同位置，在需要时通过附属开关产生强的电磁耦合。
[0038]4)基础振荡电路中，放大电路1、输入线圈2和输出线圈3，可以放置在一起，形成一个整体;也可以分开或部分分开放置在不同位置。
[0039]电磁耦合无线输电装置各个部分的关系如下:
[0040]I)电磁耦合无线输电装置处于待机状态时，基础振荡电路也处于待机状态，控制网络不能接收电能；电磁耦合无线输电装置处于振荡状态时，基础振荡电路和控制网络作为振荡回路的一部分，处于振荡状态，基础振荡电路传输电能，控制网络接收并为负载提供电能。
[0041 ] 2)基础振荡电路与控制网络之间的电磁耦合关系，主要表现在基础振荡电路的输入线圈2与控制网络的回馈线圈5和基础振荡电路的输出线圈3与控制网络的接收线圈4之间的电磁耦合。当基础振荡电路与控制网络之间存在强的电磁耦合时，主要表现在输入线圈2与回馈线圈5和输出线圈3与接收线圈4之间存在强的电磁耦合；当基础振荡电路与控制网络之间不存在强的电磁耦合时，主要表现在输入线圈2与回馈线圈5和输出线圈3与接收线圈4之间不存在强的电磁耦合;输入线圈2与接收线圈4和回馈线圈5与输出线圈3之间一直处于较弱的电磁耦合；回馈线圈5与接收线圈4之间的电磁耦合对电磁耦合无线输电装置影响较小。
[0042]3)基础振汤电路可以通过附属的谐振电容或和选频网络，具有固定的振汤频率Fl;也可以没有固定的振荡频率，由控制网络决定电磁耦合无线输电装置的振荡频率。
[0043]4)控制网络可以通过添加附属谐振电容或和选频网络，使控制网络具有固定的谐振频率F2 ；也可以没有固定的振荡频率，由基础振荡电路决定电磁親合无线输电装置的振荡频率。
[0044]5)基础振荡电路和控制网络都没有固定的振荡和谐振频率时，电磁耦合无线输电装置的振荡频率由基础振荡电路和控制网络共同决定。
[0045]从实际使用来看，当基础振荡电路具有固定的振荡频率和控制网络具有固定的谐振频率，并且基础振荡电路的振荡频率Fl和控制网络的谐振频率F2接近并产生共振时，能够提尚控制网络控制基础振汤电路的距尚和电能传输效率。
[0046]电磁耦合无线输电装置调试方法如下:
[0047]I)基础振荡电路与控制网络不存在强的电磁耦合时，用电磁屏蔽的方法，屏蔽输入线圈2和输出线圈3相互之间电磁耦合，让放大电路I通过输出线圈3—输入线圈2的反馈微弱，使得基础振荡电路自身达不到产生振荡的反馈幅度，不满足产生振荡的反馈幅度条件，处于待机状态，整个电磁耦合无线输电装置也处于待机状态;或者，通过交换输入线圈2和输出线圈3的连接端，改变反馈相位，使得输入线圈2、输出线圈3和放大电路I组成的基础振荡电路自身为弱的负反馈电路，处于待机状态，整个电磁耦合无线输电装置也处于待机状态。
[0048]2)基础振荡电路与控制网络存在强的电磁耦合时，如果基础振荡电路的输入线圈2与输出线圈3相互之间的电磁耦合微弱而处于待机状态，那么通过输出线圈3—接收线圈4—回馈线圈5—输入线圈2的反馈通路，电磁耦合无线输电装置能够达到产生正反馈振荡的幅度条件，通过交换控制网络的接收线圈4和回馈线圈5的连接端，满足产生正反馈振荡的相位条件，电磁耦合无线输电装置产生正反馈振荡；如果基础振荡电路的输入线圈2、输出线圈3和放大电路I组成弱的负反馈电路而处于待机状态时，那么通过输出线圈3—接收线圈4—回馈线圈5—输入线圈2的反馈信号幅度，大于输出线圈3—输入线圈2的反馈信号幅度，叠加后反馈信号的幅度为两者之差，相位为输出线圈3—接收线圈4—回馈线圈5—输入线圈2的反馈信号相位，通过交换控制网络的接收线圈4和回馈线圈5的连接端，电磁耦合无线输电装置能够达到产生正反馈振荡的相位和幅度条件，电磁耦合无线输电装置处于待机状态。
[0049]电磁耦合无线输电装置存在两种工作状态:振荡状态(输电状态)和待机状态。电磁耦合无线输电装置处于振荡状态时，基础振荡电路和控制网络作为振荡回路的一部分处于振荡状态，基础振荡电路传输电能，控制网络接收并为附属负载提供电能。电磁親合无线输电装置处于待机状态时，基础振荡电路也处于待机状态，只消耗微小的电能，控制网络不为附属负载提供电能。
[0050]电磁耦合无线输电装置的使用方法，就是通过基础振荡电路和控制网络相互之间的电磁耦合的强弱控制电磁耦合无线输电装置，使得电磁耦合无线输电装置在振荡状态和待机状态两种工作状态中转换。电磁耦合无线输电装置的使用方法有位移控制法和开关控制法两种方法。
[0051]I)电磁耦合无线输电装置的位移控制法:通过控制网络和或基础振荡电路的相对位置的充分靠近和远离，改变基础振荡电路和控制网络相互之间的电磁耦合的强弱，控制电磁耦合无线输电装置的工作状态。
[0052]当不需要输电时，控制网络充分远离基础振荡电路，基础振荡电路的输出线圈3与控制网络的接收线圈4和基础振荡电路的输入线圈2与控制网络的回馈线圈5充分远离，基础振荡电路与控制网络不存在强的电磁耦合，基础振荡电路自身处于待机状态，整个电磁耦合无线输电装置也处于待机状态。
[0053]当需要输电时，控制网络充分靠近基础振荡电路，基础振荡电路的输入线圈2与控制网络的回馈线圈5和基础振荡电路的输出线圈3与控制网络的接收线圈4充分靠近，基础振荡电路与控制网络存在强的电磁耦合，电磁耦合无线输电装置处于振荡状态，为负载提供电能。
[0054]控制网络的回馈线圈5和接收线圈4可以互换，在控制网络的回馈线圈5和接收线圈4的电参数相同时，不影响使用效果，电参数不同时有一定影响。
[0055]2)电磁耦合无线输电装置的开关控制法:控制网络附属开关，基础振荡电路的输入线圈2与控制网络的回馈线圈5和基础振荡电路的输出线圈3与控制网络的接收线圈4充分靠近，通过控制网络附属开关的断开和闭合，改变基础振荡电路和控制网络相互之间的电磁耦合的强弱，控制电磁耦合无线输电装置的工作状态。
[0056]当不需要输电时，通过控制网络附属开关断开接收线圈4和回馈线圈5之间的连接，或和短路接收线圈4或和回馈线圈5的两端而造成接收线圈4或和回馈线圈5功能丧失，使得输出线圈3—接收线圈4—回馈线圈5—输入线圈2的反馈回路无法形成，基础振荡电路与控制网络不存在强的电磁耦合，基础振荡电路处于待机状态，电磁耦合无线输电装置也处于待机状态。
[0057]当需要输电时，通过控制网络附属开关闭合接收线圈4和回馈线圈5之间的连接，或和开路接收线圈4或和回馈线圈5的两端，使得输出线圈3—接收线圈4—回馈线圈5—输入线圈2的反馈回路形成，基础振荡电路与控制网络存在强的电磁耦合，电磁耦合无线输电装置处于振荡状态，为负载提供电能。
[0058]电磁耦合无线输电装置的开关控制法，只能在基础振荡电路的输入线圈2与控制网络的回馈线圈5和基础振荡电路的输出线圈3与控制网络的接收线圈4充分靠近的时候才能够使用，可以和电磁耦合无线输电装置的位移控制法协同使用。
[0059]这种电磁耦合无线输电装置及方法的优点在于:可以根据负载需要，由电磁耦合无线输电装置的使用方法控制其工作状态，从待机状态转换成正反馈振荡状态，或者从正反馈振荡状态转换成待机状态，而无须控制网络通过通信协议通知基础振荡电路，完全去除基础振荡电路(电能发送端)与控制网络(电能接收端)之间的通信协议。并且，电磁耦合无线输电装置处于振荡状态时，基础振荡电路和控制网络作为振荡回路的一部分处于振荡状态，确保基础振荡电路和控制网络处于共振状态。大大提高传输距离、传输效率和可靠性，减小无线充电设备的复杂性、体积、功耗和成本，消除不同厂家的无线充电通信协议的差异，提高兼容性，广泛应用于汽车、手机和电器的线输充电和输电领域。
[0060]上述发明中，基础振汤电路不受控制网络影响时，基础振汤电路是待机状态，基础振汤电路受控制网络影响时，转入振汤状态。事实上，基础振汤电路不受控制网络影响时，可以是振荡状态，基础振荡电路受控制网络影响时，转入待机状态。此时，电磁耦合无线输电装置各个部分的组成和各个部分的相对位置相同，电磁耦合无线输电装置调试方法和使用方法作适当修改，让基础振荡电路与控制网络不存在强的电磁耦合时，处于振荡状态，基础振荡电路与控制网络存在强的电磁耦合时，转入待机状态。
四.【附图说明】
[0061 ]图1是电磁耦合无线输电装置示意图。
[0062]图2是无线发热片电路原理图。
[0063]图3是恒温无线发热片电路原理图。
[0064]图4是无线充电器电路原理图。
五.【具体实施方式】
[0065]下面结合实施例，进一步说明本发明。
[0066]实施方式一:无线发热片
[0067]无线发热片由输电板和发热片组成，输电板如手机大小，内带电池，发热片为硅胶包裹的薄片。固定发热片在需要发热的位置，手持输电板充分靠近发热片，发热片发热，达到一定温度后，移开输电板。
[0068]无线发热片电路如图2所示。其中电阻R1、电容Cl、三极管Q和二极管D组成反向放大电路I;平面电感线圈LI为输出线圈3;平面电感线圈L2为输入线圈2;平面电感线圈L3为回馈线圈5;平面电感线圈L4为接收线圈4。
[0069]无线发热片各个部分的组成如下:
[0070]I)无线发热片的装置部分主要由输电板(即基础振荡电路，以下称输电板)和发热片(即控制网络，以下称发热片)两部分组成，输电板部分主要由放大电路1、平面电感线圈LI和平面电感线圈L2组成，发热片部分主要由平面电感线圈L3和平面电感线圈L4组成；
[0071]2)输电板附属电池BT等，发热片附属发热电阻R2和谐振电容C3等；
[0072]3)放大电路I主要由电阻Rl、电容Cl、三极管Q和二极管D等组成；
[0073]4)平面电感线圈LI和平面电感线圈L2由漆包线制作，圆形，直径40mm，厚度2mm;平面电感线圈L3和平面电感线圈L4由印刷电路制作，圆形，直径40_。平面电感线圈LI和平面电感线圈L2固定在直径50mm软磁铁氧体片上，软磁铁氧体片尺寸大于平面电感线圈LI和平面电感线圈L2。平面电感线圈LI附属谐振电容C2。
[0074]无线发热片各个部分的连接如下:
[0075]I)输电板与发热片无导线连接。
[0076]2)输电板中，放大电路I的输入端与平面电感线圈L2连接，放大电路I的输出端与平面电感线圈LI连接；
[0077]3)发热片中，发热电阻R2、谐振电容C3、平面电感线圈L3和平面电感线圈L4连接；
[0078]无线发热片各个部分的相对位置如下:
[0079]I)输电板与发热片可以相对移动，相互无约束。
[0080]2)输电板中，放大电路I放置在一块金属平板的一面，平面电感线圈LI和平面电感线圈L2放置在同一金属平板的另一面;平面电感线圈LI和平面电感线圈L2圆心相距120mm，无重叠，软磁铁氧体片的那一面固定在金属平板上;金属平板、放大电路1、平面电感线圈LI和平面电感线圈L2形成一个整体。
[0081]3)发热片中，发热电阻R2和谐振电容C3放置在一块非金属平板的一面，平面电感线圈L3和平面电感线圈L4放置在同一非金属平板的另一面，圆心相距120mm，无重叠。包裹娃胶，形成一个整体。
[0082]4)平面电感线圈LI与平面电感线圈L4和平面电感线圈L2与平面电感线圈L3在需要时可以充分靠近并能够产生强的电磁耦合。
[0083]无线发热片各个部分的关系如下:
[0084]I)输电板处于待机状态时，无线发热片也处于待机状态，发热片不能接收电能发热;无线发热片处于振荡状态时，输电板和发热片作为振荡回路的一部分，输电板处于振荡状态，发热片接收电能发热。
[0085]2)输电板和发热片之间的电磁耦合关系，主要表现在输电板的平面电感线圈L2与发热片的平面电感线圈L3和输电板的平面电感线圈LI与发热片的平面电感线圈L4之间的电磁耦合。平面电感线圈L2与平面电感线圈L3和平面电感线圈LI与平面电感线圈L4之间存在强的电磁耦合时，输电板与发热片之间存在强的电磁耦合;平面电感线圈L2与平面电感线圈L3和平面电感线圈LI与平面电感线圈L4之间存在弱的电磁耦合时，输电板与发热片之间存在弱的电磁耦合;平面电感线圈L2与平面电感线圈L4和平面电感线圈L3与平面电感线圈LI之间的电磁耦合弱小;平面电感线圈L3与平面电感线圈L4之间的电磁耦合对无线发热片影响较小。
[0086]3)通过附属的谐振电容C2，输电板具有固定的振荡频率Fl。
[0087]4)通过附属的谐振电容C3，发热片具有固定的谐振频率F2。
[0088]5)发热片的谐振频率F2接近输电板的振荡频率FI，输电板和发热片可以产生共振。
[0089]无线发热片调试方法如下:
[0090]I)输电板和发热片不存在强的电磁親合时，用金属平板屏蔽了平面电感线圈LI和平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合，使得平面电感线圈LI和平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合微弱，由放大电路1、平面电感线圈LI和平面电感线圈L2组成的输电板达不到产生振荡的反馈幅度，输电板不满足振荡幅度条件，处于待机状态。
[0091]2)输电板和发热片存在强的电磁耦合时，通过交换平面电感线圈L3和平面电感线圈L4的连接端，使得平面电感线圈L1、平面电感线圈L2、平面电感线圈L3、平面电感线圈L4和放大电路I组成的电路满足正反馈振荡电路的反馈相位和幅度条件，无线发热片产生正反馈振荡，处于振荡状态，为发热片附属发热电阻R2提供电能。
[0092]无线发热片存在两种工作状态:振荡状态和待机状态。
[0093]振荡状态时，输电板的放大电路1、平面电感线圈LI和平面电感线圈L2，加上发热片的平面电感线圈L3和平面电感线圈L4，组成一个完整的正反馈振荡电路，为发热电阻R2提供电能;待机状态时，输电板不受发热片影响，输电板的平面电感线圈LI与平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合微弱，输电板不满足产生振荡的幅度条件，处于待机状态，不为发热电阻R2提供电能，只消耗微小的电能，随时可以转换成正反馈振荡。
[0094]无线发热片的使用方法就是通过发热片和输电板相互之间的电磁耦合的强弱控制输电板，使得整个装置在两种工作状态中转换。无线发热片的使用方法选用位移控制法:通过移动发热片和或输电板的相对位置的充分靠近和远离，控制无线发热片的工作状态。
[0095]当发热片远离输电板时，输电板和发热片不存在强的电磁耦合，输电板不受发热片影响，输电板的平面电感线圈LI与平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合微弱，输电板不满足产生振荡的幅度条件，处于待机状态。
[0096]当发热片充分靠近输电板时，输电板和发热片存在强的电磁親合，使得输电板的平面电感线圈LI与发热片的平面电感线圈L4，输电板的平面电感线圈L2与发热片的平面电感线圈L3充分靠近，产生强的电磁耦合，平面电感线圈L1、平面电感线圈L2、平面电感线圈L3、平面电感线圈L4和放大电路I组成的电路满足正反馈振荡电路的相位和幅度条件，产生正反馈振荡，处于振荡状态，为发热电阻R2提供电能。
[0097]发热电阻R2可以是单独的发热电阻，也可以是平面电感线圈L3和平面电感线圈L4的等效内阻。
[0098]这种无线发热片可以应用于保健热疗、取暖等日常生活，优点在于:可以根据需要，移动发热片或和输电板控制无线发热片的发热，而无须发热片通过通信协议通知输电板，完全去除输电板(电能发送端)与发热片(电能接收端)之间的通信协议，提高了自适应程度，简单，小巧，廉价，可靠，只要尺寸和谐振频率相近，不同厂家的产品可以相互通用，兼容性高。
[0099]实施方式二:恒温无线发热片
[0100]实施方式一的无线发热片不具备恒温功能，可以在实施方式一的无线发热片的基础上，添加温控元件实现发热片自动恒温的功能。
[0101]恒温无线发热片的装置部分与实施方式一的无线发热片的装置部分基本相同，区别在于在发热片中添加常闭温度开关S，常闭温度开关S固定在发热片的发热电阻R2的附近。电路如图3所示。
[0102]恒温无线发热片的使用方法保留了实施方式一的无线发热片的位移控制法，增加了开关控制法:通过常闭温度开关S断开或闭合平面电感线圈L3和平面电感线圈L4的连接，控制恒温无线发热片的工作状态。
[0103]当温度高于常闭温度开关S的特征温度时，常闭温度开关S断开，输电板不受发热片影响，电感线圈LI —电感线圈L4—电感线圈L3—电感线圈L2的反馈回路无法形成，输电板的平面电感线圈LI与平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合微弱，输电板不满足产生振荡的幅度条件，处于待机状态。
[0104]当温度低于常闭温度开关S的特征温度时，常闭温度开关S闭合，使得输电板的平面电感线圈LI与发热片的平面电感线圈L4，输电板的平面电感线圈L2与发热片的平面电感线圈L3产生强的电磁耦合，形成放大电路1、平面电感线圈L1、平面电感线圈L4、平面电感线圈L3和平面电感线圈L2的正反馈振荡电路，满足产生振荡的相位和幅度条件，产生正反馈振荡，为发热电阻R2提供电能。
[0105]这种恒温无线发热片除应用于保健热疗、取暖外，还可以应用于恒温干燥等日常生活，除具备无线发热片的优点外，还提高了无线发热片的安全性，扩展了无线发热片的应用范围。实施方式三:无线锂电池充电器
[0106]无线锂电池充电器由输电板和充电片组成，输电板如手机大小，内带电池，充电片为薄片。锂电池附属在充电片上，手持充电片充分靠近输电板，充电片为锂电池充电，充满后，输电板自动进入待机状态。
[0107]无线锂电池充电器电路如图4所示。其中电阻Rl、电容Cl、三极管Q和二极管D组成放大电路I;平面电感线圈LI为输出线圈3;平面电感线圈L2为输入线圈2;平面电感线圈L3为回馈线圈5;平面电感线圈L4为接收线圈4。
[0108]无线锂电池充电器各个部分的组成如下:
[0109]I)无线锂电池充电器主要由输电板(即基础振荡电路，以下称输电板)和充电片(即控制网络，以下称充电片)两部分组成，输电板部分主要由放大电路1、平面电感线圈LI和平面电感线圈L2组成，充电片部分主要由平面电感线圈L3和平面电感线圈L4组成；
[0110]2)输电板附属电池BT等，充电片附属整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、整流二极管D5、继电器K、滤波电容C5、锂电池充电控制器件KZ、锂电池LTB、降压电容C4和谐振电容C3等；
[0111]3)放大电路I主要由电阻Rl、电容Cl、三极管Q和二极管D等组成；
[0112]4)平面电感线圈LI和平面电感线圈L2、平面电感线圈L3和平面电感线圈L4由漆包线制作，固定在软磁铁氧体片上，软磁铁氧体片尺寸大于平面电感线圈。平面电感线圈LI附属谐振电容C2。
[0113]5)充电片的锂电池充电控制器件KZ管理锂电池LTB的充电，在锂电池LTB充电结束后，通过控制继电器K，保护锂电池LTB。
[0114]无线锂电池充电器各个部分的连接如下:
[0115]I)输电板与充电片无导线连接。
[0116]2)输电板中，放大电路I的输入端与平面电感线圈L2连接，放大电路I的输出端与平面电感线圈LI连接。
[0117]3)充电片中，降压电容C4、谐振电容C3、平面电感线圈L3和平面电感线圈L4连接；其他附属元器件按图4连接。
[0118]无线锂电池充电器各个部分的相对位置如下:
[0119]I)输电板与充电片可以相对移动，相互无约束。
[0120]2)输电板中，放大电路I放置在一块金属平板的一面，平面电感线圈LI和平面电感线圈L2放置在同一金属平板的另一面;平面电感线圈LI和平面电感线圈L2相距一定距离放置，无重叠，软磁铁氧体片的那一面固定在金属平板上;金属平板、放大电路1、平面电感线圈LI和平面电感线圈L2形成一个整体。
[0121]3)充电片中，附属元器件放置在一块非金属平板的一面，平面电感线圈L3和平面电感线圈L4放置在同一非金属平板的另一面，软磁铁氧体片的那一面固定在非金属平板上，相距一定距离放置，无重叠，形成一个整体。
[0122]无线锂电池充电器各个部分的关系如下:
[0123]I)输电板处于待机状态时，无线锂电池充电器也处于待机状态，充电片不能接收电能为锂电池充电；无线锂电池充电器处于振荡状态时，输电板和充电片作为振荡回路的一部分，输电板处于振荡状态，充电片接收电能为锂电池充电。
[0124]2)输电板和充电片之间的电磁耦合关系，主要表现在输电板的平面电感线圈L2与充电片的平面电感线圈L3和输电板的平面电感线圈LI与充电片的平面电感线圈L4之间的电磁耦合。平面电感线圈L2与平面电感线圈L3和平面电感线圈LI与平面电感线圈L4之间存在强的电磁耦合时，输电板与充电片之间存在强的电磁耦合;平面电感线圈L2与平面电感线圈L3和平面电感线圈LI与平面电感线圈L4之间存在弱的电磁耦合时，输电板与充电片之间存在弱的电磁耦合;平面电感线圈L2与平面电感线圈L4和平面电感线圈L3与平面电感线圈LI之间的电磁耦合弱小;平面电感线圈L3与平面电感线圈L4之间的电磁耦合对无线锂电池充电器影响较小。
[0125]3)通过输电板附属的谐振电容C2，输电板具有固定的振荡频率F1。
[0126]4)通过充电片附属的谐振电容C3，充电片具有固定的谐振频率F2。
[0127]5)充电片的谐振频率F2接近输电板的谐振频率Fl，输电板和充电片产生共振。
[0128]6)充电片中，降压电容C4两端的低压交流电经过整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、整流二极管D5整流成直流，经过滤波电容C5滤波，由锂电池充电控制器件KZ向锂电池LTB充电，充电结束后，继电器K吸合。
[0129]电磁耦合无线输电装置调试方法如下:
[0130]I)输电板和充电片不存在强的电磁親合时，用金属平板屏蔽了平面电感线圈LI和平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合，使得平面电感线圈LI和平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合微弱，由放大电路1、平面电感线圈LI和平面电感线圈L2组成的输电板达不到产生振荡的反馈幅度，输电板不满足振荡幅度条件，处于待机状态。
[0131]2)输电板和充电片存在强的电磁耦合时，增强平面电感线圈LI与平面电感线圈L4和平面电感线圈L2与平面电感线圈L3的电磁耦合，使得平面电感线圈L1、平面电感线圈L2、平面电感线圈L3、平面电感线圈L4和放大电路I组成的电路满足正反馈振荡电路的反馈幅度条件;通过交换平面电感线圈L3和平面电感线圈L4的连接端，使得平面电感线圈L1、平面电感线圈L2、平面电感线圈L3、平面电感线圈L4和放大电路I组成的电路满足正反馈振荡电路的相位条件;无线锂电池充电器产生正反馈振荡，为充电片附属的锂电池充电。
[0132]无线锂电池充电器存在两种工作状态:充电状态和待机状态。
[0133]充电状态时，输电板的放大电路1、平面电感线圈LI和平面电感线圈L2，加上充电片的平面电感线圈L3和平面电感线圈L4，组成一个完整的正反馈振荡电路，产生振荡，在降压电容C4两端产生低压交流电，经过整流二极管D2、整流二极管D3、整流二极管D4、整流二极管D5整流成直流，经过滤波电容C5滤波，由锂电池充电控制器件KZ向锂电池LTB充电；待机状态时，输电板不受充电片影响，金属平板屏蔽了平面电感线圈LI和平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合，使得平面电感线圈LI和平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合微弱，由放大电路1、平面电感线圈LI和平面电感线圈L2组成的输电板达不到产生振荡的反馈幅度，输电板不满足振荡幅度条件，处于待机状态，不为锂电池充电，只消耗微小的电能，随时可以转换成正反馈振荡。
[0134]无线锂电池充电器的使用方法就是通过充电片和输电板相互之间的电磁耦合的强弱控制输电板，使得无线锂电池充电器在两种工作状态中转换。
[0135]无线锂电池充电器的使用方法有位移控制法或和开关控制法两种方法。
[0136](I)无线锂电池充电器的位移控制法:通过充电片和或输电板的相对位置的靠近和远离，控制无线锂电池充电器的工作状态。
[0137]当充电片充分远离输电板时，充电片和输电板不存在强的电磁親合，输电板不受充电片影响，金属平板屏蔽了平面电感线圈LI和平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合，输电板的平面电感线圈L2与平面电感线圈LI相互之间的电磁耦合微弱，输电板不满足产生振荡的幅度条件，处于待机状态，充电片的降压电容C4两端无电压，不为锂电池充电。
[0138]当无线锂电池充电器的充电片充分靠近输电板时，使得输电板的平面电感线圈LI与充电片的平面电感线圈L4，输电板的平面电感线圈L2与充电片的平面电感线圈L3充分靠近，平面电感线圈LI与平面电感线圈L4和平面电感线圈L2与平面电感线圈L3产生强的电磁耦合，形成放大电路1、平面电感线圈L1、平面电感线圈L4、平面电感线圈L3和平面电感线圈L2的正反馈振荡电路，满足产生振荡的相位和幅度条件，产生正反馈振荡，降压电容C4两端的低压交流电经过整流二极管D2、整流二极管D2、整流二极管D2、整流二极管D2整流成直流，由滤波电容C5滤波，锂电池充电控制器件KZ向锂电池LTB充电，无线锂电池充电器处于充电状态。
[0139](2)无线锂电池充电器的开关控制法:通过充电片附属继电器K的触点开关短路平面电感线圈L4的两端，让输电板处于待机状态;通过附属继电器K的触点开关开路平面电感线圈L4的两端，让输电板处于充电状态。
[0140]当充电片附属继电器K的触点开关短路平面电感线圈L4的两端时，由放大电路1、平面电感线圈L1、平面电感线圈L2、平面电感线圈L3和平面电感线圈L4组成的正反馈振荡电路的反馈回路被打断，输电板不受充电片影响，金属平板屏蔽了平面电感线圈LI和平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合，输电板的平面电感线圈LI与平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合微弱，输电板不满足产生振荡的幅度条件，处于待机状态，充电片的降压电容C4两端无电压，不为锂电池充电。
[0141]当充电片附属继电器K的触点开关开路平面电感线圈L4的两端时，输电板的平面电感线圈L2与充电片的平面电感线圈L3和输电板的平面电感线圈LI与充电片的平面电感线圈L4产生强的电磁耦合，形成放大电路1、平面电感线圈L2、平面电感线圈L4、平面电感线圈L3和平面电感线圈LI的正反馈振荡电路，满足产生振荡的相位和幅度条件，产生正反馈振荡，降压电容C4两端的低压交流电经过整流二极管D2、整流二极管D2、整流二极管D2、整流二极管D2整流成直流，经过滤波电容C5滤波，锂电池充电控制器件KZ向锂电池LTB充电，无线锂电池充电器处于充电状态。
[0142]当锂电池LTB充满电后，锂电池充电控制器件KZ输出电流，吸合继电器K的触点开关，短路平面电感线圈L4的两端，输电板不受充电片影响，输电板的平面电感线圈LI与平面电感线圈L2相互之间的电磁耦合微弱，输电板不满足产生振荡的幅度条件，处于待机状态，充电片的降压电容C4两端无电压，不为锂电池充电。
[0143]这种无线锂电池充电器可以应用于手机、平板等小电器，优点在于:可以根据需要，由充电片和输电板的相对位置控制无线锂电池充电器的充电，充满后自动转入待机状态，无须额外干预，完全去除充电片和输电板之间的通信协议，提高了自适应程度，简单，小巧，廉价，可靠，只要尺寸和谐振频率相近，不同厂家的产品可以相互通用，兼容性高。
[0144]可以发现，上述三个实施方式中，虽然输电用途不一样，但输电板可以完全一样，用一个通用的输电板为各种需要电能的设备无线输电。
【主权项】
1.一种电磁耦合无线输电装置，其特征在于电磁耦合无线输电装置主要由基础振荡电路和控制网络两部分组成，基础振荡电路与控制网络无导线连接，基础振荡电路主要由放大电路1、输入线圈2和输出线圈3组成，放大电路I的输入端与输入线圈2连接，放大电路I的输出端与输出线圈3连接，控制网络主要由接收线圈4和回馈线圈5组成并相互连接，基础振荡电路的输出线圈3与控制网络的接收线圈4和基础振荡电路的输入线圈2与控制网络的回馈线圈5可以充分靠近或者一直充分靠近。2.按照权利要求1所述的基础振荡电路和控制网络，其特征在于基础振荡电路和控制网络包含附属电源或和导线或和负载或和电容或和选频网络或和稳幅电路或和开关或和集成电路或和二极管等元器件。3.按照权利要求2所述的基础振荡电路，其特征在于基础振荡电路通过附属电容或和选频网络，具有固定的振荡频率Fl。4.按照权利要求2所述的控制网络，其特征在于控制网络通过附属电容，具有固定的谐振频率F2。5.按照权利要求3所述的基础振荡电路和权利要求4所述的控制网络，其特征在于基础振荡电路的振荡频率Fl和控制网络的谐振频率F2接近并产生共振。6.一种电磁耦合无线输电装置的调试方法，步骤为: 1)当基础振荡电路与控制网络不存在强的电磁耦合时，用电磁屏蔽的方法让基础振荡电路的输入线圈2与输出线圈3相互之间的电磁親合微弱，或和交换基础振荡电路的输入线圈2或输出线圈3的连接端，让输入线圈2、输出线圈3和放大电路I组成弱的负反馈电路，基础振荡电路处于待机状态。 2)当基础振荡电路与控制网络存在强的电磁耦合时，通过交换控制网络的接收线圈4和回馈线圈5的连接端，让输出线圈3、接收线圈4、回馈线圈5、输入线圈2和放大电路I组成的电路满足产生正反馈振荡的相位和幅度条件，电磁耦合无线输电装置处于振荡状态，为负载提供电能。7.一种电磁耦合无线输电装置的使用方法，步骤为: 1)不需要输电时，移动控制网络远离基础振荡电路，让电磁耦合无线输电装置处于待机状态，不为负载提供电能； 2)需要输电时，移动控制网络靠近基础振荡电路，让电磁耦合无线输电装置处于振荡状态，为负载提供电能。8.—种电磁耦合无线输电装置的使用方法，前提是控制网络附属开关，并且基础振荡电路的输入线圈2与控制网络的回馈线圈5和基础振荡电路的输出线圈3与控制网络的接收线圈4靠近，步骤为: 1)不需要输电时，通过控制网络附属开关断开接收线圈4和回馈线圈5之间的连接，或和短路接收线圈4或和回馈线圈5的两端，使得电磁耦合无线输电装置处于待机状态，不为负载提供电能； 2)需要输电时，通过控制网络附属开关闭合接收线圈4和回馈线圈5之间的连接，或和开路接收线圈4或和回馈线圈5的两端，使得电磁耦合无线输电装置处于振荡状态，为负载提供电能。
【文档编号】H02J50/12GK106026419SQ201610457639
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】封先河
【申请人】封先河