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CN104011815B - 感应式无线充电系统 - Google Patents

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CN104011815B CN201280064032.7A CN201280064032A CN104011815B CN 104011815 B CN104011815 B CN 104011815B CN 201280064032 A CN201280064032 A CN 201280064032A CN 104011815 B CN104011815 B CN 104011815B
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Abstract

本发明涉及一种感应式无线充电系统，其包括充电器、可充电移动装置、用于所述充电器或者在充电器中的第一线圈和用于或者在可充电移动装置中的第二线圈，其中，第一和第二线圈中的每个包括由软磁材料组成的芯部，并且第一和第二线圈中的每个包埋在聚合物粘结软磁材料中。本发明还分别涉及用于感应式无线充电系统的充电器、可充电移动装置，包括至少一个线圈，该线圈包括由软磁材料组成的芯部，其中，该线圈包埋在聚合物粘结软磁材料中。

Description

感应式无线充电系统
本发明涉及感应式无线充电系统，该系统包括两个线圈，一个线圈用于充电器(例如，装载垫)或处于充电器(例如，装载垫)中，另一个用于可充电移动装置或处于可充电移动装置中。
充电系统所包括的线圈一般由空气和/或者具有低磁导率的材料包围，并任选地包含在包括磁屏蔽材料的壳体中。线圈具有未填充或者由固体铁芯占据或者由低磁导率的材料填充的芯部空间。
感应式无线充电系统的问题包括需要大量的绕组以在充电系统中的二次线圈中产生足够大的电压和相关的较大功率传输。在移动装置中，用于绕组的空间有限，并且由于大量绕组使得导线总长度造成的欧姆损耗在充电系统中是重要的损耗机制。
本发明的目的是减少或者解决这些问题。
通过本发明的感应式无线充电系统已经实现了该目的。本发明的感应式无线充电系统包括：
充电器，以及
可充电移动装置，
并包括：
第一线圈，其用于所述充电器或者在所述充电器中，以及
第二线圈，其用于所述可充电移动装置或者在所述可充电移动装置中，
其中，所述第一和所述第二线圈中的每一个包括由软磁材料组成的芯部，并且所述第一线圈和所述第二线圈中的每一个包埋在聚合物粘结软磁材料(PBSM材料)中，或者
其中，所述第一和所述第二线圈中的每一个包埋在聚合物粘结软磁材料中，这些线圈中的一个线圈(线圈A)，即所述第一线圈或所述第二线圈中的一个，包括由软磁材料组成的芯部，另一线圈(线圈B)包括用于接收被包埋的线圈A的空腔。
感应式无线充电系统中的线圈包括芯部，所述芯部由软磁材料组成并包埋在聚合物粘结软磁材料(此处还称为PBSM材料)中，这样的优点是当充电器和可充电移动装置放在一起时，以相同的电流水平和相同数目的线圈绕组获得更高的电压和功率传输。或者，在给定操作频率下，以充电器和可充电移动装置的较小的绕组，较小的线圈尺寸、较少的欧姆损耗和较低成本获得相同电压和功率传输。任选地，为了进一步增大电压和功率传输而提高无线充电系统的操作频率可能牺牲在减少数目的绕组中较低的欧姆损耗的益处。重叠模制的线圈使能较少的线圈以更高频率工作，导致在二次线圈中更高的电压，同时保持欧姆损耗受到限制。其中包埋线圈的PBSM材料构成的“磁通引导”还提供了固有的屏蔽，意味着在充电器和CMD中不需要或者需要更少屏蔽材料，并且在线圈的充电接口一侧产生较小的杂散场。
在根据本发明的感应式无线充电系统中，所述第一线圈通常由所述充电器包括，而所述第二线圈能由所述可充电移动装置或者用于所述可充电移动装置的充电供应单元包括，所述充电供应单元在充电之前与可充电移动装置电接触地配合。
在根据本发明的感应式无线充电系统的优选实施例中，一旦在所述充电器对所述可充电移动装置充电过程中所述第一线圈和所述第二线圈彼此界面接触地配合或者所述第一线圈和所述第二线圈彼此界面接触地配合用于所述充电器对所述可充电移动装置充电，分别在所述第一和第二线圈中的所述软磁材料和分别包埋所述第一和第二线圈的PBSM材料构成闭环磁通引导。此处磁通引导理解为这样的环路：在其芯部空间的一端进入第一线圈和第二线圈中的一者，通过所述线圈的芯部空间，离开所述线圈的芯部空间，进入第一和第二线圈中的另一者的芯部空间中，通过另一线圈的芯部空间，从另一端离开另一线圈的芯部空间，并围绕两个线圈再次进入一个线圈的芯部空间。当磁通引导未被除第一和第二线圈交界处的一些气穴之外的低磁导率的材料中断时，形成具有软磁材料和PBSM材料的闭环的这样的磁通引导。因而，在第一和第二线圈之间的交界处没有低磁导率的表面层，并且在软磁材料和PBSM材料之间在其芯部空间的两个端部中的任一端处不存在气隙。该实施例的效果是获得更高电压和更高功率传输，和/或者能使用较低数目的绕组。
在根据本发明的感应式无线充电系统的另一优选实施例中，所述第一线圈具有覆盖有第一层的第一前端，所述第一层具有第一表面区域，
所述第二线圈具有覆盖有第二层的第二前端，所述第二层具有第二表面区域，
所述第一表面区域和所述第二表面区域以界面接触的方式配合，或者将要以彼此界面接触的方式配合，以用于通过所述充电器对所述可充电移动装置充电，或者在通过所述充电器对所述可充电移动装置进行充电的过程中将所述第一表面区域和所述第二表面区域以界面接触的方式配合或者将要以彼此界面接触的方式配合，
所述第一表面层由PBSM材料组成，并构成其中包埋所述第一线圈的所述PBSM材料的整体部分，并且所述第二表面层由PBSM材料组成，并构成其中包埋所述第二线圈的所述PBSM材料的整体部分。
该实施例的优点是在不存在包埋线圈的PBSM材料的表面与线圈所包括的芯部未对准的风险的情况下，获得软磁材料的闭环磁通引导。
在以上实施例中，线圈适合地为螺旋线圈，更具体地为平面螺旋线圈以允许平面界面构造。
在根据本发明的感应式无线充电系统的又一优选实施例中，所述第一和第二线圈中的每一者包埋在聚合物粘结软磁材料中，线圈中的一者(线圈A)包括由软磁材料组成的芯部，另一线圈(线圈B)包括用于接收被包埋的线圈A的空腔。线圈A适合地要么由充电器包括，并位于从充电器的表面区域突起的部分中，要么由可充电移动装置包括并位于从可充电移动装置的表面区域突起的部分中，而线圈B中的空腔相应地由可充电移动装置或充电器包括，并具有用于允许具有线圈A的突起部分插入空腔中的开口。
适合地，在本实施例中，第一线圈和第二线圈均为螺线管，第一线圈的内径大于第二线圈的外径，更具体地，第一线圈所包括的空腔的内径大于被包埋的第二线圈的外径，从而允许在布置用于充电时第一线圈可以在第二线圈上滑动。这样的布置允许线圈共享填充有PBSM材料的共同芯部空间。在两个线圈都包埋在PBSM材料中的情况下，形成PBSM材料的闭环。一般地，相同的益处同样适用于其他实施例：在线圈中以相同的电流水平和相同数目的绕组，获得更高电压和功率传输；或者，对于充电器和可充电移动装置两者以较少的绕组、较小的线圈尺寸、较低的欧姆损耗和较低的成本获得相同电压和功率传输。附加地，芯部相对彼此物理上滑动将提供线圈的自动对准，导致线圈之间的最大磁通耦合和最大功率传输。根据本发明的感应式无线充电系统适合地包括芯部，该芯部由第一和第二线圈中的至少一者包括并由无机软磁材料组成。
无机软磁材料可以是适合用在线圈的芯部中以增大其磁导率的任何无机软磁材料。例如，在以下手册中描述了软磁材料：(1)Feynman，R.P.，Leighton，R.B.，Sands，M.TheFeynman lectures on Physics；The New Millennium Edition，Basic Books：New York，2010，卷2，pp37-1-37-13描述了磁性材料；(2)Williams.B.W.Power Electronics：Devices，Drivers，Applications and Passive Components.McGraw-Hill；第2版，1992；pp617-679描述了软磁材料；以及(3)Herzer，G.in Handbook of Magnetic Materials；卷10.Buschow，K.H.J.Ed.Elsevier Science B.V.：1997，pp415-462描述了纳米晶体软磁合金。
适合的无机软磁材料例如为铁磁金属和合金、铁素体、铁磁非晶态合金和铁磁纳米晶体合金。适合的铁磁金属和合金是铁和铁/锌合金。优选地，无机软磁材料包括铁素体，例如NiZn铁素体或者MnZn铁素体。
作为替代，第一和/或第二线圈中的芯部中的软磁材料是PBSM材料。
由软磁材料更具体地由PBSM材料制成的芯部材料可以是鼓或者杆，并且可以插入到线圈的芯部空间中，或者线圈绕鼓或者杆缠绕。芯部还可以卷线轴，线圈绕卷线轴缠绕。
在芯部中的软磁材料是PBSM材料的情况下，所述材料还可以注射到芯部空间中。
在其优选实施例中，感应式无线充电系统中的第一和第二线圈中的至少一个填充有PBSM材料。
该填充适合地例如通过熔融注塑工艺来完成。
甚至更优选地，线圈更好地所有线圈填充有PBSM材料并包埋在相同的PBSM材料中，并且其中，PBSM材料中的填充和包埋在熔融注塑工艺的单个步骤中完成。
优点是在不需要封闭芯部和包埋材料之间的间隙的额外步骤的情况下形成闭环磁场引导。此外，由于没有这样的间隙，功率传输会更好。
在根据本发明的感应式无线充电系统中使用的PBSM材料原则上可以是包括聚合物和软磁填料的任何聚合组合物或者聚合材料。
聚合物可以是适合于对线圈进行重叠模制和包埋线圈的任何聚合物。聚合物例如包括或者可以是热塑性聚合物和/或热固性聚合物。
适合地，PBSM材料包括热塑性聚合物。热塑性聚合物原则上可以足任何热塑性聚合物，例如，饱和聚酯聚合物、聚酰胺聚合物、热塑性弹性体。
PBSM材料也可以包括热固性聚合材料，诸如热固性不饱和聚酯或者热固性环氧树脂。
此外，软磁填料可以是具有软磁性能的任何填料，并可以包括在热塑性聚合物和/或者热固性聚合物模制组合物中。对于此处用作填料的软磁材料，可引用以上所述的手册。适合的软磁填料例如可以是铁磁金属和合金、铁素体、铁磁非晶态合金和铁磁纳米晶体合金。
优选地，软磁填料包括铁素体填料，换言之包括铁素体材料或者由铁素体材料组成的填料。铁素体的优点是它们在高频尤其在200kHz-10MHz的频率下保持高的磁导率。
在根据本发明的感应式无线充电系统中使用的PBSM材料具有的磁导率可在宽的范围上变化。适合地，PBSM的磁导率可以在1.1-100，优选地1.5-50或者甚至3-20的范围内。此处，磁导率是在100kHz下通过IEC60406-6第二版2003-6第5部分的电压计-电流计方法测量的磁导率。
较高的最小磁导率的优点是进一步增大功率传输。或者，在无线充电系统中能使用具有较小绕组的线圈，以允许相同的功率传输。或者能应用较低频率以达到相同的功率传输。另一方面，较低的最大磁导率具有这样的优点：需要较低的软磁填料的量，同时仍就获得非常良好的结果，并且用PBSM材料填充芯部空间也得到改进。
根据本发明的感应式无线充电系统中的线圈能具有适合于该系统的任何形状，例如，螺线管、螺旋线圈或者包含这些元件的多层组件。优选地，两个线圈中的至少一个是螺旋线圈，更优选地两个线圈是螺旋线圈。螺旋线圈的优点是它们以平面线圈形状构造提供了大量绕组。
优选地，根据本发明的感应式无线充电系统中的第一和第二线圈中的至少一者、更优选地两个线圈都是宽度(W)和高度(H)之比W/H至少为2、优选地为10的螺旋线圈。高度H此处定义为在垂直于绕组的平面并平行于中心磁场的方向上测量的线圈高度。宽度此处定义为在线圈中具有最大直径的绕组的直径。
还优选地，根据本发明的感应式无线充电系统中的第一和第二线圈中的至少一者、更优选地两个线圈都是具有中心点的螺旋线圈，其中，螺旋线圈的中心和界面表面区域之间的距离至多5mm，优选地至多2mm。
将这种平面螺旋线圈靠近界面表面区域布置的充电装置的优点是能设计更薄的电子设备，同时仍具有根据本发明的具有包埋线圈的充电装置的优点。
根据本发明的感应式无线充电系统及其任何优选实施例和其任何组合适合地应用在电动车辆、家用电器或者电子设备中。这种电动车辆的示例例如是电动车、混合动力车、电力驱动卡车和公共运输车辆、以及电动自行车。适合家用电器包括牙刷、剃须刀。适合的电子设备例如是笔记本电脑和蜂窝电话机。
如果这样应用，两个包埋线圈中的一者由诸如电动车辆、家用电器的可充电移动装置包括，而另一线圈连接到电力供应接地站。
本发明还涉及用于感应式无线充电系统的充电器，包括至少一个线圈，所述线圈包括由软磁材料组成的芯部，其中，所述线圈包埋在聚合物粘结软磁材料(PBSMM)中。
本发明还涉及用于感应式无线充电系统的可充电移动装置，包括至少一个线圈，所述线圈包括由软磁材料组成的芯部，其中，所述线圈包埋在聚合物粘结软磁材料(PBSMM)中
优选地，所述可充电移动装置中的线圈是宽度(W)和高度(H)之比W/H至少为2更具体地至少为10的螺旋线圈。还优选地，线圈是具有中心点的螺旋线圈，其中，螺旋线圈的中心与界面表面区域之间的距离至多5mm，优选地至多2mm。适合地，这两个特征被组合，以允许非常薄的和扁平的设计。该实施例非常适合用在电子设备中。
在本发明的另一实施例中，可充电移动装置中的线圈是螺线管线圈，其中，线圈包埋在聚合物粘结软磁材料中，并且线圈包括用于接收充电器上包埋在聚合物粘结软磁材料中的螺线管线圈的空腔。此实施例非常适合地用在家用电器或者电动车辆中。本发明具体地涉及如上所述结合了根据本发明的感应式无线充电系统的一个或者多个实施例的充电器和可充电移动装置。
根据本发明的感应式无线充电系统中的充电器和可充电移动装置以及充电器和可充电移动装置本身可以各包括单个线圈或者多个线圈。这些多个线圈可以并联或者串联(多层)布置。优选地，充电器和/或者可充电移动装置中的线圈、多线圈布置中的各个线圈填充有聚合物粘结软磁材料(PBSMM)并包埋在聚合物粘结软磁材料(PBSMM)中。
根据本发明的充电器适合地由插接站包括。适合地，插接站包括用于将可充电移动装置放置在插接装置上以为了相对于充电器中的线圈而适合地定位和对准可充电移动装置中的线圈的系统。适合地，放置系统包括一个或者多个永磁体和/或者发光对准系统，或者充电器包括智能线圈阵列。
此处的线圈和绕组可以由适合于电子布线系统的任何类型的导线制成。优选地，线圈可以由Litz导线制成以降低更高频率下的集肤效应并降低电阻。
本发明还以下列实施例和比较例进一步说明。
图1是根据本发明的感应式无线充电系统的示意图。
图1示出了根据本发明的感应式无线充电系统的示意图，该充电系统包括移动装置(10)和充电器(20)。移动装置(10)包括电子电路(11)、模制PBSM材料部分(12)和接收线圈(14)内的软磁材料填充芯部区域(13)。充电器(20)包括电子电路(21)、模制PBSM材料部分(22)和发送线圈(24)内的软磁材料填充芯部区域(23)。移动装置(10)和充电器(20)彼此抵靠定位，并在界面表面区域(30)处彼此接触。在充电过程中，磁通如磁通线(40)所示意示出那样将贯穿模制PBSM材料部分(12)和(22)。
图1所述的系统的性能主要受部分(12)和(22)和芯部区域(13)和(23)中的PBSM材料的磁导率支配。
如果这些部分和芯部区域中的PBSM材料具有刚好1.5的磁导率，系统在功率传输方面的性能(即，接收线圈中的电压)相较于完全不存在PBSM材料或者换言之两个线圈完全由空气包围的相应系统已经增大了约50％。即使在铁素体芯已经插入由空气包围的两个线圈中的每一者中的情况下，该系统的性能仍将远远没有此处描述的本发明的系统好。
如果PBSM材料的磁导率为6，则该系统在功率传输方面的性能相较于完全不存在PBSM材料的相应系统增大约6倍。
此处，假定移动装置(10)和充电器(20)在界面表面区域(30)处全部接触，由此部分(11)和(22)和芯部区域(13)和(23)中的PBSM材料一起形成闭环磁通引导。然而，在移动装置(10)和充电器(20)之间的气隙较小的情况下系统的性能几乎不受影响。在磁通的长度例如为10cm并且气隙例如为1mm的情况下，在功率传输效率方面仅仅有非常有限的降低。利用磁导率为6的PBSM材料获得的改进允许线圈中绕组的数量降低3/5，同时仍具有相同的功率传输。这允许设计更薄的移动装置。

Claims (11)

1.一种感应式无线充电系统，包括
充电器，
可充电移动装置，
第一线圈，其用于所述充电器或者在所述充电器中，以及
第二线圈，其用于所述可充电移动装置或者在所述可充电移动装置中，
其中，所述第一线圈和所述第二线圈包括由无机聚合物粘结软磁材料组成的芯部，并且
所述第一线圈和所述第二线圈包埋在相同的所述无机聚合物粘结软磁材料中，并且其中，
所述第一线圈和所述第二线圈通过熔融注射成型工艺的单个步骤包埋在相同的所述无机聚合物粘结软磁材料中。
2.根据权利要求1所述的感应式无线充电系统，其中，所述充电器包括所述第一线圈，并且所述可充电移动装置或者用于所述可充电移动装置的充电供应单元包括所述第二线圈。
3.根据权利要求1所述的感应式无线充电系统，其中，一旦在所述充电器对所述可充电移动装置充电过程中所述第一线圈和所述第二线圈彼此界面接触地配合或者所述第一线圈和所述第二线圈彼此界面接触地配合用于所述充电器对所述可充电移动装置充电，在所述芯部中的所述无机聚合物粘结软磁材料和包埋所述第一线圈和所述第二线圈的所述无机聚合物粘结软磁材料构成闭环磁通引导。
4.根据权利要求1所述的感应式无线充电系统，其中
所述第一线圈具有覆盖有第一层的第一前端，所述第一层具有第一表面区域，
所述第二线圈具有覆盖有第二层的第二前端，所述第二层具有第二表面区域，
所述第一表面区域和所述第二表面区域以界面接触的方式配合，或者适于以彼此界面接触的方式配合，以用于通过所述充电器对所述可充电移动装置充电，或者在通过所述充电器对所述可充电移动装置进行充电的过程中所述第一表面区域和所述第二表面区域以界面接触的方式配合或者将要以彼此界面接触的方式配合，并且
所述第一表面层由无机聚合物粘结软磁材料组成，并构成其中包埋所述第一线圈的所述无机聚合物粘结软磁材料的整体部分，并且所述第二表面层由无机聚合物粘结软磁材料组成，并构成其中包埋所述第二线圈的所述无机聚合物粘结软磁材料的整体部分。
5.根据权利要求1所述的感应式无线充电系统，其中，所述无机聚合物粘结软磁材料是NiZn铁素体或者MnZn铁素体。
6.根据权利要求1所述的感应式无线充电系统，其中，所述无机聚合物粘结软磁材料包括聚合物和软磁填料。
7.根据权利要求1所述的感应式无线充电系统，其中，所述无机聚合物粘结软磁材料包括热塑性聚合物和/或者热固性聚合物。
8.根据权利要求1所述的感应式无线充电系统，其中，所述无机聚合物粘结软磁材料包含铁素体。
9.根据权利要求1所述的感应式无线充电系统，其中，所述无机聚合物粘结软磁材料具有1.1-100范围内的磁导率，所述磁导率在100kHz下通过IEC 60406-6第二版2003-6第5部分的电压计-电流计方法进行测量。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一线圈和所述第二线圈中的至少一者是螺旋线圈。
11.根据权利要求1所述的感应式无线充电系统，其中，被包埋的所述第一线圈和所述第二线圈中的一者由电动车辆或者家用电器包括。
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