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TW201417122A - 感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈 - Google Patents

感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈 Download PDF

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TW201417122A
TW201417122A TW101138884A TW101138884A TW201417122A TW 201417122 A TW201417122 A TW 201417122A TW 101138884 A TW101138884 A TW 101138884A TW 101138884 A TW101138884 A TW 101138884A TW 201417122 A TW201417122 A TW 201417122A
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flat coil
electric field
power transmission
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Ching-Chi Lin
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Espower Electronics Inc
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Abstract

一種感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈。此兩用線圈的結構包括一平板線圈。此平板線圈的線材部分，具有一指定寬度，並呈現扁平狀，且此平板線圈針對一圓心進行繞線。當在感應耦合電能傳輸模式時，此平板線圈的第一端輸入一第一外部電壓，並透過上述平板線圈的第二端的開關切換，以輸出磁場電力以對第一外部裝置進行充電。當在電場耦合電能傳輸模式時，上述平板線圈的第一端輸入一第二外部電壓，且上述平板線圈的第二端開路，透過控制第二外部電壓之頻率與電壓大小，以輸出電場電力以對第二外部裝置進行充電。

Description

感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈
本發明是有關於一種無線充電技術，且特別是有關於一種感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈。
隨著電子裝置的輕量化及薄型化，使用者已漸漸習慣隨身攜帶這些電子裝置。一般常見的電子裝置，例如手機、個人數位助理器(PDA，Personal Digital Assistance)、筆記型電腦、平板電腦、數位相機與數位攝錄影機(digital camcorder)等等，已經普遍為社會大眾廣泛使用，成為現代資訊生活不可或缺的一部分。
為了減少接線充電的麻煩，利用電磁感應原理而提供無線電源的系統的概念，在多前年已經被提出。由於先前感應技術的實際限制，先前的無線充電系統受到相當大的限制。例如，為了提供合理的效率操作，先前技術的無線感應充電系統需要在初級線圈及第二線圈之間密切及精確的對齊，另外，在感應電源供應中的電子裝置及遠方裝置中的電子裝置之間，需要高度的調協(coordinated tuning)。由於不同的遠方裝置可能需要非常不同數量的電源，這些問題更加複雜。
目前的無線充電應用，僅止於一對一應用。換句話說，一個行動裝置必須對應一個指定的無線充電裝置。然，當產品不同時，無線充電裝置不可以相容使用。因此，申請人提出一種相容於多個產品的無線電源供應系統。
本發明的目的是提供一種感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈，此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈同時可以在感應耦合電能傳輸模式時，以磁場傳輸電力給外部裝置，並且在電場耦合電能傳輸模式時，以電場傳輸電力給外部裝置。
為了達成本發明的上述目的及其他目的，本發明提出一種感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈。此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈用於在感應耦合電能傳輸模式時，輸出一磁場電力以對一第一外部裝置進行充電，並且在電場耦合電能傳輸模式時，輸出一電場電力以對一第二外部裝置進行充電，此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈的特徵在於其結構為一平板線圈。此平板線圈的線材部分，具有一指定寬度，並呈現扁平狀。且上述平板線圈在一平面上進行繞線，其中，上述平面與上述平板線圈的平板平行。當在感應耦合電能傳輸模式時，此兩用平板線圈的第一端輸入一第一外部電壓，並透過兩用平板線圈的第二端的開關切換，以輸出磁場電力以對第一外部裝置進行充電。當在電場耦合電能傳輸模式時，上述兩用平板線圈的第一端輸入一第二外部電壓，且上述兩用平板線圈的第二端開路，透過控制第二外部電壓之頻率與電壓大小，以輸出電場電力以對第二外部裝置進行充電。
本發明的精神主要是將線圈電線之形狀改成平板形狀，並且把此線圈配置在同一個平面上。因此，當在感應耦合電能傳輸模式時，此兩用平板線圈的第一端輸入一第 一外部電壓，並透過兩用平板線圈的第二端的開關切換，以輸出磁場電力以對第一外部裝置進行充電。當在電場耦合電能傳輸模式時，上述兩用平板線圈的第一端輸入一第二外部電壓，且上述兩用平板線圈的第二端開路，透過控制第二外部電壓之頻率與電壓大小，以輸出電場電力以對第二外部裝置進行充電。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
在下文中，將藉由圖式說明本發明之實施例來詳細描述本發明，而圖式中的相同參考數字可用以表示類似的元件。
(第一實施例)
圖1繪示為本發明第一實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈的俯視圖。請參考圖1，此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈係包括一平板線圈101，此平板線圈101的繞線配置在一平面上，並且繞線的寬度為L。此平板線圈101的繞線是由內部的第一端102繞到外部的第二端103。由此俯視圖可以看出，此平板線圈101的結構非常類似於一個平板。從此平板線圈101的俯視圖可以看出，此平板線圈101可以被視為是將一個平板金屬的細微線圈(間隙)部分104腐蝕掉後，殘留下來的平板。
(第二實施例)
圖2繪示為本發明第二實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈應用在感應耦合電能傳輸(Inductive Coupled Power Transfer，ICPT)的電路方塊示意圖。請參考圖2，當此圖1的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈被用在感應耦合電能傳輸的場合時，此平板線圈101是被當作是線圈來使用，因此，電路結構上，線圈的第一端會被用來輸入一個整流後的電壓VDC(例如台灣市電110V經過橋式整流後的電壓)。線圈的第二端會被耦接一個利用脈波寬度調變(Pulse Width Modulation)控制的開關201。因此，藉由控制開關201的導通與截止，可以控制此平板線圈101所輸出的磁場，以傳輸電力給外部裝置202。
(第三實施例)
圖3繪示為本發明第三實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈應用在電場耦合電能傳輸的電路方塊示意圖。請參考圖3，當此圖1的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈被用在電場耦合電能傳輸(Electrical-Field Coupled Power Transfer，ECPT)的場合時，此平板線圈101是被當作是平板使用。此時，平板線圈101的第二端是空接，也就是完全隔絕的。電場耦合電能傳輸控制器301藉由控制電壓VIN之頻率與電壓大小，以輸出電場電力以對外部裝置302進行充電。
由於電場耦合電能傳輸模式，在外部裝置302必須也要有一個金屬平板，為了傳輸效率，外部裝置302上的金 屬平板與平板線圈101的平板所構成的等效電容的大小會直接的影響到電場耦合電能傳輸效率。其中，等效電容的計算式如下：C=A×ε0×εr/d
其中，C表示等效電容，A表示耦合面積，d表示極板間距，ε0表示絕對介電係數，εr表示相對介電係數。一般來說，絕對介電係數ε0與相對介電係數εr為固定，因此，等效電容的大小由耦合面積A與極板間距d所決定。因此，直接影響到耦合面積A的就是金屬平板的面積，在此實施例中，平板線圈101的金屬平面部分佔據由平板線圈的圓心到平板線圈的半徑R構成的圓面積超過80%以上的面積。在此實施例中，藉由將上述平板線圈101的線材寬度設計大於等於5mm，並且藉由將上述平板線圈101的線材與線材之間的間隙104寬度設計小於1mm，以達成讓平板線圈101佔據圓面積超過80%以上。如此，可以增加等效電容C，並且增加電場耦合電能傳輸效率。
(第四實施例)
圖4繪示為本發明第四實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈的俯視圖。請參考圖4，上述實施例雖然是以圓形線圈作為舉例，在此實施例特別以矩形線圈做舉例。同樣的道理，此平板線圈401的繞線配置在一平面上，並且繞線的寬度為L。此平板線圈401的繞線是由內部的第一端402繞到外部的第二端403。並且呈現一矩形形狀。此種繞線的好處在於，一般行動裝置，基本上都會設計成實質上為矩形結構，因此，若本案的繞線 為矩形，可以與外部裝置產品更加吻合，因此，矩形繞線可以增加上述耦合面積A。
上述幾個實施例雖然只有舉出矩形與圓形繞線，然所屬技術領域具有通常知識者應當知道，繞線形狀可以根據不同設計而改變，例如三角形、梯行或橢圓形等等，本發明不以此為限。
綜上所述，本發明的精神主要是將線圈電線之形狀改成平板形狀，並且把此線圈配置在同一個平面上。因此，當在感應耦合電能傳輸模式時，此兩用平板線圈的第一端輸入一第一外部電壓，並透過兩用平板線圈的第二端的開關切換，以輸出磁場電力以對第一外部裝置進行充電。當在電場耦合電能傳輸模式時，上述兩用平板線圈的第一端輸入一第二外部電壓，且上述兩用平板線圈的第二端開路，透過控制第二外部電壓之頻率與電壓大小，以輸出電場電力以對第二外部裝置進行充電。
在較佳實施例之詳細說明中所提出之具體實施例僅用以方便說明本發明之技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明之精神及以下申請專利範圍之情況，所做之種種變化實施，皆屬於本發明之範圍。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為准。
101、401‧‧‧平板線圈
102‧‧‧平板線圈101的第一端
103‧‧‧平板線圈101的第二端
104‧‧‧平板線圈101的間隙
201‧‧‧開關
202、302‧‧‧外部裝置
301‧‧‧電場耦合電能傳輸控制器
402‧‧‧平板線圈401的第一端
403‧‧‧平板線圈401的第二端
圖1繪示為本發明第一實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈的俯視圖。
圖2繪示為本發明第二實施例的感應耦合電能傳輸與 電場耦合電能傳輸兩用線圈應用在感應耦合電能傳輸(Inductive Coupled Power Transfer，ICPT)的電路方塊示意圖。
圖3繪示為本發明第三實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈應用在電場耦合電能傳輸的電路方塊示意圖。
圖4繪示為本發明第四實施例的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈的俯視圖。
101‧‧‧平板線圈
102‧‧‧平板線圈101的第一端
103‧‧‧平板線圈101的第二端
104‧‧‧平板線圈101的間隙

Claims (7)

  1. 一種感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈，用於在感應耦合電能傳輸模式時，輸出一磁場電力以對一第一外部裝置進行充電，並且在電場耦合電能傳輸模式時，輸出一電場電力以對一第二外部裝置進行充電，此感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈的特徵在於包括：一平板線圈，其中，此平板線圈的線材部分，具有一指定寬度，並呈現扁平狀，且該平板線圈在一平面上進行繞線，其中，該平面與該平板線圈的平板平行，其中，當在感應耦合電能傳輸模式時，該平板線圈的第一端輸入一第一外部電壓，並透過該該平板線圈的第二端的開關切換，以輸出該磁場電力以對該第一外部裝置進行充電，其中，當在電場耦合電能傳輸模式時，該平板線圈的第一端輸入一第二外部電壓，且該平板線圈的第二端開路，透過控制該第二外部電壓之頻率與電壓大小，以輸出該電場電力以對該第二外部裝置進行充電。
  2. 如申請專利範圍第1所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈，其中，該平板線圈的線材寬度大於等於5mm。
  3. 如申請專利範圍第1所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈，其中，該平板線圈的線材與線材之間的間隙寬度小於1mm。
  4. 如申請專利範圍第1所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈，其中，該平板線圈具有一圓心，且該平板線圈繞線為透過該圓心成同心圓放射式繞線。
  5. 如申請專利範圍第4所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈，其中，該平板線圈的金屬平面部分佔據由平板線圈的圓心到平板線圈的半徑構成的圓面積超過80%以上的面積。
  6. 如申請專利範圍第1所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈，其中，該平板線圈具有一中心點，且該平板線圈繞線為透過該中心點成矩形放射式繞線。
  7. 如申請專利範圍第4所述的感應耦合電能傳輸與電場耦合電能傳輸兩用線圈，其中，該平板線圈的金屬平面部分佔據該平板線圈的外圍所圍成的矩形面積超過80%以上的面積。
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