СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДКИ МОБИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2014 года по МПК H02J7/00 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к системам и устройствам для беспроводной передачи энергии, предназначенным для одновременной зарядки нескольких мобильных устройств.

Системы для передачи электромагнитной энергии делятся на излучательные и неизлучательные системы. Излучательные системы для передачи энергии основаны на узконаправленных передатчиках и используют электромагнитное излучение в дальней зоне. Неизлучательные системы для передачи энергии, как правило, основаны на электромагнитной индукции и используют нераспространяющееся поле в ближней зоне.

Резонансный индуктивный способ беспроводной передачи энергии основан на следующем принципе: катушки индуктивности с одинаковыми собственными резонансными частотами образуют резонансную систему, обменивающуюся энергией через магнитное поле.

Мобильное устройство, заряжаемое беспроводным способом, содержит встроенную приемную катушку, которая далее по тексту иногда называется приемником энергии. Устройство заряжается при расположении над передающей катушкой беспроводного зарядного устройства, которая далее по тексту иногда называется передатчиком энергии. В приемной катушке создается индуцированная электродвижущая сила за счет магнитного поля, созданного передающей катушкой. Примеры решений, описывающих эффективные конструкции устройств для приема энергии, передаваемой без проводов, можно найти в патентах РФ №2481689 [1], №2481704 [2], №2481705 [3].

Следует учитывать, что эффективная передача энергии одному или нескольким мобильным устройствам одновременно обуславливает необходимость увеличения размера передающей катушки или использования большого числа передающих катушек. Увеличение размера передающей системы повышает уровень паразитного электромагнитного излучения и осложняет обеспечение равномерной эффективности передачи энергии по поверхности зарядного устройства. Это вызывает трудности в применении известных беспроводных технологий передачи электроэнергии для зарядки мобильных устройств и другой бытовой техники.

Патент США №8076801 [4] описывает приемо-передающую часть системы беспроводной передачи энергии, включающую в себя петли связи и высоко добротные многовитковые спиральные катушки. Петли связи служат для согласования приемника и передатчика энергии с соответствующими приемной и передающей спиральными катушками. Также описан способ подавления паразитного электромагнитного излучения возбуждением передающей резонансной катушки на частоте, отличной от собственной частоты и сдвинутой на частоту, соответствующую нечетной собственной частоте связанных резонаторов. Данное решение имеет следующие недостатки:

- Адаптивная перестройка частоты необходима для компенсации изменений эффективности передачи энергии при изменении расстояния и/или ориентации устройства приема энергии относительно передающей катушки.

- Для реализации адаптивной перестройки частоты необходимо применение передающей и приемной резонансных катушек одного типа. Магнитно-связанные катушки различных типов имеют отличающиеся частотные характеристики и требуют установки различных рабочих частот.

- Адаптивная перестройка частоты не применима для приемных катушек, имеющих коэффициент связи ниже критического.

- Не определена реконфигурируемая решетка передающих катушек.

- Не предусмотрены меры для подавления паразитного излучения электромагнитного поля.

Патент США №8299652 [5] описывает способ и устройство, которое обеспечивает передачу энергии от передающего устройства на несколько устройств приема энергии, связанных с передающим устройством на нескольких диапазонах частот. Данное решение имеет следующие недостатки:

- Адаптивная перестройка частоты необходима для компенсации изменений эффективности передачи энергии при изменении расстояния и/или ориентации устройства приема энергии относительно передающей катушки.

- Для реализации адаптивной перестройки частоты необходимо применение передающей и приемной резонансных катушек одного типа. Магнитно-связанные катушки различных типов имеют отличающиеся частотные характеристики и требуют установки различных рабочих частот.

- Адаптивная перестройка частоты не применима для приемных катушек, имеющих коэффициент связи ниже критического.

- Не определена реконфигурируемая решетка передающих катушек.

- Не предусмотрены меры для подавления паразитного излучения электромагнитного поля.

- Не указан способ сокращения площади, необходимой для беспроводной передачи энергии большому количеству мобильных устройств.

Патент США №8,102,147 [6] описывает систему, включающую в себя множество устройств беспроводный передачи энергии. Она позволяет заряжать большое количество мобильных устройств. Система беспроводной передачи энергии представляет собой стол, на поверхности которого установлено множество блоков беспроводной передачи энергии, каждый из которых включает в себя передающую катушку. Аккумулятор приемного устройства экранирован от магнитного поля передающей катушки. Данное решение имеет следующие недостатки:

- Не предусмотрены меры для подавления паразитного излучения электромагнитного поля.

Свободная ориентация устройств приема энергии не поддерживается.

Патентная заявка США №2011/0062914 [7] описывает способ и устройство для беспроводной зарядки мобильного устройства. Способ и устройство включает в себя обнаружение мобильного устройства, расположенного на зарядном устройстве по уникальному идентификатору мобильного устройства; определение, поддерживает ли мобильный устройство беспроводную зарядку; подачу постоянного тока на первичную катушку зарядного устройства для выравнивания положения мобильного устройства относительно зарядного устройства; отключение постоянного тока, а затем подачу переменного напряжения на первичную катушку и питания зарядного устройства энергией, необходимой для мобильного устройства. Данное решение имеет следующие недостатки:

- Не предусмотрены меры для подавления паразитного излучения электромагнитного поля.

- Свободная ориентация мобильных устройств, принимающих энергию, не поддерживается.

Патентная заявка США №2011/0210621 [8] описывает устройство беспроводной передачи энергии для эндоскопа капсульного типа. Конструкция имеет три катушки, которые создают магнитное поле в направлениях, ортогональных одно другому; датчик силы тяжести, который определяет направление вектора гравитации; блок переключения катушек, который выбирает катушку, создающую магнитное поле направлении гравитации; и блок генератора мощности, подающего переменный ток на выбранную катушку. Данное решение имеет следующие недостатки:

- Не предусмотрены меры для подавления паразитного излучения электромагнитного поля.

- Передача данных от приемника энергии не описана.

- Одновременная зарядка нескольких устройств приема энергии не поддерживается.

Патентная заявка США №2011/0046438 [9] описывает систему беспроводной передачи энергии, которая включает в себя: множество передающих антенн, каждая из которых включает в себя резонансный контур из передающей катушки и конденсатора, каждая передающая антенна расположена так, чтобы генерировать магнитное поле в нужном направлении; микроконтроллер, управляющий резонансным состоянием каждой передающей антенны, множество блоков генерации мощности, связанных с множеством передающих антенн и управляющих каждой из множества передающих антенн; и блок питания множества блоков генерации мощности. Данное решение имеет следующие недостатки:

- Не предусмотрены меры для подавления паразитного излучения электромагнитного поля.

- Передача данных от приемника энергии не описана.

- Одновременная зарядка нескольких устройств приема энергии не поддерживается.

Патент США №8304935 [10] описывает систему беспроводной передачи энергии, содержащую передающий резонатор, связанный с источником энергии, и приемный резонатор, расположенный на расстоянии от передающего резонатора. Передающий резонатор и приемный резонатор связаны в ближнем поле для обеспечения беспроводной передачи энергии между передающим резонатором и приемный резонатором; поле, по меньшей мере, одного из передающего и приемный резонаторов имеет форму, огибающую объект, вызывающий потери энергии. Данное решение имеет следующие недостатки:

- Не предусмотрены меры для подавления паразитного излучения электромагнитного поля.

- Способ сокращения площади, необходимой для беспроводной передачи энергии большому количеству мобильных устройств, не указан.

Сходные решения описаны в патенте США №7948208 [11] и в патентной заявке США №2011/0221385 [12], однако в качестве прототипа было выбрано техническое решение, описанное в патенте США №7952322 [13], где предложена система зарядки, основанная на применении портативного индуктивного источника питания в виде устройства или модуля для использования в питании или для зарядки электрических, электронных, питаемых от батареи, мобильных и других устройств. В соответствии с вариантом реализации, система включает в себя базовый блок в форме стола или аналогичной поверхности, содержащей передатчик энергии. Передатчик энергии создает переменное магнитное поле путем подачи переменного тока на обмотку, катушку, или любой тип токоведущих проводов. Наличие электронных устройств, поддерживающих беспроводную зарядку и расположенных близко и по центру относительно одной или нескольких первичных катушек базового блока, обнаруживается путем контроля тока, проходящего через одну или несколько первичных катушек. Для исключения влияния электромагнитного поля, созданного передатчиком энергии на проводящие части приемного устройства, предлагается обеспечить расстояние между приемной катушкой и другими проводящими частями или использовать ферритовый материал между приемной катушкой и проводящими частями приемного устройства. Данное решение имеет следующие недостатки:

- Не предусмотрены меры для подавления паразитного излучения электромагнитного поля.

- Способ сокращения площади, необходимой для беспроводной передачи энергии большому количеству приемных устройств, не указан.

- Свободная ориентация приемных устройств, принимающих энергию, не поддерживается.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке беспроводной многопозиционной зарядной системы для различных мобильных устройств, снабженных аккумуляторами, отличающейся пониженным излучением в дальнюю зону, отсутствием паразитной электромагнитной интерференции, произвольным расположением заряжаемых мобильных устройств.

Технический результат достигается за счет создания системы беспроводной зарядки мобильных устройств, включающей в себя: многопозиционное зарядное устройство с одной или несколькими зарядными ячейками, образованными одной или несколькими структурами передающих катушек индуктивности и цепью электропитания передающих катушек; устройство приема энергии, содержащее цепь электропитания и приемную катушку индуктивности, отличающейся тем, что

- зарядные ячейки образованы окружающими их с, по меньшей мере, двух сторон структурами передающих катушек, обеспечивающими зарядку и/или электропитание устройств приема энергии, расположенных при любой трехмерной ориентации в зарядных ячейках, за счет генерации равномерно распределенного магнитного поля;

- структуры передающих катушек размещены вокруг зарядной ячейки таким образом, что распределение магнитного поля определяется положением и трехмерной ориентацией устройств приема энергии внутри зарядной ячейки за счет вторичных наведенных токов на металлических поверхностях устройств приема энергии;

- структуры передающих катушек размещены вокруг зарядной ячейки таким образом, что магнитные поля, генерируемые токами в частях структуры передающих катушек, взаимно вычитаются вне зарядной ячейки и суммируются внутри зарядной ячейки в области расположения устройств приема энергии.

В предлагаемой беспроводной многопозиционной зарядной системе, проблема электромагнитной совместимости и подавления паразитного излучения электромагнитного поля решаются с помощью:

- расположения структур передающих катушек таким образом, что магнитное поле локализуется внутри структуры и не выходит за пределы зарядной системы.

К основным преимуществам заявляемого изобретения относятся:

- Ослабление излучения в дальнюю зону и исключение паразитной электромагнитной интерференции за счет взаимного расположения частей структур передающих катушек.

- Возможность беспроводной зарядки нескольких мобильных устройств одновременно. При этом используется набор структур передающих катушек, в котором каждое мобильное устройство магнитно связано с соответствующей структурой передающей катушки. Для того чтобы мобильные устройства могли получать электрическую энергию, они должны находиться в ячейке зарядного устройства, окруженной структурой передающей катушки.

- Реализация беспроводной многопозиционной зарядной системы с перестраиваемым согласованием нагрузочного импеданса и электропитанием набора структур передающих катушек, обеспечивающей генерирование магнитного потока в одной или нескольких ячейках зарядного устройства.

- Электромагнитное поле заключено внутри системы беспроводной многопозиционной зарядки мобильных устройств. Излучение в дальнюю волновую зону подавляется за счет конструкции набора структур передающих катушек. При этом, предлагаемая система обеспечивает эффективное решение проблемы электромагнитной совместимости и обеспечивает защиту человека от воздействия электромагнитного излучения.

Система беспроводной многопозиционной зарядки мобильных устройств (далее - система) включает в себя беспроводное многопозиционное зарядное устройство (далее - зарядное устройство), предназначенное для электропитания или зарядки одного или более устройств приема энергии.

Под термином «устройство приема энергии» следует понимать электрическое, электронное, с аккумуляторным электропитанием, преимущественно мобильное устройство, способное потреблять энергию или заряжаться беспроводным способом через магнитное поле.

В одном из вариантов реализации, система включает в себя следующие части. Первая часть - зарядное устройство. Оно включает в себя набор структур передающих катушек, формирующих набор ячеек зарядного устройства. Устройства приема энергии при беспроводной зарядке располагаются в этих ячейках.

Каждая ячейка зарядного устройства окружена структурой передающей катушки не менее чем с двух сторон так, что в них амплитуда плотности магнитного потока максимальна между устройствами приема энергии, помещенными в эту ячейку, и соответствующими частями структуры передающей катушки.

Каждое мобильное устройство располагается так, чтобы его приемная катушка находилась в одной из ячеек зарядного устройства и была связана со структурой передающей катушки. В этом случае каждая приемная катушка локализована в области с интенсивным потоком магнитного поля, возбужденного соответствующей структурой передающей катушки.

Второй частью системы является устройство приема энергии, способное получать электропитание или заряжаться с помощью приемной катушки. Когда устройство приема энергии помещается в ячейку зарядного устройства, приемная катушка и соответствующая структура передающей катушки связываются магнитным потоком, проходящим через обе катушки. Таким образом, магнитный поток, создаваемый структурой передающей катушки, индуцирует ток в приемной катушке, и энергия передается в устройство приема энергии. Устройство приема энергии содержит выпрямитель, подключенный к приемной катушке, и цепь электропитания, включающую схему заряда аккумулятора.

В одном из вариантов реализации зарядное устройство включает в себя встроенную схему электропитания для возбуждения магнитного поля с помощью набора структур передающих катушек.

В некоторых вариантах реализации, набор структур передающих катушек получает энергию посредством блока согласования передатчика, подключенного к соответствующим структурам передающих катушек. Блок согласования передатчика обеспечивает распределение мощности и согласование импеданса для каждой структуры передающей катушки. В соответствии с вариантом реализации, схема распределения мощности и согласования импеданса включает в себя следующие компоненты: источник электропитания, питающий один или несколько радиочастотных генераторов мощности, блоки согласования передатчика и переключатели. Эти компоненты определяют плотность тока и направление тока в каждой структуре передающей катушки, следовательно, они определяют распределение плотности генерируемого магнитного потока и количество активных ячеек зарядного устройства.

В соответствии с другим вариантом реализации, каждая структура передающей катушки получает энергию от соответствующей цепи электропитания.

В некоторых вариантах реализации используется алгоритм, автоматически определяющий положение устройства приема энергии. После определения положения изменяется распределение интенсивности магнитного потока в соответствующих ячейках зарядного устройства.

Фиг.1 - упрощенный внешний вид системы беспроводной многопозиционной зарядки мобильных устройств с различными примерами структур передающих катушек в соответствии с вариантом реализации изобретения.

Фиг.2 - схема расположения набора структур передающих катушек, образующих ячейки зарядного устройства, в которых возможна эффективная беспроводная передача энергии; части структур передающих катушек подключены последовательно и параллельно.

Фиг.3 - схема подключения цепи электропитания к набору структур передающих катушек и подключения приемной катушки к схеме заряда и к аккумулятору.

Фиг.4 - распределение магнитного поля, генерируемого различными конфигурациями структуры передающей катушки. (4.1) - для плоской структуры передающей катушки, (4.2) - для структуры передающей катушки, токи в частях которой разнонаправлены; (4.3) - для структуры передающей катушки, токи в частях которой сонаправленны.

Внешний вид системы 100, использующей электромагнитную индукцию, в соответствии с настоящим изобретением показан на Фиг.1. Система 100 включает в себя зарядное устройство 110 и несколько устройств 120 приема энергии. Зарядное устройство ПО включает в себя несколько зарядных ячеек 111, 112, 113. Каждое устройство 121 - 123 приема энергии либо включает в себя аккумулятор и средства для его беспроводной зарядки, либо работает, непосредственно получая энергию от зарядного устройства 110.

Аккумулятор, установленный в устройстве 120 приема энергии, является перезаряжаемым, таким как литий-ионный, литий-полимерный или другого типа. Зарядное устройство 110 принимает электрическую энергию от внешнего источника электропитания и генерирует магнитное поле для беспроводной зарядки аккумулятора устройства 120 приема энергии. В соответствии с Фиг.1 (вид 1.1), зарядное устройство 110 выполнено в виде ряда вертикальных параллельных зарядных ячеек 111, 112, 113, предназначенных для размещения устройств 120 приема энергии, тем не менее, оно может принимать различные формы (см. Фиг.1, вид 1.2). Зарядное устройство 110 включает в себя набор структур передающих катушек 210, каждое устройство 120 приема энергии включает в себя приемную катушку 130.

Каждое устройство 120 приема энергии включает в себя экранирующую поверхность 131, изолирующую одну сторону приемной катушки 130 от магнитного поля, генерируемого соответствующей структурой передающей катушки 210. Экранирующая поверхность 131 состоит из магнитопроводящих материалов, электропроводных материалов или их комбинации.

В соответствии с вариантом реализации, показанным на Фиг.1, вид 1.1, каждая зарядная ячейка 111, 112 или 113 окружена структурой передающей катушки 210, состоящей из двух параллельно расположенных частей 211 и 212. Токи, текущие по частям 211 и 212 структуры передающей катушки 210, направлены так, что магнитные поля, генерируемые структурой передающей катушки 210, взаимно вычитаются во всех точках пространства за исключением положения устройств 120 приема энергии внутри зарядного устройства 110.

На Фиг.2 представлена схема расположения набора структур передающих катушек 210 и зарядных ячеек 111, 112 зарядного устройства 110. В зарядных ячейках 111, 112 возможна эффективная беспроводная передача энергии. Каждая структура передающей катушки 210 состоит из частей 211, 212, окружающих зарядную ячейку 111 не менее чем с двух сторон. В этом случае амплитуда плотности магнитного потока максимальна между устройствами 120 приема энергии, помещенными в ячейку 111, и соответствующими частями 211 или 212 структуры передающей катушки 210. Таким образом, устройства 120 приема энергии, размещенные в зарядных ячейках 111, 112, обеспечиваются электропитанием или заряжаются беспроводным способом.

Фиг.3 иллюстрирует схему подключения цепи электропитания к набору структур передающих катушек 210 и подключения приемной катушки 321 к схеме 331 заряда и к аккумулятору 371. В соответствии с вариантом реализации, зарядное устройство 110 включает в себя цепь 310 электропитания, подключенную к набору структур передающих катушек 210 и, таким образом, определяющую интенсивность и пространственное распределение генерируемого магнитного поля.

В соответствии с вариантом реализации, цепь 310 электропитания включает в себя следующие компоненты: источник 311 электропитания, радиочастотный генератор 312 мощности, переключатель 313 и блок 314 согласования передатчика. Цепь 310 электропитания используется для распределения энергии и согласования импеданса в наборе структур передающих катушек 210.

Источник 311 электропитания питает радиочастотный генератор 312 мощности напряжением постоянного тока. Радиочастотный генератор 312 мощности генерирует переменный ток и подает его на вход блоков 314 согласования передатчика посредством переключателей 313.

В другом варианте реализации в цепи 310 электропитания отсутствуют переключатели 313. В этом случае, один или несколько радиочастотных генераторов 312 мощности подключены к входам блоков 314 согласования передатчика.

Как показано на Фиг.3, решетка из N структур передающих катушек 210 питается от N блоков 314 согласования передатчика. Блоки 314 согласования передатчика обеспечивают распределение мощности и согласование импеданса для каждой из структур передающих катушек 210.

Зарядные ячейки 111, 112 (см. Фиг.2) образуются в объеме между частями 211, 212 структуры передающей катушки 210. Каждое из устройств 121, 122 приема энергии размещено таким образом, что его приемная катушка 321 (см. Фиг.3) находится в одной из зарядных ячеек 111, 112 и связана по магнитному полю с соответствующей структурой передающей катушки 210. В этом случае приемная катушка 321, 322 локализована в зоне интенсивного магнитного потока, генерируемого одной из структур передающей катушки 210.

Как показано на Фиг.3, устройство 121 приема энергии содержит приемную катушку 321, схему 331 заряда и аккумулятор 371. Приемная катушка 321 индуктивно связана с соответствующей структурой передающей катушки 210. Таким образом, магнитное поле, создаваемое структурой передающей катушки 210, индуцирует ток в приемной катушке 321. Схема 331 заряда предназначена для зарядки аккумулятора 371 за счет энергии, принятой приемной катушкой 321.

В данном описании термин «схема 331 заряда» интерпретируется как «схема электропитания» и для случая зарядки аккумулятора 371 и для случая непосредственного электропитания устройства 121 приема энергии.

В соответствии с вариантом реализации, схема 331 заряда обеспечивает электропитание устройства 121 приема энергии или зарядку его аккумулятора 371 или выполняет оба действия одновременно. Схема 331 заряда включает в себя любые подходящие компоненты. Энергия, принятая приемной катушкой 321 от соответствующей структуры передающей катушки 210, поступает в выпрямитель 351 посредством блока 341 согласования приемника. Выпрямитель 351 подключен к регулятору 361 электропитания. Регулятор 361 электропитания реализует различные функции, в том числе: стабилизацию напряжения для электропитания устройства 121 приема энергии, измерение параметров аккумулятора 371 (напряжение, ток, мощность). Требуемый режим зарядки аккумулятора 371 запрограммирован в регуляторе 361 электропитания. Выполнение этих функций основывается на корректном регулировании тока на выходе выпрямителя 351, в приемной катушке 321 и структуре передающей катушки 210.

В соответствии с вариантом реализации, одно или более устройств 120 приема энергии находится в зарядном устройстве 110 в одной или более зарядной ячейке 111, 112 (см. Фиг.1, 2). Зарядное устройство 110 распознает местоположение каждого из устройств 120 приема энергии в соответствии с одним из перечисленных ниже алгоритмов реализации автоматического обнаружения.

В некоторых вариантах реализации, зарядное устройство 110 и устройства 120 приема энергии (см. Фиг.1) связываются друг с другом для передачи данных. Методы, используемые в сетях связи, такие как RFID, NFC, Bluetooth, Bluetooth low-energy (BLE), Zig-Bee, 2,4 ГГц Ant + или любой другой способ передачи информации применимы для автоматического обнаружения устройств 120 приема энергии.

В соответствии с вариантом реализации, различные типы антенн применимы для приемопередатчика данных зарядного устройства 110 и одним или более устройством 120 приема энергии (см. Фиг.1). Эти антенны предназначены для передачи информации о присутствии устройства 120 приема энергии, его идентификационных данных и параметров емкости аккумулятора и режима зарядки.

В некоторых вариантах реализации, антенны интегрированы со структурами передающих катушек 210 и с приемными катушками 321 (см. Фиг.3). В другом варианте реализации, антенны передачи данных применяются отдельно от катушек беспроводной передачи энергии.

В соответствии с вариантом реализации, алгоритм автоматического обнаружения используется для определения позиции одного или более устройств 120 приема энергии (см. Фиг.1). В некоторых вариантах реализации, алгоритм работает следующим образом. В ненагруженном режиме зарядное устройство 110 реализует пониженное энергопотребление. Передающие катушки 210 в заданные интервалы времени кратковременно передают энергию для активации устройств 120 приема энергии. Затем зарядное устройство 110 ожидает обратный сигнал от устройств 120 приема энергии, которые находятся в соответствующих активных зарядных ячейках 111, 112 (см. Фиг.2). После обнаружения одного или нескольких устройств 120 приема энергии, зарядное устройство 110 начинает обмен информацией с каждым из них. Информационная посылка включает в себя: идентификационный код, с помощью которого проверяется совместимость устройств 110 и 120; уровень мощности, требуемый для каждого устройства приема энергии, и характеристики требуемых режимов передачи энергии для каждого устройства.

В другом упрощенном варианте реализации отсутствует необходимость в передаче информации между одним или более устройствами 120 приема энергии и зарядным устройством 110. В некоторых вариантах реализации зарядное устройство 110 определяет присутствие устройства 120 приема энергии путем обнаружения изменений в состоянии цепи 310 электропитания (см. Фиг.2, 3) некоторых передающих катушек 210, когда устройство 120 приема энергии находится в одной из зарядных ячеек 111, 112. В других вариантах реализации присутствие устройства 120 приема энергии определяется с помощью ряда датчиков, таких как емкостные, магнитные, оптические или другие датчики, которые способны определить наличие устройств в зарядных ячейках 111.

После обнаружения устройства 120 приема энергии, зарядное устройство 110 активирует соответствующую структуру передающей катушки 210 для перераспределения магнитного поля и реализации беспроводной передачи энергии через соответствующие зарядные ячейки 111, 112 (см. Фиг.2, 3) в соответствующую приемную катушку 321 или 322 и, следовательно, в схему 331 или 332 заряда.

Блоки 314 согласования передатчика обеспечивают согласование импеданса выхода радиочастотного генератора 312 мощности с каждой передающей катушкой. Плотности токов в каждой катушке определяются импедансом соответствующих блоков 314 согласования передатчика и состояниями переключателей 313.

На Фиг.4 показаны примеры распределения плотности магнитного поля, генерируемого различными конфигурациями структуры передающей катушки 210. На Фиг.4 (вид 4.1) показан пример распределения плотности магнитного поля для плоской структуры передающей катушки 210, расположенной с одной стороны устройства 120 приема энергии. Подобная конфигурация структуры передающей катушки 210 наиболее распространена в существующих устройствах беспроводной передачи энергии, в том числе многопозиционных беспроводных зарядных устройствах.

На Фиг.4 (вид 4.2) показан пример распределения плотности магнитного поля для структуры передающей катушки 210, в которой токи в частях 211 и 212, расположенных с двух сторон устройства 120 приема энергии, разнонаправлены. На Фиг.4 (вид 4.3) показан пример распределения плотности магнитного поля для структуры передающей катушки 210, в которой токи в частях 211 и 212, расположенных с двух сторон устройства 120 приема энергии, сонаправлены. Из сравнения видов 4.2 и 4.3 видно, что в случае разнонаправленных токов в частях 211 и 212 структуры передающей катушки 210 магнитное поле ослабляется в области внутри зарядной ячейки 111 и за ее пределами; при этом амплитуда плотности магнитного потока максимальна между устройством 120 приема энергии и частью 211 структуры передающей катушки 210.

В некоторых вариантах реализации, зарядное устройство 110 обеспечивает увеличение количества зарядных ячеек 111 (см. Фиг.2), а также другие функции. Например, базовая версия зарядного устройства 110 обеспечивает зарядку одного устройства 120 приема энергии. Однако зарядка нескольких устройств 120 приема энергии одновременно реализуется путем добавления второго модуля. Каждый модуль должен поддерживать одну или более зарядных ячеек, формируемых соответствующими компонентами, включая набор структур передающих катушек 210 (см. Фиг.2) с блоком цепи 310 электропитания (см. Фиг.3).

В некоторых вариантах реализации, зарядное устройство 110 расширяемо для зарядки различных устройств 120 приема энергии с малым или высоким энергопотреблением путем стыковки модулей различных типов. Некоторые модули оптимизированы специально для устройств либо с низким, либо с высоким энергопотреблением за счет конфигурации набора структур передающих катушек 210 (см. Фиг.2).

В соответствии с вариантом реализации, зарядное устройство 110 включает в себя различные дополнительные функции, некоторые из которых перечислены ниже.

В некоторых вариантах реализации, в зарядном устройстве 110 предусмотрена звуковая и/или визуальная индикация для информирования пользователя о статусе устройств 120 приема энергии, времени и состоянии процесса зарядки аккумулятора, входящих звонках и сообщениях, или о другой информации. Индикация информации от устройств 120 приема энергии реализовано в зарядном устройстве 110 звуковым и/или визуальным способом.

Следует упомянуть некоторые дополнительные опциональные возможности зарядного устройства. В частности, в зарядное устройство целесообразно встраивать источник ультрафиолетового излучения для дезинфекции заряжаемого устройства путем уничтожения микроорганизмов на поверхности мобильного устройства. Кроме того, могут встраиваться средства защиты от неблагоприятных внешних условий, таких как пыль или высокая влажность воздуха.

Заявляемое зарядное устройство предназначено для одновременной зарядки двух или более электронных устройств, в том числе сотовых телефонов, смартфонов, наушников, аудио- или видеоплееров, планшетных компьютеров, электронных книг или любых других переносных электронных устройств, способных потреблять энергию или заряжаться беспроводным способом.

Характерные особенности изобретения: компактная структура для одновременной высокоэффективной зарядки нескольких устройств приема энергии; равномерность эффективности передачи энергии для различных позиций и ориентации устройств приема энергии; и практически нулевой уровень паразитного электромагнитного излучения резонаторов.

Необходимо иметь в виду, что заявляемое изобретение представлено в иллюстративной форме и не должно толковаться, как ограничение области применения. Существо заявляемого изобретения представлено в формуле изобретения.

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к системам и устройствам для беспроводной передачи энергии, предназначенным для одновременной зарядки нескольких мобильных устройств. Технический результат - возможность зарядки различных мобильных устройств с пониженным излучением в дальнюю зону. Заявлена система беспроводной зарядки мобильных устройств, включающая в себя: многопозиционное зарядное устройство с одной или несколькими зарядными ячейками, образованными одной или несколькими структурами передающих катушек индуктивности и цепью электропитания передающих катушек; устройство приема энергии, содержащее цепь электропитания и приемную катушку индуктивности, отличающаяся тем, что зарядные ячейки образованы окружающими их с, по меньшей мере, двух сторон структурами передающих катушек, обеспечивающими зарядку и/или электропитание устройств приема энергии, расположенных при любой трехмерной ориентации в зарядных ячейках, за счет генерации равномерно распределенного магнитного поля; структуры передающих катушек размещены вокруг зарядной ячейки таким образом, что распределение магнитного поля определяется положением и трехмерной ориентацией устройств приема энергии внутри зарядной ячейки за счет вторичных наведенных токов на металлических поверхностях устройств приема энергии; структуры передающих катушек размещены вокруг зарядной ячейки таким образом, что магнитные поля, генерируемые токами в частях структуры передающих катушек, взаимно вычитаются вне зарядной ячейки и суммируются внутри зарядной ячейки в области расположения устройств приема энергии. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система беспроводной зарядки мобильных устройств, включающая в себя: многопозиционное зарядное устройство с одной или несколькими зарядными ячейками, образованными одной или несколькими структурами передающих катушек индуктивности и цепью электропитания передающих катушек; устройство приема энергии, содержащее цепь электропитания и приемную катушку индуктивности, отличающаяся тем, что
- зарядные ячейки образованы окружающими их с, по меньшей мере, двух сторон структурами передающих катушек;
- структуры передающих катушек обеспечивают зарядку и/или электропитание устройств приема энергии, расположенных и произвольно трехмерно ориентированных в зарядных ячейках, за счет генерации равномерно распределенного магнитного поля;
- структуры передающих катушек размещены вокруг зарядной ячейки таким образом, что распределение магнитного поля определяется положением и трехмерной ориентацией устройств приема энергии внутри зарядной ячейки за счет вторичных наведенных токов на металлических поверхностях устройств приема энергии;
- структуры передающих катушек размещены вокруг зарядной ячейки таким образом, что магнитные поля, генерируемые токами в частях структуры передающих катушек, взаимно вычитаются вне зарядной ячейки и суммируются внутри зарядной ячейки в области расположения устройств приема энергии.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что цепь электропитания в указанном беспроводном многопозиционном зарядном устройстве выполнена с возможностью распределения мощности и согласования импеданса набора структур передающих катушек и содержит:
- источник электропитания;
- радиочастотный генератор мощности, выполненный с возможностью генерации переменного тока и подачи тока на входы блоков согласования передающих катушек;
- блоки согласования передающих катушек, выполненные с возможностью согласования импеданса выходов радиочастотного генератора мощности и каждой передающей катушки;
- переключатели, выполненные с возможностью соединения каждой схемы согласования передающей катушки с соответствующей структурой передающей катушки.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что цепь электропитания в указанном беспроводном многопозиционном зарядном устройстве включает в себя радиочастотные генераторы мощности, выходы которых подключены к входам блоков согласования передающих катушек.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанная цепь электропитания устройства приема энергии дополнительно включает в себя:
- блок согласования устройства приема энергии, выполненный с возможностью согласования импеданса между устройством приема энергии и входом выпрямителя;
- выпрямитель, выход которого подключен к входу блока согласования;
- регулятор электропитания, выполненный с возможностью регулирования тока выпрямителя для обеспечения требуемого режима зарядки аккумулятора;
- перезаряжаемый аккумулятор.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что включает в себя устройство автоматического определения присутствия мобильного устройства в зарядной ячейке за счет выявления изменений в состоянии цепи электропитания передающих катушек или с помощью датчиков.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что беспроводное многопозиционное зарядное устройство и устройство приема энергии связаны друг с другом для передачи данных с использованием стандартов передачи данных, таких как RFID, NFC, Bluetooth, Bluetooth low-energy (BLE), Zig-Bee, 2,4 ГГц Ant + или любых других способов передачи информации.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что беспроводное многопозиционное зарядное устройство и устройство приема энергии включают в себя антенны, выполненные с возможностью передачи информации о присутствии устройства приема энергии, его идентификационных данных и требований к зарядке устройств, таких как емкость аккумулятора и режим зарядки.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что одна антенна интегрирована с передающей катушкой беспроводного многопозиционного зарядного устройства, а вторая - с приемной катушкой устройства приема энергии.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что беспроводное многопозиционное зарядное устройство дополнительно снабжено экранирующей структурой, окружающей набор структур передающих катушек и выполненной с возможностью подавления паразитного излучения и обеспечения электромагнитной совместимости.

10. Система по п.9, отличающаяся тем, что поверхности указанной экранирующей структуры выполнены из тонких пленок феррита, искусственных магнитопроводящих материалов, электропроводных материалов или их комбинации.

11. Система по п.9, отличающаяся тем, что указанная экранирующая структура беспроводного многопозиционного зарядного устройства выполнена с возможностью защиты устройства приема энергии от пыли, брызг воды и других воздействий окружающей среды.

12. Система по п.9, отличающаяся тем, что увеличение количества зарядных ячеек для одновременной зарядки большего числа устройств приема энергии обеспечивается за счет присоединения одного модуля к другому, при этом каждый дополнительный модуль поддерживает одну или несколько одной зарядной ячейки.

13. Система по п.12, отличающаяся тем, что дополнительные модули выполнены с возможностью зарядки устройств различной мощности.

14. Система по п.1, отличающаяся тем, что беспроводное многопозиционное зарядное устройство дополнительно содержит источник ультрафиолетового излучения в одной или нескольких зарядных ячейках для дезинфекции устройств приема энергии во время беспроводной зарядки.

15. Система по п.1, отличающаяся тем, что беспроводное многопозиционное зарядное устройство дополнительно содержит средства контроля влажности воздуха, выполненные с возможностью защиты устройств приема энергии, чувствительных к перепадам влажности.

16. Система по п.1, отличающаяся тем, что беспроводное многопозиционное зарядное устройство дополнительно содержит средства звуковой и/или визуальной индикации, выполненные с возможностью информирования пользователя о статусе устройств приема энергии, времени и состоянии процесса зарядки аккумулятора, входящих звонках и сообщениях, или о любой другой информации.

17. Система по п.1, отличающаяся тем, что в указанном беспроводном многопозиционном зарядном устройстве значительная часть каждого устройства приема энергии доступна для тактильного управления пользователем во время беспроводной зарядки.