CN113994566A - 用于移动终端设备的容纳单元和用于给移动终端设备的蓄能器充电的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于移动终端设备(12)的容纳单元(10)，其中，移动终端设备具有用于给蓄能器(26)进行无接触充电的充电线圈(14)，其中，容纳单元(10)包括供电输入端(16)和用于产生与充电线圈(14)共振感应的耦合的发送单元(18)，其特征在于，容纳单元(10)包括开关单元(20)和容纳单元(22)，用于产生与用于给移动终端设备(12)进行无接触充电的外部充电站(24)的共振感应的耦合；其中，开关单元(20)与供电输入端(16)电连接；其中，开关单元(20)在第一开关状态下将发送单元(18)与供电输入端(16)电连接，并且在第二开关状态下将发送单元(18)与接收单元(22)电连接。本发明提供一种容纳单元(10)，其避免对外部磁场的屏蔽并且借助外部无接触的充电设备能够实现对布置在容纳单元(10)中的移动终端设备(12)进行充电。

Description

用于移动终端设备的容纳单元和用于给移动终端设备的蓄能 器充电的系统

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于移动终端设备的容纳单元以及一种根据权利要求8所述的用于给移动终端设备的蓄能器充电的系统。

背景技术

为了给移动终端设备、例如智能手机的蓄电池充电，可以利用无线充电方法，在此将能量以共振感应耦合的方式传输。移动终端设备在此可以具有接收器连同线圈，借助接收器连同线圈可以从外部充电设备给移动终端设备无线充电。外部充电设备包含发送器连同线圈并且由电压源供能，该电压源通常连接到所述外部充电设备的USB端口上。安装在移动终端设备中的接收器的所需的线圈(其用于接收传输能量的磁场)通常位于移动终端设备的后侧上。关于用户友好性非常重要的是，插入在其容纳单元中的移动终端设备也可以从外部充电设备被无线充电，而不会由于使用容纳单元而显著地延长充电时间。如果从外部充电设备发出的磁场不显著地被容纳单元干扰，则满足该要求。这是如下情况，即容纳单元由塑料构成并且在如下区域中不包含弱化磁场的材料，该区域覆盖用于在那里的接收器的安装在移动终端设备中的线圈的平行布置的面。

然而，存在如下应用情况：其中塑料的容纳单元自身包含安装的发送器连同线圈。在此将发送器连同线圈安装到容纳单元中，以便可以在自行车骑行期间给插入在容纳单元中的移动终端设备无线充电。为此，给移动终端设备提供专门设计的容纳单元，该容纳单元获得由外部设备通过电触点提供的用于安装在容纳单元中的发送器的运行电压。在此，容纳单元的供电输入端与外部设备的供电输出端连接。

在此，线圈具有磁屏蔽件，该磁屏蔽件将外磁场与移动终端设备的接收器的线圈屏蔽，该外磁场不由容纳单元中的发送器的线圈发出。因此，在已知的容纳单元的情况下，使布置在容纳单元中的移动终端设备的无接触充电在不存在具有供电输出端的外部设备的情况下变慢。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种容纳单元，其避免对外部磁场的屏蔽并且借助外部的无接触充电设备能够实现对布置在容纳单元中的移动终端设备进行充电。

本发明的主要特征在权利要求1和8中提出。权利要求2至7以及说明书的内容是设计方案。

本发明涉及一种用于移动终端设备的容纳单元，所述移动终端设备具有用于给蓄能器无接触充电的充电线圈，其中，所述容纳单元包括供电输入端和用于产生与充电线圈共振感应地耦合的发送单元，在此设置，容纳单元包括开关单元和接收单元，该接收单元用于产生与用于移动终端设备的无接触充电的外部充电站的共振感应的耦合，其中，开关单元与供电输入端电连接，其中，开关单元在第一开关状态下将发送单元与供电输入端电连接，而在第二开关状态下将发送单元与接收单元电连接。

通过本发明借助容纳单元构建与外部充电站的共振感应的耦合。通过开关单元在接收单元上存在电压的情况下建立与发送单元的连接，该发送单元构建与移动终端设备的充电线圈的共振感应的耦合。屏蔽可以由此借助接收单元克服或避开，使得能够实现通过外部充电站的发送线圈进行无接触充电。如果外部充电设备通过供电输出端经由电触点提供电压，则开关单元可以建立供电输入端和发送单元之间的连接。发送单元然后通过供电输入端被供给电压。由此提供这样的容纳单元，该容纳单元避免对外部磁场的屏蔽并且借助外部的无接触充电设备能够实现对布置在容纳单元中的移动终端设备进行充电。

根据一个进一步的构型，开关单元在供电输入端上存在高于第一预定的阈值的电压时过渡到第一开关状态中。

第一预定的阈值例如可以在2伏特至12伏特之间、优选地在3伏特至10伏特之间、更优选地为5伏特。由此避免：极低电压引起开关单元过渡到第一开关状态中。此外，由此能够实现，如果在供电输入端上存在足够的供电电压，则开关单元过渡到第一开关状态中，以便对容纳单元中的移动终端设备进行充电。

此外，开关单元可以在接收单元上存在高于第二预定的阈值的电压时过渡到第二开关状态中。

第二预定的阈值同样可以为例如在2伏特至12伏特之间、优选地在3伏特至10伏特之间、更优选地为5伏特。由此避免：极低电压引起开关单元过渡到第二开关状态中。此外，由此能够实现，如果接收单元提供足够的电压，即从外部的无接触充电设备获得足够能量，则开关单元过渡到第二开关状态中，以便对容纳单元中的移动终端设备进行充电。

此外，在一个实施方式中设置，容纳单元具有发送线圈、接收线圈和与发送线圈连接的磁屏蔽元件，该磁屏蔽元件布置在发送线圈和接收线圈之间，其中，发送线圈与发送单元电连接，而接收线圈与接收单元电连接。

在此，发送线圈布置在磁屏蔽元件和移动终端设备之间。磁屏蔽元件引起由发送线圈产生的磁场的集中。这提高了给移动终端设备的能量传输的效率。此外，借助磁屏蔽元件将由发送线圈发射的磁场或发射的电磁射线以远离移动终端设备指向的取向屏蔽。接收线圈布置在磁屏蔽元件的远离移动终端设备指向的一侧上。由此，接收线圈可以从由外部的无接触充电设备产生的磁场获得能量。通过由开关单元产生的、在接收线圈和发送线圈之间的连接由此克服或避开磁屏蔽元件。

在此，接收线圈可以与磁屏蔽元件连接。

接收线圈和发送线圈由此利用同一磁屏蔽元件。磁屏蔽元件引起由接收线圈接收的磁场的集中，并且提高在外部的无接触充电设备和接收线圈之间能量传输的效率。

在一个替代的实施方式中，容纳单元可以具有在接收线圈和磁屏蔽元件之间的第二磁屏蔽元件，其中，第二磁屏蔽元件与接收线圈连接。

由此避免：在构造为非常薄的磁屏蔽元件的情况下，如果不但在接收线圈上而且在发送线圈上存在强磁场，则通过磁屏蔽元件产生磁短路。

在此，可以在磁屏蔽元件和第二磁屏蔽元件之间布置有至少一个具有低导磁率的间隔保持件。

由此在两个磁屏蔽元件之间产生气隙，该气隙降低磁短路的概率。此外，具有低导磁率的间隔保持件引起该概率的降低。

此外，本发明涉及一种用于给移动终端设备的蓄能器充电的系统，其中，该系统具有根据之前所说明的容纳单元和用于该容纳单元的充电支架，其中，充电支架具有供电输出端，其中，容纳单元布置在充电支架中并且供电输入端与供电输出端电连接。

系统的优点和效果以及扩展方式由上面所说明的容纳单元的优点和效果以及扩展方式得出。因此在该方面参考上述说明。

此外，本发明涉及一种用于控制根据上述权利要求之一所述的用于移动终端设备的容纳单元的开关单元的方法，其中，所述方法具有如下步骤：如果接收单元与外部充电站共振感应地耦合，则将容纳单元的发送单元与容纳单元的接收单元连接；以及，如果在供电输入端上存在供电电压，则将发送单元与容纳单元的供电输入端连接。

方法的优点和效果以及扩展方式由上面所说明的容纳单元的优点和效果以及扩展方式得出。因此在该方面参考上述说明。

此外，方法可以具有如下步骤：如果接收单元不与外部充电站共振感应地耦合，则将发送单元与接收单元分离；以及，如果在供电输入端上不存在供电电压，则将发送单元与供电输入端分离。

附图说明

本发明的另外的特征、细节和优点根据附图由权利要求的内容以及对实施例的如下描述得出。附图示出了：

图1：容纳单元的示意图；

图2：开关单元的示例性开关电路的示意图；

图3a、b：另一实施例的不同视图的示意图；

图4a、b：系统和容纳单元的示意图；和

图5：方法的流程图。

具体实施方式

图1a示出布置在移动终端设备12和外部的无接触充电设备24之间的容纳单元10。移动终端设备12例如可以是具有用于蓄能器26的Qi充电功能的智能手机或平板电脑并且具有包括屏蔽元件38的充电线圈14。外部的无接触充电设备24例如可以是具有屏蔽元件44和发送线圈42的Qi充电设备。

容纳单元10可以由塑料构成并且具有供电输入端16和发送单元18，该发送单元用于产生与移动终端设备12的充电线圈14的共振感应地耦合。此外，容纳单元10具有开关单元20和接收单元22，该接收单元用于产生与用于对移动终端设备12进行无接触充电的外部充电站24的共振感应地耦合。

此外，容纳单元10具有发送线圈28、接收线圈30和与发送线圈28连接的磁屏蔽元件32，该磁屏蔽元件布置在发送线圈28和接收线圈30之间。在此，发送线圈28与发送单元18电连接，而接收线圈30与接收单元22电连接。在该实施例中，发送线圈28和接收线圈30两者都与磁屏蔽元件32连接。

磁屏蔽元件32可以具有铁氧体。

在开关单元20上连接有接地连接端46、50、54和直流电压连接端48、52、56。接地连接端50和直流电压连接端52将开关单元20与发送单元18连接。接地连接端54和直流电压连接端56将开关单元20与供电输入端16连接。接地连接端46和直流电压连接端48将开关单元20与接收单元22连接。

在此，如果供电输入端16与有效的外部充电设备的供电输出端连接，则直流电压连接端56可以相对于接地连接端54具有正直流电压，例如5V。

在此，开关单元20在第一开关状态下将发送单元18与供电输入端16电连接，而在第二开关状态下，开关单元20将发送单元18与接收单元22电连接。

开关单元20能够实现：其两个连接端50和52(这两个连接端提供用于安装的发送单元的运行电压)与连接端54或56连接或不连接，和/或分别与连接端46或48连接或不连接，其中，接地连接端46、50、54总是相互连接。如果在直流电压连接端48或56上的电压超过第一或第二预定的阈值，则直流电压连接端52总是与直流电压连接端48或56连接。

原则上，两个直流电压连接端48和56也可以同时与直流电压连接端52连接。然而，为此必须同时提供供电输入端16和外部充电设备的供电输出端之间的连接以及提供在接收线圈30上的发送线圈。然而实践中，这不同时发生，因为具有供电输出端的外部充电设备与外部的无接触充电设备出于空间原因相互排斥。

借助在开关单元20中如此限定的开关逻辑实现：嵌入在容纳单元10中的发送单元18或者以由具有供电输出端的外部充电设备提供的电压通过连接端54和56运行或者以由安装在容纳单元中的接收单元22提供的电压通过连接端46和48运行，其中，在连接端46和48上的电压又由通过外部的无接触充电设备发出的磁场生成。在该实现方式中，移动终端设备12总是通过安装的发送单元18连同其与磁屏蔽元件32连接的发送线圈28进行无线充电，而不取决于原始的充电能量是源自具有供电输出端的外部充电设备还是源自外部的无接触充电设备。

在图2中示例性地示出开关单元20作为具有两个相同的互补的达灵顿电路(Darlington-Schaltung)的电子开关实现。元件62和68是两个相同的NPN晶体管，元件60和66是两个相同的PNP晶体管。晶体管62和晶体管60或晶体管68和晶体管66根据互补的达灵顿电路连接。通过电阻58或64确保：如果在直流电压连接端56或48上施加有用于相应的互补的达灵顿电路的运行电压，则晶体管60或晶体管66总是导通的。如果在直流电压连接端56或48上不存在运行电压，即直流电压连接端56或48无电压地悬在空气中，则晶体管60或晶体管66阻断。导通或阻断的晶体管60或晶体管66使晶体管62或晶体管68同样导通或阻断。假设两个NPN晶体管的放大系数是B1，而两个PNP晶体管的放大系数是B2。如果如此选择电阻58或64，使得通过晶体管60或晶体管66的基极流过电流Ib2，如果晶体管60或晶体管66是导通的，则近似地电流Ib2×B1×B2流经连接到连接端52和50上的负载，即流经在连接端52和50上的负载的电流比Ib2大B1×B2倍。因为根据图3该负载正好是安装在容纳单元10中的发送单元18连同发送线圈28，所以互补的达灵顿电路确保安装在容纳单元10中的发送单元18的足够大的充电电流。如果例如在直流电压连接端56上施加电压5V，假定电阻58为10kΩ并且B1＝B2＝50，则约(5V-0.65V)/10kΩ＝0.435mA的电流流经电阻58。在通过晶体管60和晶体管62放大之后，1.0875A的电流流经连接到连接端52和50上的负载。该电流位于发送单元18的典型的输入电流的范围中，发送单元例如构造为Qi发送器。安装在容纳单元10中的发送单元18的最大消耗功率将为约(5V-0.2V)×1.0875A ＝5.22W。

如果在直流电压连接端48或56上不施加运行电压，则其电压相对于接地是零。在这种情况下，配属的互补的达灵顿电路对其它互补的达灵顿电路不产生影响，因为晶体管68或晶体管62是阻断的。如果不但在直流电压连接端48上而且在直流电压连接端56上施加运行电压(这两个运行电压不一定相同)，则不但晶体管68而且晶体管62是导通的。晶体管62和晶体管68的集电极-发射极电流的总和流经连接到连接端52和50上的负载。两个集电极-发射极电流自动地出现，使得直流电压连接端56与48之间的可能的电压差通过晶体管62和晶体管68的不同的集电极-发射极电压来补偿。始终适用的是，在直流电压连接端56上的电压减去晶体管62的集电极-发射极电压等于在直流电压连接端48上的电压减去晶体管68的集电极-发射极电压。

图3a和4b示出用于发送线圈28、磁屏蔽元件32和接收线圈30的组件的替代实施例。

代替用于两个线圈28、30的磁屏蔽元件32，接收线圈30与第二磁屏蔽元件34连接。在此，两个磁屏蔽元件32、34可以具有带有高导磁率的圆形铁氧体。在两个磁屏蔽元件32、34之间，借助至少一个间隔保持件36产生气隙。因为空气具有约为1的导磁率，所以空气比两个磁屏蔽元件32、34明显导磁更差，如果两个磁屏蔽元件32、34由铁氧体构成，则其导磁率位于300至300000之间。由此，用于发送单元18和接收单元20的磁流仅受限于磁屏蔽元件32或第二磁屏蔽元件34。气隙可以如此实现，其方式是：两个磁屏蔽元件32、34在中间例如被三个间隔保持件36间隔开，如在图3b中所示的那样。间隔保持件36可以由具有低导磁率的塑料材料构成。

在图4a中示出用于给移动终端设备12的蓄能器26进行充电的系统。在此，系统包括容纳单元10和用于容纳单元10的充电支架70。充电支架70具有供电输出端76，其中，容纳单元10布置在充电支架70中并且供电输入端16与供电输出端76电连接。

充电支架70例如可以与电动自行车的车把74连接且将移动终端设备12固定在其上。供电输出端76在此可以由用于给移动终端设备12的电动自行车的控制单元在容纳单元10中提供电压。在此可以设有覆盖件72，以便保护移动终端设备12免受天气影响。

通过在图4b中进一步示出的供电输入端16可以将容纳单元10与充电支架70的供电输出端76连接，所述充电支架需要用于给容纳单元10传输能量的导电连接。在此使开关单元20转换到第一开关状态中。

图5示出用于控制根据上述说明的用于移动终端设备的容纳单元的开关单元的方法100的流程图。所示的步骤102至108在此可以以任意逻辑上有意义的顺序执行或相应地同时执行。

在步骤102中，如果接收单元与外部充电站共振感应地耦合，则将容纳单元的发送单元与容纳单元的接收单元连接。

在步骤104中，如果接收单元不与外部充电站共振感应地耦合，则将发送单元与接收单元分离。

在步骤106中，如果在供电输入端上存在供电电压，则将发送单元与容纳单元的供电输入端连接。

在步骤108中，如果在供电输入端上不存在供电电压，则将发送单元与供电输入端分离。

Claims (10)

1.一种用于移动终端设备(12)的容纳单元，其中，所述移动终端设备(12)具有用于给蓄能器(26)无接触充电的充电线圈(14)，其中，所述容纳单元(10)包括供电输入端(16)和发送单元(18)，该发送单元用于产生与所述充电线圈(14)共振感应的耦合，其特征在于，所述容纳单元(10)具有开关单元(20)和接收单元(22)，该接收单元用于产生与外部充电站(24)的共振感应的耦合，该外部充电站用于所述移动终端设备(12)的无接触充电，其中，所述开关单元(20)与所述供电输入端(16)电连接，其中，所述开关单元(20)在第一开关状态下将所述发送单元(18)与所述供电输入端(16)电连接，并且在第二开关状态下将所述发送单元(18)与所述接收单元(22)电连接。

2.根据权利要求1所述的容纳单元，其特征在于，所述开关单元(20)在所述供电输入端(16)上存在高于第一预定的阈值的电压时过渡到所述第一开关状态中。

3.根据权利要求1或2所述的容纳单元，其特征在于，所述开关单元(20)在所述接收单元(22)上存在高于第二预定的阈值的电压时过渡到所述第二开关状态中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的容纳单元，其特征在于，所述容纳单元(10)具有发送线圈(28)、接收线圈(30)和与所述发送线圈(28)连接的磁屏蔽元件(32)，该磁屏蔽元件布置在所述发送线圈(28)和所述接收线圈(30)之间，其中，所述发送线圈(28)与所述发送单元(18)电连接，并且所述接收线圈(30)与所述接收单元(22)电连接。

5.根据权利要求4所述的容纳单元，其特征在于，所述接收线圈(30)与所述磁屏蔽元件(32)连接。

6.根据权利要求4所述的容纳单元，其特征在于，所述容纳单元(10)具有在所述接收线圈(30)和所述磁屏蔽元件(32)之间的第二磁屏蔽元件(34)，其中，所述第二磁屏蔽元件(34)与所述接收线圈(30)连接。

7.根据权利要求6所述的容纳单元，其特征在于，在所述磁屏蔽元件(32)和所述第二磁屏蔽元件(34)之间布置有至少一个具有低导磁率的间隔保持件(36)。

8.一种用于给移动终端设备(12)的蓄能器(26)充电的系统，其中，所述系统具有根据前述权利要求中任一项所述的容纳单元(10)和用于该容纳单元(10)的充电支架(70)，其中，所述充电支架(70)具有供电输出端(76)，其中，所述容纳单元(10)布置在所述充电支架(70)中并且所述供电输入端(16)与所述供电输出端(76)电连接。

9.一种用于控制根据前述权利要求中任一项所述的容纳单元的开关单元的方法，该容纳单元用于移动终端设备，其中，所述方法(100)具有如下步骤：

-如果接收单元与外部充电站共振感应地耦合，则将所述容纳单元的发送单元与所述容纳单元的接收单元连接(102)；和

-如果在供电输入端上存在供电电压，则将发送单元与所述容纳单元的供电输入端连接(106)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法(100)还具有如下步骤：

-如果所述接收单元不与外部充电站共振感应地耦合，则将所述发送单元与所述接收单元分离(104)；和

-如果在供电输入端上不存在供电电压，则将所述发送单元与所述供电输入端分离(108)。

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