TWI883010B

TWI883010B - 用於行動終端的插座單元、用於充電行動終端的能量儲存器的系統、以及控制用於行動終端之插座單元的開關單元之方法

Info

Publication number: TWI883010B
Application number: TW109120210A
Authority: TW
Inventors: 永剛杜
Original assignee: 德商羅伯特博世有限公司
Priority date: 2019-06-18
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2025-05-11
Also published as: CN113994566B; WO2020254378A1; CN113994566A; EP3987630A1; DE102019208815A1; TW202119730A

Abstract

本發明關於一種用於一行動終端(12)之一插座單元(10)，該行動終端(12)具有用於一能量儲存器(26)之無接觸充電之一充電線圈(14)，其中該插座單元(10)包含用於與該充電線圈(14)產生一諧振電感耦合的一電壓供應輸入端(16)及一傳輸單元(18)，其特徵在於該插座單元(10)具有用於與一外部充電站(24)產生一諧振電感耦合之一開關單元(20)及一接收器單元(22)，以用於一行動終端(12)之無接觸充電，其中該開關單元(20)電連接至該電壓供應輸入端(16)，其中該開關單元(20)在一第一開關狀態下將該傳輸單元(18)電連接至該電壓供應輸入端(16)且在一第二開關狀態下將該傳輸單元(18)電連接至該接收器單元(22)。本發明提供一種插座單元(10)，其避免屏蔽外部磁場且使得藉助於一外部無接觸充電器充電配置於該插座單元(10)中之該行動終端(12)成為可能。

Description

用於行動終端的插座單元、用於充電行動終端的能量儲存器的系統、以及控制用於行動終端之插座單元的開關單元之方法

本發明係關於一種如請求項1之用於行動終端之插座單元，且係關於一種如請求項8之用於充電行動終端之能量儲存器之系統。

為了充電行動終端之(例如智慧型電話之)電池，使用其中能量經由諧振電感耦合進行傳遞之無線充電方法係可能的。在此情況下，行動終端可具有包括線圈之接收器，藉助於該線圈，行動終端能夠藉由外部充電器進行無線充電。外部充電器含有包括線圈之傳輸器且由電壓源供應能量，該電壓源往往連接於其USB埠處。內置於行動終端中且用於接收傳遞能量之磁場之接收器的所需線圈通常位於行動終端的後部上。關於易用性，對於插入至其插座單元中之行動終端而言，亦能夠藉由外部充電器進行無線充電而不因正使用之插座單元而顯著延長充電時間係極為重要的。當由外部充電器發射之磁場未顯著受插座單元干擾時符合此要求。此係當插座單元由塑膠組成且不含有衰減覆蓋線圈之平行表面的區域中之磁場之任何材料時之情況，該線圈內置於行動終端中以用於位於彼處的接收器。

然而，存在塑膠插座單元自身含有包括線圈之內置傳輸器的應用情況。包括線圈之傳輸器內置於插座單元中，以便能夠在腳踏車騎乘期間為插入至插座單元中的行動終端進行無線充電。為此目的，行動終端具有可用之專門設計之插座單元，該插座單元自經由電觸點供應的外部裝置接收內置於插座單元中之傳輸器的工作電壓。在此情況下，插座單元之電壓供應輸入端連接至外部裝置的電壓供應輸出端。

在此情況下，線圈具有磁屏蔽，該磁屏蔽將不是由插座單元中之傳輸器的線圈發射之外部磁場與行動終端之接收器之線圈屏蔽開。在已知插座單元之情況下，在不具有電壓供應輸出端之外部裝置的情況下對配置於插座單元中之行動終端進行無接觸充電因而減緩。

因此本發明之目標為提供一種插座單元，其避免屏蔽外部磁場且使得藉助於外部無接觸充電器充電配置於插座單元中之行動終端成為可能。

本發明之主要特徵規定於請求項1及8中。改進為請求項2至7及本說明書之主題。

本發明係關於一種用於行動終端之插座單元，該行動終端具有用於能量儲存器之無接觸充電之充電線圈，其中插座單元包含用於與充電線圈產生諧振電感耦合之電壓供應輸入端及傳輸單元，其中規定插座單元具有用於與外部充電站產生諧振電感耦合之開關單元及接收器單元，以用於行動終端之無接觸充電，其中開關單元電連接至電壓供應輸入端，其中開關單元在第一開關狀態下將傳輸單元電連接至電壓供應輸入端，且在第二開關狀態下將傳輸單元電連接至接收器單元。

本發明藉助於接收器單元與外部充電站建立諧振電感耦合。當接收器單元處存在電壓時，開關單元與傳輸單元創建連接，該連接與行動終端之充電線圈建立諧振電感耦合。因此，能夠藉助於接收器單元旁路或繞過屏蔽，使得有可能經由外部充電器之傳輸線圈進行無接觸充電。若外部充電器藉由經由電觸點之電壓供應輸出端提供電壓，則開關單元可在電壓供應輸入端與傳輸單元之間創建連接。隨後經由電壓供應輸入端為傳輸單元供應電壓。因此，提供了一種插座單元，其避免屏蔽外部磁場且使得藉助於外部無接觸充電器充電配置於插座單元中之行動終端成為可能。

根據進一步改進，當在電壓供應輸入端處存在高於第一預定義臨限值之電壓時，開關單元轉變至第一開關狀態。

第一預定義臨限值可例如介於2伏特與12伏特之間，較佳地介於3伏特與10伏特之間，更佳地為5伏特。此避免引起開關單元轉變至第一開關狀態之極小電壓。此進一步使得當電壓供應輸入端處存在足夠供應電壓時，開關單元能夠轉變至第一開關狀態以便為插座單元中之行動終端進行充電。

當在接收器單元處存在高於第二預定義臨限值之電壓時，開關單元可進一步轉變至第二開關狀態。

第二預定義臨限值同樣地可例如介於2伏特與12伏特之間，較佳地介於3伏特與10伏特之間，更佳地為5伏特。此避免引起開關單元轉變至第二開關狀態之極小電壓。此進一步使得當接收器單元提供足夠電壓(亦即自外部無接觸充電器接收足夠能量)時，開關單元能夠轉變至第二開關狀態，以便為插座單元中之行動終端進行充電。

在一個具體實例中，進一步規定插座單元具有傳輸線圈、接收線圈及連接至傳輸線圈之磁屏蔽元件，磁屏蔽元件配置於傳輸線圈與接收線圈之間，其中傳輸線圈電連接至傳輸單元且接收線圈電連接至接收器單元。

在此情況下，傳輸線圈配置於磁屏蔽元件與行動終端之間。磁屏蔽元件集中由傳輸線圈產生之磁場。此提高能量傳遞至行動終端之有效性。磁屏蔽元件進一步在指向遠離行動終端之定向上，屏蔽由傳輸線圈發射之磁場或經發射的電磁輻射。接收線圈配置於磁屏蔽元件之指向遠離行動終端之彼側上。接收線圈藉此能夠自由外部無接觸充電器產生之磁場接收能量。因此，藉由傳輸線圈與由開關單元產生之接收線圈之間的連接來旁路或繞過磁屏蔽元件。

在此情況下，接收線圈可連接至磁屏蔽元件。

因此，接收線圈及傳輸線圈使用同一磁屏蔽元件。磁屏蔽元件集中由接收線圈接收到之磁場，且提高能量在外部無接觸充電器與接收線圈之間的傳遞之有效性。

在一個替代具體實例中，插座單元可在接收線圈與磁屏蔽元件之間具有第二磁屏蔽元件，其中第二磁屏蔽元件連接至接收線圈。

此避免在磁屏蔽元件具有極薄設計的情況下，若接收線圈及傳輸線圈兩者處均存在較強磁場，則由磁屏蔽元件產生磁短路。

在此情況下，可在磁屏蔽元件與第二磁屏蔽元件之間配置具有低磁導率的至少一個間隔件。

因此，兩個磁屏蔽元件之間產生氣隙且降低磁短路的似然性。間隔件由於其低磁導率而進一步降低此似然性。

本發明進一步係關於一種用於充電行動終端之能量儲存器之系統，其中系統具有如上述描述之插座單元及用於插座單元之充電固持器(charging holder)，其中充電固持器具有電壓供應輸出端，其中插座單元配置於充電固持器中且電壓供應輸入端電連接至電壓供應輸出端。

根據上文所描述之插座單元之優勢及效應以及發展，系統的優勢及效應以及發展變得顯而易見。因此，在此方面對上述描述進行參考。

本發明進一步係關於一種用於控制如上述描述之態樣中之一者之用於行動終端之插座單元的開關單元之方法，其中方法具有以下步驟：當接收器單元與外部充電站諧振地電感耦合時，將插座單元之傳輸單元連接至插座單元的接收器單元；及當電壓供應輸入端處存在供應電壓時，將傳輸單元連接至插座單元之電壓供應輸入端。

根據上文所描述之插座單元之優勢及效應以及發展，方法的優勢及效應以及發展變得顯而易見。因此，在此方面對上述描述進行參考。

方法可進一步具有以下步驟：當接收器單元未與外部充電站諧振地電感耦合時，將傳輸單元自接收器單元斷開；及當電壓供應輸入端處不存在供應電壓時，將傳輸單元自電壓供應輸入端斷開。

10:插座單元

12:行動終端

14:充電線圈

16:電壓供應輸入端

18:傳輸單元

20:開關單元

22:接收器單元

24:外部無接觸充電器/外部充電站

26:能量儲存器

28:傳輸線圈

30:接收線圈

32:磁屏蔽元件

34:第二磁屏蔽元件

36:間隔件

38:屏蔽元件

42:傳輸線圈

44:屏蔽元件

46:接地終端

48:DC電壓終端

50:接地終端

52:DC電壓終端

54:接地終端

56:DC電壓終端

58:電阻器

60:電晶體

62:電晶體

64:電阻器

66:電晶體

68:電晶體

70:充電固持器

72:外殼

74:把手

76:電壓供應輸出端

100:方法

102:步驟

104:步驟

106:步驟

108:步驟

根據申請專利範圍之措辭及根據參考圖式對例示性具體實例的以下描述，本發明之其他特徵、細節及優勢將變得顯而易見，其中：[圖1]展示插座單元之示意性圖示；[圖2]展示開關單元之例示性電路的示意性圖示；[圖3a及b]展示另外例示性具體實例之各種視圖的示意性圖示；[圖4a及b]展示系統及插座單元之示意性圖示；且[圖5]展示方法之流程圖。

圖1a展示插座單元10，其配置於行動終端12與外部無接觸充電器24之間。行動終端12可為例如具有用於能量儲存器26之Qi充電功能的智慧型電話或平板電腦，且可具有具有屏蔽元件38的充電線圈14。外部無接觸充電器24可為例如具有屏蔽元件44及傳輸線圈42之Qi充電器。

插座單元10可由塑膠組成，且具有用於與行動終端12之充電線圈14產生諧振電感耦合的電壓供應輸入端16及傳輸單元18。插座單元10進一步具有用於與外部充電站24產生諧振電感耦合之開關單元20及接收器單元22，以用於行動終端12的無接觸充電。

插座單元10進一步包含傳輸線圈28、接收線圈30及連接至傳輸線圈28之磁屏蔽元件32，該磁屏蔽元件32配置於傳輸線圈28與接收線圈30之間。在此情況下，傳輸線圈28電連接至傳輸單元18，且接收線圈30電連接至接收器單元22。在此例示性具體實例中，傳輸線圈28及接收線圈30均連接至磁屏蔽元件32。

磁屏蔽元件32可含有鐵氧體。

接地終端46、50、54及DC電壓終端48、52、56連接至開關單元20。接地終端50及DC電壓終端52將開關單元20連接至傳輸單元18。接地終端54及DC電壓終端56將開關單元20連接至電壓供應輸入端16。接地終端46及DC電壓終端48將開關單元20連接至接收器單元22。

在此情況下，當電壓供應輸入端16連接至正運行之外部充電器之電壓供應輸出端時，DC電壓終端56可相對於接地終端54具有正DC電壓(例如5V)。

在此情況下，開關單元20在第一開關狀態下將傳輸單元18電連接至電壓供應輸入端16，且開關單元20在第二開關狀態下將傳輸單元18電連接至接收器單元22。

開關單元20使得其傳送內置傳輸單元之工作電壓之兩個終端50及52有可能連接或不連接至終端54或56及/或連接或不連接至終端46或48，其中接地終端46、50、54始終彼此連接。當DC電壓終端48或56處之電壓已超出第一或第二預定義臨限值時，DC電壓終端52始終連接至DC電壓終端48或56。

原則上，DC電壓終端48及56兩者亦可同時連接至DC電壓終端52。然而，出於此目的，將需要同時提供電壓供應輸入端16及外部充電器之電壓供應輸出端與接收線圈30處之傳輸線圈之間的連接。然而，此在實務上將並不同時發生，此係由於具有電壓供應輸出端之外部充電器及外部無接觸充電器由於空間原因而互斥。

因此，定義於開關單元20中之開關邏輯實現一情況：其中嵌入於插座單元10中之傳輸單元18利用經由終端54及56自具有電壓供應輸出端的外部充電器傳送之電壓進行操作，抑或利用經由終端46及48藉由內置於插座單元中之接收器單元22傳送的電壓進行操作，其中終端46及48處之電壓繼而自藉由外部無接觸充電器發射的磁場產生。在此具體實例中，無論原始充電能量源自具有電壓供應輸出端之外部充電器抑或源自外部無接觸充電器，行動終端12始終由包括其連接至磁屏蔽元件32之傳輸線圈28的內置傳輸單元18進行無線充電。

圖2藉助於實例說明呈具有兩個相同互補達林頓(Darlington)對之電子開關的形式之開關單元20之具體實例。元件62及68為兩個相同NPN電晶體，且元件60及66為兩個相同PNP電晶體。電晶體62及電晶體60或電晶體68及電晶體66連接於互補達林頓對內。若在DC電壓終端56或48處施加用於各別互補達林頓對之工作電壓，則電阻器58或電阻器64確保電晶體60或電晶體66始終處於導通狀態。若DC電壓終端56或48處不存在工作電壓(亦即若DC電壓終端56或48以無電壓方式浮動)，則電晶體60或電晶體66處於截止狀態。處於導通狀態或截止狀態下之電晶體60或電晶體66同樣地將電晶體62或電晶體68置於導通狀態或截止狀態。假設B1為兩個NPN電晶體之增益因數，及B2為兩個PNP電晶體之增益因數。若選擇電阻58或64，使得在電晶體60或電晶體66處於導通狀態時Ib2之電流流過電晶體60或電晶體66之基極，則大約Ib2 x B1 x B2之電流流過連接至終端52及50的負載。亦即，流過52及50處之負載的電流為Ib2的B1 x B2倍。根據圖3，由於此負載精確地為傳輸單元18，包括內置於插座單元10中之傳輸線圈28，故互補達林頓對確保內置於插座單元10中之傳輸單元18的足夠大之充電電流。若(例如)在DC電壓終端56處施加5V之電壓，電阻器58具有10kΩ之值，且假定B1=B2=50，則大約(5V-0.65V)/10kΩ=0.435mA的電流流過電阻器58。在藉由電晶體60及電晶體62放大後，1.0875A之電流流過連接至52及50的負載。此電流在經設計為(例如)Qi傳輸器之傳輸單元18的典型輸入電流之範圍內。內置於插座單元10中之傳輸單元18的最大功率消耗將因而大約為(5V-0.2V)x 1.0875A=5.22W。

若未在DC電壓終端48或56處施加工作電壓，則其相對於接地之電壓為零在此情況下，由於電晶體68或電晶體62處於截止狀態，故相關聯之互補達林頓對對另一互補達林頓對無影響。若在DC電壓終端48處及DC電壓終端56處均施加工作電壓，此等工作電壓不必相同，則電晶體68及電晶體62均處於導通狀態。電晶體62及電晶體68之集極-射極電流之總和隨後流過連接至52及50的負載。兩個集極-射極電流自動地調整自身，使得DC電壓終端56與DC電壓終端48之間的可能電壓差由電晶體62及電晶體68之不同集極-射極電壓進行補償。總是這樣：DC電壓終端56處之電壓減去電晶體62之集極-射極電壓等於DC電壓終端48處之電壓減去電晶體68之集極-射極電壓。

圖3a及3b展示傳輸線圈28、磁屏蔽元件32及接收線圈30之配置的替代性例示性具體實例。

接收線圈30連接至第二磁屏蔽元件34，而非用於兩個線圈20、30之磁屏蔽元件32。在此情況下，兩個磁屏蔽元件32、34可含有具有高磁導率的圓形鐵氧體。藉助於至少一個間隔件36在兩個磁屏蔽元件32、34之間產生氣隙。由於空氣具有大約為1之磁導率，故其磁導性遠小於兩個磁屏蔽元件32、34，當該等兩個磁屏蔽元件32、34由鐵氧體組成時，其磁導率介於300與300,000之間。傳輸單元18及接收器單元20之磁通量因此受限於磁屏蔽元件32或第二磁屏蔽元件34。氣隙可經由兩個磁屏蔽元件32、34產生，其由(例如)三個間隔件36居中間隔開，如圖3b中所說明。間隔件36可由具有低磁導率之塑膠材料組成。

圖4a說明用於充電行動終端12之能量儲存器26的系統。在此情況下，系統包含插座單元10及用於插座單元10的充電固持器70。充電固持器70具有電壓供應輸出端76，其中插座單元10配置於充電固持器70中，且電壓供應輸入端16電連接至電壓供應輸出端76。

舉例而言，可將充電固持器70連接至電動腳踏車之把手74且將行動終端12固定至其上。在此情況下，電壓供應輸出端76可提供來自電動腳踏車之控制單元之電壓，以便充電插座單元10中的行動終端12。在此情況下，可提供外殼72以便保護行動終端12免受天氣的影響。

藉助於圖4b中更詳細地說明之電壓供應輸入端16，插座單元10能夠連接至充電固持器70之電壓供應輸出端76，其需要導電連接以便將能量傳遞至插座單元10。在此情況下，將開關單元20置於第一開關狀態。

圖5展示用於控制如上述描述之用於行動終端之插座單元之開關單元的方法100之流程圖。在此情況下，所說明之步驟102至108可以使邏輯上有意義之任何次序來執行或相應地同時執行。

在步驟102中，當接收器單元與外部充電站諧振地電感耦合時，插座單元之傳輸單元連接至插座單元的接收器單元。.

在步驟104中，當接收器單元未與外部充電站諧振地電感耦合時，傳輸單元自接收器單元斷開。

在步驟106中，當電壓供應輸入端處存在供應電壓時，傳輸單元連接至插座單元之電壓供應輸入端。

在步驟108中，當電壓供應輸入處不存在供應電壓時，傳輸單元自電壓供應輸入端斷開。