本公開涉及電力電子技術(shù)，具體涉及一種電池包和無線充電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著電子移動設(shè)備(移動電話，無線電動工具，無人飛行器，掃地機(jī)器人，智能可穿戴設(shè)備等)的大規(guī)模使用，可充電電池得到大范圍的使用。可充電電池包可以直接集成于電子設(shè)備內(nèi)，也可以作為配件與電子設(shè)備可拆卸地連接，向電子設(shè)備供電或延長電子設(shè)備的續(xù)航時間。

現(xiàn)有的可充電電池包需要通過導(dǎo)線以及連接器與充電器形成物理電連接以進(jìn)行充電。連接器的頻繁插拔會導(dǎo)致觸點(diǎn)磨損，氧化或變形而無法充電，而且連接器的觸點(diǎn)暴露在外會導(dǎo)致安全的問題，使得這類電池包不適合應(yīng)用于一些環(huán)境惡劣的場合，比如一些施工現(xiàn)場。雖然部分現(xiàn)有技術(shù)采用無線供電技術(shù)(也稱為非接觸供電技術(shù))來對電池包進(jìn)行充電，但是通常為傳統(tǒng)的低頻磁感應(yīng)技術(shù)，對無線電能發(fā)射端和無線電能接收端的對準(zhǔn)要求高。無線電能接收端的空間自由度低。這一缺陷，在某些應(yīng)用的環(huán)境里，比如無人機(jī)起降、車載或存在著震動的工作場所，會更加凸顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本公開提供一種電池包和無線充電系統(tǒng)，以給予可充電電池包在充電時具有更大的空間自由度。

第一方面，提供一種電池包，包括：

外殼；

可充電電池芯，設(shè)置于所述外殼內(nèi)；

供電接口，基于所述可充電電池芯對外供電；

無線電能接收電路，以磁共振方式與無線電能發(fā)射端耦合以接收電能；以及

充電電路，連接在所述無線電能接收電路和所述可充電電池芯之間，用于對所述可充電電池芯充電。

優(yōu)選地，所述無線電能接收電路的磁共振頻率在6.78MHz±15kHz范圍內(nèi)或者13.56MHz±7kHz范圍內(nèi)。

優(yōu)選地，所述無線電能接收電路包括：

接收線圈；

補(bǔ)償電路，適于與所述接收線圈形成在所述磁共振頻率諧振的諧振電路；

整流電路，用于將接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電；以及

過壓保護(hù)電路，在所述整流電路輸出的直流電過壓時將接收線圈與整流電路解耦合。

優(yōu)選地，所述充電電路包括：

開關(guān)型變換器；以及

電阻和開關(guān)，串聯(lián)連接在所述開關(guān)型變換器輸出端，其中，所述開關(guān)導(dǎo)通時所述開關(guān)型變換器輸出端口阻抗被改變。

優(yōu)選地，所述補(bǔ)償電路、整流電路、過壓保護(hù)電路和所述充電電路設(shè)置于印制電路板上；所述可充電電池芯、印制電路板和所述接收線圈依次疊置于所述外殼中；

其中，所述電池包還包括：

隔磁片，設(shè)置于所述電路板和所述接收線圈之間。

優(yōu)選地，所述隔磁片和所述接收線圈之間設(shè)置有空氣間隙。

優(yōu)選地，所述可充電電池芯和所述印制電路板之間設(shè)置有電氣隔離片。

第二方面，提供一種無線充電系統(tǒng)，包括：

至少一個如上所述的電池包；以及

無線充電器，適于連接到電源并以磁共振方式與所述至少一個電池包耦合傳輸電能。

優(yōu)選地，所述無線充電器包括：

全橋整流電路，被配置為將接入的市電交流電轉(zhuǎn)換為直流電；

反激式變換器，與所述全橋整流電路連接；以及

無線電能發(fā)射電路，與所述反激式變換器連接，被配置為以磁共振方式與所述電池包無線耦合發(fā)射電能；

其中，所述無線電能發(fā)射電路包括：

逆變開關(guān)，受控導(dǎo)通和關(guān)斷以將直流電轉(zhuǎn)換為交流電

發(fā)射線圈，被配置為接收所述交流電以無線方式發(fā)射電能；

第一電感電容網(wǎng)絡(luò)，連接在所述反激式變換器與所述逆變開關(guān)之間；

第二電感電容網(wǎng)絡(luò)，連接在所述逆變開關(guān)和發(fā)射線圈之間。

優(yōu)選地，所述發(fā)射線圈覆蓋的面積被配置為能夠放置多個所述電池包。

通過將可充電電池芯、充電電路和基于磁共振耦合的無線電能接收電路集成為一體，使得電池包可以以無線方式接收電能對可充電電池芯進(jìn)行充電，同時由于無線電能接收電路適于通過磁共振方式與無線電能發(fā)射端耦合，無線電能接收電路可以以較大的空間自由度接收電能，進(jìn)而使得電池包在充電時具有較大的空間自由度，方便用戶使用。

附圖說明

通過以下參照附圖對本公開實(shí)施例的描述，本公開的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中：

圖1是本公開實(shí)施例的無線充電系統(tǒng)的電路框圖；

圖2是本公開實(shí)施例的電池包的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本公開實(shí)施例的電池包的電路圖；

圖4是本公開實(shí)施例的無線充電器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本公開實(shí)施例的無線充電器的電路圖；

圖6是本公開實(shí)施例的無線充電系統(tǒng)在充電狀態(tài)下的示意圖；

圖7是本公開實(shí)施例的無線充電系統(tǒng)在另一種充電狀態(tài)下的示意圖；

圖8是本公開實(shí)施例的無線充電系統(tǒng)在又一種充電狀態(tài)下的示意圖；

圖9是本公開實(shí)施例的無線充電系統(tǒng)在又一種充電狀態(tài)下的示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本公開的幾個優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，但本公開并不僅僅限于這些實(shí)施例。本公開涵蓋任何在本公開的本質(zhì)和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本公開有徹底的了解，在以下本公開優(yōu)選實(shí)施例中詳細(xì)說明了具體的細(xì)節(jié)，而對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)的描述也可以完全理解本公開。

在權(quán)利要求中使用的術(shù)語“包括”不應(yīng)當(dāng)被解釋為對其后所列裝置的限制。它不排除其他元件或者步驟。因此，表述“一種器件包括裝置A和B”的范圍應(yīng)當(dāng)不限于只包括部件A和B的器件。它意味著針對本公開，該器件的相關(guān)部件是A和B。

此外，在本說明書和權(quán)利要求中的術(shù)語第一、第二、第三等用于在類似的元件之間進(jìn)行區(qū)分，不一定用于描述順序或者時序。應(yīng)當(dāng)理解，這樣使用的術(shù)語在適當(dāng)?shù)那闆r下是可以互換的，并且在此描述的本公開的實(shí)施例能夠在不同于在此描述或者說明的順序下運(yùn)行。

應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)元件被稱為與另一個元件“連接”或“耦接”時，它可以與另一個元件直接連接或耦接，或者可以存在中間元件。相比之下，當(dāng)元件被稱為與另一個元件上“直接連接”、“直接耦接”時，不存在中間元件。用于描述元件之間的關(guān)系的其他詞語應(yīng)當(dāng)用相同的方式進(jìn)行理解(即，“...與...之間”與“...與...直接之間”，“相鄰”與“直接相鄰”等)。

圖1是本公開實(shí)施例的無線充電系統(tǒng)的電路框圖。如圖1所示，本實(shí)施例的無線充電系統(tǒng)包括無線充電器1和至少一個電池包2。其中，無線充電器1包括交流-直流適配器11、逆變電路12和發(fā)射線圈13。交流-直流適配器11用于將連接到無線充電器1的市電轉(zhuǎn)換為適于進(jìn)行逆變的直流電。逆變電路12用于將直流電逆變?yōu)榫哂蓄A(yù)定頻率的高頻交流電注入到發(fā)射線圈13。

優(yōu)選地，在本實(shí)施例中，預(yù)定的磁共振頻率在6.78MHz±15kHz范圍內(nèi)或者13.56MHz±7kHz范圍內(nèi)。選擇該頻率的原因在于上述兩個頻率范圍內(nèi)的頻率足夠高，適于作為磁共振耦合頻率，同時，還是工科醫(yī)(Industrial Scientific Medical band,ISM)可豁免的頻段，無需特別許可即可使用，并且采用6.78MHz或者13.56MHz的各種消費(fèi)電子設(shè)備已得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)射線圈13適于響應(yīng)于流過的高頻交流電產(chǎn)生磁共振，從而可以與具有相適配的參數(shù)的接收側(cè)電路通過磁共振耦合傳遞電能。在接收側(cè)，電池包2包括無線電能接收電路21、充電電路22、可充電電池芯23和供電接口24。其中，無線電能接收電路21適于以磁共振方式與發(fā)射線圈13耦合接收電能。具體地，無線電能接收電路21具有至少一個接收線圈，以響應(yīng)于發(fā)射線圈13產(chǎn)生的高頻交流磁場形成共振，從而產(chǎn)生高頻交流電。充電電路22連接在無線電能接收電路21和可充電電池芯23之間，用于接收來自無線電能接收電路21的直流電，對可充電電池芯23充電。供電接口24與可充電電池芯23直接或間接連接，以在電池包被使用時對外供電。

圖2是本公開實(shí)施例的電池包的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實(shí)施例的電池包包括外殼25。外殼內(nèi)依次疊置有可充電電池芯23、印制電路板A和接收線圈B。可充電電池芯23可以為鋰電池、聚合物電池、鎳氫電池或由多個上述電池構(gòu)成的電池組。無線電能接收電路21除接收線圈以外的部分以及充電電路22以及其它適于形成在電路板上的部件全部或部分設(shè)置于印制電路板A上。所述印制電路板A可以形成為多層或多塊電路板疊置。接收線圈B可以由金屬導(dǎo)線以基本共面的方式卷繞形成，也可以形成在與印制電路板A分離的印制電路板上，還可以形成在柔性電路板上。應(yīng)理解，接收線圈B被設(shè)置得盡可能地靠近外殼25以獲得更好的耦合，避免干擾。

同時，在圖2中，在電路板A和接收線圈B之間設(shè)置有隔磁片C。隔磁片C可以采用軟磁材料形成。例如，隔磁片C可以是包括鎳-鋅(Ni-Zn)鐵氧體或錳-鋅(Mn-Zn)鐵氧體的片材、帶、箔或膜。又例如，隔磁片C也可以是包含鐵、鈷和鎳的至少一種的單金屬或合金粉末片的形式或者包含聚合樹脂的復(fù)合物形式。又例如，隔磁片C可以是包含鐵、鈷和鎳的至少一種的金屬帶、合金帶、堆疊帶、箔或膜。將隔磁片C設(shè)置在接收線圈B的一側(cè)，可以提高接收線圈B另一側(cè)的磁場強(qiáng)度，從而有利于增強(qiáng)無線供電系統(tǒng)耦合度。同時，隔磁片C還可以避免高頻磁場對印制電路板上的信號構(gòu)成干擾。

進(jìn)一步地，在隔磁片C和接收線圈B之間還可以設(shè)置空氣間隙D以進(jìn)一步避免靠近接收線圈所在平面的密集磁力線并穿過磁片，從而可大大減小穿過磁片的交流磁場的強(qiáng)度，進(jìn)而減小由此造成的損耗。

進(jìn)一步地，還可以在印制電路板A和可充電電池芯23之間設(shè)置電氣隔離片E，以防止印制電路板A上的高頻交流電信號對可充電電池芯23構(gòu)成影響。電氣隔離片E可以由金屬材料制成，以屏蔽電磁干擾。

在圖2中，供電接口24設(shè)置在外殼上遠(yuǎn)離接收線圈B的一側(cè)，其用于連接到用電設(shè)備進(jìn)行供電。具體地，供電接口24可以根據(jù)電池包應(yīng)用場合的不同設(shè)置為不同的形式。供電接口24可以形成為適于與用電設(shè)備內(nèi)部卡合形成電連接的連接器。供電接口24還可以形成為適于從外部與用電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)接口連接的接口(如USB接口)。應(yīng)理解，供電接口24還可以設(shè)置在外殼的其它位置，例如外殼的側(cè)面、端面或與接收線圈B設(shè)置在同一側(cè)。

圖3是本公開實(shí)施例的電池包的電路圖。如圖3所示，電池包2的電路包括無線電能接收電路21、充電電路22、可充電電池芯23和供電接口24。其中，無線電能接收電路包括接收線圈B、補(bǔ)償電路COM、整流電路RET和過壓保護(hù)電路PRO。其中，補(bǔ)償電路COM適于與接收線圈B形成在磁共振頻率(本實(shí)施例的磁共振頻率為6.78MHz)諧振的諧振電路。具體地，補(bǔ)償電路COM可以包括電容C1-C3。電容C1和C2串聯(lián)連接在接收線圈B的一端和整理電路RET輸入端口的一端之間。電容C3聯(lián)機(jī)額在接收線圈B的另一端和整理電路RET輸入端口的另一端之間。整流電路RET用于將接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電。整流電路RET可以為全橋整流電路，也可以為半橋整流電路。過壓保護(hù)電路PRO用于進(jìn)行過壓保護(hù)，其測量整流電路RET的輸出電壓是否過壓，在過壓時將整流電路RET與接收線圈B解耦合，從而保護(hù)整流電路RET及后續(xù)電路的安全。具體地，過壓保護(hù)電路PRO可以包括過壓檢測電路DET和開關(guān)電路M。其中，過壓檢測電路DET與整流電路RET的輸出端口連接，檢測輸出的直流電的電壓平均值或峰值，在其超出保護(hù)閾值時輸出保護(hù)信號。開關(guān)電路M一端與接收線圈連接，另一端與補(bǔ)償電路COM的電容C1和C2的中間端連接。開關(guān)電路M可以是連接在該兩端之間的可控開關(guān)，也可以是兩個分別連接在上述兩端和地之間的可控開關(guān)。在接收到保護(hù)信號時，開關(guān)電路M的可控開關(guān)導(dǎo)通，改變電路的結(jié)構(gòu)，使得其參數(shù)不能滿足諧振的要求，從而使得后續(xù)電路與接收線圈B解耦合，同時，接收線圈B由于不能形成諧振，也會與發(fā)射線圈接觸耦合。由此，可以較好地保護(hù)電池包。

充電電路22包括開關(guān)型變換器SMR和偽負(fù)載電路。開關(guān)型變換器SMR包括功率級和控制電路。其中，在本實(shí)施例中，開關(guān)型變換器SMR的功率級采用降壓型拓?fù)?BUCK)。應(yīng)理解，根據(jù)充電所需電壓的不同以及整流電路輸出電壓的不同，開關(guān)型變換器SMR的功率級也可以采用其它類型的拓?fù)?，例如升壓型拓?fù)?BOOST)或升降壓型拓?fù)?BUCK-BOOST)。偽負(fù)載電路包括電阻Rd和開關(guān)Q1。通過開關(guān)Q1導(dǎo)通和關(guān)斷，可以將電阻Rd與可充電電池芯23形成和解除并聯(lián)，從而改變開關(guān)型變換器SMR輸出端口的阻抗。這一改變可以經(jīng)由接收線圈B反饋到發(fā)射側(cè)。無線充電器1可以通過監(jiān)控該反饋的改變獲得電池包(也即接收側(cè))的信息。

優(yōu)選地，充電電路22還可以包括連接在開關(guān)型變換器SMR輸出端和可充電電池芯23之間的充電開關(guān)Q2。充電開關(guān)Q2可以包括兩個反向串聯(lián)的PMOS晶體管，其用于保護(hù)可充電電池芯23并控制充電電流的通路。

由此，本實(shí)施例的電池包通過將可充電電池芯、充電電路和基于磁共振耦合的無線電能接收電路集成為一體，使得電池包能夠以無線方式接收電能對可充電電池芯進(jìn)行充電，同時由于無線電能接收電路適于通過磁共振方式與無線電能發(fā)射端耦合，使得無線電能接收電路可以以較大的空間自由度接收電能，使得電池包在充電時具有較大的空間自由度，方便用戶使用。

進(jìn)一步地，本實(shí)施例的電池包通過設(shè)置隔磁片、設(shè)置空氣間隙、設(shè)置電氣隔離片，在電路層面設(shè)置過壓保護(hù)電路以及偽負(fù)載電路等多種手段，提高電池包的性能或增加新的功能。

圖4是本公開實(shí)施例的無線充電器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，無線充電器1包括插頭F、印制電路板G和發(fā)射線圈13。其中，印制電路板G和發(fā)射線圈13可以設(shè)置在一個外殼J中。插頭F可以具有單獨(dú)的外殼并通過線纜與外殼J中的印制電路板G連接。同時，在插頭F內(nèi)也可以設(shè)置一個獨(dú)立的印制電路板K以承載部分電路。在本實(shí)施例中，與插頭F連接的印制電路板K上設(shè)置有交流-直流適配器11，其輸出的直流電通過線纜傳輸至印制電路板G。由此，可以減小對于線纜的要求，提高安全性。印制電路板G上設(shè)置有逆變電路12。印制電路板G可以通過導(dǎo)線或柔性電路板與發(fā)射線圈13連接。發(fā)射線圈13可以為基本位于一個平面內(nèi)的螺線形導(dǎo)線。由于通過磁共振方式的無線電能發(fā)射電路可以同時耦合多個無線電能接收電路進(jìn)行供電。因此，在本實(shí)施例中，發(fā)射線圈13的覆蓋面積被設(shè)置得較大，以使得其上可以放置多個電池包，從而同時為多個電池包充電。

圖5是本公開實(shí)施例的無線充電器的電路圖。如圖5所示，無線充電器1的電路包括交流-直流適配器11、逆變電路12和發(fā)射線圈13。其中，交流-直流適配器11包括全橋整流電路RET1和反激式變換器FLY。全橋整流電路RET1將接入的市電交流電轉(zhuǎn)換為直流電。反激式變換器FLY以隔離方式進(jìn)行直流-直流變換，輸出參數(shù)適配于無線電能發(fā)射電路的直流電。逆變電路12和發(fā)射線圈13構(gòu)成了無線電能發(fā)射電路。逆變電路12接收直流電，逆變?yōu)楦哳l交流電后輸出到發(fā)射線圈13。發(fā)射線圈13通過流過的高頻交流電產(chǎn)生諧振，對外發(fā)射電能。其中，逆變電路12可以包括第一電感電容網(wǎng)絡(luò)LC1和第二電感電容網(wǎng)絡(luò)LC2以及逆變開關(guān)Q3。其中，第一電感電容網(wǎng)絡(luò)LC1連接在反激式變換器FLY與逆變開關(guān)Q3之間。第一電感電容網(wǎng)絡(luò)LC1可以包括兩個并列的支路，其中一個支路包括一個電感L1，另一個支路包括串聯(lián)的電感L2和電容C4。第二電感電容網(wǎng)絡(luò)LC2連接在逆變開關(guān)Q3和發(fā)射線圈13之間。第二電感電容網(wǎng)絡(luò)LC2可以包括電感L3、電容C5和電容C6。第一電感電容網(wǎng)絡(luò)LC1和第二電感電容網(wǎng)絡(luò)LC2可以用于調(diào)整電路的輸入輸出阻抗，進(jìn)行阻抗匹配，提高電路效率。逆變開關(guān)Q3大致與后續(xù)電路并聯(lián)，在控制電路的控制下高頻切換，從而將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為符合要求的高頻交流電?？刂齐娐房梢圆蓸虞斎氲碾娏鱽磉M(jìn)行控制。應(yīng)理解，逆變電路還可以采用半橋逆變電路或全橋逆變電路。

由于本實(shí)施例的無線充電器采用磁共振技術(shù)的無線電能發(fā)射電路，由此，在與電能接收端進(jìn)行耦合時，對于位置的要求較低，只需要將電池包1大致放置于充電范圍內(nèi)即可充電，電能接收端和發(fā)射端不需要精確對準(zhǔn)。

圖6-圖9是是本公開實(shí)施例的無線充電系統(tǒng)在不同充電狀態(tài)下的示意圖。在圖6中，電池包2可以正常放置在無線充電器1的充電區(qū)域內(nèi)，集成在電池包內(nèi)的接收線圈耦合電能發(fā)射端的磁場，通過電能轉(zhuǎn)化電路給電池包充電。由于采用磁共振技術(shù)，電池包可以具有較大的空間自由度。

在圖7中，電池包2與無線充電器1的充電區(qū)域通過非金屬材質(zhì)構(gòu)成的物件3分隔的情況下，仍然能夠正常地進(jìn)行充電。在一個應(yīng)用場景中，可以將無線充電器1設(shè)置在非金屬材質(zhì)的桌面下方來對桌面上方的電池包充電，保持桌面的干凈整潔。

在圖8中，無線充電器1的充電區(qū)域較大，同時，通過磁共振技術(shù)可以支持一個發(fā)射線圈同時與多個接收線圈耦合。因此，可以在充電區(qū)域內(nèi)放置多個電池包2進(jìn)行充電。

在圖9中，無線充電器1可以在間隔一定距離或預(yù)定厚度的非金屬材質(zhì)構(gòu)成的物件3的情況下對多個電池包2進(jìn)行充電。

由此，通過將可充電電池芯、充電電路和基于磁共振耦合的無線電能接收電路集成為一體，使得電池包可以以無線方式接收電能對可充電電池芯進(jìn)行充電，同時由于無線電能接收電路適于通過磁共振方式與無線電能發(fā)射端耦合，使得無線電能接收電路可以以較大的空間自由度接收電能，進(jìn)而使得電池包在充電時具有較大的空間自由度，方便用戶使用，并提供更加豐富的應(yīng)用設(shè)置空間。

以上描述是本公開實(shí)施例的描述。在不脫離本公開的范圍的情況下，可以實(shí)現(xiàn)各種變更和改變。本公開是出于說明性目的提出的，并且不應(yīng)被解釋為本公開的所有實(shí)施例的排他性描述，或使本公開的范圍局限于結(jié)合這些實(shí)施例所說明和所描述的特定元件。在沒有限制的情況下，可以用提供基本上類似功能或以其他方式提供充分操作的替換元件來代替所描述的發(fā)明的任何一個或多個單獨(dú)元件。這包括目前已知的替換元件，諸如本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)前可能已知的那些，以及可能在未來開發(fā)的替換元件，諸如本領(lǐng)域的技術(shù)人員在開發(fā)時可能承認(rèn)為替換的那些。