[发明专利]一种基于热电效应的无线充电方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种基于热电效应的无线充电方法及装置。

背景技术

目前，无线充电技术主要基于电磁感应、电磁共振，微波耦合，以及电场耦合等方式。其中，基于电磁感应方式的无线充电技术，利用两个线圈(初级线圈和次级线圈)间的电磁感应现象实现能量传输，是最早实现商业化的无线充电技术。这种无线充电方式虽然具备较高的能量转化效率，但是其缺点也非常明显，如：两个线圈之间的距离必须非常近；充电的方向性较高，即两个线圈的中轴要尽量重合；只能同时给一个设备充电等。而基于电磁共振的无线充电技术，通过匹配两个线圈的谐振频率，使传输距离有所提高(数米范围)，但是往往需要为线圈配套电容和电感等元件，以匹配谐振频率。基于微波耦合的无线充电技术，以微波谐振的方式，通过发射和接收微波的方式传递能量，进一步提高了传输距离。不过，其接收端需要配合谐振模块，以接收微波信号。相比之下，基于电场耦合的无线充电技术，通过类似于平板电容的电耦合方式充电，并不需要配备线圈或者天线等额外的匹配元件，这样有可能被用于以轻薄为发展趋势的手机等小型设备。不过这种无线充电方式也要求充电器与待充电设备之间的距离足够近。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于热电效应的无线充电方法，该方法可以实现远距离无线充电。

本发明无线充电方法的主要步骤和原理如下：

1)根据待充电设备的电池容量大小和体积要求，选择合适的热电材料：

根据待充电设备的体积要求，所使用的具有热电发电效应的热电材料可以是薄层状的同质或异质材料或二维材料，也可以是立体结构的同质或异质材料。所使用的热电材料的厚度在5nm～5mm，吸波材料的厚度在1nm～10mm。

热电材料的热电发电能力以热电优值(ZT)来衡量：

S、σ、κ和T分别为该热电材料的塞贝克系数(Seebeck Coefficient)、电导率、热导率和绝对温度。

2)在热电材料产生热电电动势的两端，制作两个电极并引出导线。

记该热电材料中产生热电电动势的方向记为水平方向，则在垂直于该水平方向上的两个端面上分别制作电极并引出导线。两个电极分别记作电极A和电极B。

制作的两个电极可以分别与两个端面重合，也可以只分别覆盖两个端面的一部分，也可以分别延伸出两个端面并包裹与水平方向平行的其他端面。

两个电极的尺寸和在两个端面上的相对位置可以相同，也可以不同。

电极的制作方法可以是电子束蒸发、热蒸发、溅射、离子镀、三维立体打印、金属喷涂等。

3)选择合适的吸波材料紧贴在其中的一个电极表面，当与吸波材料吸收波段一致的电磁波发射至吸波材料表面时，电磁波能量将被转化热能。吸收的热能将使得热电材料的一端温度升高，另一端温度保持不变，于是产生一定的温度梯度，从而产生热电电动势。

对于薄层状的热电材料或二维热电材料，吸波材料应紧贴于延伸至水平面上的电极表面如图1。实际使用时，由于薄层状或二维热电材料易碎或较软，还需要将他们先贴在一个绝缘衬底上。

对于具有立体结构的热电材料，吸波材料应覆盖在垂直于水平方向的电极表面，如图2。

吸波材料可以覆盖在电极A的表面，也可以覆盖在电极B的表面。

不同的设备对吸波材料的吸波能力和体积有着不同的要求，根据实际需要，所使用的吸波材料可以是表面有凸起的薄层材料，可以是表面平整的薄层材料，也可以是一些二维材料，如图3。

吸波材料的吸波能力以反射率R_w来衡量(单位：dB)。虽然有透射波的存在，但吸波材料的吸波能力总会随着反射率的减小而增大。因此，这里认为R_w越小，吸波能力越强。

电磁波的入射方向与吸波材料表面的法线可以呈任意角度α(0°≤α<90°)。

4)将以上步骤中的各种材料和部件进行封装和固定，并将步骤2)中的能够产生电动势的两个导线与电池的电源管理芯片相连，如图4。

用于封装和固定的材料应当具有较低的导热能力，以免降低热电材料的热电转换能力。

5)使用射频发射器发射一定频率的电磁波，从而对配置有热电无线充电模块的设备进行无线充电：

根据各种吸波材料对各频段电磁波吸收的强度，需选择吸收强度较大的频率段的电磁波发射至所使用的吸波材料的表面，以保证较高的能量转换效率。