一种基于热电效应的无线充电方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于热电材料的无线充电方法及设备。该技术利用吸波材料对电磁波进行吸收，使吸收的电磁波能量转换为热能；选择合适的热电材料并将吸波材料紧贴在热电材料的一端，则热电材料中与吸波材料紧贴的一端的温度升高，并在该热电材料中形成温度梯度，该温度梯度将在热电材料的两端形成热电电动势，从而可以对电池充电。相对于传统的无线充电技术，本发明专利技术的无线充电技术可以兼有充电距离远、电磁波适用频带宽、待充电设备体积小以及可同时为多设备充电等优势。

Wireless charging method and device based on thermoelectric effect

The invention discloses a wireless charging method and a device based on thermoelectric material. The technology uses a microwave absorbing material on the electromagnetic wave absorption, electromagnetic wave energy conversion into heat absorption; choose suitable thermoelectric materials and absorbing wave material close to the end of thermoelectric materials, thermoelectric materials with higher end suction wave material close to the temperature, and the temperature gradient formed in the thermal electric material and the temperature gradient will be formed at both ends of thermoelectric EMF of thermoelectric materials, which can charge the battery. Compared with the traditional wireless charging technology, the wireless charging technology of the invention has the advantages of long charging distance, wide application range of electromagnetic wave, small size of the equipment to be charged, and charging for multiple devices at the same time.

【技术实现步骤摘要】
一种基于热电效应的无线充电方法及装置
本专利技术属于无线充电
，具体涉及一种基于热电效应的无线充电方法及装置。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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(SeebeckCoefficient)、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Rw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Rw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。本专利技术提供的基于热电发电效应的无线充电装置包括—衬底，衬底上设有热电材料层，在该热电材料的能产生热电电动势的两端制备电极并引出两根导线；且上述热电材料的一端覆盖有吸波材料层，上述所有材料封装后固定在—壳体内部。对于配置有热电无线充电模块的小体积装置，需将其正向放置在射频发射器上，以便实现无线充电；而对于配置有热电无线充电模块的体积较大的装置，如果使用表面有凸起的吸波材料，将待充电设备放置在射频发射器的附近，也可以实现无线充电。上述电磁波指波长为0.3mm～3000m的无线电波。上述吸波材料指可以吸收电磁波的所有材料，可以是橡胶、泡沫及其它高分子材料、金属或其粉末、铁氧体、陶瓷、III-V族化合物材料、碳基材料(如石墨烯、石墨、碳纳米管等)等。上述热电材料指具有热电效应的所有材料，可以是硅、锗、硅锗合金，硒、碲等的合金，铋、锑、铅等金属的合金，硒、碲等非金属与铋、锑、铅等金属的化合物，金属硅化物，方钴矿型化合物(如CoSb3等)、Zn4Sb3、各种氧化物(如NaCo2O4等)。本专利技术的优势：由于电磁波能量在远距离传输过程中只有非常小的损耗，本专利技术可以实现远距离无线充电。另外，本专利技术不需要使用线圈以及微波接收装置，而且所依赖的吸波材料和热电材料均可以是薄层材料或二维材料，所以待充电设备可以具有非常小的体积。因此，本专利技术的无线充电技术可以兼有微波耦合和电场耦合无线充电方式的优势。由于吸波材料可以对某个较宽的频段内的电磁波有较强的吸收，本专利技术对电磁波的频率没有太高的要求。另外，本专利技术还可以同时为多台待充电设备充电，节约充电器资源。附图说明图1由具有薄层状的热电材料或二维热电材料构成的无线充电装置示意图；图2由具有立体结构的热电材料构成的无线充电装置示意图；图3不同体积、不同用途的吸波材料的示意图：表面有凸起的薄层材料(a)，表面平整的薄层材料(b)，具有吸波能力的二维材料(c)；图4将无线充电装置与电池的电源管理芯片相连接的示意图；图中1—热电材料；2—表面有凸起的薄层吸波材料；3—表面平整的薄层吸波材料；4—二维吸波材料；5—金属电极；6—金属连线；7—电磁波；8—绝缘衬底；9—电池的电源管理芯片。具体实施方式下面通过实例对本专利技术做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本专利技术，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本专利技术及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本专利技术不应局限于实施例所公开的内容，本专利技术要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。实例1：适用于小体积、较小电池容量的设备的热电无线充电装置。1)选择尺寸合适的云母衬底，在其表面生长Bi2Te3二维材料，作为热电发电材料：由于类似智能手表的小体积、较小电池容量的设备具有非常小的体积，使用二维材料作为热电发电材料则尽可能地减小了占用的体积。另外，这类设备电池容量并不大，因此Bi2Te3虽然热电优值不高(ZT＝0.4～0.7)，但可以满足这类设备的要求。选择一块尺寸合适的云母衬底(3cm×3cm×600μm)，将其放在用于生长的管式炉中，Bi2Te3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热电发电效应的无线充电方法，包含如下步骤：1)根据待充电设备的电池容量选择热电材料；2)在热电材料中产生热电电动势的两端制备电极并引出两根导线；3)根据待充电设备的体积要求选择吸波材料，并将吸波材料紧贴在热电材料一端的电极表面；4)将步骤1)～3)中所述的材料封装和固定并将从热电材料两端引出的导线与待充电设备的电池电源管理芯片相连；5)发射与吸波材料吸收波段一致的电磁波，待充电设备接收到电磁波后将产生热电电动势，为电池充电。

【技术特征摘要】
1.一种基于热电发电效应的无线充电方法，包含如下步骤：1)根据待充电设备的电池容量选择热电材料；2)在热电材料中产生热电电动势的两端制备电极并引出两根导线；3)根据待充电设备的体积要求选择吸波材料，并将吸波材料紧贴在热电材料一端的电极表面；4)将步骤1)～3)中所述的材料封装和固定并将从热电材料两端引出的导线与待充电设备的电池电源管理芯片相连；5)发射与吸波材料吸收波段一致的电磁波，待充电设备接收到电磁波后将产生热电电动势，为电池充电。2.如权利要求1所述的无线充电方法，其特征在于，步骤1)中所述的热电材料指具有热电效应的所有材料，具体包括硅、锗、硅锗合金；或硒、碲合金；或铋、锑、铅合金；或非金属与金属的化合物；金属硅化物、方钴矿型化合物、Zn4Sb3。3.如权利要求1所述的无线充电方法，其特征在于，步骤1)中所述的热电材料的厚度在5nm～5mm的范围。4.如权利要求1所述的无线充电方法，其特征在于，步骤1)中所述的待充电设备指一切需要使用电池供电的设备。5.如权利要求1所述的无线充电方法，其特征在于，步骤2)中所述的两个电极分别与两个端面重合，或只分别覆盖两个端面的一部分，或分别延伸出两个端面并包裹与水...

【专利技术属性】
技术研发人员：王紫东，彭沛，田仲政，任黎明，傅云义，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11