可調(diào)諧無(wú)線電源架構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本文說(shuō)明的是用于無(wú)線功率傳遞的改進(jìn)的配置。調(diào)整無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的部件的參數(shù)，以控制傳送到在設(shè)備的負(fù)載的功率?？刂圃捶糯笃鞯墓β瘦敵?，以在設(shè)備的整流器上保持基本上50％的占空比。
【專(zhuān)利說(shuō)明】可調(diào)諧無(wú)線電源架構(gòu)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)要求于2011年8月4日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)61/515，324的優(yōu)先權(quán)?！炯夹g(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開(kāi)內(nèi)容涉及無(wú)線能量傳遞，用以完成這種傳遞的方法、系統(tǒng)和裝置，以及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0004]可以使用各種公知的輻射或遠(yuǎn)場(chǎng)和非輻射或近場(chǎng)技術(shù)來(lái)無(wú)線地傳遞能量或功率，例如在共同擁有的于2010年5月6日公布為US2010/010909445的題為“Wireless EnergyTransfer System”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) 12/613，686，于 2010 年 12 月 9 日公布為 2010/0308939的題為 “Integrated Resonator-Shield Structure” 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) 12/860，375,于2012 年 3 月 15 日公布為 2012/0062345 的題為“Low Resistance Electrical Conductor”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) 13/222，915,題為 “Mult1-Resonator Wireless Energy Transfer forLighting”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)13/283，811中詳細(xì)說(shuō)明的，通過(guò)引用的方式合并了其內(nèi)容?，F(xiàn)有技術(shù)的無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)受到各種因素的限制，包括對(duì)用戶(hù)安全性、低能量傳遞效率和對(duì)能量供應(yīng)(power supply)與接收器部件的限制性物理鄰近/對(duì)準(zhǔn)容限的顧慮。
[0005]無(wú)線能量傳遞中一個(gè)具體的挑戰(zhàn)是諧振器結(jié)構(gòu)和電源的控制與調(diào)諧，從而向負(fù)載傳送受控的電源。在無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)中，源和設(shè)備可以移動(dòng)或改變位置。隨著系統(tǒng)元件的相對(duì)定位改變，無(wú)線能量傳遞的特性也改變。在源與設(shè)備之間的耦合可以改變，例如減小了能量傳遞的效率。無(wú)線能量傳遞特性中的變化可以改變傳送給負(fù)載的功率，或者導(dǎo)致傳送給在設(shè)備的負(fù)載的功率的不想要的波動(dòng)。需要用于具有可調(diào)諧部件的可調(diào)諧無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的方法和設(shè)計(jì)，從而保持到設(shè)備的負(fù)載的有效且恒定的能量傳送而無(wú)論系統(tǒng)部件的定位、耦合、定向等的變化如何。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在多個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)系統(tǒng)和過(guò)程使用耦合的諧振器提供無(wú)線能量傳遞。在某些實(shí)施例中，無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)可以要求或得益于驗(yàn)證和認(rèn)證無(wú)線能量的源和接收器的能力。這些實(shí)施例的特征是普遍性的，并可以應(yīng)用于范圍廣泛的諧振器，而不管本文所述的具體實(shí)例如何。
[0007]在實(shí)施例中，磁諧振器可以包括電感器和電容器的某些組合。諸如電容器、電感器、電阻器、開(kāi)關(guān)等的另外的電路元件可以插入到磁諧振器與電源之間、和/或磁諧振器與功率負(fù)載之間。在本公開(kāi)內(nèi)容中，包括諧振器的高Q感應(yīng)回路的導(dǎo)電線圈可以稱(chēng)為電感器和/或感性負(fù)載。當(dāng)其無(wú)線耦合(通過(guò)互感)到其他系統(tǒng)或外來(lái)對(duì)象時(shí)，感性負(fù)載還可以指代電感器。在本公開(kāi)內(nèi)容中，除了感性負(fù)載以外的電路元件也可以稱(chēng)為是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)或IMN的部件。應(yīng)當(dāng)理解，被稱(chēng)為是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的部件的所有、某些元件可以是或者都不是磁諧振器的部件。哪些元件是諧振器的一部分，而哪些與諧振器分離將取決于特定磁諧振器和無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
[0008]除非另有指明，本公開(kāi)內(nèi)容可互換地使用術(shù)語(yǔ)無(wú)線能量傳遞、無(wú)線功率傳遞、無(wú)線功率傳輸?shù)取１绢I(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本申請(qǐng)中所述的范圍廣泛的無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)和功能可以支持各種系統(tǒng)架構(gòu)。
[0009]在本文所述的無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)中，可以在至少兩個(gè)諧振器之間無(wú)線地交換功率。諧振器可以提供、接收、保持、傳遞和分配能量。無(wú)線功率的源可以稱(chēng)為源或電源，無(wú)線功率的接收方可以稱(chēng)為設(shè)備、接收器和功率負(fù)載。諧振器可以是源、設(shè)備或同時(shí)是二者，或者可以以受控的方式從一個(gè)功能改變?yōu)榱硪粋€(gè)。不具有與電源或噬能器(power drain)的有線連接的、被配置為保持或分配能量的諧振器可以稱(chēng)為轉(zhuǎn)發(fā)器。
[0010]本發(fā)明的無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的諧振器能夠在與諧振器自身尺寸相比較大的距離上傳遞功率。就是說(shuō)，如果諧振器尺寸以能夠包圍諧振器結(jié)構(gòu)的最小球體的半徑來(lái)表征，那么本發(fā)明的無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)就可以通過(guò)大于諧振器的特征尺寸的距離傳遞功率。系統(tǒng)能夠在諧振器之間交換能量，其中，諧振器具有不同的特征尺寸，并且其中，諧振器的感性元件具有不同尺寸、不同形狀，由不同材料構(gòu)成等。
[0011]借助說(shuō)明可以在彼此分離的諧振對(duì)象之間傳遞能量而可以將本發(fā)明的無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)描述為具有耦合區(qū)域、通電區(qū)或體積，所述諧振對(duì)象可以彼此相距可變的距離且可以相對(duì)于彼此移動(dòng)。在某些實(shí)施例中，能量傳遞所通過(guò)的區(qū)域或提及可以稱(chēng)為有效場(chǎng)區(qū)域或提及。另外，無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)可以包括多于兩個(gè)諧振器，它們的每一個(gè)可以耦合到電源、功率負(fù)載，或者耦合到電源和功率負(fù)載二者，或者不耦合到電源或功率負(fù)載的任意一個(gè)。
[0012]無(wú)線提供的能量可以用于對(duì)電氣或電子設(shè)備進(jìn)行供電，對(duì)電池進(jìn)行再充電或?qū)?chǔ)能單元進(jìn)行充電?？梢酝瑫r(shí)為多個(gè)設(shè)備充電或供電，或者到多個(gè)設(shè)備的功率傳送可以串行化，以使得一個(gè)或多個(gè)設(shè)備在一段時(shí)間期間中接收功率，此后功率傳送可以切換到其他設(shè)備。在多個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)設(shè)備可以同時(shí)、或以時(shí)分復(fù)用的方式、或以頻分復(fù)用的方式、或以空分復(fù)用的方式、或以方向復(fù)用的方式、或以時(shí)分、頻分、空分和方向復(fù)用的任何組合，與一個(gè)或多個(gè)其他設(shè)備共享來(lái)自一個(gè)或多個(gè)源的功率。多個(gè)設(shè)備可以彼此共享功率，至少一個(gè)設(shè)備連續(xù)地、間斷地、周期性地、偶爾地、或暫時(shí)地重構(gòu)，以作為無(wú)線電源而進(jìn)行操作。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，存在適用于本文所述的技術(shù)和應(yīng)用的對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電和/或充電的各種方式。
[0013]本公開(kāi)內(nèi)容參考了特定單個(gè)電路部件和諸如電容器、電感器、電阻器、二極管、變壓器、開(kāi)關(guān)等之類(lèi)的元件；作為網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電路等的這些元件的組合；和具有內(nèi)在特性的對(duì)象，例如具有遍及整個(gè)對(duì)象而分布(或局部分布的，與完全集總的相反)的電容或電感的“自諧振”對(duì)象。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在電路或網(wǎng)絡(luò)內(nèi)調(diào)整和控制可變部件可以調(diào)整該電路或網(wǎng)絡(luò)的性能，這些調(diào)整可以總體上描述為調(diào)諧、調(diào)整、匹配、校正等?？梢詥为?dú)使用，或者除了調(diào)整諸如電感器和電容器、或電感器和電容器的組合的可調(diào)諧部件以外還使用調(diào)諧或調(diào)整無(wú)線功率傳遞系統(tǒng)的工作點(diǎn)的其他方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本公開(kāi)內(nèi)容中所述的特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以以各種其他方式來(lái)實(shí)施。
[0014]除非另有定義，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)具有與本公開(kāi)內(nèi)容所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常所理解的相同的含義。在與本文通過(guò)引用提及或合并的公開(kāi)、專(zhuān)利申請(qǐng)、專(zhuān)利及其他參考存在矛盾的情況下，包括定義的本說(shuō)明書(shū)是占支配地位的。
[0015]在不脫離本公開(kāi)內(nèi)容的范圍的情況下，可以單獨(dú)或組合使用上述的任何特征。本文公開(kāi)的系統(tǒng)和方法的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)依據(jù)以下的詳細(xì)說(shuō)明和附圖將是顯而易見(jiàn)的。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1無(wú)線能量傳遞配置的系統(tǒng)框圖。
[0017]圖2A-2E是簡(jiǎn)單諧振器結(jié)構(gòu)的示例性結(jié)構(gòu)和示意圖。
[0018]圖3是具有單端放大器的無(wú)線源的框圖。
[0019]圖4是具有差分放大器的無(wú)線源的框圖。
[0020]圖5A和5B是感測(cè)電路的框圖。
[0021]圖6A、6B和6C是無(wú)線源的框圖。
[0022]圖7是示出占空比對(duì)放大器的參數(shù)的影響的曲線圖。
[0023]圖8是具有開(kāi)關(guān)放大器的無(wú)線電源的簡(jiǎn)化電路圖。
[0024]圖9示出了無(wú)線電源的參數(shù)變化的影響的曲線圖。
[0025]圖10示出了無(wú)線電源的參數(shù)變化的影響的曲線圖。
[0026]圖1lAUlB和IlC是示出無(wú)線電源的參數(shù)變化的影響的曲線圖。
[0027]圖12示出了無(wú)線電源的參數(shù)變化的影響的曲線圖。
[0028]圖13是無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路圖，該無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)包括具有開(kāi)關(guān)放大器的無(wú)線電源和無(wú)線功率設(shè)備。
[0029]圖14示出了無(wú)線電源的參數(shù)變化的影響的曲線圖。
[0030]圖15是示出由于在磁性材料的磚之間的不規(guī)則間隔而引起的可能的不均勻磁場(chǎng)分布的諧振器的圖。
[0031]圖16是具有在磁性材料塊中平鋪布置的諧振器，其可以減小磁性材料塊中的熱點(diǎn)。
[0032]圖17A是具有包括較小的單塊磚的磁性材料塊的諧振器，圖17B和17C是具有用于熱管理的附加導(dǎo)熱材料條的諧振器。
[0033]圖18是具有帶內(nèi)和帶外通信信道的無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的框圖。
[0034]圖19A和圖19B是可以用于使用帶外通信信道來(lái)驗(yàn)證能量傳遞信道的步驟。
[0035]圖20A和圖20B是無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)電子器件的框圖。
[0036]圖21A和圖21B是具有可調(diào)諧電子器件的無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的框圖。
[0037]圖22k和圖22B是具有可調(diào)諧電子器件的無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖，圖22C是開(kāi)關(guān)元件的具體實(shí)施例。
[0038]圖23A-23D是示出放大器的操作的圖。
[0039]圖24是可調(diào)諧無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖。
[0040]圖25是可調(diào)諧無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖。
[0041]圖26是具有平衡的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的源的實(shí)施例的示意圖。【具體實(shí)施方式】
[0042]如上所述，本公開(kāi)內(nèi)容涉及使用耦合的電磁諧振器的無(wú)線能量傳遞。但這種能量傳遞不限于電磁諧振器，并且本文所述的無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)更為普遍，且可以使用范圍廣泛的諧振器和諧振對(duì)象來(lái)實(shí)施。
[0043]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于基于諧振器的功率傳遞的重要考慮包括諧振器效率和諧振器耦合。例如在2010年9月23日公布為US20100237709的題為“RESONATORARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER” 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) 12/789，611，和 2010 年 7 月22 日公布為 US20100181843 的題為 “WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATORAPPLICATION”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)12/722，050中提供此類(lèi)問(wèn)題的廣泛討論，例如耦合模式理論(CMT)、耦合系數(shù)和因子、品質(zhì)因子(也稱(chēng)為Q因子)和阻抗匹配，并由此通過(guò)引用整體并入本文中，如同在本文中充分地闡述一樣。
[0044]諧振器可以定義為能夠以至少兩個(gè)不同形式儲(chǔ)存能量的諧振結(jié)構(gòu)，并且其中儲(chǔ)存的能量在兩種形式之間振蕩。諧振結(jié)構(gòu)具有特定振蕩模式，具有諧振(模態(tài))頻率f和諧振(模態(tài))場(chǎng)。角諧振頻率ω可以定義為ω=2πF.，諧振周期T可以定義為T(mén)=l/f=2Ji/co，諧振波長(zhǎng)λ可以定義為λ =c/f，其中，c是相關(guān)場(chǎng)波(對(duì)于電磁諧振器是光)的速度。在缺少損耗機(jī)制、耦合機(jī)制或者外部能量提供或耗用機(jī)制的情況下，由諧振器儲(chǔ)存的能量的總量W會(huì)保持固定，但能量的形式將在由諧振器支持的兩種形式之間進(jìn)行振蕩，其中，在一種形式最小時(shí)另一種形式最大，反之亦然。
[0045]例如，可以構(gòu)造 諧振器以使得儲(chǔ)存的兩種形式的能量是磁能和電能。此外，可以構(gòu)造諧振器，以使得由電場(chǎng)存儲(chǔ)的電能主要限制在結(jié)構(gòu)內(nèi)，而由磁場(chǎng)存儲(chǔ)的磁能主要在圍繞諧振器的區(qū)域中。換句話(huà)說(shuō)，總電能和磁能會(huì)相等，但它們的定位不同。使用這種結(jié)構(gòu)，在至少兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的能量交換可以由至少兩個(gè)諧振器的諧振磁近場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)。這些類(lèi)型的諧振器可以稱(chēng)為磁諧振器。
[0046]用于無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)的諧振器的重要參數(shù)是諧振器的品質(zhì)因子或Q因子或Q，其表征了能量衰減并與諧振器的能量損耗成反比。其可以定義為Q=?*W/P，其中，P是在穩(wěn)態(tài)的時(shí)間平均功耗。就是說(shuō)，具有高Q的諧振器具有相對(duì)低的本征損耗，可以在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間中存儲(chǔ)能量。由于諧振器以其本征衰減率2 gamma損失能量，其Q，也稱(chēng)為其本征Q，由Q=co*W/2gamma給出。品質(zhì)因子還表示振蕩周期T的數(shù)量，它是諧振器中能量以因子θ_2π衰減所花費(fèi)的。注意，諧振器的品質(zhì)因子或本征品質(zhì)因子或Q是僅起因于本征損耗機(jī)制的。連接到或耦合到發(fā)電機(jī)g或負(fù)載I的諧振器的Q可以稱(chēng)為“有載品質(zhì)因子”或“有載Q”。存在并非旨在作為能量傳遞系統(tǒng)的部件的外部對(duì)象的情況下，諧振器的Q可以稱(chēng)為“擾動(dòng)品質(zhì)因子”或“擾動(dòng)Q”。
[0047]通過(guò)其近場(chǎng)的任意部分而耦合的諧振器可以相互作用并交換能量。如果諧振器以基本上相同的諧振頻率工作，這個(gè)能量傳遞的效率就會(huì)顯著提高。示例性但非限制性的，設(shè)想具有Qs的源諧振器和具有Qd的設(shè)備諧振器。高Q無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)可以利用高Q的諧
振器。每一個(gè)諧振器的Q都可以為高。諧振器Q的幾何平均√QXQD也可以或作為替代為聞。
[0048]耦合因子k是在1≤|k| ≤ 1之間的數(shù)，它在源和設(shè)備諧振器放置在子波長(zhǎng)距離上時(shí)，可以與源和設(shè)備諧振器的諧振頻率無(wú)關(guān)(或幾乎無(wú)關(guān))。相反，耦合因子k可以主要由合到能量源，被通電以產(chǎn)生振蕩磁近場(chǎng)。在卜將能量轉(zhuǎn)換為電能，其可以用于為負(fù)載供
是必須傳送到設(shè)備以便以可接受的速率為藝換的傳遞效率可以是系統(tǒng)或應(yīng)用相關(guān)的。要至少80%有效，以便提供有用的功率量，卜個(gè)部件顯著發(fā)熱的情況下，為車(chē)輛電池充,包括大于10%或任何其他量的任何能量傳期運(yùn)行。在移植醫(yī)學(xué)設(shè)備應(yīng)用中，有用能量:傳感器或監(jiān)視器或激勵(lì)器的任何交換。在分布式感測(cè)應(yīng)用中，毫瓦的功率傳遞可以是
I的有用能量交換可以有效、極為有效或足芒可允許的限度內(nèi)，并以相關(guān)因素適當(dāng)?shù)仄?br> I第一諧振器、第二諧振器、轉(zhuǎn)發(fā)器諧振器
思―傷I丨加皿絕一術(shù)洪垢吳可丨〕丨炮邰醫(yī)佑遞5丨丨遞到多個(gè)設(shè)備并在遠(yuǎn)端位置重組。
[0054]可以使用耦合模式理論模型、電路模型、電磁場(chǎng)模型等來(lái)設(shè)計(jì)諧振器。諧振器可以被設(shè)計(jì)為具有可調(diào)諧特征尺寸。諧振器可以被設(shè)計(jì)為處理不同功率級(jí)。在示例性實(shí)施例中，高功率諧振器可以比較低功率諧振器需要更大的導(dǎo)體和更高額定電流或電壓部件。
[0055]圖1示出了無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的示例性結(jié)構(gòu)和布置的圖。無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)可以包括至少一個(gè)源諧振器(Rl) 104 (可任選地R6，112)，耦合到能量源102及可任選的傳感器和控制單元108。能量源可以是能夠被轉(zhuǎn)換為電能的任何類(lèi)型的能量源，電能可以用于驅(qū)動(dòng)源諧振器104。能量源可以是電池、太陽(yáng)能板、電力干線、風(fēng)力或水力渦輪機(jī)、電磁諧振器、發(fā)電機(jī)等。由諧振器將用于驅(qū)動(dòng)磁諧振器的電能轉(zhuǎn)換為振蕩磁場(chǎng)。振蕩磁場(chǎng)可以由其他諧振器捕獲，它們可以是設(shè)備諧振器(R2)106、(R3)116，其可任選地耦合到能量耗用裝置110。振蕩場(chǎng)可任選地耦合到轉(zhuǎn)發(fā)器諧振器(R4、R5)，其被配置為擴(kuò)展或調(diào)整無(wú)線能量傳遞區(qū)域。設(shè)備諧振器可以捕獲在源諧振器、轉(zhuǎn)發(fā)器諧振器及其他設(shè)備諧振器附近的磁場(chǎng)，并將它們轉(zhuǎn)換為電能，其可以由能量耗用裝置使用。能量耗用裝置110可以是電、電子、機(jī)械或化學(xué)設(shè)備等，被配置為接收電能。轉(zhuǎn)發(fā)器諧振器可以捕獲在源、設(shè)備和轉(zhuǎn)發(fā)器諧振器附近的磁場(chǎng)，并可以將能量傳送到其他諧振器。
[0056]無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)可以包括耦合到能量源102的單個(gè)源諧振器104和耦合到能量耗用裝置Iio的單個(gè)設(shè)備諧振器106。在實(shí)施例中，無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)可以包括耦合到一個(gè)或多個(gè)能量源的多個(gè)源諧振器，并可以包括耦合到一個(gè)或多個(gè)能量耗用裝置的多個(gè)設(shè)備諧振器。
[0057]在實(shí)施例中，可以在源諧振器104與設(shè)備諧振器106之間直接傳遞能量。在其他實(shí)施例中，能量可以從一個(gè)或多個(gè)源諧振器104、112經(jīng)由任意數(shù)量的中間諧振器傳遞到一個(gè)或多個(gè)設(shè)備諧振器106、116，中間諧振器可以是設(shè)備諧振器、源諧振器、轉(zhuǎn)發(fā)器諧振器等。能量可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)或諧振器114的裝置來(lái)傳遞，其可以包括子網(wǎng)絡(luò)118、120，以諸如令牌環(huán)、網(wǎng)格、ad hoc等的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的任意組合來(lái)布置。
[0058]在實(shí)施例中，無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)可以包括集中感測(cè)和控制系統(tǒng)108。在實(shí)施例中，可以由控制處理器監(jiān)控并調(diào)整諧振器、能量源、能量耗用裝置、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、操作參數(shù)等的參數(shù)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的特定操作參數(shù)。中央控制處理器可以調(diào)整系統(tǒng)的單個(gè)部件的參數(shù)，以?xún)?yōu)化總能量傳遞效率，優(yōu)化傳遞的功率量等。其他實(shí)施例可以設(shè)計(jì)為具有基本上分布式的感測(cè)和控制系統(tǒng)。感測(cè)和控制可以包含在每一個(gè)諧振器或諧振器組、能量源、能量耗用裝置等中，可以被配置為調(diào)整組中單個(gè)部件的參數(shù)，以使得傳送的功率最大或最小，使得該組中的能量傳遞效率最大等。
[0059]在實(shí)施例中，無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)的部件可以具有到諸如設(shè)備、源、轉(zhuǎn)發(fā)器、功率源、諧振器等之類(lèi)的其他部件的無(wú)線或有線數(shù)據(jù)通信鏈路，并可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，其可以用于實(shí)現(xiàn)分布式或集中式感測(cè)和控制。無(wú)線通信信道可以與無(wú)線能量傳遞信道分離，或者它可以是相同的。在一個(gè)實(shí)施例中，用于功率交換的諧振器也可以用于交換信息。在某些情況下，可以通過(guò)調(diào)制在源或設(shè)備電路中的部件，并以端口參數(shù)或其他監(jiān)控設(shè)備感測(cè)該變化來(lái)交換信息。諧振器可以通過(guò)調(diào)諧、變化、改變、抖顫等諧振器參數(shù)來(lái)彼此用信號(hào)通知，諧振器參數(shù)例如是諧振器阻抗，其可以影響系統(tǒng)中其他諧振器的反射阻抗。本文所述的系統(tǒng)和方法可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)中諧振器之間功率和通信信號(hào)的同時(shí)傳輸，或者可以實(shí)現(xiàn)使用與無(wú)線能量傳遞過(guò)程中相同的磁場(chǎng)在不同時(shí)間期間中或以不同頻率的功率和通信信號(hào)的傳輸。在其他實(shí)施例中，可以以單獨(dú)的無(wú)線通信信道來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，例如WiF1、藍(lán)牙、紅外、NFC等。
[0060]在實(shí)施例中，無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)可以包括多個(gè)諧振器，總系統(tǒng)性能可以借助系統(tǒng)中多個(gè)元件的控制來(lái)改進(jìn)。例如，具有較低功率要求的設(shè)備可以將其諧振頻率從具有較高功率要求的向設(shè)備供電的高功率源的諧振頻率調(diào)離。對(duì)于另一個(gè)實(shí)例，需要較少功率的設(shè)備可以調(diào)整其整流器電路，以使得它們從源抽取較少的功率。以這些方式，低和高功率設(shè)備都可以安全地操作，或者從單個(gè)高功率源充電。另外，充電區(qū)中的多個(gè)設(shè)備可以找到它們可用的功率，其按照任意各種消耗控制算法進(jìn)行了調(diào)節(jié)，例如，先到先得、盡力而為、保證功率等。功率消耗算法本質(zhì)上可以是分級(jí)的，給與某些用戶(hù)或某類(lèi)設(shè)備優(yōu)先級(jí)，或者它可以通過(guò)同等地共享源中可獲得的功率來(lái)支持任意數(shù)量的用戶(hù)?？梢越柚竟_(kāi)內(nèi)容所述的任何復(fù)用技術(shù)來(lái)共享功率。
[0061]在實(shí)施例中，可以使用形狀、結(jié)構(gòu)和配置的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)或?qū)嵤╇姶胖C振器。電磁諧振器可以包括感性元件、分布式電感、或具有總電感L的電感組合，和容性元件、分布式電容或具有總電容C的電容的組合。電磁諧振器的最小電路模型包括電容、電感和電阻，在圖2F中示出。諧振器可以包括感性元件238和容性元件240。在提供初始能量的情況下，例如存儲(chǔ)在電容器240中的電場(chǎng)能量，系統(tǒng)將隨著電容器放電，將能量傳遞到存儲(chǔ)在電感器138中的磁場(chǎng)能量，電感器又將能量傳遞回存儲(chǔ)在電容器240中的電場(chǎng)能量而振蕩。在這些電磁諧振器中的本征損耗包括由于感性和容性元件中的電阻和輻射損耗引起的損耗，由圖2F中的電阻R242表示。
[0062]圖2A示出了示例性磁諧振器結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化圖。磁諧振器可以包括導(dǎo)體回路，充當(dāng)在導(dǎo)體回路末端的感性元件202和容性元件204。電磁諧振器的電感器202和電容器204可以是體電路元件，或者電感和電容可以是分布式的，并可以由導(dǎo)體在結(jié)構(gòu)中的構(gòu)成、成形或定位的方式而產(chǎn)生。
[0063]例如，可以通過(guò)成形導(dǎo)體以包圍表面區(qū)域來(lái)獲得電感器202，如圖2A所示。此類(lèi)諧振器可以稱(chēng)為容性加載的回路電感器。注意，我們可以使用術(shù)語(yǔ)“回路”或“線圈”來(lái)總體上指示導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(導(dǎo)線、管、帶等)，包圍任意形狀和尺寸的表面，具有任意數(shù)量的彎曲。在圖2A中，包圍的表面區(qū)域是圓形，但表面可以是任意各種其他形狀和尺寸，并可以設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)特定系統(tǒng)性能規(guī)范。在實(shí)施例中，可以使用電感器元件、分布式電感、網(wǎng)絡(luò)、陣列、電感器和電感的串聯(lián)和并聯(lián)組合等來(lái)實(shí)現(xiàn)電感。電感可以是固定的或者可變的，并可以用于改變阻抗匹配以及諧振頻率操作條件。
[0064]存在各種方式來(lái)獲得實(shí)現(xiàn)諧振器結(jié)構(gòu)的期望諧振頻率所需的電容?？梢匀鐖D2A所示地形成并使用電容器板204，或者電容可以是分布式的，并可以在多回路導(dǎo)體的相鄰繞組之間實(shí)現(xiàn)?？梢允褂秒娙萜髟?、分布式電容、網(wǎng)絡(luò)、陣列、電容的串聯(lián)和并聯(lián)組合等來(lái)實(shí)現(xiàn)電容。電容可以是固定的或者可變的，并可以用于改變阻抗匹配以及諧振頻率操作條件。
[0065]用于磁諧振器中的感性元件可以包含多于一個(gè)回路，并可以向內(nèi)或向外或向上或向下或在方向的某些組合上盤(pán)旋。通常，磁諧振器可以具有各種形狀、尺寸和數(shù)量的彎曲，它們可以由各種導(dǎo)電材料組成。例如，導(dǎo)體210可以是導(dǎo)線、絞合線、帶、管、由導(dǎo)電墨水、涂料、凝膠體等形成的跡線，或者由印刷在電路板上的單條或多條跡線形成的跡線。圖2B中示出了構(gòu)成導(dǎo)電回路的底板208上的跡線圖案的示例性實(shí)施例。
[0066]在實(shí)施例中，可以使用任何尺寸、形狀、厚度等的磁性材料或由具有范圍廣泛的滲透性和損耗值的材料來(lái)形成感性元件。這些磁性材料可以是實(shí)體塊，它們可以包圍中空得體積，它們可以由平鋪和/或堆疊在一起的許多更小的磁性材料磚構(gòu)成，它們可以與由高導(dǎo)電材料制成的導(dǎo)電薄片或外殼集成?？梢允箤?dǎo)體纏繞在磁性材料周?chē)援a(chǎn)生磁場(chǎng)。這些導(dǎo)體可以圍繞結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多于一個(gè)軸纏繞。多個(gè)導(dǎo)體可以圍繞磁性材料纏繞，并聯(lián)或串聯(lián)或經(jīng)由開(kāi)關(guān)組合，以構(gòu)成特別調(diào)整的近場(chǎng)圖案和/或定向結(jié)構(gòu)的偶極矩。包括磁性材料的諧振器的實(shí)例在圖2C、2D、2E中示出。在圖2D中，諧振器包括導(dǎo)體224的回路，纏繞在磁性材料222的磁芯周?chē)?，產(chǎn)生了具有平行于導(dǎo)體224的回路的軸的磁偶極矩228的結(jié)構(gòu)。取決于如何驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體，諧振器可以包括導(dǎo)體216、212的多個(gè)回路,圍繞磁性材料214在正交方向上纏繞，構(gòu)成具有在多于一個(gè)方向上定向的磁偶極矩218、220的諧振器，如圖2C所示。
[0067]電磁諧振器可以具有由其物理特性確定的特征、固有特性或諧振頻率。這個(gè)諧振頻率是由諧振器儲(chǔ)存的能量在由諧振器的電場(chǎng)儲(chǔ)存的能量We (WE=q2/2C，其中，q是電容器C上的電荷)與由磁場(chǎng)儲(chǔ)存的能量Wb (WB=Li2/2，其中，i是通過(guò)電感器L的電流)之間振蕩的頻率。在其交換能量的頻率可以稱(chēng)為諧振器的特征頻率、固有頻率或諧振頻率，由ω給出，
【權(quán)利要求】
1.一種用于在電源與負(fù)載之間傳遞能量的無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)，包括: 源諧振器線圈； 設(shè)備諧振器線圈，所述設(shè)備諧振器線圈感性地耦合到所述源諧振器線圈； 可調(diào)諧開(kāi)關(guān)放大器，由所述電源驅(qū)動(dòng)并通過(guò)源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)所述源諧振器線圈，所述開(kāi)關(guān)放大器具有電子可控的開(kāi)關(guān)元件； 可調(diào)諧開(kāi)關(guān)整流器，所述可調(diào)諧開(kāi)關(guān)整流器驅(qū)動(dòng)所述負(fù)載并通過(guò)設(shè)備阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)從所述設(shè)備諧振器線圈接收能量，所述開(kāi)關(guān)整流器具有電子可控開(kāi)關(guān)元件； 源放大器控制裝置，所述源放大器控制裝置被配置為控制所述放大器的所述開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)特性以調(diào)節(jié)從電源提取的功率；以及 整流器控制裝置，所述整流器控制裝置被配置為控制所述整流器的所述開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)特性以調(diào)節(jié) 提供給所述負(fù)載的輸出的特性，所述整流器控制裝置可通信地耦合到所述源放大器控制裝置； 其中，所述放大器控制向所述放大器的所述開(kāi)關(guān)元件提供實(shí)質(zhì)上固定的開(kāi)關(guān)頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述放大器具有半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且所述源放大器控制裝置被配置為控制所述放大器的所述開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)占空比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述放大器具有全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且所述源放大器控制裝置被配置為控制所述放大器的所述開(kāi)關(guān)元件的相位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述整流器具有半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且所述整流器控制裝置被配置為控制所述整流器的所述開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)占空比。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述整流器具有全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且所述整流器控制裝置被配置為控制所述整流器的所述開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)相位。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述整流器控制裝置被配置為控制提供給所述負(fù)載的電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述整流器控制裝置被配置為控制提供給所述負(fù)載的電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述整流器控制裝置被配置為控制提供給所述負(fù)載的功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述源放大器控制裝置調(diào)節(jié)從所述電源提取的功率，從而使得從所述電源到所述負(fù)載的功率傳輸?shù)男首顑?yōu)化。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述源放大器控制裝置調(diào)節(jié)從所述電源提取的所述功率，從而在所述整流器的開(kāi)關(guān)元件上基本上保持50%的占空比。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述源放大器控制裝置調(diào)節(jié)從所述電源提取的所述功率，從而在所述整流器的所述開(kāi)關(guān)元件基本上保持50%的相移。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述放大器控制被配置為控制所述放大器的所述開(kāi)關(guān)元件的所述開(kāi)關(guān)特性的至少一個(gè)停滯時(shí)間以基本上保持零電壓開(kāi)關(guān)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述系統(tǒng)，其中，響應(yīng)于所述放大器的輸出電壓和輸出電流的測(cè)量結(jié)果來(lái)控制所述至少一個(gè)停滯時(shí)間。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述整流器控制裝置被配置為控制所述整流器的所述開(kāi)關(guān)元件的所述開(kāi)關(guān)特性的至少一個(gè)停滯時(shí)間以基本上保持零電壓開(kāi)關(guān)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中，響應(yīng)于所述整流器的輸出電壓和輸出電流的測(cè)量來(lái)控制所述至少一個(gè)停滯時(shí)間。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述源阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)包括至少一個(gè)可調(diào)諧元件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個(gè)可調(diào)諧元件是可調(diào)整電容器。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，調(diào)整所述電容器以保持所述源諧振頻率。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，調(diào)整所述電容器從而以將功率從所述電源傳輸?shù)剿鲈粗C振器線圈的改進(jìn)的效率來(lái)調(diào)節(jié)從所述電源提取的功率。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，調(diào)整所述電容器以調(diào)節(jié)從所述電源提取的功率，同時(shí)在所述放大器的所述開(kāi)關(guān)元件上基本上保持50%的占空比或相移。
21.一種用于在無(wú)線能量傳遞系統(tǒng)中控制到負(fù)載的能量的方法，所述方法包括: 為源提供放大器，所述放大器的開(kāi)關(guān)元件具有可調(diào)諧占空比； 為設(shè)備提供整流器，所述整流器的開(kāi)關(guān)元件具有可調(diào)諧占空比，所述整流器可通信地耦合到所述源的所述放大器； 調(diào)整所述整流器的所述占空比以滿(mǎn)足對(duì)所述整流器的所述輸出的功率要求；以及調(diào)整所述放大器的所述占空比以在所述整流器的所述開(kāi)關(guān)元件上獲得基本上50%的占空比。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述整流器向所述放大器傳送一個(gè)或多個(gè)操作特性。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述整流器調(diào)整所述占空比以對(duì)所述整流器的所述輸出提供恒定電壓。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述整流器調(diào)整所述占空比以在所述整流器的所述輸出提供恒定電流。
【文檔編號(hào)】H02J17/00GK103843229SQ201280048893
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月4日
【發(fā)明者】A·卡拉里斯, M·P·凱斯勒, K·L·霍爾, N·A·帕洛 申請(qǐng)人:WiTricity公司