CN101471587B - 能量传输系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种能量传输系统，包括一来源端谐振器、一中继端谐振模块、及一装置端谐振器，三者的谐振频率相同，以产生谐振。来源端谐振器的能量耦合至中继端谐振模块，使来源端谐振器与中继端谐振模块之间进行非辐射能量转移。耦合至中继端谐振模块的能量，还耦合至装置端谐振器，使中继端谐振模块与装置端谐振器之间进行非辐射能量转移，以完成来源端谐振器与装置端谐振器之间的能量传输。中继端谐振模块与相邻两个谐振器之间的耦合常数，大于来源端谐振器与装置端谐振器之间的耦合常数。本发明具有高传输效率、体积小，成本低的优点。

Description

能量传输系统及其方法

技术领域

本发明有关于一种能量传输装置及方法，且特别是有关于一种经由谐振器间的能量耦合，以达到能量传输的能量传输装置及方法。

背景技术

传统上，多种无线传输技术已广泛地被应用在通信领域中。目前的无线传输技术大部分使用于在信号的接收与发送上，故多半只能达成低功率的信号传输。

由于使用无线传输技术的电子产品越来越多，通过无线传输方式来达到更高功率的传输技术的开发越来越受到重视。美国专利公开号2007/0222542已公开了一种可无线地进行能量传输的无线功率传输(Wireless Power Transfer，WPT)的无线非辐射能量转移器，来将一个谐振器的电能，以谐振的方式传递至另一个谐振器。

然而，这种转移器必须要使用到具有高品质因素(Q-factor)的谐振器才能达到一定的传输效率。这样的谐振器的体积庞大且成本高昂，难以应用于一般的电子产品中。而且，当谐振器的距离太大时，这种转移器的能量转移的效率相当低。因此，如何设计出体积小，成本低，且具有高传输效率的无线功率传输系统，是本领域不断致力的方向之一。

发明内容

本发明有关于一种能量传输系统及其方法，相较于传统的无线功率传输系统，本发明的能量传输系统具有较高的能量传输效率，并具有体积小，成本低的优点。

根据本发明的一第一方面，提出一种能量传输系统，包括一来源端谐振器、一中继端谐振模块、及一装置端谐振器。来源端谐振器用以接收一能量，来源端谐振器具有一第一谐振频率。中继端谐振模块具有一第二谐振频率，第一谐振频率与第二谐振频率为相同。来源端谐振器的能量耦合至中继端谐振模块，使来源端谐振器与中继端谐振模块之间进行非辐射能量转移(Non-radiative Energy Transfer)。来源端谐振器及中继端谐振模块之间的耦合对应于一第一耦合常数。装置端谐振器具有一第三谐振频率，第三谐振频率及第二谐振频率为相同。耦合至中继端谐振模块的能量，还耦合至装置端谐振器，使中继端谐振模块与装置端谐振器之间进行非辐射能量转移，中继端谐振模块及装置端谐振器之间的耦合对应于一第二耦合常数。当中继端谐振模块不存在时，来源端谐振器与装置端谐振器之间的耦合对应于一第三耦合常数。第一耦合常数大于第三耦合常数，且第二耦合常数大于第三耦合常数。

根据本发明的一第二方面，提出一种能量传输方法，包括下列步骤：提供一来源端谐振器接收一能量；提供一中继端谐振模块，来源端谐振器的能量耦合至中继端谐振模块，使来源端谐振器与中继端谐振模块进行非辐射能量转移，来源端谐振器及中继端谐振模块之间的耦合对应于一第一耦合常数；以及提供一装置端谐振器，耦合至中继端谐振模块的能量，还耦合至装置端谐振器，使中继端谐振模块与装置端谐振器之间进行非辐射能量转移，中继端谐振模块及装置端谐振器之间的耦合对应于一第二耦合常数。当中继端谐振模块不存在时，来源端谐振器与装置端谐振器之间的耦合对应于一第三耦合常数。第一耦合常数大于第三耦合常数，且第二耦合常数大于第三耦合常数。该来源端谐振器、该中继端谐振模块及该装置端谐振器分别具有一第一谐振频率、一第二谐振频率及一第三谐振频率，该第一、该第二及该第三谐振频率相等。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图，详细说明如下：

附图说明

图1表示依照本发明的一实施例的能量传输系统的方块图。

图2表示以螺旋管导体线圈来实现图1的能量传输系统的一例的示意图。

图3表示包含两个或两个以上的中继端谐振器的能量传输系统的一例的示意图。

图4表示来源端谐振器、中继端谐振器及装置端谐振器的特性参数的一例。

图5表示图2的能量传输系统的插入损耗(Insertion Loss)S₂₁与频率的关系图。

图6表示不设置中继端谐振器时的能量传输系统的示意图。

图7表示图6的能量传输系统的插入损益与频率的关系图。

图8为依照美国专利公开号2007/0222542所设计的作为对照组使用的一无线能量传输系统的示意图。

图9表示图8的无线功率传输系统的传输效率与传输距离的关系的模拟结果图。

图10表示图2所示的能量传输系统的来源端谐振器、中继端谐振器及装置端谐振器的位置A、B及C如图11A-11E所示时的模拟结果。

图11A-11E表示图2所示的能量传输系统的来源端谐振器、中继端谐振器及装置端谐振器的多种不同的位置配置关系。

主要元件符号说明

1、2：谐振器

10、20、80：能量传输系统

110、110’：来源端谐振器

120：中继端谐振模块

130、130”：装置端谐振器

122：中继端谐振器

106：负载电路

108：电源电路

具体实施方式

本发明的能量传输系统在来源端谐振器(Resonator)与装置端谐振器之间，配置一中继端谐振模块，来分别与来源端谐振器与装置端谐振器进行能量耦合，以提升来源端谐振器与装置端谐振器间的整体传输效率。

请参照图1，其表示依照本发明的一实施例的能量传输系统的方块图。能量传输系统10包括来源端谐振器110、中继端谐振模块120及装置端谐振器130。来源端谐振器110接收能量Pi。来源端谐振器110具有一谐振频率f₁。

中继端谐振模块120具有至少一个中继端谐振器，中继端谐振器具有谐振频率f₂，谐振频率f₁及f₂为相同。来源端谐振器110上的能量Pi耦合至中继端谐振模块120，使来源端谐振器110与中继端谐振模块120之间进行非辐射能量转移(Non-radiative Energy Transfer)。来源端谐振器110及中继端谐振模块120之间的耦合对应于一第一耦合常数(Coupling Coefficient)。

装置端谐振器130具有一谐振频率f₃，谐振频率f₃及f₂为相同。被耦合至中继端谐振模块120的能量还耦合至装置端谐振器130，使中继端谐振模块120与装置端谐振器130之间进行非辐射能量转移，如此，装置端谐振器130上具有能量Po。其中，中继端谐振模块120及装置端谐振器130之间的耦合对应于第二耦合常数。

其中，当中继端谐振模块120不存在时，来源端谐振器110与装置端谐振器130之间的耦合对应于第三耦合常数。在本实施例中，第一、第二、第三耦合常数满足第一耦合常数大于第三耦合常数，且第二耦合常数大于第三耦合常数。此处的耦合常数与对应的两个谐振器之间的能量转移的比例相关。接下来列举若干例子来对本实施例的能量传输系统进行说明。

请参照图2，其表示以螺旋管(Solenoid)导体线圈来实现图1的能量传输系统的一例的示意图。在本例中，中继端谐振模块120包括一个中继端谐振器122，来源端谐振器110、中继端谐振器122及装置端谐振器130均为螺旋管导体线圈结构的谐振器。

来源端谐振器110的谐振频率与来源端谐振器110的等效电容值与等效电感值的乘积的平方根有关。中继端谐振器122及装置端谐振器130的谐振频率亦可分别由对应的等效电容值与等效电感值得到。由于来源端谐振器110与中继端谐振器122具有相等的谐振频率，因此来源端谐振器110的螺旋管导体线圈，将会与中继端谐振器122的螺旋管导体线圈产生谐振。如此，来源端谐振器110所具有的电磁能，将会耦合至中继端谐振器122，以使来源端谐振器110的能量传输至中继端谐振器122。

同样地，由于中继端谐振器122与装置端谐振器130亦具有相等的谐振频率，因此中继端谐振器122的螺旋管导体线圈，将会与装置端谐振器130的螺旋管导体线圈产生谐振。如此，中继端谐振器122所具有的电磁能，将会耦合至装置端谐振器130，以使中继端谐振器122的能量传输至装置端谐振器130。

假设来源端谐振器110的自感值为L1，中继端谐振器122的自感值为L2，则来源端谐振器110与中继端谐振器122之间的互感值M12为：

$M12=K1\sqrt{L1\×L2}---\left(1\right)$

K1为使用螺旋管导体线圈时，来源端谐振器110与中继端谐振器122之间的第一耦合常数。同理，若装置端谐振器130的自感值为L3，则中继端谐振器122与装置端谐振器130之间的互感值M23为：

$M23=K2\sqrt{L2\×L3}---\left(2\right)$

K2为使用螺旋管导体线圈时，中继端谐振器122与装置端谐振器130之间的第二耦合常数。而来源端谐振器110与装置端谐振器130之间的互感值M13为：

$M13=K3\sqrt{L1\×L3}---\left(3\right)$

K3为使用螺旋管导体线圈时，来源端谐振器110与装置端谐振器130之间的第三耦合常数。可通过M12、M23、及M13的值，由式(1)、(2)及(3)可分别求得耦合常数K1、K2及K3。

较佳地，K1大于K3，且K2大于K3。耦合常数越大，代表能量转移的效率越高。当没有配置中继端谐振器122时，来源端谐振器110与装置端谐振器130能量转移的效率仅与K3的值有关。当配置了中继端谐振器122后，由于K2大于K3，因此来源端谐振器110与中继端谐振器122之间的能量转移的效率，将高于来源端谐振器110与装置端谐振器130之间的能量转移的效率。同样地，中继端谐振器122与装置端谐振器130之间的能量转移的效率，亦将高于来源端谐振器110与装置端谐振器130之间的能量转移的效率。如此，来源端谐振器110的能量经由中继端谐振器122传送至装置端谐振器130之后，三者的整体总能量转移的效率，将大于没有配置中继端谐振器122时，来源端谐振器110与装置端谐振器130之间的能量转移效率。

如图2所示，本实施例的能量传输系统10还具有电源电路108及耦合电路CC1。电源电路108用以产生电能信号Ps。耦合电路CC1用以接收电能信号Ps，并将电能信号Ps耦合至来源端谐振器110，以提供能量至来源端谐振器110。本实施例的能量传输系统10还具有负载电路106及耦合电路CC2。装置端谐振器130上的能量Po耦合至耦合电路CC2，耦合电路CC2输出能量Px至负载电路106。耦合电路CC1与CC2例如以导体线圈结构来达成。

在本实施例中，通过于来源端谐振器110与装置端谐振器130之间设置中继端谐振器122，以缩短能量传输系统10中相邻的谐振器之间的距离，以对应地提升谐振器间的耦合量，来达到提高传输效率的功效。

在本实施例中，虽仅以中继端谐振模块120中仅包括一个中继端谐振器122的情形为例作说明，然而，中继端谐振模块120中并不局限于仅包含一个中继端谐振器，而还可包括两个或两个以上的中继端谐振器，如图3所示。当来源端谐振器110及装置端谐振器130之间的距离更远时，还可通过使用多个中继端谐振器，来完成来源端谐振器110及装置端谐振器130’之间的远距离能量传输。

在本实施例中，虽仅以来源端谐振器110、中继端谐振器122及装置端谐振器130均为螺旋管导体线圈结构的谐振器的情形为例作说明，然而，来源端谐振器110、中继端谐振器122及装置端谐振器130亦可为其他形式的谐振器。举例来说，来源端谐振器110、中继端谐振器122及装置端谐振器130还可为具有介电质圆盘(Dielectric Disk)结构、金属圆球(Metallic Sphere)结构、金属介电质圆球(Metallodielectric Sphere)结构、等离子型圆球(plasmonic Sphere)结构、或极化型圆球(Polaritonic Sphere)结构的谐振器。

只要来源端谐振器110、中继端谐振器122及装置端谐振器130’具有相近的谐振频率，各种形式的谐振器均可用来实现本发明实施例。

上文虽仅以中继端谐振器122位于来源端谐振器110及装置端谐振器130的位置连线的中点的情形为例作说明，然而，中继端谐振器122的位置并不局限于此。中继端谐振器122的配置位置亦可以位于连线以外之处，较佳地，配置于中继端谐振器122与来源端谐振器110的距离小于来源端谐振器110及装置端谐振器130之间的距离，且中继端谐振器122与装置端谐振器130的距离小于来源端谐振器110及装置端谐振器130之间的距离之处，而且，谐振器的配置方向亦可以是任意方向。只要K1及K2大于K3，使得来源端谐振器110与装置端谐振器130’间的能量耦合量可透过中继端谐振器122的设置而提升，均属于本发明的范围。

在本实施例中，虽仅以来源端谐振器110、中继端谐振器122及装置端谐振器130之间透过螺旋管导体线圈产生的磁能来相互耦合，以进行能量传输的情形为例作说明，然而，本实施例的能量传输系统并不局限于透过磁能耦合来进行能量传输，且本领域具有通常知识者可轻易推知，本实施例的能量传输系统亦可利用谐振器产生的电能来相互耦合，以进行能量传输。

模拟结果

假设图2的来源端谐振器110及装置端谐振器130间的距离D例如为66公分。中继端谐振器122的位置例如位于来源端谐振器110与装置端谐振器130连线的中点。

中继端谐振器122中的螺旋管导体线圈结构SC2例如由长5米(Meter)，截面积半径0.7微米(millimeter，mm)的铜导线缠绕于固定架C2上而形成。来源端谐振器110及装置端谐振器130分别例如亦由长5米，截面积半径0.7mm的铜导线缠绕于固定架C1及C3上而形成。

如此，来源端谐振器110、中继端谐振器122及装置端谐振器130的特性参数：谐振频率fo、无负载品质因数(Unloaded Q Factor，Q_U)、负载品质因数(Loaded Q Factor，Q_L)及外部品质因数(External Q Factor，Q_EXT)的值如图4的表格所示。

请参照图5，其表示乃图2的能量传输系统的插入损耗(Insertion Loss)S₂₁与频率的关系图。根据图5可知，在频率24.4MHz处，能量传输系统10的插入损耗S₂₁约等于-10分贝(Decibel，dB)。根据方程式：

$\mathrm{\η}={10}^{-\frac{S_{21}}{10}}$

可知，对应的传输效率η约等于10％。

请参照图6，其表示乃不设置中继端谐振器122时的能量传输系统的示意图。图6表示的能量传输系统20与图2的能量传输系统10的不同处在于，能量传输系统20不具有中继端谐振器122，使得来源端谐振器110’上的能量直接耦合至装置端谐振器130’。

图6的能量传输系统20的插入损益与频率的关系表示于图7中。根据图7可知，在频率24.4MHz时，能量传输系统20的插入损耗S₂₁约等于-18dB，对应的传输效率η约等于1.5％。比较图5与图7可知，本实施例的设置有中继端谐振器122的能量传输系统10的传输效率η(约等于10％)远高于没有设置中继端谐振器122时的能量传输系统传输效率η(约等于1.5％)。

请参照图8，其为依照美国专利公开号2007/0222542所设计的作为对照组使用的一无线能量传输系统80的示意图。谐振器1与2间具有传输距离D’。谐振器1与2的能量相互耦合(对应于耦合常数K4)，以进行非辐射能量转移。耦合常数K4相关于对应的两个谐振器间的距离。

请参照图9所示，其表示乃图8的无线功率传输系统的传输效率与传输距离的关系的模拟结果图。图9的模拟条件为：谐振器1及2为螺旋状线圈(Helical Coil)结构，其品质系数(Q Factor)为1000，耦合常数K4与谐振器间的距离的关系如下表：

表一

由图9可知，当距离为200公分时，传输效率约为43％。将图2所示的能量传输系统的距离D亦设为200公分，并分别改变来源端谐振器110、中继端谐振器122及装置端谐振器130的位置A、B及C，如图11A-11E所示，来进行模拟，以得到图10的结果。

图10的模拟条件为：来源端谐振器110、中继端谐振器122、及装置端谐振器130的品质系数均设为1000，来源端谐振器110、中继端谐振器122、及装置端谐振器130中任两谐振器间的距离与耦合常数的关系亦如同表一所示。

请同时参照图10及图11A。当中继端谐振器122的位置B位于来源端谐振器110的位置A与装置端谐振器130的位置C的连线的中点时，本实施例的能量传输系统10的传输效率η如图10中的点n1所示，亦即是传输效率η等于90％。请参照图11B，相较于图9的无线能量传输系统在谐振器1及2的距离等于200公分时，传输效率η仅约等于43％，本实施例的能量传输系统10具有较佳的传输效率η。

当来源端谐振器110、中继端谐振器122及装置端谐振器130的位置A、B及C如图11B所示时，本实施例的能量传输系统的传输效率η如图10中的点n2所示，即是传输效率η等于80％。当来源端谐振器110、中继端谐振器122及装置端谐振器130的位置A、B及C分别如图11C、图11D及图11E所示时，本实施例的能量传输系统10的传输效率η分别如图10中的点n3、n4及n5所示，即是传输效率η分别等于70％、55％及45％。由此可知，相较于图9的无线能量传输效率，本实施例的能量传输系统10于图11A至11E所示的各种不同相对配置关系下，均具有比图8的无线能量传输系统80更佳的传输效率。

本发明的能量传输系统于在来源端谐振器与装置端谐振器之间配置中继端谐振模块，来分别与来源端谐振器与装置端谐振器进行能量耦合，以提升来源端谐振器与装置端谐振器间的整体耦合参数及传输效率。如此，相较于传统的无线非辐射能量转移器，本发明提出的能量传输系统具有较高的能量传输效率。而且，本发明可以使用品质因素较低的谐振器，来达到高传输效率的传输系统。由于低品质因素的谐振器的体积较小，故还可达到体积小，成本低的优点。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然其并非用以限定本发明。任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种更动与修改。因此，本发明的保护范围以所提出的权利要求的范围为准。

Claims (15)

1.一种能量传输系统，包括：

一来源端谐振器，用以接收一能量，该来源端谐振器具有一第一谐振频率；

一中继端谐振模块，具有一第二谐振频率，该第一谐振频率与该第二谐振频率为相同，该来源端谐振器的该能量耦合至该中继端谐振模块，使该来源端谐振器与该中继端谐振模块之间进行非辐射能量转移，该来源端谐振器及该中继端谐振模块之间的耦合对应于一第一耦合常数；以及

一装置端谐振器，具有一第三谐振频率，该第三谐振频率及该第二谐振频率为相同，耦合至该中继端谐振模块的该能量，还耦合至该装置端谐振器，使该中继端谐振模块与该装置端谐振器之间进行非辐射能量转移，该中继端谐振模块及该装置端谐振器之间的耦合对应于一第二耦合常数；

其中，当该中继端谐振模块不存在时，该来源端谐振器与该装置端谐振器之间的耦合对应于一第三耦合常数；

其中，该第一耦合常数大于该第三耦合常数，且该第二耦合常数大于该第三耦合常数。

2.如权利要求1所述的能量传输系统，其中，该来源端谐振器与该中继端谐振模块之间进行磁能能量转移。

3.如权利要求1所述的能量传输系统，其中，该来源端谐振器与该中继端谐振模块之间进行电能能量转移。

4.如权利要求1所述的能量传输系统，还包括：

一电源电路，用以产生一电源信号以提供该能量；

一第一阻抗匹配电路，用以接收该电源电路提供的该电源信号，并输出该电源信号；

一第一耦合电路，用以接收由该第一阻抗匹配电路输出的该电源信号，该第一耦合电路与该来源端谐振器间的相互耦合，使该第一耦合电路与该来源端谐振器进行能量转移，以传输该能量至该来源端谐振器。

5.如权利要求1所述的能量传输系统，还包括：

一第二耦合电路，该第二耦合电路与该装置端谐振器间相互耦合，以输出该装置端谐振器接收到的该能量；

一第二阻抗匹配电路，用以接收从该第二耦合电路输出的该能量，并输出该能量；及

一整流电路，用以接收从该第二阻抗匹配电路输出的该能量，以得到一整流信号。

6.如权利要求1所述的能量传输系统，其中，该中继端谐振模块具有至少一中继端谐振器。

7.如权利要求6所述的能量传输系统，其中该中继端谐振器为具有电容负载的导体线圈结构。

8.如权利要求6所述的能量传输系统，其中该中继端谐振器具有一介电质圆盘结构。

9.如权利要求6所述的能量传输系统，其中该中继端谐振器具有一金属圆球结构。

10.如权利要求6所述的能量传输系统，其中该中继端谐振器具有金属介电质圆球结构。

11.如权利要求6所述的能量传输系统，其中该中继端谐振器具有等离子型圆球结构。

12.如权利要求6所述的能量传输系统，其中该中继端谐振器具有极化型圆球结构。

13.如权利要求1所述的能量传输系统，其中该来源端谐振器具有螺旋管电感结构。

14.如权利要求1所述的能量传输系统，其中该装置端谐振器具有螺旋管电感结构。

15.一种能量传输方法，包括：

提供一来源端谐振器接收一能量；

提供一中继端谐振模块，该来源端谐振器的该能量耦合至该中继端谐振模块，使该来源端谐振器与该中继端谐振模块进行非辐射能量转移，该来源端谐振器及该中继端谐振模块之间的耦合对应于一第一耦合常数；以及

提供一装置端谐振器，耦合至该中继端谐振模块的该能量，还耦合至该装置端谐振器，使该中继端谐振模块与该装置端谐振器之间进行非辐射能量转移，该中继端谐振谐振模块及该装置端谐振器之间的耦合对应于一第二耦合常数；

其中，当该中继端谐振模块不存在时，该来源端谐振器与该装置端谐振器之间的耦合对应于一第三耦合常数；

其中，该第一耦合常数大于该第三耦合常数，且该第二耦合常数大于该第三耦合常数，

其中，该来源端谐振器、该中继端谐振模块及该装置端谐振器分别具有一第一谐振频率、一第二谐振频率及一第三谐振频率，该第一、该第二及该第三谐振频率相等。

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