CN102447311B

CN102447311B - 无线地交换能量的系统和方法

Info

Publication number: CN102447311B
Application number: CN201110293803.7A
Authority: CN
Inventors: 王炳南; 张坤好; 黄达
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: US20120080956A1; CN102447311A; JP2012080760A; US8890366B2; JP5854721B2

Abstract

无线地交换能量的系统和方法。本发明的无线地交换能量的系统包括具有谐振频率的至少三个物体的阵列，每个物体是电磁的(EM)并且非辐射的，并且响应于接收到能量而产生EM近场，其中阵列中的每个物体与阵列中的所有其它物体隔开一定距离，从而当接收到能量时，物体通过倏逝波的谐振耦合而与阵列中的至少一个其它物体强耦合；以及能量驱动器，其用于在谐振频率下向阵列中的至少一个物体提供能量，从而在系统的工作期间，能量从该物体分布到阵列中的所有其它物体。

Description

无线地交换能量的系统和方法

技术领域

本发明大体涉及无线地传递能量，具体地涉及使用谐振物体的阵列传递能量。

背景技术

无线能量传递

在很多无线能量传递系统中使用感应耦合，诸如无绳电动牙刷，或者车辆电池。在诸如变压器的耦合电感器中，源(source)(例如一次线圈)产生电磁场形式的能量，以及汇(sink)(例如二次线圈)对着该电磁场，使得通过该能量汇的能量得以优化，例如，使能量汇产生的能量尽可能地类似于能量源的能量。为了优化能量，能量源和能量汇之间的距离应尽量小，因为过大的距离会显著降低感应耦合法的效率。

谐振耦合系统

图1示出用于从谐振源110向谐振汇120传递能量的现有的谐振耦合系统100。在谐振耦合中，两个谐振电磁体(即能量源和能量汇)在谐振条件下彼此交互。

驱动器140对谐振源输入能量以形成振荡电磁场115。所激励的电磁场相对于驱动器的激励信号频率或者谐振系统的源和汇的自谐振频率以某一速率衰减。然而，如果在每个循环中谐振汇吸收的能量多于丢失的能量，则大多数能量被传递到能量汇。使谐振源和谐振汇在相同的谐振频率下工作确保了谐振汇在该频率下具有低阻抗，并且能量被最优地吸收。

能量在谐振物体之间的距离D上传递，例如，谐振源具有长度L₁，谐振汇具有长度L₂。驱动器将电力提供器连接到能量源。谐振汇连接到电力消耗设备，例如阻性负载150。能量被驱动器提供到谐振源，无线地并且非辐射地从谐振源传递到谐振汇，并被负载消耗。使用例如谐振系统的电磁场或者声场的场115进行无线非辐射能量传递。为了简化描述，场115是电磁场。在谐振体的耦合期间，在谐振源和谐振汇之间传递倏逝波130。

然而，谐振耦合在中距离(例如谐振频率波长的数倍)上从能量源向能量汇传递能量，当距离更长时效率降低。因此期望延长无线能量传递的有效距离。

发明内容

本发明的实施方式是基于下面的认识：强耦合谐振物体的阵列延伸无线能量传递的有效范围，并且有助于高效地向大距离移动的移动物体传递能量。

本发明的实施方式是基于另一个认识：如果向强耦合谐振物体阵列中的至少一个物体提供能量，则能量以合理的损耗在阵列中的全部物体间振荡。如果向阵列中的至少一个物体提供能量，则能量从该物体分布到阵列中的全部其它物体。由此，能量汇可从阵列中的任意物体无线地接收能量。因此，本发明的实施方式提供一种储存和分布能量以便随后在任意希望的方向和距离上从能量驱动器无线地获取能量的新颖方式。

在现有的能量分布系统中，在闭环中发射能量以将未使用的能量返回到能量源或者返回到其它专门设计的能量储存器。这不被认为是一个问题，而是能量传递的事实。本发明的实施方式没有这个要求，使得能够任意设置物体，由此任意配置能量分布拓扑结构。

在一个实施方式中，提供一种在发射装置和接收装置之间无线地传递能量的系统。该系统包括能量源，其由谐振物体的阵列形成以产生倏逝电磁(EM)波。该系统还包括能量驱动器，用于向阵列中的至少一个物体提供能量，从而在系统的工作期间能量从该物体分布(例如振荡)到阵列中的全部其它物体。

在实施方式的一个变型中，该系统还包括与能量源相距一定距离的能量汇，用于经过倏逝EM波的耦合从能量源无线地接收能量。能量汇可以是谐振的或者非谐振的结构。可实现从能量源阵列中的任意谐振物体传递能量。

另一个实施方式公开一种系统，其被配置以无线地交换能量，该系统包括：能量源，其包括第一物体阵列；能量汇，其包括第二物体阵列，能量源和能量汇中的每个物体具有谐振频率，是电磁(EM)并且非辐射的，并且被配置为响应于接收到能量而产生EM近场；能量驱动器，用于在谐振频率下向能量源中的至少一个物体提供能量，从而在系统的工作期间能量从能量源中的物体分布到能量源中的全部其它物体；以及负载，其从能量汇接收能量，其中第一和第二阵列中的每个物体与第一和第二阵列中的全部其它物体隔开一定距离，从而当接收到能量时，第一和第二阵列中的物体通过倏逝波的谐振耦合而与第一和第二阵列中的至少一个其它物体强耦合，其中，能量汇通过第一阵列中的一个或者更多个物体与第二阵列中的一个或者更多个物体之间的谐振耦合从能量源无线地接收能量。

在另一个实施方式中，公开了一种在能量源和能量汇之间传递能量的方法。该方法包括在谐振物体阵列中产生倏逝EM波。该方法还包括在谐振物体阵列和能量汇之间无线地传递能量。能量汇可以是谐振的或者非谐振的结构。在另一个实施方式中，该方法还包括在谐振物体阵列与另一谐振物体阵列之间无线地传递能量。

附图说明

图1是示出现有的谐振耦合系统的框图；

图2是根据本发明实施方式的具有超出无线能量传递有效范围之外的能量汇的系统的框图；

图3是根据本发明实施方式的具有作为能量源的谐振物体阵列的系统的框图；

图4A到图4D是根据本发明实施方式的强耦合谐振物体阵列的示意图；

图5是根据本发明实施方式的用于向移动物体无线地提供能量的系统的框图；

图6A到图6C是比较能量汇的不同实现方式的示意图；

图7是根据本发明实施方式具有作为能量源和能量汇的谐振物体阵列的系统的框图；

图8是根据本发明实施方式的用于向移动物体无线地提供能量的系统的框图；

图9是根据本发明实施方式的螺旋工作谐振物体阵列的示意图；

图10A到图10E是根据本发明实施方式的作为谐振阵列系统的频率的函数的传递效率以及对应的谐振模式；

图11是场强分布模式；以及

图12是根据本发明实施方式的一维系统扩展为二维平面系统的示例的示意图。

具体实施方式

能量可在谐振频率下在耦合的谐振物体之间无线且高效地传递。当谐振物体的尺寸比谐振波长小得多时，能量的大部分被储存在谐振物体内而不辐射到自由空间中。无线能量传递的有效范围取决于谐振物体的物理尺寸。当接收物体在相比于谐振物体的尺寸更大的距离上移动时，能量传递的效率降低。

由此，当距离D与能量源尺寸L₁和能量汇尺寸L₂相近时，图1所示的谐振能量传递系统是高效的。当D远大于L₁或者L₂时，能量传递系统的效率降低。另外，取决于源110和汇120的结构设计，系统通常要求在一个轴上良好对准。

图2示出了使用谐振能量源210和谐振能量汇220的无线能量传递低效时的示例。能量汇220与能量源210在x方向上相距D，在y方向上相距L，其中距离L远大于L₁和L₂。另外，能量汇220可沿着方向线250移动。由此，希望扩展无线能量传递的有效范围，将系统设计为向电梯或者电动车等移动设备无线地提供能量。

本发明的实施方式是基于下面的认识：强耦合谐振物体的阵列扩展无线能量传递的有效范围，并且有助于向大距离移动的接收物体传递能量。

耦合谐振体阵列

图3示出根据本发明实施方式的系统300。代替使用一个谐振物体作为能量源，而把具有相同谐振频率的至少三个谐振物体311的阵列用作能量源310。每个物体是电磁的(EM)并且非辐射，并且被配置为响应于接收到能量而产生EM近场。阵列310可以是物体311的任何排列。阵列中的物体311按一定距离排列，即，物理上不连接，从而当接收能量时，物体通过电磁波360的谐振耦合而与阵列中的至少一个其它物体强耦合。

阵列中的谐振耦合的类型可以是电感耦合、电容耦合、或者其组合。使用能量驱动器330来向阵列310中的一个或者更多个物体提供能量。通过谐振耦合，能量被分布到阵列310中的全部物体。阵列中的能量分布是通过激励倏逝波360来实现的，该倏逝波360由于谐振耦合而沿着阵列中的物体传播。倏逝波局限在谐振物体的近场内而不会辐射到自由空间中。在一个实施方式中，为了减少该过程中的损耗，选择高质量因数(Q因数，Q＞100)的谐振物体。

能量汇320与阵列相距距离D。能量汇可构建为谐振物体或者非谐振物体。通过倏逝波370的耦合，从能量源310向能量汇320传递能量。该耦合可发生在能量源中的一个或者更多个物体与能量汇之间。能量汇从能量源无线地接收能量并且向负载340提供能量。能量汇可沿着线350处于不同的位置。当能量汇处于不同的位置时，能量源310中的不同物体耦合到能量汇320。

本发明的实施方式是基于以下认识：如果向强耦合谐振物体阵列中的至少一个物体提供能量，则能量以合理的损耗在阵列中的全部物体间振荡。如果向阵列中的至少一个物体提供能量，则能量从该物体分布到阵列中的全部其它物体。由此，能量汇可从阵列的任意物体无线地接收能量。因此，本发明的实施方式提供一种储存和分布能量以便随后在任意希望方向和距离上从能量驱动器无线地获取能量的方式。

阵列配置

谐振阵列310中的谐振物体311可根据用途而采取任何物理形状。例如，谐振物体可以是自谐振线圈、螺旋线和电介质谐振体。

在图4A示出的一个实施方式中，谐振物体具有平面螺旋线411的形式。谐振物体可形成不同结构，以形成不同形状的阵列。通过线性地排列多个谐振物体形成阵列410。螺旋线物体411由导线制成并且在谐振频率下自谐振。能量汇可包括构成为谐振或者非谐振结构的一个或者更多个物体。在一个实施方式中，用螺旋线420构建能量汇，并且设置在阵列410中的一个物体的上面。在另一个实施方式中，能量汇可在当前和另一个位置430之间移动。在又一个实施方式中，在不同位置使用多个能量汇420和430。

图4B到图4D示出更复杂的阵列形状。图4B示出沿着曲线布置的谐振物体阵列440。在图4C示出的另一个实施方式中，谐振物体沿着圆450排列。在图4D示出的又一个实施方式中，谐振物体可在平面460中二维排列。在各个实施方式中，能量汇是用于无线地接收能量的具有谐振频率的谐振物体。

示例应用

本发明的实施方式可应用于向移动设备无线地提供能量、或者对不同设备上的电池无线地充电的各种用途。这些设备包括，但不限于，电动车、电梯、机器人、蜂窝电话等电子设备、膝上型计算机等。

图5示出用于向电梯550无线地提供能量的系统500。由谐振物体511的阵列510形成能量源，并且安装在电梯竖井中。使用驱动器530来向阵列510中的一个或者更多个物体提供能量。驱动器530连接到电力网。能量汇520是谐振物体，并且连接到电梯的负载540以对电梯轿厢供电。能量汇520从能量源无线地接收能量，并且向负载540提供能量。能量汇520和负载540两者都设置在电梯轿厢550的外部。可以使用阻抗匹配网络和其它部件(未示出)来控制和优化电梯系统的性能。该系统可适用于电动车无线充电等的其它应用。

作为能量汇的谐振体阵列

本发明的一些实施方式使用由谐振体阵列形成的能量汇。图6A到图6B示出具有不同能量汇结构的系统610和620的示例。在这两个系统中，由排列为直线阵列的螺旋线构成能量源。在驱动器处使用环形天线以向位于阵列一端的谐振螺旋线提供能量。在系统610中，能量汇是相同的螺旋线谐振体，并且与位于阵列另一端的谐振螺旋线同轴对准。能量汇距阵列平面0.5m。使用环形天线以从能量汇提取能量。在系统620中，由相同的螺旋线的阵列构成能量汇。环形天线与位于阵列一端的螺旋线同轴对准。图6C示出系统620的传递效率625比系统610的传递效率615更好。

两个耦合的谐振体阵列

图7示出包括用于无线能量传递的一对谐振体阵列(即第一阵列710和第二阵列720)的系统700。在谐振频率下振荡的能量被从驱动器730提供到能量源710。该能量可被无线地提供。能量源710和能量汇720是谐振物体711和721的阵列。能量源和能量汇中的谐振物体之间的相互耦合根据谐振阵列结构而使无线能量在系统中重新分布。通常，第一和第二阵列各自的物体之间的距离小于能量源与能量汇之间的距离。

阵列710和720之间的相互耦合使得能够在中距离(例如谐振物体尺寸的数倍)上通过近场715进行无线能量传递。通过能量源中的一个或者更多个谐振物体与能量汇中的一个或者更多个谐振物体之间的耦合，能量从能量源传递到能量汇。由于相互耦合而引起的总体场分布形成了单个系统的两个谐振体阵列的耦合模式。

在各个实施方式中，谐振物体711和721具有不同的形状和几何结构。能量源和能量汇的谐振频率可不同。然而，在一个实施方式中使谐振物体711和721保持相同的谐振频率以实现最优的能量传递效率。

在各个实施方式中，第一阵列的尺寸小于、大于或者等于第二阵列的尺寸。第一和第二阵列可以具有相同或者不同的尺寸。第一和第二阵列可以具有相同或者不同的自由度。在一个实施方式中，第二阵列具有至少一个自由度。

在一个实施方式中，驱动器可同时向一个或者数个谐振物体提供能量。另外，在一个实施方式中，可以移动驱动器馈送位置731。在系统配置(即，能量源和能量汇的物体)确定之后，系统谐振频率和每个谐振频率的谐振模式就固定下来。驱动器730可在能量源710中的任意谐振物体711处向系统提供能量。

类似地，在一个实施方式中，负载能量提取位置可移动。可从能量汇的任意谐振物体721提取能量。在本实施方式的变型中，负载740可从能量汇的阵列中的例如不同位置741、742、743和744处的一个以上物体提取能量。

在一些实施方式中，可使用系统700中的多个驱动器以在不同位置处向能量源阵列710提供能量。类似地，可使用多个负载740和745以在不同位置处从能量汇720提取能量。

移动设备

图8示出用于向诸如电梯的移动设备无线地供应能量的系统800。能量源是谐振物体880的阵列860。能量源被安装在电梯竖井中并且从能量驱动器810接收能量815。能量驱动器可连接到电力网并且例如以感应方式向能量源供应能量。谐振体阵列被配置为在特定谐振频率下以特定谐振模式产生电磁倏逝波。

电梯轿厢850(即负载)无线地连接到由谐振体阵列820形成的能量汇。能量汇的谐振物体的数量可以少于、多于或者等于能量源的谐振体阵列的数量。

示例

图9示出另一示例实施方式。在27MHz下谐振的螺旋线谐振体910形成能量源920和能量汇930的谐振体阵列。例如，两个谐振体阵列都具有6个螺旋线元件。使用半径R的两个环形天线作为能量驱动器940和负载950。驱动器/负载和源阵列/汇阵列的间距是D2。能量源和汇阵列之间的距离是D。

例如，通过有线电缆向能量驱动器940提供能量，接着通过例如谐振频率下的感应耦合提供到能量源。在系统中激励特定的谐振模式，能量根据该谐振模式在整个系统上重新分布。负载950无线地从能量汇930将能量提取出系统。当从系统提取出能量时，系统的能量平衡被扰动，从驱动器940提供更多的能量以维持平衡。因此，只要系统中维持谐振模式，从驱动器940向负载950传递的能量就继续。

因为系统的谐振模式取决于频率，所以传递效率也取决于频率，如图10A所示。在系统中能量传递效率1030具有多个峰值，这是多个谐振体结构的结果。

功率传递效率曲线中的不同峰值1011到1014对应于不同的相应谐振模式1021到1024，如图10B到图10E所示。当激励了对于整个系统共同的谐振模式时，能量被几乎没有辐射地限制在系统内。

具体地，从驱动器到负载的最高功率传递效率位于能量在整个系统上均匀分布的谐振模式处，其为峰值1014。

图11示出相应的模式1110。能量源920和能量汇930中的每个谐振体在该谐振模式中激励，并且能量均匀地分布，沿着两个阵列在两个阵列之间振荡。

二维谐振阵列

图12示出谐振物体的阵列可如何具有不同维度，例如谐振物体的二维(2D)阵列。该2D阵列在x和y方向两者上延伸，并且用作能量源1240和能量汇1230。能量驱动器1260在谐振频率下向能量源提供1250能量。由于能量源中的谐振物体之间的相互耦合，1270-1273，无线能量在两个方向上在系统上重新分布。能量源中的谐振物体和能量汇的谐振物体之间的相互耦合1274导致能量无线地从能量源1240向能量汇1230传递。通过在谐振频率下提供能量，激励出整体系统的相应谐振模式。在相应的谐振频率下，系统1200中的能量在3个方向上重新分布。特别地，能量在z方向上无线地传递。

尽管通过优选实施方式的示例对本发明进行了说明，应理解的是可以在本发明的要旨和范围内进行各种其它改动和修改。因此，所附的权利要求的目的是覆盖落入本发明的要旨和范围内的全部这些改动和修改。

Claims

1.一种无线地交换能量的系统，该系统包括：

具有谐振频率的至少三个物体的第一阵列，每个所述物体是电磁的并且是非辐射的，并且响应于接收到能量而产生电磁近场，其中所述第一阵列中的每个物体与该第一阵列中的所有其它物体隔开距离，使得在接收到能量时，所述物体通过倏逝波的谐振耦合而与该第一阵列中的至少一个其它物体强耦合；

能量源，其包括所述第一阵列；

能量汇，其包括物体的第二阵列，所述第二阵列包括至少三个物体，每个所述物体具有谐振频率，每个所述物体是电磁的并且是非辐射的；以及

能量驱动器，其用于在所述谐振频率下向所述第一阵列中的至少一个物体提供能量，使得在该系统的工作期间，所述能量从所述物体分布到所述第一阵列中的所有其它物体，通过所述第一阵列中的一个或多个物体与所述第二阵列中的一个或多个物体之间的谐振耦合，在所述第一阵列和所述第二阵列之间所述能量进行无线交换，在所述能量的交换中，所述第二阵列具有至少一个自由度以使所述第二阵列相对于所述第一阵列移动；

其中，所述第一阵列中的所述至少三个物体以及所述第二阵列中的所述至少三个物体中的任一个物体都能够从所述能量驱动器接收能量而产生电磁近场，

所述物体被布置为在所述系统的工作期间，能量在所述第一阵列的所有物体之间振荡。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述谐振耦合是电感耦合、电容耦合或者其组合。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量驱动器向多于一个的物体提供能量。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一阵列具有曲线、圆或二维排列的形状。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一阵列是多维度的。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量汇被设置为同时从所述第一阵列的多个物体接收能量。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量汇可相对于所述第一阵列移动。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述能量汇是具有所述谐振频率的谐振物体。

9.一种无线地交换能量的系统，该系统包括：

能量源，其包括具有物体的第一阵列；

能量汇，其包括具有物体的第二阵列，所述能量源和所述能量汇中的每个物体具有谐振频率，是电磁的并且是非辐射的，并响应于接收到能量而产生电磁近场；

能量驱动器，其在所述谐振频率下向所述能量源中的至少一个物体提供能量，使得在所述系统的工作期间，能量从所述能量源中的所述物体分布到所述能量源中的所有其它物体；以及

负载，其从所述能量汇接收能量，其中所述第一阵列和第二阵列中的每个物体分别与所述第一阵列和第二阵列中的所有其它物体隔开距离，使得当接收到能量时，所述第一阵列和第二阵列中的物体通过倏逝波的谐振耦合而与所述第一阵列和第二阵列中的至少一个其它物体强耦合，并且，所述能量汇被设置为通过所述第一阵列中的一个或者更多个物体与所述第二阵列中的一个或者更多个物体之间的谐振耦合，从所述能量源无线地接收能量；

其中，所述第一阵列和第二阵列中的任一个物体都能够从所述能量驱动器接收能量而产生电磁近场；

在所述能量的接收过程中，所述第二阵列具有至少一个自由度以使所述第二阵列相对于所述第一阵列移动，

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一阵列和第二阵列各自的物体之间的距离小于所述能量源与所述能量汇之间的距离。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一阵列的尺寸大于所述第二阵列的尺寸。

12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一阵列的尺寸等于所述第二阵列的尺寸。

13.根据权利要求9所述的系统，其中所述第一阵列和所述第二阵列是二维阵列。

14.根据权利要求9所述的系统，其中所述能量驱动器同时向所述能量源中的多个物体提供能量。

15.根据权利要求9所述的系统，其中所述负载同时从所述能量汇中的多个物体接收能量。

16.一种无线地交换能量的方法，该方法包括：

在至少三个物体的第一阵列中的所有物体之间分布能量，每个物体具有谐振频率，是电磁的并且是非辐射的，并被设置为响应于接收到能量而产生电磁近场，其中所述第一阵列中的每个物体与该第一阵列中的所有其它物体隔开距离，使得当接收到能量时，所述物体通过倏逝波的谐振耦合而与该第一阵列中的至少一个其它物体强耦合，从而在系统的工作期间，能量从所述物体分布到所述第一阵列中的所有其它物体；以及

向与所述第一阵列隔开距离的、具有至少三个物体的第二阵列的能量汇无线地发射能量；

其中，所述第一阵列中的所述至少三个物体以及所述第二阵列中的所述至少三个物体中的任一个物体都能够从能量驱动器接收能量而产生电磁近场；

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述能量汇由具有所述谐振频率的物体的第一阵列形成，所述方法还包括：

在所述第一阵列的多个物体与所述能量汇的多个物体之间无线地发射能量。