CN103023158B - 无线电能传输系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种无线电能传输系统和方法。提供一种用于无线地发送电能的装置和方法，无线电能发送装置可控制电能充电器和发送器之间的电连接，以对源谐振器充电，并通过源谐振器与目标谐振器之间的相互谐振将充上的电能发送到目标谐振器。

Description

无线电能传输系统和方法

本申请要求于2011年9月21日在韩国知识产权局提交的第10-2011-0095223号韩国专利申请以及于2012年3月13日在韩国知识产权局提交的第10-2012-0025310号韩国专利申请的权益，所述申请的整个公开为了所有目的通过引用包含于此。

技术领域

以下描述涉及一种用于无线发送电能的设备和方法。

背景技术

已经进行了无线电能发送的研究以解决各种问题，这些问题包括有限的电池容量、有线电能提供的不便等。

发明内容

在一个总体方面，提供一种无线电能发送装置，所述无线电能发送装置包括：电能充电器，被构造为从供电装置接收电能；发送器，包括源谐振器；以及控制器，被构造为控制电能充电器和发送器之间的电连接，以对源谐振器充电并通过源谐振器与目标谐振器之间的相互谐振将充上的电能发送到目标谐振器。

源谐振器可包括至少一个电容器和一个电感器。

电能充电器可被构造为控制提供给发送器的电流的量。

电能充电器可包括与供电装置串联连接的可变电阻器。

控制器可被构造为：基于源谐振器被充上的电能的量来控制电能充电器和发送器之间的电连接。

控制器可被构造为：接通将电能充电器和发送器电连接的开关以对源谐振器充电，并且断开将电能充电器和发送器电连接的开关以发送源谐振器被充上的电能。

控制器可被构造为：控制供电装置和源谐振器之间的电连接，以在源谐振器正在通过相互谐振将电能发送给目标谐振器的同时防止电流从供电装置被提供给源谐振器。

电能充电器可包括与供电装置并联连接的多个电阻器。

控制器可被构造为：响应于源谐振器从供电装置接收到预定量的电能，断开电能充电器和发送器之间的电连接。

所述无线电能发送装置还可包括测量单元和计算器，其中，测量单元被构造为测量施加到源谐振器的电容器的电压以及施加到源谐振器的电感器的电流，计算器被构造为基于测量的电压和测量的电流来计算存储在源谐振器中的能量。

所述无线电能发送装置还可包括测量单元和检测器，其中，测量单元被构造为测量施加到源谐振器的电容器的电压，检测器被构造为基于测量的电压来检测施加到源谐振器的电容器的电压的包络。

在另一方面，提供一种无线电能接收装置，所述无线电能接收装置包括：充电器，包括目标谐振器；电能输出单元，被构造为将电能传送给负载；以及控制器，被构造为控制充电器和电能输出单元之间的电连接，以通过目标谐振器与源谐振器之间的相互谐振来对目标谐振器充电并将充上的电能传递给负载。

目标谐振器可包括至少一个电容器和一个电感器。

电能输出单元可将所述至少一个电容器和一个电感器被充上的电能传递给负载。

控制器可被构造为：基于目标谐振器被充上的电能的量来控制充电器和电能输出单元之间的电连接。

控制器可被构造为：在对目标谐振器充电时，断开将充电器和电能输出单元电连接的开关，并且接通将充电器和电能输出单元电连接的开关，以将目标谐振器被充上的电能传递给负载。

控制器可被构造为：控制目标谐振器和负载之间的电连接，以在通过目标谐振器与源谐振器之间的相互谐振对目标谐振器充电的同时防止电能从目标谐振器被传递给负载。

电能输出单元可包括电容器，以响应于所述电容器被电连接到目标谐振器来改变目标谐振器的谐振频率。

所述无线电能接收装置还可包括测量单元和计算器，其中，测量单元被构造为测量施加到目标谐振器的电容器的电压以及施加到目标谐振器的电感器的电流，计算器被构造为基于测量的电压和测量的电流来计算存储在目标谐振器中的能量。

所述无线电能接收装置还可包括测量单元和检测器，其中，测量单元被构造为测量施加到目标谐振器的电容器的电压，检测器被构造为基于测量的电压来检测施加到目标谐振器的电容器的电压的包络。

负载可包括电池。

在另一方面，提供一种无线电能传输系统，所述无线电能传输系统包括无线电能发送装置和无线电能接收装置，所述无线电能发送装置包括：供电装置；源谐振器；以及第一控制器，用于控制供电装置和源谐振器之间的电连接，以对源谐振器充电并发送充上的电能，所述无线电能接收装置包括：负载；目标谐振器，用于通过目标谐振器与源谐振器之间的相互谐振接收从源谐振器发送的电能；以及第二控制器，用于控制目标谐振器和负载之间的电连接，以将接收的电能传递给负载。

源谐振器和目标谐振器可均包括至少一个电容器和一个电感器。

在另一方面，提供一种发送无线电能的方法，所述方法包括：通过电流对源谐振器充上由供电装置提供的电能；控制供电装置和源谐振器之间的电连接；以及通过目标谐振器与源谐振器之间的相互谐振将充上的电能发送给目标谐振器。

源谐振器可包括至少一个电容器和一个电感器。

充电步骤可包括：调节提供给源谐振器的电流的量。

控制步骤可包括：基于源谐振器被充上的电能的量来控制供电装置和源谐振器之间的电连接。

所述方法还可包括：检测施加到源谐振器的电容器的电压的包络。

在另一方面，提供一种接收无线电能的方法，所述方法包括：通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振，使用源谐振器被充上的电能来对目标谐振器充电；以及将目标谐振器被充上的电能传递给负载。

目标谐振器可包括至少一个电容器和一个电感器。

传递步骤可包括：将所述至少一个电容器和一个电感器被充上的电能传递给负载。

所述方法还可包括：基于目标谐振器被充上的电能的量来控制目标谐振器和负载之间的电连接。

所述方法还可包括：使用被额外地连接到目标谐振器的电容器来改变目标谐振器的谐振频率。

所述方法还可包括：检测施加到目标谐振器的电容器的电压的包络。

通过下面详细的描述、附图和权利要求，其他特点和方面将是明显的。

附图说明

图1是示出近场无线电能传输系统的等效电路的示例的示图；

图2A和图2B是示出无线电能发送装置的示例的示图；

图3A和图3B是示出无线电能接收装置的示例的示图；

图4是示出无线电能传输系统的示例性的等效电路的示图；

图5是示出在无线电能发送装置中的并联对的示例的示图；

图6是示出施加到无线电能发送装置中的源谐振器的电感器的电压和电流的示例的曲线图；

图7是示出在无线电能传输系统中根据源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振来传递能量的示例的曲线图；

图8A和图8B是示出在无线电能发送装置中感测电压和电流并检测包络的示例的示图；

图9是示出发送无线电能的方法的示例的流程图；

图10是示出接收无线电能的方法的示例的流程图；

图11是示出无线电能传输系统的示例等效电路的示图；

图12是示出在无线电能传输系统中无线电能的发送效率的示例的曲线图。

在整个附图和详细的描述中，除非另有所述，否则相同的附图标号将被理解为指示相同的元件、特征和结构。为了清楚、说明和方便，可夸大这些元件的相对大小和描绘。

具体实施方式

提供下面的详细的描述以帮助读者获得对这里描述的方法、设备和/或系统的全面理解。因此，本领域普通技术人员将想到这里描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物。此外，为了增加的清楚和简明，可省略对公知功能和构造的描述。

无线电能传输系统可被应用于使用无线电能传输的各种系统。例如，移动电话、无线电视（TV）、平板电脑、传感器、器械等可使用无线电能传输被供电。作为另一示例，无线电能传输系统可被应用于生物医疗领域，因此，无线电能传输系统可被用于将电能远程地发送到插入身体内的装置，或者用于将电能无线地发送到用于测量生物信号（诸如心跳）的绷带型装置。

作为另一示例，无线电能传输系统可被应用于不包括电源的信息存储装置的远程控制。通信系统可将用于驱动装置的电能远程地提供给信息存储装置，并用于无线地加载存储在信息存储装置中的信息。

这里描述的目标装置是可无线地接收电能的装置，例如，终端、智能电话、电视、器械、平板电脑、计算机、传感器等。这里描述的源装置是可将电能无线地提供给一个或多个目标装置的装置。

图1示出近场无线电能传输系统的等效电路的示例。在本示例中，电能输入单元110和电能发送单元120通过电容器C₁和开关单元130在物理上被隔离，接收器140和电能输出单元150通过电容器C₂和开关单元160在物理上被隔离。

参照图1，无线电能传输系统对应于源-目标配置，其中，源可将电能无线地发送到目标。也就是说，无线电能传输系统可包括对应于源的无线电能发送装置和对应于目标的无线电能接收装置。

在本示例中，无线电能发送装置包括电能输入单元110、电能发送单元120和开关单元130。电能输入单元110可使用供电装置将能量存储在电容器C₁中。开关单元130可将电容器C₁连接到电能输入单元110，使得能量可被存储在电容器C₁中，并且开关单元130可断开电容器C₁与电能输入单元110的连接，使得电容器C₁可被连接到电能发送单元120，从而存储在电容器C₁中的能量被释放。开关单元130可防止电容器C₁同时连接到电能输入单元110和电能发送单元120。

电能发送单元120可将电磁能量传送给接收器140。例如，电能发送单元120的发送线圈L₁可通过与接收器140的接收线圈L₂的相互谐振来传送能量。发送线圈L₁和接收线圈L₂之间发生的相互谐振的水平可通过互感M被确定。

在本示例中，电能输入单元110包括输入电压V_DC、内电阻R_in和电容器C₁，电能发送单元120包括反映与电能发送单元120对应的物理属性的基本电路元件R₁、L₁和C₁，开关单元130包括多个开关。有源装置可被用作开关以执行接通和断开功能。这里，R表示电阻分量，L表示电感分量，C表示电容分量。与输入电压V_DC的一部分对应的电容器C₁两端的电压由V_in表示。

无线电能接收装置包括接收器140、电能输出单元150和开关单元160。接收器140可从电能发送单元120接收电磁能量。接收器140可将接收的电磁能量存储在连接的电容器中。开关单元160可将电容器C₂连接到接收器140，使得能量可被存储在电容器C₂中，并且开关单元160可断开电容器C₂与接收器140之间的连接，使得电容器C₂可被连接到电能输出单元150，从而存储在电容器C₂中的能量可被传递给负载。开关单元160可防止电容器C₂同时连接到接收器140和电能输出单元150。

接收器140的接收线圈L₂可通过与电能发送单元120的发送线圈L₁的相互谐振来接收电能。可使用接收的电能对连接到接收线圈L₂的电容器C₂充电。电能输出单元150可将在电容器C₂中充电的电能传递给电池。作为另一示例，电能输出单元150可将电能传递给负载或目标装置，而不是电池。

接收器140包括反映与接收器140对应的物理属性的电路元件R₂、L₂和C₂，电能输出单元150包括电容器C₂和电池，开关单元160包括多个开关。与由接收线圈L₂接收的能量的一部分对应的电容器C₂两端的电压由V_out表示。

如前所述，用于通过在物理上隔离电能输入单元110和电能发送单元120以及在物理上隔离接收器140和电能输出单元150来传输电能的谐振器隔离（RI）系统当与使用阻抗匹配的传统方案相比时可具有改进。例如，由于电能可从直流（DC）源被直接地提供给源谐振器，因此可不需要功率放大器。由于在接收端从存储在电容器中的电能来捕获能量，因此可不需要通过整流器进行整流。由于阻抗匹配可能不被使用，因此发送效率可对于发送端和接收端之间的距离的变化不敏感。示例性的RI系统可被容易地扩展到使用无线电能并包括多个发送端和多个接收端的通信系统。

图2A和图2B示出无线电能发送装置的示例。

参照图2A，无线电能发送装置包括电能充电器210、控制器220、发送器230、测量单元240和计算器250。

电能充电器210可对源谐振器充上由供电装置提供的电能。供电装置可被包括在电能充电器210中，或者可被设置在电能充电器210的外部。电能充电器210可使用从DC供电装置或交流（AC）供电装置提供的电能对源谐振器充电。在一些示例中，电能充电器210可使用DC供电装置更加容易地对源谐振器充上电能。然而，如果AC供电装置被使用，则电能充电器210可通过添加开关或通过使用AC-DC转换器将电能转换为DC电能来经过适当的时序控制对源谐振器充上电能。

源谐振器可包括至少一个电容器和电感器。在本示例中，电能充电器210可通过电流对电感器充上由供电装置提供的电能。将被存储在电感器中的能量的量可由电感来确定。谐振器的品质（Q）值可与电感的大小成比例。例如，随着电感的增加，存储在源谐振器中的能量的量可增加，并且源谐振器的Q值也可增加。无线电能发送装置可控制将被发送的电能的量，并通过调节电感器的电感来控制Q值。

电能充电器210可通过调节由供电装置提供的电流的量来将电感器被充上的电能的水平进行量化。电感器被充上的电能的量可基于提供给电感器的电流的量被确定。例如，电能充电器210可通过调节在预定的时间段期间提供的电流的量来改变电感器被充上的电能的水平。经过量化的电能的量可用于发送数据。

电能充电器210可使用串联连接到供电装置的可变电阻器来调节由供电装置提供的电流的量。提供给电感器的电流的大小可基于可变电阻的大小而变化。因此，电能充电器210可使用可变电阻器来改变电感器被充上的电能的水平。

不使用串联连接的可变电阻器，电能充电器210可使用并联连接到供电装置的多个电阻器以及串联连接到所述多个电阻器中的每个电阻器的多个开关，以调节由供电装置提供的电流的量。在本示例中，可根据开关的连接来确定供电装置和源谐振器之间的电阻器的有效电阻。可基于有效电阻来确定从供电装置提供给源谐振器的电流的量。

控制器220可控制电能充电器210与发送器230之间的电连接。例如，为了控制电能充电器210与发送器230之间的电连接，控制器220可接通开关和断开开关。在本示例中，各种类型的电子开关和机械开关可被用作开关。

作为另一示例，控制器220可基于源谐振器被充上的电能的量来控制电能充电器210与发送器230之间的电连接。例如，如果源谐振器被充上的电能的量具有峰值，则控制器220可断开电能充电器210与发送器230之间的电连接。如果在电流从供电装置被施加到源谐振器的电感器之后经过了足够的时间段，则电感器可达到稳定状态。在本示例中，控制器220可断开电能充电器210与发送器230之间的电连接。作为示例，如果随着时间的推移流经电感器的电流的值具有预定的值，则控制器220可确定电感器达到稳定状态。

测量单元240可测量施加到源谐振器的电容器的电压和施加到源谐振器的电感器的电流。计算器250可基于测量的电压和/或测量的电流来计算存储在源谐振器中的能量。控制器220可基于计算的能量来控制电能充电器210与发送器230之间的电连接。

例如，控制器220可接通将电能充电器210和发送器230电连接的开关，以对源谐振器充电。控制器220可断开将电能充电器210和发送器230电连接的开关，以发送对源谐振器充电的电能。在源谐振器正在将电能发送到目标谐振器的同时，控制器220可断开供电装置和源谐振器之间的电连接，以防止电流从供电装置被提供给源谐振器。当对源谐振器充电时，控制器220可接通将供电装置和源谐振器进行连接的开关，并且当源谐振器被充上了预定值的电能时，控制器220可断开将供电装置和源谐振器进行连接的开关。

如果源谐振器因从供电装置被提供以足够量的电能而达到稳定状态，则控制器220可断开电能充电器210和发送器230之间的电连接。这里，电连接被断开可指的是开关被断开。

发送器230可通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振将对源谐振器充电的电能发送到目标谐振器。例如，如果在源谐振器被充上电能之后断开电能充电器210与发送器230之间的电连接，则源谐振器可因自身的特性而开始谐振。存储在源谐振器中的能量可通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振被传递到目标谐振器。相互谐振的程度可由互感M确定。

将被存储在电感器中的能量的量可与电感器的容量（即，电感）成比例，并且源谐振器的Q值可与电感成比例。因此，无线电能发送装置可使用如下的方案，即，通过将电流施加到电感器来对源谐振器充电的方案，从而在增加将从源谐振器被发送的电能的量的同时保持源谐振器的相对大的Q值。此外，可通过在将电能从源谐振器释放到目标谐振器的同时断开开关，来断开电能充电器210与发送器230之间的连接，从而防止因开关被闭合而导致的发送效率的降低。

参照图2B，无线电能发送装置可包括检测器260来替代图2A的计算器250。

在本示例中，检测器260可基于由测量单元240测量的电压来检测施加到源谐振器的电容器的电压的包络。例如，检测器260可通过从施加到源谐振器的电容器的电压的波形消除谐振频率分量来检测所述包络。检测器260可基于检测的包络来估计源谐振器被充上的能量的水平。

如果包络的幅值小于或等于预定值，则控制器220可断开开关或接通开关，以控制电能充电器210与发送器230之间的电连接。

图3A和图3B示出无线电能接收装置的示例。

参照图3A，无线电能接收装置包括充电器310、控制器320、电能输出单元330、测量单元340和计算器350。

充电器310可通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振，来对目标谐振器充上存储在源谐振器中的能量。目标谐振器被充上的电能可与源谐振器被充上的并通过相互谐振被传递的电能对应。目标谐振器可包括至少一个电容器和一个电感器。充电器310可通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振来对所述至少一个电容器和一个电感器充电。相互谐振可受源谐振器和目标谐振器之间的互感的影响。也就是说，如果存在相对高的值的互感，则更加可能发生相互谐振。

控制器320可控制充电器310和电能输出单元330之间的电连接。例如，控制器320可接通开关和断开开关以控制充电器310和电能输出单元330之间的电连接。控制器320可基于目标谐振器被充上的电能的量来控制充电器310和电能输出单元330之间的电连接。

在通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振对目标谐振器充电的同时，控制器320可断开目标谐振器和负载之间的电连接，以防止电能从目标谐振器被传递给负载。例如，在对目标谐振器充电的同时，控制器320可通过断开将充电器310与电能输出单元330电连接的开关来将目标谐振器和负载在物理上隔离。为了将目标谐振器被充上的电能传递给负载，控制器320可接通将充电器310与电能输出单元330电连接的开关。

控制器320可控制对目标谐振器的充电。在本示例中，可通过目标谐振器的电容器和电感器来确定目标谐振器的谐振频率。控制器320可通过将电容器额外地连接到目标谐振器来改变目标谐振器的谐振频率。响应于目标谐振器的谐振频率被改变，源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振可停止或可减小。响应于相互谐振的停止，充电器310可停止对目标谐振器充电。

如果目标谐振器被充上的电能的量大于或等于预定值，则控制器320可通过将附加电容器连接到目标谐振器以改变谐振频率来停止对目标谐振器充电。例如，预定值可与将被存储在目标谐振器中的能量的峰值对应。可基于负载的充电容量来确定预定值。

电能输出单元330可将目标谐振器被充上的电能传递给负载。作为示例，负载可以是使用电能的装置(可以是消耗电能的目标装置)，或者可以是存储电能的装置(例如，电池)。如果目标谐振器被充上的电能的量大于或等于预定值，并且目标谐振器和负载被电连接，则目标谐振器被充上的电能可被传递给负载。在本示例中，如前所述，目标谐振器可连同负载被额外地连接到电容器。因此，如果电能开始被传递给负载并且目标谐振器的谐振频率改变，则目标谐振器可停止被充电，并且充上的电能不会通过相互谐振被重新发送到源谐振器。电能输出单元330可根据负载的充电需求将目标谐振器被充上的电能传递给负载。例如，负载的充电需求可与额定电压和额定电流对应。

测量单元340可测量施加到目标谐振器的电容器的电压和施加到目标谐振器的电感器的电流。计算器350可基于测量的电压和测量的电流来计算存储在目标谐振器中的能量。例如，控制器320可基于存储在目标谐振器中的能量来控制充电器310与电能输出单元330之间的电连接。例如，如果存储在目标谐振器中的能量具有小于或等于预定值的值，则控制器320可断开开关，使得充电器310和电能输出单元330不被电连接。

参照图3B，无线电能接收装置包括检测器360来替代图3A的计算器350。

在本示例中，检测器360可基于由测量单元340测量的电压来检测施加到目标谐振器的电容器的电压的包络。例如，检测器360可通过从施加到目标谐振器的电容器的电压的波形消除谐振频率分量来检测所述包络。检测器360可基于检测的包络来估计目标谐振器被充上的能量的水平。

如果包络具有峰值，则控制器320可接通开关以将充电器310和电能输出单元330进行电连接。如果包络的幅值小于或等于预定值，则控制器320可断开开关以防止充电器310和电能输出单元330被电连接。

图4示出无线电能传输系统的等效电路的示例。

参照图4，无线电能发送装置包括电能充电器410、控制器420和发送器430。电能充电器410包括供电装置V_in和电阻器R_in。源谐振器包括电容器C₁和电感器L₁。发送器430可通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振来发送存储在源谐振器中的能量。例如，控制器420可接通开关以将电能从电能充电器410提供给源谐振器。供电装置V_in可将电压施加到电容器C₁，并可将电流施加到电感器L₁。响应于无线电能发送装置达到稳定状态，施加到电容器C₁的电压可变为“0”，并且流经电感器L₁的电流可具有值V_in/R_in。在稳定状态，电感器L₁可通过施加的电流被充电。

响应于存储在源谐振器中的电能在稳定状态达到预定值，控制器420可通过断开开关将电能充电器410和发送器430隔离。源谐振器可在电容器C₁和电感器L₁之间发起自谐振，并且存储在源谐振器中的能量可通过互感M 470被传递给目标谐振器。在本示例中，如等式1所示，源谐振器的谐振频率f₁可等于目标谐振器的谐振频率f₂。

等式（1）

f₁＝f₂

无线电能接收装置包括充电器440、控制器450和电能输出单元460。目标谐振器包括电容器C₂和电感器L₂。在源谐振器和目标谐振器之间发生相互谐振时，源谐振器可与供电装置V_in隔离，并且目标谐振器可与负载和电容器C_L隔离。可通过相互谐振对目标谐振器的电容器C₂和电感器L₂充电。

例如，控制器450可断开开关以对目标谐振器充电。当开关被断开时，源谐振器的谐振频率可等于目标谐振器的谐振频率，并且可发生相互谐振。响应于在目标谐振器中充电的电能达到预定值，控制器450可接通开关。可在控制器450中设置预定值的信息。如果开关被接通，则电容器C_L可被连接到目标谐振器，并且目标谐振器的谐振频率可如等式2所示改变。

等式（2）

因此，源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振可被终止。当f₂′与f₂相比足够小时，考虑到目标谐振器的品质（Q）因数，相互谐振通道可停止存在。电能输出单元460可将存储在电容器C₂和电感器L₂中的电能传递给负载。电能输出单元460可按照适合于负载的方案传递电能。

如果在目标谐振器中充电的电能具有小于预定值的值，则控制器450可断开开关。充电器440可通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振来对目标谐振器充电。

图5示出无线电能发送装置中的并联对的示例。参照图5，并联对被设置在供电装置V_in和电容器C₁（或电感器L₁）之间。在本示例中，“对”包括电阻器和开关。“对”彼此并联连接的布置被称为并联对。

对1包括电阻器R_in，1511和开关SW₁513。对2包括电阻器R_in，2521和开关SW₂523。对n包括电阻器R_in，n531和开关SW_n533。可依据开关SW₁513、开关SW₂523和开关SW_n533中的哪个开关被接通来确定供电装置V_in和电容器C₁（或电感器L₁）之间的电阻。可依据确定的电阻来确定施加到电感器L₁的电流的量。因此，可通过控制开关SW₁513、开关SW₂523和开关SW_n533的接通和断开来调节施加到电感器L₁的电流的量。

可通过各个开关的独立操作来调节输入到源谐振器的电流的量。例如，如果与对应的开关被接通，则可如下面的等式来估算输入到源谐振器的电流i_s的量。

使用并联对，无线电能发送装置可将电流的量调节至最大值2ⁿ。各种水平的电流的量可被用于发送数据以及用于发送能量。例如，如果用于每个对的开关的电流的最大可允许的量不足，则无线电能发送装置可使用并联对来增加输入的电流的量。例如，如果用于开关的电流的最大可允许的量对应于300毫安（mA），并且用于源谐振器的充电电流的最大量对应于1.2安培（A），则无线电能发送装置可通过并联连接相同类型的四个开关来将输入电流的量增加充电电流的最大量。

图6示出施加到无线电能发送装置中的源谐振器的电感器的电压和电流的示例。图6的曲线图示出当供电装置连接到源谐振器时施加到电感器的电压和电流的示例。

连接源谐振器和供电装置的开关被接通的时间点可对应于时间轴上的“0”。响应于开关被接通，由供电装置供应的电压V_in可被全部施加到电感器。施加到电感器的电压可随着时间而降低，而施加到电感器的电流可随着时间而增加。如果电感器达到稳定状态，则施加到电感器的电流可具有恒定值V_in/R_in。如果存储在电感器中的能量达到预定值，则无线电能发送装置可通过断开开关来诱发源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振。

图7示出在无线电能传输系统中通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振来传递能量的示例。图7的示例与示出无线电能接收装置通过开关操作来捕获存储在目标谐振器中的能量的曲线图对应。参照图7，标注“输入”的实线描绘从源谐振器发送的能量，标注“输出”的虚线描绘由目标谐振器接收的能量。

当在无线电能发送装置中连接供电装置和源谐振器的发送（TX）开关在时间间隔710期间被接通时，可对源谐振器充电。在本示例中，使用施加到电感器的电流对源谐振器充电。在TX开关被断开的时间点740，可在源谐振器和目标谐振器之间发生相互谐振。为了产生相互谐振，在无线电能接收装置中连接目标谐振器和负载的接收（RX）开关可在TX开关被断开的时间间隔720期间保持断开状态。

在RX开关被接通的时间点750，电容器可被额外地连接到目标谐振器，从而可改变谐振频率。在本示例中，源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振可被终止。在RX开关被接通的时间间隔730期间，存储在目标谐振器中的能量不会被重新发送到源谐振器，而可被传递给负载。无线电能接收装置可在最大量或期望量的能量被存储在目标谐振器中的时刻接通RX开关，从而捕获存储在目标谐振器中的能量。无线电能接收装置可检测施加到电感器的电压的包络，并可在包络处于最大的时间点接通RX开关。

图8A和图8B示出在无线电能发送装置中感测电压和电流并检测包络的示例。

参照图8A，无线电能发送装置在810处感测施加到电容器C₁的电压，并在820处感测施加到电感器L₁的电流，从而计算存储在源谐振器中的能量。存储在源谐振器中的能量可由下面的等式3来表示。

等式（3）

无线电能发送装置可基于感测的电压和感测的电流来计算存储在源谐振器中的能量。

参照图8B，无线电能发送装置在830处检测施加到电容器C₁的电压的包络，并估计存储在源谐振器中的能量的水平。无线电能发送装置可从施加到电容器C₁的电压消除谐振频率分量，并检测包络，以更加容易地估计存储在源谐振器中的能量的水平。如果包络具有峰值，则无线电能发送装置可断开连接供电装置和源谐振器的开关。

虽然没有示出，但是无线电能接收装置可使用图8A或图8B的方案来识别存储在目标谐振器中的能量。无线电能接收装置可感测目标谐振器的电容器被充上的电压以及目标谐振器的电感器被充上的电流，并基于感测的电压和感测的电流来计算存储在目标谐振器中的能量。无线电能接收装置可检测施加到目标谐振器的电容器的电压的包络，以估计存储在目标谐振器中的能量的水平。如果包络具有峰值，则无线电能接收装置可接通连接目标谐振器和负载的开关。

图9示出发送无线电能的方法的示例。

参照图9，在910，无线电能发送装置通过电流对源谐振器充上由供电装置提供的电能。源谐振器可包括至少一个电容器和一个电感器，并且无线电能发送装置可对电感器充上由供电装置提供的电能。无线电能发送装置可通过调节由供电装置提供的电能的量来将电感器被充上的电能的水平进行量化。

在920，无线电能发送装置确定源谐振器是否被充上了具有大于或等于预定值的量的电能。例如，预定值可指的是源谐振器可被充上的电能的量的峰值，或者可指的是用于无线电能接收装置的预定值。无线电能发送装置可通过检测施加到电容器的电压的包络来估计源谐振器可被充上的电能的量。例如，无线电能发送装置可确定源谐振器的电感器被充上的电能的量是否大于或等于预定值。

在930，响应于源谐振器被充上的电能的量大于或等于预定值，无线电能发送装置通过断开连接供电装置和源谐振器的开关来断开电连接。作为另一示例，如果源谐振器被充上的电能的量小于预定值，则所述开关保持接通，以继续对源谐振器充电。

在940，无线电能发送装置通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振，将源谐振器被充上的电能发送到目标谐振器。响应于源谐振器和供电装置被隔离，源谐振器的电感器和电容器可执行谐振。例如，源谐振器和目标谐振器可根据互感来执行相互谐振。在本示例中，源谐振器的谐振频率与目标谐振器的谐振频率匹配。

图10示出接收无线电能的方法的示例。

参照图10，在1010，无线电能接收装置通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振对目标谐振器充电。例如，目标谐振器可包括至少一个电容器和一个电感器，并且无线电能接收装置可通过相互谐振对所述至少一个电容器和一个电感器充电。可对所述至少一个电容器和一个电感器充上通过相互谐振传递的能量。

在1020，无线电能接收装置确定目标谐振器是否被充上了大于或等于预定值的量的电能。如果目标谐振器被充上了小于预定值的量的电能，则无线电能接收装置继续对目标谐振器充电。例如，预定值可指的是目标谐振器可被充上的电能的量的峰值。例如，无线电能接收装置可通过检测施加到目标谐振器的电容器的电压的包络，来估计目标谐振器被充上的电能的量。

在1030，如果目标谐振器被充上大于或等于预定值的量的电能，则无线电能接收装置通过接通连接目标谐振器和负载的开关来闭合电连接。另一方面，如果目标谐振器被充上小于预定值的量的电能，则所述开关保持断开。

在1040，无线电能接收装置控制源谐振器和目标谐振器之间的谐振频率。例如，无线电能接收装置可使用被额外地连接到目标谐振器的电容器来改变目标谐振器的谐振频率。

在1050，无线电能接收装置将目标谐振器被充上的电能传递给负载。例如，无线电能接收装置可根据负载的充电需求来传递电能。例如，充电需求可与负载的额定电压和额定电流或者将被使用的电能的量对应。无线电能接收装置可将所述至少一个电容器和一个电感器被充上的电能传递给负载。无线电能接收装置可通过将电感器和电容器被充上的电能传递给负载来控制捕获存储在目标谐振器中的能量的点。

图11是示出无线电能传输系统的示例性的等效电路的示图。更具体地讲，与图4相比，图11的无线电能传输系统具有如下配置，即，中继谐振器1130被添加在源谐振器1110和目标谐振器1120之间。

参照图11，中继谐振器1130被设置在源谐振器1110和目标谐振器1120之间，并且提高了无线电能从源谐振器1110被发送到目标谐振器1120的发送效率。

中继谐振器1130可包括无源谐振器。在本示例中，“无源”可指示中继谐振器1130不自主地进行操作以提高无线电能的发送效率。也就是说，在不需要单独的操作电源的情况下，从源谐振器1110提供能量，并且提供的能量被传递给目标谐振器1120。中继谐振器1130可在与源谐振器1110和目标谐振器1120的谐振频率相同的谐振频率下进行操作。例如，中继谐振器1130可包括电容器C₃和电感器L₃。

源谐振器1110和目标谐振器1120之间的距离可对应于d，源谐振器1110和中继谐振器1130之间的距离可对应于d₁，中继谐振器1130和目标谐振器1120之间的距离可对应于d₂。

中继谐振器1130可在源谐振器1110和目标谐振器1120之间的任何位置执行中继器的功能，并且当中继谐振器1130与源谐振器1110的距离等于中继谐振器1130与目标谐振器1120的距离时，中继谐振器1130可有效地执行中继器的功能。也就是说，当满足等式d₁＝d₂=d/2时，中继谐振器1130可将由源谐振器1110提供的电能有效地传递给目标谐振器1120。

无线电能的发送效率可与两个谐振器之间的耦合系数k成比例。通常，两个谐振器之间的耦合系数k可与两个谐振器之间的距离的三次方成反比。也就是说，等式k=α/d^3可被满足（这里，α对应于预定的常数）。

因此，源谐振器1110、目标谐振器1120和中继谐振器1130中的距离关系d₁＝d₂=d/2可被耦合系数关系k₁₃=k₂₃=8×k₁₂代替。在本示例中，k₁₃=k₂₃中的值1、2和3可分别指示源谐振器1110、目标谐振器1120和中继谐振器1130。例如，k₁₂表示源谐振器1110和目标谐振器1120之间的耦合系数。

当通过代入耦合系数关系k₁₃=k₂₃=8×k₁₂，使用耦合模式理论（CMT）来计算近场中的三谐振器建模时，可如下所示获得与中继增益有关的等式。CMT可与在物理光学领域中使用的模型对应，并可与用于分析在弱相互耦合的状态下多个谐振器之间的能量传输的近似模型对应。在本示例中，k可相对较小。

这里，G_r表示中继增益，Q表示谐振器的品质因数，假设所述三个谐振器被具有相同的Q。

图12是示出在无线电能传输系统中无线电能的发送效率的示例的曲线图。

更具体地讲，图12示出指示当在图11的配置中k₁₂改变时通过中继谐振器从源谐振器被发送到目标谐振器的无线电能的发送效率的曲线图。例如，k₁₂的改变可指示源谐振器和目标谐振器之间的距离的增加。

参照图12，在曲线图的图例上的术语“数值”和“分析”指示当包括中继谐振器时使用CMT模型来分析无线电能的发送效率的方案。“数值”和“分析”均描述通过数值分析方案或理论导出的闭合形式求解。这里，每个闭合形式求解可指示与耦合系数改变的每种情况对应的发送效率。如在本示例中所使用的，“w/o中继”表示当不包括中继谐振器时源谐振器和目标谐振器之间的发送效率。

参照图12，随着源谐振器和目标谐振器之间的耦合系数k₁₂的减小，由于中继谐振器而导致的效果显著提高。也就是说，随着源谐振器和目标谐振器之间的物理距离的增加，通过添加中继谐振器而实现的发送效率的增强可得到提高。中继谐振器可与源谐振器和目标谐振器具有相同的谐振频率，并可被设置在与源谐振器的距离等于与目标谐振器的距离的位置。

用于执行这里描述的方法或者该方法的一个或多个操作的程序指令可被记录、存储或固定在一个或多个计算机可读存储介质中。可由计算机实现程序指令。例如，计算机可使处理器执行程序指令。介质可包括单独的数据文件、数据结构等，或者可包括与程序指令结合的数据文件、数据结构等。计算机可读存储介质的示例包括磁介质（诸如硬盘、软盘和磁带）、光学介质（诸如CD ROM盘和DVD）、磁光介质（诸如光盘）以及专门被配置为存储和执行程序指令的硬件装置（诸如只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、闪存等）。程序指令的示例包括诸如由编译器产生的机器代码以及包含可被计算机使用解释器执行的高级代码的文件。程序指令（即，软件）可被分布在联网的计算机系统中，使得软件以分布式方式被存储并被执行。例如，可由一个或多个计算机可读存储介质来存储软件和数据。此外，示例性实施例所属领域的编程人员可基于并使用这里提供的附图的流程图和框图以及它们的相应描述来容易地解释用于实现这里公开的示例性实施例的功能程序、代码和代码段。此外，描述的用于执行操作或方法的单元可以是硬件、软件或硬件和软件的一些组合。例如，单元可以是在计算机上运行的软件包或者软件在其上运行的计算机。

仅作为非详尽的说明，这里描述的终端/装置/单元可指移动装置（诸如蜂窝电话、个人数字助理（PDA）、数字相机、便携式游戏机和MP3播放器、便携式/个人多媒体播放器（PMP）、手持电子书、便携式膝上型PC、全球定位系统（GPS）导航、平板电脑、传感器）以及与这里所公开一致的能够进行无线通信或网络通信的装置（诸如桌上型PC、高清晰度电视（HDTV）、光盘播放器、机顶盒、家用电器等）。

计算系统或计算机可包括与总线电连接的微处理器、用户接口和存储器控制器。计算系统或计算机还可包括闪存装置。闪存装置可经由存储器控制器来存储N比特数据。所述N比特数据被微处理器处理，或者将被微处理器处理，并且N可以是1或大于1的整数。在计算系统或计算机是移动设备的情况下，可额外地提供电池以供应计算系统或计算机的操作电压。本领域普通技术人员将清楚的是，计算系统或计算机还可包括应用芯片组、相机图像处理器（CIS）、移动动态随机存取存储器（DRAM）等。存储器控制器和闪存装置可构成使用非易失性存储器以存储数据的固态驱动器/盘（SSD）。

以上已经描述了多个示例。然而，应理解，可进行各种修改。例如，如果描述的技术以不同的顺序被执行，并且/或者如果在描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式被组合且/或被其他组件或其等同物替代或补充，则可实现合适的结果。因此，其他实施方式在权利要求的范围之内。

Claims (31)

1.一种无线电能发送装置，所述无线电能发送装置包括：

电能充电器，被构造为从供电装置接收电能；

发送器，包括源谐振器；以及

控制器，被构造为控制电能充电器和发送器之间的电连接，以对源谐振器充电并通过源谐振器与目标谐振器之间的相互谐振将充上的电能发送到目标谐振器，

其中，控制器被构造为控制供电装置和源谐振器之间的电连接，以在源谐振器正在通过相互谐振将电能发送给目标谐振器的同时防止电流从供电装置被提供给源谐振器，

其中，控制器被构造为：响应于源谐振器从供电装置接收到预定量的电能，断开电能充电器和发送器之间的电连接。

2.如权利要求1所述的无线电能发送装置，其中，源谐振器包括至少一个电容器和一个电感器。

3.如权利要求1所述的无线电能发送装置，其中，电能充电器被构造为控制提供给发送器的电流的量。

4.如权利要求1所述的无线电能发送装置，其中，电能充电器包括与供电装置串联连接的可变电阻器。

5.如权利要求1所述的无线电能发送装置，其中，控制器被构造为：基于源谐振器被充上的电能的量来控制电能充电器和发送器之间的电连接。

6.如权利要求1所述的无线电能发送装置，其中，控制器被构造为：

接通将电能充电器和发送器电连接的开关，以对源谐振器充电，以及

断开将电能充电器和发送器电连接的开关，以发送源谐振器被充上的电能。

7.如权利要求1所述的无线电能发送装置，其中，电能充电器包括与供电装置并联连接的多个电阻器。

8.如权利要求1所述的无线电能发送装置，还包括：

测量单元，被构造为测量施加到源谐振器的电容器的电压以及施加到源谐振器的电感器的电流；以及

计算器，被构造为基于测量的电压和测量的电流来计算存储在源谐振器中的能量。

9.如权利要求1所述的无线电能发送装置，还包括：

测量单元，被构造为测量施加到源谐振器的电容器的电压；以及

检测器，被构造为基于测量的电压来检测施加到源谐振器的电容器的电压的包络。

10.一种无线电能接收装置，所述无线电能接收装置包括：

充电器，包括目标谐振器；

电能输出单元，被构造为将电能传送给负载；以及

控制器，被构造为控制充电器和电能输出单元之间的电连接，以通过目标谐振器与源谐振器之间的相互谐振来对目标谐振器充电，并将充上的电能传递给负载，

其中，控制器被构造为：控制目标谐振器和负载之间的电连接，以在通过目标谐振器与源谐振器之间的相互谐振对目标谐振器充电的同时防止电能从目标谐振器被传递给负载，

其中，控制器被构造为：响应于目标谐振器被充上预定量的电能，停止对目标谐振器充电。

11.如权利要求10所述的无线电能接收装置，其中，目标谐振器包括至少一个电容器和一个电感器。

12.如权利要求11所述的无线电能接收装置，其中，电能输出单元将所述至少一个电容器和一个电感器被充上的电能传递给负载。

13.如权利要求10所述的无线电能接收装置，其中，控制器被构造为：基于目标谐振器被充上的电能的量来控制充电器和电能输出单元之间的电连接。

14.如权利要求10所述的无线电能接收装置，其中，控制器被构造为：

在对目标谐振器充电时，断开将充电器和电能输出单元电连接的开关，以及

接通将充电器和电能输出单元电连接的开关，以将目标谐振器被充上的电能传递给负载。

15.如权利要求10所述的无线电能接收装置，其中，电能输出单元包括电容器，以响应于所述电容器被电连接到目标谐振器来改变目标谐振器的谐振频率。

16.如权利要求10所述的无线电能接收装置，还包括：

测量单元，被构造为测量施加到目标谐振器的电容器的电压以及施加到目标谐振器的电感器的电流；以及

计算器，被构造为基于测量的电压和测量的电流来计算存储在目标谐振器中的能量。

17.如权利要求10所述的无线电能接收装置，还包括：

测量单元，被构造为测量施加到目标谐振器的电容器的电压；以及

检测器，被构造为基于测量的电压来检测施加到目标谐振器的电容器的电压的包络。

18.如权利要求10所述的无线电能接收装置，其中，负载包括电池。

19.一种无线电能传输系统，所述无线电能传输系统包括：

无线电能发送装置，包括：供电装置；源谐振器；第一控制器，用于控制供电装置和源谐振器之间的电连接，以对源谐振器充电并发送充上的电能；以及

无线电能接收装置，包括：负载；目标谐振器，用于通过目标谐振器与源谐振器之间的相互谐振接收从源谐振器发送的电能；第二控制器，用于控制目标谐振器和负载之间的电连接，以将接收的电能传递给负载，

其中，第一控制器被构造为：控制供电装置和源谐振器之间的电连接，以在源谐振器正在通过相互谐振将电能发送给目标谐振器的同时防止电流从供电装置被提供给源谐振器，

其中，第二控制器被构造为：控制目标谐振器和负载之间的电连接，以在通过目标谐振器与源谐振器之间的相互谐振对目标谐振器充电的同时防止电能从目标谐振器被传递给负载，

其中，第一控制器被构造为：响应于源谐振器从供电装置接收到预定量的电能，断开供电装置和源谐振器之间的电连接，

其中，第二控制器被构造为：响应于目标谐振器被充上预定量的电能，停止对目标谐振器充电。

20.如权利要求19所述的无线电能传输系统，其中，源谐振器和目标谐振器均包括至少一个电容器和一个电感器。

21.一种发送无线电能的方法，所述方法包括：

通过电流对源谐振器充上由供电装置提供的电能；

控制供电装置和源谐振器之间的电连接；以及

通过目标谐振器与源谐振器之间的相互谐振将充上的电能发送给目标谐振器，

其中，控制步骤包括：控制供电装置和源谐振器之间的电连接，以在源谐振器正在通过相互谐振将电能发送给目标谐振器的同时防止电流从供电装置被提供给源谐振器，

其中，控制步骤还包括：响应于源谐振器从供电装置接收到预定量的电能，断开供电装置与源谐振器之间的电连接。

22.如权利要求21所述的方法，其中，源谐振器包括至少一个电容器和一个电感器。

23.如权利要求21所述的方法，其中，充电步骤包括：调节提供给源谐振器的电流的量。

24.如权利要求21所述的方法，其中，控制步骤包括：基于源谐振器被充上的电能的量来控制供电装置和源谐振器之间的电连接。

25.如权利要求21所述的方法，所述方法还包括：检测施加到源谐振器的电容器的电压的包络。

26.一种接收无线电能的方法，所述方法包括：

通过源谐振器和目标谐振器之间的相互谐振，使用源谐振器被充上的电能来对目标谐振器充电；以及

将目标谐振器被充上的电能传递给负载，

将目标谐振器被充上的电能传递给负载的步骤包括：控制目标谐振器和负载之间的电连接，以在通过目标谐振器与源谐振器之间的相互谐振对目标谐振器充电的同时防止电能从目标谐振器被传递给负载,

其中，使用源谐振器被充上的电能来对目标谐振器充电的步骤还包括：响应于目标谐振器被充上预定量的电能，停止对目标谐振器充电。

27.如权利要求26所述的方法，其中，目标谐振器包括至少一个电容器和一个电感器。

28.如权利要求27所述的方法，其中，传递步骤包括：将所述至少一个电容器和一个电感器被充上的电能传递给负载。

29.如权利要求26所述的方法，所述方法还包括：

基于目标谐振器被充上的电能的量来控制目标谐振器和负载之间的电连接。

30.如权利要求26所述的方法，所述方法还包括：

使用被额外地连接到目标谐振器的电容器来改变目标谐振器的谐振频率。

31.如权利要求26所述的方法，所述方法还包括：

检测施加到目标谐振器的电容器的电压的包络。