CN103109439A - 用于无线功率发送和接收的设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种提高无线电力传输的效率的无线电力传输系统。无线功率发送器可包括：一个或多个电容器；功率输入单元，被构造为从电源接收功率并对所述一个或多个电容器进行充电；发送单元，被构造为发送谐振功率；开关单元，被构造为控制所述一个或多个电容器与功率输入单元和发送单元的电连接。还描述了一种无线功率接收器。

Description

用于无线功率发送和接收的设备
技术领域
下面的描述涉及无线电力传输。
背景技术
由于便携式电子装置的使用增加，所以有线电源变得不方便。为了克服有线电源的不便利性和传统电池的有限容量，已经对短距离无线电力传输进行了研究。短距离无线电力传输可以以指定的操作频率使用发送线圈产生磁场，并且可通过在接收线圈中产生电流电流来发送存储在产生的磁场中的能量。无线电力传输方案可利用射频(RF)装置的谐振的性能。一种基于谐振性能的无线电力传输系统可包括提供功率的源和接收功率的目标。
发明内容
根据一方面，一种无线功率发送器可包括：一个或多个电容器；功率输入单元，被构造为从电源接收功率并对所述一个或多个电容器进行充电；发送单元，被构造为发送谐振功率；开关单元，被构造为控制所述一个或多个电容器与功率输入单元和发送单元的电连接。
功率输入单元可被构造为接收从DC电源或AC电源输入的功率以对电容器进行充电。
开关单元可被构造为控制电连接，使得所述一个或多个电容器中没有电容器同时电连接到功率输入单元和发送单元。
开关单元可包括与所述一个或多个电容器分别对应的一个或多个开关，并且所述一个或多个开关控制所述一个或多个电容器在功率输入单元和发送单元之间的电连接。
所述无线功率发送器还可包括控制器，所述控制器被构造为通过感测存储在所述一个或多个电容器中的功率控制充电时间、发送时间或者充电时间和发送时间二者，其中，在所述充电时间期间所述一个或多个电容器电连接到功率输入单元，在所述发送时间期间所述一个或多个电容器电连接到传输单元。
控制器可被构造为控制发送时间使得所述一个或多个电容器被放电成电平低于预定值。
控制器可被构造为控制充电时间使得所述一个或多个电容器被充电成电平高于或等于预定电平。
开关单元可被构造为选择性地(i)对所述一个或多个电容器进行充电，和(ii)将功率从充电的一个或多个电容器释放到发送单元。
根据一方面，一种无线功率接收器可包括：一个或多个电容器；接收单元，被构造为接收谐振功率并对所述一个或多个电容器进行充电；功率输出单元，被构造为将功率发送到目标装置；开关单元，被构造为控制所述一个或多个电容器与接收单元和功率输出单元的电连接。
开关单元可被构造为控制电连接，使得所述一个或多个电容器中没有电容器同时电连接到接收单元和功率输出单元。
目标装置可包括电池。
所述无线功率接收器还包括控制器，所述控制器被构造为通过感测存储在所述一个或多个电容器中的功率控制充电时间、发送时间或者充电时间和发送时间二者，其中，在所述充电时间期间所述一个或多个电容器电连接到接收单元，在所述发送时间期间所述一个或多个电容器电连接到功率输出单元。
可在充电时间和发送时间之间存在等待时间。
控制器可被构造为控制充电时间使得所述一个或多个电容器被充电成电平高于或等于预定电平。
控制器可被构造为控制发送时间使得所述一个或多个电容器被放电成电平低于预定值。
开关单元可被构造为选择性地(i)对所述一个或多个电容器进行充电，和(ii)将功率从充电的一个或多个电容器释放到传输单元。
根据一方面，一种无线电力传输系统可包括：功率输入单元，被构造为从电源接收功率并对一个或多个第一电容器进行充电；发送单元，被构造为发送谐振功率；第一开关单元，被构造为控制所述一个或多个第一电容器与功率输入单元和传输单元的电连接；接收单元，被构造为接收谐振功率以对一个或多个第二电容器进行充电；功率输出单元，被构造为将功率发送到目标装置；第二开关单元，被构造为控制所述一个或多个第二电容器与接收单元和功率输出单元的电连接。
第一开关单元可被构造为控制电连接，使得所述一个或多个第一电容器中没有电容器同时电连接到功率输入单元和发送单元；第二开关单元可被构造为控制电连接，使得所述一个或多个第二电容器中没有电容器同时电连接到接收单元和功率输出单元。
第一开关单元和第二开关单元可是非同步的，并被构造为分别控制所述一个或多个第一电容器与功率输入单元和传输单元的电连接以及所述一个或多个第二电容器与接收单元和功率输出单元的电连接。
根据一方面，一种无线功率发送器可包括：一个或多个电容器；电源，可连接到所述一个或多个电容器长达第一时间段以对所述一个或多个电容器进行充电；电路，可连接到所述一个或多个电容器长达第二时间段以发送谐振功率。
第一时间段可不与第二时间段重叠。第一时间段和第二时间段可为固定的或可为可变的。
电源可包括AC电源。
所述一个或多个电容器可并联布置。
根据一方面，无线功率接收器的一部分可包括：一个或多个电容器；无线功率接收电路，可电连接到一个或多个电容器以形成谐振电路并对所述一个或多个电容器进行充电；负载，与所述无线功率接收电路的所述一部分电分开，并且当所述一个或多个电容器没有电连接到所述无线功率接收电路的所述部分时，所述负载可电连接到所述一个或多个电容器。
所述负载可包括电池。
所述一个或多个电容器可并联布置。
所述一个或多个电容器可电连接到所述无线功率接收电路的所述部分长达第一时间段，并可电连接到所述负载长达第二时间段。
第一时间段和第二时间段可为固定的或可变的。第一时间段可与第二时间段不同。
根据一方面，一种无线电力传输系统可包括：电源，电连接到一个或多个第一电容器长达第一时间段以对所述一个或多个第一电容器进行充电；无线功率发送电路的一部分，与电源电分开并可电连接到所述一个或多个第一电容器长达第二时间段以形成谐振电路；无线功率接收电路的一部分，可电连接到一个或多个第二电容器以形成谐振电路并对所述一个或多个第二电容器进行充电；负载，与所述无线功率接收电路的所述一部分电分开，并且当所述一个或多个第二电容器没有电连接到所述无线功率接收电路的所述一部分时，所述负载可电连接到所述一个或多个第二电容器。
第一时间段可不与第二时间段重叠。
通过下面的详细描述、附图和权利要求，其它特征和方面将是清楚的。
附图说明
图1是示出传统短距离无线电力传输系统的等效电路的示图。
图2是示出无线功率发送器的框图。
图3是示出无线功率接收器的框图。
图4是示出无线电力传输系统的框图。
图5是示出无线电力传输系统的等效电路的示图。
图6是示出当无线功率发送器中包括两个并联布置的电容器时开关的操作和存储的能量的示图。
图7是示出当无线功率接收器中包括两个并联布置的电容器时开关的操作和存储的能量的示图。
图8是示出在多个无线功率发送器和多个无线功率接收器之间的谐振功率传输的示图。
图9是示出无线功率发送方法的流程图。
图10是示出无线功率接收方法的流程图。
在整个附图和详细的描述中，除非另外描述，相同的附图标号应该被理解为表示相同或相似的元件、特征和结构。为了清晰、说明和方便，可夸大这些元件的相对尺寸和描述。
具体实施方式
提供下面的详细描述以帮助读者能够全面理解这里描述的方法、设备和/或系统。因此，在此描述的系统、设备和/或方法的各种修改、变型和等同物可被推荐给本领域的普通技术人员。描述的处理步骤和/或操作的进行是示例，然而，步骤和/或操作的顺序不限于在此阐述的顺序，而可如本领域所知地进行改变，除非步骤和/或操作必须按特定顺序发生。另外，为了更清晰和简洁，可省略对公知功能和构造的描述。
无线电力传输可应用于各种系统。例如，这种系统的示例可包括手机的无线充电器、无线电视(TV)等。无线电力传输也可以应用于生物/健康保健领域。具体地讲，无线电力传输可用于将功率发送到嵌入在人体内或位于人体附近的装置。例如，心率测量装置可被构造为无需有线连接的一种绷带。
在一个实施例中，无线电力传输可被用于不包括电源的信息存储装置的远程控制。并且，在另一实施例中，无线电力传输可应用于将功率远程提供给信息存储装置并无线读取存储在该信息存储装置中的信息的系统。
图1示出了传统的短距离无线电力传输系统的等效电路。
这里，可假设使用图1中示出的无线电力传输系统传输的无线功率为谐振功率。
如图1所示，无线电力传输系统可包括源和目标(target)。无线电力传输系统可包括与源对应的无线功率发送器和与目标对应的无线功率接收器。例如，无线功率发送器可包括源单元110和源谐振器(resonator)120。源单元110可被构造为从电源接收能量或者可包括产生谐振功率的电源。源谐振器120可被构造为将电磁能发送到目标谐振器130。具体地讲，源谐振器120可被构造为通过与目标谐振器130的磁耦合来发送谐振功率。基于相应的物理性能，源单元110可被建模为包括电源Vin和内阻Rin，源谐振器120可被建模为包括电路元件、电阻R1、电感器L1和电容器C1。
无线功率接收器可包括目标谐振器130和目标单元140。目标谐振器130可从源谐振器120接收电磁能。目标谐振器130可被构造为通过与目标谐振器130的磁耦合接收谐振功率。目标单元140可被构造为将接收的谐振功率发送到负载，或者可包括负载。目标谐振器130可被建模为包括电路元件、电阻器R2、电感器L2和电容器C2，并且目标单元可被建模为目标Zload。
如图1所示，源单元110连接到源谐振器120，并且目标谐振器130连接到目标单元140。为了提高效率，无线电力传输系统可被如下的执行。
首先，可基于源谐振器120和目标谐振器130之间的距离，将源谐振器120和目标谐振器130之间的操作频率进行匹配。使传输效率最大的频率可基于源谐振器120和目标谐振器130之间的距离而改变。因此，可随着源谐振器120和目标谐振器130之间的距离变化而调整操作频率。
其次，可在无线功率发送器和无线功率接收器二者执行阻抗匹配。可执行阻抗匹配使得从电源发送到源谐振器120的功率最大化并且使从目标谐振器130发送到目标的功率最大化。另一方面，当阻抗不匹配时，谐振功率可能会被反射，并且传输效率会降低。可基于源谐振器120和目标谐振器130的特性、目标的阻抗以及将在源谐振器120和目标谐振器130之间被传输谐振功率到的信道的特性(例如，距离和/或传输介质等)，来执行阻抗匹配。
第三，可在无线功率发送器中使用传输放大器，并且可在无线功率接收器中使用整流器。因此，可能需要增大功率放大器的效率来提高传输效率。
因此，图1中的无线电力传输系统可被构造为基于操作环境的变化(诸如谐振器之间的距离变化和目标的改变)将频率进行匹配并执行阻抗匹配，并可使用有效的功率放大器和有效的整流器来提高传输效率。
图2示出了根据这里公开的一个或多个的实施例的无线功率发送器。
如图2所示，无线功率发送器可包括功率输入单元210、开关单元220、发送单元230和控制器240。
功率输入单元210可被构造为从电源接收功率或者可包括电源，以对一个或多个电容器进行充电。例如，如果使用多个电容器，则可以以并联的方式布置所述多个电容器。尽管将理解的是电容器也可以以串联的方式布置，或者甚至可以以并联和串联组合的方式布置。
功率输入单元210可被构造为接收从DC电源或AC电源输入的功率或者可包括DC电源或AC电源，以对一个或多个电容器进行充电。例如，功率输入单元210可被构造为使用DC电源直接对电容器进行充电。当使用AC电源时，功率输入单元210可被构造为使用AC/DC转换器将AC功率转换成DC功率，或者可添加开关并调整适当的时间来激活开关以对电容器进行充电。
开关单元220可包括与一个或多个电容器分别对应的一个或多个开关(或开关元件)，并可构造为单独地控制每个电容器的开关。开关或开关元件可包括各种机电开关(例如，接触、拨动(toggle)、闸刀、倾斜等)或电开关(例如，螺线管、继电器或诸如晶体管开关、可控硅整流器或三端双向可控硅开关的固态元件)。当然，其它类型的开关也是可行的。在各种实施例中，开关可被构造为在分别允许和防止电(功率)的流动的ON位置和OFF位置之间进行选择。因此，开关控制与一个或多个电容器的电连接和/或从一个或多个电容器的电连接，从而能够对所述一个或多个电容器进行充电和放电。例如，开关单元可被构造为为例如选择性地(i)对一个或多个电容器进行充电；(ii)从充电的一个或多个电容器释放功率。开关单元可由控制器进行控制。
在无线功率发送器的一个实施例中，开关单元220可被构造为控制一个或多个电容器与功率输入单元210和/或发送单元230的电连接。例如，响应于控制器240，开关单元220可被构造为选择性地切换一个或多个电容器在功率输入单元210和发送单元230之间的电连接。
例如，所述切换可基于对电容器进行充电的充电时间和/或将存储在电容器中的功率发送到源谐振器的发送时间。在对一个或多个电容器进行充电的充电时间期间，开关单元220可将电容器连接到功率输入单元210。例如，一个或多个电容器可通过一个或多个开关的闭合/断开操作连接到功率输入单元210。在电容器连接到功率输入单元210的同时，电容器可与发送单元230分开。因此，功率输入单元210和发送单元230可通过开关单元220的开关操作而相互电分离(或隔离)。
可通过将一个或多个充电的电容器电连接到源谐振器，来执行将存储在电容器中的功率发送到源谐振器的处理。在发送时间期间，开关单元220可将一个或多个充电的电容器连接到发送单元230。一个或多个充电的电容器可仅电连接到发送单元230，因此，功率输入单元210可与发送单元230电分离并隔离。
开关单元220可被构造为将一个或多个电容器选择性地连接到功率输入单元210或发送单元230。在一些实施方式中，充电成电平高于或等于预定电平的电容器可连接到发送单元230，充电成电平低于预定电平的电容器可连接到功率输入单元210。在实施例中，通常没有电容器同时连接到功率输入单元210和发送单元230。尽管也不是总是这种情况。开关单元220可在电容器连接到功率输入单元210预定时间之后将该电容器连接到传输单元230。并且，开关单元220可控制开关以使充电时间和发送时间交替。
例如，可基于电源的充电能力来确定充电时间。如果电源具有快速的充电能力，则充电时间可较短。可基于由于谐振功率发送而存储在电容器中的功率的放电程度来确定发送时间。可基于存储在电容器中的功率的放电速度来确定发送时间，其中，发送时间也表示放电时间。
开关单元220可被构造为控制开关以防止针对每个电容器的充电时间和发送时间相互重叠。这是因为当充电时间和发送时间相互重叠时，功率输入单元210和发送单元230可相互物理且电连接。并且，当功率输入单元210和发送单元230相互物理且电连接时，会产生使性能劣化的因素，诸如阻抗不匹配等。
发送单元230可被构造为将谐振功率发送到目标谐振器。在一些实施例中，例如，谐振功率可通过磁耦合来被发送。其它的谐振功率发送方法也是可行的。当充电的电容器通过开关单元220电连接到源谐振器时，发送单元230可例如通过磁耦合发送存储在充电的电容器中的功率。
控制器240可被构造为感测存储在电容器中的一个或多个电容器中的功率并可控制电容器中的一个或多个电容器的充电时间和发送时间。例如，控制器240可感测存储在连接到功率输入单元210的多个电容器中的功率。当多个电容器被充电成电平高于或等于预定电平时，它们可连接到传输单元230。预定电平可设置成电容器的最大充电电平，或者预定电平可设置成基于电容器的稳定性确定的值。因此，控制器240可被构造为感测存储在电容器中的连接到传输单元230的一个或多个电容器中的功率。当电容器被充电成电平低于或等于预定值时，它们可连接到功率输入单元210。预定值例如可为零。
控制器240可被构造为检测在多个电容器中充电成电平低于预定值的一个或多个电容器。控制器240可控制检测的电容器将被电源进行充电的充电时间。例如，控制充电时间可表示控制检测的电容器以将被连接到功率输入单元210。
此外，控制器240可被构造为检测在多个电容器中充电成电平高于或等于预定电平的一个或多个电容器。例如，控制器240可控制存储在检测的电容器中的功率将发送到源谐振器的发送时间。控制发送时间可表示控制检测的电容器以将被连接到发送单元230。
控制器240可控制充电时间并连续对多个电容器进行充电，直到电容器中的一个或多个电容器被充电至高于或等于预定电平的电平。另外，控制器240可控制充电时间并优选地对多个电容器中的一个或多个电容器进行充电，以对它们进行充电。
控制器240可控制发送时间，直到连接到源谐振器的多个电容器的功率由于无线功率发送而降低至低于预定值的电平。例如，控制器240可控制将连接到源谐振器的电容器用于放电的发送时间。并且，开关单元220可控制开关，使得电容器基于发送时间连接到源谐振器。
当一个或多个充电的电容器的功率降低至低于或等于预定值的电平时，控制器240可被构造为控制那些电容器被电源充电的充电时间，以将它们的功率重新充至预定值(即，对它们进行再充电)。而且，控制器240可被构造为控制放电的电容器将被电源充电的充电时间，并且开关单元220可控制开关使得放电的电容器连接到电源。
在无线功率发送器中，功率输入单元210和发送单元230可通过开关单元220相互电分离，并且可使用并联布置的一个或多个电容器。功率输入单元210可被构造为对连接到功率输入单元210的一个或多个电容器进行充电，并且发送单元230可利用谐振无线发送存储在电容器中的功率。由于功率输入单元210和发送单元230电分离，所以无线功率发送器的操作环境的变化应该不会对它们产生不利的影响。因此，在不使用功率放大器的情况下，功率输入单元210可使用一个或多个电容器对目标装置提供足够的功率。
图3示出了无线功率接收器。
如图3所示，无线功率接收器可包括接收单元310、开关单元320、功率输出单元330和控制器340。
接收单元310可被构造为利用谐振无线地接收功率并对一个或多个电容器进行充电。如果包括多个电容器，则多个电容器可以按照并联的方式布置。尽管将理解的是电容器也可以按串联方式布置，或者甚至以并联和串联组合的方式布置。
开关单元320可被构造为基于用于对电容器进行充电的充电时间和/或用于将存储在一个或多个电容器中的功率发送到目标装置的发送时间来控制与一个或多个电容器分别对应的开关。
开关单元320可包括与一个或多个电容器分别对应的一个或多个开关(或开关元件)并被构造为单独控制每个电容器的开关。开关或开关元件可包括与开关单元220(图2)相似的元件。在各种实施例中，开关可被构造为在分别允许和防止电(功率)的流动的ON位置和OFF位置之间进行选择。因此，开关控制与一个或多个电容器和/或从一个或多个电容器的电连接，因此能够对所述一个或多个电容器进行充电和放电。例如，开关单元可被构造为例如选择性地(i)对一个或多个电容器进行充电，并且(ii)从充电的一个或多个电容器释放功率。开关单元可由控制器控制。
在无线功率接收器的一个实施例中，开关单元320可被构造为控制电容器中的一个或多个电容器与接收单元310和/或功率输出单元330的电连接。例如，响应于控制器340，开关单元320可被构造为可选择性地切换一个或多个电容器在接收单元310和功率输出单元330之间的电连接。
在充电时间期间，开关单元320可将将被充电的一个或多个电容器连接到接收单元310。例如，将被充电的电容器可通过开关的闭合/断开操作连接到接收单元310。并且，在将被充电的电容器连接到接收单元310的同时，所述电容器与功率输出单元330分开。因此，接收单元310和功率输出单元330可通过开关单元320的切换操作彼此电分离。
可通过将充电的电容器连接到目标装置，来执行将存储在充电的电容器中的功率发送到目标装置。在发送时间期间，开关单元320可将充电的电容器电连接到功率输出单元330。充电的电容器可电连接到功率输出单元330，并且接收单元310可与功率输出单元330电分离(或隔离)。
在一些实施例中，可基于使电容器充电至高于或等于预定电平的电平所花费的时间确定充电时间。还可以基于源谐振器发送的谐振功率的量或者目标谐振器接收的且用于对电容器充电的功率的量来确定充电时间。可基于发送到目标装置的功率的量确定传输时间。例如，可基于存储在电容器中的功率的放电速度确定可与放电时间相同的发送时间。
在一些实施例中，开关单元320可被构造为针对每个电容器控制开关使得在充电时间和发送时间之间具有等待时间。如果充电时间和发送时间相互重叠，则接收单元310和功率输出单元330可物理且电连接。另一方面，当接收单元310和功率输出单元330物理且电连接时，可产生使性能劣化的因素(诸如阻抗不匹配等)。因此，开关单元320可被构造为控制一个或多个开关使得发送时间在充电时间之后的预定时间开始。在一些情况下，开关单元320可被构造为控制一个或多个开关以使充电时间和发送时间交替。
功率输出单元330可被构造为将存储在电容器中的功率发送到目标装置或可包括目标装置。由接收单元310充电的电容器可通过开关单元320连接到目标装置。例如，功率输出单元330可将存储在电容器中的功率发送到目标装置。
控制器340可被构造为感测存储在电容器中的功率并可控制充电时间和发送时间。控制器340可感测存储在连接到接收单元310的电容器中的功率。并且，当电容器被充电至高于或等于预定电平的电平时，该电容器可连接到功率输出单元330。例如，预定电平可为电容器的最大充电电平。可基于存储的功率的一阶微分是零还是接近零来确定电容器是否充电至最大充电电平。当目前存储的功率和先前采样时间的存储功率之间的差小于指定值时，可确定或假设电容器被充电至最大充电电平。
另外，控制器340可被构造成感测存储在连接到功率输出单元330的电容器的功率。当电容器被放电至小于预定值的电平时，该电容器可连接到接收单元310。例如，预定值可为零。并且当存储的功率为零或接近零时，控制器340可控制用于将电容器充电至高于或等于预定电平的电平的充电时间。例如，控制充电时间可指示存储在的功率为零或接近零的电容器连接到接收单元310。开关单元320可基于充电时间控制开关将放电的电容器连接到接收单元310。
控制器340还可控制用于将存储在充电至高于或等于预定电平的电平的电容器中的功率发送至目标装置的发送时间。例如，控制发送时间可指示功率输出单元330电容器是否被充电至高于或等于预定电平的电平。开关单元320可基于发送时间控制开关将充电的电容器连接到目标装置。
当由于至目标装置的功率发送而使电容器放电时，控制器340可控制充电时间以使用接收的谐振功率对该电容器进行充电。
在无线功率接收器中，接收单元310和功率输出单元330可通过开关单元320相互电分开。一个或多个电容器可位于接收单元310和功率输出单元330之间并通过开关单元320相互连接。这样，接收单元310可对连接到接收单元310的一个或多个电容器进行充电。并且，功率输出单元330可被构造为将存储在一个或多个电容器中的功率发送到目标装置。由于接收单元310和功率输出单元330电分开，所以无线功率发送器的操作环境的改变通常不该会对它们产生不利影响。在不使用整流器的情况下，接收单元310可使用一个或多个电容器将足够的功率发送到目标装置。
图4示出了无线电力传输系统。
如图4所示，在无线电力传输系统中，功率输入单元410和发送单元420相互物理且电分开，并且接收单元440和功率输出单元450相互物理且电分开。
功率输入单元410可包括电源Vin和并联布置的多个电容器。在图4中，电容器被示出为具有与电池的形状相似的形状。功率输入单元410可使用电源Vin对多个电容器进行充电。充电的电容器可通过切换操作411连接到发送单元420。发送单元420可被构造为通过源谐振器发送存储在电容器中的功率。如标号413所表示的，当源谐振器通过与目标谐振器的磁耦合发送功率时，连接到传输单元420的电容器可被放电。放电的电容器可通过切换操作415连接到功率输入单元410。
可通过接收单元440的目标谐振器来接收通过源谐振器从发送单元420发送的谐振功率。例如，源谐振器和目标谐振器可通过预定信道430发送和接收谐振功率。预定信道430可包括源谐振器和目标谐振器之间的操作频带。接收单元440可包括图4中表示的具有与电池的形状相似的形状的一个或多个电容器，并且可使用接收的谐振功率对所述一个或多个电容器进行充电。充电的电容器可通过切换操作441连接到功率输出单元450。因此，功率输出单元450可被构造为将存储在连接到功率输出单元450的电容器中的功率发送到目标装置。随着功率被发送到目标装置，如标号443所示，电容器被放电。放电的电容器可通过切换操作445连接到接收单元440。
功率输入单元410和发送单元420可相互电分开。接收单元440和功率输出单元450可相互电分开。换言之，源谐振器和电源Vin可相互电分开(或隔离)，并且目标谐振器和目标装置可相互电分开(或隔离)。因此，可不需要执行基于操作环境的变化的频率匹配和阻抗匹配。可基于存储在连接到传输单元420的多个电容器中的功率确定从源谐振器发送的功率，并且可基于存储在连接到功率输出单元450的一个或多个电容器中的功率确定发送到目标装置的功率。因此，与操作环境的变化无关，可基于电容器的充电和存储在电容器中的功率的传输确定传输效率。
图5示出了无线电力传输系统的等效电路。
如图5所示，无线电力传输系统可包括功率输入单元510、第一开关单元520、传输单元530、接收单元540、第二开关单元550和功率输出单元560。
功率输入单元510可从电源接收功率或者包括电源，以对并联布置的多个电容器进行充电。第一开关单元520可被构造为基于对多个电容器进行充电的第一充电时间以及将存储在所述多个电容器中的功率发送到发送单元530的第一发送时间来控制多个第一开关。发送单元530可通过磁耦合将谐振功率发送到接收单元540。接收单元540可接收谐振功率以对一个或多个电容器进行充电。第二开关单元550可基于对一个或多个电容器进行充电的第二充电时间以及将存储在所述一个或多个电容器中的功率发送到目标装置LOAD的第二发送时间来控制多个第二开关。功率输出单元560可被构造为将存储在一个或多个电容器中的功率发送到目标装置LOAD或者可包括目标装置LOAD。目标装置可包括功耗元件或节能元件，诸如电池。
功率输入单元510可包括电源Vin、内阻Rin和并联布置的多个电容器C1，1、...、C1，n。功率输入单元510可利用电源Vin提供的功率对多个电容器进行充电。例如，多个电容器C1，1、...、C1，n可通过第一开关单元520连接到功率输入单元510。当在第一开关单元520中的开关521和525处于“ON”位置时，多个电容器C1，1、...、C1，n可连接到功率输入单元510。开关521和525可一起处于“ON”位置，或者可单独地处于“ON”位置。
发送单元530可包括具有基础电路元件L1和R1以及多个电容器C1，1、...、C1，n的源谐振器。换言之，基础电路元件L1和R1与多个电容器C1，1、...、C1，n一起形成无线功率发送电路。由功率输入单元510充电的多个电容器C1，1、...、C1，n可通过第一开关单元520连接到发送单元530。当在第一开关单元520中的开关523和开关527处于“ON”位置时，充电的多个电容器C1，1、...、C1，n可连接到发送单元530。例如，当电容器C1，1连接到功率输入单元510时，电容器C1，1不会同时连接到发送单元530。类似地，当电容器C1，n连接到功率输入单元510时，电容器C1，n不会同时连接到发送单元530。因此，第一开关单元520可将开关521和开关523以规则的间隔切换到“ON”位置。发送单元530可发送存储在连接到它的多个电容器中的功率。例如，可使用谐振无线地发送功率。
接收单元540可包括具有基础电路元件L2和R2以及电容器C2，1、...、C2，m的目标谐振器。换言之，基础电路元件L2和R2与电容器C2，1、...、C2，m一起形成无线功率接收电路。尽管图5示出了多个电容器C2，1、...、C2，m，但是也可以使用单个电容器代替。接收单元540可使用从发送单元530接收的谐振功率对电容器C2，1、...、C2，m进行充电。例如，电容器C2，1、...、C2，m可通过第二开关单元550连接到接收单元540。当在第二开关单元550中的开关553和开关557处于“ON”状态时，电容器C2，1、...、C2，m可连接到接收单元540。开关553和开关557可一起处于“ON”位置，或者可单独地处于“ON”位置。
功率输出单元560可包括目标装置LOAD。通过接收单元540进行充电的电容器C2，1、...、C2，m可通过第二开关单元550连接到功率输出单元530。当在第二开关单元550中的开关551和开关555处于“ON”位置时，电容器C2，1、...、C2，m可连接到功率输出单元560。例如，当电容器C2，1连接到接收单元540时，电容器C2，1不会同时连接到功率输出单元560。类似地，当电容器C2，m连接到接收单元540时，电容器C2，m不会同时连接到功率输出单元560。因此，第二开关单元550可以以规则的间隔使开关551和开关553切换到“ON”位置。功率输出单元560可包括目标装置LOAD或者将存储在电容器C2，1、...、C2，m中的功率发送到目标装置LOAD。
第一开关单元520可针对每个电容器C1，n控制开关525和527以防止第一充电时间和第一发送时间相互重叠。如果第一充电时间和第一发送时间相互重叠，则功率输入单元510和传输单元530物理且电连接，因此，可能会发生不匹配。
第二开关单元550可针对每个电容器C2，m控制第二开关555和557以防止第二充电时间和第二发送时间相互重叠。
在一些实施例中，第一开关单元520和第二开关单元550可为非同步的，并可基于第一发送时间和第二发送时间分别控制开关523和开关527以及开关553和开关557。发送单元530仅发送谐振功率并且接收单元540仅接收谐振功率，因此，当在发送单元530中的开关523和开关527为ON时，在接收单元540中的开关553和开关557不会同时为ON。在其它实施例中，尽管开关可为同步的。
图6示出了当图5中的无线功率发送器中包括两个并联布置的电容器时开关的操作和存储的能量。
图5中的无线功率发送器可包括连接到功率输入单元510或发送单元530的两个电容器C1，1和C1，2。如图6所示，充电开关表示连接到功率输入单元510的开关，发送开关表示连接到发送单元530的开关。
当电容器C1，1的充电开关在时间段611工作时，电容器C1，1的发送开关在时间段615不工作。因此，与电容器C1，1相关的充电时间和发送时间不会相互重叠。当电容器C1，1的充电开关在时间段613不工作时，电容器C1，1的发送开关在时间段617工作。并且，当电容器C1，1的充电开关在时间段611工作时，电容器C1，1可在时间段619通过电源进行充电。一旦存储在电容器C1，1中的能量达到预定电平，则电容器C1，1的发送开关可工作。当电容器C1，1的发送开关在时间段617工作时，存储在充电的电容器C1，1中的功率可被发送到源谐振器，并且电容器C1，1可在时间段621进行放电。当电容器C1，1进行放电并且存储的能量减少至低于或等于预定值时，电容器C1，1的充电开关可再次工作。
例如，电容器C1，2和电容器C1，1可被交替地充电和放电以将功率连续输出到源谐振器。当电容器C1，2的充电开关在时间段623不工作时，电容器C1，2的发送开关在时间段627工作。当电容器C1，2的充电开关在时间段625工作时，电容器C1，2的发送开关在时间段629不工作。当电容器C1，2的充电开关在时间段625工作时，电容器C1，2可在时间段633通过电源进行充电。当存储在电容器C1，2中的能量达到预定电平时，电容器C1，2的发送开关可工作。当电容器C1，2的发送开关在时间段627工作时，存储在电容器C1，2中的功率可被发送到源谐振器，并且电容器C1，2可在时间段631进行放电。当电容器C1，2放电且存储的能量减少至小于或等于预定值时，电容器C1，2的充电开关可再次工作。通过重复地执行上述操作，能量可被连续地发送到源谐振器。这样，源谐振器可在时间段635和637从电容器C1，1和电容器C1，2连续接收能量。在一些实施例中，对于同一电容器，可在充电时间和发送时间之间插入等待时间639，以防止充电时间和发送时间相互重叠。
图7示出了当图5中的无线功率接收器包括两个并联布置的电容器时开关的操作和存储的能量。
图5中的无线功率接收器可包括连接到接收单元540或功率输出单元560的两个电容器C2，1和C2，2。如图7所示，充电开关表示连接到接收单元540的开关，发送开关表示连接到功率输出单元560的开关。
当电容器C2，1的充电开关在时间段711工作时，电容器C2，1的发送单元在时间段715不工作。因此，与同一电容器相关的充电时间和发送时间不会相互重叠。当电容器C2，1的充电开关在时间段713不工作时，电容器C2，1的发送开关在时间段717工作。当电容器C2，1的充电开关在时间段711工作时，电容器C2，1可在时间段719使用通过目标谐振器接收的谐振功率进行充电。当存储在电容器C2，1中的能量达到预定电平时，电容器C2，1的发送开关可工作。当电容器C2，1的发送开关在时间段717工作时，存储在充电的电容器C2，1中的功率可被发送到目标装置，并且电容器C2，1可在时间段721被放电。当电容器C2，1被放电并且存储的能量减少至小于或等于预定值时，电容器C2，1的充电开关可再次工作。
例如，电容器C2，1和电容器C2，2可被交替地充电和放电以将功率连续地发送到目标装置。当电容器C2，2的充电开关在时间段723不工作时，电容器C2，2的发送开关在时间段727工作。当电容器C2，2的充电开关在时间段725工作时，电容器C2，2的发送开关在时间段729不工作。当电容器C2，2的充电开关在时间段725工作时，可在时间段733使用通过目标谐振器接收的谐振功率对电容器C2，2进行充电。一旦存储在电容器C2，2中的能量达到预定电平，则电容器C2，2的发送开关可工作。当电容器C2，2的发送开关在时间段727工作时，存储在电容器C2，2中的功率可被发送到目标装置，并且电容器C2，2可在时间段731被放电。当电容器C2，2被放电并且存储的能量减少到小于或等于预定值时，电容器C2，2的充电开关可再次工作。通过重复地执行上述操作，功率可被连续发送到目标装置。目标装置可在时间段735和737从电容器C2，1和电容器C2，2连续接收能量。在一些实施例中，对于同一电容器，可在充电时间和发送时间之间插入等待时间739以防止充电时间和发送时间相互重叠。
图8示出了多个无线功率发送器和多个无线功率接收器之间的谐振功率传输。
如以上参照图6和图7所述，无线功率发送器和无线功率接收器可单独地确定充电时间和发送时间。例如，无线功率发送器可确定充电时间和发送时间以提高发送效率。并且，无线功率接收器可确定充电时间和发送时间以提高接收效率。因此，即使无线功率发送器和无线功率接收器被单独控制，也可以保持传输效率。
在图8中，示出了两个无线功率发送器810和820以及三个无线功率接收器830、840和850。无线功率发送器810可将谐振功率发送到三个无线功率接收器无。例如，无线功率发送器810可被优化为在短时间内对多个电容器进行充电并通过源谐振器发送谐振功率。无线功率接收器830、840和850中的每个可被优化为或另外被构造为在短时间内使用接收的谐振功率对一个或多个电容器进行充电并将功率发送到目标装置。因此，不管工作环境中的变化如何(诸如，目标装置的距离和变化)，可保持传输效率。无线功率发送器820还可在保持传输效率的同时将谐振功率发送到三个无线功率接收器830、840和850。
图9示出了无线功率发送方法。
在操作910，无线功率发送器可确定在连接到功率输入单元的多个电容器中是否存在充电的电容器。当确定充电的电容器时，在操作920，充电的电容器可通过切换操作连接到发送单元。在操作930，发送单元可通过源谐振器发送从充电的电容器接收的功率。然而，当一个或多个电容器没有被充分充电时，在操作940，功率输入单元可对连接到功率输入单元的一个或多个电容器进行充电。并且当充电的电容器(例如，由于谐振功率发送而)开始放电时，在操作950，放电的电容器可通过切换操作再次连接到功率输入单元。在操作960，连接到功率输入单元的放电的电容器可被充电。通过重复地执行上述操作(如果需要)，功率可被连续地发送到源谐振器。根据功率需求，电容器可被充分放电或部分放电。
图10示出了无线功率接收方法。
在操作1010，无线功率接收器确定连接到接收单元的一个或多个电容器中是否存在充电的电容器。如果确定充电的电容器，则在操作1020，充电的电容器可通过切换操作连接到功率输出单元。在操作1030，功率输出单元可将从充电的电容器接收的功率发送到目标装置。另一方面，如果电容器没被充电，则在操作1040，接收单元可对连接到接收单元的电容器进行充电。然后可通过将功率发送到目标装置来对充电的电容器进行放电，因此，在操作1050，充电的电容器可通过切换再次连接到接收单元。在操作1060，可对连接到接收单元的放电的电容器进行充电。通过重复地执行上述操作(如果需要)，功率可被连续地发送到目标装置。根据功率需求，电容器可被充分放电或部分放电。
上述实施例中的一个或多个可记录在永久性计算机可读介质上，所述介质包括实现由具有一个或多个处理器的计算机或计算装置实施的各种操作的程序指令。所述介质还可以单独包括数据文件和/或数据结构等，或者与程序指令组合地包括数据文件和/或数据结构等。永久性计算机可读介质的示例可包括：磁介质，诸如硬盘、软盘和磁带；光介质，诸如CD ROM盘和DVD；磁光介质，诸如光盘；硬件装置，特别构造为存储并执行程序指令，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和/或闪速存储器等。程序指令的示例既包括机器代码(诸如编译器产生的)又包括含有使用解释器可由计算机执行的高级代码的文件。描述的硬件装置可被构造为实施为一个或多个软件模块，从而执行上述的示例实施例的操作，或者反之亦然。另外，永久性计算机可读存储介质可分布通过网络连接的计算机系统中，并且永久性计算机可读代码或程序指令可以以分散的方式存储和执行。
以上已经描述了多个示例实施例。然而，应该理解的是，可进行各种变型。例如，如果按照不同的顺序执行描述的技术和/或如果以不同的方式组合和/或用其他组件或它们的等价物代替或补充描述的系统中的组件、体系机构、装置或电路，则可实现适合的结果。因此，其它实施方式在权利要求的范围内。

Claims (34)

1.一种无线功率发送器，所述无线功率发送器包括：
一个或多个电容器；
功率输入单元，被构造为从电源接收功率并对所述一个或多个电容器进行充电；
发送单元，被构造为发送谐振功率；和
开关单元，被构造为控制所述一个或多个电容器与功率输入单元和发送单元的电连接。
2.根据权利要求1所述的无线功率发送器，其中，功率输入单元被构造为接收从DC电源或AC电源输入的功率以对所述一个或多个电容器进行充电。
3.根据权利要求1所述的无线功率发送器，其中，开关单元被构造为控制电连接，使得所述一个或多个电容器中没有电容器同时电连接到功率输入单元和发送单元。
4.根据权利要求1所述的无线功率发送器，其中，开关单元包括与所述一个或多个电容器分别对应的一个或多个开关，并且所述一个或多个开关控制所述一个或多个电容器在功率输入单元和传输单元之间的电连接。
5.根据权利要求1所述的无线功率发送器，所述无线功率发送器还包括：
控制器，被构造为通过感测存储在所述一个或多个电容器中的功率控制充电时间、发送时间或者充电时间和发送时间，其中，在所述充电时间期间所述一个或多个电容器电连接到功率输入单元，在所述发送时间期间所述一个或多个电容器电连接到发送单元。
6.根据权利要求5所述的无线功率发送器，其中，控制器被构造为控制发送时间使得所述一个或多个电容器被放电成电平低于预定值。
7.根据权利要求5所述的无线功率发送器，其中，控制器被构造为控制充电时间使得所述一个或多个电容器被充电成电平高于或等于预定电平。
8.一种无线功率接收器，所述无线功率接收器包括：
一个或多个电容器；
接收单元，被构造为接收谐振功率并对所述一个或多个电容器进行充电；
功率输出单元，被构造为将功率发送到目标装置；和
开关单元，被构造为控制所述一个或多个电容器与接收单元和功率输出单元的电连接。
9.根据权利要求8所述的无线功率接收器，其中，开关单元被构造为控制电连接，使得所述一个或多个电容器中没有电容器同时电连接到接收单元和功率输出单元。
10.根据权利要求8所述的无线功率接收器，其中，目标装置包括电池。
11.根据权利要求8所述的无线功率接收器，所述无线功率接收器还包括：
控制器，被构造为通过感测存储在所述一个或多个电容器中的功率控制充电时间、发送时间或者充电时间和发送时间，其中，在所述充电时间期间所述一个或多个电容器电连接到接收单元，在所述发送时间期间所述一个或多个电容器电连接到功率输出单元。
12.根据权利要求11所述的无线功率接收器，其中，等待时间在充电时间和发送时间之间。
13.根据权利要求11所述的无线功率接收器，其中，控制器被构造为控制充电时间使得所述一个或多个电容器被充电成电平高于或等于预定电平。
14.根据权利要求11所述的无线功率接收器，其中，控制器被构造为控制发送时间使得所述一个或多个电容器被放电成电平低于预定值。
15.一种无线电力传输系统，所述无线电力传输系统包括：
功率输入单元，被构造为从电源接收功率并对一个或多个第一电容器进行充电；
发送单元，被构造为发送谐振功率；
第一开关单元，被构造为控制所述一个或多个第一电容器与功率输入单元和发送单元的电连接；
接收单元，被构造为接收谐振功率以对一个或多个第二电容器进行充电；
功率输出单元，被构造为将功率发送到目标装置；和
第二开关单元，被构造为控制所述一个或多个第二电容器与接收单元和功率输出单元的电连接。
16.根据权利要求15所述的系统，其中：
第一开关单元，被构造为控制电连接，使得所述一个或多个第一电容器中没有电容器同时电连接到功率输入单元和发送单元；和
第二开关单元，被构造为控制电连接，使得所述一个或多个第二电容器中没有电容器同时电连接到接收单元和功率输出单元。
17.根据权利要求15所述的系统，其中：
第一开关单元和第二开关单元是非同步的，并被构造为分别控制所述一个或多个第一电容器与功率输入单元和传输单元的电连接以及所述一个或多个第二电容器与接收单元和功率输出单元的电连接。
18.一种无线功率发送器，所述无线功率发送器包括：
一个或多个电容器；
电源，可连接到所述一个或多个电容器长达第一时间段以对所述一个或多个电容器进行充电；和
电路，可连接到所述一个或多个电容器长达第二时间段以发送谐振功率。
19.根据权利要求18所述的无线功率发送器，其中，第一时间段不与第二时间段重叠。
20.根据权利要求18所述的无线功率发送器，其中，第一时间段和第二时间段是固定的。
21.根据权利要求18所述的无线功率发送器，其中，第一时间段和第二时间段是可变的。
22.根据权利要求18所述的无线功率发送器，其中，电源包括AC电源。
23.根据权利要求18所述的无线功率发送器，其中，所述一个或多个电容器并联布置。
24.一种无线功率接收器，所述无线功率接收器包括：
一个或多个电容器；
无线功率接收电路的一部分，可电连接到所述一个或多个电容器以形成谐振电路并对所述一个或多个电容器进行充电；和
负载，与所述无线功率接收电路的所述一部分电分开，并且当所述一个或多个电容器没有电连接到所述无线功率接收电路时，所述负载可电连接到所述一个或多个电容器。
25.根据权利要求24所述的无线功率接收器，其中，所述负载包括电池。
26.根据权利要求24所述的无线功率接收器，其中，所述一个或多个电容器并联布置。
27.根据权利要求24所述的无线功率接收器，其中，所述一个或多个电容器可电连接到所述无线功率接收电路长达第一时间段，并可电连接到所述负载长达第二时间段。
28.根据权利要求27所述的无线功率接收器，其中，第一时间段和第二时间段是固定的。
29.根据权利要求27所述的无线功率接收器，其中，第一时间段和第二时间段是可变的。
30.根据权利要求27所述的无线功率接收器，其中，第一时间段与第二时间段不同。
31.一种无线电力传输系统，所述无线功率传输系统包括：
电源，电连接到一个或多个第一电容器长达第一时间段以对所述一个或多个第一电容器进行充电；
无线功率发送电路的一部分，与电源电分开并可电连接到所述一个或多个第一电容器长达第二时间段以形成谐振电路；
无线功率接收电路的一部分，可电连接到一个或多个第二电容器以形成谐振电路并对所述一个或多个第二电容器进行充电；和
负载，与所述无线功率接收电路的所述一部分电分开，并且当所述一个或多个第二电容器没有电连接到所述无线功率接收电路的所述一部分时，所述负载可电连接到所述一个或多个第二电容器。
32.根据权利要求31所述的系统，其中，第一时间段不与第二时间段重叠。
33.根据权利要求1所述的无线功率发送器，其中，开关单元被构造为选择性地(i)对所述一个或多个电容器进行充电，和(ii)将功率从充电的一个或多个电容器释放到发送单元。
34.根据权利要求8所述的无线功率接收器，其中，开关单元被构造为选择性地(i)对所述一个或多个电容器进行充电，和(ii)将功率从充电的一个或多个电容器释放到发送单元。
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