CN103283120A - 用于无线功率传输的系统 - Google Patents

Abstract

无线功率传输系统包括发射机（110）和一个或更多个接收机（120）。在具有谐振电路的发射机的实施例中，发射机（110）可以工作在其谐振频率以外的频率上。在具有谐振电路的接收机的实施例中，接收机（120）可以工作在发射机谐振频率和/或工作频率以外的频率上。可以根据接收机的功率需求选择接收机的谐振频率。可以在准谐振或非谐振模式下通过工作在谐振以外实现无线功率传输，也可以使用非谐振发射机和非谐振接收机其中之一或两者来实现无线功率传输。谐振和非谐振发射机和接收机的组合可用于功率传输。

Description

用于无线功率传输的系统

技术领域

本发明涉及功率无线传输的方法和装置。

背景技术

通过从功率传送设备（发射机）中的电感元件耦合能量到功率接收设备（接收机）中的电感元件，可以实现无线功率传输。可替换地，也可以耦合电容元件。

无线功率传输系统可以包括多个接收机。这些接收机可以是具有不同特性的不同设计，也可以是具有，例如由于误差或老化引起的不同特性的相同设计。

使用一个发射机能够将功率有效传输至一个或更多具有不同特性的各种接收机将是很有益的。在不需要调谐发射机或接收机的元件的情形下，在一定频率范围将功率有效传输至一个或更多接收机也将是很有益的。

附图说明

图1图示了无线功率传输系统的一实例。

图2图示了耦合功率传输线圈的电路模型的一实例。

图3图示了发射机的一实例。

图4图示了一实例发射机的频率响应。

图5图示了一实例发射机耦合到一实例接收机。

图6图示了一实例发射机耦合到一实例接收机的频率响应。

图7图示了具有多个接收机的无线功率传输系统的一实例。

图8图示了具有多个接收机并包括通信链路和功率跟踪器的无线功率传输系统的一实例。

具体实施方式

对于使用电感功率传输元件（例如，功率传输线圈）的无线功率传输系统而言，功率通过发射机和接收机功率传输线圈之间的磁耦合被传输。当发射机和接收机电路是谐振电路，且具有大致相同的谐振频率，而且发射机工作在谐振频率上时，该系统能够实现最大功率传输。例如，发射机谐振电路输出电压显著大于该谐振电路的输入电压。

然而，在具有多个接收机的系统中，这种谐振系统可能不理想或难以实施。例如，当多个接收机靠近发射机时，谐振系统中的功率传输显著减少。谐振电路的品质因数对负载敏感，因此，靠近多个负载的谐振发射器电路具有较低的品质因数，从而减少了功率传输。谐振系统必须补偿这种较低的品质因数，可能利用在发射机或接收机（一个或更多）中的额外电路系统或软件。另外，谐振系统需要昂贵的调谐元件，例如可变电容器，来维持谐振经历各种系统状态。此外，因为输出电压与输入电压的比值相当高，尤其是对于高品质因数谐振电路，所以谐振发射器需要低压直流（DC）输入（例如，5VDC）以限制发射机功率传输线圈上的输出电压，从而限制磁场强度。在很多情况下，低DC电压需要由高电压AC源产生，例如电源插座或电网连接源。这需要高压（例如110V或220V）交流（AC）转换为低压DC的AC/DC转换，这可能需要经过功率转换的若干级。

在下面的讨论中，接收机可以包括谐振电路；当然，此概念同样适用于没有谐振电路的接收机。系统具有一个或更多个接收机，并且一个或更多个接收机可以包括谐振电路。

工作在非谐振或准谐振模式下的系统，克服了增加谐振系统的复杂性和成本的若干问题。例如，当多个接收机在附近时，非谐振系统不会显示品质因数有显著的降低，因此不需要额外的电路或软件补偿品质因数的减小。另外，由于没有维持谐振，因此不需要高成本调谐元件。此外，由于非谐振系统中输出电压与输入电压的比值小，所以非谐振发射器电路的输入电压可以比谐振系统的输入电压高得多。因此，非谐振系统的电源不需要谐振系统必需的那么多的功率转换级。

图1图示了具有发射机110和接收机120的无线功率传输系统100的一实例。发射机110包括具有电感L1的线圈130。接收机120包括具有电感L2的线圈140。线圈130和140耦合，其耦合系数为k，该系数是衡量功率传输线圈之间的磁耦合的度量。耦合系数至少部分是发射机和接收机之间的距离和发射机到接收机的相对方向的函数。当功率传输线圈之间的耦合系数减小时，线圈之间传输的功率相应减小。耦合线圈130和140之间建立的互感M至少部分为耦合系数k与电感L1和L2的函数。线圈130可以在物理上被实施为一个或更多线圈。

接收机可以是无线可再充电设备，例如移动电话、计算机或GPS设备。接收机也可以是无线供电设备。

图2图示了图1所示系统100中的线圈的等效电模型200。电感210、220和240与理想变压器230共同模拟图1所示线圈130和140的耦合效应。模拟的电感210、220和240的电感值分别如公式1、2和3所示。

L_k1=(1-k)·L1   （1）

L_M=k·L1   （2）

L_k2=(1-k)·L2   （3）

图2所示等效电路中的理想变压器230的匝比为1:n，其中n由公式4定义。

$n=\sqrt{\frac{L2}{L1}}---\left(4\right)$

耦合系数k由公式5定义。

$k=\frac{M}{\sqrt{L1\·L2}}---\left(5\right)$

尽管当工作在谐振频率上时，发射机能传输最大功率，但发射机也可以在宽频带上以减小的水平传输功率。图3和图4图示了这一特性。

图3图示了发射机谐振电路的一实例，其中包括具有表示为w=2πf的可变频率f的交流电源310、具有电容C1的电容器320和具有电感L1的发射机线圈330。跨过线圈330的输出电压表示为V_coil。该电路的谐振频率由公式6给出。

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L1\·C1}}---\left(6\right)$

当谐振电路工作的频率基本上与谐振频率不同时，该电路工作在非谐振模式。功率传输线圈上的输出功率与频率弱相关，因此产生的磁场及传输的相应功率也与频率弱相关。

当谐振电路工作在谐振频率附近但不是谐振频率上时，该电路工作在准谐振模式。功率传输线圈上的输出功率与频率相关，因此产生的磁场也与频率相关，并且取决于接收机的特性、传输的相应功率也与频率相关。

图4通过在半对数图上的电路的传递函数（transfer function）图，表示图3中的电路的非耦合频率响应。所绘制的传递函数是线圈电压V_coil作为谐振电路输入电压的函数，在这种情况下输入电压是电源310电压。上面的图是传递函数的幅值，单位为分贝（dB），下面的图是传递函数的相位，单位为度。横轴是对数化显示的归一化频率，为f/f₀。

从幅值图可看出，当工作频率等于谐振频率时，线圈330的峰值电压达到较大值。对于图3的具体电路，准谐振频带约为f/f₀=0.8到f/f₀=2.0，不包括谐振频率。在准谐振频带内，发射机线圈330的电压是电源频率的函数。因此，在准谐振频带内，发射机线圈330上的磁场强度与线圈330的电压有关，也是发射机电源频率的函数。因此，电源频率的改变会影响磁场强度的改变，相应地，会改变最大功率传输率。

从图4的幅值图中还可看出，当电源频率在准谐振频带之上时，线圈电压基本上等于电源电压，电路工作在非谐振模式。在非谐振模式中，电路基本上是电感性的，电容器320表现为对高频短路的电路。对于设计为工作在非谐振模式上的系统，可以去除电容器320。

图5图示了图3的一实例发射机耦合到一实例接收机。发射机包括电源310、电容器320和线圈330。接收机包括具有电感L2的功率传输线圈510、具有电容CM的电容器520、具有电容C2的电容器530和示为具有电阻R_load的电阻器540的负载。跨过负载的电压记为V_out。对于图5的具体电路，接收机谐振频率约为f=1.9f₀。

图6通过在半对数图上的电路的传递函数图，图示图5的发射机/接收机的耦合频率响应。所绘制的传递函数是输出电压V_out作为电源310电压的函数。图的上面部分是传递函数的幅值，单位为分贝（dB），下面部分是传递函数的相位，单位为度。横轴是对数化显示的归一化频率，为f/f₀。

在幅值图中，当发射机电源310的频率等于发射机谐振频率，接收机负载电压V_out达到大的峰值值，并且当发射机电源310的频率等于接收机谐振频率1.9f₀时接收机负载电压V_out达到较小峰值。从幅值图还可看出，在所显示的频率范围内，接收机负载电压V_out是发射机电源310的频率的函数。

从图6中可看出，尽管发射机和接收机的谐振频率不同，接收机仍然可以接收来自发射机的功率。从图6中还可看出，发射机可以在谐振以外并且也在接收机谐振频率以外工作，仍然传送功率至接收机负载。因此，功率传输发生在宽频带内。

工作在非谐振或准谐振模式下有多种益处。例如，工作在非谐振或准谐振模式可以减少电源实施成本，如下所述。当工作在谐振频率时，发射机线圈上的电压被放大，且显著大于谐振电路上的输入电压，因此必须限制输入电压以防止线圈电压变得过高。在非谐振或准谐振模式下，线圈电压低于或不太高于电源电压，因此不需要限制电源电压。对于电网连接的电源，例如，110V/60Hz，220V/60Hz或220V/50HzAC电通常被转换为高压DC电（例如100-400V），然后逐步降压转换为低压DC电（例如5V），接着转换为低压AC电，用于输入到谐振发射器中。相反，对于非谐振或准谐振发射机，省去逐步降压转换器是可能的，因此节省了成本。

发射机电源可以包括将DC电转换为AC电的开关。例如，发射机可以包括一个或更多H-桥。对于0电压转换，可以包括与开关并联的电容器。

工作在非谐振或准谐振模式下的另一个好处是节省成本，不需要使用可变元件，或使用精确度比谐振系统所需的低的可变元件。当工作在谐振频率并且额外地通过使用高Q因数的谐振电路时，可以实现最大功率传输。改变系统状态需要调整谐振电路以维持工作在谐振频率或对于谐振电路维持高Q因数。进行这种调整，例如，使用可变元件，往往是昂贵的。在非谐振或准谐振模式下，不需要调整发射器电路。对于低成本系统，优选使用较低品质因数的线圈，并工作在准谐振或非谐振模式下。除了较低成本的线圈之外，不需要进行频率调谐。然而，较低Q因数通常会引起较高功率损耗，系统设计时必须考虑这一因素。

工作在非谐振或准谐振模式下的另一个好处是能够基本上同时执行将功率从一个发射机传输至多个接收机。在谐振无线功率传输系统中，当发射机与接收机都工作在谐振频率时，如果另一个接收机也耦合到发射机，则发射机线圈上的电压将下降，并且由于系统减小的品质因数，磁场也相应减弱。磁场可能减弱到传输到接收机的功率低于接收机所需的最小功率的点。这种现象是在多接收机情况下使用谐振发射机的主要限制。相反，在非或准谐振模式下，发射机基本上不受耦合到发射机上的额外接收机的影响，因为发射机电路不依赖于谐振电路高品质因数提供的放大。而且，对于单个或多个接收机，非或准谐振发射机可根据不同工况需要调整频率或电压。

图7图示了具有一个发射机610和n个接收机620的无线功率传输系统一实例，n个接收机620表示为从接收机620_1到620_n。发射机610包括功率传输线圈630。每个接收机620包括功率传输线圈640，分别表示为对应于接收机620_1，620_2和620_n的线圈640_1，640_2和640_n。接收机线圈640以相应的耦合系数和互感耦合到发射机线圈630。例如，接收机线圈640_1耦合到发射机线圈630，耦合系数为k1，互感为M1。

功率传输系统可以被设计为发射机610和接收机620具有不同的谐振频率。另外，接收机620可被设计为独立于整个系统，因此谐振频率与发射机610的谐振频率不同。因此，发射机610可被设计为与接收机无关，并在指定频带范围提供功率，从而谐振频率在指定谐振频带内的任意接收机620可以被发射机610充电或供电。

对于具有不同谐振频率的接收机的谐振系统，发射机需要调谐到不同接收机谐振频率，从而获得最大功率传输。非或准谐振系统不需要可调谐发射机，因此减小了系统成本。

作为一实例，发射机可被设计为工作在固定的准谐振频率上。多个接收机可被设计为接收来自发射机的功率。多个接收器的其中一个可被设计为具有低功率元件，以满足节省成本、接收机尺寸或其他限制条件。为了防止低功率元件出现电超限，需要将接收机线圈电压保持相对低水平。低功率接收机可以被设计为其谐振频率在发射机准谐振频带内，以使接收机电压低于接收机的设计极限。系统中的另一个接收机设计为快速充电型，因此快速充电接收机谐振频率被设计为基本上等于发射机谐振频率。快速充电接收机将接收最大功率传输。

发射机可被设计为与接收机通信，并根据通信调整工作状态从而优化传送到多个接收机的功率传输。

图8图示了与图7的系统相似的无线功率传输系统的一实例，该系统具有发射机810和表示为从接收机820_1到820_n的n个接收机820。图8的系统还包括接收机820_1和发射机810之间的通信链路Com_1，接收机820_n和发射机810之间的通信链路Com_n。如图8所示，接收机820_2与发射机810之间没有通信链路，表示通信链路是可选的。

通信链路可以是有线或无线链路，而且可以使用标准或专有协议交换信息。尽管图中所示是双向的，但通信链路可以是单向的。通信链路可以被用于，例如，识别接收机820的类型、谐振频率或最大功率限制。发射机810可以确定其最优工作频率，作为一个实例，当将功率传输维持在每个接收机820的最大极限以下时，最优工作频率提供最近接收机820的组合的最快功率传输。

发射机可以从一种工作模式变为另一种工作模式，从而适应改变系统状态。例如，如果发射机正在由电池供电，而且电池电压正在下降，则发射机会从准谐振或非谐振模式转换到谐振模式，从而放大谐振电路的输入电压。又如，如果发射机正在由低电压电池供电，然后被转换到电网电源上，则发射机会从谐振模式转换到非谐振或准谐振模式。在后两个例子中，通过调整发射机电源频率就可以简单地实现将谐振模式转换为其他模式或将其他模式转换为谐振模式。

用于无线功率传输的发射机可以工作在谐振频率、准谐振频率或非谐振频率上，从而满足耦合到发射机的接收机（一个或更多个）的需求。

发射机工作在非谐振或准谐振模式，可以在一定频率范围内在无线功率传输系统中实现有效功率传输，而不需要调谐发射机或接收机的谐振电路。

发射机工作在非或准谐振模式下，使得电源频率的调整影响线圈电压的变化，从而引起磁场强度的变化。

在非谐振或准谐振模式下，发射机频率可以被调整，以基于接收机所需的功率而调整传输到给定接收机的功率量。在非或准谐振模式下，当有多个接收机时，发射机频率也可以被调整以增加传输的功率。

另外，系统可被设计为使接收机谐振频率特意与发射机的谐振频率不同。频率差值越大，传送的功率越小，因此系统可以被设计为适应具有不同功率需求的接收机。

本发明相关的本领域的技术人员将认识到很多其他的修改可以在上述描述的范围之外，以及许多其他的附加实施例例可能在本发明权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种无线功率传输系统，其包括：

发射机，其包括具有发射机谐振频率的谐振电路；以及

接收机，其包括具有接收机谐振频率的谐振电路，所述接收机被配置以使所述接收机谐振频率与所述发射机谐振频率不同。

2.根据权利要求0所述的系统，其中所述发射机包括功率传输线圈；所述系统还包括提供交流即AC电到所述发射机谐振电路的电源，正常工作时，当发射机通过所述功率传输线圈提供功率时，所述AC电的频率使得所述发射机谐振电路工作在不同于所述发射机谐振频率的频率上。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收机是多个接收机；并且所述发射机工作在准谐振或非谐振频率上，该频率使产生的磁场基本上不受多个接收机的负载的影响。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收机是具有第一谐振频率的第一接收机；并且所述系统还包括包含具有第二接收机谐振频率的谐振电路的第二接收机，所述第二接收机被配置以使所述第二接收机谐振频率不同于所述发射机谐振频率并且不同于所述第一接收机的谐振频率。

5.根据权利要求1所述的系统，其还包括所述发射机和接收机之间的通信链路，从所述接收机到所述发射机的通信包括接收机类型、接收机谐振频率和接收机输入功率需求中至少一个的识别。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收机被包含在电子设备中，并且当在所述电子设备中正常工作时，所述接收机被配置以提供传输功率至功率电路。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述接收机被包含在电子设备中，并且所述接收机被配置以提供传输功率为所述电子设备中的电池充电。

8.一种无线功率传输发射机，其包括：

具有发射机谐振频率的谐振电路，所述谐振电路包括功率传输线圈；以及

电源，其提供交流即AC电到所述谐振电路的输入，当正常工作期间所述发射机通过所述功率传输线圈提供功率时，所述AC电的频率使得所述谐振电路工作在不同于所述发射机谐振频率的频率上。

9.根据权利要求8所述的发射机，所述AC电的频率被调整以改变所述功率传输线圈两端的电压，所述AC电的频率的调整量根据所需磁场强度的改变被确定。

10.根据权利要求9所述的发射机，所述AC电的频率的调整响应于接收到指示接近所述发射机的接收机要求增加磁场强度的通信。

11.根据权利要求9所述的发射机，所述AC电的频率的调整响应于所述发射机确定接近所述发射机的多个接收机。

12.一种无线发射机，其包括：

功率传输线圈；以及

电源，其提供交流即AC电到所述功率传输线圈，以便在所述功率传输线圈产生磁场，从而能够将功率无线传输至一个或更多个接收机；

所述发射机是非谐振发射机。

13.根据权利要求12所述的发射机，通过在谐振以外的频率上操作所述发射机，所述发射机实现非谐振。

14.根据权利要求12所述的发射机，还包括所述发射机和接收机之间的通信接口，所述发射机接收来自靠近所述发射机的接收机的指示所述接收机要求增加磁场强度的通信，作为响应，所述发射机调整提供给所述功率传输线圈的AC电的电压。

15.根据权利要求12所述的发射机，还包括用于所述发射机和多个接收机之间通信的通信接口，所述发射机识别靠近所述发射机的多个接收机，并调整所述AC电的电压作为响应。

16.根据权利要求12所述的发射机，所述电源具有高电压交流即AC电的输入，所述电源具有带有将所述高电压AC电转换为高电压直流即DC电的AC-DC转换器的中间级，以及将所述DC电转换为AC电以传输至所述功率传输线圈的末级。

17.根据权利要求16所述的发射机，所述中间级是整流桥。

18.根据权利要求17所述的发射机，所述末级包括开关组，每个开关具有与所述开关并联的电容，用于零电压转换。

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