CN103516058B - 无线能量发射系统和制造和使用该系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种能量发射系统包括：可控初级线圈单元，包括多个导体和多个第一可控开关，所述多个导体交叉设置，其中，每两个交叉设置的导体之间设置有一个所述第一可控开关；以及控制器，选择性地将一部分所述第一可控开关导通，从而使得所述多个导体中与导通的开关耦合的导体形成能量发射区(初级线圈环路)。

Description

无线能量发射系统和制造和使用该系统的方法

技术领域

本申请涉及无线能量发射系统和制造和使用该系统的方法。

背景技术

目前用于无线能量(电力)发射的初级线圈或能量发射装置的种类较多。例如，在基于WPC标准的A1，A5类型发射器中，通过外加机械的定位或其它的引导措施(如增加磁铁)来确保初级线圈与次级线圈(能量接收装置)的准确对位。在基于WPC标准中的A2,A3类型发射器中，通过驱动电机来带动初级线圈作横向和纵向的机械运动，从而达到跟踪接收线圈的目的，实现初级线圈与次级线圈的准确对位。此外，在基于WPC标准的B1，B2，B3类型发射器中，使用了多初级线圈阵列，根据检测到的接收线圈位置，选择初级线圈阵列中离接收线圈最近的一个线圈投入工作，从而达到相对准确的对位。

发明内容

本申请的一个方面提出了这样一种能量发射系统，其可包括：

可控初级线圈单元，包括多个导体和多个可控开关，所述多个导体交叉设置，其中，每两个交叉设置的导体之间设置有一个所述可控开关；以及

控制器，选择性地将一部分所述可控开关导通，从而使得所述多个导体中与导通的开关耦合的导体形成能量发射区(初级线圈环路)；

其中，所述控制器确定出能量接收系统相对于所述可控初级线圈单元的位置，并选择与所述位置对应的第一可控开关导通，从而使得所述多个导体中与导通的开关耦合的导体形成所述能量发射区；

其中，在待机状态，所述控制器周期地控制所述第一可控开关中预定个数的开关导通，从而使得与所导通的开关耦接的导体形成用于确定是否有能量接收系统存在的初始能量发射区，如果确定出能量接收系统已经存在于初始能量发射区，通过可控初级线圈的扫描搜寻运动确定能量接收系统的位置。

本申请的另一个方面提出了这样一种制造无线能量发射系统的方法，包括：

在多层电路板上交叉设置多个导体；

分别在每两个交叉设置的导体之间设置可控开关，所设置的可控开关与相邻的导体耦合；以及

配置控制器以使得其能够选择性地将一部分所述可控开关导通，从而将所述多个导体中与导通的可控开关耦合的导体形成能量发射区(初级线圈环路)；

其中，所述控制器确定出能量接收系统相对于所述可控初级线圈单元的位置，并选择与所述位置对应的可控开关导通，从而使得所述多个导体中与导通的可控开关耦合的导体形成所述能量发射区；

其中，在待机状态，所述控制器周期地控制所述可控开关中预定个数的开关导通，从而使得与所导通的开关耦接的导体形成用于确定是否有能量接收系统存在的初始能量发射区，如果确定出能量接收系统已经存在于初始能量发射区，通过可控初级线圈的扫描搜寻运动确定能量接收系统的位置。

本申请的另一个方面提出了这样一种使用无线能量发射系统发射能量的方法，所述无线能量发射系统至少包括可控初级线圈单元，所述可控初级线圈单元包括多个导体和多个可控开关，所述方法可包括:

判断出目标(能量接收系统)已经存在于所述无线能量发射系统的初始能量发射区(侦测线圈环路)范围内；

在所述可控初级线圈单元中选择预定个数的可控开关导通，从而将所述多个导体中与导通的开关耦合的导体形成能量发射区(初级线圈环路)；

通过可控初级线圈的扫描搜寻运动确定出目标(所述能量接收系统)相对于所述可控初级线圈单元的大致位置；

选择已确定出的大致目标位置对应的能量发射区(初级线圈环路)作为向所述能量接收系统传输能量的初级线圈，并开始进行能量转移，在能量转移的初期，再对初级线圈环路在目标(能量接收系统)附近作精确的扫描，以微调初级线圈环路的精确位置。

附图说明

图1为根据本申请一个实施方式的能量发射系统。

图2为图1所示的可控初级线圈单元的具体示意图。

图3为根据本申请另一个实施方式的能量发射系统。

图4(a)为根据本申请一个实施方式的在某一状态下导体导通的状态以及图4(b)为图4(a)中导体形成的电通路的单独示意图。

图5为根据本申请另一个实施方式扫描可控初级线圈单元的示例图。

图6为根据本申请另一个实施方式的能量发射系统。

图7示出了根据本申请一个实施方式的制造无线能量发射装置的方法。

图8示出了根据本申请的使用无线能量发射装置传输能量的方法。

具体实施方式

如图1所示为根据本申请一个实施方式的能量发射系统100。系统100包括可控初级线圈单元10和控制器20。可控初级线圈单元10可例如为电磁炉中的线圈、或其它任意通过无线方式向能量接收系统(未示出)发送能量的装置。相应地，能量接收系统可例如为设置在电磁炉上的器皿、手机中内置的接收线圈，以及其它通过任意方式从可控初级线圈单元10接收能量的系统或装置。

图2示出了根据本申请一个实施方式的可控初级线圈单元10，其中，出于

如图2所示，可控初级线圈单元10包括多个导体101和多个第一可控开关102。在图2中，出于清楚和示意的目的，仅示出了9个导体101和9个第一可控开关102。多个导体101交叉设置，并且在每两个交叉设置的位置之间耦接有一个第一可控开关102。在一个实施方式中，多个交叉设置的导体101设置于至少两层电路板上，在空间上以一定的角度相交(例如90度或其它角度)，但不直接接触。多个导体可包括横向设置的导体和纵向设置的导体，而且横向设置的导体和纵向设置的导体设置于电路板的不同层。例如，所有横向设置的导体设置在同一层，所有纵向设置的导体设置在另一层。而在另一实施方式中，为了增加导体的截面积，每个导体可采用多层并联，具体层数可根据能量发射系统的额定电流进行调整。例如，如果每个导体采用3层电路板并联时，则第1-3(或第1,3,5)层电路板可用来设置横向导体，而第4-6(或第2,4,6)层电路板可用来设置纵向导体。此外，导体可包括铜箔或并联于铜箔上的金属导体。

第一可控开关102可例如为机械开关，例如继电器。第一可控开关102还可例如为包括Mosfet或晶体三极管的电子开关。

控制器20被配置为选择性地将一部分第一可控开关102导通，从而使得多个导体中与导通的开关耦合的导体形成能量发射区(初级线圈环路)。能量发射区可例如具有线圈的形式。

在该实施方式中，还可在系统100中设置能够确定能量接收系统相对于线圈单元10的位置从而使得控制器20选择与所确定的位置相对应的开关导通的装置。图3示出了根据本申请一个实施方式的能够根据电路谐振原理确定能量接收系统相对于线圈单元10的位置的能量发射系统200。然而图3所示的通过谐振原理工作的实施方式仅仅是本申请的一个示意性实施方式，而不是用来限制本申请。

如图3所示，系统200除了包括如上述系统100包括的可控初级线圈单元10和控制器20外，还可包括线圈控制及驱动电路30以及与初始线圈单元10串联的谐振电容40。

在该实施方式中，控制器20首先确定出能量接收系统相对于可控初级线圈单元10的位置，并选择与确定出的位置对应的可控开关导通。例如，在待机状态，控制器20，例如周期地，控制第一可控开关中预定个数的开关导通，从而使得与所闭合的第一可控开关耦接的导体形成用于确定是否有目标(能量接收系统)存在的能量发射系统的初始能量发射区(侦测线圈环路)。例如控制可控开关K1-K9(如图4(a)所示)导通，从而组成初始线圈通路103，该通路对应于覆盖整个可控初级线圈单元的(如图4b)所示)侦测线圈环路。与此同时，控制器20发出1个很短的脉冲群通过线圈控制及驱动电路30加在所形成的线圈通路103的两端103a和103b，以使得线圈通路103与串联的谐振电容40谐振于第一频率。随后控制器20将检测计算线圈通路103两端的电压。如果没有目标存在于能量发射系统200的初侦测线圈环路范围内，线圈通路103的谐振频率就不会改变，线圈两端的电压就不会改变，相反，如果有目标存在于能量发射系统200的侦测线圈环路范围内时，线圈通路103的谐振频率就会改变，因此，控制器20检测到的线圈电压将会有所降低。当控制器20检测到的电压低于事先预设的门限值时，控制器20确定出目标已经存在于能量发射系统200的侦测线圈环路范围内。

一旦控制器20确定出目标已经存在于能量发射系统200的侦测线圈环路范围内，它将再通过可控初级线圈的扫描搜寻运动进一步确定能量接收系统的位置。在一个实施方式中，在确定出能量接收系统已经存在于所述发射系统的侦测线圈环路范围内后，控制器20按照以下原则对所述可控初级线圈单元进行扫描以确定出目标相对于所述可控初级线圈单元的位置：

1)在多个可控开关101中选择第一组开关导通，并确定通过第一组开关及其相耦合的导体形成的线圈通路(初级线圈环路)从所述能量接收系统接收的反射能量的大小；例如，选择第一组开关导通形成如图5中标记为A的线圈通路(初级线圈环路)。同时，在控制器20的控制下，通过线圈控制及驱动电路40向初级线圈环路施加具有预定时长的脉冲群，从而使得该通路与串联的谐振电容工作于第二谐振频率，于是就会有少量的能量被转移到接收器的谐振电路中，当脉冲群结束后，这个被转移的能量值会立即反射到发射端的可控初级线圈中。第二谐振频率和上述的第一谐振频率可以是相同的或者也可以是不相同的。

2)选择第二组开关，并确定出通过第二组开关及其相耦合的导体形成的初级线圈环路从所述能量接收系统接收的反射能量的大小；例如，可选择与所述第一组开关相邻的第二组开关导通，或者选择与所述第一组开关具有一定距离的第二组开关导通。在该实施方式中，选择第二组开关导通形成如图5中标记为B的初级线圈环路。

3)依此类推，按照图5中箭头所示的方向，对所述可控初级线圈单元中的预定个数的可控开关进行扫描；以及

4)选择反射能量最大时初级线圈环路作为向所述能量接收系统传输能量的传输线圈，并且在能量传输初期，可对所选择的传输线圈做进一步的扫描，以确定出目标相对于初级线圈环路的精确位置。应该理解，可控初级线圈越靠近能量接收系统(能量接收线圈)，转移到能量接收系统的谐振电路中的能量越多，因此，反射到可控初级线圈中的能量值也越高，反之，则越低。控制器20通过确定出可控初级线圈扫描到每个位置后反射到可控初级线圈中的能量值的大小，确定出接收线圈的大致位置，例如：当控制器20确定出：当可控初级线圈扫描运动到L位置时，反射到可控初级线圈中的能量值最大，则L位置所对应的能量发射区(初级线圈环路)就是目标对应的位置。

此外，如图6所示，在每个可控开关101和控制及驱动电路30之间还可耦合有多个第二可控开关50，每个第二可控开关50还与控制器耦合。当控制器20侦测到目标的存在后，就会通过端口C(K1-Kn)发出控制信号，控制相应的第一可控开关闭合，从而将所述多个导体中与导通的开关耦合的导体形成能量发射区(初级线圈环路)。同时，控制器20通过端口OD1～ODn输出目标侦测控制信号，控制与导通的第一开关对应的第二可控开关导通，从而使得控制器20发出的脉冲群能够通过线圈控制及驱动电路30施加到所形成的通路的两端。和上述提到的第一可控开关一样，第二可控开关同样可以是机械开关，或可以是包括Mosfet或晶体三极管的电子开关。

图7示出了根据本申请一个实施方式的制造无线能量发射装置的方法700。如图7所示，在步骤S701中，在多层电路板上交叉设置多个导体。例如，如上所述，多个导体可为横向和纵向设置在多层电路板上的铜箔或并联于铜箔上的金属导体。横向设置的导体和纵向设置的导体分别处在多层电路板的不同层，在空间上以一定的角度相交(例如90度或其它角度)，但不直接接触。在步骤S702中，分别在每两个导体在空间上交叉的位置设置可控开关。可控开关可例如为机械开关、或例如为包括Mosfet或晶体三极管的电子开关。

在步骤S703中，在无线能量发射装置中设置控制器，所述控制器能够选择性地将一部分所述可控开关导通，从而将所述多个导体中与导通的开关耦合的导体形成能量发射区(侦测线圈或初级线圈环路)。在具体的一个实施例中，还可以在无线能量发射装置中设置上述谐振电容和线圈控制及驱动电路，用于通过谐振原理确定出能量接收系统相对于能量发射装置的位置，并选择与该位置对应的可控开关导通，形成用于确定是否有目标(能量接收系统)存在的所述能量发射系统的初始线圈通路。如上所述，本申请并不限于上述的实施例。

如图8示出了根据本申请的使用上述方法制造的无线能量发射装置向能量接收装置传输能量的方法800。在步骤S801中，判断出目标(已经存在于能量发射装置的初始能量发射区(侦测线圈环路)范围内。例如，如上所述，在待机状态，所述控制器周期地控制上述第一可控开关中预定个数的开关导通，从而使得与所闭合的第一可控开关耦接的导体形成用于确定是否有目标存在的所述能量发射系统的初始线圈通路。然后，向所述初始线圈通路的两端施加预定时长的谐振脉冲群，以使得所述初始线圈通路与谐振电容进行谐振。当有目标存在时，谐振频率会发生改变，从而改变初始线圈通路的两端的电压。其中，当检测到所述初始线圈通路两端的电压低于预定阀值时，则确定出目标已经存在于所述发射系统的侦测线圈环路范围内。

在步骤S802中，确定目标相对于多个导体的位置。具体地，在确定出目标已经存在于能量发射系统的侦测线圈环路范围内后，按照以下原则对所述可控初级线圈单元进行扫描以确定出所述能量接收系统相对于所述可控初级线圈单元(其中，多个导体和多个第一可控开关形成初级线圈单元)的位置。具体方法可如上述的步骤1)-4)。

接着，在步骤S803中，选择反射能量最大的一组初级线圈环路向能量接收系统转移能量，并在能量转移的初期再对初级线圈环路在目标附近作精确的扫描，以微调初级线圈环路的精确位置。

根据上述的技术方案，在具体使用过程中，能够使能量发送系统中的导体随接收线圈(即，能量接收装置)放置的位置不同而组合成不同的能量发射区，从而使能量发送装置中的初级线圈单元和能量接收系统中的接收线圈始终保持对位，有利于提高系统的能量传输效率。

以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制。凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (19)

1.能量发射系统，包括：

可控初级线圈单元，包括多个导体和多个第一可控开关，所述多个导体交叉设置，其中，每两个交叉设置的导体之间设置有一个所述第一可控开关；以及

控制器，选择性地将一部分所述第一可控开关导通，从而使得所述多个导体中与导通的开关耦合的导体形成作为能量发射区的初级线圈环路；

其中，所述控制器确定出能量接收系统相对于所述可控初级线圈单元的位置，并选择与所述位置对应的第一可控开关导通，从而使得所述多个导体中与导通的开关耦合的导体形成所述能量发射区；

其中，在待机状态，所述控制器周期地控制所述第一可控开关中预定个数的开关导通，从而使得与所导通的开关耦接的导体形成用于确定是否有能量接收系统存在的初始能量发射区，如果确定出能量接收系统已经存在于初始能量发射区，通过可控初级线圈的扫描搜寻运动确定能量接收系统的位置。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个交叉设置的导体设置于至少两层电路板上，且相互不直接接触。

3.如权利要求2所述的系统，其中，所述初始能量发射区中与所导通的开关耦接的导体形成电通路，所述系统还包括：

与所述可控初级线圈单元串联的谐振电容；以及

线圈控制及驱动电路，向所述初始能量发射区施加预定时长的谐振脉冲群，以使得所述电通路与所述谐振电容进行谐振；

其中，所述控制器如果检测到所述电通路的两端的电压低于预定阀值，则确定出已经有所述能量接收系统存在于所述初始能量发射区范围内。

4.如权利要求3所述的系统，其中，在确定出所述能量接收系统已经存在于所述初始能量发射区的范围内后，所述控制器按照以下原则对所述可控初级线圈单元进行扫描以确定出所述能量接收系统相对于所述可控初级线圈单元的位置：

1)在所述多个第一可控开关中选择第一组开关导通，并确定通过第一组开关及其相耦合的导体形成的电通路从所述能量接收系统接收的反射能量的大小；

2)在所述多个第一可控开关中选择第二组开关，并确定出通过第二组开关及其相耦合的导体形成的电通路从所述能量接收系统接收的反射能量的大小；

3)依此类推，对所述多个第一可控开关中预定个数的开关进行扫描；以及

4)选择反射能量最大时的电通路形成的作为能量发射区的初级线圈环路向所述能量接收系统转移能量。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述4)进一步包括：

在能量转移的初期，进一步在所形成的初级线圈环路进行扫描，以确定出所述能量接收系统相对于所述初级线圈环路的精确位置；以及

将所述精确位置对应的可控开关导通，形成最终向所述能量接收系统发射能量的能量发射区。

6.如权利要求4所述的系统，其中，每次扫描过程中，所述线圈控制及驱动电路向当前扫描过程中形成的电通路的两端施加预定时长的侦测脉冲群，从而使得侦测脉冲群的至少一部分能量被转移到所述能量接收系统的谐振电路中，当所述侦测脉冲群结束后，所述控制器确定被转移的能量反射回到该电通路中的能量的大小。

7.如权利要求2所述的系统，其中，所述多个导体包括横向设置的导体和纵向设置的导体，所述横向设置的导体和所述纵向设置的导体设置于电路板的不同层。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一可控开关为机械开关。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一可控开关为包括Mosfet或晶体三极管的电子开关。

10.如权利要求3-6中任一项所述的系统，还包括耦合于所述线圈控制及驱动电路和所述可控初级线圈单元之间的第二可控开关。

11.一种制造无线能量发射系统的方法，包括：

在多层电路板上交叉设置多个导体；

分别在每两个交叉设置的导体之间设置可控开关，所设置的可控开关与相邻的导体耦合；以及

配置控制器以使得其能够选择性地将一部分所述可控开关导通，从而将所述多个导体中与导通的可控开关耦合的导体形成作为能量发射区的初级线圈环路；

并且，配置所述控制器确定出能量接收系统相对于所述可控初级线圈单元的位置，并选择与所述位置对应的可控开关导通，从而使得所述多个导体中与导通的可控开关耦合的导体形成所述能量发射区；

其中，配置所述控制器在待机状态周期地控制所述可控开关中预定个数的开关导通，从而使得与所导通的开关耦接的导体形成用于确定是否有能量接收系统存在的初始能量发射区，如果确定出能量接收系统已经存在于初始能量发射区，通过可控初级线圈的扫描搜寻运动确定能量接收系统的位置。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个交叉设置的导体设置于至少两层电路板上，且相互不直接接触。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述可控开关为机械开关。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述可控开关为包括Mosfet或晶体三极管的电子开关。

15.一种使用无线能量发射系统发射能量的方法，所述无线能量发射系统至少包括可控初级线圈单元，所述可控初级线圈单元包括多个导体和多个可控开关，所述方法包括:

判断出能量接收系统已经存在于所述无线能量发射系统的初始能量发射区的范围内；

在所述可控初级线圈单元中选择预定个数的可控开关导通，从而将所述多个导体中与导通的开关耦合的导体形成作为能量发射区的初级线圈环路；

通过可控初级线圈的扫描搜寻运动确定出所述能量接收系统相对于所述可控初级线圈单元的大致位置；以及

选择已确定出的大致目标位置对应的能量发射区作为向所述能量接收系统传输能量的初级线圈，并开始向所述能量接收系统进行能量转移。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：

在能量转移的初期，进一步在所形成的初级线圈进行扫描，以确定出所述能量接收系统相对于所述初级线圈的精确位置；以及

将所述精确位置对应的可控开关导通，形成最终向所述能量接收系统发射能量的能量发射区。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述判断的步骤包括：

控制所述多个可控开关中预定个数的开关导通，从而使得与所闭合的可控开关耦接的导体形成用于确定所述能量接收系统是否存在的电通路；

向所述电通路的两端施加预定时长的谐振脉冲群，以使得所述电通路与和其串联的谐振电容进行谐振；以及

确定出谐振的所述电通路的端电压低于预定阀值，从而确定出所述能量接收系统已经存在于所述发射系统的初始能量发射区的范围内。

18.如权利要求16或17所述的方法，其中所述确定出所述能量接收系统相对于所述可控初级线圈单元的大致位置的步骤包括：

1)在所述多个可控开关中选择第一组开关导通，并确定通过第一组开关及其相耦合的导体形成的初级线圈环路从所述能量接收系统接收的反射能量的大小；

2)在所述多个第一可控开关中选择第二组开关，并确定通过第二组开关及其相耦合的导体形成的初级线圈环路从所述能量接收系统接收的反射能量的大小；

3)依此类推，对所述可控初级线圈单元中的预定个数的可控开关进行扫描；以及

4)选择反射能量最大时的初级线圈环路所处的位置做为能量接收系统相对于所述可控初级线圈单元的大致位置。

19.如权利要求18所述的方法，其中，每次扫描过程中，向当前扫描过程中形成的电通路的两端施加预定时长的侦测脉冲群，从而使得侦测脉冲群的至少一部分能量被转移到所述能量接收系统的谐振电路中，当所述侦测脉冲群结束后，确定被转移的能量反射回到该电通路中的能量的大小。