CN103748797B - 用于在管形结构以内实现无线功率传送的电容性供电系统 - Google Patents
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Abstract
一种被构造用于在管形结构(200)以内实现无线功率传送的电容性供电系统包括：电容性管(220)，包括通过第一电感器(222)连接到负载(221)的一对接收器电极(223，224)，其中第一电感器耦合到负载以使系统谐振；发送器设备(210)，包括连接到功率驱动器(211)的一对发送器电极(213，214)；以及绝缘层(230)，用于将电容性管与发送器设备电绝缘管以在该对发送器电极与该对接收器电极之间形成电容性阻抗，其中功率驱动器生成的功率信号从该对发送器电极向该对接收器电极无线传送以在功率信号的频率与第一电感器和电容性阻抗的串联谐振频率基本上匹配时向负载供电。
Description
本申请要求2011年8月16日提交的第61/523,919号美国临时申请和2012年4月10日提交的第61/622,103号美国临时申请的权益。
技术领域
本发明主要地涉及用于无线功率传送的电容性供电系统并且更具体地涉及用于允许在管形结构中的高效功率传送的结构。
背景技术
无线功率传送是指无任何接线或者接触的电功率供应，因此通过无线介质执行向电子设备的供电。用于无接触供电的一个流行的应用是用于向便携电子设备、例如移动电话、膝上型计算机等充电。
用于无线功率传送的一个实现方式是通过电感性供电系统。在这样的系统，在功率源(发送器)与设备(接收器)之间的电磁电感允许无接触功率传送。发送器和接收器二者配有电线圈，并且在带入物理邻近时，电功率从发送器向接收器流动。
在电感性供电系统中，生成的磁场集中于线圈内。作为结果，向接收器拾取场的功率传送在空间中非常集中。这一现象在系统中产生热点，这限制系统的效率。为了提高功率传送的效率，需要用于每个线圈的高质量因子。为此，线圈应当以电感与电阻的最优比值为特征、由具有低电阻的材料组成并且使用Litze接线工艺来制作以减少集肤效应。另外，线圈应当被设计用于满足复杂的几何形状以避免涡电流。因此，需要昂贵线圈用于高效电感性供电系统。用于大面积无接触功率传送系统的设计将需要许多昂贵线圈，因此对于这样的应用，电感性供电系统可能不可行。
电容性耦合是用于无线地传送功率的另一技术。主要在数据传送和感测应用中利用这一技术。粘贴在车窗上的具有汽车以内的拾取元件的汽车无线电天线是电容性耦合的示例。电容性耦合技术也用于电子设备的无接触充电。对于这样的应用，(实施电容性耦合的)充电单元以在设备的固有谐振频率以外的频率操作。
电容性功率传送系统也可以用来在例如窗户、墙壁的大面积传送功率，并且具有平坦结构等。在图1中描绘用于这样的电容性功率传送系统100的示例。如图1中所示，这样的系统的典型布置包括连接到负载120和电感器130的一对接收器电极111、112。系统100也包括连接到功率驱动器150的一对发送器电极141、142，以及绝缘层160。
发送器电极141、142耦合到绝缘层160的一侧，并且接收器电极111、112从绝缘层160的另一侧耦合。这一布置形成在该对发送器电极141、142与接收器电极111、112之间的电容性阻抗。因此，功率驱动器生成的功率信号可以在功率信号的频率与系统的串联谐振频率匹配时，从发送器电极141、142向接收器电极111、112无线传送以向负载120供电。负载可以例如是LED、LED串、灯等。作为示例，系统100可以用来向在墙壁上安装的照明器材供电。
电容性功率传送可以被设计用于在大面积之上传送功率；这样的系统主要被设计用于支持平坦表面和结构，例如墙壁、窗等。因此，系统100在它可以支持的应用上受到限制。例如，系统10不能最优地允许沿着可能很长(例如数百公里)的管道或者橡胶软管的无线功率传送。也就是说，电容性功率系统100未被最优地设计用于允许在管形结构之上的无线功率传送。
在现有技术中，通常使用在管形结构(例如管道)以内集成的导电接线来实现跨越管的功率分布。用导电接线产生导电连接以实现从功率源向负载的功率传送。然而在管中的裂缝可能使接线中断或者改变导电性能，因此它们不能传导电功率。此外，对于需要沿着长导管的功率传输的应用，解决方案成本高，因为接线可能跨越管的整个长度伸展。
发明内容
因此，将有利的是提供一种用于在管形结构中在大面积内的高效无线功率传送的解决方案。
这里公开的一些实施例包括一种被构造用于在管形结构以内实现无线功率传送的电容性供电系统。该系统包括：电容性管，包括通过第一电感器连接到负载的一对接收器电极，其中第一电感器耦合到负载以使系统谐振；发送器设备，夹到电容性管上，发送器设备包括连接到功率驱动器的一对发送器电极；以及绝缘层，用于将电容性管与发送器设备电绝缘以在该对发送器电极与该对接收器电极之间形成电容性阻抗，其中功率驱动器生成的功率信号从该对发送器电极向该对接收器电极无线传送，以在功率信号的频率与第一电感器和电容性阻抗的串联谐振频率基本上匹配时向负载供电。
这里公开的一些实施例还包括一种被构造用于在管形结构以内实现无线功率传送的电容性供电系统。该系统包括：接收器设备，包括通过电感器连接到负载的一对接收器电极，其中第一电感器耦合到负载以使系统谐振；电容性管，包括连接到功率驱动器的一对发送器电极，其中接收器设备夹到电容性管上；以及绝缘层，用于将电容性管与接收器设备电绝缘用于在该对发送器电极与该对接收器电极之间形成电容性阻抗，其中功率驱动器生成的功率信号从该对发送器电极向该对接收器电极无线传送，以在功率信号的频率与电感器和电容性阻抗的串联谐振频率基本上匹配时向负载供电。
这里公开的一些实施例还包括一种用于将电能从电容性管的第一分段无线耦合到电容性管的第二分段的耦合管。该耦合管包括：一对导电电极，放置于耦合管以内并且由绝缘材料覆盖，耦合管具有管形结构，管形结构具有比电容性管的直径更宽的开口，在该对导电电极邻近放置于电容性管的电极之上时，产生电容性阻抗，电容性阻抗在串联谐振频率允许在电容性管的第一分段与第二分段之间的无线电能耦合，其中第一分段和第二分段是电容性管的拆卸的分段。
在说明书的篇尾的权利要求中具体地指出并且清楚地要求保护视为本发明的主题内容。本发明的前述和其它特征及优点将从结合附图进行的以下具体描述中变得清楚。
附图说明
图1是用于在平坦结构之上的无线功率传送的电容性功率系统的典型布置。
图2是根据本发明的一个实施例的被构造用于在管形结构内实现无线功率传送的电容性功率电系统的示意图。
图3是根据本发明的另一实施例的电容性管的分解透视图。
图4是可以夹入电容性管中的发送器设备的图。
图5是根据一个实施例的被构造用于在管形结构内实现无线功率传送的电容性供电系统的另一布置。
图6是可以夹入电容性管中的接收器设备的图。
图7是根据本发明的一个实施例构造的耦合管的图。
具体实施方式
重要的是注意公开的实施例仅为这里的创新教导的许多有利用例的示例。一般而言，在本申请的说明书中进行的陈述未必限制各种要求保护的本发明中的任何发明。另外，一些陈述可能适用于一些发明特征、但是未适用于其它发明特征。一般而言，除非另外指出，单数要素可以是复数并且反之亦然而不失一般性。在附图中，相似标号贯穿若干示图指代相似部分。
图2示出根据本发明的一个实施例的被构造用于在管形结构以内实现无线功率传送的电容性供电系统200的示意图。系统200被设计用于从发送器设备210向电容性管220无线传送功率。设备210可以夹在沿着电容性管220的任一点。管220可以是软管(例如橡胶软管、真空清洁器软管等)、用来送水、石油、天然气等的管道等。
根据一个实施例，电容性管220包括可以从外部夹在电容性管220中的负载221，而设备210连接到功率驱动器211。在图4中示出这样的发送器设备210的布置。在另一实施例中，电容性管220连接到功率驱动器，而设备210包括待供电的负载。在图5中提供这样的布置的示例图。应当注意，在这些布置中的任何布置中，没有在负载与功率设备之间的物理电连接，但是实际上在设备210与电容性管220之间无线传送电功率。
在图2中所示实施例中，设备210也包括耦合到驱动器211的一对发送器电极(TX1，TX2)213和214。在发送器电极213、214与驱动器211之间的连接可以借助电接触或者电容性内部耦合(in-coupling)。设备210可以夹到电容性管220上、由螺丝附接住(图4)、与电容性管220一体地构造在一起或者通过让发送器电极与接收器电极无线接触的其它手段。
在绝缘层230上附接发送器电极213、214。绝缘层230是薄层衬底材料，该薄层衬底材料可以是任何绝缘材料，例如包括空气、纸、木材、纺织品、玻璃、DI水等。在一个实施例中，选择具有介电常数的材料。绝缘层230的厚度通常在10微米(例如涂料层)与数毫秒(例如玻璃层)之间。
在图2中所示实施例中充当接收器的电容性管220还包括与负载221串联连接的电感器222和一对接收器电极(RX1，RX2)223、224。负载221可以是照明元件、传感器、控制器、水泵、阀等。
接收器电极(RX1，RX2)223、224放置于电容性管220以内并且由绝缘材料覆盖。在示出电容性管220的分解透视图的图3中进一步图示这一结构。外材料310是电绝缘材料，而内材料320是形成接收器电极223、224的连接物质。
接收器电极223、224中的每个接收器电极的导电材料可以例如是碳、铝、氧化铟锡(ITO)、有机材料(比如PEDOT)、铜、银、导电涂料或者任何导电材料。发送器电极213、214对中的每一个可以是与接收器电极相同的导电材料或者由不同导电材料制成。在一个实施例中，接收器和发送器电极中的每个电极被形成为粘贴到管的内壁的薄铝片。
返回参考图2，通过放置发送器电极213和214与接收器电极223、224邻近而无在二者之间的直接接触来向负载221供应功率。作为结果，电容性阻抗形成于发送器电极213、214与连接到负载221的接收器电极223、224之间。电容性阻抗具有连接到接收器电极中的每个接收器电极的电容器的性质。
驱动器211生成幅度、频率和波形可以被控制的AC信号。为了允许系统正确地操作，驱动器211输出具有如下频率的AC功率信号，该频率作为由电容器(与电容性阻抗等效)和电感器222的串联构成的电路的串联谐振频率。这样的电容器和电感器的阻抗在谐振频率相互抵消从而产生低欧姆电路。
AC功率信号的幅度是为了向负载211供电而需要的幅度。可以通过控制驱动器211输出的信号的频率、相位或者占空比、由此使信号不同于系统的串联谐振频率，来改变向负载211传送的AC功率信号的功率电平。在AC信号的频率接近根据电感器222和在电极之间形成的电容性阻抗的阻抗值推导的串联谐振时实现在电容性供电系统200中的最大功率传输。
在一个实施例中，管220可以包括多个负载，每个负载连接到不同对的接收器电极并且在相同或者不同串联谐振频率谐振。在这一配置中，多个负载中的每个负载由驱动器211生成的功率信号供电并且通过设备210中的该对发送器电极无线传送。根据一个实施例，设备210可以控制负载221的功能。为此，驱动器211生成被调制在AC功率信号上的控制信号或者从系统的串联谐振频率去调谐AC功率信号的频率。例如，如果负载221是LED，则驱动器211输出的控制信号可以用于LED的调光或者颜色控制。作为另一示例，如果负载221是水阀，则可以在AC功率信号上调制对阀的控制以控制阀的打开。控制信号可以由控制器、微处理器或者可以被配置用于对负载221的各种功能进行控制或者编程的任何电子电路来生成。
图4示出根据本发明的一个实施例构造的发送器设备210的示例和非限制图。发送器设备210用作电容性供电系统200中的发送器。根据这一实施例，设备210可以夹到电容性管220上并且使用螺丝201和202来紧固。发送器设备210包括连接到可以使用以上提到的导电材料中的任何导电材料形成的发送器电极213、214的驱动器211。基于设备210的应用来确定发送器电极213、214的尺度和导电材料。发送器电极213、214中的每个发送器电极的外表面耦合到可以使用以上提到的绝缘材料中的任何绝缘材料形成的绝缘层203。在一个实施例中，设备210的绝缘层203可以用作系统200的绝缘层230。
在一个可选实施例中，驱动器211连接到电感器216，该电感器可以用来调整系统200的串联谐振频率。在这一实施例中，串联谐振频率由电感器216、222和电容性阻抗确定。在另一可选实施例中，驱动器210可以被连接到控制器215，该控制器连接到驱动器211。控制器215可以用来生成用于如以上讨论的那样对负载2212的功能进行编程和控制的控制信号。
图5图示根据一个实施例的被构造用于在管形结构以内实现无线功率传送的电容性供电系统500的另一布置。在这一布置中，设备510充当接收器，并且电容性管520充当发送器。
具体而言，电容性管520包括可以从外部夹到电容性管520上的功率驱动器521。电容性管520还包括一对发送器(TX1，TX2)电极523、524。在发送器电极523、524与驱动器521之间的连接可以借助电接触或者电容性内部耦合。在一个实施例中，发送器电极523、524如图3中所示形成于管以内。
接收器设备510包括连接到一对接收器电极(RX1，RX2)513和514的负载511和电感器512。接收器电极513、514附接在绝缘层530上。绝缘层530是薄衬底材料层，该衬底材料可以是可以使用以上提到的材料中的任何材料来形成的任何绝缘材料。负载511可以是照明元件、传感器、控制器、水泵、阀等。可以使用以上提到的导电材料中的任何导电材料来形成接收器电极513和514以及发送器电极523、524。在一个实施例中，接收器和发送器电极中的每个电极被形成为薄铝片。
在图5中所示布置中，通过放置发送器电极523、524与接收器电极513、514邻近而无在二者之间的直接接触、即电极被绝缘层530分离，来从驱动器521向负载511供应功率。作为结果，电容性阻抗形成于发送器电极与接收器电极之间。接收器驱动器521生成幅度、频率和波形可以被控制的AC信号。为了允许系统正确地操作，驱动器521输出具有如下频率的AC功率信号，该频率作为由电容器(与电容性阻抗等效)和电感器222的串联构成的电路的串联谐振频率。这样的电容器和电感器的阻抗在谐振频率相互抵消从而产生低欧姆电路。AC功率信号的幅度是为了向负载521供电而需要的幅度，并且它的频率与由电容器(与电容性阻抗等效)和电感器512的串联构成的电路的串联谐振频率相同。也在这一布置中，可以将控制信号调制在AC功率信号上以对负载521的功能进行控制或者编程。
图6示出根据本发明的一个实施例的电容性供电系统500的接收器设备510的示例和非限制图。接收器设备510可以夹到电容性管520上并且使用螺丝501和502来紧固。设备510包括连接到负载511和电感器512的一对接收器电极513和514。基于设备210的应用确定接收器电极的尺度和导电材料。接收器电极513、514中的每个接收器电极的外表面耦合到可以使用以上提到的绝缘材料中的任何绝缘材料形成的绝缘层503。在一个实施例中，接收器设备510的绝缘层503可以用作系统500的绝缘层530。
以上已经描述接收器和发送器设备为各自具有一对电极。然而应当注意，接收器和发送器电极中的每个电极可以包括大于2的任何数目的电极。
图7描绘根据本发明的一个实施例构造的耦合管700。耦合管700将电能从电容性管的一个分段701耦合到电容性管的拆卸的分段702。根据另一实施例，耦合管700也可以将电能从入口耦合到电容性管。电容性管可以是以上具体描述的电容性管220和520中的任何电容性管。也就是说，电容性管包括一对电极。
在一个实施例中，耦合管700被构造为包括放置于耦合管以内并且由绝缘材料覆盖的一对导电电极。例如，如图3中所示形成导电电极。耦合管700的开口比电容性管的开口更宽。
耦合管700还包括一对电极，该对电极当邻近放置在电容性管中的电极之上时产生电容性阻抗，该电容性阻抗在谐振频率产生低欧姆电路。因此，可以通过耦合管700的电极从电容性管的在分段701的电极向在分段702的电极无线传送电能。可以使用以上提到的导电材料中的任何导电材料形成发送器电极510和520。在本发明的一个实施例中，在耦合管700与分段701和702之间的连接可以是电接触。
可以在许多部分应用中利用这里描述的各种实施例。例如，可以向橡胶软管配备包括LED的夹式光器件。在这一示例中，橡胶软管是具有功率驱动器的电容性管，并且LED是夹到软管上的负载。在另一示例中，夹式器件具有LED、也可以放置于包括功率驱动器的真清洁器软管上以照亮真空清洁器底部。
另外，在另一示例中，可以在包括若干水阀的温室水管中实施这里讨论的电容性功率系统。可以使用电容性管向阀无线提供为了操作阀而需要的功率和控制。(可以连接到控制器的)驱动器连接于水入口中的驱动器中并且在管的末端连接到夹式器件，该夹式器件控制管的操作。作为另一示例，使用如下电容性管，该电容性管包括在通风和空气调节(HVAC)系统中使用的中央加热、HVAC传感器(即负载)。例如可以向每个房间配备这样的管从而允许住户基于传感器的读数控制房间中的温度。
可以实施本发明的某些实施例为硬件、固件、软件或者其任何组合。另外，优选地实施软件为在可以形式为数字电路、模拟电路、磁介质或者其组合的程序存储单元、非瞬态计算机可读介质或者非瞬态机器可读存储介质上有形地实现的应用程序。应用程序可以上传到包括任何适当架构的机器并且由其执行。优选地，在具有比如一个或者多个中央处理单元(“CPU”)、存储器和输入/输出接口的硬件的计算机平台上实施机器。计算机平台也可以包括操作系统和微指令代码。这里描述的各种过程和功能可以是可以由CPU执行的微指令代码的部分或者应用程序的部分或者其任何组合，而不管是否明示这样的计算机或者处理器。此外，各种其它外围单元可以连接到计算机平台，比如附加数据存储单元和打印单元。
尽管已经关于若干描述的实施例用一些篇幅和用一些细节描述本发明，但是并非旨在于它应当限于任何这样的细节或者实施例或者任何具体实施例，而是将参照附图解释它以便鉴于现有技术提供这样的权利要求的最广义可能解释、因此有效涵盖本发明的既定范围。另外，前文在发明人预见的实施例方面描述本发明，对于这些实施例有可能的描述可用，然而本发明的当前未预见的非实质修改却可以代表其等效物。
Claims (14)
1.一种被构造用于在管形结构(200)以内实现无线功率传送的电容性供电系统，包括：
电容性管(220)，包括通过第一电感器(222)连接到负载(221)的一对接收器电极(223，224)，其中所述第一电感器耦合到所述负载以使所述系统谐振；
发送器设备(210)，包括连接到功率驱动器(211)的一对发送器电极(213，214)；以及
绝缘层(230)，被构造用于覆盖所述接收器电极并且将所述电容性管与所述发送器设备电绝缘以在所述一对发送器电极与所述一对接收器电极之间形成电容性阻抗，其中所述功率驱动器生成的功率信号从所述一对发送器电极向所述一对接收器电极无线传送，以在所述功率信号的频率与所述第一电感器和所述电容性阻抗的串联谐振频率匹配时向所述负载供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述一对接收器电极由导电材料制成并且放置于所述电容性管以内并且由绝缘材料覆盖。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述接收器电极中的每个接收器电极被形成为粘贴到所述电容性管的内壁的薄铝片。
4.根据权利要求2所述的系统，其中覆盖所述接收器电极的所述绝缘材料部分形成所述绝缘层。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述发送器电极由导电材料制成，所述导电材料由部分形成所述绝缘层的绝缘材料覆盖。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个负载是以下中的至少任一个：灯、发光二极管(LED)串、加热通风和空气调节(HVAC)传感器、水泵以及阀。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个负载是LED灯。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述发送器设备还被配置用于控制所述负载的操作，并且其中所述操作的所述控制通过从所述串联谐振频率去调谐所述功率信号的频率和在所述功率信号上调制控制信号中的至少一个来执行。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述发送器设备还包括：
第二电感器(216)，串联连接到所述一对发送器电极之一，用于调整所述串联谐振频率；
控制器(215)，连接到所述功率驱动器(211)，所述控制器生成用于至少控制所述负载的功能的控制信号，其中所述功率驱动器使用可以借助电接触和电容性内部耦合中的至少一项通过所述第二电感器连接到所述一对发送器电极。
10.一种被构造用于在管形结构(500)以内实现无线功率传送的电容性供电系统，包括：
接收器设备(510)，包括通过电感器(512)连接到负载(511)的一对接收器电极(513，514)，其中所述电感器耦合到所述负载以使所述系统谐振；
电容性管(520)，包括连接到功率驱动器(521)的一对发送器电极(523，524)；以及
绝缘层(530)，被构造用于覆盖所述接收器电极并且将所述电容性管与所述接收器设备电绝缘以便在所述一对发送器电极与所述一对接收器电极之间形成电容性阻抗，其中所述功率驱动器生成的功率信号从所述一对发送器电极向所述一对接收器电极无线传送，以在所述功率信号的频率与所述电感器和所述电容性阻抗的串联谐振频率匹配时向所述负载供电。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述一对发送器电极由导电材料制成、放置于所述电容性管以内并且由绝缘材料覆盖，其中覆盖所述发送器电极的所述绝缘材料部分形成所述绝缘层。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述发送器电极中的所述每个发送器电极被形成为粘贴到所述电容性管的内壁的薄铝片。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述接收器电极由部分形成所述绝缘层的绝缘材料覆盖。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述功率驱动器还被配置用于控制所述负载的操作，其中所述操作的所述控制通过以下操作中的至少一个操作执行：从所述串联谐振频率去调谐和在所述功率信号上调制控制信号。
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