CN103875161B - 被利用作为电容性电力输送系统的无线电力转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于向连接在电容性电力输送系统中的负载供应电力的直流（DC）到交流（AC）无线转换器设备（200）。所述设备包括：实现与DC网格的至少两条供电线（211，212）的电流接触的至少两个连接器（201，202）；耦合到连接器（201，202）并且被配置成从通过所述至少两个连接器馈送的输入DC信号生成AC电力信号的驱动器（203），其中AC电力信号的频率与所述电容性电力输送系统的串联谐振频率基本上匹配；以及连接到驱动器的输出的至少一对发送器电极（204，205）。

Description

被利用作为电容性电力输送系统的无线电力转换器

本申请要求2011年8月16日提交的美国临时专利申请号61/523,924和2012年5月16日提交的美国临时专利申请号61/647,744的权益。

技术领域

本发明总体上涉及电容性电力输送系统，更具体来说涉及这样的系统到DC电网的连接性。

背景技术

无线电力输送指的是在没有任何连线或接触的情况下供应电力，其中对于电子设备的供电是通过无线介质施行的。针对无接触供电的一种受欢迎的应用是为例如移动电话、膝上型计算机等便携式电子设备充电。

针对无线电力输送的一种实现方式是通过感应式供电系统。在这样的系统中，电源（发送器）与设备（接收器）之间的电磁感应允许进行无接触电力输送。发送器和接收器都配备有电线圈，并且当在物理上邻近时有电信号从发送器向接收器流动。

在感应式供电系统中，所生成的磁场集中在线圈内。其结果是，针对接收器拾取场的电力输送在空间上非常集中。这一现象在系统中产生热点，从而限制了系统的效率。为了提高电力输送的效率，对于每一个线圈都需要高品质因数。为此，线圈应当具有电感与电阻的最优比值的特征，应当由具有低电阻的材料构成，并且应当利用Litz线工艺来制造以便减轻趋肤效应。此外，线圈应当被设计成满足复杂的几何结构以避免涡电流。因此，对于高效的感应式供电系统需要昂贵的线圈。针对大面积无接触电力输送系统的设计将需要许多昂贵的线圈，因此对于这样的应用，感应式供电系统可能是不可行的。

电容性耦合是用于无线电力输送的另一种技术。这种技术主要被利用在数据传输和感测应用中。电容性耦合的一个实例是粘贴在车窗上的汽车无线电装置天线与汽车内部的拾取元件。电容性耦合技术还被利用来对电子设备进行无接触充电。对于这样的应用，（实施电容性耦合的）充电单元在设备的固有谐振频率之外的频率下操作。在相关技术中还讨论了实现LED照明的电容性电力输送电路。所述电路是基于电源（驱动器）中的电感器。因此只能使用单一接收器，并且应当对发送器频率进行调谐以便输送最大功率。此外，这样的电路需要像素化电极，从而甚至在其未完美对准时也确保接收器与发送器之间的电力输送。但是像素化电极数目的增加也会增加去到电极的连接数目，从而增加电力损耗。因此，在只有单一接收器和尺寸受限的电极时，在相关技术中所讨论的电容性电力输送电路无法在例如窗户、墙壁等大面积上供应电力。

近来，越来越多的住宅和商用建筑物包括了直流（DC）电网。这样的DC电网还可以被利用来向城镇输送电力。作为一个实例，对于水力发电的传输，中国的DC电网覆盖超过1400km。在建筑物中，通常在建筑物的进线口处安装一个或更多整流器以便通过单独的或者甚至在某些情况下通过已有的交流（AC）输电线提供DC电力。DC电力可以被利用来为例如商用荧光照明之类的照明灯具供电。使用DC网格的优点在于电力传输的低成本、对于铜传输线的更好利用以及低AC辐射。

因此，在提供用于在大表面上供应电力的高效的电容性电力输送系统方面存在挑战。此外，在从DC网格的任意位置向电容性电力系统供应电力方面也存在挑战。因此，提供解决这些挑战的低成本且可行的解决方案将是有利的。

发明内容

这里所公开的某些实施例包括一种用于向连接在电容性电力输送系统中的负载供应电力的直流（DC）到交流（AC）无线转换器设备。所述设备包括：实现与DC网格的至少两条供电线的电流接触的至少两个连接器；耦合到所述连接器并且被配置成从通过所述至少两个连接器馈送的输入DC信号生成AC电力信号的驱动器，其中AC电力信号的频率与所述电容性电力输送系统的串联谐振频率基本上匹配；以及连接到驱动器的输出的至少一对发送器电极。

这里所公开的某些实施例还包括一种用于向连接到电容性电力输送系统的无供电DC网格局部供应DC信号的交流（AC）到直流（DC）无线转换器设备。所述系统包括：与AC电网的至少两个电极电容性耦合的至少一对电极，从而允许从AC电网向所述至少一对电极无线输送AC电力信号；连接到所述至少一对电极并且被配置成从AC电力信号生成DC信号的AC到DC转换器；以及实现与无供电DC网格的至少两条输电线的电流接触的至少两个连接器。

附图说明

在说明书末尾处的权利要求书中特别指出并且清楚地要求保护被视为本发明的主题内容。通过后面结合附图做出的详细描述，本发明的前述和其他特征和优点将变得显而易见。

图1是可以由所公开的设备利用的电容性电力输送系统的图示；

图2是根据一个实施例设计的DC到AC无线转换器设备的方框图；

图3是示出了所述DC到AC无线转换器设备与基础设施的示例性连接的图示；

图4是被构造成既生成低功率AC信号也生成高功率AC信号的驱动器的方框图；以及

图5是根据一个实施例的AC到DC无线转换器设备的方框图。

重要的是应当注意到，这里所公开的实施例仅仅是这里的创新性教导的许多有利用途的实例。一般来说，在本申请的说明书中所做的陈述并不一定限制所要求保护的各项发明当中的任一项。此外，一些陈述可能适用于某些发明性特征但是不适用于其他发明性特征。一般来说，除非另行表明，否则单数元件可以是复数并且反之亦然，而不会损失一般性。在附图中，相同的附图标记在几幅视图中表示相同的部件。

具体实施方式

图1示出了根据一个实施例的可以被利用来进行无线电力输送的电容性供电系统100的示例性而非限制性的示意图。系统100允许大面积电力传输。系统100可以被安装在例如浴室之类的其中开放电接触是不优选或者不合期望的地方，可以被安装在零售商店中，其中需要规则的变化来对产品、家具等等进行照明。系统100可以在大面积上输送电力，并因此可以被利用来为安放在墙壁、窗户、镜子、地板、座椅、走廊等处的设备供电。

系统100包括连接到一对发送器电极121、122的电力驱动器110，所述发送器电极附着到绝缘层130。系统100还包括连接到负载150和电感器160的一对接收器电极141、142。可选的是，系统100可以包括耦合到驱动器110的电感器112。

发送器电极121、122到驱动器110之间的连接是通过电流接触或电容性入耦合而实现的。通过把接收器电极141、142放置在发送器电极121、122附近向负载150供应电力信号，而没有二者之间的直接接触。因此，不需要机械连接器或者任何电接触来为负载150供电。负载150可以是（但不限于）照明元件（例如LED、LED串、灯等等）、有机发光二极管（OLED）表面、显示器、计算机、充电器、扬声器等等。

驱动器110输出AC电压信号，其频率与由串联的电容器和电感器112、160构成的电路的串联谐振频率基本上匹配。所述电容器（在图1中被标记为C1和C2）是形成在发送器电极121、122（在图1中用虚线示出）与接收器电极141、142之间的电容性阻抗。电容器和（多个）电感器112和/或160的阻抗在谐振频率下彼此抵消，从而得到低欧姆电路。因此，系统100能够以非常低的电力损耗向负载150递送电力。

驱动器110生成AC信号，其幅度、频率和波形可以被控制。所述输出信号通常具有几十伏特的幅度以及高达几兆赫兹（MHz）的频率。可以通过改变由驱动器110输出的信号的频率、相位或占空比来施行所生成的信号与串联谐振之间的频率调谐。可替换地，可以通过改变连接到驱动器110的电路的电容或电感数值来实现频率调谐。

绝缘层130是可以由任何绝缘材料制成的薄层基板材料，其中例如包括空气、纸张、木材、织物、玻璃、去离子水等等。优选地选择具有介电常数的材料。绝缘层130的厚度通常处于10微米（例如涂料层）到几毫米（例如玻璃层）之间。

发送器电极121、122由被放置在不与接收器电极141、142邻近的绝缘层130的一侧的两个分开的导电材料主体构成。举例来说，如图1中所示，发送器电极121、122处在绝缘层130的底部。在另一个实施例中，发送器电极121、122可以被放置在绝缘层130的相对侧。发送器电极121、122可以是任何形状，其中例如包括矩形、圆形、正方形或其组合。每一个发送器电极的导电材料例如可以是碳、铝、氧化铟锡（ITO）、例如聚3,4-乙撑二氧噻吩（PEDOT）之类的有机材料、铜、银、导电涂料或者任何导电材料。接收器电极141、142可以由与发送器电极121、122相同的导电材料制成，或者由不同的导电材料制成。

系统100的总电容由对应的发送器和接收器电极121、141和122、142的重叠面积以及绝缘层130的厚度和材料属性形成。系统100的电容在图1中被图示为C1和C2。为了允许电谐振，系统100还应当包括电感性元件。该元件可以采取以下形式：分布在驱动器110和负载150上的作为发送器电极或接收器电极的一部分的一个或更多电感器（例如图1中所示的电感器160和112），合并在绝缘层130内的电感器，或者其任意组合。

负载150允许AC双向电流流动。负载150可以包括二极管或AC/DC转换器以便在局部生成DC电压。负载150还可以包括用于根据由驱动器110生成的控制信号来控制或编程负载150的各项功能的电子装置。

如图1中示例性地示出的电容性供电系统100描绘出由驱动器110供电的单一负载150。但是应当提到的是，驱动器110也可以为多个负载供电，其中每一个负载可以被调谐到不同的操作频率。可替换地，可以将多个负载调谐到相同的操作频率。

根据这里所公开的各个实施例，提供一种允许将电容性供电系统局部连接到DC网格的设备。图2示出了根据一个实施例设计的设备200的示例性而非限制性的图示，其被利用来将所述系统局部连接到DC网格。

设备200是电容性电力转换器，其包括至少一对连接器201、202、驱动器203以及耦合到驱动器203的一对发送器电极204、205。设备200的各个组件被组装在可以由导电或不导电材料制成的表面上。

连接器201、202允许与包括在基础设施210中的DC网格的一对供电线211、212的电流接触。在一个实施例中，连接器201、202是可以穿过绝缘层220从而与供电线211、212发生电接触的两个导电引脚。连接器201、202还可以提供用以把设备200固定到DC网格基础设施210的机械装置。在某些实施例中，可以利用机械装置将设备200安放在DC网格基础设施210上，其中例如包括（而不限于）螺钉（其不导电或者处在电绝缘孔洞中）、胶水、磁体或者织物应用（例如Velcro®带）。

驱动器203从流自供电线211、212的输入DC电流生成AC信号。所生成的AC信号的幅度、频率和波形被选择成为连接到一对接收器电极231、232的负载（图2中未示出）高效地供电。具体来说，AC信号的频率与电容性供电系统的串联谐振频率基本上匹配。如前所述，所述串联谐振频率是所述电感器的电感数值、形成在所述一对发送器电极204、205与接收器电极231、232之间的电容性阻抗以及绝缘层220的特性的函数。在图3所示的设置中，所述电容性供电系统的电感性元件可以连接到负载，并且/或者可以是设备200的一部分（其连接在驱动器203与其中一个发送器电极204、205之间）。后面将详细讨论用以实施驱动器203的各个实施例。

回到图2，当设备200连接到DC网格基础设施210时，形成完整的电容性供电系统，其包括驱动器203、发送器电极204、205、绝缘层220以及接收器电极231、232。虽然未在图2中示出，但是负载连接到接收器电极231、232和电感性元件。因此，当在连接器201、202与供电线211、212之间发生电接触时，由驱动器203生成的AC电力信号被无线输送到接收器电极231、232以便为与之连接的负载供电。

DC网格的供电线211、212通常遍及建筑物的各个房间和地板。DC网格基础设施210可以是例如墙壁、窗户、天花板之类的大表面。这里所公开的实施例允许从供电线211、212和设备200远程连接接收器（包括负载和电极）。也就是说，可以在DC网格基础设施210上的任意位置处连接接收器。图3是示出了这样的连接的非限制性且示例性的图示。

图3中所描绘出的基础设施例如可以是墙壁、天花板、窗户、家具、展示区域等等。基础设施300覆盖有垂直导电条带310；每一对导电条带充当前面关于图2讨论的接收器电极231、232。在一个实施例中，导电条带310被放置在形成绝缘层220的不导电材料的背面。这样的不导电材料例如可以是壁纸材料、涂料层等等。导电条带310例如可以由导电墨水、导电涂料等制成。

基础设施300还包括充当前面关于图2讨论的DC网格供电线211、212的至少一对水平导电条带320。图2的设备200通过电流接触连接到水平导电条带320，从而使得设备200的发送器电极204、205与负载300所连接到的一对条带310重叠。由设备200的驱动器203生成的AC电力信号通过前面详细讨论的电容性耦合被输送到所述一对条带310。

负载330可以在沿着两个条带的任何位置处连接到任一对垂直导电条带310。在一个实施例中，负载330可以是任何照明元件，其中例如包括LED、LED串、灯、有机发光二极管（OLED）表面等等。负载330利用固定装置被安放在基础设施300上，所述固定装置例如包括螺钉（其不导电或者处在电绝缘孔洞中）、胶水、磁体或者织物应用（例如Velcro®带）。应当提到的是，在供电线211、212、设备200的发送器电极204、205与负载330之间没有直接电接触。通过一对导电条带310为负载330供电。

在改变负载330的位置时，设备200可以被简单地放置成使得发送器电极204、205与负载330所连接到的新的一对垂直导电条带310重合。

应当提到的是，虽然未在图3中示出，但是负载330可以连接到电感性元件以便与所述电容性电力系统谐振。可替换地或共同地，所述电感性元件可以连接到设备200的驱动器203。还应当提到的是，可以将多个负载安放在基础设施300上，其中每一个负载由设备200如前面所讨论的那样供电。在一个实施例中，一个设备200可以被利用来为多个负载供电。相应地，在一个实施例中，设备200的发送器电极的数目是将要供电的负载数目的至少两倍。

在各个实施例中，所述水平和垂直导电条带可以被构造在基础设施300的一层之内，或者被构造在基础设施300的不同层内。举例来说，当被构造在不同层中时，垂直（AC）导电条带被放置在壁纸内，并且水平（DC）导电条带被形成为壁纸之上的单独夹层或者被安放在底板之内或之上。此外，DC导电条带可以被放置在水平方向上，而AC导电条带可以被放置在垂直方向上。应当提到的是，AC和DC导电条带可以利用不同的形状形成。在一个实施例中，DC导电条带可以被粘贴在壁纸之上。

图4示出了根据一个实施例的驱动器203的非限制性的示例性方框图。驱动器203被构造成生成并输出具有被允许为负载供电的幅度和频率的电力AC信号。

驱动器203包括逻辑单元410、振荡器420和放大器430。来自DC网格的DC信号被输入到逻辑单元410。逻辑单元410被部分地配置成互换输入DC信号的极性，并且生成被馈送到振荡器420的频率控制。逻辑单元410还把输入DC信号调节到对于振荡器420和放大器430的操作所需的电压水平。

振荡器420基于由逻辑单元410生成的频率控制信号在电容性供电系统的谐振频率下生成AC信号。振荡器420的输出被馈送到放大器430，所述放大器430将AC信号放大到为负载供电所需的功率水平。放大器430可以由逻辑单元410控制来生成处于所需功率水平的信号。放大器430可以是（而不限于）线性放大器、H桥放大器、开关模式放大器等等。

在一个实施例中，逻辑单元410感测输出402、403处的电压和电流的相位，以便确定是否需要对信号进行调谐。可替换地或共同地，在接收器电极中测量所述电压和电流的相位。在另一个实施例中，驱动器203生成被调制在AC电力信号上的控制信号，比如可以被利用来控制负载的控制信号。举例来说，如果负载是LED灯，则由驱动器203输出的控制信号可以被利用于LED灯的调光或颜色设定。

应当提到的是，为了最大化流经负载的电流，对AC电力信号施行调谐。如前所述，这是在系统的串联谐振频率与输出AC信号频率彼此匹配时实现的。

图5示出了根据本发明的一个实施例的无线AC到DC电力转换器设备500的非限制性图示。设备500包括一对电极501、502，通过所述电极无线接收来自AC电网的导电条带521、522的AC电力信号。绝缘层（图5中未示出）在所述一对电极501、502与AC电网的导电条带521、522之间绝缘，其中所述绝缘层由不导电材料制成。通过前面详细讨论的电容性耦合输送AC电力信号。设备500还包括电感性元件503，从而使得设备500在与AC网格所供应的AC信号的频率基本上匹配的频率下谐振。

通过转换器504将输入AC信号转换成DC信号。在一个实施例中，转换器504被实施为整流器。可以利用一对连接器505、506把由转换器504输出的DC信号供应到无供电导电条带511、512。连接器505、506与DC网格的导电条带511、512之间的连接是通过电流接触实现的。在被供应DC信号时，导电条带511、512形成局部DC网格。可以在不产生AC辐射的情况下将导电条带511、512制成任意长度。设备500可以被放置在AC网格上的任意位置处以激活局部DC网格。

在另一个实施例中，提供一种包括无线DC到AC电力转换器设备200和无线AC到DC电力转换器设备500的系统。这样的系统还可以包括根据输入电力的来源（即AC或DC电力信号）激活其中一个转换器的控制器。

虽然前面关于所描述的几个实施例以一定的细节相当详尽地描述了本发明，但是本发明不应当被限制到任何此类细节或实施例或任何特定实施例，而是应当参照所附权利要求书对其进行理解，以便根据现有技术提供关于这样的权利要求的最广泛的可能解释，从而实际上涵盖本发明的意定范围。此外，前面在为之可以获得使能描述的发明人所预见到的实施例方面描述了本发明，但是当前没有预见到的本发明的非实质性修改仍然可以表示与之等效的方案。

Claims (15)

1.一种用于把电容性电力输送系统局部连接到DC网格并且向连接在所述电容性电力输送系统中的负载供应电力的直流（DC）到交流（AC）无线转换器设备（200），其包括：

实现与DC网格的至少两条供电线（211，212）的电流接触的至少两个连接器（201，202）；

耦合到连接器（201，202）并且被配置成从通过所述至少两个连接器馈送的输入DC信号生成AC电力信号的驱动器（203），其中AC电力信号的频率与所述电容性电力输送系统的串联谐振频率基本上匹配；以及

连接到驱动器的输出的至少一对发送器电极（204，205）；

其中，所述设备的各个组件被组装在导电或不导电材料的表面上，并且其中所述设备（200）被适配成：

所述设备（200）的发送器电极（204，205）与负载（330）所连接到的位于基础设施（300）上的一对条带（310）重叠；以及

在改变所述负载（330）的位置时，所述设备（200）被放置成使得所述发送器电极（204，205）与负载（330）所连接到的位于所述基础设施（300）上的新的一对垂直导电条带（310）重叠。

2.如权利要求1所述的设备，其还包括串联连接在驱动器与所述至少一对发送器电极（204，205）的其中之一之间的电感器。

3.如权利要求2所述的设备，其中，DC网格的所述至少两条供电线由不导电材料覆盖，从而形成绝缘层（220）。

4.如权利要求3所述的设备，其中，当所述至少一对发送器电极（204，205）与连接到负载的一对接收器电极重叠时，由驱动器生成的AC电力信号被从所述至少一对发送器电极（204，205）无线输送到所述一对接收器电极，其中所述一对接收器电极、DC网格的所述至少两条供电线以及负载是相同的基础设施的一部分。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述设备被安放在所述基础设施上，以便把所述电容性供电系统局部连接到DC网格。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述电容性电力输送系统的串联谐振频率是所述电感器和形成在一对发送器电极与一对接收器电极之间的电容性阻抗的谐振频率。

7.如权利要求5所述的设备，其中，所述一对接收器电极和所述供电线分别是包括在基础设施的相同基板层上的水平导电条带和垂直导电条带。

8.如权利要求5所述的设备，其中，所述一对接收器电极和所述供电线分别是包括在基础设施的不同基板层上的水平导电条带和垂直导电条带。

9.如权利要求1所述的设备，其中，所述驱动器包括：

逻辑单元（410），其被配置成互换输入DC信号的极性并且生成频率控制信号；

振荡器（420），其被配置成基于所生成的频率控制信号在所述串联谐振频率下生成AC信号；以及

放大器（430），其被配置成把由振荡器生成的AC信号放大到为负载供电所需的幅度。

10.如权利要求9所述的设备，其中，所述逻辑单元（410）还被配置成控制负载的操作。

11.一种用于为连接到电容性电力输送系统的无供电DC网格局部供应DC信号的交流（AC）到直流（DC）无线转换器设备（500），其包括：

电容性耦合到AC电网的至少两个电极（521，522）的至少一对电极（501，502），从而把AC电力信号从AC电网无线输送到所述至少一对电极（501，502）；

连接到所述至少一对电极（501，502）并且被配置成从AC电力信号生成DC信号的AC到DC转换器（504）；以及

实现以来自AC到DC转换器（504）的生成的DC信号、与无供电DC网格的至少两条供电线（511，512）电流接触的至少两个连接器（505，506）；

其中，所述设备被安放在AC电网的基础设施上以便为DC网格局部供电。

12.如权利要求11所述的设备，其还包括串联连接在所述转换器（504）与所述至少一对电极（501，502）的其中之一之间的电感器（503）。

13.如权利要求12所述的设备，其中，绝缘层位于所述至少一对电极（501，502）与AC电网的至少两个电极（521，522）之间，并且其中所述绝缘层由不导电材料制成。

14.如权利要求13所述的设备，其中，所述AC电力信号的频率与所述电感器（503）和形成在所述至少一对电极（501，502）和AC电网的所述至少两个电极（521，522）之间的电容性阻抗的串联谐振频率基本上匹配。

15.一种包括任一条在前权利要求所述的直流（DC）到交流（AC）无线转换器设备（200）和交流（AC）到直流（DC）无线转换器设备（500）的系统。