CN104158299A - 一种基于无线电力传输的家电供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于无线电力传输的家电供电系统，包括供电子系统和用电子系统，所述供电子系统包含一个无线发射装置，用于将电能转化为辐射磁场；所述用电子系统包含一个无线接收装置，用于将所述辐射磁场上的无线信号转换为电能，提供到用电子系统。本发明实施例提供的基于无线电力传输的家电供电系统，通过电磁感应的无线方式，实现了家庭用电的无线传输，提高了家庭用电安全，避免了电插头不通用带来的麻烦。

Description

一种基于无线电力传输的家电供电系统

技术领域

本发明涉及电力传输领域，尤其是涉及到利用无线的方式进行电力输送的系统。

背景技术

随着人们生活水平的提高，家庭中的用电设施越来越多，如电视、电冰箱等等，这些家电设备为人们带来了便捷和高质量的生活。传统的家电供电方案是采用直接供电，即，家用电器的插头金属片直接与家居布线的插头节点（插座）进行导线接触，以从家居电力线中获取工家用电器工作的电能。

这是非常方便的，因此，这也是目前基本上所有家庭都采用的一种家电供电方案。但是，这也是危险的。由于用电不慎，或者其他的一些因素，插头节点外露在空气中，有可能会被空气中的水分或者人为的方式产生漏电或者短路，这是有可能引发火灾的一个安全隐患。还有一种情况，由于家中有儿童，那么这些插座会成为儿童触电的一个非常严重的隐患。另外，还有一种情况是，家用设备的插头与插座之间并不匹配，这种不匹配可能是两脚和三脚之间的不匹配，也有可能是标准之间的不匹配，例如香港、欧洲的插头与国内的电插座之间标准不一致，导致不能互通电流。当然，这个问题可以使用转换插头或者带有转换插座的电插板来解决，但是，这无疑让这个问题复杂化，不是一个优选的解决方案。

基于上述，无论是从用电安全方面，还是提高通用性和用户体验来说，都需要有一种新的电力传输方案来解决所述问题。

在本发明中，将披露的一种基于无线传输的电力供电方案。早在电流被发现后，就有人发现了电磁之间的转换，被称之为电磁感应，或者磁感应。电磁感应方式采用了19世纪上半期发现的物理现象。众所周知，电流流过线圈时，周围会产生磁场。1820年，丹麦物理学家汉斯·奥斯特（Hns Oersted）发现了这种电磁效应。即，用没有通电的其他线圈接近该磁场，线圈中就会产生电流，由此点亮灯泡。因此利用电磁感应为无线电力传输提供了一个切实解决思路。

发明内容

本发明实施例提出一种基于无线电力传输的家电供电系统，利用无线的方式进行供电，从而避免使用插头和插座，提高电力传输的安全性。

本发明实施例提供一种基于无线电力传输的家电供电系统，包括供电子系统和用电子系统，所述供电子系统包含一个无线发射装置，用于将电能转化为辐射磁场；所述用电子系统包含一个无线接收装置，用于将所述辐射磁场上的无线信号转换为电能，提供到用电子系统。

更进一步，所述无线接收装置紧邻于所述无线接收装置。

更进一步，所述无线接收装置设置于所述无线接收装置表面。

更进一步，所述供电子系统检测所述无线发射装置不具有负载时，所述无线发射装置停止产生无线信号。

更进一步，所述供电子系统检测所述无线发射装置表面没有设置无线接收装置时，判定所述无线发射装置不具有负载。

更进一步，所述供电子系统发生短路时切断所述无线发射装置的工作。

更进一步，所述无线发射装置嵌入到家用设备中。

本发明实施例提供的基于无线电力传输的家电供电系统，通过电磁感应的无线方式，实现了家庭用电的无线传输，提高了家庭用电安全，避免了电插头不通用带来的麻烦。

附图说明

图1 展示无线电力供电系统的简化框图；

图2展示无线电力供电系统的简化示意图；

图3说明用于本发明的例示性实施例中的回路天线的示意图；

图4是根据本发明的例示性实施例的发射器的简化框图；

图5是根据本发明的例示性实施例的接收器的简化框图；

图6展示用于在发射器与接收器之间进行消息传递的发射电路的部分的简化示意图；

图7是本发明示例性实施例的基于无线电力传输的家电供电系统结构图；

图8是本发明示例性实施例的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本发明实例在附图中示出，尽管将结合这些实施例来描述本发明，应该理解其并非要将本发明限制为这些实施例。相反，本发明意欲覆盖可包括在所附权利要求所限定的精神和范围内的替换、修改和等效形式。另外，在对本发明实施例的以下详述中，提出了很多具体细节以使本发明得到彻底理解。然而，本领域普通技术人员将认识到，没有这些具体细节也可实施本发明。在其它实例中，为了不必要地模糊本发明的方面，未详细描述公知的方法、过程、部件和电路。       　　

以下详细描述的一些部分是按照过程、步骤、逻辑块、处理及对可在计算机存储器上执行的数据位的操作的其它符号表示来提出的。这些描述和表示是数据处理领域的技术人员所使用的、为了将其工作的实质最有效地传达给该领域其它技术人员的手段。这里，过程、计算机执行的步骤、逻辑块、进程等通常设想为导致期望结果的步骤或指令的自洽序列。所述步骤是需要对物理量的物理操纵的步骤。通常，尽管不必要，这些量采用能够在计算机系统中存储、传递、组合、比较或另外操纵的电或磁信号的形式。已经证明，主要是为了公共使用的原因，将这些信号称作位、值、元素、符号、字符、项目、数字等有时是方便的。       　　

然而，应牢记的是，所有这些和相似的术语应与适当的物理量相关联并且仅仅是适用于这些量的方便标记。除非特别指明，否则如以下描述中所显而易见的，应理解在整个本发明中，讨论所用的术语，如“关联”或“识别”或“再现”或“需要”或“确定”或“重复”或“执行”或“检测”或“引导”等，指的是电子系统或类似电子计算设备的动作和过程，其将电子设备的寄存器和存储器内的表示为物理(电子)量的数据操纵和变换成电子设备存储器或寄存器或者其它这样的信息存储、传输或显示设备内的类似地表示为物理量的其它数据。

词语“无线电力”在本文中用以意指在不使用物理电磁导体的情况下从发射器发射到接收器的与电场、磁场、电磁场或其它者相关联的任何形式的能量。          

图1说明根据本发明的各种例示性实施例的无线发射或接收系统100。将输入功率102提供到发射器104以供产生用于提供能量转移的辐射场106。接收器108耦合到辐射场106，且产生输出功率110以供耦合到输出功率110的装置(未图示)存储或消耗。发射器104与接收器108两者相隔距离112。在一个例示性实施例中，根据相互谐振关系来配置发射器104和接收器108，且当接收器108的谐振频率与发射器104的谐振频率极接近时，发射器104与接收器108之间的发射损耗在接收器108位于辐射场106的“近场”中时是最小的。 

发射器104进一步包含用于提供用于能量发射的装置的发射天线114，且接收器108进一步包含用于提供用于能量接收的装置的接收天线118。根据应用和待与其相关联的装置而对发射天线和接收天线大小设计。如所叙述，通过将发射天线的近场中的大部分能量耦合到接收天线而非以电磁波形式将大部分能量传播到远场来发生有效能量转移。当处于此近场中时，可在发射天线114与接收天线118之间形成耦合模式。在天线114和118周围的可发生此近场耦合的区域在本文中被称为耦合模式区。 

图2展示无线电力转移系统的简化示意图。发射器104包含振荡器122、功率放大器124，以及滤波器和匹配电路126。振荡器经配置以在所要频率下产生信号，所述所要频率可响应于调整信号123加以调整。可通过功率放大器124以响应于控制信号125的放大量来放大振荡器信号。可包含滤波器和匹配电路126以滤出谐波或其它非想要频率，且使发射器104的阻抗匹配于发射天线114。 

接收器108可包含匹配电路132以及整流器和切换电路134，以产生DC功率输出以对电池136(如图2所示)进行充电或对耦合到所述接收器的装置(未图示)进行供电。可包含匹配电路132以使接收器108的阻抗匹配于接收天线118。接收器108和发射器104可在单独通信信道119(例如，蓝牙(Bluetooth)、紫蜂(zigbee)、蜂窝式，等等)上通信。 

如图2所说明，例示性实施例中所使用的天线可经配置为“回路”天线150，其在本文中也可被称为“磁性”天线。回路天线可经配置以包含空心磁心或物理磁心(例如，铁氧体磁心)。空心磁心回路天线可能更可容许将外来物理装置放置于磁心附近。此外，空心磁心回路天线允许将其它组件放置于磁心区域内。另外，空心磁心回路可能更易于能够将接收天线118(图2)放置于发射天线114(图2)的平面内，在所述平面中，发射天线114(图2)的耦合模式区的功率可能更大。 

如所叙述，发射器104与接收器108之间的有效能量转移在发射器104与接收器108之间的匹配谐振或近似匹配谐振期间发生。然而，即使当发射器104与接收器108之间的谐振不匹配时，仍可以较低效率转移能量。通过将来自发射天线的近场的能量耦合到驻留于建立了此近场的邻域中的接收天线而非将能量从发射天线传播到自由空间中来发生能量转移。 

回路天线或磁性天线的谐振频率是基于电感和电容。回路天线中的电感一般仅仅为通过回路天线建立的电感，而一般将电容添加到回路天线的电感以在所要谐振频率下建立谐振结构。作为非限制性实例，可将电容器152和电容器154添加到天线以建立产生谐振信号156的谐振电路。因此，对于较大直径的回路天线，诱发谐振所需要的电容的大小随着回路天线的直径或电感增加而减小。此外，随着回路天线或磁性天线的直径增加，近场的有效能量转移区域增加。当然，其它谐振电路是可能的。作为另一非限制性实例，可将电容器并行地放置于回路天线的两个端子之间。另外，所属领域的技术人员应认识到，对于发射天线，谐振信号156可为到回路天线150的输入。 

图4是根据本发明的例示性实施例的发射器200的简化框图。发射器200包含发射电路202和发射天线204。一般地，发射电路202通过提供振荡信号将RF功率提供到发射天线204，所述振荡信号导致在发射天线204周围产生近场能量。举例来说，发射器200可在13.56MHz ISM带下操作。 

例示性发射电路202包含：固定阻抗匹配电路206，其用于使发射电路202的阻抗(例如，50欧姆)匹配到发射天线204；和低通滤波器(LPF)208，其经配置以将谐波发射减少到防止耦合到接收器108(图1)的装置的自干扰的电平。其它例示性实施例可包含不同滤波器拓扑，包含(但不限于)使特定频率衰减同时使其它频率通过的陷波滤波器，且可包含自适应阻抗匹配，其可基于可测量发射度量(例如，到天线的输出功率或通过功率放大器汲取的DC电流)而变化。发射电路202进一步包含经配置以驱动如通过振荡器212确定的RF信号的功率放大器210。发射电路可包括离散装置或电路，或者，可包括集成组合件。从发射天线204所输出的例示性RF功率可为约2.5瓦特。 

发射电路202进一步包含控制器214，控制器214用于在针对特定接收器的发射阶段(或工作周期)期间启用振荡器212、用于调整所述振荡器的频率，以及用于调整输出功率电平以实施用于经由相邻装置所附接的接收器而与相邻装置交互的通信协议。 

发射电路202可进一步包含负载感测电路216，负载感测电路216用于检测主动接收器是否存在于由发射天线204产生的近场附近。举例来说，负载感测电路216监视流动到功率放大器210的电流，所述电流受主动接收器是否存在于由发射天线204产生的近场附近影响。通过控制器214监视对功率放大器210上的加载的改变的检测，以确定是否启用振荡器212以发射能量来与主动接收器通信。 

可将发射天线204实施为天线条带，其厚度、宽度和金属类型经选择以使电阻性损耗保持较低。在常规实施中，发射天线204可一般经配置以与较大结构(例如，桌子、垫子、灯具或其它不便携带的配置)相关联。因此，发射天线204一般将不需要“匝”，以便具有实用尺寸。发射天线204的例示性实施可为“电学上小的”(即，波长的分率)，且经调谐以通过使用电容器来界定谐振频率而在较低的可用频率下谐振。在发射天线204的直径或边长(如果是方形回路)相对于接收天线可能较大(例如，0.50米)的例示性应用中，发射天线204将未必需要大量匝来获得合理电容。 

发射器200可聚集和追踪关于可与发射器200相关联的接收器装置的行踪和状态的信息。因此，发射器电路202可包含连接到控制器214(在本文中也被称为处理器)的存在检测器280、封闭式检测器290或其组合。控制器214可响应于来自存在检测器280和封闭式检测器290的存在信号而调整由放大器210递送的电力的量。发射器可接收通过许多电源(例如，C/DC转换器(未图示)，其用以转换存在于建筑物中的常规C电力；DC/DC转换器(未图示)，其用以将常规DC电源转换成适于发射器200的电压)的电力，或可接收直接来自常规DC电源(未图示)的电力。 

作为非限制性实例，存在检测器280可为运动检测器，其用以感测插入到发射器的覆盖区域中的待充电装置的初始存在。在检测之后，可开启所述发射器，且可使用由所述装置接收的RF功率来以预定方式双态触发Rx装置上的开关，此情形又导致所述发射器的驱动点阻抗的改变。 

作为另一非限制性实例，存在检测器280可为能够(例如)通过红外线检测、运动检测或其它合适方式来检测人类的检测器。在一些例示性实施例中，可能存在限制发射天线可在特定频率下发射的功率的量的法规。在一些状况下，这些法规希望保护人类免受电磁辐射。然而，可能存在发射天线放置于人类未占据或人类很少占据的区域(例如，车库、厂区、车间及其类似者)中的环境。如果这些环境无人类，那么可能可准许将发射天线的功率输出增加到高于正常功率限制法规。换句话说，控制器214可响应于人类存在而将发射天线204的功率输出调整到法规电平或较低电平，且当人类与发射天线204的电磁场相距的距离超出法规距离时，将发射天线204的功率输出调整到高于法规电平的电平。 

 作为非限制性实例，封闭式检测器290(在本文中也可被称为封闭式隔间检测器或封闭式空间检测器)可为例如读出开关的装置，其用于确定外罩何时处于闭合状态或打开状态。当发射器是在处于封闭状态的外罩中时，可增加发射器的功率电平。 

在例示性实施例中，可使用发射器200不会无限期地保持开启的方法。在此状况下，发射器200可经编程以在用户确定的时间量之后切断。此特征防止发射器200(尤其是功率放大器210)在其外围的无线装置被完全充电之后长时间运作。此事件可归因于用以检测从中继器或接收线圈所发送的指示装置被完全充电的信号的电路的故障。为了防止发射器200在另一装置放置于其外围时自动地关机，可仅在其外围检测到缺乏运动的设置时段之后才启动发射器200的自动切断特征。用户可能能够确定不活动时间间隔，且根据需要来改变所述不活动时间间隔。作为非限制性实例，所述时间间隔可长于在假定特定类型的无线装置最初被完全放电的情况下对所述装置完全充电所需要的时间间隔。 

图5是根据本发明的例示性实施例的接收器300的简化框图。接收器300包含接收电路302和接收天线304。接收器300进一步耦合到装置350以用于将接收功率提供到装置350。应注意，接收器300被说明为在装置350外部，但其可集成到装置350中。一般，以无线方式将能量传播到接收天线304且接着经由接收电路302而耦合到装置350。 

接收天线304经调谐以在与发射天线204(图4)的谐振频率相同的频率下或接近相同的频率下谐振。接收天线304可与发射天线204类似地经尺寸设计，或可基于关联装置350的尺寸而被不同地大小设计。举例来说，装置350可为直径尺寸或长度尺寸小于发射天线204的长度的直径的便携式电子装置。在此实例中，接收天线304可实施为多匝天线，以便减小调谐电容器(未图示)的电容值且增加接收天线的阻抗。举例来说，接收天线304可放置于装置350的实质圆周周围，以便最大化天线直径且减小所述接收天线的回路匝(即，绕组)的数目和绕组间电容。 

接收电路302提供与接收天线304的阻抗匹配。接收电路302包含电力转换电路306，其用于将所接收的RF能源转换成充电电力以供装置350使用。电力转换电路306包含RF至DC转换器308，且也可包含DC至DC转换器310。RF至DC转换器308将在接收天线304处所接收的RF能量信号整流成非交流电力，而DC至DC转换器310将所整流的RF能量信号转换成可与装置350相容的能量电位(例如，电压)。预期各种RF至DC转换器，包含部分和完全整流器、调节器、桥接器、倍加器，以及线性和切换转换器。 

接收电路302可进一步包含切换电路312，其用于将接收天线304连接到电力转换电路306，或者，用于断开电力转换电路306。使接收天线304从电力转换电路306断开不仅会暂时中止装置350充电，而且也会改变发射器200(图2)所“看到”的“负载”。 

如上文所揭示，发射器200包含负载感测电路216，其检测提供到发射器功率放大器210的偏压电流的波动。因此，发射器200具有用于确定接收器何时存在于所述发射器的近场中的机制。 

当多个接收器300存在于发射器的近场中时，可能需要对一个或一个以上接收器的加载和卸载进行时分多路复用以使其它接收器能够较有效地耦合到发射器。也可遮蔽接收器，以便消除到其它附近接收器的耦合或减少附近发射器上的加载。接收器的此“卸载”在本文中也被称为“遮蔽”(cloking)。此外，如下文更充分地所解释，通过接收器300控制且通过发射器200检测的卸载与加载之间的此切换提供从接收器300到发射器200的通信机制。另外，协议可与所述切换相关联，所述协议使能够将消息从接收器300发送到发射器200。举例来说，切换速度可为约100微秒。 

在例示性实施例中，发射器与接收器之间的通信指代装置感测和充电控制机制，而非常规双向通信。换句话说，发射器使用所发射信号的开启/切断键控来调整近场中的能量是否可用。接收器将这些能量改变解译为来自发射器的消息。从接收器侧，接收器使用接收天线的调谐和解调谐来调整正从近场所接受的电力的量。发射器可检测从近场所使用的此电力差，且将这些改变解译为来自接收器的消息。 

接收电路302可进一步包含用以识别所接收的能量波动的发信检测器和信标电路314，所述能量波动可对应于从发射器到接收器的信息发信。此外，发信和信标电路314也可用以检测减少的RF信号能量(即，信标信号)的发射，且将减少的RF信号能量整流成标称电力以用于唤醒接收电路302内的未供电或电力耗尽的电路，以便配置接收电路302以用于无线充电。 

接收电路302进一步包含处理器316，其用于协调本文中所描述的接收器300的过程，包含本文中所描述的切换电路312的控制。接收器300的遮蔽也可在其它事件发生后随即发生，所述其它事件包含检测将充电电力提供到装置350的外部有线充电源(例如，壁式/USB电源)。除了控制接收器的遮蔽以外，处理器316也可监视信标电路314以确定信标状态且提取从发射器所发送的消息。处理器316也可调整DC至DC转换器310以获得改进性能。 

图6展示用于在发射器与接收器之间进行消息传递的发射电路的部分的简化示意图。在本发明的一些例示性实施例中，在发射器与接收器之间可启用用于通信的装置。在图6中，功率放大器210驱动发射天线204以产生辐射场。所述功率放大器是通过载波信号220驱动，载波信号220在发射天线204的所要频率下振荡。使用发射调制信号224来控制功率放大器210的输出。 

发射电路可通过对功率放大器210使用开启/切断键控过程来将信号发送到接收器。换句话说，当确证发射调制信号224时，功率放大器210将在发射天线204上驱动出载波信号220的频率。当否定发射调制信号224时，所述功率放大器将不在发射天线204上驱动出任何频率。 

图6的发射电路也包含负载感测电路216，其将电力供应到功率放大器210且产生接收信号235的输出。在负载感测电路216中，电阻器Rs上的电压降形成于到功率放大器210的功率输入信号226与电源供应器228之间。功率放大器210所消耗的功率的任何改变将引起将通过差动放大器230放大的电压降的改变。当发射天线处于与接收器(图6中未图示)中的接收天线的耦合模式中时，功率放大器210所汲取的电流量将改变。换句话说，如果发射天线204不存在耦合模式谐振，那么驱动辐射场所需要的功率将为第一量。如果存在耦合模式谐振，那么功率放大器210所消耗的功率量将上升，因为大部分功率耦合到接收天线中。因此，接收信号235可指示耦合到发射天线235的接收天线的存在，且也可检测从接收天线所发送的信号。另外，将可在发射器的功率放大器电流汲取中观察到接收器电流汲取的改变，且可使用此改变来检测来自接收天线的信号。

图7给出了本发明示例性实施例的一个结构示意图，包括供电子系统701和用电子系统702，其中，供电子系统701是指从房子外面电源主干线接入到房屋的供电子干线，以及家庭供电的基本设施，传统的包括插座和开关等。而用电子系统702则指家庭用电设施，如家用电器等。供电子系统中包含至少一个家用电源703和至少一个无线发射装置704，无线发射装置704负责将家用电源所提供的标准电力转化为无线信号705。在本实施例中，这中转换方式可以采用电磁感应原理，也可以采用磁共振原理。无线信号705经过空气传递到用电子系统702中的无线接收装置706，无线接收装置706应与无线发射装置704的无线信号调制方式一致，即，如果采用无线发射装置704电磁感应原理调制，则无线接收装置706也采用电磁感应原理解调出电信号，磁共振原理亦然。无线接收装置706获得到的电力提供到家用电器707中工作。

因为无线信号具有无定向性，在一定距离上的接收会浪费一部分的电能，而采用电磁感应原理的调制，更是不能具体太远，否则无法解调，因此，为了提高电力的输送效率，减少在电能的输送损耗，在本发明实施例中，无线发射装置704紧邻地贴在无线接收装置706表面中，两者之间的距离越短越好。为了让两者之间的相对位置能够固定，可以采用扣式链接将两者面对面地紧贴固定下来。当然，无线发射装置704由于其电力的不外露特性，因此可以设置在家用设备当中，例如电视柜、沙发、椅子等，当然，也可以镶嵌在墙体中。

图8是本发明实施例的流程图。供电子系统获取外部电力信号，提供电力到无线发射装置704，将其转换为无线信号705，无线信号705经过空气传递到无线接收装置706中，再将其转换成电信号，无线接收装置706将获得的电力提供到家用电器中供其使用。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于无线电力传输的家电供电系统，包括供电子系统和用电子系统，其特征在于，所述供电子系统包含一个无线发射装置，用于将电能转化为辐射磁场；所述用电子系统包含一个无线接收装置，用于将所述辐射磁场上的无线信号转换为电能，提供到用电子系统。

2.如权利要求1所述的基于无线电力传输的家电供电系统，其特征在于，所述无线接收装置紧邻于所述无线接收装置。

3.如权利要求2所述的基于无线电力传输的家电供电系统，其特征在于，所述无线接收装置设置于所述无线接收装置表面。

4.如权利要求1所述的基于无线电力传输的家电供电系统，其特征在于，所述供电子系统检测所述无线发射装置不具有负载时，所述无线发射装置停止产生无线信号。

5.如权利要求4所述的基于无线电力传输的家电供电系统，其特征在于，所述供电子系统检测所述无线发射装置表面没有设置无线接收装置时，判定所述无线发射装置不具有负载。

6.如权利要求1所述的基于无线电力传输的家电供电系统，其特征在于，所述供电子系统发生短路时切断所述无线发射装置的工作。

7.如权利要求1至6中任一项所述的基于无线电力传输的家电供电系统，其特征在于，所述无线发射装置嵌入到家用设备中。