CN105393424A - 具有增加的效率的电容性供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容性供电系统（1），包括：a）接收器元件（2），包括连接到负载（5）的平坦接收器电极对（3,4）；b）传送器元件（7），包括连接到驱动器（10）并且定位成平行于接收器电极对（3,4）的平坦传送器电极对（8,9）；c）用于在其供电期间使系统谐振的电感器（6）；以及d）第一绝缘层（11），其定位在平坦接收器电极对（3,4）与平坦传送器电极对（8,9）之间，以便在系统的供电期间形成传送器电极与接收器电极之间的电容性阻抗。该系统（1）还包括第二平坦接收器电极对（12,13）和第二绝缘层（14），由此第二平坦接收器电极对（12,13）也定位成平行于平坦传送器电极对（8,9），并且第二绝缘层（14）定位在第二平坦接收器电极对（12,13）与平坦传送器电极对（8,9）之间，使得平坦传送器电极对夹在两个接收器电极对之间，并且具有相同极性的两个接收器电极对的电极（3和12，相应地4和13）电连接。所发明的电容性供电系统示出了较低的电容性损耗。

Description

具有增加的效率的电容性供电系统

技术领域

本发明涉及电容性供电系统，包括：a）接收器元件，包括连接到负载的平坦接收器电极对；b）传送器元件，包括连接到驱动器并且定位成平行于接收器电极对的平坦传送器电极对；c）用于在其供电期间使系统谐振的电感器，以及d）定位在平坦接收器电极对与平坦传送器电极对之间的第一绝缘层，以便在系统的供电期间形成传送器电极与接收器电极之间的电容性阻抗。本发明还涉及适配用于在电容性供电系统中使用的接收器元件。

背景技术

电容性供电系统用于无线功率传递，并且更特别地在大的区域之上的无线功率传递。利用无线功率传递，可以在没有任何电线或触点的情况下供应电功率，使得电子设备的供电通过无线介质执行。针对非接触供电的一个受欢迎的应用是例如移动电话、膝上型计算机等的便携式电子设备的充电。无线功率传递的第一实现在感应供电系统中找到。在这样的系统中，电源（传送器）与设备（接收器）之间的电磁感应允许非接触功率传递。传送器与接收器二者装备有电线圈。当传送器和接收器物理接近时，电信号从传送器流到接收器。

电容耦合是另一无线功率传递技术，其正变得越来越流行。该技术主要用在数据传递和感测应用中。汽车内的具有拾取元件的粘附在窗户上的车载收音机天线是电容耦合的示例。电容耦合技术还用于电子设备的非接触充电。对于这样的应用，充电单元或传送器（实现电容耦合）在设备的固有谐振频率之外的频率处操作。

在开头段落中提及的类型的电容性供电系统本身是已知的。更特别地，以本申请人的名义提交并且具有公开号WO2013/024432-A2的专利申请公开了一种包括在供电动作期间可以一起工作的接收器元件和传送器元件的电容非接触供电系统。在该出版物的图1中示出的系统示出了具有两个平坦电极S1和S2的接收器元件，平坦电极S1和S2通过电气布线而经由电感器L1连接到负载。系统还示出了具有两个另外的平坦且长方形的电极T1和T2（在所述图1中用附图标记121和122引用）的传送器元件。这些电极通过电气布线而经由附加电感器连接到驱动器，驱动器连接到电源。

绝缘层一方面夹在传送器电极对T1和T2与接收器电极对S1和S2之间。在系统的操作期间，电容性阻抗形成在传送器电极对T1和T2与接收器电极对S1和S2之间。在该情况下，由驱动器生成的功率信号从传送器电极对T1和T2无线地传递到接收器电极对S1和S2，以便在功率信号的频率与第一电感器L1和电容性阻抗的串联谐振频率匹配时为负载供电。

已知的电容功率传递系统利用从电源向包括电容器C和电感器L和负载R的系列的调谐电路递送功率的AC信号。电容器通过隔离的平坦传送器电极T1和T2与平坦的接收器电极S1和S2的重叠区域形成。电容器C1由平坦电极T1-S1所限定的重叠区域形成，并且电容器C2由平坦电极T2-S2所限定的重叠区域形成。AC信号中使用的频率（紧密地）逼近电路的串联谐振。在该情况下，电容器和电感器的虚阻抗被消除，从而导致低欧姆电路，其能够以低损耗将功率递送到负载。

尽管已知的电容性供电系统一般很好地起作用，但是存在改进其供电效率的持续期望。尤其是如对应的传送器和接收器电极的重叠区域限定的电容器所引起的损耗的量被视为过高。

发明内容

本发明的一个目的是克服或者至少缓解现有技术电容性供电系统的所指示的技术问题。更特别地，本发明旨在提高已知系统的供电效率。尤其是由重叠的传送器和接收器电极形成的电容器所生成的电损耗的量需要减小，优选地在不增加电极的表面尺寸的情况下。

本发明的这些和可能的另外目的借助于电容性供电系统实现，该电容性供电系统包括：a）接收器元件，包括连接到负载的平坦接收器电极对；b）传送器元件，包括连接到驱动器并且定位成平行于接收器电极对的平坦传送器电极对；c）用于在其供电期间使系统谐振的电感器；以及d）定位在平坦接收器电极对与平坦传送器电极对之间的第一绝缘层，以便在系统的供电期间形成传送器电极与接收器电极之间的电容性阻抗，其中系统还包括第二平坦接收器电极对与第二绝缘层，其中第二平坦接收器电极对也定位成平行于平坦传送器电极对，并且第二绝缘层定位在第二平坦接收器电极对与平坦传送器电极对之间，使得平坦传送器电极对夹在两个接收器电极对之间，并且具有相同极性的两个接收器电极对的电极电连接。

本发明基本上基于发明人的以下见解：通过将附加的平坦接收器电极对刚好定位到传送器电极的“自由”侧可以获得电容器面积的增加，该“自由”侧与其中第一平坦接收器电极对被定位的侧面相对地定位。这样，电容器表面面积原则上可以加倍而不会增加接收器电极与传送器电极二者的表面尺寸。发明人还认识到，原则上电容性损耗可以通过增加电容器的总表面面积而减小，同时维持电极和绝缘层的材料和尺寸相同。

接收器电极对中具有相同电极性的电极被电连接。该连接可以经由一个或多个导电电线实现，例如像铜或铝那样的金属电线。

平坦传送器电极对平坦接收器电极的平行定位要理解成传送器电极的表面上的法线与对应接收器电极的表面上的法线之间的角度小于30度，优选地小于20度并且更优选地小于10度。接收器电极和传送器电极是平坦的，但是将接受小的曲率，尤其在不面向另一电极的表面上。每个电极对的两个分离的电极优选地设计成使得它们在单个平坦平面中具有一定距离。

电感器允许确保电容性供电系统的运转。这样的电感器用于在其供电期间使系统谐振。至少一个电感器需要存在于传送器元件或接收器元件的电气电路中。因而，这样的电感器可以定位在传送器电极之一与驱动器之间的电气布线中。可替换地，电感器还可以定位在接收器电极之一与负载之间的电气布线中。当仅一个电感器存在于电容性供电系统中时，出于安全原因，所述电感器优选地包括在接收器元件中。要强调的是，接收器元件和传送器元件二者可以在其电气电路中包含一个或多个电感器。

根据本发明的电容性供电系统的感兴趣实施例特征在于，第一绝缘层和第二绝缘层安装到平坦传送器电极对。根据该设计的系统具有以下优点：通常长方形的传送器电极保持完全被绝缘层覆盖，即使在接收器元件被从传送器元件移除的时候。平坦接收器电极对可以没有绝缘层。优选地，出于安全原因，这些电极也提供有薄的绝缘层。

所发明的电容性供电系统的另一有利实施例具有以下特征：第一绝缘层和第二绝缘层形成其中嵌入平坦传送器电极对的单个绝缘层。这允许传送器元件的简单且实用的设计。在该设计中，单个材料的绝缘层可以提供在两个传送器电极对周围，例如借助于挤压工艺。通过这样的过程做出的绝缘层是无缝的，这降低了关于电气故障的风险，比如两个电极之间的短路。

还感兴趣的是具有以下特性的所发明的电容性供电系统的实施例：第一绝缘层和第二绝缘层由柔性绝缘材料制成并且其中平坦传送器电极对由金属（合金）材料制成。根据该设计的电容性供电系统的传送器部分可包括柔性平坦线缆或所谓的弯折箔。可以用在该实施例中的典型绝缘材料包括比如聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP）之类的聚烯烃材料以及比如Kapton^TM之类的聚酰亚胺。适用于用作电极材料的典型金属（合金）是铜和铝或这些金属与其它金属的合金。

根据当前发明的电容性供电系统的另一实用实施例具有以下特征：平坦接收器电极对提供在电绝缘材料的第一板上并且第二平坦接收器电极对提供在电绝缘材料的第二板上，在所述板之间可以定位平坦传送器电极对。根据该设计的供电系统具有以下实用优点：平坦板可以向接收器电极对提供刚性支撑。一个板可以形成其中容纳负载的传送器元件部分的构件。第一和第二板优选地由电绝缘材料制成。

根据后一设计的电容性供电系统有利实施例具有以下特征：两个板提供有用于围绕平坦传送器电极对而夹紧板的装置。这些夹紧装置可以布置用于将接收器部分简单紧固到传送器部分。夹紧压力可以贡献于对应传送器和接收器电极的良好接触，由此向负载提供最佳功率传递。夹紧装置优选地是可拆卸的，由此分别允许接收器元件向传送器元件的紧固以及接收器元件从传送器元件的解开。适当的可拆卸的夹紧装置可以包括螺钉或（弹性）夹具。

还实用的是具有以下特征的所发明的供电系统的实施例：两个板围绕平坦传送器电极对可移动地可夹紧。本发明的该实施例允许在接收器元件已经围绕所述传送器电极夹紧之后，接收器元件可以沿着传送器元件的传送器电极对移动。这在传送器电极被设计为（柔性）线缆或弯折箔的情况下尤其感兴趣。这样的线缆或箔可以附连到比如墙壁之类的结构，而接收器元件的实际定位可以由用户借助于简单地沿着线缆或箔移动接收器元件来确定。

具有后一设计的电容性供电系统的另一有利实施例具有以下特征：用于夹紧的装置包括提供在板的边缘处的铰链元件。因而，接收器元件的板简单地借助于所附连的铰链而保持在一起。作为结果，板在其围绕传送器电极的夹紧期间的取向通过该措施而变得非常简单。

与后一实施例相符的所发明的供电系统的又一有利实施例的特征在于，两个板还包括板的相对边缘处的可拆卸的连接装置。通过紧固这些连接装置，板可以变得围绕两个平坦传送器电极对自动地夹紧，由此使两个接收器电极对与对应传送器电极紧密接触。然而，由于面对的传送器电极和接收器电极之间的至少一个绝缘层的存在，电气短路得以防止。适当的连接装置可以包括螺钉和/或（可拆卸）夹具。

感兴趣的还有所发明的电容性供电系统的实施例，其中平坦接收器电极对中的至少一个包括至少两个平行子电极，它们定位成彼此相距一定的距离。根据该设计的供电系统可以具有甚至进一步增加的供电效率，因为传送器电极对可以在这些子电极之间成环。因而，传送器电极与接收器电极之间的总的重叠面积可以增加而同时维持个体的传送器电极的最大表面面积。这样增加的电容器面积将贡献于较低的电容性损耗。

在根据本发明的供电系统的实用实施例中，接收器电极对中的至少一个机械附连到其中包含负载和电感器的外壳。实际上，所述板甚至可以形成这样的外壳的底部的部分。外壳的存在贡献于电容性供电系统的电安全性，因为负载和电感器不能简单地手动触碰。所述外壳优选地包括用于连接光源的装置，使得这样的外壳可以用作照明器。连接装置优选地包括光源，光源可以优选地包括LED。所述LED或其它光源可以用作接收器元件中的负载。当光源可拆卸地连接在连接装置中时是有利的。

本发明还涉及接收器元件，其适配成用于在根据本发明的电容性供电系统中使用，如在之前的段落中描述的。所述接收器元件优选地被设计为包含作为负载的光源的照明器。所述光源优选地包括一个或多个LED。

附图说明

本发明的这些和其它方面将从在下文中描述的实施例变得明显并且将参照在下文中描述的实施例进行阐述。

在图中：

图1以截面示出了不是根据本发明的电容性供电系统的实施例，

图2以截面示出了根据本发明的电容性供电系统的第一实施例，

图3示出了用于在根据本发明的电容性供电系统的第二实施例中使用的接收器元件的透视图，

图4示出了图3的所发明的电容性供电系统的第二实施例的透视图，

图5示出了应用于墙壁的所发明的电容性供电系统的第二实施例的透视图，以及

图6以截面示出了根据本发明的电容性供电系统的第三实施例。

要强调的是，图是示意性的并且没有按照比例。在不同图中，利用相同的附图标记指示相同的元件。

具体实施方式

图1以截面示出了不是根据本发明的电容性供电系统1的实施例。更特别地，图1示出了包括接收器元件2和传送器元件7的电容性供电系统。接收器元件2包括由金属制成的平坦接收器电极对3和4，其经由布线15并且通过电感器6连接到可以包括灯的负载5，该灯优选地可以体现为LED。布线15、负载5和电感器6容纳在外壳17中，而接收器电极3和4附连在所述外壳17的外侧上。传送器元件7包括由金属制成的平坦传送器电极对8和9，其经由布线16连接到驱动器10。所述驱动器10连接到AC电源（未示出）。

在传送器电极8相应地9与接收器电极3相应地4的正对表面之间，第一绝缘层11被定位以便形成电容性阻抗。第一绝缘层11由绝缘材料制成，比如诸如PE、PP之类的聚合树脂，或者诸如Kapton^TM之类的聚酰亚胺，或者比如纸张之类的材料，并且附连到传送器电极8和9。

在电容性供电系统1的操作期间，驱动器10生成AC电压信号，其幅度、频率和波形可以受控制。输出信号典型地具有数十伏特的幅度和高达几个兆赫兹（MHz）的频率。在示例性实施例中，输出信号典型地是50V/400KHz。在系统1的操作期间，电功率从传送器元件7传递到接收器元件2，使得电流流过负载5。然而，在供电系统中观测到电容性损耗，其可以主要通过驱动器10所生成的AC信号的频率和幅度、定位在传送器与接收器电极之间的第一绝缘层11的材料的类型和厚度、以及这些电极的重叠区域的大小来确定。

图2以截面示出了根据本发明的电容性供电系统的第一实施例。该实施例包括与图1中所示的不是根据本发明的实施例相同的部分。然而，根据本发明的实施例还包括也可以由金属制成的第二平坦接收器电极对12和13，以及第二绝缘层14。如图2中所示，第二平坦接收器电极对12和13也定位成平行于平坦传送器电极对8和9。第二绝缘层14定位在第二平坦接收器电极对12和13与平坦传送器电极对8和9之间。因而，电极的总体定位被设计成使得平坦传送器电极对8和9夹在两个接收器电极对3,4,12和13之间，由此具有相同电极性的两个接收器电极对的电极被电连接。因而，接收器电极3电连接到接收器电极12，而接收器电极4电连接到接收器电极13。在所图示的示例性实施例中，这些连接的电极被设计为单个U形电极。

在本发明的该实施例中，绝缘层11和第二绝缘层13二者安装到平坦传送器电极对8和9。两个绝缘层优选地由相同电绝缘材料制成，诸如像PE或PP那样的聚烯烃或者比如Kapton^TM之类的聚酰亚胺，由此传送器电极8和9嵌入在该材料中。甚至更为优选的是使用柔性绝缘材料用于两个绝缘层11和14，使得传送器电极和绝缘层可以设计为柔性线缆或弯折箔。

第二接收器电极对12和13与第二绝缘层14的附加部分导致供电系统1在其操作期间所生成的电容性损耗的明显减小。因而，当在同样的操作条件（相同的供电、传送器和接收器元件的相同材料和大小，尤其是相同大小的电极的表面积）之下将不是根据本发明的电容性供电系统1的实施例（图1）与根据本发明的电容性供电系统的实施例（图2）相比较时，看起来的是，利用所发明的系统，电容性损耗可以大概减半。

图3示出了用于在根据本发明的电容性供电系统1的第二实施例中使用的所发明的接收器元件2的透视图，该系统在图4中示出。接收器元件2包括外壳17，其包含体现为LED、电感器和必要布线（没有详细示出）的系列的负载。平坦接收器电极对3和4提供在电绝缘材料的第一板18上，并且第二平坦接收器电极对12和13提供在电绝缘材料的第二板19上。两个板18和19中的一个附连到外壳17，由此在外壳内部的布线（未示出）与接收器电极之间实现电连接。两个板18和19利用夹紧装置相互连接，并且更具体地经由提供在两个板的边缘处的铰链元件20相互连接。

通过将包括平坦传送器电极和所述传送器元件7的绝缘层的柔性线缆或弯折箔插入在包括四个接收器电极3,4,12和13的板18和19之间，并且随后通过旋转（在图3中通过箭头示出）闭合板18和19，接收器元件2可以连接到传送器元件7。在闭合状况下，板18和19可以借助于定位在板的相对边缘处的附加连接装置（未示出）而固定在一起。这样的附加连接装置可以包括螺钉或机械夹具。金属夹具是优选的，因为与通过板19到接收器电极13和通过板18到接收器电极4的过孔相组合，可以经由这样的金属夹具布置接收器电极4和13之间的电连接。其它接收器电极3和12之间的电连接可以借助于铰链元件20来布置，所述铰链元件20可以由金属或金属合金制成。

图4示出了如在之前段落中描述的电容性供电系统1的实施例。因而，包括绝缘层11和14以及电极8和9的传送器元件7（此处示出为线缆或弯折箔）夹紧在包括电极3,4,12和13的板18和19之间。由于特别的夹紧机制，接收器元件2可以沿着传送器元件7在由图4中所示的箭头指示的方向上移动。该实施例的优点在下文详述。

图5示意性地示出了如应用于墙壁21的所发明的电容性供电系统的第二实施例的透视图。因而，被设计为包括经由驱动器（没有详细示出）连接到AC电源的平坦传送器电极对的平坦线缆的传送器元件7以水平方式附连到墙壁21。被设计为照明灯具（没有详细示出）的数个接收器元件2已经围绕所述传送器元件7可移动地夹紧。这些接收器元件可以沿着传送器元件在水平方向上移开一定距离。不言而喻，线缆也可以以竖直方式定位到墙壁21，或者在任何其它期望的方向上。

图6以截面示出了根据本发明的电容性供电系统的第三实施例。与图2相比较，在围绕定位于绘图平面中的竖直旋转轴线将系统旋转过90度之后绘制该截面。该实施例再次包括此处被设计为具有传送器电极和绝缘层的线缆的传送器元件7以及接收器元件2。后一接收器元件包括其中包含附连到电极3的布线15、连接到连接装置21的光源22和电感器的外壳。在该具体的实施例中，接收器电极对12和13中的一个包括两个附加的子电极对。更特别地，电极12包括两个附加子电极12'和12''，其以平行方式定位在彼此的一定距离处。由于是旋转视图，所以接收器电极4和13以及对应的子电极13'和13''没有示出，而电连接这些（子）电极的相关联的布线15'由虚线指示。

此处描述的所发明的电容性供电系统1的实施例具有明显优点：与早前在该专利申请中所描述的实施例相比较，可以实现甚至更小的电容性损耗。因而，被设计为线缆的传送器元件7现在可以通过四个接收器电极3,12,12'和12''成环。

结果，关于图2中示出的所发明的电容性供电系统1，相关的传送器和接收器电极之间的总的重叠表面面积现在乘以三。至于在现有技术中描述的电容性供电系统（参见图1），重叠表面面积甚至扩大到六倍，而不会增加电极本身的表面尺寸。这样的扩大的电容性表面面积再次导致较低的电容性损耗。因而，图6中示出的实施例的电容性损耗相当于如图1中所示的现有技术电容性供电系统中所存在的损耗的大概16%。

尽管已经在图和之前的描述中图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为说明性或示例性而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究图、公开内容和随附权利要求，可以理解和完成对所公开实施例的其它变型。例如，技术人员将认识到在平坦接收器电极的设计中使用更多的子电极可能导致所述电容性损耗的甚至更大的减小。

在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中这一纯粹事实不指示不能使用这些措施的组合来获益。权利要求中的任何附图标记不应解释为限制这些权利要求的范围。

Claims (12)

1.一种电容性供电系统（1），包括：

接收器元件（2），包括连接到负载（5）的平坦接收器电极对（3,4），

传送器元件（7），包括连接到驱动器（10）并且定位成平行于接收器电极对（3,4）的平坦传送器电极对（8,9），

用于在其供电期间使系统谐振的电感器（6），以及

第一绝缘层（11），其定位在平坦接收器电极对（3,4）与平坦传送器电极对（8,9）之间，以便在系统的供电期间形成传送器电极与接收器电极之间的电容性阻抗，

系统还包括第二平坦接收器电极对（12,13）和第二绝缘层（14），由此第二平坦接收器电极对（12,13）也定位成平行于平坦传送器电极对（8,9），并且第二绝缘层（14）定位在第二平坦接收器电极对（12,13）与平坦传送器电极对（8,9）之间，使得平坦传送器电极对夹在两个接收器电极对之间，并且具有相同极性的两个接收器电极对的电极（3和12，相应地4和13）电连接，

其中平坦接收器电极对（3,4）提供在电绝缘材料的第一板（18）上，并且其中第二平坦接收器电极对（12,13）提供在电绝缘材料的第二板（19）上，在所述板之间可以定位平坦传送器电极对（8,9），两个板（18,19）提供有用于围绕平坦传送器电极对（8,9）而夹紧板的装置，两个板（18,19）围绕平坦传送器电极对（8,9）可移动地可夹紧。

2.根据权利要求1所述的电容性供电系统（1），其中第一绝缘层（11）和第二绝缘层（14）安装到平坦传送器电极对（8,9）。

3.根据权利要求2所述的电容性供电系统（1），其中第一绝缘层（11）和第二绝缘层（14）形成其中嵌入平坦传送器电极对（8,9）的单个绝缘层。

4.根据权利要求2或3所述的电容性供电系统（1），其中第一绝缘层（11）和第二绝缘层（14）由柔性绝缘材料制成，并且其中平坦传送器电极对（8,9）由金属或金属合金材料制成。

5.根据权利要求1所述的电容性供电系统（1），其中用于夹紧的装置包括提供在板（18,19）的边缘处的铰链元件（20）。

6.根据权利要求5所述的电容性供电系统（1），其中两个板（18,19）还包括板的相对边缘处的可拆卸连接装置。

7.根据任一项前述权利要求所述的电容性供电系统（1），其中平坦接收器电极对（3,4,12,13）中的至少一个包括定位成彼此相距一定距离的至少两个平行子电极（12',12'',13',13''）。

8.根据任一项前述权利要求所述的电容性供电系统（1），其中接收器电极对（3,4,12,13）中的至少一个机械附连到其中包含负载（5）和电感器（15）的外壳（17）。

9.根据权利要求8所述的电容性供电系统（1），其中外壳（17）包括用于连接光源（22）的装置（21）。

10.根据权利要求9所述的电容性供电系统（1），其中外壳（17）包括光源（22）。

11.根据权利要求10所述的电容性供电系统（1），其中光源（22）包括LED。

12.适配用于在根据任一项前述权利要求所述的电容性供电系统（10）中使用的接收器元件（7）。