CN106170906B

CN106170906B - 无线功率传输系统

Info

Publication number: CN106170906B
Application number: CN201480058510.2A
Authority: CN
Inventors: 吴伟民; 张骋; 林德炎; 许树源
Original assignee: University of Hong Kong HKU
Current assignee: University of Hong Kong HKU
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2034-07-29
Also published as: US20150054344A1; EP3044848A1; US10848003B2; EP3044848A4; WO2015027784A1; US10250072B2; US20190341808A1; CN106170906A

Abstract

本发明提供一种无线功率发射器，其包括：至少两个环路；以及分离的驱动器，每一个驱动器驱动该环路中的相应一个并将相应交流电提供给相应的环路，由此发射无线功率以供由至少一个无线功率接收器接收。本发明提供一种无线功率接收器，其包括接收器环路和至少两个聚焦环路。本发明更提供关联系统及关联方法。

Description

无线功率传输系统

技术领域

本发明涉及无线功率传输系统以及形成此类系统的部分的无线功率发射器和无线功率接收器。

背景技术

无线功率由尼古拉·特斯拉在一个世纪以前提出。图1描绘了其中一个特斯拉的实验，其示出双谐振器系统。但是，对于20世纪的前50年来说，由于随着发射距离的增加导致双线圈系统的能量效率相对较差，所以没有发现重要的应用。在20世纪60年代，无线功率传输研究在医学植入应用中重获兴趣(见下文列举的参考文件1到4)。近年来，已有人提出如图2中所示的4线圈系统(见下文列举的参考文件5和6)以及如图3中所示的具有中继谐振器的多米诺系统(见下文列举的参考文件7到10)。

已在对无线功率传输的新近评论(见下文列举的参考文件11)中指出：可以将非辐射无线功率传输技术分类为两种方法中的一个。第一种方法是最大能量效率(MEE)方法，且第二种方法是最大功率传输(MPT)方法。

MEE方法是基于线圈或线圈谐振器的近场磁耦合且不需要驱动源和传动系统之间的任何阻抗匹配。这种方法不具有以下限制：将整体系统能量效率限制为不高于50％。下文列举的参考文件9和10被归入这个类别。这种MEE方法在变压器和开关模式电源的设计中已是惯例。这种方法适合于不高于几兆赫的操作频率且非常适合于短程无线功率传输。

另一方面，MPT方法需要使驱动源和系统阻抗达成阻抗匹配。其也被称为磁谐振方法。下文列举的参考文件5到7被归入这个类别。这种方法经受固有限制，因为整体系统能量效率从来不会超过50％，这是最大功率传输原理的特征。但是，可以牺牲能量效率为代价达成延长的无线功率发射距离。在高频率通信电路和天线设计中已使用这种方法。阻抗匹配是这种方法中的关键特性。

直到现在，大多数非辐射无线功率系统具有在一个方向(即，1维功率流)或者同一个平面上的两个方向(即，2维功率流)上的功率流。但是，两份新近报告探讨了全向无线功率(即，3维功率流)的可能性。下文列举的参考文件12的作者建议使用正交线圈以在接收器线圈垂直于其中一个发射器线圈时减少小互感的作用。他们将开口线圈视作天线，并使用寄生线圈电感和电容来形成等效LC电路。由于他们将线圈视作天线，所以其设计方法(基于MPT)经受以下限制：

1.用来实施谐振电路的电线的长度与谐振频率下的波长相当。发射器线圈和接收器线圈两者都为谐振频率下的波长的四分之一。因此，这种方法依赖于尺寸且在发射器线圈和接收器线圈的相对大小方面具有限制性。

2.由于开口线圈中的寄生电容通常较低，所以谐振频率及因此操作频率通常较高。高频交流电源通常比低频交流电源更昂贵。

下文列举的参考文件12的作者使用相同交流电流来驱动两个分离的正交线圈(即，所述两个分离的线圈被串联连接)。这就是为什么他们可证明接收器线圈可以在两个正交发射器线圈之间以45°角度获取最大功率。这个结果是合理的，因为在45°来自两个正交线圈的两个同轴磁场向量的向量和处于最大值(如果两个线圈电流相同)。他们还建议将所述概念扩展到基于3个单独的正交线圈的3维结构，这些正交线圈被串联连接并由相同电流馈入。

在下文列举的参考文件13中，具有3个正交开口线圈的3线圈接收器结构被放置在也具有开口线圈的类似但更大的3线圈发射器结构内部(见图5)。再次，3个正交发射器线圈被串联连接并使用相同交流电流来驱动。证明了不管接收器单元在发射器结构内部如何定向都可以达成到3线圈接收器单元的无线功率传输。但是，这种对定向不敏感的特征只有在接收器具有3个正交线圈的情况下才有可能。对于RFID标签应用来说，更可能使RFID标签中的单个平面线圈作为接收器线圈。因此，参考文件13中的方法不适合于单线圈接收器。

概括地说，在下文列举的两个参考文件12和13中使用的磁谐振技术是基于阻抗匹配并采用MPT方法。根据下文列举的参考文件11，系统能量效率将从来不超过50％。在正交线圈中使用相同电流也并不产生以3维(3D)方式指向所有方向的磁场向量，这是真实全向无线功率传输的基本特征。

本发明的目标是克服或改善现有技术的至少一个缺陷或提供有用的替代方案。

发明内容

本发明的第一方面提供一种无线功率发射器，其包括：

至少两个环路；以及

分离的驱动器，每一个都驱动所述环路中的相应一个并将相应交流电提供到相应环路，由此发射无线功率以供由至少一个无线功率接收器接收。

在一个实施例中，由驱动器提供的相应交流电在相位角、频率和振幅中的一个或多个方面不同。在一个实施例中，无线功率发射器包括与每个环路串联连接的电容器。

在一个实施例中，无线功率发射器由交流电源供电。

在另一个实施例中，无线功率发射器由提供直流电的直流电源供电，并且每个驱动器包括用以将直流电转换成交流电的功率逆变器。在一个实施例中，无线功率发射器由提供直流电的直流电源供电，并且每个驱动器包括用以将直流电转换成交流电的功率逆变器的逆变器支路。

在一个实施例中，无线功率发射器包括用以协调驱动器的功率控制切换控制器。

在一个实施例中，由驱动器提供的相应交流电是高频交流电。

在一个实施例中，无线功率发射器包括三个环路。

在一个实施例中，每个环路限定相应环路平面，所述环路被布置成使得环路平面彼此正交。

在一个实施例中，驱动器驱动环路以在一个或多个预定轴向方向上发射无线功率。在一个实施例中，驱动器仅驱动所述环路的子集。

在一个实施例中，驱动两个环路以在一个平面中的所有方向上发射无线功率。在另一个实施例中，驱动三个环路以在三维空间中的所有方向上发射无线功率。

在一个实施例中，环路限定用于容纳一个或多个无线功率接收器的内部空间，使得可以从无线功率发射器发射无线功率以供由所述无线功率接收器接收。在另一个实施例中，环路包围用于容纳一个或多个无线功率接收器的容器，使得可以从无线功率发射器发射无线功率以供由所述无线功率接收器接收。

在各种实施例中，每个环路的横截面是圆形、三角形、矩形和多边形中的任一者。

本发明的第二方面提供一种无线功率接收器，其包括：

接收器环路，其围绕接收器环路轴线缠绕并限定接收器环路平面，所述接收器环路平面具有用于接收无线功率的接收侧；

至少两个聚焦环路，每个聚焦环路限定相应聚焦环路平面，所述聚焦环路在接收侧上布置成邻近于环路轴线并均一地围绕环路轴线，其中聚焦环路平面朝接收器环路平面倾斜。

在一个实施例中，聚焦环路平面朝接收器环路平面倾斜，使得每个聚焦环路平面与接收器环路轴线形成45°到60°的角度。

在一个实施例中，接收器环路连接到负载，由此允许将由无线功率接收器接收到的无线功率递送到所述负载。

本发明的第三方面提供一种无线功率传输系统，其包括：

无线功率发射器，其包括：

至少两个环路；以及

分离的驱动器，每一者驱动所述环路中的相应一者并将相应交流电提供到相应环路，由此发射无线功率；以及

一个或多个无线功率接收器，其用于接收由无线功率发射器发射的无线功率。

在一个实施例中，一个或多个无线功率接收器包括：

在一个实施例中，一个或多个无线功率接收器包括一个环路。

在一个实施例中，一个或多个无线功率接收器包括两个或三个环路。在一个实施例中，每个环路限定相应环路平面，所述环路被布置成使得环路平面彼此正交。

在一个实施例中，一个或多个无线功率接收器包括三个以上环路。

在一个实施例中，一个或多个无线功率接收器具有连接到负载的环路，由此允许将由无线功率接收器接收到的无线功率递送到所述负载。

本发明的第四方面提供一种无线地发射功率的方法，所述方法包括：

提供至少两个环路；

将分离的交流电供应到每个环路，由此发射无线功率以由至少一个无线功率接收器接收。

在一个实施例中，所述分离的交流电在相位角、频率和振幅中的一个或多个方面不同。

在一个实施例中，每个环路具备串联连接的电容。

附图说明

现将参考附图仅通过举例说明来描述根据本发明的最佳模式的优选实施例，在附图中：

图1是现有技术无线功率传输系统的示意图；

图2(a)和图2(b)是现有技术4线圈无线功率传输系统的示意图；

图3(a)到图3(d)是现有技术多米诺谐振器无线功率传输系统的示意图；

图4是如下文列举的参考文件12中所描述的现有技术无线功率传输系统的示意图，所述无线功率传输系统将串联连接的3个正交线圈用作无线功率发射器；

图5(a)是如下文列举的参考文件13中所描述的现有技术无线功率传输系统的示意图，图中显示了位于双线圈发射器内部的双线圈接收器；

图5(b)是如下文列举的参考文件13中所描述的现有技术无线功率传输系统的示意图，图中显示了位于3线圈发射器内部的3线圈接收器；

图6是根据本发明的实施例的无线功率发射器的示意图；

图7是根据本发明的实施例的驱动电路的示意图，所述驱动电路用于驱动无线功率发射器中的三个正交线圈；

图8是根据本发明的实施例的图表，其示出无线功率发射器中的在相位角控制之下的三个正交线圈的电流波形；

图9是根据本发明的实施例的图表，其示出无线功率发射器中的在电流量值控制之下的三个正交线圈的电流波形；

图10(a)到图10(f)是根据本发明的实施例的图表，其示出由无线功率发射器在相位角控制之下产生的磁场向量；

图11是根据本发明的实施例的图表，其示出无线功率发射器中的在电流调幅控制之下的三个正交线圈的电流波形；

图12(a)到图12(c)是根据本发明的实施例的图表，其示出由无线功率发射器在电流调幅控制之下产生的峰值磁场向量的轨迹；

图13(a)是根据本发明的实施例的图表，其示出由无线功率发射器的三个正交线圈产生的磁场向量，其中被供应到三个正交线圈的电流的量值和相位角相同且为正；

图13(b)是根据本发明的实施例的图表，其示出由无线功率发射器的三个正交线圈产生的磁场向量，其中被供应到三个正交线圈的电流的量值和相位角相同且为零；

图13(c)是根据本发明的实施例的图表，其示出由无线功率发射器的三个正交线圈产生的磁场向量，其中被供应到三个正交线圈的电流的量值和相位角方面相同且为负；

图14是根据本发明的实施例的无线功率传输系统的示意图，图中沿着穿过无线功率发射器的正交线圈的垂直轴线向下看，其示出具有两个正交线圈的无线功率发射器以及具有单个线圈的无线功率接收器；

图15是示出图14中所示的系统在围绕垂直轴线的不同角位置处的效率的图表，其中被供应到无线功率发射器的两个正交线圈的电流具有相同量值和相同相位角；

图16是示出图14中所示的系统在围绕垂直轴线的不同角位置处的效率的图表，其中被供应到无线功率发射器的两个正交线圈的电流具有相同量值但具有偏差90°的相位角；

图17是根据本发明的实施例的照片，其示出三个LED负载，其中每一个都由具有一个谐振器线圈的相应无线功率接收器供电，其中所述相应无线功率接收器从具有两个正交线圈的2D无线功率发射器接收无线功率，所述正交线圈接收具有相同量值但具有偏差90°的相位角的电流；

图18是根据本发明的实施例的无线功率传输系统的示意图，其示出具有接收器线圈和两个聚焦线圈的无线功率接收器以及具有单个线圈的无线功率发射器；

图19是根据本发明的实施例的无线功率传输系统的示意图，其示出布置在围绕具有单个线圈的无线功率发射器的平面中的五个无线功率接收器，每一个具有接收器线圈和两个聚焦线圈；

图20是根据本发明的实施例的无线功率接收器的示意图，所述无线功率接收器具有三个正交线圈；

图21是根据本发明的实施例的无线功率传输系统的示意图，其示出具有三个正交线圈的无线功率发射器、具有三个正交线圈且充当中继谐振器的三个无线功率接收器以及具有三个正交线圈的两个无线功率接收器；

图22是根据本发明的实施例的无线功率传输系统的示意图，其示出具有两个正交线圈的无线功率发射器以及具有单个线圈的无线功率接收器，所述单个线圈放置在由无线功率发射器的线圈限定的内部空间中；

图23是根据本发明的实施例的无线功率传输系统的示意图，其示出具有三个正交线圈的无线功率发射器以及具有单个线圈的无线功率接收器，所述单个线圈放置在由无线功率发射器的线圈限定的内部空间中；

图24是根据本发明的实施例的图表，其示出由具有两个正交线圈的无线功率发射器产生的峰值磁场向量的轨迹，其中被供应到两个正交线圈的电流具有相同量值且无相位偏移；

图25是根据本发明的实施例的图表，其示出由具有两个正交线圈的无线功率发射器产生的峰值磁场向量的轨迹，其中被供应到两个正交线圈的电流具有相同量值但具有90°的相位偏移；

图26(a)到图26(d)是根据本发明的实施例的图表，其示出由具有三个正交线圈的无线功率发射器产生的峰值磁场向量的轨迹，其中被供应到三个正交线圈的电流具有相同量值且无相位偏移；以及

图27(a)到图27(d)是根据本发明的实施例的图表，其示出由具有在电流调幅控制之下的三个正交线圈的无线功率发射器产生的峰值磁场向量的轨迹。

具体实施方式

参考附图，本发明的实施例提供包括至少两个环路2和3的无线功率发射器1。该无线功率发射器还包括分离的驱动器4和5，每一个分别驱动环路2和3中的相应一个并将相应交流电6和7提供到相应环路，由此发射无线功率以供由至少一个无线功率接收器8接收。

在一个实施例中，该无线功率发射器包括三个环路，即，除两个环路2和3之外还包括第三环路9。因此，除两个驱动器4和5之外还存在第三驱动器10。第三驱动器10驱动第三环路9并将第三交流电11提供到第三环路9。这是对驱动第一环路2并将第一交流电6提供到第一环路2的第一驱动器4以及驱动第二环路3并将第二交流电7提供到第二环路3的第二驱动器5的补充。

每个环路限定相应环路平面，所述环路被布置成使得环路平面彼此正交。环路的横截面可以是圆形、三角形、矩形和多边形中的任一种。环路通常被布置成同心。因此，如果环路的横截面为圆形，那么环路将形成球体表面的一部分或近似于球体表面的一部分。

在其它实施例中，环路平面不必彼此正交。在还其它实施例中，存在三个以上环路。

贯穿本说明书，术语“环路”、“线圈”、“绕组”、“谐振器”、“环形线圈”、“环路谐振器”、“线圈谐振器”等是等效术语并且可以互换使用。所述术语皆指代能够与另一此类导电结构磁感耦合的导电结构。通常，这呈围绕轴线缠绕在一个或多个环路中的导电电线的形式。

由驱动器4、5和10提供的相应交流电6、7和11可以在相位角、频率和振幅中的一或多个方面彼此不同。功率控制切换控制器协调驱动器4、5和10，以便控制相应交流电6、7和11之间的在相位角、频率和振幅中的一个或多个方面的差异。这包含：控制驱动器使得相应交流电相同，即，相位角、频率或振幅不存在差异；以及产生在相位角、频率或振幅中的一个或多个方面的差异。在一个实施例中，控制这些驱动器来产生其中形成球面的轨迹周期性地旋转磁场向量。

因此，可以在广泛的轴向方向范围内控制由无线功率发射器1发射的无线功率。在一个实施例中，这些驱动器驱动这些环路以在一个预定轴向方向上发射无线功率。在其它实施例中，这些驱动器驱动这些环路以在多于一个的预定轴向方向上发射无线功率。在另一个实施例中，无线功率发射器1包括两个环路2和3，且驱动所述两个环路以在一个平面中的所有方向上发射无线功率。在另外的实施例中，无线功率发射器1包括三个环路2、3和9，且驱动所述三个环路以在三维空间中的所有方向上发射无线功率。以这种方式，可以将无线功率发射器1描述为“全向”，因为无线功率发射器1可以“全向地”发射无线功率。

在其它实施例中，这些驱动器仅驱动所述环路的子集。举例来说，在具有三个环路2、3和9的无线功率发射器1中，可以驱动所有三个环路以在三维空间中的所有方向上发射无线功率。但是，这些驱动器可以仅驱动或激励两个环路2和3，且所述两个环路由此被驱动以在唯一一个平面中的所有方向上发射无线功率。

在一个实施例中，这些环路限定用于容纳一个或多个无线功率接收器8的内部空间12，使得可以从无线功率发射器发射无线功率以供由所述无线功率接收器接收。这最佳地示于图22和图23中。在另一个实施例中，这些环路包围用于容纳一个或多个无线功率接收器8的容器，使得可以从无线功率发射器发射无线功率以供由所述无线功率接收器接收。举例来说，容器可以是盛器(container)，由此使得这些环路围绕所述盛器的壁缠绕或嵌入所述盛器的壁内。该盛器可以容纳以RFID标签形式具有单个线圈的无线功率接收器。以这种方式，可以通过将RFID标签放置在盛器内部来对其供电或再充电。

无线功率发射器1进一步包括与每个环路串联连接的电容器。如图7中所示，每个环路2、3和9都连接到相应电容器13、14和15。因此，每个环路和相应电容器形成LC谐振器，所述LC谐振器可以使无线功率传输的功率电平和效率优化。

在一个实施例中，无线功率发射器1由交流电源供电。在另一个实施例中，无线功率发射器1由提供直流电的直流电源供电，并且每个驱动器包括用以将直流电转换成交流电的功率逆变器。在另外的实施例中，无线功率发射器1由提供直流电的直流电源供电，并且每个驱动器包括用于将直流电转换成交流电的功率逆变器的逆变器支路。因此，分离的驱动器4、5和10可以采取单个物理驱动器的分离部分的形式，例如单个功率逆变器单元的分离的逆变器支路。或者，分离的驱动器4、5和10可以采取分离的物理驱动器的形式，例如分离的功率逆变器单元。由驱动器4、5和10提供的相应交流电6、7和11是高频交流电。通常，所述相应交流电高于10kHz。

本发明的另一个方面的实施例提供一种无线功率接收器16，所述无线功率接收器16包括接收器环路17，所述接收器环路17围绕接收器环路轴线缠绕并限定接收器环路平面，所述接收器环路平面具有用于接收无线功率的接收侧18。无线功率接收器16进一步包括至少两个聚焦环路19，每个聚焦环路限定相应聚焦环路平面，所述聚焦环路在接收侧18上布置成邻近于环路轴线并均一地围绕环路轴线，其中聚焦环路平面朝接收器环路平面倾斜。可以将具有两个聚焦环路19的这个实施例称为2D无线功率接收器，因为其特别适合于沿平面接收无线功率。在其它实施例中，无线功率接收器包括三个、四个或更多此类聚焦环路19。

应了解，两个或两个以上聚焦环路19形成具有开口端的漏斗状布置，所述开口端朝某一点呈漏斗状，在该点处这些聚焦环路更密切地靠近彼此。接收器环路17定位在漏斗状布置的开口内部，其中聚焦环路更密切地靠近彼此的点被导引朝向无线功率发射器(例如，图19中所示的单环路无线功率发射器20)。

在一些实施例中，聚焦环路平面朝接收器环路平面倾斜，使得每个聚焦环路平面与接收器环路轴线形成45°到60°的角度。

接收器环路17可以连接到负载，由此允许将由无线功率接收器接收到的无线功率递送到所述负载。在本说明书全部范围内，无线功率接收器可以连接到负载或者不连接到负载。在无线功率接收器不连接到负载的情况下，其纯粹充当将其接收到的无线功率中继到另外的无线功率接收器的无线功率中继器、中继接收器或中继谐振器，所述另外的无线功率接收器转而可连接到负载或可不连接到负载。

本发明的另一个方面的实施例提供一种无线功率传输系统，其包括上文所描述的无线功率发射器1。无线功率传输系统进一步包括一个或多个用于接收由无线功率发射器发射的无线功率的无线功率接收器。

在一个实施例中，一个或多个无线功率接收器包括上文所描述的无线功率接收器16。在另一个实施例中，一个或多个无线功率接收器包括一个环路。图14示出此类单环路无线功率接收器21。图22和图23示出单环路无线功率接收器21的另一个示例。在图22和图23中，单环路功率接收器位于无线功率发射器1的内部空间12中。图22中的无线功率发射器1具有两个正交环路，而图23中的无线功率发射器1具有三个正交环路。无线功率接收器21可以呈RFID标签的形式。

在另外的实施例中，一个或多个无线功率接收器包括两个或三个环路。在这些实施例中的一些中，每个环路限定相应环路平面，所述环路被布置成使得环路平面彼此正交。在其它实施例中，一个或多个无线功率接收器包括三个以上环路。在这些实施例中，这些环路的环路平面不一定需要彼此正交，即，一些或没有一个可彼此正交。

图20示出具有三个正交环路23、24和25的无线功率接收器22。可以将这个无线功率接收器22称为3D无线功率接收器，因为其对在3维空间中的所有方向上接收无线功率特别有用。图21示出无线功率传输系统，其具有五个此类三环路无线功率接收器22和一个三环路无线功率发射器1。

一个或多个无线功率接收器可以具有连接到负载的环路，由此允许将由无线功率接收器接收到的无线功率递送到所述负载。在图21中，来自五个三环路无线功率接收器22的两个无线功率接收器26和27具有连接到负载的环路。其它三个无线功率接收器28、29和30纯粹充当中继接收器或中继谐振器。因此，无线功率由无线功率发射器1产生，通过无线功率接收器28、29和30中继到无线功率接收器26和27，由此对连接到无线功率接收器26和27的负载供电。

本发明的另一个方面的实施例提供一种无线地发射功率的方法，所述方法包括：提供至少两个环路(例如，上文所描述的两个环路2和3)；以及将分离的交流电(例如，上文所描述的交流电6和7)供应到每个环路，由此发射无线功率以供由至少一个无线功率接收器接收。

其它实施例包括另外的步骤，这些步骤将由本领域的技术人员参考本描述来理解。

现将更详细地描述附图中所示的实施例。

图6示出根据本发明的实施例的全向无线功率发射器1的基本结构，所述全向无线功率发射器具有三个正交环形线圈2、3和9(其也可以分别称为线圈X、线圈Y和线圈Z)。本发明的实施例还提供用于产生可以指向所有方向或可以在特定方向上受控制的磁场向量的新的控制方法。三个线圈的横截面未必为圆形，而是也可以具有三角形、矩形或任何多边形横截面。这三个线圈分别平行于彼此正交的三个平面。在以这种方式连接的情况下，任何一对正交线圈的互感均极小并且可以忽略(小于自感的1％)。

这三个线圈可以连接到交流电源。图7中示出了功率驱动系统的示例，其中直流电源31经由每个驱动器4、5和10中的相应功率逆变器而变成交流电源。这些相应功率逆变器可以直流电至交流电逆变器的逆变器支路的形式呈现。

优选地，三个线圈2、3和9分别与电容器13、14和15串联连接，从而形成LC谐振器，所述LC谐振器可以使无线能量传输的功率电平和效率优化。发射器1由通过功率控制切换控制器(于图7中未示出)加以协调的三个独立驱动器4、5和10来驱动。这三个驱动器4、5和10使用高频交流电来驱动三个线圈2、3和9。

3个线圈电流一般可以表达为：

I₁＝I_m1sin(ωt) (方程式1)

I₂＝I_m2sin(ωt+α) (方程式2)

I₃＝I_m3sin(ωt+β) (方程式3)

其中ω是电流的角频率，t是时间变量，I_mx是相位x的电流量值(x＝1,2,3)，α和β是两个角位移。

全向功率发射器1可以用来朝任意方向发射能量。存在至少两个控制方案：

1.第一控制方案是“相位角控制或调频”。在三个线圈2、3和9的线圈电流6、7和11之间存在相位角差异。图8中示出典型控制电流。

2.第二控制方案是“电流量值控制或调幅”，其中线圈电流6、7和11的电流量值是变化的。图9中示出典型电流波形。

原则上，必须强调，如果需要，可以一起使用第一和第二控制方案。另外，如果需要，可以激励一个线圈、两个正交线圈或三个正交线圈。为了区分本发明中所提出的电流控制方法和下文列举的参考文件12和13中所使用的电流方法之间的差异，本发明的方法将被称为“协调电流控制”(CCC)，且参考文件12和13中所使用的方法将被称为“同电流控制”(ICC)。

相位角控制或调频

已在计算机模拟软件的帮助下研究了用于3维全向无线功率发射器1的相位角控制和调频控制方案。对于相位角控制来说，方程式1到3的三个线圈电流具有相同电流量值(即，I_m1＝I_m2＝I_m3)。两个角位移的一种可能关系是：

α＝kβ (方程式4)

其中k是实数。在这种情况下，这是相位角控制。

举例来说，如果α＝2π/3(即，120°)且k＝2.0，那么β＝4π/3(即，240°)。方程式1到3于是变成：

I₁＝I_m1sin(ωt) (方程式5)

另一种可能是允许相位角以一定频率变化。方程式4仍然有效，但是

α＝|α_m|sin(ω₂t) (方程式8)

其中ω₂是相位角变化的角频率且α_m是常数系数。在这种情况下，方程式8的函数将使方程式1到3基本上处在调频的控制之下。

基于这个原理，已实施时域计算机模拟。已对少数磁场向量图取样且将其显示于图10(a)到图10(f)中。可以看到，这些向量可以以3维方式周期性地旋转并指向不同方向。这些图(图表)证实了无线功率发射器1的全向能力。无线功率接收器8的接收器线圈可以放置在全向发射器1周围的任何位置中或放置在全向发射器1内部以获取所产生的无线能量。由于磁场向量的方向的可控性，如果需要，也可以将功率流控制到特定方向中。

电流量值控制或调幅

对于电流量值控制或调幅来说，方程式1到3仍然适用，但I_m1、I_m2和I_m3的电流量值未必相同。在这种情况下，以相同频率激励三个线圈电流6、7和11，但电流量值可周期性地变化以便产生以全向方式旋转磁场向量。现通过示例来说明这个原理，不过电流量值也可以通过一些其它格式而变化。

假设

I_m1＝I_m，I_m2＝I_msin(ω₂t)，

且

其中ω₂是不同于ω的另一个角频率。

那么方程式1到3变成：

I₁＝I_msin(ωt) (方程式9)

在这种特定情况下，I₁的量值是常数。I₂和I₃的量值以呈90°异相的两个正弦包线而变化。

基于由方程式9到11所描述的调幅控制示例，图11中示出典型电流波形。“峰值”磁场向量的箭头随时间而移动。可以追踪其随时间的移动以形成轨迹。图12(a)到图12(c)中示出从不同视点俘获的磁场向量的轨迹。从这些图(图表)可以看到，磁场向量周期性地在所有方向上旋转，从而证实无线功率发射器1的全向性质。由磁场向量的轨迹形成球体形状是3D无线功率发射器1的全向无线功率传输能力的指示。应注意，图12中标绘的轨迹是基于峰值磁场向量。线之间的间隙事实上被非峰值磁场向量的轨迹所填满，以形成稍微不均匀的球面。

从全向控制到特定方向控制

无线功率发射器1的全向能力也暗示了可以将电流量值和相位角控制为使得可以将磁场向量控制到指向任何所要方向的点。也就是说，无线功率发射器1可以在一个预定轴向方向上发射无线功率。这个新颖概念可以说明在以下示例中，在所述示例中，三个线圈电流6、7和11相同且同相。(这些特定条件与参考文件12和13中所使用的同电流控制(ICC)等效)。(当然，差异是：在参考文件12和13中，这些条件是固定的和永久的，而在本发明中，使用本发明的控制方法从许多可能条件来选择这些特定条件。)图13(a)、图13(b)和图13(c)示出当电流分别为正、零和负时所取样的磁场向量图。可以看到，磁场向量主要指向沿一条线或轴线的两个相反方向而并不指向所有方向。这些图证实了在必要或需要的情况下控制无线功率流方向的可能性。其还示出参考文件12和13中所采用的同电流控制并不提供真正全向无线功率传输，因为功率传输无法控制为从一个固定的和永久的方向变化。因此，同电流控制仅是如由本发明提供的电流调幅控制的一个特例。

从3D全向控制到2D全向控制

在一些实施例中，本发明的全向无线功率流概念可以约简到2维平面。两个正交线圈(例如，线圈2和3)可以形成2D无线功率发射器(例如，图14中所示的无线功率发射器1)。如果两个线圈具有相同电流量值和相同相位角，那么图15示出将产生的典型能量效率图表。这种控制并不提供2D全向功率传输。但是，如果两个线圈电流6和7具有相同电流量值和90°相位偏移，那么能量效率将显著改进并且在2D平面上变得更均一，如图16中所示。图17示出呈LED形式的3个负载由无线功率接收器或接收器谐振器供电，所述负载连接到所述无线功率接收器或接收器谐振器并且所述无线功率接收器或接收器谐振器放置在2D全向无线功率发射器1周围。图17中所示的这个2D全向无线功率发射器具有两个线圈电流6和7，它们具有相同量值且具有90°的相位偏移。这个实验证实了由图17的无线功率发射器1达成的2D全向无线功率发射。

3D和2D全向无线功率接收器

关于与3D和2D全向无线功率发射器1一起使用的无线功率接收器，几个选项是可用的。一个明显的选项是使用如图14和图17中所示的传统单线圈无线功率接收器或谐振器。但是，本发明提供了两个新颖的无线功率接收器结构。

首先，2D全向无线功率接收器16使用布置成V形状或漏斗形状的两个额外聚焦环路19以将磁场集中在接收器环路17附近，如图18中所示。接收器环路17可加负载(即，连接到负载)。谐振器(环路)可以具有圆形、方形、矩形或任何多边形的横截面。形成V形的额外聚焦环路的两个聚焦环路平面的锐角可以为90°，且优选地在60°到120°的范围内。换句话说，聚焦环路平面优选地朝接收器环路平面倾斜，使得每个聚焦环路平面与接收器环路轴线形成45°到60°的角度。

加负载的接收器环路17和两个额外聚焦环路19形成2D全向无线功率接收器单元16。图19中说明将此类无线功率接收器单元16与单线圈无线功率发射器20一起使用的示例。

第二无线功率接收器结构是3D全向无线功率接收器22。这个无线功率接收器22具有三个正交环路23、24和25，并且具有与图6中的无线功率发射器1的结构类似的结构。再次，所述环路可以具有圆形、方形、矩形或任何多边形的横截面。图20中所示的无线功率接收器22使用圆形环路。其中一个环路可以连接到负载以形成加负载的环路。

3D全向无线功率中继接收器

如果图20的3D无线功率接收器22没有加负载(即，三个环路23、24和25都没有连接到负载)，那么无线功率接收器22形成3D全向无线功率中继接收器。图21示出3D无线功率传输系统的示例，所述3D无线功率传输系统包括一个3D全向无线功率发射器1、三个3D全向中继接收器28、29和30以及两个3D全向加负载的接收器26和27。如果必要，可以在根据本发明的实施例的无线功率传输系统中使用多于一个的3D全向无线功率发射器1。

原则上，如果无线功率接收器16的接收侧18面向发射器1和/或3D无线功率接收器22，那么也可以与3D全向无线功率发射器1和3D无线功率接收器22关联地来使用具有聚焦环路19(例如，图18和图19中所示的聚焦环路)的无线功率接收器16(尤其是在无线功率接收器16充当中继接收器的情况下)。

无线功率发射器内部的无线功率接收器

已指出，无线功率接收器8可以放置在2D或3D全向无线功率发射器1周围以无线地获取功率。应注意，无线功率接收器8也可以位于无线功率发射器1的环路结构内部。图22和图23示出单线圈无线功率接收器分别在2D和3D全向无线功率发射器1内部的使用情况。

RFID是可以如何应用该技术的一个示例。由具有无线功率接收器的可再充电电池组成的许多RFID标签可以放置在一盛器内，所述盛器具有可以被2D或3D全向无线功率发射器1的环路围住的形状。以这种方式，许多RFID标签可以放置在盛器内部并同时进行充电。

多于三个的环路

本描述主要集中于具有以正交方式布置在x、y和z平面中的基本的三个线圈的全向无线功率发射器1。但是，本发明也提供具有多于三个的线圈的无线功率发射器。如果需要，这些额外线圈可以位于三个正交线圈之间。

CCC和ICC之间的比较

对于2D无线功率发射器1来说，如果相同电流(无相位偏移)被馈入到两个正交环路线圈x和线圈y(例如，上文所描述的环路2和3)，那么根据ICC方法，峰值磁场向量的箭头的轨迹指向沿着线圈x和线圈y的平面之间的45°。如果从z轴观察，轨迹将被看作直线，如图24中所示。但是，通过简单地使90°的相位偏移包含在线圈x和线圈y中的电流之间，本发明的实施例的CCC方法将产生图25中所示的轨迹。如果从z轴观察，则轨迹将看起来像圆。

类似地，对于3D无线功率发射器1来说，ICC方法将产生描绘在图26(a)到图26(d)中所示的不同视图中的轨迹。可以看到，这个轨迹不形成球体或近似于球体。但是，通过本发明的实施例的CCC方法产生的轨迹显示于图27(a)到图27(d)中。显然，所述轨迹形成或近似于球体，从而证实了无线功率传输的全向性质。

如上文所描述，本发明涉及用于经由发射器模块和接收器模块的磁感耦合实现全向无线功率传输的新颖方法。已描述了由三个正交线圈(正交的X、Y、Z平面中的每一个中都有一个线圈)组成的新颖3维(3D)全向无线功率发射器、中继谐振器和接收器结构。所述线圈可以具有圆形、方形、矩形或任何多边形的横截面。由本发明提供的方法允许全向功率发射器在任何任意方向上发射能量。经由对三个线圈中的电流激励进行量值控制或调幅和/或相位角控制或调频，可以以全向模式或者受控方向模式来控制无线功率。如果需要，可以一起使用电流量值控制和相位角控制方案。3D全向无线功率概念可以约简到2D实施例。

本发明提供新颖电流控制方法，这些方法是基于MEE方法而非如下文列举的参考文件12和13中所描述的MPT方法。这些控制方法导致了基于使用正交线圈或线圈谐振器的3D发射器或2D发射器结构的真正全向无线功率传输。另外，本发明不仅仅适用于基于3个正交线圈的3D接收器(如在下文列举的参考文件13中报告的技术中所需要的)。“线圈谐振器”此处是指在线圈中使用串联电容器，借以线圈电感和串联电容器形成谐振器。下表1中列举了本发明与下文列举的参考文件12和13的方法的比较。

表1.本发明与两种接近的方法的比较

无线功率传输正作为一种有吸引力的技术在消费性电子产品行业中兴起，并且其有能力消除向用于给各种消费型电子装置充电和供电的电线和电缆的需求。本发明的应用包含给放置在任何定向的多个RFID标签、LED照明产品/小器具和移动装置充电。

其它应用包含电动车辆(EV)。本发明支持在特定方向上实现高效的无线功率传输。因此，本发明特别适合于给EV充电。一个优选实施例是使用2D无线功率接收器16。举例来说，这些2D无线功率接收器16中的一个或多个可布置在EV的底层中且其接收侧18面向下朝地面。嵌入地面中的是一个或多个无线功率发射器，使得当EV定位在无线功率发射器上面时，从无线功率发射器将无线功率发射到2D无线功率接收器16。因此，本发明解决了包含EV与无线功率发射器未对准的问题，因为即使当2D无线功率接收器未与无线功率发射器精确对准时该2D无线功率接收器的聚焦环路19仍使无线功率聚焦朝向接收环路17。在其它实施例中，可以控制无线功率传输的方向以改进无线功率传输的有效性并进一步克服任何未对准问题。

机器人学是另一项应用。本发明使得在机器人组件中能够实现无线功率传输以避免由机械移动引起的电线和电缆的损坏或破坏。而且，机器人臂可以在多个方向上移动。现有技术无线功率传输方法可仅在有限的角度范围中传输功率，且因此如果没有连续地接收到功率，那么机器人臂可停止移动。另一方面，使用本发明，不管机器人臂如何移动，机器人臂始终不断地接收到功率，因为本发明可以全向地递送无线功率。

本发明也对照明装置特别有用。无线地发射功率避免了在例如天花板或天花板空间中或在配线或电缆将存在安全隐患的情况下需要运行配线或电缆。

本发明在所有方向上将功率无线地且有效地传输到多种装置(例如，移动电话、RFID标签、传感器、照明装置)。

如此做时，其解决了由，例如，散乱的便携式装置或移动车辆或组件引起的未对准问题。

虽然已参考特定示例描述了本发明，但本领域的技术人员将了解，可以许多其它形式来体现本发明。本领域的技术人员还将了解，可以以其它组合来组合所描述的各种示例的特征。

参考文件：

1.J.C.Schuder,H.E.Stephenson,and J.F.Townsend,"High levelelectromagnetic energy transfer through a closed chestwall,"IRE Int.Conv.Rec,pt.9,vol.9,pp.119-126,1961.

2.W.H.Ko,S.P.Liang,and C.D.F.Fung,"Design of rf-powered coils forimplant instruments,"Med.Biol.Eng.Comput,vol.15,pp.634-640,1977.

3.E.Hochmair,"System optimization for improved acuracy intranscutaneous signal and power transmission",IEEE Trans.BiomedicalEngineering,vol.BME-31,no.2,pp.177-186,Feb.1984.

4.Y.Jang and M.M.Jovanovic,"A contactless electrical energytransmission system for portable-telephone battery chargers",IEEETrans.Industrial Electronics,vol.50,no.3,pp.520-527,Jun.2003.

5.A.Kurs,A.Karalis,R.Moffatt,J.D.Joannopoulos,P.Fisher,andM.Soljacic,"Wireless power transfer via strongly coupled magneticresonances,"Science,vol.317,no.5834,pp.83-86,Jul.2007.

6.M.Kiani,and M.Ghovanloo,"The circuit theory behind coupled-modemagnetic resonance-based wireless power transmission,"IEEE Trans.CircuitsSystems-I,vol.59,no.8,pp.1-10,Aug.2012.

7.F.Zhang,S.A.Hackworth,W.Fu,C.Li,Z.Mao,and M.Sun,"Relay effect ofwireless power transfer using strongly coupled magnetic resonances,"IEEETransactions on Magnetics,vol.47,no.5,pp.1478-1481,May 2011.

8.J.W.Kim,H.C.Son,K.H.Kim and Y.J.Park,"Efficiency analysis ofmagnetic resonance wireless power transfer with intermediate resonant coil",IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.10,pp.389-392,2011.

9.W.X.Zhong,C.K.Lee and S.Y.R.Hui,"Wireless Power Domino-ResonatorSystems with Non-coaxial axes and Circular Structures",IEEE Trans.PowerElectronics,vol.27,no.11,pp.4750-4762,Nov.2012.

10.W.X.Zhong,C.K.Lee and S.Y.R.Hui,"General Analysis on the Use ofTesla's Resonators in Domino Forms for Wireless Power Transfer",IEEETrans.Industrial Electronics,vol.60,no.1,pp.261-270,Jan.2013.

11.Hui S.Y.R.,Zhong W.X.and Lee C.K.,"A critical review on recentprogress of mid-range wireless power transfer",IEEE Transactions on PowerElectronics(early access,2013).

12.D.Wang,Y.Zhu,Z.Zhu,T.T.Mo and Q.Huang,"Enabling multi-anglewireless power transmission via magnetic resonant coupling",InternationalConference on Computing and Convergence Technology(ICCCT)2012,pp:1395-1400.

13.O.Jonah,S.V.Georgakopoulos and M.M.Tentzeris,"Orienationinsensitive power transfer by magnetic resonance for mobile devices",IEEEWireless Power Transfer,Perugia,Italy,15-16 May 2013,pp:5-8.

Claims

1.一种无线功率发射器，其包括：

至少两个环路；

分离的多个驱动器，每一个驱动器驱动所述环路中的相应一个并将相应交流电提供给相应环路，由此发射无线功率以供至少一个无线功率接收器接收；以及

控制器，用于驱动器的协调电流控制，使得磁场向量由所述相应交流电产生并可控制为指向二维或三维空间中的任意一个或多个方向，从而在二维或三维空间中的一个或多个预定方向上发射无线功率。

2.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，由所述驱动器提供的相应交流电在相位角、频率和振幅中的一或多个方面彼此不同。

3.根据权利要求1到2中的任一项所述的无线功率发射器，其包括与每个环路串联连接的电容器。

4.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，所述无线功率发射器由交流电源供电。

5.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，所述无线功率发射器由提供直流电的直流电源供电，并且每个驱动器包括用于将所述直流电转换成交流电的功率逆变器。

6.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，所述无线功率发射器由提供直流电的直流电源供电，并且每个驱动器包括用于将所述直流电转换成交流电的功率逆变器的逆变器支路。

7.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，由所述驱动器提供的相应交流电是高频交流电。

8.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其包括三个所述环路。

9.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，每个环路限定相应环路平面，所述环路被布置成使得所述环路平面彼此正交。

10.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，所述驱动器仅驱动所述环路的子集。

11.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，两个环路被驱动以在一个平面中的所有方向上发射无线功率。

12.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，三个环路被驱动以在三维空间中的所有方向上发射无线功率。

13.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，所述环路限定用于容纳一个或多个无线功率接收器的内部空间，使得能从所述无线功率发射器发射无线功率以供所述无线功率接收器接收。

14.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，所述环路包围用于容纳一个或多个无线功率接收器的容器，使得能从所述无线功率发射器发射无线功率以供所述无线功率接收器接收。

15.根据权利要求1所述的无线功率发射器，其特征在于，每个环路的横截面是圆形、三角形、矩形和多边形中的任何一种。

16.无线功率发射系统，包括：

无线功率发射器，包括：

至少两个环路；

分离的多个驱动器，每一个驱动器驱动所述环路中的相应一个并将相应交流电提供给相应环路，由此发射无线功率以供至少一个无线功率接收器接收；和

控制器，用于驱动器的协调电流控制，使得磁场向量由所述相应交流电产生并可控制为指向二维或三维空间中的任意一个或多个方向，从而在二维或三维空间中的一个或多个预定方向上发射无线功率；以及

所述至少一个无线功率接收器包括：

接收器环路，所述接收器环路围绕接收器环路轴线缠绕并限定接收器环路平面，所述接收器环路平面具有用于接收无线功率的接收侧；

至少两个聚焦环路，每个聚焦环路限定相应聚焦环路平面，所述聚焦环路被布置在所述接收侧，邻近于所述环路轴线并均匀地围绕所述环路轴线，其中所述聚焦环路平面朝所述接收器环路平面倾斜。