CN106716778A - 无线电场电力传输系统、其发射器与接收器以及无线传送电力的方法 - Google Patents

无线电场电力传输系统、其发射器与接收器以及无线传送电力的方法 Download PDF

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CN106716778A CN201580045404.5A CN201580045404A CN106716778A CN 106716778 A CN106716778 A CN 106716778A CN 201580045404 A CN201580045404 A CN 201580045404A CN 106716778 A CN106716778 A CN 106716778A
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迈克尔·罗伊尔
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Abstract

一种无线电场电力传输系统包括：发射器，其包括发射谐振器和发射电容性平衡‑不平衡变换器；以及至少一个接收器，其包括接收谐振器和接收电容性平衡‑不平衡变换器。发射电容性平衡‑不平衡变换器被配置为向发射谐振器传送电力，发射谐振器被配置为向接收谐振器传送电力，并且接收谐振器被配置为经由电场耦合提取到接收容性平衡‑不平衡变换器的电力。

Description

无线电场电力传输系统、其发射器与接收器以及无线传送电 力的方法
技术领域
本申请总体上涉及无线电力传输，并且具体地，涉及无线电场电力传输系统、其发射器和接收器以及无线地传送电力的方法。
背景技术
已知各种辐射或远场以及非辐射或近场、能量或电力传送技术。例如，使用诸如在无线电和蜂窝通信系统和家庭计算机网络中使用的那些低方向性天线的辐射无线信息传送可以被认为是无线能量传送。如将理解的，这种类型的辐射能量传送是低效的，因为仅拾取了供应的或辐射的电力的小部分，即在接收器的方向上并且与接收器重叠的部分。绝大多数的电力在其它方向辐射，并在自由空间中丢失。这种低效的能量传送对于数据传输可以是可接受的，但是当试图传送有用量的电能以用于做功，例如为电气或电子设备供电或充电时，这是不实用的。一种改进一些辐射能量传送方案的传送效率的方式是使用定向天线来限制并优先地朝向接收器引导辐射能量束。然而，这些定向辐射方案通常需要在发射器和接收器之间的不间断视线，以及在移动发射器和/或接收器的情况下的潜在复杂的跟踪和操纵机制。此外，当发送适度到高电力能量束时，这种定向辐射方案可能对与辐射能量束交叉或相交的物体或人造成危险。
已知的非辐射或近场无线电力传输系统，经常被称为感应或传统感应，不(有意地)辐射电力，而是使用通过初级线圈的交流电流，以生成在近旁接收或次级线圈中感应电流的交变磁近场。这种性质的感应方案已经证明了能够发射适度到大量的电力，但是仅在非常短的距离上，并且在初级线圈和次级线圈之间具有非常小的偏移公差。电变压器和接近充电器是利用这种已知的短程近场能量传送方案的设备的示例。
PCT申请公开号WO 2009/089146公开了一种包括发射器和接收器的无线电力传输系统。发射器包括射频能量生成器、第一发射板和第二发射板。第一发射板可操作地耦合到射频能量生成器。第二发射板可操作地耦合到地。接收器包括整流器、第一接收板和第二接收板。第一接收板可操作地耦合到整流器。第一接收板被配置为电容性地耦合到第一发射板，并且第二接收板被配置为电容性地耦合到第二发射板。第二接收板可操作地耦合到地。
美国专利申请公开号20110198939公开了一种发射器，其包括大体上二维高Q谐振器结构，其包括平面线圈以及可操作地连接到谐振器结构的阻抗匹配结构。发射器被配置为无线地向另一个高Q谐振器发射电力。
美国专利申请公开号20090206675公开了用于通过在慢速变化的状态下使用围绕任何一组带电导体的库仑场而从远处传输电能和/或信息的设备。设备由位于间隔很短的距离的能量产生和消耗设备组成，并且既不使用电磁波的传播也不使用感应，并且不能简化为电容器的简单布置。设备以振荡的不对称电偶极子之间的相互作用的形式建模，其由放置在两个电极之间的高频高压生成器或高频高压负载组成。偶极子对彼此施加相互影响。设备适用于为工业和家用电气设备供电，特别适用于为在环境中移动的低功率设备供电以及信息的短距离无辐射传输。
虽然无线电力传输技术是已知的，但是需要改进。因此，目的是提供一种新颖的无线电场电力传输系统、其发射器和接收器以及无线地发射电力的方法。
发明内容
因此，在一个方面，提供一种无线电场电力传输系统，包括：发射器，其包括发射谐振器和发射电容性平衡-不平衡变换器(balun)；以及至少一个接收器，其包括接收谐振器和接收电容性平衡-不平衡变换器，其中，经由电场耦合：发射电容性平衡-不平衡变换器被配置为向发射谐振器传送电力，作为响应，发射谐振器被配置为向接收谐振器传送电力，并且接收电容性平衡-不平衡变换器被配置为从接收谐振器提取电力。
根据另一方面，提供一种无线地传送电力的方法，方法包括：经由电场耦合从源经由发射电容性平衡-不平衡变换器向发射谐振器传递电力；作为响应，经由电场耦合从发射谐振器向接收谐振器传送电力；以及经由电场耦合经由接收电容性平衡-不平衡变换器从接收谐振器提取电力。
根据另一方面，提供一种用于无线地传送电力的发射器，发射器包括：电容性平衡-不平衡变换器，其被配置为接收交变信号且作为响应而生成电场；以及发射谐振器，其响应于由电容性平衡-不平衡变换器生成的电场，被配置为谐振并生成到接收器的电场。
发射谐振器可以响应于由电容性平衡-不平衡变换器生成的电场，被配置为谐振并生成到接收器的谐振电场。电容性平衡-不平衡变换器和发射谐振器可以响应于由电容性平衡-不平衡变换器生成的电场，被配置为谐振并且生成到接收器的谐振电场。电容性平衡-不平衡变换器可以被配置为接收交变信号，并且作为响应生成谐振电场。发射谐振器可以响应于由电容性平衡-不平衡变换器生成的谐振电场，被配置为谐振并生成到接收器的电场。发射谐振器可以响应于由电容性平衡-不平衡变换器生成的谐振电场，被配置为谐振并且生成到接收器的谐振电场。
发射谐振器可以包括通过串联电感互连的横向地间隔开的电极，并且电容性平衡-不平衡变换器可以包括横向地间隔开的导电元件，各个导电元件接近至少一个相应的电极并与至少一个相应的电极间隔开。导电元件和电极可以大体上对准，使得导电元件和电极的主面彼此面对。导电元件和电极也可以通常是平面的并且可以具有大体上相似的尺寸。可替选地，导电元件和电极可以具有不同的尺寸并且可以是弯曲的、成角度的和/或有纹理的。
发射器可以进一步包括连接到电容性平衡-不平衡变换器的两端的电力逆变器，电力逆变器被配置为输出激励电容性平衡-不平衡变换器的交变信号。
发射器可以进一步包括被配置为生成激励电容性平衡-不平衡变换器的交变信号的源。
交变信号可以是射频(RF)信号。
根据另一方面，提供一种用于无线地接收电力的接收器，接收器包括：接收谐振器，其被配置为在存在生成的电场的情况下谐振；以及电容性平衡-不平衡变换器，其电容性地耦合到接收谐振器，并且被配置为响应于接收谐振器的谐振输出交变信号。
接收谐振器可以被配置为在存在生成的谐振电场的情况下谐振。接收谐振器可以响应于产生的谐振电场而被配置为谐振并产生电场。接收谐振器可以响应于生成的谐振电场而被配置为谐振并生成谐振电场。接收谐振器和电容性平衡-不平衡变换器可以响应于由接收谐振器生成的谐振电场而被配置为谐振并生成谐振电场。
接收谐振器和电容性平衡-不平衡变换器可以响应于生成的电场而被配置为谐振并生成谐振电场。
接收谐振器可以包括通过串联电感互连的横向地间隔开的电极，并且电容性平衡-不平衡变换器可以包括横向地间隔开的导电元件，各个导电元件接近至少一个相应的电极并且与至少一个相应的电极间隔开。导电元件和电极可以大体上对准，使得导电元件和电极的主面彼此面对。导电元件和电极也可以通常是平面的并且可以具有大体上相似的尺寸。可替选地，导电元件和电极可以具有不同的尺寸并且可以是弯曲的、成角度的和/或有纹理的。
接收器可以进一步包括：整流器，其被配置为将交变信号转换为直流信号，以及调节器，其被配置为调节直流信号。
附图说明
现在将参考附图更全面地描述实施例，在附图中：
图1是无线电场电力传输系统的示意性布局图；
图2是另一无线电场电力传输系统的示意性布局图；
图3是形成图2的无线电场电力传输系统的部分的发射平衡-不平衡变换器、发射谐振器、接收平衡-不平衡变换器和接收谐振器布置的透视图；
图4a是形成图2的无线电场电力传输系统的部分的串联发射电感的俯视平面图；
图4b是串联发射电感的另一实施例的透视图；
图4c是串联发射电感的又一实施例的透视图；
图5是等效于图2的无线电场电力传输系统的电路图；
图6是示出无线电场电力传输系统阻抗特性的史密斯图；
图7是无线电场电力传输系统电力效率对频率的曲线图；
图8是示出无线电场电力传输系统阻抗特性的另一史密斯图；
图9是无线电场电力传输系统电力效率对频率的另一曲线图；
图10是无线电场电力传输系统效率对示例性系统的频率的曲线图；
图11是示出测试无线电场电力传输系统的发射器阻抗特性的史密斯图；
图12是示出示例性系统的接收器阻抗特性的史密斯图；
图13是替选的发射平衡-不平衡变换器、发射谐振器、接收平衡-不平衡变换器和接收谐振器布置的透视图；
图14是又一发射平衡-不平衡变换器、发射谐振器、接收平衡-不平衡变换器和接收谐振器布置的透视图；
图15是无线电场电力传输系统的另一实施例的示意性布局；
图16是形成图15的无线电场电力传输系统的部分的发射平衡-不平衡变换器、发射谐振器、接收平衡-不平衡变换器和接收谐振器布置的透视图；
图17是形成图2的无线电场电力传输系统的一部分的接收器的另一实施例的透视图；以及
图18是示出用于电容性发射和接收平衡-不平衡变换器中的导电元件的各种配置的透视图。
具体实施方式
现在转到图1，示出了无线电场电力传输系统，并且通常由附图标记20表示。可以看出，无线电场电力传输系统20包括发射器22和与发射器22间隔开的接收器40。发射器22包括电连接到电力逆变器26的电源24，电力逆变器26又电连接到感应发射平衡-不平衡转换器28的两端。发射器22进一步包括电容性发射电极(CTX)30，电容性发射电极(CTX)30中的每一个通过相应的串联电感(LTX)32电连接到感应发射平衡-不平衡变换器28。电容发射电极(CTX)30与串联电感(LTX)32在特定工作频率(fs)谐振以形成通常由附图标记34识别的发射谐振器。电力逆变器26经由感应发射平衡-不平衡变换器28输出在工作频率(r～s)激励发射谐振器34的射频(RF)信号，导致发射谐振器34生成谐振电场。感应发射平衡-不平衡变换器28互连不平衡与平衡系统并进行阻抗变换。
接收器40包括电连接到调节器44的负载42，调节器44又电连接到射频到直流(RF-DC)整流器46。RF-DC整流器46电连接到电感性接收平衡-不平衡变换器28的两端。类似于电感性发射平衡-不平衡变换器28，电感性发射平衡-不平衡变换器48互连不平衡与平衡系统并进行阻抗变换。在此实施例中，RF-DC整流器46采用具有低结电容、高反向击穿电压和低正向压降的超快速二极管。RF-DC整流器46还可以采用同步MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。
负载42可以采取许多形式，诸如在上面并入的美国专利申请No.13/607,474中识别的那些形式。其它示例性负载42包括但不限于：电池(例如AA，9V和非传统或定制的可再充电电池格式)、无线电通信设备、计算机电池(例如台式电脑、膝上型电脑和平板电脑)、电话(例如无绳、移动和蜂窝)、电视机或显示面板(例如等离子体、LCD、LED和OLED)和家庭电器(例如DVD播放器、蓝光播放器、接收器、放大器、一体化家庭影院、扬声器、低音炮、视频游戏控制台、视频游戏控制器、遥控设备、电视机、计算机或其它监视器、数码相机、摄像机、数码相框、视频或图像投影仪和媒体流传输设备)。
接收器40进一步包括电容性接收电极(CRX)50，电容性接收电极(CRX)50中的每一个通过相应的串联电感(LRX)52电连接到电感性接收平衡-不平衡变换器48。当电容性接收电极50暴露于由发射谐振器34生成的谐振电电场，电容性接收电极(CRX)50电感在与发射谐振器34相同的工作频率(fs)与串联电感(LRX)谐振，以形成通常由附图标记54识别的接收谐振器。
在此实施例中，电感性发射平衡-不平衡变换器28和电感性接收平衡-不平衡变换器48分别包括铁氧体磁芯，并且为了阻抗匹配目的具有略高于1:1的匝数比。虽然这些平衡-不平衡变换器表现良好，但它们不利地需要显着的物理空间。此外，这些平衡-不平衡变换器在工作频率和功率水平方面本质上受到限制。此外，在更高的功率水平下，这些平衡-不平衡变换器升温，增加了损坏无线电场电力传输系统的平衡-不平衡变换器或其它部件的风险。
现在转到图2，示出了替选的无线电场电力传输系统120。可以看出，无线电场电力传输系统120包括发射器122和与发射器122间隔开的接收器140。发射器122包括电连接到电力逆变器126的电源124，电力逆变器126又电连接到电容性发射平衡-不平衡变换器(CTX)128的两端。电源124和电力逆变器126共同地形成RF源127。发射器122进一步包括电容性发射电极(CTX)130，其通过串联发射电感(LTX)132电连接并且电容性地耦合到电容性发射平衡-不平衡变换器128。电容性发射电极130在特定工作频率(fs)与串联发射电感132谐振，以形成通常由附图标记134识别的发射谐振器。
接收器140包括电连接到调节器144的负载142，调节器144又电连接到RF-DC整流器146。RF-DC整流器146电连接到电容性接收平衡-不平衡变换器(CLOAD)148的两端。类似于前述实施例，RF-DC整流器146采用具有低结电容、高反向击穿电压和低正向压降的超快速二极管。RF-DC整流器146还可以采用同步MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。负载142可以采取许多形式，诸如在上面并入的美国专利申请号13/607,474中识别的形式。其它示例性负载142包括但不限于：电池(例如AA，9V和非传统或定制的可再充电电池模式)、无线电通信设备、计算机电池(例如台式电脑、膝上型电脑和平板电脑)、电话(例如无绳、移动和蜂窝)、电视机或显示面板(例如等离子、LCD、LED和OLED)和家庭电器(例如DVD播放器、蓝光播放器、接收器、放大器、一体化家庭影院、扬声器、低音炮、视频游戏控制台、视频游戏控制器、遥控设备、电视机、计算机或其它监视器、数码相机、摄像机、数码相框、视频或图像投影仪和媒体流传输设备)。
接收器140进一步包括由串联接收电感(LRX)152电连接并且电容性地耦合到电容性接收平衡-不平衡变换器148的电容性接收电极(CRX)150。电容性接收电极150在特定工作频率(fs)与串联接收电感152谐振，以形成通常由附图标记154识别的接收谐振器。
现在转到图3，更好地示出了电容性发射平衡-不平衡变换器128、发射谐振器134、电容性接收平衡-不平衡变换器148以及接收谐振器154。发射器122和接收器140间隔开距离dTR。在此实施例中，电容性发射平衡-不平衡变换器128包括由导电材料形成的一对横向地间隔开的细长元件。导电元件通常是矩形的平板的形式。发射谐振器34的电容性发射电极30也是由导电材料形成的细长的通常矩形的平板的形式。电容性发射平衡-不平衡变换器128的各个板接近相应的电容性发射电极130并且与相应的电容性发射电极130对准，使得板和电容性发射电极130的主表面136和138彼此面对并且分离开距离d1。在此实施例中，主表面136和138的面积相等或接近相等，即电容性发射平衡-不平衡变换器128和电容性发射电极30的板的尺寸基本相同。
电容性接收平衡-不平衡变换器148包括由导电材料形成的一对横向地间隔开的细长元件。导电元件是通常矩形的平板的形式。接收谐振器154的电容性接收电极150也是由导电材料形成的细长的通常矩形的平板的形式。电容性接收平衡-不平衡变换器148的每个板接近相应的电容性接收电极150并且与相应的电容性接收电极150对准，使得板和电容性接收电极150的主表面156和158彼此面对并且分离开距离d2。在此实施例中，主表面156和158的面积是相等的或接近相等的，即电容性接收平衡-不平衡变换器148和电容性接收电极150的板的尺寸基本相同。
现在转到图4a，更好地示出了串联发射电感(LTX)132。可以看出，在此实施例中，串联发射电感(LTX)132是平螺旋或扁平线圈。串联发射电感(LTX)132具有高品质因数(Q因子)，并且被配置为与电容性发射电极(CTX)130在工作频率(fs)产生高Q因子谐振。高Q因子意味着存储的能量的量大于耗散的能量的量。与施加的电压相比，高Q因子谐振增加了电容性发射电极(CTX)130上的电压。在此实施例中，串联接收电感(LRX)152类似地是平螺旋或扁平线圈。串联接收电感(LRX)152还具有高Q因子，并且被配置与电容性接收电极(CRX)150为在工作频率(fs)产生高Q因子谐振。
然而，串联发射电感(LTX)132和串联接收电感(LRX)152可以采用不同的形式，如图4b和图4c所示。在图4b中，串联发射电感(LTX)132是环形发射电感(LTX)132a的形式，并且在图4c中，串联发射电感是圆柱形螺旋发射电感(LTX)132b的形式。类似于串联发射电感(LTX)132，串联接收电感(LRX)152也可以是环形接收电感(LRX)或圆柱形螺旋接收电感(LRX)的形式。
现在将描述无线电场电力传输系统120的操作。在操作期间，RF电源127包括电源124和电力逆变器126，并且在工作频率(fs)输出RF信号，然后向电容性传输平衡-不平衡变换器Cdrive128的两端的板施加该RF信号，从而激励电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)128。激励的电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)128又在围绕电容性发射平衡-不平衡变换器Cdrive128的板的空间中生成电场。当电容性发射谐振器134在生成的电场内时，电容性发射电极(CTX)130以及电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)128在工作频率(fs)与串联电感(LTX)132谐振，从而生成延伸到接收谐振器154的谐振电场。
在接收谐振器154处于生成的谐振电场中的情况下，电容性接收电极(CRX)150开始与串联接收电感(LRX)152谐振，导致在围绕电容性发射平衡-不平衡变换器Cdrive128的板的空间中的谐振电场的生成。当电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)148在生成的谐振电场内时，电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)148和电容性接收电极(CRX)150在工作频率(fs)与串联电感(LRX)152谐振，导致电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)148输出输送到RF-DC整流器146的RF信号。
RF-DC整流器146又将RF信号转换为DC信号，然后在调节器144调节DC信号并将其输送到负载142。
在图5中示出等效于无线电场电力传输系统120的电路图。如上所述，由RF源127输出的在操作频率(fs)的RF信号用于激励电容性传输平衡-不平衡变换器(Cdrive)128，并且该激励导致围绕电容性传输平衡-不平衡变换器(Cdrive)128和电容性发射电极(Cdrive)130的板的电场的生成。电容性传输平衡-不平衡变换器(Cdrive)28和电容性传输电极(CTX)130之间的耦合系数由k12表示，并且由下式给出：
其中M12是电容性发射平衡-不平衡变换器128和电容性发射电极30之间的互电容。
电容性发射电极130和电容性接收电极150之间的耦合系数由k23表示，并且由下式给出：
其中M23是电容性发射电极130和电容性接收电极150之间的互电容。
电容性接收电极150和电容性接收平衡-不平衡变换器148之间的耦合系数由k34表示，并且由下式给出：
其中M34是电容性接收电极150和电容性接收平衡-不平衡变换器148之间的互电容。
如将理解的，变化分隔距离d1和d2，通过改变互电容来变化耦合系数。此外，由于接收器140处于发射器122的近场中，因此由发射器122看到的阻抗随着发射器122和接收器140之间的分离距离dTR变化而变化，导致无线电场电力传输系统120的谐振频率的变化。可以通过改变分离距离d1或者通过增加电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)128的板的长度来将该阻抗调节到RF源127的阻抗Rs。
类似地，由接收器140看到的阻抗也随着发射器122和接收器140之间的分离距离dTR变化而变化。可以通过改变分离距离d2或通过增加电容性接收平衡-不平衡变换器(Cdrive)148的板的长度来将该阻抗调整到负载142的阻抗。
回到图3，发射器122的长度重叠(Lol)被定义为电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)128的板的主表面136与电容性发射电极(CTX)130的主表面138之间沿着那些主表面的长度重叠的量。发射器122的宽度重叠(Wol)被定义为电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)128的板的主表面136与电容性发射电极(CTX)130的主表面138之间沿着那些主表面的宽度重叠的量。
类似地，接收器140的长度重叠(Lol)被定义为电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)148的板的主表面156与电容性接收电极(CRX)150的主表面158之间沿着那些主表面的长度重叠的量。接收器40的宽度重叠(Wol)被定义为电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)148的板的主表面156与电容性接收电极(CRX)150的主表面158之间沿着那些主表面的宽度重叠的量。在此实施例中，发射器122和接收器140的长度重叠(Lol)和宽度重叠(Wol)相同。
根据耦合模式理论，当发射器122和接收器140在其基本频率谐振时，所得到的工作频率取决于发射器122和接收器140之间的耦合。如果存在强耦合，则存在在两个不同的频率工作的两种模式。这种现象被称为分频。如果耦合弱，则这两个模式收敛到在单个频率的单个工作模式。在下面描述的模拟中呈现分频。
进行使用CST Microwave Studio软件的电磁场模拟以确定无线电场电力传输系统120在特定工作频率(fs)的阻抗要求。图6至图9示出了用于确定无线电场电力传输系统120在7MHz的工作频率(fs)下的阻抗要求的电磁场模拟的结果。如图6的史密斯图所示，在标记1和2的点，从5MHz到8MHz的频率扫描在发射器122和接收器之间产生匹配的阻抗。在图7中描绘了无线电场电力传输系统120在这些点的效率，其中点2的频率被示出为大约7MHz。来自图6的史密斯图在点2的对应阻抗要求大约为99欧姆。该阻抗通过等于1.57mm的分离距离d1和d2以及等于120mm的长度重叠(Lol)来实现。
如图8的史密斯图所示，在标记为1和2的点，从1到12MHz的频率扫描在发射器122和接收器140之间产生匹配的阻抗。在图9中描绘无线电场电力传输系统120在这些点的效率，其中点1的频率被示出为大约7MHz。图8的史密斯图在点1的对应阻抗要求约为62欧姆。该阻抗通过等于0.867mm的分离距离d1和d2以及等于60mm的长度重叠(Lol)来实现。
在上述模拟中，电容性发射平衡-不平衡变换器(Cload)128的板的宽度、电容性发射电极(CTX)130的宽度、电容性接收平衡-不平衡变压器(Cload)148的板的宽度和电容性接收电极(CRX)150的宽度相等。然而，本领域技术人员将理解，这些宽度可以变化。
从模拟的结果可以理解，很清楚的是，无线电场电力传输系统120的谐振频率(fs)和发射器122与接收器140的阻抗两者均可以通过分别改变距离d1、d2以及电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)128和电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)148的板的主表面136和156的长度来匹配。
与电感性平衡-不平衡变换器相比，电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)128和电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)148的使用允许电容性发射电极(CTX)130和电容性接收电极(CRX)150的尺寸减小，因为电容性接收平衡-不平衡变换器(Cdrive)128和(Cload)148是电容性而不是电感性的，并且需要较少的电容以达到谐振状态。电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)128和电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)148的使用还消除了感应平衡-不平衡变换器的需要并且减少了在发射谐振器134和接收谐振器154所需的电感的数量。在发射器122和接收器140中的结果是更小、更便宜并且更容易设计。
根据图2和图3的示例性无线电场电力传输系统用以下参数构造：大约27MHz的操作频率和大约10cm的距离dTR。关于发射器，使用以下参数：电容性发射电极之间的大约15cm的距离、电容性发射电极的各个电极的大约33cm的电极长度、大约1.7cm的长度重叠Lol、大约5cm的宽度重叠Wol、大约0.24cm的距离d1、具有大约5.9μH的电感的串联发射电感LTX以及大约300的品质因数。关于接收器，使用以下参数：电容性接收电极之间大约15cm的距离、电容性接收电极的每个电极大约33cm的电极长度、大约2.6cm的长度Lol、大约5cm的宽度重叠Wol、大约0.54cm的距离d2、具有大约5.1μH的电感的串联接收电感LRX和大约250的品质因数。使用Copper Mountain TechnologiesTM PLANAR 808/1四端口矢量网络分析器(VNA)收集实验数据。频率从20MHz扫描到30MHz，以测量在各种工作频率的系统阻抗和效率。如图10所示，在大约26.84MHz、点1，从20MHz到30MHz的频率扫描在发射器和接收器之间产生匹配的最大效率。对于点1的发射器，来自图11的史密斯图的对应阻抗要求大约为63欧姆。对于点1的接收器，来自图12的史密斯图的相应阻抗要求大约为56欧姆。
在图2的实施例中，电容性发射平衡-不平衡变换器128和电容性发射电极130的板具有相同的尺寸，并且被布置使得它们的面对的主表面136和138大体上完美对准。类似地，电容性接收平衡-不平衡变换器148和电容性接收电极50的板具有相同的尺寸，并且布置使得它们的面对的主表面56和58大体上完美对准。然而，本领域技术人员将理解，变化是可能的。
例如，图13中示出了电容性发射平衡-不平衡变换器、电容性发射电极、电容性接收电极和电容性接收平衡-不平衡变换器布置的另一实施例。图13中所示的实施例类似于图3中所示的实施例，并且因此为了清楚起见，类似的组件用相同的附图标记添加“100”来表示。在此实施例中，电容性发射平衡-不平衡变换器228的板在尺寸上比电容性发射电极230的板更短或更小，并且电容性接收平衡-不平衡变换器248的板在尺寸上比电容性接收电极250的板更短或更小。由电容性传输平衡-不平衡变换器228的板的长度和电容性接收平衡-不平衡变换器248的板的长度的改变而导致的阻抗的改变可以通过改变间隔距离d1和d2来偏移。与图3所示的实施例一样，宽度与Wol重叠，长度与Lol重叠，距离d1和d2和dTR可根据需要调节。
还有其它布置是可能的。如图14所示，可以采用通常由附图标记360识别的感应发射天线，而不是使用电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)128来激励电容性发射电极30。图14中所示的实施例类似于图3中所示的实施例，并且为了清楚起见，类似的部件用相同的附图标记添加“200”来表示。各个电容性发射电极330经由相应的串联电感362连接到感应发射平衡-不平衡变换器360。这使得将发射器322放置在非平坦表面上更加困难，因为如果它们被弯曲以符合非平坦表面，则发射电感362遭受电感损耗和品质因数(Q)降低。
类似于图13的实施例，在该实施例中，电容性接收平衡-不平衡变换器348的板在尺寸上比电容性接收电极350的板更短或更小。然而，本领域技术人员将意识到，电容性接收平衡-不平衡变换器348在尺寸上可类似于电容性接收电极350。此外，可以采用电容性发射平衡-不平衡变换器，并且可以用电感性接收平衡-不平衡变换器来代替电容性接收平衡-不平衡变换器348，而不是用电感性发射平衡-不平衡变换器360来代替电容性发射平衡-不平衡变换器128。
现在转到图15和图16，示出了与图2所示的实施例类似的无线电场电力传输系统的另一实施例，并且因此为了清楚起见，类似的部件用相同的附图标记添加“300”来表示。在此实施例中，发射器422和接收器440进一步包括用于额外的阻抗和谐振控制的串联电感(Ls)。可以看出，在发射器422中，电力逆变器426直接地连接到电容性发射平衡-不平衡变换器428(Cdrive)的一个板，并且经由串联电感(Ls)464连接到电容性发射平衡-不平衡变换器428(Cdrive)的另一个板。
在接收器440中，RF-DC整流器446直接地连接到电容性接收平衡-不平衡变换器(Cdrive)448的一个板，并且经由串联电感(Ls)466连接到电容性接收平衡-不平衡变换器448的另一个板。如图所示的电容性发射平衡-不平衡变换器的板和电容性发射电极以及电容性接收平衡-不平衡变换器的板和电容性接收电极的配置类似于图13的布置。然而，本领域技术人员将理解，电容性发射平衡-不平衡变换器的板和电容性发射电极以及电容性接收平衡-不平衡变换器的板和电容性接收电极的配置可以变化，并且例如采取与图3的布置类似的形式。各种尺寸包括宽度重叠Wol，长度重叠Lol，距离d1和d2以及距离dTR可以根据需要调节。
在操作期间，当由电源424驱动时，电力逆变器426在工作频率(fs)输出RF信号，然后向电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)428的两端的板施加该RF信号，由此激励电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)428。激励的电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)428与串联电感(Ls)464在工作频率(fs)谐振，从而生成谐振电场。当电容性发射谐振器434在生成的谐振电场内时，电容性发射电极(CTX)430和电容性发射平衡-不平衡变换器(Cdrive)428与串联电感(LTX)432和(LS)464在工作频率(fs)谐振，从而生成延伸到接收谐振器454的谐振电场。
在接收谐振器454处于生成的谐振电场中的情况下，电容性接收电极(CRX)450开始与串联接收电感(LRX)452谐振，致使在围绕电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)448的板的空间中的谐振电场的生成。当电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)448在生成的谐振电场内时，电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)448和电容性接收电极(CRX)450与串联电感(LRX)152在工作频率(fs)谐振，致使电容性接收平衡-不平衡变换器(Cload)448输出输送到RF-DC整流器446的RF信号。
图17描绘了替选的电容性接收电极和电容性接收平衡-不平衡变换器布置。该实施例类似于图3所示的实施例的接收器140，并且因此为了清楚起见，类似的部件用相同的附图标记添加“400”来表示。类似于图13的布置，电容性接收平衡-不平衡变换器548的板在尺寸上比电容性接收电极550的板更短或更小，但是如果需要，电容性接收平衡-不平衡变换器548的板和电容性接收电极550的板可以是相同的尺寸。然而，在此实施例中，电容性接收平衡-不平衡变换器548的板和电容性接收电极550的板是弯曲的，而不是平面的。
本领域技术人员将理解，弯曲的板和电极布置可以应用于发射器。
尽管电容性发射和接收平衡-不平衡变换器以及电容性发射和接收电极的导电元件已经被示出和描述为采用通常矩形平行板的形式，但是本领域技术人员将理解，替代方案是可能的。电容性发射和接收平衡-不平衡变换器以及电容性发射和接收电极的导电元件可以采取各种形式。例如，图18描绘了电容性发射和接收平衡-不平衡变换器以及电容性发射和接收电极的导电元件的各种几何形状。可以看出，电容性发射和接收平衡-不平衡变换器和电极的导电元件可以具有正方形形状、箭头形状、凸圆形形状、具有弯曲侧边的菱形形状、圆形形状或三角形形状。如将理解的，电容性发射和接收平衡-不平衡变换器以及电容性发射和接收电极的导电元件可以在各种配置中是成角度的、弯曲的和/或有纹理的。
虽然无线电场电力传输系统被示为包括一对电容性发射电极和一对电容性接收电极，但是本领域技术人员将理解，可以采用多于两个的电容性发射电极和多于两个的电容性接收电极。增加电容性发射电极(CTX)130的数量和增加电容性接收电极(CRX)150的数量减少了涡流损耗。
本领域的技术人员将了解，无线电力传输系统可用于各种应用中，包括在上文包含的美国专利申请号13/607,474中识别的那些应用。此外，应用包括但不限于将部分或全部无线电力传输系统集成到：背包、车辆(例如消防车、公共汽车、军用车辆、无人自主车辆(UAV)电动汽车和混合动力汽车)、无线电通信设备、军事营地、飞机、桌子、计算机(例如，膝上型计算机、台式计算机和平板计算机)、集装箱、平面(例如桌子、桌子、柜台、架子、墙壁、地板、天花板和门)、电话(例如无绳、移动和蜂窝)、电视机或显示面板(例如等离子体、LCD、LED和OLED)、家用电子设备(例如DVD播放器、蓝光播放器、接收器、放大器、家庭影院、扬声器、低音炮、视频游戏控制台、视频游戏控制器、遥控设备、电视、计算机或其它监视器、数码相机、摄像机、数码相框、视频或图像投影仪和媒体流传输设备)以及公共空间或公共区域。
尽管无线电场电力传输系统被示为包括连接到电力逆变器的电源，其中电力逆变器输出激励电容性平衡-不平衡变换器的RF信号，但是本领域技术人员将理解，其它配置是可能的。例如，可以不包括电力逆变器，并且可以采用输出交变信号或RF信号以激励电容平衡-不平衡变换器的电源。
虽然以上已经参照附图描述了实施例，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以进行变化和修改。

Claims (33)

1.一种无线电场电力传输系统，包括：
发射器，所述发射器包括发射谐振器和发射电容性平衡-不平衡变换器；以及
至少一个接收器，所述接收器包括接收谐振器和接收电容性平衡-不平衡变换器，其中，经由电场耦合：
所述发射电容性平衡-不平衡变换器被配置为向所述发射谐振器传送电力，
作为响应，所述发射谐振器被配置为向所述接收谐振器传送电力，并且
所述接收电容性平衡-不平衡变换器被配置为从所述接收谐振器提取电力。
2.一种无线地传送电力的方法，所述方法包括：
经由电场耦合从源经由发射电容性平衡-不平衡变换器向发射谐振器传递电力；
作为响应，经由电场耦合从所述发射谐振器向接收谐振器传送电力；以及
经由电场耦合从所述接收谐振器经由接收电容性平衡-不平衡变换器提取电力。
3.一种用于无线地传送电力的发射器，所述发射器包括：
电容性平衡-不平衡变换器，所述电容性平衡-不平衡变换器被配置为接收交变信号且作为响应而生成电场；以及
发射谐振器，所述发射谐振器响应于由所述电容性平衡-不平衡变换器生成的所述电场，被配置为谐振并生成到接收器的电场。
4.根据权利要求3所述的发射器，其中，所述发射谐振器响应于由所述电容性平衡-不平衡变换器生成的所述电场，被配置为谐振并生成到所述接收器的谐振电场。
5.根据权利要求3所述的发射器，其中，所述电容性平衡-不平衡变换器和所述发射谐振器响应于由所述电容性平衡-不平衡变换器生成的所述电场，被配置为谐振并生成到所述接收器的谐振电场。
6.根据权利要求3所述的发射器，其中，所述电容性平衡-不平衡变换器被配置为接收所述交变信号，并且作为响应生成谐振电场。
7.根据权利要求6所述的发射器，其中，所述发射谐振器响应于由所述电容性平衡-不平衡变换器生成的所述谐振电场，被配置为谐振并生成到所述接收器的电场。
8.根据权利要求6所述的发射器，其中，所述发射谐振器响应于由所述电容性平衡-不平衡变换器生成的所述谐振电场，被配置为谐振并生成到所述接收器的谐振电场。
9.根据权利要求3至8中的任意一项所述的发射器，其中，所述发射谐振器包括通过串联电感互连的横向地间隔开的电极。
10.根据权利要求9所述的发射器，其中，所述电容性平衡-不平衡变换器包括横向地间隔开的导电元件，各个导电元件接近至少一个相应的电极并与至少一个相应的电极间隔开。
11.根据权利要求10所述的发射器，其中，所述导电元件和电极大体上对准，使得所述导电元件和电极的主面彼此面对。
12.根据权利要求10或11所述的发射器，其中，所述导电元件和电极通常是平面的。
13.根据权利要求10或11所述的发射器，其中，所述导电元件和电极是弯曲的、成角度的和/或有纹理的。
14.根据权利要求10至13中的任意一项所述的发射器，其中，所述导电元件和电极具有大体上相似的尺寸。
15.根据权利要求10至13中的任意一项所述的发射器，其中，所述导电元件和电极具有不同的尺寸和/或不同的几何形状。
16.根据权利要求3至15中的任意一项所述的发射器，进一步包括连接到所述电容性平衡-不平衡变换器的两端的电力逆变器，所述电力逆变器被配置为输出激励所述电容性平衡-不平衡变换器的所述交变信号。
17.根据权利要求3至15中的任意一项所述的发射器，进一步包括被配置为生成激励所述电容性平衡-不平衡变换器的所述交变信号的源。
18.根据权利要求3至17中的任意一项所述的发射器，其中，所述交变信号是射频(RF)信号。
19.一种用于无线地接收电力的接收器，所述接收器包括：
接收谐振器，所述接收谐振器被配置为在存在生成的电场的情况下谐振；以及电容性平衡-不平衡变换器，所述电容性平衡-不平衡变换器电容性地耦合到所述接收谐振器，并且被配置为响应于所述接收谐振器的谐振输出交变信号。
20.根据权利要求19所述的接收器，其中，所述接收谐振器被配置为在存在生成的谐振电场的情况下谐振。
21.根据权利要求20所述的接收器，其中，响应于所生成的谐振电场，所述接收谐振器被配置为谐振并生成电场。
22.根据权利要求20所述的接收器，其中，响应于所生成的谐振电场，所述接收谐振器被配置为谐振并生成谐振电场。
23.根据权利要求22所述的接收器，其中，响应于由所述接收谐振器生成的谐振电场，所述接收谐振器和所述电容性平衡-不平衡变换器被配置为谐振并生成谐振电场。
24.根据权利要求19所述的接收器，其中，响应于所生成的电场，所述接收谐振器和所述电容性平衡-不平衡变换器被配置为谐振并生成谐振电场。
25.根据权利要求19至24中的任意一项所述的接收器，其中，所述接收谐振器包括由串联电感互连的横向地间隔开的电极。
26.根据权利要求25所述的接收器，其中，所述电容性平衡-不平衡变换器包括横向地间隔开的导电元件，各个电容元件接近至少一个相应的电极并与至少一个相应的电极间隔开。
27.根据权利要求26所述的接收器，其中，所述导电元件和电极大体上对准，使得所述导电元件和电极的主面彼此面对。
28.根据权利要求26或27所述的接收器，其中，所述导电元件和电极是通常是平面的。
29.根据权利要求26或27所述的接收器，其中，所述导电元件和电极是弯曲的、成角度的和/或有纹理的。
30.根据权利要求26至29中的任意一项所述的接收器，其中，所述导电元件和电极具有大体上相似的尺寸。
31.根据权利要求26至29中的任意一项所述的接收器，其中，所述导电元件和电极具有不同的尺寸和/或不同的几何形状。
32.根据权利要求19至31中的任意一项所述的接收器，进一步包括整流器，所述整流器被配置为将所述交变信号转换为直流信号。
33.根据权利要求32所述的接收器，进一步包括调节器，所述调节器被配置为调节所述直流信号。
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