CN111033940B

CN111033940B - 用于无线电力充电的系统

Info

Publication number: CN111033940B
Application number: CN201880021715.1A
Authority: CN
Inventors: I·谢尔曼; I·格卢兹曼; E·曼彻; A·萨尔胡弗
Original assignee: Powermat Ltd
Current assignee: Powermat Technologies Ltd
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2023-11-14
Anticipated expiration: 2038-03-07
Also published as: KR102561311B1; KR20230151984A; EP3373413A1; JP2020512795A; US20220085656A1; US20200321806A1; JP7406376B2; US11218025B2; US11482887B2; CN111033940A; EP4297242A3; WO2018163169A1; EP4297242A2; KR20190137796A; EP3373413B1; JP2023145554A

Abstract

根据本公开主题的第一方面，一种用于通过介质对具有内置线圈的设备进行无线充电的系统，包括：至少一个继电器，适于感应地传输电力以对所述设备充电；和发射器，被配置为向所述至少一个中继器感应地传输用于对所述设备充电的所述电力，其中所述发射器和所述中继器由所述介质分隔，并且其中所述中继器和所述发送器基本上彼此面对；其中所述发射器还包括发射器线圈和构成发射器谐振电路的发射器电容器，其中所述继电器还包括继电器线圈和构成中继谐振电路的继电器电容器，并且其中两个谐振电路的联合共振频率(JRF)具有主共振频率(MRF)；和其中所述发射器以选自OPF范围的工作频率(OPF)工作，其中所述OPF的范围与MRF基本上不同。

Description

用于无线电力充电的系统

技术领域

本公开的主题涉及无线电力充电系统。更具体地，本公开的主题涉及通过介质的多负载感应充电。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求以下共同未决的优先权：2017年3月7日提交的美国临时专利申请No.62/467,903，发明人为Itay Sherman、Elieser Mach、Ilya Gluzman、Amir Salhuv，标题为“Large Range Inductive Tx”。

背景技术

对无线电力充电系统的不断增长的需求导致在各种场所中的急剧部署增加，这提出了增加发射器与接收器之间的有效充电距离的需要。商业上可用的系统被限制在这种系统的发射器和接收器之间的大约10毫米的最大距离。

无线电力充电系统通常部署在公共设施中，例如餐馆，咖啡店，机场，公交车站；火车站，银行，学校，图书馆，酒店，官方建筑等。通常，系统安装在用户可触及的表面(例如桌子、杆等)的顶部，因此需要装饰性外观和无危险的安装。为了一方面满足这些要求并另一方面限制距离，要求在表面顶部布线以及钻表面以限制距离。在某些情况下，这种商用系统的发射器可以安装在表面的切口孔内，这使得安装变得复杂并且在损坏顾客的家具时增加其成本。

显然，在消费者市场中不需要这种商业上可获得的解决方案。此外，这些可用解决方案的无线电力充电水平仅限于需要小于15瓦的手持设备的充电。

发明概述

在一些示例性实施方案中，所述发射器线圈和所述继电器线圈基本上彼此面对，并且其中所述发射器线圈和所述继电器线圈的尺寸基本相等并且基本上大于标准内置线圈。

在一些示例性实施方案中，所述发射器还包括发射器电子器件和铁氧体层，其中所述铁氧体层位于所述发射器线圈和所述发射器电子器件之间的缓冲器中，并且其中所述发射器线圈通过所述介质面向所述继电器。

在一些示例性实施方案中，所述继电器还包括具有开口的中继铁氧体层，其中所述中继铁氧体层位于面向所述设备的一侧的继电器线圈上，并且其中所述开口形状和尺寸可持续地匹配所述内置线圈的尺寸。

在一些示例性实施方案中，所述继电器包括与所述继电器线圈串联连接的第二继电器线圈，其中所述第二继电器线圈的一侧面向所述设备，并且另一侧由第二继电器铁氧体层覆盖，以及其中所述第二继电器线圈大于所述内置继电器。

在一些示例性实施方案中，所述继电器线圈和所述第二继电器线圈布置在两个平面上。

在一些示例性实施方案中，所述继电器还包括多个第二继电器线圈，用于同时对多个设备充电，其中多个第二中继线圈是多个负载线圈，每个负载线圈具有谐振电容器，从而构成全部与所述继电器谐振电路并联的多个负载线圈谐振电路，其中每个具有不同谐振频率的负载线圈适于对多个设备中的一个设备充电。

在一些示例性实施方案中，所述发射器电子器件被配置为确定OPF和OPF的范围以通过脉冲宽度调制(PWM)信号控制功率传输，并且其中所述发射器电子器件还被配置为与所述设备通信。

在一些示例性实施方案中，所述发射器通过交错的PWM信号控制每个负载线圈的功率传输，其中所述交错的PWM信号由时隙组成，每个时隙专用于特定的负载线圈，并且其中每个时隙由所述特定负载线圈的PWM信号组成。

在一些示例性实施方案中，所述时隙具有持续时间，其中基于每个设备的功率需求确定持续时间，并且其中功率需求由所述多个设备中的每个设备通信到所述发射器。

在一些示例性实施方案中，所述发射器电子器件被配置为使所述多个设备通信同步以避免至少两个设备之间的通信重叠。

在一些示例性实施方案中，所述发射器电子设备被配置为通过将所传递的功率改变到所述至少两个重叠设备中的一个来同步所述多个设备通信。

在一些示例性实施方案中，所述发射器电子设备能够通过利用围绕所述内置线圈的谐振频率调谐的滤波器来同时区分多个设备通信。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开主题所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的那些类似或等同的方法和材料可用于本公开主题的实践或测试，但下文描述了合适的方法和材料。如果发生冲突，将以说明书(包括定义)为准。另外，材料、方法和实施方案仅是说明性的而不是限制性的。

附图说明

仅通过举例的方式，参考附图描述了所公开主题的一些实施方案。现在具体参考附图，要强调的是，所示的细节仅是示例性的，并且仅出于对本公开主题的优选实施方案的说明性讨论的目的，并且是为了提供被认为是对所公开主题的原理和概念方面的最有用和易于理解的描述的原因而呈现。在这方面，没有试图比对所公开的主题的基本理解所必需的更详细地显示所公开的主题的结构细节，参考附图的描述使得本领域技术人员清楚如何可以在实践中体现所公开的主题的若干形式。

在图中：

图1示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的无线电力充电系统的安装的横截面视图；

图2示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的另一无线电力充电系统的安装的横截面视图；

图3示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的用于通过介质进行无线电力充电的系统的框图；

图4A示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的用于通过介质进行无线电力充电的系统的多负载中继布局的俯视图；

图4B示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的用于通过介质进行无线电力充电的系统的多负载继电器的原理示意图；

图5A-5C示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的PWM和交错PWM时序图的示例；并且

图6A-6C示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的PWM和交错PWM时序图的另一示例。

发明详述

在详细解释所公开的主题的至少一个实施方案之前，应理解，所公开的主题不限于其在以下描述中阐述的或者在附图中示出的构造的细节和组件的布置的应用。所公开的主题能够具有其他实施方案或者能够以各种方式实践或实施。而且，应该理解，这里采用的措辞和术语是为了描述的目的，不应该被认为是限制性的。附图通常不按比例绘制。为清楚起见，在一些附图中省略了非必要元件。

术语“包括”、“包括有”、“包含”、“包含有”和“具有”以及它们的同根变形词意指“包括但不限于”。术语“由...组成”具有与“包括且限于”相同的含义。

术语“基本上由......组成”是指组合物、方法或结构可包括其他成分、步骤和/或部分，但仅在附加成分、步骤和/或部分不实质改变要求保护的组合物、方法或结构的基本和新颖特征的情况下才允许。

如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文另有明确说明。例如，术语“化合物”或“至少一种化合物”可包括多种化合物，包括其混合物。

在整个本申请中，可以以范围格式呈现该公开主题的各种实施方案。应当理解，范围形式的描述仅仅是为了方便和简洁，并且不应该被解释为对所公开的主题的范围的不灵活的限制。因此，应该认为范围的描述具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。

应当理解，为了清楚起见，在单独的实施方案的上下文中描述的所公开的主题的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施方案的上下文中描述的所公开主题的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合提供，或者在所公开的主题的任何其他描述的实施方案中适当地提供。在各种实施方案的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施方案的必要特征，除非该实施方案在没有那些元件的情况下不起作用。

现在参考图1，其示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的无线电力充电系统的安装的剖视图。无线电力充电系统可以包括发射器(Tx)100和至少一个继电器200。

在一些示例性实施方案中，Tx 100可以安装在介质10的一侧，而继电器200可以安装在介质10的相对侧。介质10可以由任何不导电的材料制成，例如木材、塑料花岗岩、大理石、它们的组合等。应注意，在本公开中，介质10指的是公共场所中的用户可及的表面，诸如台子、桌子、杆等。例如：餐馆，咖啡馆，机场，公交车站；火车站，银行，学校，图书馆，酒店，官方建筑等。

在一些示例性实施方案中，Tx 100包括发射器线圈(Lt)110；发射电容器(Ct)130；发射器铁氧体(Tx-铁氧体)119和发射器电子器件(Tx-elec.)150；所有这些都包含在可以通过紧固件102固定到介质10的发射器外壳(Tx外壳)101内。

在一些示例性实施方案中，继电器200可包括继电器线圈(Lr)210；继电器铁氧体219和继电器电容器(Cr)230；所有这些都包含在可以固定到介质10的相对侧的继电器外壳201中。外壳201可以具有垫子、垫板、碟子、杯垫、它们的组合等的形状和形状因子。继电器200的外壳201可以通过胶水或任何其他方法固定到介质10，这保证了继电器200和Tx100从介质10的两侧彼此重叠。应当注意，继电器200和Tx 100各自重叠。另外，为了优化两者之间的电感，Lt 110和Lr 210应基本上对齐，以便彼此面对，如图1所示。

在一些示例性实施方案中，由电源(PS)160(未示出)供电的Tx 100可被配置为利用继电器200用于对放置在继电器200上的设备20进行感应(无线)充电。设备20可以是用户的设备，如平板电脑、笔记本电脑、智能手机或任何可充电的手机；其中包括内置线圈22，其构造成接收感应电力并对设备20的电池充电。应当注意，内置线圈22指的是上面列出的设备的标准接收器的线圈。通常，这些标准接收器的线圈的直径约为40毫米。

应当注意，本公开中的组件Lt 110，Lr 210/Lr 310和线圈22的术语分别对应于相关临时专利申请的第一Tx线圈、第二Tx线圈和Rx线圈。

类似于Lr 210和Lt 110，线圈22和Lr 210可以基本上彼此面对并且彼此重叠，即线圈22和Lr 210的中心可以对准，以便满足有效充电标准之一。为了确保对准，继电器200的外壳201可以标记有布局，该布局用于向用户指示用于将设备20定位在继电器200顶部上的最佳位置，以便获得有效充电。然而，即使设备20没有精确地定位在继电器200的顶部，无线充电系统也可以适于提供充电，如图1所示。

在一些示例性实施方案中，Lr 210和Lt 100都可以是扁平螺旋空心线圈，其直径大于100mm。尽管厚度等于或大于30毫米的介质10，但是这种大线圈的使用允许Lr 210和Lt100之间的相对高的耦合。在图1所示的实施方案中，Lr 210和Lt 100之间的耦合因子可以大于0.25。在图1所示的实施方案中，典型线圈22和Lr 210之间的耦合可以大于0.15。

在一些示例性实施方案中，Tx 100包括发射器铁氧体(Tx-铁氧体)119。Tx-铁氧体119可以是由铁氧体材料制成的层，其具有合适的磁导率和磁芯损耗的磁特性。利用Tx-铁氧体119的一个技术原因是提供用于保护Tx-电子器件150免受感应能量的缓冲器。利用Tx-铁氧体119的另一个技术原因可以是增加面向继电器200的磁场；因此，增加Lt 110的电感。Tx-铁氧体119的性质如厚度、柔韧性、脆性、它们的组合等可以由提供本公开的系统的应用决定。例如，厚度和制造介质10的材料。由于Lt 110可以具有圆形形状，因此Tx-铁氧体119的形状也可以是圆形，其直径等于或大于Lt 110的外径。可选地，Tx-铁氧体119可具有任何几何平面图形的形状，只要Lt 110外径是几何平面图内的内切圆即可。

在一些示例性实施方案中，继电器200可以包括继电器铁氧体219。继电器铁氧体219可以是由类似于Tx-铁氧体119的铁氧体材料制成的层。利用继电器铁氧体219的一个技术原因是为提供保护设备20的电子电路免受感应能量的影响的缓冲器。利用继电器铁氧体219的另一个技术原因可能是增加面向Tx100的磁场；因此，增加Lr 210的电感。继电器铁氧体219具有与Tx-铁氧体119的特性类似的特性。由于Lr 210可以具有圆形形状，所以继电器铁氧体219的形状也可以是直径等于或大于Lr 210外径的圆形。可选地，继电器铁氧体219可具有任何几何平面图形的形状，只要Lr 210外径是几何平面图内的内切圆即可。

应注意，继电器铁氧体219需要位于其中心的切口。切口的尺寸可以等于或略大于可充电设备的典型接收器线圈的外径，例如设备20的线圈22。切口的形状可以是圆形或定形以便允许Lr 210和线圈22之间的磁通量通过的围绕线圈22的任何几何表面。

在所公开的主题的一些示例性实施方案中，至少一个谐振电容器(Ct)130可以串联连接到Lt 110，并且至少一个谐振电容器(Cr)230可以串联连接到Lr 210。因此，谐振电容器放置在每个线圈的内径空间内。可选地，谐振电容器可以相应地放置在每个线圈的外径空间附近，或者放置在相应的外壳内的其他地方。

本公开的继电器铁氧体219增加线圈22和Lr 210的耦合因子以更好地利用市售标准传输线圈模拟线圈22的行为，并且还减少从Lt 110到线圈22的任何直接耦合，这种直接耦合在本公开的系统中是不期望的。此外，Tx 100和继电器200两者的谐振电容器旨在稳定系统操作点、线圈22负载的依赖性并允许高效率的电力传输。在一些示例性实施方案中，Lt110和Ct 130(即Tx 100LC电路)的谐振频率可以被设置为显着低于诸如线圈22的典型线圈的谐振频率(大约100kHz)并且显着低于Lr 210和Cr 230(即继电器200LC电路)的谐振频率。

在一些示例性实施方案中，当不存在负载时，Tx 100和继电器200LC电路的组合可以形成两个不同的谐振频率，在下文中，称为联合谐振频率(JRF)。JRF的第一谐振频率可以与Tx 100LC电路的谐振频率相邻；但是，无论如何都更低。JRF的第二谐振频率可以与继电器200LC电路的谐振频率相邻，但是在任何情况下都更高。应当注意，短语“Tx 100和继电器200LC电路的组合”在本公开中指的是这样的状态Tx 100和继电器200彼此面对，例如图1中所示，并且对Tx 100施加电力。还应注意，第二谐振频率，即较高的谐振频率，应被视为本公开系统的主谐振频率(MRF)。

Tx 100LC电路和继电器200LC电路的谐振频率被设计为使得其上没有线圈22的JRF被调谐到比期望的Tx100的最大工作频率低并且比线圈22的谐振频率告的特定范围(通常为20-50kHz)。

作为示例，Lt 110的电感可以约为30μH；Ct 130的电容可以约为290μF，这提供了大约54kHz的Tx 100LC电路的谐振频率。然而，Lr 210的电感可以约为60μH；Ct 130的电容可以是大约37.5nF，这提供了继电器200LC电路的大约106kHz的谐振频率。在这样的优选示例性实施方案中，系统MRF可以是117kHz(即，高于继电器200LC电路的谐振频率的106kHz)，条件是安装的继电器200和Tx110之间的间隙可以是大约30毫米。而且，Lt110和Lr210的外径可以是大约125毫米，而铁氧体219中的切口直径可以是大约55毫米。

在一些示例性实施方案中，工作频率(OPF)可以在121kHz-140kHz之间的范围内，其中该范围的较低OPF可以比MRF高4kHz，即117kHz，最大频率可比规定限值低5kHz，即145kHz。可选地，可以将最大OPF设置为低于MRF和规定最大频率限值。对于具有与上述实施例类似的线圈的装置，具有厚度0.5”的介质10，MRF可以是140kHz。因此，操作范围可以设置为115kHz-136kHz，最大频率比MRF低4kHz并且低于规定限值。

应该理解，本公开的系统避免了在谐振频率下的操作。本公开系统的优选OPF可以在被移位到低于或高于主谐振频率(MRF)的频率的频率范围内。

现在参考图2，其示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的另一无线电力充电系统的装置的剖视图。

在一些示例性实施方案中，Tx 100可以安装在介质10的一侧，而继电器300可以安装在表面10的相对侧。介质10可以由任何不导电的材料制成，例如木材、塑料花岗岩、大理石、它们的组合等。应注意，在本公开中，介质10指的是公共场所中用户可及的诸如台子、桌子、杆等的表面。例如：餐馆，咖啡馆，机场，公交车站；火车站，银行，学校，图书馆，酒店，官方建筑等。

在一些示例性实施方案中，Tx 100包括发射器线圈(Lt)110；发射电容器(Ct)130；发射器铁氧体(Tx-铁氧体)119和发射器电子器件(Tx-elec.)150；所有这些都包含在通过紧固件102固定到介质10的发射器外壳(Tx外壳)101内。

在一些示例性实施方案中，继电器300包括继电器线圈(Lr)310；次级继电器线圈(sLr)320；继电器铁氧体319；第二继电器铁氧体329和继电器电容器(Cr)330；所有这些都包含在可以固定到介质10的相对侧的继电器外壳301中。外壳301可以具有垫子、垫板、碟子、杯垫、它们的组合等的形状和形状因子。继电器300的外壳301可以通过胶水或任何其他方法固定到介质10，所述方法保证继电器300和Tx 100从介质10的两侧彼此重叠。应当注意，继电器300和Tx 100彼此重叠，因此Lt 110和Lr 310应基本上对齐以便彼此面对，以优化两者之间的电感，如图2所示。

在一些示例性实施方案中，Tx 100由电源(PS)160供电(图2中未示出，如图3所示)，可被配置为利用继电器300来对放置在继电器上的设备20进行感应(无线)充电。设备20可以是用户的设备，例如平板电脑、笔记本电脑、智能电话或任何可充电的移动手持设备，其包括内置线圈22，内置线圈22被配置为接收感应电力并对设备20的电池充电。

在所公开的主题的一些示例性实施方案中，继电器300还可以包括次级继电器线圈sLr 320，其可以与Lr 310串联电连接。相反，Lr 310可以布置成位于两个平面高度的两个部分中，其中与面向Lt 110的Lr 310的外部相比，内线圈(即sLr 320)或可选地Lr 310的部分升高。

线圈22和sLr320可以基本上彼此面对并且彼此重叠，即，线圈22和sLr 320的中心对准，以便满足有效充电标准之一。为了对准，继电器300的外壳301可以标记有布局，该布局向用户指示用于将设备20定位在继电器300顶部上的最佳位置，以便获得有效充电。然而，即使设备20没有精确地定位在继电器300的顶部，无线电力充电系统也可以适于提供电力充电，如图2所示。

在一些示例性实施方案中，Lr 310和Lt 100都可以是直径大于100mm的扁平螺旋空心线圈，而同样具有扁平螺旋空心线圈的sLr 320可以具有适合典型接收器的线圈如线圈22的较小直径。这种大线圈的使用允许Lr310和Lt 100之间的相对高的耦合，以便克服等于或大于30mm的介质10的厚度。在图2所示的实施方案中，Lr 310和Lt 100之间的耦合因子可以大于0.25，对于中等厚度可以达到30毫米。在图2所示的实施方案中，典型线圈22和sLr320之间的耦合可以大于0.15。

应注意，sLr 320可能不受Lt 110的直接影响，因为第二继电器铁氧体329阻挡磁场(将在下面进一步详细描述)；然而，由于Lr 310和sLr 320串联连接，因此感应到Lr 310的相同电流流过sLr 320。

在一些示例性实施方案中，Tx 100可以包括发射器铁氧体(Tx-铁氧体)119。Tx-铁氧体119可以是由具有合适的磁导率和磁芯损耗的磁特性的铁氧体材料制成的层。利用Tx-铁氧体119的一个技术原因可能是提供用于保护Tx-elec.150免于感应能量影响的缓冲器。利用Tx-铁氧体119的另一个技术原因可能是增加面向继电器300的磁场，从而增加Lt 110的电感。Tx-铁氧体119的性质如厚度、柔韧性、脆性、它们的组合等可以是由可以提供本公开的系统的应用决定。例如，厚度和制造介质10的材料。由于Lt 110可以具有圆形形状，因此Tx-铁氧体119的形状也可以是直径等于或大于Lt 110外径的圆形。可选地，Tx-铁氧体119可具有任何几何平面图形的形状，只要Lt 110外径是几何平面图内的内切圆即可。

在一些示例性实施方案中，继电器300可以包括继电器铁氧体319。继电器铁氧体319可以是由类似于Tx-铁氧体119的铁氧体材料制成的层。利用继电器铁氧体319的一个技术原因可以是提供用于保护设备20的电子电路免受感应能量的影响的缓冲器。利用继电器铁氧体319的另一个技术原因是增加面向Tx100的磁场；因此，增加Lr 310的电感。继电器铁氧体319可具有与Tx-铁氧体119的特性类似的特性。由于Lr 310可具有圆形形状，所以继电器铁氧体319的形状也可为具有等于或大于Lr 310外径的直径的圆形。可选地，只要Lr 310外径是几何平面图内的内切圆，继电器铁氧体319可具有任何几何平面图形的形状。

应注意，继电器铁氧体319可能需要位于其中心的切口。切口的尺寸可以等于或略大于可充电设备的典型接收器线圈(例如设备20的线圈22)的外径。切口的形状可以是圆形或定形以便使磁通量在Lr 310和线圈22之间通过的围绕线圈22的任何几何平面。

在所公开的主题的一些示例性实施方案中，继电器300还包括第二继电器铁氧体329，其被配置为阻止由Lt 110感应到sLr 320的磁场并且增强朝向线圈22的sLr 320电感。第二继电器铁氧体329具有与Tx-铁氧体119和继电器铁氧体319的特性相似的特性。铁氧体329的形状可以等于或略大于继电器铁氧体319的切口形状。实际上，继电器铁氧体319的切口可以用作铁氧体329，铁氧体329位于Lr 310的内径内并且在同一平面上，而sLr 320可以位于铁氧体229的顶部。

在所公开的主题的一些示例性实施方案中，至少一个谐振电容器(Ct)130可以串联连接到Lt 110，并且至少一个谐振电容器(Cr)330可以串联连接到Lt 310。因此，谐振电容器可以放置在每个线圈的内径空间内。可选地，谐振电容器可以相应地放置在每个线圈的外径空间附近，或者放置在相应的外壳内的其他地方。

本发明的继电器铁氧体319增加了线圈22和Lr 310的耦合因子，以利用市售标准传输线圈更好地模拟线圈22的行为，并且还减少了从Lt 110到线圈22的任何直接耦合，该直接耦合在本公开的系统中是不期望的。此外，Tx 100和继电器300的谐振电容器旨在稳定系统操作点，线圈22负载的依赖性并允许电力传输的高效率。在一些示例性实施方案中，Lt110和Ct 130的谐振频率(即Tx 100LC电路)可以被设置为显着低于典型线圈22的谐振频率(大约100kHz)并且显着低于Lr 310和Cr 330(即继电器300LC电路)的谐振频率。

在一些示例性实施方案中，当不存在负载时，Tx 100和继电器300LC电路的组合可以形成两个不同的谐振频率，在下文中，称为联合谐振频率(JRF)。JRF的第一谐振频率可以与Tx100 LC电路的谐振频率相邻，但是，无论如何，它都会更低。JRF的第二谐振频率可以与继电器300LC电路的谐振频率相邻，但是，它会更高。应当注意，短语“Tx 100和继电器300LC电路的组合”在本公开中指的是Tx 100和继电器300彼此面对的状态，如图2所示，并且向Tx100施加电力。还应注意，第二谐振频率，即更高的谐振频率，在本公开系统中应被视为主谐振频率(MRF)。

Tx 100LC电路和继电器300LC电路的谐振频率被设计成使得它们的JRF(其上没有线圈22)被调谐到具有比Tx 100的期望最大OPF低并且比线圈22的谐振频率高的特定范围(通常为20-50kHz)。

在一个优选的示例性实施方案中，Lt 110的电感可以约为30μH；Ct130的电容可以约为290μF，这提供了Tx 100LC电路的谐振频率约为54kHz。然而，Lr 310的电感可以约为60μH；Ct 130的电容可以约为37.5nF，这为继电器300LC电路提供大约106kHz的谐振频率。在这样的优选示例性实施方案中，系统MRF可以是117kHz(即，高于继电器300LC电路的谐振频率的106kHz)，假设安装的继电器300和Tx110之间的间隙可以是大约30毫米。而且，Lt110和Lr310的外径可以约为125毫米，而Lr320的外径可以约为55毫米。

在一些示例性实施方案中，OPF的范围在121kHz-140kHz之间，其中该范围的较低OPF可以比MRF高4kHz，即117kHz，并且最大频率可以比规定限值低5kHz，即145kHz。可选地，可以将最大OPF设置为低于MRF和规定最大频率限值。对于具有与上述实施例中的类似线圈的装置，具有0.5”的介质厚度，MRF可以是140kHz。因此，操作范围可以设置为115kHz-136kHz，最大频率比MRF低4kHz并且低于规定限值。

现在参考图3，其示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的用于通过介质进行无线电力充电的系统的框图。用于通过介质进行无线电力充电的系统包括PS 160、Tx100发射器以及中继器200或中继器300。

在一些示例性实施方案中，该系统可以适于利用Tx 100来通过继电器200或继电器300为用户的可充电设备充电，例如图1和图2的设备20。继电器200和继电器300都可以是无源电子电路，用作中继器，用于将充电能量无线传输到设备20等。继电器200可包括形成LC谐振电路的至少一个线圈(电感器)和一个电容器，如图1所示。可提供替代继电器，即继电器300，以增强电感并与设备20的线圈22耦合。继电器300包括至少两个线圈和一个电容器，它们形成LC谐振电路，例如图2所示的电路。

在一些示例性实施方案中，Tx 100可包括发射器电子器件(Tx elect)150、至少一个Lx 110线圈和电容器Ct 130，其被配置用于在继电器200或继电器300的线圈中感应电流，如分别如图1和图2所示。

在一些示例性实施方案中，Tx-elect 150包括控制器151；全桥或半桥驱动器152，DC电流传感器153，DC电压传感器154和AC电流传感器155。

控制器151可以是中央处理单元(CPU)、微处理器、电子电路、集成电路(IC)等。另外或替代地，控制器151可以实现为针对诸如数字信号处理器(DSP)或微控制器之类的特定处理器编写或移植的固件，或者可以实现为硬件或可配置硬件，例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。控制器151可用于执行Tx 110或其任何子组件所需的计算。

在所公开的主题的一些示例性实施方案中，控制器151被配置为确定以下参数：

a.通过获取和测量DC电压传感器154的结果，PS 160上的DC电压。

b.由PS 160通过获取和测量DC电流传感器153的结果而提供的DC电流。

c.通过获取并测量AC电流传感器155的结果来向Lt 110提供的AC电流。可选地，可以通过利用DC电流传感器153感测从电源流到驱动器的瞬时电流来确定输出AC电流。

应当注意，确定AC电流的参数可以包括峰值电流、绝对电流的平均值、RMS电流、一次谐波的幅度以及它们的任何组合，等等。

在一些示例性实施方案中，控制器151包括半导体存储器组件(未示出)。存储器可以是永久存储器或易失性存储器，例如闪存、随机存取存储器(RAM)、可编程只读存储器(PROM)、可重编程存储器(FLASH)及其任何组合，等等。

在一些示例性实施方案中，存储器保持程序代码以激活控制器151来执行与确定控制全桥或半桥驱动器152的脉冲宽度调制(PWM)信号相关联的动作。通过调制流过Lt 110的电流的OPF和/或占空比，驱动器152可调节流过Lt 110的输出电流，即由Tx 100提供的电力。在一些示例性实施方案中，在控制器151中产生的PWM信号调谐调制以满足诸如设备20之类的负载的无线充电需求。在一个替代实施方案中，可以控制DC电源的幅度。

应当注意，PWM信号频率和占空比可以由控制器151在OPF范围内设置，如前所述。另外，控制器151可以基于设备20的电力需求在OPF范围内改变OPF。

在一些示例性实施方案中，控制器151可以利用其存储器来保留连接软件、监视信息、配置和控制信息以及与本公开系统的计费管理相关联的应用。

在一些示例性实施方案中，控制器151可以被配置为基于符合以下通信标准的协议来与设备20通信：电力事务联盟(PMA)；无线电力财团(WPC)和AirFuel Alliance。根据这些通信方法，但不限于，控制器151可以被配置为从设备20获取用户的凭证，以便认证用户以授予和调节充电服务。另外或替代地，控制器151还可以被配置为从设备20获取其功率要求。

为了简化下文中的实施方案的说明，继电器200和继电器300可以被称为“继电器”，线圈Lr 210和Lr 310也可以被称为“Lr”。应注意，以下解决方法适用于继电器200和继电器300及其受相应的子组件。

还应注意，下文中描述的解决方案/程序可以利用由在同一天公开的主题的申请人所提交的共同未决申请中公开的校准方法。该共同未决申请完全通过引用并入本文。在一些示例性实施方案中，校准方法还可以产生Tx100与Tx 100的继电器、JRF、MRF、OPF、OPF范围、数字ping及其任何组合等之间的耦合因子(k)的确定。在一些示例性实施方案中，耦合因子(k)是预定值。

本公开的另一个主要目的是扩展图1和图2中描绘的系统的能力。如图1-3所示，通过添加多个继电器，例如继电器300，用于提供更大的充电区域和/或同时对多个设备20充电，其中多个继电器可以由单个Tx100支持。

现在参照图4A，其示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的用于通过介质进行无线电力充电的系统的多负载继电器400布局的俯视图。多负载继电器400可以基于与图3中所示的继电器300相同的主要结构。

在一些示例性实施方案中，用于通过介质进行无线电力充电的系统可以包括多负载继电器400而不是继电器300。该系统可以基于相同的发送器Tx100(未示出)，如示例性图1、2和3中所示。Tx 100可以将多重负载继电器400安装在介质10的一侧，而多负载继电器400可以安装在介质10的相对侧。

在一些示例性实施方案中，多负载继电器400可以包括Lr310和等效于示例性图3的次级继电器线圈Lr320的多个负载线圈，其中每个负载线圈可以被配置为对一个设备充电，例如示例性图1和2的设备20。

多负载继电器400可以固定到介质10，以保证多负载继电器400和Tx 100从介质10的两侧彼此重叠。应注意，多负载继电器400和Tx 100彼此重叠，使得Lt110和Lr310应该是如图2所示基本上彼此对齐，以优化两者之间的电感。

在所公开的主题的优选方案中，多负载继电器400可以包括三个(但不限于)负载线圈1Lr321、2Lr322和NLr32N，其可以布置在一个平面中，而Lr310可以位于面向Tx100(介质10)的平行平面中。在一些示例性方案中，Lr310的中心可以定位在距每个负载线圈的中心相同的距离处。负载线圈1Lr321、2Lr322和NLr32N可以通过铁氧体层与Lr310分离，这提供了增加的电感以及Lt110从面向负载线圈的设备20产生的磁场的隔离。面向多负载线圈400的侧面的设备20可以标记有斑点，例如421、422和42N。这些斑点指示用户，将设备20定位在多负载继电器400顶部的最佳位置，以获得有效充电。应当注意，多负荷继电器的所有线圈可以是具有与继电器300类似的特性的扁平螺旋空心线圈。

现在参照图4B，其示出了根据所公开主题的一些示例性方案的用于通过介质进行无线电力充电的系统的多负载继电器400的原理示意图。多负载继电器400可以是支持对多个设备(例如设备20)充电的电路，其中多负载继电器400的多个继电器可以由Tx100通过介质10感应供电。

在所公开的主题的一些优选方案中，多负载继电器400电路可以包括基于继电器线圈Lt110的面向Tx100的分支和基于负载线圈的三个面向器件的分支，其中所有分支彼此并联电连接。每个负载线圈支路包括用于2Lr322的1Lr321、2Cr332和用于NLr32N的NCr33N的电容器1Cr331，以形成用于每个支路的独立谐振电路，其中每个负载线圈支路可以分别专用于充电点421、422和42N。

面向Tx100(主)分支包括继电器线圈Lt110电容器Cr230，其与并联连接的调谐电容器Crr231和电感器Lrr311一起形成谐振电路。在一些示例性方案中，每个负载线圈分支与主分支一起被赋予不同的谐振频率，从而产生不同的JRF和不同的OPF与Lt110。基于这种架构，Tx100可以在OPF下工作，该OPF与所选负载线圈的MRF接近但实质上不同，从而将能量输出到所选择的负载线圈。因此，对所选择的负载线圈产生最大激励，同时产生显着低的激励并将功率传输到其他负载线圈。上述架构允许成本有效地实现多负载继电器，以支持更大的充电区域和多充电点。

在所公开的主题的一些示例性方案中，Tx100可以同时向至少两个不同的负载线圈提供感应充电能量，用于对至少两个负载线圈的充电点上的充电装置20进行充电。在这样的同时充电方式中，控制器151可以产生交错PWM信号(IPWM)，其包括用于第一负载线圈的PWM信号(第一PWM)和用于第二负载线圈的PWM信号(第二PWM)，其中每个周期IPWM可以由第一PWM和第二PWM时隙组成。因此，IPWM可以使驱动器152基于放置在它们上的设备20的需要向第一和第二负载线圈输送功率，因为每个时隙一次使OPF、占空比和与每个负载线圈相关和幅度影响驱动器152。

在一些示例性方案中，时隙周期可以基于所有有源负载线圈的所有谐振频率是其整数除法的公共频率，而所分配的时隙的宽度与要转移到的相对功率相关。在示例性实施方式中，可以将至少两个负载线圈的OPF选择为单个时隙频率的整数除法。对于使用全桥的操作，优选两个整数可以是单个时隙频率的均分。

现在参考图5A-5C，示出了根据所公开主题的一些示例性方案的PWM和交错PWM时序图的示例。该例子涉及两个负载线圈的方案，其OPF为120khz(图5A)和150khz(图5B)，其中交错频率设置为1.2Mhz，因此分别为10和8的整数。

每个周期被分成两个槽，每个槽用于一个负载线圈，其中槽持续时间可以从每个设备20所请求的相对功率导出。在第一时隙第一PWM起源于控制器151，将使驱动器152向第一负载线圈分支，例如在第二时隙期间，起始于控制器151的第二时隙，将使驱动器152将功率输送到第二负载线圈分支，例如第二负载线圈分支。其中，第一PWM和第二PWM是OPF，它们接近但基本上不同于每个负载线圈的特定MRF。

图5C示出了示例性场景的交错时序图，其中第一负载线圈以120khz运行，需要的功率是运行在150khz的第二负载线圈的一半，并且它们的总功耗等于可由Tx100驱动的总功率。

现在参考图6A-6C，示出了根据所公开主题的一些示例性方案的PWM和交错PWM时序图的另一示例。该示例还涉及具有120khz(图6A)和150khz(图6B)的OPF的两个负载线圈的方案，其中交织频率被设置为1.2Mhz，因此分别为10和8的整数。然而，在这个例子中，第一(图6A)和第二(图6B)之间的功率比略低于2比1，并且组合功率低于Tx100的最大驱动功率。因此，第二负载线圈(150kHz)具有更高的功率，其占空比减少到37.5％而不是50％，而时隙时间比保持在1/2。

在一些示例性方案中，可以选择用于驱动叠加线圈的OPF略微偏离负载线圈的谐振频率，以便提高负载开关的稳定性和容差。

所公开的主题涉及的一个技术问题是处理与诸如设备20的多个设备的通信。由于设备使用异步通信而非负载调制并且因为多个设备可能尝试同时与Tx100通信，所以可能表现出该问题。

应注意，在稳态下，诸如设备20的商业可用设备与包括功率控制的发射机通信分组，并且以固定的时间间隔报告信息。由于任何稳态操作参数的改变，可以中断固定的时间间隔。在启动时，设备在电源信号启动的固定时间间隔内进行通信。

一种技术解决方案是由控制器151控制设备的传输定时，以防止由多负载继电器400服务的多个设备之间的显着通信重叠。在一些示例性方案中，当设备被放置在例如点401上时，当Tx100已经在Tx100上运行时，控制器151可以分析其固定的时间间隔并且向其他设备生成数字ping，使得来自其他设备的预期通信不会与放置在地点401上的设备的固定时间间隔相互重叠。

另一种技术解决方案是关闭设备通信时序。在一些示例性方案中，控制器151可以改变为其中一个装置充电的负载线圈的OPF的占空比。因此，设备将很快响应功率修改请求，这将通过改变其固定时间间隔来产生，以避免与其他设备的重叠通信。

另一种技术解决方案是增加Tx100滤波器，该滤波器分离应用于OPF的每个OPF的负载调制。在一些示例性方案中，该方法使得TX100能够同时解码来自多个不同设备的通信。

在一些示例性方案中，从发射器到设备的通信可以基于频率调制，使得可以在适用的时隙中分别对每个设备执行对OPF的修改。

应注意，一些通信分组丢失可能对本公开系统的正常操作具有显着影响。

如上所述的本公开系统的多负载中继概念不必限于分离的Tx100和中继架构，并且可以在商业可用的架构中使用。为了将多负载继电器概念与商用系统一起使用，发送器的驱动电路可以与它们各自的谐振电容器并联连接到多个负载线圈。上面详述的组件可以实现为一组或多组相互关联的计算机指令，例如由控制器151或另一处理器执行。组件可以被布置为以任何编程语言并在任何计算环境下编程的一个或多个可执行文件、动态库、静态库、方法、功能、服务等。

本公开的主题可以是系统、方法和/或计算机程序产品。该计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质(或多个介质)，其上具有计算机可读程序指令，用于使处理器执行本公开主题的各方面。

计算机可读存储介质可以是有形设备，其可以保留和存储指令以供指令执行设备使用。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或前述的任何合适组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非详尽列表包括以下内容：便携式计算机磁盘，硬盘，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)，静态随机存取存储器(SRAM)，便携式光盘只读存储器(CD-ROM)，数字通用光盘(DVD)，记忆棒，软盘，机械编码设备，例如在其上记录有指令的凹槽中的穿孔卡或凸起结构，以及前述的任何合适的组合。这里使用的计算机可读存储介质不应被解释为暂时性信号本身，例如无线电波或其他自由传播的电磁波，通过波导或其他传输介质(例如，通过光纤电缆的光脉冲)传播的电磁波或通过电线传输的电信号。

本文描述的计算机可读程序指令可以经由网络从计算机可读存储介质或外部计算机或外部存储设备下载到相应的计算/处理设备，网络例如为因特网、局域网、广域区域网络和/或无线网络。网络可以包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配器卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发计算机可读程序指令以存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开主题的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令，状态设置数据或者源代码或以一种或多种编程语言的任意组合编写的目标代码，包括面向对象的编程语言，如Smalltalk、C++等，以及传统的过程编程语言，如“C”编程语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全在用户的计算机上，部分在用户的计算机上，作为独立的软件包，部分地在用户的计算机上且部分地在远程计算机上，或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，网络包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者可以连接到外部计算机(用于例如，通过因特网，使用互联网服务提供商)。在一些实施方案中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化电子电路来执行计算机可读程序指令，以执行本公开主题的各方面。

这里参考根据所公开主题的实施方案的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本公开主题的各方面。将理解，流程图图示和/或框图的每个框以及流程图图示和/或框图中的框的组合可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得指令通过计算机或者其他可编程数据处理装置的处理器执行，创建用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的模块。这些计算机可读程序指令还可以存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质可以指示计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式起作用，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括一种制品，包括实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的各方面的指令。

计算机可读程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的过程，使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的指令实现在流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开主题的各种实施方案的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示指令模块、段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，框中提到的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应注意，框图和/或流程图图示的每个框以及框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行特定功能或动作或实行专用硬件和计算机指令的组合的专用的基于硬件的系统来实现。

本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并不意图限制所公开的主题。如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素、组件和/或其组。

以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元素执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开主题的描述，但是并不旨在穷举或限于所公开形式的公开主题。在不脱离所公开的主题的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择和描述实施方案是为了最好地解释所公开的主题和实际应用的原理，并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施方案的所公开的主题。

Claims

1.一种用于通过介质对具有内置线圈的设备进行无线充电的系统，包括：

至少一个继电器，适于感应地传输电力以对所述设备充电；和

发射器，被配置为向所述至少一个中继器感应地传输用于对所述设备充电的所述电力，其中所述发射器和所述至少一个中继器由所述介质分隔，并且其中所述至少一个中继器和所述发射器基本上彼此面对；

其中所述发射器还包括发射器线圈和构成发射器谐振电路的发射器电容器，其中所述至少一个中继器还包括继电器线圈和构成中继谐振电路的继电器电容器，并且其中两个谐振电路的联合共振频率JRF具有主共振频率MRF；

其中所述发射器以选自OPF范围的工作频率OPF工作，其中所述OPF的范围与MRF不同；而且

其中所述至少一个中继器包括与所述继电器线圈串联连接的第二继电器线圈，其中所述第二继电器线圈的一侧面向所述设备，并且所述第二继电器线的另一侧由第二继电器铁氧体层覆盖，以及其中所述第二继电器线圈大于所述内置线圈。

2.权利要求1所述的系统，其中所述发射器线圈和所述继电器线圈基本上彼此面对，并且其中所述发射器线圈和所述继电器线圈的尺寸基本相等并且大于所述内置线圈。

3.权利要求1所述的系统，其中所述发射器还包括发射器电子器件和铁氧体层，其中所述铁氧体层位于所述发射器线圈和所述发射器电子器件之间的缓冲器中，并且其中所述发射器线圈通过所述介质面向所述至少一个中继器。

4.权利要求3所述的系统，其中所述至少一个中继器还包括具有开口的第二中继铁氧体层，其中所述中继铁氧体层位于面向所述设备的一侧的继电器线圈上，并且其中所述开口形状和尺寸等于或大于所述内置线圈的尺寸。

5.权利要求3所述的系统，其中所述继电器线圈和所述第二继电器线圈布置在两个平面上。

6.权利要求5所述的系统，其中所述至少一个中继器还包括多个第二继电器线圈，用于同时对多个设备充电，其中多个第二中继线圈是多个负载线圈，每个负载线圈具有谐振电容器，从而构成全部与所述继电器谐振电路并联的多个负载线圈谐振电路，其中每个具有不同谐振频率的负载线圈适于对多个设备中的一个设备充电。

7.权利要求6所述的系统，其中所述发射器电子器件被配置为确定OPF和OPF的范围以通过脉冲宽度调制(PWM)信号控制功率传输，并且其中所述发射器电子器件还被配置为与所述设备通信。

8.权利要求7所述的系统，其中所述发射器通过交错的PWM信号控制每个负载线圈的功率传输，其中所述交错的PWM信号由时隙组成，每个时隙专用于特定的负载线圈，并且其中每个时隙由所述特定负载线圈的PWM信号组成。

9.权利要求8所述的系统，其中所述时隙具有持续时间，其中基于每个设备的功率需求确定持续时间，并且其中功率需求由所述多个设备中的每个设备通信到所述发射器。

10.权利要求9所述的系统，其中所述发射器电子器件被配置为使所述多个设备通信同步以避免至少两个设备之间的通信重叠。

11.权利要求10所述的系统，其中所述发射器电子设备被配置为通过将所传递的功率改变到所述至少两个重叠设备中的一个来同步所述多个设备通信。

12.权利要求9所述的系统，其中所述发射器电子设备能够通过利用围绕所述内置线圈的谐振频率调谐的滤波器来同时区分多个设备通信。