CN111987815A - 两级无线电力传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及两级无线电力传输系统。两级无线电力传输系统具有三个不同的部件。第一部件具有第一级无线电力发送器(TX)。第二部件具有硬连线到第二级无线电力发送器的第一级无线电力接收器(RX)。可以是可再充电的电池供电设备的如蜂窝电话的第三部件具有第二级无线电力接收器。第一级的TX和RX电感器线圈比第二级的TX和RX线圈显著更大。只要第二和第三部件之间的Z间隙相对小，第一和第二部件之间的Z间隙就可以相对大，同时仍然实现相对高的总电力传输效率。

Description

两级无线电力传输系统

技术领域

本发明一般而言涉及无线电力传输系统，诸如无线充电系统，并且更特别地，涉及处理用于无线电力传输的高Z-间隙配置的技术。

背景技术

图1是具有无线电力发送器(TX)110和无线电力接收器(RX)120的常规无线电力传输系统100的简化框图。电力发送器110包括电力转换模块112、TX电感器线圈114、TX通信模块116和TX控制模块118，而电力接收器120包括RX电感器线圈122、电力拾取模块124、RX通信模块126和RX控制模块128。

在电力发送器110内，电力转换模块112将具有输入电压Vin的DC输入电力Pin111转换成施加到TX电感器线圈114的AC信号，该TX电感器线圈114感应地耦合到电力接收器120的RX电感器线圈122。在电力接收器120内，电力拾取模块124将在RX电感器线圈122中感应的模拟信号转换成具有输出电压Vout的输出引脚125上的DC输出电力Pout。在一些应用中，电力接收器120是可再充电的电池供电的消费者设备(诸如蜂窝电话)的一部分，其中DC输出电力Pout用于对设备电池再充电。

TX和RX通信模块116和126发送和接收通信消息。例如，RX通信模块126将上游消息发送到TX通信模块116，以指示电力转换模块112基于电力接收器120的需要来增加或减小发送的电力的电力水平。TX和RX控制模块118和128分别控制电力发送器和接收器110和120内的操作。

除了其它因素之外，从电力发送器110向电力接收器120无线地发送电力的效率取决于TX和RX电感器线圈114和122的尺寸以及两个线圈114和122之间的距离(也被称为Z间隙)。通常，线圈越大并且距离越短，效率越高。

根据一些无线充电规范，TX和RX电感器线圈114和122的尺寸都被限制为例如直径为70mm的最大尺寸，其中直径是指最大的轴向维度。注意的是，线圈通常是圆形的。这些最大线圈尺寸限制了在指定的效率水平下可以在其上实现无线电力传输的距离。例如，对于以70mm直径限制的TX和RX电感器线圈114和122，在仅40mm的距离处的电力传输效率小于40％。不幸的是，在一些应用中，期望在大至约100mm的Z间隙上进行无线电力传输，以该距离，常规无线电力传输系统100的电力传输效率将低得不可接受。因此，期望具有一种无线电力传输系统，该系统能够在高达100mm或甚至大于100mm的距离上更高效地传输电力。

附图说明

通过示例的方式图示了本发明的实施例，并且本发明的实施例不受附图的限制，附图中相同的标记表示类似的元件。图中的元件是为了简单和清楚起见而示出，并且不一定按比例绘制。例如，层和区域的厚度为了清楚起见可能被夸大。

图1是常规无线电力传输系统的简化框图；

图2是根据本发明的一个实施例的两级无线电力传输系统的简化框图；以及

图3是图2的两级电力传输系统的一种可能配置的简化透视图。

具体实施方式

本文公开了本发明的详细说明性实施例。但是，本文公开的具体结构和功能细节仅仅是为了描述本发明的示例实施例的目的。本发明的实施例可以以许多替代形式实施，并且不应被解释为仅限于本文阐述的实施例。另外，本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明的示例实施例。

如本文所使用的，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。还应该理解的是，术语“包括”、“具有”、“包含”指定所述特征、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、步骤或部件。还应该注意的是，在一些替代实现中，所述功能/动作可能不按图中所示的次序发生。例如，取决于所涉及的功能/动作，被示出为连续的两个图实际上可以基本上同时执行，或者有时可以以相反的次序执行。除非另有说明，否则术语“或”可被解释为包含性的。

为了在更大的Z间隙距离上实现更高的电力传输效率，本发明提供了一种两级无线电力传输系统，其中第一级跨越相对大的Z间隙距离，其具有相对大的TX和RX电感器线圈，而具有相对小的TX电感器线圈的第二级跨越相对短的Z间隙距离。

在一个实施例中，本发明是一种制品，其包括用于两级无线电力传输系统的第二部件。该电力传输系统包括(i)第一部件，其具有电力传输系统的第一级的第一无线电力发送器(TX)，(ii)第二部件，以及(iii)第三部件，其具有电力传输系统的第二级的第二无线电力接收器(RX)。第二部件包括被配置为从第一部件的第一无线电力发送器接收无线电力的第一级的第一无线电力接收器以及被连接以从第一无线电力接收器接收电力并且被配置为将无线电力发送到第三部件的第二无线电力接收器的第二级的第二无线电力发送器。

现在参考图2，示出了两级无线电力传输系统20的简化框图。系统20具有第一和第二充电级200(1)和200(2)，其中每个充电级200是基本上与图1的常规电力传输系统100不同的实例，使用类似标签识别类似元件。如下面将更详细描述的，存在第一级200(1)中的引脚225处的DC输出被硬连线为到第二级200(2)的在引脚211处的DC输入。

在典型的实现中，两级电力传输系统20将被实现为三个不同的部件：(i)第一部件22，其包括第一级200(1)的电力发送器210(1)；(ii)第二部件24，其包括第一级200(1)的电力接收器220(1)和第二级200(2)的电力发送器210(2)两者；以及(iii)第三部件26，其包括第二级200(2)的电力接收器220(2)。注意的是，第三部件26通常在被充电的消费者设备(诸如蜂窝电话或其它电池供电的设备)内实现。

两级系统20的第一和第二级200(1)和200(2)之间的主要结构差异是第二级200(2)中的TX和RX电感器线圈214(2)和222(2)符合适用的无线充电规范的最大尺寸要求，而第一级200(1)中的TX和RX电感器线圈214(1)和222(1)明显大于该最大尺寸，这允许它们被进一步间隔开。

例如，在用于对蜂窝电话充电的两级电力传输系统20的应用中，其中适用的规范将蜂窝电话内部的RX电感器线圈的尺寸限制为70mm直径，第二级200(2)的电力接收器220(2)在蜂窝电话(即，第三部件26)内部实现，其中RX电感器线圈222(2)直径不大于70mm，而第一级200(1)的RX电感器线圈222(1)在第二部件24中实现并且具有显著大于70mm的大直径。此外，第二部件24用直径不大于70mm的第二级200(2)的TX电感器线圈214(2)实现，而第一级200(1)的TX电感器线圈214(1)在第一部件22中实现为具有显著大于70mm的大直径。由此，第一部件22中的第一级200(1)的电力发送器210(1)与第二部件24中的第一级200(1)的电力接收器220(1)之间的距离可以相对地大，而第二部件24中的第二级200(2)的电力发送器210(2)与第三部件26中的第二级200(2)的电力接收器220(2)之间的距离相对地小，同时仍然实现足够高的总电力传输效率。

例如，假设期望在现有会议室桌子或由非磁性材料制成的其它结构顶部上提供无线蜂窝电话充电。一种选择将是部署图1的常规无线电力传输系统100，其中电力发送器110安装在桌子的底表面上，并且具有电力接收器120的蜂窝电话放置在电力发送器110正上方桌子的顶表面上。遗憾的是，对于厚度大于250mm的桌子，这种配置的电力传输效率将低得不可接受。

更好的选择是部署本发明的系统20，其中具有第一级200(1)的电力发送器210(1)的第一部件22安装在桌子的底表面上，具有第一级200(1)的电力接收器220(1)和第二级200(2)的电力发送器210(2)的第二部件24放置在第一部件22上方桌子的顶表面上，并且具有第二级200(2)的电力接收器220(2)的第三部件26(即，蜂窝电话)放置在第二部件24顶部上。

在该配置中，虽然第一级200(1)的电力发送器210(1)与第一级200(1)的电力接收器220(1)之间的Z间隙距离大于250mm，但是因为TX和RX电感器线圈214(1)和222(1)明显大于适用规范所允许的那些距离，因此第一级200(1)的电力传输效率相当高。另外，虽然第二级200(2)的TX和RX电感器线圈214(2)和222(2)被限制为可应用的规范/标准所允许的最大尺寸，但是因为在蜂窝电话放置在第二部件24顶部正上方的情况下，第二级200(2)的电力发送器210(2)与第二级200(2)的电力接收器220(2)之间的Z间隙距离相对小，因此第二级200(2)的电力传输效率也相当高。注意的是，即使总电力传输效率是各级200(1)和200(2)的电力传输效率的乘积，对于大Z间隙情况，系统20的总电力传输效率也高于常规系统100的电力传输效率。

例如，具有70mm的TX电感器线圈114和以70mm直径限制的RX电感器线圈122的常规电力传输系统100的实现在约40mm的Z间隙的距离下具有不高于约40％的电力传输效率。假设图2的电力传输系统20的实现具有106mm的第一级TX电感器线圈214(1)、106mm的第一级RX电感器线圈222(1)、以70mm直径限制的第二级TX电感器线圈214(2)以及以70mm直径限制的第二级RX电感器线圈222(2)。在约40mm的相同Z间隙距离下，第一级200(1)的电力传输效率为约85％，而具有仅约3mm的Z间隙距离的第二级200(2)的电力传输效率为约75％，对于总电力传输效率高于约60％。

注意的是，在典型的实现中，第一部件22被插入到AC“墙”插座中并且包括AC-DC转换器(图2中未示出)，该AC-DC转换器将从插座供应的AC电力转换成施加到电力发送器210(1)的DC输入电力Pin。另一方面，第二部件24是由第一部件22无线供电并且向(无线)第三部件26无线地供电的无线设备。

在一些实现中，操作第二部件24所需的所有电力来自从第一部件22无线发送的电力。在一些替代实现中，第二部件24可以具有通过从第一部件22接收到的电力充电的电池，其中该电池可以用于提供用于操作第二部件24的一些电力，同时无线地发送到第三部件26的电力完全或几乎完全直接基于从第一部件22无线接收的电力。在任一情况下，第二部件24是未插入到任何硬线电源(诸如AC墙插座)中的无线设备。

图3是配置300的简化透视图，配置300包括安装在桌子302的底表面上的图2的第一部件22的实例和放置在第一部件22正上方桌子302的顶表面上的图2的第二部件24的实例。图2的第三部件26的实例(例如，可无线充电的蜂窝电话或手表)放置在第二部件24顶部上进行无线充电。

如图3所示，第一部件22包括(i)屏蔽304，其中相对大的TX电感器线圈214(1)安装在顶部上，以及(ii)第一部件控制和通信单元306，其包括图2的电力发送器210(1)的电力转换、通信和控制模块212(1)、216(1)和218(1)。第二部件24包括(i)屏蔽308，其中相对大的RX电感器线圈222(1)安装在屏蔽308下方，并且至少一个TX电感器线圈214(2)安装在屏蔽308顶部上，以及(ii)第二部件控制和通信单元310，其包括(a)图2的电力接收器220(1)的电力拾取、通信和控制模块224(1)、226(1)和228(1)以及(b)图2的电力发送器210(2)的电力转换、通信和控制模块212(2)、216(2)和218(2)。注意的是，屏蔽308为第一级200(1)的RX电感器线圈222(1)以及第二级200(2)的TX电感器线圈214(2)两者提供屏蔽。

一般而言，屏蔽304和308的目的是保护其它电子部件免受由电感器线圈产生的磁场的影响。因此，第一部件22中的屏蔽304被设计为保护控制和通信单元306中的电子部件免受由TX电感器线圈214(1)产生的磁场的影响。类似地，第二部件24中的屏蔽308被设计为保护控制和通信单元310中的电子部件免受由RX电感器线圈222(1)和TX电感器线圈214(2)两者产生的磁场的影响。虽然未在图3中明确表示，但是屏蔽304优选地被设计为覆盖除了面向RX电感器线圈222(1)的电力传输面之外的所有侧上的TX电感器线圈214(1)。类似地，屏蔽308优选地被设计为覆盖(i)除了面向TX电感器线圈214(1)的电力传输面之外的所有侧上的RX电感器线圈222(1)，以及(ii)除了面向第三部件26中的RX电感器线圈222(2)的电力传输面之外的所有侧上的TX电感器线圈214(2)。屏蔽304和308可以由任何合适的材料(诸如(但不限于)足够厚度的Ni-Zn或Mn-Zn铁氧体)制成，以实现期望的屏蔽效果。

由两级电力传输系统20的第一级200(1)跨越的Z间隙距离远大于由第二级200(2)跨越的Z间隙距离。

在一些可能的实现中，第二部件24具有单个TX电感器线圈214(2)，使得一次仅可充电一个无线设备26。在其它实现中，第二部件24具有多个TX电感器线圈214(2)，使得可以同时对多个无线设备26充电。

虽然未在图2中明确示出，但在一些实现中，第二部件24在第一级电力接收器220(1)的控制模块228(1)与第二级电力发送器210(2)的控制模块218(2)之间具有有线通信路径，以使得能够协调第一和第二级200(1)和200(2)的操作。在其它实现中，控制模块228(1)和218(2)被实现为既控制第一级200(1)的RX处理又控制第二级200(2)的TX处理的单个控制模块。

虽然已经在其中第二级200(2)的TX电感器线圈214(2)的尺寸被限制于与第二级200(2)的RX电感器线圈222(2)相同的最大尺寸的图2的两级无线电力传输系统20的背景下描述了本发明，但是在其它实现中，第二级TX电感器线圈214(2)可以大于第二级RX电感器线圈的最大尺寸。

虽然本文参考具体实施例描述了本发明，但是在不脱离如随附的权利要求所阐述的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的，并且所有这些修改旨在被包括在本发明的范围内。本文关于具体实施例描述的问题的任何益处、优点或解决方案不旨在被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或必要的特征或元素。

应该理解的是，本文阐述的示例性方法的步骤不一定需要以所描述的次序执行，并且这些方法的步骤的次序应该被理解为仅仅是示例性的。同样，在与本发明的各种实施例一致的方法中，可以在这些方法中包括附加步骤，并且可以省略或组合某些步骤。

虽然随附的方法权利要求中的元素(如果有的话)以具有相应标记的特定顺序叙述，但是除非权利要求书中另外暗示用于实现这些元素中的一些或全部的特定序列，否则这些元素不一定旨在仅限于以该特定序列实现。

本文对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”不一定都指代相同的实施例，也不一定是与其它实施例互斥的单独的或替代的实施例。这同样适用于术语“实现”。

Claims (11)

1.一种无线充电系统，包括：

第一部件，包括具有第一发送器线圈的第一无线电力发送器TX；以及

第二部件，包括：

第一无线电力接收器，具有第一接收器线圈，该第一接收器线圈被配置为从第一部件的第一无线电力发送器接收无线电力；以及

第二无线电力发送器，被连接以从第一无线电力接收器接收电力，并且具有第二发送器线圈，该第二发送器线圈被配置为将无线电力发送到第三部件的第二无线电力接收器，

其中第一发送器线圈和第一接收器线圈大于第二发送器线圈。

2.如权利要求1所述的无线充电系统，其中，当向第三部件提供无线电力时，第一发送器线圈与第一接收器线圈之间的Z间隙大于第二发送器线圈与第三部件的第二无线电力接收器的第二接收器线圈之间的Z间隙。

3.如权利要求1所述的无线充电系统，其中，第二无线电力发送器具有多个第二发送器线圈，所述多个第二发送器线圈被配置为对多个第三部件同时充电。

4.一种制品，包括用于两级无线电力传输系统的第二部件，该两级无线电力传输系统具有：(i)第一部件，其具有电力传输系统的第一级的第一无线电力发送器TX；(ii)第二部件；以及(iii)第三部件，其具有电力传输系统的第二级的第二无线电力接收器RX，其中第二部件包括：

第一级的第一无线电力接收器，被配置为从第一部件的第一无线电力发送器接收无线电力；以及

第二级的第二无线电力发送器，被连接以从第一无线电力接收器接收电力，并且被配置为将无线电力发送到第三部件的第二无线电力接收器。

5.如权利要求4所述的制品，还包括第一部件。

6.如权利要求4所述的制品，其中第三部件具有用于从第二TX电感器线圈接收无线电力的第二RX电感器线圈，并且其中第一RX电感器线圈的尺寸大于第二RX电感器线圈的尺寸。

7.如权利要求4所述的物品，其中第二部件从第一部件无线地接收第二部件的所有操作电力。

8.如权利要求4所述的制品，其中第一无线电力接收器的电力输出被硬连线到第二无线电力发送器的电力输入。

9.如权利要求4所述的制品，其中用于第一无线电力接收器的控制模块与用于第二无线电力发送器的控制模块通信。

10.如权利要求4所述的制品，其中第二部件包括控制模块，所述控制模块控制第一无线电力接收器和第二无线电力发送器两者的操作。

11.如权利要求4所述的制品，其中第二无线电力发送器具有多个第二TX电感器线圈，所述多个第二TX电感器线圈被配置为对多个第三部件同时充电。

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