CN113767548A - 无线电力传输系统 - Google Patents

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CN113767548A CN202080013378.9A CN202080013378A CN113767548A CN 113767548 A CN113767548 A CN 113767548A CN 202080013378 A CN202080013378 A CN 202080013378A CN 113767548 A CN113767548 A CN 113767548A
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I·谢尔曼
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Abstract

根据本公开主题的第一方面，无线电力传输系统被配置为利用具有开关和负载的结构的现有电力线导线，该系统包括：发射器，被配置为利用具有一端和另一端的热发射器(Tx)线圈，其中热Tx线圈包括：第一选择性频率短路元件，连接为发射器供电的相线和中性线；将相连接到一端的第一导体；与开关的第一极和第二极并联连接的第二选择性频率短路元件；将开关的第一极连接到另一端的第二导体，其中现有的电力线导线将开关的第二极连接到负载的一个极，将负载的另一个极连接到中性线，并且其中第一元件和第二元件以及第一导体和第二导体形成能在选择性频率下操作的热Tx线圈。

Description

无线电力传输系统
技术领域
本公开的主题涉及无线电力充电系统。更具体地，本公开的主题涉及利用现有的电力线布线来扩大无线传输系统的发射器线圈。
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2019年2月7日提交的题为“In WallWireless Power Supply”的Itay Sherman的共同未决美国临时专利申请第62/802259号的优先权，出于所有目的通过引用将其全文并入。
背景技术
对无线电力充电系统的需求不断增长，导致在各种场所中部署的急剧增加，提出了增加发射器和接收器之间的有效充电距离的需求。
这些场所是诸如办公空间、住宅房间、餐厅、商业设施等的结构。此类结构通常具有电缆和相关设备(例如开关、配电箱、接受器插口(插座)和灯具)的电力线布线安装。电力线布线安装通常基于铜导体，因为它们具有多种有益特性，例如高导电性。
无线充电消除了对用于为移动电话和其他无绳设备充电的电缆充电器的需要。使用无线充电器，只需将设备靠近无线电力发射器，即可为无绳设备内的电池充电。这种能力主要基于法拉第感应电压定律，并利用感应线圈进行无线电力传输。
发明内容
根据本公开主题的第一方面，无线电力传输系统，配置为利用结构的现有电力线导线，该结构具有开关和负载，该系统包括：发射器，被配置为利用具有一端和另一端的热发射器(Tx)线圈，其中所述热Tx线圈包括：第一选择性频率短路元件，连接为所述发射器供电的相线和中性线；将相连接到一端的第一导体；与所述开关的第一极和第二极并联的第二选择性频率短路元件；将所述开关的第一极连接到另一端的第二导体，其中现有的电力线导线将所述开关的第二极连接到所述负载的一个极，将所述负载的另一个极连接到所述中性线，并且其中所述第一元件和所述第二元件以及所述第一导体和所述第二导体形成能在选择性频率下操作的热Tx线圈。
在一些示例性实施方案中，第二导体被走线为与将负载连接到中性线的现有电力线导线可持续地分开。
在一些示例性实施方案中，发射器集成在设置在所述结构中的至少一个开关内。
在一些示例性实施方案中，发射器通过输出变压器与所述热Tx线圈电流隔离。
在一些示例性实施方案中，第一元件和第二元件是电容器。
根据本公开主题的另一方面，无线电力传输系统，配置为利用结构的现有电力线导线，该系统包括：发射器，配置为利用具有一端和另一端的GND发射器(Tx)线圈，其中GNDTx线圈包括：将一端连接到第一插座接地端子的第一导体，以及将另一端连接到第二插座接地端子的第二导体；并且其中，所述第一插座接地端子和所述第二插座接地端子通过现有的用于形成GND Tx线圈的电力线导线的地线连接。
在一些示例性实施方案中，第一插座接地端子和第二插座接地端子连接在远离第一插座和第二插座的接线盒中。
在一些示例性实施方案中，发射器集成在设置在结构中的至少一个插座内。
在一些示例性实施方案中，发射器通过输出变压器与第二Tx线圈电流隔离。
在一些示例性实施方案中，热Tx线圈和GND Tx线圈允许对基本上远离发射器定位的至少一个接收器充电。
附图说明
参考附图仅通过示例的方式描述了所公开主题的一些实施方案。现在具体详细地参考附图，强调所显示的细节仅作为示例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最容易理解的描述而呈现。在这点上，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，结合附图的描述使本领域技术人员清楚地了解可以在实践中体现所公开主题的多种形式。
在图中：
图1A示出了一种结构的常用(现有技术)电气平面图；
图1B示出了一种结构的常用(现有技术)接线图；
图2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传输系统的框图；
图3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传输系统的框图；
图4示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的在结构的房间中的图2的无线电力传输系统的部署；以及
图5示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的在结构的房间中的图3的无线电力传输系统的部署。
具体实施方式
在详细解释所公开的主题的至少一个实施方案之前，应当理解，所公开的主题在其应用方面不限于以下描述中阐述或在图中说明的部件的构造和布置的细节。所公开的主题能够有其他实施方案或能够以各种方式实践或实施。此外，应当理解，本文所采用的措辞和术语是为了描述的目的而不应被视为限制。附图通常不按比例绘制。为了清楚起见，一些附图中省略了非必要元件。
术语“包含”、“包含有”、“包括”、“包括有”和“具有”连同它们的共轭物一起表示“包括但不限于”。术语“由……组成”与“包括并限于”具有相同的含义。
术语“基本上由……组成”是指组合物、方法或结构可以包括额外的成分、步骤和/或部分，但前提是额外的成分、步骤和/或部分不会实质上改变要求保护的组合物、方法或结构的基本和新颖的特征。
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规定。例如，术语“一种化合物”或“至少一种化合物”可以包括多种化合物，包括它们的混合物。
贯穿本申请，可以以范围格式呈现本公开主题的各种实施方案。应当理解，范围格式的描述仅仅是为了方便和简洁，不应被解释为对所公开主题的范围的不灵活限制。因此，应该认为对范围的描述已经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，在单独实施方案的上下文中描述的公开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公开主题的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供，或者在公开主题的任何其他描述的实施方案中同样适用。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基本特征，除非实施方案在没有这些元件的情况下是不可操作的。
本公开的目的是通过扩大Tx线圈尺寸来扩展发射器(Tx)的发射范围。在一些示例性实施方案中，本公开的无线电力传输系统适于实现具有结构的电力线导线的发射器线圈。换言之，本公开系统被配置为利用结构的现有电力线导线作为发射器线圈。
需要说明的是，在本公开中，术语“结构”是指至少一个房间、办公空间、建筑物的隔断部分、商店、教室、餐厅，以及它们的任意组合，或类似物。还需要说明的是，本发明提供的解决方案旨在利用现有的电力线导线，无论它们是安装在墙内还是墙外。应当理解，可以在结构中使用多个无线电力发射器，例如，结构的每个房间一个Tx。
一种技术方案是在现有的电力线导线中实现具有地(GND)线的Tx线圈，使得GND线形成充当发射器线圈的一个回路。
另一种技术解决方案是使用相线段来实现Tx线圈，用于为负载供电，例如结构的灯具。在一些示例性实施方案中，这些段是：将开关的第一极连接到接线盒(对结构进行交流馈电)的相线(交流电力线)；将开关的第二极连接到负载的端子的开关相线；将负载的另一个端子连接到接线盒的中性线。将三段与Tx变压器串联连接形成回路，形成大尺寸Tx线圈。
应当注意，负载可以是任何开关电气部件，例如灯具、锅炉、开关接受器插口等。
现在参考图1A和1B，图1A和1B示出了具有六个房间的结构的常用电气平面图和接线图。电气平面图描述了典型电气部件的位置，例如分布在结构房间内的灯具、插座、电灯开关和接线盒。此外，该结构包括主配电箱(MDB)101。典型的住宅或办公室可由单相、双相或三相交流电源供电。为了简化本公开的描述，图1B描绘了单相接线图，然而本公开提供的方案也可以用于双相和三相接线系统。
MDB 101是结合了电力线馈电的箱，即相、中性线和GND，从其中GND和中性线通过接线盒(JB)直接分配到结构的不同电路或直接分配到公用事业负载。相，也称为线路或热线，在MDB内被划分到不同的电路，其中每个电路都由断路器保护，然后每个电路分配到不同的配电箱或直接分配给公用事业负载。MDB 101还包括主断路器和接地故障断路器(GFI)，作为对整个交流电源系统的保护。
在一些示例性实施方案中，本公开的系统可以部署在房间中，例如图1A和1B中描绘的房间1，包括插座111和112、开关114、负载113和接线盒(JB)110。JB 110用于将房间1的不同电气部件相互连接和/或从PDB 101馈电。
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无线电力传输系统200的框图。无线电力传输系统200用于为放置在系统发射器的同一房间内的用户的可充电设备(未示出)充电。
在一些示例性实施方案中，系统200被配置为利用结构的房间的负载113电路的现有电力线导线来实现Tx线圈。
在一些示例性实施方案中，无线电力传输系统200可以包括发射器(Tx)201。Tx可以包括降压变压器211、AC到DC转换器212；控制器230；以及与输出功率变压器222耦合的全桥/半桥驱动器220。
在一些示例性实施方案中，降压变压器211和AC到DC转换器212一起形成指定用于满足包括传输电源和部件电源的Tx 201电力需求的电源。
在一些示例性实施方案中，控制器230可以是中央处理单元(CPU)、微处理器、电子电路、集成电路(IC)等。附加地或替代地，控制器230可以实现为为特定处理器(例如数字信号处理器(DSP)或微控制器)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)。在一些示例性实施方案中，控制器230可用于执行Tx 201或其任何子部件所需的计算。
在一些示例性实施方案中，控制器230包括半导体存储器部件(未示出)。存储器可以是永久性或易失性存储器，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)及其任意组合，或类似物。
在一些示例性实施方案中，存储器可以被配置为保留程序代码以激活控制器230以执行与确定控制全桥或半桥驱动器220的脉宽调制(PWM)信号相关联的动作。在一些示例性实施方案中，控制器230可以利用其存储器来保存连接软件、监控信息、配置和控制信息以及与本公开的充电管理相关联的应用。
在一些示例性实施方案中，控制器230可以被配置为基于符合通信标准的协议，例如电力事务联盟(PMA)；无线电力联盟(WPC)和AirFuel联盟，来与可充电设备(未示出)进行通信。附加地或替代地，控制器230可以配备有无线电收发器，例如蓝牙、Wi-Fi等，用于满足Tx 201通信需要，例如与利用现有的电力线导线相关联的无线电力功能和信息。
根据这些通信方法，但不限于，控制器230可以被配置为从设备获取用户的凭证，以便认证用户以授予和调节充电服务。附加地或替代地，控制器230还可以被配置为获取用户设备的电力需求。
在一些示例性实施方案中，Tx 201包括驱动器220，该驱动器220被配置为驱动AC电流通过变压器222。驱动器220可以通过调制流过变压器222的电流的工作频率和/或占空比来调节流过变压器222的初级线圈的输出电流。在一些示例性实施方案中，在控制器230中生成的PWM信号232调整调制以满足由控制器基于诸如峰值电流、绝对电流平均值、RMS电流、一次谐波幅度、极性及其任意组合等之类的参数确定的功率要求。
在所公开主题的一些示例性实施方案中，系统200的发射器可以集成在接受器插口、开关及其任意组合等的外壳内。因此，Tx 201可以作为结合了发射器和接受器插口等的单个封装来提供。
在一些示例性实施方案中，控制器230通过PWM信号232来调整驱动器220的输出功率信号的频率和占空比。功率信号的频率可以在1000KHz到200Khz之间的范围内或者具体设置为6.78Mhz。功率信号驱动包括输出功率变压器222和可变匹配电容器221的谐振电路，该可变匹配电容器221由控制器的信号233控制以匹配所需的谐振频率。应当理解，变压器222用于图2所示的实施方案中，用于将AC电源与Tx 201的驱动器电流隔离。
在一些示例性实施方案中，无线电力传输系统200被配置为使用由结构的房间的负载113电路的导线形成的发射器线圈，所述射器线圈与输出变压器222的次级线圈240串联连接(以下简称：“GND-Tx-线圈”)。应注意，次级线圈240用于将驱动器220产生的电力传递至GND-Tx-线圈。应当理解，由于导体(即负载113电路的导线)及其周边布局在房间中的长度更长，因此使用GND-Tx线圈扩大了Tx的电感分布范围。因此，更长的导体和更大的周边布局会产生更大尺寸的1st-Tx线圈。
在一些示例性实施方案中，驱动器220使用变压器222为GND-Tx-线圈供电，其中变压器222通过次级线圈240与GND-Tx线圈串联连接。在系统200的一些示例性实施方案中,GND-Tx线圈是包含以下线段的电路：
a.将向Tx 201馈电的相与线圈240的一端连接的导线；
b.将线圈240的另一端与并联连接在一起的开关114的极和电容器214连接的导线；
c.将开关114的相反极和电容器214与负载213正极端子连接的导线；
d.将负载113的负极端子与电力线的中性和电容器215连接的中性线113N，电容器215闭合GND-Tx线圈的电路。
应当理解，电容器214和215表现为选择性频率短路元件。当开关114关闭时，电容器214对AC电源线保持高阻抗，即50/60Hz，并对由驱动器220通过变压器222驱动的高频(大于100KHz)电源信号保持低阻抗。当开关114断开时，交流电力线阻抗下降；然而，无论交流电源开关处于何种状态，高频阻抗都保持在较低水平。因此，当开关114断开时电容器214在起作用，而电容器215一直在起作用。
现在参考图4，图4示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的在结构的房间400中的图2的无线电力传输系统200的部署布局。
在一些示例性实施方案中，来自JB110的电力线(相、中性线和GND)馈送用于为Tx201供电的插座119。Tx201配置用于扩展其Tx线圈范围，即产生足够的磁通量，可以为远程设备(例如设备444)无线充电。
在一些示例性实施方案中，Tx201的次级线圈240充当GND-Tx线圈的电流源。GND-Tx线圈由以下导线组成，它们的连接方式可以产生最大可能的GND-Tx线圈周边布局。
a.将插座119的相连接到线圈240的一端的导线。
b.将线圈240的另一端连接到开关114和电容器214的导线。
c.将开关114和电容器214的相对端连接到负载(灯)213的导线113P。d.将负载113的负极端子连接到电容器215的导线113N，电容器215闭合GND-Tx线圈的电路。
应当理解，在典型的电力线布线中，因为导线的长度更长及其周边布局，接线盒110和接受器插口(即电源插座、开关等)之间的相当长的距离有助于扩大Tx的感应分布范围。
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无线电力传输系统300的块。无线电力传输系统300用于为用户的可充电设备充电，例如图4的设备444，其与系统的发射器放置在同一房间。
在一些示例性实施方案中，系统300被配置为利用结构的房间的现有电力线地线来实现HOT-Tx线圈。在一些示例性实施方案中，无线电力传输系统300可以包括与针对图2所描述的相同的发射器(Tx)201。
在所公开主题的一些示例性实施方案中，系统300的发射器可以集成在接受器插口、开关及其任意组合等的外壳内。因此，Tx 201可以作为结合了发射器和接受器插口等的单个封装来提供。
在一些示例性实施方案中，无线电力传输系统200被配置为使用由输出变压器222的插座的GND线形成的发射器线圈(下文中：“GND-Tx线圈”)，例如与次级线圈240串联连接的结构的房间的插座111和112。应注意，次级线圈240用于将功率、由驱动器220产生的电流源传递至GND-Tx线圈。
附加地或替代地，系统300可以设有不配备变压器222的Tx 201。在这样的实施方案中，HOT-Tx线圈的端部可以直接连接到驱动器220(未示出)的输出。
应当理解，由于房间中导体(即插座111和112的GND线)及其周边布局的更长的长度，HOT-Tx线圈的使用扩展了Tx的电感分布范围。因此，更长的导体和更大的周边布局会产生更大尺寸的HOT-Tx线圈。
在一些示例性实施方案中，驱动器220使用变压器222通过变压器222、与GND-Tx线圈串联连接的次级线圈240为GND-Tx线圈供电。在系统300的一些示例性实施方案中，GND-Tx线圈由以下导线段组成：
a.将插座111的GND连接到线圈240的一端的导线241；
b.将插座112的GND连接到线圈240的另一端的导线242；
c.将插座111和112的GND脚连接在一起的现有的GND线111G和112G。
在系统300(未使用变压器222)的替代实施方案中，谐振电路由可变电容器221和直接连接到驱动器的GND-Tx线圈形成。GND-Tx线圈可以由以下导线段组成：
a.将插座111的GND连接到驱动器220(未示出)的一个输出端的导线241；
b.通过电容器221(未示出)将插座112的GND连接到驱动器220的另一端输出的导线242；
c.将插座111和112的GND脚连接在一起的现有的GND线111G和112G。
现在参考图5，图5示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的在结构的房间500中的图3的无线电力传输系统300的部署。
在一些示例性实施方案中，插座119可用于为Tx201供电。Tx201配置为扩展其Tx线圈范围，即产生足够的磁通量，可以为远程设备(接收器)(例如设备444)无线充电。
在一些示例性实施方案中，Tx201的次级线圈240充当GND-Tx线圈的电流源。GND-Tx线圈由以下导线组成，这些导线的连接方式可以产生最大可能的HOT-Tx线圈周长布局：
a.将插座111的GND连接到线圈240的一端的导线241；
b.将插座112的GND连接到线圈240的另一端的导线242；
c.将JB 110中的插座111和112的GND脚连接在一起的现有的GND线111G和112G。
在系统300的替代实施方案中，GND-Tx线圈直接连接到驱动器，GND-Tx线圈由以下导线段组成：
a.将插座111的GND连接到驱动器220(未示出)的一个输出端的导线241；
b.通过电容器221(未示出)将插座112的GND连接到驱动器220的另一端输出的导线242；
c.将插座111和112的GND脚连接在一起的现有的GND线111G和112G。
尽管已经结合其特定实施方案描述了本发明，但是很明显，许多替代、修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，其意图包括落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有此类替代、修改和变化。本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用整体并入本说明书中，其程度就如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指示通过引用并入本文中一样。此外，本申请中对任何参考文献的引用或标识不应被解释为承认此类参考文献可作为本发明的现有技术。

Claims (11)

1.无线电力传输系统，配置为利用结构的现有电力线导线，该结构具有开关和负载，该系统包括：
发射器，被配置为利用具有一端和另一端的热发射器(Tx)线圈，其中所述热Tx线圈包括：第一选择性频率短路元件，连接为所述发射器供电的相线和中性线；
将相连接到一端的第一导体；
与所述开关的第一极和第二极并联的第二选择性频率短路元件；
将所述开关的第一极连接到另一端的第二导体，其中现有的电力线导线将所述开关的第二极连接到所述负载的一个极，将所述负载的另一个极连接到所述中性线，并且
其中所述第一元件和所述第二元件以及所述第一导体和所述第二导体形成能在选择性频率下操作的热Tx线圈。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述第二导体被走线为与将所述负载连接到所述中性线的现有电力线导线可持续地分开。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述发射器集成在设置在所述结构中的至少一个开关内。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述发射器通过输出变压器与所述热Tx线圈电流隔离。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一元件和所述第二元件是电容器。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述热Tx线圈允许对基本上远离所述发射器定位的至少一个接收器充电。
7.无线电力传输系统，配置为利用结构的现有电力线导线，该系统包括：
发射器，配置为利用具有一端和另一端的GND发射器(Tx)线圈，其中GND Tx线圈包括：
将一端连接到第一插座接地端子的第一导体，以及
将另一端连接到第二插座接地端子的第二导体；并且
其中，所述第一插座接地端子和所述第二插座接地端子通过现有的用于形成GND Tx线圈的电力线导线的地线连接。
8.如权利要求7所述的系统，其中，所述第一插座接地端子和所述第二插座接地端子连接在远离所述第一插座和第二插座的接线盒中。
9.如权利要求7所述的系统，其中，所述发射器集成在设置在所述结构中的至少一个插座内。
10.如权利要求7所述的系统，其中，所述发射器通过输出变压器与所述GND Tx线圈电流隔离。
11.如权利要求7所述的系统，其中，所述GND Tx线圈允许对基本上远离所述发射器定位的至少一个接收器充电。
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