CN115552764A - 无线功率传输发射器、无线地传输功率的系统和方法 - Google Patents

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S.阿尔达赫
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Abstract

一种用在磁感应无线功率传输系统中的装置包括被定位成邻近磁感应无线功率传输系统的有效线圈的至少一个升压线圈和电连接到升压线圈的电容器。电容器的电容被选择为使得在无线功率传输期间升压线圈中的电流近似等于有效线圈中的电流。该装置可以包括被定位成邻近磁感应无线功率传输系统的有效线圈的至少一个屏蔽线圈、电连接到屏蔽线圈的电容器、以及被定位成与有效线圈相对地邻近屏蔽线圈的导体。导体包围屏蔽线圈。

Description

无线功率传输发射器、无线地传输功率的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及无线功率传输，并且具体地涉及用于在磁感应无线功率传输系统中使用的装置、无线功率传输系统和无线地传输功率的方法。
背景技术
诸如无线充电器的无线功率传输系统正在成为实现下一代设备的越来越重要的技术。通过越来越多的制造商和公司投资于该技术，由该技术提供的潜在益处和优点是显而易见的。
各种无线功率传输系统是已知的。典型的无线功率传输系统包括电连接到无线功率发射器的电源和电连接到负载的无线功率接收器。
在磁感应系统中，发射器具有带有一定电感的发射器线圈，该发射器线圈将电能从电源传输到接收器，该接收器具有带有一定电感的接收器线圈。功率传输由于发射器和接收器的线圈或电感器之间的磁场耦合而发生。这些磁感应系统的范围是有限的，并且发射器和接收器的线圈或电感器必须紧密耦合，即具有高于0.5的耦合因子并且处于最佳对准以进行高效的功率传输。
还存在谐振磁系统，其中由于发射器和接收器的线圈或电感器之间的磁场耦合而传输功率。发射器电感器和接收器电感器可以松散地耦合，即具有低于0.5的耦合因子。然而，在谐振磁系统中，使用至少一个电容器来谐振电感器。此外，在谐振磁系统中，发射器是自谐振的，并且接收器是自谐振的。谐振磁系统中的功率传输范围比磁感应系统中的功率传输范围增加，并且校正了对准问题。虽然电磁能量在磁感应和谐振磁系统中产生，但是大部分功率传输经由磁场发生。经由电感应或谐振电感应传输很少(如果有的话)功率。
Qi无线充电标准是磁感应系统的示例性实现。Qi无线充电标准用于低功率消费电子产品，例如智能电话和可穿戴设备。此外，低成本功率转换器、线圈和集成电路可用于Qi无线充电标准。Qi无线充电标准在kHz频率范围内操作。根据Qi无线充电标准操作的设备具有有限的耦合范围，需要精确的线圈对准并且使用基于铁氧体的线圈，其可能是重且易碎的。因此，Qi无线充电标准的应用范围受到限制。
在电感应系统中，发射器和接收器具有电容性电极。功率传输由于发射器和接收器的电容性电极之间的电场耦合而发生。与谐振磁系统类似，存在谐振电系统，其中使用至少一个电感器使发射器和接收器的电容性电极谐振。电感器可以是线圈。在谐振电系统中，发射器是自谐振的，并且接收器是自谐振的。与电感应系统相比，谐振电系统具有增加的功率传输范围，并且校正了对准问题。虽然电磁能量在电感应和谐振电系统中产生，但是大部分功率传输经由电场发生。经由磁感应或谐振磁感应传输很少的功率(如果有的话)。
虽然无线功率传输系统是已知的，但是需要改进。因此，一个目的是提供一种无线地传输功率的新颖的无线功率传输发射器、接收器、系统和方法。
该背景仅用于设置场景以允许本领域技术人员更好地理解以下描述。因此，上述讨论都不应被视为承认该讨论是现有技术的一部分或是公知常识。
发明内容
应当理解，提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体描述中进一步描述。本发明内容不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
因此，在一个方面，提供了一种用于磁感应无线功率传输系统的装置。该装置可以屏蔽系统外部的组件，使其免受源自系统或由系统生成的磁场的影响。该装置可以进一步加强源自系统或由系统生成的磁场。该装置还可以不影响磁感应无线功率传输系统的有效线圈(active coil)的阻抗。该系统可以提供以下益处：由于引入该装置，与有效线圈相关联的逆变器可以不需要被重新调谐。
该装置可以包括场屏蔽单元。
该装置可以包括被定位成邻近磁感应无线功率传输系统的有效线圈的至少一个屏蔽线圈。
为了本公开的目的，可以邻近被定义为限定大致平行的平面。屏蔽线圈可以邻近有效线圈，因为屏蔽线圈的主表面与由有效线圈的主表面限定的平面平行。
该装置还可以包括电连接到屏蔽线圈的电容器。电容器可以被配置为设置该装置的谐振频率。
电容器可以电连接到屏蔽线圈。选择电容器的电容，使得有效线圈和场屏蔽单元或装置的阻抗或电抗与在相同操作频率下没有场屏蔽单元情况下的有效线圈的阻抗或电抗相同。
场屏蔽线圈和电容器可以产生净正电抗。导电板可以产生负电抗。电容器的电容可以被选择为使得净正电抗等于负电抗。因此，可以存在净零电抗，并且在具有和不具有场屏蔽单元的情况下发射器线圈的阻抗或电抗没有变化。
保持相同的阻抗或电抗可以确保无线功率传输系统不需要被重新调谐。重新调谐可能会增加成本和系统设置时间。
该装置可以包括导体，其被定位成与有效线圈相对地(opposite)邻近屏蔽线圈。导体可以包围屏蔽线圈。
导体可以包括导电板。导电板通常可以是平面的。
该装置的谐振频率可以大于有效线圈的谐振频率。
屏蔽线圈的谐振频率可以小于或等于屏蔽线圈的自谐振频率。
屏蔽线圈中的电流的相位和有效线圈中的电流的相位近似相等。与之相对比，在现有的屏蔽单元中，屏蔽单元或线圈中的电流通常与无线功率传输系统(例如磁感应无线功率传输系统)的有效线圈中的电流异相(例如异相180度)。
屏蔽线圈被配置为加强源自有效线圈或由有效线圈生成的磁场。与现有的屏蔽单元相比，屏蔽线圈和导体的组合确保了有效线圈的阻抗不受装置的引入的影响。
导体可以被配置为衰减源自有效线圈或由有效线圈生成的磁场。
在移除装置时，有效线圈的阻抗可以保持大致恒定。类似地，在使用具有磁感应无线功率传输系统的装置时，有效线圈的阻抗可以保持大致恒定。
可以基于以下各项来确定装置的参数：
Figure BDA0003929344550000031
其中ω是装置的谐振频率，
其中M12是屏蔽线圈与有效线圈之间的互感，
其中rL2是屏蔽线圈的电阻，
其中L2是屏蔽线圈的电感，
其中C是电容器的电容，
其中Z1gnd是导体朝向有效线圈的反射阻抗，并且
其中Z2gnd是导体朝向屏蔽线圈的反射阻抗。
该装置可以包括两个屏蔽线圈。具体地，该装置可以包括被定位成邻近磁感应无线功率传输系统的有效线圈的第一屏蔽线圈。该装置还可以包括位于第一屏蔽线圈和导体之间的第二屏蔽线圈。
电容器可以电连接到第一屏蔽线圈，并且第二场屏蔽线圈的端子可以电短接在一起以产生电容性反射阻抗。
电容器可以电连接到第一屏蔽线圈。该装置还可以包括电连接到第二场屏蔽线圈的第二电容器。
可以基于以下各项来确定装置的参数：
Figure BDA0003929344550000041
其中ω是装置的谐振频率，
其中M12是有效线圈与第一屏蔽线圈之间的互感，
其中M13是有效线圈与第二屏蔽线圈之间的互感，
其中M23是第一屏蔽线圈与第二屏蔽线圈之间的互感，
其中rL2是第一屏蔽线圈的电阻，
其中L2是第一屏蔽线圈的电感，
其中C是电容器的电容，
其中Z1gnd是导体朝向有效线圈的反射阻抗，
其中Z2gnd是导体朝向第一屏蔽线圈的反射阻抗，并且
其中Z3gnd是导体朝向第二屏蔽线圈的反射阻抗。
可以基于以下各项来确定装置的参数：
Figure BDA0003929344550000051
其中ω是装置的谐振频率，
其中M12是有效线圈与第一屏蔽线圈之间的互感，
其中M13是有效线圈与第二屏蔽线圈之间的互感，
其中M23是第一屏蔽线圈与第二屏蔽线圈之间的互感，
其中rL2是第一屏蔽线圈的电阻，
其中L2是第一屏蔽线圈的电感，
其中C是电容器的电容，
其中Z1gnd是导体朝向有效线圈的反射阻抗，
其中Z2gnd是导体朝向第一屏蔽线圈的反射阻抗，并且
其中Z13gnd是导体朝向第二屏蔽线圈的反射阻抗。
有效线圈可以是发射器或接收器线圈。发射器线圈可以形成磁感应无线功率传输系统的发射器的一部分。接收器线圈可以形成磁感应无线功率传输系统的接收器的一部分。
无线功率系统可以是高频磁无线功率传输系统。
根据另一方面，提供了一种用于经由磁场耦合传输功率的无线功率传输系统。该系统可以包括用于经由磁场耦合传输功率的发射器线圈，以及用于经由磁场耦合从发射器线圈提取功率的接收器线圈。该系统还可以包括所描述的装置中的至少一个。装置的屏蔽线圈可以被定位成邻近发射器线圈和接收器线圈中的至少一个。
根据另一方面，提供了一种屏蔽磁感应无线功率传输系统的有效线圈的方法。该方法可以屏蔽系统外部的组件，使其免受源自系统或由系统生成的磁场的影响。该方法可以进一步加强源自系统或由系统生成的磁场。该方法还可以不影响磁感应无线功率传输系统的有效线圈的阻抗，即，与有效线圈相关联的逆变器可以不需要由于装置的引入而被重新调谐。
该方法可以包括将至少一个屏蔽线圈定位成邻近磁感应无线功率传输系统的有效线圈，导体电连接到屏蔽线圈；以及将导体定位成与有效线圈相对地邻近屏蔽线圈，使得导体包围屏蔽线圈。
屏蔽线圈可以如前所述。导体可以如前所述。
根据另一方面，提供了一种经由磁感应无线地传输功率的方法。
该方法可以包括在发射器线圈处生成磁场以经由磁场耦合将功率传输到接收器线圈。
该方法还可以包括经由被定位成与接收器线圈相对地邻近发射器线圈的至少一个屏蔽线圈来加强所生成的磁场。
该方法还可以包括经由被定位成与发射器线圈相对地邻近屏蔽线圈的导体来衰减所生成的磁场，该导体包围屏蔽线圈。
根据另一方面，提供了一种在磁感应无线功率传输系统中使用的装置，该装置包括：至少一个升压线圈(booster coil)，其被定位成邻近磁感应无线功率传输系统的有效线圈；以及电容器，其电连接到升压线圈，电容器的电容被选择为使得在无线功率传输期间升压线圈中的电流近似等于有效线圈中的电流。
电容器的电容可以被选择为使得装置生成净正电抗。
电容器的电容可以被选择为使得有效线圈的阻抗或电抗增加。
有效线圈的平面可以与升压线圈的平面平行。该平面可以被定义为有效线圈的主物平面(major object plane)，并且类似地被定义为升压线圈的主物平面。
该装置还可以包括被定位成与有效线圈相对地邻近升压线圈的导体，该导体包围升压线圈。
导体的平面可以与有效线圈和/或升压线圈的平面平行。该平面可以被定义为导体的主物平面。
导体可以被配置为衰减源自有效线圈的磁场。
导体可以是导电板。
升压线圈和有效线圈之间的距离以及升压线圈和导体之间的距离可以被选择为使得：电容器的所需电容和导体中的涡流损耗被优化。
该装置可以被配置为将由有效线圈生成的磁场增加大约两倍。
有效线圈可以是发射器或接收器线圈。
无线功率系统可以是高频磁无线功率传输系统。
该装置的谐振频率可以高于无线功率传输系统的操作频率。
升压线圈具有与有效线圈相同的形状和尺寸。升压线圈可以具有与有效线圈不同的形状和/或尺寸。例如，有效线圈可以具有大致正方形的平面形状，并且升压线圈可以具有大致圆形的平面形状。
该装置可以包括多个升压线圈。例如，该装置可以包括四(4)个升压线圈。
升压线圈可以被配置为由有效线圈包围。
升压线圈可以被配置为根据磁场分布增加由有效线圈生成的磁场。
根据另一方面，提供了一种用在磁感应无线功率传输系统中的装置，该装置包括：至少一个屏蔽线圈，其被定位成邻近磁感应无线功率传输系统的有效线圈；电容器，其电连接到屏蔽线圈；以及导体，其被定位成与有效线圈相对地邻近屏蔽线圈，该导体包围该屏蔽线圈。
根据另一方面，提供了一种用于经由磁场耦合传输功率的无线功率传输系统，该系统包括：用于经由磁场耦合传输功率的发射器线圈，用于经由磁场耦合从发射器线圈提取功率的接收器线圈，以及至少一个装置，该至少一个装置包括：至少一个屏蔽线圈，其被定位成邻近发射器线圈或接收器线圈；电容器，其电连接到屏蔽线圈；以及导体，其被定位成与发射器线圈或接收器线圈相对地邻近屏蔽线圈，该导体包围屏蔽线圈。
根据另一方面，提供了一种屏蔽磁感应无线功率传输系统的有效线圈的方法，该方法包括：将至少一个屏蔽线圈定位成邻近磁感应无线功率传输系统的有效线圈，导体电连接到屏蔽线圈；以及将导体定位成与有效线圈相对地邻近屏蔽线圈，使得导体包围屏蔽线圈。
根据另一方面，提供了一种经由磁感应无线地传输功率的方法，该方法包括：在发射器线圈处生成磁场以经由磁场耦合将功率传输到接收器线圈；经由至少一个屏蔽线圈加强所生成的磁场，该至少一个屏蔽线圈被定位成与接收器线圈相对地邻近发射器线圈；以及经由被定位成与发射器线圈相对地邻近屏蔽线圈的导体来衰减所生成的磁场，导体包围屏蔽线圈。
根据另一方面，提供了一种经由磁感应无线地传输功率的方法，该方法包括：在发射器线圈处生成磁场以经由磁场耦合将功率传输到接收器线圈；以及经由至少一个升压线圈加强所生成的磁场，该至少一个升压线圈被定位成与接收器线圈相对地邻近发射器线圈，电容器电连接到升压线圈，电容器的电容被选择为使得在无线功率传输期间升压线圈中的电流近似等于有效线圈中的电流。
应当理解，关于一个方面、示例或实施例描述的任何特征也可以关于本公开的任何其他方面、示例或实施例使用。根据结合以下附图的详细描述，本公开的其他优点对于本领域技术人员而言可以变得显而易见。
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是无线功率传输系统的框图；
图2是感应无线功率传输系统的框图；
图3A是图2的无线功率传输系统的发射器线圈的透视图；
图3B是在无场屏蔽的情况下沿着图3A的发射器线圈的x-y轴截取的磁场图；
图3C是在无场屏蔽的情况下沿着图3A的发射器线圈的x-z轴截取的磁场图的有限元法(finite element method，FEM)模拟；
图4A是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈的透视图；
图4B是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈的端视图；
图4C是根据本公开的方面的具有屏蔽单元和发射器线圈配置的磁场图的FEM模拟；
图4D是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈中的电流波形的曲线图；
图4E是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈的等效电路；
图5A是根据本公开的方面的另一屏蔽单元和发射器线圈的透视图；
图5B是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈的端视图；
图5C是根据本公开的方面的具有屏蔽单元和发射器线圈配置的磁场图的FEM模拟；
图5D是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈中的电流波形的曲线图；
图5E是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈的等效电路；
图6A是根据本公开的方面的另一屏蔽单元和发射器线圈的透视图；
图6B是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈的端视图；
图6C是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈的磁场图的FEM模拟；
图6D是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈中的电流波形的曲线图；
图6E是根据本公开的另一方面的屏蔽单元和发射器线圈的正视透视图(elevatedperspective view)；
图6F是根据本公开的方面的屏蔽单元和发射器线圈的等效电路；
图7是根据本公开的方面的发射器线圈和装置的透视图；
图8A是根据本公开的方面的发射器线圈和装置的一部分的透视图；以及
图8B是图8A的发射器和装置的一部分的侧视图。
具体实施方式
当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及某些示例的以下详细描述。如本文所使用的，以单数形式引入并且前面有词语“一”或“一个”的元件或特征应当被理解为不一定排除多个元件或特征。此外，对“一个示例”或“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除也包含所描述的元件或特征的附加示例或实施例的存在。此外，除非明确指出相反的情况，否则“包含”或“具有”或“包括”具有特定性质的元件或特征或多个元件或特征的示例或实施例可以包括不具有该性质的附加元件或特征。此外，应当理解，术语“包括”、“具有”、“包含”意指“包括但不限于”，并且术语“包括”、“具有”和“包含”具有等同的含义。还应当理解，在整个说明书和附图中，相同的附图标记将用于指代相同的元件。
如本文所使用的，术语“适于”和“配置”意味着元件、组件或其他主题被设计和/或旨在执行给定功能。因此，术语“适于”和“配置”的使用不应被解释为意味着给定元件、组件或其他主题简单地“能够”执行给定功能，而是该元件、组件和/或其他主题是为了执行该功能而被具体选择、创建、实现、利用和/或设计的。还在本主题公开的范围内的是，被描述为适于执行特定功能的元件、组件和/或其他主题可以附加地或替代地被描述为被配置为执行该功能，反之亦然。类似地，被描述为被配置为执行特定功能的主题可以附加地或替代地被描述为可操作以执行该功能。
应当理解，当元件被称为在另一元件“上”、“附接到”、“连接到”、“耦合到”、“接触”另一元件等时，它可以直接在另一元件上、附接到、连接到、耦合到或接触另一元件，或者也可以存在中间元件。
应当理解，除非另有说明，否则词语“示例性”的使用意味着“作为示例”或“一个示例”，而不是表示优选或最佳设计或实现。
如本文所用，术语“近似”、“约”、“大致”、“基本上”等表示接近所陈述量或特性的量或特性，其仍然执行期望的功能或实现期望的结果。例如，关于所陈述量的术语“近似”和“约”将包括在本领域技术人员容易理解的所陈述数量的工程或设计公差内的量。类似地，例如，关于所陈述特性的术语“基本上”将包括几乎完全提供所陈述特性的元件，并且关于所陈述特性的术语“大致”将包括主要提供所述陈特性的元件。
除非另有说明，否则术语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标签，并且不旨在对这些术语所指的元件施加顺序、位置或层次要求。此外，对“第二”元件的引用不要求或排除较低编号的元件(例如，“第一”元件)和/或较高编号的元件(例如，“第三”元件)的存在。
现在转到图1，示出了无线功率传输系统，其总体上由附图标记100标识。无线功率传输系统100包括发射器110和接收器120，发射器110包括电连接到发射元件114的电源112，接收器120包括电连接到负载122的接收元件124。功率从电源112传输到发射元件114。然后，功率经由高频、谐振或非谐振电场或磁场耦合从发射元件114传输到接收元件124。然后将功率从接收元件124传输到负载122。
图2示出了总体上被标识为附图标记200的磁感应(h场)无线功率传输系统。
无线功率传输系统200包括发射器202和接收器204。如将描述的，无线功率系统200通过将功率从发射器202传输到接收器204来操作。发射器202被配置为经由磁场或磁感应耦合无线地发射功率，如将描述的。虽然也可以生成电场，但是通过电场耦合传输很少的功率(如果有的话)。
发射器202包括电源206、发射器DC/DC转换器208、DC/AC逆变器210和发射器线圈或电感器212。电源206电连接到发射器DC/DC转换器208。电源206被配置为生成DC功率信号。电源206被配置为将DC功率信号输出到发射器DC/DC转换器208。在该实施例中，DC功率信号在24V和48V之间。发射器DC/DC转换器208电连接到电源206。发射器DC/DC转换器208电连接到DC/AC逆变器210。发射器DC/DC转换器208将电源206对接到DC/AC逆变器210。发射器DC/DC转换器208被配置为将来自电源206的DC功率信号转换为用于传输到DC/AC逆变器210的电压电平。
DC/AC逆变器210电连接到发射器DC/DC转换器208。DC/AC逆变器210电连接到发射器线圈212。DC/AC逆变器210被配置为将来自发射器DC/DC转换器208的DC功率信号转换为正弦射频(RF)功率信号。正弦RF功率信号从DC/AC转换器210输出到发射器线圈212。
接收器204被配置为经由磁感应耦合从发射器202提取功率，如将描述的。虽然也可以生成电场，但是经由电场耦合提取很少的功率(如果有的话)。
接收器204包括接收器线圈214、AC/DC整流器216、接收器DC/DC转换器218和负载220。接收器线圈214电连接到AC/DC整流器216。接收器线圈214被配置为使用高频磁感应耦合经由发射器线圈212从发射器202接收功率。
为了本公开的目的，高频被定义为6.78MHz或更高的频率。这包括13.56MHz和更高的频率。此外，频率是指无线功率传输系统的操作频率。因此，高频磁感应系统例如以13.56MHz的频率经由磁感应耦合从发射器线圈212向接收器线圈214发射功率。本领域技术人员将理解，系统的频率不需要精确地为6.78MHz或13.56MHz。高频包括兆赫(MHz)范围及以上的频率。高频还包括国际电信联盟(ITU)的7号频带(HF)中的频率，其为3至30MHz及以上。
AC/DC整流器216电连接到接收器线圈214。AC/DC整流器216电连接到接收器DC/DC转换器218。AC/DC整流器216被配置为将来自接收器线圈214的正弦RF功率信号转换为DC功率信号。AC/DC整流器216被配置为将DC功率信号输出到接收器DC/DC转换器218。
接收器DC/DC转换器218电连接到AC/DC整流器216。接收器DC/DC转换器218电连接到负载220。DC功率信号从AC/DC整流器216输出到接收器DC/DC转换器218。接收器DC/DC转换器218将AC/DC整流器216连接到负载220。接收器DC/DC转换器218被配置为转换所接收的DC功率信号。经转换的DC功率信号从接收器DC/DC转换器218输出到负载220。负载220电连接到接收器DC/DC转换器218。负载220可以是固定或可变负载。
虽然接收器204已经被描述为包括接收器DC/DC转换器218，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。在另一实施例中，接收器204不包括接收器DC/DC转换器218。在该实施例中，AC/DC整流器216电连接到负载220。AC/DC整流器216被配置为生成负载220可接受的DC功率信号。
接收器204以给定频率操作。在该实施例中，接收器204的操作频率是发射器202的操作频率。在该实施例中，接收器204的操作频率是13.56MHz，这使系统成为如先前定义的高频系统。
现在转到图3A，示出了系统200的发射器线圈202。在该实施例中，发射器线圈212是圆形的，并且由FR4印刷电路板(PCB)上的两匝铜迹线组成。发射器线圈212具有大约1.50uH的电感。发射器线圈具有电连接在其端子之间的两个电容器228。虽然描述了具有圆角的大致矩形的发射器线圈212，但是本领域技术人员将理解，可以使用其他形状，诸如正方形、螺旋形、矩形或圆形。
图3B示出了在没有场屏蔽或抵消的情况下来自图3A的系统200的发射器线圈212的磁场图。发射器线圈212被示出为具有由圆形线示出的磁场。磁场的方向由箭头表示。如图所示，磁场从线圈在顶部和底部的两个方向上发射。磁场不限于发射器线圈212内的区域，从而允许磁场在多个方向上围绕磁线圈212辐射。虽然未在图中示出，但是磁场在三维空间中的所有方向上围绕发射器212辐射。
图3C是没有场屏蔽单元的情况下发射器线圈212的FEM模拟。为了该模拟的目的，发射器线圈212由两个铜轨道213组成。本领域技术人员将认识到，线圈212可以具有任何数量的匝数。模拟示出了在没有场屏蔽或抵消的情况下来自发射器线圈212的磁场图。图3C示出了磁场从发射器线圈212的任一侧发射。发射器线圈212被示出为具有由圆形线示出的磁场。
在所描述的磁感应(h场)无线功率传输系统200中，对由无线功率系统200产生的磁场进行场屏蔽可能是设计系统200时的重要方面。如图3C所示，在没有场屏蔽的情况下，分别由发射器和接收器线圈(或电感器)212和214产生的磁场在远离线圈或电感器的所有方向上辐射。尽管一些磁场分别保持被限制在发射器线圈212与接收器线圈214之间的区域内，但是其大部分不被限制并且因此耦合到周围环境中。这可能导致能量到其他对象中的不期望的耦合和传输，从而在导电对象中感应涡流并加热组织。所有这些导致能量损失，并且可能导致不能满足EMI/EMC要求以及ICNIRP/IEEE现场暴露限制。传统的解决方案(诸如Qi系统)由于铁氧体的高磁导率而依赖于铁氧体进行场屏蔽。然而，铁氧体是重且易碎的材料，并且在MHz频率下效率不高。本领域技术人员通常理解，铁氧体和磁学中的两个主要损耗机制是涡流损耗和磁滞损耗，两者都与频率和磁导率相关。频率越高，损耗越高。具体地，铁氧体的磁导率在MHz频率下是低效的，并且可能需要铁氧体和线圈之间的更大的气隙。这可能会增加系统200的大小。此外，铁氧体中的涡流和磁滞损耗随着频率增加而增加。在MHz频率下，这些损耗可能导致系统效率低下并且可能无法用于功率传输。
本领域技术人员通常已知，为了抵消电流或电压，可以施加相等且相反的电流或电压，在这种情况下，相反的电流或电压将必须与要抵消的电流或电压异相180度。例如，声波、频率或力也是如此。类似地，当前的磁场抵消方法涉及改变由发射器线圈212发射的磁场的相位，使得抵消线圈中的电流的相位与发射器线圈212中的电流异相180度。利用磁感应系统中的已知磁场抵消技术和方法，场抵消线圈中的电流与发射器线圈212中的电流相比异相180度。该方法通常被称为“场抵消”，因为抵消线圈中的电流与发射器线圈212中的电流异相180度，并且有效地抵消发射器线圈212朝向场抵消线圈的场。
公开了一种用于无线功率传输系统的场屏蔽单元或装置。场屏蔽单元将辐射磁场限制到无线功率传输所需的区域或体积，如将描述的。
场屏蔽单元用于磁感应无线功率传输系统。例如，磁感应无线功率传输系统包括非谐振磁系统、谐振磁系统、高频磁感应系统。磁场(磁感应)无线功率传输系统使用磁线圈来使用磁感应耦合将功率从发射器传输到接收器。虽然也可以生成电场，但是使用电感应耦合传输很少功率(如果有的话)。
在该实施例中，场屏蔽单元用高频磁感应无线功率传输系统实现。在另一个实施例中，该系统是低频磁感应无线功率传输系统。在另一实施例中，该系统是谐振磁感应无线功率传输系统。在又一个实施例中，该系统是磁感应系统。
现在转到图4A，示出了根据本公开的一个方面的用于磁感应无线功率传输系统中的场屏蔽单元430或装置。在该实施例中，场屏蔽单元430包括单个场屏蔽线圈422和导电板或导体426。场屏蔽线圈422电连接到分立电容器428。电容器428在场屏蔽线圈422的外部。电容器428电连接在场屏蔽线圈422的两个端子之间。
场屏蔽线圈422被配置为加强或增加由发射器线圈412生成的磁场。具体地，场屏蔽线圈422被配置为增加由发射器线圈412生成的磁场的大小。导电板426被配置为在相对于发射器线圈412与接收器线圈大致相对的方向上至少部分地衰减或阻挡由发射器线圈412生成的磁场。导电板426的大小和位置被设计成包围场屏蔽线圈422。
为了本主题公开的目的，当存在以下条件中的至少一个时，认为导电板426包围场屏蔽线圈422:(i)如果由场屏蔽线圈422的外围限定的区域投影到导电板426的区域上，该投影完全在导电板426的区域内；(ii)场屏蔽线圈422的投影区域由导电板426的区域约束；以及(iii)导电板426的区域比由场屏蔽线圈422的外围限定的总区域大至少场屏蔽线圈422与导电板426之间的距离。
场屏蔽装置430被定位成使得由场屏蔽线圈422形成的平面与由发射器线圈412形成的平面平行。由场屏蔽线圈422形成的平面也与由导电板426形成的平面平行。由导电板426形成的平面与由发射器线圈412形成的平面平行。因此，由线圈412、422和板426形成的平面都是平行的。
线圈412、422和板426中的任何一个的平面可以被定义为特定元件的主物平面。
场屏蔽装置430被定位成使得场屏蔽线圈422相对于发射器线圈412与接收器线圈相对。接收器线圈是发射器线圈412形成其一部分的无线功率传输系统的一部分。场屏蔽装置430的定位使得场屏蔽线圈422邻近发射器线圈412的一侧，而接收器线圈邻近发射器线圈412的另一相对侧。发射器线圈412与屏蔽线圈422的一侧邻近，并且导电板426与屏蔽线圈422的另一侧邻近。
电容器428被配置为设置场屏蔽线圈422的谐振频率。场屏蔽线圈422被调谐到与无线功率传输系统200的发射器线圈412的操作频率不同的频率。场屏蔽线圈422被调谐到高于发射器线圈412的操作频率的频率。具体地，根据
Figure BDA0003929344550000141
计算电容器428的电容，使得场屏蔽线圈422的谐振频率高于无线功率传输系统200的操作频率。
场屏蔽线圈430与发射器线圈412同相。使场屏蔽线圈422调谐到比发射器线圈412更高的频率确保了屏蔽线圈422中的电流与发射器线圈412中的电流同相，而不是180度异相。与发射器线圈412相比，场屏蔽线圈422的较高频率确保了场屏蔽线圈422中的电流与发射器线圈412中的电流同相。场屏蔽线圈422不被调谐到与发射器线圈412相同的频率。将场屏蔽线圈422调谐到发射器线圈412的频率可能导致短路负载，在这种情况下，场屏蔽单元430或装置可能不按预期起作用。
此外，由于屏蔽线圈422中的电流与发射器线圈412中的电流同相，所以可用于与磁感应系统的相应接收器线圈耦合的发射器线圈412处的磁场强度增加。这与其中电流异相180度的屏蔽或抵消单元或系统形成对比。在异相系统中，由于屏蔽抵消单元或系统，耦合到接收器线圈的磁场强度较小。这降低了功率传输效率。与之相对比，具有同相电流的屏蔽线圈422改善了功率传输效率。
电容器428的电容被选择为使得发射器线圈412和场屏蔽单元430或装置的阻抗或电抗与没有场屏蔽单元430情况下的发射器线圈412的阻抗或电抗相同。具体地，场屏蔽线圈422和电容器428产生净正电抗，而导电板426产生负电抗。电容器428的电容被选择为使得该净正电抗等于该负电抗。因此，存在净零电抗，并且在具有和不具有场屏蔽单元430的情况下发射器线圈412的阻抗或电抗没有变化。如将要描述的，根据下面描述的等式来选择电容器428的电容。具体地，如将描述的，基于等式(7)来选择电容器428的电容。
在操作期间，场屏蔽单元430定位在发射器线圈412的与接收器线圈相对的一侧上。在该实施例中，除非另有说明，否则发射器线圈412与发射器线圈212完全相同。场屏蔽线圈422加强源自发射器线圈412或由发射器线圈412生成的朝向接收器线圈的磁场，并且定位在场屏蔽线圈422的与发射器线圈412相对的一侧上的导电板426衰减源自发射器线圈412或由发射器线圈412生成的朝向导电板426或远离接收器线圈的残余磁场。如将理解的，在没有导电板426的情况下使用场屏蔽线圈422将加强磁场；然而，场屏蔽线圈422也将增加发射器线圈412的阻抗。此外，在没有场屏蔽线圈422的情况下使用导电板426将衰减磁场；然而，导电板426也将减小发射器线圈412的阻抗。场屏蔽线圈422和导电板426的使用确保发射器线圈412的阻抗保持大致恒定。场屏蔽线圈422和导电板426的调谐和定位被配置为使得发射器线圈412的总阻抗在有或没有场屏蔽单元430的情况下保持不变。场屏蔽单元430的电容器428的电容被选择为使得发射器线圈412的阻抗保持不变。
可以从由发射器线圈412看到的阻抗来描述场屏蔽单元430的数学模型。在没有任何场屏蔽线圈422或接收器线圈(未示出)存在的情况下由发射器线圈412看到的阻抗(ZTX)由等式1给出：
Figure BDA0003929344550000162
其中rL1是发射器线圈412的等效串联电阻(ESR)，并且ωL1是发射器线圈412的电抗，其中ω是操作频率(弧度/秒))，并且L1是发射器线圈的电感。
如前所述，由连接到发射器线圈412的逆变器电路(例如，参考无线功率传输系统200描述的DC/AC逆变器210)看到的阻抗(ZTX)在添加场屏蔽单元430之前和之后、或者在有和没有场屏蔽单元430的情况下将保持相同的值。在存在和不存在场屏蔽单元430的情况下保持相同的阻抗值确保了当添加或移除场屏蔽单元430时不需要重新调谐逆变器电路(例如DC/AC逆变器210)，这与在添加或移除场抵消线圈之后需要逆变器重新调谐的场抵消系统相比非常有益。
当将场屏蔽单元430添加到无线功率传输系统200时，由发射器线圈412看到的阻抗由等式2给出：
Figure BDA0003929344550000163
其中Zref2是具有与电容器C的电感L2的单个场屏蔽线圈422的反射阻抗，并且Zgnd是导电板426到场屏蔽线圈422的反射阻抗。
为了确保当将场屏蔽单元430添加到无线功率传输系统时发射器线圈412的阻抗(ZTX)不改变，Zref2加Zgnd必须等于零，如等式3所示：
Zref2+Zgnd＝0 (3)
基于反射阻抗和阻抗之间的已知关系，可以基于线圈的反射阻抗和线圈的阻抗之间的关系来扩展上述等式，如等式4所示：
Figure BDA0003929344550000161
其中Mxx是发射器线圈412和场屏蔽线圈422与导电平面之间的互感(如图4E所示)，并且Z2gnd是导电板426的等效AC电阻和电感的反射阻抗。
应当注意，接地平面的电阻和电感取决于发射器线圈412和场屏蔽线圈422的互感、位置和尺寸。从电磁角度来看，导电板426充当反射镜以反射导电板426的阻抗。导电板426的反射阻抗总是电容性的，因此，等式(4)中的第二项是负的。因此，在该实施例中，等式(4)的第一项应该是电感性的，以满足等式(4)。现在应用C的值以产生电感反射阻抗。因此，可以进一步得出结论，C的值使得来自单个场屏蔽线圈422的反射阻抗Zref2为正。来自场屏蔽线圈422的反射阻抗是电感性的，以抵消导电板426的负反射阻抗，这意味着场屏蔽线圈422的谐振频率必须高于无线功率传输系统200的发射器412的操作频率。
因此，对于特定无线功率传输系统的给定参数，根据等式(7)选择电容器428的电容。
实施场屏蔽单元430的非预期效果是场屏蔽线圈422还将在朝向接收器的接收器线圈的方向上产生磁场的少量衰减。朝向接收器的接收器线圈的磁场的衰减是由于场屏蔽单元430产生不对称场。与没有屏蔽的磁场的强度相比，不对称场通常降低磁场的强度。由于电流在单个场屏蔽线圈422中流动，朝向接收器线圈的磁场的衰减的结果导致效率损失。效率损失在从发射器线圈412到接收器线圈的功率传输中为1％至5％的范围内的效率降低。与使用180度异相的抵消或屏蔽单元或系统所发现的效率损失相比，这种效率损失是微不足道的。
现在将描述场屏蔽单元的放置。现在转到图4B，场屏蔽线圈422被定位在发射器线圈412的与接收器线圈相对的一侧上的固定距离处。场屏蔽线圈422与发射器412之间的间隔距离跨发射器线圈412和接收器线圈422是均匀的。在该实施例中，发射器线圈412和场屏蔽线圈422之间的距离(d1)为12mm。导电板426被放置在距场屏蔽线圈422的固定距离处。在该实施例中，场屏蔽线圈422和导电板426之间的距离(d2)为22mm。在该实施例中，场屏蔽线圈422由两匝组成，15mm的轨道宽度、6.5mm的轨道间距、65mm的内线圈半径和102.5mm的外线圈半径。导电板426可以由任何导电材料构成，包括例如铜、铝、钢。在该实施例中，导电板426由铜带构成。虽然已经描述了特定的场屏蔽线圈配置，但是本领域普通技术人员将认识到，场屏蔽线圈配置不需要与发射器线圈配置相同，并且因此，线圈可以在大小、形状、匝数、轨道宽度、轨道间距方面不同，并且还可以具有与这里所描述的不同的内半径和外半径。
已执行FEM模拟以验证场屏蔽单元430的操作原理。在该实施例中，模拟基于由两匝、15mm的轨道宽度、6.5mm的轨道间距、65mm的内线圈半径和102.5mm的外线圈半径组成的发射器线圈412。在该实施例中，发射器线圈412中的电流为1A，并且发射器线圈412的操作频率为13.56MHz。
本领域技术人员将认识到，可以使用具有更多或更少匝数、不同轨道宽度、不同轨道间距、不同内线圈半径或不同外线圈半径的发射器线圈412。本领域技术人员还将认识到，发射器线圈412可以具有不同于为了这些模拟的目的而描述的实施例中所提到的电流或操作频率。
现在转到图4C和图4D，示出了发射器线圈412的FEM模拟，其中场屏蔽单元430或装置定位在发射器线圈412的与接收器线圈相对的一侧上。在该实施例中，场屏蔽单元430包括单个场屏蔽线圈422和导电板426，该单个场屏蔽线圈422具有连接在发射器线圈412的端子之间的外部/分立电容器428。导电板的尺寸通常在直径上比发射器的外半径和屏蔽线圈直径大10％至25％之间。在该实施例中，导电板由铜构成，并且具有大约240mm×240mm的尺寸。
出于该特定模拟的目的，发射器线圈412与第一场屏蔽线圈422之间的距离(d1)为12mm。场屏蔽线圈422与导电板426之间的距离(d2)为22mm。参考等式(4)，电容器428的值(C)为93pF。图4D示出了在场屏蔽单元430定位在发射器线圈412的与接收器线圈相对的一侧上的情况下，从发射器线圈412发射的磁场现在仅在一个方向上，并且被场屏蔽单元430阻挡而不能从发射器线圈412的另一侧发射。距离(d1)除以发射器线圈412的外半径的比率对于该单线圈场屏蔽单元430配置产生大约11.7％的比率。该比率通常可以用于基于发射器线圈412的大小来确定场屏蔽线圈422距发射器线圈412的距离。类似地，距离(d2)除以发射器线圈412的外半径的比率对于该单线圈场屏蔽单元430配置产生大约21.5％的比率。该比率通常可以用于基于发射器线圈412的大小来确定导电板426距单个场屏蔽线圈422的距离。
如图4C所示，磁场从发射器线圈顶部和底部在两个方向上发射。在场屏蔽单元430如图所示定位的情况下，磁场的大部分被场屏蔽线圈422衰减，而剩余的磁场终止于导电板426上。使用场屏蔽单元430，磁场被约束在场屏蔽单元430前方的发射器线圈412周围的区域，从而防止磁场在多个方向上围绕发射器线圈412辐射。由于磁场被约束为朝向接收器在预期方向上传播，因此使得经由磁场的功率传输更安全。
图4D示出了发射器线圈412和场屏蔽线圈422中的电流波形。电流被归一化为发射器线圈412中的电流。场屏蔽线圈422中的电流与发射器线圈412中的电流同相。源自发射器线圈412的残余磁场终止于导电板426上。如图4D中清楚地示出的，场屏蔽线圈422中的归一化电流总是小于发射器线圈412中的归一化电流。场屏蔽线圈422中的电流增加了由发射器线圈412生成的磁场，从而增加了无线功率传输和/或无线功率传输效率。
图4E示出根据本公开的一个方面的场屏蔽单元的等效电路。场屏蔽单元包括场屏蔽线圈422、电容器428和导电板426。L1表示发射器线圈412或接收器线圈(未示出)的电感。L2表示单个场屏蔽线圈422的电感，C是连接在场屏蔽线圈422的端子之间的单个电容器428的电容。场屏蔽线圈422以固定距离定位在发射器线圈412的与接收器线圈相对的一侧上。导电板426以固定距离定位在场屏蔽线圈422的与发射器线圈412相对的一侧上。图4E中示出了发射器线圈412、场屏蔽线圈422和导电板426之间的互感。
发射器线圈412可以形成所描述的无线功率传输系统200的一部分。无线功率传输系统200可以包括逆变器210。逆变器210可以被配置用于电流-模式输出(恒定电流输出)，如美国专利申请号17/018,328中所描述，其相关部分通过引用并入本文。
尽管已经描述了具有一个场屏蔽线圈422的装置430，但是本领域技术人员将认识到，具有多于一个场屏蔽线圈422的场屏蔽单元430的其他实施例也是可能的。例如，在另一实施例中，场屏蔽单元包括两个场屏蔽线圈。虽然将第二场屏蔽线圈添加到场屏蔽单元会增加场屏蔽单元的整体大小(即，厚度)，但是附加的益处是更高效的场屏蔽单元，其具有更薄、更轻的导电板，这又降低了场屏蔽单元的重量，并且通过扩展，降低了实施场屏蔽单元的磁感应系统的重量。减小导电板的厚度也使场屏蔽单元的厚度减小相等的量。
现在转到图5A，示出了根据本公开的一个方面的带有场屏蔽单元530的发射器线圈512。除非另有说明，否则发射器线圈512与发射器线圈412完全相同。在该实施例中，场屏蔽单元530包括第一场屏蔽线圈522、第二场屏蔽线圈524和导电板526。第一场屏蔽线圈522的两个端子电连接到电容器528。电容器528在第一场屏蔽线圈522的外部。第二场屏蔽线圈524具有直接跨其端子的电短接。第二场屏蔽线圈524的端子短接在一起确保了第二屏蔽线圈524的反射阻抗是电容性的。
场屏蔽线圈522和524被配置为增加由发射器线圈512生成的磁场。导电板526被配置为在相对于发射器线圈512与接收器线圈大致相对的方向上至少部分地衰减或阻挡由发射器线圈512生成的磁场。导电板526或导体的大小和位置被设计成包围第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524。第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524被调谐到与无线功率传输系统200的发射器线圈512的操作频率不同的频率。场屏蔽线圈522和524不被调谐到与发射器线圈512相同的频率。将场屏蔽线圈522和524调谐到发射器线圈512的频率可能导致短路负载，在这种情况下，场屏蔽单元530可能不按预期起作用。第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524可以分别被调谐到不同的频率。每个相应频率可以不等于发射器线圈512的操作频率。将第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524分别调谐到不同的频率可以允许在场屏蔽线圈522和524中流动的电流和电压的增加的灵活性。在该实施例中，第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524被调谐到高于发射器线圈512的操作频率的频率。
第一场屏蔽线圈522被放置在距发射器线圈512的固定距离处。第二场屏蔽线圈524放置在距第一场屏蔽线圈524的固定距离处。在该实施例中，第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524之间的距离为15mm。导电板526放置在距第二场屏蔽线圈524的固定距离处。
场屏蔽单元或装置530被定位成使得由第一场屏蔽线圈512形成的平面与由发射器线圈512形成的平面平行。由第一场屏蔽线圈512形成的平面也与由第二场屏蔽线圈524形成的平面平行。由第二场屏蔽线圈524形成的平面与由导电板526形成的平面平行。因此，由发射器线圈512、第一场屏蔽线圈522、第二场屏蔽线圈524以及导电板526形成的平面都是平行的。发射器线圈512、第一场屏蔽线圈522、第二场屏蔽线圈524以及导电板526中的任何一个的平面可以被定义为特定元件的主物平面。
第一场屏蔽线圈522邻近发射器线圈512的一侧，而接收器线圈邻近发射器线圈512的另一相对侧。发射器线圈512邻近第一场屏蔽线圈522的一侧，并且第二场屏蔽线圈524邻近第一屏蔽线圈522的另一相对侧。第一场屏蔽线圈522邻近第二场屏蔽线圈524的一侧，并且导电板526邻近第二场屏蔽线圈524的另一相对侧。
在该实施例中，第二场屏蔽线圈524和导电板526之间的距离(d3)为7mm。导电板526可以由任何导电材料构成，包括例如铜、铝、钢。在该实施例中，导电板526由铜箔构成。
第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524以及导电板526的调谐和定位被配置成使得发射器线圈512的总阻抗在有或没有场屏蔽单元530的情况下保持不变。
例如，在一个实施例中，发射器线圈512与第一场屏蔽线圈522、第二场屏蔽线圈524和导电板526的电感为1uH。当分别包括第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524以及导电板526的场屏蔽单元530放置在发射器线圈512附近时，发射器线圈512的电感将保持在1uH。电容器528的电容被选择为使得发射器线圈512的电感在存在或不存在场屏蔽单元530的情况下不变。由于电感不变，所以阻抗也不变。换言之，场屏蔽单元530的引入不影响阻抗。
图5B示出了第一场屏蔽线圈522、第二场屏蔽线圈524和导电板526相对于发射器线圈512的示例配置的更详细视图。在该实施例中，场屏蔽线圈522放置在距发射器线圈51212mm处。场屏蔽线圈522电连接到电容器528。电容器528连接在第一场屏蔽线圈522的端子之间。电容器528具有132pF的电容。在该实施例中，第二场屏蔽线圈524放置在距第一场屏蔽线圈52215mm处。第二场屏蔽线圈524的端子电短接在一起以产生电容性反射阻抗。在该实施例中，导电板526分别放置在距第二场屏蔽线圈524的固定距离处。在该实施例中，第二场屏蔽线圈524与导电板之间的固定距离为7mm。
现在转到图5C和图5D，示出了发射器线圈512的FEM模拟，其中场屏蔽单元530定位在发射器线圈512的与接收器线圈相对的一侧上。在该实施例中，场屏蔽单元530包括第一场屏蔽线圈522、第二场屏蔽线圈524和导电板526，第一场屏蔽线圈522具有连接在第一场屏蔽线圈522的端子之间的外部/分立电容器528，第二场屏蔽线圈524的两个端子电短接在一起以产生电容性反射阻抗。除非另有说明，否则导电板526与导电板426完全相同。
出于这些特定模拟的目的，发射器线圈512与第一场屏蔽线圈522之间的距离(d1)为12mm。第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524之间的距离(d2)为15mm。第二场屏蔽线圈524与导电板526之间的距离(d3)为7mm。参考下面描述的等式(7)，电容器428的值(C)是132pF。图5C示出了在场屏蔽单元530定位在发射器线圈512的与接收器线圈相对的一侧上的情况下，从发射器线圈512发射的磁场现在仅在一个方向上，并且被场屏蔽单元530阻挡而不能从发射器线圈512的另一侧发射。距离(d1)除以发射器线圈512的外半径的比率对于该双线圈、单电容器场屏蔽单元530配置产生大约11.7％的比率。该比率通常可以用于基于发射器线圈512的大小来确定第一屏蔽线圈522距发射器线圈512的距离。距离(d2)除以发射器线圈512的外半径的比率对于该双线圈、单电容器场屏蔽单元530配置产生大约14.6％的比率。该比率通常可以用于基于发射器线圈512的大小来确定第二屏蔽线圈524距第一场屏蔽线圈522的距离。距离(d3)除以发射器线圈512的外半径的比率对于该双线圈、单电容器场屏蔽单元530配置产生大约6.83％的比率。该比率通常可以用于基于发射器线圈512的大小来确定导电板526距第二场屏蔽线圈524的距离。当加在一起时，(d2)和(d3)的比率近似等于单线圈场屏蔽单元430配置中的距离(d2)。在该实施例中，场屏蔽线圈由两匝组成，轨道宽度为15mm，轨道间距为6.5mm，内线圈半径为65mm，外线圈半径为102.5mm。导电板526可以由任何导电材料构成，包括例如铜、铝、钢。在该实施例中，导电板526由铜带构成。在该实施例中，场屏蔽线圈由两匝组成，轨道宽度为15mm，轨道间距为6.5mm，内线圈半径为65mm，外线圈半径为102.5mm。虽然已经描述了特定的场屏蔽线圈配置，但是本领域普通技术人员将认识到，场屏蔽线圈配置不需要与发射器线圈配置相同，并且因此，线圈可以在大小、形状、匝数、轨道宽度、轨道间距上不同，并且还可以具有与这里所描述的不同的内半径和外半径。
图5C示出了无线功率传输系统的发射器线圈512的磁场图，在该实施例中，该无线功率传输系统是如前所述的具有图5A的场屏蔽单元530的磁感应系统。发射器线圈512被示出为具有由圆形线示出的磁场。如图所示，磁场从线圈在顶部和底部两个方向上发射。在场屏蔽单元530如图所示定位的情况下，磁场被第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524衰减，其中任何残余磁场终止于导电板526上。使用场屏蔽单元530，磁场被约束在场屏蔽单元530前方的发射器线圈512周围的区域，从而防止磁场在多个方向上围绕发射器线圈512辐射。由于磁场被配置为通过使用场屏蔽单元530来朝向接收器在预期方向上传播，所以使得经由磁场的功率传输更安全。
图5D分别示出了发射器线圈512以及第一屏蔽线圈522和第二屏蔽线圈524中的电流波形。电流被归一化为发射器线圈512中的电流。屏蔽线圈522和524中的电流分别与发射器线圈512中的电流同相。
图5E示出了分别包括两个场屏蔽线圈522和524以及导电板526的场屏蔽单元530配置的等效电路，场屏蔽单元530配。第一场屏蔽线圈522具有连接在第一场屏蔽线圈522的端子之间的单个分立/外部电容器528。电容器528用于设置第一场屏蔽线圈522的谐振频率。第二场屏蔽线圈524的端子短接在一起以产生电容性反射阻抗(Zref3)。L3表示第二场屏蔽线圈524的电感。
双线圈场屏蔽单元530配置相对于单线圈场屏蔽单元430配置的附加优点在于，导电板526现在可以比单线圈场屏蔽单元430中的导电板426薄得多，并且可能更轻。不在导电板526中流动的大部分电流现在在第二场屏蔽线圈524中传导，因此导电板426可以更薄。此外，降低了总传导损耗。这意味着可以使用诸如铜箔或铝箔的薄导电板来代替厚导电材料板。由于场屏蔽单元530的最昂贵和最重的部分是导电板526，所以添加第二场屏蔽线圈524允许导电板526更薄，导致与所添加的第二线圈524的重量相比，场屏蔽单元530的重量更少。添加第二线圈524还具有降低导电板526的成本的益处，并且通过扩展，降低场屏蔽单元530的成本。
图5E示出了具有第一场屏蔽线圈522和一个电容器528以及第二场屏蔽线圈524的场屏蔽单元530的等效电路。如从发射器线圈512看到的反射阻抗(ZTX)在等式5中示出：
ZTX＝rTX+jωL1+Zref2-Zref3-Z1gnd (5)
上面的等式现在包括第二场屏蔽线圈524的反射阻抗Zref3。类似地，当在发射器线圈512的与接收器线圈相对的一侧上添加场屏蔽单元530时，在添加场屏蔽单元之前发射器线圈512的阻抗(ZTX)一定保持相同，如等式6所示：
Zref2+Zref3-Z1gnd＝0 (6)
上述等式可以如下扩展为等式7：
Figure BDA0003929344550000241
第二场屏蔽线圈524的反射阻抗Zref3是电容性的，因为其端子短接在一起以产生电容性反射阻抗。导电板的反射阻抗总是电容性的，这意味着等式(7)中的第二项和第三项是负的。因此，等式的第一项是电感性的，以满足等式(7)。现在C的值对于产生电感反射阻抗是关键的。类似于先前的配置，结论是：C的值使得来自第一场屏蔽线圈522的反射阻抗Zref2是正的，即电感性的，以抵消来自第二场屏蔽线圈524和导电板526的负反射阻抗。这意味着具有电感L2的第一场屏蔽线圈522的谐振频率必须高于无线功率传输系统的发射器线圈512的操作频率，该无线功率传输系统在该实施例中是磁感应系统。
实施场屏蔽单元530的非预期效果是场屏蔽线圈522和524还将在朝向接收器的接收器线圈的方向上产生磁场的少量衰减。由于电流分别在第一场屏蔽线圈522和第二场屏蔽线圈524中流动，朝向接收器线圈的磁场的衰减的结果导致效率损失。效率损失在从发射器线圈512到接收器线圈的功率传输中为1％至5％的范围内的效率降低。与使用180度异相的抵消或屏蔽单元或系统所发现的效率损失相比，这种效率损失是微不足道的。
与图4E一样，图5E中描绘的发射器线圈512可以形成所描述的无线功率传输系统200的一部分。无线功率传输系统200可以包括逆变器210。逆变器210可以被配置用于电流-模式输出(恒定电流输出)，如上面并入的美国专利申请号17/018,328中所描述。
图6A示出了根据本公开的一个方面的带有场屏蔽单元630的发射器线圈612。除非另有说明，否则发射器线圈612与发射器线圈512完全相同。在该实施例中，场屏蔽单元630包括第一场屏蔽线圈622、第二场屏蔽线圈624和导电板626。第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624分别被调谐到与无线功率传输系统200的发射器线圈612的操作频率不同的频率。第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624不被调谐到与发射器线圈612相同的频率。将第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624调谐到发射器线圈612的频率可能导致短路负载，在这种情况下，场屏蔽单元630可能不按预期起作用。在该实施例中，第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624被调谐到高于发射器线圈612的操作频率的频率。导电板626可以由任何导电材料构成，包括例如铜、铝或钢。在该实施例中，导电板626由铜箔构成。
第一屏蔽线圈622被定位在发射器线圈612的与接收器线圈相对的一侧上的固定距离处。第二场屏蔽线圈624被定位在第一场屏蔽线圈622的与发射器线圈612相对的一侧上的固定距离处。导电板626放置在第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624的分别与发射器线圈612相对的一侧上，以完全衰减或阻挡尚未分别被第一屏蔽线圈622和第二屏蔽线圈624抵消的任何残余磁场。相同的配置可以应用于接收器线圈。
第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624以及导电板626的调谐和定位被配置为使得发射器线圈612的总阻抗在有或没有场屏蔽单元630的情况下保持不变。
例如，在一个实施例中，发射器线圈612与第一场屏蔽线圈622、第二场屏蔽线圈624和导电板626的电感为1uH。当分别包括第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624以及导电板626的场屏蔽单元630放置在发射器线圈612附近时，发射器线圈612的电感将保持在1uH。由于电感不变，所以阻抗也不变。换言之，场屏蔽单元630的引入不影响阻抗。
第一场屏蔽线圈622具有连接在其端子之间的分立/外部电容器628，并且第二场屏蔽线圈624具有连接在其端子之间的分立/外部电容器629。电容器628和629的主要目的是分别设置第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624的阻抗和谐振频率。使用分别电连接在第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624的端子之间的电容器628和629的这种配置与两个先前的场屏蔽单元430和530的配置之间的差异在于，图6A中的配置允许增加对反射到发射器线圈612的阻抗的控制，并且因此可以导致更薄、更紧凑的场屏蔽单元630，其中第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624以及导电板626可以被定位成更靠近发射器线圈612，从而减小场屏蔽单元630的整体尺寸，同时与传统的场屏蔽材料(诸如铁氧体)相比，保持性能并减轻场屏蔽单元的重量，并因此减轻整个系统的重量。
图6B分别示出了第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624以及导电板626相对于发射器线圈612的示例配置的端视图。在该实施例中，第一场屏蔽线圈622被放置在发射器线圈612的与接收器线圈相对的一侧上12mm处。第一场屏蔽线圈622电连接到第一电容器628。第一电容器628连接在第一场屏蔽线圈622的端子之间。在该实施例中，第一电容器628具有89pF的电容。在该实施例中，第二场屏蔽线圈624被放置在第一场屏蔽线圈622的与发射器线圈612相对的一侧上15mm处。第二场屏蔽线圈624电连接到第二电容器629。第二电容器629连接在第二场屏蔽线圈624的端子之间。在该实施例中，第二电容器629具有89pF的电容。在该实施例中，导电板626被放置在第二场屏蔽线圈624的与第一屏蔽线圈相对的一侧上的7mm的固定距离处。在该实施例中，每个场屏蔽线圈622和624由两匝组成，轨道宽度为15mm，轨道间距为6.5mm，内线圈半径为65mm，外线圈半径为102.5mm。导电板626可以由任何导电材料构成，包括例如铜、铝、钢。在该实施例中，导电板626由铜带构成。虽然已经描述了特定的场屏蔽线圈配置，但是本领域普通技术人员将认识到，场屏蔽线圈配置不需要与发射器线圈配置相同，并且因此，线圈可以在大小、形状、匝数、轨道宽度、轨道间距上不同，并且还可以具有与这里所描述的不同的内半径和外半径。
现在转到图6C和图6D，示出了发射器线圈612的FEM模拟，其中场屏蔽单元630定位在发射器线圈612的与接收器线圈相对的一侧上。在该实施例中，场屏蔽单元630包括第一场屏蔽线圈622、第二场屏蔽线圈624和导电板626，第一场屏蔽线圈622具有连接在第一场屏蔽线圈622的端子之间的第一分立/外部电容器628，第二场屏蔽线圈624具有连接在第二场屏蔽线圈624的端子之间的第二分立/外部电容器629。除非另有说明，否则导电板626与导电板526完全相同。
出于这些特定模拟的目的，发射器线圈612和第一场屏蔽线圈622之间的距离(d1)为12mm。第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624之间的距离(d2)为15mm。第二场屏蔽线圈624和导电板626之间的距离(d3)为7mm。参考下面针对该实施例描述的等式(10)，第一电容器628的值(C1)为89pF。
距离(d1)除以发射器线圈612的外半径的比率对于该双线圈、双电容器场屏蔽单元630配置产生大约11.7％的比率。该比率通常可用于基于发射器线圈612的大小来确定第一屏蔽线圈622距发射器线圈612的距离。距离(d2)除以发射器线圈612的外半径的比率对于该双线圈、双电容器场屏蔽单元630配置产生大约14.6％的比率。该比率通常可以用于基于发射器线圈612的大小来确定第二屏蔽线圈624距第一场屏蔽线圈622的距离。距离(d3)除以发射器线圈612的外半径的比率对于该双线圈、双电容器场屏蔽单元630配置产生大约6.83％的比率。该比率通常可以用于基于发射器线圈612的大小来确定导电板626距第二场屏蔽线圈624的距离。
图6C示出了无线功率传输系统的发射器线圈612的磁场图，该无线功率传输系统在该实施例中是具有图6A的场屏蔽单元630的磁感应系统。发射器线圈612被示出为具有由圆形线示出的磁场。如图所示，磁场从线圈在顶部和底部两个方向上发射。在场屏蔽单元630如图所示定位的情况下，磁场被第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624衰减，其中任何残余磁场终止于导电板626上。使用场屏蔽单元630，磁场被约束在场屏蔽单元630前方的发射器线圈612周围的区域，从而防止磁场在多个方向上围绕发射器线圈612辐射。由于通过使用场屏蔽单元530将磁场约束为朝向接收器在预期方向上传播，所以使得经由磁场的功率传输更安全。
图6D分别示出了发射器线圈612以及第一屏蔽线圈622和第二屏蔽线圈624中的电流波形。电流被归一化为发射器线圈612中的电流。第一屏蔽线圈622和第二屏蔽线圈624中的电流分别与发射器线圈612中的电流同相。
图6E示出了场屏蔽单元630的示例性图示，场屏蔽单元630由位于发射器线圈612的与接收器线圈相对的一侧上的第一场屏蔽线圈622、第二场屏蔽线圈624和导电板626组成。在该实施例中，线圈是印刷电路板(PCB)线圈。虽然已经描述了定位在发射器线圈612的与接收器线圈相对的一侧上的场屏蔽单元630的具体实施例，但是本领域技术人员将认识到，相同的图也可以描述放置在无线功率传输系统的接收器线圈的与发射器线圈612相对的一侧上的场屏蔽单元630，在该实施例中，无线功率传输系统是磁感应系统。
与图4E一样，图6E中描绘的发射器线圈612可以形成所描述的无线功率传输系统200的一部分。无线功率传输系统200可以包括逆变器210。逆变器210可以被配置用于电流-模式输出(恒定电流输出)，如上面并入的美国专利申请号17/018,328中所描述。
图6F示出了具有第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624以及两个电容器628和629的场屏蔽单元630的等效电路。
从发射器线圈612看到的反射阻抗是：
ZTX＝rTX+jωL1+Zref2-Zref3-Z1gnd (8)
该反射阻抗类似于先前的配置。还应满足相同的标准：
Zref2+Zref3-Z1gnd＝0 (9)
然而，现在扩展上述等式得到以下结果：
Figure BDA0003929344550000281
在上面的等式中可以注意到，现在可以通过调整C1和C2的值来控制第一项和第二项。然后可以得出以下结论：
C1和C2的值使得分别来自第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624的反射阻抗Zref2和Zref3是正的，即电感性的，以抵消导电板626的负反射阻抗。这意味着第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624的谐振频率必须高于无线功率传输系统的发射器线圈612的操作频率，该无线功率传输系统在该实施例中是磁感应系统。
在该实施例中，场屏蔽单元630包括第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624，第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624被定位成衰减发射器线圈612的与接收器线圈相对的一侧上的磁场强度，然后在场屏蔽线圈622和624的与发射器线圈612相对的一侧上添加导电板626，以消除任何残余磁场。实施场屏蔽单元630的非预期效果是场屏蔽线圈622和624还将在朝向接收器的接收器线圈的方向上产生磁场的少量衰减。由于电流分别在第一场屏蔽线圈622和第二场屏蔽线圈624中流动，朝向接收器线圈的磁场的衰减的结果导致效率损失。效率损失在从发射器线圈612到接收器线圈的功率传输中为1％至5％的范围内的效率降低。与使用180度异相的抵消或屏蔽单元或系统所发现的效率损失相比，这种效率损失是微不足道的。
虽然已经描述了与特定无线功率传输系统一起使用的场屏蔽单元的各种配置，但是本领域技术人员将认识到，各种无线功率系统可以与各种场屏蔽单元配置一起使用。例如，先前描述的无线功率系统200可以包括非谐振系统，其中发射器202和接收器204不是自谐振的，和/或不以谐振频率操作。无线功率传输系统200可以包括谐振系统，其中发射器202和接收器204都是自谐振的和/或以相同的谐振频率操作。无线功率传输系统200可以包括高频感应无线功率传输系统，如在上面并入的美国专利申请号17/018,328中所描述的。
此外，虽然已经描述了场屏蔽单元的具体实施例，但是本领域技术人员将认识到，其他实施例和配置也是可能的。例如，虽然本文描述的实施例与无线功率传输系统的发射器线圈相关，但是本领域技术人员将认识到，所公开的场屏蔽单元配置也可以应用于无线功率传输系统中的接收器线圈，并且具有所公开的各种场屏蔽单元的接收器的这种实施例由本文公开的附图和描述支持。无线功率传输系统可以是磁感应系统或谐振磁系统。
虽然已经描述了场屏蔽单元430或装置，但是本领域技术人员将理解，其他实施方式也是可能的。转到图7，示出了用于在磁感应无线功率传输系统中使用的装置1430。装置1430用于增加由磁感应无线功率传输系统的有效线圈生成的磁场。磁感应无线功率传输系统可以是所描述的无线功率传输系统200。
在所示的布置中，装置1430包括单个升压线圈1422和导电板1426。升压线圈1422电连接到分立电容器1428。电容器1428在升压线圈1422的外部。电容器1428电连接在升压线圈1422的两个端子之间。
升压线圈1422被配置为加强或增加由磁感应无线功率传输系统的发射器线圈1412生成的磁场。具体地，升压线圈1422被配置为增加由发射器线圈1412生成的磁场的大小。导电板1426被配置为在相对于发射器线圈1412与接收器线圈大致相对的方向上至少部分地衰减或阻挡由发射器线圈1412生成的磁场。导电板1426或导体的大小和位置被设计成包围升压线圈1422。
为了本公开的目的，当存在以下条件中的至少一个时，认为导电板1426包围升压线圈1422:(i)如果由升压线圈1422的外围限定的区域投影到导电板1426的区域上，该投影完全在导电板1426的区域内；(ii)升压线圈1422的投影区域由导电板1426的区域约束；以及(iii)导电板426的区域比由升压线圈1422的外围限定的总区域大至少升压线圈1422与导电板1426之间的距离。
在所例示的布置中，导电板1426是细长板。导电板1426可以由任何导电材料构成，包括例如铜、铝、钢。
在所示的布置中，升压线圈1422具有与发射器线圈1412相同的配置。升压线圈1422具有与发射器线圈1412相同的尺寸、大小和形状。
装置1430被定位成使得升压线圈1422相对于发射器线圈1412与接收器线圈相对。接收器线圈是发射器线圈1412形成其一部分的无线功率传输系统的一部分。装置1430的定位使得升压线圈1422邻近发射器线圈1412的一侧，而接收器线圈邻近发射器线圈1412的另一相对侧。发射器线圈1412邻近升压线圈1422的一侧，并且导电板1426邻近升压线圈1422的另一侧。
装置1430被定位成使得由场屏蔽线圈1422形成的平面与由发射器线圈1412形成的平面平行。由场屏蔽线圈1422形成的平面也与由导电板1426形成的平面平行。由导电板1426形成的平面与由发射器线圈1412形成的平面平行。因此，由发射器线圈1412和升压线圈1422以及导电板1426形成的平面都是平行的。发射器线圈1412和升压线圈1422以及导电板1426中的任何一个的平面可以被定义为特定元件的主物平面。
虽然装置1430被示出为包括导电板1426，但是本领域普通技术人员将领会，其他配置也是可能的。在另一实施例中，装置1430不包括所描述的导电板1426。
升压线圈1422和电容器1428被配置为使得发射器线圈1412中的电流由于装置1430的引入而大致不变。例如，如果在引入装置1430之前发射器线圈1412中的电流约为1A，则在引入装置1430之后发射器线圈1412中的电流仍然约为1A。此外，升压线圈1422中的电流等于发射器线圈1412中的电流。因此，在所描述的示例中，如将描述的，升压线圈中的电流在使用期间大约为1A。
电容器1428的电容被选择为使得升压线圈1422和电容器1428产生净正电抗。因此，存在净正电抗，并且发射器线圈1412的阻抗或电抗增加。因此，包括发射器线圈1412的无线功率系统可能需要在引入装置(具体是升压线圈1422和电容器1428)时重新调谐。
电容器1428的电容由等式(11)给出：
Figure BDA0003929344550000301
其中C是电容器1428的电容，
ω是无线功率传输系统的操作频率，
L2是升压线圈1422的电感，并且
M12是发射器线圈1412和升压线圈1422之间的互感。
升压线圈1422中的电流增加了由发射器线圈1412生成的磁场的大小，从而增加了传输到接收器的功率，而不增加发射器线圈1412中的电流。可能优选的是不增加发射器线圈1412中的电流，因为增加发射器线圈1412中的电流可能增加发射器线圈1412中的损耗。例如，通过增加发射器线圈1412中的电流可能会增加与电流的平方成比例的传导和欧姆损耗。因此，增加发射器线圈1412中的电流以增加由发射器线圈1412生成的磁场的强度或大小可能导致增加的损耗，这可能是不期望的。
升压线圈1422不增加发射器线圈1412中的电流，而是相反，保持升压线圈1422中的电流，该电流与发射器线圈1412中的电流大致相同。该附加电流可以增加由发射器线圈1412在接收器处感应的电压。
装置1430的谐振频率，特别是升压线圈1422和电容器1428的谐振频率高于无线功率传输系统的操作频率。
升压线圈1422中的电流与发射器线圈1412中的电流同相。因此，由升压线圈1422中的电流生成的磁场与由发射器线圈1412生成的磁场同相。因此，由升压线圈1422生成的磁场有效地添加到由发射器线圈1412生成的磁场。增加的磁场在接收器中感应出更大的电压，从而增加发射器和接收器之间的功率传输。
如前所述，升压线圈1422邻近无线功率传输系统的发射器线圈1412。发射器线圈1412和升压线圈1422之间的距离通常是均匀的。此外，升压线圈1422和导电板1426之间的距离通常是均匀的。取决于无线功率传输系统的参数，在升压线圈1422和发射器线圈1412之间存在最佳间隔距离。
将升压线圈1422定位成远离发射器线圈1412增加了电容器1428的所需电容，以在升压线圈中感应出与发射器线圈1412中的电流大致相同的电流。此外，将升压线圈1422定位成太靠近导电板1426可能导致大的涡流损耗。这些损耗可能降低功率传输并降低功率传输效率。将升压线圈1422定位成尽可能靠近发射器线圈1412减小了电容器1428处所需的电容，使得实现所需的电容值是不切实际的。
因此，装置1430被定位成使得升压线圈1422在电容器1428的所需电容值的实际限制内尽可能靠近发射器线圈1412，并且使得升压线圈1422尽可能靠近导电板1426，而没有显著的涡流损耗。
在操作中，装置1430相对于发射器线圈1412与无线功率传输系统的接收器线圈相对地定位。无线功率传输系统包括发射器和接收器，发射器包括发射器线圈1412，接收器包括接收器线圈。升压线圈1422和电容器1428朝向接收器线圈加强源自发射器线圈412或由发射器线圈412生成的磁场。由于电容器1428的电容被选择为使得在无线功率传输期间升压线圈1422中的电流近似等于发射器线圈1412中的电流，所以包括发射器1412的发射器在引入装置1430时需要重新调谐。然而，磁场强度显著增加。具体地，由发射器线圈1412生成的磁场被装置1430加倍或增加两倍。
定位在场屏蔽线圈1422的与发射器线圈1412相对的一侧上的导电板1426朝向导电板1426或远离接收器线圈衰减源自发射器线圈1412或由发射器线圈1412生成的残余磁场。如将理解的，使用没有导电板1426的装置1430仍然将加强磁场。
虽然装置1430已经被描述为包括单个升压线圈1422，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，该装置包括多于一个的升压线圈。该装置还包括多于一个电容器。如前所述，每个电容器电连接到相应的升压线圈。如前所述，电容器的电容被选择为使得在无线功率传输期间，各个升压线圈中的电流各自近似等于有效线圈中的电流。
在另一个实施例中，多个升压线圈1422是共面的。具体地，多个升压线圈1422的主平面是共线的。多个升压线圈1422可以限定与发射器线圈1412的主平面平行的主平面。在该实施例中，每个升压线圈1422增加由发射器线圈1412在发射器线圈1412的某个区域中生成的磁场的大小，该区域对应于升压线圈1422中的一个的位置。以这种方式，可以使用多个升压线圈1422来产生由发射器线圈1422生成的磁场分布或图，其在特定位置处具有增加的磁场大小。
虽然升压线圈1422已经被描述为具有与发射器线圈1412相同的配置，但是本领域技术人员将理解，其他配置是可能的。在另一个实施例中，升压线圈1422具有与发射器线圈1412不同的配置。具体地，升压线圈1422具有与发射器线圈1412不同的大小、形状和/或尺寸。使得升压线圈1422具有不同配置可以加强或增加发射器线圈的某些位置中的磁场。利用特定形状的升压线圈1422和发射器线圈1412布置可以实现特定的磁场分布。这在某些用例中可能是有益的。
现在转到图8A和图8B，示出了用在磁感应无线功率传输系统中的装置2430的另一实施例。装置2430用于增加由磁感应无线功率传输系统的有效线圈生成的磁场。磁感应无线功率传输系统可以是所描述的无线功率传输系统200。
在所示的布置中，装置2430包括多个升压线圈和导电板2426。在所示的布置中，装置2430包括四(4)个升压线圈，但是本领域技术人员将理解，可以使用更多或更少的升压线圈。具体地，装置2430包括：第一升压线圈2432、第二升压线圈2434、第三升压线圈2436和第四升压线圈2438。每个升压线圈电连接到分立电容器2442、2444、2446、2448。每个电容器2442、2444、2446、2448在相应的升压线圈2432、2434、2436、2438的外部。每个电容器2442、2444、2446、2448电连接在相应的升压线圈2432、2434、2436、2438的两个端子之间。由于所呈现的装置2430的侧视图，电容器2442和2444在图8B中不可见。
除非另有说明，否则升压线圈2432、2434、2436、2438以与所描述的升压线圈1422相同的方式起作用。
除非另有说明，否则导电板2426以与所描述的导电板1426相同的方式配置。
装置2430被定位成使得升压线圈2432、2434、2436、2438相对于发射器线圈2412与接收器线圈相对。接收器线圈是发射器线圈2412形成其一部分的无线功率传输系统的一部分。装置2430的定位使得升压线圈2432、2434、2436、2438邻近发射器线圈2412的一侧，而接收器线圈邻近发射器线圈2412的另一相对侧。
如前所述，装置2430包括四(4)个升压线圈2432、2434、2436、2438。每个电容器2442、2444、2446、2448在相应的升压线圈2432、2434、2436、2438的外部。此外，每个电容器2442、2444、2446、2448电连接在相应的升压线圈2432、2434、2436、2438的两个端子之间。在所示的布置中，第一电容器2442电连接在第一升压线圈2432的两个端子之间。第二电容器2444电连接在第二升压线圈2434的两个端子之间。第三电容器2446电连接在第三升压线圈2436的两个端子之间。第四电容器2448电连接在第四升压线圈2438的两个端子之间。
第一升压线圈2432在一侧与第二升压线圈2434并排，并且在另一侧与第三升压线圈2436并排。第一升压线圈2432与第四升压线圈2438成对角线。第二升压线圈2434在一侧与第一升压线圈2432并排，并且在另一侧与第四升压线圈2438并排。第二升压线圈2434与第三升压线圈2436成对角线。第三升压线圈2436在一侧与第一升压线圈2432并排，并且在另一侧与第四升压线圈2438并排。第三升压线圈2436与第二升压线圈2434成对角线。第四升压线圈2438在一侧与第二升压线圈2434并排，并且在另一侧与第三升压线圈2436并排。第四升压线圈2438与第一升压线圈2432成对角线。
在所示的布置中，升压线圈2432、2434、2436、2438被包围在发射器线圈2412内。
为了本主题公开的目的，当存在以下条件中的至少一个时，发射器线圈2412被称为包围升压线圈2432、2434、2436、2438:(i)如果由升压线圈2432、2434、2436、2438的外围限定的区域投影到发射器线圈2412的区域上，该投影完全在发射器线圈2412的区域内；(ii)升压线圈2432、2434、2436、2438的投影区域由发射器线圈2412的区域约束；以及(iii)发射器板1412的区域大于由升压线圈2432、2434、2436、2438的外围限定的总区域。
在所示的布置中，如图8A中最佳所示，发射器线圈2412通常是具有圆角的正方形形状。在所示的布置中，装置2430的每个升压线圈2432、2434、2436、2438不具有与发射器线圈2412相同的尺寸或形状。每个升压线圈2432、2434、2436、2438具有比发射器线圈2412的长度或宽度更小的直径。此外，与发射器线圈2412的正方形形状相比，每个升压线圈2432、2434、2436、2438具有大致圆形形状。
在所示的布置中，如图8B中最佳所示，升压线圈2432、2434、2436、2438是平行的。在此相应地，平行被定义为由每个升压线圈2432、2434、2436、2438的主表面限定的平面与由每个其他升压线圈2432、2434、2436、2438的主表面限定的平面平行。因此，升压线圈2432、2434、2436、2438限定一个单个平面。由升压线圈2432、2434、2436、2438限定的该单个平面平行于由发射器线圈2412的主表面限定的平面和由导电板2426的主表面限定的平面。
在操作中，在与装置2430的升压线圈2432、2434、2436、2438的位置相对应的位置处的磁场可以被加强或增加。因此，可以通过使用多个升压线圈2432、2434、2436、2438来实现特定的磁场图或分布。
虽然用于增加由磁感应无线功率传输系统的有效线圈生成的磁场的装置已被描述为具有导电板，但是在所描述的装置的任何实施例中，可以不存在导电板。
虽然装置1430和2430已关于发射器线圈进行了描述，但是本领域技术人员将理解，这些装置可以类似地与无线功率传输系统的接收器的接收器线圈一起使用。装置可以与发射器线圈和接收器线圈两者一起使用，或者仅与发射器线圈和接收器线圈中的单个线圈一起使用。例如，包括升压线圈的装置可以与发射器线圈一起使用，以增加由发射器线圈生成的磁场，从而增加到接收器线圈的功率传输。包括场屏蔽线圈的装置可以与接收器线圈一起使用，以确保在接收器处不需要重新调谐。

Claims (20)

1.一种用于磁感应无线功率传输系统的装置，所述装置包括：
至少一个屏蔽线圈，其被定位成邻近所述磁感应无线功率传输系统的有效线圈；
电容器，其电连接到所述屏蔽线圈；以及
导体，其被定位成与所述有效线圈相对地邻近所述屏蔽线圈，所述导体包围所述屏蔽线圈。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置的谐振频率大于所述有效线圈的谐振频率。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述屏蔽线圈的谐振频率小于或等于所述屏蔽线圈的自谐振频率。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述屏蔽线圈中的电流的相位和所述有效线圈中的电流的相位近似相等。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中以下中的至少一个：(i)所述屏蔽线圈被配置为加强源自所述有效线圈的磁场，以及(ii)所述导体被配置为衰减源自所述有效线圈的磁场。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述装置的参数基于以下来确定：
Figure FDA0003929344540000011
其中ω是所述装置的所述谐振频率，
其中M12是所述屏蔽线圈和所述有效线圈之间的互感，
其中rL2是所述屏蔽线圈的电阻，
其中L2是所述屏蔽线圈的电感，
其中C是所述电容器的电容，
其中Z1gnd是所述导体朝向所述有效线圈的反射阻抗，并且
其中Z2gnd是所述导体朝向所述屏蔽线圈的反射阻抗。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，包括两个屏蔽线圈，第一屏蔽线圈被定位成邻近所述磁感应无线功率传输系统的所述有效线圈，以及第二屏蔽线圈被定位在所述第一屏蔽线圈和所述导体之间。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述电容器电连接到所述第一屏蔽线圈，以及所述第二场屏蔽线圈的端子电短接在一起以产生电容性反射阻抗；或者
其中所述电容器电连接到所述第一屏蔽线圈，并且还包括电连接到所述第二场屏蔽线圈的第二电容器。
9.一种用于经由磁场耦合传输功率的无线功率传输系统，所述系统包括：
发射器线圈，其用于经由磁场耦合来传输功率，
接收器线圈，其用于经由磁场耦合从所述发射器线圈提取功率，以及
至少一个装置，包括：
至少一个屏蔽线圈，其被定位成邻近所述发射器线圈或所述接收器线圈；
电容器，其电连接到所述屏蔽线圈；以及
导体，其被定位成与所述发射器线圈或所述接收器线圈相对地邻近所述屏蔽线圈，所述导体包围所述屏蔽线圈。
10.一种屏蔽磁感应无线功率传输系统的有效线圈的方法，所述方法包括：
将至少一个屏蔽线圈定位成邻近所述磁感应无线功率传输系统的所述有效线圈，导体电连接到所述屏蔽线圈；以及
将所述导体定位成与所述有效线圈相对地邻近所述屏蔽线圈，使得所述导体包围所述屏蔽线圈。
11.一种经由磁感应无线地传输功率的方法，所述方法包括：
在发射器线圈处生成磁场以经由磁场耦合将功率传输到接收器线圈；
经由至少一个屏蔽线圈加强所生成的磁场，所述至少一个屏蔽线圈被定位成与所述接收器线圈相对地邻近所述发射器线圈；以及
经由被定位成与所述发射器线圈相对地邻近所述屏蔽线圈的导体来衰减所生成的磁场，所述导体包围所述屏蔽线圈。
12.一种用于磁感应无线功率传输系统的装置，所述装置包括：
至少一个升压线圈，其被定位成邻近所述磁感应无线功率传输系统的有效线圈；以及
电容器，其电连接到所述升压线圈，所述电容器的电容被选择为使得在无线功率传输期间所述升压线圈中的电流近似等于所述有效线圈中的电流。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述电容器的电容被选择为使得以下中的至少一个：(i)所述装置生成净正电抗，以及(ii)所述有效线圈的阻抗或电抗增加。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其中所述有效线圈的平面与所述升压线圈的平面平行。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的装置，还包括：
导体，其被定位成与所述有效线圈相对地邻近所述升压线圈，所述导体包围所述升压线圈。
16.根据权利要求15所述的装置，其中所述升压线圈和所述有效线圈之间的距离以及所述升压线圈和所述导体之间的距离被选择为使得所述电容器的所需电容和所述导体中的涡流损耗被优化。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的装置，包括多个升压线圈。
18.根据权利要求17所述的装置，其中所述升压线圈被配置为由所述有效线圈包围。
19.根据权利要求17所述的装置，其中所述升压线圈被配置为根据磁场分布增加由所述有效线圈生成的磁场。
20.一种经由磁感应无线地传输功率的方法，所述方法包括：
在发射器线圈处生成磁场以经由磁场耦合将功率传输到接收器线圈；以及
经由至少一个升压线圈来加强所生成的磁场，所述至少一个升压线圈被定位成与所述接收器线圈相对地邻近所述发射器线圈，电容器电连接到所述升压线圈，所述电容器的电容被选择成使得在无线功率传输期间所述升压线圈中的电流近似等于所述有效线圈中的电流。
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