CN1950914A - 无线供电设备，可激励负载，无线系统以及用于无线能量传递的方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的无线谐振供电设备(1)包括第一电感线圈(3)，该第一电感线圈被安排成与可激励负载(11)的电感线圈(13)一起构成变换器(9)。第一电感线圈(3)被安排成构成谐振电路(5)，该谐振电路可以包括合适的多个电容器和线圈。选择谐振电路(5)的组件，以使利用该电感线圈(13)接收的磁能量阻尼流入谐振电路中的能量，从而该电感线圈(13)中的感应电压基本上是恒定的，并且不依赖于在驱动装置(6)的工作频率上在第一电感线圈(3)与该电感线圈(13)之间的磁耦合。谐振电路由驱动装置(6)驱动，包括控制单元(6c)，该控制单元被安排成在第一半导体开关(6a)与第二半导体开关(6b)之间感应交变电压。在变换器(9)的输出上，生成交变电压，该交变电压利用二极管整流器被整流成DC电压，利用输出电容进行滤波。该谐振电路(5)可通过驱动电路(6)可操作在其耦合独立点上。该图示意地显示了一种情况，其中在第一电感线圈(3)与该电感线圈(13)之间存在可变耦合。本发明还涉及无线感应供电设备、可激励负载、无线系统和用于无线功率传递的方法。

Description

无线供电设备，可激励负载，无线系统以及用于无线能量传递的方法

技术领域

本发明涉及用于无线能量传递给包括电感线圈(inductorwinding)的可激励负载的无线谐振供电设备，所述设备包括谐振电路。

本发明还涉及用于无线能量传递给包括电感线圈的可激励负载的无线感应供电设备，所述无线感应供电设备包括变换器，其具有：

-软磁心；

-第一电感线圈，被容纳在软磁心中，并被构思为在为了构成变换器而将电感线圈定位在所述磁心的附近时与该电感线圈交相感应(interact)。

本发明还涉及可激励负载。

本发明还涉及无线系统。

本发明还涉及用于从无线谐振供电设备无线能量传递至包括电感线圈的可激励负载的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供被安排有第一电感线圈的无线谐振供电设备，从而所述第一电感线圈形成被构思为在体积(volume)中生成磁通量的谐振电路的一部分。

本发明还涉及用于从无线感应供电设备无线能量传递至包括电感线圈的可激励负载的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供被安排有第一电感线圈的无线感应供电设备，从而所述电感线圈和所述第一电感线圈被构思为构成变换器。

背景技术

如开头段落中所述的无线谐振供电设备的一个实施例从US2004/0000974中获知。该已知设备包括利用能量传递接口分隔开的第一绕成线圈的导体和第二绕成线圈的导体，从而所述导体包括可操作在谐振频率上的谐振结构。该已知设备中导体之间的能量传递由于能量传递接口是不导电的电介质材料而通过其间的电容性耦合来启动。

该已知设备具有的缺点为：在第一导体与第二导体之间的耦合变化的情况下，该已知设备需要用于在功率接收导体上控制输出电压的反馈信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于无线功率传递的无线谐振供电设备，从而甚至对于在第一电感线圈与该电感线圈之间具有可变耦合的情况，该供电设备也提供基本上恒定传递的能量，而不需要任何反馈信号。

为此，在根据本发明的无线谐振供电设备中，所述谐振电路包括被构思为在体积中生成磁通量的第一电感线圈，从而在操作中，该电感线圈被构思为定位，以截取(intercept)所述体积中的至少部分的所述磁通量，所述谐振供电设备还包括：

-驱动装置，可连接到谐振电路，并且被安排成基本上操作在预选工作频率上，以便在操作中，该电感线圈中的感应电压独立于第一电感线圈与该电感线圈之间的磁耦合。

本发明的技术措施基于以下见识：可以选择谐振电路的组件，以使利用电感线圈接收的磁能量阻尼谐振电路中的能量流，从而使电感线圈中的感应电压基本上是恒定的，并且独立于在驱动装置的工作频率上第一电感线圈与电感线圈之间的磁耦合。工作频率不等于谐振电路的谐振频率是基本的。优选地，谐振电路被安排成合适的电容与第一电感线圈之间的串联连接。作为选择，谐振电路可以包括适当数量的附加电容性和/或电感性元件。下面将参照图2a和图2b详细讨论该见识的技术背景。根据本发明的技术措施，该设备操作在耦合独立点上，因此能量传递基本上是恒定的，这独立于电感线圈与第一电感线圈之间耦合的质量。因此，不需要反馈信号。

在根据本发明的无线谐振供电设备的一个实施例中，驱动装置包括半桥拓扑(topology)。优选地，该半桥拓扑包括两个半导体开关和控制单元，该控制单元被安排成在两个半导体开关之间感应交变电压。下面将参考图1a和图1b更详细讨论该实施例的优点。

必须注意，根据本发明的技术措施，有可能实现可应用于各种技术领域中的多个无线谐振供电设备。例如，应用区域可以不同于充电设备，如充电板，其上可以为了接收充电电流而定位可再充电负载。另外，根据本发明的无线供电设备适合于启动移动部分之间的能量传递，如在机动车辆、铁路车辆或者需要与无线谐振供电设备协作的合适负载的无线供电的任何其它工业应用中。仍然附加地，根据本发明的无线供电设备可应用于启动例如身体监视系统的可佩戴部件之间的能量传递。

在根据本发明的无线谐振供电设备的另一实施例中，它还包括数据存储单元，它被安排为根据在第一电感线圈与该电感线圈之间的通信建立的事件来发射和/或接收数据。该实施例在其中显著的数据量将上载到可激励负载上或从可激励负载中下载的情况中被发现是特别有利的。为了时间和能量节省目的，最好在可激励负载的可再充电电池的再充电期间完成这个上载或下载。

在根据本发明的无线感应供电设备中，软磁心包括相互可置换的磁心的第一部分和磁心的第二部分，以便在闭磁路与开磁路之间交变。

本发明的技术措施基于这样的见识：通过提供可以被打开和闭合的软磁心，一方面实现改善的磁耦合，并且另一方面降低外部磁场。必须理解，为了实现软磁心，以大于1的导磁率为特征的任何合适材料都是可应用的。合适的实现软磁心的优选实施例包括：烧结铁氧体磁心、由层压铁或铁合金薄片制成的磁心、铁粉磁心、铁氧体聚合混合磁心、由无定形或毫微水晶铁或铁合金制成的磁心。

本发明可应用于任何合适的无线感应供电设备，例如，用于实现相应的充电单元，例如，用于移动、手持和可佩戴设备。根据本发明的无线感应供电设备对于用于身体佩带的监视系统、用于病人的连续医疗监视的诊断与报警传送系统的充电方案是特别有利的。根据本发明的技术措施，例如允许向密封的、柔软的和耐洗的负载进行容易的和舒适可用的、有效的和低辐射无线能量传递。因此，无线感应供电设备包括具有磁心的变换器，其可以被低垂打开(flap open)。磁心的这种结构特别适合于与负载一起操作，该负载包括合适的电感线圈，该电感线圈被安排为被包含在合适密封的能量接收单元中的薄型平面线圈。它可以容易地被放置在打开的变换器磁心中。在闭合磁心之后，获得良好的变换器，其允许具有低发射场的良好耦合的、有效的功率传输。

因此，由于本发明的技术措施，如移动电话机、PDA和可佩戴监视系统的非接触式充电提高了其利用舒适性。特别地，在个人监视的技术领域中，根据本发明的方案是有益的。

用于启动可激励负载供电的以下各种可能性本身是本领域中已知的。首先，插接连接是已知的，并且可广泛应用。插接连接具有的缺点是：如果设备接触到水，则接触点可能氧化(生锈)。最后，将柔性设备连接到电缆连接是不方便的。因此，插接连接没有受到优待，而非接触式功率传递则被优选。第二，如电牙刷中具有良好耦合的现有解决方案需要三维的笨重的线圈安排。然而，这样的方案对于薄的柔性设备是不可行的。再一个技术方案包括无线充电板，例如从SpashPad^TM中公知的。这样的系统由生成磁场的充电板和移动设备中的接收机组成，其中通过磁场感应电流，以便供应给移动设备或者对电池充电。然而，这样的系统具有两个缺点：首先，这样的系统的效率不是最佳的。再一个缺点是：该系统固有地产生外部磁场，这可能是危险的，特别对于医疗环境中的应用。如上所述，利用根据本发明的无线感应供电设备来解决现有技术的所有这些缺点。根据本发明的无线感应供电设备的优点参照图3来描述。

在一个优选实施例中，第一电感线圈以印刷电路板的螺旋轨道的形式进行安排。有利地，印刷电路板可以用来容纳必要的电子装置。可以使用各种合适的电子装置，例如本身是已知的负载谐振变换器或者标准拓扑结构，类似的逆向变换器、正向变换器、不对称半桥变换器以及标准谐振半桥变换器是适合的。

在无线电感供电设备的一个实施例中，软磁心包括在磁心的第一部分与磁心的第二部分之间的气隙。逆向变换器需要第一电感线圈的特定感应率。这可以通过在软磁心的第一部分与第二部分之间设置气隙来实现。

原则上，软磁心的多种几何安排结构对于实践本发明是合适的。例如，软磁心可以按图4a-4e以示意方式显示的E型结构来安排。图4e显示了具有省略的中心柱(central leg)的E型磁心，在此情况下，E-涉及磁通量的路径。省略中心柱具有有可能增加电感线圈和第一电感线圈中的匝数的优点，在电感线圈被非常薄的设备支持的情况下，这是特别有利的。在另一实例中，按图4f以示意方式显示的U形状安排合适的软磁心。

此外，环形磁心也是有可能的。如果环形磁心具有合适的气隙，则它可以同时充当变换器和挂钩(hook)。这特别有利于与类似于例如夹克的可穿戴的可激励负载的组合。可穿戴的可激励负载的衣架包含电感线圈，这样当可穿戴的可激励负载利用衣架挂在挂钩上时，电感线圈包围磁心，并因而良好磁耦合到第一电感线圈。挂钩形状的变换器可以是衣柜的一部分。

在根据本发明的无线感应供电设备的再一实施例中，该无线感应供电设备包括用于容纳磁心的第一部分的外壳，第一电感线圈被设置在该第一部分上，第一部分被固定到外壳上。

这个特定安排允许无线感应供电设备的容易操作，因此磁心的第二部分最好被设置在软磁材料的翼片(flap)上并且被设想为被置换。此外，磁心的第二部分可以被构成为翼片。最好，把外壳安排成支持必要的电子部件和用于连接到外部电源装置的合适布线。

在根据本发明的无线供电系统的再一个实施例中，磁心的第一部分和/或外壳被形成所需尺寸，以形成用于定位电感线圈的对准装置。

该技术措施通过确保电感线圈与第一电感线圈之间的良好对准而导致无线感应供电设备增加的效率。对准装置最好被安排成与负载的相应装置协作。图5a中显示了一个优选实例，其中负载在其外侧被设有两个凹槽，这些凹槽适于(拟合)磁心的外支柱。

迄今所述的任何一个实施例还可以用于垂直安排中。这样，供电设备可以被用作用于存储负载的舒适装置，仅仅将其如同领带那样挂在墙上，同时对电池再充电。在此情况下，可激励负载可以是一件衣服，如夹克。这种供电设备可以被设置在衣柜中。可以想象到具有若干彼此无关的这些站，以便例如在医院的中央贮存室中存放多个负载。图5b中所示的一个实施例对于该应用是特别有利的。在供电设备的顶部具有吊钩，其上可以悬挂负载。由于垂直向下悬挂，因此挂钩良好地确定负载的位置，以致于固定负载位置的凹槽或其它装置不是强制性的。

在再一实施例中，根据本发明的无线感应供电设备包括用于把第一电感线圈电连接到电源的初级电路，所述初级电路包括用于防止第一电感线圈的电损坏的电安全装置。

如果软磁心被开路，则磁路被开路，并且第一电感线圈的感应率降低。当初级电路那时在工作时，更高的电流可以流入第一电感线圈。为了在这种情况下防止初级电路的电损坏，一些措施是可能的。第一措施是：规定初级电路的尺寸，以使它可以经受住高电流。作为选择，可以使用过电流保护电路。最好，安排电流传感器来测量第一电感线圈中的电流。它连接到最好把电流控制到最大负载电流的其它电路。这样的其它电路固有地对感应率降低起作用，并且自动地降低所施加的电压。其它电子器件的适当实施本身是本领域中已知的。利用返送电流限制来实现进一步改善，类似于它用于本身公知的稳压器中，其中电流限制与电压成比例。这样，在磁心开路之后，电流跌落到接近零。根据量度，可以实现备用操作而不需要任何进一步接通或断开。第三个措施是触点或者开关，当磁心开路时，操作该触点或者开关。在最简单的安排中，开关打开初级电路，使得仅在磁心被闭合时，电流才能够流入第一电感线圈中。

在无线感应供电设备的再一个实施例中，第一电感线圈还被安排成形成被构思为在体积中产生磁通量的谐振电路的一部分，初级电路还包括可连接到谐振电路的驱动装置，它被安排成基本上操作在预选频率上，以致于在操作中，当定位电感线圈以便至少部分截取所述磁通量时，电感线圈中的感应电压不依赖于第一电感线圈与该电感线圈之间的磁耦合。

根据该技术措施，即使在电感线圈与第一电感线圈之间的磁耦合改变时，第一电感线圈上的输出电压的值也充足地保持不变。谐振电路最好利用连接到第一电感线圈的串连电容来构成。耦合独立点的概念结合图2a和图2b来解释。驱动装置最好包括半桥拓扑。进一步优选地，半桥拓扑包括两个半导体开关和被安排成在两个半导体开关之间感应交变电压的控制单元。无线感应供电设备的这个实施例的操作参照图6来描述。

在根据本发明的无线感应供电设备的再一实施例中，磁心的第一部分和磁心的第二部分可利用一个杠杆连接，该杠杆被安排成在可激励负载的一部分被定位在这两部分之间时，自动地闭合。这具有的优点是：当负载定位于第一部分与第二部分之间时，磁心自动地闭合。

在该无线感应供电设备的再一实施例中，它包括数据存储装置，它被安排成根据在第一电感线圈与电感线圈之间建立通信的事件，发射和/或接收来自该电感线圈的数据。

最好，在可激励负载的电池的再充电期间，执行数据传输。实现无线传送的各种适合模式本身是本领域中已知的。在可激励负载是娱乐单元的情况下，数据可以包括音乐、电影或任何其它合适的信息，这些合适信息包括字母数字信息或可执行的计算机代码。该数据随后被存储在另一数据存储单元中并且对于用户是可访问的。对于医学应用，可下载数据可以包括医生的建议、诊断、预约、药物治疗方案、饮食建议等。当从负载向无线供电设备传送该数据时，该数据最好包括充电处理的状态。此外，从负载到无线感应供电设备的任何合适的上载都可以发生，包括例如在负载操作期间收集的数据，或者关于用户和负载的任何其它合适的信息。本领域中的技术人员将明白，在不背离本发明范围的条件下，数据的不同实施例都是有可能的。

根据本发明的可激励负载包括用于与根据本发明的无线谐振供电设备或无线感应供电设备的第一电感线圈协作的电感线圈。

根据本发明的可激励负载的有利实施例参照权利要求19-26来阐明。在另一有利实施例中，可激励负载包括监视设备。可激励负载最好是可佩戴的。多个可佩戴设备是可能的，包括但不限于收音机、随身听、MP3播放机、手表、电子游戏机、遥控器、PDA、位置或高度指示器、通信装置如移动电话等。可激励负载最好被安排为柔性可穿戴的支撑部件，包括用于生命指征监视目的的合适传感器电子元件。可激励负载的优选实施例结合图7来描述。这个技术措施基于以下见解：尤其在个人健康护理或者个人监视的领域中，其生命指征正在被监视的客户或患者必须独自应付所提供的监视系统。因此，系统的处理和使用对于数据的可靠性是非常重要的。因此，电子器件被小型化并且最好被密封，从而监视电子器件最好被集成在可佩戴物上。由于密封，用户不可能置换电池，并且置换电池频繁地不被接受，特别是对于经历例如心跳活动的连续监视的老年人。因此，需要无线的和易于应用可再充电方案。

根据本发明的可佩戴监视系统提供用于对监视设备的电池再充电的舒适装置。作为优点，可佩戴监视系统的任何外部接线都被抛弃，这还进一步作为整体提高了佩戴舒适性和监视系统的耐用性。必须注意，尽管监视事件的特定实例被命名，但是这应被解释为仅仅说明性的，而不作为限制特征。本领域熟练技术人员将知道，在不背离本发明范围的条件下，可以为不同目的，实施多种可能的身体佩带的监视系统。图8中显示了合适的可佩戴监视系统的一个实例。

在权利要求32阐述了根据本发明的无线系统。根据本发明的无线系统可应用于不同技术领域中。例如，应用领域可以不同于充电设备如充电板，其中再充电负载可以定位在该充电板上，以便接收充电电流。此外，根据本发明的无线系统适合于启动移动部件如机动车、铁路车辆之间的能量传递，或者适用于需要与无线谐振供电设备协作的适当负载的无线供电的其它工业应用。此外，根据本发明的无线系统可应用于启动例如身体监视系统的可佩戴部件之间的能量传递。

根据本发明的方法的第一实施例包括以下步骤：

-定位电感线圈，以便它截取至少一部分的磁通量；

-把驱动装置连接到谐振电路上，从而驱动装置被安排为操作在预选工作频率上，以便在操作中，电感线圈中的感应电压与第一电感线圈与该电感线圈之间的磁耦合无关；

-在工作频率上操作谐振电路，以便从第一电感线圈无线传递能量给该电感线圈。

根据本发明的方法的第二实施例包括以下步骤：

-为了构成变换器，把第一电感线圈安排在软磁心一部分的附近，其中所述磁心包括出可置换的在闭磁路与开磁路之间交变的磁心的第一部分和磁心的第二部分；

-在磁心的第一部分与磁心的第二部分之间定位该电感线圈，用于无线功率传递给可激励负载。

在权利要求35-38中阐明根据本发明的其它有利的实施例。

结合附图进一步具体讨论本发明的这些和其它方面，在附图中，相同的参考符号指相同的项。

附图说明

图1a以示意方式显示了用于第一电感线圈与电感线圈之间良好耦合的根据本发明的无线谐振供电设备的电路的实施例；

图1b以示意方式显示了用于第一电感线圈与电感线圈之间降低耦合的根据本发明的无线谐振供电设备的电路的实施例；

图2a以示意方式显示了根据本发明的无线谐振供电设备的等效电路；

图2b以示意方式显示了用于改变耦合条件的电压传递比；

图3以示意方式显示了根据本发明的无线感应供电设备的实施例；

图4a以示意方式显示了根据本发明的E形软磁心的实施例的侧视图；

图4b以示意方式显示了闭合状态中的E形软磁心的实施例的侧视图；

图4c以示意方式显示了闭合状态中的E形软磁心的实施例的侧视图，其中在磁心的第一部分与磁心的第二部分之间具有气隙；

图4d以示意方式显示了闭合状态中的E形软磁心的另一实施例的侧视图，其中在磁心的第一部分与磁心的第二部分之间具有气隙；

图4e以示意方式显示了闭合状态中的E形软磁心的另一实施例的侧视图；

图4f以示意方式显示了闭合状态中的U形软磁心的实施例的侧视图；

图5a以示意方式显示了无线感应供电设备的实施例，其中提供了对准装置；

图5b以示意方式显示了被安排成向垂直定向的负载进行功率传递的无线感应供电设备的实施例；

图6以示意方式显示了包括谐振装置的无线感应供电设备的实施例；

图7以示意方式显示了根据本发明的可激励负载的实施例；

图8以示意方式显示了根据本发明的可佩带监视系统的实施例。

具体实施方式

图1a以示意方式显示了用于第一电感线圈与电感线圈之间良好耦合的根据本发明的无线谐振供电设备的电路的实施例。根据本发明的无线谐振供电设备1包括第一电感线圈3，它被安排成与可激励负载11的电感线圈13一起构成变换器9。安排第一电感线圈3和串联电容4构成谐振电路5。谐振电路5可以包括合适的多个电容和线圈。驱动装置6被安排成在耦合独立点上操作谐振电路，其概念将参照图2a和图2b来解释。驱动装置6包括控制单元6c，该控制单元被安排成在第一半导体开关6a与第二半导体开关6b之间感应交流电压。优选地，这些半导体开关利用场效应晶体管来实现。在变换器9的输出上，生成交流电压，该电压利用二极管整流器被整流成DC电压，利用输出电容来滤波。图1a示意地显示了其中在第一电感线圈3与电感线圈13之间存在良好耦合的情况。图1b示意地显示了用于第一电感线圈与第二电感线圈之间降低耦合的根据本发明的无线谐振供电设备的电路的实施例，其它各项是相同的。这个降低耦合是由于电感线圈13未定位为充分靠近第一电感线圈3的事实而引起的。

图2a示意地显示了根据本发明的无线谐振供电设备的等效电路。变换器9的两个线圈可以利用漏感应率(leakage inductivity)Ls、主感应率Lm以及具有有效电压传递比n_eff的理想变换器Tr1来代表。Ls和Lm之和总是等于第一电感线圈的感应率L，因而Ls+Lm＝L。耦合越弱，则漏感应率Ls就越大。比率Ls/L被定义为泄漏因数。耦合越弱，泄漏因数Ls/L就越高。电容Cs和电感L代表串联谐振电路，其输出电压是电感器L上的谐振电压的一小部分。使用串联谐振电路5，因而这意味着，电容器(或更多电容器的并联连接)串联连接到第一电感线圈。该技术措施应用于这个谐振电路的特性阻抗。特性阻抗Zo等于谐振频率(利用角频率ω_p表示)上的电感线圈L11的阻抗或电容器C的阻抗。两者在谐振频率上是相同的。作为选择，特性阻抗Zo等于电感器对电容器之比的平方根：

$Z_0=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{p}C}={\mathrm{\ω}}_p{L}_{11}=\sqrt{\frac{L_{11}}{C}}$

这个特性阻抗Zo必须在某种程度上与等效负载电阻(也称为初级侧相关的负载电阻)相关。这是负载R_L的电阻除以匝数比n_phys的平方，该匝数比是次级匝数与初级匝数之比。优选地，特性阻抗应近似为等效电阻的两倍，以实现耦合独立行为。但是，在范围1-10中的比值上，根据本发明的操作也能够是有可能的。如果比值太低，则谐振被过多阻尼，并且耦合受到太大的影响。如果比值太高，则谐振被过少阻尼，并且必须接近谐振频率操作，其中如果负载改变，则输出电压强烈改变。用于某个工作频率的精确度量利用下式来确定：

$\frac{Z_0}{R_L}{n_{\mathrm{phys}}}^2=\frac{1-\frac{1}{{\mathrm{\Ω}}^2}}{\sqrt{\frac{1-{\mathrm{\σ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2}(\frac{1}{\mathrm{\Ω}}-{\mathrm{\σ}}_2\mathrm{\Ω})-\frac{1-{\mathrm{\σ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_1-{\mathrm{\σ}}_2}{(\frac{1}{\mathrm{\σ}}-{\mathrm{\σ}}_1\mathrm{\Ω})}^2}}$

其中σ₁和σ₂是两个不同的泄漏因数，而Ω是涉及谐振电路的谐振频率的工作频率。该公式给出了与某个负载电阻有关的特征阻抗所需的值。如果已知特征阻抗，则确定感应率与电容的比值(参见上文)。该公式由于传递电压在两个不同的耦合情形中必须相等的要求而产生。因而，基于该基本见识，可以设计能够恒定能量传递到合适可激励负载的合适的谐振电路，这与第一电感线圈与该电感线圈之间的磁耦合无关。

图2b示意地显示了作为用于改变耦合条件Ls/L的工作频率的函数的已测电压传递比。该图显示了范围从0.27(曲线a)至0.6(曲线e)的用于不同泄漏因数Ls/L的5种典型曲线。所有曲线显示了在大约为65kHz的谐振频率上具有高电压传递比的谐振峰值。

应当理解，已知的典型应用将使用谐振之上的频率范围，因为在这个范围中，谐振电路的输入阻抗是电感性的，这可以允许半桥开关的低损耗零电压转换(Zero Voltage Swiching)。对于远在谐振之上的频率，电路运行类似于传统电路，因为电容器的阻抗低，因而可以认为它短路。正如可以从图2b中看到的那样，如果耦合变坏，则输出电压衰减。这被显示在图2b的区域29中。输出电压的变化超过典型的泄漏因数的整个范围的50％。为了良好耦合，输出电压因而可以比弱耦合高两倍，这是不利的。在谐振频率上，输出电压对于泄漏因数的依赖性被颠倒。如图2b所示，实际上更弱的耦合导致更高的输出电压。这是因为：由于更弱的耦合，串连谐振电路被更少阻尼。

因此，在接近谐振频率的某处，具有最佳工作频率，其中两个效果补偿并且各种耦合的电压传递曲线彼此交叉。对于图1a的电路，谐振频率大约为65kHz，其中R_L为56Ohm，Uout＝5V，L＝13mH，Cs＝440pF N2/N1＝13/230。曲线a-d彼此交叉的点被标注为区域27，并且被称作耦合独立点。可以看到，不同曲线a-d不在单个点中精确匹配。然而，人们可以发现其中耦合变化导致输出电压的最小化变化的频率。利用该技术措施，对于泄漏因数的整个有关范围，输出电压被维持在大约10％容限内，这意味着不需要反馈信号用于控制输出电压。

图3示意地显示了根据本发明的无线感应供电设备的实施例。无线感应供电设备40包括可以被低垂打开的软磁心42、44、49。为此目的，磁心42、44的第一部分利用合适的铰链47连接到磁心49的第二部分。作为选择，第二部分49可以使用合适的引导装置(未示出)滑走。第一部分42、44最好固定到还支撑必需的电子元件43的合适外壳41，该外壳通过电缆45连接到外部电源(未示出)。无线感应供电设备40包括被设置在磁心附近的第一电感线圈46，该电感线圈最好设置在其中间磁柱44的周围，由此形成变换器的初级线圈。优选地，第一电感线圈46被集成在印刷电路板48上。当第二部分49被定位在第一部分42、44之上时，第一电感线圈生成通过闭合磁心的磁通量。软磁心的各种安排都是有可能的。图4a-图4f中示意地显示了其中的一些优选实施例。

图4a示意地显示了根据本发明的E形软磁心50的实施例的侧视图。软磁心的第一部分51b为E形状，因而第一电感线圈52被围绕其中心柱进行缠绕。磁心51a的第二部分被旋转地围绕铰链58安排。当合适的可激励负载57被定位在磁心51b的第一部分和磁心51a的第二部分之间时(如图4b所示)，获得可靠的变换器，这允许良好耦合的有效功率传输。

图4c示意地显示了处于闭合状态中的E形软磁心的实施例的侧视图，其中在磁心53a的第一部分与磁心53b的第二部分之间具有气隙。应当理解，某些电路如逆向转换器需要第一电感线圈的特定感应率。这通过在软磁心56的第一部分53a与第二部分53b之间引入气隙53来实现。

图4d示意地显示了在磁心的第一部分与第二部分之间具有气隙的闭合状态中的E形软磁心54的再一实施例的侧视图。在该实施例中，气隙53的尺度被增加，以致于可激励负载不必设有与E形磁心的中心磁柱协作的开口。

图4e示意地显示了闭合状态中的E形软磁心55的再一实施例的侧视图，其中心柱被省略。在此情况下，E形涉及导致的磁通量的路径。如此成形的磁心53c的第一部分是有利的，因为它允许在电感线圈55和第一电感线圈52’中增加更多的线圈匝，这对于超薄的可激励负载57是特别有利的。

图4f示意地显示了闭合状态中的U形软磁心59的实施例的侧视图。磁心的U形第一部分58a被设置在外壳51a内，所以在其之间存在空间，以容纳第一电感线圈52’。磁心的U形第一部分58a具有可以利用外壳51b支撑的协作翼片58b。铰链58c能够使磁心第二部分51b位移。软磁心的这个实施例还适合于和设有合适的电感线圈55的负载57协作。

图5a示意地显示了无线感应供电设备60的实施例，其中设有对准装置。尽管多个适当的对准装置是可以想象到的，但是优选实施例包括特定成形的磁心或外壳62，具有适宜凹槽63，以容纳可激励负载69的协作表面63a、63b。凹槽63和表面63a、63b的任何合适结构都是可能的。此外，无线感应供电设备60可以包括数据存储单元68，它被安排成发射和/或接收来自可激励负载69的另一数据存储单元74的数据。最好，在电池70的再充电期间，执行数据传输。无线传送的各种合适的实现模式本身是本领域公知的。在负载69是娱乐单元的情况下，数据可以包括音乐、电影或任何其它合适的信息，包括字母数字信息或可运行的计算机代码。该数据随后被存储在数据存储单元74中并且对于用户是可访问的。对于医学应用，可下载数据可以包括医生的建议、诊断、预约、药物治疗安排、饮食建议等。当从负载69向无线供电设备60传送数据时，数据最好包括充电处理的状态。此外，从负载69到无线感应供电设备60的任何合适的上载都可以发生，包括例如在负载69的操作期间收集的数据或者关于用户和负载69的任何其它合适的信息。

图5b示意地显示了被安排成启动对于垂直定向的负载进行功率传送的无线感应供电设备的实施例。由此，从无线感应供电设备62给可激励负载64加电。在此情况下，无线感应设备包括支撑装置66，负载64可以被安排在其上。支撑装置最好包括挂钩，然而，包括Velcro手柄的其它实施例也是可能的。例如，在这个垂直位置中，可激励负载可以被安排成对电池70充电，为合适电子装置72馈电。电子装置的优选实施例是监视系统，特别地，集成到身体服装(body wear)中的监视系统。这个实施例将参照图8来说明。

图6以示意方式显示了包括驱动装置的无线感应供电设备的实施例。驱动装置87(例如，根据图2a实现)被安排成驱动由第一电感线圈46和电容84构成的谐振电路86。驱动装置86电连接到无线感应供电设备的电子装置43，如参照图3所述。该驱动装置的功能与图1a和1b一致。

图7以示意方式显示了根据本发明的可激励负载的实施例。如前所述，多个合适的可激励负载都是可能的。该特定实施例显示了监视系统90，它被集成在一件可穿戴物100上，例如集成在弹性带上。监视系统90包括最好被制作在柔性印刷电路板91上的电感线圈92。必需注意，电感线圈92可以延伸更长的长度，即长于围绕变换器的支柱严格需要的长度。这个特征具有优点，即，电感线圈获得对于设置错误(placing error)更高的的容限，进一步改善无线功率传输的可靠性。仍然最好地，在不渗水单元94中密封电路板91，以使整个监视系统可以是可洗的。该特征对于用来例如连续监视健康相关参数的监视系统是特别有利的。在监视系统90被安排为与适当无线供电站的E形软磁心协作的情况中，在可穿戴物100的材料中设置开口93。当在电感线圈92中感应电流时，该电流可以例如用来对接收机电路中的可再充电电池充电。为了使感应的电流适于电池97，使用电子电路96。该电子电路在最简单情况中包括整流器，用于将感应的ac电流变换成dc充电电流。在更复杂的方案中，该电路包括充电控制电路98，其控制充电电流和充电时间，并且能够管理专用于该电池类型的负载方案。还可以具有用于充电处理状态的指示器99。无线感应供电设备60还可以具有充电状态的指示器(未显示)。监视系统90仅仅感应磁场的少量外部辐射，因为磁路被很好闭合。该辐射可与也包含变换器的标准有线充电器匹敌。

图8示意地显示了根据本发明的可佩带监视系统的实施例。根据本发明的可佩带监视系统110被安排为用于个人P的身体服装111。监视系统110包括用于支撑适当传感装置115的柔性载体113。优选地，为了提高穿戴舒适，该载体113被实施为弹性带，例如其上附着大量电极(未显示)。必须注意，虽然在当前实施例中描述了T恤，但是任何其它合适的可穿戴物也是可能的，这些可穿戴物包括但不限于内衣裤、奶罩、短袜、手套和帽子。传感装置115被安排为测量代表个体P的生理条件的信号。优选地，电感线圈以螺旋形状被编织或被缝合到适当穿戴物的织物中。该解决方案是最舒适和灵活的。这样的监视的目的可以是医疗目的，例如监视温度、心脏条件、呼吸率或者其它合适的参数。作为选择，监视目的可以是与健康(适应性)或运动相关，因而监视个人P的活动。为此，使传感装置115与个体的皮肤接触。由于载体113的弹性，传感装置经历接触压力，这使之在个体P运动期间基本上保持在适当位置上。测量的信号从传感装置115转发给控制单元117，用于信号分析或其它数据处理目的。控制单元117可以耦合到合适的报警装置(未显示)。根据本发明的监视系统115还包括导体环119，其被安排为可使用无线能量传递来激励。可以从无线谐振供电设备接收该能量，如图1a所示。作为选择或附加地，可以从无线感应供电设备接收该能量，如参照图3所示的。在后一情况中，电感线圈119必须被定位在无线感应供电设备的软磁心的第一部分与第二部分之间。

尽管已经参照其优选实施例说明了本发明，但是应当理解，这些实施例不是限制性实例。因此，在不背离利用权利要求所定义的本发明范围的条件下，本领域技术人员可以明白各种修改。本发明可以利用硬件和软件来实现，并且若干“装置”可以利用同一项硬件来提供。

Claims (38)

1、一种无线谐振供电设备(1)，用于向包括电感线圈(13)的可激励负载(11)进行无线能量传递，所述设备包括：

-谐振电路(5)，其中所述谐振电路包括被构思为在体积中生成磁通量的第一电感线圈(3)，从而在操作中，该电感线圈被构思为进行定位，以便至少截取所述体积中所述磁通量的一部分，所述谐振供电设备(1)还包括：

-驱动装置(6)，可连接到谐振电路(5)并且被安排成基本上操作在预选工作频率上，以便在操作中，该电感线圈中的感应电压不依赖于第一电感线圈(3)与该电感线圈(13)之间的磁耦合。

2、根据权利要求1所述的无线谐振供电设备，其中驱动装置(5)包括半桥拓扑(6)。

3、根据权利要求2所述的无线谐振供电设备，其中半桥拓扑(6)包括两个半导体开关(6a，6b)和被安排成在这两个半导体开关之间感应交变电压的控制单元(6c)。

4、根据在前权利要求1-3之中任一项所述的无线谐振供电设备，还包括数据存储单元(68)，其被安排为根据在第一电感线圈与该电感线圈之间的通信被建立的事件来发射和/或接收数据。

5、一种无线感应供电设备(40)，用于向包括电感线圈(52)的可激励负载(57)进行无线能量传递，所述无线感应供电设备包括变换器，其具有：

-软磁心(42，44，49)；

-第一电感线圈(46)，其被容纳在软磁心中，并且被构思为在为了构成变换器而在所述磁心的附近中定位该电感线圈时与该电感线圈交相感应，其中软磁心包括相互可置换的磁心的第一部分(42，44)和磁心的第二部分(49)，以便在闭磁路与开磁路之间交变。

6、根据权利要求5所述的无线感应供电设备(40)，其中第一电感线圈(46)包括被设置在印刷电路板(48)上的导体环。

7、根据权利要求5或6所述的无线感应供电设备(56)，其中软磁心在磁心的第一部分(53a)与磁心的第二部分(53b)之间包括气隙(53)。

8、根据在前权利要求5-7之中任一项所述的无线感应供电设备(50)，其中该无线供电设备包括用于容纳磁心的第一部分(51b)的外壳(51)，第一电感线圈(52)被设置在磁心的第一部分(51b)上，磁心的第一部分被固定到外壳(51)上。

9、根据权利要求8所述的无线感应供电设备(60)，其中磁心的第一部分(51b)和/或外壳(51)被形成所需尺寸，以构成对准装置(63)，用于该电感线圈(65)的定位。

10、根据权利要求9所述的无线感应供电设备(60)，其被安排为在负载被基本上垂直定位时对该负载充电，该外壳还被形成所需尺寸，以构成用于该电感线圈(65)的支撑装置(66)。

11、根据在前权利要求5-10之中任一项所述的无线感应供电设备，还包括用于将第一电感线圈电连接到电源的初级电路(43)，所述初级电路包括用于防止第一电感线圈的电损坏的电安全装置。

12、根据权利要求11所述的无线感应供电设备，其中电安全装置包括被安排用于控制第一电感线圈中电流的幅度的电流传感器。

13、根据权利要求11所述的无线感应供电设备，其中电安全装置包括电开关，其被安排为在产生开磁路时开路初级电路。

14、根据在前权利要求5-13之中任一项所述的无线感应供电设备(80)，其中第一电感线圈还被安排为构成用于在体积中生成磁通量的谐振电路(86)的一部分，初级电路还包括可连接到谐振电路(86)的驱动装置(87)，其被安排成基本上操作在预选工作频率上，以便在操作中，当该电感线圈被定位为至少部分地截取所述磁通量时，该电感线圈中的感应电压不依赖于第一电感线圈与该电感线圈之间的磁耦合。

15、根据权利要求14所述的无线感应供电设备，其中驱动装置包括半桥拓扑。

16、根据权利要求15所述的无线感应供电设备，其中半桥拓扑包括两个半导体开关和被安排成在这两个半导体开关之间感应交变电压的控制单元。

17、根据在前权利要求5-16之中任一项所述的无线感应供电设备，其中磁心的第一部分(51a)和磁心的第二部分(51b)可利用杠杆连接，其中该杠杆被安排成在可激励负载的一部分被定位在这两个部分之间时自动地闭合。

18、根据在前权利要求5-17之中任一项所述的无线感应供电设备，还包括数据存储装置，其被安排成根据在第一电感线圈与该电感线圈之间建立通信的事件来从该电感线圈发射数据和/或从该电感线圈接收数据。

19、一种可激励负载(90)，包括电感线圈(92)，用于与根据在前权利要求1-4之中任一项所述的无线谐振供电设备的第一电感线圈协作，或者与在前权利要求5-18之中任一项所述的谐振感应供电设备的第一电感线圈协作。

20、根据权利要求19所述的可激励负载(90)，其中该电感线圈(92)包括被设置在柔性印刷电路板(91)上的导体环。

21、根据权利要求20所述的可激励负载(90)，其中该电感线圈(92)利用充电电子部件(96)可连接到可再充电电池(97)。

22、根据权利要求21所述的可激励负载(90)，其中充电电子部件包括用于控制利用该电感线圈传递到该电池的总电荷的充电控制单元(98)。

23、根据权利要求22所述的可激励负载(90)，其中充电控制单元(98)还被安排成根据该电池的类型从多个预存的充电方案中选择充电方案(98b)。

24、根据权利要求23所述的可激励负载(90)，其中充电控制单元(98)还包括用于指示充电处理的状态的指示器(99)。

25、根据在前权利要求19-24之中任一项所述的可激励负载，其中可激励负载包括进一步数据存储装置(74)，其被安排为允许数据的发送和/或接收。

26、根据权利要求24所述的可激励负载，其中发送数据，所述数据指示充电状态。

27、根据在前权利要求19-26之中任一项所述的可激励负载(90)，还包括监视装置(95)。

28、根据权利要求27所述的可激励负载，其中可激励负载被集成在基本上平面的结构中。

29、根据在前权利要求19-28之中任一项所述的可激励负载，该可激励负载是防水的。

30、根据在前权利要求19-29之中任一项所述的可激励负载(90)，该可激励负载被集成在身体服装(100)中。

31、根据权利要求30所述的可激励负载，其中该电感线圈包括被编织或被缝合到身体服装(100)的织物中的导线。

32、一种无线系统(60)，包括根据在前权利要求1-18之中任一项所述的无线谐振供电设备或者无线感应供电设备(63)以及根据在前权利要求19-31之中任一项所述的可激励负载(69)。

33、一种从无线谐振供电设备向包括电感线圈的可激励负载进行无线能量传递的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供被设有第一电感线圈的无线谐振供电设备，从而所述第一电感线圈形成被构思为在体积中生成磁通量的谐振电路的一部分；

-定位该电感线圈，以便它截取至少一部分的磁通量；

-把驱动装置连接到谐振电路，从而将驱动装置安排为操作在预选工作频率上，以便在操作中，该电感线圈中的感应电压不依赖于第一电感线圈与该电感线圈之间的磁耦合；

-在工作频率上操作谐振电路，以便从第一电感线圈无线传递能量给该电感线圈。

34、一种从无线感应供电设备向包括电感线圈的可激励负载进行无线能量传递的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供被设有第一电感线圈的无线感应供电设备，从而该电感线圈和第一电感线圈被用于构成变换器；

-为了构成变换器，把第一电感线圈安排在软磁心的一部分的附近，其中所述磁心包括相互可置换的在闭磁路与开磁路之间交变的磁心的第一部分和磁心的第二部分；

-在磁心的第一部分与磁心的第二部分之间定位该电感线圈，以便向可激励负载进行无线能量传递。

35、根据权利要求33或34所述的方法，其中第一电感线圈可连接到充电控制单元，所述方法还包括以下步骤：

-标识可激励设备的类型；

-使用充电控制单元，根据该类型，选择充电程序。

36、根据权利要求35所述的方法，其中该方法还包括以下步骤：

从无线谐振供电设备向无线感应设备和可激励负载传送数据，和/或从可激励负载向无线供电设备传送数据。

37、根据权利要求36所述的方法，其中从负载传送数据，所述方法还包括以下步骤：

-根据所述数据，控制充电处理。

38、根据在前权利要求34或从属于权利要求34时的权利要求35-37之中任一项所述的方法，其中第一电感线圈构成被构思为在体积中生成磁通量的谐振电路的一部分，该方法还包括以下步骤：

-将驱动装置连接到谐振电路，从而驱动装置被安排为操作在预选工作频率上，以便在操作中，在定位该电感线圈时，在该电感线圈中的感应电压不依赖于第一电感线圈与该电感线圈之间的磁耦合，以致于它截取体积中的至少部分的磁通量；

-在工作频率上操作谐振电路，以便从第一电感线圈无线传递能量给该电感线圈。

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