DE102016212827A1

DE102016212827A1 - Aufbau einer Wicklung zur drahtlosen Multi-Mode, Multi-Standard-Energieübertragung

Info

Publication number: DE102016212827A1
Application number: DE102016212827.2A
Authority: DE
Inventors: Vladimir A. Muratov; Patrick Stanley Riehl
Original assignee: MediaTek Inc
Current assignee: MediaTek Inc
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2016-07-13
Publication date: 2017-01-19
Also published as: CN106357007A; CN106357007B

Abstract

Vorrichtungen und Verfahren für eine drahtlose Dual-Mode-Energieübertragung werden beschrieben. Zwei Energieübertragungswicklungen (230, 232) können eingerichtet sein, eine drahtlose Energieübertragung mittels magnetischer Resonanz und mittels magnetischer Induktion von einer gleichen Aufladefläche (102) eines drahtlosen Energieübertragers (100) zur Verfügung zu stellen. Die Wicklungen und magnetischen Schichten (320, 330) können so angeordnet sein, dass sie eine ähnliche Energieübertragungsleistungsfähigkeit für die zwei Methodiken zur Verfügung stellen.

Description

Technisches Gebiet
Die hier beschriebenen Vorrichtungen und Techniken beziehen sich allgemein auf Energieübertrager, die eine Energie gemäß zwei oder mehr drahtlosen Energiestandards übertragen können.
Erörterung des Stands der Technik
Systeme zur drahtlosen Energieübertragung (Wireless Power Transfer Systems, WPTS) gewinnen zunehmende Popularität als bequemer Weg, um Energie ohne Leitungen oder Stecker zu übergeben. Aktuell in der Industrie in der Entwicklung befindliche WPTS können in zwei Hauptklassen unterteilt werden: magnetische Induktions-(MI-)Systeme und magnetische Resonanz-(MR-)Systeme. Beide Arten von Systemen weisen eine Übertragungseinheit, manchmal als Energieübertragungseinheit (Power Transmitting Unit, PTU) bezeichnet, und eine Empfangseinheit, manchmal als Energieempfangseinheit (Power Receiving Unit, PRU) bezeichnet, auf. Typischerweise wird die PTU verwendet, um mobile Vorrichtungen wie Smartphones, tragbare Musikspieler, Tablets und Laptops unter anderen Vorrichtungen und Anwendungen drahtlos zu laden. Die mobilen Vorrichtungen können eine PRU aufweisen.
Induktive WPTS arbeiten typischerweise in einem zugeteilten Frequenzbereich von etwa einhundert bis mehreren hundert Kilohertz unter Verwendung von Frequenzvariation als einem Energiefluss-Steuermechanismus. MI-WPTS arbeiten über kurze Distanzen (typischerweise begrenzt auf etwa den Durchmesser einer Energieübertragungswicklung). In einer MI-WPTS nehmen magnetische Felder von der Energieübertragungswicklung exponentiell ab und werden nicht von der Wicklung abgestrahlt.
Resonanz-WPTS arbeiten typischerweise bei einer einzelnen Resonanzfrequenz unter Verwendung eines abgestimmten Empfangsantennennetzwerks und einer Eingangsspannungsregulierung, um die Ausgangsleistung zu regulieren. In typischen Anwendungen arbeiten MR-WPTS bei einer Frequenz von 6,78 MHz. Bei der höheren Frequenz kann elektromagnetische Energie von der Energieübertragungswicklung abgestrahlt werden. Weil eine abgestimmte Empfangsantenne verwendet wird, kann eine nennenswerte Energieübertragung über Distanzen größer als der Durchmesser der Energieübertragungswicklung auftreten.
Mit der Einführung von WPTS in kommerzielle Produkte haben sich unterschiedliche Methodiken zur Energieübertragung unter Verwendung von MR- und MI-Systemen entwickelt. Mehrere Industriegremien wie das Wireless Power Consortium (WPC), die kürzlich zusammengeführte Power Matters Alliance (PMA) und die Alliance for Wireless Power (A4WP), zusammengefasst A4WP/PMA arbeiten daran, internationale Standards für Konsumentenprodukte basierend auf drahtloser Energieübertragung zu entwickeln. Die Standards können zum Beispiel Spezifikationen über eine Menge von gleichgerichtetem Strom bzw. gleichgerichteter Spannung und/oder Energie, die in einer PRU über die Empfangswicklung und Energiegleichrichtungsschaltung der Vorrichtung generiert werden, enthalten. Selbst wenn Standards entwickelt werden, ist es wahrscheinlich, dass drahtlose MI- und MR-Energiesysteme (die bei sehr unterschiedlichen Frequenzen arbeiten) weiterhin in unterschiedlichen kommerziellen Produkten implementiert werden.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung ist entwickelt worden, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Energieübertrager, der eine einheitlichere Aufladeerfahrung bei einer Übertragung von Energie gemäß zwei oder mehr drahtlosen Energiestandards (MR oder MI) ermöglicht, und ein Verfahren zum Betreiben des Energieübertragers zur Verfügung zu stellen.
Beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf Vorrichtungen und Verfahren zum Betreiben eines drahtlosen Dual-Mode-Energieübertragers, um Energie gemäß zwei oder mehr Standards zur drahtlosen Energieübertragung zu übertragen. In einigen Ausführungsformen weist ein Übertrager eine erste Wicklung, die für einen Betrieb gemäß einer drahtlosen Energieübertragung mittels magnetischer Resonanz eingerichtet ist, und eine zweite Wicklung, die für einen Betrieb gemäß einer drahtlosen Energieübertragung mittels magnetischer Induktion eingerichtet ist, auf. Magnetische Schichten, Wicklungspositionen und Wicklungsgeometrie können ausgelegt sein, um eine Energiekopplungseffizienz für beide Betriebsarten der Energieübertragung zu verbessern, Energiekopplungsvariationen aufgrund einer Fehlausrichtung von Sender- und Empfängerwicklungen zu reduzieren und um Unterschiede zwischen einer MI- und einer MR-Energieübertragung zu reduzieren. Ein drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager, der Aspekte und Merkmale gemäß der Erfindung aufweist, wird in Anspruch 1 beschrieben. Ein Verfahren des Betreibens eines drahtlosen Multi-Mode-Energieübertragers, der Aspekte und Merkmale gemäß der Erfindung aufweist, wird in Anspruch 18 beschrieben.
Zum Beispiel kann eine Ausführungsform eines drahtlosen Multi-Mode-Energieübertragers eine erste Übertragungswicklung, die eine erste Fläche überspannt und für einen Betrieb bei einer ersten Frequenz eingerichtet ist, eine zweite Übertragungswicklung, die eine zweite Fläche überspannt, welche sich innerhalb der ersten Fläche befindet und kleiner ist als die erste Fläche und wobei die zweite Übertragungswicklung für einen Betrieb bei einer zweiten Frequenz eingerichtet ist, die um mindestens einen Faktor 20 niedriger ist als die erste Frequenz, und eine Plattform, die eine ausgewiesene Aufladefläche aufweist, die vertikal von der ersten Übertragungswicklung und der zweiten Übertragungswicklung angeordnet ist, innerhalb derer eine drahtlose Empfangsvorrichtung zu platzieren ist, aufweisen.
Die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung können so ausgelegt sein, dass ein erstes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für eine erste Vorrichtung, die Energie bei der ersten Frequenz empfängt und zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche platziert ist, zwischen ungefähr 50% und ungefähr 200% eines zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses für eine zweite Vorrichtung ist, die Energie bei der zweiten Frequenz empfängt und zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche platziert ist, sodass variable Aufladeraten zwischen unterschiedlichen Vorrichtungen reduziert werden können.
In einigen Fällen sind die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt, dass ein drittes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die erste Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um bis zu einem halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses ist, sodass variable Aufladeraten zwischen Vorrichtungen, die an unterschiedlichen Stellen platziert werden, reduziert werden können.
In einigen Fällen sind die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt, dass ein drittes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die erste Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um bis zu einem halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 75% und ungefähr 125% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses ist, sodass variable Aufladeraten zwischen Vorrichtungen, die an unterschiedlichen Stellen platziert werden, reduziert werden können.
In einigen Fällen sind die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt, dass ein viertes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die zweite Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um bis zu einem halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses ist, sodass variable Aufladeraten zwischen Vorrichtungen, die an unterschiedlichen Stellen platziert werden, reduziert werden können.
In einigen Fällen sind die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt, dass ein viertes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die zweite Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um bis zu einem halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 75% und ungefähr 125% des zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses ist, sodass variable Aufladeraten zwischen Vorrichtungen, die an unterschiedlichen Stellen platziert werden, reduziert werden können.
Die Windungen der ersten Übertragungswicklung dürfen Windungen der zweiten Übertragungswicklung nicht kreuzen, um eine Fertigungskomplexität zu vermeiden.
Die erste Frequenz kann ungefähr 6,78 MHz sein und die zweite Frequenz kann zwischen ungefähr 80 kHz und ungefähr 300 kHz liegen, um zum Beispiel Standards für drahtloses Aufladen zu erfüllen.
Der drahtlose Multi-Mode-Energieübertrager kann weiter mindestens einen Energiewandler aufweisen, der angeordnet ist, um die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung zu steuern, wobei eine gemeinsame elektrische Verbindung zu der ersten Übertragungswicklung, der zweiten Übertragungswicklung und dem mindestens einen Energiewandler hergestellt ist. Dies kann die Anzahl von Leitungen, die zu den Wicklungen laufen, und eine Fertigungskomplexität reduzieren.
Der drahtlose Multi-Mode-Energieübertrager kann weiter eine erste magnetische Schicht aufweisen, die auf einer ersten Seite der ersten Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist, um eine Energieeffizienz zu verbessern.
Die erste magnetische Schicht kann mindestens einen Teil der ersten Fläche bedecken, erstreckt sich aber nicht mehr als 10% über eine seitliche Abmessung der ersten Fläche hinaus, um eine Energieeffizienz zu erhöhen.
Die erste magnetische Schicht kann eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 60 und ungefähr 200 aufweisen, um eine Energieeffizienz zu erhöhen.
Der drahtlose Multi-Mode-Energieübertrager kann weiter eine zweite magnetische Schicht aufweisen, die auf einer ersten Seite der zweiten Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist, um eine Energieeffizienz weiter zu verbessern.
Die zweite magnetische Schicht kann mindestens einen Teil der zweiten Fläche bedecken, erstreckt sich aber nicht mehr als 10% über eine seitliche Dimension der zweite Fläche hinaus, um eine Energieeffizienz zu verbessern.
Die erste magnetische Schicht kann eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 60 und ungefähr 200 aufweisen und die zweite magnetische Schicht kann eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 400 und ungefähr 500000 aufweisen, um eine Feldbeschränkung und eine Energieeffizienz zu verbessern.
Die zweite Übertragungswicklung und die zweite magnetische Schicht können in einem vertikalen Abstand von der ersten magnetischen Schicht in Richtung der Plattform angeordnet sein, der größer ist als null aber kleiner als ungefähr 25% eines kleineren Durchmessers der ersten magnetischen Schicht, um eine Energieeffizienz zu verbessern.
Die zweite Übertragungswicklung und die zweite magnetische Schicht können in einem vertikalen Abstand von der ersten magnetischen Schicht in Richtung der Plattform angeordnet sein, der größer ist als null aber kleiner als ungefähr 25% eines kleineren Durchmessers der ersten Übertragungswicklung, um eine Energieeffizienz zu verbessern.
Die zweite Übertragungswicklung kann zwischen ungefähr 2mm und ungefähr 4 mm von der ersten Übertragungswicklung angeordnet sein, und die Plattform kann weniger als ungefähr 12 mm von der ersten Übertragungswicklung angeordnet sein, um eine Energieeffizienz und eine Gleichförmigkeit von Aufladefeldern zu verbessern.
Die zweite Übertragungswicklung kann zwischen ungefähr 9 mm und ungefähr 12 mm von der ersten Übertragungswicklung angeordnet sein, und die Plattform kann weniger als ungefähr 12 mm von der ersten Übertragungswicklung angeordnet sein, um eine Energieeffizienz und eine Gleichförmigkeit von Aufladefeldern zu verbessern.
Der drahtlose Multi-Mode-Energieübertrager kann weiter eine dritte Übertragungswicklung aufweisen, die eine dritte Fläche überspannt, welche ungefähr gleich der zweiten Fläche ist, wobei die dritte Übertragungswicklung für einen Betrieb bei der zweiten Frequenz eingerichtet und innerhalb der ersten Fläche angeordnet ist, um eine Gleichförmigkeit von Aufladefeldern zu verbessern.
Die dritte Übertragungswicklung kann mit einem Teil der zweiten Übertragungswicklung überlappen, um eine Gleichförmigkeit von Aufladefeldern zu verbessern.
Ein Verfahren des Betreibens eines drahtlosen Dual-Mode-Energieübertragers kann die Vorgänge aufweisen: Anlegen eines ersten Steuersignals bei einer ersten Frequenz an eine erste Übertragungswicklung, die eine erste Fläche überspannt und die mit einem vertikalen Abstand von einer Plattform entfernt angeordnet ist, welche eine ausgewiesene Aufladefläche aufweist; und Anlegen eines zweiten Steuersignals bei einer zweiten Frequenz, welche mindestens um einen Faktor 20 niedriger ist als die erste Frequenz, an eine zweite Übertragungswicklung, die eine zweite Fläche überspannt, welche sich innerhalb der ersten Fläche befindet und kleiner ist als die erste Fläche.
Das Verfahren kann weiter aufweisen: Übertragen von Energie von der ersten Übertragungswicklung zu einer ersten drahtlosen Empfangsvorrichtung, die zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche angeordnet ist, sodass die erste drahtlose Empfangsvorrichtung ein erstes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zeigt; und Übertragen von Energie von der zweiten Übertragungswicklung zu einer zweiten drahtlosen Empfangsvorrichtung, die zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche angeordnet ist, sodass die zweite drahtlose Empfangsvorrichtung ein zweites wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zeigt, wobei das erste wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnis zwischen ungefähr 50% und ungefähr 200% des zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
Das Verfahren kann weiter ein Übertragen von Energie von der ersten Übertragungswicklung zu der ersten drahtlosen Empfangsvorrichtung aufweisen, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, sodass die erste drahtlose Empfangsvorrichtung ein drittes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zeigt, das zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
Das Verfahren kann weiter ein Übertragen von Energie von der zweiten Übertragungswicklung zu der zweiten drahtlosen Empfangsvorrichtung aufweisen, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, sodass die vierte drahtlose Empfangsvorrichtung ein wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zeigt, das zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
Die erste Frequenz kann ungefähr 6,78 MHz sein und die zweite Frequenz kann zwischen ungefähr 80 kHz und ungefähr 300 kHz liegen.
Das Verfahren kann weiter ein Verdichten eines Magnetfelds von der ersten Wicklung mit einer ersten magnetischen Schicht aufweisen, die auf einer ersten Seite der ersten Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist, wobei die erste magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 60 und ungefähr 200 aufweist.
Das Verfahren kann weiter ein Verdichten eines Magnetfelds von der zweiten Wicklung mit einer zweiten magnetischen Schicht aufweisen, die auf einer ersten Seite der zweiten Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist, wobei die zweite magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 400 und ungefähr 500000 aufweist.
Die zweite Übertragungswicklung und die zweite magnetische Schicht können in einem vertikalen Abstand von der ersten magnetischen Schicht in Richtung der Plattform angeordnet sein, der größer ist als null aber kleiner als ungefähr 25% eines kleineren Durchmessers der ersten magnetischen Schicht.
Die zweite Übertragungswicklung und die zweite magnetische Schicht können in einem vertikalen Abstand von der ersten magnetischen Schicht in Richtung der Plattform angeordnet sein, der größer ist als null aber kleiner als ungefähr 25% eines kleineren Durchmessers der ersten Übertragungswicklung.
Das Verfahren kann weiter ein Anlegen des zweite Steuersignals bei der zweiten Frequenz an eine dritte Übertragungswicklung aufweisen, die eine dritte Fläche überspannt, welche sich innerhalb der ersten Fläche befindet und kleiner ist als die erste Fläche.
Das zweite Steuersignal kann über mindestens einen gemeinsamen Draht, der mit der ersten und der zweiten Übertragungswicklung verbunden ist, an die zweite und die dritte Übertragungswicklung angelegt werden.
Das zweite Steuersignal kann über mindestens einen gemeinsamen Draht, der mit der zweiten und der dritten Übertragungswicklung verbunden ist, an die zweite und die dritte Übertragungswicklung angelegt werden.
Die vorstehende Zusammenfassung ist mittels Darstellung vorgelegt und beabsichtigt nicht, einschränkend zu sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen wird jede identische oder nahezu identische Komponente, die in verschiedenen Figuren dargestellt ist, durch ein gleiches Bezugszeichen repräsentiert. Zum Zweck der Klarheit, braucht nicht jede Komponente in jeder Zeichnung gekennzeichnet zu sein. Richtungs- und Orientierungsbezüge, die bezüglich der Zeichnungen genannt werden, dienen nur Lehrzwecken und beabsichtigen nicht, Richtungen oder Anordnungen der beschriebenen Vorrichtungen einzuschränken. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet, der Schwerpunkt liegt stattdessen auf der Darstellung verschiedener Aspekte der hier beschriebenen Techniken und Vorrichtungen.
1 stellt einen drahtlosen Dual-Mode-Energieübertrager gemäß einigen Ausführungsformen dar;
2 stellt einige Komponenten eines drahtlosen Dual-Mode-Energieübertragers gemäß einigen Ausführungsformen dar;
3 stellt Wicklungsanordnungen für einen drahtlosen Dual-Mode-Energieübertrager gemäß einigen Ausführungsformen dar;
4A stellt eine Anordnung von Energieübertragerwicklungen dar;
4B stellt eine andere Anordnung von Energieübertragerwicklungen dar;
4C stellt eine andere Anordnung von Energieübertragerwicklungen dar;
4D stellt eine Wicklungsanordnung für einen drahtlosen Dual-Mode-Energieübertrager, der eine zweite MI-Wicklung aufweist, gemäß einigen Ausführungsformen dar;
5A stellt einen kachelartigen magnetischen Schirm 500 gemäß einigen Ausführungsformen dar;
5B stellt einen anderen kachelartigen magnetischen Schirm gemäß einigen Ausführungsformen dar;
6A stellt Variationen eines Übertragungsverhältnisses aufgrund einer Wicklungsfehlausrichtung für einen drahtlosen Dual-Mode-Energieübertrager dar, der eine besondere Wicklungsanordnung aufweist;
6B stellt Variationen eines Kopplungsfaktors zwischen einem Paar von Sendewicklungen und einer Empfangswicklung dar; und
7 stellt eine berechnete Kopplungsvariation für unterschiedliche Wicklungsanordnungen eines drahtlosen Dual-Mode-Energieübertragers gemäß einigen Ausführungsformen dar.
Detaillierte Beschreibung
Wie vorstehend erwähnt, ist es wahrscheinlich, dass elektronische Vorrichtungen, die zu einer drahtlosen Energieübertragung in der Lage sind, weiterhin eine oder beide der Methodiken der drahtlosen Energieübertragung mittels magnetischer Resonanz (MR) und mittels magnetischer Induktion (MI) einsetzen. Weil diese beiden System signifikant unterschiedlich sind, wird ein drahtloser Energieübertrager, der für ein MR-System ausgelegt ist, Energie an eine MI-Empfangsvorrichtung nicht mit geeigneter Effizienz liefern. Ähnlich wird ein Übertrager, der für ein MI-System ausgelegt ist, Energie an eine MR-Empfangsvorrichtung nicht mit geeigneter Effizienz liefern. Die Erfinder haben erkannt und den Wunsch anerkannt, einen drahtlosen Dual-Mode-Energieübertrager zu erhalten, der Energie sowohl an MR- als auch an MI-Vorrichtungen effizient übertragen kann. Zusätzlich haben die Erfinder erkannt und anerkannt, dass solch ein Übertrager kompakt sein sollte (z.B. eine einzelne Aufladefläche anstatt getrennte Aufladeflächen für jeden Standard), und eine ähnliche Leistungsfähigkeit unabhängig von dem Empfangssystem (MR oder MI) bereitstellen sollte. Zum Beispiel sollte ein Anwender, der eine mobile Vorrichtung mit einem Dual-Mode-Übertrager aufladen möchte, die gleiche Ladeleistungsfähigkeit erfahren, wenn er eine MI-Empfangsvorrichtung oder eine MR-Empfangsvorrichtung in einer ausgewiesenen Aufladefläche des Übertragers platziert. Weiter haben die Erfinder erkannt und anerkannt, dass es ebenso wichtig ist, dass die zwei Systeme sich ähnlich verhalten, wenn eine Empfangsvorrichtung (entweder MR oder MI) innerhalb der Aufladefläche des Energieübertragers falsch ausgerichtet wird.
Die Erfinder haben erkannt, dass ein Vorsehen einer gleichen Erfahrung für eine einzige Aufladefläche einige Herausforderungen darstellt. Zum Beispiel kann eine einzige Aufladefläche beinhalten, dass die Übertragungswicklungen nah beieinander liegen. Wenn sie nah beieinander liegen, kann dies zu Interaktionen zwischen den Wicklungen wie wechselseitiger induktiver Aufladung einer Wicklung durch die andere, führen – ein Effekt, der die Leistungsfähigkeit einer oder beider Übertragungswicklungen herabsetzen kann. Zusätzlich kann eine magnetische Schicht, die für eine Wicklung verwendet werden kann, die Leistungsfähigkeit der anderen Wicklung nachteilig beeinflussen. Angesichts dieser Herausforderungen haben die Erfinder unterschiedliche Wicklungsanordnungen konzipiert und untersucht, die eine ähnliche drahtlose Energieübertragungsleistungsfähigkeit für eine einzige Aufladefläche für MR- und MI-Systeme zur Verfügung stellen kann.
Mit Bezug auf 1 wird ein Beispiel eines drahtlosen Dual-Mode-Energieübertragers 100 dargestellt. Ein drahtloser Energieübertrager kann eine kompakte elektronische Vorrichtung sein, die an jedem geeigneten Ort platziert werden kann (z.B. auf einer Arbeitsfläche, einem Tisch, einer Tischplatte, einem Nachttisch, in einem Fahrzeug, usw.) und ein Gehäuse 105 aufweisen kann, welches elektronische Komponenten wie zwei oder mehr Energieübertragungswicklungen und mindestens einen Energiewandler umschließt. Ein drahtloser Energieübertrager kann eine ausgewiesene Aufladefläche 102 (z.B. eine Kontaktstelle oder eine markierte Fläche) aufweisen, die zum Aufladen einer drahtlosen Energieempfangsvorrichtung 110 bestimmt ist. Zum Beispiel kann eine Empfangsvorrichtung 110, die zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche 102 platziert ist, mit einer höheren Effizienz aufgeladen werden, als wenn sie zu einer Seite der Aufladefläche platziert wäre.
Eine drahtlose Energieempfangsvorrichtung 110 kann mindestens eine Empfangswicklung aufweisen und kann ausgelegt sein, drahtlos mit Energie versorgt oder aufgeladen zu werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine drahtlose Energieempfangsvorrichtung ein Rücksignal an den drahtlosen Energieübertrager 100 zur Verfügung stellen, das anzeigt, wo mehr oder weniger Energie an der Empfangsvorrichtung benötigt wird. In einigen Implementierungen kann eine Empfangsvorrichtung 110 eine Wicklung aufweisen, die eine feste Last aufweist, welche zum Kalibrieren oder Auswerten einer Kopplungseffizienz zwischen dem drahtlosen Energieübertrager und einer drahtlosen Energieempfangswicklung verwendet werden kann. Die feste Last kann ein Wert zwischen etwa 5 Ohm und etwa 100000 Ohm sein.
Wenn ein drahtloser Dual-Mode-Energieübertrager 100 aktiviert wird, kann Energie drahtlos von einer Übertragungswicklung des drahtlosen Energieübertragers zu einer Empfangswicklung der Vorrichtung 110 übertragen werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein drahtloser Energieübertrager Benutzersteuerungen wie EIN-/AUS-Schalter 101, ein Touchpad, einen Touchscreen oder andere manuell zu bedienende Steuerungen aufweisen, um den Betrieb des drahtlosen Energieübertragers 100 zu steuern.
Weitere Details eines drahtlosen Dual-Mode-Energieübertragers 100 sind in 2 dargestellt. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der drahtlose Energieübertrager einen Schaltungsaufbau 205 aufweisen, der eine oder mehrere elektronische Komponenten des drahtlosen Energieübertragers aufweist wie mindestens einen Energiewandler 220, einen Prozessor 240 oder andere Steuerschaltungen, eine erste Übertragungswicklung 230 und eine zweite Übertragungswicklung 232, welche auf einer Schaltplatte 207 aufgebaut sind. Ein Energiewandler 220 kann Energie von einer Energiequelle konvertieren, um einen oszillierenden Strom zu erzeugen, der an eine oder beide Übertragungswicklungen 230, 232 angelegt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Energiequelle eine externe Quelle sein (z.B. eine konventionelle Wechselstrom-Leitungsquelle in einem Wohngebiet oder einem Industriegebiet wie 60 Hz, 100–127 VAC, aber nicht darauf beschränkt). Andere Beispiele von Leitungsenergiequellen schließen 60 Hz, 220–240 VAC, 50 Hz, 100–127 VAC und 50 Hz, 220–240 VAC ein. In einigen Implementierungen kann die Energiequelle eine Gleichstrom- Energiequelle eines Fortbewegungsmittels sein (z.B. elektrische Systemenergie im Automotive-, Eisenbahn- oder Flugzeug-Bereich). Ein Energiewandler kann Energie durch einen Energiestecker 210 und/oder ein Verlängerungskabel empfangen, das zum Beispiel in einen konventionellen Wechselstrom-Energieauslass eines Wohngebiets oder eines Industriegebiets oder in einen Gleichstrom-Energieauslass eines Fortbewegungsmittels gesteckt ist. In einigen Implementierungen kann ein Energieübertrager eine Batterie (nicht gezeigt) aufweisen, die mit dem Energiewandler und/oder dem Prozessor 240 verbunden sein kann, um unterbrechungsfreie Energie zur Verfügung zu stellen. In einigen Ausführungsformen kann ein Energiewandler 220 eine geschaltete Energieversorgung und Filterschaltungen aufweisen, die ausgelegt sind, Energie von einer Energiequelle in einen oszillierenden Strom zu konvertieren, der an eine Energieübertragungswicklung 230, 232 angelegt wird. Der oszillierende Strom kann bei einer festen Frequenz in Erfüllung mit Standards zur drahtlosen Energieübertragung oszillieren oder in Erfüllung anderer Standards zur drahtlosen Energieübertragung über einen Bereich von Frequenzen variieren. Zum Beispiel kann der oszillierende Strom bei ungefähr 6,78 MHz oszillieren, obwohl in einigen Fällen andere Frequenzen verwendet werden können. In einigen Ausführungsformen kann ein Energiewandler einen Inverter und ein oder mehrere Impedanzanpassungsnetzwerke aufweisen, um eine Energieübertragung zwischen dem Energiewandler 220 und einer Energieübertragungswicklung 230, 232 zu ermöglichen. In einigen Implementierungen kann ein Energieübertrager 100 einen einzelnen Energiewandler 220 aufweisen, der dynamisch konfiguriert werden kann, um jede der Energieübertragungswicklungen 230, 232 zu steuern. In einigen Fällen kann ein Energieübertrager zwei Energiewandler aufweisen, die jeder ausgelegt sind, ihre jeweilige Energieübertragungswicklung zu steuern.
Eine Übertragungswicklung 230, 232 kann eine leitfähige Wicklung aufweisen, die eine zentrale Achse (durch das “x“ gekennzeichnet) und eine offene Fläche 235, 237 aufweist. Jede offene Fläche kann einen kleineren Durchmesser A₁ und einen größeren Durchmesser B₁ (nur für die erste Wicklung 230 gezeigt) aufweisen. In einigen Implementierungen können der kleinere und der größere Durchmesser gleich sein. Jede Wicklung kann eine oder mehrere leitfähige Windungen aufweisen und kann mit einem Energiewandler 220 verbunden sein. Eine Energieübertragungswicklung kann jede geeignete Form aufweisen (z.B. quadratisch, rechteckig, vieleckig, rund, oval, usw.). Eine Übertragungswicklung 230, 232 kann aus einem oder mehreren gewickelten Drähten gebildet sein oder kann als eine oder mehrere leitfähige Stromschleifen auf einer oder mehreren Ebenen einer gedruckten Leiterplatte geformt sein. Ein oszillierender Strom, der an die Übertragungswicklung angelegt wird, erzeugt ein oszillierendes Magnetfeld in der Umgebung der Wicklung 230, 232, das sich durch das Gehäuse 105 des drahtlosen Energieübertragers in der ausgewiesenen Aufladefläche 102 ausbreiten kann.
Gemäß einigen Ausführungsformen weist ein drahtloser Dual-Mode-Energieübertrager mindestens eine erste Steuerschaltung und eine erste Energieübertragungswicklung 230 auf, die für eine drahtlose MR-Energieübertragung eingerichtet sind. Der drahtlose Dual-Mode-Energieübertrager kann weiter eine zweite Steuerschaltung und eine zweite Energieübertragungswicklung 232 aufweisen, die für eine drahtlose MI-Energieübertragung eingerichtet sind. Die zweite MI-Wicklung kann kleiner sein als die erste MR-Wicklung und kann innerhalb der offenen Fläche 235 der MR-Wicklung angeordnet sein, um die Größe der Aufladefläche 102 zu reduzieren. Wenn die MI-Wicklung "innerhalb der offenen Fläche der MR-Wicklung“ angeordnet ist, kann sie über oder unter der MR-Wicklung angeordnet sein und braucht nicht in der gleichen Ebene zu liegen wie die MR-Wicklung. Die MR- und MI-Wicklungen können mit dem gleichen gemeinsamen Leiter 239 verbunden sein. In einigen Implementierungen kann die MR-Wicklung eine offene Fläche 235 aufweisen, die zwischen 2 und 6 Mal größer ist als eine offene Fläche 237 der MI-Wicklung. Zum Beispiel kann die MR-Wicklung etwa 5,5 Inch mal 3 Inch messen, und die MI-Wicklung kann etwa 2 Inch mal 2 Inch messen, obwohl andere Größen verwendet werden können.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein drahtloser Dual-Mode-Energieübertrager 100 weiter einen Prozessor 240 und einen Signal-Sendeempfänger 250 aufweisen. Der Prozessor kann zum Beispiel einen Mikro-Controller, einen Mikro-Prozessor, einen digitalen Signalprozessor (DSP), ein Field Programmable Gate Array (FPGA), analoge Schaltungen, Logikschaltungen oder eine Kombination davon aufweisen. Der Prozessor 240 kann Verbindungen zu mindestens einer Speichervorrichtung (nicht gezeigt) aufweisen, welche maschinenlesbare Instruktionen speichern kann, die von dem Prozessor ausgeführt werden können, um den drahtlosen Energieübertrager 100 anzupassen, einen Betrieb auszuführen, der sich auf eine Energieübertragung bezieht. Die Speichervorrichtung kann ein RAM, ein ROM, ein Flash-Memory, ein Cached Memory oder jeden anderen geeigneten Speicher aufweisen. Der Prozessor 240 kann auch mit einem oder mehreren Energiewandlern 220 kommunizieren. Zum Beispiel kann der Prozessor über eine oder mehrere elektrische Verbindungen mit jedem Energiewandler verbunden sein, durch welche Energie und Daten übertragen werden können. Der Prozessor 240 kann eine Steuerung des drahtlosen Energieübertragers 100 durch Koordinieren des Betriebs des Sendens von Daten an und des Verarbeitens von Daten von jedem Energiewandler 220 und dem Sendeempfänger 250 leiten.
In einigen Ausführungsformen kann der Sendeempfänger 250 einen Hochfrequenz-(HF-)Übertrager zum Übertragen und Empfangen von Datensignalen an und von einer externen Vorrichtung (z.B. einer zu ladenden Vorrichtung 110) aufweisen. Der Sendeempfänger 250 kann zum Beispiel für eine WiFi- oder Bluetooth-Kommunikation eingerichtet sein, obwohl der Sendeempfänger 250 nicht nur auf diese Kommunikationsprotokolle beschränkt ist. In einigen Implementierungen kann der Sendeempfänger 250 für eine verdrahtete Kommunikation (z.B. über einen Universal Serial Bus) eingerichtet sein. In einigen Implementierungen kann der Sendeempfänger getrennte Sende- und Empfangs-Chips oder -Schaltungen aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Sendeempfänger 250 eine gleiche magnetische Kopplungsverbindung verwenden, die für die drahtlose Energieübertragung verwendet wird, um Daten zu einer drahtlosen Energieempfangsvorrichtung 110 zu senden und Daten von ihr zu empfangen. Solche Kommunikationsvorgänge können "In-Band-Kommunikationen“, "Lastmodulation“ oder "Backscatter-Modulation“ beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt.
Weitere Details von Wicklungsanordnungen für einen drahtlosen Dual-Mode-Energieübertrager sind in 3 und 4A–4D gezeigt. Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine erste Wicklung 230 auf einem ersten Substrat 310 ausgebildet sein (z.B. leitfähige Bahnen auf einer gedruckten Leiterplatte geformt). Die erste Wicklung kann für eine Energieübertragung mittels magnetischer Resonanz ausgelegt sein. In einigen Ausführungsformen kann ein magnetisches Schichtmaterial 320 angrenzend an die erste Wicklung 230 angeordnet sein und kann gegenüber dem Substrat angeordnet sein (wie gezeigt) oder auf einer gleichen Seite der ersten Wicklung wie das Substrat. Jedes geeignete magnetisch durchlässige Material kann für die magnetische Schicht verwendet werden. Beispiele für magnetisches Schichtmaterial beinhalten verschiedene Ferrite wie Nickel-Eisen und seine Legierungen, Kobalt-Eisen und seine Legierungen und Silizium-Eisen und seine Legierungen. In einigen Fällen kann ein magnetischer Schirm ein oder mehrere Polymere aufweisen, die verwendet werden, um Zusammensetzungen aus einem oder mehreren vorstehend beschriebenen Ferriten zu binden. Zum Beispiel können Ferritpartikel in einem Polymer gebunden und als eine dünne Schicht oder Folie eines magnetischen Schichtmaterials aufgebracht sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine relative magnetische Durchlässigkeit des magnetischen Schichtmaterials 320 für die erste MR-Wicklung 230 zwischen ungefähr 60 und ungefähr 200 liegen. Beispiele für ein magnetisches Schichtmaterial, welches Durchlässigkeitswerte in diesem Bereich aufweist, beinhalten martensitischen rostfreien Stahl, Nickel, Carbon-Stahl und Ferrit, sind aber nicht darauf beschränkt. Polymerzusammensetzungen, welche diese Materialien enthalten, können ebenfalls verwendet werden.
Obwohl der Begriff Schicht verwendet wird, schließt die Funktion des magnetischen Materials ein Führen von Magnetfeldlinien in der Umgebung der Energieübertragungswicklungen ein, um eine Energieübertragungseffizienz zu verbessern. Zum Beispiel kann das magnetische Material Magnetfeldlinien nah der unteren Seite einer Energieübertragungswicklung verdichten und führen und verhindern, dass die Feldlinien sich in verlustbehaftete Materialien ausbreiten, die sich unter den Wicklungen oder unter dem Dual-Mode-Energieübertrager 100 befinden können.
Wieder Bezug nehmend auf 3 kann eine zweite Wicklung 232 mit einem vertikalen Abstand Z₁ von der ersten Wicklung 230 angeordnet sein. Die zweite Wicklung 232 kann für eine MI-Energieübertragung eingerichtet und auf einem zweiten Substrat 310 ausgebildet sein. Das erste und zweite Substrat 310 kann nicht-magnetisch sein (z.B. gedruckte Leiterplatten). In einigen Ausführungsformen kann es ein zweites magnetisches Schichtmaterial 330 geben, das angrenzend an die zweite Wicklung angeordnet ist. Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine relative magnetische Durchlässigkeit des zweiten magnetischen Schichtmaterials 330 für die zweite MI-Wicklung 232 größer als ungefähr 400 sein, z.B. zwischen ungefähr 400 und ungefähr 500000. In einigen Implementierungen kann die relative magnetische Durchlässigkeit des zweiten magnetischen Schichtmaterials 330 zwischen 2- und 8-mal größer sein als die relative magnetische Durchlässigkeit des ersten magnetischen Schichtmaterials 320. Beispielmaterialien, welche hohe Werte einer magnetischen Durchlässigkeit aufweisen, schließen Ferrit, ferritischen rostbeständigen Stahl, Mu-Metall, Eisen und Metglas ein, sind aber nicht darauf beschränkt.
Sowohl die erste magnetische Schicht 320 als auch die zweite magnetische Schicht 330 können beide einen kleineren Durchmesser, der ungefähr einen kleineren Durchmesser der jeweiligen Wicklung überspannt, und einen größeren Durchmesser, der einen größeren Durchmesser der jeweiligen Wicklung überspannt, aufweisen. Gemäß einigen Ausführungsformen darf eine magnetische Schicht sich nicht um mehr als 10% des jeweiligen kleineren oder größeren Durchmessers einer Wicklung über den kleineren oder größeren Durchmesser der jeweiligen Wicklung hinaus erstrecken.
Gemäß einigen Ausführungsformen können die erste Übertragungswicklung 230 und die zweite Übertragungswicklung 232 zentral auf einer gleichen Achse ausgerichtet sein, die durch die gestrichelte vertikale Linie in 3 gekennzeichnet ist. In einigen Implementierungen können die Wicklungen versetzt und nicht zentral zu einer gleichen Achse ausgerichtet sein. Es kann eine Anzahl von Windungen in jeder Wicklung geben, und die Windungen der zwei Wicklungen können nicht überlappen. Wenn die zwei Wicklungen überlappen, können mindestens 90% der offenen Fläche 237 der kleineren MI-Wicklung innerhalb der offenen Fläche 235 der größeren MR-Wicklung enthalten sein. Die erste Wicklung und die zweite Wicklung können in einem Gehäuse 105 des drahtlosen Dual-Mode-Energieübertragers direkt unter der ausgewiesenen Aufladefläche 102 untergebracht sein. Die zweite Wicklung kann mit einem Abstand Z₂ von der ausgewiesenen Aufladefläche angeordnet sein.
Wenn sie aktiviert ist, kann die erste Wicklung 230 bei einer ersten Frequenz gesteuert werden, die zwischen 20- und 90-mal höher ist als eine zweite Frequenz, bei welcher die zweite Wicklung 232 gesteuert wird. Die erste Wicklung kann einen dazugehörigen Feldbereich 301 oder eine Energieübertragungszone aufweisen, in welchen sich eine nutzbare elektromagnetische Energie von der Wicklung ausbreitet. Die zweite Wicklung 232 kann einen zweiten dazugehörigen Feldbereich 302 aufweisen, der kleiner ist als derjenige der ersten Wicklung. Eine zu ladende Vorrichtung 110 kann auf der ausgewiesenen Aufladefläche 102 platziert werden und eine Empfangswicklung 130 aufweisen, die innerhalb der Vorrichtung 110 untergebracht ist. Die Vorrichtung 110 kann eingerichtet sein, Energie drahtlos gemäß einer drahtlosen MR- oder MI-Energieübertragung zu empfangen. In vielen Fällen kann ein Benutzer die Vorrichtung 110 so in der ausgewiesenen Aufladefläche 102 platzieren, dass ihre Empfangswicklung 130 um eine Distanz D von einer zentralen Achse der Energieübertragungswicklungen falsch ausgerichtet ist.
Zusätzliche Ausführungsformen von Wicklungsanordnungen für einen drahtlosen Dual-Mode-Energieübertrager sind in 4A bis 4D gezeigt. Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine erste Wicklung 230 auf einem Substrat 310 ausgebildet sein, und ihr magnetisches Schichtmaterial 320 kann auf einer gegenüberliegenden Seite des Substrats 310 von der ersten Wicklung 230 ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Wicklung 232 über dem gleichen Substrat 310 ausgebildet sein und mit dem gleichen Substrat 310 verbunden sein (z.B. geklebt oder anderweitig verbunden). Das zweite magnetische Schichtmaterial 330 kann oder kann nicht mit der zweiten Wicklung 232 enthalten sein.
In einigen Ausführungsformen kann die zweite Wicklung über der ersten Wicklung 230 angeordnet sein, wie in 3 und 4A gezeigt, oder kann mit einem Abstand Z₁ unter der ersten Wicklung 230 angeordnet sein. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass es vorzuziehen ist, die MI-Wicklung 232 näher an der ausgewiesenen Aufladefläche 102 anzuordnen als die erste Wicklung, da ihre Energieübertragungszone 302 typischerweise weniger weit reicht als die Energieübertragungszone 301 der MR-Wicklung 230.
4B stellt eine andere Wicklungsanordnung dar, in welcher die erste Wicklung 230 und die zweite Wicklung 232 auf dem gleichen Substrat 310 ausgebildet sind. Das Substrat 310 kann in einigen Ausführungsformen eine gedruckte Leiterplatte aufweisen, und die erste und zweite Wicklung können aus Drahtbahnen ausgebildet sein, die auf der gedruckten Leiterplatte ausgestaltet sind. In einigen Ausführungsformen kann es nur einen ersten magnetischen Schirm 320 unter den zwei Wicklungen geben. In anderen Ausführungsformen kann es einen ersten magnetischen Schirm 320 und einen zweiten magnetischen Schirm 330 geben, die unter jeder Wicklung angeordnet sind und unterschiedliche magnetische Durchlässigkeiten aufweisen, wie vorstehend beschrieben. Zum Beispiel kann der erste magnetische Schirm 320 ringförmig sein und der zweite magnetische Schirm 330 kann innerhalb eines Zentrumsbereichs des ersten magnetischen Schirms angeordnet sein.
Eine andere Wicklungsanordnung für einen drahtlosen Dual-Mode-Energieübertrager ist in 4C dargestellt. In dieser Anordnung sind die erste Wicklung 230 und die zweite Wicklung 232 auf einem Substrat 310 ausgebildet. Ein einziger magnetischer Schirm 330 ist unter der zweiten Wicklung 232 angeordnet und ein erster magnetischer Schirm 320 ist nicht enthalten.
Für jede der in 3 und 4A bis 4C gezeigten Anordnungen soll sich das magnetische Schichtmaterial nicht mehr als 10% über seitliche Abmessungen der jeweiligen Wicklung hinaus erstrecken. Zum Beispiel kann sich das magnetische Schichtmaterial 320 für die erste Wicklung 230 zwischen ungefähr 90% und ungefähr 110% einer seitlichen Abmessung (in der X- oder Y-Richtung) der ersten Wicklung ausdehnen. In einigen Implementierungen kann das magnetische Schichtmaterial ringförmig sein.
4D stellt eine Draufsicht eines drahtlosen Dual-Mode-Energieübertragers dar, der eine erste MR-Wicklung 230 und zwei zweite MI-Wicklungen 232a, 232b aufweist. In dieser Anordnung können die zwei MI-Wicklungen bei der gleichen Frequenz arbeiten und einander teilweise überlappen. Sie können seitlich gegeneinander verschoben sein, um eine Energieübertragungszone 302 für die MI-Wicklungen zu vergrößern.
Zusätzliche Beispiele von magnetischen Schichtmaterialanordnungen sind in 5A und 5B gezeigt. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das magnetische Schichtmaterial eine kontinuierliche Schicht oder gekachelt sein, wie in diesen Zeichnungen gezeigt. In einigen Fällen können die Kacheln in einer Richtung verlängert und wiederholt angeordnet sein. Jede Kachel kann eine kleinere seitliche Dimension a und eine größere seitliche Dimension b aufweisen. Die Kacheln können gemäß einigen Ausführungsformen durch eine Lücke g mit einem Abstand angeordnet sein. Die Lücken zwischen den Kacheln können gleich oder unterschiedlich sein. Wie in 5B gezeigt, können die Kacheln auch in einem zweidimensionalen Feld angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können das magnetische Schichtmaterial und die Kacheln vorgebrochene Ferritfolien aufweisen.
Die Erfinder haben erkannt und anerkannt, dass das Einbeziehen einer magnetischen Induktivitätswicklung 232 und möglicherweise ihres magnetischen Schirms 330 innerhalb der Energieübertragungszone 301 einer magnetischen Resonanzwicklung 230 den Resonanzbetrieb der MR-Wicklung verstimmen kann. Um die Verstimmung zu kompensieren kann eine magnetische Schicht für die MR-Wicklung 230 einbezogen werden. Parameter der magnetischen Schicht können so ausgewählt werden, dass das Resonanzverhalten der MR-Wicklung wiederhergestellt wird und eine Kopplungseffizienz der MR-Wicklung verbessert wird.
Mit Bezug auf 3 haben die Erfinder die Effekte von unterschiedlichen Wicklungsanordnungen auf eine Leistungsfähigkeit einer drahtlosen Energieübertragung untersucht. In diesen Untersuchungen wurde sowohl eine magnetische Schicht als auch der Abstand Z₁ zwischen den zwei Wicklungen und der Abstand Z₂ zwischen der magnetischen Induktivitätswicklung 232 und einer Empfangswicklung 130 variiert. Tests wurden durchgeführt, um eine Effizienz einer drahtlosen Energieübertragung zwischen der MR-Wicklung 230 und einer MR-Empfangswicklung 130 zu evaluieren, während die Parameter Z1, Z2 und eine magnetische Schicht 320 variiert wurden.
In einer ersten Testreihe wurde eine drahtlose Energieübertragung für die MR-Wicklung mit und ohne Schicht 320 für variierte Abstände Z1 und Z2 evaluiert. Zusätzlich wurden Effekte von falscher Ausrichtung der Empfangswicklung durch Variieren der in 3 gekennzeichneten Distanz D untersucht. Um eine Effizienz der drahtlosen Energieübertragung zu evaluieren, wurden Werte für ein "wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis“ (MVTR) berechnet. Das wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnis wies ein Verhältnis einer Gleichspannung (gemessen an einem Gleichrichter, der mit einer MR-Empfangswicklung 130 verbunden und über eine feste ohmsche Last angeschlossen war) zu einer quadratischen Mittelwertwechselspannung, die über der MR-Übertragungswicklung 230 angelegt wurde, auf. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, wurde das in den Tests verwendete wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnis definiert als:
Wobei die gleichgerichtete Gleichspannung von der Empfangswicklung in eine 100 Ohm Last evaluiert wurde. Andere Ausdrücke und Lastimpedanzen können verwendet werden, um einen Wert ähnlich des MVTR zu berechnen, welcher eine Effizienz der Energiekopplung zwischen dem drahtlosen Energieübertrager und dem drahtlosen Energieempfänger kennzeichnet. In einigen Ausführungsformen kann ein MVTR in einen Lastwiderstand evaluiert werden, der einen Wert zwischen etwa 5 Ohm und etwa 100000 Ohm aufweist. Wenn jedoch MVTR-Werte für unterschiedliche Systeme verglichen werden, sollten die Werte des MVTR für die gleiche Impedanz für jedes System berechnet werden.
In einer ersten Versuchsreihe wurden wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnisse für einen ersten Fall, in welchem die erste Übertragungswicklung 230 kein magnetisches Schichtmaterial aufwies, und einen zweiten Fall, in welchem die erste Übertragungswicklung 230 eine Ferritschicht aufwies, berechnet. Für den zweiten Fall erstreckte sich die magnetische Schicht nicht mehr als 10% über den kleineren und größeren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung 230 hinaus. Die Ergebnisse dieser Tests zeigten eine signifikante Erhöhung des wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses, wenn ein magnetischer Schirm 320 angrenzend an die erste Wicklung 230 platziert wurde. Der Anstieg des Übertragungsverhältnisses bewegte sich abhängig von den gewählten Abständen (Z₂ und Z₁) zwischen 6% und 20%.
Zusätzlich fanden die Erfinder heraus, dass die Anwesenheit der MI-Wicklung und ihres Schirms einen vernachlässigbaren Effekt auf das wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnis für die MR-Wicklung hatte. Umgekehrt hatte die Anwesenheit der MR-Wicklung und ihres Schirms einen vernachlässigbaren Effekt auf das wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnis für die MI-Wicklung. Wenn eine der Wicklungen von dem System entfernt wurde, belief sich die Differenz des wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses auf weniger als 1%. Die geringe Differenz ist eine Folge des Betreibens des MR- und des MI-Systems bei deutlich unterschiedlichen Frequenzen (z.B. mehr als ein Faktor 20 Unterschied). Solch ein großer Frequenzunterschied führt zu einer geringen Querinduktion der zwei Wicklungen.
Effekte einer Veränderung des Umfangs einer Fehlausrichtung D wurden ebenso bei unterschiedlichen Werten von Z₁ und Z₂ gemessen. Um eine Fehlausrichtung zu untersuchen, wurden wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnisse für die Empfangswicklung gemessen, wobei die Empfangswicklung zentral zu der gemeinsamen Achse der Energieübertragungswicklungen ausgerichtet wurde und dann um ungefähr einen halben kleineren Durchmesser der Energieübertragungswicklung 230 entlang einer Richtung des größeren Durchmessers zu jeder Seite der zentralen Achse verschoben wurde.
Die Variation der wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisse aufgrund einer Fehlausrichtung ist in 6A dargestellt. In diesem Test wies die MR-Wicklung 230 eine Ferritschicht 320 auf und die MI-Wicklung 232 war in einem Abstand Z₁ von ungefähr 12 mm von der MR-Wicklung 230 angeordnet. Die Empfangswicklung 130 war mit einem Abstand Z₂ von ungefähr 18 mm von der MI-Wicklung 232 entfernt angeordnet. Für diese Berechnungen war die Größe der MR-Wicklung 5,5 Inch (größerer Durchmesser) mal 3 Inch (kleinerer Durchmesser), die Größe der Empfangswicklung war 2,5 Inch mal 2 Inch und die Größe der MI-Wicklung 232 war 2 Inch mal 2 Inch. Für diesen Fall variierten die wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisse von ungefähr 0,30 in einer fehlausgerichteten Anordnung bis ungefähr 0,34 in einer ausgerichteten Anordnung, sodass eine Differenz von etwa 25% einer Energieübertragungseffizienz oder Laderate festgestellt wurde.
Andere Wicklungsanordnungen können unterschiedliche Variationen von wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnissen aufweisen. Zum Beispiel kann eine Doppelwicklungsanordnung für Übertragungswicklungen (z.B. in 4D dargestellte Übertragungswicklungen 232a, 232b) eine Variation von MVTR-Werten aufweisen, die proportional zu der in 6B gezeigten Kurve sind. Für 6B wurde ein Kopplungsfaktor zwischen zwei versetzten Übertragungswicklungen, die wie in 4D dargestellt angeordnet sind, und einer Empfangswicklung als eine Funktion eines Empfangswicklungsversatzes von dem Zentrum der Doppelwicklungsanordnung gemessen. In einigen Ausführungsformen wird das MVTR für die Wicklungsanordnung proportional zu dem gemessenen Kopplungsfaktor sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein MVTR im Wert ansteigen, wenn die Empfangswicklung von der zentralen Position weg bewegt wird, die mit einem geographischen Zentrum einer Übertragungswicklungsanordnung ausgerichtet ist, wie in 6B dargestellt. In der Darstellung wird ein höchster Kopplungsfaktor für eine Fehlausrichtung von ungefähr ±7,5 mm beobachtet.
In einigen Ausführungsformen kann die Differenz eines wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses für eine Empfangsvorrichtung (des MR- oder des MI-Typs), die um einen halben kleineren Durchmesser einer Übertragungswicklung (für eine korrespondierende MR- oder MI-Wicklung) falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr ±25% und ungefähr ±50% des wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegen, wenn die Empfangsvorrichtung zu der Übertragungswicklung ausgerichtet ist. Wenn zum Beispiel ein MVTR-Wert 100 ist, wenn eine Empfangswicklung zu einer Übertragungswicklung ausgerichtet ist, und die Differenz eines wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses ist –25%, wenn sie falsch ausgerichtet ist, dann wird der MVTR-Wert bei einer Fehlausrichtung auf 75 fallen. Wenn bei einer Fehlausrichtung die Differenz der MVTR 15% ist, dann kann alternativ das MVTR bei einer Fehlausrichtung auf 115 ansteigen. In einigen Implementierungen kann die Differenz eines wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses für eine Empfangswicklung, die um einen halben kleineren Durchmesser einer Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr ±10% und ungefähr ±25% des wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegen, wenn die Empfangsvorrichtung zu der Übertragungswicklung ausgerichtet ist.
Die Veränderungen der wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisse aufgrund von Empfangswicklungsfehlausrichtung, wie in 6A angezeigt, wurden verwendet, um einen Kopplungsvariationswert V_c zu berechnen. Dieser Wert ist als die Differenz zwischen dem Maximalwert von drei wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnissen (zum Beispiel in 6A aufgetragen) und dem Minimalwert geteilt durch den Durchschnittswert der drei Übertragungsverhältnisse definiert. Der Maximalwert wird erhalten, wenn die Wicklungen ausgerichtet sind, und die Minimalwerte werden erhalten, wenn die Empfängerwicklung ungefähr um einen halben kleineren Durchmesser der Energieübertragungswicklung 230 zu einer der Seiten der zentralen Achse entlang einer Richtung des größeren Durchmessers der Übertragungswicklung verschoben ist.
Werte von Vc wurden für eine Anzahl von unterschiedlichen Wicklungsanordnungen (Z₁, Z₂) bestimmt und sind in 7 aufgetragen. Für diese Messungen wurde eine einzelne MR-Übertragungswicklung 230 verwendet und enthielt eine Ferritschicht. Eine einzelne MI-Wicklung 232 wurde ebenfalls verwendet, und die Wicklungsabmessungen sind vorstehend in Verbindung mit 6A angegeben. Der Abstand Z₁ wurde zwischen 0 mm und 12 mm variiert, während der Abstand Z₂ zwischen 6 mm und 18 mm variiert wurde. Die graphische Darstellung in 7 ist eine dreidimensionale Darstellung, welche die Kopplungsvariation V_c zeigt, die für eine Empfangswicklungsfehlausrichtung für die unterschiedlichen Wicklungsanordnungen beobachtet wurde. Gestrichelte weiße Linien sind in der Darstellung als Hilfe zum Betrachten der Konturen der Darstellung hinzugefügt.
Die graphische Darstellung kann in vier Bereiche aufgeteilt werden, die als A, B, C und D gekennzeichnet sind. Der Bereich A zeigt die geringste Kopplungsvariation, für die Z₁ zwischen etwa 0 mm und etwa 3 mm variiert, und Z₂ zwischen etwa 6 mm und etwa 12 mm variiert. Obwohl diese Wicklungsanordnung zu einer geringen Kopplungsvariation für eine Empfangswicklungsfehlausrichtung führen kann, kann es in einigen Implementierungen keine bevorzugte Anordnung sein. Zum Beispiel kann durch Platzieren der MI-Wicklung 232 an oder nahe der gleichen Stelle wie die MR-Wicklung 230 die MI-Wicklung nicht so viel Energie an eine Vorrichtung übertragen, die in der ausgewiesenen Aufladefläche 102 angeordnet ist, wie die MR-Wicklung könnte, was zu einem niedrigeren wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnis und einer unterschiedlichen Benutzererfahrung für die MI-Wicklung führt. Um ein niedrigeres wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zu kompensieren, kann es notwendig sein, dass die MI-Wicklung näher an der Empfangsvorrichtung und ihrer Empfangswicklung angeordnet und/oder ihre Übertragungsenergie erhöht wird. Deshalb kann eine einheitlichere Benutzererfahrung für MI- und MR-Laden daraus erfolgen, dass die MI-Wicklung 232 näher an der ausgewiesenen Aufladefläche 102 angeordnet wird als die MR-Wicklung 230.
Wieder Bezug nehmend auf 7 ist ersichtlich, dass es Bereiche C gibt, für welche es einen merklichen Anstieg einer Kopplungsvariation aufgrund einer Empfängerwicklungsfehlausrichtung gibt. Diese Bereiche C können durch Einschränken der Wicklungsanordnungen auf den in 7 gezeigten Bereich B vermieden werden. Zum Beispiel kann in einigen Fällen die MI-Wicklung 232 mit einem Abstand zwischen ungefähr 2 mm und ungefähr 4 mm von der MR-Wicklung angeordnet werden (Abstand Z₁), und der Abstand Z₂ zu der ausgewiesenen Aufladefläche 102 kann bis zu 12 mm sein. In einer anderen Anordnung kann die MI-Wicklung 232 um ungefähr 9 mm bis 12 mm von der MR-Wicklung entfernt angeordnet sein, während die ausgewiesene Aufladefläche 102 bis zu etwa 12 mm entfernt von der MI-Wicklung angeordnet sein kann. In einigen Implementierungen können die MI-Wicklung und ihre magnetische Schicht in einem vertikalen Abstand von der MR-Wicklung angeordnet sein, der gleich oder größer ist als null aber kleiner als ungefähr 25% eines kleineren Durchmessers der ersten magnetischen Schicht 320. In einigen Implementierungen können die MI-Wicklung und ihre magnetische Schicht in einem vertikalen Abstand von der MR-Wicklung angeordnet sein, der gleich oder größer ist als null aber kleiner als ungefähr 25% eines kleineren Durchmessers der ersten Übertragungswicklung 230.
Durch Anordnen der ersten und zweiten Energieübertragungswicklungen mit einer magnetischen Schicht auf der ersten Wicklung 230 und den zwei Wicklungen mit einem Abstand dazwischen, um Kopplungsvariationen innerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs B zur Verfügung zu stellen, kann ein Benutzer ein ähnliches Aufladeerlebnis (z.B. ähnliche wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnisse) einer drahtlosen Empfangsvorrichtung für den Dual-Mode-Übertrager 100 erfahren, egal ob eine Vorrichtung zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche ausgerichtet ist oder um bis zu ungefähr einen halben kleineren Durchmesser der ersten Wicklung 230 falsch ausgerichtet ist. In einigen Implementierungen können eine dritte oder mehrere Wicklungen, welche den gleichen oder einen ähnlichen Aufbau wie die zweite Wicklung aufweisen, hinzugefügt werden (wie in 4D gezeigt), um Kopplungsvariationen für die Wicklungen aufgrund einer Fehlausrichtung einer drahtlosen Empfangsvorrichtung innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche zu reduzieren. Ein ähnliches Aufladeverhalten oder eine Effizienz der Energiekopplung können durch Messen von wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnissen an unterschiedlichen Stellen und Vergleichen der gemessenen Ergebnisse bestimmt werden. In einigen Fällen können sich die verglichenen wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisse im Wert zwischen ungefähr ±25% und ungefähr ±50% eines höchsten gemessenen MVTR-Werts zwischen einer ausgerichteten und einer falsch ausgerichteten Anordnung unterscheiden. In einigen Ausführungsformen können sich die gemessenen wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisse im Wert zwischen ungefähr ±10% und ungefähr ±25% eines höchsten gemessenen MVTR-Werts zwischen einer ausgerichteten und einer falsch ausgerichteten Anordnung unterscheiden.
Zusätzlich kann ein ähnliches Aufladeverhalten für die zweite Wicklung 232 oder die zweiten Wicklungen auftreten. In einigen Ausführungsformen kann eine Energie an die zweite Wicklung oder die zweiten Wicklungen angepasst werden, um ein gleiches oder ähnliches wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für eine Empfangsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche 102 platziert ist, die Energie von der zweiten Wicklungsanordnung empfängt. Deshalb kann ein Benutzer ein ähnliches Aufladeverhalten erfahren (z.B. können ähnliche wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnisse, die innerhalb eines Faktors von zwei voneinander liegen, gemessen werden), wenn eine drahtlose Energieempfangsvorrichtung (von entweder dem MI- oder dem MR-Typ) zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche 102 platziert ist. Für einige Wicklungsanordnungen kann ein Benutzer ein ähnliches Aufladeverhalten erfahren, wenn eine drahtlose Energieempfangsvorrichtung (von entweder dem MI- oder dem MR-Typ) innerhalb eines kreisförmigen Bereichs der ausgewiesenen Aufladefläche 102, der einen Radius aufweist, der nicht größer ist als ein halber kleinerer Durchmesser der Energieübertragungswicklung, platziert ist.
Verschiedene Aspekte der hier beschriebenen Vorrichtungen und Techniken können allein, in Kombination oder in einer Vielfalt von Anordnungen, die in den in der vorstehenden Beschreibung beschriebenen Ausführungsformen nicht besonders erörtert sind, verwendet werden, und sind deshalb nicht in ihrer Anwendung auf die Details und Anordnung von Komponenten beschränkt, die in der vorstehenden Beschreibung dargelegt oder in den Zeichnungen dargestellt sind. Zum Beispiel können Aspekte, die in einer Ausführungsform beschrieben sind, in jeder Weise mit Aspekten kombiniert werden, die in anderen Ausführungsformen beschrieben sind.
Eine Verwendung von ordnenden Ausdrücken wie "erste“, "zweite“, "dritte“, usw. in den Ansprüchen, um ein Anspruchselement zu modifizieren, bedeutet an sich keine Priorität, keinen Vorrang und keine Reihenfolge eines Anspruchselements vor einem anderen, oder die zeitliche Abfolge, in welcher Schritte eines Verfahrens ausgeführt werden, sondern sind lediglich als Kennzeichnung verwendet, um ein Anspruchselement, das einen bestimmten Namen hat, von einem anderen Anspruchselement zu unterscheiden, das den gleichen Namen hat (bis auf die Verwendung des ordnenden Ausdrucks), um die Anspruchselemente auseinanderzuhalten.
Außerdem dient die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie dem Zweck einer Beschreibung und sollte nicht als einschränkend angesehen werden. Die Verwendung von "einschließen“, "aufweisen“ oder "besitzen“, "beinhalten“, "involvieren“ und Variationen davon bedeutet hier, sowohl die anschließend aufgelisteten Elemente und Äquivalente davon als auch zusätzliche Elemente zu umfassen. Zum Beispiel sind ein Gerät, eine Struktur, eine Vorrichtung, eine Schicht oder ein Bereich, die vorgestellt werden als ein bestimmtes Material "einschließend“, "aufweisend“ oder "besitzend“, "beinhaltend“, "involvierend“ so gemeint, dass sie mindestens das aufgelistete Material und alle anderen Elemente oder Materialien umfassen, die vorhanden sein können.
Zusammengefasst werden Vorrichtungen und Verfahren für eine drahtlose Dual-Mode-Energieübertragung beschrieben. Zwei Energieübertragungswicklungen 230, 232 können eingerichtet sein, eine drahtlose Energieübertragung mittels magnetischer Resonanz und mittels magnetischer Induktion von einer gleichen Aufladefläche 102 eines drahtlosen Energieübertragers 100 zur Verfügung zu stellen. Die Wicklungen und magnetischen Schichten 320, 330 können so angeordnet sein, dass sie eine ähnliche Energieübertragungsleistungsfähigkeit für die zwei Methodiken zur Verfügung stellen.
Zur Vervollständigung der Offenbarung der vorliegenden Erfindung an einzelne Aspekte derselben in Form der nachfolgenden Klauseln wiedergegeben:

1. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager (100), aufweisend: eine erste Übertragungswicklung (230), die eine erste Fläche (235) überspannt und für einen Betrieb bei einer ersten Frequenz eingerichtet ist; eine zweite Übertragungswicklung (232), die eine zweite Fläche (237) überspannt, welche innerhalb der ersten Fläche angeordnet ist und welche kleiner ist als die erste Fläche, wobei die zweite Übertragungswicklung für einen Betrieb bei einer zweiten Frequenz eingerichtet ist, die um mindestens einen Faktor 20 niedriger ist als die erste Frequenz; und eine Plattform, die eine ausgewiesene Aufladefläche (102) aufweist, innerhalb derer eine drahtlose Empfangsvorrichtung (110) zu platzieren ist, wobei die Plattform vertikal von der ersten Übertragungswicklung und der zweiten Übertragungswicklung angeordnet ist.
2. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Klausel 1, wobei die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt sind, dass ein erstes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für eine erste Vorrichtung, die Energie bei einer ersten Frequenz empfängt und zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche platziert ist, zwischen ungefähr 50% und ungefähr 200% eines zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses für eine zweite Vorrichtung liegt, die Energie bei der zweiten Frequenz empfängt und zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche platziert ist.
3. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Klausel 1 oder 2, wobei die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt sind, dass ein drittes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die erste Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um bis zu einem halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
4. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 3, wobei die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt sind, dass ein drittes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die erste Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 75% und ungefähr 125% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
5. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 4, wobei die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt sind, dass ein viertes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die zweite Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
6. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 5, wobei die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt sind, dass ein viertes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die zweite Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 75% und ungefähr 125% des zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
7. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 6, wobei Windungen der ersten Übertragungswicklung Windungen der zweiten Übertragungswicklung nicht kreuzen.
8. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klausen 1 bis 7, wobei die erste Frequenz ungefähr 6,78 MHz ist und die zweite Frequenz zwischen ungefähr 80 kHz und ungefähr 300 kHz liegt.
9. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 8, weiter aufweisend eine erste magnetische Schicht, die auf einer ersten Seite der Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist.
10. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 9, wobei die erste magnetische Schicht mindestens einen Teil der ersten Fläche bedeckt, sich aber nicht mehr als 10% über eine seitliche Abmessung der ersten Fläche hinaus erstreckt.
11. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 10, wobei die erste magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 60 und ungefähr 200 aufweist.
12. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 11, weiter aufweisend eine zweite magnetische Schicht, die auf einer ersten Seite der zweiten Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist.
13. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 12, wobei die zweite magnetische Schicht mindestens einen Teil der zweiten Fläche bedeckt, sich aber nicht mehr als 10% über eine seitliche Abmessung der zweiten Fläche hinaus erstreckt.
14. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 13, wobei die erste magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 60 und ungefähr 200 aufweist und die zweite magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 400 und ungefähr 500000 aufweist.
15. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 14, wobei die zweite Übertragungswicklung und die zweite magnetische Schicht in einem vertikalen Abstand von der ersten magnetischen Schicht in Richtung der Plattform angeordnet sind, der größer als null aber kleiner als ungefähr 25% eines kleineren Durchmessers der ersten magnetischen Schicht ist.
16. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 15, wobei die zweite Übertragungswicklung und die zweite magnetische Schicht in einem vertikalen Abstand von der ersten magnetischen Schicht in Richtung der Plattform angeordnet sind, der größer als null aber kleiner als ungefähr 25% eines kleineren Durchmessers der ersten Übertragungswicklung ist.
17. Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einer der Klauseln 1 bis 16, weiter aufweisend eine dritte Übertragungswicklung, die eine dritte Fläche überspannt, die ungefähr gleich der zweiten Fläche ist, wobei die dritte Übertragungswicklung für einen Betrieb bei der zweiten Frequenz eingerichtet und innerhalb der ersten Fläche angeordnet ist.
18. Verfahren eines Betreibens eines drahtlosen Dual-Mode-Übertragers, wobei das Verfahren aufweist: Anlegen eines ersten Steuersignals bei einer ersten Frequenz an eine erste Übertragungswicklung, die eine erste Fläche überspannt und die mit einem vertikalen Abstand von einer Plattform angeordnet ist, welche eine ausgewiesene Aufladefläche aufweist; und Anlegen eines zweiten Steuersignals bei einer zweiten Frequenz, die mindestens um einen Faktor 20 niedriger ist als die erste Frequenz, an eine zweite Übertragungswicklung, die eine zweite Fläche überspannt, welche innerhalb der ersten Fläche angeordnet ist und kleiner ist als die erste Fläche.
19. Verfahren gemäß Klausel 18, weiter aufweisend: Übertragen von Energie von der ersten Übertragungswicklung zu einer ersten drahtlosen Empfangsvorrichtung, die zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche angeordnet ist, sodass die erste drahtlose Empfangsvorrichtung ein erstes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zeigt; und Übertragen von Energie von der zweiten Übertragungswicklung zu einer zweiten drahtlosen Empfangsvorrichtung, die zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche angeordnet ist, sodass die zweite drahtlose Empfangsvorrichtung ein zweites wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnis zeigt, wobei das erste wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnis zwischen ungefähr 50% und ungefähr 200% des zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
20. Verfahren gemäß Klausel 18 oder 19, weiter aufweisend ein Übertragen von Energie von der ersten Übertragungswicklung zu der ersten drahtlosen Empfangsvorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, sodass die erste drahtlose Empfangsvorrichtung ein drittes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zeigt, das zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
21. Verfahren gemäß einer der Klauseln 18 bis 20, weiter aufweisend ein Übertragen von Energie von der zweiten Übertragungswicklung zu der zweiten drahtlosen Empfangsvorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, sodass die vierte drahtlose Empfangsvorrichtung ein wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zeigt, das zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
22. Verfahren gemäß einer der Klauseln 18 bis 21, weiter aufweisend ein Verdichten eines Magnetfelds der ersten Wicklung mit einer ersten magnetischen Schicht, die auf einer ersten Seite der ersten Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist, wobei die erste magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 60 und ungefähr 200 aufweist.
23. Verfahren gemäß einer der Klauseln 18 bis 22, weiter aufweisend ein Verdichten eines Magnetfelds der zweiten Wicklung mit einer zweiten magnetischen Schicht, die auf einer ersten Seite der zweiten Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist, wobei die zweite magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 400 und ungefähr 500000 aufweist.

Bezugszeichenliste

100: drahtloser Dual-Mode-Energieübertrager
101: EIN-/AUS-Schalter
102: ausgewiesene Aufladefläche
105: Gehäuse
110: zu ladende oder mit Energie zu versorgende Vorrichtung
130: Empfangswicklung
205: Schaltungsaufbau
207: Schaltplatte
210: Energiestecker
220: Energiewandler
230: erste Übertragungswicklung
232: zweite Wicklung
232a: erste Wicklung einer Doppelwicklung
232b: zweite Wicklung einer Doppelwicklung
235: offener Bereich
237: offener Bereich
239: gemeinsamer Leiter
240: Prozessor
250: Signal-Sendeempfänger
301: erster Feldbereich
302: zweiter Feldbereich
310: erstes Substrat
320: erste magnetisches Schichtmaterial
330: zweites magnetisches Schichtmaterial
500: kachelartiger magnetischer Schirm

Claims

Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager (100), aufweisend: eine erste Übertragungswicklung (230), die eine erste Fläche (235) überspannt und für einen Betrieb bei einer ersten Frequenz eingerichtet ist; eine zweite Übertragungswicklung (232), die eine zweite Fläche (237) überspannt, welche innerhalb der ersten Fläche angeordnet ist und welche kleiner ist als die erste Fläche, wobei die zweite Übertragungswicklung für einen Betrieb bei einer zweiten Frequenz eingerichtet ist, die um mindestens einen Faktor 20 niedriger ist als die erste Frequenz; und eine Plattform, die eine ausgewiesene Aufladefläche (102) aufweist, innerhalb derer eine drahtlose Empfangsvorrichtung (110) zu platzieren ist, wobei die Plattform vertikal von der ersten Übertragungswicklung und der zweiten Übertragungswicklung angeordnet ist.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Anspruch 1, wobei die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt sind, dass ein erstes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für eine erste Vorrichtung, die Energie bei einer ersten Frequenz empfängt und zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche platziert ist, zwischen ungefähr 50% und ungefähr 200% eines zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses für eine zweite Vorrichtung liegt, die Energie bei der zweiten Frequenz empfängt und zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche platziert ist.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Anspruch 2, wobei die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt sind, dass ein drittes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die erste Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um bis zu einem halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Anspruch 2, wobei die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt sind, dass ein drittes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die erste Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 75% und ungefähr 125% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt sind, dass ein viertes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die zweite Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die erste Übertragungswicklung und die zweite Übertragungswicklung so ausgelegt sind, dass ein viertes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis für die zweite Vorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, zwischen ungefähr 75% und ungefähr 125% des zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Windungen der ersten Übertragungswicklung Windungen der zweiten Übertragungswicklung nicht kreuzen.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Frequenz ungefähr 6,78 MHz ist und die zweite Frequenz zwischen ungefähr 80 kHz und ungefähr 300 kHz liegt.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter aufweisend eine erste magnetische Schicht, die auf einer ersten Seite der Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Anspruch 9, wobei die erste magnetische Schicht mindestens einen Teil der ersten Fläche bedeckt, sich aber nicht mehr als 10% über eine seitliche Abmessung der ersten Fläche hinaus erstreckt.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die erste magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 60 und ungefähr 200 aufweist.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, weiter aufweisend eine zweite magnetische Schicht, die auf einer ersten Seite der zweiten Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Anspruch 12, wobei die zweite magnetische Schicht mindestens einen Teil der zweiten Fläche bedeckt, sich aber nicht mehr als 10% über eine seitliche Abmessung der zweiten Fläche hinaus erstreckt.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die erste magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 60 und ungefähr 200 aufweist und die zweite magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 400 und ungefähr 500000 aufweist.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die zweite Übertragungswicklung und die zweite magnetische Schicht in einem vertikalen Abstand von der ersten magnetischen Schicht in Richtung der Plattform angeordnet sind, der größer als null aber kleiner als ungefähr 25% eines kleineren Durchmessers der ersten magnetischen Schicht ist.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die zweite Übertragungswicklung und die zweite magnetische Schicht in einem vertikalen Abstand von der ersten magnetischen Schicht in Richtung der Plattform angeordnet sind, der größer als null aber kleiner als ungefähr 25% eines kleineren Durchmessers der ersten Übertragungswicklung ist.
Drahtloser Multi-Mode-Energieübertrager gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiter aufweisend eine dritte Übertragungswicklung, die eine dritte Fläche überspannt, die ungefähr gleich der zweiten Fläche ist, wobei die dritte Übertragungswicklung für einen Betrieb bei der zweiten Frequenz eingerichtet und innerhalb der ersten Fläche angeordnet ist.
Verfahren eines Betreibens eines drahtlosen Dual-Mode-Übertragers, wobei das Verfahren aufweist: Anlegen eines ersten Steuersignals bei einer ersten Frequenz an eine erste Übertragungswicklung, die eine erste Fläche überspannt und die mit einem vertikalen Abstand von einer Plattform angeordnet ist, welche eine ausgewiesene Aufladefläche aufweist; und Anlegen eines zweiten Steuersignals bei einer zweiten Frequenz, die mindestens um einen Faktor 20 niedriger ist als die erste Frequenz, an eine zweite Übertragungswicklung, die eine zweite Fläche überspannt, welche innerhalb der ersten Fläche angeordnet ist und kleiner ist als die erste Fläche.
Verfahren gemäß Anspruch 18, weiter aufweisend: Übertragen von Energie von der ersten Übertragungswicklung zu einer ersten drahtlosen Empfangsvorrichtung, die zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche angeordnet ist, sodass die erste drahtlose Empfangsvorrichtung ein erstes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zeigt; und Übertragen von Energie von der zweiten Übertragungswicklung zu einer zweiten drahtlosen Empfangsvorrichtung, die zentral innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche angeordnet ist, sodass die zweite drahtlose Empfangsvorrichtung ein zweites wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnis zeigt, wobei das erste wechselseitige Spannungsübertragungsverhältnis zwischen ungefähr 50% und ungefähr 200% des zweiten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 19, weiter aufweisend ein Übertragen von Energie von der ersten Übertragungswicklung zu der ersten drahtlosen Empfangsvorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, sodass die erste drahtlose Empfangsvorrichtung ein drittes wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zeigt, das zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, weiter aufweisend ein Übertragen von Energie von der zweiten Übertragungswicklung zu der zweiten drahtlosen Empfangsvorrichtung, die innerhalb der ausgewiesenen Aufladefläche um einen halben kleineren Durchmesser der ersten Übertragungswicklung falsch ausgerichtet ist, sodass die vierte drahtlose Empfangsvorrichtung ein wechselseitiges Spannungsübertragungsverhältnis zeigt, das zwischen ungefähr 50% und ungefähr 150% des ersten wechselseitigen Spannungsübertragungsverhältnisses liegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, weiter aufweisend ein Verdichten eines Magnetfelds der ersten Wicklung mit einer ersten magnetischen Schicht, die auf einer ersten Seite der ersten Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist, wobei die erste magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 60 und ungefähr 200 aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 22, weiter aufweisend ein Verdichten eines Magnetfelds der zweiten Wicklung mit einer zweiten magnetischen Schicht, die auf einer ersten Seite der zweiten Übertragungswicklung gegenüber der Plattform angeordnet ist, wobei die zweite magnetische Schicht eine relative magnetische Durchlässigkeit zwischen ungefähr 400 und ungefähr 500000 aufweist.