CN106165233A - 无线功率传输 - Google Patents

Abstract

一种方法，包括：由包括多个发送线圈的基站确定第一集合互磁参数，所述第一集合互磁参数表征在每个发送线圈与一个或多个接收线圈之间的互磁耦合，所述一个或多个接收线圈中的至少一个与远离所述基站且由所述基站远程充电的电气和/或电子装置相关联。基于第一集合互磁参数来确定控制信号。每个控制信号与对应一个发送线圈相关联，并且每个控制信号被用于使被耦合至对应发送线圈的驱动电路在对应发送线圈中引起电流流动，所述电流具有根据控制信号确定的幅值和相位。由此，发送线圈中的电流使得无线功率传输到一个或多个接收器线圈。

Description

无线功率传输

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年9月30日提交的、申请号为No.14/502,191的美国申请(其要求于2014年9月7日提交的、申请号为No.62/046,999的美国临时申请的权益)和于2014年2月14日提交的申请号为No.61/939,801的美国临时申请的权益。每个上述参引申请的内容通过引用合并于此。

关于联邦赞助研究的声明

本发明得到了由国家科学基金会授予的第CNS-1116864号政府支持。政府对本发明具有一定的权利。

背景

本发明涉及无线功率传输，尤其涉及一种使用多个受控源的无线功率传输。

无线功率传输有望彻底改变移动通信，使得智能电话和其它便携式或固定的无线装置能够永久地无需电源插座。无线充电器(例如，以用户将手机放置其上的充电垫的形式)现在可用于许多移动电话。使用在充电垫的发送线圈中产生并且在被充电装置的接收线圈中接收的磁场来传输功率。一些现在技术的电话充电器的距离限于一厘米或几厘米，并且在许多情形下要求被充电的装置与充电垫仔细地对准。

发明内容

一般地，在一个方面中，本文公开的方法实现了无线功率传输，例如，用于为个人无线装置的电池充电或为固定器具供电，同时克服关于现有的可用方法的距离和/或取向的限制。通常地，该方法利用控制多个发送线圈的基站。基站采用驱动各个发送线圈的信号来经由无线装置处的接收线圈有效地传输功率，该无线装置通常位于发送线圈的近场中的未知位置和取向。在一些示例中，由基站来控制驱动每个发送线圈的交流电压的幅值和相位(例如，以固定谐振频率)，以匹配接收线圈的位置和取向，例如，通过最优化到无线装置或无线装置中负载的感应功率流。在一些示例中，根据每个发送线圈与接收线圈之间的磁耦合(即，互感)的估计值，以及发送线圈之间的磁耦合，由基站确定发送线圈的控制信号。

在一些示例中，由基站通过监控发送线圈上的负载来确定发送线圈与接收线圈之间的磁耦合的估计值。在一些实施方式中，每次独立地使用每个发送线圈(即，不驱动其它线圈)，并且测量被耦合到无线装置中的接收线圈和内部负载的发送线圈的负载，并且使用它来推断磁耦合。在一些示例中，无线装置处的内部负载被用于推断磁耦合。由基站可以先验地已知此内部负载，并且可以通过独立通信信道(例如，蓝牙)将该内部负载从无线装置发送到基站，或者优选地可以以基站可以检测的方式通过调制其负载特性来将该内部负载从无线装置发送信号至基站。在后者情形下，基站的发送线圈与接收线圈之间的磁耦合既被用作从基站到无线装置的功率传输信道，也被用作从无线装置返回到基站的通信信道。这个通信信道也可以被用于标志存在需要功率传送的装置，并且用于将无线装置已知的负载或信道参数传送至基站。在又一其它示例中，磁信道可以被用于双向通信，例如，利用基站调制其所产生的磁信号。

在一些示例中，基站的发送线圈被集成在平面配置中，例如，以“垫”或在桌面下安装的布置方式。然而，也可以使用不一定是共面的发送线圈的其它配置。在一些示例中，发送线圈是“直立”的，或者处于围绕充电区域布置的多个不同取向。

该方法可以适用于具有多个接收线圈(例如，以不同的取向)的无线装置，或者适用于到多个单独装置的并发功率传输。例如，可以使用针对一个接收线圈所描述的技术由基站来单独地估计发送线圈与接收线圈的每个组合之间的磁耦合，并且在至少一些示例中，还估计接收线圈之间的磁耦合，用于确定发送线圈传输功率到多个接收线圈的有效驱动。

通过驱动各个发送线圈来推断磁耦合仅仅是推断接收线圈处的负载的一种方式。例如，在推断磁耦合的过程中，其它方法可以同时使用多个发送线圈的子集，或甚至所有线圈。

基站的发送线圈形成受控磁源。电气或电子组件的其它配置可以形成以类似方式受控制的磁源。例如，电导体的配置可以被用于感应磁场，而不必形成物理圆形的“线圈”。因此，如本文所使用的，术语“线圈”应该被很广泛地理解，以包括可以用于感应磁场的电导体的任何配置。另外，以类似方式耦合(例如，在近场中)的电磁元件的其它形式可以替代所描述的线圈并且可以使用相同或基本相同的方法来进行控制。

该方法可以用于对无线装置的电池进行充电，但应该理解的是，从“充电”站到无线装置的功率传输可以用于除了充电的其它目的。例如，该方法可以用于为无线装置中的电气或电子组件直接供电。

在另一个方面，一般来说，一种方法包括：由具有多个发送线圈的基站(例如，充电装置或功率发送装置的其它形式)确定每个发送线圈与至少一个接收线圈的互磁参数，所述至少一个接收线圈是远离基站并且由基站远程地充电的至少一个电子无线装置的至少一个接收线圈。由基站使用为多个发送线圈的每个确定的互磁参数来估计多个发送线圈的每个的其它参数。这些被估计的其它参数被应用于所有或选定的发送线圈，以在所有或选定的发送线圈的每个与至少一个接收线圈之间提供互磁，以执行到至少一个接收线圈的无线能量传输。

一方面可以包括一个或多个以下特征。

互磁参数是互感。

多个发送线圈中每个的被估计的其它参数包括线圈电流、线圈电压和电压或电流相位中的至少一个。

仅仅在从电子无线装置接收到电子无线装置在充电范围内并且需要充电的指示之后，执行由基站的确定、估计和提供。在一些示例中，该指示至少部分地基于至少一个电子无线装置的至少一个接收线圈的负载的值。

在一些示例中，以预定时间间隔重复所述确定、估计和应用。在一些示例中，预定时间间隔是二秒与十秒之间。在一些示例中，时间间隔是1/5秒与1秒之间。在一些示例中，例如，使用到发送线圈的驱动输入和在发送线圈处检测到的对应响应，在功率传输过程中执行所述确定和估计。

为电子无线装置相对于基站的任何取向来执行所述确定、估计和应用。

电子无线装置是移动电话、智能电话、平板电脑、相机手机、便携式计算机、可穿戴装置(例如，手表)、嵌入式医疗装置(例如，心脏起搏器或药物泵)、电器(例如，固定灯具)、和/或其他电子或电气装置。

在另一个方面，一般地，基站被配置为执行上述任何方法的所有步骤。在一些示例中，基站包括可编程处理器和保存用于使处理器执行至少一些上述步骤的指令的指令存储器。

在另一个方面，一般地，存储在有形机器可读介质上的软件包括用于使处理器执行上述任何方法的一些或全部步骤的指令。

在另一个方面，一般地，基站包括多个发送线圈、控制器和被链接到线圈的信道估计器/检测器。控制器根据由存储于存储器中的磁信道参数确定的驱动参数(例如，电压或电流幅值和相位)来驱动线圈。信道估计器感测线圈的特性(例如，电压和电流)作为估计磁信道参数的过程的一部分。

在另一个方面，一般地，无线装置包括用于经由磁耦合线圈来接收功率，并且用于经由线圈将信息传送至功率发送装置的电路。该信息可以包括由功率发送装置使用以适应其发送功率至无线装置的方法的负载参数。

在一个方面，一般地，一种方法包括：由包括多个发送线圈的基站确定第一多个互磁参数，第一多个互磁参数的每个互磁参数与多个发送线圈中的一个发送线圈和与至少一个电子装置(其远离基站并且由基站远程地充电)相关联的至少一个接收线圈中的一个接收线圈相关联；基于第一多个互磁参数由基站确定多个控制信号，多个控制信号中的每个控制信号与多个发送线圈中的对应发送线圈相关联，将多个控制信号中的每个控制信号提供给被耦合至该控制信号的对应发送线圈的驱动电路，并且使用多个控制信号中的每个控制信号来使被耦合至控制信号的对应发送线圈的驱动电路在对应发送线圈中引起电流流动，所述电流具有根据控制信号确定的幅值和相位。

各方面可以包括一个或多个以下特征。

方法还可以包括由基站确定第二多个互磁参数，第二多个互磁参数中的每个互磁参数与多个发送线圈的不同对的发送线圈相关联，其中确定多个控制信号还基于第二多个互磁参数。至少一个接收线圈可以包括多个接收线圈。该方法还可以包括由基站确定第三多个互磁参数，第三多个互磁参数中的每个互磁参数与多个接收线圈的不同对的接收线圈相关联，其中确定多个控制信号还基于第三多个互磁参数。

控制信号的数量可以被确定，以在基站处的功率约束的范围内实现到至少一个接收线圈的最大无线能量传输。该方法可以包括在从电子装置接收基站处功率需求的指示，其中，确定多个控制信号还基于所述指示。多个控制信号可以被确定为使得接收器实现功率需求。该方法可以包括在从接收器接收接收器处阻抗的指示，其中确定多个控制信号还基于接收器处阻抗的指示。多个控制信号可以被确定使得接收器实现功率需求。

每个互磁参数可以包括互感。多个控制信号中的每个控制信号可以包括线圈电流量幅值、线圈电流相位、线圈电压幅值和线圈电压相位中的至少一个。该方法可以包括在确定互磁参数之前，从电子装置接收电子装置处于充电范围内且需要充电的指示。该指示可以至少部分地基于至少一个电子装置的至少一个接收线圈的负载的值。可以以预定时间间隔重复所述确定、提供和使用。例如，预定时间间隔可以是2秒与10秒之间或在0.2秒与1.0秒之间。

可以针对电子无线装置相对于基站的任何取向来执行所述确定、提供和使用。电子无线装置可以是移动电话、智能电话、平板电脑、相机手机、便携式计算机或其它电子装置。

在另一个方面，一般地，无线能量传输设备包括基站，基站包括多个发送线圈、多个驱动电路和控制器。多个驱动电路的每个驱动电路被耦合到多个发送线圈中的对应发送线圈。控制器被配置为确定第一多个互磁参数，第一多个互磁参数中的每个互磁参数与多个发送线圈中的一个发送线圈和与至少一个电子装置(其远离基站并且由基站远程地充电)相关联的至少一个接收线圈中的一个接收线圈相关联；基于第一多个互磁参数确定多个控制信号，多个控制信号中的每个控制信号与多个发送线圈中的对应发送线圈相关联，将多个控制信号中的每个控制信号提供给被耦合至控制信号的对应发送线圈的驱动电路，并且使用多个控制信号中的每个控制信号来使被耦合至控制信号的对应发送线圈的驱动电路在对应发送线圈中引起电流流动，所述电流具有根据控制信号确定的幅值和相位。

各方面可以包括一个或多个以下特征。

控制器可以被配置为确定第二多个互磁参数，第二多个互磁参数中的每个互磁参数与多个发送线圈的不同对的发送线圈相关联，其中确定多个控制信号还基于第二多个互磁参数。至少一个接收线圈可以包括多个接收线圈。控制器还可以被配置为确定第三多个互磁参数，第三多个互磁参数中的每个互磁参数与多个接收线圈的不同对的接收线圈相关联，其中确定多个控制信号还基于第三多个互磁参数。

控制器可以确定控制信号的数量，以在基站处的功率约束的范围内实现到至少一个接收线圈的最大无线能量传输。控制器可以从电子装置接收基站处功率需求的指示，并且基于所述指示的一部分确定多个控制信号。控制器可以确定多个控制信号使得接收器实现功率需求。控制器可以从接收器接收接收器处阻抗的指示，并且控制器还基于接收器处阻抗的指示的一部分来确定多个控制信号。控制器可以确定多个控制信号，使得接收器实现功率需求。每个互磁参数可以包括互感。

多个控制信号中的每个控制信号可以包括线圈电流量幅值、线圈电流相位、线圈电压幅值和线圈电压相位中的至少一个。在确定互磁参数之前，控制器可以从电子装置接收电子装置处于充电范围内且需要充电的指示。该指示可以至少部分地基于至少一个电子装置的至少一个接收线圈的负载的值。控制器可以被配置为以预定时间间隔重复所述确定、提供和使用。预定时间间隔可以是2秒与10秒之间。控制器可以被配置为针对电子无线装置相对于基站的任何取向来执行所述确定、提供和使用。

电子装置可以是移动电话、智能电话、平板电脑、相机手机、便携式计算机或其他电子装置。

各方面可以具有一个或多个以下优点。

该方法提供了自动适应于功率接收装置的未知位置和/或取向以最大化到装置的功率传输的方法。此外，方法提供了适应于功率接收装置的变化位置和/或取向的方式。

该方法适应于无线装置的未知或变化取向，同时维持有效的功率传输。例如，即使接收器线圈相对于发送线圈的布置平面成直角地位于线圈中的一个线圈的中心点上方，基站仍能够使提供至发送线圈的驱动信号适于引起经由接收线圈的功率传输。

因为该方法独立于设备的物理位置来估计磁耦合，并相应地适应它，所以该方法不需要关于无线装置的位置(即，接收线圈的位置)的信息。

方法的各方面利用线圈之间的近场磁耦合的特性，而不依赖于辐射场的明确的方向特性。

因为使用在功率发送线圈与接收线圈之间的磁耦合可以将关于负载、位置、取向、装置类型等的信息从无线装置经由通信信道发送到基站，所以该方法不需要利用单独的通信信道来反馈这种信息，但该方法可以利用单独的通信信道来反馈这种信息。

通过为每个发送线圈确定功率的量(即，作为确定驱动电压的结果)，该方法提供了有效的功率传输，从而通常经由每个线圈提供不同量的功率。这种方法可以提供比通过平均地(例如，通过使用相同的驱动电压幅值)分配功率至每个发送线圈可实现的更高的效率。

一旦估计了线圈之间的磁耦合，则该方法利用确定驱动信号的计算上有效的方法。例如，该计算涉及有限次的矩阵运算。

该方法适应进入到基站与无线装置之间的物体，即使该物体是磁的或导电的并且影响线圈之间的磁耦合特性。

对于相同功率输入，该方法提供了比现今可得的以更大距离(例如，1/2、1或2米)和/或更高的效率(如发送器的每单位面积)从基站传输功率到无线装置的方式。

具有相同的有效面积，通过该方法被传送到接收器线圈的磁通的量显著高于仅仅使用单个发送器线圈的情形，尽管在这两种情形下消耗相同量的输入电源。

根据以下的描述以及权利要求，本发明的其它特征和优点是显而易见的。

附图说明

图1是单接收器的无线功率传输***的框图。

图2是接收器和发送器电路模型。

图3是发送线圈和接收器线圈的第一配置。

图4是发送线圈和接收器线圈的第二配置。

图5是单接收器的无线功率传输***的详细框图。

图6是以磁信道估计模式配置的单接收器的无线功率传输***的详细框图。

图7是示出发送线圈之间互感的校准阶段的视图。

图8是示出互感符号判定方法的计算步骤的视图。

图9是发送器电路。

图10是接收器电路。

具体实施方式

1概述

参照图1，无线功率传输***100的实施例被配置为传输功率，而无需到接收功率的装置的导电链接(即，充电线)，例如用于为个人无线装置(例如，智能电话)的电池或固定或可移动的家用装置(例如，灯)充电，同时克服关于目前可用方法的距离和/或取向的限制。无线功率传输***100包括发送器102和一个或多个接收器104(图1中示出其具有代表性的一个)。发送器102被配置为使用在发送器102与接收器104之间的磁耦合将功率无线传输到接收器104。以下描述首先提出的是单个接收器的情形，然后提供支持同时传输功率到多个接收器的实施例的进一步描述。以下描述也总体地涉及使用谐振耦合的发送器线圈和接收线圈的感应无线功率传输。

发送器102包括电源108(例如，电池、由市电供电的电源的DC输出、光伏电源等)、驱动电路110、发送器控制器111、以及被标记为T1,...,TN的多个发送线圈112。在一些示例中，对于每个发送线圈112，驱动电路110包括AC电源113(由电源108驱动)和发送线圈电路115。AC电源113在同频下运行，但是一般具有对于每个发送线圈不同的相位和电压，相位和/或电压是根据包括接收器的电路特性、接收器的功率需求、以及接收器相对于发送器的相对位置和取向(姿态)的因素来确定的。在一些示例中，非限制性地，发送器106被包括在无线充电基站(诸如桌下无线充电基站、桌上无线基站)中，或被集成在另一物品(诸如计算机显示器、电视机、电器(例如灯)、家具(例如椅子)、汽车的座位、公共汽车的座位、火车的座位或飞机的座位)中。

接收器104包括接收器线圈R 120、接收器电路114、接收器控制器116。接收器电路114被示为接收器耦合电路119和待供电的负载(本文被示为负载电阻118、R_L、R)。(在存在一个接收器的情况下，符号R基于上下文其是可互换地用于指接收器线圈或者与该线圈相关联的接收器；具有多个接收器时，符号R1、R2、Rj、RM等被用于区分多个接收器和它们的线圈)。在一些示例中，接收器104被包括在电池供电的电子装置(诸如蜂窝电话、膝上型电脑或平板电脑)中，并且负载表示接收器的电池的充电机制。

特定的磁耦合、或“互感”(例如，以亨利为单位、或等效地以每安培伏-秒为单位的实数)存在于任意一对线圈之间，例如，在图1的接收器线圈R 120与每个发送器线圈Ti 112之间。例如，第一互感M_T1,R存在于第一发送线圈T1与接收器线圈R之间。第二互感M_T2,R存在于第二发送线圈T2与接收器线圈R之间。第三互感M_TN,R存在于第N发送线圈TN与接收器线圈R之间。不同的磁耦合也存在于每对发送线圈112之间。例如，第四互感M_T1,T2存在于第一发送线圈T1与第二发送线圈T2之间。第五互感M_T2,TN存在于第二发送线圈T2与第N发送线圈TN之间。最后，第六互感M_T1,TN存在于第一发送线圈T1与第N发送线圈TN之间。无疑地，当存在N个发送线圈和单个接收线圈时，在图1所示的***100中在发送线圈之间存在N(N-1)/2个互感并且在发送线圈与接收线圈之间存在N个互感。

可以影响两个线圈之间的磁耦合的一些因素包括两个线圈之间的距离、线圈的形状(例如，圆形线圈的直径)、两个线圈中匝数的比例、两个线圈之间空间的透磁率、两个线圈附近其它线圈的存在、以及两个线圈相对于彼此的取向。

***100中的每个发送线圈112与其对应的发送线圈电路115相关联，发送线圈电路115和其线圈本身具有组合总体环路阻抗。与给定的发送线圈Ti相关联的总体环路阻抗被表示为Z_Ti，与接收器线圈R相关联的总体环路阻抗被表示为Z_R。这些阻抗被表示为复数(以欧姆为单位、或等效地以每安培伏为单位)，并且是依赖于频率的(即Z_R(ω))。除非另有说明，我们考虑在发送器运行的频率ω_T下(例如，在100kHz至50MHz范围内的频率)的阻抗。通常地，发送和接收环路被调准到Z(ω_T)是非常小的并且通常基本上是实数的工作频率。在发送线圈的情形下，假设没有来自***的其它线圈的对发送线圈Ti的负载感应，则阻抗Z_Ti是驱动电压V_Ti(由代表电压源的幅值和相位的复数量表示)与电流I_Ti的比例。在接收器线圈的情形下，阻抗Z_R是由通过接收线圈的磁通量引起的感应电动势ε_R与作为结果的电流I_R的比例。

在至少一些实施例中，***100包括通信信道122，接收器控制器116通过该通信信道122传达来自接收器的信息，发送控制器111使用该信息来调整发送线圈的驱动。例如，所传达的信息可以包括接收器的总体环路阻抗Z_R(或者是可以确定环路阻抗的等效量)和到发送器102的目标功率P_R，如在下面更详细地说明。可以使用各种方法来实现通信信道。例如，通信信道122可以是带内通信信道或带外通信信道。带内通信的示例通常基于对关于一个或多个发送线圈的接收器的负载效应的调制。带外通信信道的示例可以包括射频信道(例如，WiFi、蓝牙等)或光学链路(例如，红外(IR))。在一些示例中，例如，也可以使用从发送器到接收器的前向信道来控制接收器的操作。需要注意的是，对于不同的应用，发送器可能需要不同的信息。例如，当仅仅存在单个接收器线圈并且目标是在发送器的输入功率限制的范围内来最大化接收器功率时，发送器可能不需要接收器的环路阻抗Z_R的反馈。

在运行中，在至少一些实施例中，发送器控制器111运行于功率发送模式(其中其控制每个发送器线圈的驱动来实现有效的功率传输)中，或者运行于估计模式(其中它确定线圈之间特定互感的估计值，例如在每个发送线圈112Ti与接收器线圈120R之间的互感M_Ti,R的估计值)中。在一些替代实施例中，可以同时执行这两种模式的功能。作为估计的一部分，在至少一些实施方式中，基于所确定的互感、接收器环路阻抗Z_R、以及接收器中的目标功率P_R，发送器控制器111计算接收器104中的目标电流I_R(或诸如目标电动势ε_R的等效量)。然后发送器控制器111为在接收器电路中感应产生目标电流I_R(以及因此目标功率P_R)的发送线圈112确定电流的最优集合I_T1...I_TN(即，在工作频率下的幅值和相位)，同时使到发送器102的输入功率最小化。发送器控制器111还确定一个电压的集合V_T1,V_T2,...V_TN(即，代表电压的幅值和相位的复数量)，当该电压的集合被应用到发送线圈112的电路时，其实现电流的最优集合I_T1...I_TN。

在至少一些实施例中，为了在存在变化的条件的情况下(例如，位置、中间物等)下传输功率至接收器104同时还最小化发送器102中的功耗，发送器102根据在上述估计模式中包括重复执行磁信道估计步骤和发送线圈电流更新步骤的协议来运行。非常一般地，磁信道估计步骤利用从接收器104接收到的信息，以确定发送线圈112与接收线圈120之间互感M_T1,R...M_TN,R的估计值。发送线圈电流更新步骤利用从接收器104接收到的信息并且估计互感M_T1,R...M_TN,R，以为发送线圈112确定有效地传输功率至接收器104的电流的最优集合I_T1...I_TN。

2接收器和发送电路模型

参照图2，使用集总组件来表示发送器和接收器的模型，对于与发送线圈Ti相关联的组件用下标Si(“源”i)来标记，并且对于与接收器R相关联的组件用下标L(“负载”)来标记。在一些示例中，接收器104被建模为线圈，其具有电感L_L，与具有电容C_L的电容器串联，与具有阻抗Z_L的集总元件串联。电容被选择为使得使得在发送器的操作频率ω_T下，电感器和电容器(理想地)的串联组合具有零阻抗jωL_L+1/jωC_L＝0，并且Z_R＝Z_L+R_L是由接收器线圈中的感应电压驱动的总环路阻抗。因此，接收器电路在操作频率下是谐振的，从而对于给定强度的磁场使电流的幅值(以及因此被传输到负载的功率)最大化。发送线圈共同感应电动势ε_R，这使得接收器电流满足I_R＝ε_R/Z_R。类似地，发送器的每个部分的发送器电路模型被建模为受控电压源113，与具有电感L_Si的发送线圈串联，与具有电容C_Si的电容器串联，与集总阻抗Z_Si串联。对于接收器，电容被选择为使发送线圈的电感偏置为由其它发送线圈以及接收器线圈在每个发送线圈中感应电动势ε_Ti，使得I_Ti＝(V_Si+ε_Ti)/Z_Ti，其中Z_Ti＝Z_Si。

振荡发送线圈电流I_Ti引起穿过接收器线圈的振荡磁通，这进而引起接收器线圈120中的电动势ε_R为如下方程式：

ε_R＝+jω∑_iM_Ti,RI_Ti

以及因此

I_R＝+(jω/Z_R)Σ_iM_Ti,RI_Ti。

不使用根据互感M_Ti,R来表达这个关系，等效“磁信道”被定义为

m_Ti,R＝+jωM_Ti,R/Z_R

其是无量纲的复数，允许感应电流被表达为

$I_R=\underset{i}{\Σ}{m}_{Ti,R}{I}_{Ti}.$

类似地，反向信道可以被表示为m_R,Ti＝+jωM_R,Ti/Z_Ti。应该注意的是，虽然互感是对称的，使得M_Ti,R＝M_R,Ti，但是磁信道是不对称的，使得m_R,Ti＝m_Ti,R(Z_R/Z_Ti)。对于特定的发送线圈Ti，其它发送线圈Tj的振荡发送线圈电流I_Tj以及接收器线圈使得发送器线圈中的电动势ε_Ti为下面的方程式：

ε_Ti＝jωM_R,TiI_R-jω(∑_j≠iM_Tj,TiI_Tj)

并且因此

I_Ti＝V_Ti/Z_Ti-(jω/Z_Ti)∑_j≠iM_Tj,TiI_Tj+(jω/Z_Ti)M_R,TiI_R

其可以依据信道量被表示为

I_Ti＝V_Ti/Z_Ti+∑_j≠im_Tj,TiI_Tj+m_R,TiI_R

3发送电流确定

一般地，并且如下所示，***适配发送线圈中电流的幅值和相位，以避免在接收器线圈处由每个发送线圈引起的通量的破坏性添加(destructive addition)。

3.1说明

参照图3和图4，可以使用示出基站中五个发送线圈350T1...T5的线性阵列和与发送线圈350平行(在图3中)或垂直(在图4中)的接收器线圈352R的简化示意图来理解***的操作。一般地，***适配发送线圈350的电流I_T1...I_T5的幅值和相位，以避免在接收器线圈352上由每个发送线圈350引起的通量的破坏性添加。

在图3中，接收线圈被取向为与发送线圈平行并且在中央线圈T3之上。从图中可明显看出，***已经适配了电流I_T1...I_T5的幅值和相位，使得由发送线圈350产生的磁场的方向引起通过接收器线圈352的磁通的建设性添加(constructive addition)。应当理解，所示的发送线圈的线性和/或平面阵列仅仅是示例，并且例如，取决于应用的物理约束，可以在实践中使用其他布置，包括相同或不同尺寸、形状或匝数的发送线圈的三维的、非平行的、和/或非共面的布置。

特别地，中央线圈T3中的电流I_T3具有幅值A和相位0°。第一和第五发送线圈T1,T5中的电流I_T1,I_T5每个具有幅值C并且具有相位180°(即，它们与I_T3是异相的)。第二和第四发送线圈T2,T4中的电流I_T2,I_T4每个具有幅值B并且具有相位180°(即，它们与I_T3是异相的)。在图3的配置中，具有与第三发送线圈异相的第一、第二、第四和第五发送线圈使得第一、第二、第四和第五发送线圈产生具有与由第三发送线圈产生的磁场的极性相反的磁场。由所有发送线圈350产生的磁场线在接收器线圈352处使得通过接收器线圈的磁通量被建设性添加。

在这种情况下，因为第三发送线圈具有比第二和第四发送线圈到接收器线圈更强的磁耦合，所以电流I_T3的幅值A比电流I_T2和I_T4的幅值B大。类似地，因为第二和第四发送线圈具有比第一和第五发送线圈到接收器线圈更强的磁耦合，所以电流I_T2和I_T4的幅值B比电流I_T1和I_T5的幅值C大。即，A＞B＞C。

在图4中，接收线圈的取向垂直于图3的接收线圈的取向(即，垂直于第三发送线圈T3)。如从附图可明显看出，***已经适配了电流I_T1,I_T2,I_T4,I_T5的幅值和相位，使得由第一、第二、第四和第五发送线圈产生的磁场的方向在接收器线圈352处是完全相同的，从而引起通过接收器线圈352的磁通量的建设性添加。应注意的是，由于第三发送线圈T3被取向为垂直于接收器线圈352，所以由于第三发送线圈产生的磁场不能在接收器线圈352中感应电流，所以没有电流被施加到第三发送线圈(即I_T3＝0)。

第一发送线圈T1中的电流I_T1具有幅值C并且具有相位0°。第二发送线圈T2中的电流I_T2具有幅值B并且具有相位0°。第四发送线圈T4中的电流I_T4具有幅值B并且具有相位180°。第五发送线圈T5中的电流I_T5具有幅值C并且具有相位180°。在图4的配置中，使第一和第二发送线圈与第四和第五发送线圈异相，这使得第一和第二发送线圈产生具有与由第四和第五发送线圈产生的磁场的极性相反的磁场。由第一、第二、第四和第五发送线圈产生的磁场线在接收器线圈352处均具有相同的方向，使得通过接收器线圈352的磁通量被建设性添加。

在这种情况下，因为第二和第四发送线圈具有比第一和第五发送线圈到接收器线圈更强的磁耦合，所以电流I_T2和I_T4的幅值B比电流I_T1和I_T5的幅值C大。即，B＞C。

3.2详细的***框图

参照图5，在图1的***的详细框图中，对于每个发送线圈电路115，发送器102的驱动电路110包括(或通常等效于)逆变器电路225、电容性元件C_Si、以及发送线圈电路的固有阻抗Z_Si。在一些示例中，逆变器电路225可以被建模为理想的谐振逆变器电路。

类似地，接收器电路114包括电容性元件C_L和接收器电路的固有阻抗Z_L。如下面详细描述的，发送器控制器111为每个发送线圈112确定电流I_T1...I_T5的幅值和相位，并且将确定的每个发送线圈112的幅值和相位提供给发送线圈电路115的逆变器电路225的mag输入和φ输入。非常一般的，逆变器电路225确定适当的电压V_Ti施加到发送线圈112，以便实现所确定的电流I_T1...I_T5。

3.3协议

在发送线圈电流更新步骤中，发送器控制器111利用了发送线圈112与接收器线圈120之间的磁信道m_T1,R...m_TN,R的估计值以及在一些示例中利用了额外的信息来为发送线圈112确定电流的最优集合I_T1...I_TN。在一些示例中，电流的最优集合将目标平均功率P_R传送到接收器104，同时最小化在发送器102中的功耗。在其它示例中，在发送器102处的输入功率限制的范围内，电流的最优集合传送最大量的功率至接收器。

3.4目标接收器功率情形

如上所指出的，当被配置为目标平均功率传送时，该***的一个目标是实现期望的接收器电流I_R，同时最小化平均发送器输入功率的总和(即，以最小化上述近似于在I_R＝∑_mTi,RI_Ti的限制下来最小化上述的解是设置

$I_{Ti}=\left(\frac{m_{Ti,R}^{*}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}|m_{Tk,R}{|}^2}\right)I_R=\left(\frac{Z_R}{j\mathrm{\ω}}\right)\left(\frac{m_{Ti,R}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{m}_{Tk,R}^2}\right)I_R$

注意在这种情况下总是严格小于选择最耦合的发送线圈并且如下设的解

例如，如果目标平均功率P_R和接收器的总体环路阻抗Z_R是已知的，则可以从以下方程式确定目标接收器电流I_R：

P_R＝|I_R|²Re(Z_R)

或者

$\left|I_R\right|=\sqrt{P_R/\mathrm{Re}\left(Z_R\right)}.$

3.5输入功率限制情形

在一些示例中，***的目标是在对输入功率的限制的范围内来最大化由接收器接收到的功率，而不是如上所讨论的来匹配目标接收器功率。例如，假定电源108能够提供最大功率，其可以近似为假设Z_Ti是相等的，则这个功率限制等同于电流限制确定发送电流的一个方式是通过计算下式来调节为特定I_R(例如，I_R＝1)所确定的电流：

$I_{Ti}\←\left(\frac{m_{Ti,R}^{*}}{\underset{k}{\mathrm{\Σ}}|m_{Tk,R}{|}^2}\right)I_R$

${\mathrm{\α}}^2\←\underset{i}{\Σ}|I_{Ti}{|}^2$

$I_{Ti}\←I_{\max }\frac{I_{Ti}}{\mathrm{\α}}$

应注意的是，可以仅仅关于实际磁耦合来表示等效解(相同的幅度但相位偏移)：

$I_{Ti}=\left(\frac{M_{Ti,R}}{\underset{k}{\Σ}|M_{Tk,R}{|}^2}\right)I_{max}$

3.5.1发送电压驱动确定

在一些示例中，由电压源(例如，电压源113)供给的电压被施加到各个发送线圈电路以产生期望的发送线圈电流I_Ti，其取决于方程组：

I_Ti＝V_Ti/Z_Ti-(jω/Z_Ti)∑_j≠iM_Tj,TiI_Tj+(jω/Z_Ti)M_R,TiI_R。

特别地，用于求解驱动电压V_T1,V_T2,...V_TN的方程组的矩阵表示满足以下矩阵方程式：

一旦由发送器控制器111确定了适当的驱动电压V_T1,V_T2,...V_TN，则发送器控制器111指示驱动电路110施加驱动电压到发送线圈112，从而使得最优电流I_T1...I_TN在发送线圈112中流动。

值得注意的是，由于诸如移动电话的装置可能会移动，所以发送线圈112与接收器线圈120之间的磁信道可能变化。出于这个原因，磁信道估计步骤和发送线圈电流更新步骤被频繁地重复以确保磁信道是准确的。

4磁信道估计

参照图6，在一个实施方式中，为了执行磁信道估计步骤，发送器控制器111在N个发送线圈112Ti之间依次循环，以确定在每个发送线圈与接收器线圈120之间互感M_Ti,R的估计值。在一些示例中，发送器控制器111不是估计互感M_Ti,Tj，而是使用上面介绍的“磁信道”的估计值。在一些示例中，发送器控制器111在两个阶段中计算磁信道的估计值，在第一阶段中计算互感的幅值，在第二阶段中计算互感的符号。

4.1互感的幅值

在一些示例中，为了确定在第i个发送线圈Ti 112与接收器线圈R 120之间互感的幅值的估计值，发送器控制器111打开除了第i个发送线圈之外的所有发送线圈的开关232，使得除了第i个发送线圈之外的所有发送线圈处于开路状态。在开路的发送线圈112与接收器线圈120之间、以及在任意一对开路的发送线圈112之间存在零互感。通常的，确定发送线圈与接收线圈之间互感的方法是由发送器观察由接收器导致的发送电路的负载。

更具体地，发送器控制器111施加已知振荡电压V_Ti至第i个发送线圈电路。这样做会引起交流电I_Ti在第i个发送线圈中流动。流经第i个发送线圈的电流I_Ti产生振荡磁场。当接收器线圈120存在于由第i个发送线圈产生的振荡磁场中时，其经受到振荡的磁通量。根据以下方程式，振荡磁通量在接收器线圈120中引起电动势(electromotive force，EMF)：

ε_R＝+jωM_Ti,RI_Ti

如上所介绍的，感应EMF引起在接收器线圈的电路中感应交流电。

I_R＝+(jω/Z_R)M_Ti,RI_Ti

由于在接收器线圈120与第i个发送线圈之间的互感，根据以下方程式，接收器线圈120在第i个发送线圈中感应电动势：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{Ti}}=\mathrm{j\ω}{M}_{R,\mathrm{Ti}}{I}_R\\ =-\left(\mathrm{j\ω}{M}_{R,\mathrm{Ti}}\right)(\mathrm{j\ω}/Z_R)M_{\mathrm{Ti},R}{I}_{\mathrm{Ti}}\\ ={\mathrm{\ω}}^2{M}_{\mathrm{Ti},R}^2{I}_{\mathrm{Ti}}/Z_R\end{array}$

在一些示例中，为了确定在第i个发送线圈与接收器线圈之间磁信道的估计值M_Ti,R，使用以下方程式来表示被施加到第i个发送线圈电路的电压：

$V_{Ti}=I_{Ti}{Z}_{Ti}+{\mathrm{\ϵ}}_{Ti}=I_{Ti}{Z}_{Ti}+{\mathrm{\ω}}^2{M}_{Ti,R}^2{I}_{Ti}/Z_R$

其可以重写为

V_Ti＝I_TiZ_Ti+I_TiΔZ_Ti,R＝I_TiZ′_Ti,R

其中

${\mathrm{\ΔZ}}_{Ti,R}={\mathrm{\ω}}^2{M}_{Ti,R}^2/Z_R$

并且因此

$M_{Ti,R}^2=Z_R{\mathrm{\ΔZ}}_{Ti,R}/{\mathrm{\ω}}^2$

例如，通过使用固定驱动电压V_Ti，并且比较当接收器没有对发送线圈施加负载时的电流I_Ti＝V_Ti/Z_Ti与当接收器对发送线圈施加了负载时的电流I'_Ti,R＝V_Ti/Z_Ti,R，并且计算下式来测量量ΔZ_Ti,R：

${\mathrm{\ΔZ}}_{Ti,R}\←(\frac{V_{Ti}}{I_{Ti}}+\frac{V_{Ti}}{{I^{\′}}_{Ti,R}})$

以及

$M_{Ti,R}={\mathrm{\γ}}_i\frac{\sqrt{Z_R{\mathrm{\ΔZ}}_{Ti,R}}}{\mathrm{\ω}}$

其中γ_i是在以下部分中确定的互感的符号(即，γ_i＝±1)。

4.2互感的符号

除了计算互感的幅值之外，也计算互感的符号。在一些示例中，关于预定参考发送线圈来定义互感的符号。例如，第一发送线圈T1与接收器线圈R之间的互感M_T1,R可以被选择作为参考发送线圈。在这种情况下，按照定义M_T1,R被给出正号(即，γ_i＝+1)。随着M_T1,R被限定为具有正号，可以计算对于其它发送线圈的剩余互感的符号。在一些示例中，计算每个其它互感M_Ti,R(其中i≠1)的符号涉及两个步骤：一次校准步骤和在线符号计算步骤。

4.2.1一次校准步骤

在一些示例中，一次校准步骤计算在参考发送线圈(例如，T1)与每个其它发送线圈(Ti，i≠1)之间的互感M_T1,Ti。一般地，参考发送线圈与其它发送线圈之间的互感的值独立于接收器并且不随时间变化。因此，可以在没有任何接收器线圈时来确定它。

参照图7，为了确定参考发送线圈T1与第i个发送线圈Ti之间的互感M_T1,Ti，源电压V_Ti被施加到参考发送线圈，同时除了参考发送线圈之外的所有发送线圈是开路的。图7所示的示例性配置仅包括参考发送线圈T1和第i个发送线圈Ti，并且排除任何其它发送线圈(因为它们是开路的，所以是可行的)。根据在其谐振频率下运行的参考发送线圈电路，涉及L和C的任何项彼此抵消。此外，因为第i个发送线圈是开路的，所以第i个发送线圈的电路中的电流I_Si＝0。使用基本电路方程式，V_S可以表示为：

V_S＝I_S1Z_S1

并且V_Ti可以被表示为：

V_Ti＝jωM_T1,TiI_S1

求解上述方程式得到M_T1,Ti：

$M_{T1,Ti}=+\frac{V_{Ti}}{V_S}\·\frac{Z_{S1}}{j\mathrm{\ω}}$

其中V_S和Z_s1是已知的，ω是谐振频率，V_Ti是根据第i个发送线圈直接测量到的。因此，上述方程式提供了M_T1,Ti的值。

4.2.2互感的符号的在线计算

如上所指出的，发送线圈112与接收器线圈120之间的每个互感包括表示互感的符号的γ_i项。没有符号项γ_i，互感实质上是互感的幅值。基于上述校准步骤，已知参考线圈与接收器线圈之间的互感的符号，M_T1,R是正的，因此M_T1,TR是完全已知的。根据上述校准步骤也已知参考发送线圈与其它发送线圈之间的互感的值M_T1,Ti。

参照图8，考虑到上述信息，可以确定未知互感M_Ti,R的符号。为了这样做，在存在接收器104的情况下，在信道估计过程中，源电压V_S被施加到参考线圈T1，同时保留所有其它发送线圈是开路的。应用基本电路方程式至接收器线圈得到：

jωM_T1,RI_S1＝-I_R1(R_L+Z_L)

其可以被重新整理为：

$I_{R1}=-\frac{{\mathrm{j\ωM}}_{T1,R}{I}_{S1}}{(R_L+Z_L)}$

应用基本电路方程式至参考发送线圈得到：

$V_{Ti}^{*}={\mathrm{j\ωM}}_{T1,Ti}{I}_{S1}-{\mathrm{j\ωM}}_{Ti,R}{I}_{R1}$

将I_R1代入之前述方程式得到：

${\mathrm{j\ωM}}_{Ti,R}=\frac{-V_{Ti}^{*}+{\mathrm{j\ωM}}_{T1,Ti}{I}_{S1}}{I_{R1}}$

在以上方程式中，除了M_Ti,R的符号，所有的值都是已知的。具体地，可以在发送器处直接测量和I_S1。根据校准步骤已知M_T1,Ti，并且如上所示可以估计I_R1，其中所有其它值是已知的。最后，M_Ti，R的符号可以被确定为：

$sign\left(M_{Ti,R}\right)=sign\left(\frac{-V_{Ti}^{*}+{\mathrm{j\ωM}}_{T1,Ti}{I}_{S1}}{{\mathrm{j\ωI}}_{R1}}\right)$

M_Ti,R的上述确定的符号被设置为γ_i的值。

应注意的是，由于互感是实数(不包括虚部)，所以上述符号是定义明确的(即，在符号函数内的方程的右手侧的值是实数并且具有定义明确的符号)。还注意到M_T1,R可能已经被定义为具有负号。在这种情况下，所有的互感M_Ti,R将改变符号，并且在接收器线圈处由发送线圈感应的电压也将改变符号，而不改变传送到接收器的功率。

4.3磁信道计算

如上所介绍的，

以及

m_Ti,R＝+jωM_Ti,R/Z_R

因此，在第i个发送线圈与接收器线圈120之间的磁信道被表示为：

$m_{Ti,R}={\mathrm{\γ}}_{i}j\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{Ti,R}}{Z_R}}$

回顾在发送线圈120中由第i个发送线圈感应的电流I_R是：

I_R＝m_Ti,RI_Ti

如以上所指出的，为发送器102中的每个发送线圈112执行上述磁信道估计过程，得到N个磁信道估计值m_T1,R,m_T2,R,...m_TN,R。

在一些示例中，当发送线圈电路115包括电容性元件(如图2中)时，在谐振频率ω_T下，电容性元件的阻抗的影响抵消感应元件(即，发送线圈)的阻抗的影响。在一些示例中，抵消阻抗使得接收器104的阻抗为Z_R＝Z_L+R_L。在这种情况下，磁信道被表示为：

$m_{Ti,R}={\mathrm{\γ}}_{i}j\sqrt{\frac{{\mathrm{\ΔZ}}_{Ti,R}}{Z_L+R_L}}$

在一些示例中，发送线圈112之间的磁信道是先验地已知的。在其它示例中，以如上所述的类似方式确定发送线圈112之间的磁信道。

5接收器反馈

如以上所提到的，接收器104的接收器控制器116通过通信信道122提供反馈给发送器102。在一些示例中，当期望目标接收器功率时，来自接收器104的反馈包括目标功率P_R以及接收器电路的总体环路阻抗Z_R的指示。在一些示例中，反馈也用于指示接收器104是否是在发送器102的范围内。

在一些示例中，接收器的总体环路阻抗Z_R随着时间变化。例如，当为可充电电池充电时，接收器的有效负载电阻118R_L可以随着电池的瞬时电荷电平的增加而连续地增加。在一些示例中，当电池的瞬时电荷电平低的时候，负载电阻118的这种增加导致全流充电，并且当电池的瞬时电荷电平高的时候，负载电阻118的这种增加导致涓流充电。一般地，负载电阻118的增加导致接收器的总体环路阻抗Z_R的增加。因此，为了维持发送器线圈112与接收器线圈120之间磁信道的正确估计值并且为了确保在接收器104处接收正确的功率，接收器控制器116通过通信信道122将接收器的总体环路阻抗周期性地发送回发送器102。

在一些示例中，总体环路阻抗Z_R被带内传送到发送器102。例如，接收器104可以利用在近场区域中接收任何量的功率可以导致由发送器102发送的一部分能量反射回发送器102的这一事实。即，接收器线圈的电路中的任何变化将阻抗反射回发送线圈112。在一些示例中，接收器可以调制其反射到发送器102的阻抗。例如，接收器的电路中的开关可以以低速率(例如，300Hz)切换以产生被反射阻抗的脉冲串。在一些示例中，当发送器102和接收器被谐振耦合时，进一步由发送器的谐振频率(例如，1MHz)来调制脉冲串。在一些示例中，接收器调制被反射的阻抗，使得脉冲宽度与总环路阻抗成正比。在一些示例中，重复多次调制接收器的被反射阻抗，以确保发送器可靠地接收接收器的总体环路阻抗。

在一些示例中，脉冲的宽度被设计为在接收器120的最高总体环路阻抗的20％与80％之间线性分布。

在一些示例中，总体环路阻抗Z_R被带外传送到发送器102。例如，接收器104可以使用低功率无线电(例如蓝牙低能量通信)以将接收器电路的总体环路阻抗传达到发送器102。

在一些示例中，使用上述任一带内或带外技术还可以将目标功率P_R传送到发送器102。

在一些示例中，发送器102被配置为感测由接收器104产生的脉冲，以作为接收器104在范围内且应该被充电的指示。如果发送器102在范围内没有感测到接收器，则它可以停止为发送线圈112供电，直到它在范围内检测到在范围内的接收器。

在一些示例中，接收器104的总体环路阻抗Z_R和目标功率P_R被周期地(例如，每5分钟)传送到发送器102。

在一些示例中，当发送最大量的功率到接收器时，在输入功率限制的范围内，不需要接收器将Z_R或P_R传送到发送器。在这种情况下，仍然可以通过通信信道发送诸如关于接收器是否靠近发送器的指示。

在一些示例中，接收器控制器116不将目标功率P_R传送到发送器102，而是传送目标接收器电流I_R和目标接收器电压V_R。在其它示例中，接收器控制器可以传送其它量(即，负载处的电压和/或电流)到发送器102。

6电路实现

图9和图10分别示出发送器和接收器的电路实现的示例。

参照图9，发送器102的一个发送线圈112的电路的实施例的框图包括发送线圈112和发送线圈电路115。发送线圈电路115包括逆变器电路225、电容性元件C_SN和集总阻抗Z_SN。电源108(例如，电池、连接至市电的恒压DC电源、太阳能电池板等)提供DC电源电压作为输入到逆变器电路225。

逆变器电路225包括DC/DC变换器960和DC/AC变换器962。DC/DC变换器960接收来自电源108的DC电源电压并且根据从发送器控制器111接收到的幅值控制信号来调节DC电源电压。DC/DC变换器960的调节后的DC电压输出被作为输入提供给DC/AC变换器962，DC/AC变换器962将调节后的DC电压变换为具有期望频率的AC电压输出。DC/AC变换器962还根据从发送器控制器111接收到的相位控制信号来对AC电压输出的相位(即，φ)进行移位。DC/AC变换器962的AC电压输出V_TN是具有由发送器控制器111指定的频率、幅值和相位的发送线圈驱动电压。

在一些示例中，DC/DC变换器960被实施为切换电感器调压电路，诸如升压、降压或升压-降压变换器。在一些示例中，DC/AC变换器962(包括发送线圈的电感和与发送线圈串联的对应电容)形成E类谐振逆变器。在一些示例中，在DC/AC变换器962中实施的移相器(未示出)有效地修改逆变器的时序，以便实现驱动电压的期望相位。在一些示例中，全桥DC/AC变换器既控制幅值也控制相位。

参照图10，示出接收器线圈120的电路的实施例。在图10中，接收器104包括接收器线圈120、负载电阻118、和接收器耦合电路119。接收器耦合电路119包括电容性元件C_L、集总接收器阻抗Z_L、阻抗匹配电路(Impedance Matching Circuit，IMC)1064、整流器1066、和DC/DC变换器1068。非常一般地，IMC 1064被用于维持相对恒定的阻抗。IMC 1065的输出电压被传递到整流器1066(例如，传统的桥式整流器电路)，然后其输出通过DC/DC变换器1068(例如，升压、降压或升压-降压变换器)被传递到在接收器104处的负载118。应注意的是，在以上讨论中，负载被视为纯电阻性的，在这些示例中，应该清楚的是，负载不一定是理想电阻。尽管如此，接收器提供有效负载到发送器，其相应地调整发送特性。

在一些示例中，由接收器104传达给发送器102的总体环路阻抗Z_R与负载118的阻抗不同。在一些示例中，除了其它量之外，可以使用整流器1066的输出电压V_DC、DC/DC变换器1068的输出负载118处的电流由接收器控制器116来确定由接收器104传达给发送器102的总体环路阻抗Z_R。

7多个接收器

上面的讨论集中于其中存在单个接收器的情形。处理多个接收器的方法遵循类似的方法，由发送线圈电流I _T＝(I_T1,....I_TN)^T来确定目标电流I _R＝(I_R1,...,I_RM)^T。在多个接收器的情形下，人们考虑所有各对线圈之间的互感M_i,j。遵循与单个接收器中的类似描述，在任意线圈j(即，j是接收器或发送器线圈)处的感应EMF可以表达为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\stackrel{\·}{1}}=-j\mathrm{\ω}\underset{i\≠j}{\Σ}{M}_{i,j}{I}_i$

并且因此电流满足

以矩阵形式，发送器驱动电压与发送器和接收器线圈电流之间的关系可以表示为：

$\left[\begin{array}{cc}{Z}_T& 0\\ 0& Z_R\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{I}}_T\\ {\underset{\‾}{I}}_R\end{array}\right]=-j\mathrm{\ω}\left[\begin{array}{cc}{M}_{TT}& M_{RT}\\ M_{TR}& M_{RR}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{I}}_T\\ {\underset{\‾}{I}}_R\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{V}}_T\\ 0\end{array}\right]$

或者等效地

$(\left[\begin{array}{cc}{Z}_T& 0\\ 0& Z_R\end{array}\right]+j\mathrm{\ω}\left[\begin{array}{cc}{M}_{TT}& M_{RT}\\ M_{TR}& M_{RR}\end{array}\right])\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{I}}_T\\ {\underset{\‾}{I}}_R\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{V}}_T\\ 0\end{array}\right]$

其中

Z_T＝diag(Z_T1,...,Z_TN)

Z_R＝diag(Z_R1,...,Z_RM)

M_TR[i,j]＝M_Ti,Rj

应注意的是，在单个接收器(M＝1)的情形下，上述矩阵形式变为：

$\left[\begin{array}{cc}{Z}_T& 0\\ 0& Z_{R1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_T\\ I_{R1}\end{array}\right]=-j\mathrm{\ω}\left[\begin{array}{cc}{M}_{TT}& M_{RT}\\ M_{TR}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_T\\ I_{R1}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{V}_T\\ 0\end{array}\right]$

并且因此

以及

${\underset{\‾}{I}}_T=-{\mathrm{j\ωZ}}_T^{-1}{M}_{TT}{\underset{\‾}{I}}_T-{\mathrm{j\ωZ}}_T^{-1}{M}_{RT}{\underset{\‾}{I}}_{R1}+Z_T^{-1}{\underset{\‾}{V}}_T$

更一般地，当M＞1时，发送线圈电流I_T＝(I_T1,...,I_TN)^T与接收器线圈电流相关，如下：

jωM_TR I _T+(Z_R+jωM_RR)I _R＝0

或

-jω(Z_R+jωM_RR)^-1M_TR I _T＝I _R

其可以被表示为：

应注意的是，在单个接收器(M＝1)的情形下，M_RR＝0以及

I _T＝(I_T1,...,I_TN)^T的通用最小范数解是(即，最小化∑_i|I_Ti|²)：

并且然后驱动电压被确定为

V _T＝(Z_T+jωM_TT)I _T+jωM_RT I _R

对于单个接收器情形的上述讨论描述了如何确定发送线圈之间的互感(即，矩阵M_TT)以及发送线圈与接收线圈之间的互感(即，)。在多个接收器的情形下，也可以确定接收器间互感(即，M_RR)。虽然在某些情形下，例如，如果接收器间隔开很远，则这些互感可以忽略，一般来说这是不期望的。多种方式可以被用于估计M(M-1)/2个项。在一种方法中，发送控制器指导接收器，使得仅两个接收器R_j和R_k将它们的线圈连接并且提供负载，并且仅驱动和连接发送线圈T_i。在这种配置中，电流和驱动电压为

$\left[\begin{array}{ccc}{Z}_{Ti}& {\mathrm{j\ωM}}_{Ti,Rj}& {\mathrm{j\ωM}}_{Ti,Rk}\\ {\mathrm{j\ωM}}_{Ti,Rj}& Z_{Ri}& {\mathrm{j\ωM}}_{Rj,Rk}\\ {\mathrm{j\ωM}}_{Ti,Rk}& {\mathrm{j\ωM}}_{Rj,Rk}& Z_{Rk}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{I}}_{Ti}\\ {\underset{\‾}{I}}_{Rj}\\ {\underset{\‾}{I}}_{Rk}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\underset{\‾}{V}}_{Ti}\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

这三个方程式具有三个未知数M_Rj,Rk、I_Rj和I_Rk，所有其它项是已知的或可测量的。因此，通过求解(意识到在未知量中未知量的约束条件是非线性的)来确定所期望的量M_Rj,Rk。此过程被重复M(M-1)/2次以确定所有需要的接收器间量。

8替选方案

在一些示例中，将发送器处的电流最优化以最大化被传送到接收器线圈的功率，而不是最优化在发送器处的电流以实现接收器线圈处的目标功率。

值得注意的是，对于具体应用，本文所描述的各种非限制实施例可以单独使用、组合或选择性地组合。

此外，上述非限制性实施例的各种特征中的一些可以被用于获利，而不相应地使用其它所描述的特征。因此，前面的描述应当被视为仅仅是说明本发明的原理、教导和示例性实施例，而不是对其进行限制。

9实施方式

可以在软件、固件、数字电子电路、或计算机硬件、或其组合中来实现实施上述技术的***。***可以包括用于由可编程处理器执行的在机器可读存储装置中有形地体现的计算机程序产品，并且可以通过操作输入并且产生输出由运行指令的程序以执行功能的可编程处理器来执行方法步骤。可以在一个或多个计算机程序(其在包括至少一个可编程处理器的可编程***上是可执行的)中实施该***，上述可编程处理器被耦合以从数据存储***、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令发送至数据存储***、至少一个输入装置、和至少一个输出装置。每个计算机程序可以以高级过程语音或面向对象编程语言来实施，或者如果需要的话以汇编语言或机器语言来实施；并且在任何情况下，语言可以是编译语言或解释语言。通过示例的方式，合适的处理器包括通用和专用微处理器。通常，处理器将从只读存储器和/或随机存取存储器接收指令和数据。通常，计算机将包括用于存储数据文件的一个或多个大容量存储装置；这样的装置包括磁盘(诸如内置硬盘和可移动盘)、磁-光盘、和光盘。适合于有形地体现计算机程序指令和数据的存储装置包括所有形式的非易失性存储器，例如包括半导体存储器装置(诸如EPROM、EEPROM和快闪存储器装置)、磁盘(诸如内置硬盘和可移动盘)、磁-光盘、和CD-ROM盘。可以通过ASIC(application-specific integrated circuits，专用集成电路)来补充任何上述或者将任何上述并入ASIC中。

应当理解，前述描述旨在说明并且不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围限定。其它实施例在权利要求的范围之内。

还要理解地是，上述布置仅仅是说明本发明的原理的说明。本领域技术人员可以设想多种修改和替代布置，而不偏离本发明的范围，并且所附权利要求旨在覆盖这种修改和布置。

Claims (44)

1.一种方法，包括：

由包括多个发送线圈的基站确定第一多个互磁参数，所述第一多个互磁参数表征在多个发送线圈中的每个发送线圈与一个或多个接收线圈之间的互磁耦合，至少一个接收线圈与远离所述基站且由所述基站远程供电的至少一个电气装置或电子装置相关联；

基于所述第一多个互磁参数由所述基站确定多个控制信号，所述多个控制信号中的每个控制信号与所述多个发送线圈中的对应发送线圈相关联；以及

使用所述多个控制信号的每个控制信号以使被耦合至对应于控制信号的发送线圈的驱动电路在对应发送线圈中引起电流流动，所述电流具有根据所述控制信号确定的幅值和相位。

2.根据权利要求1所述的方法，其中使用每个控制信号包括提供控制信号至被耦合至对应于所述控制信号的所述发送线圈的所述驱动电路。

3.根据权利要求1所述的方法，其中确定第一多个互磁参数包括为所述多个发送线圈中的一个发送线圈和所述一个或多个接收线圈中的一个接收线圈的每一种组合确定所述第一多个互磁参数的互磁参数。

4.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述多个控制信号还基于第二多个互磁参数，所述第二多个互磁参数中的每个互磁参数与所述多个发送线圈中的不同对的发送线圈相关联。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括由所述基站确定所述第二多个互磁参数。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述一个或多个接收线圈包括多个接收线圈。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括由所述基站确定第三多个互磁参数，所述第三多个互磁参数中的每个互磁参数与所述多个接收线圈中的不同对的接收线圈相关联，其中确定所述多个控制信号还基于所述第三多个互磁参数。

8.根据权利要求1所述的方法，其中在所述基站处的能量约束的范围内，确定所述多个控制信号以实现到所述至少一个接收线圈的最大无线能量传输。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述基站处接收来自所述至少一个电气装置或电子装置的功率需求的指示，其中确定所述多个控制信号还基于所述指示。

10.根据权利要求9所述的方法，其中确定所述多个控制信号，使得在所述接收器处实现所述功率需求。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括从所述接收器接收所述接收器处的阻抗的指示，其中确定所述多个控制信号还基于所述一个或多个接收线圈处的所述阻抗的指示。

12.根据权利要求11所述的方法，其中确定所述多个控制信号，使得在所述接收器处实现功率需求。

13.根据权利要求1所述的方法，其中每个互磁参数包括互感。

14.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个控制信号的每个控制信号包括线圈电流幅值、线圈电流相位、线圈电压幅值和线圈电压相位中的至少一个。

15.根据权利要求1所述的方法，还包括在确定所述互磁参数之前，从所述电子装置接收所述电子装置在充电范围并且需要充电的指示。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述指示是基于所述至少一个电子装置的所述至少一个接收线圈的负载的所述值的至少一部分。

17.根据权利要求1所述的方法，其中以预定时间间隔重复所述确定、提供和使用。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述预定时间间隔在1/5秒与1秒之间。

19.根据权利要求1所述的方法，其中针对所述至少一个电气装置或电子装置的接收线圈相对于所述基站的任何取向来执行所述确定、提供和使用。

20.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个电气装置或电子装置包括移动电话、照相机、手表、无接触式读卡器以及便携式计算机中的至少一个。

21.根据权利要求1所述的方法，还包括远程地对所述至少一个电气装置或电子装置供电。

22.根据权利要求1所述的方法，还包括引起所述至少一个电气装置或电子装置的电池的充电。

23.一种无线能量传输设备，包括基站，所述基站包括：

多个发送线圈；

多个驱动电路，所述多个驱动电路中的每个驱动电路被耦合至所述多个发送线圈中的对应发送线圈；以及

控制器，被配置为执行权利要求1至22中的任意一项所述的所有步骤。

24.一种在非暂态机器可读介质上实施的软件，包括用于使得无线能量传输设备的软件实施的控制器执行权利要求1至22中的任意一项所述的所有步骤的指令。

25.一种无线能量传输设备，包括基站，所述基站包括：

多个发送线圈；

多个驱动电路，所述多个驱动电路中的每个驱动电路被耦合至所述多个发送线圈中的对应发送线圈；以及

控制器，被配置为

确定第一多个互磁参数，第一多个互磁参数中的每个互磁参数表征在所述多个发送线圈中的每个发送线圈与一个或多个接收线圈之间的互磁耦合，至少一个接收器线圈与远离所述基站且由所述基站远程供电的至少一个电气装置或电子装置相关联；

基于所述第一多个互磁参数确定多个控制信号，所述多个控制信号中的每个控制信号与所述多个发送线圈中的对应发送线圈相关联；

将所述多个控制信号的每个控制信号提供给被耦合至控制信号的对应发送线圈的所述驱动电路；以及

使用所述多个控制信号的每个控制信号以使被耦合至控制信号的对应发送线圈的驱动电路在对应发送线圈中引起电流流动，所述电流具有根据控制信号确定的幅值和相位。

26.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中确定所述第一多个互磁参数包括针对所述多个发送线圈中的一个发送线圈和所述一个或多个接收线圈中的一个接收线圈的每一种组合确定所述第一多个互磁参数的互磁参数。

27.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中所述控制器还被配置为确定第二多个互磁参数，所述第二多个互磁参数中的每个互磁参数与所述多个发送线圈中的不同对的发送线圈相关联，其中确定所述多个控制信号还基于所述第二多个互磁参数。

28.根据权利要求26所述的无线能量传输设备，其中所述至少一个接收线圈包括多个接收线圈。

29.根据权利要求28所述的无线能量传输设备，其中所述控制器还被配置为确定第三多个互磁参数，所述第三多个互磁参数中的每个互磁参数与所述多个接收线圈中的不同对的接收线圈相关联，其中确定所述多个控制信号还基于所述第三多个互磁参数。

30.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中所述控制器还被配置为在所述基站处的能量约束的范围内，确定所述多个控制信号以实现到所述至少一个接收线圈的最大无线能量传输。

31.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中所述控制器还被配置为在所述基站处接收来自所述电子装置的功率需求的指示，并且至少部分地基于所述指示确定所述多个控制信号。

32.根据权利要求31所述的无线能量传输设备，其中所述控制器还被配置为确定所述多个控制信号，使得在所述接收器处实现所述功率需求。

33.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中所述控制器从所述接收器接收所述接收器处的阻抗的指示，并且所述控制器至少部分地基于所述接收器处的所述阻抗的指示来确定所述多个控制信号。

34.根据权利要求33所述的无线能量传输设备，其中所述控制器确定所述多个控制信号，使得在所述接收器处实现功率需求。

35.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中每个互磁参数包括互感。

36.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中所述多个控制信号中的每个控制信号包括线圈电流幅值、线圈电流相位、线圈电压幅值和线圈电压相位中的至少一个。

37.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中所述控制器还被配置为在确定所述互磁参数之前，从所述电子装置接收所述电气装置或电子装置在充电范围并且需要充电的指示。

38.根据权利要求37所述的无线能量传输设备，其中所述指示至少部分地基于所述至少一个电气装置或电子装置的所述至少一个接收线圈的负载的值。

39.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中所述控制器被配置为以预定时间间隔重复所述确定、提供和使用。

40.根据权利要求39所述的无线能量传输设备，其中所述预定时间间隔在1/5秒与1秒之间。

41.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中所述控制器被配置为针对所述电子装置相对于所述基站的任何取向来执行所述确定、提供和使用。

42.根据权利要求25所述的无线能量传输设备，其中所述电子装置是移动电话、照相机、手表、无接触式读卡器以及便携式计算机。

43.根据权利要求42所述的无线能量传输设备，其中所述电子装置包括电池并且所述电子装置被配置为使用从所述基站无线地发送的功率为所述电池充电。

44.根据权利要求25至43中任一项所述的无线能量传输设备，还包括与至少一个电气电路或电子电路相关联的至少一个接收器线圈，一个或多个电路被配置为从所述基站无线地供电。