CN113454874A - 无线电场电能传输***和发射器以及无线传输电能的方法 - Google Patents

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CN113454874A CN201980092556.9A CN201980092556A CN113454874A CN 113454874 A CN113454874 A CN 113454874A CN 201980092556 A CN201980092556 A CN 201980092556A CN 113454874 A CN113454874 A CN 113454874A
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A.巴特莱特
S.R.科夫
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Abstract

提供了一种发射谐振器。发射谐振器包括：两个电感器；电连接到电感器的开关网络；电连接到开关网络的多个电容电极；通信连接到电容电极的检测器；以及通信连接到开关网络和检测器的控制器。检测器被配置成检测阻抗。控制器被配置为控制开关网络以基于检测到的阻抗控制哪些电极连接到电感器。电感器和电极被配置为谐振以生成电场。

Description

无线电场电能传输***和发射器以及无线传输电能的方法
技术领域
本申请总体上涉及无线电能传输，尤其涉及一种无线电场电能传输***，及其发射器和接收器。
背景技术
已知有多种无线电能传输***。典型的无线电能传输***包括电连接到无线电能发射器的电源和电连接到负载的无线电能接收器。在磁感应***中，发射器有一个感应线圈，其将电能从电源传输到接收器的感应线圈。由于发射器的感应线圈和接收器的感应线圈之间的磁场的耦合，会发生电能传输。这些磁感应***的范围有限，并且发射器的感应线圈和接收器的感应线圈必须处于进行电能传输的最佳对准。还存在谐振磁***，其中，由于发射器的感应线圈和接收器的感应线圈之间的磁场的耦合而传输电能。然而，在谐振磁***中，需要使用至少一个电容器来使感应线圈谐振。与磁感应***相比，谐振磁***中的电能传输的范围增加，并且修正了对准问题。虽然电磁能可以在磁感应***和谐振磁***中产生，但大部分电能的传输是经由磁场进行的。经由电感应或谐振电感应传输的电能很少(如果有的话)。
在电感应***中，发射器和接收器具有电容电极。由于发射器和接收器的电容电极之间的电场的耦合，发生电能传输。类似于谐振磁***，还存在谐振电***，在***中，使用至少一个电感器使发射器和接收器的电容电极谐振。与电感应***相比，谐振电***具有更大的电能传输范围，并且修正了对准问题。虽然电磁能可以在电感应***和谐振电***中产生，但大部分电能的传输是经由电场进行的。经由磁感应或谐振磁感应传输的电能很少(如果有的话)。
尽管无线电能传输技术是已知的，但仍需要改进。因此，本发明的一个目的是提供一种新颖的无线电场电能传输***及其发射器和接收机、以及一种无线传输电能的方法。
发明内容
应当理解，提供本发明内容是为了以简化的形式介绍将在下文具体实施方式中进一步描述的一些概念。本发明内容并不旨在用于限制权利要求所保护的主题的范围。
因此，在一个方面，提供了一种发射谐振器，包括：至少两个电感器；电连接到电感器的开关网络；电连接到开关网络的多个电容电极；通信连接到电容电极的检测器，检测器被配置为检测阻抗；以及通信连接到开关网络和检测器的控制器，控制器被配置为控制开关网络，以基于检测到的阻抗控制哪些电极连接到电感器，其中电感器和电极被配置为谐振以生成电场。
在一个或多个实施例中，检测器包括第一检测器和第二检测器。
在一个或多个实施例中，第一检测器被配置成检测呈现给电极的阻抗。
在一个或多个实施例中，检测器包括至少一个电路和相位检测器。在一个或多个实施例中，电路被配置成通过施加电压和检测电流来测量阻抗。
在一个或多个实施例中，第二检测器被配置成在无线电能传输期间检测阻抗。
在一个或多个实施例中，开关网络被配置为将每个电极电连接到两个电感器。
在一个或多个实施例中，发射谐振器具有与电容电极相同数量的电感器。
在一个或多个实施例中，电容电极电连接到开关网络。在一个或多个实施例中，检测器电连接到控制器和/或控制器电连接到开关网络。
在一个或多个实施例中，电感器是可变电感器。在一个或多个实施例中，控制器电连接到可变电感器，并且其中控制器被配置成控制可变电感器的电感。在一个或多个实施例中，电容电极经由可变电感器电连接到开关网络。
在一个或多个实施例中，电感器和电极被配置成谐振以生成电场，从而经由电场耦合来传输电能。
根据另一方面，提供了一种无线电能传输***，包括任何所述的发射谐振器。
根据另一方面，提供了一种无线电能传输***，包括：发射器，其包括：被配置为生成电能信号的电源；以及电连接到电源的发射谐振器，发射谐振器包括：至少两个发射电感器；电连接到发射电感器的开关网络；电连接到开关网络的多个发射电容电极；通信连接到发射电容电极的检测器，检测器被配置为检测阻抗；以及通信连接到开关网络和检测器的控制器，控制器被配置为控制开关网络，以基于检测到的阻抗来控制哪个发射电容电极连接到发射电感器，其中发射电感器和发射电容电极被配置为谐振以生成电场；以及接收器，包括：负载；以及电连接到负载的接收器谐振器，接收器谐振器包括：至少两个接收电感器；以及电连接到接收电感器的至少两个接收电容电极，其中接收电感器和接收电容电极被配置为在生成的电场中谐振，并经由谐振电场耦合提取电能。
在一个或多个实施例中，发射器还包括在供电电源和发射谐振器之间电连接的逆变器。
在一个或多个实施例中，接收器还包括在负载和接收谐振器之间电连接的整流器。
根据另一方面，提供了一种无线电能传输的方法，方法包括：检测电连接到开关网络的至少两个电容电极处的阻抗；将电容电极处的阻抗传送到通信连接到开关网络的控制器；在控制器处，基于电容电极处的阻抗确定电容电极的子集以连接到至少两个电感器，电感器电连接到开关网络；将电容电极的子集连接到电感器；以及谐振电感器和电容电极的子集以生成电场。
在一个或多个实施例中，连接电容电极的子集包括将来自控制器的信号发送到开关网络，以将电容电极的子集连接到电感器。
在一个或多个实施例中，方法还包括：检测电感器处的阻抗；将电感器处的阻抗发送到控制器；在控制器处确定电感器处的阻抗是否在阻抗范围内；以及如果电感器处的阻抗不在阻抗范围内，则将来自控制器的信号发送到开关网络，以将所有电容电极与电感器断开。
在一个或多个实施例中，阻抗范围是电能能够经由谐振电耦合从电容电极和电感器传输的阻抗。
在一个或多个实施例中，方法还包括：以谐振频率来谐振接收器的电感器和电容电极；以及经由谐振电场耦合从生成的电场中提取电能。
附图说明
现在将参照附图更全面地描述实施例，其中：
图1是示出了无线电能传输***的框图；
图2是示出了无线谐振电场电能传输***的示意性布局；
图3是示出了根据本公开的一个方面的发射谐振器的示意性布局；
图4是示出了图3的发射谐振器的电容电极的示意图；
图5是示出了图3的发射谐振器的电容电极的另一示意图；
图6是示出了根据本公开的一个方面的发射谐振器的另一个实施例的示意性布局；
图7是示出了无线电能传输***的示意性布局，无线电能传输***包括图6的发射谐振器；
图8是示出了部分无线电能传输***的另一个实施例的平面图，部分无线电能传输***包括图6的发射谐振器；
图9是示出了部分无线电能传输***的另一个实施例的平面图，部分无线电能传输***包括图6的发射谐振器；
图10是示出了部分无线电能传输***的另一个实施例的平面图，部分无线电能传输***包括图6的发射谐振器；
图11是示出了图3的发射谐振器的电容电极和无源电极的另一个实施例的平面图；
图12是示出了图7的无线电能传输***的另一个实施例的示意性布局；
图13是示出了图7的无线电能传输***的另一个实施例的示意性布局；
图14是示出了图7的无线电能传输***的另一个实施例的示意性布局；
图15是示出了根据***的一个方面的部分无线电能传输***的另一个实施例的平面图；
图16是示出了部分无线电能传输***的另一实施例的平面图；
图17是示出了图15的无线电能传输***的电场的图；
图18是示出了图16的无线电能传输***的电场的图；
图19是示出了图7的无线电能传输***的另一个实施例的示意性布局；
图20是示出了图19的无线电能传输***的射频(RF)效率的图；
图21是示出了图19的无线电能传输***的输入阻抗的图；
图22是示出了根据***的一个方面的部分无线电能传输***的另一个实施例的透视图；
图23是示出了图22的无线电能传输***的另一透视图；
图24是示出了部分无线电能传输***的另一实施例的透视图；和
图25是示出了图22至图24的无线电能传输***的比吸收率(SAR)对距离的图。
具体实施方式
结合附图阅读将更好地理解前述的发明内容以及下面对某些实施例的详细描述。应当理解，在整个说明书和附图中，相同的附图标记用于指代相同的元件。如这里所使用的，以单数形式叙述并以单词“一个(种)”开头的元件或特征应被理解为不一定排除多个元件或特征。此外，对“一个示例”或“一个实施例”的引用并不意在被解释为排除进一步结合了一个示例或一个实施例的所述元素或特征的附加示例或实施例的存在。此外，除非明确声明了相反的意思，否则“包括”、“具有”或“包含”具有特定属性的一个元件或特征或多个元件或特征的示例或实施例还可以包括不具有特定属性的附加元件或特征。同样，将会理解，术语“包括”、“具有”和“包含”意味着“包括但不限于”，并且术语“包括”、“具有”和“包含”具有等同的含义。
如这里所用，术语“和/或”可以包括一个或多个相关的列出的元件或特征的任何及所有组合。
应当理解，当元件或特征被称为“在……上”、“附在”、“连接到”、“耦合到”、“接触”等另一个元件或特征时，元件或特征可以直接在另一个元件或特征上，或附在、连接到、耦合到或接触另一个元件或特征，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件或特征被称为例如“直接在……上”、“直接附在”、“直接连接到”、“直接耦合到”或“直接接触”另一个元件或特征时，不存在中间元件或特征。
应当理解，空间上相对的术语，例如“下面”、“下方”、“下部”、“上面”、“上方”、“上部”、“前面”、“后面”等，可以在这里使用，以便于描述图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。然而，除了附图中描绘的方位之外，空间相对术语还可以包括使用或操作中的不同方位。
此处对“示例”的引用意味着结合示例描述的一个或多个特征、结构、元件、组件、特性和/或操作步骤被包括在根据本公开的主题的至少一个实施例和/或实现中。因此，贯穿本公开的短语“一个示例”、“另一个示例”以及类似的语言可以但不一定指相同的示例。此外，具有任何一个示例的特征的主题可以但不一定包括具有任何其他示例的特征的主题。
这里提到的“被配置”表示实际的配置状态，其基本上将元件或特征与短语“被配置成”之前的元件或特征的物理特性联系起来。
除非另有说明，否则术语“第一”、“第二”等在此仅用作标签，并不意在对这些术语所指的项目强加顺序、位置或等级要求。此外，提及“第二”项目并不要求或排除编号更低的项目(例如“第一”项目)的存在和/或编号更高的项目(例如“第三”项目)的存在。
如本文所用，术语“大约”和“大致”表示接近所述量的量，其仍然能实行期望的功能或实现期望的结果。例如，术语“大约”和“大致”可以指小于所述量的10％以内、小于5％以内、小于1％以内、小于0.1％以内或小于0.01％以内的量。
图1示出了一种无线电能传输***，其通常由附图标记100标识。无线电能传输***100包括发射器110和接收机120，发射器110包括电连接到发射元件114的电源112，接收机120包括电连接到负载122的接收元件124。将电能从电源112传输到发射元件114。然后，经由谐振或非谐振电场或磁场耦合将电能从发射元件114传输到接收元件124。然后，将电能从接收元件124传输到负载122。
在一个示例实施例中，无线电能传输***可以采用谐振电场无线电能传输***的形式。图2示出了谐振电场无线电能传输***，***通常由附图标记200标识，例如于2012年9月7日提交的Polu等人的美国专利第9,653,948号中描述的***，专利的相关部分通过引用结合于此。
谐振电场无线电能传输***200包括发射器210，发射器210包括电连接到发射谐振器214的电源212。发射谐振器214包括一对横向隔开的细长的发射电容电极216，每个发射电容电极经由高品质因数(Q)发射电感器218电连接到电源212。***200还包括接收器220，其包括电连接到负载222的接收器谐振器224。接收谐振器224被调谐到发射谐振器214的谐振频率。接收谐振器224包括一对横向隔开的细长的接收电容电极226，每个接收电容电极经由高Q接收电感器228电连接到负载222。
在实施例中，电感器218和228是铁氧体磁芯电感器。然而，本领域技术人员将会理解，其他芯也是可能的。
在实施例中，每个发射和接收电容电极216和226包括由导电材料形成的细长元件。发射电容电极216是共面的。接收电容电极226是共面的。在实施例中，发射电容电极216和接收电容电极226处于平行平面中。在实施例中，发射电容电极216和接收电容电极226通常是矩形平板的形式。
虽然发射电容电极216和接收电容电极226已经被描述为横向间隔的细长电极，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的，包括但不限于同心、共面、圆形、椭圆形、圆盘形等电极。在2015年9月4日提交的Nyberg等人的美国专利第9,979,206号中描述了其他合适的电极配置，其相关部分通过引用结合于此。
虽然电感器218和228在图2中被示为分别串联连接到电源212和负载222，但是本领域技术人员将会理解，电感器218和228可以分别并联连接到电源212和负载222。
在操作期间，电能从电源212经由高品质Q发射电感器218传输到发射电容电极216。特别地，经由高Q发射电感器218从电源212传输到发射电容电极216的电能信号激发发射谐振器214，从而使得发射谐振器214生成电场。当被调谐到与发射器210相同的谐振频率的接收器220被放置在谐振电场内时，接收谐振器224经由谐振电场耦合从发射谐振器214提取电能。然后提取的电能从接收谐振器224传输到负载222。由于电能传输是高度谐振的，发射和接收电容电极216和226分别都无需像在非谐振电场电能传输***中那样靠近或很好地对齐。虽然发射谐振器214可以生成磁场，但是经由磁场耦合传输的电能很少(如果有的话)。
当发射和接收电容电极216和226分别大致对齐时，如前所述传输电能。当电容电极216和226没有大致对齐时，电能传输可能减少或者根本无法进行。
为了给谐振器提供更大的位置自由度，提供了根据本公开的一个方面的发射谐振器。图3示出了发射谐振器，其通常由附图标记300标识。如下所述，发射谐振器300被配置成生成电场以将电能传输到一个或多个接收谐振器。发射谐振器300包括两个电感器302、开关网络304、电容电极306、检测器308和控制器310。
如下所述，电感器302被配置为以谐振频率与电容电极306谐振，以生成电场。电感器302电连接到开关网络304。在实施例中，电感器302是铁氧体磁芯电感器。电感器302是静态电感器。然而，本领域技术人员将会理解，其他芯也是可能的。此外，本领域技术人员将理解，也可以使用多于两个电感器302或少于两个电感器302。
电容电极306由N x M个电容电极组成。电容电极306以栅格图案排列，其中N是栅格中的列数，而M是栅格中的行数。每个电容电极306电连接到开关网络304。电容电极306是共面的。电容电极306在x-y平面内共面。在实施例中，每个电容电极306是具有相同尺寸的平面方形板电极。
开关网络304被配置成控制哪些电极306与电感器302谐振以生成电场。开关网络304电连接到电感器302和控制器310。开关网络304将两个电感器302电连接到每个电容电极306。在实施例中，开关网络306包括多个互连的交换机。在实施例中，开关网络304包括两个输入，每个电感器302有一个输入以及N x M x 2个输出。每个输出电连接到单个电容电极306。每个电容电极306电连接到开关网络304的两个输出。开关网络304被配置成控制电容电极306到电感器302的连接。在任何给定时间，一个电容电极306可以经由开关网络304连接到两个电感器302、单个电感器302或者无电感器302。当电容电极306没有连接到任何电感器302时，取决于发射谐振器300的要求，电容电极306可以变成电浮动或接地。
检测器被配置为检测阻抗。检测器电连接到电容电极306。检测器通信连接到控制器310。在实施例中，检测器包括第一检测器308，其被配置为检测呈现给电极306的阻抗。第一检测器308包括至少一个电路。在实施例中，第一检测器308还包括相位检测器。电路包括电气部件，其被配置为通过施加电压和检测电流来检测阻抗。相位检测器被配置成检测相位。第一检测器308利用检测到的电流和检测到的相位来确定呈现给电极306的阻抗。第一检测器308确定在每个电极306处呈现的阻抗。
如前所述，检测器通信连接到控制器310。检测到的阻抗被传送到控制器310。在实施例中，检测器电连接到控制器310。具体地，在实施例中，第一检测器308将所有检测到的阻抗传送给控制器310。在实施例中，第一检测器308电连接到控制器310。在实施例中，检测到的阻抗通过控制器310和第一检测器308之间的有线连接传送到控制器310。
控制器310被配置成控制开关网络304以确定哪些电极306连接到哪些电感器302。控制器310通信连接到开关网络304和第一检测器308。在实施例中，控制器310经由有线连接电连接到开关网络304。控制器310被配置为向开关网络304发送控制信号，以基于来自第一检测器308的阻抗来控制哪些电极306连接到哪些电感器302。虽然控制器310和开关网络304已经被描述为独立且独特的元件，但是本领域技术人员将会理解，控制器310和开关网络304可以被合并到单个元件中。
在实施例中，控制器310是微控制器。虽然控制器310已经被描述为微控制器，但是本领域技术人员将会理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，控制器310包括软件、硬件、数字逻辑控制器(DLC)和微处理器中的一个或多个。
本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，检测到的阻抗经由无线通信发送到控制器310。控制器310和第一检测器308没有经由有线连接而电连接。此外，在另一个实施例中，控制器310被配置成经由无线通信向开关网络304发送控制信号。控制器310不经由有线连接电连接到开关网络304。示例性无线通信方案包括WiFiTM和蓝牙TM。
在实施例中，发射谐振器300还包括如2018年9月21日提交的美国专利申请第16/138,344号所述的无源电极320，其相关部分通过引用结合于此。无源电极320包含电极306，以至少部分地消除影响电极306的环境影响。无源电极320邻近电极306。在实施例中，无源电极320和电极306具有平行的平面。无源电极320包括细长元件。细长元件由导电材料形成。细长元件呈大致矩形的平板形式。
在操作中，第一检测器308检测电容电极306处呈现的阻抗。具体而言，第一检测器308连续地检测(一个电极306一个电极306地)或同时检测所有电极306处呈现的阻抗。当至少一个接收谐振器被呈现给两个或更多个电极306(电容电极306的子集或所有电容电极306)并且检测到的阻抗大于阈值阻抗时，第一检测器308将检测到的阻抗发送到控制器310。阈值阻抗是允许发射谐振器300以谐振频率来谐振的阻抗范围的最低值。在实施例中，谐振频率是13.56兆赫。控制器310应用逻辑来确定哪个电极306已经被呈现了阻抗。
本领域普通技术人员将认识到，逻辑可以包括算法的使用，例如但不限于二分搜索法，其用于在将接收器放置到***中时找到哪些发射电容电极306应连接到发射电感器302。在另一个实施例中，取决于给定的无线电能传输***的已知约束，关于接收谐振器的可能尺寸和形状的更多信息可能使得涉及越来越复杂和省时的算法的逻辑成为可能、并可用于***内。在另一个实施例中，逻辑可以包括结合神经网络的遗传算法的实现，以帮助***快速找到接收器。本领域普通技术人员将认识到其他算法也是可能的。
然后控制器310向开关网络304发送信号，以将与接收谐振器一起呈现的两个或更多个电极306连接到电感器302，并将所有其他电极306与电感器302断开。两个或更多个电极306和电感器302以谐振频率来谐振以生成电场。调谐到相同谐振频率的接收谐振器经由谐振电场耦合从电场提取电能。虽然发射谐振器300可以生成电磁能量，但是大部分电能传输是经由电场进行的。经由磁感应或谐振磁感应传输的电能很少(如果有的话)。
由于电容电极306具有相同的尺寸，电容电极306之间的电容具有特定的重复值。图4和图5示出了栅格图案中的电容电极306的示意性表示，其中N(栅格中的列数)是4，以及M(栅格中的行数)是4。不同对电容电极306之间的电容如图4和图5所示。图4示出了相邻电容电极306之间的四个不同的电容值A、B、C和D。图5示出了对角电容电极306之间的四个不同的电容值E、F、G和H。电容电极306和无源电极320之间的电容值未示出。
虽然已经描述了特定的发射谐振器300，但是本领域技术人员将会理解，其他配置也是可能的。图6示出了发射谐振器的另一个实施例，其通常由附图标记400标识。如下所述，发射谐振器400被配置成生成电场以将电能传输到一个或多个接收谐振器。发射谐振器400包括两个电感器402、开关网络404、电容电极406、检测器和控制器410。在实施例中，发射谐振器400还包括如2018年9月21日提交的美国专利申请第16/138,344号所述的无源电极420，其相关部分通过引用结合于此。除非另有说明，否则电感器402、开关网络404、电容电极406、控制器410和无源电极420分别与前面描述的电感器302、开关网络304、电容电极306、控制器310和无源电极320相同。
检测器被配置为检测阻抗。在实施例中，检测器包括第一检测器408和第二检测器412。第一检测器408被配置为检测呈现给电极406的阻抗。第一检测器408电连接到电容电极406。第一检测器408通信连接到控制器410。
第一检测器408包括至少一个电路。在实施例中，第一检测器408还包括相位检测器。电路包括电气组件，其被配置为通过施加电压和检测电流来检测阻抗。相位检测器被配置成检测相位。第一检测器408利用检测到的电流和检测到的相位来确定呈现给电极406的阻抗。第一检测器408确定每个电极406处呈现的阻抗。
如前所述，第一检测器408通信连接到控制器410。检测到的阻抗被传送到控制器410。在实施例中，第一检测器408电连接到控制器410。检测到的阻抗通过控制器410和第一检测器408之间的有线连接传送到控制器410。
第二检测器412被配置成检测电感器402处的阻抗。第二检测器412电连接到电感器402。第二检测器412通信连接到控制器410。第二检测器412包括至少一个电路。在实施例中，第二检测器412还包括相位检测器。电路包括电气组件，其被配置为通过施加电压和检测电流来检测阻抗。相位检测器被配置成检测相位。第二检测器412利用检测到的电流和检测到的相位来确定电感器402处的阻抗。
如前所述，第二检测器412通信连接到控制器410。电感器402处检测到的阻抗被传送到控制器410。在实施例中，第二检测器412电连接到控制器410。电感器402处检测到的阻抗通过控制器410和第二检测器412之间的有线连接传送到控制器410。
在实施例中，控制器410是微控制器。虽然控制器410已经被描述为微控制器，但是本领域技术人员将会理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，控制器410包括软件、硬件、数字逻辑控制器(DLC)和微处理器中的一个或多个。
本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，检测到的阻抗经由无线通信发送到控制器410。控制器410和第一检测器408没有经由有线连接而电连接。控制器410和第二检测器412没有经由有线连接而电连接。此外，在另一个实施例中，控制器410被配置成经由无线通信将控制信号传送到开关网络404。控制器410没有经由有线连接而电连接到开关网络404。示例性无线通信方案包括WiFiTM和蓝牙TM。
在操作中，第一检测器408检测电容电极406处呈现的阻抗。当至少一个接收谐振器被呈现给两个或更多个电容电极406(电容电极406的子集或所有电容电极406)并且检测到的阻抗大于阈值阻抗时，第一检测器408将检测到的阻抗发送给控制器410。阈值阻抗是允许发射谐振器400以谐振频率来谐振的阻抗范围的最低值。在实施例中，谐振频率是13.56兆赫。第二检测器412检测电感器402处的阻抗。第二检测器412将电感器402处检测到的阻抗发送到控制器410。控制器410应用逻辑来确定哪个电极406已经被呈现了阻抗。
本领域普通技术人员将认识到，逻辑可以包括算法的使用，例如但不限于二分搜索法，其用于在将接收器放置到***中时找到哪个发射电容电极306应连接到发射电感器302。在另一个实施例中，取决于给定无线电能传输***的已知约束，关于接收谐振器的可能尺寸和形状的更多信息可能使得涉及越来越复杂和省时的算法的逻辑成为可能，并可用于***内。在另一个实施例中，逻辑可以包括结合神经网络的遗传算法的实现，以帮助***快速找到接收器。本领域普通技术人员将认识到其他算法也是可能的。
然后控制器410向开关网络404发送信号，以将与接收谐振器一起呈现的两个或更多个电极406连接到电感器402，并将所有其他电极406与电感器402断开。控制器410将来自第一检测器408的电容电极406处检测到的阻抗与来自第二检测器412的电感器402处检测到的阻抗进行比较，以确保电感器402具有允许发射谐振器400以谐振频率来谐振的阻抗范围内的阻抗。如果电感器402具有阻抗范围内的阻抗，则控制器410不采取进一步的行动。如果电感器402具有不在阻抗范围内的阻抗，则控制器410经由给开关网络404的命令将所有电容电极406与电感器402断开。这确保了发射谐振器400的组件不被损坏。
当两个或更多个电极406经由开关网络404连接到电感器402时，两个或更多个电极406以谐振频率与电感器402谐振以生成电场。调谐到相同谐振频率的接收谐振器经由谐振电场耦合从电场中提取电能。虽然发射谐振器400可以生成电磁能量，但是大部分电能传输是经由电场进行的。经由磁感应或谐振磁感应传输的电能很少(如果有的话)。
发射谐振器300和400可以被结合到无线电能传输***中。图7示出了根据本公开的一个方面的这种无线电能传输***，其通常由附图标记500标识。***500包括发射器502和接收器510。
发射器502包括电源504、逆变器506和发射谐振器400。电源504被配置为向逆变器506供电。电源504电连接到逆变器506。电源504向逆变器506提供直流(DC)电能。逆变器506被配置为将来自电源504的DC电能变为交流(AC)电能。逆变器506电连接到电源504和发射谐振器400的第二检测器412。在实施例中，逆变器506包括阻抗匹配电路。阻抗匹配电路被配置成将发射器502的输入阻抗与发射器502的输出阻抗相匹配。
接收器510包括负载512、整流器514和接收谐振器520。负载512包括需要电力的设备。例如，负载512包括电池。负载512电连接到整流器514。整流器514被配置成将来自接收谐振器520的交流电能转换成DC电能。整流器514电连接到负载512和接收谐振器520。
接收谐振器520被配置成经由谐振电场耦合从发射谐振器400生成的电场中提取电能。接收谐振器520包括两个接收电感器522和两个接收电容电极526。在实施例中，接收谐振器还包括接收无源电极530。
接收电感器522被配置为与接收电容电极526谐振，以生成与发射谐振器400具有相同谐振频率的电场。每个接收电感器522连接到单个接收电容电极526。在实施例中，接收电感器522是铁氧体磁芯电感器。接收电感器522是静态电感器。然而，本领域技术人员将会理解，其他芯也是可能的。
接收电容电极526是共面的。在实施例中，每个接收电容电极526是具有相同尺寸的平面方形板电极。接收电容电极526是对齐的，从而使得接收电容电极526可以与发射谐振器400的两个电容电极406重叠并对齐。
接收无源电极530如2018年9月21日提交的美国专利申请第16/138,344号中所述，其相关部分通过引用结合于此。接收无源电极530包含接收电容电极526，以至少部分消除影响接收电容电极526的环境影响。接收无源电极530邻近接收电容电极526。接收无源电极530和接收电容电极526具有平行的平面。接收无源电极530包括细长元件。细长元件由导电材料形成。细长元件呈具有相对主表面的大致矩形的平板形式。
在操作中，DC电能从电源504传输到逆变器506。逆变器506将DC电能转换成交AC电能，AC电能被传输到发射谐振器400。第一检测器408检测电容电极406处呈现的阻抗。当接收谐振器520的接收电容电极526至少部分地与发射谐振器400的两个电容电极406(电容电极406的子集)对齐，并且检测到的阻抗大于阈值阻抗时，第一检测器408将检测到的阻抗发送到控制器410。阈值阻抗是允许发射谐振器400以谐振频率来谐振的阻抗范围的最低值。在实施例中，谐振频率是13.56兆赫。第二检测器412检测电感器402处的阻抗。第二检测器412将电感器402处检测到的阻抗发送到控制器410。控制器410应用逻辑来确定哪个电极406已经被呈现了阻抗。
本领域普通技术人员将认识到，逻辑可以包括算法的使用，例如但不限于二分搜索法，其用于在将接收器放置到***中时找到哪些发射电容电极306应连接到发射电感器302。在另一个实施例中，取决于给定无线电能传输***的已知约束，关于接收谐振器的可能尺寸和形状的更多信息可能使得涉及越来越复杂和省时的算法的逻辑成为可能，并可用于***内。在另一个实施例中，逻辑可以包括结合神经网络的遗传算法的实现，以帮助***快速找到接收器。本领域普通技术人员将认识到其他算法也是可能的。
然后控制器410向开关网络404发送信号，以将与接收电容电极526一起呈现的两个或更多个电极406连接到电感器402，并将所有其他电极406与电感器402断开。控制器410将来自第一检测器408的电容电极406处检测到的阻抗与来自第二检测器412的电感器402处检测到的阻抗进行比较，以确保电感器402具有允许发射谐振器400以谐振频率来谐振的阻抗范围内的阻抗。如果电感器402具有阻抗范围内的阻抗，则控制器410不采取进一步的行动。
来自逆变器506的AC电能激发两个电极406和电感器402，使得两个电极406和电感器402以谐振频率来谐振，并生成电场。调谐到相同谐振频率的接收谐振器526经由谐振电场耦合从电场提取电能。虽然发射谐振器400可以生成电磁能量，但是大部分电能传输是经由电场进行的。经由磁感应或谐振磁感应传输的电能很少(如果有的话)。在接收谐振器520处接收的电能被施加到负载512上的整流器514从AC电能转换成DC电能。
如果在电感器402处检测到的阻抗不在阻抗范围内，则控制器410经由发送到开关网络404的信号将所有电容电极406与电感器402断开。这确保了发射谐振器400的组件不被损坏。
当接收谐振器520的接收电容电极526不再与发射谐振器400的至少两个电容电极406充分对齐时，第一检测器408检测到在发射谐振器400的各自的电极406处呈现的阻抗在允许发射谐振器400以谐振频率来谐振的阻抗范围之外。第一检测器408将检测到的阻抗发送到控制器410。控制器410应用逻辑并确定接收电容电极526不再充分对准。
本领域普通技术人员将认识到，逻辑可以包括算法的使用，例如但不限于二分搜索法，其用于在将接收器放置到***中时找到哪些发射电容电极306应连接到发射电感器302。在另一个实施例中，取决于给定无线电能传输***的已知约束，关于接收谐振器的可能尺寸和形状的更多信息可能使得涉及越来越复杂和省时的算法的逻辑成为可能，并可用于***内。在另一个实施例中，逻辑可以包括结合神经网络的遗传算法的实现，以帮助***快速找到接收器。本领域普通技术人员将认识到其他算法也是可能的。
控制器410确定发射谐振器400的电容电极406都不应连接到电感器402。然后控制器410向开关网络404发送信号，以将所有电容电极406与电感器402断开，使得没有电能从发射谐振器400传输。
当接收电容电极526移动使其与发射谐振器400的两个不同电容电极406对齐时，第一检测器408检测到在先前对齐的两个电容电极406处呈现的阻抗已经下降到阈值阻抗以下，并且在不同的两个电容电极406处呈现的阻抗大于阈值阻抗。第一检测器408将所有检测到的阻抗发送到控制器410。然后控制器410发送信号，以将先前对齐的两个电容电极406与电感器402断开，并将不同的两个电容电极406连接到电感器402。来自逆变器506的AC电能激发不同的两个电极406和电感器402，使得不同的两个电极406和电感器402以谐振频率来谐振，并生成电场。调谐到相同谐振频率的接收谐振器526经由谐振电场耦合从电场提取电能。虽然发射谐振器400可以生成电磁能量，但是大部分电能传输是经由电场进行的。经由磁感应或谐振磁感应传输的电能很少(如果有的话)。在接收谐振器520处接收的电能由施加到负载512的整流器514从AC电能转换成DC电能。
如将被理解的，所描述的无线电能传输***500允许接收谐振器520在发送谐振器400的电容电极406的网格中四处移动，并且仍然保持从发射器502到接收器510的电能传输所需的谐振电场耦合。
虽然已经描述了当接收电容电极526与发射谐振器400的电容电极406重叠和对齐时的无线电能传输***500的操作，但是当接收电容电极526没有与发射谐振器400的电容电极406完全重叠和/或对齐时，无线电能传输仍然可能发生。
图8示出了部分无线电能传输***，其通常由附图标记600标识。除非另有说明，否则无线电能传输***600与前述无线电能传输***500相同。无线电能传输***600包括发射器502，发射器502包括发射谐振器400。在实施例中，发射谐振器400的电容电极406以网格图案排列，其中N(网格中的列数)是3，而M(网格中的行数)是3。
无线电能传输***600还包括接收器510。在实施例中，接收电容电极526仅与发射谐振器400的电容电极406部分重叠。在实施例中，接收电容电极526不与发射谐振器400的电容电极406对齐。
在操作期间，第一检测器408仍然可以检测来自接收谐振器520的充足的阻抗，以使发射谐振器400的与接收电容电极526部分重叠的两个电容电极406和电感器402谐振，从而生成电场，并使发射谐振器400的也与接收电容电极526部分重叠的两个其他电容电极406和电感器402谐振。接收谐振器520以发射谐振器400的谐振频率来谐振，并经由谐振电场耦合从两个已生成的电场中提取电能。虽然从每个单独电场的电能传输的效率可能低于当发射谐振器400的接收电容电极526和电容电极406对齐时生成的单个电场的电能传输效率，但是仍然可能发生一定量的无线电能传输。
虽然已经描述了具有单个接收器510的特定无线电能传输***500，但是本领域技术人员将理解，无线电能传输***可以包括多个接收器。图9示出了部分无线电能传输***，其通常由附图标记700标识。除非另有说明，否则无线电能传输***700与前述无线电能传输***500相同。无线电能传输***700包括发射器502，发射器502包括发射谐振器400。在实施例中，发射谐振器400的电容电极406以网格图案排列，其中N(网格中的列数)是4，而M(网格中的行数)是4。
无线电能传输***700还包括接收器510，接收器510包括接收谐振器520。接收谐振器520的两个接收电容电极526与发射谐振器400的两个电容电极406重叠且对齐，使得电能经由谐振电场耦合从发射谐振器400传输到接收谐振器520。
无线电能传输***700还包括第二接收器。除非另有说明，否则第二接收器与接收器510相同。第二接收器包括第二接收谐振器，第二接收谐振器包括四个接收电容电极。第二接收谐振器还包括第二接收无源电极704。
第二接收无源电极704如2018年9月21日提交的美国专利申请第16/138,344号中所述，其相关部分通过引用结合于此。第二接收无源电极704包含第二接收谐振器的接收电容电极，以至少部分地消除影响接收电容电极的环境影响。第二接收无源电极704邻近第二接收谐振器的接收电容电极。第二接收无源电极704和第二接收谐振器的接收电容电极具有平行的平面。第二接收无源电极704包括细长元件。细长元件由导电材料形成。细长元件呈具有相对主表面的大致矩形的平板形式。
在实施例中，第二接收器的电容性接收电极以2x2的网格图案排列，且与发射谐振器400的电容性电极406相邻的电极之间的间距相同。第二接收谐振器的电容接收电极与发射谐振器400的电容电极406尺寸相同。第二接收谐振器的接收电容电极与发射谐振器400的四个电容电极406重叠且对齐，使得电能经由谐振电场耦合从发射谐振器400传输到第二接收谐振器。
如图9所示，发射谐振器400可以同时向多个接收器谐振器供电。由于第一检测器408检测发射谐振器400的每个电容电极406处的阻抗，所以当多个接收器谐振器被呈现给发射谐振器400时，第一检测器408检测多个电容电极406处的多个阻抗。
虽然已经描述了特定的无线电能传输***500，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。图10示出了部分无线电能传输***，其通常由附图标记1000标识。除非另有说明，否则无线电能传输***1000与前述无线电能传输***500相同。在实施例中，发射谐振器400的电容电极406以网格图案排列，其中N(网格中的列数)是5，而M(网格中的行数)是5。每个发射电容电极406宽度(W)为50毫米，长度(L)为50毫米。相邻电容电极406之间的间隙(G)为10毫米。示出接收电容电极526仅仅是为说明其位置。本领域技术人员将理解，在操作期间，接收无源电极530将阻挡接收电容电极526的视野。类似于发射谐振器400的电容电极406，每个接收电容电极526的宽度(W)为50毫米，长度(L)为50毫米。此外，每个接收电容电极526由10毫米的间隙(G)隔开。无线电能传输***500在13.56兆赫的谐振频率下工作。电感器402的电感(未示出)为60μH。
虽然已经描述了特定的电容电极306和406，但是本领域技术人员将会理解，其他配置也是可能的。图11示出了电容电极(通常由附图标记1206标识)和发射谐振器的无源电极1220的另一个实施例。
除非另有说明，否则电容电极1206和无源电极1220分别与电容电极306和无源电极320相同。在实施例中，电容电极1206包括十二(12)个电容电极。电容电极1206以圆形图案排列。电容电极1206通常布置在两个环、内环和外环中。内环被外环包围。每个电容电极1206是内环和外环之一的一个片段。电容电极1206在x-y平面上共面。在实施例中，每个电容电极1206是平面电极。每个电容电极1206是大致圆形的环的一个片段。
无源电极1220包括元件。元件由导电材料形成。元件为具有相对主表面的大致圆形的平板形式。元件包含外环和内环。由无源电极1220限定的平面平行于由电容电极1206限定的平面。
无线电能传输***500包括发射器502，发射器502包括具有电感器402的发射谐振器400，电感器402具有静态电感。电感器402的静态电感会限制利用发射谐振器400的多个电容电极406来传输电能的能力。通过发射谐振器400的多个电容电极406传输电能可以改变发射侧电容，导致无线电能传输***500失谐，从而显著降低无线电能传输效率并增加损耗。
虽然已经描述了特定的无线电能传输***500，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。图12示出了无线电能传输***(通常由附图标记1300标识)的另一个实施例。除非另有说明，否则无线电能传输***1300与前述无线电能传输***500相同。无线电能传输***1300包括发射器1302和接收器510。
发射器1302包括电源504、逆变器506和发射谐振器1310。电源504电连接到逆变器506，逆变器506电连接到发射谐振器1310。发射谐振器1310包括两个可变电感器1312、开关网络1314、电容电极1326、检测器和控制器1320。在实施例中，发射谐振器1310还包括无源电极1330。检测器还包括第一检测器1318和第二检测器1332。逆变器506电连接到第二检测器1332。第二检测器1332电连接到可变电感器1312。第二检测器1332通信连接到控制器1320。可变电感器1312电连接到开关网络1314。控制器1320电连接到每个可变电感器1312。开关网络1314电连接到电容电极1326。控制器1320通信连接到开关网络1314。第一检测器1318通信连接到控制器1320。
在实施例中，第一检测器1318和第二检测器1332经由有线连接通信连接到控制器1320。此外，在实施例中，控制器1320经由有线连接通信连接到开关网络1314。本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，第一检测器1318、第二检测器1332和/或开关网络1314不经由有线连接电连接到控制器1320。检测器1318和1332被配置成经由无线通信将检测到的阻抗传送给控制器1320。控制器1320被配置成经由无线通信向开关网络1314发送控制信号。示例性无线通信方案包括WiFiTM和蓝牙TM。
除非另有说明，否则开关网络1314、电容电极1326、控制器1320和无源电极1330分别与前面描述的开关网络404、电容电极406、控制器410和无源电极420相同。除非另有说明，否则第一检测器1318和第二检测器1332分别与前面描述的第一检测器408和第二检测器412相同。
在实施例中，可变电感器1312被配置成以谐振频率与电容电极1326谐振，以生成电场，其将在后文描述。在实施例中，电感器1312是铁氧体磁芯电感器。然而，本领域技术人员将会理解，其他芯也是可能的。此外，本领域技术人员将理解，可以使用多于两个电感器1312或少于两个电感器1312。
除非另有说明，否则在操作期间，无线电能***1300的操作与无线电能***500相同。控制器1320从第一检测器1318和第二检测器1332接收阻抗，并调节可变电感器1312的电感以使电场耦合最大化。
虽然已经描述了特定的无线电能传输***500，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。图13示出了无线电能传输***(通常由附图标记1400标识)的另一个实施例。除非另有说明，否则无线电能传输***1400与前述无线电能传输***500相同。无线电能传输***1400包括发射器1402和接收器510。
发射器1402包括电源504、逆变器506和发射谐振器1410。电源504电连接到逆变器506，逆变器506电连接到发射谐振器1410。发射谐振器1410包括可变电感器1412、开关网络1414、电容电极1426、检测器和控制器1420。在实施例中，发射谐振器1410还包括无源电极1430。检测器还包括第一检测器1418和第二检测器1432。逆变器506电连接到第二检测器1432。第二检测器1432电连接到开关网络1414。第二检测器1432通信连接到控制器1420。开关网络1414电连接到可变电感器1412。可变电感器1412电连接到电容电极1426。第一检测器1418通信连接到控制器1420。控制器1420电连接到每个可变电感器1412和开关网络1414。控制器1420通信连接到开关网络1414。第一检测器1418通信连接到控制器1420。
在实施例中，第一检测器1418和第二检测器1432经由有线连接通信连接到控制器1420。此外，在实施例中，控制器1420经由有线连接通信连接到开关网络1414。本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，第一检测器1418、第二检测器1432和/或开关网络1414不经由有线连接电连接到控制器1420。检测器1418和1432被配置成经由无线通信将检测到的阻抗传送给控制器1420。控制器1420被配置成经由无线通信向开关网络1414发送控制信号。示例性无线通信方案包括WiFiTM和蓝牙TM。
除非另有说明，否则开关网络1414、电容电极1426、控制器1420和无源电极1430分别与前面描述的开关网络404、电容电极406、控制器410和无源电极420相同。除非另有说明，否则第一检测器1418和第二检测器1432分别与前面描述的第一检测器408和第二检测器412相同。
在实施例中，对于每个电容电极1426都有一个可变电感器1412。每个电容电极1426经由单个可变电感器1412连接到开关网络1414。如下所述，可变电感器1412被配置成以谐振频率与电容电极1426谐振，以生成电场。在实施例中，电感器1412是铁氧体磁芯电感器。然而，本领域技术人员将会理解，其他芯也是可能的。
除非另有说明，否则在操作期间，无线电能***1400的操作与无线电能***500相同。控制器1420从第一检测器1418和第二检测器1432接收阻抗，并调节可变电感器1412的电感以使电场耦合最大化。开关网络1414打开或关闭可变电感器1412和第二检测器1432之间的连接，使得只有呈现有接收谐振器的电容电极1426和与其相关联的可变电感器1412谐振，以生成电场。
虽然已经描述了特定的无线电能传输***500，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。图14示出了无线电能传输***(通常由附图标记1500标识)的另一个实施例。除非另有说明，否则无线电能传输***1500与前述无线电能传输***1400相同。无线电能传输***1500包括发射器1502和接收器510。
发射器1502包括电源504、逆变器506和发射谐振器1510。电源504电连接到逆变器506，逆变器506电连接到发射谐振器1510。发射谐振器1510包括电感器1512、开关网络1514、电容电极1526、检测器和控制器1520。在实施例中，发射谐振器1510还包括无源电极1530。检测器还包括第一检测器1518和第二检测器1532。逆变器506电连接到第二检测器1532。第二检测器1532电连接到开关网络1514。第二检测器1532通信连接到控制器1520。开关网络1514电连接到电感器1512。电感器1512电连接到电容电极1526。第一检测器1518通信连接到控制器1520。开关网络1514电连接到每个电感器1512。控制器1520通信连接到开关网络1514。
在实施例中，第一检测器1518和第二检测器1532经由有线连接通信连接到控制器1520。此外，在实施例中，控制器1520经由有线连接通信连接到开关网络1520。本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，第一检测器1518、第二检测器1532和/或开关网络1514不经由有线连接电连接到控制器1520。检测器1518和1532被配置成经由无线通信将检测到的阻抗传送给控制器1520。控制器1520被配置成经由无线通信向开关网络1514发送控制信号。示例性无线通信方案包括WiFiTM和蓝牙TM。
在实施例中，对于每个电容电极1526都有一个电感器1512。每个电容电极1526经由单个电感器1512连接到开关网络1514。如下所述，电感器1512被配置成以谐振频率与电容电极1526谐振，以生成电场。电感器1512是静态电感器。在实施例中，电感器1512是铁氧体磁芯电感器。然而，本领域技术人员将会理解，其他芯也是可能的。
在操作期间，除了电感器1512是静态电感器之外，无线电能***1500的操作与无线电能***1400相同。
虽然已经描述了特定的无线电能传输***500，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。图15示出了部分无线电能传输***(通常由附图标记1600标识)的另一个实施例。除非另有说明，否则无线电能传输***1600与无线电能传输***500相同。无线电能传输***1600包括发射器和接收器。发射器包括电源(未示出)、逆变器(未示出)和发射谐振器。电源电连接到逆变器。逆变器电连接到发射谐振器。
如前所述，发射谐振器被配置成生成电场，以将电能传输到一个或多个接收谐振器。发射谐振器包括两个电感器(未示出)和两个发射电容电极1210。电感器电连接到发射电容电极1210。发射电容电极1210是环的各片段。发射电容电极1210包括作为外环的一个片段的第一段和作为内环的一个片段的第二段。在实施例中，每个发射电容电极1210是平面电极。发射电容电极1210是共面的。
接收器包括接收谐振器、负载(未示出)和整流器(未示出)。负载电连接到整流器。整流器电连接到接收谐振器。负载和整流器分别与负载512和整流器514相同，并且将不再进一步描述。接收谐振器被配置成经由谐振电场耦合从发射谐振器400生成的电场中提取电能。接收谐振器包括两个电感器(未示出)、接收电容电极1606、开关网络(未示出)、检测器和控制器(未示出)。除非另有说明，开关网络、检测器和控制器分别与发射谐振器400的前述开关网络404、检测器和控制器410相同。电感器电连接到接收电容电极1606。
除非另有说明，否则接收电容电极1606与电容电极406相同。在实施例中，接收电容电极1606包括十二(12)个电容电极。接收电容电极1606以圆形图案排列。接收电容电极1606通常被设置在两个环、即内环和外环中。内环被外环包围。每个接收电容电极1606是内环或外环的一个片段。接收电容电极1606是共面的。在该实施例中，每个接收电容电极1606是平面电极。
图16示出了部分无线电能传输***的另一个实施例，该***通常由附图标记1700标识。除非另有说明，否则无线电能传输***1700与无线电能传输***1600相同。无线电能传输***1700包括发射器和接收器。发射器包括电源(未示出)、逆变器(未示出)和发射谐振器。电源电连接到逆变器。逆变器电连接到发射谐振器。
如前所述，发射谐振器被配置成生成电场以将电能传输到一个或多个接收谐振器。发射谐振器包括两个电感器(未示出)和两个发射电容电极1212。电感器电连接到发射电容电极1212。发射电容电极1212是环的片段。发射电容电极1212包括作为外环的一个片段的第一段和作为内环的一个片段的第二段。在实施例中，每个发射电容电极1212是平面电极。发射电容电极1212是共面的。
接收器包括接收谐振器、负载(未示出)和整流器(未示出)。负载电连接到整流器。整流器电连接到接收谐振器。负载和整流器分别与负载512和整流器514相同，并且将不再进一步描述。接收谐振器被配置成经由谐振电场耦合从发射谐振器400生成的电场中提取电能。接收谐振器包括两个接收电感器(未示出)和两个接收电容电极1706。电感器电连接到接收电容电极1706。
除非另有说明，否则接收电容电极1706与电容电极406相同。在实施例中，接收电容电极1706包括两个环形电极，即外环电极和内环电极。内环电极被外环电极包围。接收电容电极1706是共面的。在实施例中，每个接收电容电极1706是平面电极。
对无线电能传输***1600和1700进行了模拟。如图15所示，两个发射电容电极1210与两个接收电容电极1606重叠且对齐。
在实施例中，外部的接收电容电极1606和外部的发射电容电极1210具有1200毫米的外半径和1000毫米的内半径。内部的接收电容电极1606和内部的发射电容电极1210具有700毫米的外半径和400毫米的内半径。每个接收电容电极1606与同一环中的相邻接收电容电极1606隔开100毫米。内部的接收电容电极1606的外半径和外部的接收电容电极1606的内半径之间的间隔为200毫米。类似地，内部的发射电容电极1210的外半径和外部的发射电容电极1210的内半径之间的间隙为300毫米。无线电能传输***1600从发射谐振器向接收谐振器传递45瓦的电能。发射谐振器和接收谐振器之间的间隔距离为100毫米。谐振器之间的电能传输的射频(RF)效率为98.2％。无线电能传输***1600的谐振频率是13.56兆赫。发射谐振器的电感器的电感为5.7μH。接收谐振器的电感器的电感为8.8μH。
如图16所示，发射电容电极1212与接收电容电极1706重叠。在实施例中，外部的接收电容电极1706和外部的发射电容电极1212具有1200毫米的外半径和1000毫米的内半径。内部的接收电容电极1706和内部的发射电容电极1212具有700毫米的外半径和400毫米的内半径。内部的接收电容电极1706的外半径和外部的接收电容电极1706的内半径之间的间隙为300毫米。类似地，内部的发射电容电极1212的外半径和外部的发射电容电极1212的内半径之间的间隙为300毫米。无线电能传输***1700从发射谐振器向接收谐振器传递45瓦的电能。发射谐振器和接收谐振器之间的间隔距离为100毫米。谐振器之间电能传输的射频效率为97.8％。无线电能传输***1700的谐振频率是13.56兆赫。发射谐振器的电感器的电感为4.6μH。接收谐振器的电感器的电感为1.2μH。
模拟结果如图17和图18所示。图17是无线电能传输***1600的电场的图。具体地，图17示出了在无线电能传输***1600的发射谐振器和接收谐振器之间的中心平面上绘制的电场。
图18是无线电能传输***1700的电场的图。具体地，图18示出了在无线电能传输***1700的发射谐振器和接收谐振器之间的中心平面上绘制的电场。
在图17和图18中，在发射电容电极1210和1212分别与接收电容电极1606和1706重叠的区域中，电场更大。发射电容电极1210不与接收电容电极1606重叠的区域中，无线电能传输***1600的电场低于发射电容电极1212不与接收电容电极1706重叠的区域中的无线电能传输***1700的电场。因此，无线电能传输***1600包含的电场比无线电能传输***1700包含的电场更好。改进的约束(containment)减少了人体暴露于RF场的几率。此外，改进的约束可以防止电磁干扰。此外，改进的约束降低了比吸收率(SAR)值。
虽然已经描述了特定的无线电能传输***500，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。图19示出了无线电能传输***(通常由附图标记2000标识)的另一实施例。除非另有说明，否则无线电能传输***2000与无线电能传输***500相同。在实施例中，发射谐振器包括呈现栅格图案的电容电极2006，其中N(栅格中的列数)是2，M(栅格中的行数)是2。在实施例中，电容电极2006是矩形板电极。
对无线电能传输***2000进行了模拟。在该实施例中，每个电容电极2006的长度为330毫米，宽度为100毫米。电容电极2006的长边之间的间隙为50毫米。电容电极2006的短边之间的间隙为30毫米。接收电容电极526的长度为330毫米，宽度为100毫米。接收电容电极之间的间隙为50毫米。发射谐振器的电容电极2006和接收电容电极526之间的间隙为25毫米。
在模拟过程中，接收电容电极526从最初与发射谐振器400的两个电容电极2006(Tx1)重叠并对齐开始移动。然后，接收电容电极526向着发射谐振器400的另外两个电容电极2006(Tx2)移动，直到其与发射谐振器400的这另外两个电容电极2006重叠并对齐。
图20是无线电能传输***2000的RF效率的曲线图。无线电能传输***2000的RF效率被定义为无线电能传输***2000的发射谐振器400和接收谐振器510之间的无线电能传输效率。图20中的实曲线表示发射谐振器400的两个电容电极2006(Tx1)被激活的时间。图20中的虚曲线表示发射谐振器400的另外两个电容电极2006(Tx2)被激活的时间。0毫米的距离表示接收电容电极526与Tx1重叠并对齐。360毫米的距离表示接收电容电极526与Tx2重叠并对齐。
垂直实线表示接收电容电极526开始与Tx2重叠的距离。垂直虚线表示接收电容电极526不与Tx1重叠的距离。通过切换生成电场以向接收谐振器510传输电能的电容电极2006对，在接收电容电极526的移动期间，RF效率可以保持在大于90％。对于150毫米至250毫米之间的距离，Tx1或Tx2均可实现高效的无线电能传输。
图21是无线电能传输***2000的发射谐振器400的输入阻抗的曲线图。实线曲线表示Tx1生成电场以向接收谐振器510传输电能的时间，以及Tx2不正生成电场的时间。虚线曲线表示Tx2生成电场以向接收谐振器510传输电能的时间，以及Tx1不正生成电场的时间。当接收电容电极526与Tx1或Tx2重叠并完全对齐时，输入阻抗约为380Ω。随着接收电容电极526远离Tx1或Tx2，输入阻抗降低。在距180毫米处，接收电容电极526位于Tx1和Tx2之间的中心位置，输入阻抗为120Ω。在实施例中，该值可以是阈值阻抗。因此，当任何电容电极2006被呈现具有120Ω或更大的阻抗时，如前所述，该特定电容电极2006与电感器谐振。
虽然已经描述了特定的无线电能传输***500，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。图22和图23示出了部分无线电能传输***的另一个实施例，***通常由附图标记2300标识。除非另有说明，否则无线电能传输***2300与无线电能传输***500相同。
在实施例中，发射谐振器包括呈现栅格图案的电容电极2306，其中N(栅格中的列数)为7，M(栅格中的行数)为2。在该实施例中，电容电极2306是矩形板电极。在该实施例中，发射谐振器还包括发射无源电极2320。除非另有说明，发射无源电极2320与无源电极420相同。接收谐振器包括两个电容电极2326。接收器还包括接收无源电极2330。除非另有说明，接收无源电极2330与接收无源电极530相同。
图24示出了部分无线电能传输***的另一个实施例，***通常由附图标记2400标识。除非另有说明，否则无线电能传输***2400与无线电能传输***2300相同。
在该实施例中，发射谐振器包括呈现栅格图案的电容电极2406，其中N(栅格中的列数)是1，M(栅格中的行数)是2。在该实施例中，电容电极2406是矩形板电极。在该实施例中，发射谐振器还包括发射无源电极2420。除非另有说明，发射无源电极2420与无源电极420相同。接收谐振器包括两个电容电极2426。接收器还包括接收无源电极2430。除非另有说明，接收无源电极2430与接收无源电极530相同。
对无线电能传输***2300和2400进行了模拟。在该实施例中，发射谐振器的每个电容电极2306的长度为330毫米，宽度为100毫米。发射谐振器的电容电极2306的长边之间的间隙为50毫米。电容电极2306的短边之间的间隙为30毫米。每个接收电容电极2326的长度为330毫米，宽度为100毫米。接收电容电极2326之间的间隙为50毫米。发射谐振器的电容电极2306和接收电容电极2326之间的间隙为25毫米。发射谐振器的电容电极2306和发射无源电极2320之间的间隙为25毫米。接收电容电极2326和接收无源电极2330之间的间隙为25毫米。无线电能传输***2300传递45瓦的电能。
在实施例中，每个电容电极2406的长度为2490毫米，宽度为100毫米。电容电极2406之间的间隙为50毫米。每个接收电容电极2426的长度为330毫米，宽度为100毫米。接收电容电极2426之间的间隙为50毫米。发射谐振器的电容电极2406和接收电容电极2426之间的间隙为25毫米。发射谐振器的电容电极2406和发射无源电极2420之间的间隙为25毫米。接收电容电极2426和接收无源电极2430之间的间隙为25毫米。无线电能传输***2400传递45瓦的电能。
模拟结果如图25所示。图25是位于发射谐振器上方且距离发射谐振器10毫米的平均质量为10克的人的脚的SAR(以W/kg为单位)的曲线图。在模拟期间，接收电容电极2326最初与发射谐振器的两个电容电极2306对齐，如图22所示。配置在图25中被标记为“分段Tx-对齐”。然后，接收电容电极2326向发射谐振器的另外两个电容电极2306移动，直到接收电容电极2326位于发射谐振器的两组相邻电容电极2306之间，如图23所示。这种配置在图25中被标记为“分段Tx-未对齐”。无线电能传输***2400在图25中被标记为“长Tx”。国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)的RF暴露限值在图25中标记为“ICNIRP RF暴露限值”。
如图25所示，当接收电容电极2326与发射谐振器的电容电极2306对齐时，无线电能传输***2300的SAR在1毫米和50毫米之间的距离远低于ICNIRP RF暴露限值。类似地，当接收电容电极2326不与发射谐振器的电容电极2306重叠和对齐时，无线电能传输***2300的SAR在1毫米和50毫米之间的距离仍然低于ICNIRP RF暴露限值。当距离小于大约9毫米时，无线电能传输***2400的SAR不低于ICNIRP RF暴露限值。显然，无线电能传输***2300产生降低的SAR，从而提供了通常情况下更为安全的无线电能传输***。
虽然已经描述了第一检测器308和控制器310的特定操作，但是本领域技术人员将会理解，变化是可能的。在一个实施例中，控制器310从第一检测器308请求呈现给电容电极306的阻抗。响应于来自控制器310的请求，第一检测器308将呈现给电容电极306的阻抗发送给控制器310。这里讨论的第一检测器和控制器的其他实施例可以类似地运行。这里讨论的第二检测器的实施例也可以类似地运行。
虽然已经描述了第一检测器308和控制器310的特定操作，但是本领域技术人员将会理解，变化是可能的。在一个实施例中，控制器310从第一检测器308请求呈现给特定电容电极306的阻抗。响应于来自控制器310的请求，第一检测器308将呈现给特定电容电极306的阻抗发送给控制器310。控制器310可以在一段时间内发出多个阻抗请求。控制器310可以请求呈现给多于一个电容电极306的阻抗。这里讨论的第一检测器和控制器的其他实施例可以类似地运行。这里讨论的第二检测器的实施例也可以类似地运行。
虽然已经描述了特定的第一检测器308和408，但是本领域技术人员将会理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，单个电路被配置成施加电流并测量电压。在另一个实施例中，第一检测器308和408包括多个电路。在另一个实施例中，第一检测器308和408被配置成分别检测电极306和406之间的阻抗差。在另一个实施例中，第一检测器308和408被配置成分别确定每个电极306和406处呈现的阻抗，并且分别确定电极306和406之间的阻抗差。
虽然已经描述了特定的第二检测器412，但是本领域技术人员将会理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，单个电路被配置成施加电流并测量电压。在另一个实施例中，第二检测器412包括多个电路。
虽然已经描述了特定的电极，但是本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的，包括但不限于同心、共面、圆形、椭圆形、圆盘形等电极。在2015年9月4日提交的Nyberg等人的美国专利第9,979,206号中描述了其他合适的电极配置，其相关部分通过引用结合于此。
虽然接收器510已经被描述为包括整流器514，但是本领域技术人员将会理解，其他配置也是可能的。在另一个实施例中，接收器510不包括整流器。在实施例中，负载512电连接到接收谐振器520。
尽管上面已经描述了实施例，并且在附图中示出，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以进行变化和修改，并且对于权利要求的范围应当给出与说明书整体一致的最广泛的解释。

Claims (23)

1.一种发射谐振器，包括：
至少两个电感器；
电连接到所述电感器的开关网络；
电连接到所述开关网络的多个电容电极；
通信连接到所述控制器的检测器，所述检测器被配置为检测阻抗；和
通信连接到所述开关网络和所述检测器的控制器，所述控制器被配置为控制所述开关网络，以基于所述检测到的阻抗来控制哪些电极连接到所述电感器，其中所述电感器和电极被配置为谐振以生成电场。
2.根据权利要求1所述的发射谐振器，其中所述检测器包括第一检测器和第二检测器。
3.根据权利要求2所述的发射谐振器，其中所述第一检测器被配置成检测呈现给所述电极的阻抗。
4.根据权利要求1所述的发射谐振器，其中所述检测器包括至少一个电路和相位检测器。
5.根据权利要求4所述的发射谐振器，其中所述电路被配置为通过施加电压和检测电流来测量阻抗。
6.根据权利要求2所述的发射谐振器，其中所述第二检测器被配置为在无线电能传输期间检测阻抗。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的发射谐振器，其中所述开关网络被配置为将每个电极电连接到两个电感器。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的发射谐振器，具有与电容电极相同数量的电感器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的发射谐振器，其中所述电容电极经由所述电感器电连接到所述开关网络。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的发射谐振器，其中所述检测器电连接到所述控制器和/或所述控制器电连接到所述开关网络。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的发射谐振器，其中所述电感器是可变电感器。
12.根据权利要求11所述的发射谐振器，其中所述控制器电连接到所述可变电感器，并且其中所述控制器被配置为控制所述可变电感器的电感。
13.根据权利要求12所述的发射谐振器，其中所述电容电极经由所述可变电感器电连接到所述开关网络。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的发射谐振器，其中所述电感器和电极被配置为谐振以生成所述电场，从而经由电场耦合来传输电能。
15.一种无线电能传输***，包括权利要求1至14中任一项的发射谐振器。
16.一种无线电能传输***，包括：
发射器，包括：
电源，被配置为生成电能信号；和
电连接到所述电源的发射谐振器，所述发射谐振器包括：
至少两个发射电感器；
电连接到所述发射电感器的开关网络；
电连接到所述开关网络的多个发射电容电极；
通信连接到所述控制器的检测器，所述检测器被配置为检测阻抗；和
通信连接到所述开关网络和所述检测器的控制器，所述控制器被配置为控制所述开关网络，以基于所述检测到的阻抗来控制哪些发射电容电极连接到所述发射电感器，其中所述发射电感器和发射电容电极被配置为谐振以生成电场；和
接收器，包括：
负载；和
电连接到所述负载的接收器谐振器，所述接收器谐振器包括：
至少两个接收电感器；和
电连接到所述接收电感器的至少两个接收电容电极，其中所述接收电感器和接收电容电极被配置为在所述生成的电场中谐振，并经由谐振电场耦合提取电能。
17.根据权利要求16所述的无线电能传输***，其中所述发射器还包括在所述供电电源和所述发射谐振器之间电连接的逆变器。
18.根据权利要求16或17所述的无线电能传输***，其中所述接收器还包括在所述负载和所述接收谐振器之间电连接的整流器。
19.一种无线电能传输的方法，所述方法包括：
检测电连接到开关网络的至少两个电容电极处的阻抗；
将所述电容电极处的阻抗传递到通信连接到所述开关网络的控制器；
在所述控制器处，基于所述电容电极处的阻抗确定电容电极的子集以连接到至少两个电感器，所述电感器电连接到所述开关网络；
将所述电容电极的子集连接到所述电感器；和
谐振所述电感器和所述电容电极的子集以生成电场。
20.根据权利要求19所述的方法，其中连接所述电容电极的子集包括将来自所述控制器的信号发送到所述开关网络，以将所述电容电极的子集连接到所述电感器。
21.根据权利要求19或20所述的方法，进一步包括：
检测所述电感器处的阻抗；
将所述电感器处的阻抗发送到所述控制器；
在所述控制器处确定所述电感器处的阻抗是否在阻抗范围内；和
如果所述电感器处的阻抗不在阻抗范围内，则将来自所述控制器的信号发送到所述开关网络，以将所有电容电极与所述电感器断开。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述阻抗范围是能够经由谐振电耦合从所述电容电极和电感器传输电能的阻抗。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，进一步包括：
以谐振频率来谐振接收器的电感器和电容电极；和
经由谐振电场耦合从所述生成的电场中提取电能。
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