CN114868321A - 用于对准无线功率传输***的发送器和接收器的对准设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种对准设备，包括配置为从磁场生成感应电压的线圈，或配置为从电场生成感应电压的电极。对准设备还包括比较器，该比较器被配置为将感应电压与阈值电压进行比较，并基于该比较激活指示器。

Description

用于对准无线功率传输***的发送器和接收器的对准设备及 其方法
技术领域
本发明总体上涉及无线功率传输，并且特别地，涉及用于对准无线功率传输***的发送器和接收器的对准设备及其方法。
背景技术
无线充电和无线功率传输***正成为使能下一代设备的越来越重要的技术。越来越多数量的制造商和公司投资于这项技术，这表明了由这项技术提供的潜在益处和优势。
已知各种无线功率传输***。典型的无线功率传输***包括电连接到无线功率发送器的电源和电连接到负载的无线功率接收器。
在磁感应***中，发送器有具有一定电感的线圈，它将电能从电源传输到具有一定电感的接收线圈。功率传输是由于发送器和接收器的电感之间的磁场耦合而发生的。这些磁感应***的范围是有限的，并且发送器和接收器的电感必须紧密耦合，即具有大于0.5的耦合系数，并处于最佳对准状态，以实现高效的功率传输。
也存在谐振磁***，在谐振磁***中，由于发送器和接收器的电感器之间的磁场耦合而传输功率。发送器和接收器电感器是松耦合的，即具有低于0.5的耦合因子。在谐振磁***中，电感器使用至少一个电容器进行谐振。在谐振磁***中，发送器是自谐振的，接收器是自谐振的。谐振磁***的功率传输范围比磁感应***的功率传输范围有所增加，并纠正了对准问题。虽然电磁能量是在磁感应和谐振磁***中产生的，但大多数功率传输是经由磁场发生的。很少，如果有的话，功率是经由电气电容(electric capacitive)或谐振电气电容(电场)传输的。
Qi无线充电标准是磁感应***的示例性实现。Qi无线充电标准用于诸如智能手机和可穿戴设备等低功耗消费电子产品。此外，低成本的功率转换器、线圈和集成电路可用于在Qi无线充电标准中使用。Qi无线充电标准在kHz频率范围内操作。因此，根据Qi无线充电标准，操作的设备具有有限的耦合范围，需要精确的线圈对准，并使用基于铁氧体的线圈，这可能是沉重和易碎的。从而Qi无线充电标准的应用范围受到限制。
在电容***中，发送器和接收器都有电容电极。功率传输是由于发送器和接收器的电容电极之间的电场耦合而发生的。类似于谐振磁***，存在谐振电***，其中发送器和接收器的电容电极使用至少一个电感器进行谐振。在谐振电***中，发送器是自谐振的，接收器是自谐振的。谐振电***与电气电容***相比具有增加的功率传输范围，并且对准问题得到了纠正。虽然电磁能量是在电气电容和谐振电***中产生的，但大多数功率传输是经由电场发生的。很少，如果有的话，功率是藉由磁感应或谐振磁感应传输的。
尽管无线功率传输技术是已知的，但仍需要改进。
发明内容
应当理解，提供本发明内容是为了以简化的形式引入概念的选择，这些概念在下面的具体实施例中进一步描述。本发明内容不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
因此，在一个方面，提供了一种对准设备，包括：被配置为从磁场生成感应电压的线圈，或者被配置为从电场生成感应电压的电极；以及比较器，被配置为将感应电压与阈值电压进行比较，并基于比较激活指示器。
在一个或多个实施例中，感应电压和与线圈相交的磁场强度或与电极相交的电场成比例。
在一个或多个实施例中，对准设备被配置为对准发送器和接收器用于最佳功率传输效率。
在一个或多个实施例中，对准设备被配置为对准发送器线圈和接收器线圈用于最佳功率传输效率。
在一个或多个实施例中，对准设备被配置为与高频无线功率传输***一起使用。
在一个或多个实施例中，线圈或电极形成场检测单元(FDU)的一部分。
在一个或多个实施例中，FDU包括配置为调谐线圈的至少一个调谐电容器。
在一个或多个实施例中，FDU包括被配置为将感应电压从交流(AC)整流为直流(DC)的整流器，。
在一个或多个实施例中，FDU包括被配置为向线圈添加电容器以降低线圈的谐振频率的至少一个二极管。
在一个或多个实施例中，对准设备包括多个FDU，每个FDU包括被配置为从磁场生成感应电压的单独线圈，或被配置为从电场生成感应电压的单独电极。
在一个或多个实施例中，对准设备包括在平面中相对于彼此正交定位的四个FDU。
在一个或多个实施例中，FDU在平面中彼此等距定位。
在一个或多个实施例中，对准设备包括在平面中相对于彼此正交定位的五个FDU。
在一个或多个实施例中，四个FDU被定位为在平面中与中心FDU等距。
在一个或多个实施例中，每个FDU与单独指示器相关联。
在一个或多个实施例中，比较器形成主板的一部分。
在一个或多个实施例中，主板还包括指示器。
在一个或多个实施例中，主板还包括被配置为按比例缩小电压的分压器。
在一个或多个实施例中，主板还包括配置为控制阈值电压的灵敏度控制。
在一个或多个实施例中，对准设备还包括水平仪。
根据另一方面，提供了一种用于确定发送器和接收器的最佳对准的对准设备，接收器被配置为经由磁场耦合或电场耦合从发送器提取功率。
在一个或多个实施例中，对准设备包括配置为从磁场生成感应电压的线圈。
在一个或多个实施例中，对准设备包括配置为从电场生成感应电压的电极。
在一个或多个实施例中，对准设备包括指示器，该指示器被配置为基于感应电压和阈值电压之间的比较来激活。
在一个或多个实施例中，对准设备还包括配置为将感应电压与阈值电压进行比较的比较器。
在一个或多个实施例中，对准设备包括所描述的对准设备的任何特征或元件。
根据另一方面，提供了一种方法，该方法包括：
a)激活定位于材料的一侧的发送器；
b)将对准设备定位在材料与发送器相对的另一侧；
c)经由对准设备的线圈从由发送器生成的磁场生成感应电压，或者经由对准设备的电极从由发送器生成的电场生成感应电压；
d)基于感应电压与阈值电压的比较，激活对准设备的指示器；
e)相对于发送器重新定位对准设备；以及
f)重复步骤c)至步骤e)直到获得发送器与对准设备之间的最佳功率传输效率。
在一个或多个实施例中，该方法还包括将接收器定位在获得发送器与对准设备之间的最佳功率传输效率的位置。
在一个或多个实施例中，该方法的对准设备包括所描述的对准设备中的任一个。
附图说明
现在将参考附图更全面地描述实施例，其中：
图1是无线功率传输***的框图；
图2是安装到材料上的高频无线功率传输***的发送器和接收器的框图；
图3是根据主题公开的方面的对准设备的框图；
图4是图3的对准设备的场检测单元(FDU)的部分示意图；
图5是图4的FDU的线圈的平面图；
图6是带有在操作期间存在交变磁场的图4的FDU的部分示意图；
图7是图3的对准设备的另一实施例的部分框图；
图8是图3的对准设备的另一实施例的部分框图；
图9是由图2的高频无线功率传输***的发送器生成的磁场密度绘制图；
图10是带有图8的对准设备的图9的磁场密度绘制图的平面图；
图11是带有在操作期间的图8的对准设备的图9的磁场密度绘制图的另一平面图；
图12是带有在操作期间的图8的对准设备的图9的磁场密度绘制图的另一平面图；
图13是带有图8的对准设备的图9的磁场密度绘制图的另一平面图；
图14是带有在操作期间的图8的对准设备的图9的磁场密度绘制图的另一平面图；
图15是图3的对准设备的另一FDU的部分示意图；
图16是图3的对准设备的另一FDU的部分示意图；
图17是图3的对准设备的另一实施例的部分框图；
图18是指示对准设备到最佳对准的接近区域的接近图；
图19是图3的对准设备的另一实施例的部分框图；以及
图20A-图20C是检测到的磁场的空间分布图。
具体实施方式
当结合附图阅读时，将更好地理解上述发明内容以及以下对某些示例的详细描述。如在此所使用的，以单数形式引入并以数量词“一”或“一个”开头的元件或特征应理解为不必排除元件或特征的复数形式。此外，对“一个示例”或“一个实施例”的引用不旨在被解释为排除还合并了所描述的元件或特征的附加示例或实施例的存在。此外，除非明确表示相反，否则“包含”或“具有”或“包括”具有特定性质的元件或特征或多个元件或特征的示例或实施例可以包括不具有该性质的附加元件或特征。此外，应当理解，术语“包含”、“具有”、“包括”意味着“包括但不限于”，并且术语“包涵”、“带有”和“含括”具有等同的含义。还将理解，在整个描述和附图中，类似的参考字符将用于指代类似的元件。
如本文所使用的，术语“适配的”和“配置的”意味着元件、组件或其他主题被设计和/或意图执行给定功能。因此，术语“适配的”和“配置的”的使用不应被解释为意味着给定的元件、组件或其他主题仅仅“能够”执行给定的功能，而是为了执行该功能的目的而专门选择、创建、实现、利用和/或设计该元件、组件和/或其他主题。还在本主题公开的范围内，被描述为适配于执行特定功能的元件、组件和/或其他主题可以附加地或替代地被描述为被配置为执行该功能，反之亦然。类似地，被描述为被配置为执行特定功能的主题可以附加地或替代地被描述为可操作地执行该功能。
应当理解，当一个元件被称为“接通”、“附接”到、“连接”到、“耦合”到、“接触”等另一元件时，它可以直接接通、附接到、连接到、耦合到或接触另一元件，或者也可以存在中间元件。
应当理解，除非另有说明，使用“示例性”一词是指“作为示例”或“一个示例”，而不是指优选的或最佳的设计或实现。
除非另有定义，本文使用的所有技术术语和科学术语具有如本公开所属领域技术人员通常理解的相同含义。
如在此使用的，术语“近似”、“大约”、“近似”、“一般”等表示接近所陈述的量或条件的量或条件，该量或条件仍然执行期望的功能或实现期望的结果。例如，术语“近似”、“大约”、“近似”、“一般”等可以指在工程容差内的量或条件，该工程容差本领域技术人员将容易理解。
现在转向图1，示出了总体由参考标号100标识的无线功率传输***。无线功率传输***100包括发送器110以及接收器120，发送器110包括电连接到发送元件114的电源112，接收器120包括电连接到负载122的接收元件124。功率从电源112传输到发送元件114。然后，经由谐振或非谐振的电场或磁场耦合将功率从发送元件114传输到接收元件124。然后将功率从接收元件124传输到负载122。示例性无线功率传输***100包括如美国专利申请号17/018,328中所描述的高频感应无线功率传输***，其相关部分并入本文。
现在转向图2，示出了另一示例性无线功率传输***。在该实施例中，无线功率传输***是如在上述并入的'328申请中描述的高频无线功率传输***200。在本实施例中，高频无线功率传输***200是感应***。本领域的合理技术人员将理解，高频无线功率传输***200可被配置为经由高频磁感应耦合或高频电气电容耦合传输功率。在磁感应耦合***中，大部分功率传输是经由磁场发生的。很少，如果有的话，功率是经由电气电容或谐振电气电容(电场)传输的。在电气电容耦合***中，大部分的功率传输是经由电场发生的。很少，如果有的话，功率是经由磁感应或谐振磁感应传输的。
在本实施例中，高频无线功率传输***200被配置为经由高频磁场耦合传输功率。高频无线功率传输***200包括被配置为在给定频率下操作的发送器210，以及被配置为在发送器210的操作频率下操作的接收器220。如图2所示，发送器210定位在材料230上。材料230由任何类型的不导电或不磁性的合适材料或材料组合(例如木材、玻璃、石头、砖、混凝土、塑料，但会导致场过早终止(即用作屏蔽)的材料或材料组合除外)制成。在该实施例中，材料230形成壁的一部分。接收器220位于材料230的相对侧上，使得材料230直接位于发送器210和接收器220之间。本领域的合理技术人员将认识到多于一个发送器210和接收器220是可能的。
在该实施例中，发送器210包括发送器线圈212，接收器220包括接收器线圈222。本领域技术人员将认识到多于一个发送器线圈212和接收器线圈222是可能的。
发送器210以电流模式输出(恒流输出)操作。在电流模式输出中，发送器210被配置为生成磁场，而不需要接收器220出现在发送器210附近。
通常，电流模式输出高频无线功率传输***与电压模式输出(恒压输出)高频无线功率传输***的不同之处在于，在没有接收器220存在于发送器210附近的情况下，电压模式输出发送器210不能生成和维持磁场。如果接收器220不存在于电压模式输出高频无线功率传输***中，则发送器210将基本上操作在短路条件下，并且因此不能保持磁场的生成。
从发送器210到接收器220的功率传输通过材料230发生。为了最大化耦合系数值和最高功率传输效率，发送器210和接收器220应该最佳地对准。如果材料230是不透明的，或者如果材料230完全阻碍了对发送器210或接收器220或两者的位置的观察，则最佳地对准发送器210和接收器220可能是有问题的。
在接收器220与发送器210的最佳对准中，接收器线圈222与发送器线圈212最佳对准。
现在转向图3，示出了根据主题公开的一方面的对准设备300的框图。给定远离发送器210的某一固定距离，对准设备300确定当安装接收器220时发送器210和接收器220将处于最佳对准的位置，以实现最大耦合系数值，并因此实现最高功率传输效率。当垂直于发送器线圈212和接收器线圈222的发送器线圈212和接收器线圈222的中心轴共线时，发送器线圈212和接收器线圈222处于最佳对准。发送线圈212和接收器线圈222中的每一个的中心轴是穿过各自线圈212和222的质心延伸的轴。
特别地，对准设备300被配置为从由发送器210生成的磁场生成感应电压。具体地说，对准设备300被配置为在与由发送器210生成的交变磁场相交时生成感应交变电压。基于感应的交变电压，对准设备300被配置为确定对准设备300相对于发送器210或发送器线圈212的位置。然后，接收器220和接收器线圈222可以定位在由对准设备300确定的发送器和接收器线圈212和222之间的功率传输效率最大的位置。
对准设备300包括场检测单元(FDU)310和主板318。FDU 310包括至少一个线圈312、至少一个调谐电容器314和整流器316。线圈312电连接到调谐电容器314。调谐电容器314电连接到线圈312和整流器316。FDU 310电连接到主板318。具体地，FDU 310的整流器316电连接到主板318的分压器320。主板318包括分压器320、比较器(在本实施例中采用比较器电路322的形式)、灵敏度控制323和指示器324。分压器320电连接到FDU 310的整流器316。分压器320还电连接到比较器电路322。比较器电路322经由驱动电路(未示出)电连接到指示器324。指示器324经由驱动电路(未示出)电连接到比较器电路322。
比较器电路322被配置为将整流器316的电压信号与预设阈值电压进行比较。在该实施例中，与FDU 310相关联的指示器324是发光二极管(LED)。LED由LED驱动电路(未示出)驱动。在本实施例中包括晶体管(未示出)的LED驱动电路由来自比较器电路322的输出触发。灵敏度控制323电连接到比较器电路322。灵敏度控制323被配置为调整和设置阈值电压。在本实施例中，灵敏度控制323是可转动的旋钮、刻度盘等。
指示器324协助确定实现最大耦合系数和最高无线功率传输效率的最佳对准位置。例如，指示器324包括视觉指示器，包括但不限于LED或其他类型的灯/二极管；可听见的指示器；任何类型的感觉指示器，包括但不限于振动；以及可用类型的指示器324的任何组合，不限于本文所描述的指示器类型。
本领域的合理技术人员将认识到，多个FDU 310可以连接到单个主板318。此外，本领域的合理技术人员将理解，单个主板318上的多个指示器324也是可能的。例如，可以为每个FDU 310提供一个指示器324。
在该实施例中，对准设备300被配置为与上述并入的'328申请中的高频感应无线功率传输***一起使用。在该实施例中，对准设备300被配置为独立于接收器220以及不存在接收器220的情况下与电流模式输出发送器210一起操作。
在电压模式输出高频无线功率传输***中，在没有接收器220的情况下不能使用对准设备300。因此，在电压模式输出高频无线功率传输***中，对准设备300集成到接收器220中。相反，电流模式输出高频无线功率传输***200将允许对准设备300在物理上与接收器220分离(即，与接收器220解耦)的同时操作，并且因此允许对准设备300在完全不存在接收器220的情况下与发送器210独立操作。如本领域的合理技术人员将理解的，可选地，对准设备300可以集成到电流模式输出高频无线功率传输***的接收器220中。
现在转向图4，进一步示出了对准设备300的FDU 310。如前所陈述，FDU 310包括至少一个线圈312。线圈312与调谐电容器314串联电连接。调谐电容器314电连接到线圈312和整流器316。电连接线圈312、调谐电容器314和整流器316的组合形成FDU 310。FDU 310电连接到主板318。在该实施例中，对准设备300包括单个FDU 310。在另一实施例中，对准设备300包括多个FDU 310，例如，四个FDU 310。每个FDU 310是相同的。
现在转向图5，进一步示出了线圈312。在该实施例中，线圈312在由FR4 PCB材料制成的印刷电路板(PCB)上实现。在本实施例中，线圈312是包括多匝的平面线圈，并且是近似正方形的形状。在本实施例中，线圈312的总匝数为四匝，每匝厚度为1mm，每匝之间的间距为0.3mm。本领域的合理技术人员将认识到线圈312可以是任何其他形状，诸如但不限于螺旋形、圆形、六边形或八边形。本领域的合理的技术人员还将认识到，匝数、匝厚度和匝之间的间距可以是任何合适的值。在该实施例中，线圈312具有39mm的外部宽度和高度D1，以及29.5mm的内部宽度和高度D2。本领域的合理技术人员将认识到线圈312的外形尺寸D1和D2可以是任何合适的值。在本实施例中，线圈312的电感(L)为1.2uH。本领域的合理技术人员将认识到线圈312的电感是示例性的。该电感可能高达6到8uH。通常，线圈312的电感受发送器线圈212的谐振频率的约束。增加线圈312的电感将降低线圈312的自谐振频率，使得线圈312的自谐振频率接近谐振频率，这可能是有问题的。然而，在对准设备300的操作期间，更高的电感可以提供更高的灵敏度和场检测。
对准设备300的最佳布置与接收器220相对于发送器210的最佳对准一致。发送器210和接收器220的最佳对准与发送器线圈212和接收器线圈222的最佳对准一致。发送器线圈212和接收器线圈222的最佳对准是达到最大耦合系数值和最高无线功率传输效率的位置。
在操作期间，无线功率传输***200的发送器210被激活并通电。发送器线圈212生成恒定交流(AC)磁场。接收器220可以与发送器210对准，以允许功率从发送器线圈212无线传输到接收器线圈222。为了使发送器210和接收器220之间的对准最佳，发送器线圈和212接收器线圈222必须处于最佳对准。在发送器线圈202和接收器线圈212没有最佳对准的情况下仍可以发生耦合和功率传输；然而，无线功率传输***200的性能将降级。
如前所述，给定远离发送器210的某一固定距离，对准设备300确定当安装接收器220时发送器210和接收器220将处于最佳对准的位置，以实现最大耦合系数值，并因此实现最高功率传输效率。当垂直于发送器线圈212和接收器线圈222的发送器线圈212和接收器线圈222的中心轴共线时，发送器线圈212和接收器线圈222处于最佳对准。换句话说，当穿过发送线圈212和接收器线圈222各自线圈212和222的质心延伸的轴线共线时，发送线圈212和接收器线圈222处于最佳对准。
在对准设备300的操作期间，线圈312与由发送器线圈212生成的AC磁场相交。线圈312从AC磁场生成感应交变电压。感应电压用于确定对准设备300相对于高频无线功率传输***200的发送器210的位置，该发送器210在发送器线圈212中以恒流模式操作。
具体地，FDU 310的调谐电容器314将线圈312调谐到发送器线圈212的谐振频率，以从AC磁场生成感应电压。线圈312从AC磁场感应交变电压并输出AC电压信号。感应交变电压与AC磁场的强度成比例。AC电压信号从线圈312传递到整流器316。整流器316将电压信号从AC整流到DC。然后将DC电压信号传递到主板318。分压器320按比例缩小DC电压信号，使得DC电压信号与主板318的逻辑电平兼容。在本实施例中，分压器320的比例按比例缩小因子为10。然而，本领域的合理技术人员将认识到，取决于主板318的设计，按比例缩小因子可以是任何其他合适的值。具体地说，分压器320按比例缩小DC电压，使得DC电压信号可以由比较器电路322进行比较。由比较器电路322测量按比例缩小的DC电压。比较器电路322将按比例缩小的DC电压与灵敏度控制323提供的预设阈值电压进行比较。当电压最高时(即，超过由比较器电路322中的灵敏度控制323设置的阈值)，实现最佳对准(或近最佳对准)。比较器电路322将比较结果传递给指示器324。按比例缩小的DC电压/预设置阈值电压比较确定是否接通指示器324。具体地，比较确定指示器324的LED是否接通。指示器324指示是否已实现最佳对准。
对准设备300允许发送器210和接收器220位于材料230(诸如壁或窗)的相对侧上。对准设备300允许确定发送器线圈212和接收器线圈222的最佳位置，并因此通过材料230实现最大耦合系数值和最高无线功率传输效率。
如图6所示，在对准设备300的操作期间，线圈312在由箭头A所指示的方向上经受AC磁场。当经受AC磁场时，线圈312与交变磁场相交。与线圈312相交的AC磁场在线圈312中感应交变电压。图6示出了磁场线相对于线圈312的方向的示例。
尽管已经描述了对准设备300的特定配置，但本领域的合理技术人员将理解，其他配置也是可能的。现在转向图7，示出了总体由参考标号700标识的对准设备的另一实施例。除非另有说明，否则对准设备700包括前面描述的对准设备300的所有元件。除非另有说明，否则对准设备700的功能类似于前面描述的对准设备300。对准设备700包括三个FDU 710，每个FDU 710包括线圈712、至少一个调谐电容器714和整流器716。三个FDU 710共面并以等边形式布置。每个FDU 710电连接到主板(未示出)。对准设备300的主板与前面描述的主板318相同。在所示出的实施例中，主板被合并到控制和逻辑模块750中。
使用三个线圈712，模块750被配置为三角化线圈712相对于发送器线圈212的最佳位置。当所有线圈712被交变磁场相等地(或近相等地)相交时，最佳对准已经实现，如将描述的。本领域的合理技术人员将认识到，对准设备还可以包括进一步的控制和逻辑组件，包括但不限于使用微处理器、微控制、逻辑处理器或其他可能的控制。
图8示出了总体由参考标号800标识的对准设备的另一实施例。除非另有说明，否则对准设备800包括前面描述的对准设备300的所有元件。除非另有说明，否则对准设备800的功能类似于前面描述的对准设备300。对准设备800包括四个共面FDU 810。每个FDU 810包括线圈812、至少一个调谐电容器814和整流器816。因此，对准设备800包括四个线圈812、四个调谐电容器814和四个整流器816。四个线圈812中的每一个电连接到不同的调谐电容器814。四个调谐电容器814中的每一个电连接到不同的整流器816。每个FDU 810电连接到主板(未示出)。对准设备800的主板与前面描述的主板318相同。因此，每个FDU 810的每个整流器816电连接到主板318的分压器320。
在该实施例中，FDU 810相对于彼此正交地定位。FDU 810共面并位于X-Y平面中，其中两个FDU 810沿着X轴彼此相对且横向间隔，两个FDU 810正交地沿着Y轴彼此相对且横向间隔。
在该实施例中，对准设备800包括四个FDU 810，每个FDU 810具有线圈812。线圈812彼此定位成固定距离，以检测由发送器210生成的AC磁场的强度。在每个线圈812处检测到的磁场强度的值用于确定最佳对准位置。在本实施例中，对准设备800的主板上的指示器是LED。与对准设备300类似，对准设备800包括主板318，主板318包括分压器320、比较器322(在本实施例中采用比较器电路的形式)、灵敏度控制323和指示器324，每个FDU一个主板318。主板和其上包括的组件与前面描述的主板318和其上包括的组件相同。在本实施例中，灵敏度控制是可转动的旋钮、刻度盘等。
现在转向图9，示出了从高频无线功率传输***200的单个发送器210生成的磁场密度绘制图的示例。如图9所示，磁场沿发送器线圈212的中心轴较强，而在绘制图的边缘附近较弱。当发送器线圈212和接收器线圈222沿着它们的中心轴对准时，因为耦合系数将达到最大，发送器线圈212和接收器线圈222的高效耦合发生。如前所陈述，对准设备800检测来自发送器210的沿其中心轴的最强磁场，以确定要安装的接收器220的最佳对准位置。
在操作期间，对准设备800定位在发送器线圈212附近。对准设备800定位成使得磁场与对准设备800的FDU 810之一的线圈812中的至少一个相交，这在对准设备800的线圈812中的至少一个中感应AC电压。与FDU 810中的线圈相交的交变磁场将在线圈812中感应交变电压。感应的交变电压经由整流器816被整流为DC电压。对准设备800的定位可以是手动处理或自动处理。
现在转向图10，在从高频无线功率传输***200的单个发送器210生成的磁场密度绘制图上示出具有四个FDU 810的对准设备800。取决于对准设备800相对于发送器210的发送器线圈212的位置，最靠近发送器线圈212中心的线圈812将具有最高的整流电压，因为磁场将更强。其余线圈812将具有较低的整流电压。具有超过预设阈值电压的最高整流(和按比例缩小)电压的线圈812将导致指示器824被触发。阈值电压由连接到主板318上的比较器电路822的电压灵敏度控制823设置。因此，对准设备800现在在具有最高电压的线圈812的方向上重新定位。
图11示出，当对准设备800在最高整流电压的方向上移动时，现在更靠近磁场中心的下一线圈812现在将具有其整流电压的增加。还如图11所示，具有整流电压增加的下一线圈必定与第一线圈812正交。
例如，如图10所示，如果具有最高整流电压的第一线圈812是FDU 810(A)的左线圈812，则具有增加的整流电压的下一线圈812将是FDU 810(B)的顶部线圈812或FDU 810(C)的底部线圈812。基于正交性，具有增加的整流电压的下一线圈812不能是FDU 810(D)的线圈812。当FDU 810(B)的线圈812和FDU 810(C)的线圈812两者与x轴等距时，FDU 810(B)和FDU 810(C)的线圈812可以同时具有相等或近相等的整流电压增加是可能的，这意味着对准设备800沿着x轴对准。
当FDU 810(A)的第一线圈812与发送器210的磁场相交时，整流电压经由分压器320被按比例缩小，然后由主板318测量，主板318将电压数据发送到比较器电路322。比较器电路322将FDU 810(A)的整流电压与预设阈值电压进行比较。当FDU 810(A)的整流电压超过预设电压阈值时，从主板318向与FDU 810(A)相关联的指示器324发送信号以激活。由比较器电路322对整流电压与预设阈值电压的比较在整个对准过程中重复。如果整流电压高于或低于预设阈值，指示器324将接通和关闭。指示器824激活指示对准设备800应该重新定位以实现其他FDU 810的对准的方向。当所有指示器824被激活时，对准设备800处于最佳对准中，并且所有线圈812正被沿发送器线圈212的中心轴的交变磁场相交。在磁场与FDU 810(A)的线圈812相交并激活指示器824之后，可以基于不同FDU 810的第二线圈812的位置在新的方向上重新定位对准设备800。在该实施例中，第二线圈812将是FDU 810(B)或FDU 810(C)的线圈812。例如，当FDU 810(B)的线圈810与磁场相交并且整流电压超过预设阈值电压时，用于FDU 810(B)的指示器824将激活。
当遵循该对准方法时，基于磁场与FDU 810的线圈812的相交以及指示器824的随后激活，对准设备800被重新定位。接下来，第三FDU 810线圈812将具有电压的增加。取决于对准设备800的移动，下一整流电压增加的线圈812将是FDU 810(C)或FDU 810(D)的线圈812。如前所述，线圈812必定与已经具有增加的电压的线圈812正交地定位。在该示例中，FDU 810(C)的线圈812或FDU 810(D)的线圈812可以基于相对于来自发送器210的交变磁场的移动方向而被激活。因此，在本实施例中，如图12所示，要激活的第三线圈812必定与FDU810(A)或FDU 810(B)的线圈812正交。
最后，在四个线圈812中的三个被磁场相交并且它们的相对指示器824被激活的情况下，对准设备800现在将在被激活的指示器824的平均方向上移动。在该实施例中，对准设备800必定朝向由FDU 810(A)的线圈812激活的指示器移动。如图13所示，通过在FDU 810(A)的线圈812的大致方向上移动对准设备800，FDU 810(D)的线圈812将具有整流电压的增加。一旦所有线圈812上的电压相等(或接近相等)，并且所有四个指示器824被激活，如图14所示，对准设备800现在处于与所有四个线圈812相交的磁场强度相等(或接近相等)的位置。因此，对准设备800的该位置必定是达到最大耦合系数值和最高无线功率传输效率的最佳对准位置。
当对准设备800处于最佳对准位置时，可以在接收器220将要安装在其上的材料230上标记该位置。可以通过对准设备800上的通孔用写装置执行位置的标记。对准设备800上的通孔与接收器220上的安装点的坐标匹配。写装置可以是铅笔、钢笔、记号笔等，或者任何窄端的、尖的或锋利的物体，其能够安装在对准设备800的通孔中以标记或压印材料230，接收器220将安装在材料230上并与发送器210对准。
尽管已经描述了特定的FDU，但本领域的合理技术人员将理解其他配置也是可能的。现在转向图15，示出了对准设备的FDU 910的另一实施例。FDU 910通常被称为引脚二极管配置。在该实施例中，FDU 910包括至少一个线圈912。除非另有说明，否则线圈912与前面描述的线圈312相同。线圈912电连接到分别具有电容C1、C3和C4的三个并联电容器902、904、906。与FDU 310一样，电容器904和906连接到整流器，整流器由并联连接的二极管916(D3)、串联连接到电容器904的二极管918(D2)、并联连接在二极管916和918之间的电容器920、以及具有并联连接到电容器920的电阻R的电阻器922形成。电阻器922处的电压给出为Vo。
FDU 910还包括连接到电容器902的二极管930(D1)，以及具有连接到二极管930的电容C2的电容器932。二极管930并联连接到分别具有L1和L2电感的两个扼流圈电感器940、942。每个扼流圈电感器940、942只阻止AC电流并且只允许DC电流。每个电感器940、942分别串联连接到电阻器944、946。每个电阻器944、946分别串联到电压源950、952上，电压源分别具有电压V1和V2。
在所示的布置中，二极管930(D1)是引脚二极管。当电压V1大于电压V2时，二极管930导通，即电流流过二极管930，而当电压V1小于电压V2时，二极管930断开，即没有电流流过二极管930。二极管930用于“接入”电容器902和932以降低线圈312的谐振频率。
电容CA被定义为电容器902、932、904和906(C1、C2、C3和C4)在频率fA处的累积电容，电容CB被定义为电容器902、932、904和906(C1、C2、C3和C4)在频率fB处的累积电容。在示例性实施例中，频率fA等于6.78MHz，频率fB等于13.56MHz。当二极管930(D1)断开时，获得电容CB，并且当二极管930(D1)导通时，获得电容CA。
给定所陈述的频率，频率fB等于频率fA的两倍，如等式(1)所示：
fB＝2*fA (1)
频率和电容之间存在平方关系，因此倍频会使电路中的4倍的电容。因此，电容CA等于电容CB的四倍，如等式(2)所示：
CA＝4*CB (2)
对于给定的电容C4值，电容C3可以用等式(3)表示为：
Figure BDA0003708173270000151
当电容C1等于电容C2且等效电容CT等于电容C1或C2的两倍时，则等效电容CT可用等式(4)表示为：
Figure BDA0003708173270000152
等效电容CT是二极管930导通时电容器902、932的等效电容。电容C4被选择为足够大，以避免电容C3的负值。电容C3被选择为足够小以允许等效电容CT为正。
现在转向图16，示出了对准设备的FDU 954的另一实施例。FDU 954通常被称为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)配置。在该实施例中，FDU 954包括至少一个线圈956。除非另有说明，否则线圈956与前面描述的线圈312相同。线圈956电连接到分别具有电容C1、C2和C3的三个并联电容器958、960、962。与FDU 310一样，电容器958、960连接到整流器，整流器由并联连接的二极管964、串联连接到电容器958的二极管966、并联连接在二极管964、966之间的电容器968、以及具有并联连接到电容器968的电阻R的电阻器970形成。电阻器970处的电压给出为Vo。
电容器962连接到一对相对定位的晶体管972、974，它们连接到电容器968。晶体管972、974被配置为将电容器962的增加的电容切换到FDU 954的谐振电路中或切换到FDU954的谐振电路外。谐振电路包括FDU 954的线圈956和其他谐振组件，即电容器958、960、962、968。
电阻器976并联连接在晶体管972、974之间。电阻器976是扼流圈绝缘体电阻器。扼流圈绝缘体电阻器连接到地。晶体管972、974被配置为防止AC信号在两个晶体管972、974断电状态下桥接在它们之上。晶体管972、974在其漏极处连接到具有电压Vc的电压源980。电压源980是AC电压源。
晶体管972的漏极连接到电容器962，而晶体管972的源极连接到晶体管974的源极。晶体管974的漏极连接到电容器968。当断电时，晶体管972、974充当二极管。
如果存在单个晶体管972或974，而不是两个晶体管972、974，则足够高的电压(通常0.7伏之上)将在电压源980的正或负波形上通过。
当两个晶体管972，974串联起来，并且它们的二极管状方向相反，即每个晶体管972，974的源极相互连接时，会通过一个晶体管的就不会通过另一个晶体管。电阻器976在晶体管972、974之间保持零参考直流电压。
谐振频率与电感/电容之间的关系可以在等式(5)中给出为：
Figure BDA0003708173270000161
其中f是要检测的磁场的频率，L是线圈956的电感，C是FDU 954的谐振电路的电容。
当晶体管972、974允许电流流动时，谐振电路的等效电容由Clow给出。当晶体管972、974不允许电流流动时，谐振电路的等效电容由Chigh给出。在低频使用情况下，每个晶体管972、974的电容(Cfet)是可忽略的，并且可以被忽略。对于给定频率，例如6.78MHz，可以相应地分别计算线圈956的所需电感和电容器956、960、962的电容C1、C2、C3。
现在转向图17，总体由参考标号1000标识的对准设备的另一实施例。除非另有说明，否则对准设备1000包括前面描述的对准设备300的所有元件。类似地，除非另有说明，否则对准设备1000的功能类似于前面描述的对准设备300。对准设备1000包括五个共面FDU1010。每个FDU 1010包括线圈1012、至少一个调谐电容器1014和整流器1016。因此，对准设备1010包括五个线圈1012、五个调谐电容器1014和五个整流器1016。五个线圈1012中的每一个电连接到不同的调谐电容器1014。五个调谐电容器1014中的每一个电连接到不同的整流器1016。每个FDU 1010电连接到主板(未示出)。除非另有说明，否则对准设备1000的主板与前面描述的主板318相同。每个FDU 1010的每个整流器1016电连接到主板318的分压器320。
在该实施例中，FDU 1010相对于彼此正交地定位。两个FDU 1010(由字母B和D指示)共面并位于X-Y平面中，其中两个FDU 1010沿着X轴彼此相对并横向间隔，并且与中心FDU 1010(由字母C指示)等距。另外两个FDU 1010(由字母A和E表示)正交地沿着y轴彼此相对并横向间隔，并且与中心FDU 1010(C)等距。
线圈1012彼此定位成固定距离，以检测由发送器210生成的AC磁场的强度。在每个线圈1012处检测到的磁场强度的值用于确定最佳对准位置。
如图17所示，对准设备还包括控制和逻辑模块1050。与对准设备300和800类似，对准设备1000包括主板，在所示的实施例中，主板合并在模块1050中。主板318包括分压器320、比较器(在本实施例中采用比较器电路的形式)、灵敏度控制323和指示器324。在所示出的实施例中，主板包括五个指示器，每个指示器与对准设备1000的FDU 1010相关联。主板和其上包括的组件与前面描述的主板和其上包括的组件相同。在本实施例中，指示器是LED。在本实施例中，灵敏度控制323是可转动的旋钮、刻度盘等。模块1050还可以包括微控制、微处理器、计算机或任何其他计算部件。模块1050还可以包括适当的存储部件，例如计算机可读存储器，以及一个或多个处理器。
模块1050被配置为分析垂直和水平两个方向上的场强。在一个实施例中，模块1050接收在FDU 1010处检测到的电压。模块1050分析接收的电压并控制与FDU 1010相关联的指示器。特别地，模块1050控制一个或多个LED连续地或以重复模式操作、点亮。模块1050可以控制LED打开和关闭之间的时间。模块1050控制指示器保持关闭，直到被控制进行操作，例如打开。
在图示的布置中，场是磁场。模块1050被配置为相互独立地分析垂直方向和水平方向上的场强。从FDU 1010(B，C，D)收集的磁场数据形成水平场数据。从FDU 1010(A，C，E)收集的磁场数据形成垂直场数据。在模块1050处分析所收集的水平和垂直场数据。
当中心FDU 310(C)检测到与其相关联线圈1012处的所有检测到的电压相比较的最高电压时，对准设备1000与发送器210对准，并且确定接收器的最佳位置。
在使用中，对准设备1000定位在二维平面(X-Y平面)内，该平面与发送器210和相关联的发送器线圈212的平面具有固定的正交距离。正交距离由将对准设备1000与发送器210分开的材料230的厚度确定。由于材料230具有均匀的厚度，所以对准设备1000和发送器210的二维平面彼此平行。
初始地，FDU 1010检测各种频率下的电压，例如6.78Mhz和13.56MHz的两个频率，以确定在哪个频率下检测到的电压更高。基于较高的检测电压，模块1050确定发送器210操作在哪个频率，并控制FDU 1010检测该频率下的电压。
电压之间的比较基于FDU 1010的每个线圈1012处的电压的运行平均值，以避免起伏的(choppy)LED操作。
如果没有检测到电压，则对准设备1000停止检测电压达预定时间量或直到用户指示对准设备1000再次检测电压以保持功率。在这种配置下，对准设备1000处于待机模式。待机模式由以顺时针模式每次点亮每个FDU 1010上的一个LED来指示。
一旦模块1050确定了发送器210正在操作的频率，所有五个FDU 1010收集电压，并将这些电压传输到模块1050。如上所描述，模块1050分别分析水平和垂直数据。
模块1050从水平场数据(来自FDU 1010B、1010C、1010D)和垂直场数据(来自FDU1010A、1010C、1010E)确定磁场中心位于哪个方向。如果对准设备1000显著未对准并且不能确定方向，则与FDU 1010相关联的LED沿着未对准方向闪烁。
如图18所示，对准设备1000在处于最佳对准之前可以处于不同区域中。具体地说，对准设备100可以在外部区域(低接近度)1064、内部区域(中接近度)1062和对准点1060中。对准点1060对应于其中实现与发送器210的最佳对准的区域。
当对准设备1000从远处接近对准时，对准设备在外部区域(低接近度)1064中。在该外部区域1064中，与FDU 1010相关联的一个LED被点亮，以指示磁场(和对准)的中心，即点1060位于何处，以及相应地设备1000应该在哪个方向上移动。当对准设备1000进入内部区域(中间接近)1062时，背向点1060的LED开始以低频闪烁，随着设备1000接近光斑1060和最佳对准，频率增加。当对准设备1000以最佳对准对准在点1060处时，上述两个LED保持导通而不闪烁。
该过程可以分别执行用于垂直和水平对准两者，或同时执行用于垂直和水平对准两者。
在特定实施例中，如果对准设备1000在指定时间段内没有检测到显著的磁场，则对准设备1000可以断电。对准设备1000可以在一段时间后或在如前所描述由用户激活时通电。
尽管已经描述了先前描述的主板310和810的特定配置，但本领域技术人员将理解其他配置也是可能的。现在转向图19，总体由参考标号1300标识的对准设备的另一实施例的框图。除非另有说明，否则对准设备1300包括前面描述的对准设备300的所有元件。在该实施例中，主板1318包括分压器1320、模数(A/D)转换器1326、微控制1328、灵敏度控制1323和一个或多个指示器1324。分压器1320电连接到FDU 1310的整流器1316。分压器1320还电连接到A/D转换器1326。A/D转换器1326电连接到分压器1320和微控制器1328。灵敏度控制1323连接到微控制器1328。本领域的合理技术人员将理解微控制器1328可以采取计算机的形式。此外，本领域的合理技术人员将认识到，微控制器1328可以容易地被微处理器328取代。本领域的合理技术人员将认识到，附接到一个主板1318上的多个FDU 1310是可能的，因此，多个指示器1324也是可能的。
分压器1320被配置为按比例缩小来自整流器1316的整流电压。A/D转换器1326被配置为将来自分压器1320的模拟电压转换为数字电压信号。然后由微控制器328处理数字电压信号。具体地说，数字电压信号被馈送到微控制器1328，其中使用软件算法而不是硬件比较器电路322来比较数字化电压与预设阈值电压的比较。当数字电压信号超过预设阈值电压时，微控制器1328被配置为向(一个或多个)指示器1324发信号以激活。具体地说，当整流电压超过阈值电压时，微控制器1328激活(一个或多个)指示器1324。
尽管已经描述了对准设备，但本领域技术人员将理解其他配置也是可能的。在另一实施例中，所述对准设备中的任何一个还可以包括水平仪。水平仪(也称为气泡水平仪或水准仪)可以提高对准设备的易用性。在该实施例中，尽管其他形状和材料也是可能的，但水平仪通常是圆柱形和塑料的。
水平仪确保发送器线圈212和接收器线圈222两者的水平安装。如所描述，将水平仪合并到对准设备中可以减少分别对准发送器和接收器线圈212和222所需的工具和人员的数量。
尽管已经描述了所描述的对准设备的特定用例，但本领域合理技术人员将理解，其他用例也是可能的。特别地，所描述的对准设备中的任何一个可以用于创建所检测磁场的空间分布。在该实施例中，对准设备还包括加速度计，以测量设备的加速度。来自所有FDU线圈的检测电压与由加速度计收集的加速度数据相结合，以产生磁场的空间分布。
在图20A中示出了检测到的磁场的示例性空间分布图。如图20A所示出，图中的中心点1100指示最佳对准的位置。
可能存在空间分布图可能失真的情况，例如，当像线束或网这样的金属物体存在于检测区域中时。在这种情况下，空间分布图可能显示“磁足迹”(magnetic footprint)。图20B在空间分布图上示出这样的磁足迹为线束1102的足迹。图20C示出了另一磁足迹为金属网1104的足迹。
本领域的合理技术人员将认识到，对准设备300可以与接收器220分离或是接收器220的一部分。当对准设备300是接收器220的一部分或内置于接收器220中时，不需要经由通孔标记位置，例如，当对准该对准设备时，同时将接收器对准在最佳位置，以便最高效地将功率从发送器210传输到接收器220。
尽管已经描述了特定的对准设备，但本领域技术人员将理解，其他配置也是可能的。在另一实施例中，所描述的对准设备还包括控制和/或逻辑，其被配置为将某些逻辑应用于对准设备内的信号并控制对准设备。在一个实施例中，控制和逻辑包括微处理器、微控制、显示器、扬声器、触摸板、按钮、旋钮、开关或其他类型的控制和逻辑元件。
尽管所描述的对准设备包括一个或多个线圈并被配置用于从磁场生成感应电压，但本领域的合理技术人员将理解，其他配置也是可能的。在另一实施例中，所描述的对准设备的每个FDU包括电极而不是线圈。此外，在该实施例中，每个FDU包括至少一个调谐线圈，而不是至少一个调谐电容器。调谐线圈被配置为将电极调谐到发送器的谐振频率。对准设备的电极被配置为从电场生成感应电压，以便确定对准设备相对于无线功率传输***的发送器或发送器线圈的位置。该电极可以采用在美国专利号10,424,942中描述的任何电极的形式，其相关部分合并在此。
虽然已经描述了关于包括发送器线圈212的发送器210和包括接收器线圈222的接收器220的最佳对准，但本领域的合理技术人员将认识到其他配置也是可能的。在另一实施例中，发送器210包括一个或多个电容电极，接收器220包括一个或多个电容电极。所描述的对准设备确定发送器210和接收器220的最佳对准，以实现最大耦合系数值，并因此实现最高功率传输效率。当垂直于发送器电容电极和接收器电容电极的发送器电容电极和接收器电容电极的中心轴共线时，发送器电容电极和接收器电容电极处于最佳对准。电容电极中的每一个的中心轴是穿过各自电容电极的质心的轴。当垂直于发送器210和接收器220的相应电容电极的中心轴共线时，两者的相应电容电极处于最佳对准。
尽管已经针对高频无线功率传输描述了所描述的对准设备，但本领域的合理技术人员将理解，其他对准设备可以用于其他无线功率***中。在另一实施例中，所描述的对准设备被配置用于非高频的无线功率***中。
本领域合理技术人员还将认识到，虽然所公开的示例对准设备300被设计为与高频感应无线功率传输***200一起使用，但应用相同的概念来创建将与其他无线功率传输***200一起工作的对准设备300是可能的，诸如但不限于非谐振磁感应***、谐振磁感应***、非谐振电气电容***、谐振电气电容***、低频磁感应或电气电容***。
本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以进行进一步的变化和修改。

Claims (22)

1.一种对准设备，包括：
被配置为从磁场生成感应电压的线圈，或被配置为从电场生成感应电压的电极；以及
比较器，被配置为将感应电压与阈值电压进行比较，并基于所述比较激活指示器。
2.根据权利要求1所述的对准设备，其中，所述感应电压和与所述线圈相交的磁场的强度或与所述电极相交的电场的强度成比例。
3.根据权利要求1或2所述的对准设备，其中，所述对准设备被配置为对准发送器和接收器用于最佳功率传输效率。
4.根据权利要求1或2所述的对准设备，其中，所述对准设备被配置为对准发送器线圈和接收器线圈用于最佳功率传输效率。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的对准设备，其中，所述对准设备被配置为与高频无线功率传输***一起使用。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的对准设备，其中，所述线圈或电极形成场检测单元(FDU)的一部分。
7.根据权利要求6所述的对准设备，其中，所述FDU包括被配置为调谐所述线圈的至少一个调谐电容器。
8.根据权利要求6或7所述的对准设备，其中，所述FDU包括被配置为将所述感应电压从交流(AC)整流为直流(DC)的整流器。
9.根据权利要求6所述的对准设备，其中，所述FDU包括被配置为向所述线圈添加电容器以降低所述线圈的谐振频率的至少一个二极管。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的对准设备，其中，所述对准设备包括多个FDU，每个FDU包括被配置为从磁场生成感应电压的单独线圈，或被配置为从电场生成感应电压的单独电极。
11.根据权利要求10所述的对准设备，其中，所述对准设备包括在平面中相对于彼此正交定位的四个FDU。
12.根据权利要求11所述的对准设备，其中，所述FDU在所述平面中彼此等距定位。
13.根据权利要求10所述的对准设备，其中，所述对准设备包括在平面中相对于彼此正交定位的五个FDU。
14.根据权利要求13所述的对准设备，其中，四个FDU被定位为在平面中与中心FDU等距。
15.根据权利要求6至14中任一项所述的对准设备，其中，每个FDU与单独指示器相关联。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的对准设备，其中，所述比较器形成主板的一部分。
17.根据权利要求16所述的对准设备，其中，所述主板还包括所述指示器。
18.根据权利要求16或17所述的对准设备，其中，所述主板还包括配置为按比例缩小电压的分压器。
19.根据权利要求16至18中任一项所述的对准设备，其中，所述主板还包括被配置为控制所述阈值电压的灵敏度控制。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的对准设备，还包括水平仪。
21.一种方法，包括：
a)激活定位于材料的一侧的发送器；
b)将对准设备定位在所述材料的与所述发送器相对的另一侧；
c)经由所述对准设备的线圈从由所述发送器生成的磁场生成感应电压，或者经由所述对准设备的电极从由所述发送器生成的电场生成感应电压；
d)基于所述感应电压与阈值电压的比较，激活所述对准设备的指示器；
e)相对于所述发送器重新定位所述对准设备；以及
f)重复步骤c)至步骤e)直到获得所述发送器与所述对准设备之间的最佳功率传输效率。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
将接收器定位在获得所述发送器与所述对准设备之间的最佳功率传输效率的位置。
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