用於無線電容性功率的傳輸層的製作方法

2023-08-05 23:26:46

用於無線電容性功率的傳輸層的製作方法
【專利摘要】一種功率接收器設備包括：接收器電極對（341，342），其用於與置於表面一側的發射器電極對（321，322）電容耦合；以及可變形傳輸層（371，372），其置於接收器電極對中的每一個電極與所述表面的另一側之間。由功率驅動器（110）生成的功率信號從發射器電極對（321，322）無線地傳輸至接收器電極對（341，342）以便對功率接收器設備中的負載（150）供電。
【專利說明】用於無線電容性功率的傳輸層
[0001]本申請主張2011年8月16日提交的美國臨時申請N0.61/523，961的利益。
[0002]本發明總體上涉及用於無線功率傳輸的電容性供電系統，更具體而言，涉及用於從表面進行高效功率傳輸的發射器與接收器電極之間的傳輸層。
[0003]無線功率傳輸指的是在不使用導線或接觸的情況下供應電力。因此，對電子設備的供電通過無線介質來執行。電容性耦合是一種用於無線地傳輸功率的技術。該技術主要用在數據傳輸與感測應用中。例如，粘在窗口上的汽車無線電天線與汽車內部的拾取元件電容耦合。該電容耦合技術也用於電子設備的非接觸充電。
[0004]在本說明書結尾處的權利要求書中特別指出且清楚地聲明了被認為是本發明的主題。本發明的前述和其他特徵和優點根據以下結合附圖進行的詳細描述將是清楚明白的。
[0005]圖1為用於無線功率傳輸的電容性功率傳輸系統的典型布置。
[0006]圖2A和圖2B示出了理想電容器和具有空氣層的電容器的概覽。
[0007]圖3圖不出依照本發明實施例的具有可變形傳輸層的電容性功率傳輸系統。
[0008]圖4A和圖4B圖示出依照本發明實施例的粗糙表面和彎曲表面上的可變形傳輸層。
[0009]圖5圖示出依照本發明實施例如何使用可變形傳輸層作為介電層的替代物。
[0010]圖6圖示出封閉液體(例如水)的傳輸層。
[0011]重要的是指出所公開的實施例僅僅是本文的創新教導的許多有利用途的實例。總的說來，本申請的說明書中做出的陳述不一定限制了各個要求保護的發明中的任何發明。而且，一些陳述可能適用於一些發明特徵，但是不適用其他發明特徵。通常，不失一般性，除非另外指明，單數元件可以是複數並且反之亦然。在附圖中，貫穿若干視圖，相似的附圖標記表示相似的部分。
[0012]一種電容性功率傳輸系統可以用來在具有平坦結構的諸如窗口、牆壁、地板等等之類的大區域上傳輸功率。這種電容性功率傳輸系統的一個實例在圖1中被描繪成系統100。如圖1中所圖示的，這種系統的典型布置包括連接到負載150和電感器160的接收器電極對141、142。系統100也包括連接到功率驅動器110的發射器電極對121、122。也存在絕緣層130。
[0013]發射器電極121、122布置在絕緣層130的一側，並且接收器電極141、142布置在絕緣層130的另一側。功率通過在絕緣層130的任一側鄰近發射器電極121和122放置接收器電極141、142，在這兩者之間沒有直接接觸而供應給負載150。該布置在發射器電極對121,122與接收器電極141、142之間形成電容阻抗。因此，由驅動器控制器110生成的功率信號從發射器電極121、122無線地傳輸至接收器電極141、142以便向負載150供電。因此，無需機械連接器或者任何電接觸以便向負載150供電。
[0014]在一個實施例中，發射器電極121、122到驅動器110之間的連接藉助於電流接觸。在另一個實施例中，可以在驅動器110與電極121、122之間應用電容內耦合，由此無需導線連接。該實施例在模塊化基礎結構中由於易於擴展基礎結構而是有利的。[0015]圖1中所示的系統包括兩個可選的電感器112和160，其使功率信號頻率與系統的串聯諧振頻率匹配，從而提高功率傳輸的效率。
[0016]驅動器控制器110輸出AC電壓信號，該電壓信號具有與由一系列電容器(Cl和C2)和電感器112、160組成的電路的串聯諧振頻率基本上相同的頻率。電容器(Cl和C2)為發射器電極121、122和接收器電極141、142的電容阻抗(圖1中以虛線示出)。電容器(Cl和C2)的電容阻抗以及電感器160的電感在諧振頻率下彼此相消，得到低歐姆電路。驅動器控制器110生成其振幅、頻率和波形可以被控制的AC信號。輸出信號典型地具有數十伏特的振幅以及高達數兆赫茲(MHz)的頻率。在一個示例性實施例中，輸出信號典型地為50V/400kHzo因此，系統100能夠以低功率損耗將功率輸送至負載150。
[0017]作為一個非限制性實例，電感器112和160可以為可調諧電感器(例如迴轉器調諧類型)。此外，系統100可以包括可變電容器或者一排可開關電容器以便控制電容。
[0018]在一個實施例中，驅動器110感測其輸出處的電壓和電流的相位以便確定系統100是否被調諧。在另一個實施例中，電壓和電流的相位在接收器電極141、142中測量。在這兩個實施例中，當最大電流流經負載150時，系統100是調諧的。換言之，串聯諧振頻率和信號頻率不匹配。所述感測可以在操作頻率以及操作頻率的高次諧波下執行。
[0019]負載可以為例如LED、LED串、燈、顯示器、計算機、電源充電器、揚聲器等等。例如，系統100可以用來對安裝在牆壁上的照明燈具供電。
[0020]絕緣層130為薄層襯底材料，其可以是任何絕緣材料，包括例如空氣、紙、木材、織物、玻璃、DI水等等。在一個實施例中，選擇具有介電常數的材料。絕緣層130的厚度典型地介於10微米(例如塗料層)與數毫米(例如玻璃層)之間。
[0021]發射器電極121、122由置於絕緣層130的不與接收器電極141、142相鄰的一側的兩個單獨的導電材料體組成。例如，如圖1中所示，發射器電極121、122處於絕緣層130的底部。在另一個實施例中，發射器電極121、122可以置於絕緣層130的相對側。發射器電極121、122可以為任何形狀，包括例如矩形、圓形、正方形或者其組合。每一個發射器電極的導電材料可以為例如碳、鋁、氧化銦錫(ΙΤ0)、諸如PEDOT之類的有機材料、銅、銀、導電塗料或者任何導電材料。
[0022]接收器電極141、142可以是與發射器電極121、122相同的導電材料，或者由不同的導電材料製成。系統100的總電容由對應發射器和接收器電極121、141和122、142的重疊面積以及絕緣層130的厚度和材料性質形成。系統100的電容在圖1中被示為Cl和C2。為了允許電諧振，系統100應當也包括電感元件。該元件可以處於作為發射器電極或接收器電極的部分、分布在驅動器110和負載上的一個或多個電感器(例如圖1中所示的電感器160和112)，結合到絕緣層130內的電感器，或者其任意組合的形式。在一個實施例中，系統100中利用的電感器可以處於集總線圈的形式。
[0023]負載150允許AC雙向電流流動。在一個實施例中，負載150可以包括局部地生成DC電壓的二極體或AC/DC轉換器。負載150可以進一步包括用於基於由驅動器110生成的控制信號控制負載150的各種功能或者對這些功能編程的電子器件。為此目的，在一個實施例中，驅動器110生成在AC功率信號上調製的控制信號。例如，如果負載150為LED燈，那麼驅動器110的控制信號輸出可以用於對LED燈進行調光或者顏色設置。
[0024]用於對充當負載150的燈進行調光和/或顏色設置的另一個實施例包括使發射器和接收器電極錯位，即此時對應電極121/141和122/144不完全彼此重疊。在這種情況下，電路不諧振，由此更少的功率從驅動器110傳輸至燈(負載150)。其中電路不諧振的狀態也稱為失諧。
[0025]用於使系統100失諧的其他實施例包括在負載150 (例如燈)中或者在從驅動器110到燈的路徑中添加電容、電感或者電阻，將燈置於基礎結構的另一個位置上或者另一個位置處，或者使用由燈生成並且發送至驅動器110的反饋信號。該反饋使用燈上的按鈕而提供，其生成在驅動器中測量的短的失諧。驅動器Iio基於該反饋改變輸出的AC信號的功率和/或頻率。
[0026]在一個實施例中，接收器電極141、142相對於發射器電極121、122的正確放置可以使用位置指示器來確定，該位置指示器提供何時最大功率或者高於預定義閾值的功率從驅動器110傳輸至負載150的指示。該位置指示器可以是驅動器110的一部分，或者集成到負載150中。所述指示可以處於例如點亮的LED、聲音、用於顯示傳輸的功率的消息或度量的液晶顯示器等等的形式。應當進一步指出的是，位置指示器也可以用來檢測系統100中的功率熱點。
[0027]如圖1中示例性地圖示的電容性供電系統100描繪了由驅動器110供電的單個負載150。然而，應當指出的是，驅動器110也可以對多個負載供電，可以將其中每一個負載調諧到不同的操作頻率。在這樣的配置下，驅動器110輸出的信號的頻率確定將對哪個設備供電。驅動器110也可以生成AC掃描信號(具有變化的頻率的信號)。當足夠快時，頻率掃描將在AC信號的頻率與對應負載諧振調諧重合的時段期間對設備供電。按照這種方式，可以以復用的方式對不同頻率下調諧的若干負載供電。為了填充掃描之間的無電力間隙，可以添加電池和/或電容器。
[0028]在另一個實施例中，提供了負載的擴頻供電。相應地，通過大頻帶表徵的AC功率信號由驅動器110生成，從而允許在不同頻率範圍內調諧多個負載的組中的每個單獨的負載，由此可以獨立地對每個單獨的負載供電。
[0029]在包括多個負載的電容性供電系統中，由不同負載消耗的功率可以彼此不同。AC信號的功率由消耗最高功率的負載確定。當「高功率負載」和「低功率負載」連接在系統中時，功率AC信號可能損壞後一負載。為了克服這個問題，需要過載保護。
[0030]由於發射器電極與接收器電極之間的電容耦合取決於電極之間的距離以及電極之間的傳輸層的介電性質，功率驅動控制器或者功率傳輸器設備和功率接收器設備典型地彼此緊鄰以便提供高效的功率傳輸。不失一般性，這裡所提到的功率傳輸器設備是一種將功率傳輸至功率接收器設備的設備；並且這裡所提到的功率接收器設備是一種接收來自功率傳輸器設備的功率的設備，並且功率接收器設備包括消耗功率的負載。
[0031]然而，在實際的環境中，控制跨越其傳輸功率的諸如牆壁、地板等等之類的平坦結構的平坦性和粗糙度是非常困難的。地板或牆壁表面和/或覆蓋層可能不均勻或者是粗糙的。例如，示為基礎結構130的圖1的表面和/或覆蓋層可能不平坦並且具有不均勻的表面區域。當功率接收設備的電極(例如電極141和142)置於這樣的不均勻表面上時，建立的電容(Cl和C2)的值不是恆定的。這歸因於發射器和接收器電極之間的平均距離的變化以及跨所述表面的不同介電常數，例如，歸因於在不均勻表面的某些部分與電極之間可能存在空氣這一事實。空氣具有比地板表面和/或覆蓋層低得多的相對介電常數導致電容(Cl和C2)的附加變化。結果，在電容的值中可能存在相當大的擴散，其引起電容性功率傳輸系統的非均勻操作條件。
[0032]此外，由於電容器(Cl和C2)是諧振電路的部分，因而電容變化的另一個後果是，電路可能不再處於諧振中，導致電容性功率傳輸系統中的更小的效率和/或更少的功率傳輸。儘管反饋環在控制電容的變化方面可以提供某種優點，但是該電容可能仍然如此大地變化，以至於在新的操作點處功率傳輸不是最佳的，即不那麼高效、不穩定、超範圍等等。
[0033]本文的某些實施例描述了布置在接收器電極與在圖1中被示為基礎結構130的表面和/或覆蓋層之間的可變形傳輸層。有利的是，該可變形傳輸層例如通過最小化基礎結構130與發射器和接收器電極之間的空氣的量來控制電容。在一個實施例中，該可變形傳輸層是薄的可變形層，其置於接觸之間以便適應表面粗糙度和不完美的平面度。由於電極對的電容取決於電極之間的距離，因而在添加的厚度不顯著地改變電容或者使得電容性功率傳輸系統移出操作範圍的情況下，可變形傳輸層的厚度被認為是「薄」的。
[0034]本文公開的一個實施例包括用於無線地接收來自發射器設備的功率的接收器設備，該發射器設備具有置於表面一側的發射器電極對，該接收器設備包括:接收器電極對，其用於與發射器電極對電容稱合；以及可變形傳輸層，其置於接收器電極對中的每一個電極與所述表面的另一側之間；其中由功率驅動器生成的功率信號從發射器電極對無線地傳輸至接收器電極對以便對功率接收器設備中包括的負載供電。
[0035]上面的負載可以與功率接收器設備中的電感器串聯，其中功率信號的頻率基本上匹配功率接收器設備中的電感器的串聯諧振頻率以及第一和第二電容器之間的電容阻抗。
[0036]如上面所討論的，電容變化可以由表面粗糙度和/或表面的不理想平面度(即彎曲)造成。此外，如果機械地移除和/或移位接收器(拉拽或者推壓它)，那麼電容可能動態地變化。圖2A示出了具有設置在兩個接觸201和203之間的電介質(dielectricum) 202的理想電容器。應當指出的是，電介質是一種介電介質，其是電絕緣體並且可以由施加的電場極化。圖2B示出了實際情形中的電容器，其中第一接觸具有粗糙表面，並且因此在第一接觸201與電介質202之間存在空氣層204。如前面所提到的，空氣具有低得多的相對介電常數ε y導致電容的變化。
[0037]圖3示出了本發明的一個實施例，其中可變形傳輸層371、372置於接收器電極341、342中的每一個與面板表面330之間，發射器電極321、322駐留在該面板表面之下。為了實現用於高效功率傳輸的可變形傳輸層，選擇具有高L值的材料。可變形傳輸層材料的高L使由於接觸的表面粗糙度和不理想的平面度而引起的電容的變化最小化。在一個實施例中，可變形傳輸層由矽樹脂組成。
[0038]圖3圖示出置於接收器電極341、342中的每一個與面板表面330之間的可變形傳輸層371、372。可變形傳輸層同樣地可以置於發射器電極321、322與面板之間。
[0039]如圖4Α和圖4Β中所示，依照本發明的一個實施例，可變形傳輸層481用作接觸表面與電介質之間的中間層以便最小化由於表面粗糙度和/或表面的不理想平面度而引起的對於電容器值的影響。圖4Α示出了可變形傳輸層481置於第一接觸與電介質之間。可變形傳輸層481裝配到電介質與第一接觸之間的任何粗糙或不均勻表面區域中。圖4Β示出了可變形傳輸層481符合電介質和第一接觸的接觸表面的曲率。儘管圖4Α和圖4Β示出了在第一接觸與電介質之間利用可變形傳輸層481，但是類似地可以在第二接觸與電介質之間或者在這兩者之間利用可變形傳輸層481。
[0040]在一個實施例中，可變形傳輸層為彈性層。彈性材料可以在不存在力的情況下返回到其原始形狀。不同的實施例利用可以通過施加力將其帶回到其原始形狀的諸如柔性和順應材料以及可變形材料之類的其他材料。
[0041]如圖5中所示，依照本發明的一個實施例，可變形傳輸層581用作電介質層的替代物。由於電介質層為薄層，因而系統對於該層發生的損壞非常敏感。
[0042]在另一個實施例中，可變形傳輸層為柔軟的導電層。在該實施例中，可變形傳輸層為一片導電泡沫。該柔軟的導電層有利地降低了不均勻或粗糙的表面對於發射器和接收器電極之間的電容的影響。
[0043]圖6示出了其中腔室681在可變形傳輸層680內部建立並且腔室填充有液體(例如水)的實施例，所述液體具有值為80的高ε r0
[0044]在另一個實施例中，水凝膠層用作可變形傳輸層，因為水凝膠是可變形的並且水凝膠的最大體積率為具有高L的水。也可以使用具有高L的其他凝膠。
[0045]儘管較為詳細地且特別地關於若干描述的實施例描述了本發明，但是並不預期其應當限於任何這樣的細節或實施例或者任何特定實施例，而是應當參照所附權利要求書對其詮釋以便提供考慮到現有技術的對於這樣的權利要求書的最廣泛的可能解釋，並且因此有效地涵蓋本發明的預期範圍。此外，前面根據本發明人預知的、授權說明對其可用的實施例描述了本發明，但是當前未預知的本發明的非實質性修改仍然可以表示其等效物。
【權利要求】
1.一種功率接收器設備，用於無線地接收來自發射器設備的功率，該發射器設備具有置於表面(330 ) —側的發射器電極對(321，322 )，該功率接收器設備包括: 接收器電極對(341，342)，其用於與發射器電極對(321，322)電容耦合；以及 可變形傳輸層(371,372),其置於接收器電極對中的每一個電極與所述表面的另一側之間； 其中由功率驅動器(110)生成的功率信號從發射器電極對(321，322)無線地傳輸至接收器電極對(341，342)以便對功率接收器設備中包括的負載(150)供電。
2.權利要求1的功率接收器設備,其中可變形傳輸層由彈性材料製成。
3.權利要求1的功率接收器設備，其中可變形傳輸層由高介電常數材料製成。
4.權利要求1的功率接收器設備，其中可變形傳輸層由矽樹脂製成。
5.權利要求1的功率接收器設備，其中可變形傳輸層由導電材料製成。
6.權利要求1的功率接收器設備，其中可變形傳輸層由水凝膠製成。
7.權利要求1的功率接收器設備，其中可變形傳輸層(680)包括多個腔室(681)並且其中這些腔室填充有液體。
8.權利要求7的功率接收器設備，其中所述液體為水。
9.權利要求1的功率接收器設備，其中負載(150)與功率接收器設備中的電感器(160)串聯，其中功率信號的頻率基本上匹配功率接收器設備中的電感器(160 )的串聯諧振頻率以及與發射器電極對(321，322)耦合的接收器電極對(341，342)的電容阻抗。
【文檔編號】H02J17/00GK103733478SQ201280039859
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年8月13日 優先權日:2011年8月16日
【發明者】T.J.P.範登比格拉亞爾, O.H.維勒姆森, D.W.範戈爾, E.瓦芬施米特, A.塞姆佩, L.R.R.德斯梅特, H.T.範登贊登 申請人:皇家飛利浦有限公司