用於無線功率發送和接收的設備的製作方法
2023-05-24 19:55:11 1
專利名稱：用於無線功率發送和接收的設備的製作方法
技術領域：
下面的描述涉及無線電力傳輸。
背景技術：
由於可攜式電子裝置的使用增加，所以有線電源變得不方便。為了克服有線電源的不便利性和傳統電池的有限容量，已經對短距離無線電力傳輸進行了研究。短距離無線電力傳輸可以以指定的操作頻率使用發送線圈產生磁場，並且可通過在接收線圈中產生電流電流來發送存儲在產生的磁場中的能量。無線電力傳輸方案可利用射頻(RF)裝置的諧振的性能。一種基於諧振性能的無線電力傳輸系統可包括提供功率的源和接收功率的目標。
發明內容
根據一方面，一種無線功率發送器可包括:一個或多個電容器；功率輸入單元，被構造為從電源接收功率並對所述一個或多個電容器進行充電；發送單元，被構造為發送諧振功率；開關單元，被構造為控制所述一個或多個電容器與功率輸入單元和發送單元的電連接。功率輸入單元可被構造為接收從DC電源或AC電源輸入的功率以對電容器進行充電。開關單元可被構造為控制電連接，使得所述一個或多個電容器中沒有電容器同時電連接到功率輸入單元和發送單元。開關單元可包括與所述一個或多個電容器分別對應的一個或多個開關，並且所述一個或多個開關控制所述一個或多個電容器在功率輸入單元和發送單元之間的電連接。所述無線功率發送器還可包括控制器，所述控制器被構造為通過感測存儲在所述一個或多個電容器中的功率控制充電時間、發送時間或者充電時間和發送時間二者，其中，在所述充電時間期間所述一個或多個電容器電連接到功率輸入單元，在所述發送時間期間所述一個或多個電容器電連接到傳輸單元。控制器可被構造為控制發送時間使得所述一個或多個電容器被放電成電平低於
預定值。控制器可被構造為控制充電時間使得所述一個或多個電容器被充電成電平高於或等於預定電平。開關單元可被構造為選擇性地(i)對所述一個或多個電容器進行充電，和(ii)將功率從充電的一個或多個電容器釋放到發送單元。根據一方面，一種無線功率接收器可包括:一個或多個電容器；接收單元，被構造為接收諧振功率並對所述一個或多個電容器進行充電；功率輸出單元，被構造為將功率發送到目標裝置；開關單元，被構造為控制所述一個或多個電容器與接收單元和功率輸出單元的電連接。
開關單元可被構造為控制電連接，使得所述一個或多個電容器中沒有電容器同時電連接到接收單元和功率輸出單元。目標裝置可包括電池。所述無線功率接收器還包括控制器，所述控制器被構造為通過感測存儲在所述一個或多個電容器中的功率控制充電時間、發送時間或者充電時間和發送時間二者，其中，在所述充電時間期間所述一個或多個電容器電連接到接收單元，在所述發送時間期間所述一個或多個電容器電連接到功率輸出單元。可在充電時間和發送時間之間存在等待時間。控制器可被構造為控制充電時間使得所述一個或多個電容器被充電成電平高於或等於預定電平。控制器可被構造為控制發送時間使得所述一個或多個電容器被放電成電平低於
預定值。開關單元可被構造為選擇性地(i)對所述一個或多個電容器進行充電，和(ii)將功率從充電的一個或多個電容器釋放到傳輸單兀。根據一方面，一種無線電力傳輸系統可包括:功率輸入單元，被構造為從電源接收功率並對一個或多個第一電容器進行充電；發送單元，被構造為發送諧振功率；第一開關單元，被構造為控制所述一個或多個第一電容器與功率輸入單元和傳輸單元的電連接；接收單元，被構造為接收諧振功率以對一個或多個第二電容器進行充電；功率輸出單元，被構造為將功率發送到目標裝置；第二開關單元，被構造為控制所述一個或多個第二電容器與接收單元和功率輸出單元的電連接。第一開關單元可被構造為控制電連接，使得所述一個或多個第一電容器中沒有電容器同時電連接到功率輸入單元和發送單元；第二開關單元可被構造為控制電連接，使得所述一個或多個第二電容器中沒有電容器同時電連接到接收單元和功率輸出單元。第一開關單元和第二開關單元可是非同步的，並被構造為分別控制所述一個或多個第一電容器與功率輸入單元和傳輸單元的電連接以及所述一個或多個第二電容器與接收單兀和功率輸出單兀的電連接。根據一方面，一種無線功率發送器可包括:一個或多個電容器；電源，可連接到所述一個或多個電容器長達第一時間段以對所述一個或多個電容器進行充電；電路，可連接到所述一個或多個電容器長達第二時間段以發送諧振功率。第一時間段可不與第二時間段重疊。第一時間段和第二時間段可為固定的或可為可變的。電源可包括AC電源。所述一個或多個電容器可並聯布置。根據一方面，無線功率接收器的一部分可包括:一個或多個電容器；無線功率接收電路，可電連接到一個或多個電容器以形成諧振電路並對所述一個或多個電容器進行充電；負載，與所述無線功率接收電路的所述一部分電分開，並且當所述一個或多個電容器沒有電連接到所述無線功率接收電路的所述部分時，所述負載可電連接到所述一個或多個電容器。所述負載可包括電池。
所述一個或多個電容器可並聯布置。所述一個或多個電容器可電連接到所述無線功率接收電路的所述部分長達第一時間段，並可電連接到所述負載長達第二時間段。第一時間段和第二時間段可為固定的或可變的。第一時間段可與第二時間段不同。根據一方面，一種無線電力傳輸系統可包括:電源，電連接到一個或多個第一電容器長達第一時間段以對所述一個或多個第一電容器進行充電；無線功率發送電路的一部分，與電源電分開並可電連接到所述一個或多個第一電容器長達第二時間段以形成諧振電路；無線功率接收電路的一部分，可電連接到一個或多個第二電容器以形成諧振電路並對所述一個或多個第二電容器進行充電；負載，與所述無線功率接收電路的所述一部分電分開，並且當所述一個或多個第二電容器沒有電連接到所述無線功率接收電路的所述一部分時，所述負載可電連接到所述一個或多個第二電容器。第一時間段可不與第二時間段重疊。通過下面的詳細描述、附圖和權利要求，其它特徵和方面將是清楚的。
圖1是示出傳統短距離無線電力傳輸系統的等效電路的示圖。圖2是示出無線功率發送器的框圖。圖3是示出無線功率接收器的框圖。圖4是示出無線電力傳輸系統的框圖。圖5是示出無線電力傳輸系統的等效電路的示圖。圖6是示出當無線功率發送器中包括兩個並聯布置的電容器時開關的操作和存儲的能量的示圖。圖7是示出當無線功率接收器中包括兩個並聯布置的電容器時開關的操作和存儲的能量的示圖。圖8是示出在多個無線功率發送器和多個無線功率接收器之間的諧振功率傳輸的示圖。圖9是示出無線功率發送方法的流程圖。圖10是示出無線功率接收方法的流程圖。在整個附圖和詳細的描述中，除非另外描述，相同的附圖標號應該被理解為表示相同或相似的元件、特徵和結構。為了清晰、說明和方便，可誇大這些元件的相對尺寸和描述。
具體實施例方式提供下面的詳細描述以幫助讀者能夠全面理解這裡描述的方法、設備和/或系統。因此，在此描述的系統、設備和/或方法的各種修改、變型和等同物可被推薦給本領域的普通技術人員。描述的處理步驟和/或操作的進行是示例，然而，步驟和/或操作的順序不限於在此闡述的順序，而可如本領域所知地進行改變，除非步驟和/或操作必須按特定順序發生。另外，為了更清晰和簡潔，可省略對公知功能和構造的描述。
無線電力傳輸可應用於各種系統。例如，這種系統的示例可包括手機的無線充電器、無線電視(TV)等。無線電力傳輸也可以應用於生物/健康保健領域。具體地講，無線電力傳輸可用於將功率發送到嵌入在人體內或位於人體附近的裝置。例如，心率測量裝置可被構造為無需有線連接的一種繃帶。在一個實施例中，無線電力傳輸可被用於不包括電源的信息存儲裝置的遠程控制。並且，在另一實施例中，無線電力傳輸可應用於將功率遠程提供給信息存儲裝置並無線讀取存儲在該信息存儲裝置中的信息的系統。圖1示出了傳統的短距離無線電力傳輸系統的等效電路。這裡，可假設使用圖1中示出的無線電力傳輸系統傳輸的無線功率為諧振功率。如圖1所示，無線電力傳輸系統可包括源和目標(target)。無線電力傳輸系統可包括與源對應的無線功率發送器和與目標對應的無線功率接收器。例如，無線功率發送器可包括源單元110和源諧振器(resonator) 120。源單元110可被構造為從電源接收能量或者可包括產生諧振功率的電源。源諧振器120可被構造為將電磁能發送到目標諧振器130。具體地講，源諧振器120可被構造為通過與目標諧振器130的磁耦合來發送諧振功率。基於相應的物理性能，源單元110可被建模為包括電源Vin和內阻Rin，源諧振器120可被建模為包括電路元件、電阻R1、電感器L1和電容器Q。無線功率接收器可包括目標諧振器130和目標單元140。目標諧振器130可從源諧振器120接收電磁能。目標諧振器130可被構造為通過與目標諧振器130的磁耦合接收諧振功率。目標單元140可被構造為將接收的諧振功率發送到負載，或者可包括負載。目標諧振器130可被建模為包括電路元件、電阻器R2、電感器L2和電容器C2,並且目標單元可被建模為目標ZlMd。如圖1所示，源單元110連接到源諧振器120，並且目標諧振器130連接到目標單元140。為了提高效率，無線電力傳輸系統可被如下的執行。首先，可基於源諧振器120和目標諧振器130之間的距離，將源諧振器120和目標諧振器130之間的操作頻率進行匹配。使傳輸效率最大的頻率可基於源諧振器120和目標諧振器130之間的距離而改變。因此，可隨著源諧振器120和目標諧振器130之間的距離變化而調整操作頻率。其次，可在無線功率發送器和無線功率接收器二者執行阻抗匹配。可執行阻抗匹配使得從電源發送到源諧振器120的功率最大化並且使從目標諧振器130發送到目標的功率最大化。另一方面，當阻抗不匹配時，諧振功率可能會被反射，並且傳輸效率會降低。可基於源諧振器120和目標諧振器130的特性、目標的阻抗以及將在源諧振器120和目標諧振器130之間被傳輸諧振功率到的信道的特性(例如，距離和/或傳輸介質等)，來執行阻抗匹配。第三，可在無線功率發送器中使用傳輸放大器，並且可在無線功率接收器中使用整流器。因此，可能需要增大功率放大器的效率來提高傳輸效率。因此，圖1中的無線電力傳輸系統可被構造為基於操作環境的變化(諸如諧振器之間的距離變化和目標的改變)將頻率進行匹配並執行阻抗匹配，並可使用有效的功率放大器和有效的整流器來提高傳輸效率。圖2示出了根據這裡公開的一個或多個的實施例的無線功率發送器。
如圖2所示，無線功率發送器可包括功率輸入單元210、開關單元220、發送單元230和控制器240。功率輸入單元210可被構造為從電源接收功率或者可包括電源，以對一個或多個電容器進行充電。例如，如果使用多個電容器，則可以以並聯的方式布置所述多個電容器。儘管將理解的是電容器也可以以串聯的方式布置，或者甚至可以以並聯和串聯組合的方式布置。功率輸入單元210可被構造為接收從DC電源或AC電源輸入的功率或者可包括DC電源或AC電源，以對一個或多個電容器進行充電。例如，功率輸入單元210可被構造為使用DC電源直接對電容器進行充電。當使用AC電源時，功率輸入單元210可被構造為使用AC/DC轉換器將AC功率轉換成DC功率，或者可添加開關並調整適當的時間來激活開關以對電容器進行充電。開關單元220可包括與一個或多個電容器分別對應的一個或多個開關(或開關元件)，並可構造為單獨地控制每個電容器的開關。開關或開關元件可包括各種機電開關(例如，接觸、撥動(toggle)、閘刀、傾斜等)或電開關(例如，螺線管、繼電器或諸如電晶體開關、可控矽整流器或三端雙向可控矽開關的固態元件)。當然，其它類型的開關也是可行的。在各種實施例中，開關可被構造為在分別允許和防止電(功率)的流動的ON位置和OFF位置之間進行選擇。因此，開關控制與一個或多個電容器的電連接和/或從一個或多個電容器的電連接，從而能夠對所述一個或多個電容器進行充電和放電。例如，開關單元可被構造為為例如選擇性地(i)對一個或多個電容器進行充電；(ii)從充電的一個或多個電容器釋放功率。開關單元可由控制器進行控制。在無線功率發送器的一個實施例中，開關單元220可被構造為控制一個或多個電容器與功率輸入單元210和/或發送單元230的電連接。例如，響應於控制器240，開關單元220可被構造為選擇性地切換一個或多個電容器在功率輸入單元210和發送單元230之間的電連接。例如，所述切換可基於對電容器進行充電的充電時間和/或將存儲在電容器中的功率發送到源諧振器的發送時間。在對一個或多個電容器進行充電的充電時間期間，開關單元220可將電容器連接到功率輸入單元210。例如，一個或多個電容器可通過一個或多個開關的閉合/斷開操作連接到功率輸入單元210。在電容器連接到功率輸入單元210的同時，電容器可與發送單元230分開。因此，功率輸入單元210和發送單元230可通過開關單元220的開關操作而相互電分離(或隔離)。可通過將一個或多個充電的電容器電連接到源諧振器，來執行將存儲在電容器中的功率發送到源諧振器的處理。在發送時間期間，開關單元220可將一個或多個充電的電容器連接到發送單元230。一個或多個充電的電容器可僅電連接到發送單元230，因此，功率輸入單兀210可與發送單兀230電分尚並隔尚。開關單元220可被構造為將一個或多個電容器選擇性地連接到功率輸入單元210或發送單元230。在一些實施方式中，充電成電平高於或等於預定電平的電容器可連接到發送單元230，充電成電平低於預定電平的電容器可連接到功率輸入單元210。在實施例中，通常沒有電容器同時連接到功率輸入單元210和發送單元230。儘管也不是總是這種情況。開關單元220可在電容器連接到功率輸入單元210預定時間之後將該電容器連接到傳輸單元230。並且，開關單元220可控制開關以使充電時間和發送時間交替。例如，可基於電源的充電能力來確定充電時間。如果電源具有快速的充電能力，則充電時間可較短。可基於由於諧振功率發送而存儲在電容器中的功率的放電程度來確定發送時間。可基於存儲在電容器中的功率的放電速度來確定發送時間，其中，發送時間也表示放電時間。開關單元220可被構造為控制開關以防止針對每個電容器的充電時間和發送時間相互重疊。這是因為當充電時間和發送時間相互重疊時，功率輸入單元210和發送單元230可相互物理且電連接。並且，當功率輸入單元210和發送單元230相互物理且電連接時，會產生使性能劣化的因素，諸如阻抗不匹配等。發送單元230可被構造為將諧振功率發送到目標諧振器。在一些實施例中，例如，諧振功率可通過磁耦合來被發送。其它的諧振功率發送方法也是可行的。當充電的電容器通過開關單元220電連接到源諧振器時，發送單元230可例如通過磁耦合發送存儲在充電的電容器中的功率。控制器240可被構造為感測存儲在電容器中的一個或多個電容器中的功率並可控制電容器中的一個或多個電容器的充電時間和發送時間。例如，控制器240可感測存儲在連接到功率輸入單元210的多個電容器中的功率。當多個電容器被充電成電平高於或等於預定電平時，它們可連接到傳輸單元230。預定電平可設置成電容器的最大充電電平，或者預定電平可設置成基於電容器的穩定性確定的值。因此，控制器240可被構造為感測存儲在電容器中的連接到傳輸單元230的一個或多個電容器中的功率。當電容器被充電成電平低於或等於預定值時，它們可連接到功率輸入單元210。預定值例如可為零。控制器240可被構造為檢測在多個電容器中充電成電平低於預定值的一個或多個電容器。控制器240可控制檢測的電容器將被電源進行充電的充電時間。例如，控制充電時間可表示控制檢測的電容器以將被連接到功率輸入單元210。此外，控制器240可被構造為檢測在多個電容器中充電成電平高於或等於預定電平的一個或多個電容器。例如，控制器240可控制存儲在檢測的電容器中的功率將發送到源諧振器的發送時間。控制發送時間可表示控制檢測的電容器以將被連接到發送單元230。控制器240可控制充電時間並連續對多個電容器進行充電，直到電容器中的一個或多個電容器被充電至高於或等於預定電平的電平。另外，控制器240可控制充電時間並優選地對多個電容器中的一個或多個電容器進行充電，以對它們進行充電。控制器240可控制發送時間，直到連接到源諧振器的多個電容器的功率由於無線功率發送而降低至低於預定值的電平。例如，控制器240可控制將連接到源諧振器的電容器用於放電的發送時間。並且，開關單元220可控制開關，使得電容器基於發送時間連接到源諧振器。當一個或多個充電的電容器的功率降低至低於或等於預定值的電平時，控制器240可被構造為控制那些電容器被電源充電的充電時間，以將它們的功率重新充至預定值(即，對它們進行再充電)。而且，控制器240可被構造為控制放電的電容器將被電源充電的充電時間，並且開關單元220可控制開關使得放電的電容器連接到電源。在無線功率發送器中，功率輸入單元210和發送單元230可通過開關單元220相互電分離，並且可使用並聯布置的一個或多個電容器。功率輸入單元210可被構造為對連接到功率輸入單元210的一個或多個電容器進行充電，並且發送單元230可利用諧振無線發送存儲在電容器中的功率。由於功率輸入單元210和發送單元230電分離，所以無線功率發送器的操作環境的變化應該不會對它們產生不利的影響。因此，在不使用功率放大器的情況下，功率輸入單元210可使用一個或多個電容器對目標裝置提供足夠的功率。圖3示出了無線功率接收器。如圖3所示，無線功率接收器可包括接收單元310、開關單元320、功率輸出單元330和控制器340。接收單元310可被構造為利用諧振無線地接收功率並對一個或多個電容器進行充電。如果包括多個電容器，則多個電容器可以按照並聯的方式布置。儘管將理解的是電容器也可以按串聯方式布置，或者甚至以並聯和串聯組合的方式布置。開關單元320可被構造為基於用於對電容器進行充電的充電時間和/或用於將存儲在一個或多個電容器中的功率發送到目標裝置的發送時間來控制與一個或多個電容器分別對應的開關。開關單元320可包括與一個或多個電容器分別對應的一個或多個開關(或開關元件)並被構造為單獨控制每個電容器的開關。開關或開關元件可包括與開關單元220 (圖2)相似的元件。在各種實施例中，開關可被構造為在分別允許和防止電(功率)的流動的ON位置和OFF位置之間進行選擇。因此，開關控制與一個或多個電容器和/或從一個或多個電容器的電連接，因此能夠對所述一個或多個電容器進行充電和放電。例如，開關單元可被構造為例如選擇性地(i)對一個或多個電容器進行充電，並且(ii)從充電的一個或多個電容器釋放功率。開關單元可由控制器控制。 在無線功率接收器的一個實施例中，開關單元320可被構造為控制電容器中的一個或多個電容器與接收單元310和/或功率輸出單元330的電連接。例如，響應於控制器340，開關單元320可被構造為可選擇性地切換一個或多個電容器在接收單元310和功率輸出單元330之間的電連接。在充電時間期間，開關單元320可將將被充電的一個或多個電容器連接到接收單元310。例如，將被充電的電容器可通過開關的閉合/斷開操作連接到接收單元310。並且，在將被充電的電容器連接到接收單元310的同時，所述電容器與功率輸出單元330分開。因此，接收單元310和功率輸出單元330可通過開關單元320的切換操作彼此電分離。可通過將充電的電容器連接到目標裝置，來執行將存儲在充電的電容器中的功率發送到目標裝置。在發送時間期間，開關單元320可將充電的電容器電連接到功率輸出單元330。充電的電容器可電連接到功率輸出單元330，並且接收單元310可與功率輸出單元330電分離(或隔離)。在一些實施例中，可基於使電容器充電至高於或等於預定電平的電平所花費的時間確定充電時間。還可以基於源諧振器發送的諧振功率的量或者目標諧振器接收的且用於對電容器充電的功率的量來確定充電時間。可基於發送到目標裝置的功率的量確定傳輸時間。例如，可基於存儲在電容器中的功率的放電速度確定可與放電時間相同的發送時間。在一些實施例中，開關單元320可被構造為針對每個電容器控制開關使得在充電時間和發送時間之間具有等待時間。如果充電時間和發送時間相互重疊，則接收單元310和功率輸出單元330可物理且電連接。另一方面，當接收單元310和功率輸出單元330物理且電連接時，可產生使性能劣化的因素(諸如阻抗不匹配等)。因此，開關單元320可被構造為控制一個或多個開關使得發送時間在充電時間之後的預定時間開始。在一些情況下，開關單元320可被構造為控制一個或多個開關以使充電時間和發送時間交替。功率輸出單元330可被構造為將存儲在電容器中的功率發送到目標裝置或可包括目標裝置。由接收單元310充電的電容器可通過開關單元320連接到目標裝置。例如，功率輸出單元330可將存儲在電容器中的功率發送到目標裝置。控制器340可被構造為感測存儲在電容器中的功率並可控制充電時間和發送時間。控制器340可感測存儲在連接到接收單元310的電容器中的功率。並且，當電容器被充電至高於或等於預定電平的電平時，該電容器可連接到功率輸出單元330。例如，預定電平可為電容器的最大充電電平。可基於存儲的功率的一階微分是零還是接近零來確定電容器是否充電至最大充電電平。當目前存儲的功率和先前採樣時間的存儲功率之間的差小於指定值時，可確定或假設電容器被充電至最大充電電平。另外，控制器340可被構造成感測存儲在連接到功率輸出單元330的電容器的功率。當電容器被放電至小於預定值的電平時，該電容器可連接到接收單元310。例如，預定值可為零。並且當存儲的功率為零或接近零時，控制器340可控制用於將電容器充電至高於或等於預定電平的電平的充電時間。例如，控制充電時間可指示存儲在的功率為零或接近零的電容器連接到接收單元310。開關單元320可基於充電時間控制開關將放電的電容器連接到接收單元310。控制器340還可控制用於將存儲在充電至高於或等於預定電平的電平的電容器中的功率發送至目標裝置的發送時間。例如，控制發送時間可指示功率輸出單元330電容器是否被充電至高於或等於預定電平的電平。開關單元320可基於發送時間控制開關將充電的電容器連接到目標裝置。當由於至目標裝置的功率發送而使電容器放電時，控制器340可控制充電時間以使用接收的諧振功率對該電容器進行充電。在無線功率接收器中，接收單元310和功率輸出單元330可通過開關單元320相互電分開。一個或多個電容器可位於接收單元310和功率輸出單元330之間並通過開關單元320相互連接。這樣，接收單元310可對連接到接收單元310的一個或多個電容器進行充電。並且，功率輸出單元330可被構造為將存儲在一個或多個電容器中的功率發送到目標裝置。由於接收單元310和功率輸出單元330電分開，所以無線功率發送器的操作環境的改變通常不該會對它們產生不利影響。在不使用整流器的情況下，接收單元310可使用一個或多個電容器將足夠的功率發送到目標裝置。圖4示出了無線電力傳輸系統。如圖4所示，在無線電力傳輸系統中，功率輸入單元410和發送單元420相互物理且電分開，並且接收單元440和功率輸出單元450相互物理且電分開。功率輸入單元410可包括電源Vin和並聯布置的多個電容器。在圖4中，電容器被示出為具有與電池的形狀相似的形狀。功率輸入單元410可使用電源Vin對多個電容器進行充電。充電的電容器可通過切換操作411連接到發送單元420。發送單元420可被構造為通過源諧振器發送存儲在電容器中的功率。如標號413所表示的，當源諧振器通過與目標諧振器的磁耦合發送功率時，連接到傳輸單元420的電容器可被放電。放電的電容器可通過切換操作415連接到功率輸入單元410。可通過接收單元440的目標諧振器來接收通過源諧振器從發送單元420發送的諧振功率。例如，源諧振器和目標諧振器可通過預定信道430發送和接收諧振功率。預定信道430可包括源諧振器和目標諧振器之間的操作頻帶。接收單元440可包括圖4中表示的具有與電池的形狀相似的形狀的一個或多個電容器，並且可使用接收的諧振功率對所述一個或多個電容器進行充電。充電的電容器可通過切換操作441連接到功率輸出單元450。因此，功率輸出單元450可被構造為將存儲在連接到功率輸出單元450的電容器中的功率發送到目標裝置。隨著功率被發送到目標裝置，如標號443所示，電容器被放電。放電的電容器可通過切換操作445連接到接收單元440。功率輸入單兀410和發送單兀420可相互電分開。接收單兀440和功率輸出單兀450可相互電分開。換言之，源諧振器和電源Vin可相互電分開(或隔離)，並且目標諧振器和目標裝置可相互電分開(或隔離)。因此，可不需要執行基於操作環境的變化的頻率匹配和阻抗匹配。可基於存儲在連接到傳輸單元420的多個電容器中的功率確定從源諧振器發送的功率，並且可基於存儲在連接到功率輸出單元450的一個或多個電容器中的功率確定發送到目標裝置的功率。因此，與操作環境的變化無關，可基於電容器的充電和存儲在電容器中的功率的傳輸確定傳輸效率。圖5示出了無線電力傳輸系統的等效電路。如圖5所不,無線電力傳輸系統可包括功率輸入單兀510、第一開關單兀520、傳輸單元530、接收單元540、第二開關單元550和功率輸出單元560。功率輸入單元510可從電源接收功率或者包括電源，以對並聯布置的多個電容器進行充電。第一開關單元520可被構造為基於對多個電容器進行充電的第一充電時間以及將存儲在所述多個電容器中的功率發送到發送單元530的第一發送時間來控制多個第一開關。發送單元530可通過磁耦合將諧振功率發送到接收單元540。接收單元540可接收諧振功率以對一個或多個電容器進行充電。第二開關單元550可基於對一個或多個電容器進行充電的第二充電時間以及將存儲在所述一個或多個電容器中的功率發送到目標裝置LOAD的第二發送時間來控制多個第二開關。功率輸出單元560可被構造為將存儲在一個或多個電容器中的功率發送到目標裝置LOAD或者可包括目標裝置LOAD。目標裝置可包括功耗元件或節能元件,諸如電池。功率輸入單元510可包括電源Vin、內阻Rin和並聯布置的多個電容器Cu1.....C1,
no功率輸入單元510可利用電源Vin提供的功率對多個電容器進行充電。例如，多個電容器
Cljl.....C1, n可通過第一開關單元520連接到功率輸入單元510。當在第一開關單元520
中的開關521和525處於「0N」位置時，多個電容器Clil.....C1, n可連接到功率輸入單元
510。開關521和525可一起處於「0N」位置，或者可單獨地處於「0N」位置。發送單元530可包括具有基礎電路元件L1和R1以及多個電容器Cu.....Cun的
源諧振器。換言之，基礎電路元件L1和R1與多個電容器Clil.....Cun—起形成無線功率發
送電路。由功率輸入單元510充電的多個電容器Cu1.....Cun可通過第一開關單元520連
接到發送單元530。當在第一開關單元520中的開關523和開關527處於「0N」位置時，充
電的多個電容器Clil.....Cun可連接到發送單元530。例如，當電容器Clil連接到功率輸入
單元510時，電容器Cui不會同時連接到發送單元530。類似地，當電容器C1, n連接到功率輸入單元510時，電容器Cun不會同時連接到發送單元530。因此，第一開關單元520可將開關521和開關523以規則的間隔切換到「ON」位置。發送單元530可發送存儲在連接到它的多個電容器中的功率。例如，可使用諧振無線地發送功率。接收單元540可包括具有基礎電路元件L2和R2以及電容器C2il.....C2,m的目標
諧振器。換言之，基礎電路元件L2和R2與電容器C2il.....C2, m—起形成無線功率接收電
路。儘管圖5示出了多個電容器C2il.....C2, m，但是也可以使用單個電容器代替。接收單
元540可使用從發送單元530接收的諧振功率對電容器C2il.....C2,m進行充電。例如，電
容器C2il.....C2, m可通過第二開關單元550連接到接收單元540。當在第二開關單元550
中的開關553和開關557處於「0N」狀態時，電容器C2il.....C2, m可連接到接收單元540。
開關553和開關557可一起處於「0N」位置，或者可單獨地處於「0N」位置。功率輸出單元560可包括目標裝置LOAD。通過接收單元540進行充電的電容器
C2jl.....C2, ffl可通過第二開關單元550連接到功率輸出單元530。當在第二開關單元550
中的開關551和開關555處於「0N」位置時，電容器C2il.....C2, m可連接到功率輸出單元
560。例如，當電容器C2il連接到接收單元540時，電容器C2il不會同時連接到功率輸出單元560。類似地，當電容器C2, m連接到接收單元540時，電容器C2, m不會同時連接到功率輸出單元560。因此，第二開關單元550可以以規則的間隔使開關551和開關553切換到「0N」
位置。功率輸出單元560可包括目標裝置LOAD或者將存儲在電容器C2il.....C2,m中的功
率發送到目標裝置LOAD。第一開關單元520可針對每個電容器Cun控制開關525和527以防止第一充電時間和第一發送時間相互重疊。如果第一充電時間和第一發送時間相互重疊，則功率輸入單元510和傳輸單元530物理且電連接，因此，可能會發生不匹配。第二開關單元550可針對每個電容器C2,m控制第二開關555和557以防止第二充電時間和第二發送時間相互重疊。在一些實施例中，第一開關單元520和第二開關單元550可為非同步的，並可基於第一發送時間和第二發送時間分別控制開關523和開關527以及開關553和開關557。發送單元530僅發送諧振功率並且接收單元540僅接收諧振功率，因此，當在發送單元530中的開關523和開關527為ON時，在接收單元540中的開關553和開關557不會同時為0N。在其它實施例中，儘管開關可為同步的。圖6示出了當圖5中的無線功率發送器中包括兩個並聯布置的電容器時開關的操作和存儲的能量。圖5中的無線功率發送器可包括連接到功率輸入單元510或發送單元530的兩個電容器Cui和Cu。如圖6所示，充電開關表示連接到功率輸入單元510的開關，發送開關表示連接到發送單元530的開關。當電容器Cui的充電開關在時間段611工作時，電容器Cui的發送開關在時間段615不工作。因此，與電容器Cu相關的充電時間和發送時間不會相互重疊。當電容器Cu的充電開關在時間段613不工作時，電容器Cui的發送開關在時間段617工作。並且，當電容器Cui的充電開關在時間段611工作時，電容器Cui可在時間段619通過電源進行充電。一旦存儲在電容器Cui中的能量達到預定電平，則電容器Cu的發送開關可工作。當電容器Cia的發送開關在時間段617工作時，存儲在充電的電容器Cui中的功率可被發送到源諧振器，並且電容器Cu可在時間段621進行放電。當電容器Cui進行放電並且存儲的能量減少至低於或等於預定值時，電容器Cui的充電開關可再次工作。例如，電容器Cu和電容器Cui可被交替地充電和放電以將功率連續輸出到源諧振器。當電容器Cu的充電開關在時間段623不工作時，電容器Cu的發送開關在時間段627工作。當電容器Cli2的充電開關在時間段625工作時，電容器Cu2的發送開關在時間段629不工作。當電容器Cli2的充電開關在時間段625工作時，電容器Cli2可在時間段633通過電源進行充電。當存儲在電容器Cu中的能量達到預定電平時，電容器Cu2的發送開關可工作。當電容器Cu的發送開關在時間段627工作時，存儲在電容器Cu2中的功率可被發送到源諧振器，並且電容器Cu可在時間段631進行放電。當電容器Cu2放電且存儲的能量減少至小於或等於預定值時，電容器Cu2的充電開關可再次工作。通過重複地執行上述操作，能量可被連續地發送到源諧振器。這樣，源諧振器可在時間段635和637從電容器Cu和電容器Cu2連續接收能量。在一些實施例中，對於同一電容器，可在充電時間和發送時間之間插入等待時間639，以防止充電時間和發送時間相互重疊。圖7示出了當圖5中的無線功率接收器包括兩個並聯布置的電容器時開關的操作和存儲的能量。圖5中的無線功率接收器可包括連接到接收單元540或功率輸出單元560的兩個電容器如圖7所示，充電開關表示連接到接收單元540的開關，發送開關表示連接到功率輸出單元560的開關。當電容器C2il的充電開關在時間段711工作時，電容器C2il的發送單元在時間段715不工作。因此，與同一電容器相 關的充電時間和發送時間不會相互重疊。當電容器C2,!的充電開關在時間段713不工作時，電容器C2il的發送開關在時間段717工作。當電容器C2jl的充電開關在時間段711工作時，電容器C2il可在時間段719使用通過目標諧振器接收的諧振功率進行充電。當存儲在電容器C2il中的能量達到預定電平時，電容器C2il的發送開關可工作。當電容器Cu的發送開關在時間段717工作時，存儲在充電的電容器Cu中的功率可被發送到目標裝置，並且電容器C2il可在時間段721被放電。當電容器C2il被放電並且存儲的能量減少至小於或等於預定值時，電容器C2il的充電開關可再次工作。例如，電容器C2il和電容器C2,2可被交替地充電和放電以將功率連續地發送到目標裝置。當電容器C2,2的充電開關在時間段723不工作時，電容器C2,2的發送開關在時間段727工作。當電容器C2,2的充電開關在時間段725工作時，電容器C2,2的發送開關在時間段729不工作。當電容器C2,2的充電開關在時間段725工作時，可在時間段733使用通過目標諧振器接收的諧振功率對電容器C2,2進行充電。一旦存儲在電容器C2,2中的能量達到預定電平，則電容器C2,2的發送開關可工作。當電容器C2,2的發送開關在時間段727工作時，存儲在電容器C2,2中的功率可被發送到目標裝置，並且電容器C2,2可在時間段731被放電。當電容器C2,2被放電並且存儲的能量減少到小於或等於預定值時，電容器C2,2的充電開關可再次工作。通過重複地執行上述操作，功率可被連續發送到目標裝置。目標裝置可在時間段735和737從電容器C2il和電容器C2,2連續接收能量。在一些實施例中，對於同一電容器，可在充電時間和發送時間之間插入等待時間739以防止充電時間和發送時間相互重疊。圖8示出了多個無線功率發送器和多個無線功率接收器之間的諧振功率傳輸。如以上參照圖6和圖7所述，無線功率發送器和無線功率接收器可單獨地確定充電時間和發送時間。例如，無線功率發送器可確定充電時間和發送時間以提高發送效率。並且，無線功率接收器可確定充電時間和發送時間以提高接收效率。因此，即使無線功率發送器和無線功率接收器被單獨控制，也可以保持傳輸效率。在圖8中，示出了兩個無線功率發送器810和820以及三個無線功率接收器830、840和850。無線功率發送器810可將諧振功率發送到三個無線功率接收器無。例如，無線功率發送器810可被優化為在短時間內對多個電容器進行充電並通過源諧振器發送諧振功率。無線功率接收器830、840和850中的每個可被優化為或另外被構造為在短時間內使用接收的諧振功率對一個或多個電容器進行充電並將功率發送到目標裝置。因此，不管工作環境中的變化如何(諸如，目標裝置的距離和變化)，可保持傳輸效率。無線功率發送器820還可在保持傳輸效率的同時將諧振功率發送到三個無線功率接收器830、840和850。圖9示出了無線功率發送方法。在操作910，無線功率發送器可確定在連接到功率輸入單元的多個電容器中是否存在充電的電容器。當確定充電的電容器時，在操作920，充電的電容器可通過切換操作連接到發送單元。在操作930，發送單元可通過源諧振器發送從充電的電容器接收的功率。然而，當一個或多個電容器沒有被充分充電時，在操作940，功率輸入單元可對連接到功率輸入單元的一個或多個電容器進行充電。並且當充電的電容器(例如，由於諧振功率發送而)開始放電時，在操作950，放電的電容器可通過切換操作再次連接到功率輸入單元。在操作960，連接到功率輸入單元的放電的電容器可被充電。通過重複地執行上述操作(如果需要)，功率可被連續地發送到源諧振器。根據功率需求，電容器可被充分放電或部分放電。圖10示出了無線功率接收方法。在操作1010，無線功率接收器確定連接到接收單元的一個或多個電容器中是否存在充電的電容器。如果確定充電的電容器，則在操作1020，充電的電容器可通過切換操作連接到功率輸出單元。在操作1030，功率輸出單元可將從充電的電容器接收的功率發送到目標裝置。另一方面，如果電容器沒被充電，則在操作1040，接收單元可對連接到接收單元的電容器進行充電。然後可通過將功率發送到目標裝置來對充電的電容器進行放電，因此，在操作1050，充電的電容器可通過切換再次連接到接收單元。在操作1060，可對連接到接收單元的放電的電容器進行充電。通過重複地執行上述操作(如果需要)，功率可被連續地發送到目標裝置。根據功率需求，電容器可被充分放電或部分放電。上述實施例中的一個或多個可記錄在永久性計算機可讀介質上，所述介質包括實現由具有一個或多個處理器的計算機或計算裝置實施的各種操作的程序指令。所述介質還可以單獨包括數據文件和/或數據結構等，或者與程序指令組合地包括數據文件和/或數據結構等。永久性計算機可讀介質的示例可包括:磁介質，諸如硬碟、軟盤和磁帶；光介質，諸如CD ROM盤和DVD ;磁光介質，諸如光碟；硬體裝置，特別構造為存儲並執行程序指令，諸如只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)和/或閃速存儲器等。程序指令的示例既包括機器代碼(諸如編譯器產生的)又包括含有使用解釋器可由計算機執行的高級代碼的文件。描述的硬體裝置可被構造為實施為一個或多個軟體模塊，從而執行上述的示例實施例的操作，或者反之亦然。另外，永久性計算機可讀存儲介質可分布通過網絡連接的計算機系統中，並且永久性計算機可讀代碼或程序指令可以以分散的方式存儲和執行。以上已經描述了多個示例實施例。然而，應該理解的是，可進行各種變型。例如，如果按照不同的順序執行描述的技術和/或如果以不同的方式組合和/或用其他組件或它們的等價物代替或補充描述的系統中的組件、體系機構、裝置或電路，則可實現適合的結果。因此，其它實施方式在權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種無線功率發送器，所述無線功率發送器包括: 一個或多個電容器； 功率輸入單元，被構造為從電源接收功率並對所述一個或多個電容器進行充電； 發送單元，被構造為發送諧振功率；和 開關單元，被構造為控制所述一個或多個電容器與功率輸入單元和發送單元的電連接。
2.根據權利要求1所述的無線功率發送器，其中，功率輸入單元被構造為接收從DC電源或AC電源輸入的功率以對所述一個或多個電容器進行充電。
3.根據權利要求1所述的無線功率發送器，其中，開關單元被構造為控制電連接，使得所述一個或多個電容器中沒有電容器同時電連接到功率輸入單元和發送單元。
4.根據權利要求1所述的無線功率發送器，其中，開關單元包括與所述一個或多個電容器分別對應的一個或多個開關，並且所述一個或多個開關控制所述一個或多個電容器在功率輸入單元和傳輸單元之間的電連接。
5.根據權利要求1所述的無線功率發送器，所述無線功率發送器還包括: 控制器，被構造為通過感 測存儲在所述一個或多個電容器中的功率控制充電時間、發送時間或者充電時間和發送時間，其中，在所述充電時間期間所述一個或多個電容器電連接到功率輸入單元，在所述發送時間期間所述一個或多個電容器電連接到發送單元。
6.根據權利要求5所述的無線功率發送器，其中，控制器被構造為控制發送時間使得所述一個或多個電容器被放電成電平低於預定值。
7.根據權利要求5所述的無線功率發送器，其中，控制器被構造為控制充電時間使得所述一個或多個電容器被充電成電平高於或等於預定電平。
8.一種無線功率接收器，所述無線功率接收器包括: 一個或多個電容器； 接收單元，被構造為接收諧振功率並對所述一個或多個電容器進行充電； 功率輸出單元，被構造為將功率發送到目標裝置；和 開關單元，被構造為控制所述一個或多個電容器與接收單元和功率輸出單元的電連接。
9.根據權利要求8所述的無線功率接收器，其中，開關單元被構造為控制電連接，使得所述一個或多個電容器中沒有電容器同時電連接到接收單元和功率輸出單元。
10.根據權利要求8所述的無線功率接收器，其中，目標裝置包括電池。
11.根據權利要求8所述的無線功率接收器，所述無線功率接收器還包括: 控制器，被構造為通過感測存儲在所述一個或多個電容器中的功率控制充電時間、發送時間或者充電時間和發送時間，其中，在所述充電時間期間所述一個或多個電容器電連接到接收單元，在所述發送時間期間所述一個或多個電容器電連接到功率輸出單元。
12.根據權利要求11所述的無線功率接收器，其中，等待時間在充電時間和發送時間之間。
13.根據權利要求11所述的無線功率接收器，其中，控制器被構造為控制充電時間使得所述一個或多個電容器被充電成電平高於或等於預定電平。
14.根據權利要求11所述的無線功率接收器，其中，控制器被構造為控制發送時間使得所述一個或多個電容器被放電成電平低於預定值。
15.一種無線電力傳輸系統，所述無線電力傳輸系統包括: 功率輸入單元，被構造為從電源接收功率並對一個或多個第一電容器進行充電； 發送單元，被構造為發送諧振功率； 第一開關單元，被構造為控制所述一個或多個第一電容器與功率輸入單元和發送單元的電連接； 接收單元，被構造為接收諧振功率以對一個或多個第二電容器進行充電； 功率輸出單元，被構造為將功率發送到目標裝置；和 第二開關單元，被構造為控制所述一個或多個第二電容器與接收單元和功率輸出單元的電連接。
16.根據權利要求15所述的系統，其中: 第一開關單元，被構造為控制電連接，使得所述一個或多個第一電容器中沒有電容器同時電連接到功率輸入單元和發送單元；和 第二開關單元，被構造為控制電連接，使得所述一個或多個第二電容器中沒有電容器同時電連接到接收單元和功率輸出單元。
17.根據權利要求15所述的系統，其中: 第一開關單元和第二開關單元是非同步的，並被構造為分別控制所述一個或多個第一電容器與功率輸入單元和傳輸單元`
18.—種無線功率發送器，所述無線功率發送器包括: 一個或多個電容器； 電源，可連接到所述一個或多個電容器長達第一時間段以對所述一個或多個電容器進行充電；和 電路，可連接到所述一個或多個電容器長達第二時間段以發送諧振功率。
19.根據權利要求18所述的無線功率發送器，其中，第一時間段不與第二時間段重疊。
20.根據權利要求18所述的無線功率發送器，其中，第一時間段和第二時間段是固定的。
21.根據權利要求18所述的無線功率發送器，其中，第一時間段和第二時間段是可變的。
22.根據權利要求18所述的無線功率發送器，其中，電源包括AC電源。
23.根據權利要求18所述的無線功率發送器，其中，所述一個或多個電容器並聯布置。
24.一種無線功率接收器，所述無線功率接收器包括: 一個或多個電容器； 無線功率接收電路的一部分，可電連接到所述一個或多個電容器以形成諧振電路並對所述一個或多個電容器進行充電；和 負載，與所述無線功率接收電路的所述一部分電分開，並且當所述一個或多個電容器沒有電連接到所述無線功率接收電路時，所述負載可電連接到所述一個或多個電容器。
25.根據權利要求24所述的無線功率接收器，其中，所述負載包括電池。
26.根據權利要求24所述的無線功率接收器，其中，所述一個或多個電容器並聯布置。
27.根據權利要求24所述的無線功率接收器，其中，所述一個或多個電容器可電連接到所述無線功率接收電路長達第一時間段，並可電連接到所述負載長達第二時間段。
28.根據權利要求27所述的無線功率接收器，其中，第一時間段和第二時間段是固定的。
29.根據權利要求27所述的無線功率接收器，其中，第一時間段和第二時間段是可變的。
30.根據權利要求27所述的無線功率接收器，其中，第一時間段與第二時間段不同。
31.一種無線電力傳輸系統，所述無線功率傳輸系統包括: 電源，電連接到一個或多個第一電容器長達第一時間段以對所述一個或多個第一電容器進行充電； 無線功率發送電路的一部分， 與電源電分開並可電連接到所述一個或多個第一電容器長達第二時間段以形成諧振電路； 無線功率接收電路的一部分，可電連接到一個或多個第二電容器以形成諧振電路並對所述一個或多個第二電容器進行充電；和 負載，與所述無線功率接收電路的所述一部分電分開，並且當所述一個或多個第二電容器沒有電連接到所述無線功率接收電路的所述一部分時，所述負載可電連接到所述一個或多個第二電容器。
32.根據權利要求31所述的系統，其中，第一時間段不與第二時間段重疊。
33.根據權利要求1所述的無線功率發送器，其中，開關單元被構造為選擇性地(i)對所述一個或多個電容器進行充電，和(ii)將功率從充電的一個或多個電容器釋放到發送單元。
34.根據權利要求8所述的無線功率接收器，其中，開關單元被構造為選擇性地(i)對所述一個或多個電容器進行充電，和(ii)將功率從充電的一個或多個電容器釋放到發送單元。
全文摘要
提供了一種提高無線電力傳輸的效率的無線電力傳輸系統。無線功率發送器可包括一個或多個電容器；功率輸入單元，被構造為從電源接收功率並對所述一個或多個電容器進行充電；發送單元，被構造為發送諧振功率；開關單元，被構造為控制所述一個或多個電容器與功率輸入單元和發送單元的電連接。還描述了一種無線功率接收器。
文檔編號H02J7/34GK103109439SQ201180044592
公開日2013年5月15日 申請日期2011年8月8日 優先權日2010年9月15日
發明者金尚駿 申請人:三星電子株式會社