專利名稱：高效穩健的無線能量傳輸的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于無線能量傳輸的裝置和方法。
背景技術：
無線電力傳輸技術的探索與電力的發明一樣久遠。從特斯拉開始，并且通過20世紀期間巨大的技術發展，在此研究領域中很多的建議被提出并實現。已知進行無線能量傳輸的已制定的技術有近場和遠場耦合方式。近場示例可見于光波導、腔耦合器和諧振電感式變壓器。對于遠場示例，有電力傳播機制，其中電力被傳播到接收器處并轉換為可用的電能。盡管其達成了足夠高效率的能量傳輸，但這些技術仍存在短距離交感(近場耦合)、或遠場方法中視線要求的缺點。近來，可以看到兩個相同的典型諧振對象之間的微弱輻射的無線能量傳輸策略可以具有足夠高的效率。這種可行性來源于在電力傳輸領域使用耦合模式理論。在此研究中，Kurz等示出了無線能量可在兩米的范圍內被有效地傳輸，通常認為該區域為中等距離。此技術也被他人所采用，尤其是Intel，其中傳輸效率被從之前對于此距離取得的最佳的40%的效率極大地提聞到最近得到的75%左右的值。現今，大多數高效的無線能量傳輸裝置依賴于諧振約束。這樣的諧振約束一般意為當有意地或由于隨機噪聲而使得源的頻率從裝置的頻率偏移時，無線能量傳輸的效率將極大的降低。隨機噪聲可能是因為外部對象被靠近兩個線圈之一放置，這時諧振條件受到干擾，所以需要提供反饋電路以避免能量傳輸可能的降低。
發明內容
相比于上述的、對在由于諧振能量傳輸而產生的線圈附近的噪聲和其他干擾的敏感性，本實施方式通過如下文所解釋地采用用于被相干驅動的雙模系統的快速絕熱變遷(RAP)進程，提出了一種用于在兩個線圈之間進行穩健和高效的中等距離無線電力傳輸的技術。對于驅動進程的參數(諸如線圈諧振頻率和耦合系數變量)的變化，動態絕熱解決方案表現出是穩健且高效的。根據本發明的一個方面，提出了一種在源線圈和漏線圈之間傳輸能量的方法，包括設定源線圈的初始諧振頻率作為第一條件；設定源線圈和漏線圈彼此的相對位置以定義其間的初始耦合系數、初始耦合系數組成了第二條件；以及當將能量泵入源線圈時絕熱地改變由第一條件和第二條件組成的組中的至少一個成員，從而將所泵入的能量傳輸至漏線圈。在實施方式中，第一和第二條件均被絕熱地改變。 在實施方式中，第一條件被絕熱地改變。可選地，第二條件可被絕熱地改變。在實施方式中，源線圈是諧振電路的一部分，該諧振電路具有可變組件以使初始諧振頻率可以被改變。在實施方式中，源線圈和漏線圈相對于彼此是可移動的，從而允許初始耦合系數的改變。在實施方式中，在絕熱改變的任何給定時間處均存在解諧值，該解諧值是源線圈的諧振頻率的當前值和漏線圈的諧振頻率之間的差，而該絕熱改變提供了耦合系數(K (t))和解諧值(Λ (t))的平滑時間相關性。在實施方式中，絕熱改變包括履行涉及耦合系數和解諧值的絕熱條件κ( )Α( -κ( &( |4^2( )+Δ2(ι)] 1,2
■·
在實施方式中，稱合系數k(t)相對地大于損耗率(Γ ),其中，初始的和最終的解諧均相對地大于耦合系數，(r〈 K〈 Λ )。實施方式可包括改變源線圈的諧振頻率，以使解諧值(Δ⑴)(該解諧值是源線圈的諧振頻率與漏線圈的諧振頻率之間的差)緩慢地從負值(該負值大于源線圈和漏線圈之間的耦合)向正值(該正值大于源線圈和漏線圈之間的耦合)掃動。實施方式可包括修改所述改變以減少能量被保持在源線圈內的時間量。實施方式可包括在一毫秒和三毫秒之間的時間段上改變直至百分之十的量的源線圈的諧振頻率。實施方式可包括在超過二毫秒的時間段上改變直至百分之十的量的源線圈的諧振頻率。實施方式可包括在所述時間段上改變耦合系數。根據本發明的第二方面，提出了一種用于傳輸能量的裝置，包括源線圈，具有用于改變源線圈的諧振頻率的諧振改變電路；定位單元，用于改變源線圈的位置或方位，以改變源線圈和與源線圈無線耦合的各漏線圈的耦合系數；以及控制器，被配置為當將能量泵入源線圈時，絕熱地改變諧振頻率和耦合系數中的至少一個，從而將所泵入的能量傳輸至漏線圈。在實施方式中，諧振頻率和耦合系數均被絕熱地改變。在實施方式中，諧振頻率被絕熱地改變。在實施方式中，耦合系數被絕熱地改變。在實施方式中，定位單元可用于旋轉源線圈，從而允許絕熱地改變初始耦合系數。在實施方式中，在絕熱改變的任何給定時間處均存在解諧值，該解諧值是源線圈的諧振頻率的當前值和漏線圈的諧振頻率之間的差，而該絕熱改變提供了耦合系數(K (t))和解諧值(Λ (t))的平滑時間相關性。在實施方式中，稱合系數k(t)相對地大于損耗率(Γ ),其中，初始的和最終的解諧均相對地大于耦合系數，(Γ〈 K〈 Λ )。在實施方式中，控制器被配置為改變源線圈的諧振頻率，以使解諧值(Λ (t))(該解諧值是源線圈的諧振頻率與漏線圈的諧振頻率之間的差)緩慢地從負值(該負值大于源線圈和漏線圈之間的耦合)向正值(該正值大于源線圈和漏線圈之間的耦合)掃動。在實施方式中，控制器可用于修改所述改變以減少能量被保持在源線圈內的時間量。在實施方式中，控制器可用于在一毫秒和三毫秒之間的時間段上改變直至百分之十的量的源線圈的諧振頻率。在實施方式中，控制器可用于在超過二毫秒的時間段上改變直至百分之十的量的源線圈諧振頻率。在實施方式中，控制器可用于在所述時間段上改變耦合系數。
除非另外定義，本文所用的所有的技術和科學術語具有與本發明所屬領域技術人員通常的理解相同的含義。本文所提出的材料、方法和示例僅是示例性的并不意味著有所限制。本文所用的詞“示例的”意為“用作例子、實例或例證”。任何被描述為“示例的”實施方式不必解釋為比其他實施方式優選或有利和/或不必排除來自其他實施方式的特征的并入。本文所用的詞“可選地”意為“在某些實施方式中被提供而在其他實施方式中不被提供”。本發明的任何具體實施方式
可包括多種“可選的”特征，除非這些特征相互沖突。本發明的實施方式的方法和/或系統的實現方式可包括手工、自動或其結合地進行或完成所選任務。在此具體指包括設定傳輸參數的任務。此外，根據本發明的方法和/或系統的實施方式的實際使用設備和裝置，一些所選任務可利用操作系統通過硬件、通過軟件、或通過固件或其組合實現。例如，用于進行根據本發明實施方式的所選任務的硬件可被實現為芯片或電路。作為軟件，根據本發明實施方式的所選任務可被實現為由使用任何適當的操作系統的計算機執行的多個軟件指令。在本發明示例實施方式中，根據本文所述的方法和/或系統的示例實施方式的一個或多個任務通過諸如用于執行多個指令的運算平臺的數據處理器進行。可選地，數據處理器包括用于存儲指令和/或數據的易失性存儲器和/或用于存儲指令和/或數據的非易失性存儲器，例如磁硬盤和/或可移動介質。可選地，網絡連接也被提供。顯示器和/或諸如鍵盤或鼠標的用戶輸入裝置也被可選地提供。
參照附圖，本文僅通過示例描述本發明。現關于對詳細附圖的具體的引用，強調所示的細節是通過示例、僅出于對本發明優選實施方式的例證性的討論的目的而被示出，并且這些細節的呈現為了提出被認為是最有用并易于理解的、本發明原理和概念方面的描述。基于這種理念，并未嘗試超出對本發明基本理解所需地更詳細地示出本發明的結構細節，帶有圖的說明使本領域技術人員清楚地了解本發明的一些形式是如何在實際中被實施的。在圖中圖IA是示出根據先前技術利用靜態諧振頻率在兩個線圈系統上無線地傳輸電力以向裝置供電的系統的簡化圖；圖IB是根據本發明的第一實施方式利用諧振頻率或耦合系數隨時間絕熱地變化來在兩個線圈系統上無線地傳輸電力以向裝置供電的系統的簡化圖；圖IC是示出利用本發明實施方式在源線圈和漏線圈之間傳輸能量的方法的流程圖；圖2A至圖2D是對比在有和沒有本實施方式的輔助的情況下兩線圈之間的能量傳輸的一系列曲線圖；圖3是示出對比于根據先前技術的靜態諧振頻率，根據本實施方式施加至源線圈的諧振頻率隨時間的一系列絕熱掃動的曲線圖；圖4示出對于第一組系數兩個相鄰的曲線圖，對比分別為根據本實施方式的RAP系統和根據先前技術的基于諧振的系統的、均作為靜態解諧的函數的效率和有效能量消耗；圖5示出了對于第二組系數的兩個相鄰的曲線圖，對比分別為根據本實施方式的 RAP系統和根據先前技術的基于諧振的系統的、均作為靜態解諧的函數的效率和有效能量消耗；圖6、圖7、圖8A和圖8B示出了作為耦合與源線圈和漏線圈的衰減率rD=rs的函數的效率系數n的等值線圖；圖9Α示出模擬結果，其中，根據本發明的實施方式耦合和解諧作為時間的函數被畫出；圖9Β示出與圖9Α相同模擬的結果，其中，線圈間的能量傳輸作為時間的函數被畫出；圖10是其中根據本發明的實施方式在模擬中能量傳輸率對應靜態解諧被畫出的簡化圖；圖11是示出根據本實施方式的另一模擬的、作為時間的函數的能量傳輸的圖。圖12示出得到表I中所示結果的、本發明的原型實施方式。圖13是示出根據本實施方式及根據先前技術的不同耦合技術的動態的對比圖；以及圖14是示出圖13中的不同耦合技術動態的微分的曲線圖。
具體實施例方式本實施方式包括通過將用于被相干驅動的二態原子的快速絕熱變遷進程(RAP)采用到無線能量傳輸領域、在兩個線圈之間進行高效且穩健的中等距離無線電力傳輸的技術。該策略可在對線圈附近存在的諧振約束、噪聲和其他干擾不敏感的情況下在線圈之間傳輸能量。本實施方式因此采用絕熱耦合的條件，該耦合條件例如是耦合系數和諧振頻率。申請人所知的先前技術，與之相比仍采用固定耦合的條件。根據本發明的裝置和方法的原理和操作通過參照圖和所附說明可被更好地理解。在詳細解釋本發明的至少一種實施方式之前，參照圖IA提供雙耦合模式理論和諧振解決方案的概述。雙耦合模式理論也被稱為二態原子模擬。現參照圖1Α，圖IA示出了被設計用于在其間進行無線能量傳輸的兩個線圈10和
12。源線圈10是驅動電路的一部分并且被周期性地再充電，同時能量穿過空間被無線地傳輸至裝置線圈12。在圖IA中如先前技術實現的諧振解決方案，從源到裝置的高效傳輸只有當ω5=ωΒ時才會發生。否則，或對于存在噪聲的情況，能量傳輸可能會不良。在強耦合方式下兩個線圈之間的交感由耦合模式理論所描述。在該進程中，下面的等式描述了兩個典型線圈的動態
「00681 I·! %'叫=—A cW ][% W] /A
. Kil) (O^ITir J U0 (I)J5其中，變量as(t)和aD(t)被定義為使得源中所包含的能量是I a s (t) |2而漏中包含的能量是I aD(t) I2，1^和rD分別是源線圈和漏線圈的固有衰減率，衰減一般是由于吸收和輻射損耗。功可通過rw的形式從所述裝置中提取出來。源線圈和漏線圈的頻率是ω5α)和ω D (t)，并清楚地如下給出
·
{,) = 1/其中，Ls，D(t)和Cs，D(t)分別是源線圈和漏線圈的電感和電容。兩線圈之間的耦合系數被標記為K (t)并如下給出r(f) = M (|) 1^44^44
U 1 ^1,( Ι ( -其中M(t)是兩線圈的互感。等式(I)等價于用于二態原子的、被寫為旋波近似形式的薛定諤等式，其中，變量as(t)和aD(t)分別是用于基態(等價于源線圈)和激發態(等價于漏線圈)的概率幅度。在二態原子的情況下，耦合系數(矩陣方程中的非對角線元素)與原子躍遷偶極距d12和激光電場幅度E(t)成比例；8卩Ω (t)=d12 · E(t)。Ω (t)被稱為Rabi頻率，作為原子激光交感強度的參數。我們定義了兩線圈的諧振頻率之間的差，該差對應于二態原子中的解諧△&):Δ (t) = s(t) - coD(t)。在諧振耦合的情況中，解諧值將為零。Kurz等提議的動態行為是線圈的諧振頻率是與時間無關的情況，即當cos(t) = cos=恒定值且coD(t) = coD=恒定值時。在這種情況下,只有當cos(t) = coD(t)時，即是說當系統處于諧振時，且△=()，才會出現兩線圈間能量的高效傳輸。具體地，系統受到這樣的事實的消極的影響當系統從諧振解諧時線圈之間傳輸的電力急劇地降低。即是說，非諧振情況，即os(t) Φ ωΒα)是能量的非常低效的載波。如本文下面模擬的那樣，諧振條件可被兩線圈之間放置的任何對象破壞。下面討論本實施方式，且此處可理解，本發明在應用中不限于下面說明中所述的或圖中所示的組件的構架細節和配置。本發明具有其他的實施方式或可以以多種方式被實施或實現。同樣，應理解，本文使用的措詞和術語是出于描述的目的而不應被認為有所限制。現參照圖lb，圖Ib示出了 RAP機制的概念，其中，即使在大多數時間里ω5 ^ ωΒ1 ^ ωΒ2，仍可繼續進行能量的傳輸。快速絕熱變遷(RAP )論如在上述圖Ia的方面中所討論的，諧振技術并不是兩個線圈之間無線能量傳輸的理想解決方案。因此，本實施方式提出了一種可選的穩健的絕熱技術，該技術使用時間相關的動態代替恒定的動態。時間相關動態可通過隨時間改變源線圈的諧振頻率以及輸入泵浦源和/或改變線圈之間的耦合系數來實現。諧振頻率或耦合系數的改變可以絕熱的方式進行，即意味著所述改變與系統的內部動態相比相對地非常慢，該系統是耦合系數的函數。下面在無線能量傳輸的背景下提供絕熱標準的系統構架。暫定衰減率Γ 是零并以所謂的絕熱基準寫出等式(I)。對于二態原子這是二態漢密爾頓的瞬時本征態的基準。等式(I)因此被修改如下
權利要求
1.一種在源線圈和漏線圈之間傳輸能量的方法，包括 設定所述源線圈的初始諧振頻率作為第一條件； 設定所述源線圈和所述漏線圈的相對彼此的位置以定義其間的初始耦合系數，所述初始耦合系數構成第二條件；以及 當將能量泵入所述源線圈時絕熱地改變由所述第一條件和所述第二條件組成的組中的至少一個成員，從而傳輸所述泵入的能量至所述漏線圈。
2.根據權利要求I所述的傳輸能量的方法，其中，所述第一條件和第二條件均被絕熱地改變。
3.根據權利要求I所述的傳輸能量的方法，其中，所述的第一條件被絕熱地改變。
4.根據權利要求I所述的傳輸能量的方法，其中，所述第二條件被絕熱地改變。
5.根據前述權利要求中任一項所述的傳輸能量的方法，其中，所述源線圈是具有可變組件的諧振電路的一部分，以使所述初始諧振頻率被改變。
6.根據前述權利要求中任一項所述的傳輸能量的方法，其中，所述源線圈和漏線圈相對于彼此是可移動的，由此允許所述初始耦合系數的改變。
7.根據權利要求2所述的傳輸能量的方法，其中，在所述絕熱改變的任何給定時間處均存在解諧值，所述解諧值是所述源線圈的諧振頻率的當前值和所述漏線圈的諧振頻率之間的差，所述絕熱改變提供所述耦合系數(K (t))和所述解諧值(△ (t))的平滑時間相關性。
8.根據權利要求7所述的傳輸能量的方法，其中，所述絕熱改變包括履行關于所述耦合系數和所述解諧值的絕熱條件
9.根據權利要求7所述的傳輸能量的方法，其中，所述耦合系數k(t)相對大于損耗率(Γ )，并且其中，初始的和最終的解諧均相對大于所述耦合系數，(Γ<κ<Δ)0
10.根據前述權利要求中任一項所述的傳輸能量的方法，包括改變所述源線圈的諧振頻率以使解諧值(Δ (t))從負值向正值緩慢掃動，所述解諧值是所述源線圈的諧振頻率與所述漏線圈的諧振頻率之間的差，所述負值大于所述源線圈和所述漏線圈之間的耦合，所述正值大于所述源線圈和所述漏線圈之間的所述耦合。
11.根據前述權利要求中任一項所述的傳輸能量的方法，包括修改所述改變以減少能量被保持在所述源線圈內的時間的量。
12.根據前述權利要求中任一項所述的方法，包括在一毫秒和三毫秒之間的時間段上改變直至百分之十的量的所述源線圈的所述諧振頻率。
13.根據前述權利要求中任一項所述的方法，包括在超過二毫秒的時間段上改變直至百分之十的量的所述源線圈的所述諧振頻率。
14.根據權利要求13所述的方法，進一步包括在所述時間段上改變所述耦合系數。
15.一種用于傳輸能量的裝置，包括 源線圈，具有用于改變所述源線圈的諧振頻率的諧振改變電路； 定位單元，用于改變所述源線圈的位置或方位，以改變所述源線圈和與所述源線圈無線耦合的對應的漏線圈的耦合系數；以及控制器，被配置為當將能量泵入所述源線圈時，絕熱地改變所述諧振頻率和所述耦合系數中的至少一個，從而傳輸所述泵入的能量到所述漏線圈。
16.根據權利要求15所述的裝置，其中，所述諧振頻率和所述耦合系數均被絕熱地改變。
17.根據權利要求15所述的裝置，其中，所述諧振頻率被絕熱地改變。
18.根據權利要求15所述的裝置，其中，所述耦合系數被絕熱地改變。
19.根據權利要求15至18中任一項所述的裝置，其中，所述定位單元能夠旋轉所述源線圈，從而允許所述初始耦合系數的所述絕熱改變。
20.根據權利要求16所述的裝置，其中，在所述絕熱改變的任何給定時間處均存在解諧值，所述解諧值是所述源線圈的諧振頻率的當前值和所述漏線圈的諧振頻率之間的差，所述絕熱改變提供耦合系數(K (t))和解諧值(Δ (t))的平滑時間相關性。
21.根據權利要求20所述的裝置，其中，所述耦合系數k(t)相對大于損耗率(Γ)，并且其中，初始的和最終的解諧均相對大于所述耦合系數，(Γ<κ<Δ)0
22.根據權利要求15至21中任一項所述的裝置，其中，所述控制器被配置為改變所述 源線圈的諧振頻率以使解諧值(△ (t))從負值向正值緩慢掃動，所述解諧值是所述源線圈的諧振頻率與所述漏線圈的諧振頻率之間的差，所述負值大于所述源線圈和所述漏線圈之間的耦合，所述正值大于所述源線圈和所述漏線圈之間的所述耦合。
23.根據權利要求15至22中任一項所述的裝置，其中，所述控制器能夠修改所述改變以減少能量被保持在所述源線圈內的時間的量。
24.根據權利要求15至23中任一項所述的裝置，其中，所述控制器能夠在一毫秒和三毫秒之間的時間段上改變直至百分之十的量的所述源線圈的所述諧振頻率。
25.根據權利要求15至24中任一項所述的裝置，其中，所述控制器能夠在超過二毫秒的時間段上改變直至百分之十的量的所述源線圈的所述諧振頻率。
26.根據權利要求25所述的裝置，其中，所述控制器能夠在所述時間段上改變所述耦合系數。
全文摘要
一種用于在源線圈和漏線圈之間傳輸能量的方法或裝置，包括設定源線圈的初始諧振頻率作為第一條件；設定源線圈和漏線圈的相對彼此的位置以定義其間的初始耦合系數，從而初始耦合系數構成第二條件；以及當將能量泵入源線圈時絕熱地改變一個或兩個條件。源線圈能量通過絕熱改變的過程被傳輸至露線圈。
文檔編號H02J17/00GK102959831SQ201180018750
公開日2013年3月6日 申請日期2011年3月3日 優先權日2010年3月4日
發明者亞龍·西爾伯貝格, 哈伊姆·蘇霍夫斯基, 尼古拉·V·維塔諾夫, 安東·A·朗格洛夫 申請人:耶達研究及發展有限公司