用于可再充電電池的無線能量傳遞的制作方法
【專利說明】用于可再充電電池的無線能量傳遞
[0001]優先權聲明
本申請要求2012年6月27日提交的美國專利申請序列號13/534，966、2012年6月28日提交的美國專利申請序列號13/536，435和2012年7月9日提交的美國專利申請序列號13/544，688的權益，這些文獻的全部內容并入本文以供參考。
技術領域
[0002]本公開涉及向電池的無線能量傳遞和實現這種傳遞的設備。
【背景技術】
[0003]能量或功率可以通過使用各種公知的輻射或遠場以及非輻射或近場技術被無線傳遞，所述技術例如在如下文獻中被詳細地描述，在2010年5月6日被公開為US2010/010909445 且名稱為“Wireless Energy Transfer Systems” 的共同擁有的美國專利申請12/613，686、在2010年12月9日被公開為2010/0308939且名稱為“IntegratedResonator-Shield Structures” 美國專利申請 12/860，375、在 2012 年 3 月 15 日被公開為 2012/0062345 且名稱為 “Low Resistance Electrical Conductor” 的美國專利申請13/222，915、在 2012 年 10 月 4 日被公開為 2012/0248981 且名稱為 “Mult1-ResonatorWireless Energy Transfer for Lighting”的美國專利申請 13/283，811，這些文獻的全部內容并入本文以供參考。
[0004]諧振器和電子器件可以被集成到或放置成靠近電池，從而使得能夠向電池進行無線能量傳遞，從而允許給電池組無線充電。添加有諧振器和控制電路，則電池和電池組可以從源無線地獲取能量并且再充電而不必須被精確地定位在充電器內。無線電池和電池組可以從外部無線電源在主機裝置內部被無線地再充電，而不需要所述裝置被物理地插入外部能量供應源內。
[0005]然而，被設置成挨著、靠近或非常接近彼此的諧振器會相互作用或影響彼此的參數、特征、無線能量傳遞性能等。當能夠進行無線能量傳遞的兩個或更多個電池被設置成彼此靠近時，每個電池的諧振器會相互作用從而降低或影響每個電池接收無線能量的能力。在大量裝置中，電池被置于隔室內，這使得電池被定位成彼此非常接近。在這樣的裝置中，在沒有特定的考量的情況下，由于其他電池對諧振器的干擾，無線啟用的電池會不能夠接收足夠的能量。
[0006]此外，能量或功率可以通過使用各種公知的輻射或遠場以及非輻射或近場技術被無線傳遞，所述技術例如在如下文獻中被詳細地描述，在2010年5月6日被公開為US2010/010909445 且名稱為“Wireless Energy Transfer Systems” 的共同擁有的美國專利申請12/613，686、在2010年12月9日被公開為2010/0308939且名稱為“IntegratedResonator-Shield Structures” 美國專利申請 12/860，375、在 2012 年 3 月 15 日被公開為 2012/0062345 且名稱為 “Low Resistance Electrical Conductor” 的美國專利申請13/222，915、在 2012 年 10 月 4 日被公開為 2012/0248981 且名稱為 “Mult1-ResonatorWireless Energy Transfer for Lighting”的美國專利申請 13/283，811 以及在_被公開為_且名稱為“Wireless Energy Transfer for Rechargeable Batteries”的美國專利申請13/534，966中，這些文獻的全部內容并入本文以供參考。
[0007]隨著先進的移動通信、計算和感測裝置變得更加必不可少，攜帶、操作和維持多個電池、燃料電池等的負擔增加。在民用和軍用二者情況下，人們通常需要攜帶并操作多個電子裝置。例如頭燈、手提電腦、全球定位系統裝置(GPS)、傳感器、攝像機、無線電、閃光燈等的一個或更多個裝置可以均由一個人攜帶。每個電子裝置會需要例如電池、燃料電池等的能量源來向每個或一組裝置提供能量。大量裝置會意味著會需要由用戶來管理和/或監測的大量電池。
[0008]在每個裝置具有其自身的能量源(即電池)的系統中，存儲的能量會被未充分利用并且會導致會需要由用戶攜帶的顯著的或不必要的額外重量。在每個裝置或一組裝置具有獨立的能量源的情況下，每個裝置的能量存儲會需要是足夠大的以便在最壞或最大使用場景給裝置提供動力，即使裝置通常被不頻繁地使用。因此在許多使用場景中，用戶將沒有充分利用攜帶的能量并且可能攜帶了過多的電池或存儲的能量容量。
[0009]對于對重量敏感的裝置和應用而言，對攜帶能量的不充分利用會是有問題的。例如對附接到頭盔的裝置的能量的不充分利用會意味著用戶必須允許在他的頭上存在非常大的重量負擔。在許多應用中，希望減少或省去附接到人頭部區域的重量，因為這會導致用戶不適、疲勞或者頸部問題。
[0010]減少多個電池的負擔并改善它們的利用的一種方式是使用可穿戴電池組和/或中央能量發生器，其能夠提供動力至附接到人或由人攜帶的各種周邊裝置。在具有一個或幾個中央電池的情況下，便攜能量可以被需要動力的裝置共享并被分配到這些裝置。然而，這樣的裝置可能通過線纜被系到人的電池組。對于被攜帶在人的頭部或頭盔上的例如頭燈、麥克風、夜視護目鏡等的裝置，線纜會是不舒服的、限制運動、具有安全風險(因為線纜會阻礙或卡在物體和障礙物上)并且減少系統的可靠性。
[0011 ] 因此需要的是一種可以被定位成非常靠近其他無線啟用的電池的無線啟用的電池以及一種用于人穿戴的周邊裝置的更好的能量分配方式。
【發明內容】
[0012]無線能量傳遞啟用的電池包括諧振器。在一方面，諧振器被不對稱地定位在電池尺寸的封罩內，以致當兩個無線啟用的電池被定位成非常靠近時，這兩個電池的諧振器具有低耦合。
[0013]在另一方面，電池封罩可以被成形為標準尺寸的電池，例如AA、AAA、D等。
[0014]在又一方面，電池可以包括在電池尺寸的封裝內部的可再充電電池，其可以由被諧振器獲取的能量再充電。諧振器可以被形成在圍繞電池纏繞的柔性基體上。
[0015]在由至少兩個諧振器線圈構成的組件中，諧振器線圈可以被定位成彼此間具有弱耦合。諧振器線圈可以被集成到獨立的電池結構內并且可以被構造成無線地接收能量。在一種特殊方面，諧振器可以具有100或更大的品質因數Q。
[0016]在一種特殊方面，無線啟用的電池可以包括圓筒形電池尺寸的封罩，其具有第一端和第二端且正極端子在第一端上和負極端子在第二端上。無線電池可以包括諧振器，其形成與圓筒形電池封罩同軸的回路。諧振器被不對稱地定位在封罩內以致當另一電池以相反取向非常接近時諧振器與另一電池的另一諧振器具有弱耦合。
[0017]無線能量傳遞能夠使得這樣的周邊裝置由可穿戴電池組或便攜動力發生器提供動力，而不會有將移動電子裝置(例如頭戴裝置或頭盔)系到用戶的多個電線連接的安全和人機工程學方面的缺點。
[0018]在一方面，用于無線能量傳遞的系統包括人員穿戴的中央能量源。能量源可以被用于給產生振蕩磁場的一個或更多個無線功率源諧振器提供動力。振蕩磁場可以被用于給人員穿戴或人員攜帶的無線功率中繼器和/或裝置無線傳遞能量。能量源可以是可再充電電池。為了由振蕩磁場產生電力，系統可以包括被構造成與振蕩磁場相互作用且產生電流的一個或更多個裝置諧振器。裝置諧振器可以被安裝于頭盔并且源諧振器可以被安裝在人體上。
[0019]在另一方面中，可以根據接近源諧振器磁場或與其相互作用的組織類型來調整人穿戴的源諧振器的功率輸出或頻率。系統可以進一步包括場成形結構，其包括磁性材料和/或導電材料，以便減少磁場與人體組織和身體部分的相互作用。
[0020]在另一方面中，人穿戴的無線能量傳遞系統可以包括可再充電電池和源諧振器，所述源諧振器被構造成從電池接收電能且產生振蕩磁場。被構造且定位成與振蕩磁場相互作用的裝置諧振器可以被定位或附接到人的頭盔，以從可以穿戴在人員軀體附近或上的可再充電電池無線傳遞能量到安裝于頭盔或者靠近頭盔的電子裝置。系統可以包括一個以上的源諧振器和可以給每個源諧振器選擇性充能的控制器。源諧振器可以間隔或定位成能夠從人身體向頭盔上的裝置諧振器進行無線能量傳遞，即使人運動、旋轉或傾斜其頭部也如是。提供與頭盔上的裝置諧振器的最佳耦合的源諧振器可以根據頭盔的旋轉被充能。在另一方面，系統可以包括一個以上的裝置諧振器，所述諧振器可以被定位成使得至少一個諧振器具有與源諧振器的良好耦合而不管穿戴頭盔的人的頭部旋轉如何。
[0021]這里公開了非輻射或近場無線能量傳遞方案，其能夠在中距離和一定對齊偏移上傳遞有用功率量。本發明的技術使用具有長期振蕩諧振模式的耦合電磁諧振器以從電源向功率耗用件來傳遞動力。技術是通用的并且可以被應用到各種各樣的諧振器，即使這里公開的特定示例涉及電磁諧振器。如果諧振器被設計成使得電場存儲的能量被主要限制在結構內并且磁場存儲的能量主要在圍繞諧振器的區域內。則，能量交換主要由諧振器磁近場主要調停。這些類型的諧振器可以被稱為磁性諧振器。如果諧振器被設計成使得磁場存儲的能量被主要限制在結構內并且電場存儲的能量主要在圍繞諧振器的區域內。則，能量交換主要由諧振器電近場主要調停。這些類型的諧振器可以被稱為電諧振器。任意類型的諧振器也可以被稱為電磁諧振器。這里公開的兩種類型的諧振器。
[0022]我們公開的諧振器的近場的全方向但靜止(無損)特性使得能夠在中距離上、在大的方向范圍和諧振器取向上進行有效無線能量傳遞，以適于給各種電子裝置充電、提供動力或者同時提供動力和充電。因此，系統可以具有廣泛的可能應用，其中連接到電源的第一諧振器處于一個位置，并且可能連接到電氣/電子裝置、電池、供電或充電電路等的第二諧振器處于第二位置，并且其中從第一諧振器到第二諧振器的距離是厘米至米的數量級。例如，連接到有線電網的第一諧振器可以被置于房屋天花板，而連接到例如機器人、車輛、計算機、通信裝置、醫療裝置等的裝置的其他諧振器在房屋內運動，并且其中這些裝置持續地或間斷地從源諧振器無線接收動力。從這一個示例中，能夠想象到許多應用，其中這里公開的系統和方法可以在中距離上提供無線功率，包括消費者電子器件、工業應用、基礎設施動力和照明、運輸車輛、電子游戲、軍事應用等。
[0023]當諧振器被調諧到基本相同頻率時且當系統內的損失被最小化時，能夠優化兩個電磁諧振器之間的能量交換。無線能量傳遞系統可以被設計成使得諧振器之間的“耦合時間”比諧振器“損失時間”要短得多。因此這里描述的系統和方法可以利用具有低固有損失率的高品質因數(高Q)諧振器。此外，這里描述的系統和方法可以使用具有近場的子波長諧振器，該近場比諧振器的特征尺寸明顯地延伸更長，以致交換能量的諧振器的近場在中距離上重疊。這是之前沒有實現的且顯著不同于傳統感生設計的操作方案。
[0024]重要的是意識到這里公開的高磁性諧振器方案和已知近程或近距離感生方案(即，那些已知方案常規地沒有利用高Q諧振器)之間的差別。通過使用耦合模式理論(CMT)(例如參見 Waves and Fields in Optoelectronics, H.A.Haus，Prentice Hall, 1984)，可以顯示出與傳統感生方案所能實現的相比，高Q諧振器耦合機構能夠使得在以中距離間隔開的諧振器之間進行更有效的動力傳輸的幅值數量級。耦合的高Q諧振器已經顯示了在中距離上的有效能量傳遞以及在短距離能量傳遞應用中的改進的效率和偏移容差。
[0025]這里公開的系統和方法可以提供安全地且在比使用傳統感生技術所實現的大得多的距離上經由強耦合高Q諧振器的近場無線能量傳遞，即，一種可能傳遞從皮瓦到千瓦的功率水平的技術。高效能量傳遞可以被實現為用于強耦合諧振器的各種通用系統，例如強耦合聲音諧振器、原子能諧振器、機械諧振器等的系統，如Μ.1.T.的研宄人員在其公開物中最初描述的 -‘‘Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer，，，Annals of Physics, vol.323, Issue I,p.34 (2008)以及“Wireless Power Transfer viaStrongly Coupled Magnetic Resonances，，，Science，vol.317，n0.5834，p.83，(2007)。這里公開的是電磁諧振器和耦合的電磁諧振器系統，也被更具體地稱為耦合的磁性諧振器和耦合的電諧振器，其具有在低于10 GHz的操作頻率。
[0026]本公開描述了無線能量傳遞技術，也被稱為無線功率傳輸技術。貫穿本公開，我們可以互換地使用術語無線能量傳遞、無線功率傳遞、無線功率傳輸等。我們可以提及從源、AC或DC源、電池、源諧振器、電源、發生器、太陽能面板和熱收集器等向裝置、遠程裝置、多個遠程裝置、一個或更多個裝置諧振器等供應能量或動力。我們可以描述中間諧振器，其通過允許使得能量從源諧振器跳過、傳輸通過、被臨時存儲、被部分耗散或以任意方式被中間傳遞到其他裝置和中間諧振器的任意組合來擴展無線能量傳遞系統的范圍，以致可以實現能量傳遞網絡或線或延長路徑。裝置諧振器可以從源諧振器接收能量、將該能量的一部分轉換成電力以給裝置提供動力或充電，以及同時地將接收到的能量的一部分傳遞到其他裝置或移動裝置諧振器。能量可以從源諧振器被傳遞到多個裝置諧振器，從而顯著地延長可以無線傳遞能量的距離。可以通過使用各種系統架構和諧振器設計來實現無線功率傳輸系統。系統可以包括單個源或多個源來向單個裝置或多個裝置傳遞動力。諧振器可以被設計成是源或裝置諧振器，或者它們可以被設計成是中繼器。在一些情況下，諧振器可以同時是裝置和源諧振器，或者其可以從作為源操作被切換成作為裝置或中繼器操作。本領域技術人員將理解，本申請中描述的各種的諧振器設計和功能可以支持各種系統架構。
[0027]在我們描述的無線能量傳遞系統中，通過使用無線供應的動力或能量，遠程裝置可以被直接提供動力，或者裝置可以被耦合到能量存儲單元，例如電池、超級電容器、超電容器等(或其他類型的功率耗用件)，其中能量存儲單元可以被無線地充電或再充電，并且/或者其中無線功率傳遞機構是裝置的主要電源的簡單補充。裝置可以被混合電池/能量存儲單元(例如具有集成的存儲電容器等的電池)提供動力。此外，新型電池和能量存儲裝置可以被設計成獲益于無線功率傳輸系統所實現的操作改進。
[0028]其他動力管理方案包括使用無線供應的動力給電池再充電或給能量存儲單元充電且同時它們所供電的裝置被關停、處于待機狀態、處于睡眠模式等。電池或能量存儲單元可以以高(快)或低(慢)速率被充電或再充電。電池或能量存儲單元可以被涓流充電或浮動充電。多個裝置可以被同時并行地充電或提供動力，或者至多個裝置的功率傳遞可以被序列化成使得一個或更多個裝置在一段時間上接收動力，之后另一功率傳遞被切換到其他裝置。多個裝置可以共享來自一個或更多個源的動力，其中一個或更多個其他裝置或是同時地、或是時分多路復用方式、或是頻率復用方式、或是空間復用方式、或是取向復用方式、或是時分和頻率和空間和取向復用的組合方式。多個裝置可以與彼此共享動力，且至少一個裝置被連續地、間斷地、周期性地、偶爾地、臨時地被重構，以便作為無線電源操作。本領域技術人員將理解，存在給裝置提供動力和/或充電的各種方式，并且各種方式可以被應用到這里描述的技術和應用。
[0029]無線能量傳遞具有各種可能應用，包括例如將源(例如連接到有線電網的源)放置在天花板上、地板下或房間墻壁內，而例如機器人、計算機、PDA或類似物的裝置被置于房間內或在房間內自由運動。另一些應用可以包括給電機車輛(例如公交和/或混合動力汽車)和醫療裝置(例如可穿戴或可移植裝置)提供動力和/或再充電。附加的示例性應用包括能夠給自主電子器件(例如便攜式電腦、手機、便攜式音樂播放器、家用機器人、GPS導航系統、顯示器等等)、傳感器、工業和制造業器械、醫療裝置和監測器、家電和工具(例如燈、風扇、鉆、鋸、加熱器、顯示器、電視、臺面應用等等)、軍事裝置、加溫或發光衣服、通信和導航器械(包括構建到車輛、衣服和例如頭盔、防護服和背心的保護性衣物內的器械)等提供動力和再充電，以及能夠給物理隔離的裝置(給被植入醫療裝置，給被隱匿、埋入、植入或嵌入的傳感器或標簽，給屋頂太陽能面板和/或從屋