專利名稱：在規定限制下的無線高電力傳送的制作方法
在規定限制下的無線高電力傳送根據35U. S. C. § 119主張優先權本專利申請案主張2008年7月8日申請的標題為“在規定限制下的無線高電力傳 送(WIRELESS HIGH POWER TRANSFER UNDER RE⑶LATORY CONSTRAINTS) ” 的第 61/078，812 號臨時申請案的優先權，所述申請案已轉讓給本發明的受讓人且在此以引用的方式明確地 并入本文中。
背景技術：
我們的先前申請案描述了天線之間的磁共振電力傳送。天線可為電容性負載的線 環或多匝線圈。這些形成將來自初級結構(發射器)的能量經由磁場而有效地耦合到遠端 定位的次級結構(接收器)的共振天線。將初級線圈與次級線圈兩者均調諧到共同共振頻率。我們的先前申請案描述了無線電力作為針對人類安全的電磁干擾及輻射暴露的 主要問題。經由磁場耦合的能量傳送可能主要通過規定的H場限度而受到限制。可在離輻 射結構的經界定距離(例如，IOm)處測試是否符合這些限度。
圖1展示無線電力傳送系統的簡化框圖。圖2展示無線電力傳送系統的更詳細框圖。圖3展示用于本發明的示范性實施例中的環形天線的示意圖。圖4展示用于初級線圈及次級線圈的類似大小的兩個盤形線圈；圖5展示次級線圈如何降下以實現緊密近接耦合；圖6展示車輛如何在線圈同軸時充電；圖7說明由導引系統控制的車輛；圖8展示通過次級線圈的x_y偏移控制進行的精細對準；圖9展示通過初級線圈的x_y偏移控制進行的精細對準；圖10展示在初級線圈陣列上方通過次級線圈的x_y偏移控制進行的精細對準。
具體實施例方式詞語“示范性”在本文中是用以意味著“充當實例、例子或說明”。不必將在本文中描述為“示范性”的任何實施例理解為比其它實施例優選或有利。以下結合附圖闡述的詳細描述意圖作為本發明的示范性實施例的描述，且不意圖 表示可實踐本發明的僅有實施例。所述詳細描述包括用于提供對本發明的示范性實施例的 透徹理解的特定細節。對于所屬領域的技術人員來說應顯而易見的是，可在沒有這些特定 細節的情況下實踐本發明的示范性實施例。在一些例子中，以框圖形式來展示眾所周知的 結構及裝置，以便避免使本文中所呈現的示范性實施例的新穎性模糊。詞語“無線電力”在本文中是用以意味著與電場、磁場、電磁場相關聯或另外在不使用物理電磁導體的情況下從發射器發射到接收器的任何形式的能量。圖1說明根 據本發明的各種示范性實施例的無線發射或充電系統100。將輸入電 力102提供到發射器104以用于產生用于提供能量傳送的輻射場106。接收器108耦合到 輻射場106，且產生輸出電力110以供存儲或供耦合到輸出電力10的裝置(未圖示)消耗。 使發射器104與接收器108兩者分離一距離112。在一個示范性實施例中，發射器104及 接收器108是根據相互共振關系而被配置。當接收器108的共振頻率與發射器104的共振 頻率相等時，發射器104與接收器108之間的發射損失在接收器108位于輻射場106的“近 場”中時最小。發射器104進一步包括用于提供用于能量發射的方式的發射天線114，且接收器 108進一步包括用于提供用于能量接收的方式的接收天線118。發射天線及接收天線的大 小是根據待與其相關聯的應用及裝置而確定。如所陳述，通過將能量的大部分在發射天線 的近場中耦合到接收天線而非將大多數能量以電磁波傳播到遠場而發生有效能量傳送。當 在此近場中時，可在發射天線114與接收天線118之間產生耦合模式。在天線114及118 周圍可發生此近場耦合的區域在本文中被稱為耦合模式區。圖2展示無線電力傳送系統的簡化示意圖。發射器104包括振蕩器122、功率放 大器124以及濾波器及匹配電路126。振蕩器122經配置以在所要頻率(例如，13. 5MHz) 下產生，所述所要頻率可響應于調整信號123而進行調整。替代方案使用LF頻率(例如， 135Khz)。振蕩器信號可由功率放大器124使用響應于控制信號125的放大量而放大。可 包括濾波器及匹配電路126以過濾掉諧波或其它不需要的頻率，且使發射器104的阻抗匹 配于發射天線114。接收器108可包括匹配電路132以及整流器及切換電路134以產生DC電力輸出， 以如圖2所示而為電池136充電或為耦合到接收器的裝置(未圖示)供電。可包括匹配電 路132以使接收器108的阻抗匹配于接收天線118。如圖3所說明，用于示范性實施例中的天線可配置為“環形”天線150，其在本文中 也可被稱為“磁性”天線。環形天線可經配置以包括空心或例如鐵氧體磁心的實心。使用 鐵氧體磁心可減少外來對象的影響。然而，鐵氧體磁心可能需要特定長度才能有效，這當在 車輛中使用時可能存在困難。認為空心盤形線圈更適用于集成于汽車中且適用于嵌入地面 中。LF鐵氧體可用作磁屏蔽以防止場在天線周圍環境的金屬部分中產生渦電流。可通過保持其它裝置在磁心區域外部而改進效率。空心環形天線可更容許外來物理裝置放置于磁心附近。此外，空心環形天線允許 其它元件放置于磁心區域內。另外，空心環形可更容易使接收天線118 (圖2)能夠放置于 發射天線114(圖2)的平面內，其中發射天線114(圖2)的耦合模式區可更有功效。如所陳述，在發射器104與接收器108之間的匹配共振或接近匹配共振期間發生 在發射器104與接收器108之間的有效能量傳送。然而，即使當發射器104與接收器108 之間的共振不匹配時，能量也可在較低效率下傳送。通過將能量從發射天線的近場耦合到 駐留于建立此近場的鄰域中的接收天線而非將能量從發射天線傳播到自由空間中而發生 能量傳送。環形或磁性天線的共振頻率是基于電感及電容。環形天線中的電感通常就是由環 產生的電感，而電容通常添加到環形天線的電感以產生在所要共振頻率下的共振結構。作為非限制性實例，可將電容器152及電容器154添加到天線以產生共振電路，所述共振電路 產生共振信號156。因此，對于更大直徑的環形天線來說，誘發共振所需要的電容的大小隨 著環的直徑或電感的增加而減少。此外，隨著環形或磁性天線的直徑增加，近場的有效能量 傳送區域增加。當然，其它共振電路也是可能的。作為另一非限制性實例，可將電容器并聯 地放置于環形天線的兩個端子之間。另外，一般所屬領域的技術人員應認識到，對于發射天 線來說，共振信號156可為到環形天線150的輸入。
本發明的示范性實施例包括在彼此的近場中的兩個天線之間耦合電力。如所陳 述，近場為在天線周圍存在電磁場但其可能不遠離于所述天線進行傳播或輻射的區域。其 通常被限于接近天線的物理體積的體積。在本發明的示范性實施例中，將例如單匝環形天 線及多匝環形天線的磁型天線用于發射(Tx)天線系統及接收(Rx)天線系統兩者，因為與 電型天線(例如，小偶極)的電近場相比，對于磁型天線來說，磁近場振幅趨向于更高。此 允許所述對之間的潛在更高耦合。此外，還預期“電性”天線(例如，偶極及單極)或磁性 天線與電性天線的組合。Tx天線可在足夠低的頻率下且以足夠大的天線大小而操作，以在顯著大于由前文 所提及的遠場及電感性方法所允許的距離的距離處實現到小Rx天線的良好耦合(例如， > -4dB)。如果Tx天線的大小經正確地確定，則當將主機裝置上的Rx天線放置于經驅動 Tx環形天線的耦合模式區內(即，近場中)時，可實現高耦合電平(例如，_2到-4dB)。應注意，前述方法可應用于各種通信標準，例如，CDMA, WCDMA, OFDM,等等。所屬領 域的技術人員應理解，可使用各種不同技術及技藝中的任一者來表示信息及信號。舉例來 說，可通過電壓、電流、電磁波、磁場或磁性粒子、光場或光學粒子或其任何組合來表示可在 整個上文描述中所參考的數據、指令、命令、信息、信號、位、符號及碼片。本發明的示范性實施例是針對(或包括)下文。發明者認為共振充電是最佳充電方式，因為對于相同大小線圈來說發熱更少且效 率更佳。因此，示范性實施例描述磁耦合系統。在示范性實施例中，可理論上展示最大可傳送電力取決于輻射結構的大小(線 圈直徑)、初級線圈與次級線圈之間的耦合因子及初級線圈與次級線圈的品質因子(Q因 子)。大小及耦合因子對輻射電平具有強烈影響，從而限制距離及最大可傳送電力。之 所以這樣認為，是因為以下事實雖然使經傳送電力維持恒定，但如果將次級線圈從初級線 圈去除以使得耦合變得更弱，則存儲于環繞線圈的磁場中的無功能量的量快速地增加。改進的Q因子使得傳送效率更高且降低輻射電平，因此允許更高的可傳送電力。為了示范說明耦合因子與最大可傳送電力的關系，針對示范性實施例而假設由兩 個相同圓形線圈形成的假想能量傳送系統。使用適當電容器而針對在135KHZ下的共振來 調諧初級線圈及次級線圈兩者。表1中列出共振電路的線圈參數及Q因子。此可被視為可 用于示范性實施例中的線圈的實例。
權利要求
1.一種用于無線電力的發射器系統，其包含初級天線，其是由在第一頻率下共同磁共振的電感性元件及電容器形成，所述初級天 線嵌入地面中，且包括定位控制，所述定位控制檢測所述磁共振到次級天線的耦合，且自動 地調整所述初級天線的對準以改進所述耦合。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述第一頻率為135kHz。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述初級天線為線圈，所述線圈具有大于其軸向 寬度的徑向寬度。
4.根據權利要求1所述的系統，其中所述初級天線包括天線陣列，所述天線彼此緊密 地組裝，且所述陣列在既定停車空間的規定區域上延伸。
5.根據權利要求4所述的系統，其進一步包含充電控制系統，所述充電控制系統產生 在所述第一頻率下磁共振的信號，所述信號是在輸出到所述初級天線時將電力發射到遠程 次級天線的類型的信號。
6.根據權利要求5所述的系統，其中所述充電控制系統選擇所述陣列的所述線圈中的 “"者 ο
7.根據權利要求6所述的系統，其進一步包含切換裝置，所述切換裝置僅將所述信號 切換到所述選定線圈，且不將任何信號發送到任何其它線圈。
8.根據權利要求1所述的系統，其進一步包含充電控制系統，所述充電控制系統產生 在所述第一頻率下磁共振的信號，所述信號是在輸出到所述初級天線時將電力發射到遠程 次級天線的類型的信號。
9.根據權利要求1所述的系統，其中所述定位控制改變χ位置及y位置。
10.一種用于無線電力的發射器系統，其包含多個初級線圈，其形成陣列且彼此緊密地組裝，且所述初級線圈中的每一者包括電容 器，所述電容器使所述初級線圈在第一頻率下實質性磁共振，所述初級線圈陣列嵌入地面 區域中。
11.根據權利要求10所述的發射器系統，其進一步包含充電控制系統，所述充電控制 系統產生在所述第一頻率下磁共振的信號，所述信號是在輸出到所述線圈中的一者時將電 力發射到遠程次級線圈的類型的信號。
12.根據權利要求11所述的系統，其中所述第一頻率為135kHz。
13.根據權利要求11所述的系統，其進一步包含切換配置，所述切換配置將所述輸出 信號切換到所述陣列的所述線圈中的任一者。
14.根據權利要求13所述的系統，其進一步包含檢測系統，所述檢測系統檢測所述線 圈中的哪一者具有最佳耦合，且使用所述檢測來控制所述切換配置。
15.一種用于無線電力的接收器系統，其包含接收天線，其由在第一頻率下共同磁共振的線圈及電容器形成；以及用于所述接收天線的提升裝置，其基于檢測到耦合磁共振而提升及降低所述接收天線。
16.根據權利要求15所述的接收器，其進一步包含χ-y對準控制，所述χ-y對準控制通 過在χ方向及y方向上移動所述接收天線而自動地對準所述接收天線以與初級天線更佳地 對準。
17.根據權利要求15所述的接收器，其進一步包含導引控制，所述導引控制自動地提 供用于將車輛導引到所述接收天線與發射初級天線更佳地對準的位置的導引信息。
18.根據權利要求15所述的接收器系統，其進一步包含從所述接收天線接收磁誘發信 號及從其產生電力的電路。
19.根據權利要求18所述的接收器系統，其中所述電路是在135kHz下共振。
20.根據權利要求15所述的接收器系統，其中所述接收天線及所述提升裝置是電池操 作車輛的一部分。
21.一種用于無線電力的接收器系統，其包含車輛，其基于電力而操作；接收線圈，其形成于所述車輛中，所述接收線圈是由在第一頻率下共同磁共振的線圈 及電容器形成，且經連接以產生為所述車輛供電的輸出；以及用于所述接收線圈的對準控制，其經自動地調整以移動所述接收線圈以改進與所述初 級線圈的耦合。
22.根據權利要求21所述的接收器，其進一步包含用于所述接收線圈的提升裝置，所 述提升裝置自動地基于檢測到來自初級線圈的磁耦合而升高及降低所述接收線圈。
23.根據權利要求21所述的接收器，其進一步包含導引控制，所述導引控制自動地提 供用于將所述車輛導引到所述接收線圈與所述初級線圈粗略地對準的粗略位置的導引信 肩、ο
24.根據權利要求21所述的接收器系統，其進一步包含從所述接收線圈接收磁誘發信 號及從其產生電力且使用所述電力來操作所述車輛的電路。
25.根據權利要求18所述的接收器，其中所述電路在135kHz下共振。
26.根據權利要求21所述的接收器，其中所述對準控制為χ-y對準。
27.一種方法，其包含在電池操作車輛中以磁性方式接收電力；以及響應于檢測到磁耦合，在所述車輛中采取動作以改進所述電力到車輛系統的耦合。
28.根據權利要求27所述的方法，其中所述采取動作包含精細地定位所述車輛中的接 收天線。
29.根據權利要求27所述的方法，其中所述采取動作包含使用所述車輛中的導引系統 來進行粗略定位。
30.根據權利要求27所述的方法，其中所述采取動作包含降低所述接收天線以使所述 接收天線更靠近于初級天線。
31.一種方法，其包含在電池操作車輛中以磁性方式接收電力；以及響應于檢測到磁耦合，使用依賴于無線電定位原理的導引系統來移動所述車輛以改進 磁耦合。
全文摘要
本發明提供一種用于車輛的改進型電池充電系統。初級線圈及次級線圈位于其中所述車輛可(例如)通過進入停車空間中而從所述初級線圈接收電力的地方。所述停車空間可具有嵌入地面中的線圈，或可具有嵌入地面中的線圈陣列。本發明揭示一種導引系統，本發明還揭示精細定位。所述車輛中的所述次級線圈還可升高或降低以改進耦合。
文檔編號H04B5/00GK102089955SQ200980126564
公開日2011年6月8日 申請日期2009年7月8日 優先權日2008年7月8日
發明者盧卡斯·西貝爾, 奈杰爾·庫克, 戴維·奧爾雷德, 漢斯彼得·威德默 申請人:高通股份有限公司