专利名称：高效稳健的无线能量传输的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于无线能量传输的装置和方法。
背景技术：
无线电力传输技术的探索与电力的发明一样久远。从特斯拉开始，并且通过20世纪期间巨大的技术发展，在此研究领域中很多的建议被提出并实现。已知进行无线能量传输的已制定的技术有近场和远场耦合方式。近场示例可见于光波导、腔耦合器和谐振电感式变压器。对于远场示例，有电力传播机制，其中电力被传播到接收器处并转换为可用的电能。尽管其达成了足够高效率的能量传输，但这些技术仍存在短距离交感(近场耦合)、或远场方法中视线要求的缺点。近来，可以看到两个相同的典型谐振对象之间的微弱辐射的无线能量传输策略可以具有足够高的效率。这种可行性来源于在电力传输领域使用耦合模式理论。在此研究中，Kurz等示出了无线能量可在两米的范围内被有效地传输，通常认为该区域为中等距离。此技术也被他人所采用，尤其是Intel，其中传输效率被从之前对于此距离取得的最佳的40%的效率极大地提闻到最近得到的75%左右的值。现今，大多数高效的无线能量传输装置依赖于谐振约束。这样的谐振约束一般意为当有意地或由于随机噪声而使得源的频率从装置的频率偏移时，无线能量传输的效率将极大的降低。随机噪声可能是因为外部对象被靠近两个线圈之一放置，这时谐振条件受到干扰，所以需要提供反馈电路以避免能量传输可能的降低。
发明内容
相比于上述的、对在由于谐振能量传输而产生的线圈附近的噪声和其他干扰的敏感性，本实施方式通过如下文所解释地采用用于被相干驱动的双模系统的快速绝热变迁(RAP)进程，提出了一种用于在两个线圈之间进行稳健和高效的中等距离无线电力传输的技术。对于驱动进程的参数(诸如线圈谐振频率和耦合系数变量)的变化，动态绝热解决方案表现出是稳健且高效的。根据本发明的一个方面，提出了一种在源线圈和漏线圈之间传输能量的方法，包括设定源线圈的初始谐振频率作为第一条件；设定源线圈和漏线圈彼此的相对位置以定义其间的初始耦合系数、初始耦合系数组成了第二条件；以及当将能量泵入源线圈时绝热地改变由第一条件和第二条件组成的组中的至少一个成员，从而将所泵入的能量传输至漏线圈。在实施方式中，第一和第二条件均被绝热地改变。 在实施方式中，第一条件被绝热地改变。可选地，第二条件可被绝热地改变。在实施方式中，源线圈是谐振电路的一部分，该谐振电路具有可变组件以使初始谐振频率可以被改变。在实施方式中，源线圈和漏线圈相对于彼此是可移动的，从而允许初始耦合系数的改变。在实施方式中，在绝热改变的任何给定时间处均存在解谐值，该解谐值是源线圈的谐振频率的当前值和漏线圈的谐振频率之间的差，而该绝热改变提供了耦合系数(K (t))和解谐值(Λ (t))的平滑时间相关性。在实施方式中，绝热改变包括履行涉及耦合系数和解谐值的绝热条件κ( )Α( -κ( &( |4^2( )+Δ2(ι)] 1,2
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在实施方式中，稱合系数k(t)相对地大于损耗率(Γ ),其中，初始的和最终的解谐均相对地大于耦合系数，(r〈 K〈 Λ )。实施方式可包括改变源线圈的谐振频率，以使解谐值(Δ⑴)(该解谐值是源线圈的谐振频率与漏线圈的谐振频率之间的差)缓慢地从负值(该负值大于源线圈和漏线圈之间的耦合)向正值(该正值大于源线圈和漏线圈之间的耦合)扫动。实施方式可包括修改所述改变以减少能量被保持在源线圈内的时间量。实施方式可包括在一毫秒和三毫秒之间的时间段上改变直至百分之十的量的源线圈的谐振频率。实施方式可包括在超过二毫秒的时间段上改变直至百分之十的量的源线圈的谐振频率。实施方式可包括在所述时间段上改变耦合系数。根据本发明的第二方面，提出了一种用于传输能量的装置，包括源线圈，具有用于改变源线圈的谐振频率的谐振改变电路；定位单元，用于改变源线圈的位置或方位，以改变源线圈和与源线圈无线耦合的各漏线圈的耦合系数；以及控制器，被配置为当将能量泵入源线圈时，绝热地改变谐振频率和耦合系数中的至少一个，从而将所泵入的能量传输至漏线圈。在实施方式中，谐振频率和耦合系数均被绝热地改变。在实施方式中，谐振频率被绝热地改变。在实施方式中，耦合系数被绝热地改变。在实施方式中，定位单元可用于旋转源线圈，从而允许绝热地改变初始耦合系数。在实施方式中，在绝热改变的任何给定时间处均存在解谐值，该解谐值是源线圈的谐振频率的当前值和漏线圈的谐振频率之间的差，而该绝热改变提供了耦合系数(K (t))和解谐值(Λ (t))的平滑时间相关性。在实施方式中，稱合系数k(t)相对地大于损耗率(Γ ),其中，初始的和最终的解谐均相对地大于耦合系数，(Γ〈 K〈 Λ )。在实施方式中，控制器被配置为改变源线圈的谐振频率，以使解谐值(Λ (t))(该解谐值是源线圈的谐振频率与漏线圈的谐振频率之间的差)缓慢地从负值(该负值大于源线圈和漏线圈之间的耦合)向正值(该正值大于源线圈和漏线圈之间的耦合)扫动。在实施方式中，控制器可用于修改所述改变以减少能量被保持在源线圈内的时间量。在实施方式中，控制器可用于在一毫秒和三毫秒之间的时间段上改变直至百分之十的量的源线圈的谐振频率。在实施方式中，控制器可用于在超过二毫秒的时间段上改变直至百分之十的量的源线圈谐振频率。在实施方式中，控制器可用于在所述时间段上改变耦合系数。
除非另外定义，本文所用的所有的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员通常的理解相同的含义。本文所提出的材料、方法和示例仅是示例性的并不意味着有所限制。本文所用的词“示例的”意为“用作例子、实例或例证”。任何被描述为“示例的”实施方式不必解释为比其他实施方式优选或有利和/或不必排除来自其他实施方式的特征的并入。本文所用的词“可选地”意为“在某些实施方式中被提供而在其他实施方式中不被提供”。本发明的任何具体实施方式
可包括多种“可选的”特征，除非这些特征相互冲突。本发明的实施方式的方法和/或系统的实现方式可包括手工、自动或其结合地进行或完成所选任务。在此具体指包括设定传输参数的任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施方式的实际使用设备和装置，一些所选任务可利用操作系统通过硬件、通过软件、或通过固件或其组合实现。例如，用于进行根据本发明实施方式的所选任务的硬件可被实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明实施方式的所选任务可被实现为由使用任何适当的操作系统的计算机执行的多个软件指令。在本发明示例实施方式中，根据本文所述的方法和/或系统的示例实施方式的一个或多个任务通过诸如用于执行多个指令的运算平台的数据处理器进行。可选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储器，例如磁硬盘和/或可移动介质。可选地，网络连接也被提供。显示器和/或诸如键盘或鼠标的用户输入装置也被可选地提供。
参照附图，本文仅通过示例描述本发明。现关于对详细附图的具体的引用，强调所示的细节是通过示例、仅出于对本发明优选实施方式的例证性的讨论的目的而被示出，并且这些细节的呈现为了提出被认为是最有用并易于理解的、本发明原理和概念方面的描述。基于这种理念，并未尝试超出对本发明基本理解所需地更详细地示出本发明的结构细节，带有图的说明使本领域技术人员清楚地了解本发明的一些形式是如何在实际中被实施的。在图中图IA是示出根据先前技术利用静态谐振频率在两个线圈系统上无线地传输电力以向装置供电的系统的简化图；图IB是根据本发明的第一实施方式利用谐振频率或耦合系数随时间绝热地变化来在两个线圈系统上无线地传输电力以向装置供电的系统的简化图；图IC是示出利用本发明实施方式在源线圈和漏线圈之间传输能量的方法的流程图；图2A至图2D是对比在有和没有本实施方式的辅助的情况下两线圈之间的能量传输的一系列曲线图；图3是示出对比于根据先前技术的静态谐振频率，根据本实施方式施加至源线圈的谐振频率随时间的一系列绝热扫动的曲线图；图4示出对于第一组系数两个相邻的曲线图，对比分别为根据本实施方式的RAP系统和根据先前技术的基于谐振的系统的、均作为静态解谐的函数的效率和有效能量消耗；图5示出了对于第二组系数的两个相邻的曲线图，对比分别为根据本实施方式的 RAP系统和根据先前技术的基于谐振的系统的、均作为静态解谐的函数的效率和有效能量消耗；图6、图7、图8A和图8B示出了作为耦合与源线圈和漏线圈的衰减率rD=rs的函数的效率系数n的等值线图；图9Α示出模拟结果，其中，根据本发明的实施方式耦合和解谐作为时间的函数被画出；图9Β示出与图9Α相同模拟的结果，其中，线圈间的能量传输作为时间的函数被画出；图10是其中根据本发明的实施方式在模拟中能量传输率对应静态解谐被画出的简化图；图11是示出根据本实施方式的另一模拟的、作为时间的函数的能量传输的图。图12示出得到表I中所示结果的、本发明的原型实施方式。图13是示出根据本实施方式及根据先前技术的不同耦合技术的动态的对比图；以及图14是示出图13中的不同耦合技术动态的微分的曲线图。
具体实施例方式本实施方式包括通过将用于被相干驱动的二态原子的快速绝热变迁进程(RAP)采用到无线能量传输领域、在两个线圈之间进行高效且稳健的中等距离无线电力传输的技术。该策略可在对线圈附近存在的谐振约束、噪声和其他干扰不敏感的情况下在线圈之间传输能量。本实施方式因此采用绝热耦合的条件，该耦合条件例如是耦合系数和谐振频率。申请人所知的先前技术，与之相比仍采用固定耦合的条件。根据本发明的装置和方法的原理和操作通过参照图和所附说明可被更好地理解。在详细解释本发明的至少一种实施方式之前，参照图IA提供双耦合模式理论和谐振解决方案的概述。双耦合模式理论也被称为二态原子模拟。现参照图1Α，图IA示出了被设计用于在其间进行无线能量传输的两个线圈10和
12。源线圈10是驱动电路的一部分并且被周期性地再充电，同时能量穿过空间被无线地传输至装置线圈12。在图IA中如先前技术实现的谐振解决方案，从源到装置的高效传输只有当ω5=ωΒ时才会发生。否则，或对于存在噪声的情况，能量传输可能会不良。在强耦合方式下两个线圈之间的交感由耦合模式理论所描述。在该进程中，下面的等式描述了两个典型线圈的动态
「00681 I·! %'叫=—A cW ][% W] /A
. Kil) (O^ITir J U0 (I)J5其中，变量as(t)和aD(t)被定义为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分别是源线圈和漏线圈的固有衰减率，衰减一般是由于吸收和辐射损耗。功可通过rw的形式从所述装置中提取出来。源线圈和漏线圈的频率是ω5α)和ω D (t)，并清楚地如下给出
·
{,) = 1/其中，Ls，D(t)和Cs，D(t)分别是源线圈和漏线圈的电感和电容。两线圈之间的耦合系数被标记为K (t)并如下给出r(f) = M (|) 1^44^44
U 1 ^1,( Ι ( -其中M(t)是两线圈的互感。等式(I)等价于用于二态原子的、被写为旋波近似形式的薛定谔等式，其中，变量as(t)和aD(t)分别是用于基态(等价于源线圈)和激发态(等价于漏线圈)的概率幅度。在二态原子的情况下，耦合系数(矩阵方程中的非对角线元素)与原子跃迁偶极距d12和激光电场幅度E(t)成比例；8卩Ω (t)=d12 · E(t)。Ω (t)被称为Rabi频率，作为原子激光交感强度的参数。我们定义了两线圈的谐振频率之间的差，该差对应于二态原子中的解谐△&):Δ (t) = s(t) - coD(t)。在谐振耦合的情况中，解谐值将为零。Kurz等提议的动态行为是线圈的谐振频率是与时间无关的情况，即当cos(t) = cos=恒定值且coD(t) = coD=恒定值时。在这种情况下,只有当cos(t) = coD(t)时，即是说当系统处于谐振时，且△=()，才会出现两线圈间能量的高效传输。具体地，系统受到这样的事实的消极的影响当系统从谐振解谐时线圈之间传输的电力急剧地降低。即是说，非谐振情况，即os(t) Φ ωΒα)是能量的非常低效的载波。如本文下面模拟的那样，谐振条件可被两线圈之间放置的任何对象破坏。下面讨论本实施方式，且此处可理解，本发明在应用中不限于下面说明中所述的或图中所示的组件的构架细节和配置。本发明具有其他的实施方式或可以以多种方式被实施或实现。同样，应理解，本文使用的措词和术语是出于描述的目的而不应被认为有所限制。现参照图lb，图Ib示出了 RAP机制的概念，其中，即使在大多数时间里ω5 ^ ωΒ1 ^ ωΒ2，仍可继续进行能量的传输。快速绝热变迁(RAP )论如在上述图Ia的方面中所讨论的，谐振技术并不是两个线圈之间无线能量传输的理想解决方案。因此，本实施方式提出了一种可选的稳健的绝热技术，该技术使用时间相关的动态代替恒定的动态。时间相关动态可通过随时间改变源线圈的谐振频率以及输入泵浦源和/或改变线圈之间的耦合系数来实现。谐振频率或耦合系数的改变可以绝热的方式进行，即意味着所述改变与系统的内部动态相比相对地非常慢，该系统是耦合系数的函数。下面在无线能量传输的背景下提供绝热标准的系统构架。暂定衰减率Γ 是零并以所谓的绝热基准写出等式(I)。对于二态原子这是二态汉密尔顿的瞬时本征态的基准。等式(I)因此被修改如下
权利要求
1.一种在源线圈和漏线圈之间传输能量的方法，包括 设定所述源线圈的初始谐振频率作为第一条件； 设定所述源线圈和所述漏线圈的相对彼此的位置以定义其间的初始耦合系数，所述初始耦合系数构成第二条件；以及 当将能量泵入所述源线圈时绝热地改变由所述第一条件和所述第二条件组成的组中的至少一个成员，从而传输所述泵入的能量至所述漏线圈。
2.根据权利要求I所述的传输能量的方法，其中，所述第一条件和第二条件均被绝热地改变。
3.根据权利要求I所述的传输能量的方法，其中，所述的第一条件被绝热地改变。
4.根据权利要求I所述的传输能量的方法，其中，所述第二条件被绝热地改变。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传输能量的方法，其中，所述源线圈是具有可变组件的谐振电路的一部分，以使所述初始谐振频率被改变。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传输能量的方法，其中，所述源线圈和漏线圈相对于彼此是可移动的，由此允许所述初始耦合系数的改变。
7.根据权利要求2所述的传输能量的方法，其中，在所述绝热改变的任何给定时间处均存在解谐值，所述解谐值是所述源线圈的谐振频率的当前值和所述漏线圈的谐振频率之间的差，所述绝热改变提供所述耦合系数(K (t))和所述解谐值(△ (t))的平滑时间相关性。
8.根据权利要求7所述的传输能量的方法，其中，所述绝热改变包括履行关于所述耦合系数和所述解谐值的绝热条件
9.根据权利要求7所述的传输能量的方法，其中，所述耦合系数k(t)相对大于损耗率(Γ )，并且其中，初始的和最终的解谐均相对大于所述耦合系数，(Γ<κ<Δ)0
10.根据前述权利要求中任一项所述的传输能量的方法，包括改变所述源线圈的谐振频率以使解谐值(Δ (t))从负值向正值缓慢扫动，所述解谐值是所述源线圈的谐振频率与所述漏线圈的谐振频率之间的差，所述负值大于所述源线圈和所述漏线圈之间的耦合，所述正值大于所述源线圈和所述漏线圈之间的所述耦合。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传输能量的方法，包括修改所述改变以减少能量被保持在所述源线圈内的时间的量。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在一毫秒和三毫秒之间的时间段上改变直至百分之十的量的所述源线圈的所述谐振频率。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在超过二毫秒的时间段上改变直至百分之十的量的所述源线圈的所述谐振频率。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括在所述时间段上改变所述耦合系数。
15.一种用于传输能量的装置，包括 源线圈，具有用于改变所述源线圈的谐振频率的谐振改变电路； 定位单元，用于改变所述源线圈的位置或方位，以改变所述源线圈和与所述源线圈无线耦合的对应的漏线圈的耦合系数；以及控制器，被配置为当将能量泵入所述源线圈时，绝热地改变所述谐振频率和所述耦合系数中的至少一个，从而传输所述泵入的能量到所述漏线圈。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述谐振频率和所述耦合系数均被绝热地改变。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述谐振频率被绝热地改变。
18.根据权利要求15所述的装置，其中，所述耦合系数被绝热地改变。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的装置，其中，所述定位单元能够旋转所述源线圈，从而允许所述初始耦合系数的所述绝热改变。
20.根据权利要求16所述的装置，其中，在所述绝热改变的任何给定时间处均存在解谐值，所述解谐值是所述源线圈的谐振频率的当前值和所述漏线圈的谐振频率之间的差，所述绝热改变提供耦合系数(K (t))和解谐值(Δ (t))的平滑时间相关性。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，所述耦合系数k(t)相对大于损耗率(Γ)，并且其中，初始的和最终的解谐均相对大于所述耦合系数，(Γ<κ<Δ)0
22.根据权利要求15至21中任一项所述的装置，其中，所述控制器被配置为改变所述 源线圈的谐振频率以使解谐值(△ (t))从负值向正值缓慢扫动，所述解谐值是所述源线圈的谐振频率与所述漏线圈的谐振频率之间的差，所述负值大于所述源线圈和所述漏线圈之间的耦合，所述正值大于所述源线圈和所述漏线圈之间的所述耦合。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的装置，其中，所述控制器能够修改所述改变以减少能量被保持在所述源线圈内的时间的量。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的装置，其中，所述控制器能够在一毫秒和三毫秒之间的时间段上改变直至百分之十的量的所述源线圈的所述谐振频率。
25.根据权利要求15至24中任一项所述的装置，其中，所述控制器能够在超过二毫秒的时间段上改变直至百分之十的量的所述源线圈的所述谐振频率。
26.根据权利要求25所述的装置，其中，所述控制器能够在所述时间段上改变所述耦合系数。
全文摘要
一种用于在源线圈和漏线圈之间传输能量的方法或装置，包括设定源线圈的初始谐振频率作为第一条件；设定源线圈和漏线圈的相对彼此的位置以定义其间的初始耦合系数，从而初始耦合系数构成第二条件；以及当将能量泵入源线圈时绝热地改变一个或两个条件。源线圈能量通过绝热改变的过程被传输至露线圈。
文档编号H02J17/00GK102959831SQ201180018750
公开日2013年3月6日 申请日期2011年3月3日 优先权日2010年3月4日
发明者亚龙·西尔伯贝格, 哈伊姆·苏霍夫斯基, 尼古拉·V·维塔诺夫, 安东·A·朗格洛夫 申请人:耶达研究及发展有限公司