用于无线电容性功率的传输层的制作方法
【专利摘要】一种功率接收器设备包括：接收器电极对（341，342），其用于与置于表面一侧的发射器电极对（321，322）电容耦合；以及可变形传输层（371，372），其置于接收器电极对中的每一个电极与所述表面的另一侧之间。由功率驱动器（110）生成的功率信号从发射器电极对（321，322）无线地传输至接收器电极对（341，342）以便对功率接收器设备中的负载（150）供电。
【专利说明】用于无线电容性功率的传输层
[0001]本申请主张2011年8月16日提交的美国临时申请N0.61/523，961的利益。
[0002]本发明总体上涉及用于无线功率传输的电容性供电系统，更具体而言，涉及用于从表面进行高效功率传输的发射器与接收器电极之间的传输层。
[0003]无线功率传输指的是在不使用导线或接触的情况下供应电力。因此，对电子设备的供电通过无线介质来执行。电容性耦合是一种用于无线地传输功率的技术。该技术主要用在数据传输与感测应用中。例如，粘在窗口上的汽车无线电天线与汽车内部的拾取元件电容耦合。该电容耦合技术也用于电子设备的非接触充电。
[0004]在本说明书结尾处的权利要求书中特别指出且清楚地声明了被认为是本发明的主题。本发明的前述和其他特征和优点根据以下结合附图进行的详细描述将是清楚明白的。
[0005]图1为用于无线功率传输的电容性功率传输系统的典型布置。
[0006]图2A和图2B示出了理想电容器和具有空气层的电容器的概览。
[0007]图3图不出依照本发明实施例的具有可变形传输层的电容性功率传输系统。
[0008]图4A和图4B图示出依照本发明实施例的粗糙表面和弯曲表面上的可变形传输层。
[0009]图5图示出依照本发明实施例如何使用可变形传输层作为介电层的替代物。
[0010]图6图示出封闭液体(例如水)的传输层。
[0011]重要的是指出所公开的实施例仅仅是本文的创新教导的许多有利用途的实例。总的说来，本申请的说明书中做出的陈述不一定限制了各个要求保护的发明中的任何发明。而且，一些陈述可能适用于一些发明特征，但是不适用其他发明特征。通常，不失一般性，除非另外指明，单数元件可以是复数并且反之亦然。在附图中，贯穿若干视图，相似的附图标记表示相似的部分。
[0012]一种电容性功率传输系统可以用来在具有平坦结构的诸如窗口、墙壁、地板等等之类的大区域上传输功率。这种电容性功率传输系统的一个实例在图1中被描绘成系统100。如图1中所图示的，这种系统的典型布置包括连接到负载150和电感器160的接收器电极对141、142。系统100也包括连接到功率驱动器110的发射器电极对121、122。也存在绝缘层130。
[0013]发射器电极121、122布置在绝缘层130的一侧，并且接收器电极141、142布置在绝缘层130的另一侧。功率通过在绝缘层130的任一侧邻近发射器电极121和122放置接收器电极141、142，在这两者之间没有直接接触而供应给负载150。该布置在发射器电极对121,122与接收器电极141、142之间形成电容阻抗。因此，由驱动器控制器110生成的功率信号从发射器电极121、122无线地传输至接收器电极141、142以便向负载150供电。因此，无需机械连接器或者任何电接触以便向负载150供电。
[0014]在一个实施例中，发射器电极121、122到驱动器110之间的连接借助于电流接触。在另一个实施例中，可以在驱动器110与电极121、122之间应用电容内耦合，由此无需导线连接。该实施例在模块化基础结构中由于易于扩展基础结构而是有利的。[0015]图1中所示的系统包括两个可选的电感器112和160，其使功率信号频率与系统的串联谐振频率匹配，从而提高功率传输的效率。
[0016]驱动器控制器110输出AC电压信号，该电压信号具有与由一系列电容器(Cl和C2)和电感器112、160组成的电路的串联谐振频率基本上相同的频率。电容器(Cl和C2)为发射器电极121、122和接收器电极141、142的电容阻抗(图1中以虚线示出)。电容器(Cl和C2)的电容阻抗以及电感器160的电感在谐振频率下彼此相消，得到低欧姆电路。驱动器控制器110生成其振幅、频率和波形可以被控制的AC信号。输出信号典型地具有数十伏特的振幅以及高达数兆赫兹(MHz)的频率。在一个示例性实施例中，输出信号典型地为50V/400kHzo因此，系统100能够以低功率损耗将功率输送至负载150。
[0017]作为一个非限制性实例，电感器112和160可以为可调谐电感器(例如回转器调谐类型)。此外，系统100可以包括可变电容器或者一排可开关电容器以便控制电容。
[0018]在一个实施例中，驱动器110感测其输出处的电压和电流的相位以便确定系统100是否被调谐。在另一个实施例中，电压和电流的相位在接收器电极141、142中测量。在这两个实施例中，当最大电流流经负载150时，系统100是调谐的。换言之，串联谐振频率和信号频率不匹配。所述感测可以在操作频率以及操作频率的高次谐波下执行。
[0019]负载可以为例如LED、LED串、灯、显示器、计算机、电源充电器、扬声器等等。例如，系统100可以用来对安装在墙壁上的照明灯具供电。
[0020]绝缘层130为薄层衬底材料，其可以是任何绝缘材料，包括例如空气、纸、木材、织物、玻璃、DI水等等。在一个实施例中，选择具有介电常数的材料。绝缘层130的厚度典型地介于10微米(例如涂料层)与数毫米(例如玻璃层)之间。
[0021]发射器电极121、122由置于绝缘层130的不与接收器电极141、142相邻的一侧的两个单独的导电材料体组成。例如，如图1中所示，发射器电极121、122处于绝缘层130的底部。在另一个实施例中，发射器电极121、122可以置于绝缘层130的相对侧。发射器电极121、122可以为任何形状，包括例如矩形、圆形、正方形或者其组合。每一个发射器电极的导电材料可以为例如碳、铝、氧化铟锡(ΙΤ0)、诸如PEDOT之类的有机材料、铜、银、导电涂料或者任何导电材料。
[0022]接收器电极141、142可以是与发射器电极121、122相同的导电材料，或者由不同的导电材料制成。系统100的总电容由对应发射器和接收器电极121、141和122、142的重叠面积以及绝缘层130的厚度和材料性质形成。系统100的电容在图1中被示为Cl和C2。为了允许电谐振，系统100应当也包括电感元件。该元件可以处于作为发射器电极或接收器电极的部分、分布在驱动器110和负载上的一个或多个电感器(例如图1中所示的电感器160和112)，结合到绝缘层130内的电感器，或者其任意组合的形式。在一个实施例中，系统100中利用的电感器可以处于集总线圈的形式。
[0023]负载150允许AC双向电流流动。在一个实施例中，负载150可以包括局部地生成DC电压的二极管或AC/DC转换器。负载150可以进一步包括用于基于由驱动器110生成的控制信号控制负载150的各种功能或者对这些功能编程的电子器件。为此目的，在一个实施例中，驱动器110生成在AC功率信号上调制的控制信号。例如，如果负载150为LED灯，那么驱动器110的控制信号输出可以用于对LED灯进行调光或者颜色设置。
[0024]用于对充当负载150的灯进行调光和/或颜色设置的另一个实施例包括使发射器和接收器电极错位，即此时对应电极121/141和122/144不完全彼此重叠。在这种情况下，电路不谐振，由此更少的功率从驱动器110传输至灯(负载150)。其中电路不谐振的状态也称为失谐。
[0025]用于使系统100失谐的其他实施例包括在负载150 (例如灯)中或者在从驱动器110到灯的路径中添加电容、电感或者电阻，将灯置于基础结构的另一个位置上或者另一个位置处，或者使用由灯生成并且发送至驱动器110的反馈信号。该反馈使用灯上的按钮而提供，其生成在驱动器中测量的短的失谐。驱动器Iio基于该反馈改变输出的AC信号的功率和/或频率。
[0026]在一个实施例中，接收器电极141、142相对于发射器电极121、122的正确放置可以使用位置指示器来确定，该位置指示器提供何时最大功率或者高于预定义阈值的功率从驱动器110传输至负载150的指示。该位置指示器可以是驱动器110的一部分，或者集成到负载150中。所述指示可以处于例如点亮的LED、声音、用于显示传输的功率的消息或度量的液晶显示器等等的形式。应当进一步指出的是，位置指示器也可以用来检测系统100中的功率热点。
[0027]如图1中示例性地图示的电容性供电系统100描绘了由驱动器110供电的单个负载150。然而，应当指出的是，驱动器110也可以对多个负载供电，可以将其中每一个负载调谐到不同的操作频率。在这样的配置下，驱动器110输出的信号的频率确定将对哪个设备供电。驱动器110也可以生成AC扫描信号(具有变化的频率的信号)。当足够快时，频率扫描将在AC信号的频率与对应负载谐振调谐重合的时段期间对设备供电。按照这种方式，可以以复用的方式对不同频率下调谐的若干负载供电。为了填充扫描之间的无电力间隙，可以添加电池和/或电容器。
[0028]在另一个实施例中，提供了负载的扩频供电。相应地，通过大频带表征的AC功率信号由驱动器110生成，从而允许在不同频率范围内调谐多个负载的组中的每个单独的负载，由此可以独立地对每个单独的负载供电。
[0029]在包括多个负载的电容性供电系统中，由不同负载消耗的功率可以彼此不同。AC信号的功率由消耗最高功率的负载确定。当“高功率负载”和“低功率负载”连接在系统中时，功率AC信号可能损坏后一负载。为了克服这个问题，需要过载保护。
[0030]由于发射器电极与接收器电极之间的电容耦合取决于电极之间的距离以及电极之间的传输层的介电性质，功率驱动控制器或者功率传输器设备和功率接收器设备典型地彼此紧邻以便提供高效的功率传输。不失一般性，这里所提到的功率传输器设备是一种将功率传输至功率接收器设备的设备；并且这里所提到的功率接收器设备是一种接收来自功率传输器设备的功率的设备，并且功率接收器设备包括消耗功率的负载。
[0031]然而，在实际的环境中，控制跨越其传输功率的诸如墙壁、地板等等之类的平坦结构的平坦性和粗糙度是非常困难的。地板或墙壁表面和/或覆盖层可能不均匀或者是粗糙的。例如，示为基础结构130的图1的表面和/或覆盖层可能不平坦并且具有不均匀的表面区域。当功率接收设备的电极(例如电极141和142)置于这样的不均匀表面上时，建立的电容(Cl和C2)的值不是恒定的。这归因于发射器和接收器电极之间的平均距离的变化以及跨所述表面的不同介电常数，例如，归因于在不均匀表面的某些部分与电极之间可能存在空气这一事实。空气具有比地板表面和/或覆盖层低得多的相对介电常数导致电容(Cl和C2)的附加变化。结果，在电容的值中可能存在相当大的扩散，其引起电容性功率传输系统的非均匀操作条件。
[0032]此外，由于电容器(Cl和C2)是谐振电路的部分，因而电容变化的另一个后果是，电路可能不再处于谐振中，导致电容性功率传输系统中的更小的效率和/或更少的功率传输。尽管反馈环在控制电容的变化方面可以提供某种优点，但是该电容可能仍然如此大地变化，以至于在新的操作点处功率传输不是最佳的，即不那么高效、不稳定、超范围等等。
[0033]本文的某些实施例描述了布置在接收器电极与在图1中被示为基础结构130的表面和/或覆盖层之间的可变形传输层。有利的是，该可变形传输层例如通过最小化基础结构130与发射器和接收器电极之间的空气的量来控制电容。在一个实施例中，该可变形传输层是薄的可变形层，其置于接触之间以便适应表面粗糙度和不完美的平面度。由于电极对的电容取决于电极之间的距离，因而在添加的厚度不显著地改变电容或者使得电容性功率传输系统移出操作范围的情况下，可变形传输层的厚度被认为是“薄”的。
[0034]本文公开的一个实施例包括用于无线地接收来自发射器设备的功率的接收器设备，该发射器设备具有置于表面一侧的发射器电极对，该接收器设备包括:接收器电极对，其用于与发射器电极对电容稱合；以及可变形传输层，其置于接收器电极对中的每一个电极与所述表面的另一侧之间；其中由功率驱动器生成的功率信号从发射器电极对无线地传输至接收器电极对以便对功率接收器设备中包括的负载供电。
[0035]上面的负载可以与功率接收器设备中的电感器串联，其中功率信号的频率基本上匹配功率接收器设备中的电感器的串联谐振频率以及第一和第二电容器之间的电容阻抗。
[0036]如上面所讨论的，电容变化可以由表面粗糙度和/或表面的不理想平面度(即弯曲)造成。此外，如果机械地移除和/或移位接收器(拉拽或者推压它)，那么电容可能动态地变化。图2A示出了具有设置在两个接触201和203之间的电介质(dielectricum) 202的理想电容器。应当指出的是，电介质是一种介电介质，其是电绝缘体并且可以由施加的电场极化。图2B示出了实际情形中的电容器，其中第一接触具有粗糙表面，并且因此在第一接触201与电介质202之间存在空气层204。如前面所提到的，空气具有低得多的相对介电常数ε y导致电容的变化。
[0037]图3示出了本发明的一个实施例，其中可变形传输层371、372置于接收器电极341、342中的每一个与面板表面330之间，发射器电极321、322驻留在该面板表面之下。为了实现用于高效功率传输的可变形传输层，选择具有高L值的材料。可变形传输层材料的高L使由于接触的表面粗糙度和不理想的平面度而引起的电容的变化最小化。在一个实施例中，可变形传输层由硅树脂组成。
[0038]图3图示出置于接收器电极341、342中的每一个与面板表面330之间的可变形传输层371、372。可变形传输层同样地可以置于发射器电极321、322与面板之间。
[0039]如图4Α和图4Β中所示，依照本发明的一个实施例，可变形传输层481用作接触表面与电介质之间的中间层以便最小化由于表面粗糙度和/或表面的不理想平面度而引起的对于电容器值的影响。图4Α示出了可变形传输层481置于第一接触与电介质之间。可变形传输层481装配到电介质与第一接触之间的任何粗糙或不均匀表面区域中。图4Β示出了可变形传输层481符合电介质和第一接触的接触表面的曲率。尽管图4Α和图4Β示出了在第一接触与电介质之间利用可变形传输层481，但是类似地可以在第二接触与电介质之间或者在这两者之间利用可变形传输层481。
[0040]在一个实施例中，可变形传输层为弹性层。弹性材料可以在不存在力的情况下返回到其原始形状。不同的实施例利用可以通过施加力将其带回到其原始形状的诸如柔性和顺应材料以及可变形材料之类的其他材料。
[0041]如图5中所示，依照本发明的一个实施例，可变形传输层581用作电介质层的替代物。由于电介质层为薄层，因而系统对于该层发生的损坏非常敏感。
[0042]在另一个实施例中，可变形传输层为柔软的导电层。在该实施例中，可变形传输层为一片导电泡沫。该柔软的导电层有利地降低了不均匀或粗糙的表面对于发射器和接收器电极之间的电容的影响。
[0043]图6示出了其中腔室681在可变形传输层680内部建立并且腔室填充有液体(例如水)的实施例，所述液体具有值为80的高ε r0
[0044]在另一个实施例中，水凝胶层用作可变形传输层，因为水凝胶是可变形的并且水凝胶的最大体积率为具有高L的水。也可以使用具有高L的其他凝胶。
[0045]尽管较为详细地且特别地关于若干描述的实施例描述了本发明，但是并不预期其应当限于任何这样的细节或实施例或者任何特定实施例，而是应当参照所附权利要求书对其诠释以便提供考虑到现有技术的对于这样的权利要求书的最广泛的可能解释，并且因此有效地涵盖本发明的预期范围。此外，前面根据本发明人预知的、授权说明对其可用的实施例描述了本发明，但是当前未预知的本发明的非实质性修改仍然可以表示其等效物。
【权利要求】
1.一种功率接收器设备，用于无线地接收来自发射器设备的功率，该发射器设备具有置于表面(330 ) —侧的发射器电极对(321，322 )，该功率接收器设备包括: 接收器电极对(341，342)，其用于与发射器电极对(321，322)电容耦合；以及 可变形传输层(371,372),其置于接收器电极对中的每一个电极与所述表面的另一侧之间； 其中由功率驱动器(110)生成的功率信号从发射器电极对(321，322)无线地传输至接收器电极对(341，342)以便对功率接收器设备中包括的负载(150)供电。
2.权利要求1的功率接收器设备,其中可变形传输层由弹性材料制成。
3.权利要求1的功率接收器设备，其中可变形传输层由高介电常数材料制成。
4.权利要求1的功率接收器设备，其中可变形传输层由硅树脂制成。
5.权利要求1的功率接收器设备，其中可变形传输层由导电材料制成。
6.权利要求1的功率接收器设备，其中可变形传输层由水凝胶制成。
7.权利要求1的功率接收器设备，其中可变形传输层(680)包括多个腔室(681)并且其中这些腔室填充有液体。
8.权利要求7的功率接收器设备，其中所述液体为水。
9.权利要求1的功率接收器设备，其中负载(150)与功率接收器设备中的电感器(160)串联，其中功率信号的频率基本上匹配功率接收器设备中的电感器(160 )的串联谐振频率以及与发射器电极对(321，322)耦合的接收器电极对(341，342)的电容阻抗。
【文档编号】H02J17/00GK103733478SQ201280039859
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2012年8月13日 优先权日:2011年8月16日
【发明者】T.J.P.范登比格拉亚尔, O.H.维勒姆森, D.W.范戈尔, E.瓦芬施米特, A.塞姆佩, L.R.R.德斯梅特, H.T.范登赞登 申请人:皇家飞利浦有限公司