无线能量传输建模工具的制作方法
【专利摘要】一种方法包括定义和存储形成系统的源谐振器和设备谐振器的一个或多个属性，定义和存储源谐振器与设备谐振器之间的交互，对系统的电磁性能进行建模以获得一个或多个建模值，并利用所获得的一个或多个建模值来设计阻抗匹配网络。
【专利说明】无线能量传输建模工具
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有于2011年11月4日提交的美国临时专利申请61/555，941的权.、
Mo
[0003]以引用的方式将上述申请中的每个申请整体合并到本申请中。
【技术领域】
[0004]本申请涉及无线能量传输，用于完成该传输的方法、系统和装置、以及应用。
【背景技术】
[0005]使用有线连接，在区域上针对可能经常被重新放置的一个或多个移动设备进行能量分配是不可行的。移动和改变设备造成了线缆缠绕的可能性、绊倒危险等等。当设备可能存在的区域或范围与该设备的尺寸相比较大时，在更大区域上的无线能量传输可能比较困难。在源和设备无线能量捕获模块中的较大的不匹配可能在传递足够能量以使设备以足够高的效率来实施这些实现方案的方面提出了挑战，或者可能难以部署。
[0006]因此需要用于当可以传递足够功率以便实际对很多家用和商业设备供电时进行无线的但容易部署并可配置的能量分配的方法和设计。
【发明内容】
[0007]谐振器和谐振器组合可以被放置为在封装应用中的较大区域上分配无线能量。该无线能量传输谐振器和可以使用的组件已经在例如共同拥有的于2010年9月23日公布的美国专利公布号 N0.2010/0237709 并且标题为 “RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGYTRANSFER”的美国专利申请N0.12/789，611、以及于2010年7月22日公布的美国专利公布号 N0.2010/0181843 并且标题为 “WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATORAPPLICATION”的美国专利申请N0.12/722,050中进行了描述，将这些美国专利申请的内容整体合并入本文，如同在本申请中完整给出它们的全部内容一样。
[0008]依照一个示例性但非限制性的实施例，一种方法包括:对形成系统的源谐振器和设备谐振器的一个或多个属性进行定义并存储，对源谐振器与设备谐振器之间的交互进行定义并存储，对系统的电磁性能进行建模以获得一个或多个建模值，并利用所获得的一个或多个建模值来设计阻抗匹配网络。
[0009]依照另一个示例性而非限制性的实施例，非临时性计算机可读介质包含指令集，所述指令集使计算机执行以下操作:实现对形成系统的源谐振器和设备谐振器的一个或多个属性进行定义，实现对源谐振器与设备谐振器之间的交互进行定义，对系统的电磁性能进行建模以获得一个或多个建模值，并利用所获得的一个或多个建模值来设计阻抗匹配网络。
[0010]除非特别指明，否则本申请可互换地使用术语无线能量传输、无线功率转移、无线功率传输等。本领域技术人员应该理解可以由本申请中描述的各种无线系统设计和功能来支持各种系统架构。
[0011]本申请引用某些单独电路组件和元件，比如电容器、电感器、电阻、二极管、变压器、开关等；这些元件的组合，比如网络、拓扑、电路等；以及具有固有特性的物体，比如具有分配(或者部分地分配的，与单独集中相反)在整个物体上的电容或电感的“自谐振”物体。本领域技术人员应该理解的是，对电路或网络中的可变组件进行调整和控制可以调整该电路或网络的性能，并且那些调整一般可以被描述为调谐、调整、匹配、纠正等。可以单独使用用于调谐或调整该无线功率传输系统的工作点的其它方法，或者额外调整可调谐组件，比如电感器和电容器、或电感器和电容器的库。本领域的技术人员应该认识到，可以通过各种其它方式来实现本申请中讨论的特定拓扑结构。
[0012]除非特别定义，本申请中所使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。在与出版物、专利申请、专利和本申请中以引用方式提到或并入的其它参考文献冲突的情况下，本说明书(包括定义)将会控制。
[0013]上面描述的任何特征都可以在不脱离本申请的范围的前提下单独或组合使用。根据下面的详细描述和附图，本申请中公开的系统和方法的其它特征、目的和优点将变得清
λ.Μ
/E.ο
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是无线能量传输配置的系统框图。
[0015]图2A至图2E是简单谐振器结构的示例性结构和示意图。
[0016]图3是具有单端放大器的无线源的框图。
[0017]图4是具有差分放大器的无线源的框图。
[0018]图5A和图5B是感应电路的框图。
[0019]图6A、图6B和图6C是无线源的框图。
[0020]图7是示出了关于放大器的参数的占空比的效果的曲线。
[0021]图8是具有交换放大器的无线电源的简化电路图。
[0022]图9示出了无线电源的参数的变化效果的曲线。
[0023]图10示出了无线电源的参数的变化效果的曲线。
[0024]图11A、图11B、图1lC和图1lC示出了无线电源的参数的变化效果的曲线。
[0025]图12示出了无线电源的参数的变化效果的曲线。
[0026]图13是包括具有交换放大器的无线电源和无线功率设备的无线能量传输系统的简化电路图。
[0027]图14示出了无线电源的参数的变化效果的曲线。
[0028]图15是示出了由于磁性材料的片(tile)之间的不规则间隔而引起的可能的不均匀磁场分布的谐振器的图。
[0029]图16是布置有在磁性材料的块中的片的谐振器，所述布置可以减少磁性材料块中的热点。
[0030]图17A是具有包括较小个体片的磁性材料块的谐振器，而图17B和图17C是额外的具有用于热管理的导热材料条的谐振器。
[0031]图18是多源系统中的通信和能量传输的图。[0032]图19A和图19B是示出了用于能量验证的方法的图。
[0033]图20是具有多个集成谐振器的太阳能PV板的图。
[0034]图21是具有通过电缆连接的外部谐振器的太阳能PV板的图。
[0035]图22是具有无线功率传输的太阳能PV板的车辆的图。
[0036]图23是能够为伞下的设备供电的、具有无线功率谐振器的太阳能PV板的太阳伞的图。
[0037]图24是使用无线功率传输的屋顶太阳能PV板的实施例的图。
[0038]图25是具有独立谐振器的屋顶太阳能PV板系统的图。
[0039]图26是在板之间具有无线功率传输的屋顶太阳能PV板系统的图。
[0040]图27是具有连接条的屋顶太阳能PV板系统的图，所述连接条从多个太阳能PV板向一个谐振器无线地传输功率。
[0041]图28A示出了一系列PV板的电路模型，而图28B示出了典型的PV板操作特性。
[0042]图29示出了阵列电压与阵列电流的关系图。
[0043]图30示出了 PV板电阻和电流特性。
[0044]图31A至图31C示出了适用于PV板的无线能量传输系统的框图。
[0045]图32是示出了组合在一起的板的多个输出的图。
[0046]图33是具有PV板的无线能量传输系统的图。
[0047]图34是具有PV板的无线能量传输系统的放大器的图。
[0048]图35A和图35B示出了在放大器的工作期间的电压和电流图。
[0049]图36示出了无线源的阻抗的特性。
[0050]图37A和图37B示出了无线源的阻抗的特性。
[0051]图38示出了具有PV电池的无线能量传输源。
[0052]图39示出了对与PV板一起使用的源进行调谐的过程。
[0053]图40示出了具有PV板的无线能量传输系统的图。
[0054]图40示出了具有PV板的无线能量传输系统的图。
[0055]图41示出了具有PV板的无线能量传输系统的图。
[0056]图42是所启用的采用无线能量传输的封装的图。
[0057]图43是所启用的采用无线能量传输的封装的图。
[0058]图44是所启用的采用无线能量传输的一堆封装的图。
[0059]图45是所启用的具有解调谐块的无线能量传输的封装的图。
[0060]图46是所启用的采用无线能量传输的封装的图。
[0061]图47是根据示例性和非限制性实施例的方法的流程图。
[0062]图48是根据一个示例性且非限制性实施例的输入源线圈设计参数的用户界面的示意图。
[0063]图49是根据一个示例性且非限制性实施例的选择源线圈设计的用户界面的示意图。
[0064]图50是根据一个示例性且非限制性实施例的输入设备线圈设计参数的用户界面的示意图。
[0065]图51是根据一个示例性且非限制性实施例的输入源线圈和设备线圈位置参数的用户界面的示意图。
[0066]图52是根据一个示例性且非限制性实施例的错误消息的示意图。
[0067]图53是根据一个示例性且非限制性实施例的错误消息的示意图。
[0068]图54是根据一个示例性且非限制性实施例的错误消息的示意图。
[0069]图55是根据一个示例性且非限制性实施例的用户界面的示意图。
[0070]图56是根据一个示例性且非限制性实施例的方法的流程图。
[0071]图57是根据一个示例性且非限制性实施例的用户界面的示意图。
[0072]图58是根据一个示例性且非限制性实施例的用户界面的示意图。
[0073]图59是根据一个示例性且非限制性实施例的用户界面的示意图。
[0074]图60是根据一个示例性且非限制性实施例的用户界面的示意图。
[0075]图61是根据一个示例性且非限制性实施例的用户界面的示意图。
[0076]图62是根据一个示例性且非限制性实施例的用户界面的示意图。
[0077]图63是根据一个示例性且非限制性实施例的示例性系统的示意图。
[0078]图64是根据一个示例性且非限制性实施例的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0079]如上所述，本申请涉及使用耦接的电磁谐振器进行无线能量传输。但是，这种能量传输并不限于电磁谐振器，本申请中描述的无线能量传输系统是更一般性的，并且可以使用各种谐振器和谐振物体来实现。
[0080]本领域普通技术人员应该认识到，对基于谐振器的功率传输的重要考虑因素包括谐振器效率和谐振器耦接。例如，在2010年9月23日公开为US20100237709、标题为“RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER” 的美国专利申请 12/789，611 和2010 年 7 月 22 日公开为 US20100181843 并且标题为 “WIRELESS ENERGY TRANSFER FORREFRIGERATOR APPLICATION”的美国专利申请12/722,050中提供了这些问题(例如，耦接的模型理论(CMT)耦合系数和因子、质量因素(也称为Q-因素)和阻抗匹配)的广泛讨论，通过引用的方式将这些美国专利申请的全部内容合并入本申请。
[0081]谐振器可以定义为能够以至少两种不同形式来存储能量并且所存储的能量在两种形式之间振荡的谐振结构。该谐振结构将有具有谐振(模型)频率f和谐振(模型)域的特定振荡模式。谐振角频率ω可以定义为ω = 2Jif，谐振周期T可以定义为T = 1/f=2π/ω，而谐振波长λ可以定义为λ = c/f，其中，c是关联域波(对于电磁谐振器而言是光波)的速度。在缺少丢失机制，耦接机制或外部能量提供或消耗机制时，谐振器所储存的能量的总量W会保持固定，但是能量的形式会在该谐振器所支持的两种形式之间振荡，其中，一种形式将会在另一种形式最小化时最大化，反之亦然。
[0082]例如，谐振器可以构造为使得所存储的两种形式的能量是磁能和电能。此外，谐振器可以被构造为使得电场所存储的电能主要限制在该结构内，而磁场所存储的磁能主要位于谐振器的周围区域。换句话说，总的电能和磁能应该是相等的，但是它们的定位会较为困难。使用这种结构，在至少两个结构之间的能量交换可以由至少两个谐振器的附近域的谐振磁场来调停。这些类型的谐振器可以称为磁谐振器。
[0083]无线功率传输系统中所使用的谐振器的一个重要参数是谐振器的质量因素、或Q-因素或Q，该质量因素描绘了能量衰减的特征并且与谐振器的能量损耗成反比。其可以被定义为Q= ?*W/P，其中，P是在稳定状态下的时间平均功率损耗。也就是说，具有高-Q的谐振器具有相对较低的固有损耗，并且能够将能量存储相对较长时间。由于谐振器以其固有衰减率2 gamma损失能量，因此其Q(也被称为其固有Q)由Q = ω/2gamma给出。该质量因素也表示振荡周期的数量Τ，其认为谐振器中的能量按照θ_2π的因子衰减。注意该谐振器的质量因素或固有质量因素或Q仅仅是由于固有损耗机制而引起的。连接到或耦接到发电机g的谐振器的Q或负载I可以称为“负载质量因素”或“负载Q”。并非旨在成为能量传输系统的一部分的、存在的无关对象中的谐振器的Q可以被称为“扰乱的质量因素”或“扰乱的Q”。
[0084]通过其近场的任何部分而耦接的多个谐振器可以交互并交换能量。如果谐振器以基本上相同的谐振频率工作，则可以明显提高该能量传输的效率。举例说明但并非限制，假设源谐振器具有Qs，并且设备谐振器具有Qd。高-Q无线能量传输系统可以采用高-Q谐振 器。每个谐振器的Q可以较高。谐振器Q的几何平均
【权利要求】
1.一种方法，包括: a)对形成系统的源谐振器和设备谐振器的一个或多个属性进行定义并存储； b)对所述源谐振器与所述设备谐振器之间的交互进行定义并存储； c)对所述系统的所述电磁性能进行建模，以获得一个或多个建模值；以及 d)利用所获得的一个或多个建模值来设计阻抗匹配网络。
2.如权利要求1所述的方法，其中，对所述源谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括定义从以下群组中选择的至少一个源谐振器参数，所述群组包括:源谐振器连线类型、源谐振器长度、源谐振器宽度、源 谐振器线圈缠绕方向、源谐振器线圈匝数、以及线匝之间的源谐振器线圈间隔。
3.如权利要求1所述的方法，其中，对所述源谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:经由用户接口来定义所述源谐振器的所述一个或多个属性。
4.如权利要求1所述的方法，其中，对所述源谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:接收指示在所定义的一个或多个属性之间一个或多个逻辑或物理不兼容性的警告。
5.如权利要求1所述的方法，其中，对所述源谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:检索先前定义的源谐振器。
6.如权利要求1所述的方法，其中，对所述设备谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括定义从以下群组中选择的至少一个设备谐振器参数，所述群组包括:设备谐振器连线类型、设备谐振器长度、设备谐振器宽度、设备谐振器线圈缠绕方向、设备谐振器线圈匝数、以及线匝之间的设备谐振器线圈间隔。
7.如权利要求1所述的方法，其中，对所述设备谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:经由用户接口来定义所述设备谐振器的所述一个或多个属性。
8.如权利要求1所述的方法，其中，对所述设备谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:接收指示在所定义的一个或多个属性之间的一个或多个逻辑或物理不兼容性的警生口 ο
9.如权利要求1所述的方法，其中，对所述设备谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:检索先前定义的设备谐振器。
10.如权利要求1所述的方法，其中，对所述源谐振器与所述设备谐振器之间的交互进行定义包括:定义从以下群组中选择的至少一个系统参数，所述群组包括扫描参数和源/设备谐振器间隔距离。
11.如权利要求1所述的方法，还包括: e)至少部分地基于所述阻抗匹配网络来建立物理系统； f)测量所述物理系统的至少一个属性；以及 g)重复步骤c，其中，所述物理系统的至少一个测得的属性用于对所述系统的所述电磁性能进行建模。
12.一种包含指令集的非临时性计算机可读介质，所述指令集使得计算机执行以下操作: 实现对形成系统的源谐振器和设备谐振器的一个或多个属性进行定义； 实现对所述源谐振器与所述设备谐振器之间的交互进行定义； 对所述系统的所述电磁性能进行建模，以获得一个或多个建模值；以及利用所获得的一个或多个建模值来设计阻抗匹配网络。
13.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，对所述源谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括定义从以下群组中选择的至少一个源谐振器参数，所述群组包括:源谐振器连线类型、源谐振器长度、源谐振器宽度、源谐振器线圈缠绕方向、源谐振器线圈匝数、以及线匝之间的源谐振器线圈间隔。
14.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，对所述源谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:经由用户接口来定义所述源谐振器的所述一个或多个属性。
15.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，对所述源谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:接收指示在所定义的一个或多个属性之间的一个或多个逻辑或物理不兼容性的警告。
16.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，对所述源谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:检索先前定义的源谐振器。
17.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，对所述设备谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:定义从以下群组中选择的至少一个设备谐振器参数，所述群组包括:设备谐振器连线类型、设备谐振器长度、设备谐振器宽度、设备谐振器线圈缠绕方向、设备谐振器线圈匝数、以及线匝之间的设备谐振器线圈间隔。
18.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，对所述设备谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:经由用户接口来定义所述设备谐振器的所述一个或多个属性。
19.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，对所述设备谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:接收指示所定义的一个或多个属性之间的一个或多个逻辑或物理不兼容性的警告。
20.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，对所述设备谐振器的所述一个或多个属性进行定义包括:检索先前定义的设备谐振器。
21.如权利要求12所述的计算机可读介质，其中，对所述源谐振器与所述设备谐振器之间的交互进行定义包括:定义从以下群组中选择的至少一个系统参数，所述群组包括扫描参数和源/设备谐振器间隔距离。
22.如权利要求12所述的计算机可读介质，还包括:使所述计算机利用至少部分地基于所述阻抗匹配网络而建立的物理系统的至少一个测得的属性，来对所述系统的所述电磁性能进行建模。
【文档编号】H02J17/00GK103988391SQ201280053816
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年11月5日 优先权日:2011年11月4日
【发明者】S·韦尔盖塞, V·埃费, M·P·凯斯勒, A·B·库尔斯, A·卡拉里斯, A·P·麦考利, M·E·R·伊哈鲁维亚 申请人:WiTricity公司