专利名称：来自可再生能量的无线电力的制作方法
技术领域：
本发明大体涉及无线充电，且更具体来说涉及与以无线方式对电子装置充电有关的装置、系统及方法。
背景技术：
通常，每一电池供电装置需要其自身的充电器及电源，所述电源通常为AC电源插座。当许多装置需要充电时，此情形变得使用不便。正在开发在发射器与待充电的装置之间使用空中电力发射的方法。大体上将这些方法分为两个种类。一类是基于在发射天线与待充电的装置上的接收天线之间的平面波辐射(也称作远场辐射)的耦合，待充电的装置收集所辐射的电力且将其整流以用于对电池充电。天线大体上具有谐振长度以便改善耦合效率。此方法的缺陷在于电力耦合随着天线之间的距离增加而快速衰减。因此，在合理距离(例如，> 1到2米)上的充电变得困难。 另外，由于系统辐射平面波，因此如果未经由滤波进行适当控制，则无意的辐射可干扰其它系统。其它方法是基于嵌入于(例如)“充电”垫或表面中的发射天线与嵌入于待充电的主体装置中的接收天线加上整流电路之间的感应耦合。此方法具有发射天线与接收天线之间的间距必须非常靠近(例如，几毫米)的缺点。虽然此方法确实具有对同一区域中的多个装置同时充电的能力，但此区域通常较小，因此，用户必须将装置定位到特定区域中。因此，存在对提供适应发射天线及接收天线的灵活置放及定向的无线充电布置的需要。此外， 需要具有经配置以利用可再生能量源对一个或一个以上电子装置充电的无线电力平台。
图1展示无线电力传送系统的简化框图。图2展示无线电力传送系统的简化示意图。图3展示供用于本发明的示范性实施例中的环形天线的示意图。图4展示指示发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。图5A及图5B展示根据本发明的示范性实施例的用于发射及接收天线的环形天线的布局。图6展示指示与图5A及图5B中所说明的正方形及圆形发射天线的各种周长大小有关的发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。
图7展示指示与图5A及图5B中所说明的正方形及圆形发射天线的各种表面积有关的发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。图8展示接收天线相对于发射天线的各种置放点以说明共平面置放及同轴置放中的耦合强度。图9展示指示在发射天线与接收天线之间的各种距离处的同轴置放的耦合强度的模拟结果。图10为根据本发明的一示范性实施例的发射器的简化框图。图11为根据本发明的一示范性实施例的接收器的简化框图。图12展示用于进行发射器与接收器之间的消息接发的发射电路的一部分的简化示意图。图13A到图13C展示处于各种状态中的接收电路的一部分的简化示意图以说明接收器与发射器之间的消息接发。图14A到图14C展示处于各种状态中的替代接收电路的一部分的简化示意图以说明接收器与发射器之间的消息接发。图15A到图15D为说明用于在发射器与接收器之间发射电力的信标电力模式的简化框图。图16A说明大发射天线，三个不同较小中继器天线经安置成与所述发射天线共平面且处于所述发射天线的周边内。图16B说明大发射天线，较小中继器天线相对于所述发射天线成偏移同轴置放及偏移共平面置放。图17展示指示发射天线、中继器天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。图18A展示指示在不具有中继器天线的情况下发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。图18B展示指示在具有中继器天线的情况下发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。图19为根据本发明的一个或一个以上示范性实施例的发射器的简化框图。图20为根据本发明的一示范性实施例的放大区域无线充电设备的简化框图。图21为根据本发明的另一示范性实施例的放大区域无线充电设备的简化框图。图22为根据本发明的一示范性实施例的充电系统的框图，所述充电系统包括耦合到至少一个发射天线的电力产生系统，其中一障壁定位于所述至少一个发射天线与电力产生系统之间。图23为根据本发明的一示范性实施例的充电系统的另一框图，所述充电系统包括耦合到至少一个发射天线的电力产生系统，其中一障壁定位于所述至少一个发射天线与电力产生系统之间。图M为根据本发明的一示范性实施例的充电系统的又一框图，所述充电系统包括耦合到至少一个发射天线的电力产生系统，其中一障壁定位于所述至少一个发射天线与电力产生系统之间。图25为根据本发明的一示范性实施例的充电系统的框图，所述充电系统包括耦合到接近一障壁定位的至少一个发射的电力产生系统。
图沈为根据本发明的一示范性实施例的充电系统的另一框图，所述充电系统包括耦合到接近一障壁定位的至少一个发射的电力产生系统。图27为根据本发明的一示范性实施例的充电系统的又一框图，所述充电系统包括耦合到接近一障壁定位的至少一个发射的电力产生系统。图观说明根据本发明的一示范性实施例的充电系统的实例，所述充电系统包括附接到公共汽车的顶部外表面的太阳能电池。图四说明根据本发明的一示范性实施例的充电系统的另一实例，所述充电系统包括附接到列车的顶部外表面的太阳能电池。图30说明根据本发明的一示范性实施例的充电系统的又一实例，所述充电系统包括附接到建筑物的顶部外表面的太阳能电池。图31为说明根据本发明的一示范性实施例的操作充电系统的方法的流程图。图32为说明根据本发明的一示范性实施例的操作充电系统的另一方法的流程图。
具体实施例方式词语“示范性”在本文中用以意味着“充当一实例、例子或说明”。本文中经描述为 “示范性”的任何实施例未必被解释为比其它实施例优选或有利。下文结合随附图式所阐述的实施方式既定作为对本发明的示范性实施例的描述且既定不表示可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述所使用的术语“示范性”意味着“充当一实例、例子或说明”，且将未必被解释为比其它示范性实施例优选或有利。出于提供对本发明的示范性实施例的透彻理解的目的，实施方式包括特定细节。所属领域的技术人员将显而易见，可在不具有这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些例子中，以框图的形式展示众所周知的结构及装置以便避免混淆本文中呈现的示范性实施例的新颖性。词语“无线电力”在本文中用以意味着与电场、磁场、电磁场或在不使用物理电磁导体的情况下的从发射器发射到接收器的其它者相关联的任何形式的能量。图1说明根据本发明的各种示范性实施例的无线发射或充电系统100。将输入电力102提供到发射器104以用于产生用于提供能量传送的辐射场106。接收器108耦合到辐射场106且产生输出电力110以用于由耦合到输出电力110的装置(图中未绘示)存储或消耗。发射器104与接收器108以距离112分离。在一个示范性实施例中，根据互谐振关系来配置发射器104与接收器108，且在接收器108的谐振频率与发射器104的谐振频率完全相同时，在接收器108位于辐射场106的“近场”中时，发射器104与接收器108之间的发射损耗最小。发射器104进一步包括用于提供用于能量发射的装置的发射天线114，且接收器 108进一步包括用于提供用于能量接收的装置的接收天线118。根据应用及与应用相关联的装置而设定发射及接收天线的大小。如所陈述，通过将发射天线的近场中的能量的一大部分耦合到接收天线(而非将电磁波中的大多数能量传播到远场)而发生有效率的能量传送。当在此近场中时，可在发射天线114与接收天线118之间产生耦合模式。可发生此近场耦合的在天线114与118周围的区域在本文中被称作耦合模式区。
图2展示无线电力传送系统的简化示意图。发射器104包括振荡器122、功率放大器1 及滤波器及匹配电路126。振荡器经配置以在所要频率下产生，其可响应于调整信号123而加以调整。振荡器信号可由功率放大器124响应于控制信号125而放大一放大量。可包括滤波器及匹配电路126以滤除谐波或其它不需要的频率，且将发射器104的阻抗与发射天线114匹配。接收器可包括匹配电路132及整流器及切换电路以产生DC电力输出以对如图2 所示的电池136充电或向耦合到接收器的装置(图中未绘示)供电。可包括匹配电路132 以将接收器108的阻抗与接收天线118匹配。如图3中所说明，用于示范性实施例中的天线可经配置为“环形”天线150，其在本文中也可被称作“磁性”天线。环形天线可经配置以包括空心(air core)或例如铁氧体磁心等物理磁心。空心环形天线对置放于磁心附近的外来物理装置可更具耐受性。此外，空心环形天线允许在磁心区域内置放其它组件。另外，空心环形可更容易地允许实现在发射天线114(图2)的平面内置放接收天线118(图2)，在所述平面中发射天线114(图2)的耦合模式区可为更强的。如所陈述，在发射器104与接收器108之间的经匹配或几乎经匹配的谐振期间发生发射器104与接收器108之间的能量的有效传送。然而，甚至在发射器104与接收器108 之间的谐振不匹配时，仍可以较低效率传送能量。通过将来自发射天线的近场的能量耦合到驻留于建立了此近场的邻域中的接收天线(而非将来自发射天线的能量传播到自由空间中)而发生能量的传送。 环形或磁性天线的谐振频率是基于电感及电容。环形天线中的电感大体上仅仅为由环形建立的电感，而大体上将电容添加到环形天线的电感以建立在所要谐振频率下的谐振结构。作为非限制实例，可将电容器152及电容器IM添加到天线以建立产生谐振信号 156的谐振电路。因此，对于较大直径的环形天线来说，随着环形的直径或电感增加，诱发谐振所需的电容的大小减小。此外，随着环形或磁性天线的直径增加，近场的有性能量传送区域增加。当然，其它谐振电路是可能的。作为另一非限制实例，可将电容器并联置于环形天线的两个端子之间。另外，一般所属领域的技术人员将认识到，对于发射天线来说，谐振信号156可为到环形天线150的输入。本发明的示范性实施例包括在处于彼此的近场中的两个天线之间耦合电力。如所陈述，近场为在天线周围的区域，电磁场存在于其中但不可传播或辐射远离天线。其通常限于接近天线的物理体积的体积。在本发明的示范性实施例中，由于与电型天线(例如，小偶极)的电近场相比，磁型天线的磁性近场振幅倾向于较高，因此将例如单匝及多匝环形天线等磁型天线用于发射(Tx)与接收(Rx)天线系统两者。这允许所述对之间的潜在较高耦合。此外，也预期“电”天线(例如，偶极及单极)或磁性天线与电天线的组合。与较早提及的远场及感应方法所允许者相比，可在足够低的频率下且用足够大的天线大小来操作Tx天线以实现与显著较大距离处的小Rx天线的良好耦合(例如， > -4dB)。如果Tx天线被正确地设定大小，则当主机装置上的Rx天线被置于经驱动Tx环形天线的耦合模式区内(即，近场中)时，可实现高耦合电平(例如，"2到_4dB)。图4展示指示发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。曲线170及172 分别指示发射及接收天线的电力接受的测量。换句话说，在较大负数的情况下，存在极密切的阻抗匹配，且大多数电力被接受且(作为结果)由发射天线辐射。相反地，较小负数指示大量电力从天线反射回，因为在给定频率下不存在密切的阻抗匹配。在图4中，发射天线及接收天线经调谐成具有约13. 56MHz的谐振频率。曲线170说明在各种频率下从发射天线发射的电力量。因此，在对应于约 13. 528MHz及13. 593MHz的点Ia及3a处，大量电力经反射且未从发射天线发射出去。然而，在对应于约13. 56MHz的点加处，可看见大量电力被接受且从天线发射出去。类似地，曲线172说明在各种频率下由接收天线接收的电力量。因此，在对应于约 13. 528MHz及13. 593MHz的点Ib及北处，大量电力经反射且未传递通过接收天线及到接收器中。然而，在对应于约13. 56MHz的点2b处，可看见，大量电力由接收天线接受且经传递到接收器中。曲线174指示在经由发射天线从发射器发送、经由接收天线接收且经传递到接收器之后在接收器处所接收的电力量。因此，在对应于约13. 528MHz及13. 593MHz的点Ic及 3c处，从发射器发送出去的大量电力在接收器处不可用，因为(1)发射天线拒绝了从发射器发送到其的大量电力，及O)随着频率移动远离谐振频率，发射天线与接收天线之间的耦合效率变差。然而，在对应于约13. 56MHz的点2c处，可看见，从发射器发送的大量电力在接收器处可用，从而指示发射天线与接收天线之间的高度耦合。图5A及图5B展示根据本发明的示范性实施例的用于发射及接收天线的环形天线的布局。可以众多不同方式通过具有多种多样大小的单环形或多环形来配置环形天线。另外，环形可具有众多不同形状，例如(仅举例来说)，圆形、椭圆形、正方形及矩形。图5A说明大正方形环形发射天线114S及置于与发射天线114S相同的平面中且在发射天线114S的中心附近的小正方形环形接收天线118。图5B说明大圆形环形发射天线114C及置于与发射天线114C相同的平面中且在发射天线114C的中心附近的小正方形环形接收天线118'。 正方形环形发射天线114S具有为“a”的边长，而圆形环形发射天线114C具有为“.”的直径。对于正方形环形来说，可展示存在直径可经定义为Φε(1 = 4a/π的等效圆形环形。图6展示指示与图4Α及图4Β中所说明的正方形及圆形发射天线的各种周长有关的发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。因此，曲线180展示在圆形环形发射天线114C具有各种周长大小时圆形环形发射天线114C与接收天线118之间的耦合强度。 类似地，曲线182展示在发射环形发射天线114S具有各种等效周长大小时正方形环形发射天线114S与接收天线118'之间的耦合强度。图7展示指示与图5Α及图5Β中所说明的正方形及圆形发射天线的各种表面积有关的发射天线与接收天线之间的耦合强度的模拟结果。因此，曲线190展示在圆形环形发射天线114C具有各种表面积时圆形环形发射天线114C与接收天线118之间的耦合强度。 类似地，曲线192展示在发射环形发射天线114S具有各种表面积时正方形环形发射天线 114S与接收天线118'之间的耦合强度。图8展示接收天线相对于发射天线的各种置放点以说明共平面置放及同轴置放中的耦合强度。如本文中所使用的“共平面”意味着发射天线与接收天线具有实质上对准的平面(即，具有指向实质上同一方向的表面法线)且在发射天线与接收天线的平面之间不具有距离(或具有小的距离)。如本文中所使用的“同轴”意味着发射天线与接收天线具有实质上对准的平面(即，具有指向实质上同一方向的表面法线)且两个平面之间的距离不可忽视，且此外，发射天线与接收天线的表面法线实质上沿着同一向量而延伸或两个法线成梯形。作为实例，点pi、p2、p3及p7均为接收天线相对于发射天线的共平面置放点。作为另一实例，点P5及p6为接收天线相对于发射天线的同轴置放点。以下的表展示在图8 中所说明的各种置放点(Pl到P7)处的耦合强度(S21)及耦合效率(经表达为从发射天线发射的到达接收天线的电力的百分比)。表 权利要求
1.一种充电系统，其包含至少一个发射天线，其耦合到电力产生系统，且经配置以接收从所述电力产生系统传送的另一种形式的能量，所述电力产生系统经配置以将可再生能量转换成另一种形式的能量且传送所述另一种形式的能量；且其中所述至少一个发射天线经配置以将能量以无线方式发射到定位于相关联的耦合模式区内的至少一个其它天线。
2.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述至少一个发射天线经由有线连接耦合到所述电力产生系统。
3.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述电力产生系统包含太阳能电池、风力涡轮机及水力涡轮机中的一者。
4.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述至少一个发射天线定位于室外位置且经由有线连接耦合到所述电力产生系统。
5.根据权利要求1所述的充电系统，其进一步包含障壁，所述障壁定位于所述至少一个发射天线与所述电力产生系统之间。
6.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述一个其它天线包含耦合到可充电装置的接收天线。
7.根据权利要求6所述的充电系统，其中所述接收天线经配置以接收以无线方式发射的能量且对耦合到其的所述可充电装置充电。
8.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述至少一个其它天线包含中继器天线，所述中继器天线经配置以接收从所述至少一个发射天线以无线方式发射的能量。
9.根据权利要求8所述的充电系统，其进一步包含障壁，所述障壁定位于所述至少一个发射天线与所述至少中继器天线之间。
10.根据权利要求9所述的充电系统，其中所述至少一个发射天线紧固到所述障壁的外表面，且所述至少一个中继器紧固到所述障壁的内表面。
11.根据权利要求8所述的充电系统，其中所述中继器天线经配置以将能量以无线方式发射到定位于相关联的耦合模式区内的一个或一个以上其它天线。
12.根据权利要求11所述的充电系统，其中所述一个或一个以上其它天线包含一个或一个以上接收天线，其中所述一个或一个以上接收天线中的每一接收天线耦合到可充电装置的电池。
13.根据权利要求12所述的充电系统，其中每一接收天线经配置以接收以无线方式发射的能量且对耦合到其的所述电池充电。
14.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述至少一个发射天线定位于公共汽车、列车及建筑物中的一者内。
15.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述障壁包含公共汽车、列车及建筑物中的一者的墙壁及窗中的一者。
16.根据权利要求1所述的充电系统，其进一步包含至少一个接收天线，所述至少一个接收天线经配置以接收从所述至少一个发射天线以无线方式发射的所述能量，其中所述至少一个接收天线中的每一接收天线耦合到可充电装置的电池。
17.根据权利要求1所述的充电系统，其中所述电力产生系统紧固到公共汽车、建筑物及列车中的一者的顶部外表面。
18.一种充电系统，其包含至少一个发射天线，其定位于室外位置处且接近障壁，且经配置以经由有线连接从电力产生系统接收电力，其中所述电力产生系统经配置以将可再生能量转换成另一种形式的能量；及至少一个中继器天线，其通过所述障壁而与所述至少一个发射天线隔开，且经配置以接收从所述至少一个发射天线以无线方式发射的电力，其中所述至少一个中继器天线经配置以将能量以无线方式发射到定位于相关联的耦合模式区内的至少一个其它天线。
19.根据权利要求18所述的充电系统，其中所述至少一个发射天线紧固到所述障壁的外表面。
20.根据权利要求18所述的充电系统，其中所述至少一个中继器天线紧固到所述障壁的内表面。
21.根据权利要求18所述的充电系统，其中所述至少一个其它天线包含至少一个接收天线，其中所述至少一个接收天线中的每一接收天线耦合到可充电装置的电池。
22.—种操作充电系统的方法，其包含将可再生能量转换成另一种形式的能量；将所述另一种形式的能量传送到至少一个发射天线；及将能量从所述至少一个发射天线以无线方式发射到定位于所述至少一个发射天线的近场内的至少一个其它天线。
23.根据权利要求22所述的方法，其中将所述另一种形式的能量传送到至少一个发射天线包含经由有线连接将所述另一种形式的能量传送到至少一个发射天线。
24.根据权利要求22所述的方法，其中将所述另一种形式的能量传送到至少一个发射天线包含经由延伸穿过障壁的有线连接将所述另一种形式的能量传送到至少一个发射天线。
25.根据权利要求22所述的方法，其中将电力从所述至少一个发射天线以无线方式发射到至少一个其它天线包含经由定位于所述至少一个发射天线与所述至少一个其它天线之间的障壁以无线方式发射电力。
26.根据权利要求22所述的方法，其进一步包含对耦合到所述至少一个其它天线的可充电装置充电。
27.一种促进操作充电系统的系统，装置包含用于将可再生能量转换成另一种形式的能量的装置；用于将所述另一种形式的能量传送到至少一个发射天线的装置；及用于将能量从所述至少一个发射天线以无线方式发射到定位于所述至少一个天线的近场内的至少一个其它天线的装置。
全文摘要
示范性实施例是针对无线充电。一种充电系统可包含至少一个电力产生系统，其经配置以将可再生能量转换成另一种形式的能量，且传送所述另一种形式的能量。所述充电系统可进一步包括至少一个发射天线，其耦合到所述至少一个电力产生系统且经配置以从所述至少一个电力产生系统接收所述另一种形式的能量。另外，所述至少一个发射天线经配置以将能量以无线方式发射到定位于相关联的耦合模式区内的至少一个其它天线。
文档编号H02J7/00GK102318160SQ201080007711
公开日2012年1月11日 申请日期2010年2月12日 优先权日2009年2月13日
发明者乔尔·S·贝纳尔特, 弗吉尼娅·W·基廷, 迈克尔·J·曼根, 迈尔斯·A·柯比, 马修·S·格罗布 申请人:高通股份有限公司