具有集成阻抗匹配的无线电力传送系统及其使用方法与流程

相关专利申请的交叉引用

本申请依据35u.s.c.§119(e)要求2018年1月26日提交的标题为“具有双重线圈的无线电力传送系统(wpts)”的第62/622,288号美国申请的优先权，所述美国申请以全文引用的方式并入本文中。

背景技术：

无线电力传送(wpt)系统基于电磁波的发射和吸收而将电力从发射器传送到接收器。wpt系统中的发射器和接收器不需要在物理上连接，因此消除了当对电子装置进行充电和/或供电时的布线的需要。wpt系统具有针对广泛范围的应用的实用性，包含但不限于对电动车辆、火车或大巴车中的电池进行充电；对例如灯具、电视机和气候控制装置等家用电器进行供电；对自主机器人或无人机进行充电；以及对生物医学装置进行供电，所述装置尤其是植入于人体中的装置。

多年来，已经开发各种类型的wpt系统，它们部分地是通过发射器如何耦合到接收器来区分。举例来说，已经基于电感性耦合、电容性耦合和磁动力耦合开发wpt系统，它们在操作频率、低功率/高功率兼容性和操作距离方面具有不同的优点和缺点。基于电感性耦合的wpt系统在商业应用中最广泛使用，特别是其中较高能量传送速率(也被称作“功率电平”)是优选的(例如，大于1kw)的应用。

技术实现要素：

基于谐振电感性耦合的常规wpt系统通常在不同操作频率下展现峰值能量传送速率和峰值功率效率。这被称为频率分裂效果。由于频率分裂效果，常规wpt系统无法同时在峰值能量传送速率和峰值功率效率下操作。在一些常规wpt系统中，使用阻抗匹配电路来部分地补偿当在谐振频率下操作时由频率分裂效果造成的能量传送速率的减少。然而，常规匹配电路通常包含大的笨重电路组件(例如，电感器、电容器)，它们增加wpt系统的复杂性、大小和重量。

本公开因此是针对利用具有集成阻抗匹配的谐振电路的无线电力传送(wpt)系统。谐振电路包含被配置成通过增加发射器和/或接收器的电压增益而补偿频率分裂效果的电感器线圈和电容器，因此增加能量传送速率。通过将电压增强功能性集成到谐振电路中，wpt系统中的高电压组件被限于用以发射或接收器能量的电路。这基本上减少在耦合到wpt系统的其它电组件中使用的电压(例如，从常规电动车辆(ev)中的400v到小于67v)，所述其它电组件例如发射器驱动电路、电池和用于电连接的任何布线，因此改进wpt系统的总体安全性。

电感器线圈还用以在发射器与接收器之间无线地交换能量，从而增加能量传送速率和功率效率。以此方式，谐振电路使wpt系统能够在峰值功率效率和比常规系统更高的能量传送速率下操作。此外，由谐振电路提供的集成功能性减少wpt系统中使用的离散组件的数目，从而实现较小形状因子和较轻重量的系统。本公开中还描述使用wpt系统的方法。

在一个示例性设计中，一种无线电力接收器包含谐振电路。谐振电路包含第一线圈和串联耦合到第一线圈的第一电容器。谐振电路还包含串联耦合到第一线圈和第一电容器的第二线圈，以及并联耦合到第一线圈和第一电容器的第二电容器。第一线圈和第二线圈都可以提供阻抗匹配以增加谐振电路在所需操作频率下的电压增益。第一线圈和第二线圈还被配置成从发射器中的一个或多个线圈接收能量。无线电力接收器还电耦合到从发射器接收电力的负载。

示例性无线电力发射器可以具有与上文描述的无线电力接收器基本上相似的设计，主要差异是用电力源代替负载。发射器还可以包含谐振电路，其具有被配置成增加发射器的电压增益的电感器线圈和电容器。发射器中的电感器线圈还可以将能量发射到接收器中的第一线圈/第二线圈。

wpt系统因此可以包含无线电力接收器和无线电力发射器中的一个或两个。在一个示例性设计中，发射器和接收器中的电感器线圈可以磁性地耦合，因此增加能量传送速率和功率效率。另外，发射器和/或接收器的谐振频率可以被调谐以匹配wpt系统的操作频率以便增加功率效率。

示例性无线电力接收器可包含谐振电路以在约80khz与约90khz之间的谐振频率下以约1的电压增益和至少95％的效率经由无线磁谐振充电从无线电力发射器接收电力。谐振电路可包含：第一线圈；与第一线圈串联耦合的第二线圈，所述第一线圈和第二线圈配置成接收电力；与第一线圈串联耦合的第一电容器；以及与第一线圈和第一电容器并联耦合的第二电容器。第一线圈和第二线圈可以被配置成从无线电力发射器中的第三线圈和第四线圈接收能量。第一线圈可以具有约0.1μh到约100μh的电感，第一电容器可以具有约0.01μf到约100μf的电容，第二线圈可以具有约0.1μh到约100μh的电感，且第二电容器可以具有约0.01μf到约100μf的电容。在一些设计中，第一线圈可以具有约1μh到约20μh的电感，第一电容器可以具有约0.05μf到约2μf的电容，第二线圈可以具有约1μh到约20μh的电感，且第二电容器可以具有约0.05μf到约2μf的电容。

无线地传送电力的示例性方法可包含在约80khz与约90khz之间的谐振频率、约1.0的电压增益和至少95％的效率下通过第一线圈和与第一线圈串联的第二线圈从至少一个线圈接收电力。所述方法还可包含将第一线圈定位于所述至少一个线圈的约50mm内。所述方法中的所述至少一个线圈可包含匹配第一线圈的第三线圈以及与第三线圈串联且匹配第二线圈的第四线圈。所述方法还可包含运行第一电流通过第三线圈和第四线圈的步骤，其中第一电流感应出运行通过第一线圈和第二线圈的第二电流。在第三线圈处的第一电流与在第四线圈处的第一电流之间的相位差可以小于约20度或小于约10度。

另一示例性无线电力接收器可包含第一线圈、与第一线圈串联的第二线圈、与第一线圈和第二线圈串联的第一电容器，以及与第一线圈和第一电容器并联的第二电容器。无线电力接收器的谐振频率可为约87khz。无线电力接收器可以在从约80khz到约90khz的频带上具有约1的电压增益。无线电力接收器可以在从约80khz到约90khz的频带上具有至少95％的电力传送效率。第一线圈可以与第二线圈是同心的。第一线圈可以与第二线圈是共面的。第一线圈可以堆叠于第二线圈上。第一线圈可以是第一扁平螺旋线圈且第二线圈可以是第二扁平螺旋线圈。第一线圈和第二线圈可以各自具有等于或小于220mm的外径。第二线圈可以串联连接于第一线圈与第一电容器之间。第一电容器可以串联连接于第一线圈与第二线圈之间。第一线圈可以具有约0.1μh到约100μh的电感，第一电容器可以具有约0.01μf到约100μf的电容，第二线圈可以具有约0.1μh到约100μh的电感，且第二电容器可以具有约0.01μf到约100μf的电容。在一些设计中，第一线圈可以具有约1μh到约20μh的电感，第一电容器可以具有约0.05μf到约2μf的电容，第二线圈可以具有约1μh到约20μh的电感，且第二电容器可以具有约0.05μf到约2μf的电容。

应了解，下文更详细地论述的前述概念和额外概念的所有组合(前提是此类概念不会相互不一致)预期是本文中所公开的发明性主题的一部分。特别地，出现在本公开的结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文所公开的发明主题的一部分。还应了解，本文中明确使用的还可能出现在以引用的方式并入的任何公开内容中的术语应被赋予最符合本文公开的特定概念的含义。

附图说明

所属领域的技术人员将理解附图主要是用于说明性目的且并非意图对本文所述的发明性主题的范围进行限制。附图未必按比例绘制；在一些情况下，本文公开的发明主题的各个方面可在图中夸大或放大地示出以助于理解不同特征。在图式中，类似的参考标号通常指类似的特征(例如，功能上类似和/或结构上类似的元件)。

图1a示出常规无线电力传送(wpt)系统的电路图。

图1b示出图1a的常规wpt系统的电压增益对频率的图表。

图1c示出图1a的常规wpt系统的功率效率对频率的图表。

图2a示出具有π匹配网络的常规wpt系统的电路模型。

图2b示出具有lc匹配网络的常规wpt系统的电路模型。

图3a示出示例性wpt系统的电路模型，在发射器中具有两个能量耦合和匹配线圈且在接收器中具有两个能量耦合和匹配。

图3b示出另一示例性wpt系统的电路模型，其中谐振电容器的位置和谐振电路中的第一线圈被切换。此电路模型还可以使用分接电感器线圈。

图3c示出使用基于图3b的电路模型的分接电感器线圈的另一示例性wpt系统的电路模型。

图4a示出作为扁平螺旋线圈的示例性第一线圈和第二线圈，其中第二线圈安置于第一线圈的中心且与第一线圈同心。

图4b示出作为扁平螺旋线圈的示例性第一线圈和第二线圈，其中第一线圈安置于第二线圈的中心且与第二线圈同心。

图4c示出作为扁平螺旋线圈的示例性第一线圈和第二线圈，其中第二线圈安置于第一线圈上且与第一线圈同心。

图5示出具有包括扁平螺旋线圈的发射器和接收器的示例性wpt系统。

图6a示出图5中示出的示例性wpt系统的电压增益对频率的图表。

图6b示出图5中示出的示例性wpt系统的功率效率对频率的图表。

图7a示出图5中示出的示例性wpt系统的随着沿着径向轴线的线圈未对准x而变的功率效率的图表。

图7b示出图5中示出的示例性wpt系统的随沿着轴向轴线的线圈分离z而变的功率效率的图表。

具体实施方式

基于电感性耦合的常规wpt系统通常包含分别在发射器和接收器中的电感器线圈，所述发射器和接收器经由磁场耦合交换电力。为了增加能量传送速率、功率效率和操作范围，wpt系统中的发射器和接收器经常被配置成在谐振下操作。

图1a示出具有谐振电感性耦合的常规wpt系统100。wpt系统100包含发射器110和接收器120。发射器110包含电学串联耦合到电力源115(vi)的能量耦合线圈111和谐振电容器112(ct)。接收器120类似地包含电学串联耦合到负载125的能量耦合线圈121和谐振电容器122(cr)。能量耦合线圈111(121)由绕组电阻rt(rr)和电感lt(lr)表示。

电力源115供应电压，所述电压驱动电流通过能量耦合线圈111，因此生成磁场。磁场随后可以至少部分地由能量耦合线圈121吸收，从而产生随后流过负载125的电流。以此方式，电力在发射器110与接收器120之间无线地传送。谐振电容器112和122通常是定制的，以基本上减少输入和输出阻抗，因此增加发射器110与接收器120之间的能量传送速率。

典型wpt系统的功率效率可以定义如下，

η＝pr/pt(1)

其中η是功率效率，pr是在时间间隔δt中由接收器120中的能量耦合线圈121接收的总能量，且pt是在时间间隔δt中由发射器110中的能量耦合线圈111发射的总能量。能量传送速率可以被定义为由接收器120中的能量耦合线圈121接收的电力或每单位时间的能量传送的速率。能量传送速率的量值因此部分地取决于由能量耦合线圈111发射的电力。能量传送速率与发射器110和接收器120之间的电压增益(被定义为负载125处的输出电压vo与电力源115处的输入电压vi的比率)成比例。因此，能量传送速率的增加与电压增益的增加相关。

能量耦合线圈111与121之间的耦合的特征可在于磁耦合系数k。大体上，k可以通过增加能量耦合线圈111和121的直径和/或减少能量耦合线圈111与121之间的间隙或距离而增加。当磁耦合系数k增加和/或能量耦合线圈111与121之间的间隙减小时，功率效率通常增加。因此，能量耦合线圈121可由于较强耦合而接收由能量耦合线圈111发射的更多能量。然而，在过度耦合条件下，能量传送速率通常减小，这指示由能量耦合线圈111发射的能量的量的减少。

由接收器120中的能量耦合线圈121造成的发射器110中的能量耦合线圈111处的感应电压随着发射器110与接收器120之间的耦合增加而增加。此感应电压具有与从电力源115施加的电压相反的极性，因此阻碍输入电流流过发射器110，从而导致电压增益和能量传送速率的降低。此不合意的电压与流过能量耦合线圈121的电流和磁耦合系数k成正比且与间隙大小成反比。举例来说，当wpt系统100以谐振频率操作且能量耦合线圈111与121之间的间隙减小时，接收器120的能量耦合线圈121中的电流增加。这又在能量耦合线圈111处感应较大的电压，因此减少电压增益和能量传送速率。换句话说，在线圈之间形成间隙增加了电力传送效率且减小了能量传送速率。

参考图1a中示出的wpt系统100，wpt系统100可以被配置成支持由能量耦合线圈111和谐振电容器112(以及能量耦合线圈121和谐振电容器122)形成的串联lc电路中的谐振频率，所述谐振频率可以被调谐到wpt系统100的操作频率。如图1a所示，et表示由接收线圈电流产生的磁场所感应的发射线圈处的电压。er表示由发射线圈电流产生的磁场所感应的接收线圈处的电压。如上文所描述，较强耦合(例如，较高磁耦合系数k)可以增加wpt系统100的功率效率。然而，较强耦合也导致较强的频率分裂效果。

图1b和图1c示出分别在磁耦合系数k的各种值下的wpt系统100的电压增益和功率效率。在图1b中，电压增益展现两个峰，其指示共振模式分成偶模式和奇模式。如图所示，随着耦合系数k增加，偶/奇模式移位到相对于谐振频率fr的较小/较大频率，其导致在谐振频率下的电压增益的减少。在图1c中，功率效率展现在谐振频率下的峰，其随着耦合系数增加而增加。功率效率趋向于在对应于偶模式和奇模式的非谐振频率下减小。因此，如由电压增益指示的功率效率和能量传送速率展现在不同频率处发生的峰值。因此，由于此频率分裂效果，常规wpt系统100无法同时在峰值能量传送速率和峰值功率效率下操作。

已经开发了若干方法以试图克服wpt系统100中的在上文描述的频率分裂效果。在一个实例中，能量耦合线圈111和121有意被配置成具有不同电学性质以便减少磁耦合系数k，因此减少能量耦合线圈111中的感应电压。具体地，将能量耦合线圈121的直径选择为比能量耦合线圈111的直径基本上更小或更大，使得直径的比率基本上偏离单位一。然而，以此方式减少磁耦合系数k减少了wpt系统的能量传送速率和功率效率。

在另一实例中，有源匹配调谐电路集成到发射器110中。有源匹配调谐电路调整发射器110的谐振频率以匹配wpt系统100的操作频率，因此使wpt系统100能够在峰值功率效率下操作。然而，由于频率分裂效果，在这个设计中牺牲了电压增益以及因此能量传送速率。另外，在谐振电路中使用针对高电压和高电流操作额定的开关和电容器，这会基本上增加wpt系统100的成本、大小、重量、复杂性和功率损耗。因此，此方法是不合意的，特别是对于例如电动车辆(ev)电池充电等高功率应用。

在又另一实例中，使用频率跟踪方法，其中改为调整wpt系统100的操作频率以匹配谐振频率以便匹配峰值功率效率。此方法不包含高功率额定调谐电容器和开关的可变电容器或阵列的使用，因此极大地简化wpt系统100且减少成本。然而，由于频率分裂效果，在这个设计中再次牺牲了电压增益以及因此能量传送速率。此外，在操作频率受约束于不包含谐振频率的特定范围的应用中，此方法可能不是可行的。举例来说，用于ev电池充电的wpt系统100可以在小于81.38khz或大于90khz的谐振频率下在介于81.38khz与90khz之间的频率下操作。

在又另一实例中，阻抗匹配电路可以集成到发射器110和/或接收器120中以便增加能量传送速率和功率效率。图2a示出wpt系统200，发射器210中的第一π配置阻抗匹配电路217和发射器220中的第二π配置阻抗匹配电路227。图2b示出wpt系统202，发射器213中的第一lc配置阻抗匹配电路219和发射器223中的第二lc配置阻抗匹配电路229。

每一匹配电路217、219(227、229)包含与能量耦合线圈211(221)和谐振电容器212(222)串联的电感器线圈。取决于电路配置(例如，π配置、lc配置)，每一匹配电路217、219(227、229)还可以包含与能量耦合线圈211(221)和谐振电容器212(222)并联的一个或多个电容器。电力源215串联耦合于发射器210、213中，且负载225串联耦合于接收器220、223中。阻抗匹配电路217(219)和227(229)中的电感器和电容器增加谐振频率下的电压增益以补偿频率分裂效果。因此，wpt系统200和202可以在谐振频率下操作以匹配峰值功率效率，而不会有电压增益和能量传送速率的实质减少。

然而，这些wpt系统200和202中的阻抗匹配电路217、219、227和229通常是通过单独布线耦合到能量耦合线圈211和221以及谐振电容器212和222的离散电组件。阻抗匹配电路217、219、227和229还共同的是包含大的、重的电感器线圈。因此，这些阻抗匹配电路217、219、227和229往往会增加wpt系统200和202的大小、复杂性和重量。带有具有集成阻抗匹配的谐振电路的wpt系统

在wpt系统中使用集成阻抗匹配电路增加了能量传送速率和功率效率，而不会不恰当地增加wpt系统的大小或形状因子。电路包含增加电压增益的电感器线圈和电容器，因此补偿了由上文描述的频率分裂效果造成的能量传送速率的减少。用于阻抗匹配的电感器线圈也可以接近彼此定位或集成作为单个电感器线圈(例如，分接电感器线圈)以便分别在发射器和接收器中发射和接收电力。通过在谐振电路中集成阻抗匹配功能性，可以消除在常规wpt系统中使用的阻抗匹配电路，从而基本上减少使用的离散电子组件的数目以及因此wpt系统的形状因子和重量。

本文所描述的wpt系统可以具有若干益处。举例来说，wpt系统可以具有较小操作区域，因此减少与可能无意中安置于发射器与接收器之间的物体的不合意发热相关联的潜在安全危险。较小、较轻重量的wpt系统也可以能够安装到具有严格的空间和重量要求的系统上，例如ev的侧面板或减震器、用于无人机或机器人的充电平台，或在车辆拖车中的受限空间中。在一个示例性应用中，一个或多个wpt系统可以安装在ev的底盘、侧面板和/或前/后减震器上。这些wpt系统可以用于在ev停放于车库或停车场中时或者在ev在交通灯处静止时对ev的电池进行充电。另外，wpt系统还可以用于在道路上的两个车辆之间传送电力。

图3a示出用于wpt系统1000的示例性设计。wpt系统1000可包含发射器1100和接收器1200。发射器1100可包含谐振电路1102，其具有第一线圈1110、串联耦合到第一线圈1110的第一电容器1120(cb)、串联耦合到第一线圈1110和第一电容器1120的第二线圈1130，以及并联耦合到第一线圈1110和第一电容器1120的第二电容器1140(ca)。谐振电路1102可以电耦合到在wpt系统1000中供应能量的电力源1150。第一线圈1110可以由绕组电阻(rb)和自电感(lb)表示。第二线圈1130可以由绕组电阻(ra)和自电感(la)表示。ra和la可分别包含将电力源1150连接到第二线圈1130的导线的电阻和电感。

类似地，接收器1200可包含谐振电路1202，其具有第三线圈1210、串联耦合到第三线圈1210的第三电容器1220(cd)、串联耦合到第三线圈1210和第三电容器1220的第四线圈1230，以及并联耦合到第三线圈1210和第三电容器1220的第四电容器1240(cc)。谐振电路1202可以电耦合到在wpt系统1000中接收能量的负载1250。第三线圈1210可以由绕组电阻(rd)和自电感(ld)表示。第四线圈1230可以由绕组电阻(rc)和自电感(lc)表示。rc和lc可分别包含将负载1250连接到第四线圈1230的导线的电阻和电感。

wpt系统中的电子性质的共依赖性

在电力传送期间，wpt系统1000中的电感器可以全部彼此磁性地耦合，从而带来每一电感器线圈处的感应电压以及来自系统中的其它电感器线圈的贡献。如图3a所示，跨越第一线圈1110的电压降还包含由于电流流过第二线圈1130(eba)、第三线圈1210(ebd)和第四线圈1230(ebc)而在第一线圈1110处产生的感应电压。类似地，跨越第二线圈1130的电压降包含来自第一线圈1110(eab)、第三线圈1210(ead)和第四线圈1230(eac)的感应电压。跨越第三线圈1210的电压降包含来自第一线圈1110(edb)、第二线圈1130(eda)和第四线圈1230(edc)的感应电压。最终，跨越第四线圈1230的电压降包含来自第一线圈1110(ecb)、第二线圈1130(eca)和第三线圈1210(ecd)的感应电压。

因为wpt系统1000中的电感器线圈彼此磁性地耦合，所以电感器线圈和电容器的电子和结构性质是共依赖的，且应当被共同调整以增加wpt系统1000的能量传送速率和功率效率。这与具有阻抗匹配电路的常规wpt系统形成鲜明对比，在常规wpt系统中发射器或接收器中的匹配电路的电子性质通常独立于发射器和接收器中的其它电子组件进行调整。

举例来说，发射器1100中的第一线圈1110和第二线圈1130应当被调整以使得流过第一线圈1110和第二线圈1130的电流之间的相位差较小。较小相位差对应于由第一线圈1110和第二线圈1130产生的磁场之间的较少相消干涉且因此对应于较大电力传送。对于wpt系统1000，流过第一线圈1110和第二线圈1130(或接收器1200中的第三线圈1210和第四线圈1230)的电流之间的相位差应当优选地小于约20度(例如，15度、10度、5度等等)。

在另一实例中，wpt系统1000可以被设计成在发射器1100和接收器1200中的电感器线圈之间的特定距离处操作。第一线圈1110/第二线圈1130和第三线圈1210/第四线圈1230可以共同被调谐以增加能量传送速率和效率。一旦电感器线圈针对特定间隙被调谐，那么对所述间隙的后续改变(例如，更大或更小间隙)可以减少能量传送速率。

wpt系统中的操作参数和电子性质

wpt系统1000的能量传送速率和功率效率大体上可以取决于谐振电路1102和1202中的组件的电子性质以及所需的操作条件，例如对wpt系统1000的分离间隙和大小约束。wpt系统1000的能量传送速率可以针对低功率和/或高功率应用来定制。原则上，wpt系统1000可以被定制成在任何功率电平下操作。举例来说，能量传送速率可以在约1w到约500kw之间变化。大体上，wpt系统1000的功率效率可以在约1％到约100％之间变化。wpt系统1000中的较高功率效率由于一些原因而是大体上优选的，包含但不限于减少负载1250(例如，电池)的充电时间、对负载1250(例如，马达)供应更多电力，以及减少由电力源1150产生的电力量。然而，所需功率效率也可以随着应用变化。举例来说，至少85％(例如，90％、95％或更多)的功率效率对于对电动车辆进行充电是优选的。

发射器1100和接收器1200的电感器线圈之间的距离可以大体上在约0.1cm到约1m之间变化。对于一些应用，分离间隙范围可基本上较小。举例来说，在电动车辆中使用的wpt系统1000可以具有介于约10mm到约200mm之间的分离间隙。较小的分离间隙提供若干益处，包含：(1)较大磁耦合系数k且因此较高功率效率，(2)由于在电感器线圈的边缘处的边缘磁场带来的环境中的较少emi，以及(3)通过防止物体、小孩子或动物到达发射器1100与接收器1200之间而得到较好的安全性。

wpt系统1000的操作频率还可以在约20khz与约20mhz之间变化。然而，在一些应用中，操作频率可能受约束于基于工业标准准则的特定频带。举例来说，在ev中，操作频率可以介于约80khz与约90khz之间的范围(例如，87.5khz)，如针对轻型插件/ev中的无线电力传送的美国汽车工程师学会(sae)准则所阐述。

如上文所描述，wpt系统1000的电子性质是共依赖的，且可以基于一个或多个操作参数而变化，例如所需能量传送速率、功率效率、分离间隙和操作频率。对于发射器1100，第一线圈1110可以具有介于约0.1μh到约100μh之间的电感。第二线圈1130可以具有介于约0.1μh到约100μh之间的电感。第一电容器1120可以具有介于约0.01μf到约100μf之间的电容。第二电容器1140可以具有介于约0.01μf到约100μf之间的电容。

接收器1200也可以展现相似的参数范围。第三线圈1210可以具有介于约0.1μh到约100μh之间的电感。第四线圈1230可以具有介于约0.1μh到约100μh之间的电感。第三电容器1220可以具有介于约0.01μf到约100μf之间的电容。第四电容器1240可以具有介于约0.01μf到约100μf之间的电容。

在一些应用中，第一线圈1110、第二线圈1130、第三线圈1210和第四线圈1230的电感可以各自被定制成基本上大于wpt系统1000中的任何杂散电感。举例来说，用以将第二线圈1130耦合到电力源1150或将第四线圈1230耦合到负载1250的布线可以具有可以影响wpt系统1000的谐振频率的杂散电感。如果第二线圈1130和/或第四线圈1230的电感基本上大于所述杂散电感(例如，线圈的电感是10倍于杂散电感)，那么对谐振频率的影响可以是可忽略的。然而，过大的电感也可能不是合意的，因为大电感可能导致不合意的电压增益，如下所述。

第一线圈1110、第二线圈1130、第三线圈1210和第四线圈1230可以各自为各种类型的电感器，包含但不限于空气芯电感器、铁芯电感器、铁氧体芯电感器、基于线筒的电感器、环形电感器、扁平螺旋电感器、多层陶瓷电感器和所属领域的技术人员已知的任何其它电感器。对于一些wpt系统1000，第一线圈1110、第二线圈1130、第三线圈1210和第四线圈1230可以具有基本上类似于wpt系统1000中的一个或多个其它电感器线圈的形状、尺寸和/或电感。对于一些wpt系统1000，第一线圈1110、第二线圈1130、第三线圈1210和第四线圈1230可以各自在形状、尺寸和/或电感方面是基本上不同的。

第一线圈1110、第二线圈1130、第三线圈1210和第四线圈1230的形状和尺寸可以变化以便符合下伏支撑结构的形状。举例来说，安装在ev的底盘上的电感器线圈可以是基本上平坦的。在另一实例中，安装于ev的减震器中的电感器线圈可以弯曲以符合减震器或车辆框架。

对于一些wpt系统1000，发射器1100和/或接收器1200的操作区域由线圈的形状和尺寸决定。大体上，第一线圈1110、第二线圈1130、第三线圈1210和第四线圈1230可以具有在约100mm到约15m之间变化的特征性尺寸(例如，直径)。对于一些应用，操作区域以及因此电感器线圈的大小可以受约束。举例来说，电感器线圈的大小可以受车辆中的底盘的大小约束。

第一线圈1110、第二线圈1130、第三线圈1210和第四线圈1230可以由各种电导体形成，包含但不限于铜、铝、前述的任何合金，或所属领域的技术人员已知的任何其它电导体。也可以使用各种类型的布线来形成电感器线圈，包含但不限于利兹布线、多股布线、锡线布线或所属领域的技术人员已知的任何其它布线。

第一电容器1120、第二电容器1140、第三电容器1220和第四电容器1240可以各自为各种类型的电容器，包含但不限于陶瓷电容器、薄膜电容器、电解电容器、超级电容器，或所属领域的技术人员已知的任何其它电容器。对于一些wpt系统1000，第一电容器1120、第二电容器1140、第三电容器1220和第四电容器1240可以由串联和/或并联耦合的两个或更多个电容器形成以便：(1)调谐谐振频率和/或(2)在用于单个电容器的电压/额定电流不足够的情况下支持较高能量传送速率。

对于一些wpt系统1000，第一电容器1120、第二电容器1140、第三电容器1220和第四电容器1240可以具有基本上类似于wpt系统1000中的一个或多个其它电容器的形状、尺寸和/或电感。对于一些wpt系统1000，第一电容器1120、第二电容器1140、第三电容器1220和第四电容器1240可以各自在形状、尺寸和/或电容方面是基本上不同的。

wpt系统的可调谐性

wpt系统1000的谐振电路1102和1202可以大体上被调谐以调整wpt系统1000中的各种操作参数，包含但不限于谐振频率、电压增益、能量传送速率和功率效率。可以部分地通过调整第一线圈1110和/或第二线圈1130的电感和/或第一电容器1120和/或第二电容器1140的电容来实现调谐。对于一些wpt系统1000，这些电子参数中的一些可以在组装期间固定，且因此一旦wpt系统1000完全组装则无法改变，例如可以由线圈的厚度和/或匝数决定的线圈的电感。然而，在一些wpt系统1000中，这些电子参数可以在wpt系统1000的组装之后调谐，例如电容器的电容。

举例来说，wpt系统1000可以被配置成在广泛范围的操作频率上操作，所述操作频率可以取决于应用而在操作期间改变。第一电容器1120和第二电容器1140可以是可变电容器，可变电容器是可以机械或电子方式改变电容的电容器。因此可以通过调整wpt系统1000中的每一相应电容器的电容以匹配操作频率来调谐lc谐振频率以便维持高功率效率。举例来说，wpt系统1000可仅包含接收器1200。接收器1200可以从可在不同频率下操作的其它发射器(例如，上文描述的常规发射器)接收电力。为了维持高功率效率和高能量传送速率，可以调谐接收器1200的谐振频率以匹配发射器的操作频率。虽然与接收器1200耦合到发射器1100的情况相比，能量传送速率和功率效率可能较低，但接收器1200仍可以能够接收和传送电力到负载1250。

在另一实例中，可以取决于应用而调整wpt系统1000中的电力源1150与负载1250之间的电压增益。举例来说，wpt系统1000可以提供介于约0.01到约100之间的电压增益。如上文所描述，谐振电路1102和1202中的阻抗匹配功能性用以增加wpt系统1000中的电压增益以便补偿频率分裂效果。然而，在一些应用中，wpt系统1000在可能的最高电压增益下操作可能是不合意的。举例来说，在涉及车辆之间的无线电力传送的应用中，wpt系统1000应当优选地是对称系统，其中一车辆相对于另一车辆接收或发射相同的电压和电流电平。换句话说，电压增益应当优选地是约1.0。在另一实例中，可以使用来源于壁式插座的电力对车辆进行充电。插座电压可以基本上高于汽车电池电压，因此优选电压增益可以小于1.0。

额外考虑

wpt系统1000还可以被配置成以安置于发射器1100与接收器1200之间的各种介质操作，包含但不限于空气、水、盐水、雪和冰。对于一些wpt系统1000，谐振电路1102和1202的电子性质可以被定制以适应具有不同复杂电介质电容率的不同介质，以避免能量传送速率和功率效率的不合意的减少。一些wpt系统1000可以实际上被配置成对当wpt系统1000在使用中时发射器1100与接收器1200改变之间的介质的改变是不敏感的。举例来说，发射器1100和接收器1200的电感器线圈之间的分离间隙可以保持充分小，使得即使介质在操作期间改变(例如，雪或冰在发射器1100与接收器1200之间累积)，介质中的磁场的任何下降也是可忽略的。介质的复合电介质电容率通常是频率依赖性的。因此，也可以调谐操作频率和谐振频率以在介质中的损耗较低并且优选地可忽略的频率下操作。举例来说，冰在约5-6khz的频率下展现吸收损失峰值，其在5-6khz范围外的较低频率和较高频率下单调地减小。因此，可以将操作频率和谐振频率调谐到具有较低损失的频率(例如，对于冰在5-6khz范围外)，其还可以取决于发射器1100与接收器1200之间的间隙、wpt系统1000中的可接受损失以及施加于操作频率范围或谐振频率范围的约束而变化。

wpt系统1000大体上不限于在图3a中示出的谐振电路1102和1202中先前描述的电路组件。谐振电路1102和/或1202可以大体上包含额外电感器和/或电容器以进一步增加wpt系统1000的能量传送速率和/或功率效率。对于一些wpt系统1000，每一额外电感器可以伴随有对应电容器。与图3a中示出的设计相比，这些额外电子组件可以用于进一步增加电压增益和/或发射/接收更多电力。

如上文所描述，发射器1100和/或接收器1200可分别与其它接收器和发射器一起使用。举例来说，一些wpt系统1000可仅包含发射器1100以与各种常规接收器一起使用。类似地，一些wpt系统1000可仅包含接收器1200以与各种常规发射器一起使用。发射器1100或接收器1200与其它系统的增加兼容性可以允许通过利用现场已经部署的发射器和接收器来对wpt系统1000的更广泛的使用。能量传送速率和功率效率的增加与包含发射器1100和接收器1200的wpt系统1000相比可能没那么大，但发射器1100或接收器1200仍可以从其它系统无线地供应或接收电力。如上文所描述，可以调谐发射器1100和接收器1200以分别适应常规接收器和发射器。举例来说，举例来说，可以调谐谐振频率以匹配常规接收器和发射器的操作频率。

发射器1100和接收器1200可以仅通过其到电力源1150和负载1250的连接来区分。谐振电路1102和1202对其作为发射器或接收器的功能是不可知的，这允许wpt系统1000以双向方式发射和接收电力。举例来说，谐振电路1102可以电耦合到在电力源1150与负载之间双态切换的开关。类似地，谐振电路1202可以电耦合到负载1250与电力源之间双态切换的开关。在另一实例中，电力源1150和负载1250可以是电池和/或被配置成取决于操作模式而供应电力和/或接收电力的超级电容器。在一个操作模式中，谐振电路1102可以耦合到电力源1150且谐振电路1202可以耦合到负载1250，使得电力从谐振电路1102传送到谐振电路1202。在另一操作模式中，谐振电路1102可以耦合到负载且谐振电路1202可以耦合到电力源，使得电力从谐振电路1202传送到谐振电路1102。以此方式，哪一个谐振电路对应于发射器和接收器的指定完全取决于wpt系统1000的操作模式。wpt系统1000中的谐振电路1102或1202因此可以用作发射器和接收器，从而减少成本且节省空间/重量。

用于wpt系统的示例性设计

图3b和3c示出不同的wpt设计。图3b示出具有相对于图3a的替代电路布置的wpt系统1002，其中第一电容器1120串联耦合于电力源1150与第一线圈1110之间。换句话说，第一电容器1120和第一线圈1110的位置在谐振电路1102中切换。第三电容器1220也串联耦合于负载1250与第三线圈1210之间。图3b中示出的wpt系统1002可以基本上类似于图3a中示出的wpt系统1000而起作用。图3b中示出的wpt系统1002还可以使用分接电感器线圈而不是第一线圈1110和第二线圈1130。

图3c示出wpt系统1003，其中发射器1100中的第一线圈1110和第二线圈1130被分接电感器线圈1160代替。电感器线圈1160中的分接头可以耦合到第二电容器1140，如图3c所示。类似地，接收器1200中的第三线圈1210和第四线圈1230也可以被具有耦合到第四电容器1240的分接头的分接电感器线圈1260代替。使用分接电感器线圈通过消除谐振电路1102和1202中的单独电感器线圈的使用而进一步简化了wpt系统1003。

用于发射器和/或接收器的示例性线圈组合件

图4a-图4c示出发射器1100中的第一线圈1110和第二线圈1130的示例性组合件和设计。这些组合件和设计也可以应用于接收器1200中的第三线圈1210和第四线圈1230。如图所示，第一线圈1110和第二线圈1130可以各自为扁平螺旋线圈，它是一类空气芯线圈。所述扁平螺旋线圈可以包括一个或多个导线，所述导线弯曲以形成具有一个或多个匝和中心开口的螺旋形状。螺旋可以是基本上扁平的。对于一些wpt系统1000，扁平螺旋线圈的使用可以允许发射器1100与接收器1200之间的间隙是基本上均匀的(例如，发射器1100和接收器1200平行对准)。与间隙跨越发射器1100和接收器1200的区域在空间上变化的情况相比，以此方式约束间隙可以简化谐振电路1102的其它结构和电子性质的调谐。

如图4a-图4c中所示，第一线圈1110和第二线圈1130可以安置成彼此极为接近(例如，小于1mm)，以便允许两个电感器线圈在基本上相似的分离间隙处向接收器发射电力。举例来说，图4a示出示例性组合件，其中第二线圈1130安置于第一线圈1110的中心开口中。图4b示出另一示例性组合件，其中第一线圈1110安置于第二线圈1130的中心开口中。图4c示出又一示例性组合件，其中第二线圈1130以同心方式堆叠到第一线圈1110上。对于一些wpt系统1000，第一线圈1110和第二线圈1130可以被布置成使得第一线圈1110和对应第三线圈1210比第二线圈1130和第四线圈1230更接近。对于一些wpt系统1000，第一线圈1110和第三线圈1210可以比第二线圈1130和第四线圈1230间隔开更远。在此组合件中，取决于发射器1100与接收器1200之间的布置，第一线圈1110或第三线圈1130的厚度也可以影响分离间隙。

第一线圈1110和第二线圈1130的相应末端可以根据图3a中示出的电路示意图而电耦合。举例来说，在图3a中，第二线圈1130的最内末端和第一线圈1110的最外末端可以耦合到电力源1150。第二线圈1103的最外末端和第一线圈1110的最内末端可以耦合到第一电容器1120和第二电容器1140。

扁平螺旋线圈的电感可以取决于若干可调谐结构参数，包含但不限于匝数、中心开口的内径、外径、螺旋中的邻近绕组之间的距离、导线的直径/厚度，以及布线的横截面形状。另外，用于形成扁平螺旋线圈的布线可包含一个或多个股(例如，多股导线、利兹导线)。还可以使用各种导电材料来形成扁平螺旋线圈，包含但不限于铜、铝、前述的任何合金，或所属领域的技术人员已知的任何其它导电材料。虽然图4a-4c示出第一线圈1110和第二线圈1130为基本上圆形，但可以使用其它形状，包含但不限于椭圆形、正方形、矩形、三角形，或所属领域的技术人员已知的任何其它多边形形状。

可以调整这些参数以便支持在各种操作范围的低功率或高功率应用。举例来说，为了支持较大能量传送速率，扁平螺旋线圈的直径可以增加且布线可以制作得较厚。这些参数还可以实现发射器1100与接收器1200之间的较大分离间隙上的操作。然而，较大外径线圈还导致更大且更重的wpt系统1000，这对于空间和重量节省是重要的某些应用可能是不合意的。

使用扁平螺旋线圈的示例性wpt系统

图5示出原型wpt系统1000的图示，其中第一线圈1110、第二线圈1130、第三线圈1210和第四线圈1230全部是扁平螺旋线圈。在此示例性原型中，第一线圈1110安置于第二线圈1130的中心开口中。类似地，第三线圈1210安置于第四线圈1230的中心开口中。如图所示，第二线圈1130和第四线圈1230的外径是215mm。第一线圈1110和第三线圈1210的内径是110mm。每一扁平螺旋线圈由利兹导线形成，以便减少由集肤效应造成的不合意的传导损失。第一线圈1110和第三线圈1210中使用的布线包含彼此电学并联耦合的两个导线。第二线圈1130和第四线圈1230中使用的布线包含电学并联耦合的四个导线。利兹导线中的每一个别纤维的直径是约0.1mm。在其它设计中，扁平螺旋线圈可以形成到印刷电路板或所属领域的技术人员已知的其它类型的布线上。第一线圈1110和第二线圈1130通过分离间隙z与第三线圈1210和第四线圈1230分离。

如图所示，第一线圈1110和第二线圈1130相同于第三线圈1210和第四线圈1230。因此，原则上，第一线圈1110和第二线圈1130或第三线圈1210和第四线圈1230可以用作发射器和接收器。基于图3a或3b中示出的电路模型，第一线圈1110和第二线圈1130耦合到第一电容器1120(未示出)、第二电容器1140(未示出)和电力源1150(未示出)。类似地，第三线圈1210和第四线圈1230耦合到第三电容器1220(未示出)、第四电容器1240(未示出)和负载1250(未示出)，如图3a所示。

对于此示例性设计，针对50mm的分离间隙和87khz的谐振频率调谐电感和电容。第一线圈1110和第二线圈1130的电感分别是10μh和2μh。第一电容器1120和第二电容器1140的电容分别是0.067μf和1μf。类似地，第三线圈1210和第四线圈1230的电感分别是10μh和2μh。第三电容器1220和第四电容器1240的电容分别是0.067μf和1μf。电感在这个设计中是固定的，但电容可以变化，因此允许谐振频率的可调谐性。

图6a和图6b示出分别随上文描述的wpt系统1000的操作频率而变的电压增益和功率效率。如图6a所示，电压增益在87khz的谐振频率下大于1。电压增益的3db带宽是约31khz。这基本上大于具有磁耦合系数k＝0.05的常规wpt系统100，其具有约5khz的3db带宽，如图1b所示。另外，图6b示出功率效率在谐振频率下且跨越31khz3db带宽大于95％。

在原型wpt系统1000上执行额外实验以评估功率效率随发射器1100与接收器1200之间的对准和分离间隙而变的灵敏度。在这些实验中，发射器1100中的第一线圈1110和第二线圈1130由在87khz下操作的全桥式电力逆变器激发。在第三线圈1210和第四线圈1230处感应的ac电压由同步整流器整流。由发射器1100中的第一线圈1110和第二线圈1130以及接收器1200中的第三线圈1210和第四线圈1230产生的磁场被铁氧体和金属板屏蔽。

图7a和图7b分别示出随线圈未对准x和分离间隙z而变的功率效率。线圈未对准是发射器1100和接收器1200的中心之间的横向距离(从同心对准的橫向偏离)。如图7a中所示，功率效率针对小于约40mm的线圈未对准x保持大于91％。如图7b所示，功率效率展现以50mm的优选分离间隙为中心的峰。如上文所描述，可以针对特定分离间隙定制wpt系统1000的电感和电容。当分离间隙偏离优选分离间隙时，可能发生次优电感性耦合，因此减少功率效率。然而，图7b中的功率效率针对40mm与70mm之间的分离间隙z保持大于91％。因此，此数据示出即使当发射器1100和接收器1200中的电感器线圈未对准时以及当分离间隙偏离优选分离间隙时，原型wpt系统1000也可实现高功率效率。此外，原型wpt系统1000确实包含针对高功率应用额定的调谐电容器和开关，这基本上减少了wpt系统1000的大小、重量和成本。

结论

本文中所描述的所有参数、尺寸、材料和配置意图为示例性的，且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于本发明教示所用于的一个或多个特定应用。应理解，前述实施例仅借助于实例呈现，并且在所附权利要求书和其等效物的范围内，可以用与具体描述和要求的不同的方式实践本发明实施例。本公开的发明实施方案针对本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。另外，两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法(如果此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并非互不一致)的任何组合包含在本公开的发明性范围内。

另外，各种发明概念可体现为一种或多种方法，已提供其至少一个实例。作为方法的一部分执行的动作可在一些情况下以不同方式排序。相应地，在一些本发明的实施方案中，可以不同于具体说明的次序的次序执行给定方法的相应动作，其可包含同时执行一些动作(即使此类动作在说明性实施例中展示为循序动作)。

本文提及的所有公开案、专利申请案、专利和其它参考文献都以全文引用的方式并入。

应理解，如本文中定义和使用的所有定义都优先于字典定义、以引用的方式并入的文档中的定义和/或定义的术语的普通含义。

如本文在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一”除非明确相反指示，否则应理解为意味着“至少一个”。

如本文在说明书和权利要求书中所用，短语“和/或”应理解为意指如此结合的要素中的“任一个或两个”，即，要素在一些情况下结合存在并且在其它情况下分开存在。用“和/或”列出的多个要素应以相同方式解释，即，要素中的“一个或多个”如此结合。除了由“和/或”子句具体指出的元件之外，还可以任选地存在其他元件，无论与具体指出的那些元件相关还是无关。因此，作为非限制性实例，当结合开放式语言(例如“包括”)使用时，提及“a和/或b”在一个实施例中可以仅指a(任选地包含除b之外的元素)；在另一个实施例中仅指b(任选地包含除a之外的元素)；在又一个实施例中，兼指a和b(任选地包含其他元素)；等等。

如本文在本说明书和权利要求书中所用，“或”应理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。举例来说，当在列表中分隔多个项目时，“或”或“和/或”将解释为包含性的，即，包含至少一个，但也包含数个要素或要素列表中的一个以上要素和任选地额外未列出的项目。只有明确相反指示的术语，如“仅仅……中的一个”或“恰好……中的一个”或当在权利要求书时使用时“由……组成”将指的是包括多个元件或元件列表中的恰好一个元件。一般来说，如本文中所用的术语“或”当前面是例如“任一”、“……中的一个”、“仅……中的一个”或“恰好……中的一个”等排他性术语时，仅应解释为指示排他性替代方案(即，“一个或另一个但并非两者”)。“基本上由……组成”当在权利要求书中使用时，应具有如其在专利法领域中所用的普通含义。

如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或多个元件的列表时，短语“至少一个”应理解为指选自该元件列表中的任何一个或多个元件的至少一个元件，但不一定包括元件列表中具体列出的每个元件中的至少一个，并且不排除元件列表中的元件的任何组合。此定义还允许除了元素列表内具体识别的短语“至少一个”所指的元素之外的元素可任选地存在，无论其是否与具体识别的那些元素相关。因此，作为非限制性实例，在一个实施例中，“a和b中的至少一个”(或，等效地，“a或b中的至少一个”或，等效地“a和/或b中的至少一个”)可以指代至少一个，任选地包含多于一个a，不存在b(并且任选地包含除了b之外的元素)；在另一个实施例中，可以指代至少一个，任选地包含多于一个b，不存在a(并且任选地包含除了a之外的元素)；在又一实施例中，可以指代至少一个，任选地包含多于一个a，和至少一个，任选地包含多于一个b(并且任选地包含其他元素)；等等。

在权利要求书中以及在上述说明书中，例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容纳”、“由……组成”等所有连接词应理解为是开放的，即，意指包含但不限于。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，只有过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”才应分别是封闭的或半封闭的过渡短语。