[发明专利]用于全向无线功率输送的负载位置检测和功率控制的系统和方法

说明书

涉及用于全向无线功率输送的方法和系统。该方法包括在所有方向上生成磁场，基于磁场形状检测负载并且朝向检测到的负载聚焦功率流，以便最大化无线功率输送的能量效率。

技术领域

本申请大体涉及无线功率输送。特别地，本申请涉及用于全向无线功率输送的负载位置检测和功率控制的系统和方法。

背景技术

由Tesla在一个世纪以前倡导的无线功率可以被分类为辐射式和非辐射式。对于非辐射式应用，低功率和中等/高功率无线功率应用中的大多数使其功率流由线圈谐振器引导。在诸如传感器和RFID设备之类的许多低功率应用中，更换电池已经是工业界中的维护问题。经良好设计的全向无线充电系统因而是用于同时为多个设备充电的高度吸引人且经济的选项。

目前为止，非辐射式无线功率系统中的大部分具有一个方向（即1维功率流）或相同平面上的两个方向（即2维功率流）上的功率流。然而，由Wang等人发表的三份最新报道（参见D. Wang, Y. Zhu, Z. Zhu, T.T. Mo和Q. Huang，“Enabling multi-anglewireless power transmission via magnetic resonant coupling”，InternationalConference on Computing and Convergence Technology (ICCCT) 2012，pp: 1395-1400；以下“Wang”），Jonah等人（参见O. Jonah, S.V. Georgakopoulos和M.M. Tentzeris，“Orientation insensitive power transfer by magnetic resonance for mobiledevices”，IEEE Wireless Power Transfer，佩鲁贾，意大利，2013年5月15-16日，pp:5-8；以下“Jonah”）和Kathleen O’Brien（博士论文：“Inductively coupled radio frequencypower transmission system for wireless systems and devices”，德累斯顿工业大学，2005年12月5日；以下“O’Brien”）探索了全向无线功率的可能性。O’Brien描述了包括三个正交线圈的传送器系统和同样包括三个正交线圈的接收器系统。然而，在诸如用于移动电话和射频身份（RFID）标签的接收器线圈之类的现代应用中，移动设备的形状因子要求接收器线圈是平面线圈。因此，具有三个正交线圈的接收器系统不是合适的。Wang利用正交线圈来减少当接收器线圈垂直于传送器线圈之一时的小互感的影响，其中两个分离的正交线圈由具有相同ac电流的单个功率源驱动，也就是说，两个分离的线圈串联连接。这是为何接收器线圈可以在两个正交传送器线圈之间的45°角度处拾取最大功率的原因，其中如果两个正交线圈电流相等，则来自这两个正交线圈的两个同轴磁场矢量的矢量和最大。Wang还建议基于3个分离的正交线圈而延伸到3-D结构，所述3个分离的正交线圈串联连接并且由相同电流馈送。事实上，Wang将末端开口的线圈视为天线，并且使用寄生线圈电感和电容以形成等效LC电路。然而，考虑被视为天线的线圈，基于阻抗匹配或最大功率输送定理的这样的设计方案将具有以下限制：

1）用于实现谐振电路的导线长度与谐振频率处的波长相当。传送器和接收器线圈二者是谐振频率处的波长的四分之一。该方案因而是尺寸相关的并且在传送器和接收器线圈的相对大小方面是受限的。

2）由于末端开口的线圈中的通常低的寄生电容，谐振频率和因而操作频率通常是高的。高频ac功率源通常比低频ac功率源更加昂贵。