具有调谐调整电路的无线功率馈送系统的制作方法

1.本发明涉及无线功率馈送，特别地，涉及通过谐振电感耦合供电的无线功率馈送。


背景技术：

2.在无线功率馈送技术领域中已经提出了基于各种方法和方式的许多装置。其中，使用电磁感应的方法通常是众所周知的。此外，其中通过电磁感应使用谐振技术的方法是代表性的，并且被称为各种名称。本发明基于使用利用lc谐振电路的磁耦合的技术。
3.专利文献1公开了一种无线功率馈送方法和功率馈送系统，该无线功率馈送方法和功率馈送系统实现了在能够通过电磁场谐振的耦合将功率馈送到相对长的距离的无线功率馈送中扩展更宽范围的频率的使用。电磁场谐振无线功率馈送方法用于无线功率馈送，在该无线功率馈送中，功率传输装置的功率传输电路和功率接收装置的功率接收电路通过电磁场谐振耦合，并且功率传输装置被配置为向电源2供应2两个不同的频率分量f1和f2。功率传输电路的谐振频率被称为f1和/或f2，功率传输电路的状况被周期性地改变为电流和/或电压不稳定的电气暂态。在功率接收装置中，由于拍频现象，功率接收电路的谐振频率为(f2-f1)或(f1+f2)，并且频率为(f2-f1)或(f1+f2)的电力被供应给负荷。
4.专利文献2公开了一种使用环形线圈作为功率传输装置的非常简单的无线功率馈送器。安装在功率传输装置中的功率传输环形线圈从dc电源提取电能，并在空间中生成周期性地改变的电磁场谐振能量。设置在功率接收器中的功率接收环形线圈从空间中提取周期性地改变的电磁场谐振能量作为电能，并向负荷供应电力。功率传输环形线圈和功率接收环形线圈电磁谐振耦合，并且功率从功率传输装置无线地供应到功率接收器。
5.专利文献3公开了一种无线功率馈送系统，该无线功率馈送系统设置有多个中继装置并且抑制由于中继装置而导致的功率传输效率的降低。该无线功率馈送系统包括：传输待馈送的功率的功率传输装置；对从功率传输装置传输的功率进行中继的多个中继装置；接收由中继装置中继的功率的功率接收器；以及控制装置，该控制装置对中继装置进行控制，使得功率通过多个传输路径中使功率的传输效率最大化的传输路径传输，该多个传输路径经由中继装置将功率从功率传输装置传输到功率接收器。
6.专利文献4公开了一种用于提高磁谐振型无线功率馈送系统的功率传输效率的技术。磁谐振型无线功率馈送系统设置有ac电源、连接到ac电源的电压转换线圈、功率传输侧lc电路、功率接收侧lc电路、阻抗转换线圈、连接到阻抗转换线圈的负荷、以及与负荷并联连接的传输效率控制电容器。功率传输侧lc电路被布置在电压转换线圈附近，并且具有功率传输侧线圈和功率传输侧电容器，该功率传输侧线圈和功率传输侧电容器通过与电压转换线圈的电磁感应被激励。功率接收侧lc电路具有与功率传输侧线圈谐振的功率接收侧线圈和功率接收侧电容器。阻抗转换线圈被布置在功率接收侧lc电路附近，并且通过与功率接收侧线圈的电磁感应而被激励。传输效率控制电容器具有提高电力从ac电源到负荷的传输效率的电容。相关技术文献
专利文献
7.(专利文献1)韩国专利公开第2017-163647号
8.(专利文献2)韩国专利公开第2017-028998号
9.(专利文献3)韩国专利公开第2017-028770号
10.(专利文献4)韩国专利公开第2014-176122号


技术实现要素：

技术问题
11.存在使用内置电池的电子装置。当这种电池被放电和消耗时，通常将电子装置附接到专用充电器以对其充电。
12.另外，最近已经提出了使用无线功率馈送的电池充电方法。通过在功率馈送侧充电装置和功率接收侧电子装置中设置专用线圈和电路来实现该方法。
13.存在一些使用谐振电路进行无线功率馈送的方法。功率馈送侧谐振电路被选择为串联谐振电路或并联谐振电路。串联谐振电路容易传输大量能量，但具有大的损耗。另一方面，并联谐振电路用于传输相对少量的能量，并且具有易于产生稳定谐振状态的特性。
14.在常规的一般无线功率馈送中，通常在馈送侧采用串联谐振电路(参考图9)。此外，已经使用了检测谐振状态和控制频率的方法。谐振频率根据功率接收装置的位置和姿态而波动，并且功率接收装置的铁氧体线圈根据材料和绕组状态而具有显著的电性能变化。出于该原因，如果谐振频率不同，则功率馈送效率劣化，因此，进行对功率馈送侧上的谐振频率的控制。
15.作为频繁使用的方法，接收侧检测谐振状态，并且通过某种通信方法(qi标准等)等将这种信息传输到功率馈送侧。在这种结构中，存在许多成本增加的因素。
16.本发明的发明人在功率馈送侧采用并联谐振电路以便解决这种问题。功率接收器可以是串联谐振电路或并联谐振电路，但是如果功率接收器是并联谐振电路，则它可以用非常简单的配置制成。与串联谐振电路相比，这种简单性与所使用的少量电子组件相关，并且还意味着由电子组件引起的损耗进一步减少。因此，可以使发热等相对较低。
17.同时，由于功率接收装置的位置和姿态引起的谐振频率的波动而导致的功率馈送效率的降低可以相对较低。
18.然而，另一方面，据说并联谐振电路不适合无线功率馈送。首先，在最大谐振点处，电压变得非常大，这可能损坏电子电路元件。其次，已经认为难以提高功率馈送效率。
19.本发明的目的是打破并联谐振电路不适合无线功率馈送的现有概念，并且提供一种具有在没有并联谐振电路的情况下不能实现的效果的无线功率馈送系统。技术方案
20.本发明的发明人在功率馈送侧采用并联谐振电路，并且通过研究利用定时的功率馈送侧的驱动方法、用于在驱动状态与谐振状态之间进行切换的调整方法以及谐振频率调整方法来实现上述目的。
21.根据本发明的并联谐振电路的无线功率馈送系统，包括：功率馈送器，包括功率馈送线圈和功率馈送电路单元，该功率馈送线圈用于生成磁通量，该功率馈送电路单元用于向功率馈送线圈供电以生成磁通量；以及功率接收器，包括功率接收线圈和功率接收电路
单元，功率接收线圈接收从功率馈送线圈输出的磁通量，该功率接收电路单元通过电磁感应回收在功率接收线圈中生成的能量，其中，电能通过使用谐振现象的电磁感应被从功率馈送器供应到功率接收器，功率接收器的功率接收电路单元包括功率接收侧谐振电容器，功率接收侧谐振电容器结合功率接收线圈形成功率接收侧谐振电路，从而以功率接收侧谐振周期谐振，功率馈送器的功率馈送电路单元包括：功率馈送侧谐振电容器，该功率馈送侧谐振电容器在功率馈送器的谐振状态下被调整到谐振频率，以结合功率馈送线圈形成并联谐振电路；开关电路，开关电路交替地对功率馈送器的功率馈送线圈周期性地重复电源的接通(驱动状态)和断开(谐振状态)；控制电路，控制电路输入驱动脉冲信号以控制开关电路的接通和断开，并根据输入驱动脉冲信号的定时精确地调整功率馈送侧并联谐振电路的功率馈送侧谐振周期；以及功率馈送侧调谐调整电路，功率馈送侧调谐调整电路精确地调整功率馈送侧谐振电容器的电容或功率馈送线圈的电感。
22.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
23.另外，功率接收器的功率接收电路单元还包括功率接收侧调谐调整电路，功率接收侧调谐调整电路精确地调整功率接收侧谐振电容器的电容或功率接收线圈的电感。
24.因此，可以调节功率馈送效率。
25.功率馈送侧调谐调整电路被处理(conduct)，使得对于开关电路的断开时间，功率接收侧谐振周期(t3)为0.9(t1+t2)＝《t3＝《1.1(t1+t2)，即，时间(t1+t2)为功率馈送器的驱动状态时间(t1)和谐振状态时间(t2)的总和。
26.在此，＝《是指左侧小于或等于右侧，即，低于或等于右侧。
27.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
28.在0.9(t1+t2)》t3、t3》1.1(t1+t2)时，存在可能发生诸如最大谐振下的电压上升和功率馈送效率的降低等问题的可能性。
29.功率馈送侧调谐调整电路包括单个电容器或多个其他并联连接的电容器，并且通过使用单个电容器或多个电容器来调整功率馈送侧谐振电容器的电容。
30.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
31.开关电路在谐振线圈电压变为接近零值的时刻接通驱动脉冲信号，在驱动脉冲信号接通的同时将谐振线圈电压保持在零值附近，并且在驱动脉冲接通的同时以谐振线圈电流作为上限控制驱动电流流动。
32.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
33.由功率馈送器的驱动电流生成的谐振线圈电流的失真分量被视为由于失真分量而导致的功率馈送线圈的磁通量波动，并且通过电磁感应在功率接收器的功率接收线圈中生成的能量在功率接收电路中被回收，从而实现从功率馈送电路到功率接收电路的能量传递。
34.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
35.功率馈送器的功率馈送线圈由具有1至5匝或更少匝数的线圈组成，并且功率馈送线圈的线圈的尺寸大于功率接收器的功率接收线圈的尺寸。
36.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
37.功率馈送器的功率馈送线圈和功率馈送侧谐振电容器构成并联谐振电路，并且功率接收器的功率接收线圈和功率接收侧谐振电容器构成并联谐振电路或串联谐振电路。
38.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
39.功率馈送器的驱动时间(即，驱动脉冲接通的时间)为功率接收器的谐振频率周期的1/4或更少，并且无线功率馈送系统还包括驱动时间调整电路，驱动时间调整电路调整驱动时间，使得功率馈送效率和功率接收器的输出功率在考虑到要获得的功率馈送范围、功率馈送距离以及功率馈送线圈和功率接收线圈的规格的范围内增加。
40.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
41.调谐调整电路调整驱动时间，使得功率馈送器的功率馈送线圈和功率接收器的功率接收线圈的耦合系数(k)在0.3(30％)或更小的范围内，并且在考虑到要获得的功率馈送范围、功率馈送距离、功率馈送线圈和功率接收线圈的规格等的情况下，功率馈送效率增加。
42.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
43.该系统还包括：频率调整电路，用于改变功率馈送器的谐振频率；以及谐振状态传感器，该谐振状态传感器包括：电压传感器和电流传感器，连接到控制电路；以及相位检测电路，用于根据电压传感器和电流传感器的输入来检测相位。控制电路共同控制开关电路和频率调整电路两者来调整驱动脉冲时间，从而基于谐振状态传感器的输出来调整功率馈送侧谐振频率周期，使得谐振频率或功率馈送能力(功率)提供高功率馈送效率，并且控制电路调整谐振电容器或改变功率馈送线圈图案。
44.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
45.当基于来自谐振状态传感器的信息确定为异常谐振状态时，功率馈送器的控制电路停止正常状态下的驱动脉冲以暂时使功率馈送效率接近零，并移动到功率馈送的停止状态或待机状态(睡眠状态)。
46.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
47.功率馈送器的控制电路在待机状态(睡眠状态)下以预定间歇或比通常情况更弱的输出供电，并且基于谐振状态传感器的输出进行确定，并且当功率接收器处于功率可馈送状态时返回到正常状态。
48.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
49.系统还包括：功率馈送器复合体，在功率馈送器复合体中，多个功率馈送器并联布置，每个功率馈送器包括功率馈送线圈、功率馈送侧谐振电容器、开关电路和控制电路；以及集中控制电路，用于集中控制形成功率馈送器复合体的多个功率馈送器的控制电路。集中控制电路控制多个功率馈送器的状态，即，功率馈送的停止状态、待机状态(睡眠状态)和正常状态。
50.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
51.集中控制电路设置每个功率馈送线圈的规格、谐振频率和驱动时间的规格，以使用构成功率馈送复合体的多个功率馈送器中具有改变的功率馈送距离、功率馈送范围和功率馈送能力的每个功率馈送器，并且集中控制电路基于来自安装在每个功率馈送器中的谐振状态传感器的信息来控制多个功率馈送器的状态，即，功率馈送的停止状态、待机状态(睡眠状态)和正常状态。
52.因此，可以增加用于设计功率馈送范围(诸如可以被馈送的功率馈送器与功率接收器之间的位置关系、距离、高度和面积)的自由度。
53.功率馈送器包括功率馈送侧通信装置，功率馈送侧通信装置用于通过响应于作为数字信号的传输数据的比特序列而改变载波的幅度来发送和接收传输数据，功率接收器具有由个体识别id和状态传感器确定的信息，功率馈送侧通信装置获得功率接收侧的个体识别和状态识别，功率馈送侧控制电路调整异物检测对策和驱动脉冲时间以提高功率馈送效率，并且调整谐振电容器或改变功率馈送线圈图案来调整谐振频率。
54.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
55.功率接收器具有与所需输出功率相关的可变输出功率信息，功率馈送侧通信装置接收功率接收器的输出功率信息，功率馈送器还包括驱动时间对话调整电路，驱动时间对话调整电路用于根据由功率馈送侧通信装置接收到的输出功率信息来在功率接收器的谐振频率周期范围内控制功率馈送器的驱动时间。
56.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
57.一种无线功率馈送系统，包括：功率馈送器，包括功率馈送线圈、功率馈送侧谐振电容器、以及功率馈送电路单元，功率馈送线圈用于生成磁通量，功率馈送侧谐振电容器与功率馈送线圈形成谐振电路，功率馈送电路单元用于向功率馈送线圈供应驱动电流以生成磁通量；以及功率接收器，包括功率接收线圈、功率接收侧谐振电容器、以及功率接收电路单元，功率接收线圈接收从功率馈送线圈输出的磁通量，功率接收侧谐振电容器与功率接收线圈形成谐振电路，功率接收电路单元通过电磁感应回收在功率接收线圈中生成的能量，其中，电能通过使用谐振现象的电磁感应被从功率馈送器供应到功率接收器。功率馈送器的功率馈送电路单元生成驱动电流，使得由驱动电流在功率馈送线圈中生成的谐振线圈电流与正弦波相比具有失真，功率馈送线圈将失真作为由驱动电流在功率馈送线圈中生成的磁通量的改变发送到功率接收线圈，功率接收线圈接收失真作为通过电磁感应在功率接收线圈中生成的能量，功率接收电路回收失真作为电能，从而实现从功率馈送电路到功率接收电路的能量传递。
58.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
59.此外，包括功率馈送侧功率馈送线圈和功率馈送侧谐振电容器的谐振电路包括调谐调整电路，调谐调整电路精确地调整功率馈送器的谐振电容器的电容或功率馈送线圈的电感。功率馈送器的功率馈送线圈由具有1至5匝或更少匝数的线圈组成，并且功率馈送线圈的线圈的尺寸大于功率接收器的功率接收线圈的尺寸。
60.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
61.功率馈送器的功率馈送线圈和功率馈送侧谐振电容器构成并联谐振电路，并且功率接收器的功率接收线圈和功率接收侧谐振电容器构成并联谐振电路或串联谐振电路。
62.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
63.功率馈送器的功率馈送电路单元还包括驱动时间调整电路，驱动时间调整电路将驱动时间调整为功率接收器的谐振频率周期的1/4或更少，驱动电流在驱动时间中被提供给功率馈送线圈，并且驱动时间调整电路调整失真，使得在考虑到要获得的功率馈送范围、功率馈送距离以及功率馈送线圈和功率接收线圈的规格的情况下，功率馈送效率在驱动时间的范围内增加。
64.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
65.系统还包括调谐调整电路，调谐调整电路将功率馈送器的功率馈送线圈和功率接
收器的功率接收线圈的耦合系数(k)调整到0.3(30％)或更小或者接近k＝0.3(30％)的范围，调谐调整电路利用耦合系数和驱动时间来调整失真，使得在考虑到需要的功率馈送范围、功率馈送距离以及功率馈送线圈和功率接收线圈的规格的情况下，功率馈送效率在驱动时间内增加。
66.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
67.系统还包括：频率调整电路，用于改变功率馈送器的谐振频率；谐振状态传感器；以及控制电路，该谐振状态传感器包括：电压传感器和电流传感器，连接到控制电路；以及相位检测电路，用于根据电压传感器和电流传感器的输入来检测相位。控制电路共同控制功率馈送电路单元和频率调整电路两者来调整驱动脉冲时间，从而基于谐振状态传感器的输出来调整功率馈送侧谐振频率周期，使得谐振频率或功率馈送能力(功率)提供高功率馈送效率，并且控制电路调整功率馈送侧谐振电容器或改变功率馈送线圈图案。
68.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
69.当基于来自谐振状态传感器的信息确定为异常谐振状态时，功率馈送器的控制电路停止正常状态下的驱动脉冲以暂时使功率馈送效率接近零，并移动到功率馈送的停止状态或待机状态(睡眠状态)。
70.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
71.功率馈送器的控制电路在待机状态(睡眠状态)下以预定间歇或比通常情况更弱的输出供电，并且基于谐振状态传感器的输出进行确定，并且当功率接收器处于功率可馈送状态时返回到正常状态。
72.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
73.系统还包括：功率馈送器复合体，在功率馈送器复合体中，多个功率馈送器并联布置，每个功率馈送器包括功率馈送线圈、功率馈送侧谐振电容器、开关电路和控制电路；以及集中控制电路，用于集中控制形成功率馈送器复合体的多个功率馈送器的控制电路。集中控制电路控制多个功率馈送器的状态，即，功率馈送的停止状态、待机状态(睡眠状态)和正常状态。
74.因此，可以增加用于设计功率馈送范围(诸如可以被馈送的功率馈送器与功率接收器之间的位置关系、距离、高度和面积)的自由度。
75.集中控制电路设置每个功率馈送线圈的规格、谐振频率和驱动时间的规格，以使用构成功率馈送复合体的多个功率馈送器中具有改变的功率馈送距离、功率馈送范围和功率馈送能力的每个功率馈送器，并且集中控制电路基于来自安装在每个功率馈送器中的谐振状态传感器的信息来控制多个功率馈送器的状态，即，功率馈送的停止状态、待机状态(睡眠状态)和正常状态。
76.因此，可以增加用于设计功率馈送范围(诸如可以被馈送的功率馈送器与功率接收器之间的位置关系、距离、高度和面积)的自由度。
77.功率馈送器包括功率馈送侧通信装置，功率馈送侧通信装置用于通过响应于作为数字信号的传输数据的比特序列而改变载波的幅度来发送和接收传输数据，功率接收器具有由个体识别id和状态传感器确定的信息，功率馈送侧通信装置获得功率接收侧的个体识别和状态识别，功率馈送侧控制电路调整异物检测对策和驱动脉冲时间以提高功率馈送效率，并且调整谐振电容器或改变功率馈送线圈图案来调整谐振频率。
78.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
79.功率接收器具有与所需输出功率相关的可变输出功率信息，功率馈送侧通信装置接收功率接收器的输出功率信息，功率馈送器还包括驱动时间对话调整电路，驱动时间对话调整电路用于根据由功率馈送侧通信装置接收到的输出功率信息或所需功率信息，响应地将功率馈送器的驱动时间控制为在功率接收器的谐振频率周期的1/4或更小的范围内的功率接收器所需的功率。
80.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
81.系统还包括信息存储装置，信息存储装置响应于改变功率馈送线圈与功率接收线圈之间的距离(l)，预先存储通过实验获得的数据，数据关于从功率馈送线圈到功率接收线圈的功率传输效率的频率特性是变为单调谐特性还是双调谐特性，并且关于在双调谐特性的情况下，在构成双调谐特性的双转变(turn)的两个调谐之间形成多大凹陷。调谐调整电路参考存储在信息存储装置中的数据来精确地调整功率馈送侧谐振电容器的电容或者功率馈送侧线圈的阻抗，使得即使当功率馈送线圈与功率接收线圈之间的距离改变时或者甚至在双调谐特性的情况下，从功率馈送线圈到功率接收线圈的功率传输效率的频率特性也继续为单调谐特性，在构成双调谐特性的两个调谐之间的凹陷中的功率传输效率被设置为在两个调谐中的较低调谐中的功率传输效率的90％或更高。
82.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
83.调谐调整电路包括单个电容器或多个其他并联连接的电容器，并且通过使用单个电容器或多个电容器来调整功率馈送侧谐振电容器的电容。
84.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
85.开关电路在谐振线圈电压变为接近零值的时刻接通驱动脉冲信号，在驱动脉冲信号接通的同时将谐振线圈电压保持在零值附近，并且在驱动脉冲接通的同时以谐振线圈电流作为上限控制驱动电流流动。
86.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
87.由功率馈送器的驱动电流生成的谐振线圈电流的失真分量被视为由于失真分量而导致的功率馈送线圈的磁通量波动，并且通过电磁感应在功率接收器的功率接收线圈中生成的能量在功率接收电路中被回收，从而实现从功率馈送电路到功率接收电路的能量传递。
88.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
89.功率馈送器的功率馈送线圈由具有1至5匝或更少匝数的线圈组成，并且功率馈送线圈的线圈的尺寸大于功率接收器的功率接收线圈的尺寸。
90.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
91.功率馈送器的功率馈送线圈和功率馈送侧谐振电容器构成与预定谐振频率匹配的并联谐振电路，并且功率接收器的功率接收线圈和功率接收侧谐振电容器构成并联谐振电路或串联谐振电路。
92.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
93.功率馈送器的驱动时间(即，驱动脉冲接通的时间)为功率接收器的谐振频率周期的1/4或更少，并且无线功率馈送系统还包括驱动时间调整电路，驱动时间调整电路调整驱动时间，使得功率馈送效率和功率接收器的输出功率在考虑到要获得的功率馈送范围、功
率馈送距离以及功率馈送线圈和功率接收线圈的规格的范围内增加。
94.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
95.调谐调整电路确定功率馈送范围、功率馈送距离以及功率馈送线圈和功率接收线圈的规格，使得在功率馈送器的功率馈送线圈和功率接收器的功率接收线圈的耦合系数(k)为0.3(30％)或更小或者耦合系数(k)接近k＝0.3(30％)的范围内，期望的功率馈送效率和功率接收器的输出功率大于或等于预定值，或者调谐调整电路调整功率馈送线圈的电感，使得功率馈送效率在驱动时间内变高。
96.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
97.系统还包括：频率调整电路，用于改变功率馈送器的谐振频率；以及谐振状态传感器，该谐振状态传感器包括：电压传感器和电流传感器，连接到控制电路；以及相位检测电路，用于根据电压传感器和电流传感器的输入来检测相位。控制电路共同控制开关电路和频率调整电路两者来调整驱动脉冲时间，从而基于谐振状态传感器的输出来调整功率馈送侧谐振频率周期，使得谐振频率或功率馈送能力(功率)提供高功率馈送效率，并且控制电路调整谐振电容器或改变功率馈送线圈图案。
98.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
99.当基于来自谐振状态传感器的信息确定为异常谐振状态时，功率馈送器的控制电路停止正常状态下的驱动脉冲以暂时使功率馈送效率接近零，并移动到功率馈送的停止状态或待机状态(睡眠状态)。
100.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
101.功率馈送器的控制电路在待机状态(睡眠状态)下以预定间歇或比通常情况更弱的输出供电，并且基于谐振状态传感器的输出进行确定，并且当功率接收器处于功率可馈送状态时返回到正常状态。
102.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
103.系统还包括：功率馈送器复合体，在功率馈送器复合体中，多个功率馈送器并联布置，每个功率馈送器包括功率馈送线圈、功率馈送侧谐振电容器、开关电路和控制电路；以及集中控制电路，用于集中控制形成功率馈送器复合体的多个功率馈送器的控制电路。集中控制电路控制多个功率馈送器的状态，即，功率馈送的停止状态、待机状态(睡眠状态)和正常状态。
104.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
105.集中控制电路设置每个功率馈送线圈的规格、谐振频率和驱动时间的规格，以使用构成功率馈送复合体的多个功率馈送器中具有改变的功率馈送距离、功率馈送范围和功率馈送能力的每个功率馈送器，并且集中控制电路基于来自安装在每个功率馈送器中的谐振状态传感器的信息来控制多个功率馈送器的状态，即，功率馈送的停止状态、待机状态(睡眠状态)和正常状态。
106.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
107.功率馈送器包括功率馈送侧通信装置，功率馈送侧通信装置用于通过响应于作为数字信号的传输数据的比特序列而改变载波的幅度来发送和接收传输数据，功率接收器具有由个体识别id和状态传感器确定的信息，功率馈送侧通信装置获得功率接收侧的个体识别和状态识别，功率馈送侧控制电路调整异物检测对策和驱动脉冲时间以提高功率馈送效
率，并且调整谐振电容器或改变功率馈送线圈图案来调整谐振频率。
108.因此，可以避免最大谐振下的电压上升并提高功率馈送效率。
109.功率接收器具有与所需输出功率相关的可变输出功率信息，功率馈送侧通信装置接收功率接收器的输出功率信息，功率馈送器还包括驱动时间对话调整电路，驱动时间对话调整电路用于根据由功率馈送侧通信装置接收到的输出功率信息来在功率接收器的谐振频率周期范围内控制功率馈送器的驱动时间。有益效果
110.在本发明的无线功率馈送系统中，无线功率馈送通过功率接收器的驱动方法和谐振频率的调整方法在功率馈送侧上采用并联谐振电路，并且可以实现低损耗和相对低的发热等。另外，可以在功率馈送距离处以高功率馈送效率向功率接收装置发送能量。此外，由于它在低耦合系数下表现出高功率馈送效率，因此与使用常规的串联谐振电路的无线功率馈送相比，可以增加功率馈送范围和功率馈送距离。此外，它是用于同时向多个功率接收器进行无线功率馈送的最佳功率馈送系统。
附图说明
111.图1是本发明的无线功率馈送系统的基本电路配置图。
112.图2是本发明的功率馈送侧的基本波形图。
113.图3是本发明的功率接收侧的基本波形图。
114.图4是功率馈送距离和功率馈送效率的示例性图。
115.图5是功率馈送系数和功率馈送效率的示例性图。
116.图6是功率馈送效率、输出功率和耦合系数的示例性图。
117.图7是示出具有多个单元的图像的图。
118.图8是示出具有多个单元并增加馈送距离的图像的图。
119.图9是在功率馈送侧谐振电路是串联谐振电路的情况下的基本电路配置图(参考图)。
120.图10是用于说明谐振电路中电容器的电压相位与电流相位之间的关系的图。
121.图11是用于说明串联谐振与并联谐振之间的差异的图。
122.图12是用于说明并联谐振电路中的谐振状态和驱动状态的图。
123.图13是用于说明距离与耦合系数之间的关系的图。
124.图14是用于说明在谐振频率在功率馈送侧和功率接收侧相同的情况下的耦合特性的图。
125.图15是用于说明在谐振频率在功率馈送侧和功率接收侧不同的情况下的耦合特性的图。
126.图16是用于说明ac特性的图。
具体实施方式
127.在下文中，将参考附图详细描述用于实现本发明的系统的优选实施例。
128.图1是示出根据本发明的无线功率馈送系统的基本电路配置图的图。
129.根据本发明的无线功率馈送系统被配置为包括功率馈送器10和功率接收器2的组
合。电能从功率馈送器10供应到功率接收器2。
130.如图1所示，功率接收器2被配置为包括功率接收线圈1、功率接收侧谐振电容器3、整流电路4和诸如电池等负荷5。谐振电容器3由单个电容器或并联的多个电容器构成。
131.功率接收器2侧存在若干特性。
132.首先，诸如任何电池等负荷5被安装在功率接收器2上。
133.其次，安装在功率接收器2中的功率接收线圈1和功率馈送器10的功率馈送线圈11的尺寸、材料和电气规格被设计为对应于功率馈送范围、功率馈送距离和功率馈送能力。
134.第三，功率接收器2的功率接收线圈1和功率接收侧谐振电容器3由所谓的谐振器(lc谐振电路)组成，并且具有在预定谐振频率下提供良好特性的规格(这同样适用于功率馈送器的功率馈送线圈11和功率馈送侧谐振电容器14)。
135.第四，当功率接收器2是并联谐振电路时，整流电路可以是半波整流。
136.在本发明中，由于允许的谐振频率之间的差异很大，因此可以充分真实地响应产品的电特性的变化，即，所谓的产量(yield)目标。因此，还可以确定每个模型的谐振频率。
137.功率馈送器10包括：功率馈送线圈11；谐振电容器14，与功率馈送线圈11一起构成谐振电路；开关电路12，用于接通和断开到功率馈送线圈11的功率；以及控制电路17，用于操作开关电路12。谐振电容器14由单个电容器或并联的多个电容器构成。频率调整电路15(例如，包括pll电路的电路)连接到控制电路17以进行开关的接通/断开定时。存在谐振状态传感器16，其是包括在控制电路17中的类型，并且检测谐振状态。谐振状态传感器16由例如相位检测电路构成。电流传感器19和电压传感器20连接到谐振状态传感器16。另外，用于将功率供应到功率馈送线圈11并供应每个电路所需的功率的电源18安装在功率馈送器10中。
138.列出了功率馈送器10侧的特性。
139.首先，功率馈送线圈11和谐振电容器14构成并联谐振电路。
140.第二，仅存在一个开关电路。当该开关接通时，这被称为驱动状态，而当该开关断开时，这被称为谐振状态。
141.第三，控制电路17使用频率调整电路15的定时，控制开关电路14，并控制驱动状态和谐振状态的定时。
142.第四，控制电路17具有检测谐振状态(主要是频率差)的谐振状态传感器16，并且基于谐振状态传感器16的检测结果来控制功率馈送的停止和谐振频率的调整。
143.图1示出了基本电路图(其更可能是框图)。基本电路设置有生成磁通量以生成电磁感应的功率馈送线圈11。功率馈送器10的电路至少设置有功率馈送侧谐振电容器14和电源18，并且相对于功率接收器2的功率接收线圈1产生恒定频率的谐振关系。此时的频率被称为谐振频率，并且使用100khz至300khz的频率，该100khz至300khz的频率一般被称为对人体几乎没有影响的长波。如果这被称为参考谐振频率，则本发明中使用的参考谐振频率不受特别限制。另一方面，稍后将描述的功率馈送侧的谐振频率和功率接收侧的谐振频率通常被设置为相同的谐振频率，但是本发明的重要特征在于，基于预定的定时时间将谐振频率设置为不同的谐振频率。
144.在功率接收器2的位置关系和状态中，谐振频率存在微小差异。例如，功率接收器2的功率接收线圈1的位置和倾斜度逐渐改变。因此，如果功率接收线圈1进入从功率馈送线
圈11传输的磁通量的范围内，则可以供应能量。此时，指示线圈绕组之间的磁耦合程度的系数一般被称为耦合系数(k)。本发明的特征还在于，用于确定用于提高功率馈送效率的预定耦合系数的方法。
145.当功率接收线圈1进入磁通量时，功率接收线圈1以谐振频率差的形式影响功率馈送侧。如果谐振频率不符合要求(out of line)，则能量供应的效率降低。
146.因此，由谐振状态传感器16(例如，包括相位检测电路的电路)检测偏移的频率和相位，并且根据频率和相位来调整功率馈送线圈11的谐振频率。例如，可以通过改变谐振电容器14来进行调整。
147.这种调整也被称为调谐，并且存在制造时执行的方法和在操作期间由调整电路自动控制的方法，但它们被统称为调谐调整电路。谐振电容器由单个或多个电容器组成，但最简单的调谐方法是预先将若干个电容器并联连接，并在制造期间对不需要的电容器进行图案切割且使其失效，从而调整到预定谐振频率。此外，存在放置微调电容器、可变电容器等并利用控制旋钮对电容器进行手动调整的方法。
148.另外，作为在操作期间由控制电路进行自动控制的方法，存在一种通过预先并联连接成对的各个电容器和开关且通过调整电路控制串联连接到每个电容器的开关来产生预定谐振频率的方法。另外，作为另一种方法，存在一种将伺服电机安装在可变电容器的控制旋钮上并通过调整电路控制伺服电机来产生预定谐振频率的方法。
149.另一方面，在功率接收侧上，存在在制造时执行调整的许多情况，但是预先测量功率接收线圈的电感并将对应的电容器安装到未安装部分的方法可以在广义上被称为调谐调整电路。
150.如果电容器并联连接，则内阻减小并且还抑制发热。
151.另外，频率调整电路15可以通过例如由具有内置锁相环(pll)电路的电路来延长或缩短驱动状态时间而调整功率馈送能力(功率)。在一些情况下，可以是设置多个馈电线圈11并且通过切换线圈来改变谐振频率的情况。这里，本发明的特征在于，基于稍后将描述的预定定时时间，将通过频率调整的最佳谐振频率的调整值设置为未对准(misaligned)形式的谐振频率。
152.有必要将若干因素添加到频率(或相位)的调整。因此，优选的是安装控制电路17，该控制电路17使用微控制器(包括处理器、存储器和外围电路的集成电路)或可编程逻辑器件(可以定义和改变内部逻辑电路的集成电路)等通过程序执行控制。控制电路17连接到谐振状态传感器16(相位检测电路)。谐振状态传感器16检测频率差和相位差并将信号发送到控制电路17。因此，当除了预定功率接收器2之外的对象接近时，谐振状态传感器16检测到异常频率和相位并将信号发送到控制电路17，并且控制电路17施加在功率馈送器18上以停止功率馈送。
153.本发明的无线功率馈送系统被配置为图1所示的基本电路。功率馈送器10的谐振电容器14的位置与功率馈送线圈11并联连接。其中设置有谐振电容器14的电路一般被称为并联谐振电路。另一方面，在频繁使用的无线功率馈送系统中，形成串联谐振电路，并且谐振电容器的位置与线圈串联布置。
154.在这种并联谐振电路的情况下，当在接通sw1之后断开sw1以变为稳定的谐振状态时，功率馈送器10保持与功率接收器2的谐振状态，同时释放存储在功率接收线圈1和电容
器3中的能量。这里，基于由与功率馈送线圈11并联连接的谐振状态传感器16检测到的谐振状态的转变，控制电路17通过谐振电容器实现合适频率的功率供应，并且通过频率调整电路(pll电路)15实现驱动状态的定时控制。这种谐振状态传感器16是用于检测谐振状态的传感器，并且检测电压、电流转变和谐振频率的相位检测。
155.难以清楚地理解图1的功率接收器2的谐振频率的相位差。然而，通过预先模拟从谐振状态传感器16获得的各种情况并基于模拟进行编程，可以做出关于是增大谐振频率还是减小谐振频率还是保持谐振频率的简单决定。此外，通过检测调整之后的结果转变，可以确定其是否合适，并且可以通过试错法进行控制。
156.另外，当控制电路17对谐振电容器进行控制和调整时，诸如可以被精确控制的可变电容器(可以通过移动电极中的一个来改变电容的电容器)等特殊组件是理想的，但是由于目前实际上存在很少的部件，即使在不调整电容器而以固定频率使用的情况下，也可以呈现可以充分满足需要的规格值。
157.另外，还可以采用改变多个线圈的方法。
158.另外，还可以通过调整驱动时间来调整谐振频率。
159.图1的开关电路12的详细示例被配置为包括n沟道mosfet和肖特基势垒二极管。此外，功率接收器2的调整电路4的详细示例被配置为包括电容器、稳压电路6和肖特基势垒二极管7。这些是示例，因此可以根据产品规格进行合适的配置。
160.另外，根据本方法，可以增大线圈中的电感，并且如果线圈具有低电阻(如果可能的话)，则满足要求，并且诸如低损耗等效果高。因此，如果匝数为1至5匝并且用作低电阻材料线的线圈与对应的谐振电容器组合，则可以产生更有效的效果。特别地，在功率馈送器侧的功率馈送线圈的情况下，如果功率馈送线圈的尺寸大于功率接收线圈的尺寸，则向多个功率接收器的高效功率馈送是可能的。
161.图2是开关电路12的控制脉冲波形，其是图1所示的功率馈送器10的基本波形图，并且存在驱动电压脉冲21。该驱动电压脉冲是图1中的点a处的波形，并且无疑是通过控制电路17在频率调整电路15的定时下控制开关电路12而生成的脉冲。当驱动电压脉冲21为高时，开关电路12被接通。换言之，当开关接通时，电源18的功率被供应到谐振电容器14，从而处于驱动状态中。该驱动时间28(t1)被称为驱动脉冲宽度25。
162.开关断开而不被驱动的时间是谐振状态，即谐振时间。谐振时间29(t2)被称为功率馈送侧谐振周期26(t2)。
163.如图1所示，在功率馈送线圈11和谐振电容器14构成并联谐振电路的情况下，如果功率馈送器10即使在驱动状态中或在谐振状态中也与功率接收器2谐振，则可以肯定地说它继续供应能量。换言之，在功率接收侧谐振周期27(t3)中，调谐调整电路被调整为使得功率馈送器的谐振状态时间(t2)与驱动状态时间(t1)的总和为0.9(t1+t2)＝＜t3＝＜1.1(t1+t2)。
164.另一方面，当从功率馈送侧观察时，实际上在驱动状态中瞬间供应能量，但是稍后将给出这样的描述。
165.当开关电路12的开关接通时，即，在驱动电压脉冲被供应时，谐振线圈电压23被设置为接近零值(可以说驱动电压脉冲在接近零值的时刻被供应)。此外，供应线圈电流22因此在驱动时间28期间示出失真波形。在驱动时间28期间，谐振线圈电压23处于零状态，并且
驱动电流24正在流动。驱动电流24是图1中的点b处的波形。尽管谐振电容器14被准确地表示为具有谐振线圈电流的90度相位差的ac波形，但是驱动电流24是存储在谐振电容器14中的功率能量改变的部分。
166.如果电流流动，则转换成从功率馈送线圈11输出的磁通量的形式的电流作用在功率接收器2的功率接收线圈1上，并且发生电磁感应以回收能量，因此能量似乎已经移动。这种回收的能量的减少量被观察为谐振线圈电流22的失真。
167.另一方面，从切换损耗的观点来看，本发明还表现出优异的特性。在驱动时间28期间，谐振线圈电压23处于接近零的状态，但是此时，当大约在切换开关电路14的时间施加电压时，发生由于所谓的切换而导致的切换损耗。由于这是由于电流和电压的重叠而发生的，因此在本发明中，谐振线圈电压23被切换到接近零的状态，从而使切换损耗最小化。此外，由于这里流动的驱动电流24永远不会超过谐振线圈电流22，因此永远不会生成高电流的峰值波形。因此，可以抑制切换损耗和应力(stress)，并且由于这些损耗也可以被称为热损耗，因此它们产生难以生成热量的效果。尽管这在电压为零的状态下类似于一般的切换和zvs方法，但是本发明是一种很好地用于无线功率馈送的功率馈送装置(means)的新方法。
168.另外，在图2的图中，在谐振线圈电压23达到零值之前接通驱动脉冲。这在零值之前(即，接近零值)接通驱动脉冲，因为在切换中存在延迟。此外，稍微非零的值在开关电路中具有电阻值，并且表现为与该电阻值相对应的电压。无论哪种方式，本说明书都呈现了该方法的基本方式。
169.供应到功率接收器1的电能(即，供应能力)被表示为驱动时间期间驱动电压脉冲21的驱动脉冲宽度长度和驱动电压脉冲强度。换言之，如果期望增加待供应到功率接收器1的电力，则通过增加驱动脉冲宽度25和增加驱动电压脉冲21来实现。如果期望降低供应能力，则可以进行与上述相反的操作。
170.然而，如果驱动脉冲宽度25增加，则与功率接收器1的功率接收线圈的耦合变得更强，但是如果它变得太强，则效率劣化。仅因为驱动脉冲宽度长并不意味着效果良好。另外，增加驱动电压脉冲21的电压由于需要各种电子组件的耐压而具有一定的限制，并且是不现实的。因此，功率接收器所期望的功率的设计限制开始由它自身建立。除了驱动脉冲宽度之外，功率馈送线圈11和功率接收线圈1的规格也很大程度上相关，并且功率馈送范围和功率馈送距离的规格也相关，因此，驱动电压脉冲和驱动脉冲宽度的规格由这些综合参数的平衡确定。
171.另外，如果确定了驱动脉冲宽度的规格，则可以确定作为功率馈送线圈11的谐振器和功率馈送器10的谐振电容器14的设计值，即，谐振频率。功率馈送器10的谐振频率由功率馈送侧谐振周期26的周期时间确定。另一方面，在功率接收器2中，可以将功率馈送器10的谐振频率确定为功率接收侧谐振周期27的周期时间，该周期时间是驱动脉冲宽度25与功率馈送侧谐振周期26的周期时间的总和。由此，在本发明中，以预定差来调整功率馈送器10的谐振频率和功率接收器1的谐振频率，这是最佳地示出本发明的特性的内容。
172.图3是本发明的功率接收侧的基本波形图。图2的功率馈送侧上的波形中的驱动电压脉冲31、驱动电流34和驱动侧谐振线圈电压33被叠加。驱动电流34流动，然后在预定的延迟时间35之后，功率接收侧二极管电流32流动。功率接收侧二极管电流32是图1中的点c处的波形。该电流是功率接收侧整流电路4的肖特基势垒二极管7的输入电流。当谐振处于稳
定状态中并且驱动电流34流向功率馈送线圈10时，功率接收线圈1通过电磁感应而被电磁感应，并且功率接收侧整流电路的输入电流(即，功率接收侧二极管电流32)在驱动时间期间达到峰值。可以通过对该电流进行整流并将其连接到负荷来提取功率。功率接收线圈电流35简单地表示功率接收侧谐振频率周期。换言之，功率接收侧谐振周期37是通过将驱动电压脉冲31的时间与驱动侧谐振线圈电压33的谐振频率周期相加而获得的周期。即，可以发现它满足条件0.9(t1+t2)≤t3≤1.1(t1+t2)。
173.将更详细地描述本发明的原理。当功率馈送器10的开关电路12的开关(图3中的sw1)接通时，从电源18流动的电流流入谐振电容器14中。换言之，谐振电容器处于被充电的状态中。电流此时变为驱动电流，并且在谐振线圈电压接近零的状态下流向功率馈送线圈11。因此，尽管在并联谐振电路的谐振状态期间能量传递处于平衡状态(其中能量看起来不从外部传递的状态)中，但是能量通过电流的失真传递更多。能量的这种传递是本发明的无线功率馈送的原理。
174.另一方面，当开关电路12断开时，被充电在谐振电容器中的电力变为电流，流入闭合电路系统中的功率馈送线圈11中，并且与功率接收器2的功率接收线圈1形成理想的谐振状态。即使在此时，也由功率馈送线圈11生成磁通量以在功率接收器2的功率接收线圈1中感应电磁感应，但是在这种谐振状态下，谐振状态(也称为正常状态)越强，就越几乎没有从外部传递能量。一般而言，据说在并联谐振电路中无线功率馈送是不可能的。在这方面，在功率接收器2的功率接收线圈1中生成与从功率馈送线圈11传输的磁通量具有90度相位差的磁通量，因此抑制了耦合。另外，在完美谐振状态下，互电流在谐振频率处被抵消，并且阻抗从外部看起来是无穷的，并且流动电流变得非常小。在这种情况下，由于作为电力存储在电容器内的能量和作为磁力存储在线圈内的能量在系统内相互移动，因此当从外部观察时，能量不会进出。因此，在谐振状态下，能量不能传递或处于难以传递的状态。
175.另一方面，功率接收器2的波形是其中谐振线圈电流和谐振线圈电压异相90度的状态，并且根据功率接收侧谐振周期27显示相对整洁的谐振波形。另外，当在驱动时间28期间功率馈送器10中跟随的电流改变为磁通量，然后功率接收线圈1接收到该磁通量时，它表现为电流。当根据该电流施加负荷时，可以将该电流提取为功率。
176.关于用于确定驱动时间28处的驱动脉冲宽度25中的脉冲宽度的方法，如果功率接收器2的谐振频率即是谐振周期的约1/4或更小的占空比，则已知获得高功率馈送效率。当驱动脉冲宽度25为约16％的占空比时，功率馈送能力(可以馈送的电力)几乎最大。在16％到25％的占空比中，功耗增加，但是功率馈送能力的增加很小。此外，即使占空比非常低，功率馈送能力也不会增加。因此，当以约5％至16％的占空比控制驱动脉冲宽度25时，可以将功率馈送能力(可以馈送的电力)控制为低或高。
177.例如，如果响应于要求的所需功率信息或功率接收侧输出功率信息来控制占空比，则可以响应于功率接收侧所需的功率来馈送功率。
178.例如，可以响应于利用光装置对光量的调整或电池的充电状态(当被完全充电时功率减小等)，利用占空比来控制功率接收器。
179.如果驱动时间太长或耦合系数很高，则谐振状态的平衡被破坏，例如，谐振线圈电压变得非常高，这导致对电子组件的损坏。在本发明中，适当地确定这种耦合系数也是重要因素，并且假设约k＝0.05至0.3(5％至30％)是用于有效能量传递的功率馈送效率的范围。
其中，约k＝0.16(16％)示出峰值。换言之，最好确定驱动脉冲宽度的规格、功率馈送线圈11和功率接收线圈1的规格以及功率馈送范围和功率馈送距离的规格，使得耦合系数成为这样的耦合系数。
180.另外，耦合系数在很大程度上与耦合距离相关。图4是功率馈送距离和功率馈送效率的示例性图。图5是耦合系数和功率馈送效率的示例性图。
181.换言之，如图5的一般串联谐振电路的数据51所示，耦合系数越高，耦合效率越高。这表明，在图4的一般串联谐振电路的数据41的功率馈送效率高的位置处，功率馈送距离为零。即，当功率馈送线圈11与功率接收线圈1之间的距离靠近时，耦合系数变高，而当功率馈送线圈11与功率接收线圈1之间的距离远离时，耦合系数变小。然而，在一般串联谐振电路中，耦合系数越高，可以传递的能量越多。因此，功率馈送线圈11与功率接收线圈1之间的距离越近，能量馈送效率越高。
182.另一方面，在本发明中，如图5的本发明的示例的数据52所示，由于当耦合系数相对较低(k＝0.05至0.3(5％至30％))时功率馈送效率高，因此当功率馈送线圈11和功率接收线圈1以一定距离放置时，如图4的本发明的示例的数据42和44所示，可以实现高功率馈送效率。
183.图6示出了功率馈送效率、输出功率和耦合系数的示例性图。可以看出，在驱动脉冲的占空比为15％至30％的范围内，功率馈送效率和输出功率两者都可以保持在高值处。
184.在一般串联谐振电路的数据41中，当功率馈送线圈11与功率接收线圈1之间的距离最靠近时，示出了高功率馈送效率。然而，由于无线功率馈送产品实际上是封装的，因此需要针对壳体的厚度43的功率馈送距离。因此，虽然不能说在一般串联谐振电路的功率馈送效率最高的功率馈送距离处不存在适用于实际产品的情况，但的确如此。本发明是实用的发明，因为它在恒定距离处显示出高的功率馈送效率。
185.类似地，当功率馈送系数相对较低时，通过利用高功率馈送效率的优点，可以使功率馈送线圈11大于功率接收线圈1。由于耦合系数与进入功率接收线圈1的磁通量相关，因此即使接收线圈的尺寸难以接收磁通量，只要耦合系数适当即可。在这种情况下，可以通过功率馈送线圈11的尺寸来增加功率馈送距离。另外，可以通过有效地利用未使用的磁通量来促进向多个功率接收器的无线功率馈送。
186.在常规的一般无线功率馈送装置的情况下，功率接收侧2设置有频率检测电路和用于功率馈送器10的通信装置，该通信装置在许多情况下指示功率接收器2的状态。该状态通过通信装置传输到功率馈送器10，并且功率馈送器10具有适当地调整谐振频率的结构。在这种情况下，需要针对功率接收器10的预定的ic电路。
187.另一方面，在本发明中，功率接收器2的电路以尽可能简单的结构配置。由于可以通过这种简化的配置在充电的同时进行放电，因此可以由无线功率馈送系统利用安装在电子装置内的充电器进行充电，并且同时通过向电子装置放电来供电。
188.另外，如果详细回顾由功率馈送器10的电流传感器21和电压传感器20组成的谐振状态传感器16，则可以通过其波动等来检测功率接收器1是否处于功率馈送状态。在确定功率接收器1是否存在之后，可以进行诸如睡眠状态(即，由控制电路17停止电源18或在频率调整电路15的定时下缩短驱动时间)等测量。
189.另外，存在过电压在功率接收器在功率馈送范围之外的时刻处被施加到功率馈送
侧的情况。为了直接防止这种情况，如果使驱动脉冲宽度为零作为根据类似检测的过电压保护，则功率馈送效率可以接近零，并且功率馈送可以暂时无效。
190.本发明可以包括从功率馈送器10到功率接收器2的通信装置。例如，在称为ask方法的调制方法(例如，幅移调制或幅移键控)中，通过响应于作为数字信号的传输数据的比特序列而改变载波的幅度来发送/接收传输数据。如果使用该通信装置，则唯一id被赋予功率接收器2，并且当在功率馈送中向功率馈送器1传输功率时，可以识别功率接收装置的唯一id，并且可以改变为适合该功率接收装置的功率馈送能力(功率)。另外，它是可以有效地用于异物检测的手段。
191.在本发明中，如果设置有多个组，每个组至少具有功率馈送器的功率馈送线圈、谐振电容器和开关电路，则可以通过扩展功率馈送范围来增加功率馈送能力(电力)。在这种情况下，可以设置多个主控制装置，或者可以设置一个控制装置。无论哪种方式，每个组都被控制为独立地或协作地工作。
192.例如，优选的是具有这样的特性：单个功率馈送单元具有用于控制整体的所有主要控制功能，并且具有用于适当地控制多个功率馈送器的状态(即，功率馈送的停止状态、待机状态(睡眠状态)和正常状态)的装置。
193.图7是具有多个单元的图像图。它成为其中图1所示的功率馈送器和功率接收器被制成单元，并且多个被并行化的图像。在该图中，存在15个功率接收线圈单元71。功率接收线圈单元71具有输出端子72，并且可以通过收集从所有功率接收线圈单元的输出端子输出的功率来获得大量功率。例如，如果一个单元是100w，则如果所有15个单元都被完全馈送，可以获得1500w的功率。24个功率馈送线圈单元73并联布置，6个功率馈送线圈单元在功率馈送范围(x)中并且4个功率馈送线圈单元在功率馈送范围(y)中。只要功率接收线圈单元的数量大于该数量，就可以通过布置许多数量的单元来加宽功率馈送范围。功率馈送线圈单元73是设置有功率的输入端子74和用于控制开关电路的至少一个控制端子75的单元。一个主控制单元可以管理这些功率输入和开关电路的控制，或者每个可以独立地起作用。此时的功率馈送距离成为一个功率馈送线圈单元73的功率馈送距离能力。
194.图8是具有多个单元和增加的功率馈送距离的图像。如上所述，已经描述了存在指示本发明的高功率馈送效率的功率馈送距离(功率馈送范围)或耦合系数。此外，已经说明了谐振频率在功率接收线圈的位置处变化。最初，期望适当地调整谐振频率，但是作为控制功率馈送距离和功率馈送范围的方法，可以通过适当地改变具有多个不同规格的功率馈送线圈单元来实现该目的。功率馈送线圈单元至少配置有功率馈送线圈、谐振电容器和开关电路，并且通过改变功率馈送线圈的规格和谐振频率和驱动时间的规格来形成规格。为了将功率馈送到图8的功率接收线圈单元80，期望实现功率馈送距离81。然而，由于对功率馈送效率高的位置存在限制，因此布置两种类型的功率馈送线圈单元。大的功率馈送线圈单元被指定为a，并且连接到功率馈送线圈单元电路(a)83。这种线圈单元表现出功率馈送距离(a)82的特性。功率馈送距离与线圈的尺寸一样宽。另一方面，小的功率馈送线圈单元被指定为b并且连接到功率馈送线圈单元电路(b)84。这种线圈单元表现出小于功率馈送距离(a)的功率馈送距离(b)83，并且具有窄的功率馈送范围。这里，可以在功率馈送距离(b)处增加功率馈送能力(可以馈送的电力)。即，例如，当用于对装置的电池进行充电时，可以适当地使用两种类型：在功率馈送距离(b)处的快速充电模式，以及在处于功率馈送距离(a)
的高功率馈送距离处使用的方法。尽管图8是框图并且被简化，但是来自每个功率馈送线圈单元电路的控制信号线和谐振状态传感器信号线86分别连接到控制电路等85。控制电路在密切关注谐振状态传感器信号线的信息的同时发送控制信号，以控制向每个功率馈送线圈单元电路功率馈送的接通/断开。
195.在这种情况下，在图5的功率馈送距离和功率馈送效率的示例性图中，可以以本发明的示例的数据42和44的总和的形式增大可以以高效率馈送功率的距离。
196.《基于功率传输效率的频率特性变为单调谐特性和双调谐特性的事实的实施例》
197.在下文中，将参考图10至图16描述基于功率传输效率的频率特性的实施例。
198.图10是用于说明谐振电路中电容器的电压相位与电流相位之间的关系的图。
199.在没有损耗的理想并联谐振电路中，通过在谐振频率的定时下在电容器与线圈之间传递能量来节省能量。然而，实际上，由于存在损耗，振动逐渐变小。
200.在图10中，(a)示出了其中电容器的上电极充满+电荷的状态。能量仅存储在电容器中，而没有能量存储在线圈中。
201.在图10中，(b)示出了其中电容器放电并且电流流动的状态。此时，存储在电容器中的能量被传递到线圈。
202.在图10中，(c)示出了其中电流最大的状态。此时，电容器放电并且能量仅存储在线圈中。
203.在图10中，(d)示出了其中电流继续流动并且电容器在相反方向上被充电的状态。此时，存储在线圈中的能量被传递到电容器。
204.在图10中，(e)示出了其中电容器的反向充电已经完成的状态。线圈的能量损失并且能量存储在电容器中。
205.在图10中，(f)示出了其中电容器放电并且电流流动的状态。电流的方向与图10中的(b)的方向相反。
206.比较相位，流过线圈的电流的相位与电压相比延迟90
°
。另外，流过电容器的电流的相位比电压提前90
°
。
207.图11是用于说明串联谐振与并联谐振之间的差异的图。
208.在图11中，(a)示出了串联谐振电路的电路配置。在图11中，(b)示出了并联谐振电路的电路配置。
209.在图11中，(c)示出了在串联谐振期间电流与频率之间的关系。在串联谐振电路中，阻抗在谐振频率处接近于零，并且通过的电流量被最大化。
210.在图11中，(d)示出了在并联谐振期间电流与频率之间的关系。在并联谐振电路中，阻抗在谐振频率处接近无穷大，并且通过的电流量被最小化。
211.在图11中，(e)示出了与串联谐振电路的q值的关系。在谐振时，将q倍于电源电压的电压施加到l(线圈)和c(电容器)。
212.在图11中，(f)示出了与并联谐振电路的q值的关系。在谐振时，q倍于电源电流的电流流过l(线圈)和c(电容器)。
213.图12是用于说明并联谐振电路中的谐振状态和驱动状态的图。
214.在图12中，(a)示出了其中并联谐振电路稳定地谐振的状态。通过接通和断开开关产生接近交流电的状态。
215.在图12中，(b)示出了驱动状态。在线圈电压为零的时刻，开关接通并且它连接到地。当线圈电流流过电容器时，串联谐振电路系统进行操作。即，电压最小并且电流流动。5％至16％的占空比控制是优选的。
216.因此，并联谐振和串联谐振通过切换以时分方式重复，但是同时，也操作ac振荡所需的切换。就ac振荡而言，切换一般来说应该在50％的占空比下进行，但是在本发明中，根据待馈送的功率，占空比较小，因为能量在驱动时间期间(即，在串联谐振下)传递到接收线圈。占空比越适当，越有效的功率馈送是可能的。另外，如果占空比太大，则在之前执行切换，因为通过在具有ac振荡的剩余功率的情况下忽略切换而重新开始振荡。
217.图13是用于说明距离与耦合系数之间的关系的图。
218.在图13中，(a)是示出耦合系数根据距离(功率馈送线圈与功率接收线圈之间的距离)和差异(功率馈送线圈中心与功率接收线圈中心之间的差异)而变化多少的图。
219.当耦合系数较低时，由于距离和差异而导致的波动较小。即，可以极大地确保功率馈送距离和功率馈送范围(差异)。
220.在图13中，(b)示出了用于这种数据驱动操作的功率馈送线圈。使用其纵向方向是功率接收线圈的直径的3倍且其横向方向是功率接收线圈的直径的6倍的矩形线圈。在图13中，(c)示出了用于该数据驱动的功率接收线圈。使用以同心圆形状缠绕10匝的线圈。通过将阻抗分析器连接到功率馈送侧并测量功率接收侧的开路和短路状态下的阻抗来测量耦合系数。
221.图14示出了当谐振频率在功率馈送侧和功率接收侧处相同时的耦合特性。所使用的磁芯是用于功率馈送侧和功率接收侧两者的铁氧体板，并且线圈为10μh。所有谐振频率均等于230khz。在图14的(a)中，功率馈送侧与功率接收侧之间的距离为20mm。在图14的(b)中，功率馈送侧与功率接收侧之间的距离为10mm。在图14的(c)中，功率馈送侧与功率接收侧之间的距离为15mm。在图14的(d)中，功率馈送侧与功率接收侧之间的距离为5mm。当线圈之间的距离为20mm和线圈之间的距离为15mm时，为单调谐特性。当线圈之间的距离为10mm和线圈之间的距离为5mm时，为双调谐特性。
222.一般来说，当以相同频率谐振的线圈彼此靠近时，出现如该图所示的双调谐特性。此时，如果针对双调谐的峰值谐振，则特性将改善，但是难以使用该部分，因为它具有窄的谐振频率并且是不稳定的。因此，特性易于相对于由诸如功率馈送距离和温度等环境的改变引起的谐振频率差异而改变，因此，需要动态地调整谐振频率。
223.图15示出了谐振频率在功率馈送侧和功率接收侧处不同的情况下的耦合系数。所使用的磁芯是用于功率馈送侧和功率接收侧两者的铁氧体板，并且线圈为10μh。谐振频率对于功率馈送侧是250khz，而对于功率接收侧是215khz。在图15的(a)中，功率馈送侧与功率接收侧之间的距离为20mm。在图15的(b)中，功率馈送侧与功率接收侧之间的距离为10mm。在图15的(c)中，功率馈送侧与功率接收侧之间的距离为15mm。在图15的(d)中，功率馈送侧与功率接收侧之间的距离为5mm。当线圈之间的距离为20mm和线圈之间的距离为15mm时，为单调谐特性。当线圈之间的距离为10mm和线圈之间的距离为5mm时，为双调谐特性。然而，可以看出，与图14相比，构成双调谐特性的两个转变之间的谷部分的凹陷较小。
224.在本发明中，尽管谐振频率是在功率馈送侧与功率接收侧之间具有差异的频率，但是因此，作为耦合特性的双调谐特性被放宽，并且对于由诸如功率馈送距离和温度等环
境的改变引起的谐振频率差异保持良好的特性。因此，在本发明中，如果执行调谐一次，则基本上可以使用固定频率。
225.图16是ac特性的代表图。在ac特性中，可以看到取决于频率的双调谐特性。在图16中，在(a)中以4％的耦合系数示出ac特性，在(b)中以10％的耦合系数示出ac特性，以及在(c)中以15％的耦合系数示出ac特性。该图用于找到适当的耦合系数以及功率馈送侧与功率接收侧之间的谐振频率的差异的有效性。如图16所示，在功率接收侧ac特性中出现所谓的双调谐特性的两个峰值点。在本发明的系统中，即使当耦合系数为约10％时，也可以获得高输出。认为它影响该第二峰值点。然而，它未被设计成匹配峰值点。
226.在这些低耦合系数中，从该图可以证明10％的耦合系数是适当的，并且因此，功率馈送侧和功率接收侧的谐振频率不同的耦合系数更好。尽管在本发明中通过驱动时间和谐振时间计算周期(即，谐振频率)，但是即使基于ac特性确定谐振频率，也可以获得几乎相同的结果。
227.在4％的耦合系数下，在图16的(a)的(功率馈送侧)谐振频率的情况下，它受到双调谐特性的影响，但是在15％的耦合系数下影响非常小。换言之，如果在预定(功率馈送侧)谐振频率处正确地设计耦合系数，则可以设计成使得不示出诸如双调谐特性的峰值点等突然波动。
228.相反，可以基于所确定的耦合系数来设计适当的(功率馈送侧)谐振频率。
229.《图10至图16的数据之间的关系以及基于单调谐特性和双调谐特性的实施例》工业适用性
230.一般来说，当功率馈送侧的谐振频率与功率接收侧的谐振频率不同时，已经认为使用双调谐特性并且使用不稳定的特性。然而，考虑到切换的占空比、功率馈送侧线圈与功率接收侧线圈之间的耦合系数以及ac特性，并且用许多样本对它们进行展示，本发明可以提供一种装置，该装置可以在驱动时间期间表现出串联谐振电路的各种功能，同时提取并联谐振电路的特性，并且该装置在放宽双调谐特性之后以相反地使用双调谐的谷部分的形式抵抗环境改变(诸如功率馈送距离、功率馈送范围)中的谐振频率波动，这被称为鲁棒性。
231.本发明的无线功率馈送系统是呈现对无线功率馈送不适用于并联谐振电路的传统观念的解决方案的突破。在并联谐振电路中，具有高功率馈送效率的无线功率馈送是可能的，并且由于以低耦合系数实现了高功率馈送效率，因此可以利用灵活的功率馈送距离和功率馈送范围设计功率接收线圈，并且还可以同时对多个装置进行馈送。另外，由于为并联谐振电路，因此诸如开关电路等组件的数量可以被配置为少，从而可以减少功率馈送中的损耗并且可以抑制发热。由此，可以扩展之前不可能的无线功率馈送的可能性，并且此外，它可以用于需要充电的所有行业中。
232.附图标记说明1：功率接收线圈2：功率接收器3：功率接收侧谐振电容器4：整流电路5：负荷6：稳压电路
7：肖特基势垒二极管10：功率馈送器11：功率馈送线圈12：开关电路14：功率馈送侧谐振电容器15：频率调整电路16：谐振状态传感器17：控制电路18：电源19：电流传感器20：电压传感器21：驱动电压脉冲22：谐振线圈电流23：谐振线圈电压24：驱动电流25：驱动脉冲宽度26：功率馈送侧谐振周期27：功率接收侧谐振周期28：驱动时间29：谐振时间31：驱动电压脉冲32：功率接收侧二极管电流33：驱动侧谐振线圈电压34：驱动电流35：功率接收线圈电流37：功率接收侧谐振周期41：一般串联谐振电路的数据42：本发明的实施例的数据43：壳体的厚度51：一般串联谐振电路的数据52：本发明的实施例的数据71：功率接收线圈单元72：输出端子73：功率馈送线圈单元74：输入端子75：控制端子79：功率馈送线圈单元80：功率接收线圈单元81：功率馈送距离
83、84：功率馈送线圈单元电路85：控制电路86：控制信号线和谐振状态传感器信号线