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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。

权利要求书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告。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。

说明书无线能量传输建模工具
相关申请的交叉引用 
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的权益。 
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
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
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。 
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
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No.2010/0237709并且标题为“RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER”的美国专利申请No.12/789,611、以及于2010年7月22日公布的美国专利公布号No.2010/0181843并且标题为“WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR  REFRIGERATOR APPLICATION”的美国专利申请No.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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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楚。 
附图说明
图1是无线能量传输配置的系统框图。 
图2A至图2E是简单谐振器结构的示例性结构和示意图。 
图3是具有单端放大器的无线源的框图。 
图4是具有差分放大器的无线源的框图。 
图5A和图5B是感应电路的框图。 
图6A、图6B和图6C是无线源的框图。 
图7是示出了关于放大器的参数的占空比的效果的曲线。 
图8是具有交换放大器的无线电源的简化电路图。 
图9示出了无线电源的参数的变化效果的曲线。 
图10示出了无线电源的参数的变化效果的曲线。 
图11A、图11B、图11C和图11C示出了无线电源的参数的变化效果的曲线。 
图12示出了无线电源的参数的变化效果的曲线。 
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。 
图14示出了无线电源的参数的变化效果的曲线。 
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。 
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。 
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。 
图18是多源系统中的通信和能量传输的图。 
图19A和图19B是示出了用于能量验证的方法的图。 
图20是具有多个集成谐振器的太阳能PV板的图。 
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。 
图22是具有无线功率传输的太阳能PV板的车辆的图。 
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。 
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。 
图25是具有独立谐振器的屋顶太阳能PV板系统的图。 
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。 
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。 
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。 
图29示出了阵列电压与阵列电流的关系图。 
图30示出了PV板电阻和电流特性。 
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。 
图32是示出了组合在一起的板的多个输出的图。 
图33是具有PV板的无线能量传输系统的图。 
图34是具有PV板的无线能量传输系统的放大器的图。 
图35A和图35B示出了在放大器的工作期间的电压和电流图。 
图36示出了无线源的阻抗的特性。 
图37A和图37B示出了无线源的阻抗的特性。 
图38示出了具有PV电池的无线能量传输源。 
图39示出了对与PV板一起使用的源进行调谐的过程。 
图40示出了具有PV板的无线能量传输系统的图。 
图40示出了具有PV板的无线能量传输系统的图。 
图41示出了具有PV板的无线能量传输系统的图。 
图42是所启用的采用无线能量传输的封装的图。 
图43是所启用的采用无线能量传输的封装的图。 
图44是所启用的采用无线能量传输的一堆封装的图。 
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。 
图46是所启用的采用无线能量传输的封装的图。 
图47是根据示例性和非限制性实施例的方法的流程图。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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。 
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
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。 
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 FOR REFRIGERATOR 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。 
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＝2πf，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。 
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。 
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＝ω*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2Γ损失能量，因此其Q(也被称为其固有Q)由Q＝ω/2Γ给出。该质量因素也表示振荡周期的数量T，其认为谐振器中的能量按照e-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l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”。 
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的几何平均也可以较高或者变得较高。 
当按照次波长距离来设置源和设备谐振器时，耦合因子k是0≤|k|≤1之间的数值，并且k可以独立于(或近似独立于)源和设备谐振器的谐振频率。该耦合因子k主要可以由源与设备谐振器之间的相对几何学和距离来确定，其中考虑调停其耦接的域的物理衰减规律。CMT中使用的耦合系数 可以是谐振频率的强函数，该谐振器结构的其它属性也是如此。在用于使用谐振器的近场的无线能量传输的应用中，期望谐振器的尺寸远远小于谐振波长，以便降低由辐射造成的功率损失。在某些实施例中，高-Q谐振器是次波长结构。在某些电磁实施例中，高-Q谐振器结构被设计为具有高于100kHz的谐振频率。在其它实施例中，谐振频率可以小于1GHz。 
在示例性实施例中，可以通过降低谐振器的谐振频率和系统的工作频率，来进一步降低由这些次波长谐振器辐射到远场的功率。在其它实施例中，可以通过针对两个或更多个谐振器的远场的布置从而在远场中造成破坏性干扰，来降低远场辐射。 
在无线能量传输系统中，谐振器可以用作无线能量源、无线能量捕获设备、中继器或其组合。在实施例中，谐振器可以在传输能量、接收能量或中继能量之间交替。在无线能量传输系统中，一个或多个电磁谐振器可以耦接到能量源并且被供能以产生振荡磁近场。在振荡磁近场中的其它谐振器可以捕获这些场并将能量转换为可以用于对负载进行驱动或充电的电能，从而实现有用能量的无线传输。 
在有用能量交换中所谓的“有用”能量是必须传递给设备以便按照可接受的速率来对该设备进行驱动或充电的能量或功率。与有用能量交换相对应的传输效率可以是依赖于系统或应用的。例如，传输千瓦功率的高功率车辆充电应用可能需要至少效率为80％，以便提供有用量的功率使得有 用功率交换足够为车辆电池再次充电，而不会使传输系统的各个组件明显升温。在其它消费电子产品应用中，有用能量交换可以包括大于10％的任何能量传输效率，或者任何其它可接受的量以保持再次充电电池“充电完成”并运行较长时间段。在植入式医疗设备应用中，有用能量交换可以是不伤害患者但延长电池或唤醒传感器或监测器或刺激器的寿命。在这些应用中，100mW的功率或更少可能是有用的。在分布式传感应用中，功率传输为微瓦特可以是有用的，并且传输效率可以远远低于1％。 
在供电或充电应用中无线能量传输的可用能量交换可以是有效、高效或足够有效的，只要浪费的能量等级、散热和相关联的场强度位于可承受范围内并且用相关因素(比如开销、重量、尺寸等)适当地平衡。 
该谐振器可以被称为源谐振器、设备谐振器、第一谐振器、第二谐振器、中继谐振器等。实现方式可以包括三个(3)或更多个谐振器。例如，单个源谐振器可以向多个设备谐振器或多个设备传输能量。能量可以从第一设备传输到第二设备，然后从第二设备传输到第三设备，等等。多个源可以向单个设备、或耦接到单个设备谐振器的多个设备、或者连接到多个设备谐振器的多个设备传输能量。谐振器可以交替地或同时用作源、设备，和/或它们可以用于从一个位置的源向另一个位置的设备中继能量。中间电磁谐振器可以用于扩展无线能量传输系统的距离范围和/或产生集中式磁近场的区域。多个谐振器可以用菊链方式连接在一起，在延长的距离上并且与各种源和设备交换能量。例如，源谐振器可以经由多个中继谐振器向设备谐振器传输功率。来自源的能量可以被传输给第一中继谐振器，第一中继谐振器可以将功率传输给第二中继谐振器，然后第二中继谐振器传输到第三中继谐振器，以此类推，直到最后的中继谐振器将其能量传输给设备谐振器。在这一方面，可以通过添加中继谐振器来扩展和/或剪裁无线能量传输的范围或距离。可以在多个源之间分割高功率水平，传输给多个设备，并在较远的位置重新组合。 
谐振器可以被设计为使用耦接模式理论模型、电路模型、电磁场模型等等。谐振器可以被设计为具有可调谐的特性尺寸。谐振器可以被设计为负责不同的功率水平。在示例性实施例中，高功率谐振器可能要求与低功率谐振器相比更大的导体和更高的电流或电压速率组件。 
图1示出了无线能量传输系统的示例性配置和布置的图。无线能量传输系统可以包括与能量源102和可选地传感器及控制单元108相耦接的至少一个源谐振器(R1)104(可选地，R6112)。该能量源可以是能够被转换为电能的任何类型能量的源，所述电能可以用于驱动源谐振器104。能量源可以是电池、太阳能板、主电源、风力或水力涡轮机、电磁谐振器、发电机等。用于驱动磁谐振器的电能被谐振器转换为振荡磁场。振荡磁场可以被其它谐振器捕获，所述其它谐振器可以是可选地耦接到能量消耗设备110的设备谐振器(R2)106、(R3)116。可选地，振荡域可以耦接到被配置为扩展或剪裁该无线能量传输区域的中继谐振器(R4、R5)。设备谐振器可以捕获位于源谐振器、中继谐振器和其它设备谐振器附近的磁场，并且将磁场转换为可以由能量消耗设备所使用的电能。该能量消耗设备110可以是被配置为接收电能的电设备、电子设备、机械设备或化学设备等。中继谐振器可以捕获位于源、设备和中继谐振器附近的磁场，并且可以将能量传递给其它谐振器。 
无线能量传输系统可以包括耦接到能量源102的单个源谐振器104和耦接到能量消耗设备110的单个设备谐振器106。在实施例中，无线能量传输系统可以包括耦接到一个或多个能量源的多个源谐振器，并且可以包括耦接到一个或多个能量消耗设备的多个设备谐振器。 
在实施例中，能量可以直接在源谐振器104与设备谐振器106之间传输。在其它实施例中，能量可以通过任意数量的中间谐振器(可以是设备谐振器、源谐振器、中继谐振器等)从一个或多个源谐振器104、112向一个或多个设备谐振器106、116传输。能量可以经由网络或者谐振器114的布置进行传输，所述谐振器114的布置可以包括以拓扑(比如令牌环、网格、自组治等)的任意组合进行布置的子网络118、120。 
在实施例中，无线能量传输系统可以包括集中式传感和控制系统108。在实施例中，可以从控制处理器监听并调整谐振器的参数、能量源、能量消耗设备、网络拓扑、工作参数等，以便满足系统的特定工作参数。中央控制处理器可以调整系统的独立组件的参数，以便优化整体能量传输效率、优化所传输的功率量等。其它实施例可以被设计为具有充分分布的传感和控制系统。传感和控制可以被合并到每个谐振器或谐振器的群组、能量源、 能量消耗设备等，并且可以被配置为调整在群组中的各组件的参数以便最大化所传递的功率、最大化该群组中的能量传输效率等。 
在实施例中，无线能量传输系统的组件可以具有与其它组件(比如设备、源、中继器、电源、谐振器等)的无线或有线数据通信链路，并且可以发送或接收可以用于实现分布式或集中式传感和控制的数据。无线通信信道可以与无线能量传输信道分开，或者其可以与无线能量传输信道相同。在一个实施例中，用于功率交换的谐振器也可以用于交换信息。在一些情况中，可以通过对源或设备电路中的组件进行调制并且感测与端口参数或其它监测设备有关的变化，来交换信息。谐振器可以通过调谐、改变、变化、抖动等来相互以信号发送谐振器参数，比如，可以影响在系统中的其它谐振器的反射阻抗的谐振器的阻抗。本申请中描述的系统和方法可以实现在无线功率传输系统中在谐振器之间同时传输功率信号和通信信号，或者它可以实现使用与在无线能量传输期间所使用的相同磁场，在不同时间段期间或按照不同的频率来传输功率信号和通信信号。在其它实施例中，可以用不同的无线通信信道(比如，WiFi、蓝牙、红外线等)来实现无线通信。 
在实施例中，无线能量传输系统可以包括多个谐振器，并且整体系统性能可以通过对该系统中的各种元件进行控制得以提高。例如，具有低功率需求的设备可以将其谐振器频率调谐为远离为具有较高功率需求的设备供电的高电源的谐振频率。通过这种方式，低功率设备和高功率设备可以安全地工作，或者从单个高电源充电。另外，在充电区域中的多个设备可以找到根据各种功耗控制算法(比如，先到先服务、尽力而为、保证的功率等)中的任一种算法规定的对这些设备可用的功率。这些功耗算法可以是自然分级的、对某些用户或设备类型给予优先级，或者其可以通过平等地共享在源中的可用功率来支持任何数量的用户。本申请中描述的复用技术中的任一种技术可以共享功率。 
在实施例中，可以使用形状、结构和配置的组合来实现或实施电磁谐振器。电磁谐振器可以包括电感元件、分布式电感、或者具有总电感L的电感组合、电容元件、分布式电容、或具有总电容C的电容组合。图2F中示出了包括电容、电感和电阻的电磁谐振器的最小电路模型。该谐振器可 以包括电感元件238和电容元件240。被提供了初始能量(比如，电容器240中存储的电场能量)，系统将进行振荡，其中，电容器将传输能量释放到电感器238中存储的磁场能量中，该电感器238继而将能量传输回电容器240中存储的电场能量。在这些电磁谐振器中的固有损耗包括由于电感和电容元件中的电阻而引起的以及由于辐射损耗而引起的损耗，并且由图2F中的电阻器R242来表示。 
图2A示出了示例性磁谐振器结构的简化图。该磁谐振器可以包括用作位于导体环的末端处的电感元件202和电容元件204的导体环。电磁谐振器的电感器202和电容器204可以是大体积电路元件，或者所述电感和电容可以是分布式并且可以通过在结构中形成、成形或设置导体的方式而得到的。 
例如，可以通过将导体形成为包围表面区域来实现电感器202，如图2A中所示。这种类型的谐振器可以被称为电容负载的环导体。注意，我们可以使用术语“环”或“线圈”来通常指示传导结构(线、管、条等)，用任何数量的匝数来包围具有任何形状和维度的表面。在图2A中，封闭的表面区域是圆形的，但是该表面可以是各种其它形状和尺寸中的任一种，并且可以被设计实现某些系统性能规范。在实施例中，可以使用电感器元件、分布式电感、网络、阵列、电感器和电感的串联和并联组合等来实现电感。该电感可以是固定的或可变的，并且可以用于改变阻抗匹配、以及谐振频率工作状态。 
有各种方式来实现用于达到谐振器结构的期望谐振频率所需要的电容。如图2A中所示，可以形成和使用电容器极板204，或者电容可以是分布式并且在多环导体的相邻线圈之间实现的。可以使用电容器单元、分布式电容、网络、阵列、电容的串联和并联组合等来实现电容。该电容可以是固定或可变的，并且可以用于改变阻抗匹配、以及谐振频率工作状态。 
磁谐振器中所使用的电感元件可以包含不止一个环路，并且可以向内或向外或向上或向下或以一些方向的组合进行螺旋。一般而言，磁谐振器可以具有不同形状、尺寸和匝数，并且它们可以由不同传导材料组成。导体210，例如可以是由传导墨水、油漆、凝胶等或者由电路板上印刷的单个或多个轨迹形成的线、利兹线、带、管、轨迹。在图2B中描述了形成感应 环的基底208上的轨迹模式的示例性实施例。 
在实施例中，可以使用具有任何尺寸、形状厚度等的磁性材料、以及具有较宽范围的渗透性和损耗值的材料来构成电感元件。这些磁性材料可以是固体块，它们可以封闭空心体积，它们可以由平铺和或堆叠在一起的很多较小片的磁性材料形成，并且它们可以与由高传导材料制作的传导片或外壳相集成。可以围绕磁性材料缠绕导体以产生磁场。可以围绕结构的一个或不止一个轴缠绕这些导体。可以围绕磁性材料缠绕多个导体，并且并联或串联地组合、或者经由开关来形成定制的近场模式和/或确定该结构的偶极矩的方向。图2C、图2D、图2E中描述了包括磁性材料的谐振器的示例。在图2D中，谐振器包括导体224的环路，其中，导体224围绕磁性材料222的核缠绕，创建具有与导体224的环路的轴相平行的磁偶极矩228的结构。该谐振器可以包括导体216、212的多个环路，其中，所述导体216、212围绕磁性材料214在正交方向上进行缠绕，形成具有磁偶极矩218、220的谐振器，该偶极矩218、220可以按照如图2C中所描述的不止一个方向进行定位，这取决于如何驱动该导体。 
电磁谐振器可以具有由其物理特性决定的特性化的、固有的或谐振频率。该谐振频率是谐振器所存储的能量在谐振器的电场所存储的WE(WE＝q2/2C，其中q是电容器C上的电荷)和磁场所存储的WB(WB＝Li2/2，其中，i是穿过该电感L的电流)之间振荡的频率。交换该能量的频率可以被称为该谐振器的特征频率、固有频率、或谐振频率，并且由ω给出， 
ω=2πf=1LC.]]>
可以通过对谐振器的电感L和/或电容C进行调谐，来改变谐振器的谐振频率。在一个实施例中，系统参数是动态可调节的或者可调谐的，以达到尽可能接近优化的工作状态。但是，基于上述讨论，即使某些系统参数是不可变的或组件是不能够动态调整的，仍然可以实现足够有效的能量交换。 
在实施例中，谐振器可以包括耦接到在电容器和电路元件的网络中布置的不止一个电容器的电感元件。在实施例中，电容器和电路元件的耦接网络可以用于定义谐振器的不止一个谐振频率。在实施例中，谐振器可以 按照不止一个频率进行谐振或部分地谐振。 
在实施例中，无线电源可以包括耦接至电源的至少一个谐振器线圈，其可以是开关放大器，比如D类放大器或E类放大器或它们的组合。在这种情况中，该谐振器线圈是针对电源的有效功率负载。在实施例中，无线功率设备可以包括耦接至功率负载的至少一个谐振器线圈，其可以是开关整流器，比如D类整流器或E类整流器或它们的组合。在这种情况中，该谐振器线圈是针对功率负载的有效电源，并且该负载的阻抗还直接涉及来自该谐振器线圈的负载的工作消耗速率。电源与功率负载之间的功率传输效率可能受到该电源的输出阻抗与负载的输入阻抗如何紧密地匹配的影响。当负载的输入阻抗等于电源的内部阻抗的复数共轭时，可以按照最大可能效率将功率传送给负载。设计该电源或功率负载阻抗以获得最大功率传输效率经常被称为“阻抗匹配”，也可以被称为优化该系统中的有用功率与损耗功率的比值。可以通过添加网络或元件的集合(比如，电容器、电感器、变压器、开关、电阻器等)来执行阻抗匹配，以便形成电源与功率负载之间的阻抗匹配网络。在实施例中，元件位置的机制调整和改变可以用于实现阻抗匹配。对于不同负载，阻抗匹配网络可以包括各种组件，这些组件被动态地调整以确保该电源终端处的阻抗趋向于负载，并且电源的特征阻抗基本上保持相互复数共轭，即使在动态环境和工作场景中。 
在实施例中，可以通过对电源的驱动信号的占空比和/或相位和/或频率进行调谐、或通过对电源中的物理组件(比如电容器)进行调谐，来完成阻抗匹配。该调谐机制可以是有利的，因为它可以允许在电源与负载之间进行阻抗匹配，而无须使用可调谐的阻抗匹配网络，或者使用简化的可调谐阻抗匹配网络，例如，具有较少可调谐组件的一个可调谐阻抗匹配网络。在实施例中，对针对电源的驱动信号的占空比和/或频率和/或相位进行调谐，可以形成具有扩展的调谐范围或精度、具有更高功率、电压和/或电流能力、具有更快电子控制、具有更少的外部组件等的动态阻抗匹配系统。 
在一些无线能量传输系统中，谐振器的参数(比如电感)可能受到环境状况(比如周围物体、温度、方向、其它谐振器的数量和位置等等)的影响。谐振器的工作参数的变化可以改变某些系统参数，比如无线能量传输中的传输功率的效率。例如，位于谐振器附近的高传导性材料可以使谐 振器的谐振频率移动并将该谐振频率从其它谐振物体解调谐(detune)。在一些实施例中，采用谐振器反馈机制，该谐振器反馈机制通过改变反应元件(例如，电感元件或电容元件)来纠正其频率。为了达到可接受的匹配状态，可能需要至少一些系统参数是动态可调整或可调谐的。所有系统参数都可以是动态可调节的或可调谐的，以大体上达到优化的工作状态。但是，即使所有或一些系统参数不是变量，仍然可以实现足够有效的能量交换。在一些示例中，至少一些设备可能不被动态调整。在一些示例中，至少一些源可能不被动态调整。在一些示例中，至少一些中间谐振器可能不被动态调整。在一些示例中，没有系统参数可以被动态调整。 
在一些实施例中，可以通过选择具有在根据工作环境或工作点的差异而在互补或相反路径或方向上发生变化的特性的组件，来减小组件参数的变化。在实施例中，系统可以被设计为由于温度、功率水平、频率等而引起具有相反依赖性或参数波动的组件，比如电容器。在一些实施例中，作为温度的函数的组件值可以被存储在系统微控制器中的查询表中，并且来自温度传感器的读数可以用于系统控制反馈环路中以便调整其它参数从而补偿该温度引起的组件值变化。 
在一些实施例中，可以使用包括可调谐组件的主动调谐电路来补偿组件参数值的变化。可以在设计中集成对组件和系统的工作环境和工作点进行监测的电路。该监测电路可以提供必要的信号以主动地补偿组件参数的变化。例如，温度读数可以用于计算在系统的电容的预期变化，或指示该电容的先前测量值，允许通过在其它电容器中进行切换或对电容器进行调谐从而进行补偿，以便保持一定范围的温度上的期望电容。在实施例中，可以调整RF放大器切换波形，以补偿在系统中的组件值或负载变化。在一些实施例中，可以使用主动冷却、加热、主动环境调节等来对组件参数的变化进行补偿。 
参数测量电路可以测量或监测在系统中的某些功率、电压和电流信号，并且处理器或控制电路可以基于那些测量值来调整某些设置或工作参数。除了电压和电流信号的振幅和相位，还可以访问整个系统的功率信号的振幅，以测量或监测系统性能。贯穿本申请所提到的所测量的信号可以是部分参数信号、以及电压信号、电流信号、功率信号、温度信号等的任何组 合。可以使用模拟或数字技术来测量这些参数，可以对这些参数进行采样和处理，并且可以使用多种已知的模拟和数字处理技术来对这些参数进行数字化或转换。在实施例中，某些测得量的预置值被加载到系统控制器或存储器位置中，并且用于各种反馈和控制环路。在实施例中，所测量的、监测的和/或预置信号的任何组合可以用于反馈电路或系统中，以便对谐振器和/或系统的操作进行控制。 
调整算法可以用于对磁谐振器的频率Q和/或阻抗进行调整。该算法可以把输入参考信号看作关于与该系统的期望工作点的偏差程度的输入参考信号，并且可以输出关于该偏差的纠错或控制信号，该纠错或控制信号对用于将该系统带回期望工作点的该系统的可变或可调谐元件进行控制。在谐振器正在无线功率传输系统中交换功率时可以获取针对磁谐振器的参考信号，或者这些参考信号可以在系统工作期间与电路断开。可以使用模拟方法等，连续、定期、根据越限来数字化地，应用或执行对系统的纠错。 
在实施例中，损耗无关的材料和物体可以通过吸收无线功率传输系统的谐振器的磁能和/或电能来引起效率的潜在降低。在各个实施例中，可以通过设置谐振器以最小化损耗无关材料和物体的影响并且通过放置形成结构场的元件(例如，传导结构、板和片、磁性材料结构、板和片，及其组合)以使它们的影响最小化，从而减轻那些影响。 
一种减少损耗材料对谐振器的影响的方式是使用高传导性材料、磁性材料或其组合来形成谐振器场，使得它们避开有损耗的物体。在示例性实施例中，高传导性材料和磁性材料的分层结构可以对谐振器的电磁场进行裁剪、成形、定向、重新定向，从而它们通过转向该电磁场来避开其附近的有损耗的物体。图2D示出了具有位于磁性材料下面的一片导体226的谐振器的顶视图，该磁性材料可以用于对谐振器的电磁场进行剪裁，这样它们避开可能位于该片导体226下面的有损耗的物体。良导体226的层或片可以包括任何高传导性材料，比如铜、银、铝，因为它们对于给定的应用而言是最适合的。在某些实施例中，良导体的层或片与该导体在谐振器工作频率处的趋肤深度(skin depth)相比更厚。该导体片可能最好与谐振器的尺寸相比更大，扩展到谐振器的物理范围之外。 
在环境和系统中(其中，所传输的功率量对个人或动物存在安全隐患， 所述安全隐患可能侵扰到活动场范围)，可以在系统中包括安全测量。在其中功率水平需要特定安全测量的实施例中，谐振器的封装、结构、材料等可以被设计为提供与磁谐振器的导电环路的间距或“隔离”区域。为了提供进一步保护，高-Q谐振器和功率及控制电路可以位于外壳中，其将高电压或电流限制在该外壳中，保护谐振器和电子组件远离天气、湿度、沙子、灰尘和其它外界元素，以及远离影响、振动、刮擦、爆炸和其它类型的机械冲击。这些外壳要求注意各种因素，比如，热耗散以维持电子组件和谐振器的可接受的工作温度范围。在实施例中，外壳可以由无损耗的材料来构建，比如复合材料、塑料、木材、混凝土等等，并且可以用于为谐振器组件提供与有损耗的物体的最小距离。与有损耗的物体或环境(其可以包括金属物体、盐水、油等等)的最小间隔距离可以提高无线能量传输的效率。在实施例中，“隔离”区域可以用于增加谐振器或谐振器系统的扰乱Q。在实施例中，最小间隔距离可以提供谐振器的更可靠或更恒定的操作参数。 
在实施例中，谐振器和它们各自的感应器和控制电路可以具有与其它电子及控制系统和子系统的各种级别的整合。在一些实施例中，功率及控制电路和设备谐振器是具有对现有系统的最小整合的完全独立的模块或外壳，提供功率输出和控制及诊断接口。在一些实施例中，设备被配置为将谐振器和电路集合封装在外壳内的空腔中、或集成到该设备的外罩或外壳中。 
示例性谐振器电路
图3和图4示出了描述无线能量传输系统的示例性源的功率生成、监测及控制组件的高级框图。图3是包括半桥式开关功率放大器和一些关联的测量、调谐和控制电路的源的框图。图4是包括半桥式开关放大器和一些关联的测量、调谐和控制电路的源的框图。 
图3中描述的半桥式系统拓扑可以包括执行控制算法328的处理单元。执行控制算法328的处理单元可以是微控制器、专用电路、现场可编程门阵列、处理器、数字信号处理器等等。该处理单元可以是单个设备，或者其可以是设备的网络。该控制算法可以运行在处理单元的任何部分上。该算法可以针对某些应用定制化，并且可以包括模拟和数字电路和信号的组合。该主算法可以测量并调整电压信号和水平、电流信号和水平、信号相 位、数字计数设置等等。 
该系统可以包括耦接至无线通信电路312的可选的源/设备和/或源/其它谐振器通信控制器332。可选的源/设备和/或源/其它谐振器通信控制器332可以是执行主控制算法的同一个处理单元的一部分，其可以是微控制器302中的一部分或电路，其可以在无线功率传输模块之外，其可以基本类似于有线供电或电池供电应用中的通信控制器，但是适合于包括一些新的或不同的功能以增强或支持无线功率传输。 
该系统可以包括PWM生成器306，该PWM生成器306耦接到至少两个晶体管栅极驱动器334并且可以由控制算法控制。这两个晶体管栅极驱动器334可以直接地或经由栅极驱动变压器耦接到两个功率晶体管336，所述两个功率晶体管336通过阻抗匹配网络组件342来驱动源谐振器线圈344。功率晶体管336可以耦接至可调节DC电源304并由该可调节DC电源304供电，并且该可调节DC电源304可以由可变总线电压Vbus来控制。Vbus控制器可以由控制算法328控制并且可以是微控制器302或其它集成电路的一部分，或者被集成到微控制器302或其它集成电路中。Vbus控制326可以控制可调节DC电源304的电压输出，该可调节DC电源304可以用于对放大器的功率输出和传递给谐振器线圈344的功率进行控制。在其它实施例中，PWM生成器306可以控制在通过负载的电流波形之间的相位角和功率晶体管336的开关时间，该功率晶体管336可以用于控制从放大器输出的功率和传递给谐振器线圈344的功率。在其它实施例中，PWM生成器306可以控制开关闭合时间的占空比，以便控制来自该放大器的功率输出和传递给谐振器线圈344的功率。 
该系统可以包括感应和测量电路，所述感应和测量电路包括信号滤波器和缓存电路318、320，其可以在信号输入到处理器和/或转换器(例如模拟到数字转换器(ADC)314、316)之前对这些信号进行形成、修改、滤波、处理、缓存等等。该处理器和转换器(比如ADC314、316)可以被整合到微控制器302中，或可以是可以耦接到处理核330的单独电路。基于所测量出的信号，控制算法328可以生成、限制、初始化、消除、控制、调整或修改PWM生成器306、通信控制器332、Vbus控制326、源阻抗匹配控制器338、滤波器/缓存元件318、320、转换器314、316、谐振器线圈 344中的任一个的操作，并且可以是微控制器302的一部分或整合到微控制器302中、或者是单独电路。阻抗匹配网络342和谐振器线圈344可以包括如本申请中所描述的电可控制的、可变的或可调谐的组件，比如电容器、开关、电感等，并且这些组件可以具有它们根据从源阻抗匹配控制器338接收到的信号而调整的组件值或操作点。组件可以被调谐为调整该谐振器的操作和特性，包括传递给该谐振器以及由该谐振器传递的功率、该谐振器的谐振频率、该谐振器的阻抗、谐振器的Q、以及任何其它耦接的系统等等。该谐振器可以是本申请中描述的任何类型或结构的谐振器，包括电容性负载环路谐振器、包括磁性材料的平面谐振器或其任意组合。 
图4中描述的完全桥式系统拓扑可以包括执行主控制算法328的处理单元。执行控制算法328的处理单元可以是微控制器、专用电路、现场可编程门阵列、处理器、数字信号处理器等。该系统可以包括耦接到无线通信电路312的源/设备和/或源/其它谐振器通信控制器332。源/设备和/或源/其它谐振器通信控制器332可以是执行该主控制算法的同一个处理单元的一部分，其可以是微控制器302的一部分或微控制器302中的电路，其可以位于无线功率传输模块之外，其可以基本类似于用于有线供电或电池供电应用中的通信控制器，但是适合于包括一些新的或不同的功能以增强或支持无线功率传输。 
该系统可以包括具有至少两个输出的PWM生成器410，所述至少两个输出耦接到至少四个晶体管栅极驱动器334，所述PWM生成器410可以由主控制算法中生成的信号控制。该四个晶体管栅极驱动器334可以直接地或经由栅极驱动变压器耦接到四个功率晶体管336，所述四个功率晶体管336可以通过阻抗匹配网络组件342驱动源谐振器线圈344。功率晶体管336可以耦接到可调节DC电源304并由可调节DC电源304供电，并且该可调节DC电源304可以由Vbus控制器326来控制，Vbus控制器可以由主控制算法控制。该Vbus控制器326可以控制可调节DC电源304的电压输出，该可调节DC电源304可以用于控制放大器的功率输出和传递给谐振器线圈344的功率。在其它实施例中，PWM生成器410可以控制经过负载的电流波形之间的桥接的两个二等分的相对相位角和功率晶体管336的开关时间，该功率晶体管336可以用于控制从放大器输出的功率和传递给谐振器线圈 344的功率。在其它实施例中，PWM生成器410可以控制开关闭合时间的占空比，以便控制来自放大器的功率输出和传递给谐振器线圈344的功率。 
该系统可以包括感应和测量电路，所述感应和测量电路包括信号滤波器和缓存电路318、320以及差分/单端转换电路402、404，其可以在信号输入到处理器和/或转换器(例如模拟到数字转换器(ADC)314、316)之前对这些信号进行形成、修改、滤波、处理、缓存等。该处理器和/或转换器(比如ADC314、316)可以被整合到微控制器302中，或可以是可以耦接到处理核330的单独电路。基于所测量的信号，主控制算法可以生成、限制、初始化、消除、控制、调整或修改PWM生成器410、通信控制器332、Vbus控制器326、源阻抗匹配控制器338、滤波器/缓存元件318、320、差分/单端转换电路402、404、转换器314、316、谐振器线圈344中的任一个的操作，并且可以是微控制器302的一部分或被整合到微控制器302中、或者是单独电路。 
阻抗匹配网络342和谐振器线圈344可以包括如本申请中所描述的电可控制的、可变的或可调谐的组件，比如电容器、开关、电感等，并且这些组件可以使其组件值或操作点根据从源阻抗匹配控制器338接收到的信号进行调整。组件可以被调谐为实现对谐振器的操作和特性(包括传递给该谐振器的功率以及由该谐振器传递的功率、谐振器的谐振频率、谐振器的阻抗、谐振器的Q以及任何其它耦接的系统等)进行调谐。该谐振器可以是本申请中描述的任何类型或结构的谐振器，包括电容性负载环路谐振器、包括磁性材料的平面谐振器、或其任意组合。 
阻抗匹配网络可以包括如本申请中所描述的固定值组件，比如组件的电容、电感和网络。阻抗匹配网络的一部分，A、B和C可以包括如本申请中所描述的电感、电容、变压器，以及这些组件的串行和并行组合。在一些实施例中，阻抗匹配网络的一部分A、B和C可以是空的(短路)。在一些实施例中，部分B包括电感和电容的串联组合，而部分C是空的。 
完全桥式拓扑可以允许使用与等效半桥放大器相同的DC总线电压以更高输出功率水平进行操作。图3的半桥示例性拓扑可以提供单端驱动信号，而图4的示例性完全桥式拓扑可以对源谐振器308提供差分驱动。对 于本申请中讨论的两种系统而言，阻抗匹配拓扑和组件和谐振器结构可以是不同的。 
图3和图4中描述的示例性系统还可以包括故障检测电路340，所述故障检测电路340可以用于触发对源放大器中的微控制器的关闭或者对该放大器的操作的中断。该保护电路可以包括一个或多个高速比较器，所述高速比较器用于检测来自DC电源304的放大器返回电流、放大器总线电压(Vbus)、在源谐振器308上的电压、和/或可选的调谐板、或者可能对系统中的组件造成损害或可能产生不希望的操作状态的任何其它电压或电流信号。优选的实施例可以依赖于与不同应用相关联的潜在不期望的操作模式。在一些实施例中，可以不实现保护电路或者不构成电路。在一些实施例中，可以实现系统和组件保护，作为主控制算法和其它系统监测和控制电路的一部分。在实施例中，专用故障电路340可以包括耦接到主控制算法328的输出(未示出)，该输出可以触发系统关闭、输出功率的减少(例如，Vbus的减少)、对PWM生成器的改变、工作频率的改变、对调谐元件的改变、或可以由控制算法328实现的用于调整操作点模式、提高系统性能和/或提供保护的任何其它合理动作。 
图3和图4中描述的示例性系统可以被配置为使得提供给开关的DC(或缓慢变化的AC)功率可以来自具有变化功率和/或输出阻抗的电源。例如，DC电源304可以包括电池，所述电池具有的输出电压和输出电阻都根据电池充电状态而变化。或者，该DC电源304可以包括光伏板，所述光伏波的电压和/或电流可以根据环境状况(比如太阳照度和温度)而变化。在实施例中，Vbus控制器326可以允许对可变电源的输出阻抗进行调谐，这样有效的无线能量传输是有可能的。在其它实施例中，PWM生成器可以允许对用于对晶体管336进行开关的相位角进行调整，使得可以从可变电源提取最佳功率。例如，该开关时间可以被选定为使得放大器的输入阻抗与可变电源的输出阻抗相匹配。在其它示例中，比如对于光伏板而言，开关时间可以选定为使得应用于光伏板的输出的阻抗将来自该光伏板的能量提取最大化。本领域技术人员应该理解，该一般原则应用于其它可变电源，包括风力发电机、热力发电机、水力发电机、燃料电池、电池等。 
如本申请中所述，无线功率传输系统中的源可以将对源谐振器线圈344 进行驱动的阻抗匹配网络342的输入阻抗的测量值用作系统控制环路的差错或控制信号，所述系统控制环路可以是主控制算法的一部分。在示例性实施例中，三个参数的任意组合的变化可以用于调谐无线电源以补偿环境状况的变化、耦接的变化、设备功率需求的变化、模块、电路、组件或子系统性能的变化、系统中的源、设备或中继器的数量的增加或减少、用户发起的改变等等。在示例性实施例中，对放大器占空比的改变、可变电子组件(比如可变电容器或电感器)的组件值的改变、以及对DC总线电压的改变可以用于改变无线源的工作点或工作范围并且改善某些系统工作值。针对不同应用而采用的控制算法的细节可以依据期望的系统性能和行为而变化。 
比如本申请中描述的、以及图3和4中所示的阻抗测量电路可以使用双信道同时采样ADC来实现，并且这些ADC可以集成到微控制器芯片中或者可以是单独电路的一部分。对源谐振器的阻抗匹配网络的输入端处和/或在源谐振器处的电压和电流信号进行同时采样可以产生电流和电压信号的相位和幅度信息，并且可以使用已知的信号处理技术进行处理以产生复合阻抗参数。在一些实施例中，只监测电压信号或只监测电流信号可以是足够的。 
本申请中所描述的阻抗测量可以使用比某些其它已知采样法相对更简单的直接采样法。在实施例中，所测量的电压和电流信号在被输入到ADC之前，可以经滤波/缓存电路进行调节、滤波和缩放。在实施例中，该滤波/缓存电路可以是可调节的以便按照不同信号水平和频率进行工作，并且响应于控制信号，主控制算法可以手动、电子、自动地调节诸如滤波器形状和宽度之类的电路参数，等等。图3、图4和图5中示出了滤波/缓存电路的示例性实施例。 
图5示出了可以用于滤波/缓存电路中的示例性电路组件的更详细视图。在实施例中，并且根据该系统设计中所使用的ADC类型，单端放大器拓扑可以降低模拟信号测量路径的复杂度，所述模拟信号测量路径用于通过消除对用于从差分向单端信号格式转换的硬件的需要来表征系统、子系统、模块和/或组件性能。在其它实现方式中，差分信号格式可能是优选的。图5中示出的实现方式是示例性的，并且不应该被解释为用于实现本申请 中描述的功能的唯一可能方式。而是应该理解为该模拟信号路径可以采用具有不同输入需求从而可以具有不同信号路径架构的组件。 
在单端和差分放大器拓扑中，可以通过测量电容器324上的电压或经由某种类型的电流感应器来获得针对阻抗匹配网络342的用于驱动谐振器线圈344的输入电流。对于图3中的示例性单端放大器拓扑，可以在从阻抗匹配网络342的地面返回路径上感应到该电流。对于图4中描述的示例性差分功率放大器，可以使用跨过电容器324的终端上的差分放大器或经由某种类型的电流感应器，来测量针对阻抗匹配网络342的用于驱动谐振器线圈344的输入电流。在图4的差分拓扑中，可以在源功率放大器的负输出终端处复制电容器324。 
在两种拓扑中，在获得表示针对源谐振器和阻抗匹配网络的输入电压和电流的单端信号之后，这些信号可以被滤波502以获取信号波形的期望部分。在实施例中，信号可以经滤波以获取这些信号的基本分量。在实施例中，所执行的滤波类型，比如低通、带通、陷波等等、以及所使用的滤波器拓扑，比如椭圆、切比雪夫、巴特沃斯等等，可以取决于系统的具体需求。在一些实施例中，将不需要滤波。 
该电压和电流信号可以由可选的放大器504放大。可选放大器504的增益可以是固定的或可变的。响应于控制信号等，可以被手动地、电子地、自动地控制放大器的增益。响应于控制算法等，主控制算法可以在反馈环路中调整放大器的增益。在实施例中，该放大器所要求的性能细节可以依赖于信号强度和期望的测量精度，并且可以针对不同的应用场景和控制算法而不同。 
所测量的模拟信号可以具有向其添加的DC偏移506，可能需要该DC偏移506以便将信号带入ADC的输入电压范围内，所述输入电压范围对于某些系统而言可以是0到3.3V。在一些系统中，可能不需要该阶段，这取决于所使用的特定ADC的规范。 
如本申请中所描述的，在发电机与功率负载之间的功率传输效率可能受到发电机的输出阻抗与负载的输入阻抗如何紧密匹配的影响。在如图6A中所示的示例性系统中，当负载604的输入阻抗等于发电机或功率放大器602的内部阻抗的复数共轭时，以最大可能效率向负载传递功率。设计发电 机或负载阻抗以获取较高的和/或最大功率传输效率可以被称为“阻抗匹配”。可以通过插入适合的网络或元件集合(比如电容器、电阻器、电感、变压器、开关等)来执行阻抗匹配，以便在如图6B中所示的发电机602与功率负载604之间形成阻抗匹配网络606。在其它实施例中，元件位置的机械调整和变化可以用于实现阻抗匹配。如上面针对变化负载所描述的，阻抗匹配网络606可以包括可变组件，所述可变组件可以被动态地调整以确保发电机终端处的阻抗期待发电机的负载和特征阻抗基本保持相互复共轭，即使在动态环境和工作场景中。在实施例中，可以通过调谐发电机的驱动信号的占空比和/或相位和/或频率、或者通过调谐发电机中的物理组件(比如，图6C中描述的电容器)来完成动态阻抗匹配。该调谐机制可能是有利的，因为其可以允许在发电机608与负载之间进行阻抗匹配，而无需使用可调谐阻抗匹配网络、或者使用简化的可调谐阻抗匹配网络606，比如具有较少可调谐组件的网络。在实施例中，调谐针对发电机的驱动信号的占空比和/或频率和/或相位可以产生具有扩展的调谐范围或精度、较高功率、电压和/或电流能力、更快的电控制、较少外部组件等的动态阻抗匹配系统。下面描述的阻抗匹配方法、架构、算法、协议、电路、测量、控制等在其中本文所述的发电机驱动高Q磁谐振器的系统和高-Q无线功率传输系统中是有用的。在无线功率传输系统中，发电机可以是对谐振器(有时被称为源谐振器)进行驱动的功率放大器，该谐振器可以是该功率放大器的负载。在无线功率应用中，优选的是控制在功率放大器与谐振器负载之间的阻抗匹配以控制从该功率放大器到谐振器的功率传递的效率。可以通过对驱动谐振器的功率放大器的驱动信号的占空比和/或相位和/或频率进行调谐或调整来完成或部分完成阻抗匹配。 
开关放大器的效率
开关放大器，比如D、E、F类放大器等等或它们的任何组合，在放大器的开关元件中几乎没有消耗功率时以最大效率向负载传递功率。该工作条件可以通过对系统进行设计使得当经过开关元件的电压和经过开关元件的电流都接近零时执行最关键的(也就是，最可能引起开关损耗的那些)开关操作来实现的。这些条件可以分别被称为零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)条件。当放大器在ZVS和ZCS工作时，经过该开关元件的电 压或经过该开关元件的电流是零，并且因此在该开关中不会消耗功率。由于开关放大器可以按具体频率或频率范围将DC(或极低频率的AC)功率转换为AC功率，因此可以在负载之前引入滤波器以避免不需要的谐波，这些谐波可能是由从到达负载并在负载处消耗的开关处理所生成的。在实施例中，开关放大器可以被设计为在连接到具有质量因素(比如说，Q>5)以及特定阻抗的谐振负载时按照功率转换的最大效率进行操作，该特定阻抗引起同时ZVS和ZCS。我们将Zo＝Ro-jXo定义为放大器的特征阻抗，这样达到的最大功率传输效率等效于将谐振负载与放大器的特征阻抗进行阻抗匹配。 
在开关放大器中，开关元件的开关频率f开关，其中f开关＝ω/2π，并且对于该放大器的所有开关元件，开关元件的ON开关状态持续时间的占空比dc可以是相同的。在本说明书中，我们将使用术语“D类”表示D类和DE类放大器两者，也就是，具有dc<＝50％的开关放大器。 
放大器的特征阻抗的值可能取决于开关元件的工作频率、放大器拓扑和开关顺序。在一些实施例中，开关放大器可以是半桥式拓扑，而在一些实施例中是完全桥式拓扑。在一些实施例中，开关放大器可以是D类，而在一些实施例中是E类。在上述实施例中的任一实施例中，假设桥接的元件是对称的，开关放大器的特征阻抗可以具有以下形式： 
Ro＝FR(dc)/ωCa，Xo＝Fx(dc)/ωCa，   (1) 
其中，dc是开关元件的ON开关状态的占空比，在图7中绘制了函数FR(dc)和Fx(dc)(针对D类和E类两者)，ω是对开关元件进行开关的频率，并且Ca＝naC开关，其中，C开关是每个开关上的电容，包括晶体管输出电容还有可能与该开关并行放置的外部电容器，其中，na＝1(对于完全桥式)，na＝2(对于半桥式)。针对D类，还可以写出分析以下表达式： 
FR(dc)＝sin2u/π，Fx(dc)＝(u-sinu*cosu)/π，   (2) 
其中u＝π(1-2*dc)，指示D类放大器的特征阻抗水平随着占空比dc向50％增加而减小。针对具有dc＝50％的D类放大器操作，只有当开关元件实际上几乎没有输出电容(Ca＝0)并且负载恰好在谐振上(Xo＝0)，而Ro可以是任意值时，才有可能达到ZVS和ZCS。 
阻抗匹配网络
在应用中，驱动负载的阻抗可以与其连接到的外部驱动电路的特征阻抗大不相同。此外，驱动负载可以不是谐振网络。阻抗匹配网络(IMN)是可以在如图6B中的负载之前连接的电路网络，以便调节在IMN电路和负载组成的网络的输入处看到的阻抗。IMN电路通常可以通过创建接近驱动频率的谐振来实现该调节。由于在实施例中，这样的IMN电路实现用于将从发电机到负载的功率传输效率最大化所需要得所有条件(谐振和阻抗匹配——开关放大器的ZVS和ZCS)，所以IMN电路可以用于驱动电路与负载之间。 
对于图6B中示出的排列，令由阻抗匹配网络(IMN)电路和负载组成的网络(从现在开始起一并表示为IMN+负载)的输入阻抗为Zl＝Rl(ω)+jXl(ω)。那么，该网络对具有特征阻抗Zo＝Ro-jXo的外部电路的阻抗匹配条件是Rl(ω)＝Ro，Xl(ω)＝Xo。 
可变负载的可调谐阻抗匹配的方法
在负载可能可变的实施例中，在负载与外部驱动电路(比如，线性或开关功率放大器)之间的阻抗匹配可以通过使用IMN电路中的可调节/可调谐组件来实现，可以调节这些可调节/可调谐组件以便将变化的负载与外部电路(图6B)的固定特征阻抗Zo进行匹配。为了对阻抗的实数部分和虚数部分都进行匹配，IMN电路中可能需要两个可调谐/可变元件。 
在实施例中，该负载可以是具有阻抗R+jωL的电感(比如谐振器线圈)，因此该IMN电路中的两个可调谐元件可以是两个可调谐电容网络，或者一个可调谐电容网络和一个可调谐电感网络，或者一个可调谐电容网络和一个可调谐互感网络。 
在其中负载可能可变的实施例中，在负载与外部驱动电路(比如线性或开关功率放大器)之间的阻抗匹配可以通过使用放大器电路中的可调节/可调谐组件或参数来实现，可以调节该组件或参数以便将放大器的特征阻抗Zo与由IMN电路和负载组成的网络(IMN+负载)的变化的(由于负载变化而引起)输入阻抗进行匹配，其中该IMN电路也可以是可调谐的(图6C)。为了匹配阻抗的实数部分和虚数部分，放大器和IMN电路中可能需要总共两个可调谐/可变元件或参数。所公开的阻抗匹配方法可以减少IMN 电路中所需要的可调谐/可变元件的数量，或者甚至完全消除该IMN电路中可调谐/可变元件的需求。在一些示例中，可以在功率放大器中使用一个可调谐元件和在IMN电路中使用一个可调谐元件。在一些示例中，可以在功率放大器中使用两个可调谐元件，在IMN电路中不使用可调谐元件。 
在实施例中，功率放大器中的可调谐组件或参数可以是应用于晶体管、开关、二极管等的频率、幅度、相位、波形、占空比等。 
在实施例中，具有可调谐特征阻抗的功率放大器可以是D类、E类、F类的可调谐开关放大器或其任何组合。合并公式(1)和(2)，该网络的阻抗匹配条件是： 
Rl(ω)＝FR(dc)/ωCa，Xl(ω)＝FX(dc)/ωCa   (3) 
在可调谐开关放大器的一些示例中，一个可调谐元件可以是电容Ca，可以通过对与开关元件平行放置的外部电容器进行调谐，来对该可调谐元件进行调谐。 
在可调谐开关放大器的一些示例中，一个可调谐元素可以是放大器的开关元件的ON开关状态的占空比dc。经由脉宽调制(PWM)来调整占空比dc已经用于开关放大器中以实现输出功率控制。在本说明书中，我们公开了PWM也可以用于实现阻抗匹配，也就是满足公式(3)，从而使放大器效率最大化。 
在可调谐开关放大器的一些示例中，一个可调谐元素可以是开关频率，该开关频率也可以是IMN+负载网络的驱动频率，并且可以被设计为基本接近IMN+负载网络的谐振频率。对开关频率进行调谐可以改变放大器的特征阻抗和IMN+负载网络的阻抗。可以一并适当地调节放大器的开关频率与一个或多个可调谐参数，以便满足公式(3)。 
对放大器的占空比和/或驱动频率进行调谐以进行动态阻抗匹配的益处是可以电子地、快速地并在大范围上对这些参数进行调谐。相反，例如，可以支持较大电压并且有足够大的可调谐范围和质量因素的可调谐电容器可能较昂贵、缓慢、或不可用于必要的组件规范。 
可变负载的可调谐阻抗匹配方法的示例
图8中示出了显示D类功率放大器802、阻抗匹配网络804和电感负载806的电路级结构的简化电路图。该示意图显示了具有开关放大器804 的系统的基本组件，所述基本组件包括电源810、开关元件808和电容器。阻抗匹配网络804包括电感器和电容器，以及模型化为电感器和电阻器的负载806。 
本创造性调谐方案的一个示例性实施例包括按照开关频率f进行操作并经由IMN来驱动低损耗电感元件R+jωL的半桥式D类放大器，如图8中所示。 
在一些实施例中，L'是可调谐的。可以由电感上的可变分支点或者通过将可调谐电容器串联或并联地连接到电感，来对L'进行调谐。在一些实施例中，Ca可以是可调谐的。针对半桥式拓扑，可以通过改变一个或两个电容器C开关来对Ca进行调谐，因为只有这些电容的并联总和(parallel sum)涉及放大器操作。针对完全桥式拓扑，可以通过变化一个、两个、三个或所有电容器C开关来对Ca进行调谐，因为只有这些电容器的组合(与桥接的二等分相关联的两个平联总和的串联总和)涉及放大器操作。 
在可调谐阻抗匹配的一些实施例中，IMN的组件中的两个组件可以是可调谐的。在一些实施例中，L'和C2可以是可调谐的。然后，图9示出了根据电感元件的变化的R和L来实现阻抗匹配所需要的两个可调谐组件的值、以及放大器的输出功率(以给定DC总线电压)的相关变化，对于f＝250kHz，dc＝40％，Ca＝640pF并且C1＝10nF。由于IMN总是调整为适应放大器的固定特征阻抗，因此当电感元件正在变化时，输出功率一直是恒定的。 
在可调谐阻抗匹配的一些实施例中，开关放大器中的元件也可能是可调谐的。在一些实施例中，可以对电容Ca与IMN电容器C2一并进行调谐。然后，图10示出了根据电感元件的变化的R和L来实现阻抗匹配所需要的两个可调谐组件的值，以及放大器的输出功率(以给定DC总线电压)的相关变化，其中，f＝250kHz，dc＝40％，C1＝10nF并且ωL'＝1000Ω。可以从图10推导出，主要响应于L的变化，需要对C2进行调谐，并且输出功率随着R增加而减小。 
在可调谐阻抗匹配的一些实施例中，可以对占空比dc与IMN电容器C2一并进行调谐。然后，图11D示出了根据电感元件的变化的R和L来实现阻抗匹配所需要的两个可调谐参数的值，以及放大器的输出功率(以给 定DC总线电压)的相关变化，其中f＝250kHz，Ca＝640pF，C1＝10nF并且ωL'＝1000Ω。可以从图11D推导出，主要响应于L的变化，需要对C2进行调谐，并且输出功率随着R增加而减小。 
在可调谐阻抗匹配的一些实施例中，可以对电容Ca与IMN电感L'一并进行调谐。然后，图11A示出了根据电感元件的变化的R来实现阻抗匹配所需要的两个可调谐组件的值，以及放大器的输出功率(以给定DC总线电压)的相关变化，其中，f＝250kHz，dc＝40％，C1＝10nF并且C2＝7.5nF。可以从图11A推导出输出功率随着R的增加而减小。 
在可调谐阻抗匹配的一些实施例中，可以对占空比dc与IMN电感L'一并进行调谐。然后，图11B示出了作为电感元件的变化的R的函数来实现阻抗匹配所需要的两个可调谐参数的值，以及作为电感元件的变化的R的函数的放大器的输出功率(以给定DC总线电压)的相关变化，其中f＝250kHz，Ca＝640pF，C1＝10nF并且C2＝7.5nF。可以从图11B推导出输出功率随着R的增加而减小。 
在可调谐阻抗匹配的一些实施例中，只有开关放大器中的元件是可调谐的，而IMN中没有可调谐元件。在一些实施例中，可以对占空比dc与电容Ca一并进行调谐。然后，图11C示出了根据电感元件的变化的R来实现阻抗匹配所需要的两个可调谐组件的值，以及放大器的输出功率(以给定DC总线电压)的相关变化，其中f＝250kHz，C1＝10nF并且C2＝7.5nF并且ωL'＝1000Ω。可以从图11C推导出输出功率是R的非单调函数。这些实施例能够在L的变化(从而谐振频率)为适中时达到动态阻抗匹配。 
在一些实施例中，并且如先前解释的L正在大幅变化时，可以通过改变具有外部频率f的驱动频率(例如，开关放大器的开关频率)使得其遵循谐振器的变化的谐振频率，来实现与IMN中的固定元件的动态阻抗匹配。随着R和L的变化而无需任何可变组件，使用该开关频率f和开关占空比dc作为两个可变参数，可以达到完全的阻抗匹配。然后，图12示出了根据电感元件的变化的R和L来实现阻抗匹配所需要的两个可调谐组件的值，以及放大器的输出功率(以给定DC总线电压)的相关变化，其中Ca＝640pF，C1＝10nF并且C2＝7.5nF并且L'＝637μH。可以从图12推导出主要响应于L的变化，需要对频率f进行调谐，如先前解释的。 
无线功率传输系统的可调谐阻抗匹配
在无线功率传输的应用中，低损耗电感元件可以是耦接到一个或多个设备谐振器或其它谐振器(比如中继谐振器)的源谐振器的线圈。该电感元件的阻抗R+jωL可以包括源谐振器的线圈上的其它谐振器的反射阻抗。电感元件的R和L的变化可能是由于源谐振器和/或其它谐振器附近的外部扰动或组件的热漂移而发生的。电感元件的R和L的变化还可能由于设备和其它谐振器相对于源的相对运动而在常规使用无线功率传输系统期间发生。这些设备或其它谐振器相对于源的相对运动，或者其它源的相对运动或定位，可能造成设备到源的耦接的变化(从而引起反射阻抗变化)。此外，电感元件的R和L的变化还可以由于其它耦接谐振器中的变化(比如其负载的功率消耗的变化)而发生在常规使用无线功率传输系统期间。目前公开的所有方法和实施例也适用于这种情况以便达到该电感元件与驱动它的外部电路的动态阻抗匹配。 
为了表明目前公开的用于无线功率传输系统的动态阻抗匹配方法，考虑源谐振器包括低损耗源线圈，该低损耗源线圈感应地耦接到对电阻负载进行驱动的设备谐振器的设备线圈。 
在一些实施例中，可以在源电路处实现动态阻抗匹配。在一些实施例中，还可以在设备电路处实现动态阻抗匹配。当(在源和设备两者处)获得完全阻抗匹配时，源电感元件的有效电阻(也就是，源线圈的电阻Rs加上从设备反射的阻抗)是(类似的，设备电感元件的有效电阻是其中，Rd是设备线圈的电阻。)由于运动而引起的线圈之间的互感的动态变化引起动态变化因此，当源和设备都被动态调谐时，从源电路侧看到的互感变化是源电感元件电阻R的变化。注意在该类型的变化中，谐振器的谐振频率可能不会大幅度变化，因为L可能不变。因此，针对动态阻抗匹配所提出的所有方法和示例可以用于无线功率传输系统的源电路。 
要注意的是，由于在图9至图12中的电阻R表示源线圈和设备线圈到源线圈的反射阻抗，随着R由于U增加而增加，因此相关联的无线功率传输效率增加。在一些实施例中，设备电路可以在驱动的负载处要求大致恒定的功率。为了达到发送给该设备的功率的恒定水平，所要求的源电路的 输出功率可能需要随着U的增加而减小。如果通过调谐一些放大器参数来实现动态阻抗匹配，则放大器的输出功率可以相应地变化。在一些实施例中，输出功率的自动变化最好随着R而单调减小，这样它符合恒定的设备功率要求。在是通过调整发电机的DC驱动功率来实现输出功率水平的实施例中，使用造成输出功率相对于R单调减小的可调谐参数的阻抗匹配集合将意味着可以只用DC驱动电压的适度调整在设备中的功率负载处保持恒定功率。在实施例中，其中用于调节输出功率水平的“按钮”是开关放大器或阻抗匹配网络中的组件的占空比dc或相位，使用引起输出功率相对于R单调减小的可调谐参数的阻抗匹配集合将意味着只用该功率“按钮”的适度调节就在设备中的功率负载处保持恒定功率。 
在图9至图12的示例中，如果Rs＝0.19Ω，则范围R＝0.2-2Ω大致对应于Usd＝0.3-10.5。针对这些值，在图14中，我们用虚线示出了当源和设备都动态阻抗匹配时，在负载处保持恒定功率水平所要求的输出功率(标准化为方形的DC电压)。实线与虚线之间的相似趋势解释了为何具有这样的输出功率变化的可调谐参数集合可能是优选的。 
在一些实施例中，可以在源电路处实现动态阻抗匹配，但是阻抗匹配可以不实现或可以只在设备电路处部分地实现。随着源和设备线圈之间的互感变化，设备到源的变化的反射阻抗可以引起源电感元件的有效阻抗R和有效电感L都变化。目前针对动态阻抗匹配所提出的方法是适用的并且可以用于无线功率传输系统的可调谐源电路。 
举例而言，考虑图14的电路，其中f＝250kHz，Ca＝640pF，Rs＝0.19Ω，Ls＝100μH，C1s＝10nF，ωL's＝1000Ω，Rd＝0.3Ω，Ld＝40μH，C1d＝87.5nF，C2d＝13nF，ωL'd＝400Ω并且Zl＝50Ω，其中，s和d分别表示源和设备谐振器，并且该系统在Usd＝3处是匹配的。调谐开关放大器的占空比dc和电容器C2s可以用于对源进行动态阻抗匹配，因为不可调谐设备正在相对于源移动，改变了源与设备之间的互感M。在图14中，我们显示了可调谐参数的要求值以及按照放大器的DC电压的输出功率。虚线再次指示了放大器的输出功率，可能需要所述放大器的输出功率使得负载处的功率为恒定值。 
在一些实施例中，对源驱动电路的驱动频率f进行调谐还可以用于针对源与一个或多个设备之间的无线功率传输系统的源处达到动态阻抗匹配。 如早先解释的，该方法实现源的完全动态阻抗匹配，即使在源电感Ls有变化从而源谐振频率变化时。针对从源到设备的有效功率传输，设备谐振频率必须被调谐为遵循匹配的驱动和源谐振频率的变化。当源或设备谐振器的谐振频率有变化时，对设备电容(例如，图13的实施例中的C1d或C2d)进行调谐可能是有必要的。实际上，在具有多个源和设备的无线功率传输系统中，对驱动频率进行调谐减轻了只调谐一个源对象谐振频率的需要，但是所有剩余对象可能需要一种机制(比如，可调谐电容)来调谐它们的谐振频率以便匹配驱动频率。 
谐振器热量管理
在无线能量传输系统中，无线传输过程中的能量损耗的某些部分以热量形式消散。能量可以在谐振器组件本身中消散。例如，即使高-Q导体和组件也有一些损耗或电阻，并且这些导体和组件在电流和/或电磁场流穿过它们时可能会变热。能量可以消散在谐振器周围的材料和物体中。例如，谐振器周围或附近的不完美导体或电介质中消散的涡电流可以加热那些物体。除了影响那些物体的材料特性，该热量还可以通过传导、辐射或对流过程来传输给谐振器组件。这些加热效果中的任一效果可以影响谐振器Q、阻抗、频率等，从而影响无线能量传输系统的性能。 
在包括磁性材料块或核的谐振器中，可以由于感应涡电流造成的迟滞损耗和电阻损耗在磁性材料中产生热量。两种作用依赖于材料的磁通量密度，并且都可以产生明显的热量，尤其是在磁通量密度或涡电流可能集中或局部化的区域中。除了磁通量密度，振荡磁场的频率、磁性材料构成和损耗、以及磁性材料的周围环境或工作温度也都可能影响迟滞或电阻式损耗加热该材料的方式。 
在实施例中，可以针对特定工作功率水平和环境来选择磁性材料的特性(比如，材料的类型、块的维度等)以及磁场参数，以便最小化对磁性材料的加热。在一些实施例中，磁性材料块的变化、破裂或瑕疵可以增加无线功率传输应用中的磁性材料的损耗和加热。 
针对有瑕疵的磁块、或由较小尺寸的磁性材料的片或段布置成较大单元而组成的磁块，块中的损耗可以是不均匀的并且可以集中在其中磁性材料的相邻片或段之间有不同质或相对较窄间隙的区域中。例如，如果磁性 材料块中存在不规则间隙，则穿过该材料的各个磁通路径的有效磁阻可能基本上是不规则的，并且磁场可以更集中在块中的磁阻最低的部分。在一些情况中，在片或段之间的间隙最窄或瑕疵密度最低的地方，有效磁阻是最低的。因为该磁性材料引导磁场，磁通量密度在该块上可以不是基本均匀的，但是可以集中在提供相对较低磁阻的区域。磁性材料块中的磁场的不规则集中可能是不理想的，因为它们可能造成材料中的不均匀损耗和热量消散。 
例如，考虑磁谐振器包括被磁性材料块包裹的导体1506，该磁性材料块是由两个单独的磁性材料片1502、1504连接组成的，这样它们形成与图15中描述的与导体1506环路的轴相垂直的缝1508。在两个磁性材料片1502、1504之间的缝1508中的不规则间隙会迫使该谐振器中的磁场1512(用虚磁场线来从原理上表示)集中在磁性材料的横截面的子区域1510中。由于磁场将沿着最小磁阻的路径，包括两片磁性材料之间的空气间隙的路径可以创建与穿过在磁性材料片的触摸点或者具有更小空气间隙处的磁性材料的宽度的路径相比效率更高的磁阻。因此，磁通量密度可以优先穿过磁性材料的相对较小截面，使得磁通量高度集中在该较小区域1510中。 
在很多感兴趣的磁性材料中，通量密度分布越不均匀，造成整体损耗越高。此外，更不均匀的通量分布可能造成材料饱和并且造成磁通量集中的区域的局部变热。局部变热可以改变磁性材料的特性，在一些情况中加剧损耗。例如，在一些材料的相关操作制度中，迟滞和电阻式损耗随着温度而增加。如果加热材料增大了材料损耗，导致更热，则该材料的温度可能继续增加，如果不采取正确的动作的话，该材料的温度甚至可能失控。在一些实例中，温度可能到达100C或者更高，并且可以使磁性材料的属性和无线功率传输的性能退化。在一些实例中，磁性材料可能受损，或者周围电子组件、封装和/或外壳可能受到过度热量的损害。 
在一些实施例中，可以通过对磁性材料块的片或段的边缘进行匹配、抛光、打磨等，使得磁性材料块的片或段之间的变化或不规则化最小化，以便确保磁性材料的片之间的紧密配合提供穿过磁性材料块的整个横截面的基本上更均匀的磁阻。在实施例中，磁性材料块可能需要一种用于在片之间提供压力的手段以确保这些磁片被紧密压在一起而没有间隙。在实施 例中，可以在磁片之间使用粘合剂以确保它们保持紧密接触。 
在实施例中，可以通过在相邻磁性材料片之间添加故意间隙来减小相邻磁性材料片的不规则间距。在实施例中，故意间隙可以用作确保磁性材料片或段之间的均匀或规则间隔的空间。挠性材料的故意间隙也可以减小由于磁片移动或振动而引起的间距的不规则性。在实施例中，相邻磁性材料片的边缘可以被电绝缘体压胶、浸渍、涂覆，以阻止涡电流流过该块的减少后的横截面区域，从而降低材料中的涡电流损耗。在实施例中，分离器可以被集成到谐振器封装中。该间距可以提供1mm或更小的间隔。 
在实施例中，磁片之间的间距的机械特性可以被选定为提高整个结构对机械影响(例如，由于固有影响(例如，磁致伸缩、热膨胀等)而引起的磁片的维度和/或形状的变化以及外部撞击和振动)的承受程度。例如，该间距可以具有期望的机械弹性量以适应各个磁片的膨胀和/或收缩，并且可以帮助降低磁片受到机械振动时对磁片的压力，从而有助于减少磁性材料中的破裂和其它缺陷的出现。 
在实施例中，更优选的是布置包括磁性材料块的各个磁片以便使磁片之间的与谐振器的偶极矩相垂直的缝或间隙的数量最小化。在实施例中，更优选的是布置并定向磁性材料片以便使与包括谐振器的导体的环路形成的轴相垂直的磁片之间的间隙最小化。 
举例而言，考虑图16中描述的谐振器结构。该谐振器包括被磁性材料块包围的导体1604，其包括以3乘2阵列布置的六个分开的单独磁片1602。磁片的布置引起：当在一个方向上穿过磁性材料块时形成两条磁片缝1606、1608，而当在正交方向上穿过磁性材料块时形成仅仅一条磁片缝1610。在实施例中，可能优选的是将导线1604缠绕在磁性材料块周围，这样该谐振器的偶极矩与最少数量的磁片缝相垂直。发明人已经观察到在与谐振器的偶极矩平行的缝和间隙1606、1608周围感应到相对较少的升温。与谐振器的偶极矩相垂直的缝和间隙也可以被称为关键缝或关键缝区域。但是，可能依然希望对与谐振器的偶极矩平行的间隙(比如1606和1608)进行电绝缘，以便减少涡电流损耗。被这些平行间隙分隔开的磁片之间的不均匀接触可能引起流过较窄接触点的涡电流，在这些点处造成较大损耗。 
在实施例中，在对关键缝区域进行充分降温以避免当磁性材料升温时 材料属性局部下降的情况下，可以容忍间隙的不规则。保持磁性材料的温度低于临界温度，可以避免由足够高的温度所造成的失控效果。在对关键缝区域进行适当降温的情况下，无线能量传输性能可能是令人满意的，尽管由于磁片之间的不规则间隙、裂缝或缺口引起额外的损耗和升温效果。 
谐振器结构的有效散热以避免磁性材料的过度集中热量提出了多项挑战。通常用于散热和热传导的金属材料能够与用于由谐振器进行无线能量传输的磁场进行交互，并影响系统的性能。它们的位置、尺寸、方向和使用应该被设计为不会过分降低这些散热材料中存在的谐振器的扰乱Q。另外，由于磁性材料(比如，铁氧体)的相对较差的热传导，可能要求在热量存储与磁性材料之间有相对较大接触区域以提供充分冷却，其可能要求在磁谐振器附近布置大量损耗材料。 
在实施例中，可以在策略性放置热传导材料的情况下，实现对谐振器的充分冷却，并且对无线能量传输性能有最小影响。在实施例中，热传导材料条可以放置在导线的环路之间，并且与磁性材料块进行热接触。 
图17中描述了具有热传导材料条的谐振器的一个示例性实施例。图17A示出了谐振器结构，所述谐振器结构没有传导条并且具有包括形成间隙或缝的较小磁性材料片的磁性材料块。热传导条材料1708可以被放置在导体1702的环路之间，并且与磁性材料块1704热接触，如图17B和图17C中所示。为了最小化热传导条对谐振器参数的影响，在一些实施例中，可能优选将热传导条与导体环相平行或与谐振器的偶极矩相垂直布置。该导体条可以被放置成尽可能多地覆盖磁片之间的缝或间隙，尤其是与谐振器的偶极矩相垂直的磁片之间的缝。 
在实施例中，热传导材料可以包括铜、铝、黄铜、热环氧树脂、糊剂、焊盘等，并且可以是具有热导性的任何材料，至少是谐振器中的磁性材料(对于某些市售铁氧体材料，～5W/(K-m))。在热传导材料也是电导性的实施例中，该材料可能需要电绝缘体的层或镀层，以避免短路以及与磁性材料或谐振器的导体环路的直接电接触。 
在实施例中，热传导材料条可以用于将来自谐振器结构的热量传导给能够安全散热的结构或介质。在实施例中，热传导条可以连接到散热器，比如位于导体条上的能够使用向环境的被动或强制对流、辐射或传导来散 热的大板。在实施例中，该系统可以包括位于谐振器结构外部或内部的、能够消散来自热传导条的热能的任意数量的主动冷却系统，并且可以包括液体冷却系统、加压空气系统等。例如，热传导条可以是中空的，或者包括管道，可以将冷却剂泵送或加压通过该管道以冷却磁性材料。在实施例中，由良电导体(比如铜、银、铝等)构成的场偏转器可以被加倍，作为散热装置的一部分。对磁性材料与场偏转器之间的间隔的额外的热和电传导条可以对扰乱Q产生边际效应，因为在该间隔中的电磁场通常受到存在的场偏转器的抑制。这些传导条可以热连接到磁性材料和场偏转器两者，使得不同传导条之间的温度分布更均匀。 
在实施例中，热传导条被间隔开，以允许至少一个导体环路包围磁性材料。在实施例中，热传导材料条可以仅放置在磁性材料的间隔或缝处。在其它实施例中，该热传导条可以被放置成基本其整个长度都与磁性材料相接触。在其它实施例中，该热传导条可以被分布为匹配该磁性材料中的通量密度。在谐振器的正常操作下的磁性材料区域可以具有更高的磁通量密度，可以具有与热传导条更高密度的接触。例如在图17A中描述的实施例中，可以在朝向磁性材料块的中心的方向上观察到磁性材料中的最高磁通量密度，可以在谐振器的偶极矩方向上朝向块的端部观察到较低密度。 
为了显示如何使用热传导条来帮助降低磁性材料中的整体温度以及潜在热点处的温度，本发明人执行了类似于图17C中描述的谐振器结构的有限元仿真。仿真该结构，按照频率235kHz进行工作，并且包括测量为30cmx30cm x5mm，由10匝利兹线(所述利兹线在与该结构的对称面相距25mm、40mm、55mm、90mm和105mm处对称地放置，并且每一匝携带40A的峰值电流)激励的EPCOS N95磁性材料块，并且该EPCOS N95磁性材料块通过三个3x3/4x1’的铝的(合金6063)中空方形管(1/8”壁厚)热连接到50cm x50cm x4mm的场偏转器，该中空方形管的中轴被放置在与结构体的对称面相距-75mm、0mm和+75处。发现由于场偏转器和中空方形管而引起的扰乱Q是1400(相比之下，对于没有中空方形管的相同结构，是1710)。在护罩和方形管中消耗的功率被计算为35.6W，而在磁性材料中消耗的功率是58.3W。假设该结构体经空气对流和辐射冷却并且环境温度为24℃，该结构体中的最高温度为85℃(在磁性材料中的位于中空 方形管之间大约一半的位置处)，而磁性材料与中空方形管相接触的部分的温度大致为68℃。通过比较，针对相同的峰值40W的激励电流，没有热传导中空方形管的相同谐振器在磁性材料中消耗62.0W，发现磁性材料中的最高温度是111℃。 
如果我们在与管子良好热接触的磁性材料的一部分中引入缺陷，则该传导条的优点更明显。在磁性材料的中心处并且垂直于偶极矩放置的长10cm并且0.5mm的空气间隙使磁性材料中消耗的功率增加到69.9W(相对于先前讨论的无缺陷示例增加的11.6W高度集中在该间隙附近)，但是传导管确保磁性材料中的最大温度仅仅从11℃相对适中地增加到96℃。相反，在没有传导管的情况下同样的缺陷会导致该缺陷附近最高温度为161℃。除了对流和辐射之外的冷却方案，比如热连接具有较大热质量的传导管体或者主动冷却这些它们，可能引起在相同电流水平处的谐振器的甚至更低的工作温度。 
在实施例中，热传导材料条可以放置在可具有出现裂缝的最高概率的区域，所述裂缝可能在磁性材料中造成不规则间隙。这些区域可以是对材料有高压力或张力的区域，或者具有来自谐振器的封装的较差支持或支援的区域。策略性放置的热传导条可以确保随着磁性材料中出现裂缝或不规则间隙，该磁性材料的温度将保持在其临界温度之下。该临界温度可以定义为磁性材料的居里温度，或者该谐振器的特性已经退化为超过期望的性能参数之外的任何温度。 
在实施例中，散热结构可以提供对磁性材料的机械支持。在实施例中，散热结构可以被设计为具有期望量的机械弹性(例如，通过使用环氧树脂、热焊盘等具有适当机械属性以便热连接该结构的不同元件)以便为谐振器提供对其元件的固有维度的变化(由于热膨胀、磁致伸缩等引起)以及外部撞击和振动的更大容忍量，并且避免裂缝和其它缺陷的形成。 
在其中谐振器包括围绕磁性材料缠绕的正交线圈的实施例中，传导材料条可以被剪裁成与由两组正交邻近环所限定的区域中的磁性材料热接触。在实施例中，传导材料条可以包含适当锯齿以适合围绕导体的至少一个正交线圈同时在至少一个点处与磁性材料热接触。在实施例中，磁性材料可以与放置在邻近环之间的多个热导块热接触。该热传导块可以通过良 好的热导体和/或散热器依次相互热连接。 
贯穿本说明书，虽然术语热传导材料条用作材料形状的示例性样品，但是本领域的技术人员应该理解的是，在不脱离本发明的精神的前提下，可以替换成任何形状和轮廓。方形、椭圆、条、点、细长形状等都应该落入本发明的精神内。 
无线能量传输系统中的通信
无线能量传输系统可能需要验证步骤以确保能量从指定的源传输到指定的设备。在无线能量传输系统中，源和设备不需要物理接触，并且可以按照数厘米或更长距离间隔开。在具有位于彼此的无线功率传输范围内的多个源和多个设备的一些配置中，可能需要确定或验证在相互之间传输功率的源和设备。 
当带外通信信道用于无线能量传输系统中时，对能量传输的验证可能是重要的。带外通信信道可以用于在无线能量传输系统的不同组件之间传输数据。源与设备之间、或者多个设备、源之间等的通信可以用于协调无线能量传输或调整无线能量传输系统的参数以优化效率、功率传递等。 
在一些实施例中，可以使用带内通信信道来执行所有信令和通信，所述带内通信信道使用与能量传输所使用的字段相同的字段。只使用带内通信信道可以有不需要单独验证步骤的优点。但是在一些实施例中，单独的带外通信信道可能是更理想的。带外通信信道可能不太昂贵并且支持较高数据速率。不使用近场通信的带外通信信道可以支持允许谐振器发现的较长距离。同样，单独的带外通信信道可能不要求功率应用于谐振器和通信，同样，通信可以在不中断功率传输的情况下进行。 
带外通信信道是不使用由谐振器进行能量传输所采用的磁场的信道。该通信信道可以使用与能量传输谐振器和磁场不相交的单独天线和单独信令协议。不使用谐振器或调制用于能量传输的场的带外通信信道可以具有与该系统的有效或有用能量传输范围不同的范围或有效距离。带外通信信道可以使用蓝牙、WiFi、Zigbee技术等或者是基于这些技术，并且可以在几米或者甚至几百或更多米上有效，同时无线能量传输可以有几厘米或者甚至30或更多厘米的有效范围。这种范围、性能或能力上的差别可以影响无线能量传输系统的协调。 
例如，考虑图18中示出的无线能量系统的布置包括两个设备谐振器1802、1816以及两个源谐振器1806、1810，其中每个设备谐振器分别有带外通信模块1804、1818，其中每个源谐振器分别有其自己的带外通信模块1808、1812。该系统可以使用带外通信信道来调整并协调能量传输。该通信信道可以用于发现或寻找附近的谐振器、发起功率传输，以及传输对操作参数(比如，各个谐振器的功率输出、阻抗、频率等)的调整。 
在一些情况中，设备谐振器可能与一个源不正确地通信，但是从另一个源谐振器接收能量。能量传输信道和通信信道之间的不一致可能造成性能、安全性和可靠性问题，因为用于协调能量传输的通信(即，谐振器的通信工作点调整)可能对无线能量传输信道的参数没有作用。 
在一个实例中，设备谐振器1802可以以强耦合紧密靠近仅仅在图18中示出的源谐振器1806中的一个源谐振器，以弱耦合紧密靠近与设备谐振器1802相距很远的另一个源谐振器1810。在一些实例中，与具有谐振器之间的较弱耦接的一对源1810和设备1802相比，由于干扰、障碍等，带外通信信号可能无法对具有用于能量传输的谐振器之间的较强耦接的一对源1806和设备1802起作用。如果另一个设备1816发起与源1806的无线能量传输，则设备1802可以从附近的源1806接收功率，同时具有与很远的源1810的带外通信信道1814。设备1802调整能量传输的另一个尝试因此会不成功，因为设备1802不与其接收能量的源通信。 
由于通信及控制信道和能量传输信道之间的这种不连接，其它系统级可靠性和控制问题可能出现并且可能引起安全性和稳定性缺陷。可能需要对无线能量传输信道的单独验证步骤。本领域技术人员应该认识到该示例仅仅只是一个描述该需求的示例，但是该系统的很多配置和布置可以受益于显式或隐式能量传输验证步骤。 
在实施例中，可以通过提供额外的验证步骤来避免这些潜在问题，所述额外的验证步骤确保了源或设备所使用的能量传输信道和通信信道与相同的外部源或设备相关联。 
在实施例中，该验证步骤可以包括通过无线能量传输信道的信息交换或信令。包括使用能量传输信道或该能量传输信道的场来进行通信或信息交换的验证步骤可以用于验证带外通信信道的相应准确性。 
在具有带外通信信道的实施例中，验证步骤可以是隐式的或显式的。在一些实施例中，验证可以是隐式的。在实施例中，可以通过响应于带外信息交换来监测并比较能量传输信道的行为与预期行为或参数，从而隐式地验证能量传输信道。可以通过响应于带外通信来监测能量传输信道的行为和参数，从而隐式地验证能量传输信道。例如，在预期增大能量传输的带外通信交换之后，可以监测无线能量传输信道和谐振器的用于无线能量传输的参数。观察到的传送功率在设备处的增加量可以用于推导出带外通信信道和能量传输信道是被准确识别的。 
在实施例中，隐式验证步骤可以包括监测任何数量的无线能量传输的参数或者用于无线能量传输的谐振器和组件的参数。在实施例中，电流、电压、阻抗、频率、效率、温度等可以被监测，并与作为带外通信交换的结果的期望值、趋势、变化等进行比较。 
在实施例中，源或设备单元可以保留作为通信交换的结果的所测得参数、和针对这些参数的期望值、趋势、变化的表格。设备的源可以存储通信历史和所观察到的可用于验证能量传输信道的参数变化。在一些情况中，由于通信交换而引起的单个非预期的参数变化可能确实不足以确定带外信道被正确配对。在一些实施例中，可以通过一些或很多通信交换来扫描或监测参数变化的历史以执行验证。 
图19A中示出了描绘可以用于使用带外通信来隐式地验证无线能量传输系统中的能量传输信道的一系列步骤的示例性方法。在第一步1902中，在源与设备之间建立带外通信信道。在下一步1904中，源和设备可以交换关于对无线能量传输的参数或用于无线能量传输的组件的参数进行调整的信息。带外通信信道上的信息交换可以是系统的正常操作中的用于控制和调整能量传输的正常交换。在一些系统中，带外通信信道可以被加密，以防止窃听、仿冒等等。在下一步1906中，源和设备、或仅仅源、或仅仅设备可以监测并跟踪无线能量传输的参数的任何变化、或者用于能量传输中的组件中的参数的任何变化。针对作为任何带外通信交换的结果的参数，可以将所跟踪的变化与预期变化进行比较。当一个或多个观察到的参数变化不对应于参数的预期变化时，验证可以被视为失败。 
在无线能量传输系统的一些实施例中，验证可以是显式的。在实施例 中，源或设备可以对无线能量传输的参数或用于该无线能量传输的谐振器的参数进行修改、抖动、调制等，以便通过能量传输信道向源或设备进行通信或提供可验证信号。显式验证可以包括：为了显式验证目的，对无线能量传输的一些参数或用于能量传输的谐振器和组件的参数进行改变、修改、调制等，并且可以不与优化、调谐或调整该能量传输相关联。 
为了以信号告知或通知另一个无线能量谐振器或组件，对无线能量传输的一些参数或用于能量传输的谐振器和组件的参数进行改变、修改、调制等可以被称为带内通信。带内通信可以通过以下特征来表征：其对用于能量传输的场或结构体的使用。在一些实施例中，可以通过对用于无线能量传输的磁场或谐振器的参数进行调制，将带内通信信道实现为无线能量传输谐振器和组件的一部分。可以通过改变谐振器的参数，从一个谐振器向另一个谐振器发送信息。比如像电感、阻抗、电阻等参数可以被一个谐振器抖动或改变。阻抗的这些变化可以影响信令谐振器周围的其它谐振器的阻抗、电阻或电感。该变化可以将它们自己显示为谐振器上的可以被检测或被编码到消息中的电压、电流等的相应抖动。在实施例中，带内通信可以包括对用于能量传输的磁场的功率水平、频率等进行修改、改变、调制等。 
在一个实施例中，可以在已建立带外通信信道之后执行显式的带内验证。使用带外通信信道，源和设备可以交换关于功率传输能力和带内信令能力的信息。然后，可以发起源与设备之间的无线能量传输。源或设备可以请求或质询其它源或设备，以便使用带内通信信道来发送信号从而验证带外及通信信道与能量传输信道之间的连接。当在带内通信信道处观察到带外通信信道中建立的协商一致的信令时，该信道得以验证。 
在实施例中，可以只在能量协议的特定或预定时间(比如，在能量传输建立期间)执行验证。在其它实施例中，可以在无线能量传输系统的正常操作期间周期性地执行显式验证步骤。可以在无线功率传输的效率或特性改变时触发验证步骤，所述效率或特性改变可以以信号告知物理定向已经改变。在实施例中，通信控制器可以保存能量传输特性的历史并发起对传输的验证，所述验证包括当观察到特性变化时使用谐振器来发送信号。可以在能量传输的效率中，在谐振器、或谐振器和功率及控制电路的组件 的阻抗、电压、电流等中，观察到能量传输特性的变化。 
本领域技术人员应该明白的是，可以用任何数量的加密、认证和安全算法来保证能够发送消息的信令和通信信道的安全。在实施例中，带外通信可以被加密，并且保证安全的通信信道可以用于在带内信道中发送用于验证的随机序列。在实施例中，带内通信信道可以被加密、随机化或被任何已知的安全和加密协议和算法保护。该安全和加密算法可以用于认证并验证源与设备之间的兼容性，并且可以将公共密钥基础设施(PKI)和辅助通信信道用于授权和认证。 
在源和设备之间的能量传输系统的实施例中，设备可以验证能量传输信道以确保其从期望的或假定的源接收能量。源可以验证能量传输信道以确保能量被传输到期望的或假定的源。在一些实施例中，该验证可以是双向的，并且源和设备都可以在一个步骤或协议操作中验证其能量传输信道。 
在图19B中示出了描绘可以用于使用带外通信来显式验证无线能量传输系统中的能量传输信道的一系列步骤的示例性算法。在第一步1908中，建立在源与设备之间的带外通信信道。在下一步1910中，源和设备可以协调或协商一致可以通过无线能量传输信道发送的信令协议、方法、机制等。为了避免窃听并提供安全性，带外通信信道可以被加密，并且源和设备可以遵循任何数量的已知的加密认证协议。在启用加密协议的系统中，验证码可以包括可提供额外的安全等级和认证能力的质询-响应类型交换。例如，设备可以对源进行质询以便加密随机认证码，该设备使用共享的密钥或私钥经由带外通信信道将所述随机认证码发送给源。然后，可以通过带内通信信道来以信号告知1912在带外通信信道中发送的验证码。在源和设备启用加密协议的情况中，带内通信信道中以信号告知的验证码可以被发送方用可逆的加密功能进行加密或修改，允许接收方对发送方进行进一步认证，并验证带内通信信道链接到与带外通信信道相关联的相同源或设备。 
在验证失败的情况下，无线能量传输系统可以尝试重新校验。在一些实施例中，该系统可以尝试通过交换用于使用带内通信信道来重发信号的另一个验证序列，从而重新验证无线能量传输信道。在一些实施例中，在尝试验证带内通信信道失败之后，该系统可以改变或修改用于验证该带内通信信道的信息的序列或类型。该系统可以改变带内通信验证码的信令类 型、协议、长度、复杂度等。 
在一些实施例中，一旦对带内通信信道的验证失败从而对能量传输信道的验证失败，则系统可以调整带内通信信道中的信令方法的功率水平、调制强度、调制频率等。例如，一旦设备对源的验证失败，则系统可以尝试以更高能量传输水平执行验证。该系统可以增加源的功率输出，产生更强的磁场。在另一个示例中，一旦设备对源的验证失败，则通过改变其源谐振器的阻抗来向该设备发送验证码的源可以增加或者甚至加倍用于信令的源谐振器的阻抗的变化量。 
在实施例中，一旦对能量传输信道的验证失败，则该系统可以尝试使用带外通信信道来探测、寻找或发现其它可能的源或设备。在实施例中，该带外通信信道可以用于寻找用于无线能量传输的其它可能的候选。在一些实施例中，该系统可以改变或调整带外通信信道的输出功率或范围以有助于最小化失败配对。 
带外通信信道可以被功率调制为具有多种模式：用于检测源的远距离模式、以及用于确保与另一个设备或附近的源进行通信的近距离或低功率模式。在实施例中，带外通信信道可以被匹配到用于每个应用的无线信道的范围。在对能量传输信道的验证失败之后，带外通信信道的输出功率可以缓慢增加以寻找用于无线能量传输的其它可能的源或设备。如上面所讨论的，带外通信信道可能显示可能与能量传输信道的干扰和阻碍不同的干扰和阻碍，并且可能要求更高功率水平进行带外通信的源和设备可以足够靠近以便允许无线能量传输。 
在一些实施例中，可以使用屏蔽或定位将带外通信信道定向、布置、集中成仅在有限区域中有效(即，车辆下面)，以便确保其只能够与足够靠近的接近度、位置和方向上的另一个源或设备建立通信以进行能量传输。 
在实施例中，系统可以使用一个或多个信息补充源来建立带外通信信道或验证带内能量传输信道。例如，在带外通信信道的初始建立期间，源或设备的位置可以与无线源或设备的已知的或映射的位置或位置数据库进行比较，以便确定用于成功能量传输的最有希望的配对。可以从GPS接收机补充GPS数据给带外通信信道发现，从定位传感器补充数据给带外通信信道发现等。 
具有无线能量传输的光伏(PV)板
我们描述一种可以使用源谐振器和捕获谐振器从外部太阳能PV板向内部捕获模块或者向其它太阳能PV板无线地传输功率的系统。在实施例中，太阳能PV板具有一个或多个谐振器，这些谐振器将太阳能生成的功率从太阳能PV板传输给可以是另一个太阳能PV板的一部分的、或者可以位于建筑物、车辆、船舶等中的、或者板的支架结构的一部分的一个或多个谐振器。 
在实施例中，一个或多个谐振器可以被整合到太阳能PV板集合中。谐振器可以被整合到板的边缘，或者它们可以被设计为装配在板的光伏元件下面。谐振器可以被设计并定向为生成基本垂直于该PV板的平面的磁场，以允许与可放置在该板后面的谐振器进行有效耦接。在实施例中，PV板中整合的谐振器可以被设计并定向为使得该磁场基本平行于该板的表面，以允许与在该板侧面上的诸如谐振器进行有效耦接。在其它实施例中，谐振器可以被设计并定向为生成基本上全向的磁场。在具有整合的谐振器的实施例中，不需要物理的或直接的电接触。 
图20示出了具有概述三个整合的谐振器的矩形PV板2002的示意图，该图示出了多种可能的谐振器方向和位置。谐振器可以被整合到板子的边缘2001。谐振器可以被放置在PV板内部或下面的任何位置2003中，并且可以具有各种尺寸和方向，比如谐振器2004被定向为使得磁场指向PV板的拐角之外。虽然在图中未示出，但是谐振器可以包括适当的屏蔽和磁场引导以减少来自谐振器的扰乱和损耗。 
在实施例中，PV板的谐振器可以位于主板体集合之外。电缆或线连接器可以将PV板附着到谐振器上。在这个实施例中，可以独立于PV板的位置，对谐振器的位置和方向进行选择和修改，并且可以在系统的安装和定位方面允许更多灵活性。在本实施例中，PV板的谐振器可以与接收谐振器对齐，而无需移动PV板。图21示出了具有外部谐振器2101的PV板2103的实施例，所述外部谐振器2101通过连线连接2102到该PV板。 
在实施例中，PV板可以包含多于一个谐振器。PV板可以包含一个或多个内部谐振器，并且可以具有一个或多个外部谐振器。谐振器可以在不同方向上对齐和定位，以允许向谐振器的能量传输设置在相对于PV板的各 个方向和位置上。在实施例中，可以同时使用PV板的多个谐振器来发送功率或者从其它谐振器接收功率。例如，PV板的一个谐振器可以用于从另一个PV板接收功率，并且使用它的其它谐振器中的一个向建筑物内的设备或谐振器发送功率。PV板系统可以采用各种板设计，其中每种设计具有可能不同的谐振器配置。 
在有整合有谐振器的板子中，这些板子可以不需要任何孔、引线、接线或连接件。对PV板和谐振器进行控制的电子设备可以全部整合到板子中。因此该板子可以制作成完全封闭并且防水的，提供避免潮湿、灰尘、尘土、昆虫等的全面防护。在一些实施例中，PV板的外壳可能优选地部分或完全由透磁材料构成，以便允许有效的磁耦接并且最小化能量传输中的损耗。在一些实施例中，磁铁可以用于将包括透磁材料的PV板固定在适当位置。PV板可以是任何尺寸、形状和维度的，并且不限于几何图形。谐振器和PV板可以是任何几何形状，例如它们可以定型为遵循车辆的轮廓。谐振器和PV板可以是挠性的或带铰链的，并且可以被设计为使得它们能够在不使用时卷成管状或者折叠。 
依照本发明，可以从PV板谐振器向谐振器供电设备或者向耦接到建筑物、车辆等的电网的谐振器无线地传输功率。 
在一个实施例中，具有谐振器的PV板可以用于直接地或无线地对设备进行供电。能够耦接到PV板的磁谐振器的设备可以无线地接收能量以便对它们的电子设备进行供电或者对电池进行充电。设备谐振器可以被调谐为耦接到PV板的谐振器。具有用于无线功率传输的整合的或外部的谐振器的PV板可以部署在很多环境和应用中。PV板可以被永久或临时地附着或放置在车辆、建筑物、工具箱、飞机和其它结构上以提供来自太阳能的无线功率。使用无线功率传输，不需要连线将设备连接到PV板，从而该PV板能够容易地安装或设置在需要功率的区域中。 
例如，如图22中所示，具有所述无线功率传输谐振器的PV板可以附着到车辆的车顶2202、尾箱2203、侧板2204或引擎盖2201。来自PV板的能量可以由该PV板的谐振器通过车辆的车顶、车尾箱、侧板或引擎盖无线地传输到车辆中，以便为该车辆中的电子设备供电或充电。具有谐振器的设备能够直接耦接到PV板的谐振器，并接收功率。可以由从太阳能功率 获得的能量对诸如移动手机、膝上型电脑、游戏操纵杆、GPS设备、电动工具等设备进行无线地充电或供电，即使该设备处于车辆的黑暗、封闭空间中，而不需要连线。具有无线功率传输的PV板可以被附着到例如小货车底座的顶部或上方，允许对可以存放在货车的后备箱中的电池或电池供电的工具进行无线充电。 
在另一个示例中，PV板可以被安装在车辆外部。位于车辆内、车辆的车顶、引擎盖、或者后备箱下面的、耦接到该车辆的电系统的捕获谐振器可以从PV板的谐振器捕获能量。太阳能可以用于为车辆供电、为电池充电、或为车辆的其它外部设备进行供电。在无线功率传输的情况下，PV板可以被安装或改装到车辆上，而无需在板子与车辆之间制作任何硬连线连接，从而简化了安装并且允许在必要时快速移除。 
在另一个示例中，具有无线功率传输PV板可以被整合到如图23中所示的遮阳棚或太阳伞的顶部。位于太阳伞的顶部的具有内部或外部谐振器的PV板2303、2304、2305、2306可以传输功率，以便启用诸如位于太阳伞或遮阳棚下面的阴影中的膝上型电脑2302或移动手机2301之类的设备。 
在其它实施例中，具有无线功率传输的PV板可以用于向谐振器传输功率，而不要求外部PV板与内部电系统之间有任何直接接触，该谐振器直接耦接到房屋、车辆等的有线功率分配或电系统。例如，具有上述谐振器的太阳能PV板可以直接安装到建筑物、车辆等的外部。谐振器可以被安装到建筑物、车辆等的内部，其可以连接到结构的电系统。内部的谐振器可以从外部PV板接收功率，并将能量传输给结构的电系统，允许对连接到功率系统的设备进行供电。在实施例中，可以通过允许其传输给电网的方式，对谐振器从PV板接收到的功率进行调节。例如，一个或多个捕获谐振器可以向变频器提供电功率，然后所述变频器向电网提供功率。 
例如，如图24中示出的视图中，具有无线功率传输的PV板可以被安装到建筑物的外部屋顶上。耦接到建筑物的电系统的谐振器可以被安装到PV板后面的屋顶的内部底面上。功率可以从外部PV板传输到建筑物的内部电系统，而不要求对建筑物的外部进行任何钻孔或穿透以用于接线。然后，连接到建筑物的有线电系统的电设备可以使用来自PV板的太阳能功率。从PV板捕获的电能还可以提供给可附着到电网的断路器板。 
具有无线功率传输的PV板可以简化多个PV板的安装和连接。无线功率传输可以用于连接并从可作为系统的一部分的多个PV板捕获能量。 
在具有多个PV板的一个实施例中，其中每个板可以具有一个或多个谐振器，所述一个或多个谐振器向设备或者向耦接到有线电系统的相应谐振器发送功率。例如，设置在建筑物的外部屋顶上的PV板可以分别具有位于建筑物内部的、耦接到电系统的相应捕获谐振器。例如，设置在车辆外部的PV板可以分别与车辆内部的各个设备谐振器进行功率耦合。在这些实施例中，每个PV板独立于其它PV板。图25中示出了该系统的示例性屋顶配置的图。该图中的每个PV板2502具有谐振器2503，该谐振器2503能够直接通过屋顶2501向安装在建筑物(未示出)内部的谐振器发送能量。 
在具有多个PV板的另一个实施例中，这些PV板可以利用相互之间的无线功率传输来向/从一个或多个指定PV板发送或收集功率。在该实施例中，只有一些指定板能够向耦接到电系统的设备或谐振器发送功率。所述能量是在一个或多个点中收集并发送的。在这些实施例中，相邻PV板相互依赖，但是在故障时可以容易地安装或替换，因为在PV板或电系统之间不需要连线。图26中示出了该系统的示例性屋顶配置的图。一个或多个板2606具有能够向建筑物内部的谐振器传输能量的谐振器2605。来自其它谐振器的能量可以无线地从一个板传输到另一个板，直到该能量到达能够将该能量发送到建筑物中的板为止。例如，在图26中，板2601可以经由其耦接的谐振器2607、2608将能量传输给其邻近的板2602。同样，板2602可以将其能量和来自板2601的能量经由耦接的谐振器2603、2604传输给板2606。然后，板2606可以将源自于板2601、2602、2606的能量传输给建筑物内部的谐振器(图中未示出)。 
在具有多个PV板的另一个实施例中，可以使用从多个板无线接收功率的额外连接结构。谐振器的结构可以被安装到设置在PV板下面或旁边的安装条中。PV板的谐振器可以将其能量无线地传输给该条上的谐振器。连接到该条的一个或多个谐振器可以用于从所有板向设备或耦接到电子系统的内部谐振器发送功率。在该系统中，一旦谐振器条被安装，可以通过将板固定在连接结构上或该结构附近，来对系统移除或增加板。图27中示出了该系统的示例性屋顶配置的图。定型为扁平细长条状的谐振器2702的结构 可以被附着到建筑物的屋顶上。具有谐振器2703的PV板2701可以向该条传输能量。然后，该条可以使用与建筑物内部的谐振器(未示出)相耦接的单个谐振器2705，来将所有板的能量传输到内部而无需任何连线。可以通过简单地在条的顶部设置板，来从系统添加或移除板。 
在又一个实施例中，多个板可以被一起物理地连线到谐振器，该谐振器能够将其功率无线地发送给有线或耦接到建筑物或车辆内部的其它谐振器的设备。 
采用使用无线功率传输的所有上述配置，PV板的明显简化的安装是有可能的，因为功率可以从板无线地发送给建筑物或车辆中的捕获谐振器，消除所有外部连线、连接器和管线、以及穿过结构体的顶部或墙壁的任何孔。与太阳能电池一起使用的无线功率传输可以在能够降低屋顶危险方面有益处，因为其消除了电工在屋顶上工作以便相互连接板、线和接线盒的需要。与无线功率传输整合的太阳能板的安装可以要求较低技能的工人，因为需要进行较少的电接触。使用无线功率传输可以要求较少的位置特定设计，因为该技术给予安装者分别优化并定位每个太阳能PV板的能力，从而大大降低对昂贵工程和PV板布局服务的需要。 
使用无线功率传输，可以临时部署PV板，然后移动或移除，而无需对周围结构的永久修改。例如，它们可以在晴天被放置在院子里，并且跟着太阳在附近移动，或者带到室内进行清洁或保存。对于后院或移动太阳能PV应用，具有无线能量捕获设备的延长线可以被丢在地上或设置在太阳能元件的附近。捕获延长线可以从元件完全密封并且电绝缘，这样该捕获延长线可以用于任何室内或室外环境。 
使用无线功率传输，可以不必向PV太阳能板进行有线或外部连接，并且这些PV太阳能板可以完全不受天气影响。可以预期太阳能PV功率产生和传输电路中的电子组件的明显改进的可靠性和寿命，因为不受天气影响的封闭可以保护组件不受UV辐射、潮湿、天气、灰尘等影响。使用无线功率传输和不受天气影响的封闭，也许有可能使用更少的昂贵组件，因为它们不再直接暴露给外界因素和天气元素，并且它可以降低PV板的成本。同样，具有无线功率传输的PV板可以是更一般的并且更便携的，因为PV板不需要固定的硬接线连接。 
在实施例中，在建筑物或车辆内的PV板与捕获谐振器之间的功率传输可以是双向的。可以从房屋电网向PV板发送能量，以便在板子没有足够能量用于自我校准、对齐或维护任务时提供功率。反向功率流可以用于为能够融化板上的积雪的加热元件供电，或为要将板子设置在相对于光源更有利位置的发动机供电。一旦积雪融化或者板子被重新定位，就可以从PV板发送能量。 
在一些实施例中，耦接到源谐振器的源电子设备可以包括至少一个半桥式或全桥式的开关放大器。耦接到捕获谐振器的捕获电子设备可以包括至少一个半桥式或全桥式的整流器，所述至少一个半桥式或全桥式的整流器还包括功率晶体管。这些实施例允许从连接到源电子设备的能量源向连接到捕获电子设备的负载传递无线功率传输。注意，源电子设备和捕获电子设备都采用半桥式或全桥式的开关电路。因此，这些实施例还允许相反方向上的无线功率传输，在所述相反方向上，连接到捕获电子设备的能量源能够向连接到源电子设备的负载传输能量。例如，这能够允许从能量存储介质(比如电池、飞轮、电容器、电感器等)无线地发送和获取能量。它还能够实现向具有无线功能的PV板的反向功率流，以便如上所述地融化积雪。 
谐振器和无线功率传输电路可以包括调谐和安全装置。在实施例中，具有无线功率传输的PV板可以包括对安装的自动调谐，以确保向无线采集器的最大并且有效的功率传输。例如，屋顶材料的变化、或者在不同安装中在PV板和无线功率采集器之间距离的变化可能影响性能或扰乱无线功率传输的谐振器的属性。为了减低安装复杂度，无线功率传输组件可以包括调谐能力以便自动调整其工作点以补偿由于材料或距离造成的任何影响。频率、阻抗、电容、电感、占空比、电压水平等可以被调节以确保有效和安全的功率传输。 
谐振器和无线功率传输电路可以包括调谐，该调谐确保从PV板的最大功率提取、以及对所提取的功率的有效无线传输。在实施例中，无线功率传输电路可以被配置为用于谐振器之间的能量传输，同时为了优化的能量提取也将等效负载电阻应用于PV板。该无线源能够有效地从PV板通过与其当前可能的环境条件范围相比更宽的环境条件范围来向无线捕获设备传 输功率。例如，随着太阳光照等级(或等效的辐照度)在早晨期间增加，应用于PV板的输出端的阻抗会通过将来自PV板的功率提取最大化的方式进行降低。该无线能量源在本申请中被称为“无线能量最大化功率点跟踪器(WEMPPT)”。例如，图28A描述了包括串联连接的多个光伏连接的太阳能板。为了简明，每个光伏连接由电流源和二极管的并行组合来表示。更现实的模型将包括串联和分流电阻、二极管变型等。由板产生的电压V和电流I部分地依赖于太阳辐照，并且依赖于提供给板子输出端处的等效电阻R。图28B示出了针对R的参数变化和不同太阳辐照等级的多个示例性曲线。在图28B中还描述了曲线上的可以由给定负载电阻R从PV板提取最大功率的点。这就是应该提供给板的最大功率点跟踪器(MPPT)的值R。 
针对图28A中描述的电路模型，流入电阻R的电流是其中，Isolar是太阳能产生的电流，V是板上的电压，N是板中的电池数量，Is是反向饱和电流，Vth在温度25C处大致为0.026V。从该板提取的、可以无线传输的功率简单表示为V×Isolar。关于V的功率的衍生根引起最大功率点电压： 
VMPPT＝NVth[W(e(Isolar+Is)/Is)-1]   (4) 
其中，W(z)是兰伯特W-函数或乘积对数函数，由逆函数z＝W(z)eW(z)来定义。图29示出了作为PV板或阵列电流的函数的最大功率点电压的曲线。对于这一示例，应该由WEMPPT提供给PV板的最大功率的电阻是图29中示出的曲线的斜率。图30示出了该电阻以及它随着具有60个电池、1平米面积的示例性板的太阳辐照和室内温度操作如何变化。例如，在1kW/m2辐照的情况下，阵列电流将大致为8A并且最佳电阻将是4Ω。如果辐照度降低到0.2kW/m2，则最佳电阻将是12.5Ω。在一个实施例中，无线电源可以只向PV板提供固定电阻。然后可能发生效率损耗。针对上面的示例，在0.2kW/m2辐照度的效率是1kW/m2辐照度的效率的不到1/4—这会使得提取功率减少至不到1/20。在另一个实施例中，使用WEMPPT配置将在该示例中保持辐照度的效率，使得所提取的功率与太阳辐照度基本上成正比。 
在实施例中，无线能量源可以连接到传统MPPT电路的输出端，该传 统MPPT电路可以包括DC到DC转换器，所述DC到DC转换器连接到PV板。图31A示出了一个这样的实施例。在该实施例中，由于MPPT电路和无线能量源两者中的功率消耗，可能发生系统效率的损耗。图31B示出了更有效的实施例，其中无线能量源可以模仿单独的MPPT电路的行为而不会导致单独MPPT电路的额外效率损耗。图31C示出了另一个实施例，其中无线能量捕获电路提供有效的无线能量捕获、以及电流或电压的受控输出水平。在实施例中，在图31C中，将这样的电路标记为“具有DC电流或电压转换的整流器”，能够用半桥式或全桥式的开关电路来实现。在实施例中，整流器调整设备(和/或源)中的PWM波形的占空比和/或相位角，以便影响无线能量捕获和电压或电流整流。该整流器还可以相对于流过该设备谐振器的振荡电流来调整开关的开关时间，以便有效地捕获无线能量，并且还维持电压或电流控制。 
在一串PV板中的不同板子遇到不同水平的辐照或不同环境条件时，具有WEMPPT的PV板可以简化对这串PV板的安装。串行连接的一串PV板可以用于形成与单块板能够提供的输出电压相比更高的输出电压。高输出电压可以与负载设备更加兼容，比如并网变频器、离网变频器、用于电池充电器的充电控制器等。在实施例中，多个PV板(其中每块PV板具有相关联的WEMPPT)可以被设置在屋顶或其它外表面上，并且暴露给板子之间不同水平的照明度。在屋顶下面或者在内表面处，多个能量捕获设备可以从源接收无线能量并使它们的输出相组合。图32描述了一个实施例，其中从PV电池3202、3204、3206、3208、3210的源谐振器接收无线能量的设备谐振器3224、3226、3228、3230、3232的输出被组合成屋顶下面的一串。在实施例中，捕获设备的输出可以被串行组合，以增加网络电压。在实施例中，捕获设备包括电流或电压调整3212、3214、3216、3218、3220并且它们的输出被串行组合以创建具有调整后的电流或电压3222的更高电压。在实施例中，捕获设备包括电流或电压调整3212、3214、3216、3218、3220，并且它们的输出被并行组合以创建具有调整后的电流或电压3222的更高电流。 
在实施例中，WEMPPT配置可以实现在无线能量源中，其包括对放大器中的晶体管的开关时间的相位角进行自动调节的开关放大器。在开关接 通时刻与流过该开关的电流改变方向的时刻之间的时间关系确定了一个相位角，在本申请中被称为φ。另一个相位角，在本申请中被称为γ，描述了二极管调整开关通电的时刻与开关断开时刻之间的关系。这提供了两种程度的自由度，以便通过对从PV板进行能量提取、和对所提取的能量进行有效无线传输都有利的方式来调整能量源的特性。更具体地，图33中描述的放大器能够向PV板提供最佳电阻Rdc，并且同时向阻抗匹配网络(IMN)提供基本匹配的AC输出阻抗。这允许所提取的能量有效地传输穿过源环路到达设备环路，并穿过设备IMN到达整流器。 
图34示出了能够用于向PV板提供最佳电阻Rdc的半桥式放大器的示例。在图35A和图35B中针对操作开关S1和S2的两种不同时序配置描述了这一放大器的示例性波形。图35A示出了用于实现高效AC波形的时序配置的示例。注意，开关S1是如何在电流iac改变符号以及在电压vac达到Vdc/2时的精确时刻切断的。在切断期间，开关S1据说经历零电流和零电压切换。在较短一段时间之前(被定义为φ/ω)，开关S2是接通的并且遇到零电压切换。在接通S2之后的半个周期，S1接通并且也遇到零电压切换。这些条件引起开关的几乎零损耗。可以针对具有φ/ω的各种值的不同设计来实现高效开关，同时提供自由度以便与用于无线能量传输的各种ac负载进行阻抗匹配。需要额外的自由度来调整提供给PV板的dc电阻。图35B中描述了一个这种自由度，该图示出了S2如何能够比图35A中描述的时间稍微更早一些被接通。然后，值vac在S1切断之前达到Vdc/2，然后电流iac流过二极管D1(开启该二极管D1)直到电流穿过零为止。二极管D1保持一段时间γ/ω，在这段时间，开关S1在接近零电压状态下切断。要注意的是，牺牲了零电流切换，但是由于二极管，所以保留了接近零电压切换。这仍然引起高效的操作。对γ/ω的值进行调整，提供了额外的自由度来调整提供给PV板的dc电阻。图36示出了可以如何通过针对相位φ的固定值来调整相位γ的值，从而将dc电阻改变四倍的具体示例。对于图34中描述的电路，可以写出将dc电阻与相位γ相关联的如下公式： 

随着相位γ被调整，放大器的AC输出阻抗也会变化。图37A示出了输出阻抗对相位φ的依赖。图37B示出了输出阻抗如何另外依赖于相位γ。在实施 例中，相位φ和γ被结合选择，其优化了提供给PV板的Rdc以及提供给阻抗匹配网络的AC阻抗。在实施例中，相位γ结合电路元件(比如阻抗匹配网络中的电容器、电感器和电阻)一起调整，以便优化提供给PV板的Rdc以及提供给源谐振器的AC阻抗。 
在其它实施例中，通过响应于改变环境条件来添加对诸如电容器、电感器和电阻之类的电路元件的自动调节，可以在包括所述电路元件的无线能量源中实现WEMPPT配置。所述电路元件可以是放大器、阻抗匹配网络和/或谐振器中的任一个的一部分。在其它实施例中，WEMPPT配置可以包括能够被调谐的电路元件、以及可被调节的晶体管的开关时间。图38描述了具有主控制算法的一个示例性实施例。该主控制算法评估输入，比如流过阻抗匹配网络和源线圈组合的电流和电压波形。该算法使用对所述输入的处理来确定，例如要提供给PV电池的更优化的DC阻抗、和/或要提供给阻抗匹配网络的更有利的AC阻抗。该算法控制用于调整PWM波形的单元和/或调整调谐网络的单元，这样可以实现更优化的阻抗。 
图39描述了控制算法的示例性实施例。对于时间步长n，该算法测量流过阻抗匹配网络的AC电压和电流。该算法还测量PV板上的DC电压。然后，该算法计算调谐网络中的可调谐电容的新设定点并且激励该变化。在下一个时间步长中重新测量电压和电流，并且该调整循环继续进行，直到达到期望的电容状态为止。接下来，从PV板提取的功率与在前一个时间步长中提取的功率进行比较，并且计算差值的符号。然后，该差值的符号确定算法如何调整晶体管开关的开关时间的占空比。可以通过如上所述的改变相位角φ或γ来调整占空比。 
除了太阳能PV板，用于产生电能的其它方法包括风力发电机、水力发电机、热电发电机、热光伏发电机等。这些方法也提供随着环境条件而变化的电输出，并且传统MPPT电路可以用于最大化能量提取。本领域技术人员应该理解，WEMPPT配置的特征是一般的并且可以应用于各种电能产生器。 
在实施例中，无线功率传输系统可以包括安全联锁装置和传感器。PV板和谐振器可以包括温度、功率、阻抗和电压传感器，以及用于确保PV板在允许范围内进行工作的微控制器或处理器。无线功率传输系统可以包括 接地连接以提供用于累积电荷的放电路径。无线功率传输系统可以包括能够检测累积电荷的电压传感器。如果具有无线功率传输的PV板没有可用的接地，则在PV板的外壳被视为接地的情况下，该板子可以包括接地故障中断传感器。 
在实施例中，PV板和谐振器可以包括传感器以及视觉、听觉和振动的反馈以辅助谐振器对齐，以确保外部PV板与内部捕获谐振器之间的有效功率传输。例如，谐振器之一可以用于通过感测在谐振器之间的谐振耦合的增加或减少来感测另一个谐振器的位置。另外，谐振器之间的互感的增加或减少可以用于确定谐振器的相对位置。 
在具有多个PV板或多个谐振器的实施例中，系统的谐振器可以被调谐到不同频率以避免干扰。各个谐振器的调谐后的频率可以是时间或频率复用的。在其它实施例中，源和捕获谐振器可以包括允许源和捕获谐振器交换配置信息的通信能力。在其它实施例中，这些源和捕获谐振器可以交换用于初始校准或者用于验证在目标谐振器之间进行功率交换所需要的信息。该通信可以是如上所描述的带内或带外的。 
图40示出了安装在建筑物的屋顶上的太阳能PV板的示例的WEMPPT配置的优选实施例。PV板在左边被描述为串联连接的多个太阳能电池，其中每个电池由如上所述的包括电流源和二极管的简化等效电路表示的。电容器表示PV板终端上的电容。接下来，PV板终端连接到能够在如上所述的DE类模式中工作的全桥式开关放大器。S1-S4的开关时间及相关参数(比如，占空比和相位角φ和γ)可以由源控制器调整。接下来，开关放大器的AC输出连接到具有可调节电路元件(比如电容器)的阻抗匹配网络(IMN)。如本申请中所描述的，开关时间参数和电路元件的组合可以通过对从PV板提取功率和针对各种环境和太阳辐照条件穿过屋顶屏障进行无线传输功率两者进行优化的方式来调整。进行调整的优选算法使用来自PV板的DC电流和DC电压中的至少一个的测量值、以及IMN中的或源线圈上的AC电流和AC电压中的至少一个的测量值。 
图40的右侧示出了WEMPPT配置的功率捕获部分的配置——在本例中位于建筑物的内部。可以在执行两个功能的捕获控制器中实现一种算法。首先，所述控制器对捕获线圈与整流器的阻抗匹配进行优化。其次，所述 控制器调整DC电流、DC电压、和/或来自整流器的功率输出。针对屋顶太阳能示例的优选算法测量来自捕获线圈的AC电流和AC电压中的至少一个、以及来自整流器的DC电压或DC电流中的至少一个。然后，可以调节S5-S8的开关时间以保持高效整流。当与另一个可调节参数(比如，IMN中的可变电容)进行耦接时，开关时间和可变电容可以被调整以便优化阻抗匹配，维持高效整流、以及调节来自整流器的输出DC电流或电压或功率。 
在针对屋顶上的多个PV板的示例的优选实施例中，每个PV板可以具有相应的捕获电路，其中每个捕获电路将其DC输出电流调整为公共值Idc。然后，多个PV板可以被串行地电连接，如图41中所示。每个PV板可以形成电压Vdc_i，其中，i是对应于第i个PV板的索引。当不同PV板受到不同辐照时，其功率捕获电路可以在公共电流值Idc处形成不同DC电压。变频器或电池充电器可获得不同DC电压的和为Vstring。提供给变频器或充电器的电量是P＝Vstring×Idc。针对来自板P的给定功率量，值Vstring是由流过串联连接的捕获电路的值Idc来确定的。这对于在变流器或充电器的输入处维持的接近常量值Vstring——允许变频器或充电器在接近其峰值效率进行工作的条件——是有利的。为了实现接近常量的Vstring，变频器或充电器可以设置每个功率捕获电路的公共电流值Idc。可以在变频器或充电器与功率捕获电路之间建立通信链路以设置公共电流值。该链路可以利用DC连线，或者其可以使用无线通信。 
该通信链路还可以用于在变频器或充电器与功率捕获电路之间传输诊断、性能信息或其它状态信息。对于每个功率捕获电路还有可能使用如上所述的带内或带外通信来获得关于其相应PV板的信息。然后，可以在内部通信链路上共享关于PV板的信息。这可以包括关于功率捕获电路与其相应PV板的相对对齐的信息。可以通过各种技术(包括电感感测、磁场强度感测、电容感测、热感测、或不需要屋顶穿透的其它方式)从功率捕获电路监测所述相对对齐。在优选实施例中，用对于在源与捕获线圈之间的互感耦接而言敏感的方法来监测相对对齐。 
虽然是在太阳能PV板的上下文中描述的，但是本领域技术人员应该了解的是，可以用其它能量收集设备仪器(比如，风力发电机、水力涡轮机、热交换机等)来使用所述技术和方法。安装在建筑物屋顶上的产生能量的 风力涡轮机，例如，可以通过如上面针对PV板所描述的类似的方式从无线功率传输中获益。由于其它能量收集设备根据环境条件变化，因此如上所描述的WEMPPT功能可以用于除了PV板以外的实施例。来自风力涡轮机的功率可以从建筑物外部传输到内部，而无需在屋顶或墙壁上打孔或穿透。同样，船或其它结构中的、使用水运动(例如水流、波浪等)来产生能量的水力涡轮机可以受益于无线功率传输。对于这种应用，不希望为了连线而钻孔穿过船只或水中密闭结构的壳体。使用无线功率传输，水中涡轮机和能量收集器可以完全密闭并且独立，使得这些设备更可靠并且更容易替换或维修，因为它们可以在无需对连接进行任何重新密封的情况下被移除和替换。 
用于封装的无线能量传输
无线能量传输可以用于传输能量给产品封装、封装产品等。当封装位于零售环境中的架子上、存储环境、仓库环境、冷藏环境、航运环境等中时，可以向封装或封装产品传输功率。封装所捕获的无线能量可以用于照亮以下各项中的一部分：封装、为电子设备或传感器或封装进行供电、控制封装的温度、为封装内的设备或电池提供功率、为封装上的显示器提供功率等。 
产品封装可以包括盒、袋、瓶、标签、纸箱、显示器、封装材料、瓶盖、标志、传单、附件等。产品封装可以是在使用之前被移除的产品的一次性外封装材料。产品封装可以意味着产品的组成部分，该部分没有被移除而是该产品的永久部分。 
依照示例性而非限制性的实施例，设备谐振器和电子设备可以被整合到封装中，可以位于封装内部，或附着在封装外部，并从位于用于从源谐振器向设备谐振器传输能量的位置处的架子、地板、天花板、墙壁等源谐振器接收无线能量。 
依照示例性并且非限制性的实施例，设备谐振器捕获到的能量可以用于激励光、蜂鸣器、发动机、振荡器、显示器、有机材料、导电油墨或印刷、或任何其它视觉、听觉或触觉刺激器，它们可以用于提高产品的表现，传递信息、或者吸引消费者的注意。 
依照示例性而非限制性的实施例，设备谐振器所捕获的能量可以被封 装产品直接使用。能量可以用于为封装后的设备的电池重新充电，以确保在设备被购买并拆包时，设备的电池将被充分充电以便立即使用。 
依照示例性而非限制性的实施例，设备谐振器所捕获的能量可以用于维持或监测封装内的环境状况。比如温度、亮度、湿度、产品新鲜度、产品质量、封装完整度等参数可以被监测、记录并报告给用户或消费者。 
图42中描述了具有无线能量传输系统的产品封装的一个示例性实施例。具有整合的设备谐振器4208和可选的设备电子(未示出)的封装4202可以被放置在靠近耦接到源电子设备(未示出)的源谐振器4204。设备谐振器捕获到的能量可以用于通过有线4206电连接来激发封装的发光特征4210。在实施例中，该发光特征可以是LED、灯泡、日光灯、发光印刷品、显示器的一部分等，并且可以直接附加、整合和/或嵌入封装中。 
依照示例性而非限制性的实施例，源和设备谐振器4204、4208可以是不同尺寸。依照示例性而非限制性的实施例，可能优选的是使源谐振器4204比设备谐振器4208更大，以便允许设备谐振器4208在源谐振器4204附近进行移动和放置的更大的自由度。 
依照示例性而非限制性的实施例，源和设备谐振器4204、4208可以是本申请中描述的任何谐振器类型，并且可以包括平面谐振器、印刷电路板谐振器等。在示例性实施例中，谐振器4204、4206的线圈可以包括直接印刷在封装上的、或者附着到封装的插件或标签上的电导体。 
根据示例性而非限制性的实施例，设备谐振器4208可以适合于封装的不同侧面和表面。根据示例性而非限制性的实施例，设备谐振器4208可以被调整为适合于如图43中描述的圆形封装，其中，谐振器线圈4316适合围绕圆柱形封装4314的圆周，并且对封装的照明标志4312进行供电。 
在实施例中，封装产品可以按照以下配置来堆放或布置：其中，一些封装产品可以不直接挨着源谐振器4204而是可以通过一个或多个其它封装或产品与源谐振器4204分开。为了接收能量，封装产品可能需要通过一个或多个封装产品来接收能量。例如，如图44中所示，方形封装4422可以在架子上按照三维阵列进行堆放。该阵列可以在所有方向上有四个或更多个封装。结果，设置在架子4428顶端、背面4424或底部4426的的源谐振器4202可以不与阵列中的所有封装相接触或紧靠，以便向对应于每个封装 4422的设备谐振器4208提供能量。 
根据示例性而非限制性的实施例，基于谐振器的尺寸、从源谐振器输出的功率和产品的功率需求，产品的堆或阵列的最大维度和距离可能是受限的。可以针对与源的最大间隔从而最大堆叠高度，来对封装进行评级。 
根据示例性而非限制性的实施例，源和设备的堆叠高度或间隔距离可以随着中继谐振器而增加。大的中继谐振器可以位于堆叠的封装层之间，用于增加设备和源中的谐振器的耦合强度。例如，针对图44中示出的配置，由底部源谐振器4426激励，大的中继谐振器4430可以被插入到封装的第一层与第二层之间以便将无线能量传输范围扩展到例如封装的第二或第三行。中继谐振器4430还可以被插入到第二和第三行和任何其它行之间。 
根据示例性而非限制性的实施例，可以用整合或附着到每个封装的中继谐振器来提高封装产品的无线能量传输的范围和堆叠高度。可以添加中继谐振器到封装，以便改进与源谐振器的耦接。图45中描述了具有中继谐振器的封装的示例。封装4534包括设备谐振器4538和中继谐振器4536，所述设备谐振器4538向封装中的任何电子设备或电路提供能量，所述中继谐振器4536可以比设备谐振器更大并且附着或整合到该封装的与设备谐振器相同或不同侧或表面。在该配置中，多个封装可以被从前到后堆叠，并且源谐振器位于该封装的背面。 
依照示例性而非限制性的实施例，它可能期望被关闭以避免激发可能位于堆中间或堆后面的封装。例如，照亮被设计为吸引消费者注意力的封装可能只在该封装对消费者可见时才有用。在堆后面的封装可能不可见，对这些封装进行激励可能浪费能量，降低电路可靠性并且潜在地导致设备故障。在实施例中，封装可以被配置为仅当它们在前面显示或者当对于消费者可见时才被激励或启动。 
依照示例性而非限制性的实施例，封装可以包括传感器，比如光传感器、RFID传感器等，其可以用于确定和激活适当的封装。 
依照示例性而非限制性的实施例，封装可以被配置为选择性地解调谐没有在前面显示的设备谐振器。从源谐振器的谐振器频率解调谐的谐振器可能无法有效地从源接收能量，并且可能实际上是禁用的。谐振器的选择性解调谐可以通过引入损耗材料以便在堆叠在一起时与封装的表面相配来 完成。比如电导体片之类的材料可以在被带入到靠近设备谐振器时对设备谐振器进行充分解调谐。在实施例中，封装可以被设计为具有损耗材料的较小区域，该较小区域设置为使得该损耗材料可以对不位于封装堆前面的设备谐振器进行解调谐。 
例如，再次考虑图45中描述的包括设备谐振器4538和中继谐振器4536的封装4534。该封装可以被设计为在设备谐振器的相反侧上有损耗材料块或片，这样当两个封装堆叠在一起时，损耗材料可以加载并解调谐后面的封装的设备谐振器，并且不影响每个封装的中继谐振器允许能量穿过中继谐振器到达前面的封装。 
图46中示出了具有两个封装的配置。配置包括源谐振器4646和两个封装4643和4652，其中每个封装分别有其自己的中继谐振器4650、4644和设备谐振器4654、4648。每个封装还可以有损耗材料块4656、4658。损耗材料位于使得其影响其后面的盒子的设备谐振器。例如，块4658被放置为解调谐设备谐振器4648或背面的盒子，而不影响较大的中继谐振器4644、4650，也不影响前面封装15854的设备谐振器。因此，无线能量可以通过后面盒子4644的中继谐振器从源谐振器4646传输到前面盒子4654的设备谐振器，而不明显激发后面盒子的设备谐振器4648。 
在实施例中，有效能量传输可以在源和/或中继谐振器的Q相对较高并且合并到封装中的设备谐振器的Q相对较低时实现。这些较低Q谐振器可以包括电感元件，所述电感元件包括印刷导体、导电油墨、涂料等。容易制造并且安全布置的电感元件可能更优选用于封装应用中，即使例如这些元件的损耗高于电子设备级别的铜。较高损耗的导体包括碳踪迹和/或较低导电性，但可打印导体可以适用于该应用，因为可以使用高Q源和中继谐振器之一或两者来实现有效的功率传输。 
在实施例中，可以使用该创造性的无线功率传输机制来实现整个新的标记和通信能力。例如，通过实现向产品封装的无线功率传输，封装本身可以包括新功能。例如，该封装可以包括允许通过无线通信链路来更新显示的价格的通信能力。在零售环境中，封装可以与经过的消费者的手机进行通信，并且使得该手机响铃或振动或播放有声铃音以提醒消费者该产品位于特价区、或者已经被改进、或者已经被评价等事实。在仓库环境中， 封装可以与中央数据库进行通信，这样其位置可以被容易地识别。例如，UPS驱动器可能不需要再扫描其封装，因为该封装将能够与仓库中、卡车中的跟踪软件进行无线通信，并且还可以集成GPS跟踪机制，而不仅仅只是提示“在卡车上”，封装可以被跟踪到在给定时间的卡车的街道位置。可能卡车路线能够与更精确的估计到达时间一起显示。 
无线通信功能也可以用于形成多个封装的自组织网络，并且可以通过创建涉及多个封装的同步显示来进一步增强由无线功率传输所启用的显示能力或照亮能力。例如，照亮功能可以被同步以便创建闪光显示，或其中灯光“绕着封装转动”的显示。除了灯光，无线功率还可以用于对有声音调进行供电或通过无线链路来传递销售应用。 
无线通信应该与向消费者显示运输内容的费用的“车厢”系统相耦接。该车厢应该有无线供电能力以便为货车中的封装供电。该车厢可以由可重新充电的电池进行供电，该电池随着车厢停在货车摊位被无线充电，或者该车厢可以随着车厢被推到仓库周边而从地板中的源线圈供电。针对快速销售项目，比如搔痒娃娃(tickle me elmo)或iphone，消费者能够在他们的手机上下载应用，该应用允许他们即刻得到在任何给定商店可获得的产品数量的统计。 
无线功率应用可以包括功率源的映射、功率管理和共享、账单，如果你令一些人拥有你的一些功率(他们的信用卡能够在你共享你的功率之前向你支付，或者你能够选择免费交换它)，它可能在你甚至不知道的时候发生。你可以设置你的手机，使得只要你至少充了50％的电就始终与付费用户共享功率。你还可以将你的手机设置为在任何时间你的充电状态低于某个水平时进行振铃要求获得某个代价的可用功率。你能够将其设置为当你达到某个临界功率水平时对功率支付更多费用。应用可以与由无线供电设备无线传输的销售、优惠券等信息进行协调。应用可以将某些产品与食谱或消费者点评进行连接，或者允许用户评价或输入针对其它应用用户可能可用的数据。可以显示警告，比如菠菜目前被怀疑是引发大肠杆菌爆发的原因。需要被召回的食品或产品也许能够在架子上标识自己，这样它们能够被商店雇员识别并移除，或被消费者避开。 
无线软件建模工具
参照图47，示出了一种用于建模关于使用磁谐振进行功率的无线传输的系统的设计和操作的参数的方法的示例性实施例。由于参数的多样性可以调整为实现期望的系统，尤其是涉及源谐振器和设备谐振器的系统，可以证明实现该系统的优化或接近优化操作的解决方案所需要的数学计算是禁止的。具体而言，由于任何一个参数的变化可能影响其它相关参数的值，其可以转而又影响其它参数值，以此类推，用于实现由参数和伴随参数值的各种可能组合而组成的多维度问题空间的解决方案的能力可能需要无法获得的计算资源。 
依照各个示例性而非限制性的实施例，实现源和设备谐振器系统根据期望的、用户指定的参数值进行工作的接近优化解决方案所需要的计算量通过一种对以下各项进行单独建模的方法得以大幅度减少的：(1)源谐振器和设备谐振器两者的设计，(2)源谐振器与设备谐振器之间的交互。具体而言，已经观察到每个源谐振器和设备谐振器的Q值可以被单独建模，同时对源谐振器和设备谐振器之间的耦合系数k几乎没有影响。分解建模过程以便执行这两种形式的单独建模，减少了针对任一种形式进行单独建模所需要的参数的数量。这明显减少了在两个实例中执行所需要的计算量，同时可以如下面更全面描述的那样来组合结果。 
在步骤4702，可以分别规定输入参数，所述输入参数定义了至少一个源和设备谐振器的属性，包括至少一个源线圈和至少一个设备线圈。具体而言，可以单独指定与至少一个源线圈和至少一个设备线圈中的每一个相对应的参数。然后，在步骤4704处，可以规定定义相互面对面的源线圈和设备线圈两者的属性。接下来，在步骤4706，可以使用在步骤4708处使用的结果来建模包括源谐振器和设备谐振器的规定系统的电磁性能，以便设计至少一个阻抗匹配网络(IMN)。注意，至少一个源和至少一个设备可以包括谐振器、线圈和阻抗匹配网络。源和设备的阻抗匹配网络可以被设计为实现某些系统能力，比如传递某个范围的功率，维持最大输出电压、和/或开路电压，在某个总线电压处工作等等。在本申请中，应该理解的是，步骤4708，设计阻抗匹配网络可以包括：设计针对源的阻抗匹配网络和/或针对设备的阻抗匹配网络。在一些实施例中，源和/或设备可以具有预先设计的、和/或预先规定的阻抗匹配网络，并且步骤4708可以用于确定该系统 的任何剩余阻抗匹配电路。最后，因此建模的4710系统可以被建立，并且被测量用作针对步骤4706的递归输入的操作参数用于逐步改进该系统的设计。 
参照图48，示出了用于输入源线圈设计参数的用户界面4800的示例性且非限制性实施例。如图所示，响应于对源线圈设计标签4824的激活，可以显示用户界面4800。虽然下面的示例使用了各种图形用户界面(GUI)元素，比如文本输入字段、下拉菜单等，应该理解的是任何和所有GUI元素可以用于输出和显示数据以及接受输入的数据。在实施例中，软件建模工具的用户可以使用命令行、脚本、表格、链接等来访问输入和输出参数。用于向工具输入和输出参数和/或数据的这些方法不会背离本申请中描述的方法、技术和实施例。 
如图所示，全局输入板4802可以由接受作为整体的系统的参数值的多个输入字段组成，所述参数值包括但并不限于系统单元和和该系统的工作频率。源线圈设计板4804可以由多个输入字段组成，该输入字段接受用于定义源线圈的参数值。如图所示，连线类型输入字段4806可以包括用于选择连线类型(比如，利兹线、实心线、铜管、印刷电路板迹线等)的下拉菜单，而连线属性字段4808可以包括用于更具体地定义所选择的连线类型的物理维度的下拉菜单。 
源线圈类型字段4810可以是用于定义源线圈类型的下拉菜单。在本例中，已经选择了矩形线圈。示例性线圈类型属性字段4812a-4812e允许用户输入与所选源线圈类型相对应的期望的属性值。例如，矩形源线圈在某种程度上是由矩形源线圈的宽度和长度来定义的。结果，可以选择性地显示线圈类型属性字段4812，以接收所输入的宽度和长度尺寸。各个其它示例性线圈类型属性字段包括但不限于与源线圈缠绕方向、源线圈匝数、以及线匝之间的源线圈间隔相对应的字段。 
一旦经由全局输入板4802和源线圈设计板4804定义，就可以显示反映上面所讨论的选定的源线圈属性的、源线圈4816的源线圈示意图4814(比如，平面展示)。根据示例性实施例，对全局输入板4802和源线圈设计板4804输入字段中的任一个的改变可以引起对源线圈示意图4814的实时或接近实时的更新，以反映这些变化。在另一个示例性实施例中，可以 在用户请求时(比如，经由对更新按钮4818的激活)更新源线圈示意图4814。 
一旦定义，用户就可以保存源线圈4816设计以便稍后取回，并且在例如零件库中使用。对源线圈4816设计的这种保存可以通过例如激活保存按钮4820来实现。同样，可以通过例如激活载入按钮4822来载入先前保存的或以其它方式提供的源线圈4816设计，以便使用或者进一步修改。参照图49，该图示出了用户界面4900的示例性且非限制性实施例，比如，可以响应于对载入按钮4822的激活而显示。 
如图所示，可以显示多个群组4902a、4902b中的每一个，其中每个群组包括一个或多个源线圈设计4904。在本示例中，群组4902a、4902b基于所包括的源线圈设计的频率特性而不同。具体而言，群组4902a是由低频到中频源线圈设计组成的，而群组4902b是由高频源线圈设计组成的。在这些实例中，系统6400至少部分地基于(比如，如上所述的通过用户界面4800输入的)每个源设计线圈的属性来将所保存的源线圈设计分类为用于显示的逻辑群组。 
根据另一个示例性而非限制性实施例，可以提供搜索输入字段作为形成用户界面4900的一部分，以便允许用户定义一个或多个搜索特性。例如，用户可以(比如，从一个或多个下拉菜单)选择包括具有最小宽度为5cm的矩形线圈的选择标准。响应于该选择标准，系统6400可以(比如从存储器6406中的数据库)检索与规定的搜索标准相匹配的一个或多个源线圈设计。一旦显示，对任何源线圈设计4904的选择或激活使得返回用户界面4800，借此填写全局输入板4802的输入字段和源线圈设计板4804，以反映所选定的源线圈设计的检索的属性值。 
参照图50，该图示出了用于输入设备线圈设计参数的用户界面5000的示例性且非限制性实施例。如图所示，响应于对设备线圈设计标签4824的激活，可以显示用户界面5000。 
如图所示，设备线圈设计面板5002可以由接受用于定义设备线圈的参数值的多个输入框组成。如图所示，连线类型输入字段5004包括用于选择连线类型(比如，利兹线)的下拉菜单，而连线属性字段5006包括用于更具体地定义所选连线类型的物理维度的下拉菜单。注意的是，设备线圈的设计的可用的连线类型和/或维度可以与源设计中所使用的相同，或者它们 可以不同。 
设备线圈类型字段5008可以是用于定义设备线圈类型的下拉菜单。在本例中，已经选择了矩形线圈。示例性线圈类型属性字段5010a-5010e可以允许用户输入与选定的设备线圈类型相对应的期望属性值。例如，矩形设备线圈在某种程度上是由矩形设备线圈的宽度和长度定义的。结果，线圈类型属性字段5010可以被选择性地显示以接收输入的宽度和长度维度。各个其它示例性线圈类型属性字段包括但不限于，与设备线圈缠绕方向、设备线圈匝数、以及线匝之间的设备线圈间隔相对应的字段。 
在实施例中，谐振器可以由具有相似或相同参数的源线圈和设备线圈形成。在这些实例中，可能期望在设备线圈设计板5002的字段中填入针对源线圈设计板4804定义的参数(反之亦然)。根据示例性且非限制性实施例中，可以提供源设计拷贝按钮5012和/或可以提供设备设计拷贝按钮(未示出)。激活源设计拷贝按钮5012(或设备设计拷贝按钮)引起对用于定义相应源线圈(或设备线圈)设计的属性的检索。然后，这些检索的属性可以用作起点，如果期望的话，从该起点进一步详细地定义设备线圈(或源线圈)设计的参数值。 
如前面参照图48的源线圈设计，可以显示设备线圈5016的设备线圈示意图5014(比如，平面展示)，以反映如上面所讨论的选定的设备线圈属性。根据示例性实施例，对任何设备线圈设计板5002输入字段的改变可以引起对设备线圈示意图5014的实时或接近实时的更新，以反映这些变化。在另一个示例性实施例中，可以在用户请求时(比如，经由对更新按钮5018的激活)更新设备线圈示意图5014。 
一旦定义，用户就可以在例如零件库中保存设备线圈设计以便稍后检索并使用。可以通过激活例如保存按钮5018来实现对设备线圈设计的这种保存。同样，可以通过例如激活载入按钮5020来载入先前保存的或以其它方式提供的设备线圈设计，以便使用或进一步修改。 
一旦已经如上所述定义了形成谐振器的源线圈和设备线圈中的每一个，就可以定义组合的源线圈和设备线圈的属性。参照图51，该图示出了用于输入源线圈到设备线圈系统设计参数的用户界面5100的示例性且非限制性实施例。例如，可以通过选择或以其它方式激活线圈到线圈系统设计 标签5102，来访问用户界面5100。 
在这一示例性实施例中，设备位置和设备方向板5104允许输入定义设备线圈相对于源线圈的位置和方向的各个位置参数。例如，设备位置字段5106可以允许期望的坐标系统的输入，比如笛卡尔坐标系统，例如，其中可以规定设备线圈相对于源线圈的位置、以及用于定义设备线圈在所选定的坐标系统中的位置的值。类似地，设备方向字段5108允许期望的坐标系统的输入，比如使用欧拉角度旋转，例如其中可以规定设备线圈相对于源线圈的方向、以及用于定义设备线圈在所选定的坐标系统中的方向的值。 
一旦定义了设备线圈的位置和方向，可以显示包括源线圈5114和设备线圈5112的谐振器的谐振器示意图5110(比如，平面展示)，以反映如上面所讨论的所选定的谐振器线圈属性。根据示例性实施例，对任何设备位置和方向板5104输入字段的改变可以引起对谐振器示意图5110的实时或接近实时的更新以反映这些变化。在另一个示例性实施例中，可以在用户请求时(比如，经由对更新按钮5116的激活)更新谐振器示意图5110。 
如下面更全面描述的，可以提供可选的扫描参数板5116。扫描参数板5116可以定义一系列离散条件，将在这些条件下对谐振器的操作进行计算、显示、测试等。在本例中，示出了如下情形：其中源线圈与设备线圈分开的距离z从最小距离1cm变化到最大距离10cm，并且计算和/或预测按照最小与最大距离值之间10个均匀隔开的间隔而计算的谐振器的响应。注意，可以使用软件建模工具来实现宽范围的扫描参数、扫描参数的组合、扫描参数的最小和最大值、扫描参数的范围、扫描参数的间隔等。本申请中所描述的实施例仅仅是单个示例性实施例。 
为此已经描述了如何输入定义各源线圈和设备线圈以及由源线圈和设备线圈的组合而形成的谐振器的几何结构和组成的各个参数。依照各个示例性且非限制性的实施例，系统6400可以随着用户的输入参数来定义如上所述的源线圈、设备线圈和谐振器的特性来进一步操作以执行输入验证。具体而言，系统6400可以操作以便警告或避免错误输入字段条目的出现、以及自我兼容但是与其它输入字段条目在逻辑上或物理上不一致或不兼容的数据字段条目的出现。 
参照图52，依照示例性而非限制性实施例示出了错误消息的实例。在 所示的示例中，用户界面5200显示错误消息5202，以警告用户：用于识别所期望匝数的数据输入字段位于可接受的设计参数之外。在该实例中，一旦用户丢弃错误消息5202，所识别的数据字段条目就可以返回到位于可接受的设计参数范围内的先前值或默认值。如上所述，按照单个数据输入字段级别来执行验证。 
参照图53，依照另一个示例性且非限制性实施例，示出了错误消息的实例。在所示的示例中，用户界面5300显示错误消息5302，该错误消息5302警告用户：用于识别连线类型的数据输入字段潜在地与其它数据字段条目不一致或不兼容。具体而言，在本例中，错误消息5302指示：利兹线的选择与4000kHz的工作频率的选择不一致。在这些实施例中，系统6400警告用户针对系统参数的不良选择。根据一些示例性实施例，系统6400可以操作以建议引起降低不一致性的其它参数选择和值。如上所述，在板级来执行该验证。 
参照图54，该图示出了根据另一个示例性且非限制性实施例的错误消息的实例。在所示的示例中，用户界面5400显示错误消息5402，该错误消息5402警告用户：由数据字段条目定义的源线圈的几何结构是无效的。在这些实施例中，系统6400进行操作以便向用户警告设计错误。如所描述的，在标签级别执行该验证。 
参照图47，在步骤4706，可以对已定义的谐振器的设计参数、所设计的谐振器的电磁性能进行建模。 
参照图55，该图示出了用于计算并观察在步骤4702和4704中定义的系统6400的预计IMN结果的用户界面5500的示例性且非限制性实施例。如图所示，响应于对预计IMN结果标签5502的激活，可以显示用户界面5500。 
依照示例性且非限制性实施例，如上所述，在步骤4706处对系统的电磁性能进行预计之后，可以在步骤4708处设计阻抗匹配网络。然后，在步骤4710，因此建模的系统可以被建立，并且被测量的操作参数被用作对步骤4706的递归输入，以便精细地调谐并逐步改进对系统的设计。 
依照示例性且非限制性实施例，该精细调谐可以包括验证过程，在该验证过程中，对源和设备线圈参数进行测量。然后，这些参数可以反馈到 步骤4706，以计算和/或重新计算任何和/或所有阻抗匹配网络的匹配电路组件。用于组装无线功率系统的剩余过程可以包括：在源和设备电子板上构成实际组件，并测量所形成的输入阻抗。然后，可以将从组装后的组件测量出的数据反馈给系统，以完成用于优化性能的匹配组件值。 
在源和设备谐振器上的阻抗匹配网络(IMN)的适当设计和构造可以确保系统在一定范围的源和设备配置上的安全和可靠操作。通常，这些配置包括一定范围的设备位置(相对于源)，其中该设备可以处于标称状况下和开路负载状况下。依照示例性实施例，设计的IMN可以确保从源放大器的适当功率提取和该功率在所有标称配置下向设备的传递(不需要活动控制)。当设备负载为开路时(如针对例如完全充电的电池的情况)，源和设备IMN可以通过使从源放大器汲取的功率最小化的方式来转换开路。依照示例性且非限制性实施例，阻抗匹配网络可以被设计为使得最大开路负载电压小于与任何或所有设备电子电路和组件相关联的任何电压限制、规定、规范等。 
参照图56，该图示出了根据示例性而非限制性实施例的验证过程的步骤。首先，在步骤5602，可以测量源和设备线圈参数，比如质量因素、自感和耦合因子。然后，在步骤5604，所测量的线圈参数以及放大器和整流器参数可以被反馈到系统。然后，在步骤5606，比如电源、放大器、整流器和设备负载参数之类的电子对象设计参数可以被插入到系统中。接下来，在步骤5608，可以选择可接受的线圈到线圈效率特性的标称设备匹配点。该标称设备匹配点可以从参数扫描中计算出的一组值中选择，和/或可以在不考虑或已执行参数扫描的情况下由用户输入该标称设备匹配点。接下来，在步骤5610，可以选择和/或计算与放大器可接受的功率特性和阻抗相对应的标称源匹配点和源IMN值。然后，在步骤5612，可以针对可接受的输出开路电压(或其它系统规范)来选择设备IMN值。然后，在步骤5614，可以观察在某个工作点或根据扫描参数的效率、功率、电压和电流的预测值。然后，在步骤5616，放大器和整流器板可以安装有计算出的匹配组件，比如电感器、电容器、开关等，所述计算出的匹配组件具有计算出的值、或者具有位于计算出的值和测量出的输入阻抗附近的值。最后，在步骤5618，测量出的阻抗值可以被反馈到系统中，以调整并完成匹配组件值。 
参照图57，该图示出了用于输入系统设计参数的用户界面5700的示例性而非限制性实施例。如图所示，响应于对系统设计标签5702的激活，可以显示用户界面5700。 
如图所示，用户界面5700的左半部分包含针对线圈到线圈数据(包含Q、L和K值)的数据输入字段。通过对“编辑值”按钮5704进行点击，可以出现表格编辑窗，如图58中所示，允许输入从5602确定的测量出的Q、L和k值。在本例中，扫描值以SI为单位，例如，针对转换值，使用米为单位。 
在该示例性实施例中，终端对象指的是附着到电源和负载终端的电子设备。可以经由所示的用户界面单元来修改源电子设备和设备电子设备的设计值。在本例中，这些包括针对源侧的电源总线电压和放大器类型(全桥式开关放大器、半桥式开关放大器等)和设备侧整流器类型(全桥式、半桥式等)和负载特性(电阻、开路电压等)的规则。 
用户界面5700的右半部分是标记为“为设备选择标称匹配点”的面板5706。面板5704可以用于执行用于设计阻抗匹配网络的第一步。在示例性实施例中，该步骤可以包括选取设备的标称匹配点，如图所示该标称匹配点锁定值Z设备。该步骤中要注意的设计标准是线圈到线圈的效率。面板5706中的第一曲线5708示出了理想的线圈到线圈效率，当允许Z设备随着位置而变化时可以达到该理想的线圈到线圈效率，第二曲线5710示出了具有固定的Z设备的最有可能的线圈到线圈效率。在一些示例性实施例中，该系统可以具有固定的Z设备。 
可以通过对面板5706下面的下拉列表中的“标称匹配点”进行点击，来改变该标称匹配点。随着标称匹配点变化，第二曲线5710可以实时、接近实时地变化，或作为激活按钮或命令的结果。如果阻抗匹配网络是固定的，则软件工具可以建议形成系统效率的阻抗匹配网络，所述系统效率最接近计算出的线圈到线圈效率以及规定的标称匹配点。也就是，第二曲线5710可以在标称匹配点处最接近第一曲线5708，但是可以在其它点处与第一曲线5708偏离得更多。要注意的是，在不同标签上显示的和/或在设计过程中的不同阶段处报告的线圈到线圈效率可能不反映与放大器和整流器设计相关联的电子设备和组件损耗，因此最终的端到端效率将低于第二曲线 5710。 
通过评价针对各个标称匹配点而设计的系统的预计性能，随后用户可以选择在整个扫描参数范围上产生可接受的线圈到线圈效率简档的标称匹配点。可以通过以任何已知的方法(例如，包括点击“接受修改”按钮，所述“接受修改”按钮被编程为将所选择的值输入到系统中)来保存参数，将设计参数的最终选择输入到软件建模工具中。如果需要，终端对象中的参数可以被调整，直到改变被成功接受为止。 
标称值显示5712可以是针对设备参数的标称值(包括R代替和C代替的值)的显示。这些可以是用于支持源IMN的构造的实际组件值。也就是，代替值不是最终设备IMN值，而是可以用于支持源电子设备和阻抗匹配网络的准确且有效组合的网络。设备IMN可以被设计在另一个标签中或代码段中，并且一旦已经对源进行组合并特征化，就可以向用户报告该设备IMN。在实施例中，可以在与源IMN相同的时间计算和报告设备IMN，并且源和设备都可以被组合，而无需涉及代替电路的中间步骤。 
参照图59，示出了用于执行在确定和/或组合阻抗匹配网络时的步骤的用户界面5900的示例性而非限制性实施例。如图所示，响应于对源匹配设计标签5902的激活，可以显示用户接口5900。根据示例性实施例，在该步骤之后，可以完成源设计。在一些组合步骤中，线圈到线圈效率可以用作设计准则。在其它组合步骤中，功率流可以用作设计准则。在示例性实施例中，源阻抗匹配网络设计和组合方法、结果、技术等可以将功率流用作设计和组合质量和/或适合性的度量。 
在上部，左侧面板5904划分为两条曲线。第一条曲线5906是从放大器的预测功率输出，第二条曲线5908是向设备负载传递的预测功率。下面的面板5904是在源匹配输入下的三个数据输入字段。可以利用指向数据输入字段的右侧的下拉菜单控件上的上/下箭头来调整它们的值。 
根据示例性而非限制性的实施例，示例性设计序列如下。首先，通过点击标称匹配点下拉列表上的上/下箭头来选择针对源的标称匹配点。在该标称点处，从放大器提取固定的输出功率。该点可以被移动到期望的输出范围的中心。 
接下来，可以通过点击标称输出功率下拉列表上的上/下箭头来选择标 称输出功率。这确定了位于来自先前步骤的标称匹配点处的放大器的功率输出。该值可以被增加以确保在期望的操作范围上向负载传递足够的功率。虽然该调整可以改变整个功率传递曲线的形状，但是在下一步中可以重新调整该功率传递曲线。 
最后，可以通过点击X3滑块上的上/下箭头，来设置源IMN中的X3的电抗值。这将调整功率传递曲线的形状。值X3可以被改变，使得该曲线关于标称匹配点大致对称。根据示例性实施例，可以存在具有可接受曲线的两种解决方案，一种解决方案具有正的X3(电感器)，另一个解决方案具有负的X3(电容器)。 
如图所示，计算出的源IMN组件在控制下出现在面板5910中。可以检查这些组件，以确定它们对于目标应用是否是可接受的。如果可接受，则点击“接受修改”按钮，将接受所有修改以便存储在系统上。如果这些值是不可接受的，则用户应该返回先前步骤并为系统设计选择不同的参数，直到工具已设计出适当的和/或可接受的阻抗匹配网络为止。 
面板5912显示提供给放大器的阻抗，以及用于验证所有值都位于可接受范围内的组件电流和电压(例如，电压水平位于组件容限内)。在这点上，如果确定组件是目标应用不可接受的，则可以返回并调整标称匹配点、标称功率输出和/或X3下拉列表。 
在设置了标称匹配点(线圈到线圈配置)并确定了源IMN组件之后，可以为设备IMN选择X3的值，该值将完全确定设备IMN组件。这里的设计准则可以是设备上的负载终端上的开路电压。当例如负载是具有最大输入电压容限的DC/DC整流器时，该参数可能较为重要。 
参照图60，该图示出了用于执行阻抗匹配中的下一步骤的用户界面6000的示例性而非限制性实施例。如图所示，响应于对设备匹配设计标签6002的激活，可以显示用户界面6000。面板6004根据扫描参数来描绘标称负载电压6006和开路负载电压6008的曲线。下面的面板6004是用于调整设备X3和优化另一个设计准则——开路电压的控制。改变设备X3可以改变开路电压简档，而无需改变标称负载电压简档。开路电压是如果例如负载是已完成对电池进行充电的电池充电器时出现在负载终端处的电压。例如，通过点击下拉箭头可以改变X3，直到得到开路电压简档为止。当设 置X3的值时，在面板6010中显示设备IMN组件。如果X3是正的电抗，则L3将为非零并且C3将是无限的(短路)。如果X3是负的，则C3将是有限的并且L3将为零。 
在决定X3的值之后，面板6012显示设备组件电流、电压和功耗，以确保所有数量都位于组件容限范围内。 
参照图61，该图示出了用于显示计算出的源和设备IMN组件值的用户界面6100的示例性而非限制性实施例。如图所示，响应于对预测的端对端结果标签6102的激活，显示用户界面6100。面板6104显示计算出的源和设备IMN组件值。面板6106显示一定范围的物理相关数量的曲线，包括来自先前标签的电流和电压。还包括的是针对该系统的端对端效率预测，包括电子设备中的损耗。可以在继续验证所有预测数量位于可接受范围内之前，可以核查这些预测。 
根据示例性而非限制性实施例，该系统进行操作，以引导完成用于物理地构造源和设备侧的IMN的过程。由于都遵循相似的工作流，下面参照源匹配用户界面6200更全面地描述源匹配用户界面和设备匹配用户界面两者。参照图62，该图示出了源匹配用户界面6200的示例性而非限制性实施例。如图所示，响应于对源匹配标签6202的激活，显示了用户界面6200。 
如参照下面的设备和源建立用户界面的示例性而非限制性实施例更加全面描述的，在左侧的“匹配目标”面板中示出了初始阻抗和目标阻抗。源IMN将转换Z初始＝R初始+jX初始到Z最终＝R最终+jX最终。Z初始指的是“T”IMN的线圈侧上的阻抗。Z最终指的是应该从终端看到的阻抗——由源侧的放大器或设备侧的负载所看到的。 
每个用户界面6200被设计为显示在先前标签中确定的理想的或接近理想的匹配组件，并且将这些组件与成品组件在被焊接时的测量值进行比较。 
例如，从源匹配用户界面5900计算出的源IMN组件显示在“计算理想匹配网络”面板6204中的左侧。有另外的控制允许改变组件值并重新计算匹配。例如，如果库存中的L3电感器的电感大于预计的理想组件值，那么这是有用的。通过激活C2和C3成为自由参数的复选框，可以重新计算匹配。这将形成有限值C3，其从L3中删除过量的电抗。用户可以利用该特性根据需要来定制IMN(例如，通过降低对某些组件值的变化的敏感度)。 
在每个用户界面6200上，史密斯图表6206示出了随着组件被成功安装，阻抗所采用的轨迹。从史密斯图表6206的顶部的初始阻抗Z初始开始，因为与C1相关联的电抗变为更负(增加C1)，阻抗轨迹为到达标记为C1的端点的曲线。由于与C2相关联的导纳增加(增加C2)，形成的阻抗轨迹为深蓝色曲线。如果L3为非零，则该阻抗轨迹将是绿色曲线。最终，随着C3的电抗变得更负(减少C3)，从终端看到的网络阻抗轨迹为红色曲线。通过观察轨迹如何随着理想或接近理想的IMN的组件而变化，可以建立关于每个组件的表现和灵敏度的直觉。 
如下面更全面描述的，“成品匹配网络”面板6208允许跟踪焊接到IMN中的组件的有效值。焊盘和迹线可以具有一些寄生电容和电感，并且电容器值可能不正好等于它们列出的值。小百分比的变化可能造成IMN行为的明显偏差，如可以通过改变“理想IMN”组件的值而看到的。 
可以如下使用成品面板6208：在每个组件值旁边是显示以下内容的字段：在组件处的阻抗给予其电流的值以及其它下游(朝向源线圈)组件的值。该电流组件的值可以被调整，直到所显示的阻抗尽可能地接近与从网络分析器或任何等效测量装置测量出的值相匹配。因此显示的组件值是板上的实际组件值，包括寄生和固有组件值变化。在该行的最右侧文本字段显示了要加/减的量，以便获得期望的IMN值。 
在实施例中，将电容器焊接到阻抗匹配网络中时，可能优选的是通过在具有等于期望值的大约80％的规定值的组件中进行焊接来开始。然后，一旦使用成品用户界面推导出有效电容器值，就可以添加剩余值。该技术可以缩短将电容器从网络焊开并用其它物质来替代所需要的时间量。如果焊接和拆焊电容器是同样期望或不期望的，可能不需要最初在较低电容组件中焊接。通过这种方式使用匹配工具能够使用户将匹配网络构建成高精度。 
参照图63，该图示出了用于实施如上所述的软件建模工具的各个示例性而非限制性实施例的系统6300的框图。包括但不限于个人计算机、服务器、PDA等计算设备6302包括：处理器6304和附加存储器6306。可以启用处理器6304来执行比如可以存储在计算机可读介质(例如，存储器6306)中的软件指令以执行如上所述的软件步骤。用户界面6308允许例如从用户 输入数据和信息，并将信息显示给用户。 
依照其它示例性而非限制性实施例，设计和建模工具可以用于辅助设计员开发无线能量传输系统，从最初构思到最终测试。图64中示出了描述设计和建模工具的主要步骤的流程图。设计工具的主要步骤如下。 
最初，设计员可以选取诸如适合于应用的频率、功率、线圈几何形状和其它参数之类的输入。 
接下来，可以通过附近是否有外部导体来确定谐振器线圈的类型(屏蔽的或非屏蔽的)的选择。外部对象可能容易受到寄生涡电流的影响，其可能降低一个或两个谐振器的Q。屏蔽谐振器线圈通常可以是优选附近的外部导体，但是可以稍稍大于类似表面积的非屏蔽谐振器线圈。在其它应用中，谐振器的选择可以在近似平面线圈与三维线圈(比如螺旋状等)之间进行。螺旋线圈可以具有增加的对准容差，但是可能更难封装。 
接下来，可以在建模工具中做出诸如谐振器导体选择之类的频率考虑和选择。例如，利兹线可以被选为导电材料，因为其在AM无线频带(<520kHz)下表现良好，并且可以在实心线可能表现更好的地方选择实心线，比如在更高频率处(例如，6.78和13.56MHz处的ISM频带)。 
接下来，可以计算针对各种线圈设计的最高Q和耦合系数。可以使用一些迭代来研究不同线圈参数如何影响扫描参数范围(比如线圈之间的距离)上的Q和耦合系数(k)。 
接下来，一旦意识到线圈之间的可接受耦合，设计员就可以选取扫描参数(例如，距离)的标称值来计算用于将谐振器耦接到源和设备电子的最优IMN(阻抗匹配网络)。如果所选择的标称值是距离，则该距离将与耦合系数k的标称值相对应。 
接下来，设计员可以计算根据扫描参数而描绘的功率传输曲线。在很多情况中，固定调谐的放大器可以提供足够的性能。在一些情况中，能够动态改变IMN的自动调谐放大器和/或整流器可以提供在扫描参数上的扩展性能。 
然后，在实验室中，设计员可以将IMN组件附着到电感元件或线圈上，并且对网络分析器、示波器等进行一些测试，以便精细地调谐仿真器中的参数。用户可以建立并测试系统并且将测量值与仿真输出进行比较。在一 次或两次迭代之后，用户可以对电容器、电感器等或者对仿真参数进行小调整，以提高仿真值与测量值之间的一致性。 
最后，源和设备谐振器可以被打包并进入最终测试。设计员可以使用仿真器和建模工具来提供假设分析。例如，系统对方向变化的预期容限是多少？或者，另一距离的效率到底有多差？ 
虽然已经结合某些优选实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解其它实施例，并且所述其它实施例旨在处于本申请的保护范围内，所述其它实施例将按照法律允许的最宽意义来解释。 
通过引用的方式将本申请中引用的所有文档整体并入本申请，如同在本申请中完整给出这些文档一样。