用于光伏板的无线能量传输.pdf

本发明说明了用于涉及光伏板的无线电力传输的改进结构。说明了方法或设计，其使用来自光伏模块的电能给至少一个无线能量源供能，以产生振荡磁场，用于无线能量传输。源可以被配置并调谐以向光伏模块提供阻抗，其中，所述阻抗实现了从所述光伏模块实质性的能量提取。

权利要求书1.  一种利用给光伏模块对无线能量源供能的方法，所述方法包括：使用来自光伏模块的电能来给至少一个无线能量源供能以产生振荡磁场，以及配置所述无线能量源以向光伏模块提供阻抗，其中，所述阻抗实现了从所述光伏模块提取能量。2.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括使用无线能量捕获设备来将所述振荡磁场变换为电能的步骤，所述无线能量捕获设备被设置为远离所述无线能量传输源且不与所述无线能量传输源电气接线。3.  根据权利要求1所述的方法，进一步包括，响应于所述光伏模块的环境条件的变化而调整所述源的所述阻抗。4.  根据权利要求2所述的方法，进一步包括，响应于所述光伏模块的电气参数的变化而配置所述无线能量源的所述阻抗。5.  根据权利要求4所述的方法，进一步包括，响应于来自所述光伏模块的电流的增大而减小所述无线能量源的所述阻抗。6.  根据权利要求4所述的方法，进一步包括，响应于来自所述光伏模块的电流的减小而增大所述无线能量源的所述阻抗。7.  根据权利要求4所述的方法，进一步包括，响应于来自所述光伏板的电压的增大而减小所述无线能量源的所述阻抗。8.  根据权利要求4所述的方法，进一步包括，响应于来自所述光伏板的电压的减小而增大所述无线能量源的所述阻抗。9.  根据权利要求4所述的方法，其中，配置所述阻抗进一步包括：调 整所述无线能量源的开关时间。10.  根据权利要求4所述的方法，其中，配置所述源进一步包括：调整所述无线能量传输源的电感、电容、电阻或开关时间中的两个或更多个。11.  根据权利要求4所述的方法，其中，配置所述源进一步包括：调整所述无线能量捕获设备的电感、电容、电阻或开关时间中的一个或多个。12.  一种采用无线能量传输的光伏能量系统，所述系统包括：光伏模块，所述光伏模块产生电能；无线能量源，所述无线能量源连接到所述光伏模块并由所述电能供电，所述无线能量源产生振荡磁场，其中，所述无线能量源的阻抗被配置为向所述光伏模块提供特定的阻抗。13.  根据权利要求12所述的系统，进一步包括无线能量设备，其中，所述无线能量设备被配置为捕获所述振荡磁场并将所述磁场的能量转换为处于一电压下的电流。14.  根据权利要求13所述的系统，其中，能够调整所述无线能量设备以在所述无线能量设备的输出处实现特定电流。15.  根据权利要求13所述的系统，其中，能够调整所述无线能量设备以在所述无线能量设备的输出处实现特定电压。16.  根据权利要求13所述的系统，其中，能够响应于所述光伏模块的电气参数的变化而配置所述无线能量源的阻抗。17.  根据权利要求14所述的系统，其中，具有类似输出电流的多个无线能量捕获设备被配置为串联连接。18.  根据权利要求17所述的系统，其中，能够调整所述输出电流以保 持在所述串联连接的两端上的期望电压。19.  根据权利要求15所述的系统，其中，具有类似输出电流的多个无线能量捕获设备被配置为并联连接。20.  根据权利要求19所述的系统，其中，能够调整所述输出电压以保持来自所述并联连接的期望电流。21.  一种传输能量的方法，所述能量来自被连接到无线能量源的可再生能量系统，所述方法包括：配置所述无线能量源以在谐振器之间进行能量传输，其中，至少一个谐振器被连接到无线能量捕获设备，以及进一步配置所述无线能量源以向可再生能量系统提供阻抗，其中，所述阻抗实现了从所述可再生能量系统提取能量。22.  根据权利要求21所述的方法，进一步包括，响应于所述可再生能量系统的环境条件的变化而调整所述阻抗。23.  根据权利要求22所述的方法，其中，所述可再生能量系统包括风力涡轮机。24.  根据权利要求22所述的方法，其中，所述可再生能量系统包括水力涡轮机。25.  根据权利要求22所述的方法，其中，所述可再生能量系统包括热交换器。

说明书用于光伏板的无线能量传输
相关申请的交叉引用
本申请要求保护于2011年10月18日提交的美国临时专利申请61/548,521以及于2011年10月19日提交的美国专利申请13/277,083的利益。
前述申请通过引用它们的整体的方式并入本文中。
技术领域
本公开内容涉及无线能量传输，用以实现这种传输的方法、系统和装置、及应用。
背景技术
可以使用各种技术以无线方式传输能量或电力，例如在共同拥有的于2010年9月23日以美国专利公布No.2010/0237709公布的题为“RESONATOR ARRARYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER”的美国专利申请No.12/789,611、于2010年7月22日以美国专利公布No.2010/0181843公布的题为“WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION”的美国专利申请No.12/722,050、于2010年12月9日以2010/0308939公布的题为“Integrated Resonator-Shield Structure”的美国专利申请12/860,375、于2010年3月15日以2010/0062345公布的题为“Low Resistance Electrical Conductor”的美国专利申请13/222,915、于——公布为——的题为“Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Lighting”的美国专利申请13/283,811和于——公布为——的美国专利申请13/534,966中详述的，其内容以它们的整体并入本文，如同在此完全陈述。现有技术的无线能量传输系统受到各种因素的限制，包括对用户安全性的顾虑、低能量传输效率和用于电源供应与接收组件的受限的物理邻近性/对齐容限。
通常认为传统住宅和商业太阳能光伏(PV)板安装的应用受到这些太阳能系统的高成本的妨碍。最近的估计显示高达50％的系统成本与太阳能PV板安装过程相关。驱使太阳能PV板装置的高成本的因素可以包括：
·屋顶危险：通常在屋顶上执行安装工作，这种工作由于固有的危险会给责任和工人赔偿保险带来相当大的附加费用。
·高度熟练的工人：太阳能PV板安装的复杂性会需要高度训练的技术工人(屋面工、木匠、和电工)、承包商、和职业技师的集合，他们要求附加的费用。
·场地特异设计：每一个安装都会需要场地特异工程设计以优化板位置、串列设计和布线结构，用以适应单个屋顶斜度、太阳方向及其他建筑物的特定特征。包括具有不同照明级别的板和串列的安装会需要专用最大功率点跟踪器(MPPT)电路，以从这些区域中的PV板有效地提取能量。于是MPPT电路的输出需要共同连线或者单独连线到内部主逆变器或电池充电器。如果没有这种特定位置的优化，输出效率就会大大低于期望。
·屋顶和建筑物穿透：通过屋顶结构或外墙进行走线会是昂贵且有可能易于引起麻烦的操作，损害了建筑物的风雨密性。
·高固定成本：安装成本会具有高固定成本成分，意思是PV安装的规模必须足够大(常常是2kW-3kW)以分摊安装成本。结果是典型的住宅同样PV系统会花费高达$20,000，并且会具有超过二十(20)年的无补助偿还期。
除了高安装成本以外，传统的连线的PV板也难以重构且是不可靠的。这些板会需要永久地连线到固定位置中，使得结构中的变化或重新定位很麻烦，因为这需要重新布线并延长电气连接。另外，有线连接会使得PV系统中导线、连接器和电路组件的耐候性和密封性更为困难，并会导致在可能暴露于极端环境条件下的安装系统中更多的故障点，这些极端环境条件包括极端温度、强风、雨、高紫外线辐射等。
因此，存在对能够减小于PV板的布线相关的成本与复杂性的方法和设计的需要。
在有线连接下，在区域上对移动设备或者常常重新定位的设备的能量分配是不切实际的。移动和改变设备产生了导线缠绕、跳闸的危险等。当 设备所在的区域或范围相比设备的尺寸较大时，在较大区域上的无线能量传输会是困难的。在源与设备无线能量捕获模块中的大的失配会对以足够高的效率向设备传送足够的能量以使得实施切实可行形成威胁，或者会是难以布置的。
因此，存在对能量分配的方法和设计的需要，其没有导线但易于布置和可配置，同时可以传送足够的电力，以使得为许多家庭和工业设备供电切实可行。
发明内容
可以设置谐振器和谐振器组件以在包装应用中的较大区域上分配无线能量。例如在共同拥有的于2010年9月23日公布为美国专利公布No.2010/0237709的题为“RESONATOR ARRARYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER”的美国专利申请No.12/789,611、和于2010年7月22日公布为美国专利公布No.2010/0181843的题为“WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION”的美国专利申请No.12/722,050中已经说明了可以使用的无线能量传输谐振器和组件，其内容在整体上并入，如同本文充分阐述的。
根据示例性且非限制性的实施例，一种包装产品包括产品，至少部分覆盖所述产品的产品包装，设备谐振器，所述设备谐振器与所述产品包装集成用于从源谐振器接收无线能量，及电气组件，所述电气组件耦合到所述设备谐振器，用以从所述设备谐振器接收无线能量。
根据另一个示例性且非限制性的实施例，一种方法包括提供至少一个源谐振器，提供多个包装产品，每一个包装产品都包括设备谐振器，用于从所述至少一个源谐振器接收无线能量，和电气组件，所述电气组件耦合到所述设备谐振器，用以从所述设备谐振器接收无线能量，及布置所述多个包装产品，以使得所述多个包装产品中多于一个包装产品足够接近所述至少一个源谐振器以接收无线能量。
根据另一个示例性且非限制性的实施例，一种系统包括至少一个源谐振器和保持设备，用于定位多个包装产品，每一个包装产品都包括产品，至少部分覆盖所述产品的产品包装，设备谐振器，所述设备谐振器与所述 产品包装集成用于从源谐振器接收无线能量，及电气组件，所述电气组件耦合到所述设备谐振器，用以从所述设备谐振器接收无线能量。
使用耦合谐振器为PV板增加无线能量传输的能力可以实质性减小太阳能板安装过程的成本和复杂性。在实施例中，具有相关MPPT电路和相关无线能量源的各个板可以放置在屋顶上。相应的无线能量捕获设备可以位于屋顶下面。这个结构可以减轻驱使太阳能PV板安装的高成本的因素。例如，可以无需太多屋顶上的电气布线和相关的屋顶穿透。可以需要训练并投保很少的安装人员用于屋顶作业。PV板或许无需电气馈通和相关的风雨密性。
在将无线能量传输应用于PV板中的一个具体难题是在不降低从PV板或板串列提取最大电能的能力的情况下，优化无线能量传输的问题。PV板的电流和电压特性具有复杂的关系，其随着照明程度、PV板温度和连接到PV板的电路而改变。传统MPPT系统采样PV板的输出并施加等效的负载电阻，其对于包括照明度和温度的任何给定环境条件获得最大功率。问题在于等效负载电阻随环境条件变化而改变，电阻在任意给定时间可能不传导无线能量传输。
例如，在一个实施例中，PV板可以具有MPPT电路，其使得PV能量提取最大，但向无线能量源提供了变化的电流和电压特性。在无线能量源的输入的电流和电压中的变化可以降低到无线能量捕获设备的无线能量传输的效率。在其他实施例中，可以向MPPT电路增加附加的电路，其调节无线能量源的输出。但附加的电路可以吸收打算用于无线传输的一些能量。
在另一个实施例中，借助无线能量源实现了在实质上不损失打算用于无线传输的能量的情况下从PV板提取电能，所述无线能量源可以被配置用于在谐振器之间的能量传输，同时还向PV板施加等效负载电阻用于最佳的能量提取。这个无线源可以在当前可能的范围广泛的环境条件下有效地从PV板向无线捕获设备传输能量。这个无线能量源在本文中称为“无线能量最大功率点跟踪器(WEMPPT)”。
在实施例中，可以通过增加开关时间的自动调整而在包括开关放大器的无线能量源中实现WEMPPT结构。在其他实施例中，可以通过增加响应于改变环境条件的电路元件的自动调整而在包括诸如电容器、电感器和电 阻器的所述电路元件的无线能量源中实现WEMPPT结构。
除了太阳能PV板以外，产生电能的其他方法包括风力发电机、水力发电机、热电发电机和热光伏发电机。此类方法还提供电输出，其随环境条件而改变，传统MPPT电路可以用于使得能量提取最大。本领域技术人员会理解，WEMPPT结构的特征是通用的，可以应用于范围广泛的电能发生器。
在多个实施例中，多个系统和过程使用耦合的谐振器提供无线能量传输。在某些实施例中，无线能量传输系统可以需要或得益于验证并认证无线能量的源和接收器的能力。这种实施例的特点是通用的，可以应用于范围广泛的谐振器，与本文所述的特定示例无关。
在实施例中，磁谐振器可以包括电感器和电容器的一些组合。诸如电容器、电感器、电阻器、开关等的附加的电路元件可以插入到磁谐振器与电源之间，和/或磁谐振器与功率负载之间。在本公开内容中，包括谐振器的高品质因数感应回路的导电线圈可以称为电感器和/或电感负载。在将电感负载无线地耦合(通过互感)到其他系统或外部对象时，它也可以指代电感器。在本公开内容中，除了电感负载以外的电路元件可以称为是阻抗匹配网络或IMN的部件。会理解，称为是阻抗匹配网络的部件的元件可以全部是、部分是或者全都不是磁谐振器的部件。哪些元件是谐振器的部件，哪些元件与谐振器分离会取决于特定磁谐振器和无线能量传输系统设计。
在一个方面，一种从连接到无线能量源的光伏设备传输能量的方法可以包括配置所述源，用于在谐振器之间的能量传输。至少一个谐振器可以连接到无线能量捕获设备。所述源可以向光伏设备呈现阻抗。可以响应于光伏设备上的辐照度中的变化调整所述阻抗。可以在无线能量源中调整诸如电感、电容、电阻的一个或多个电路参数。可以在无线能量捕获设备中调整诸如电感、电容、电阻或开关时间的一个或多个电路参数。
在另一个方面，一种从连接到无线能量源的光伏设备传输能量的方法包括配置所述源，用于在谐振器之间的能量传输，其中，至少一个谐振器可以连接到无线能量捕获设备。所述捕获设备可以向负载输出电流。可以将所述电流控制为设定值。所述源可以向光伏设备呈现阻抗。可以响应于光伏设备上的辐照度中的变化调整所述阻抗。多个无线能量捕获设备可以 具有近似的相同设定值，并可以被配置在串联连接中。可以调整设定值以保持横跨串联连接的期望电压。
在另一个方面，一种从连接到无线能量源的光伏设备传输能量的方法包括配置所述源，用于在谐振器之间的能量传输，其中，至少一个谐振器可以连接到无线能量捕获设备。所述捕获设备可以向负载输出电压。可以将所述电压控制为设定值。所述源可以向光伏设备呈现阻抗。可以响应于光伏设备上的辐照度中的变化调整阻抗。多个无线能量捕获设备可以具有近似的相同设定值，并可以被配置在并联连接中。可以调整设定值以保持横跨并联连接的期望电流。
在另一个方面，一种无线能量传输系统的组件，其中，所述系统连接到光伏设备，具有安全带外通信链路，用于数据和参数的交换，以及带内信号传输能力。带内信号传输能力可以基于修改或调制用于无线电力传输的磁场。带内信号传输能力可以用作次要通信信道，用以验证磁能的源或目的地。带外信号传输能力可以用于交换信息，以便调整能量传输的参数、监控能量传输的参数，及将期望和监控的变化与能量传输的参数相比较。
除非另有指明，本公开内容可互换地使用术语光伏板、光伏模块、光伏设备、太阳能板等。本领域技术人员会理解，本申请中所述的范围广泛的光伏系统设计和功能可以支持各种系统架构。
除非另有指明，本公开内容可互换地使用术语无线能量传输、无线电力传输、无线电力传送等。本领域技术人员会理解，本申请中所述的范围广泛的无线系统设计和功能可以支持各种系统架构。
在本文所述的无线能量传输系统中，可以以无线方式在至少两个谐振器之间交换功率。谐振器可以提供、接收、保持、传输和分配能量。无线电力的源可以称为源或供应设备，无线电力的接收方可以称为设备、接收机和功率负载。谐振器可以是源、设备或者同时是二者，或者可以以受控方式从一个功能改变为另一个功能。被配置为保持或分配能量的不具有到电源或耗电设备的有线连接的谐振器可以称为转发器。
本发明的无线能量传输系统的谐振器能够在与谐振器自身的尺寸相比的远距离上传输电力。就是说，如果谐振器尺寸以能够包围谐振器结构的最小球面的半径来表征，本发明的无线能量传输系统就可以在大于谐振器 的特征尺寸的距离上传输电力。系统能够在谐振器之间交换能量，其中，谐振器具有不同的特征尺寸，及其中，谐振器的感性元件具有不同尺寸、不同形状，由不同材料组成等。
本发明的无线能量传输系统可以描述为具有耦合区、供能区或体积，全都借助说明在彼此分离的谐振对象之间传输能量，它们可以具有彼此之间可变的距离，可以相对于彼此移动。在某些实施例中，可以通过其传输能量的区域或体积可以称为有效场区或体积。另外，无线能量传输系统可以包括多于两个谐振器，它们可以耦合到电源、功率负载、电源和功率负载或者不耦合到电源和功率负载。
无线提供的能量可以用于为电气或电子设备供电，再充电电池或充电能量储存单元。可以同时充电或供电多个设备，或者连续进行到多个设备的电力传输，以使得一个或多个设备在一段时间期间中接收电力，此后，可以将电力传输转换到其他设备。在多个实施例中，多个设备可以与一个或多个其他设备同时、或者以时间多路传输方式、或者以频率多路传输方式、或者以空间多路传输方式、或者以方向多路传输方式、或者以时间和频率和空间和方向多路传输的任意组合共享来自一个或多个源的电力。多个设备可以彼此共享电力，至少一个设备连续地、间断地、周期性地、偶尔地、或暂时地重构，以作为无线电源而运行。本领域技术人员会理解，存在多种方式来供电和/或充电适用于本文所述的技术和应用的设备。
本公开内容参考了特定独立电路组件和元件，例如电容器、电感器、电阻器、二极管、变压器、开关等；这些元件作为网络、拓扑、电路等的组合；及具有固有特性的物体，例如具有在整个物体上分布(或者局部分布，与完全集总相对)电容或电感的“自谐振”对象。本领域普通技术人员会理解，调整和控制电路或网络内的可变组件会调整该电路或网络的性能，可以将这些调整总体上描述为调谐、调整、匹配、校正等。可以单独使用用以调谐或调整无线电力传输系统的运行点的其他方法，或者与调整诸如电感器和电容器或者电感器和电容器组的可调谐组件一同使用。本领域技术人员会认识到本公开内容中所述的特定拓扑结构可以以各种其他方式来实施。
除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有本公开内容所属 领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。在与本文所参考提及或包含的出版物、专利申请、专利及其他参考文献有矛盾的情况下，以本说明书包括其定义为准。
除非另有指明，本公开内容可互换地使用术语无线能量传输、无线电力传输、无线电力传送等。本领域技术人员会理解，本申请中所述的范围广泛的无线系统设计和功能可以支持各种系统架构。
本公开内容参考了特定独立电路组件和元件，例如电容器、电感器、电阻器、二极管、变压器、开关等；这些元件作为网络、拓扑、电路等的组合；及具有固有特性的物体，例如具有在整个物体上分布(或者局部分布，与完全集总相对)电容或电感的“自谐振”对象。本领域普通技术人员会理解，调整和控制电路或网络内的可变组件会调整该电路或网络的性能，可以将这些调整总体上描述为调谐、调整、匹配、校正等。可以单独使用用以调谐或调整无线电力传输系统的运行点的其他方法，或者与调整诸如电感器和电容器或者电感器和电容器组的可调谐组件一同使用。本领域技术人员会认识到本公开内容中所述的特定拓扑结构可以以各种其他方式来实施。
除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有本公开内容所属领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。在与本文所参考提及或包含的出版物、专利申请、专利及其他参考文献有矛盾的情况下，以本说明书包括其定义为准。
在不脱离本公开内容的范围的情况下，可以单独或组合地使用上述的任何特征。依据以下的详细说明和附图，本文公开的其他特征、目的和优点会是显而易见的。
附图说明
图1是无线能量传输配置的系统框图。
图2A-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5B是感测电路的框图。
图6A、6B和6C是无线源的框图。
图7是显示占空比对放大器的参数的影响的曲线图。
图8是具有开关放大器的无线电源的简化电路图。
图9显示了对无线电源的参数的变化的影响的曲线图。
图10显示了对无线电源的参数的变化的影响的曲线图。
图11A、11B、11C和11D是显示对无线电源的参数的变化的影响的曲线图。
图12显示了对无线电源的参数的变化的影响的曲线图。
图13是包括具有开关放大器的无线电源和无线电力设备的无线能量传输系统的简化电路图。
图14显示了对无线电源的参数的变化的影响的曲线图。
图15是显示由在磁性材料的砖(tile)之间的不规则间隔引起的可能的不均匀磁场分布的谐振器图。
图16是谐振器，其中，布置磁性材料块中的砖以可以减少在磁性材料块中的热点。
图17A是具有包括较小单块砖的磁性材料块的谐振器，17B和17C是具有用于热管理的附加导热材料条的谐振器。
图18是在多源系统中的通信和能量传输的图示。
图19A和图19B是显示用于能量验证的方法的图示。
图20是具有几个集成谐振器的太阳能PV板的图示。
图21是具有由线缆附接的外部谐振器的太阳能PV板的图示。
图22是具有使用无线电力传输的太阳能PV板的车辆的图示。
图23是具有太阳能PV板的太阳伞的图示，所述太阳能PV板具有能够向伞下的设备提供电力的无线电力谐振器。
图24是具有无线电力传输的屋顶太阳能PV板的实施例的图示。
图25是具有独立谐振器的屋顶太阳能PV板系统的图示。
图26是在板之间具有无线电力传输的屋顶太阳能PV板系统的图示。
图27是具有连接条的屋顶太阳能PV板系统的图示，所述连接条将电力从几个太阳能PV板向一个谐振器无线传输。
图28A显示了串联PV板的电路模型，图28B显示了典型PV板工作 特性。
图29显示了阵列电压相对于阵列电流的曲线图。
图30显示了PV板电阻和电流特性。
图31A-31C显示了适用于PV板的无线能量传输系统的框图。
图32是显示了组合在一起的板的多个输出的图示。
图33是具有PV板的无线能量传输系统的图示。
图34是用于具有PV板的无线能量传输系统的放大器的图示。
图35A和35B显示了在放大器的操作期间的电压和电流图。
图36显示了无线源的阻抗的特性。
图37A和37B显示了无线源的阻抗的特性。
图38显示了具有PV电池的无线能量传输源。
图39显示了用于调谐采用了PV板的源的过程。
图40显示了具有PV板的无线能量传输系统的图示。
图41显示了具有PV板的无线能量传输系统的图示。
图42是能够进行无线能量传输的包装的图示。
图43是能够进行无线能量传输的包装的图示。
图44是能够进行无线能量传输的包装的堆叠的图示。
图45是能够借助去谐贴片进行无线能量传输的包装的图示。
图46是能够进行无线能量传输的包装的图示。
具体实施方式
如上所述，本公开内容涉及使用耦合电磁谐振器的无线能量传输。但这种能量传输不限于电磁谐振器，并且本文所述的无线能量传输系统更为通用并可以使用各种谐振器和谐振物体来实施。
如本领域技术人员会认识到的，对于基于谐振器的电力传输的重要考虑包括谐振器效率和谐振器耦合。例如在于2010年9月23日公布为US20100237709的题为“RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER”的美国专利申请12/789,611、和于2010年7月22日公布为US20100181843的题为“WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION”的美国专利申请12/722,050中提供了此 类问题的详尽讨论，例如耦合模式理论(CMT)、耦合系数和因数、品质因数(也称为Q因数)和阻抗匹配，并且通过引用的方式将其整体并入本文中，如同在本文中被充分阐述一样。
谐振器可以定义为可以以至少两个不同形式存储能量的谐振结构，其中，存储的能量在两种形式之间振荡。谐振结构具有含谐振(模态)频率f和谐振(模态)场的特定振荡模式。角谐振频率ω可以定义为ω＝2πf，谐振周期T可以定义为T＝1/f＝2π/ω，谐振波长λ可以定义为λ＝c/f，其中，c是相关场波的速度(对于电磁谐振器是光)。在没有损耗机构、耦合机构、外部能量供应或耗用机构的情况下，由谐振器存储的能量总量W会保持固定，但能量的形式会在由谐振器支持的两种形式之间振荡，其中，一种形式为最大时另一种形式为最小，反之亦然。
例如，可以构造谐振器以使得存储能量的两种形式是磁能和电能。此外，可以构造谐振器以使得由电场存储的电能主要限制在结构内，而由磁场存储的磁能主要在围绕谐振器的区域中。换句话说，总电能和磁能会相等，但它们的定位会不同。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谐振近磁场来调解。这些类型的谐振器可以称为磁谐振器。
用在无线电力传送系统中的谐振器的重要的参数是谐振器的品质因数或Q因数或Q，其表征能量衰减并与谐振器的能量损耗成反比。可以将它定义为Q＝ω*W/P，其中，P是在稳态损失的时间平均功率。就是说，具有高Q的谐振器具有相对低的本征损耗，可以在相对长的时间中存储能量。由于谐振器以其本征衰减速率2Γ损失能量，其Q也称为其本征Q，由Q＝ω/2Γ给出。品质因数还表示振荡周期T的数量，它是谐振器中能量衰减e-2π的因数所消耗的。注意，谐振器的品质因数或本征品质因数或Q是仅起因于本征损耗机制的。连接到或耦合到发电机g或负载l的谐振器的Q可以称为“有载品质因数”或“有载Q”。在存在外部对象情况下的谐振器的Q可以称为“扰动品质因数”或“扰动Q”，所述外部对象并不被配置为能量传输系统的一部分。
通过其近场的任何部分耦合的谐振器可以相互作用并交换能量。如果谐振器以基本上相同的谐振频率工作，这个能量传输的效率就可以显著增 强。示例性但非限制性地，设想具有Qs的源谐振器和具有Qd的设备谐振器。高Q无线能量传输系统可以利用高Q的谐振器。每一个谐振器的Q可以为高。谐振器Q的几何平均值也可以为高或代之为高。
耦合因子k是在0≤|k|≤1之间的数，它在源和设备谐振器被放置在亚波长距离上时，可以与源和设备谐振器的谐振频率无关(或几乎无关)。在考虑调解它们的耦合的场的物理衰减定律的情况下，耦合因子k反而主要由在源和设备谐振器之间的相对几何形状和距离来确定。用于CMT中的耦合系数可以是谐振频率以及谐振器结构的其他特性的强函数。在利用谐振器的近场的无线能量传输的应用中，期望使得谐振器的尺寸比谐振波长小得多，以便减小辐射所损失的功率。在某些实施例中，高Q谐振器是亚波长结构。在一些电磁实施例中，将高Q谐振器结构被设计为具有高于100kHz的谐振频率。在其他实施例中，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操作频率来进一步减小由这些亚波长谐振器辐射到远场中的功率。在其他实施例中，可以通过布置两个或更多个谐振器的远场以在远场中相消干涉来减小远场辐射。
在无线能量传输系统中，谐振器可以被用作无线能量源、无线能量捕获设备、转发器或它们的组合。在实施例中，谐振器可以在阐述能量、接收能量或转发能量之间交替。在无线能量传输系统中，一个或多个磁谐振器可以耦合到能源，并可以被供能以产生振荡的近磁场。在振荡近磁场内的其他谐振器可以捕获这些场并将能量转换为电能，所述电能可以用于为负载供电或充电，从而实现了有用能量的无线传输。
在有用能量交换中的所谓的“有用”能量是必须被传递给设备以便以可接受的速率为其供电或充电的能量或功率。对应于有用能量交换的传输效率可以是系统或应用相关的。例如，传输千瓦功率的高功率车辆充电应用会需要至少80％的效率，以便提供有用的功率量，导致有用的能量交换，其足以在不使传输系统的各个组件显著发热的情况下为车辆电池再充电。在一些消费电子应用中，有用能量交换可以包括大于10％的任何能量传输效率，或者保持可充电电池“充满电”并在长时间期间中运行的可接受的任何其他量。在植入医学器械应用中，有用能量交换可以是不伤害病人但 延长电池的寿命或者唤醒传感器或监测器或刺激器的任何交换。在这种应用中，100mW或者更小的功率是有用的。在分布式感测应用中，微瓦级的功率传输可以是有用的，且传输效率可能远低于1％。
对于供电或再充电应用中的无线能量传输有用的能量交换可以是有效的、极为有效的或者足够有效的，只要浪费的能量程度、热耗散及相关场强在可容许限度内并与诸如成本、重量、尺寸等之类的相关因素适当平衡就可以。
谐振器可以称为源谐振器、设备谐振器、第一谐振器、第二谐振器、转发器谐振器等。实现方式可以包括三个(3)或多个谐振器。例如，单一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，随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连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。谐振器可以可替换地或同时充当源、设备和/或它们可以用于从在一个位置的源向在另一个位置的设备转发功率。中间电磁谐振器可以用于延长无线能量传输系统的距离范围和/或用于产生集中的近磁场的区域。多个谐振器可以菊花链式地连接在一起，通过延长的距离并与大范围的源和设备交换能量。例如，源谐振器可以经由几个转发器谐振器向设备谐振器传输电力。来自源的能量可以传输到第一转发器谐振器，第一转发器谐振器可以向第二转发器谐振器传输电力，第二个向第三个等等，直至最后转发器谐振器将其能量传输到设备谐振器。在这点上，可以通过增加转发器谐振器来延长和/或调整无线能量传输的范围或距离。高功率级可以在多个源之间被划分，传输到多个设备并在远端位置被重组。
可以使用耦合模式理论模型、电路模型、电磁场模型等来设计谐振器。谐振器可用设计为具有可调谐特征尺寸。谐振器可以设计为处理不同功率级。在示例性实施例中，高功率谐振器可能比较低功率谐振器需要更大的导体和更高的额定电流或额定电压组件。
图1显示了无线能量传输系统的示例性配置和布置的图示。无线能量传输系统可以包括耦合到能源102的至少一个源谐振器(R1)104(可任选地R6，112)和可任选的传感器和控制单元108。能源可以是任意类型的能量的源，该能量能够被转换为电能，其可以用于驱动源谐振器104。能源可 以是电池、太阳能板、电力干线、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由谐振器转换为振荡磁场。振荡磁场可以由其他谐振器捕获，其他谐振器可以是可任选地耦合到耗能设备110的设备谐振器(R2)106、(R3)116。振荡场可以可任选地耦合到转发器谐振器(R4、R5)，它们可以被配置为扩展或调整无线能量传输范围。设备谐振器可以在源谐振器、转发器谐振器及其他设备谐振器附近捕获磁场，并将它们转换为可以由耗能设备使用的电能。耗能设备110可以是被配置为接收电能的电气、电子、机械或化学设备等。转发器谐振器可以在源、设备和转发器谐振器附近捕获磁场，并将能量传送到其他谐振器。
无线能量传输系统可以包括耦合到能源102的单个源谐振器104和耦合到耗能设备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合到一个或多个能源的多个源谐振器，并可以包括耦合到一个或多个耗能设备的多个设备谐振器。
在实施例中，可以在源谐振器104与设备谐振器106之间直接传输能量。在其他实施例中，可以经由可以是设备谐振器、源谐振器、转发器谐振器等的任意数量的中间谐振器，将能量从一个或多个源谐振器104、112传输到一个或多个设备谐振器106、116。可以经由谐振器的网络或装置114传输能量，所述谐振器的网络或装置114可以包括以诸如令牌环、网格、ad hoc等之类的拓扑结构的任意组合而被布置的子网118、120。
在实施例中，无线能量传输系统可以包括集中式感测和控制系统108。在实施例中，可以从控制处理器监控并调整谐振器的参数、能源、耗能设备、网络布局、运行参数等，以满足系统的特定运行参数。中央控制处理器可以调整系统的个体组件的参数，以优化总体能量传输效率，优化传输的电量等。其他实施例可以设计为具有实质上分布式的感测和控制系统。感测和控制可以被结合在每一个谐振器或由包括谐振器、能源、耗能设备等的组中，并可以被配置为调整组中个体组件的参数，以使得传递的电力最大，以使得该组中的能量传输效率最大等等。
在实施例中，无线能量传输系统的组件可以具有到诸如设备、源、转发器、电源、谐振器等之类的其他组件的无线或有线数据通信链路，并可以发送或接收数据，所述数据能够用于实现分布式或集中式感测和控制。 无线通信信道可以与无线能量传输信道分离，或者可以是同一个。在一个实施例中，用于电力交换的谐振器也可以用于交换信息。在一些情况下，可以通过调制源或设备电路中的组件，并借助端口参数或其他监控设备感测该变化来交换信息。谐振器可以通过调谐、变化、改变、抖动等谐振器参数来彼此信号传输，谐振器参数例如是可以影响系统中其他谐振器的反射阻抗的谐振器的阻抗。本文所述的系统和方法可以实现在无线电力传输系统中的谐振器之间的电力和通信信号的同时传送，或者它可以实现使用与在无线能量传输过程中所使用的相同磁场在不同时间期间或者以不同频率的电力和通信信号的传送。在其他实施例中，可以借助诸如WiFi、蓝牙、红外等之类的单独的无线通信信道来实现无线通信。
在实施例中，无线能量传输系统可以包括多个谐振器，并且总体系统性能可以借助对系统中多个元件的控制来改进。例如，具有较低功率要求的设备可以将它们的谐振频率调谐远离向具有较高功率要求的设备供电的高功率源的谐振频率。以此方式，低和高功率设备可以安全地操作或从单个高功率源充电。另外，充电区中的多个设备可以找到它们可用的按照诸如先到先服务、尽力服务、保证电力等的各种消耗控制算法的任意一个调节的电力。耗电算法在本质上可以是分级的，给与某些用户或设备类型优先级，或者它可以通过平等地共享源中可用的电力来支持任意数量的用户。可以借助本公开内容中所述的多路复用技术中的任意技术来共享电力。
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感性元件、分布式电感、或者具有总电感L的电感的组合、容性元件、分布式电容、或者具有总电容C的电容的组合。在图2F中显示了包括电容、电感和电阻的电磁谐振器的最小电路模型。谐振器可以包括感性元件238和容性元件240。提供初始能量，例如存储在电容器240中的电场能量，系统将随着电容器放电将能量转换为存储在电感器238中的磁场能量中，它又将能量转换回存储在电容器240中的电场能量而振荡。这些电磁谐振器中的本征损耗包括起因于感性元件和容性元件中的电阻的损耗和起因于辐射损耗的损耗，并且在图2F中由电阻器R242来表示。
图2A显示了示例性磁谐振器结构的简化图。磁谐振器可以包括充当感 性元件202的导体环路，和在导体环路的末端的容性元件204。电磁谐振器的电感器202和电容器204可以是体电路元件，或者电感和电容可以是分布式的，并可以依据导体在结构中的构成、成形或定位的方式而产生。
例如，可以通过成形导体以包围表面区域来实现导体202，如图2A所示的。此类谐振器可以称为容性加载环路电感器。注意，可以使用术语“环路”或“线圈”来一般性地指示包围任意形状和尺寸的表面的具有任意圈数的导电结构(导线、管、条等)。在图2A中，包围的表面区域是圆形，但表面可以具有任意各种其他形状和尺寸，可以设计为实现特定系统性能规范。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。电感可以是固定的或可变的，并可以用于改变阻抗匹配以及谐振频率运行条件。
存在多种方式来实现为谐振器结构获得期望的谐振频率所需的电容。可以如图2A所示地形成并使用电容器板204，或者电容可以是分布式的，在多环导体的相邻绕组之间实现。可以使用电容器元件、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。电容可以是固定的或可变的，并可以用于改变阻抗匹配以及谐振频率运行条件。
用于磁谐振器中的感性元件可以包含多于一个环路，可以向内或向外或向上或向下或者在一些组合的方向上螺旋。通常，磁谐振器可以具有各种形状、尺寸和圈数，它们可以由各种导电材料构成。例如，导体210可以是导线、绞合线、带、管、由导电墨水、涂料、凝胶等形成的迹线，或者由印刷在电路板上的单条或多条迹线形成的迹线。图2B中示出了在基板208上构成电感环路的迹线图案的示例性实施例。
在实施例中，可以使用任意尺寸、形状、厚度等之类的磁性材料和具有渗透性和损耗值的范围广泛的材料来形成感性元件。这些磁性材料可以是实体块，它们可以包围中空的体积，它们可以由平铺的和/堆叠在一起的许多较小片的磁性材料构成，它们可以与由高导电材料构成的导电薄片或外壳集成在一起。导体可以缠绕在磁性材料周围，以产生磁场。这些导体可以围绕结构的一个轴或多于一个轴缠绕。多个导体可以缠绕在磁性材料周围，并并联、串联或借助开关组合以构成定制的近场方向图和/或定向结构的偶极矩。图2C、2D、2E中示出了包括磁性材料的谐振器的示例。在 图2D中，谐振器包括导体的环路224，缠绕在磁性材料222的磁芯周围，产生具有平行于导体的环路224的轴的磁偶极矩228的结构。取决于如何驱动导体，谐振器可以包括导体的多个环路216、212，在正交方向上缠绕在磁性材料214周围，构成具有在多于一个方向上定向的磁偶极矩218、220的谐振器，如图2C所示的。
电磁谐振器可以具有由其物理特性确定的特征、属性或谐振频率。这个谐振频率是由谐振器存储的能量在由谐振器的电场存储的能量WE(WE＝q2/2C，其中q是电容器C上的电荷)和由磁场存储的能量WB(WB＝Li2/2，其中i是通过电感器L的电流)之间振荡的频率。交换能量的这个频率可以称为谐振器的特征频率、固有频率或谐振频率，由ω给出，ω=2πf1LC]]>
可以通过调谐谐振器的电感L和/或电容C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整或可调谐的，以实现尽可能接近最佳运行条件。但基于以上的论述，即使在一些系统参数不可变或组件不能动态调整的情况下，也可以实现足够有效的能量交换。
在实施例中，谐振器可以包括感性元件，所述感性元件与多于一个的电容器耦合，所述电容器被布置在包括电容器和电路元件的网络中。在实施例中，电容器和电路元件的耦合网络可以用于定义谐振器的多于一个谐振频率。在实施例中，谐振器可以在多于一个频率谐振或部分谐振。
在实施例中，无线电源可以包括与电源供应器耦合的至少一个谐振器线圈，所述电源供应器可以是诸如D类放大器或E类放大器或其组合之类的开关放大器。在此情况下，谐振器线圈实际上是到电源供应器的功率负载。在实施例中，无线功率设备可以包括至少一个谐振器线圈，耦合到功率负载，其可以是开关整流器，例如D类整流器或E类整流器或其组合。在此情况下，谐振器线圈实际上是用于功率负载的电源供应器，负载的阻抗还直接相关于负载从谐振器线圈的工作－消耗率。在电源供应器与功率负载之间的电力传输效率会受到电源的输出阻抗与负载的输入阻抗的匹配接近程度的影响。当负载的输入阻抗等于电源供应器的内部阻抗的共轭复数时，可以以最大可能效率将电力传送给负载。设计电源供应器或功率负 载阻抗以获得最大电力传输效率常常称为“阻抗匹配”，也可以称为优化系统中的有用－损失功率的比率。可以通过增加诸如电容器、电感器、变压器、开关、电阻器等元件的网络或组，以在电源供应器和功率负载之间形成阻抗匹配网络来执行阻抗匹配。在实施例中，元件定位中的机械调整和改变可以用于实现阻抗匹配。对于变化的负载，阻抗匹配网络可以包括可变组件，所述可变组件被动态地调整以确保即使在动态环境和运行状况下，在电源供应器端朝向负载的阻抗与电源供应器的特征阻抗也基本上保持为彼此的共轭复数。
在实施例中，阻抗匹配可以通过调谐电源供应器的驱动信号的占空比和/或相位和/或频率，或者通过调谐电源供应器内诸如电容器之类的物理组件来完成。这个调谐机制是有利的，因为它可以在不使用可调谐阻抗匹配网络的情况下，或借助简化的可调谐阻抗匹配网络，例如具有更少可调谐组件的网络，允许在电源供应器与负载之间的阻抗匹配。在实施例中，调谐到电源供应器的驱动信号的占空比和/或频率和/或相位可以产生动态阻抗匹配系统，具有扩展的调谐范围或精度，具有更高的功率、电压和/或电流性能、具有更快的电子控制，具有更少的外部组件等。
在某些无线能量传输系统中，诸如电感之类的谐振器参数会受到环境条件的影响，例如周围物体、温度、方向、其他谐振器的数量和位置等。在谐振器的运行参数中的变化可以改变某些系统参数，例如在无线能量传输中传输电力的效率。例如，位于谐振器附近的高导电性材料可以偏移谐振器的谐振频率，并使其与其他谐振物体去谐。在某些实施例中，使用了谐振器反馈机制，它通过改变电抗元件(例如感性元件或容性元件)来校正其频率。为了实现可接受的匹配条件，至少一些系统参数需要动态可调整或可调谐。所有系统参数都可以动态可调整或可调谐，以实现大致上最佳的运行条件。然而，即使所有或部分系统参数不可变，也可以实现足够有效的能量交换。在某些示例中，至少一些设备可以不是动态可调整的。在某些示例中，至少一些源可以不是动态可调整的。在某些示例中，至少一些中间谐振器可以不是动态可调整的。在某些示例中，没有任何系统参数可以被动态调整。
在某些实施例中，组件的参数中的变化可以通过选择组件来减轻，该 组件的特性是当受到运行环境或工作点中的差异时，以相应的或相反的方式或方向改变。在实施例中，系统可以借助诸如电容器的组件来设计，其由于温度、功率电平、频率等而具有相反的相关性或参数变动。在某些实施例中，组件值作为温度的函数可以存储在系统微控制器中的查找表中，来自温度传感器的读数可以用于系统控制反馈回路中，以调整其他参数来补偿温度引起的组件值变化。
在某些实施例中，组件的参数值中的变化可以借助包括可调谐组件的主动调谐电路来补偿。监控组件和系统的运行环境和工作点的电路可以集成到设计方案中。监控电路可以提供主动补偿组件参数中变化所必需的信号。例如，温度读数可以用于计算系统电容中期望的变化，或用于指示以前测量的系统电容值，允许通过接入其他电容器或调谐电容器以在温度范围上保持期望的电容来补偿。在实施例中，可以调整RF放大器开关波形，以补偿系统中的组件值或负载变化。在某些实施例中，组件参数中的变化可以借助主动冷却、加热、主动环境调节等来补偿。
参数测量电路可以测量或监控系统中的特定的功率、电压和电流、信号，处理器或控制电路可以基于这些测量结果来调整特定的设定或运行参数。另外，可以获得整个系统中电压和电流信号的量值和相位、功率信号的量值，以测量或监控系统性能。本公开内容通篇中提及的测量信号可以是端口参数信号以及电压信号、电流信号、功率信号、温度信号等的任意组合。可以使用模拟或数字技术来测量这些参数，可以对其采样和处理，可以使用多种已知的模拟和数字处理技术对其进行数字化或转换。在实施例中，某些测量量的预设值可以加载到系统控制器或存储单元中，并用于多个反馈和控制回路中。在实施例中，测量的、监控的和/或预设的信号的任意组合可以用于反馈电路或系统中，以控制谐振器和/或系统的操作。
调整算法可以用于调整磁谐振器的频率、Q和/或阻抗。算法可以作为输入得到参考信号，其相关于与系统的期望工作点的偏差度，并可以输出与该偏差有关的校正或控制信号，其控制系统的可变或可调谐要素，以将系统带回期望的工作点或多个期望的工作点。当谐振器在无线电力传输系统中交换功率，或者它们在系统运行过程中从电路切断时，可以获得用于磁谐振器的参考信号。对系统的校正可以连续地方式、周期性地方式、基 于跨过阈值的方式、数字式地方式、使用模拟方法等来应用或执行。
在实施例中，有损外部材料和物体可以通过吸收无线电力传输系统的谐振器的磁和/或电能量，而引起潜在的效率降低。在多个实施例中通过定位谐振器，以使得有损外部材料和物体的影响最小，并通过设置结构场成形元件(例如，导电结构、板和片，磁性材料结构、板和片，它们的组合)以使得其影响最小来减轻这些影响。
减小对有损材料对谐振器的影响的一个方式是使用高电导率材料、磁性材料或其组合来成形谐振器场，以使得它们避开有损物体。在示例性实施例中，高电导率材料和磁性材料的分层结构可以调整、成形、指向、重定向等谐振器的电磁场，以使得它们通过使场偏斜来避开它们附近的有损耗物体。图2D显示了谐振器的顶视图，具有在磁性材料下面的导体薄片226，其可以用于调整谐振器的场，以使得它们避开在导体薄片226下面的有损物体。按照对于给定应用是最适当的，良导体层或薄片226可以包括任何高电导率材料，例如铜、银、铝。在某些实施例中，良导体的层或薄片比导体在谐振器工作频率的趋肤深度更厚。导体薄片优选地大于谐振器的尺寸，延伸超过谐振器的物理范围。
在被传送的电力的量对侵入有效场体积中的人或动物存在安全性危害的环境和系统中，安全措施可以包含在所述系统中。在功率级需要特殊化的安全措施的实施例中，谐振器的包装、结构、材料等可以设计为提供与磁谐振器中导电回路的间隔或“防范”区。为了提供进一步的保护，在外壳内可以设置高Q谐振器和功率与控制电路，其将高电压或电流限制在外壳内，保护谐振器和电气组件免于气候、湿度、沙尘、灰尘及其他外部因素，以及冲击、振动、刮擦、爆炸及其他类型的机械震动。这种外壳要求对例如热耗散的多个因素的关注，以便为电气组件和谐振器保持可接受的运行温度范围。在实施例中，外壳可以由无损材料构造，例如复合材料、塑料、木头、混凝土等，并可以用于提供从有损物体到谐振器组件的最小距离。从可以包括金属物体、盐水、油等的有损物体或环境的最小间隔距离可以改进无线能量传输的效率。在实施例中，“防范”区可以用于增大谐振器或谐振器的系统的扰动Q。在实施例中，最小间隔距离可以提供更可靠或更恒定的谐振器运行参数。
在实施例中，谐振器及其各自的传感器和控制电路可以与其他电子系统和控制系统及子系统具有多个集成程度。在某些实施例中，功率和控制电路与设备谐振器是完全分离的模块或外壳，具有与现有系统最小程度的集成，提供功率输出和控制及诊断接口。在某些实施例中，设备被配置为在外壳中的腔内容纳谐振器和电路组件，或集成到设备的机壳或外壳中。
示例性谐振器电路
图3和4显示了高级框图，示出了用于无线能量传输系统的示例性源的发电、监控和控制组件。图3是源的框图，包括半桥开关功率放大器及一些相关测量、调谐和控制电路。图4是源的框图，包括全桥开关功率放大器及一些相关测量、调谐和控制电路。
图3中所示的半桥系统拓扑结构可以包括处理单元，所述处理单元执行控制算法328。执行控制算法328的处理单元可以是微控制器、专用集成电路、现场可编程门阵列、处理器、数字信号处理器等。处理单元可以是单个设备，或者它可以是设备的网络。控制算法可以运行在处理单元的任何部分上。算法可以为特定应用定制，并可以包括模拟和数字电路和信号的组合。主算法可以测量并调整电压信号和电平、电流信号和电平、信号相位、数字计数设定等。
系统可以包括可任选的源/设备和/或源/被耦合到无线通信电路312其他谐振器通信控制器332。可任选的源/设备和/或源/其他谐振器通信控制器332可以是与执行主控制算法相同的处理单元的部件，可以是微控制器302内的部件或电路，可以在无线电力传输模块的外部，它可以与用于有线供电或电池供电的应用中的通信控制器基本上类似，但调整适应以包括一些新的或不同的功能，来增强或支持无线电力传输。
系统可以包括被耦合到至少两个晶体管门驱动器334PWM发生器306，并可以由控制算法控制。两个晶体管门驱动器334可以直接或经由门驱动变压器耦合到两个功率晶体管336，其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可以与可调整DC源供应器304耦合并由它供电，可调整DC源供应器304可以由可变总线电压Vbus控制。Vbus控制器可以由控制算法328控制，并可以是微控制器302或其他集成电路的部件或集成到其中。Vbus控制器326可以控制可调整DC源供应器304的电 压输出，其可以用于控制放大器的功率输出和传送到谐振器线圈344的功率。在其他实施例中，PWM发生器306可以控制在通过负载的电流波形与功率晶体管336的开关时间之间的相位角，其可以用于控制从放大器输出的功率和传送到谐振器线圈344的功率。在其他实施例中，PWM发生器306可以控制开关闭合时间的占空比，以控制从放大器输出的功率和传送到谐振器线圈344的功率。
系统可以包括感测和测量电路，包括信号滤波和缓冲电路318、320，其可以在信号输入到处理器和/或诸如模数转换器(ADC)314、316之类的转换器之前，对信号进行成形、修改、滤波、处理、缓冲等。处理器和诸如ADC314、316的转换器可以集成到微控制器302中，或者可以是分离电路，其可以耦合到处理核心330。基于测量的信号，控制算法328可以产生、限制、启动、结束、控制、调整、或修改PWM发生器306、通信控制器332、Vbus控制326、源阻抗匹配控制器338、滤波器/缓冲元件318、320、转换器314、316、谐振器线圈344中的任意一个的操作，并可以是微控制器302的部件或集成到其中，或者是分离的电路。阻抗匹配网络342和谐振器线圈344可以包括电可控、可变或可调谐组件，例如电容器、开关、电感器等，如本文所述的，这些组件可以具有按照从源阻抗匹配控制器338接收的信号调整的其组件值或工作点。可以调谐组件以调整谐振器的操作和特性，包括传送给谐振器的电力，和谐振器传送的电力，谐振器的谐振频率，谐振器的阻抗，谐振器的Q，及任何其他耦合的系统等。谐振器可以是本文所述的任何类型或结构的谐振器，包括容性加载回路谐振器、包括磁性材料的平面谐振器，或其任意组合。
图4中所示的全桥系统拓扑结构可以包括处理单元，所述处理单元执行主控制算法328。执行控制算法328的处理单元可以是微控制器、专用集成电路、现场可编程门阵列、处理器、数字信号处理器等。系统可以包括源/设备和/或源/其他谐振器通信控制器332，其耦合到无线通信电路312。源/设备和/或源/其他谐振器通信控制器332可以是与执行主控制算法相同的处理单元的部件，可以是微控制器302内的部件或电路，可以在无线电力传输模块的外部，它可以与用于有线供电或电池供电的应用中的通信控制器基本上类似，但调整适应以包括一些新的或不同的功能，来增强或支 持无线电力传输。
系统可以包括具有至少两个输出的PWM发生器410，耦合到至少四个晶体管门驱动器334，所述至少四个晶体管门驱动器334可以由在主控制算法中所产生的信号控制。四个晶体管门驱动器334可以直接或经由门驱动变压器耦合到四个功率晶体管336，其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可以与可调整DC源供应器304耦合并由它供电，可调整DC源供应器304可以由Vbus控制器306控制，其可以由主控制算法控制。Vbus控制器326可以控制可调整DC源供应器304的电压输出，其可以用于控制放大器的功率输出和传送到谐振器线圈344的功率。在其他实施例中，PWM发生器410可以控制在通过负载的电流波形与功率晶体管336的开关时间之间的两个半桥的相对相位角，其可以用于控制从放大器输出的功率和传送到谐振器线圈344的功率。在其他实施例中，PWM发生器410可以控制开关闭合时间的占空比，以控制从放大器输出的功率和传送到谐振器线圈344的功率。
系统可以包括感测和测量电路，包括信号滤波和缓冲电路318、320，和差分/单端转换电路402、404，其可以在信号输入到处理器和/或诸如模数转换器(ADC)314、316之类的转换器之前，对信号进行成形、修改、滤波、处理、缓冲等。处理器和诸如ADC314、316的转换器可以集成到微控制器302中，或者可以是分离电路，其可以耦合到处理核心330。基于测量的信号，主控制算法可以产生、限制、启动、结束、控制、调整、或修改PWM发生器410、通信控制器332、Vbus控制器326、源阻抗匹配控制器338、滤波器/缓冲元件318、320、差分/单端转换电路402、404、转换器314、316、谐振器线圈344中的任意一个的操作，并可以是微控制器302的部件或集成到其中，或者是分离的电路。
阻抗匹配网络342和谐振器线圈344可以包括电可控、可变或可调谐组件，例如电容器、开关、电感器等，如本文所述的，这些组件可以具有按照从源阻抗匹配控制器338接收的信号调整的其组件值或工作点。可以调谐组件以实现谐振器的操作和特性的调谐，包括传送给谐振器的电力，和谐振器传送的电力，谐振器的谐振频率，谐振器的阻抗、谐振器的Q，及任何其他耦合的系统等。谐振器可以是本文所述的任何类型或结构的谐 振器，包括容性加载回路谐振器、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固定值组件，例如电容器、电感器和如本文所述的组件的网络。阻抗匹配网络的部分A、B和C可以包括电感器、电容器、变压器和这些组件的串联和并联组合，如本文所述的。在某些实施例中，阻抗匹配网络的部分A、B和C可以为空(短路)。在某些实施例中，部分B包括电感器和电容器的串联组合，部分C为空。
全桥拓扑结构可以允许使用与等效半桥放大器相同的DC总线电压以较高输出功率电平运行。图3的半桥示例性拓扑结构可以提供单端驱动信号，而图4的示例性全桥拓扑结构可以向源谐振器308提供差分驱动。阻抗匹配拓扑结构和组件及谐振器结构对于两个系统可以不同，如本文所述的。
图3和4中所示的示例性系统可以进一步包括故障检测电路340，其可以用于触发源放大器中的微控制器的关机，或者改变或中断放大器的操作。这个保护电路可以包括(多个)高速比较器，用以监控放大器返回电流，来自DC源供应器304的放大器总线电压(Vbus)、横跨源谐振器308和/或可任选的调谐板的电压，或者任何其他电压或电流信号，其可以导致对系统中组件的损害，或者可以产生非期望的运行条件。优选实施例可以取决于与不同应用相关的潜在非期望的运行模式。在某些实施例中，可以不实施保护电路或不在板上组装电路。在某些实施例中，系统和组件保护可以实施为部分主控制算法及其他系统监控和控制电路。在实施例中，专用故障电路340可以包括输出(未示出)，耦合到主控制算法328，其可以触发系统关机，输出功率的减小(例如Vbus的减小)、对PWM发生器的变化、运行频率中的变化、对调谐元件的变化，或者任何其他合理操作，其由控制算法328实施以调整工作点模式，改进系统性能和/或提供保护。
可以配置图3和4中所示的示例性系统，以使得提供给开关的DC(或者缓慢变化的AC)电力可以来自具有变化的功率和/或输出阻抗的电源。例如，DC源供应器304可以包括电池，具有输出电压和输出电阻，二者都随电池电荷状态而改变。或者DC源供应器304可以包括光伏板，具有可以随诸如太阳照度和温度的环境条件而改变的电压和/或电流。在实施例中， Vbus控制器326可以允许调谐可变电源的输出阻抗，以使得有效的无线能量传输是可能的。在其他实施例中，PWM发生器可以允许对用于开关晶体管336的相位角的调整，以便可以从可变电源提取最佳的电力。例如，可以选择开关时间，以使得放大器的输入阻抗与可变电源的输出阻抗匹配。在其他示例中，例如对于光伏板，可以选择开关时间，以使得将阻抗施加到光伏板的输出，其使得来自光伏板的能量提取最大。本领域技术人员会理解，这个普遍原理适用于其他可变电源，包括风力发电机、热力发电机、水力发动机、燃料电池、电池等。
如本文所述的，无线电力传输系统中的源可以使用阻抗匹配网络342的输入阻抗的测量，作为对主控制算法一部分的系统控制回路的误差或控制信号来驱动源谐振器线圈344。在示例性实施例中，三个参数的任意组合中的变化可以用于调谐无线电源，以补偿环境条件中的变化，耦合中的变化，设备功率要求中的变化，模块、电路、组件或子系统性能中的变化，系统中源、设备或转发器数量的增大或减小，用户发起的改变等。在示例性实施例中，对放大器占空比、诸如可变电容器和电感器的可变电气组件的组件值、和DC总线电压的变化可以用于改变无线源的工作点或工作范围，并改进一些系统运行值。用于不同应用的控制算法的具体细节可以取决于期望的系统性能和状态而改变。
诸如本文所述并在图3和4中示出的阻抗测量电路可以使用双通道同时采样ADC来实施，这些ADC可以集成到微控制器芯片中，或者可以是分离电路的部件。在到源谐振器阻抗匹配网络的输入和/或源谐振器处的电压和电流信号的同时采样可以产生电流和电压信号的相位和量值信息，并可以使用已知的信号处理技术来处理，以产生复数阻抗参数。在某些实施例中，仅监控电压信号或仅监控电流信号就足够了。
本文所述的阻抗测量可以使用直接采样方法，其比一些其他已知的采样方法相对简单。在实施例中，测量电压和电流信号可以在输入到ADC之前由滤波器/缓冲电路调节、滤波和按比例缩放。在实施例中，滤波器/缓冲电路可以调整以工作在多个信号电平和频率，可以响应于控制信号，由主控制算法等手动、电子地、自动地调整诸如滤波器形状和宽度的电路参数。在图3、4和5中显示了滤波器/缓冲电路的示例性实施例。
图5显示了示例性电路组件更详细的视图，其可以用于滤波器/缓冲电路中。在实施例中，取决于用于系统设计中的ADC类型，单端放大器拓扑结构可以通过消除对用以从差分转换到单端信号格式的硬件的需要，来减小用于表征系统、子系统、模块和/或组件性能的模拟信号测量路径的复杂性。在其他实现方式中，差分信号格式可以是优选的。图5中所示的实现方式是示例性的，不应解释为是实施本文所述功能的唯一可能的方式。相反，应理解，模拟信号路径可以使用具有不同输入要求的组件，并因此可以具有不同信号路径架构。
在单端和差分放大器拓扑结构中，到驱动谐振器线圈344的阻抗匹配网络342的输入电流可以通过测量横跨电容器324的电压，或者经由某些类型的电流传感器来获得。对于图3中的示例性单端放大器拓扑结构，可以在来自阻抗匹配网络342的接地返回路径上感测电流。对于图4中所示的示例性差分功率放大器，到驱动谐振器线圈344的阻抗匹配网络342的输入电流可以使用横跨电容器324端子的差分放大器，或者经由某些类型的电流传感器来测量。在图4的差分拓扑结构中，在源功率放大器的负输出端可以复制电容器324。
在两个拓扑结构中，获得了表示到源谐振器和阻抗匹配网络的输入电压和电流的单端信号后，可以对信号进行滤波502，以获得期望部分的信号波形。在实施例中，可以对信号滤波以获得信号的基波分量。在实施例中，执行的滤波的类型，例如低通、带通、陷波等，以及使用的滤波器拓扑结构，例如椭圆、切比雪夫、巴特渥斯等，可以取决于系统的特定要求。在某些实施例中无需滤波。
电压和电流信号可以由可任选的放大器504来放大。可任选的放大器504可以是固定的或可变的。可以响应于控制信号等，手动、电子地、自动地控制放大器的增益。响应于控制算法，可以由主控制算法在反馈回路中调整放大器的增益等。在实施例中，对于放大器的所需性能规格可以取决于信号强度和期望的测量精度，并且对于不同应用情形和控制算法可以不同。
所测量的模拟信号可以具有增加到它们的DC偏移506，需要它将信号带入ADC的输入电压范围中，其对于一些系统可以是0到0.33V。在一些 系统中，取决于所用的特定ADC的规格，可以无需这一级。
如上所述，在发电机与功率负载之间的电力传输效率会受到发电机的输出阻抗与负载输入阻抗的匹配的接近程度的影响。在如图6A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的内部阻抗的共轭复数时，可以以最大可能效率将电力传送给负载。设计发电机或负载阻抗以获得高和/或最大电力传输效率可以称为“阻抗匹配”。可以通过插入诸如电容器、电阻器、电感器、变压器、开关等的元件的适当网络或组，以在图6B中所示的发电机602和功率负载604之间形成阻抗匹配网络606来执行阻抗匹配。在其他实施例中，元件定位中的机械调整和改变可以用于实现阻抗匹配。如上针对变化负载所述的，阻抗匹配网络606可以包括可变组件，动态地调整它以确保即使在动态环境和运行状况下，在发电机端朝向负载的阻抗与发电机的特征阻抗也基本上保持为彼此的共轭复数。在实施例中，动态阻抗匹配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内的物理组件，例如电容器来完成，如图6C所示。这个调谐机制是有利的，因为它可以在不使用可调谐阻抗匹配网络的情况下，或借助简化的可调谐阻抗匹配网络606，例如具有更少可调谐组件的网络，允许在发电机608与负载之间的阻抗匹配。在实施例中，调谐到发电机的驱动信号的占空比和/或频率和/或相位可以产生动态阻抗匹配系统，具有扩展的调谐范围或精度，具有更高的功率、电压和/或电流性能、具有更快的电子控制，具有更少的外部组件等。下述的阻抗匹配方法、结构、算法、协议、电路、测量、控制等在发电机驱动高Q磁谐振器的系统中，或者在如本文所述的高Q无线电力传输系统中是有用的。在无线电力传输系统中，发电机可以是驱动谐振器的功率放大器，有时称为源谐振器，它可以是到功率放大器的负载。在无线供电应用中，优选地控制在功率放大器与谐振器负载之间的阻抗匹配，以控制从功率放大器到谐振器的电力传送的效率。可以通过调谐或调整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/或频率来完成或部分完成阻抗匹配。
开关放大器的效率
当在放大器的开关元件中几乎没有耗散功率时，开关放大器，例如D、E、F类放大器等，或其任意组合，以最大的效率向负载传送电力。可以通 过设计系统，以使得在横跨开关元件的电压和通过开关元件的电流都几乎为0时，进行最临界的开关操作(即那些最有可能导致开关损耗的)来实现这个运行条件。这些条件可以分别称为零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)条件。当放大器工作在ZVS和ZCS时，横跨开关元件的电压或者通过开关元件的电流为零，从而在开关中没有耗散功率。由于开关放大器可以将DC(或极低频率AC)电力转换为特定频率或频率范围的AC电力，可以将滤波器引入到负载之前，以避免由开关过程所产生的不想要的谐波到达负载并在那里耗散掉。在实施例中，开关放大器可以设计为当连接到具有品质因数(比如Q>5)和特定阻抗的谐振负载时，其导致同时的ZVS和ZCS，以最大的电力转换效率运行。我们将zo＝Ro-jXo定义为放大器的特征阻抗，以使得实现最大电力传输效率等价于将谐振负载阻抗匹配到放大器的特征阻抗。
在开关放大器中，开关元件的开关频率fswitch，其中fswitch＝ω/2π，和开关元件导通状态持续时间的占空比dc对于放大器的所有开关元件可以都相同。在本说明书中，我们将使用术语“D类”来表示D类和DE类放大器，就是说，具有dc<＝50％的开关放大器。
放大器的特征阻抗的值可以取决于运行频率、放大器拓扑结构和开关元件的开关顺序。在某些实施例中，开关放大器可以是板桥拓扑结构，在某些实施例中是全桥拓扑结构。在某些实施例中，开关放大器可以是D类，在某些实施例中是E类。在任一以上实施例中，假定电桥的元件对称，开关放大器的特征阻抗具有形式
RO＝FR(dc)/ωCa，XO＝FX(dc)/ωCa，    (1)
其中，dc是开关元件的导通状态的占空比，函数FR(dc)和FX(dc)在图7中绘出(都是针对D类和E类的)，ω是开关元件开关的频率，Ca＝naCswitch，其中，Cswitch是横跨每一个开关的电容，包括晶体管输出电容和还有可能是与开关并联设置的外部电容器，而对于全桥na＝1，对于半桥na＝2。对于D类，还可以写出分析表达式
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级随着占空比dc向50％增大而减小。对于具有dc＝50％的D类放大器操作，只有在开关元件实际上 没有输出电容(Ca＝0)，并且负载实际上谐振(XO＝0)，而RO可以是任意的情况下，实现ZVS和ZCS才是可能的。
阻抗匹配网络
在应用中，受驱动负载可以具有与它所连接的外部驱动电路的特征阻抗极为不同的阻抗。而且，受驱动负载可以不是谐振网络。阻抗匹配网络(IMN)是电路网络，如图6B所示，其可以连接在负载之前，以便调节在由IMN电路和负载组成的网络的输入所见到的阻抗。IMN电路通常可以通过产生接近于驱动频率的谐振来实现这个调节。由于这个IMN电路达到了使得从发电机到负载的电力传输效率最大所需的所有条件(谐振和阻抗匹配－对于开关放大器的ZVS和ZCS)，在实施例中，可以在驱动电路与负载之间使用IMN电路。
对于图6B所示的布置，使得由阻抗匹配网络(IMN)电路和负载组成的网络(自此一起表示为IMN+负载)的输入阻抗为Zl＝Rl(ω)+jXl(ω)。这个网络到具有特征阻抗zo＝Ro-jXo的外部电路的阻抗匹配条件于是就为Rl(ω)＝RO，Xl(ω)＝XO。
用于可变负载的可调谐阻抗匹配的方法
在负载可变的实施例中，在负载与诸如线性或开关功率放大器的外部驱动电路之间的阻抗匹配可以通过使用IMN电路中的可调整/可调谐组件来实现，可以调整其以将变化的负载与外部电路的固定特征阻抗Zo匹配(图6B)。为了匹配阻抗的实部和虚部，在IMN电路中需要两个可调谐/可变要素。
在实施例中，负载可以是感性的(例如谐振器线圈)，具有阻抗R+jωL，所以IMN电路中两个可调谐要素可以是两个可调谐电容网络，或一个可调谐电容网络和一个可调谐互感网络。
在负载可变的实施例中，在负载与诸如线性或开关功率放大器的驱动电路之间的阻抗匹配可以通过使用放大器电路中的可调整/可调谐组件或参数来实现，可以调整其以将放大器的特征阻抗Zo与变化的(由于负载变化)网络输入阻抗相匹配，网络由IMN电路和负载组成(IMN+负载)，其中，IMN电路也是可调谐的(图6C)。为了匹配阻抗的实部和虚部，放大器和IMN电路中需要总共两个可调谐/可变要素或参数。公开的阻抗匹配方法可 以减小IMN电路中所需的可调谐/可变要素的数量，或者甚至完全无需IMN电路中的可调谐/可变要素。在某些示例中，可以使用功率放大器中的一个可调谐要素与IMN电路中的一个可调谐要素。在某些示例中，可以使用功率放大器中的两个可调谐要素，而不使用IMN电路中的可调谐要素。
在实施例中，功率放大器中的可调谐要素或参数可以是施加到晶体管、开关、二极管等的驱动信号频率、振幅、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、E、F类可调谐开关放大器或者其任何组合。合并等式(1)与(2)，用于该网络的阻抗匹配条件为：
Rl(ω)＝FR(dc)/ωCa，Xl(ω)＝FX(dc)/ωCa，     (3)
在可调谐开关放大器的某些示例中，一个可调谐要素可以是电容Ca，其可以通过调谐与开关元件并联设置的外部电容器来调谐。
在可调谐开关放大器的某些示例中，一个可调谐要素可以是放大器的开关元件的导通状态的占空比dc。借助脉宽调制(PWM)来调整占空比dc已经用于开关放大器中，来实现输出功率控制。在本说明书中，我们公开了PWM还可以用于实现阻抗匹配，即用于满足等式(3)，从而使得放大器效率最大。
在可调谐开关放大器的某些示例中，一个可调谐要素可以是开关频率，它也可以是IMN+负载网络的驱动频率，并可以设计为基本上接近于IMN+负载网络的谐振频率。调谐开关频率可以改变放大器的特征阻抗和IMN+负载网络的阻抗。可以与一个或多个可调谐参数一起适当地调谐放大器的开关频率，以便满足等式(3)。
为了动态阻抗匹配而调谐放大器的占空比和/或驱动频率的益处在于可以电子地、迅速地、在宽范围上调谐这些参数。相反，例如，能够承受大电压并具有足够大的可调谐范围和品质因数的可调谐电容器是昂贵的、缓慢的或者对于必要的组件规格是无法得到的。
用于可变负载的可调谐阻抗匹配的方法的示例
在图8中显示了简化电路图，其示出了D类功率放大器802、阻抗匹配网络804和感性负载806的电路级结构。电路图显示了系统的基本组件，具有开关放大器804，包括电源810、开关元件808和电容器。将包括电感 器和电容器的阻抗匹配网络804和负载806建模为电感器和电阻器。
本发明的调谐方案的示例性实施例包括半桥D类放大器，工作在开关频率f，并经由IMN驱动低损耗感性元件R+jωL，如图8所示。
在某些实施例中，L’可调谐。可以由电感器上的可变分接点或者通过将可调谐电容器与电感器串联或并联连接来调谐L’。在某些实施例中，Ca可调谐。对于板桥拓扑结构，可以通过改变一个或两个电容器Cswitch来调谐Ca，因为仅是这些电容器的并联总和与放大器操作有关系。对于全桥拓扑结构，可以通过改变任意一个、两个、三个或全部电容器Cswitch来调谐Ca，因为仅它们的组合(与电桥的两个半桥相关的两个并联总和的串联总和)与放大器操作有关系。
在可调谐阻抗匹配的某些实施例中，IMN的两个组件可调谐。在某些实施例中，L’和C2可调谐。于是，图9显示了根据感性元件的变化的R和L，实现阻抗匹配所需的两个可调谐组件的值，及放大器的输出功率(在给定DC总线电压)的相关变化，其中f＝250kHz，dc＝40％，Ca＝640pF，C1＝10nF。由于IMN总是调整到放大器的固定特征阻抗，随着感性元件变化，输出功率一直恒定。
在可调谐阻抗匹配的某些实施例中，开关放大器的要素也可调谐。在某些实施例中，可以连同IMN电容器C2一起调谐电容Ca。于是，图10显示了根据感性元件的变化的R和L，实现阻抗匹配所需的两个可调谐组件的值，及放大器的输出功率(在给定DC总线电压)的相关变化，其中f＝250kHz，dc＝40％，C1＝10nF，ωL’＝1000Ω。从图10可以推断出，响应于L中的变化主要需要调谐C2，且随着R增大，输出功率减小。
在可调谐阻抗匹配的某些实施例中，可以连同IMN电容器C2一起调谐占空比dc。于是，图11显示了根据感性元件的变化的R和L，实现阻抗匹配所需的两个可调谐参数的值，及放大器的输出功率(在给定DC总线电压)的相关变化，其中f＝250kHz，Ca＝640pF，C1＝10nF，ωL’＝1000Ω。从图11可以推断出，响应于L中的变化主要需要调谐C2，且随着R增大，输出功率减小。
在可调谐阻抗匹配的某些实施例中，可以连同IMN电感器L’一起调谐电容Ca。于是，图11A显示了根据感性元件的变化的R，实现阻抗匹配所 需的两个可调谐组件的值，及放大器的输出功率(在给定DC总线电压)的相关变化，其中f＝250kHz，dc＝40％，C1＝10nF，C2＝7.5nF。从图11A可以推断出，随着R增大，输出功率减小。
在可调谐阻抗匹配的某些实施例中，可以连同IMN电感器L’一起调谐占空比dc。于是，图11B显示了根据感性元件的变化的R，实现阻抗匹配所需的两个可调谐参数的值，及根据感性元件的变化的R，放大器的输出功率(在给定DC总线电压)的相关变化，其中f＝250kHz，Ca＝640pF，C1＝10nF，C2＝7.5nF。从图11B可以推断出，且随着R增大，输出功率减小。
在可调谐阻抗匹配的某些实施例中，仅是开关放大器的要素可调谐，IMN中没有要素可调谐。在某些实施例中，可以连同电容Ca一起调谐占空比dc。于是，图11C显示了根据感性元件的变化的R，实现阻抗匹配所需的两个可调谐参数的值，及放大器的输出功率(在给定DC总线电压)的相关变化，其中f＝250kHz，C1＝10nF，C2＝7.5nF，ωL’＝1000Ω。从图11C可以推断出，输出功率是R的非单调函数。当L中的变化(及因此的谐振频率)适度时，这些实施例能够实现动态阻抗匹配。
在某些实施例中，如较早解释的，同样在L变化很大时，可以通过改变外部频率f的驱动频率(例如开关放大器的开关频率)，以使得其跟随谐振器的变化谐振频率来实现与IMN中的固定要素的动态阻抗匹配。使用开关频率f和开关占空比dc作为两个可变参数，无需任何可变组件，随着R和L变化，可以实现完全阻抗匹配。于是，图12显示了根据感性元件的变化的R和L，实现阻抗匹配所需的两个可调谐参数的值，及放大器的输出功率(在给定DC总线电压)的相关变化，其中Ca＝640pF，C1＝10nF，C2＝7.5nF，L’＝637μH。从图12可以推断出，响应于L中的变化主要需要调谐频率f，如较早解释的。
用于无线电力传输的系统的可调谐阻抗匹配
在无线电力传输的应用中，低损耗感性元件可以是源谐振器的线圈，源谐振器耦合到一个或多个设备谐振器或其他谐振器，例如转发器谐振器。感性元件的阻抗R+jωL可以包括其他谐振器在源谐振器的线圈上的反射阻抗。由于源谐振器和/或其他谐振器附近的外部扰动或组件的热漂移，感性 元件的R和L可以发生变化。由于设备与其他谐振器相对于源的相对运动，在无线电力传输系统的正常使用过程中也会发生感性元件的R和L的变化。这些设备与其他谐振器相对于源的相对运动，或者其他源的相对运动或位置可以导致改变设备到源的耦合(及因此改变反射阻抗)。而且，由于其他耦合谐振器内的变化，例如其负载的电力汲取的变化，在无线电力传输系统的正常使用过程中也会发生感性元件的R和L的变化。迄今为止公开的所有方法和实施例同样适用于这个情况，以便实现这个感性元件到驱动它的外部电路的动态阻抗匹配。
为了展示当前公开的用于无线电力传输系统的动态阻抗匹配方法，考虑包括低损耗源线圈的源谐振器，其感性地耦合到驱动电阻负载的设备谐振器的设备线圈。
在某些实施例中，可以在源电路实现动态阻抗匹配。在某些实施例中，也可以在设备电路实现动态阻抗匹配。当获得完全阻抗匹配时(在源和设备二者)，源感性元件的有效电阻(即源线圈的电阻Rs加上来自设备的反射阻抗)是(类似地，设备感性元件的有效电阻是其中，Rd是设备线圈的电阻)。起因于运动的在线圈之间的互感的动态变化导致的动态变化。因此，当同时动态调谐源和设备时，随着源感性元件电阻R中的变化，从源电路侧见到互感的变化。注意，在此类变化中，谐振器的谐振频率基本上不改变，因为L可以不变化。因此，为动态阻抗匹配而提出的所有方法和示例可以用于无线电力传输系统的源电路。
注意，由于电阻R表示源线圈和设备线圈到源线圈的反射阻抗，在图9－12中，随着由于增大U而R增大，相关无线电力传输效率增大。在某些实施例中，在由设备电路驱动的负载处可以需要大致恒定的功率。为了实现恒定的传输到设备的功率级，所需的源电路的输出功率需要随着U增大而减小。如果借助调谐一些放大器参数实现了动态阻抗匹配，放大器的输出功率就可以相应地改变。在某些实施例中，输出功率的自动变化优选为随R单调减小，以使得其匹配恒定设备功率要求。在通过调整发电机的DC驱动电压来达到输出功率级的实施例中，使用导致输出功率相对于R单调减小的可调谐参数的阻抗匹配组意味着仅借助DC驱动电压的适度调整 就可以在设备的功率负载保持恒定的功率。在调整输出功率级的“旋钮”是开关放大器或者阻抗匹配网络内的组件的占空比dc或相位的实施例中，使用导致输出功率相对于R单调减小的可调谐参数的阻抗匹配组意味着仅借助这个功率“旋钮”的适度调整就可以在设备的功率负载保持恒定的功率。
在图9-12的实例中，如果Rs＝0.19Ω，那么范围R＝0.2-2Ω就大致对应于Usd＝0.3-10.5。对于这些值，在图14中，我们以虚线显示了当源和设备都动态阻抗匹配时，在负载保持恒定功率级所需的输出功率(按DC电压平方进行标准化)。在实线与虚线之间的相似趋势解释了具有输出功率的这个变化的一组可调谐参数是优选的原因。
在某些实施例中，可以在源电路实现动态阻抗匹配，但在设备电路可以不实现或仅部分实现阻抗匹配。随着在源与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导致源感性元件的有效电阻R和有效电感L的变化。迄今为止提出的用于动态阻抗匹配的方法可适用，并可以用于无线电力传输系统的可调谐源电路。
例如，考虑图14的电路，其中，f＝250kHz，Ca＝640pF，Rs＝0.19Ω，Ls＝100μH，C1s＝10nF，ωL’＝1000Ω，Rd＝0.3Ω，Ld＝40μH，C1d＝87.5nF，C2d＝13nF，ωL’d＝400Ω，Zl＝50Ω，其中，s和d分别表示源和设备谐振器，系统在Usd＝3匹配。随着非可调谐设备相对于源移动，改变了在源与设备之间的互感M，调谐开关放大器的占空比dc和电容器C2s可以用于动态阻抗匹配源。在图14中，我们显示了可调谐参数的所需值，连同放大器的每个DC电压的输出功率。虚线再次指示所需的放大器的输出功率，以使得在负载的功率是恒定值。
在某些实施例中，对于在源与一个或多个设备之间的无线电力传输的系统，调谐源驱动电路的驱动频率f仍可以用于实现在源的动态阻抗匹配。如较早解释的，这个方法实现了源的完全动态阻抗匹配，即使当源电感Ls中存在变化，从而源谐振频率也变化的情况下。对于从源到设备的有效电力传输，必须调谐设备谐振频率以跟随匹配的驱动频率和源谐振频率的变化。当源或设备谐振器的谐振频率中存在变化时，调谐设备电容(例如，在图13的实施例中，C1d或C2d)是必需的。实际上，在具有多个源和设备 的无线电力传输系统中，调谐驱动频率减轻了对仅调谐一个源－对象谐振频率的需要，但剩余的所有对象需要调谐其谐振频率以匹配驱动频率的机制(例如可调谐电容)。
谐振器热管理
在无线能量传输系统中，在无线传输过程中损耗的一部分能量作为热量耗散掉。能量可以在谐振器组件自身中耗散。例如即使是高Q导体和组件也具有一些损耗或电阻，这些导体和组件在电流和/或电磁场流过它们时会变热。能量可以在谐振器周围的材料和物体中耗散。例如，消耗在谐振器周围或附近的不良导体或电介质中的涡流可以加热这些物体。除了影响这些物体的材料特性以外，这个热量可以通过传导、辐射或对流过程传递到谐振器组件。任何这些发热效应都可以影响谐振器Q、阻抗、频率等，并因此影响无线能量传输系统的性能。
在包括磁性材料的块或磁芯的谐振器中，由于感应的涡流所产生的磁滞损耗和电阻损耗，在磁性材料中可以产生热量。两个效应都取决于在材料中的磁通量密度，都可以产生相当大量的热，尤其是在磁通量密度或涡流集中或局部化的区域中。除了磁通量密度，振荡磁场的频率、磁性材料成分和损耗、磁性材料的环境或运行温度都可以影响磁滞和电阻损耗如何加热材料。
在实施例中，可以为特定运行功率级和环境选择诸如材料类型、块的尺寸等的磁性材料的特性及磁场参数，以使得磁性材料的发热最小。在某些实施例中，磁性材料的块中的变化、裂纹或缺陷可以增大无线电力传输应用中磁性材料的损耗和发热。
对于具有缺陷的，或者由被布置在较大单元中的较小尺寸的磁性材料的砖和片组成的磁性块，块中的损耗可以不均匀，并可以在磁性材料的相邻砖或片之间存在不均匀性或相对窄的间隙的区域中集中。例如，如果不规则间隙存在于材料的磁性块中，那么通过材料的多个磁通量路径的有效磁阻就基本上是不规则的，磁场可以在磁阻最低的块的部分中更为集中。在一些情况下，有效磁阻在砖或片之间的间隙最窄或缺陷的密度最低的位置会最低。因为磁性材料引导磁场，磁通量密度在块上不是基本上均匀的，而是在提供相对较低磁阻的区域中集中。磁场在磁性材料块内的不规则集 中是不希望出现的，因为它们可以导致材料中不均匀的损耗和热耗散。
例如，考虑包括导体1506的磁谐振器，导体缠绕在磁性材料的块周围，磁性材料块由接合的磁性材料的两个单块砖1502、1504组成，以使得它们构成接缝1508，其垂直于导体1506回路的轴，如图15所示。磁性材料砖1502与1504之间的接缝1508中不规则的间隙可以迫使谐振器中的磁场1512(由虚磁场线示意性地表示)集中在磁性材料的横截面的子区域1510中。由于磁场会跟随最小磁阻的路径，包括在两片磁性材料之间的气隙的路径就可以在磁性材料片接触或具有更小气隙的点，产生比横穿磁性材料的宽度的路径实际上更高磁阻路径。磁通量密度因此优选流过磁性材料的相对小的相交区域，导致在该小区域1510中磁通量的高浓度。
在许多感兴趣的磁性材料中，较多的不均匀通量密度分布导致较高的总损耗。此外，较多的不均匀通量密度分布可以导致材料饱和，并使得磁通量集中的区域的局部发热。局部发热可以改变磁性材料的特性，在一些情况下加剧了损耗。例如，在一些材料的相关运行状况中，磁滞损耗和电阻损耗随温度增大。如果加热材料增大了材料损耗，导致更多的发热，材料温度就可以连续增大，如果不采取纠正操作甚至会失控。在一些情况下，温度可以达到100℃或更高，并可以使得磁性材料的特性和无线电力传输的性能降级。在一些情况下，磁性材料会受损，或者周围的电子组件、包装和/或外壳会由于过热而受损。
在实施例中，可以通过机械加工、抛光、研磨等砖或片的边缘，以确保在磁性材料砖之间的紧配合，提供通过磁性材料块的整个横截面的基本上更均匀的磁阻来使得在磁性材料块的砖或片之间的变化或不规则最小。在实施例中，磁性材料块可以需要用于在砖之间提供压力的模块，以确保将砖压紧在一起，不存在间隙。在实施例中，在砖之间可以使用粘合剂，以确保它们保持紧密接触。
在实施例中，可以通过在磁性材料的相邻砖之间增加仔细研究过的间隙来减小磁性材料的相邻砖的不规则间隔。在实施例中，仔细研究过的间隙可以用作隔离物，以确保在磁性材料砖或片之间均匀或规则的分隔。仔细研究过的柔性材料的间隙也可以减小由于砖移动或振动的间隔中的不规则。在实施例中，磁性材料的相邻砖的边缘可以用电绝缘体捆扎、浸泡、 涂层等，以避免涡流流过减小的块横截面区域，从而降低材料中的涡流损耗。在实施例中，分离器可以集成到谐振器包装中。隔离物可以提供1mm或更小的间隔。
在实施例中，可以选择在砖之间的隔离物的机械特性，以便改进总体结构对机械效应的耐受性，例如起因于固有效应(例如磁致伸缩\热膨胀等),以及外部冲击和振动的在砖的尺寸和/或形状中的变化。例如，隔离物可以具有期望量的机械弹性，容纳单块砖的膨胀和/或收缩，并可以在砖受到机械振动时有助于减小砖上的应力，从而有助于减小磁性材料中的裂纹及其他缺陷的出现。
在实施例中，可以优选地排列包括磁性材料块的各块砖，以使得在砖之间垂直于谐振器的偶极矩的接缝或间隙的数量最少。在实施例中，优选地排列和定向磁性材料砖，以使得在砖之间垂直于由包括谐振器的导体回路形成的轴的间隙最小。
例如，考虑图16中所示的谐振器结构。该谐振器包括导体1604，缠绕在磁性材料块周围，其包括6个分离的单块砖1602，排列在3乘2阵列中。砖的这个排列导致在一个方向上横穿磁性材料块时的两条砖接缝1606、1608，及在垂直方向上横穿磁性材料块时的唯一一条砖接缝1610。在实施例中，优选地围绕磁性材料块缠绕导体线1604，以使得谐振器的偶极矩垂直于数量最少的砖接缝。发明人观察到在平行于谐振器的偶极矩的接缝和间隙1606、1608周围引起了相对少的热量。垂直于谐振器的偶极矩的接缝和间隙也可以称为临界接缝或临界接缝区。但是还希望使得平行于谐振器的偶极矩的间隙(例如1606、1608)电隔离，以便减小涡流损耗。在由这种平行间隙分割的砖之间的不均匀接触可以导致流过窄接触点的涡流，在此类点处引起大的损耗。
在实施例中，间隔中的不规则可以借助临界接缝区的适当冷却来容许，以避免磁性材料受热时材料特性的局部降级。将磁性材料的温度保持在临界温度以下可以避免由足够高的温度引起的失控效应。借助临界接缝区的适当冷却，不管起因于砖之间的不规则间隔、裂纹或间隙的附加损耗和加热效应如何，无线能量传输性能都是令人满意的。
用以避免磁性材料局部过热的谐振器结构的有效散热造成了几个难 题。典型地用于散热器和热传导的金属材料可以与由谐振器用于无线能量传输的磁场接触，并影响系统的性能。应设计它们的位置、尺寸、方向、和使用，以便在存在这些散热材料时，不过度降低谐振器的扰动Q。另外，由于诸如铁氧体的磁性材料的相对较差的导热性，在散热器与磁性材料之间会需要相对大的接触区，以提供适当的冷却，这会需要接近于磁谐振器放置大量的有损材料。
在实施例中，谐振器的适当冷却可以借助有策略地放置导热材料，在对无线能量传输性能的影响最小的情况下实现。在实施例中，导热材料条可以放置在导体线的环路之间，并与磁性材料块热接触。
图17中示出了具有导热材料条的谐振器的一个示例性实施例。图17A显示了没有传导条的谐振器结构，具有磁性材料块，包括构成间隙或接缝的磁性材料的小砖。导热材料条1708可以放置在导体1702的环路之间，与磁性材料块1704热接触，如图17B和17C所示。为了使得条对谐振器参数的影响最小，在某些实施例中，优选地平行于导体环路或垂直于谐振器的偶极矩布置条。可以设置导体的条，以覆盖砖之间尽可能大的或尽可能多的接缝或间隙，尤其是垂直于谐振器的偶极矩的砖之间的接缝。
在实施例中，导热材料可以包括铜、铝、黄铜、热环氧树脂、糊剂、衬垫等，并且可以是导热率至少为谐振器的磁性材料的导热率(对于一些商用铁氧体材料为～5W/(K-m))的任何材料。在导热材料还导电的实施例中，材料可以需要电绝缘体的层或涂层，以避免与谐振器的磁性材料或导体环路短接或直接电接触。
在实施例中，导热材料条可以用于将热从谐振器结构传导到可以安全地耗散热能结构或介质。在实施例中，导热材料条可以连接到散热器，例如位于导体条上的大平板，其可以使用到环境的被动或强制对流、辐射或传导来耗散热能。在实施例中，系统可以包括在谐振器结构外部或内部的任意数量的主动冷却系统，其可以从导热条耗散热能，并可以包括液体冷却系统、压缩空气系统等。例如，导热条可以中空或包括用于冷却剂的通道，可以将冷却剂泵送或加压通过通道来冷却磁性材料。在实施例中，由电的良导体(例如铜、银、铝等)构成的场偏转器可以作为部分散热装置而加倍。将导热和导电条增加到磁性材料与场偏转器之间的空间可以对扰 动Q具有边际效应，因为在该空间中的电磁场典型地由于场偏转器的存在而受抑制。这种传导条可以热连接到磁性材料和场偏转器，以使得在不同条中的温度分布更均匀。
在实施例中，导热条间隔开，以允许至少一个导体环路缠绕在磁性材料周围。在实施例中，导热材料条可以仅位于磁性材料的间隙或接缝处。在其他实施例中，可以定位条以基本上在其整个长度上都接触磁性材料。在其他实施例中，可以分布条以匹配磁性材料内的通量密度。在谐振器正常操作下会具有较高的磁通量密度的磁性材料的区域可以与导热条具有较高密度的接触。例如在图17A所示的实施例中，朝向磁性材料块的中心可以观察到磁性材料中最高的磁通量密度，较低密度可以在谐振器的偶极矩的方向上朝向块末端。
为了显示使用导热条如何有助于减小磁性材料中的总体温度，以及在潜在热点的温度，发明人执行了类似于17C所示的谐振器结构的有限元模拟。模拟结构运行在235kHz的频率，并包括EPCOS N95磁性材料块，尺寸为30cm x30cm x5mm，由每一条都传送40A的峰值电流的10匝绞合线激发(从结构的对称面对称设置在25mm、40mm、55mm、90mm和105mm处)，并且借助三条3x3/4x1’的铝(合金6063)中空方管(壁厚1/8’’)热连接到50cm x50cm x4mm的场偏转器，中空方管的中心轴设置在距结构的对称面的-75mm、0mm和+75mm处。由于场偏转器和中空管的扰动Q为1400(相比于没有中空管的相同结构的1710)。在防护物和管中耗散的功率计算为35.6W，而在磁性材料中耗散的功率为58.3W。假定由空气对流和辐射冷却结构，且环境温度为24℃，结构中的最大温度为85℃(在大约中空管之间一半处的磁性材料中的点)，而在接触中空管的磁性材料部分中的温度为约68℃。借助比较，对于40W峰值的相同激发电流，没有导热中空管的相同谐振器耗散62.0W，磁性材料中的最大温度发现为111℃。
如果我们在一部分磁性材料中引入缺陷，其与管良好热接触，传导条的优点就更为明显。设置在磁性材料中心，并垂直于偶极矩定向的10cm长和0.5mm的气隙将磁性材料中耗散的功率增加到69.9W(相对于以前论述的高度集中在间隙附近的无缺陷实例增加了11.6W)，但传导管确保了磁性材料中的最大温度仅相对适度地增加了11℃到达96℃。相反，没有传导管 的相同缺陷导致在缺陷附近的最大温度为161℃。除了对流和辐射以外的其他冷却解决方案，例如以大热质量热连接传导管体或者主动冷却它们，可以在相同电流电平为该谐振器产生甚至更低的运行温度。
在实施例中，材料的导热条可以设置在最有可能出现裂纹的区域，其可以导致磁性材料中不规则的间隙。这种区域可以是材料上的高应力或应变区，或者来自谐振器包装的支撑或支持较差的区域。有策略地设置导热条可以确保尽管裂纹或不规则间隙出现在磁性材料中，但磁性材料的温度也保持在其临界温度以下。临界温度可以定义为磁性材料的居里温度，或者谐振器的特性降级超过所期望的性能参数的任何温度。
在实施例中，散热结构可以为磁性材料提供机械支撑。在实施例中，散热结构可以设计为具有期望的机械弹性量(例如，通过使用环氧树脂、热衬垫等，其具有适合的机械特性以热连接结构的不同元件)，以便为谐振器提供对其元件的固有尺寸的变化(由于热膨胀、磁致伸缩等)以及外部冲击和主动的更大的容许量，并避免了裂纹及其他缺陷的形成。
在谐振器包括围绕磁性材料缠绕的正交绕组的实施例中，可以调整传导材料条以在由两个正交的相邻环路组定界的区域内与磁性材料热接触。在实施例中，条可以包含适当的缺口，以配合在至少一个正交绕组的导体周围，同时在至少一点与磁性材料热接触。在实施例中，磁性材料可以与放置在相邻环路之间的多个导热块热接触。导热块又可以借助热的良导体和/或散热器彼此热连接。
在本说明书通篇中，尽管将术语材料的导热条用作材料形状的示例性范例，但本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的精神的情况下，可以替换为任何形状和轮廓。方形、卵形、条形、圆点形、细长形等都在本发明的精神内。
无线能量传输系统中的通信
无线能量传输系统可以要求验证步骤，以确保在从指定源到指定设备传输能量。在无线能量传输系统中，源和设备无需物理接触，可以借助厘米级或更大的距离分离。在具有在彼此的无线电力传输范围内的多个源或多个设备的一些结构中，必须确定或验证彼此之间传输电力的源和设备。
在将带外通信信道用于无线能量传输系统中时，能量传输的验证是重 要的。带外通信信道可以用于在无线能量传输系统的两个不同组件之间传送数据。在源与设备之间或者多个设备、多个源等之间的通信可以用于协调无线能量传输或者调整无线能量传输系统的参数，以优化效率、电力传送等。
在某些实施例中，所有信号传输和通信都可以使用带内通信信道来执行，其使用的场与用于能量传输的相同。仅使用带内通信信道可以具有无需单独的验证步骤的优点。但在某些实施例中，更希望得到单独的带外通信信道。带外通信信道可以更便宜，并支持更高的数据率。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更远距离。类似地，单独的带外通信信道可以无需要施加到谐振器的电力和通信，类似的通信可以在不中断电力传输的情况进行。
带外通信信道是不使用由谐振器用于能量传输的磁场的信道。通信信道可以使用单独的天线和单独的信号传输协议，其与能量传输谐振器和磁场分离。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或基于蓝牙、WiFi、Zigbee技术等，可以在几米乃至几百米或者更远距离上有效，而无线能量传输可以具有几厘米乃至30厘米或者更多厘米的有效范围。在范围、性能或能力中的这个区别可以影响无线能量传输系统的协调性。
例如，考虑图18中所示的无线能量系统的布置，其包括两个设备谐振器1802、1816，每一个都分别具有带外通信模块1804、1818，和两个源谐振器1806、1810，每一个都分别具有其自己的带外通信模块1808、1812。系统可以使用带外通信信道来调整并协调能量传输。通信信道可以用于发现或找到附近的谐振器，发起电力传输，并传送运行参数的调整，例如单个谐振器的功率输出、阻抗、频率等。
在一些情形下，设备谐振器可以与一个源不正确地通信，但从另一个源谐振器接收能量。能量传输信道与通信信道之间的不同可以产生性能、安全性和可靠性等问题，因为用于协调能量传输的通信，即传送谐振器的工作点调整，可以对无线能量传输信道的参数没有影响。
在一个情况下，设备谐振器1802可以在附近仅与一个源谐振器1806 具有强耦合，如图18所示的，与距离设备谐振器1802较远定位的另一个源谐振器1810具有弱耦合。在一些情况下，由于干扰、阻塞等，与对于源1810和设备1802对相比，带外通信信号可以对于源1806和设备1802对无法起作用，其中，源1806和设备1802对在用于能量传输的谐振器之间具有较强耦合，源1810和设备1802对在谐振器之间具有较弱耦合。如果另一个设备1816发起与源1806的无线能量传输，设备1802就可以从附近的源1806接收电力，同时具有与更远的源1810的带外通信信道1814。设备1802调整能量传输的任何尝试都因此是不成功的，因为设备1802不具有与它从其接收能量的源的通信。
由于在通信和控制信道与能量传输信道之间的这个分离，会产生其他系统级可靠性和控制问题，并可以导致安全性和稳定性弱点。会需要无线能量传输信道的单独验证步骤。如本领域技术人员会认识到，示例仅是举例说明该需要的一个示例，但系统的许多结构和布置可以得益于明确或隐含的能量传输验证步骤。
在实施例中，通过提供附加的验证步骤可以避免这些潜在的问题，验证步骤确保了由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，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号传输。包括使用能量传输信道或能量传输信道的场的通信或信息交换的验证步骤可以用于验证带外通信信道相应准确性。
在具有带外通信信道的实施例中，验证步骤可以是隐含的或明确的。在某些实施例中，验证可以是隐含的。在实施例中，可以响应于带外信息交换，通过监控能量传输信道的状况并与期望状况或参数相比较来隐含地验证能量传输信道。可以响应于带外通信，通过监控能量传输信道的状况和参数来隐含地验证能量传输信道。例如，期望会增大能量传输的带外通信交换后，可以监控用于无线能量传输的无线能量传输信道和谐振器的参数。在设备处观察到的所传送功率的增大可以用于推断正确识别了带外通信信道和能量传输信道。
在实施例中，隐含验证步骤可以包括监控用于无线能量传输的任意数量的无线能量传输的参数或谐振器和组件的参数。在实施例中，作为带外 通信交换的结果，可以监控电流、电压、阻抗、频率、效率、温度等，并与期望的值、趋势、变化等相比较。
在实施例中，作为通信交换的结果，源或设备可以保存测量参数和对这些参数期望的值、趋势、变化的表。源或设备可以存储通信和观察到的参数变化的历史，其可以用于验证能量传输信道。在一些情况下，起因于通信交换的单一非期望参数变化可以不足以结论性地确定带外信道被不正确地配对。在某些实施例中，可以在几个或许多通信交换中扫描或监控参数变化的历史以执行验证。
在图19A中显示了示例性算法，示出了可以用于使用带外通信隐含地验证无线能量传输系统中能量传输信道的系列步骤。在第一步骤1902中，建立在源与设备之间的带外通信信道。在下一步骤1904中，源和设备可以交换信息，其有关于调整无线能量传输的参数或用于无线能量传输的组件的参数。带外通信信道上的信息交换可以是用于系统控制和调整能量传输的正常操作中的正常交换。在一些系统中，带外通信信道可以是加密的，避免窃听、假冒等。在下一步骤1906中，源和设备或仅是源或仅是设备可以监控并保持追踪无线能量传输的参数的任何变化，或者用于能量传输的组件中参数的任何变化。作为任何到外通信交换的结果，追踪的变化可以与对参数期望的变化相比较。当参数中一个或许多观察到的变化与参数中期望的变化不对应时，可以认为是确认失败。
在无线能量传输系统的某些实施例中，验证可以是明确的。在实施例中，源或设备可以改变、抖动、调制等无线能量传输的参数，或者用于无线能量传输的谐振器的参数，以通过能量传输信道向源或设备传送或提供可验证信号。明确的验证可以包括变化、改变、调制等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，用于明确地验证目的，并可以不与优化、调谐或调整能量传输相关联。
出于与另一个无线能量谐振器或组件信号传输或通信的目的，变化、改变、调制等无线能量传输的一些参数或用于能量传输的谐振器或组件的参数也可以称为带内通信。带内通信的特征在于其使用用于能量传输的场或结构。在实施例中，通过调制用于无线能量传输的磁场或者谐振器的参数，可以将带内通信信道实施为无线能量传输谐振器和组件的部分。信息 可以通过变化谐振器的参数从一个谐振器发送到另一个。诸如电感、阻抗、电阻等的参数可以由一个谐振器抖动或变化。阻抗中的这些变化可以影响在信号传输谐振器周围的其他谐振器的阻抗、电阻、或电感。变化可以将自身显现为可以检测或解码到消息中的谐振器的电压、电流等的相应抖动。在实施例中，带内通信可以包括改变、变化、调制等用于能量传输的磁场的功率级、频率等。
在一个实施例中，可以在建立了带外通信信道后执行明确的带内验证。使用带外通信信道，源和设备可以交换关于电力传输性能和带内信号传输性能的信息。随后可以启动在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他源或设备使用带内通信信道进行信号传输，以验证在带外通信信道与能量传输信道之间的连接。当在带内通信信道观察到在带外通信信道中建立的约定的信号传输时，就验证了信道。
在实施例中，验证可以仅在能量协议的特定或预定时间期间中执行，例如在能量传输启动期间。在其他实施例中，明确的验证步骤可以在无线能量传输系统的正常运行过程中周期性地执行。当无线电力传输的效率或特性变化时，可以触发验证步骤，其可以以信号通知物理定向变化。在实施例中，通信控制器可以保留能量传输特性的历史，并发起传输的验证，包括在观察到特性中的变化时使用谐振器进行信号通知。可以在谐振器或谐振器组件、及功率和控制电路的能量传输的效率、阻抗、电压、电流等中观察能量传输特性中的变化。
本领域技术人员会意识到，能够发送消息的信号传输和通信信道可以以任意数量的加密、认证和保密算法来保护。在实施例中，可以加密带外通信，安全的通信信道可以用于发送随机序列，用于使用带内信道的验证。在实施例中，带内通信信道可以由任何已知的安全性和加密协议和算法来加密、随机化或保护。安全性和加密算法可以用于认证和验证在谐振器之间的兼容性，并可以使用公钥基础设施(PKI)和次要通信信道进行授权和认证。
在源与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，以确保它从期望的或假定的源接收能量。源可以验证能量传输信道，以确保将能量传输到期望的或假定的源。在某些实施例中，验证可以是双 向的，源和设都可以在一个步骤或协议操作中验证它们的能量传输信道。
在图19B中显示了示例性算法，示出了可以用于使用带外通信明确地验证无线能量传输系统中能量传输信道的系列步骤。在第一步骤1908中，建立在源与设备之间的带外通信信道。在下一步骤1910中，源和设备可以协调或约定可以通过无线能量传输信道发送的信号传输协议、方法、方案等。为了避免窃听，并提供保密性，可以加密带外通信信道，源和设备可以遵循任意数量的已知加密认证协议。在以加密协议赋予了能力的系统中，验证码可以包括质询-应答型交换，其可以提供增加的保密性和认证能力级别。例如，设备可以质询源，以使用共用秘密加密密钥或私钥加密它经由带外通信信道发送到源的随机验证码。随后可以通过带内通信信道信号传输1912在带外通信信道中发送的验证码。在以加密协议赋予了能力的源和设备的情况下，在带内通信信道中信号传输的验证码可以由发送方用可逆加密函数加密或修改，允许接收方进一步认证发送方，并验证带内通信信道与关联于带外通信信道的相同源或设备连接。
在验证失败的情况下，无线能量传输系统可以尝试重试确认过程。在某些实施例中，系统可以通过交换用于使用带内通信信道进行信号传输的另一个验证序列来尝试重新确认无线能量传输信道。在某些实施例中，在尝试验证带内通信信道失败后，系统可以变化或改变用于验证带内通信信道的信息的序列或类型。系统可以变化带内通信验证码的信号传输类型、协议、长度、复杂性等。
在某些实施例中，基于带内通信信道以及因此的能量传输信道的验证失败，系统可以调整带内通信信道中信号传输的功率级、调制强度、调制频率等。例如，基于设备对源的验证失败，系统可以尝试以更高的能量传输级来执行验证。系统可以增大源的功率输出，产生更强的磁场。在另一个示例中，基于设备对源的验证失败，向设备传送验证码的源通过改变其源谐振器的阻抗，可以增大或者甚至倍增用于信号传输的源谐振器的阻抗中的变化量。
在实施例中，基于能量传输信道的验证失败，系统可以尝试使用带外通信信道探查、找到或发现其他可能的源或设备。在实施例中，带外通信信道可以用于找到用于无线能量传输的其他可能的候选。在某些实施例中， 系统可以改变或调整带外通信信道的输出功率或范围，以有助于使得失败的配对达到最小程度。
可以功率调制带外通信信道以具有几个模式，长距离模式用以检测源，短距离模式或低功率模式用以确保与在附近的另一个设备或源进行通信。在实施例中，带外通信信道可以与用于每一个应用的无线信道的范围相匹配。在能量传输信道的验证失败后，可以缓慢增大带外通信信道的输出功率，以找到用于无线能量传输的其他可能的源或设备。如上所述，带外通信信道可以呈现出干扰和阻塞，其可以不同于能量传输信道的干扰和阻塞，需要更高功率级进行带外通信的源和设备可以足够接近，以允许无线能量传输。
在某些实施例中，可以使用屏蔽或定位来定向、布置、聚焦等带外通信信道，以便仅在有限区域中(即在车辆的情况下)有效，以确保它只能够与邻近性、位置和方位足够接近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的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，在初始建立带外通信信道的过程中，可以将源或设备的位置与无线源或设备的已知的或图上的位置或位置数据库相比较，以确定能量传输最有可能成功的对。可以用来自GPS接收机的GPS数据、来自定位传感器的数据等来补充带外通信信道发现。
具有无线能量传输的光伏(PV)板
我们描述了一种系统，其可以使用源谐振器和捕获谐振器来从外部太阳能PV板向内部捕获模块或其他太阳能PV板以无线的方式传输电力。在实施例中，太阳能PV板具有一个或多个谐振器，其将太阳光产生的电力从太阳能PV板传输到一个或多个谐振器，谐振器可以时另一个太阳能PV板的部件或者可以在建筑物、车辆、船只等的内部或者板的安装结构的部分。
在实施例中，一个或多个谐振器可以集成到太阳能PV板组件中。谐振器可以集成到板的周边中，或者它们可以设计为装配在板的光伏元件下面。可以设计并定向谐振器，以产生基本上垂直于PV板的平面的磁场，以允许与可以放置在板后面的谐振器的有效耦合。在实施例中，可以设计并定位PV板中集成的谐振器，以使得磁场基本上平行于板的表面，允许与在板的 侧面的类似谐振器的有效耦合。在其他实施例中，可以设计并定向谐振器以产生基本上全向的磁场。在具有集成谐振器的实施例中，无需物理或直接电气接触。
图20显示了矩形PV板2002的图示，其具有三个集成谐振器的轮廓，显示了几个可能的谐振器方向和位置。谐振器可以集成到板的周边2001中。谐振器可以在任意位置2003放置在PV板内部或后面，并可以具有各种尺寸和方向，例如谐振器2004，将其定向为使得将磁场指向板的角外部。尽管图中未示出，但谐振器可以包括适当的屏蔽和磁场波导，用以减小来自谐振器的扰动和损耗。
在实施例中，PV板的谐振器可以在主板体组件的外部。线缆或有线连接器可以将PV板连接到谐振器。在这个实施例中，可以与PV板的位置无关地选择并改变谐振器的位置和方向，可以允许系统的安装和定位的更多的灵活性。在这个实施例中，PV板的谐振器可以在不必移动PV板的情况下与接收谐振器对准。图21显示了PV板2103的实施例，其具有导线连接2102到PV板的外部谐振器2101。
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准和定位，以允许到相对于PV板的多个方向和位置的谐振器位置的能量传输。在实施例中，PV板的多个谐振器可以同时用于传输电力并从其他谐振器接收电力。例如，PV板的一个谐振器可以用于从另一个PV板接收电力，并使用它其他的谐振器之一向建筑物内的设备或谐振器传输电力。PV板系统可以使用多个板设计，每一个都有可能具有不同的谐振器结构。
在具有集成谐振器的板中，板可以无需任何孔、馈通、布线或连接器。控制PV板和谐振器的电子装置可以全部集成到板中。板从而可以是完全封闭并且防水的，提供了针对湿气、灰尘、污垢、昆虫等的完全保护。在某些实施例中，PV板的外壳优选地可以部分或全部由导磁材料组成，以允许有效的磁耦合，并使得能量传输的损耗最小。在某些实施例中，磁体可以用于将包括导磁材料的PV板固定在适当位置。PV板可以具有任意大小、形状和尺寸，不限于画出的几何形状。谐振器和PV板可以具有任意几何形 状，例如可以成形它们以按照车辆的轮廓。谐振器和PV板可以是柔性的或铰链式的，并可以设计为在不使用时可以将它们卷成管状或者折叠。
根据本发明，可以将电力从PV板谐振器无线传输到为设备供电的谐振器或者耦合到建筑物、车辆等的电气网络的谐振器。
在一个实施例中，具有谐振器的PV板可以用于为设备直接且无线地供电。能够耦合到PV板的磁谐振器的设备可以无线接收能量，用以为其电子装置或充电电池供电。可以调谐设备谐振器以耦合到PV板的谐振器。具有用于无线电力传输的集成或外部谐振器的PV板可以布置在许多环境和应用中。PV板可以永久或暂时地附着或设置在车辆、建筑物、工具箱、平板及其他结构上，以提供来自太阳能的无线电力。使用无线电力传输，无需布线来将设备连接到PV板，因此PV板可以易于安装或设置在需要电力的区域中。
例如，如图22所示的，具有所述无线电力传输谐振器的PV板可以附着到车辆的车顶2202、行李箱2203、侧板2204或引擎罩2201。来自PV板的能量可以由PV板的谐振器通过车辆的车顶、行李箱、侧板或引擎罩无线传输到车辆中，用以为车辆内的电子装置供电或充电。具有谐振器的设备可以直接耦合到PV板的谐振器并接收电力。可以在无需布线的情况下，由从太阳能电力获得的能量为诸如移动手机、膝上型电脑、游戏机、GPS设备、电气工具等的设备无线充电或供电，尽管设备在车辆的黑暗、封闭的空间中。使用无线电力传输的PV板可以附着在例如皮卡车的车箱顶部或上面，允许为储存在卡车后斗中的电池或电池供电的工具无线充电。
在另一个示例中，PV板可以安装到轿车的外部。耦合到车辆的电气系统的在车辆内、车辆的车顶、引擎罩或行李箱下面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、充电电池供电，或者为车辆其他外围设备供电。借助无线电力传输，PV板可以在不必获得在板与车辆之间的任何硬连线连接的情况下安装或改装到车辆，简化了安装并在必要时允许快速去除。
在另一个示例中，使用无线电力传输的PV板可以集成到遮阳篷或太阳伞的顶部中，如图23所示的。具有内部或外部谐振器的在伞2303、2304、2305和2306顶上的PV板可以向位于伞或遮阳篷下阴影中的诸如膝上型电 脑2302或移动手机2301的有能力设备传输电力。
在其他实施例中，在无需任何外部PV板与内部电气系统之间的直接接触的情况下，使用无线电力传输的PV板可以用于向直接耦合到房屋、车辆等的有线配电或电气系统的谐振器传输电力。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、车辆等的外部上。谐振器可以安装在建筑物、车辆等的内部，其可以连接到结构的电气系统。在内部的谐振器可以从在外部的谐振器接收电力，并将能量传输到结构的电气系统，允许为连接到电力系统的设备供电。在实施例中，由谐振器从PV板接收的电力可以以允许将其传输到电网的方式来加以调节。例如，一个或多个捕获谐振器可以将电力提供给逆变器，所述逆变器随后将电力提供给电网。
例如，如图24中的图所示的，使用无线电力传输的PV板可以安装到建筑物的外部屋顶上。耦合到建筑物的电气系统的谐振器可以安装到PV板后的屋顶内部下方。可以将电力从外部PV板传输到建筑物的内部电气系统，无需用于布线的建筑物外部的任何钻孔或穿透。来自PV板的太阳能电力于是可以由连接到建筑物的有线电气系统的电气设备使用。从PV板捕获的电能也可以提供给断路器板，其可以连接到电网。
使用无线电力传输的PV板可以简化多个PV板的安装和连接。无线电力传输可以用于来自可以是系统的部分的几个PV板的连接和捕获电力。
在具有多个PV板的一个实施例中，每一个板都可以具有一个或多个谐振器，其将电力传送到设备或者耦合到有线电气系统的相应谐振器。例如，设置在建筑物的外部屋顶上的PV板可以每一个都具有在建筑物内部的相应捕获谐振器，其耦合到电气系统。例如，设置在轿车外部的PV板可以每一个都功率耦合到车辆内部的多个设备谐振器。在这种实施例中，每一个PV板都独立于其他PV板。图25中显示了这个系统的示例性屋顶结构图。图中的每一个PV板2502都具有谐振器2503，其可以直接通过屋顶2501向安装在建筑物内部的谐振器(未示出)传送能量。
在具有多个PV板的另一个实施例中，板可以利用在彼此之间的无线电力传输以往来于一个或多个指定板传输或收集电力。在这个实施例中，仅有几个指定板能够向耦合到电气系统的设备或谐振器传送电力。在一点或几点收集并传送能量。在这种实施例中，相邻PV板彼此相关，但在有故障 时易于安装或替换，因为在板或电气系统之间无需布线。图26中显示了这个系统的示例性屋顶结构图。一个或多个板2606具有谐振器2605，其可以向建筑物内部的谐振器传输能量。来自其他谐振器的能量可以从板到板无线传输，直至它到达能够将能量传送到建筑物内的板。例如在图26中，板2601可以向其相邻板2602经由它们耦合的谐振器2607、2608传输能量。类似地，板2602可以经由耦合的谐振器2603、2604将它的能量和来自板2601的能量传输给板2606。板2606随后可以将源自板2601、2602、2606的能量传输到建筑物内部的谐振器(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电力的附加的连接结构。谐振器的结构可以安装到在PV板下面或紧邻PV板设置的安装条板中。PV板的谐振器可以将其能量无线传输到条板上的谐振器。连接到条板的一个或几个谐振器可以用于将来自全部板的电力传输到设备或者耦合到电气系统的内部谐振器。在这个系统中，一旦安装了谐振器条板，就可以通过将板固定在连接结构上或附近来将板去除或增加到系统。图27中显示了这个系统的示例性屋顶结构图。形状为平坦细长条板的谐振器结构2702可以附着到建筑物的屋顶。具有谐振器2703的PV板2701可以向条板传输能量。条板随后可以使用耦合到建筑物内部谐振器(未示出)的单一谐振器2705，在没有任何导线的情况下将所有板的能量传输到内部。可以通过简单地将板设置在条板上来为系统增加或去除板。
在又一个实施例中，多个板可以一起物理连线到谐振器，其可以将它们的电力无线传送到连线或耦合到建筑物或车辆内部的其他谐振器的设备。
借助使用无线电力传输的所有以上结构，简单得多的PV板安装是可能的，因为可以将电力从板无线传送到建筑物或车辆中的捕获谐振器，消除了通过结构的顶或壁的所有外部布线、连接器和导线管及任何孔。与太阳能电池一起使用的无线电力传输的益处在于它可以减小屋顶危险，因为它消除了电工在屋顶上工作以互连板、串列和接线盒的需要。结合了无线电力传输的太阳能板的安装可以需要较少的技术工人，因为需要进行更少的电气接触。借助无线电力传输可以需要更少的特定位置设计，因为该技术给与安装者单独优化并定位每一个太阳能PV板的能力，显著减小了对昂贵 的工程和板布局服务的需要。
借助无线电力传输，可以暂时布置PV板，随后移动或去除，不会留下对周围结构的永久性改变。例如，在晴天可以将它们放置在外面的院子中，转动以跟随太阳，或者为了清洁或储存而拿到屋内。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绳线可以扔到地上或者放置在太阳能单元附近。捕获延长绳线可以针对元件完全密封并电气隔离，以使得它可以用于任何室内或室外环境中。
借助无线电力传输，不必有到PV板的任何导线或外部连接，它们可以是完全天气密封的。可以预计到太阳能PV发电和传输电路中电气组件显著改进的可靠性和寿命，因为天气密封的外壳可以保护组件免于UV辐射、潮湿、天气、灰尘等。借助无线电力传输和天气密封外壳，可以使用较少的昂贵组件，因为它们不再直接暴露于外部因素和天气因素，这可以减小PV板的成本。类似地，使用无线电力传输的PV板可以更为通用且更为便携，因为PV板无需固定的硬连线连接。
在实施例中，在PV板与建筑物或车辆内的捕获谐振器之间的电力传输可以是双向的。当板不具有足以用于自校准、对准或维护任务的能量时，能量可以从住宅电网传送到PV板以提供电力。反向的电力流动可以用于为加热元件供电，其可以融化板上的积雪，或者为电机供电，其会将板定位在相对于光源更有利的位置。一旦融化了积雪或者重定位了板，就可以从PV板传输能量。
在某些实施例中，耦合到源谐振器的源电子装置可以包括至少一个半桥或全桥开关放大器。耦合到捕获谐振器的捕获电子装置可以包括至少一个半桥或全桥整流器，其进一步包括功率晶体管。这些实施例允许来自连接到源电子装置的能源的无线电力传输传送到连接到捕获电子装置的负载。注意，源和捕获电子装置都使用半桥或全桥开关电路。因此，这些实施例也允许反方向上的无线电力传输，其中，连接到捕获电子装置的能源可以向连接到源电子装置的负载传输能量。例如，这实现了从诸如电池、飞轮、电容器、电感器等的储能介质无线地传输和取回能量。还实现了到具有无线能力的PV板的反向电力流动，用于融化积雪，如上所述。
谐振器和无线电力传输电力可以包括调谐和安全机制。在实施例中， 使用无线电力传输的PV板可以包括与安装有关的自调谐，以确保到无线收集器的最大且有效的电力传输。例如，屋顶材料的变化或者不同安装中在PV板与无线收集器之间距离的变化可以影响性能或者扰乱无线电力传输的谐振器的特性。为了减小安装复杂性，无线电力传输组件可以包括调谐能力，用以自动调整其工作点以补偿起因于材料或距离的任何影响。可以调整频率、阻抗、电容、电感、占空比、电压电平等，以确保有效且安全的电力传输。
谐振器和无线电力传输电路可以包括调谐，其确保来自PV板的最大功率提取以及提取的功率的有效无线传输。在实施例中，无线电力传输电路可以被配置用于在谐振器之间的能量传输，同时还将等效负载电阻施加到PV板用于最佳能量提取。这个无线源可以在比当前可能的更为广泛的环境条件下将能量从PV板有效地传输到无线捕获设备。例如，随着太阳光照度级(或者等效的辐照度)在上午期间增大，施加到PV板输出的阻抗会以使得来自PV板的功率提取最大的方式减小。本文将这个无线能量源称为“无线能量最大功率点跟踪器(WEMPPT)”。例如，图18A示出了包括串联连接的多个光伏压结的光伏太阳能板。为了简单，由电流源与二极管的并联组合来表示每一个光伏压结。更真实的模型会包括串联和分流电阻、二极管变化等。由板产生的电压V和电流I部分取决于太阳光辐照度和出现在板的输出的等效电阻R。图28B显示了用于R的参数变量和不同太阳光辐照度级别的几个示例性曲线。同样在图28B中示出的是曲线上的点，在此可以由给定负载电阻R从PV板提取最大功率。这是最大功率点跟踪器(MPPT)应向板呈现的R值。
对于图28A中所示的电路模型，流入电阻R的电流是其中，Isolar是太阳光产生的电流，V是横跨板的电压，N是板中电池的数量，Is是反向饱和电流，在25℃温度，Vth约为0.026V。可以无线传输的从板提取的功率简单地为V×Isolar。相对于V的功率的导数的根导致最大功率点电压：
VMPPT＝NVth[W(e(Isolar+Is)/Is)-1]，      (4)
其中，W(z)是朗伯W函数或product-log积-对数函数，由反函数z＝W(z)e W(z)定义。图29显示了随着PV板或阵列电流改变的最大功率点电压的曲线图。对于这个示例，应由WEMPPT向PV板呈现的用于最大功率的电阻是图29中所示的曲线的斜率。图30显示了这个电阻和它如何随用于具有60个电池、1m2面积和在室温工作的示例性板的太阳光照度而改变。例如，借助1kW/m2辐照度，阵列电流会约为8A，最佳电阻应为4Ω。如果辐照度下降到0.2kW/m2，那么最佳电阻应为12.5Ω。在一个实施例中，无线电源可以仅向PV板呈现出固定电阻。于是会发生效率损失。对于以上示例，在0.2kW/m2辐照度的效率会大于系数4，低于对于1kW/m2的-这会导致提取的功率的大于20的系数的减小。在另一个实施例中，使用WEMPPT配置会保持对于该示例中的辐照度的效率，以使得提取的功率与太阳光辐照度基本上成正比。
在实施例中，无线能量源可以连接到常规MPPT电路的输出，MPPT电路可以包括DC-DC转换器，并可以连接到PV板。图31A显示了一个这种实施例。在这个实施例中，因为在MPPT电路和无线能量源中的功率耗散，会出现系统效率的损失。图31B显示了更有效的实施例，其中，无线能量源可以在不引起分离的MPPT电路的附加效率损失的情况下，模仿分离的MPPT电路的行为。图31C显示了另一个实施例，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电平。在实施例中，图31C中标记为“具有DC电流或电压转换的整流器”的这个电路可以以半桥或全桥开关电路来实现。在实施例中，整流器调整设备(和/或源)中PWM波形的占空比和/或相位角，以影响无线能量捕获和电压或电流调节。整流器还可以相对于流过设备谐振器的振荡电流调整开关的开关时间，以有效地捕获无线能量并保持电压或电流控制。
具有WEMPPT的PV板可以简化板串列的安装，其中，串列中的不同板受到不同程度的辐照度或不同的环境条件。串列连接的PV板串列对于开发高于单板所可以提供的输出电压是有用的。高输出电压可以更符合负载设备，例如连接电网的逆变器、脱离电网的逆变器、用于电池充电的充电控制器等。在实施例中，可以将每一个都具有相关WEMPPT的多个PV板 设置在顶上或其他外部表面上，并暴露于板之间不同程度的照射。在顶部下或者内表面，多个能量捕获设备可以从源接收无线能量，并组合其输出。图32示出了一个实施例，其中，在顶部下将从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的输出组合为串列。在实施例中，串联组合捕获设备的输出，以提升净电压。在实施例中，捕获设备包括电流或电压调节3212、3214、3216、3218、3220，将其输出串联组合，以借助调节的电流或电压3222产生更高的电压。
在实施例中，WEMPPT结构可以在包括开关放大器的无线能量源中实现，开关放大器具有针对放大器中电阻器的开关时间的相位角的自动调整。在开关断开时间与流过开关的电流改变方向时间之间的时间关系确定一个相位角，本文称为本文称为γ的另一个相位角说明在分流开关的二极管导通时间与闭合开关时间之间的关系。这为以有利于从PV板的能量提取和所述提取的能量的有效无线传输的方式调整能源的特性提供了两个自由度。更具体地，图23中所示的放大器可以向PV板呈现最佳电阻Rdc，同时向阻抗匹配网络(IMN)呈现基本上匹配的AC输出阻抗。这允许通过源回路将提取的能量有效地传输到设备回路并通过设备IMN传输到整流器。
图34显示了半桥放大器的示例，其可以用于向PV板提供最佳电阻Rdc。图35A和35B中针对用于操作开关S1和S2的两个不同时序配置示出了用于这个放大器的示例性波形。图35A显示了用于实现高效率AC波形的时序配置的示例。注意如何在电流iac改变符号时和电压vac达到Vdc/2时的准确时刻闭合开关S1。在闭合的同时，开关S1被称为受到零电流和零电压转换。在定义为的短时间之前，开关S2断开并受到零电压转换。在S2断开后的半个周期，S1断开，也受到零电压转换。这些条件导致开关中几乎为零的耗散。可以为具有多个值的不同设计实现高效率转换，同时为对用于无线能量传输的多个ac负载的阻抗匹配提供自由度。需要附加的自由度以调整向PV板呈现的dc电阻。图35B中示出了一个此类自由度，其显示了如何略微早于图35A中所示的断开S2。于是vac的值在S1闭合前达到Vdc/2，电流iac于是流过二极管D1(使其导通)，直至电流跨过零。二极管D1在时间γ/ω中保持导通，在该时间，开关S1在几乎零电压条件下 不合。注意，牺牲了零电流转换，尽管由于二极管而保持了几乎零电压转换。这仍导致高效率操作。调整γ/ω的值为调整向PV板呈现的dc电阻提供了附加的自由度。图36显示了如何通过针对相位的固定值调整相位γ的值，将dc电阻改变系数4的具体示例。对于图34中所示的电路，将dc电阻与相位γ相关联的等式可以写为：

随着调整相位γ，放大器的AC输出阻抗也改变。图37A显示了输出阻抗如何还取决于相位γ。在实施例中，将相位和γ选入组合中，其优化了向PV板呈现的Rdc以及向阻抗匹配网络呈现的AC阻抗。在实施例中，结合诸如阻抗匹配网络中的电容器、电感器和电阻器的电路元件调整相位γ，以优化向PV板呈现的Rdc以及向源谐振器呈现的AC阻抗。
在其他实施例中，通过增加响应于改变环境条件的所述电路元件的自动调整，可以在包括诸如电容器、电感器和电阻器的电路元件的无线能量源中实现WEMPPT结构。所述电路元件可以是放大器、阻抗匹配网络和/或谐振器的任意一个的部件。在其他实施例中，WEMPPT结构可以包括可以调谐的电路元件以及可以调整的用于晶体管的开关时间。图38示出了具有主控制算法的一个示例性实施例。主控制算法计算诸如流过阻抗匹配网络和源线圈组合的电流和电压波形的输入的值。算法使用所述输入的处理以确定例如更为最佳的DC阻抗呈现给PV电池和/或更有利的AC阻抗呈现非阻抗匹配网络。算法控制调整PWM波形的模块和/或调整调谐网络的模块，以便可以实现更为最佳的阻抗。
图39示出了控制算法的实施例。在时间步长n中，算法测量横跨阻抗匹配网络的AC电压和电流。算法还测量横跨PV板的DC电压。随后算法为调谐网络中的可调谐电容计算新设定点，并促使变化。在下一时间步长中重新测量电压和电流，调整循环继续直至实现期望的电容。接下来，将从PV板提取的功率与在前时间步长中提取的功率相比较，并计算差的符号。差的符号于是确定算法如何调整晶体管开关的开关时间的占空比。如上所述，可以通过改变相位角或γ的任意一个来调整占空比。
除了太阳能PV板以外，产生电能的其他方法包括风力发电机、水力发电机、热电发电机和热光伏发电机等。此类方法还提供电输出，其随环境 条件而改变，传统MPPT电路可以用于使得能量提取最大。本领域技术人员会理解，WEMPPT结构的特征是通用的，可以应用于范围广泛的电能发生器。
在实施例中，无线电力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、阻抗和电压传感器及微控制器或处理器，以确保板在可允许的限度内工作。无线电力传输系统可以包括接地连接，以便为累积的电荷提供放电路径。无线电力传输系统可以包括电压传感器，其实现了累积电荷的检测。如果对于使用无线电力传输的PV板不能获得到大地的连接，板可以包括接地故障终端传感器，在此将PV板的情况视为接地。
在实施例中，PV板和谐振器可以包括传感器和视觉、听觉和震动反馈，以帮助谐振器对准，来确保在外部PV板与内部捕获谐振器之间的有效电力传输。例如，一个谐振器可以用于通过感测在谐振器之间的谐振耦合的增大或减小来感测另一个谐振器的位置。可替换地，在谐振器之间的互感的增大或减小可以用于确定谐振器相对位置。
在具有多个PV板或多个谐振器的实施例中，可以将系统的谐振器调谐到不同频率以避免干扰。多个谐振器的调谐频率可以是时间多路传输或频率多路传输的。在其他实施例中，源和捕获谐振器可以包括通信能力，其允许源和捕获谐振器交换配置信息。在其他实施例中，这种源和捕获谐振器可以交换初始校准或验证在期望的谐振器之间进行电力交换所需的信息。如上所述，通信可以是带内或带外的。
图40显示了WEMPPT结构的优选实施例，用于安装在建筑物屋顶上的太阳能PV板的示例。PV板在左侧示出了串联连接的多个太阳能电池，其中如上所述的，每一个电池都由包括电流源和二极管的简化等效电路来表示。电容器表示横跨PV板端子的电容。接下来，将PV板端子连接到全桥开关放大器，如上所述，其可以在DE类模式中工作。可以由源控制器调整S1-S4的开关时间及相关参数，例如占空比和相位角和γ。接下来，将开关放大器的AC输出连接到阻抗匹配网络(IMN)，其具有诸如电容器的可调整电路元件。如上所述，可以针对各种环境和太阳光辐照度条件，以优化从PV板的电力提取和电力通过屋顶阻碍的无线传输的方式来调整开 关时间参数与电路元件的组合。用于进行调整的优选算法使用来自PV板的至少一个DC电流和DC电压的测量值以及IMN中或源线圈上的至少一个AC电流和AC电压的测量值。
图40的右侧显示了WEMPPT结构的电力捕获部分的结构-在这个示例中在建筑物内部。算法可以在执行两个功能的捕获控制器中实施。首先，所述控制器优化捕获线圈到整流器的阻抗匹配。其次，所述控制器调节来自整流器的DC电流、DC电压和/或功率输出。用于屋顶太阳能示例的优选算法测量来自捕获线圈的至少一个AC电流和AC电压，及来自整流器的至少一个DC电压或DC电流。随后可以调整S5-S8的开关时间以保持高效率整流。在与诸如IMN中的可变电容器的另一个可调整参数结合时，可以调整开关时间和可变电容器以优化阻抗匹配、保持高效率整流并调节来自整流器的输出DC电流或电压或功率。
在优选实施例中，对于在屋顶上的多个PV板的示例，每一个PV板都可以具有相应的捕获电路，其中，每一个捕获电路都将其DC输出电流调节为公共值Idc。随后，多个PV板可以串联电连接，如图41所示。每一个PV板可以逐渐获得电压Vdc_i，其中i是对应于第i个PV板的索引。当不同PV板受到不同辐照度时，其功率捕获电路可以在公共电流值Idc逐渐获得不同的DC电压。不同DC电压的总和Vstring可用于逆变器或电池充电器。提供给逆变器或充电器的功率量是P＝Vstring×Idc。对于来自板的给定功率量P，Vstring的值由流过串联连接的捕获电路的Idc的值来确定。这有利于在逆变器或充电器的输入保持几乎恒定的Vstring值-允许逆变器或充电器以其峰值效率工作的条件。为了实现几乎恒定的Vstring，逆变器或充电器可以为每一个功率捕获电路设定公共电流值Idc。可以在逆变器或充电器与功率捕获电路之间建立通信链路来设定公共电流值。链路可以利用DC布线或它可以使用无线通信。
通信链路还可以用于在逆变器或充电器与功率捕获电路之间传送诊断、性能的信息或其他状态信息。还可以使用如上所述的带内或带外通信为每一个功率捕获电路获得与其相应的PV板有关的信息。与PV板有关的信息随后可以在内部通信链路之间共享。这可以包括与功率捕获电路与其相应PV板的相对对准有关的信息。可以从功率捕获电路借助各种技术来监 控相对对准，包括电感性感测、磁场强度感测、电容性感测、热感测或无需屋顶穿透的其他形态。在优选实施例中，可以用对在源与捕获线圈之间的互感耦合敏感的方法来监控相对对准。
尽管在太阳能PV板的背景下加以说明，但暴露于技术人员会意识到，所述技术和方法可以与其他能量收获设备一起使用，例如风力涡轮机、水力涡轮机、热交换器等。例如，安装在建筑物屋顶的能量产生风力涡轮机可以以类似于针对PV板所述的方式得益于无线电力传输。因为其他能量收获设备依据环境条件而改变，上述的WEMPPT功能可以用于除了PV板以外的实施例中。来自风力涡轮机的电力可以在无需在屋顶或墙壁中钻孔或穿透的情况下从外部传输到建筑物内部。类似地，在使用如水流、浪等的水运动来产生能量的船舶或其他结构中的水力涡轮机可以得益于无线电力传输。对于这种结构不希望出现为了通过船舶的船体或密封的水下建筑物的布线而钻孔。借助无线电力传输，水下涡轮机和能量收获器可以完全密封并隔离，使得这种设备更为可靠，也更易于替换或维修，因为可以在无需任何连接的重密封的情况下去除或替换它们。
用于包装的无线能量传输
无线能量传输可以用于向产品包装、包装产品等传输能量。当在零售环境下、储存环境下、仓库环境下、冷藏库环境下、航运环境下等包装在货架上时，可以向包装或包装产品传输电力。由包装捕获的无线能量可以用于照明包装的部分、为电子装置或传感器或包装供电、控制包装的温度、向在包装内的设备或电池提供电力、向包装上的显示器提供电力等。
产品包装可以包括箱子、包、瓶子、不干胶标签、纸板箱、显示器、包装材料、瓶盖、标记、传单、附件等。产品包装可以是产品的一次性外包装材料，在使用前将其去除。产品包装可以表示不被去除的产品整体组成部分，是产品的永久部分。
根据示例性而非限制性的实施例，设备谐振器和电子装置在从源谐振器向设备谐振器传输能量的位置处可以集成到包装中，可以位于包装的内部，或者附加到包装的外部，从位于架子上、地板上、天花板中、墙壁中等的源谐振器接收无线能量。
根据示例性而非限制性的实施例，由设备谐振器捕获的能量可以用于 为灯、蜂鸣器、监视器、振动器、显示器、有机材料、导电墨水或涂料、或任何其他视觉、听觉或触觉刺激器供能，其可以用于增强产品的外观、传达信息、或者吸引消费者的注意力。
根据示例性而非限制性的实施例，由设备谐振器捕获的能量可以直接由包装产品使用。能量可以用于为包装产品的电池充电，确保在设备被购买和拆开包装时，设备的电池为立即使用充好电。
根据示例性而非限制性的实施例，由设备谐振器捕获的能量可以用于保持或监控包装内的环境条件。可以监控、记录诸如温度、光、湿度、产品新鲜度、产品质量、包装完整性等的参数并向用户或消费者报告。
在图42中示出了具有无线能量传输系统的产品包装的一个示例性实施例。具有集成的设备谐振器4208和可任选的设备电子装置(未示出)的包装4202可以设置在耦合到源电子装置(未示出)的源谐振器4204附近。由设备谐振器捕获的能量可以用于经由有线4206电气连接为包装的发光部件4210通电。在实施例中，发光部件可以是LED、灯泡、荧光灯泡、发光涂料、显示器的部件等，其可以直接附接到、集成到和/或陷入包装中。
根据示例性而非限制性的实施例，源或设备谐振器4204、4208可以具有不同尺寸。根据示例性而非限制性的实施例，优选地，使源谐振器4204大于设备谐振器4208，以允许设备谐振器4208在源谐振器4204附近移动或放置的更大自由度。
根据示例性而非限制性的实施例，源或设备谐振器4204、4208可以是本文所述的任意谐振器类型，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包装上或附于包装上的嵌入物或不干胶标签上的电导体。
根据示例性而非限制性的实施例，设备谐振器4208可以适于装配到包装的不同侧或面。根据示例性而非限制性的实施例，设备谐振器4208可以适于围绕圆形包装来装配，例如图43所示的，其中，谐振器线圈4316围绕圆柱形包装4314的周边装配。并为包装的照明标志4312供电。
在实施例中，可以在一些包装产品不直接紧挨着源谐振器4204，而是被一个或多个其他包装或产品与源谐振器4204隔开的结构中堆叠或布置包装产品。为了接收能量，包装产品会需要通过一个或多个包装产品接收能 量。例如，如图44所示，方形包装4422可以堆叠在货架上的三维阵列中。阵列在所有方向上可以具有四个或更多的包装深度。结果，放置在货架4428的顶部、后部4424或底部4426的源谐振器4204可以不与阵列中的所有包装接触或邻近，以便向对应于每一个包装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，可以基于谐振器的尺寸、从源谐振器输出的功率和产品的功率要求来限制产品堆叠或阵列的最大尺寸和距离。可以针对距源的最大间隔及因此的最大堆叠高度评定包装。
根据示例性而非限制性的实施例，可以借助转发器谐振器来增大源或设备的堆叠高度或间隔距离。大转发器谐振器可以设置在堆叠的包装层之间，以增大设备和源中谐振器的耦合强度。例如，对于图44中所示的结构，由底部源谐振器4426供能，大转发器谐振器4430可以插入到包装的第一和第二层之间，以例如将无线能量传输范围扩展到包装的第二或第三行。转发器谐振器4430也可以插入到第二和第三行及任何另外的行之间。
根据示例性而非限制性的实施例，可以借助集成到或附接于每一个包装的转发器谐振器来改进无线能量传输的范围和包装产品的堆叠高度。转发器谐振器可以增加到包装以改进到源谐振器的耦合。图45中示出了具有转发器谐振器的包装的示例。包装4534包括设备谐振器4538，其向包装中的任何电子装置或电路提供能量，和转发器谐振器4536，其可以大于设备谐振器，并附接或集成到包装的与设备谐振器相同或不同的侧或面。在这个结构中，在源谐振器在包装的后面的情况下，多个包装可以前后堆叠。
根据示例性而非限制性的实施例，会希望关闭或避免在堆叠中间或堆叠的后面的包装供能。例如，为吸引消费者注意力而设计的包装的照明只有在消费者可以见到包装时才有用。可能看不见在堆叠后面的包装，为包装供能会浪费能量，减小电路的可靠性，并有可能导致设备故障。在实施例中，包装可以被配置为仅在它们在显示的前面时或者在消费者可以看见它们时才供能或开启。
根据示例性而非限制性的实施例，包装可以具有传感器，例如光传感器、RFID传感器等，其可以用于确定并触发适当的包装。
根据示例性而非限制性的实施例，包装可以被配置为选择性地去谐设 备不在显示的前面的谐振器。与源谐振器的谐振器频率去谐的谐振器不会有效地从源接收能量，实际上会被禁用。在堆叠在一起时，可以通过将有损材料引入包装的配合面来完成谐振器的选择性去谐。诸如电导体的薄片的材料在放到极为接近设备谐振器处时可以充分去谐设备谐振器。在实施例中，可以设计包装具有小面积的有损材料，以使得有损材料可以去谐没有在包装堆叠前面的设备谐振器。
例如，再次考虑图45中所示的包括设备谐振器4538和转发器谐振器4536的包装4534。包装可以设计为在设备谐振器的对面具有有损材料4540的贴片或薄片，以使得当两个包装堆叠在一起时，有损材料可以加载并去谐在后面的包装的设备谐振器，同时不影响每一个包装的转发器谐振器，允许能量通过转发器谐振器到达前面的包装。
图46中显示来具有两个包装的结构。该结构包括源谐振器4646和两个包装4643或4652，每一个都分别具有其自己的转发器谐振器4650、4644和设备谐振器4654和4648。每一个包装还可以具有有损材料的贴片4656、4658。定位有损材料以使得其影响在其后面的箱子的设备谐振器。例如，定位贴片4658以去谐设备谐振器4648或后面的箱子，而不影响较大的转发器谐振器4644、4650，也不影响前面包装的设备谐振器15854。无线能量因此可以在不明显供能后面箱子的设备谐振器4648的情况下，从源谐振器4646经由后面箱子的转发器谐振器4644到达前面箱子的设备谐振器4654。
在实施例中，在源和/或转发器谐振器的Q相对较高且设包含在包装中的设备谐振器的Q相对较低时，可以实现有效的能量传输。这种低Q谐振器可以包括感性元件，包括印刷导体、导电墨水、涂料等。易于制造且布置安全的感性元件在包装应用中是优选的，即使这些元件的损耗高于例如电子级铜。包括碳迹线的较高损耗的导体和/或较低电导率但可印刷的导体适合于这个应用，因为使用高Q源和转发器谐振器的任意一个或二者可以实现有效的电力传输。
在实施例中，使用本发明的无线电路传输方案可以实现全新的标记或通信能力。例如，通过对产品包装实现无线电力传输，包装自身可以包括新的功能。例如，包装可以包括通信功能，其允许经由无线通信链路更新 显示的价格。在零售环境下，包装可以与路过的消费者的移动电话通信，并使得电话响铃或振动或发出听得见的音调，以提醒消费者该产品在以特价出售、或者改进了、或者被评论了等。在仓库环境下，包装可以与中央数据库通信，以便可以易于识别其位置。例如，UPS驾驶员无需再扫描其包装，因为包装能够与仓库中、卡车中的追踪软件无线通信，并可以进一步集成GPS追踪方案，以使得不是仅仅说“在卡车上交货”，而是可以在给定时间追踪包装到卡车的街道位置。或许可以显示卡车路线连同更准确估计的到达时间。
无线通信功能还可以用于构成多个包装的ad hoc网络，由无线电力传输实现的显示能力或点亮能力可以通过产生涉及多个包装的同步显示来进一步增强。例如，可以同步点亮功能以产生闪光显示，或者光“围绕包装跑”的显示。除了光以外，无线电力可以用于为听得见的音调供电，或者通过无线链路传送营销应用。
无线通信可以结合“在车中”系统，其向消费者显示车的内容物的价钱。车可以具有无线供电能量，向推车中的包装提供电力。车可以由充电电池供电，它在车停放在停车处时被无线充电，或者在将车推到商店周围时，车可以从地板中的源线圈供电。对于像搔痒娃娃(tickle me elmo)或iphone的畅销品，消费者可以在其电话上下载应用，其允许它们即时获得在任意给定商店有多少可以获得的产品数量。
如果你让某人获得一些你的电力，无线供电应用可以包括电源地图、电力管理和共享、账单(在你共享你的电力之前他们的信用卡为你付费，或者你可以选择免费交换)，这甚至可以在你不知情下进行。你可以设定你的电话，以使得你一直与付费客户共享电力，只要你充电了至少50％。你还可以设定你的电话以在一旦你的充电状态低于特定级别，以特定价格查验可用的电力。你可以设定它，以在你达到特定临界电力级别时为电力支付更多。应用可以与由无线供电设备无线发送的销售、优惠卷等信息协作。应用可以链接具有配方或消费者评论的特定产品，或者允许用户评论或输入可以由其他应用用户获得的数据。可以显示警告，如现在怀疑菠菜是大肠杆菌爆发的原因。召回的食品或产品可以在货架上标识其自身，以便可以由商店店员识别并去除它们或者消费者避开它们。
尽管结合某些优选实施例说明了本发明，但本领域普通技术人员会理解其他的实施例，它们也旨在属于本公开内容的范围内，其应在法律所允许的最宽泛的含义上来加以解释。
本文提及的所有文献都通过参考在其整体上并入本文中，如同在本文充分阐述的。