使用组合线圈结构的高效谐振电感耦合型无线功率传输的制作方法

1.本文的实施例总体涉及无线功率传输领域，并且更具体地，本文的实施例涉及使用组合线圈结构的谐振电感耦合型无线功率传输。


背景技术：

2.电气设备的使用日益增加。电气设备的充电总是一个大问题。就充电性能而言，充电速度、功率效率和便利性是用户的关键衡量标准。
3.无线功率传输可以在没有输电线的情况下将电能递送到所需的设备。因此，使用无线功率传输的充电器可以给予用户很大的便利来对他们的设备进行充电。此外，无线功率传输可以给予制造商和设计者更多的自由来设计他们的设备。
4.因此，无线功率传输有望被越来越多的设备所使用。例如，最近的大多数高端移动电话都具有对其电池无线充电的装置。图1示出了无线功率传输系统的系统架构。如图1所示，电源101将功率传送到功率传送侧中的线圈102。然后，线圈102可以被容纳在充电器中。然后，线圈102将功率无线地传输到功率接收侧的设备103。通常，设备103将具有另一个线圈，用于与充电器中的线圈102一起使用。线圈102可以在设备103的线圈中感应功率。然后，感应的功率被传送到设备103的电池以对电池充电。
5.与其他类型的无线功率传输相比，具有谐振电感耦合结构的无线功率传输在功率传输中显示出更高的效率。图2示出了谐振电感耦合型无线功率传输系统的结构。如图2所示，谐振电感耦合型无线功率传输系统包括电源201、功率放大器202、源线圈203、目的地线圈204、整流器205和负载206。电源201产生交流(ac)功率。所产生的ac功率将被传送到功率放大器202以放大输入ac信号的功率。源线圈203接收放大的输入功率并感应磁通量。感应的磁通量在目的地线圈204上产生感应的ac功率。整流器205然后将感应的ac功率转换为dc功率。dc功率向负载206提供能量。
6.本领域技术人员可以理解，当电源201的频率与源线圈203和目的地线圈204二者的谐振频率匹配时，功率效率可以增加。
7.通常，源201提供正弦曲线输入。图3a示出了具有正弦输入的a类功率放大器的电压和电流波形，图3b示出了具有正弦波输入的b类功率放大器的电压和电流波形。如图3a和3b所示，当电源201提供正弦信号时，对于a类功率放大器，功率放大器202中的最大功率效率约为50％，对于b类功率放大器，最大功率效率约为73.5％。也就是说，当a类功率放大器具有最大功率效率时，50％的功率将通过热量耗散，而当b类功率放大器具有最大功率效率时26.5％的功率将通过热量耗散。


技术实现要素：

8.【技术问题】
9.可以看出，传统的无线功率传输具有低的功率效率，因此充电速度低。因此，期望高效率的无线功率传输。
10.【技术方案】
11.鉴于现有技术中的上述问题，本文的实施例提出了一种用于无线功率传输的装置，该装置可以在不增加线圈尺寸的情况下提高功率传输的效率并增加充电速度。
12.根据第一方面，提出了一种用于无线功率传输的装置，包括：第一端子和第二端子；组合线圈，被耦合在第一端子和第二端子之间，其中组合线圈包括具有第一端和第二端的第一子线圈以及具有第一端和第二端的第二子线圈，第一子线圈的第一端耦合到第一端子，第一子线圈的第二端耦合到所第二子线圈的第一端；第一滤波器，在第一子线圈的第一端或第二端与第一子线圈串联耦合；以及第二滤波器，耦合在第二子线圈的第一端和第一端子之间，其中第一滤波器允许第一频率通过并阻挡第二频率，其中第二滤波器允许第二频率通过并阻挡第一频率，其中第一频率低于第二频率。
13.在一个实施例中，第一频率与组合线圈的长度的平方根成反比，第二频率与组合线圈的长度和第一子线圈的长度之间的差的平方根成反比。
14.在一个实施例中，组合线圈还包括具有第一端和第二端的第三子线圈，并且装置还包括：第三滤波器，第三滤波器耦合在第三子线圈的第一端和第一端子之间，第三滤波器允许第三频率通过并阻挡第一频率和第二频率，并且第三频率与组合线圈的长度与第一子线圈的长度和第二子线圈的长度之和之间的差的平方根成反比。
15.在一个实施例中，第一滤波器是带通滤波器或低通滤波器。
16.在一个实施例中，第二滤波器是带通滤波器或高通滤波器。
17.在一个实施例中，第三滤波器是带通滤波器或高通滤波器。
18.在一个实施例中，第一端子和第二端子跨电源被耦合，从而该装置被配置为用于无线功率传送的装置。
19.在一个实施例中，电源提供方波，其中方波的基频对应于组合线圈的谐振频率。
20.在一个实施例中，第一端子和第二端子跨负载被耦合，从而该装置被配置为用于无线功率接收的装置。
21.在一个实施例中，组合线圈在平面中。
22.在一个实施例中，组合线圈是圆形或矩形的形状。
23.根据第二方面，提出了一种制造用于无线功率传输的装置的方法，包括：将组合线圈耦合在装置的第一端子和第二端子之间，其中组合线圈包括具有第一端和第二端的第一子线圈以及具有第一端和第二端的第二子线圈，第一子线圈的第一端耦合到第一端子，第一子线圈的第二端耦合到第二子线圈的第一端；在第一子线圈的第一端或第二端将第一滤波器与第一子线圈串联耦合；以及将第二滤波器耦合在第二子线圈的第一端和第一端子之间，其中第一滤波器允许第一频率通过并阻挡第二频率，其中第二滤波器允许第二频率通过并阻挡第一频率，其中第一频率低于第二频率。
24.在一个实施例中，第一频率与组合线圈的长度的平方根成反比，第二频率与组合线圈的长度和第一子线圈的长度之间的差的平方根成反比。
25.在一个实施例中，组合线圈在平面中。
26.根据第三方面，提出了一种操作根据实施例的任何上述装置的方法，包括：在装置的第一端子和第二端子之间提供方波，其中方波的基频对应于组合线圈的谐振频率。
27.【发明的有益效果】
28.通过本文的实施例，可以通过使用组合线圈结构来有效地传送具有不同频率的信号，从而提高了无线功率传输的效率。结果，提高了无线功率传输的充电速度。此外，与传统解决方案相比，线圈的总长度没有增加。
附图说明
29.并入本文并构成说明书一部分的附图示出了本公开的各种实施例，并且与说明书一起进一步用于解释本公开的原理，并且使相关领域的技术人员能够制作和使用本文公开的实施例。在附图中，相同的附图标记指示相同或功能相似的元素，并且其中：
30.图1示出了无线功率传输的系统架构；
31.图2示出了谐振电感耦合型无线功率传输系统的结构；
32.图3a和3b示出了具有正弦输入的a类功率放大器和b类功率放大器的电压和电流波形；
33.图4示出了具有方波输入的b类功率放大器的电压和电流波形；
34.图5a至5d示出了方波、其傅立叶变换及其谐波分量；
35.图6示出了方波应用于图2所示的无线功率传输系统的情况；
36.图7示出了根据一个实施例的谐振电感无线功率传输；
37.图8a示出了根据另一个实施例的使用组合线圈的谐振电感无线功率传输；
38.图8b和8c示出了根据一个实施例的传送侧的信号流；
39.图9示出了根据一个实施例的支持高达5阶谐波的谐振频率的示例组合线圈；
40.图10示出了根据一个实施例的具有矩形形式线圈的示例组合线圈；
41.图11示出了根据一个实施例的制造用于无线功率传输的装置的方法。
42.除非另有说明，否则本文提供的附图旨在图示出本技术的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或多个实施例的各种系统中。因此，附图并不意味着包括本领域技术人员已知的实践本文公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
43.下文将参考附图详细描述本文的实施例，附图中示出了实施例。然而，本文中的这些实施例可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为限于本文中阐述的实施例。附图中的元素不一定是相对于彼此按比例绘制的。
44.提及“一个实施例”或“实施例”是指结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”的出现不一定都指同一实施例。
45.本文中使用的术语“a、b或c”是指“a”或“b”或“c”；本文中使用的术语“a、b和c”是指“a”和“b”和“c”；本文中使用的术语“a、b和/或c”是指“a”、“b”、“c”、“a和b”、“a和c”、“b和c”或“a、b、和c”。
46.单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。
[0047]“可选的”或“可选地”是指随后描述的事件或情况可能发生，也可能不发生，并且描述包括事件发生的实例和不发生的实例。
[0048]
如本文在整个说明书和权利要求中所使用的近似语言，可以应用于修饰任何可以
可允许地变化而不会导致与其相关的基本功能的变化的定量表示。因此，由一个或多个术语(如“大约”、“近似”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。至少在某些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。在这里以及在整个说明书和权利要求中，范围限制可以被组合和/或互换，除非上下文或语言另有指示，否则这些范围被标识并且包括其中包含的所有子范围。
[0049]
本文的实施例提出了一种用于无线功率传输的高效结构。
[0050]
如上所述，输入正弦信号通过功率放大器中的热量消耗大量功率。图4示出了具有方波输入的b类功率放大器的电压和电流波形。如图4所示，当电源提供方波信号时，如果忽略功率放大器中的电阻部件，则功率放大器中耗散的功率将变为0％，并且功率效率最高可达100％。本领域技术人员可以理解，大多数振荡器默认具有方波输出。通常，通过滤波器将方波转换为正弦波。因此，使用方波作为输入信号除了可以提高功率效率之外，还可以节省电源中的部件(从而节省成本)。此外，方波的使用允许将a类功率放大器用于无线功率传输，因为效率不会受功率放大器的类型影响。
[0051]
图5a示出了具有频率f1的方波的示例。根据等式1所示的傅立叶变换，图5a所示的方波可以分解为基波分量及其谐波分量，诸如基频f1及其奇次谐波3f1、5f1等。
[0052][0053]
图5b示出了方波的傅立叶变换。可以看出，图5b只示出了基波分量f1、其三阶谐波分量f3＝3f1和其五阶谐波分量f5＝5f1。本领域技术人员将理解，可以存在其他谐波分量。图5b和图5c分别示出了方波的三阶谐波分量和五阶谐波分量。
[0054]
可以看出，方波可以分解为不同的频率分量。因此，简单地将方波应用于图2所示的无线功率传输系统可能会浪费谐波分量的功率。
[0055]
图6示出了将方波应用于图2所示的无线功率传输系统的情况。如图6所示，电源601向功率放大器602提供方波。当使用方波时，功率放大器中耗散的功率将非常小。如上所述，为了提高功率效率，源的频率应该与源线圈603和目的地线圈604二者的谐振频率匹配。然而，方波由许多频率分量组成，并且一对谐振线圈603和604通常只能匹配一个频率。因此，通常，源线圈603和目的地线圈604二者的谐振频率将与方波的基频分量匹配，使得基频分量可以经由一对线圈603和604有效地传输。然而，由于不匹配的频率，方波的谐波分量将不能有效地传输。因此，方波的谐波分量的功率将被浪费并通过热量耗散。
[0056]
为了进一步提高效率，所提出的解决方案是向谐波分量和基波分量提供谐振电感，从而该解决方案可以在无线功率传输中提供更高的效率和更少的功率损耗。为了针对谐波分量实现高功率效率并使耗散最小化，需要将线圈的谐振频率分别与基波及其谐波分量的频率相匹配。
[0057]
图7示出了根据一个实施例的谐振电感无线功率传输。为了简单起见，图7中没有描述功率放大器和整流器电路，但它们可以隐含地被包括。
[0058]
如图7所示，在传送侧，多个线圈701
1-701n并联耦合，这些线圈分别耦合到电源。在
一个实施例中，多个线圈具有不同的谐振频率。例如，源中的第一线圈7011的谐振频率可以等于由电源提供的方波的基频。源中的第二线圈7012的谐振频率等于方波的三阶分量频率。源中的第n个线圈701n的谐振频率等于方波的(2n-1)阶分量频率，其中n是大于0的整数。在接收侧，多个线圈702
1-702n并联耦合，并且这些线圈分别耦合到负载。在一个实施例中，多个线圈具有不同的谐振频率。例如，目的地中的第一线圈7021的谐振频率可以等于由电源提供的方波的基频。目的地中的第二线圈7022的谐振频率等于方波的三阶分量频率。目的地中的第n个线圈701n的谐振频率等于方波的(2n-1)阶分量频率，其中n是大于0的整数。
[0059]
如图7所示，线圈7011和线圈7021的谐振频率等于由电源提供的方波的基频，因此f1频率的功率可以最大限度地递送到目的负载。此外，线圈7012和线圈7022具有与方波的三阶谐波分量相同的谐振频率，因此f3频率的功率可以最大限度地递送到目的地。对于第(2n-1)阶分量也是如此。因此，图7所示的谐振电感无线功率传输可以以基频和谐波分量频率递送功率，因此效率将得到提高。
[0060]
为了减少线圈之间的干扰并降低线圈的成本和尺寸，无线功率传输可以使用组合线圈结构，而不是使用分别对应于不同频率的多个线圈。
[0061]
图8a示出了根据另一个实施例的使用组合线圈的谐振电感无线功率传输。为了简单起见，图8a中没有描述功率放大器和整流器电路，但它们可以隐含地被包括。如图8a所示，在传送侧，组合线圈耦合到电源801。在一个实施例中，组合线圈包括多个子线圈。在一个实施例中，存在n个子线圈，其中n是大于1的整数。在一个实施例中，多个子线圈被串联耦合。即，第一子线圈8021的第一端耦合到电源801的第一端子，并且第n子线圈802n的第二端耦合到电源801的第二端子。
[0062]
在一个实施例中，第一低通滤波器lpf1耦合在电源801和第一子线圈8021的第一端之间。在另一个实施例中，第一低通滤波器lpf1耦合在第一子线圈8021的第二端和第二子线圈8022的第一端之间。在一个实施例中，低通滤波器耦合在其他相邻子线圈之间。例如，第二低通滤波器lpf2耦合在第二子线圈8022的第二端和第三子线圈8023的第一端之间。在一个实施例中，在传送侧有n-1个低通滤波器，并且第(n-1)低通滤波器lpf(n-1)耦合在第(n-1)子线圈802
n-1
的第二端和第n子线圈802n的第一端之间。
[0063]
第一低通滤波器lpf1被配置为使第一频率和低于第一频率的频率通过但阻挡第二频率和高于第二频率的频率，其中第一频率对应于由电源801提供的方波的基频，而第二频率对应于由电源801提供方波的三阶谐波频率。在另一个实施例中，第一低通滤波器lpf1可以由允许第一频率通过但阻挡其他频率的带通滤波器代替。在一个实施例中，第二低通滤波器lpf2被配置为使第二频率和低于第二频率的频率通过，但阻挡第三频率和高于第三频率的频率，其中第三频率对应于由电源801提供的方波的五阶谐波频率。第(n-1)低通滤波器lpf(n-1)被配置为使第(n-1)频率和低于第(n-1)频率的频率通过，但阻挡第n频率和高于第n频率的频率，其中第n频率对应于由电源801提供的方波的第(2n-1)阶谐波频率。
[0064]
在一个实施例中，多个高通滤波器分别耦合在电源801的第一端子和多个子线圈8022至802n之间。例如，第一高通滤波器hpf1耦合在电源801的第一端子和第二子线圈8022的第一端之间。第二高通滤波器hpf2耦合在电源801的第一端子和第三子线圈8023的第一端之间。在一个实施例中，在传送侧有n-1个高通滤波器，并且第(n-1)高通滤波器hpf(n-1)
耦合在电源801的第一端子和第n子线圈802n的第一端之间。
[0065]
在一个实施例中，第一高通滤波器hpf1被配置为阻挡第一频率和低于第一频率的频率但使第二频率和高于第二频率的频率通过，其中第一频率对应于由电源801提供的方波的基频，而第二频率对应于由电源801提供方波的三阶谐波频率。第二高通滤波器hpf2被配置为阻挡第二频率和低于第二频率的频率，但使第三频率和高于第三频率的频率通过，其中第三频率对应于由电源801提供的方波的五阶谐波频率。第(n-1)高通滤波器hpf(n-1)被配置为阻挡第(n-1)频率和低于第(n-1)频率的频率，但使第n频率和高于第n频率的频率通过，其中第n频率对应于由电源801提供的方波的(2n-1)阶谐波频率。
[0066]
在一个实施例中，高通滤波器可以被带通滤波器代替，该带通滤波器仅使定义的频带通过但阻挡其他频带。例如，第(n-1)高通滤波器可以由使第n频率通过但阻挡其他频率的带通滤波器代替。在一个实施例中，当使用带通滤波器来代替与子线圈的一端耦合的高通滤波器时，可以省略与子线圈的另一端耦合的低通滤波器。例如，耦合到第二子线圈8022的一端的第一高通滤波器hpf1可以被仅允许第二频率通过的带通滤波器代替。在这种情况下，可以省略耦合到第二子线圈8022的另一端的第二低通滤波器lpf2。
[0067]
如图8a所示，在接收侧，组合线圈耦合到负载803。在一个实施例中，组合线圈包括多个子线圈。在一个实施例中，存在n个子线圈，其中n是大于1的整数。在一个实施例中，多个子线圈被串联耦合。即，第一子线圈8041的第一端耦合到负载803的第一端子，并且第n子线圈804n的第二端耦合到负载803的第二端子。
[0068]
在一个实施例中，第一低通滤波器lpf1耦合在负载803和第一子线圈8041的第一端之间。在另一个实施例中，第一低通滤波器lpf1耦合在第一子线圈8041的第二端和第二子线圈8042的第一端之间。在一个实施例中，低通滤波器耦合在其他相邻子线圈之间。例如，第二低通滤波器lpf2耦合在第二子线圈8042的第二端和第三子线圈8043的第一端之间。在一个实施例中，在接收侧有n-1个低通滤波器，并且第(n-1)低通滤波器lpf(n-1)耦合在第(n-1)子线圈804
n-1
的第二端和第n子线圈804n的第一端之间。
[0069]
在一个实施例中，第一低通滤波器lpf1被配置为使第一频率和低于第一频率的频率通过但阻挡第二频率和高于第二频率的频率，其中第一频率对应于由电源801提供的方波的基频，而第二频率对应于由电源801提供方波的三阶谐波频率。在另一个实施例中，第一低通滤波器lpf1可以由允许第一频率通过但阻挡其他频率的带通滤波器代替。在一个实施例中，第二低通滤波器lpf2被配置为使第二频率和低于第二频率的频率通过，但阻挡第三频率和高于第三频率的频率，其中第三频率对应于由电源801提供的方波的五阶谐波频率。第(n-1)低通滤波器lpf(n-1)被配置为使第(n-1)频率和低于第(n-1)频率的频率通过，但阻挡第n频率和高于第n频率的频率，其中第n频率对应于由电源801提供的方波的第(2n-1)阶谐波频率。
[0070]
在一个实施例中，多个高通滤波器分别耦合在负载803的第一端子和多个子线圈8042至804n之间。例如，第一高通滤波器hpf1耦合在负载801的第一端子和第二子线圈8042的第一端之间。第二高通滤波器hpf2耦合在负载803的第一端子和第三子线圈8043的第一端之间。在一个实施例中，在接收侧有n-1个高通滤波器，并且第(n-1)高通滤波器hpf(n-1)耦合在负载803的第一端子和第n子线圈804n的第一端之间。
[0071]
在一个实施例中，第一高通滤波器hpf1被配置为阻挡第一频率和低于第一频率的
频率但使第二频率和高于第二频率的频率通过，其中第一频率对应于由电源801提供的方波的基频，而第二频率对应于由电源801提供方波的三阶谐波频率。第二高通滤波器hpf2被配置为阻挡第二频率和低于第二频率的频率，但使第三频率和高于第三频率的频率通过，其中第三频率对应于由电源801提供的方波的五阶谐波频率。第(n-1)高通滤波器hpf(n-1)被配置为阻挡第(n-1)频率和低于第(n-1)频率的频率，但使第n频率和高于第n频率的频率通过，其中第n频率对应于由电源801提供的方波的(2n-1)阶谐波频率。
[0072]
在一个实施例中，高通滤波器可以被带通滤波器代替，该带通滤波器仅使定义的频带通过但阻挡其他频带。例如，第(n-1)高通滤波器可以由使第n频率通过但阻挡其他频率的带通滤波器代替。在一个实施例中，当使用带通滤波器来代替与子线圈的一端耦合的高通滤波器时，可以省略与子线圈的另一端耦合的低通滤波器。例如，耦合到第二子线圈8022的一端的第一高通滤波器hpf1可以被仅允许第二频率通过的带通滤波器代替。在这种情况下，可以省略耦合到第二子线圈8022的另一端的第二低通滤波器lpf2。
[0073]
图8b示出了在传送侧中由电源801提供的方波的基频f1的信号流。如上所述，所有高通滤波器hpf1-hpf(n-1)阻挡与由电源801提供的方波的基频f1相对应的第一频率。此外，所有的低通滤波器lpf1-lpf(n-1)都使第一频率通过。因此，具有基频f1的信号通过所有低通滤波器lpf1-lpf(n-1)，从而经过整个组合线圈(即，第一子线圈8021到最后一个子线圈(第n子线圈802n))，如箭头所示。如上所述，为了提高功率效率，源的频率应该与线圈的谐振频率相匹配。因此，整个组合线圈(子线圈8021至802n)具有与由电源801提供的方波的基频f1相对应的谐振频率，并且将具有f1频率的信号有效地传输到目的地。
[0074]
图8c示出了在传送侧中由电源801提供的方波的三阶谐波频率f3的信号流。如上所述，只有第一高通滤波器hpf1使与由电源801提供的方波的三阶谐波频率f3相对应的第二频率通过。此外，只有第一低通滤波器lpf1阻挡第二频率。因此，具有三阶谐波频率f3的信号通过第一高通滤波器hpf1和低通滤波器lpf2-lpf(n-1)，从而经过从第二子线圈8022到最后一个子线圈(第n子线圈802n)的子组合线圈，如箭头所示。如上所述，为了提高功率效率，源的频率应该与线圈的谐振频率相匹配。因此，从第二子线圈8022到第n子线圈802n的子组合线圈具有与由电源801提供的方波的三阶谐波频率f3相对应的谐振频率，并且有效地将具有f3频率的信号传送到目的地。
[0075]
基于图8b和图8c，本领域技术人员可以理解，具有对应于(2m-1)阶谐波频率的第m频率的信号在传送侧中经过从802m到802n的子组合线圈，其中m是整数，并且1≤m≤n。因此，从第m子线圈802m到第n子线圈802n的子组合线圈具有与由电源801提供的方波的(2m-1)阶谐波频率f(2m-1)相对应的谐振频率，并且将具有f(2m-1)频率的信号有效地传输到目的地。
[0076]
接收侧中的信号流类似于接收侧的信号流。为了简化说明书，省略了接收侧的信号流。
[0077]
通常，线圈的谐振频率如等式2所示。
[0078][0079]
其中l是线圈的电感，c是线圈的电容。
[0080]
线圈的电感将通过等式3近似地进行估计。
[0081]
l＝μn2sl
ꢀꢀꢀꢀ
等式3
[0082]
其中μ为相对磁导率，n为单位长度匝数，s为横截面积，l为线圈的长度。
[0083]
根据等式2和等式3，在s和n保持不变的情况下，谐振频率将随着线圈的长度的增加而降低，如等式4所示。
[0084][0085]
根据等式4和上述公开内容，组合线圈的谐振频率可以如下计算：
[0086][0087][0088][0089]
其中，lcn+
…
+c2+c1是从第一子线圈到第n子线圈的组合线圈的电感；lcn+
…
+c2+c1是从第一子线圈到第n子线圈的组合线圈的长度；lcn+
…
+c2是从第二子线圈到第n子线圈的组合线圈的电感；lcn+
…
+c2是从第二子线圈到第n子线圈的组合线圈的长度；lcn+
…
+cm是从第m子线圈到第n子线圈的组合线圈的电感；lcn+...+cm是从第m子线圈到第n子线圈的组合线圈的长度。因此，基于等式5至等式7，可以定义这些子线圈之间的长度关系。例如，如果仅有两个子线圈，则第一子线圈的长度应该是第二子线圈的长度的8倍。
[0090]
由于传送侧和接收侧中的对应子线圈的对应组合具有相同的谐振频率，因此传送侧和接收侧中的对应子线圈具有相同的长度。
[0091]
本领域技术人员可以理解，线圈的谐振频率总是被设计为与传统解决方案中的源的基频相匹配。因此，根据本技术的实施例的整个组合线圈的长度可以类似于传统解决方案中的线圈的长度。因此，根据本技术的实施例的使用组合线圈的谐振电感功率传输可以在不增加线圈的总长度的情况下提高功率效率和充电速度。
[0092]
本领域技术人员可以理解，组合线圈中的子线圈的数量是灵活的。子线圈的数量可以基于方波的基波及其谐波分量的累积功率来确定。
[0093]
根据表1，基波分量占总功率的81％，三阶谐波分量占总功率的9％，五阶谐波分量占总功率的3％。
[0094] 平均能量/t能量(％)累积(％)方波1.00100100基波0.8181813阶0.099905阶0.033937阶0.022959阶0.0119611阶0.0 119713阶0.00097
[0095]
表1.基波及其谐波分量的功率计算
[0096]
假设我们使用高达5阶的谐波分量，则可以传输源的高达93％的功率。组合线圈可以根据要使用的谐波频率的阶来设计。
[0097]
图9示出了根据一个实施例的支持高达5阶谐波的谐振频率的示例组合线圈。组合线圈最多可传输93％的输入源功率。在图9中，它示出了组合线圈的尺寸随着谐振频率的降低而增加。如图9所示，组合线圈可以在平面中。如图9所示，馈线901和902分别耦合到电源或负载的第一端子和第二端子。第一低通滤波器lpf1被配置为使基频通过并阻挡三阶谐波频率。第二低通滤波器lpf2被配置为使三阶谐波频率通过并阻挡五阶谐波频率。第一高通滤波器hpf1被配置为阻挡基频并使三阶谐波频率通过。第二高通滤波器hpf2被配置为阻挡三阶谐波频率并使五阶谐波频率通过。第一子线圈903、第二子线圈904和第三子线圈905的组合具有基频f1的谐振频率。第二子线圈904和第三子线圈905的组合具有三阶谐波频率f3的谐振频率。第三子线圈905具有5阶谐波频率f5的谐振频率。
[0098]
在图9中示出了线圈的圆形形式，然而，如果它用作电感器，则可以使用任何形式。图10示出了根据一个实施例的具有矩形形式线圈的示例组合线圈。矩形线圈的配置与图9所示的圆形线圈相似，因此此处省略了矩形线圈的配置。由于许多设备(如移动电话)具有矩形形状，因此矩形线圈可以很好地适合设备。因此，矩形线圈可以在设备中占据更大的面积，并提高充电速度。
[0099]
本领域技术人员可以理解，方波只是示例，根据需要可以应用其他类型的波形。此外，如上所述，第一低通滤波器lpf1和高通滤波器可以由带通滤波器代替。
[0100]
本技术还公开了操作谐振电感无线功率传输的方法。在一个实施例中，该方法包括向谐振电感无线功率传输提供方波。在一个实施例中，方波的基频对应于组合线圈的谐振频率。方波的三阶谐波频率对应于从第二子线圈8022到最后一个子线圈(第n子线圈802n)的子组合线圈的谐振频率。(2m-1)阶谐波频率对应于从802m到802n的子组合线圈的谐振频率。本领域技术人员可以理解，只要基频及其谐波频率对应于某些子线圈的组合，就可以应用其他形式的输入。
[0101]
图11示出了根据一个实施例的制造用于无线功率传输的装置的方法。如上所述，在一个实施例中，该装置可以耦合到电源以用作无线功率传送器。在另一个实施例中，该装置可以耦合到负载以用作无线功率接收器。
[0102]
如图11所示，该方法包括在步骤1101将组合线圈耦合在装置的第一端子和第二端子之间。在一个实施例中，组合线圈包括具有第一端和第二端的第一子线圈以及具有第一端和第二端的第二子线圈。第一子线圈的第一端耦合到第一端子，并且第一子线圈的第二端耦合到第二子线圈的第一端。
[0103]
该方法还包括在步骤1102，在第一子线圈的第一端或第二端将第一滤波器与第一子线圈串联耦合。在一个实施例中，第一滤波器允许第一频率通过，但阻挡第二频率。当由电源施加方波时，第一频率对应于方波的基频，并且第二频率对应于方波的三阶谐波频率。在一个实施例中，第一滤波器是低通滤波器。在另一个实施例中，第一滤波器可以是使第一频率通过并阻挡其他频率的带通滤波器。
[0104]
该方法还包括在步骤1103将第二滤波器耦合在第二子线圈的第一端和第一端子之间。在一个实施例中，第二滤波器允许第二频率通过，但阻挡第一频率。在一个实施例中，第二滤波器可以是高通滤波器。在另一个实施例中，第二滤波器可以是使第二频率通过并
阻挡其他频率的带通滤波器。
[0105]
在一个实施例中，第一频率与组合线圈的长度的平方根成反比，并且第二频率与组合线圈的长度与第一子线圈的长度之间的差的平方根成反比。在一个实施例中，组合线圈在平面中。
[0106]
在一个实施例中，组合线圈可以具有多于两个子线圈。此外，可以将更多或更少的低通滤波器、高通滤波器和/或带通滤波器放置在适当的位置。那些滤波器的适当位置和配置可以基于本技术的上述内容来确定，因此这里省略。
[0107]
在基本上不偏离本发明构思的原理的情况下，可以对实施例进行许多变化和修改。所有这样的变化和修改旨在被包括在本发明构思的范围内。因此，上述公开的主题将被认为是说明性的，而不是限制性的，并且所附实施例的示例旨在覆盖落入本发明构思的精神和范围内的所有这样的修改、增强和其他实施例。因此，在法律允许的最大范围内，本发明构思的范围将由本公开的最广泛的允许解释来确定，包括实施例及其等效物的以下示例，并且不应受到前述详细描述的限制或限制。

技术特征：
1.一种用于无线功率传输的装置，包括：第一端子和第二端子；组合线圈，被耦合在所述第一端子和所述第二端子之间，其中所述组合线圈包括具有第一端和第二端的第一子线圈以及具有第一端和第二端的第二子线圈，所述第一子线圈的所述第一端耦合到所述第一端子，所述第一子线圈的所述第二端耦合到所述第二子线圈的所述第一端；第一滤波器，在所述第一子线圈的所述第一端或所述第二端与所述第一子线圈串联耦合；以及第二滤波器，被耦合在所述第二子线圈的所述第一端和所述第一端子之间，其中所述第一滤波器允许第一频率通过并阻挡第二频率，其中所述第二滤波器允许所述第二频率通过并阻挡所述第一频率，其中所述第一频率低于所述第二频率。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一频率与所述组合线圈的长度的平方根成反比，其中所述第二频率与所述组合线圈的长度和所述第一子线圈的长度之间的差的平方根成反比。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述组合线圈还包括具有第一端和第二端的第三子线圈；其中所述装置还包括：第三滤波器，被耦合在所述第三子线圈的所述第一端和所述第一端子之间，其中所述第三滤波器允许第三频率通过并阻挡所述第一频率和所述第二频率，并且其中所述第三频率与所述组合线圈的长度与所述第一子线圈的长度和所述第二子线圈的长度之和之间的差的平方根成反比。4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述第一滤波器是带通滤波器或低通滤波器。5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中所述第二滤波器是带通滤波器或高通滤波器。6.根据权利要求3所述的装置，其中所述第三滤波器是带通滤波器或高通滤波器。7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述第一端子和所述第二端子跨电源被耦合，从而所述装置被配置为用于无线功率传送的装置。8.根据权利要求7所述的装置，其中所述电源提供方波，其中所述方波的基频对应于所述组合线圈的谐振频率。9.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述第一端子和所述第二端子跨负载被耦合，从而所述装置被配置为用于无线功率接收的装置。10.根据权利要求1-9中任一项所述的装置，其中所述组合线圈在平面中。11.根据权利要求1-10中任一项所述的装置，其中所述组合线圈为圆形或矩形的形状。12.一种制造用于无线功率传输的装置的方法，包括：将组合线圈耦合在所述装置的第一端子和第二端子之间，其中所述组合线圈包括具有第一端和第二端的第一子线圈以及具有第一端和第二端的第二子线圈，所述第一子线圈的
所述第一端耦合到所述第一端子，所述第一子线圈的所述第二端耦合到所述第二子线圈的所述第一端；在所述第一子线圈的所述第一端或所述第二端将第一滤波器与所述第一子线圈串联耦合；以及将第二滤波器耦合在所述第二子线圈的所述第一端和所述第一端子之间，其中所述第一滤波器允许第一频率通过并阻挡第二频率，其中所述第二滤波器允许所述第二频率通过并阻挡所述第一频率，其中所述第一频率低于所述第二频率。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一频率与所述组合线圈的长度的平方根成反比，其中所述第二频率与所述组合线圈的长度和所述第一子线圈的长度之间的差的平方根成反比。14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述组合线圈在平面中。15.一种操作根据权利要求1-11中任一项所述的装置的方法，包括：在所述装置的所述第一端子和所述第二端子之间提供方波，其中所述方波的基频对应于所述组合线圈的谐振频率。

技术总结
实施例涉及高效谐振电感耦合型无线功率传输。在一个实施例中，提出了一种用于无线功率传输的装置，包括：第一端子和第二端子；组合线圈，被耦合在第一端子和第二端子之间，其中组合线圈包括具有第一端和第二端的第一子线圈以及具有第一端和第二端的第二子线圈，第一子线圈的第一端耦合到第一端子，第一子线圈的第二端耦合到第二子线圈的第一端；第一滤波器，在第一子线圈的第一端或第二端与第一子线圈串联耦合；以及第二滤波器，耦合在第二子线圈的第一端和第一端子之间。圈的第一端和第一端子之间。圈的第一端和第一端子之间。


技术研发人员：林俊烈
受保护的技术使用者：瑞典爱立信有限公司
技术研发日：2020.11.05
技术公布日：2023/7/25