CN113785468A - 自适应无线电力发射器 - Google Patents

Abstract

一种通过发射器对放置在具有至少一个部分的至少一个线圈上方的至少一个接收器进行无线充电的方法，该方法包括：确定在所述至少一个线圈上方形成充电区域的多个充电位置；确定至少一个线圈中的每个部分对多个充电位置中的每个充电位置的磁场贡献矩阵；确定充电区的磁场模式；计算包括至少一个线圈中每个部分的电流值的电流矢量；以及由发射器以电流矢量驱动至少一个线圈中的每一部分以用于形成磁场模式。

Description

自适应无线电力发射器

技术领域

本公开的主题涉及无线电力充电系统。更具体地，本公开的主题涉及能够支持具有一定接收器线圈尺寸的更高电力接收器设备的发射器。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求Itay Sherman于2018年12月4日提交的题为“Adaptive Wireless Power transmitter(自适应无线电力发射器)”的共同未决的第62/774904号美国临时专利申请的优先权，出于所有目的通过引用将其全部并入。

背景技术

对无线电力充电系统的需求不断增长，导致在各种场所中部署的急剧增加，提出了增加发射器和接收器之间的有效充电距离的需求。

市售的感应无线电力发射器使用单个或多个部分重叠的线圈来将电力传输到可充电设备的接收器线圈。通常，线圈由布置在均匀间隔的一层或多层中的多个线环组成。当从上方特定的Z距离观察时，这些线圈的磁场辐射模式是固定的。对于圆形线圈，这些包括在中心具有最大能量的同心磁场模式和远离中心的下降磁场。

用于移动电话的市售接收器线圈直径在35-50毫米的范围内，而对于更大的设备，例如也需要更高功率的膝上型计算机，期望的接收器线圈直径大于70毫米。另一方面，还必须支持线圈直径小于30毫米的较小设备，例如智能手表。

发射器标准线圈将创建固定磁场模式，该模式不能同时对所有市售设备(例如上面列出的设备)最佳。对于此类标准发射器线圈，只能控制磁场的大小，而不能控制其形状。

此外，使发射器线圈以大于几毫米的距离安装在放置接收器的表面下方，将导致磁场模式随着接收器远离中心移动而扩散和扩展。因此，磁场扩展到接收线圈的所需区域之外，进入可能存在异物的区域。

发明内容

根据本公开主题的第一方面，用于通过发射器对放置在具有至少一个区段的至少一个线圈上方的至少一个接收器进行无线充电的方法，该方法包括：确定在所述至少一个线圈上方形成充电区域的多个充电位置；确定所述至少一个线圈中的每个区段对所述多个充电位置中的每个充电位置的磁场贡献矩阵；确定所述充电区域的磁场模式；计算电流矢量，该电流矢量包括所述至少一个线圈中的所述每个区段的电流值；以及由所述发射器用电流矢量驱动至少一个线圈中的所述每个区段，以对磁场模式进行整形。

在一些示例性实施方案中，至少一个线圈是线圈阵列，并且其中每个线圈包括至少一个区段。

在一些示例性实施方案中，充电区域内的充电位置的总数大于所述阵列中的区段的总数。

在一些示例性实施方案中，磁场贡献矩阵是基于使用麦克斯韦方程解的模拟工具的数学计算来确定的。

在一些示例性实施方案中，磁场贡献矩阵是基于测量所述多个充电位置中的每个充电位置的磁贡献而确定的，所述磁贡献由依次流过每个区段的预定参考电流产生，其中所述每匝重复所述测量。

在一些示例性实施方案中，该方法包括将磁场贡献矩阵存储在发射器的存储器中。

在一些示例性实施方案中，磁场模式向放置在充电区域上的所述至少一个接收器提供最佳磁场值。

在一些示例性实施方案中，确定充电区域的磁场模式被重复执行以由于从包括以下的组中选择的变化而动态更新磁场模式：充电区域上的接收器的移动；在充电区域上放置另一个接收器；从充电区域移除任何接收器；及其任何组合。

在一些示例性实施方案中，发射器被配置为确定放置在充电区域上的至少一个接收器的特定地点，并且其中，所述特定地点定义了与特定地点相关联的至少一个充电位置。

在一些示例性实施方案中，充电区域的磁场模式在与所述特定地点相关联的充电位置处具有强磁场并且在所述充电位置的其余部分处具有接近于零的磁场。

在一些示例性实施方案中，电流矢量被配置为对所述充电区域的磁场模式进行整形，并且其中随着所述磁场模式的变化重复所述计算电流矢量。

在一些示例性实施方案中，计算包括所述每个区段的电流值的电流矢量还包括提供具有最小误差的磁场模式。

在一些示例性实施方案中，电流矢量包括与充电位置相关联的区段的大于零的电流值，所述区段与所述特定地点不相关联以减少磁场模式误差。

在一些示例性实施方案中，电流矢量是预先计算的电流矢量，该电流矢量被配置为对位于阵列上方的充电区域的磁场模式进行整形，该阵列包括选自由以下组成的组的线圈：线密度均匀的线圈；线密度非均匀的线圈；同心线圈；非同心线圈；反向线圈；及其任何组合。

在一些示例性实施方案中，发射器被配置为独立地驱动具有至少一个区段的所述至少一个线圈。

如权利要求1所述的方法，其中发射器被配置为独立地驱动所述至少一个线圈的每一区段。

根据本公开主题的第一方面，利用权利要求1的发射器来设计具有至少一个区段的至少一个线圈的方法，该方法包括：确定在所述至少一个线圈上方形成充电区域的多个充电位置；确定所述至少一个线圈中的每个区段对所述多个充电位置的每个充电位置的磁场贡献矩阵；确定所述充电区域的磁场模式；计算电流矢量，该电流矢量包括所述至少一个线圈中的所述每个区段的电流值；以及根据电流矢量设计具有至少一个区段的所述至少一个线圈的几何特性。

在一些示例性实施方案中，具有至少一个区段的所述至少一个线圈的几何特性选自由以下组成的组：线密度均匀的线圈；线密度不均匀的线圈；同心线圈；非同心线圈；反向线圈；及其任何组合。

在一些示例性实施方案中，具有至少一个区段的所述至少一个线圈的所述设计几何特性的结果被配置为满足所述电流矢量，以便能够通过发射器的单个驱动器驱动具有至少一个区段的所述至少一个线圈，只有一个电流用于对所述磁场模式进行整形。

除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开主题所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。尽管与本文所述的那些方法和材料相似或等效的方法和材料可用于本公开主题的实践或测试中，但下文描述了合适的方法和材料。如果发生冲突，则以说明书(包括定义)为准。此外，材料、方法和实施例仅是说明性的而不意图是限制性的。

附图说明

参考附图仅通过举例的方式描述了所公开主题的一些实施方案。现在具体详细地参考附图，强调所显示的细节仅作为实施例并且仅出于对本公开主题的优选实施方案的说明性讨论的目的，并且在提供被认为是对所公开主题的原理和概念方面的最有用和最容易理解的描述的意义上呈现。在这点上，没有试图比对所公开的主题的基本理解所必需的更详细地显示所公开的主题的结构细节，结合附图的描述使本领域技术人员清楚地了解多种可以在实践中体现所公开主题的形式。

图中：

图1A示意性地示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的用于无线电力发射器的多节线圈；

图1B示意性地示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的图1的多节线圈阵列；

图2示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的适于独立且同时激活阵列中的每个多节线圈的无线电力发射器的框图；

图3示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的用于多节线圈的前端驱动器的原理示意图；

图4示意性地示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的位于多节线圈阵列上方的充电区域；并且

图5示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的用于对磁能模式进行整形的方法的流程图。

具体实施方式

在详细解释所公开的主题的至少一个实施方案之前，应当理解，所公开的主题在其应用方面不限于在以下描述中阐述或在图中说明的结构和组件布置的细节。所公开的主题能够有其他实施方案或能够以各种方式实践或实施。此外，应当理解，本文所采用的措辞和术语是为了描述的目的而不应被视为限制。附图通常不按比例绘制。为了清楚起见，一些附图中省略了非必要元件。

术语“包含”、“包含有”、“包括”、“包括有”和“具有”连同它们的词形变化一起表示“包括但不限于”。术语“由……组成”与“包括并限于”具有相同的含义。

术语“基本上由……组成”是指组合物、方法或结构可以包括附加成分、步骤和/或部分，但前提是附加成分、步骤和/或部分不实质上改变要求保护的组合物、方法或结构的基本和新颖的特征。

如本文所用，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。例如，术语“一种化合物”或“至少一种化合物”可以包括多种化合物，包括它们的混合物。

贯穿本申请，可以以范围格式呈现本公开主题的各种实施方案。应当理解，范围格式的描述仅仅是为了方便和简洁，不应被解释为对所公开主题的范围的不灵活限制。因此，应该认为对范围的描述已经具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。

应当理解，为了清楚起见，在单独实施方案的上下文中描述的公开主题的某些特征也可以在单个实施方案中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施方案的上下文中描述的公开主题的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供，或者在公开主题的任何其他描述的实施方案中同样适用。在各种实施方案的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施方案的基本特征，除非实施方案在没有这些元件的情况下是不可操作的。

所公开的主题所处理的一个技术问题是，一般而言，跨发射器(Tx)线圈，特别是跨发射器(Tx)线圈阵列的磁场缺乏均匀性。Tx线圈具有同心磁场模式，其最大磁场能量位于中心，朝线圈外圆周方向下降。市售Tx线圈的这种行为会产生固定的磁场模式，这种模式无效且无法支持所有设备尺寸的接收器，例如手表(小型)、智能手机(中型)、笔记本电脑(大型)及其任意组合，等等。通过使用这些标准发射器线圈，只能控制磁场的大小，而不能控制其形状。

所公开的主题所涉及的另一个技术问题是由于将发射器安装在设备被放置在其上以进行充电的表面之下而引起的。将发射器线圈与设备和它们之间的介质垂直距离超过几毫米，会导致磁场模式散开，并随着接收器与Tx线圈中心的距离增加而具有较低的衰减斜率。因此，磁场能量扩展到接收线圈的所需区域之外和可能耦合到异物的区域中。

一种技术解决方案是提供具有不均匀间隔的导线的线圈。在一些示例性实施方案中，可以以修改磁场模式的形状并将其集中在所需半径的方式来形成导线扩散模式。

另一种技术方案是以这样的方式构造线圈，使得一些线环布置在与线圈的其他线环相反的方向上。在一些示例性实施方案中，这种结构产生这样的场景，其中一些回路上的电流相对于其他回路沿相反方向流动，随后减少或消除特定半径处的磁场。

在又一技术方案中，可以组合以上列出的两种方案以提供一种将磁场整形为特定固定模式的方式。

又一技术解决方案是将Tx线圈分成连接到不同功率驱动器的区段。在一些示例性实施方案中，Tx线圈区段可以并联连接到单个功率驱动器；然而，每个部分包含不同的电容器，导致每个区段的电流水平不同。此外，电流甚至可以反转极性。

在一些示例性实施方案中，对不同区段的当前驱动模式(对于上述解决方案的任何组合)可以动态地变化，使得整体产生的磁场模式被修改为具有不同的有效半径。可以选择模式以满足特定的接收器需求，例如几何形状、功率需求、位置及其任意组合等。附加地或替代地，设备的接收器发送可用于估计接收器线圈的尺寸的发射器信息。随后，发射器的控制器修改对于不同的线圈区段的电流模式，以产生适合接收器线圈几何形状的最佳匹配磁场模式。

在一些示例性实施方案中，发射器估计与接收器或放置在顶面上的任何物体的耦合因子；如铁氧体保护环、硬币等；通过驱动其功率驱动器并观察电流或电流衰减模式。因此，发射器利用导出的耦合因子通过控制线圈区段的电流模式来对磁场模式进行整形。

在又一种技术方案中，可以将不同的电容器连接到Tx线圈的每个区段，使得每个区段的谐振频率不同。这种方法消除了每个线圈区段对功率驱动器的需要。在一些示例性实施方案中，发射器的控制器修改功率驱动器切换频率以修改每个线圈区段的电流模式。从而，执行增加/减少特定区段的电流以对磁场模式进行整形。

在又一技术解决方案中，特定线圈的磁场模式可以成形为匹配特定的期望磁场模式。在一些示例性实施方案中，用于对给定线圈的特定磁场模式进行整形的方法包括基于麦克斯韦方程的计算。

利用所公开的主题的一个技术效果是提供用于优化一个或多个发射器线圈的磁模式的系统和方法，接收器放置在该发射器线圈的上方。应该提醒的是，市售的发射器线圈阵列仅限于激活离接收器最近的一个或多个Tx线圈。相比之下，本公开的多节线圈系统和方法对磁性模式进行整形以适合接收器的位置以获得最佳耦合和功率效率。在一些示例性实施方案中，通过选择性地激活参与线圈的相关区段，同时关闭不相关的线圈/区段来完成整形。

利用所公开的主题的另一个技术效果是将发射器的磁模式限制在中心上的圆形区域，其直径与接收线圈的尺寸相匹配，并且急剧落在该区域之外。因此，最小化磁场耦合到异物(即设备的外壳)和可能放置在预期接收器旁边的其他金属物体的影响。

利用所公开的主题的又一技术效果是提供改进的磁场模式，该磁场模式也可以动态地修改以适合接收设备，和/或安装在不同厚度的不同表面下。

现在参考图1A，其示意性地示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的用于无线电力发射器的多节线圈。线圈100被分成两个同心区段(第一和第二)，它们串联连接并在每端提供引线以及线圈之间的连接的中心抽头。然而，应当注意，如上所述和图1A中所描绘的线圈100仅是本说明书中主要为了简化说明而选择的一个可能的有用实施方案。下文描述的系统和方法被配置为支撑线圈100，线圈100可包括从1到N的任何数量的区段。另外或替代地，本公开的线圈100可具有同心形状、非同心形状、任何两个尺寸形状及其任何组合等。此外，线圈100的区段可以在尺寸上彼此相等或不相等，即不均匀的配线线圈。

现在参考图1B，其示意性地示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的多节线圈阵列。阵列111是以矩形形式布置的5x5线圈100的阵列，在线圈之间的X和Y方向上具有50毫米的特定尺寸，即总阵列尺寸为250x250毫米。然而，应当注意，如上所述和图1B中所描绘的阵列111仅是本描述中主要为了简化描述而选择的一个可能的有用实施方案。下文描述的系统和方法被配置为支撑阵列111，该阵列可以包括任何数量的线圈100，这些线圈100不一定位于矩形结构中，例如六边形、五边形、圆形等。附加地或替代地，阵列中包括的线圈100可以是如上所述的任何类型和尺寸的线圈100的混合物。

在一些示例性实施方案中，阵列111可以安装在充电区域下方约30毫米处，接收器可以放置在该充电区域上。在一些示例性实施方案中，可以针对30x30但不限于彼此间隔20毫米(在X和Y方向上)的不同充电位置的矩阵计算每个区段的磁场贡献(Cont)，即总共50个区段。因此，在600x600毫米的面积上产生总共900个充电位置。

现在参考图2，其示出了根据所公开的主题的一些示例性实施方案的适于独立且同时激活阵列中的每个多节线圈的无线电力发射器的框图。发射器(Tx)200包括电源260、DC电压传感器240；DC电流传感器230；控制器210；与线圈(L3)250耦合的至少一个全桥/半桥驱动器(驱动器)220。

在一些示例性实施方案中，Tx 200用于通过一个或多个线圈100对放置在位于阵列111(该图中未示出)上方的充电区域上的用户的可充电设备(未示出)进行充电，这些线圈100形成阵列111。每个线圈100包括至少一个区段，该区段具有形成LC谐振电路的一个电感器和一个电容器。在所公开主题的一些示例性实施方案中，线圈100包括两个电感器L1和L2以及两个电容器C1和C2。L1和C1形成第一区段LC谐振电路，通过S1连接到电桥220，L2和C2形成第二区段LC谐振电路，通过S1连接到电桥220。在另一端，两个区段通过端子C一起连接到电桥220。

在一些示例性实施方案中，阵列111的每个线圈100连接到专用驱动器220，即第一驱动器220支撑阵列111中的第一线圈100，并且第n驱动器220支撑阵列111中的第n线圈100。

在一些示例性实施方案中，控制器210可以是中央处理单元(CPU)、微处理器、电子电路、集成电路(IC)等。附加地或替代地，控制器210可以实现为为特定处理器(例如数字信号处理器(DSP)或微控制器)编写或移植的固件，或者可以实现为硬件或可配置硬件，例如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)。在一些示例性实施方案中，控制器210可用于执行Tx 200或其任何子组件所需的计算。

在所公开主题的一些示例性实施方案中，控制器210可以被配置为利用传感器240和230通过获取和测量DC电压传感器240的结果来确定PS260两端的DC电压。另外或替代地，控制器210被配置通过利用直流电流传感器230感测从电源流向驱动器的瞬时电流，来确定提供给每个线圈的每个区段的AC电流。

应当注意，控制器210具有通过其专用驱动器调节到每个不同线圈区段的电流模式的能力，以产生适合设备的接收器线圈几何形状的最佳匹配磁场模式。电流模式调节可以基于确定必要的参数，例如峰值电流、绝对电流的平均值、RMS电流、一次谐波的幅度、极性及其任意组合等。

在一些示例性实施方案中，控制器210包括半导体存储器组件(未示出)。存储器可以是永久性或易失性存储器，例如闪存、随机存取存储器(RAM)、可编程只读存储器(PROM)、可重编程存储器(FLASH)及其任意组合，或类似物。

在一些示例性实施方案中，存储器可被配置为保留程序代码以激活控制器210以执行与确定控制全桥或半桥驱动器220的脉宽调制(PWM)信号相关联的动作。另外或替代地，控制器210的存储器保存适于使控制器210执行图5中描绘的方法的步骤的指令和代码。

在一些示例性实施方案中，Tx 200包括一个或多个驱动器220，每个驱动器被配置为将AC电流驱动到其专用的线圈100。每个驱动器220可以通过调制流经阵列111的任何一个线圈100的区段的电流的工作频率和/或占空比来调节流经S2和S1的输出电流，即由Tx200提供的功率。在一些示例性实施方案中，控制器210中生成的PWM信号调整调制以满足阵列中每个线圈的每个区段的磁场贡献(Cont)，如在下文图5中描述的方法中确定的。

在一些示例性实施方案中，控制器210使用其存储器来保存与本公开的充电管理相关联的连接软件、监控信息、配置和控制信息以及应用。

在一些示例性实施方案中，控制器210被配置为基于符合通信标准的协议(例如电力事务联盟(PMA))、无线电力联盟(WPC)和AirFuel联盟与可充电设备(未示出)通信。根据这些通信方法，但不限于，控制器210可以被配置为从设备获取用户的凭证以认证用户以授予和调节充电服务。附加地或替代地，控制器210还可以被配置为从设备20获取电力需求。

现在参考图3，其示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的多节线圈的前端驱动器的原理示意图。前端驱动器300是包含在本公开的Tx200的每个全桥/半桥驱动器220中的电子电路。

在一些示例性实施方案中，驱动器220可以被配置为在半桥模式或全桥模式中操作。在全桥模式下，第1区段和第2区段(分别为L1、C1和L2、C2)作为面向相同电流的一个线圈(线圈100)一起工作。在半桥模式下，FET2和FET3驱动第二区段，FET4和FET 5驱动第一区段，而FET1导通，即接地电位。应该注意的是，这两个区段可以由它们各自的FET以不同或相同的电流同时驱动。

另外或替代地，一个区段可以由与另一个不同的频率驱动，用于调节由某个距离处的一个区段产生的磁场。

在全模式的一些示例性实施方案中，连接在线圈100的每一侧的电容器C1和C2被调谐为在Tx 200的指定的谐振频率下与它们所连接的线圈区段(分别为L1和L2)具有反电抗。进行此类电容器调谐以消除工作频率下各区段的阻抗，以允许高电流流动。

为了半模式、独立区段操作，中央抽头[C]通过L3连接到FETl，FETl在活动时关闭区段电路(接地)，而FET2和FET3正在切换指定的操作频率下来自Vdd的电源。在一些示例性实施方案中，电感器L3值被选择为在指定的操作频率下具有零(0)等效阻抗以及有源部分，L1&C1或L2&C2。应当注意，Tx 200可以具有至少一个用于全模式的指定频率和至少一个用于半模式的每个区段的指定频率。

将理解的是，由于两个区段之间的耦合，任何区段的电感在另一区段关闭时显著低于其在另一区段开启时的电感。在一些示例性实施方案中，电感器L3能够在与区段中的一个一起操作时调谐谐振频率并且在另一区段活动时补偿电感损耗与该区段的操作。

在半模式的一些示例性实施方案中，FETl被设置为活动的，一个区段的FET被设置为三态(即断开)并且另一区段的FET被设置为将Vdd切换到线圈，从而在半模式下激活一个区段。此外，或替代地，FET1设置为活动状态，并且两个区段的FET设置为将Vdd切换到线圈，从而在半模式下激活两个区段。应该注意的是，在任何半模式情况下，每个区段(L1和L2)的每个线圈都与其串联电容器(分别为C1和C2)和电感器L3一起工作。

在全模式的一些示例性实施方案中，FET1关断并且FET2和FET 3彼此反转并且切换第二区段。类似地，FET4和FET5相互反转并切换第一区段。

在所公开主题的一些示例性实施方案中，线圈100的每个区段可以提供不同的磁场模式以匹配不同的应用或安装条件。区段之一或两个区段的组合可以创建与相关规范中定义的现有标准线圈之一的规范相匹配的线圈。

现在参考图4，示意性地示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的位于多节线圈阵列上方的充电区域。充电区域500标记充电位置的中心，可充电设备(接收器)可放置在该充电位置的中心。

为了简化对根据下文描述的方法(在图5中)的计算的解释，提供以下实施例。然而，将强调的是，并入阵列111中的线圈100不限于两个区段。此外，阵列111布置可以扩展为包括非同心的线圈100；同心的线圈100；具有不同中心的线圈100；及其任何组合等。

在一些示例性实施方案中，阵列111包括以具有250x250毫米的总阵列尺寸的矩形形式布置的五十个线圈100。在该实施例中，每个线圈100被分成两个同心区段，因此总共50个区段。标签S01、S02、S10、541、S50标记了阵列中某些区段的位置；例如S01标记阵列的第一区段，S02标记第二区段，依此类推，直到标记为S50的最后一区段。需要说明的是，在本公开中，阵列中的一个区段用[N]表示，因此，在这个实施例中总共N个区段等于50。

在一些示例性实施方案中，可以通过计算充电区域500的每个充电位置的电流矢量来确定该区段的磁场贡献(Cont)。在该实施例中，充电区域是彼此间隔20毫米的30x30个不同充电位置的矩阵。因此，总共900个充电位置分布在600x600毫米的区域内。

标签R001、R002、R030、R541、R571和R600标记了充电区500中的一些充电位置；例如R001标记区域500中的第一个位置，R002标记第二个位置，依此类推到标记为R600的最后一个位置。需要说明的是，在本公开中，充电区域内的充电地点位置用[M]表示，因此本实施例中M个位置的总数等于600。

本公开主题的目标之一是导出方阵UCont(在本实施例中为50x50方阵)和磁场模式矢量UP(在本实施例中大小为50)，然后确定每一个区段的电流矢量。在一些示例性实施方案中，确定优选的磁场模式(矢量UP)以覆盖充电区域500上不同位置上的接收器555的放置，然后是每个位置区域500的不同电流矢量。在一些示例性实施方案中，确定可以由控制器210，如图2所示，基于接收器555在区域500上的位置实时执行。另外或替代地，可以预先计算确定以包括存储在Tx 200非易失性存储器中的每个接收器位置的不同电流矢量，以节省发射器的时间和计算功率。

在一些示例性实施方案中，每个区段1到N对位置1到M处的磁场模式的贡献(Cont)可以由N*M值的矩阵Cont来表达。特定区段的Cont可以基于麦克斯韦方程进行数学计算，这对于没有周围铁磁的简单对称拓扑是可能的，使用麦克斯韦方程解的标准仿真工具。此外，或替代地，特定区段的贡献可以通过测量由参考电流产生的磁场来获得，例如1A仅流经特定区段，适用于所有位置1到M。

矩阵乘以N元素矢量I，表示在每个区段中流动的电流，将产生每个M点的磁场模式P，因此ContxI＝P。

注意，在N＝M的情况下，可以使用标准矩阵代数来计算Cont的逆矩阵，然后计算所需的电流：I＝Cont^-1*P。然而，这种解决方案可能会产生不稳定的解，该解需要在这些区段上使用非常高的交流相位电流。虽然这可以在该区域的特定位置产生所需的模式，但这会在它们之间产生非常高的磁场。

在所公开的主题的一些示例性实施方案中，一种基于M＞N的方法，用于提供期望的模式，然后优化磁场模式相对于期望的模式的均方误差。

因此

对于每个电流I(n)推导上述Error项将导致以下等式：

如果UCont是NxM矩阵

则UP是一个N元素矢量，所以在这种情况下的解是：I＝UCont^-1*UP

在一些示例性实施方案中，P通常可以是以高斯为单位测量的场强(B场或H场)。应该注意的是，UP不是P，UP是用于计算的数学表达式。Cont具有类似的P除以电流的单位，以安培(A)为单位，即如果P具有高斯单位，则Cont将具有高斯/A单位。

上述用于计算UCont的方程提供了稳定的磁场模式，但它没有考虑到各区段中的电流增加。在一些示例性实施方案中，可以通过如下计算UCont矩阵来修改上面的等式以克服区段中的电流增加：

在一些示例性实施方案中，δ(x)是标准delta函数，对于a-b＝0为1，对于所有其他a-b值为0。其中a&b是矩阵UCont从1到N的元素的枚举数。常数C是当前的权重函数。数字越大，导线上的电流越低，代价是磁场模式与所需模式的偏差更大。

导出的电流矢量I可用于定义线圈区段的电流值，或转换为区段的线密度，功能允许设计非均匀线分布线圈。例如，如果I(1)＝3安培(A)与线圈100的第一区段相关，而I(2)＝2A与线圈的第二区段相关，其中磁场模式是用1线/mm的密度计算的，而不是每个区段使用相同的线密度1线/mm并驱动3A通过第1区段并驱动2A通过第2区段。替代地，可以使用固定的1A电流通过两个区段，但是第1区段的线密度应该在第二区段为3线/mm和2线/mm。

在这种情况下，可以简单地通过沿相反方向(逆时针对顺时针)运行线环来实现负电流。为了克服磁场居中的限制，上述概念可以扩展到非同心的线圈布置。

应当注意，计算这些部分中的每一个对不同位置M上的磁场的贡献以导出矩阵Cont，如上所述，目标磁场模式矢量P在这种情况下将指代2D平面中的位置，其余的计算如以上关于同心情况所描述的。

现在参考图5，其示出了根据所公开主题的一些示例性实施方案的用于对磁场模式进行整形的方法的流程图。

在步骤501中，确定充电区域500。在一些示例性实施方案中，充电区域500包括具有总共M个充电位置的多个充电位置，其位于阵列111上方，阵列111包括具有总共N个区段的多个区段。在一些示例性实施方案中，充电区域500的面积大于阵列111的面积。例如，图4示出了矩形充电区域500，其包括彼此间隔20毫米的30x30个不同充电位置。因此，总共有900(M＝900)个总尺寸为600x600毫米的充电位置。在该实施例中，阵列111包括25个、两个区段、每个具有50×50毫米尺寸的线圈100。从而，总共50(N＝50)个区段具有250x250毫米的总阵列111尺寸，其小于充电区域500的尺寸。

将注意到，充电位置比线圈密度更密集地间隔并且延伸超出线圈覆盖区域。

在步骤502中，确定每个区段对每个充电位置的磁场贡献(Cont)。在完成步骤502后，每个区段1到N对位置1到M处的磁场的Cont由N*M个值的矩阵Cont表示(以高斯/安培测量)。在一些示例性实施方案中，使用麦克斯韦方程解的标准模拟工具，基于麦克斯韦方程对特定区段的Cont进行数学计算。此外，或替代地，特定区段的贡献可以通过测量由参考电流产生的磁场来获得，例如1A仅流经特定区段，对于所有位置1到M并针对每个区段重复。

应该提醒的是，阵列111的1到N区段可以是具有不同属性的区段的混合，例如特定的拓扑结构、线密度及其组合等，因此每个区段对任何特定充电位置的Cont取决于其属性及其与特定充电位置的距离。

在步骤503中，确定磁场模式P。在一些示例性实施方案中，磁场模式P是由充电区域500的每个充电位置1至M的磁场值(以高斯测量)组成的矢量。通过利用前面的等式为每个充电位置确定磁场模式P，在本公开中也称为P矢量。因此，P矢量在任何给定时间表现出区域500的磁场模式。

将理解的是，确定P矢量以向放置在区域500上的一个或多个接收器(例如图4的接收器线圈555)提供最佳磁场模式。还将理解，P矢量的确定由于接收器的移动而动态改变，即重复执行P矢量的确定；放置另一个接收器；移除任何接收器；及其任何组合等。

在图4的实施例中，位于接收器线圈555下方的所有充电位置(由X标记)应该是更有影响力的充电位置，这意味着这些充电位置中的磁场必须更强大，而充电位置其余部分的磁场应为零。因此，P矢量的确定相对于接收器的瞬时位置以及放置在充电区域500上的接收器的数量动态地改变。因此，P矢量，或者换言之，充电区域500的磁场模式表示在任何给定时间区域500所需的磁场模式。

另外或替代地，可以为任意充电位置确定P矢量。

在一些示例性实施方案中，位于诸如线圈555之类的接收器下方的充电位置可以被定义为位于充电区域500上的接收器的特定地点。可以通过Tx 200用单个功率脉冲分别激活阵列中的每个线圈100并从接收器的设备获得接收功率值来确定接收器线圈的特定地点。在激活阵列中的所有线圈并从设备接收所有功率值时，Tx 200可以基于设备测量的相对功率值确定与接收器线圈特定位置相关联的所有充电位置。

在大多数实际情况下，模式矢量在接收器正下方的充电位置中具有高值并且在接收器投影之外的区域中接近零值。在其他实施例中，不可访问的充电区域500的充电位置可从计算中省略。在又一实施例中，充电区域500可以支持多于一个接收器，导致一个模式矢量包括多于一个单独的区域高值。

应当理解，接收器的模式(例如图4中所描绘的)理论上包括接收器下方的高场和接收器投影外的零场。然而，数学解决方案可以计算包括在接收器覆盖区域之外的激活部分的电流矢量。这是由于它们对整个场的贡献，这可能有助于减少表示实际场模式与由矢量P表示的所需场模式之间差异的总体误差项。

在步骤504中，为在步骤503中确定的每个模式矢量计算电流矢量。在一些示例性实施方案中，Tx 200为表示一个或多个接收器(例如接收器555)所需的磁场模式的任何特定矢量P计算由所有区段的电流值组成的特定电流矢量，如前所述。因此，电流矢量[I]定义了用于满足充电区域500的必要模式[P]形状的每个区段的电流值，充电区域500可以具有一个或多个指定的充电位置。

在一些示例性实施方案中，单个电流(即单个驱动器)可用于在预定方向和/或相反方向上驱动具有非均匀线密度的线圈100。将提醒的是，在先前描述的示例性实施方案中，这种线圈被设计成产生固定的预定义磁场模式。还应当注意，阵列111包括线圈的混合，其中一些是均匀的和同心的，而一个或多个可以是非均匀的。在一些示例性实施方案中，可以在充电区域上标记非均匀线圈的位置以向用户指示这种线圈的位置。在一些示例性实施方案中，为特定接收器提供形成固定预定义磁场模式的非均匀线圈；例如，大型接收器线圈(用于笔记本电脑)；非常小的线圈(用于手表等设备)；或类似物。需要说明的是，电流矢量I可以组合区段的电流值和非线性线圈的固定电流。

在步骤505中，执行电流矢量。在一些示例性实施方案中，Tx 200使用至少一个驱动器220来执行计算的电流矢量。当前矢量可以在以下情况下动态改变：从区域555移除接收器，将接收器移动到区域555上，在区域555上放置额外的接收器；及其任何组合等。

此外，或替代地，Tx 200可以执行预先计算的电流矢量，该电流矢量被指定为对充电区域500上的至少一个预设充电位置的磁场模式进行整形。其中，该至少一个预设充电位置被标记在充电区域500上。

另外或替代地，发射器被配置为独立地驱动至少一个线圈的每一区段。

在所公开主题的一些示例性实施方案中，图5中描述的不包括步骤505的方法可用于设计一个或多个线圈，例如包括一个或多个区段的线圈100。该设计包括定制/调整几何特性，主要是可以形成例如图1B中所示的阵列111的线圈阵列的一个线圈或多个线圈及其区段的几何特性，主要是线圈密度。

在一些示例性实施方案中，每个这样的线圈的几何特性包括添加/减去区段和/或对线密度均匀的线圈、线密度不均匀的线圈、同心线圈、非同心线圈、反向线圈及其任何组合等进行几何调整。

上述用于设计一个或多个线圈的实施方案基于步骤504的计算出的电流矢量，其构成用于设计任何线圈及其区段的几何特性的标准。换言之，以几何特性表示的一个或多个线圈的设计结果补偿即满足为整形特定磁场模式而计算的电流矢量。因此，线圈设计结果能够仅使用Tx200的一个电流驱动器来驱动所有涉及的线圈(一个或多个)及其区段。

在一些示例性实施方案中，使用具有不均匀间隔的导线的一个或多个线圈导致扩散模式改变磁辐射模式的形状，并且将其集中在所需半径内。附加地或替代地，一个或多个线圈也可以被构造成使得一些线环布置在与线圈的其他线环相反的方向上；这将产生一种情况，即在线圈中流动的电流在某些回路上具有顺时针方向，而在其他回路中具有逆时针方向。这种布置的效果是减少或消除特定半径处的磁场。

本公开的主题可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括其上具有计算机可读程序指令的计算机可读存储介质(或介质)，用于使处理器执行本公开主题的各方面。

计算机可读存储介质可以是有形设备，其可以保留和存储指令以供指令执行设备使用。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非详尽列表包括以下：便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能磁盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备，例如记录有指令的穿孔卡或凹槽中的凸起结构，以及前述的任何适当组合。此处使用的计算机可读存储介质不应被解释为瞬态信号本身，例如无线电波或其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输介质传播的电磁波(例如，光脉冲通过光缆)或通过电线传输的电信号。

在此描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理设备或经由网络下载到外部计算机或外部存储设备，例如因特网、局域网、广域网和/或无线网络。网络可以包括铜传输电缆、光传输光纤、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令并转发计算机可读程序指令以存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开主题的操作的计算机可读程序指令可以是汇编器指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据，或以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，包括面向对象的编程语言，例如Smalltalk、C++等，以及传统的过程编程语言，例如“C”编程语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全在用户计算机上、部分在用户计算机上、作为独立软件包、部分在用户计算机上且部分在远程计算机上或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者可以连接到外部计算机(例如，使用互联网服务提供商通过互联网)。在一些实施方案中，包括例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)的电子电路可以通过利用计算机可读程序指令的状态信息来执行计算机可读程序指令来个性化电子电路，以执行本公开主题的方面。

本文参考根据所公开主题的实施方案的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开主题的各方面。应当理解，流程图和/或框图的每个框，以及流程图和/或框图中的框的组合，可以由计算机可读程序指令来实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以生产机器，使得经由计算机的处理器或其他可编程数据处理装置执行的指令创建用于实现在流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的模块。这些计算机可读程序指令也可以存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质可以引导计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式运行，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括制造品，其包括实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的方面的指令。

计算机可读程序指令还可以被加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行以产生计算机实现过程，使得在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作。

附图示出了根据本公开主题的各个实施方案的系统、方法和计算机程序产品的可能的实现的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个框可以代表指令的模块、片段或部分，其包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，框中指出的功能可以不按附图中指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，实际上可以基本上同时执行连续示出的两个框，或者有时可以以相反的顺序执行这些框。还应注意，框图和/或流程图的每个框以及框图和/或流程图的框的组合可以由执行指定功能或动作或执行特殊用途的硬件和计算机指令的组合的基于特定目的硬件的专用系统来实现。

在此使用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，并不旨在对所公开的主题进行限制。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。

以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的相应结构、材料、动作和等效物旨在包括用于与如具体要求保护的其他要求保护的元件组合来执行功能的任何结构、材料或动作。本公开主题的描述是为了说明和描述的目的而呈现的，但并不旨在穷举或限于以公开的形式公开的主题。在不脱离所公开主题的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择和描述实施方案是为了最好地解释所公开的主题和实际应用的原理，并使本领域的其他普通技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施方案的所公开的主题。

Claims (18)

1.用于通过发射器对放置在具有至少一个区段的至少一个线圈上方的至少一个接收器进行无线充电的方法，该方法包括：

确定在所述至少一个线圈上方形成充电区域的多个充电位置；

确定所述至少一个线圈中的每个区段对所述多个充电位置中的每个充电位置的磁场贡献矩阵；

确定所述充电区域的磁场模式；

计算电流矢量，该电流矢量包括所述至少一个线圈中的所述每个区段的电流值；以及

由所述发射器用电流矢量驱动至少一个线圈中的所述每个区段，以对磁场模式进行整形。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个线圈是线圈阵列，并且其中每个线圈包括至少一个区段。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述充电区域内的充电位置的总数大于所述阵列中的区段的总数。

4.如权利要求2所述的方法，其中，所述磁场贡献矩阵是基于使用麦克斯韦方程解的模拟工具的数学计算来确定的。

5.如权利要求2所述的方法，其中，所述磁场贡献矩阵是基于测量所述多个充电位置中的每个充电位置的磁贡献而确定的，所述磁贡献由依次流过每个区段的预定参考电流产生，其中所述每匝重复所述测量。

6.如权利要求2所述的方法，根据权利要求4或权利要求5所述的方法，包括将所述磁场贡献矩阵存储在所述发射器的存储器中。

7.如权利要求2所述的方法，其中，所述磁场模式向放置在所述充电区域上的所述至少一个接收器提供最佳磁场值。

8.如权利要求2所述的方法，其中，所述确定充电区域的磁场模式被重复执行以由于从包括以下的组中选择的变化而动态更新磁场模式：充电区域上的接收器的移动；在充电区域上放置另一个接收器；从充电区域移除任何接收器；及其任何组合。

9.如权利要求2所述的方法，其中，所述发射器被配置为确定放置在充电区域上的至少一个接收器的特定地点，并且其中，所述特定地点定义了与特定地点相关联的至少一个充电位置。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述充电区域的磁场模式在与所述特定地点相关联的充电位置处具有强磁场并且在所述充电位置的其余部分处具有接近于零的磁场。

11.如权利要求8所述的方法，其中，所述电流矢量被配置为对所述充电区域的磁场模式进行整形，并且其中随着所述磁场模式的变化重复所述计算电流矢量。

12.如权利要求2所述的方法，其中，所述计算包括所述每个区段的电流值的电流矢量还包括提供具有最小误差的磁场模式。

13.如权利要求9所述的方法，其中，所述电流矢量包括与充电位置相关联的区段的大于零的电流值，所述区段与所述特定地点不相关联以减少磁场模式误差。

14.如权利要求1所述的方法，其中，所述发射器被配置为独立地驱动具有至少一个区段的所述至少一个线圈。

15.如权利要求1所述的方法，其中，所述发射器被配置为独立地驱动所述至少一个线圈的每一区段。

16.利用权利要求1的发射器来设计具有至少一个区段的至少一个线圈的方法，该方法包括：

确定在所述至少一个线圈上方形成充电区域的多个充电位置；

确定所述至少一个线圈中的每个区段对所述多个充电位置的每个充电位置的磁场贡献矩阵；

确定所述充电区域的磁场模式；

计算电流矢量，该电流矢量包括所述至少一个线圈中的所述每个区段的电流值；以及

根据电流矢量设计具有至少一个区段的所述至少一个线圈的几何特性。

17.如权利要求16所述的方法，其中，具有至少一个区段的所述至少一个线圈的几何特性选自由以下组成的组：线密度均匀的线圈；线密度不均匀的线圈；同心线圈；非同心线圈；反向线圈；及其任何组合。

18.如权利要求16所述的方法，其中，所述具有至少一个区段的所述至少一个线圈的所述设计几何特性的结果被配置为满足所述电流矢量，以便能够通过发射器的单个驱动器驱动具有至少一个区段的所述至少一个线圈，只有一个电流用于对所述磁场模式进行整形。

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