無線感應電力傳送的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及感應電力傳送，并且具體地但非排他性地涉及一種根據(jù)Qi無線電力傳送標準的感應電力傳送系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]許多系統(tǒng)要求布線和/或電氣接觸以便將電力供應給設備。省略這些線和接觸提供經(jīng)改進的用戶體驗。傳統(tǒng)上，這已經(jīng)使用位于設備中的電池實現(xiàn)，但是該方法具有許多缺點，包括附加的重量、體積以及需要頻繁地更換或再充電電池。最近，使用無線感應電力傳送的方法已經(jīng)受到越來越多的關注。
[0003]這種越來越多的關注的一部分是由于便攜式和移動設備的數(shù)目和種類在過去十年間已經(jīng)爆發(fā)。例如，移動電話、平板電腦、媒體播放器等的使用已經(jīng)變得無所不在。這樣的設備一般由內部電池供電，并且典型的使用場景經(jīng)常要求電池的再充電或從外部電源對設備的直接有線供電。
[0004]如所提到的，大部分現(xiàn)代設備要求布線和/或顯式電氣接觸以從外部電源供電。然而，這往往是不切實際的，并且要求用戶物理地插入連接器或以其它方式建立物理電氣接觸。通過引入線的長度，這對于用戶往往還是不方便的。典型地，電力要求也顯著地不同，并且當前大部分設備提供有其自身的專用電源，這導致典型的用戶具有大量不同的電源，其中每個電源專用于特定設備。盡管內部電池可以防止對于到外部電源的有線連接的需要，但是該方法僅提供部分解決方案，因為電池將需要再充電(或昂貴的更換)。電池的使用還可能大幅添加設備的重量以及潛在地成本和大小。
[0005]為了提供顯著改進的用戶體驗，已經(jīng)提出使用無線電源，其中電力從電力發(fā)射器設備中的發(fā)射器線圈感應地傳送到單獨設備中的接收器線圈。
[0006]經(jīng)由磁感應的電力傳輸是大部分應用在變壓器中的公知概念，所述變壓器具有初級發(fā)射器線圈與次級接收器線圈之間的緊密耦合。通過在兩個設備之間分離初級發(fā)射器線圈和次級接收器線圈，基于松散耦合變壓器的原理，設備之間的無線電力傳送變得可能。
[0007]這樣的布置允許在不要求任何線或物理電氣連接的情況下到設備的無線電力傳送。實際上，其可以簡單地允許設備鄰近發(fā)射器線圈或在其頂部上安置以便外部地再充電或供電。例如，電力發(fā)射器設備可以布置有水平表面，在其上可以簡單地安置設備以便供電。
[0008]而且，可以有利地設計這樣的無線電力傳送布置，使得電力發(fā)射器設備可以與一系列電力接收器設備一起使用。具體而言，已經(jīng)定義并且目前正進一步研發(fā)被稱為Qi標準的無線電力傳送標準。該標準允許滿足Qi標準的電力發(fā)射器設備與同樣滿足Qi標準的電力接收器設備一起使用，而這些不必來自相同制造商或不必專用于彼此。Qi標準還包括用于允許操作適于特定電力接收器設備的某種功能性(例如，依賴于特定電力汲取)。
[0009]Qi標準由無線電力協(xié)會研發(fā)，并且可以例如在其網(wǎng)站上找到更多信息:http://www.wirelesspowerconsortium.com/index, html,其中牛寺另lj;t也可以手戈至1J月斤定義的申示7隹文檔。
[0010]為了支持電力發(fā)射器和電力接收器的交互工作和互操作性，優(yōu)選的是，這些設備可以彼此通信，即如果支持電力發(fā)射器和電力接收器之間的通信，并且優(yōu)選地如果在兩個方向上支持通信，則其是合期望的。在US2012/314745A1中提供了允許電力接收器與電力發(fā)射器之間的通信的無線電力傳送系統(tǒng)的示例。
[0011]Qi標準支持從電力接收器到電力發(fā)射器的通信，從而使得電力接收器能夠提供可允許電力發(fā)射器適于特定電力接收器的信息。在現(xiàn)行標準中，已經(jīng)定義從電力接收器到電力發(fā)射器的單向通信鏈路，并且方法基于電力接收器作為控制元件的基本原理。為了準備和控制電力發(fā)射器與電力接收器之間的電力傳送，電力接收器特別地將信息傳達給電力發(fā)射器。
[0012]通過電力接收器執(zhí)行負載調制實現(xiàn)單向通信，其中由電力接收器應用到次級接收器線圈的負載發(fā)生變化以提供電力信號的調制?？梢酝ㄟ^電力發(fā)射器檢測和解碼(解調)電氣特性中的所得改變(例如，電流汲取中的變化)。
[0013]然而，Qi系統(tǒng)的限制在于，其不支持從電力發(fā)射器到電力接收器的通信。而且，在一些應用中，諸如針對Qi所研發(fā)的負載調制可能是次優(yōu)的。
[0014]作為示例，圖1圖示了用于典型的感應加熱器具的電力供應路徑。電力提供包括AC/DC轉換器101，其對輸入ac電壓(例如，市電)進行整流。經(jīng)整流的市電信號饋送到生成高頻驅動信號的DC/AC轉換器103 (逆變器)，該高頻驅動信號饋送到諧振槽105 (經(jīng)調諧的L-C電路)并且經(jīng)由此饋送到發(fā)射器線圈107。系統(tǒng)包括加熱盤，其可以由接收器線圈109和負載R_Sole 111 (表示盤底中的渦電流損耗)表示。
[0015]圖2圖示了圖1的電力路徑的電壓波形。市電電壓Umains由AC/DC轉換器101整流為電壓Udc_abs。用于緩沖經(jīng)整流的市電電壓的大存儲電容器正常地不應用于這些種類的應用中，因為其將添加該應用的總體市電諧波失真。因此，通過AC/DC轉換器101生成變化的DC電壓。
[0016]由于經(jīng)整流的電壓Udc_abs的特性，DC/AC轉換器103的輸出電壓Uac_HF被成形為如圖2中所示。逆變器的正常操作頻率約為20 kHz到100 kHz ο
[0017]發(fā)射器線圈107連同接收器線圈109和電阻R_sole—起基本上是DC/AC轉換器103的負載。然而，由于該負載的性質(既是感應性的又是電阻性的)，諧振電路105典型地使用在DC/AC轉換器103與該負載之間以便取消負載的感應部分。而且，諧振網(wǎng)絡105典型地導致典型地使用在DC/AC轉換器103中的逆變器的開關損耗中的降低。
[0018]諸如圖1的系統(tǒng)中的接收器與發(fā)射器之間的通信面臨多個挑戰(zhàn)和困難。具體而言，典型地，存在電力信號的要求和特性與對通信的期望之間的沖突。典型地，系統(tǒng)要求電力傳送與通信功能之間的緊密交互。例如，基于以下概念設計系統(tǒng):僅一個信號在發(fā)射器與電力接收器之間感應地耦合，即電力信號本身。然而，使用電力信號本身用于不僅執(zhí)行電力傳送而且用于承載信息導致歸因于電力信號幅度的變化性質的困難。例如，為了將信號調制到電力信號上或使用負載調制，電力信號必須具有足夠的幅度。然而，對于諸如圖2的那個的電力信號，不能保證這一點。
[0019]作為特定示例，使用其中電力接收器通過負載調制傳達數(shù)據(jù)(諸如在Qi系統(tǒng)中)的負載調制方法要求正常負載是相對恒定的。然而，在許多應用中不能保證這一點。
[0020]例如，如果無線電力傳送用于對馬達驅動器具(諸如例如攪拌器)供電，則可以使用類似于圖1的那個的電力路徑，但是由分離的接收感應器(Rx線圈)、AC/DC轉換器和DC馬達本身代替負載(對應于加熱盤)。圖3中圖示了這樣的電力路徑。
[0021]圖4中示出了這樣的無線馬達驅動器具的典型電壓和電流波形。如所圖示的，馬達電流Idc_motor往往是相當不穩(wěn)定且不連續(xù)的。在市電電壓的零交叉附近，馬達電流中出現(xiàn)間隙。這由馬達的旋轉電壓導致。如果電壓Uac_Rx比馬達中所感應的旋轉電壓Udc_mot更高，則DC/AC轉換器(逆變器)僅能夠將電流供應給馬達。
[0022]為了控制馬達的速度(或力矩)，可以將速度傳感器(或電流傳感器)添加到系統(tǒng)，連同從速度傳感器到電力發(fā)射器的反饋環(huán)路一起。由于逆變器(其可以是電壓或電流源)的性質，DC/AC轉換器(逆變器)優(yōu)選地并入在該反饋環(huán)路中。因此，要求器具部分(電力接收器)與電力發(fā)射器部分之間的通信。通過在器具側處應用負載調制技術，使得在發(fā)射器側處可以檢測并解調負載改變，可以實現(xiàn)此。然后，該經(jīng)解調的數(shù)據(jù)可以包括馬達速度(或力矩)的信息，或實際上可例如用于控制發(fā)射器的任何其它信息。
[0023]然而，當馬達驅動器具汲取電流時，該電流的幅度與馬達的負載緊密相關。如果馬達負載改變，則馬達電流也改變。這導致逆變器電流的幅度也隨負載改變。該負載變化將干擾負載調制，從而導致降級的通信。實際上，對于包括馬達作為負載的一部分的負載而言，在實踐中典型地非常難以檢測負載調制。因此，在這樣的場景中，通信誤差的數(shù)目是相對高的，或通信可以利用非常高的數(shù)據(jù)符號能量，從而非常大幅地降低可能的數(shù)據(jù)速率。
[0024]因此，經(jīng)改進的電力傳送系統(tǒng)將是有利的，并且具體而言，允許經(jīng)改進的通信支持、增加的可靠性、增加的靈活性、經(jīng)促進的實現(xiàn)方式、對負載變化的降低的靈敏度和/或經(jīng)改進的性能的系統(tǒng)將是有利的。

【發(fā)明內容】

[0025]因此，本發(fā)明力圖優(yōu)選地單個或以任何組合減輕、緩解或消除以上提到的缺點中的一個或多個。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的方面，提供了一種用于使用無線感應電力信號將電力傳送到電力接收器的電力發(fā)射器，該電力發(fā)射器包括:感應器，其用于響應于饋送到感應器的驅動信號而提供無線感應電力信號；電源，其用于提供電源信號；電力信號發(fā)生器，其用于從電源信號生成驅動信號，該電力信號發(fā)生器包括:被布置為生成比電源信號的頻率更高的驅動信號的頻率的頻率轉換器，和用于在重復的時間間隔內將饋送到感應器的驅動信號的電力約束到閾值以下的限制器；同步器，其用于使重復的時間間隔與電源信號同步；以及通信單元，其用于在重復的時間間隔期間與電力接收器交換數(shù)據(jù)。
[0027]本發(fā)明可以提供一種經(jīng)改進的電力傳送系統(tǒng)。在許多實施例中，其可以允許、支持或促進電力發(fā)射器與電力接收器之間的經(jīng)改進的通信。方法可以特別地啟用、促進或支持基于由電力接收器所生成的感應信號的通信。方法可以用于從電力發(fā)射器到電力接收器和/或從電力接收器到電力發(fā)射器的通信。
[0028]方法可以允許針對電力傳送與通信操作的要求和偏好之間的增加的分離。其可以特別地降低電力傳送的操作特性對通信操作的影響，并且反之亦然。特別地，可以降低或移除電力傳送負載中的變化對通信性能的影響。方法可以允許電力接收器可生成無線信號，其可以提供給電力接收器的線圈，從而導致在電力發(fā)射器的感應器中感應信號。該電力接收器生成的信號可以用于在電力發(fā)射器與電力接收器之間感應地傳送數(shù)據(jù)。方法可以導致通信對電源信號的電平變化的降低的靈敏度。
[0029]在許多實施例中，與電源信號的同步可以促進操作和/或提供更可靠的操作。具體而言，其可以降低通信對電力傳送的影響，并且特別地降低或甚至最小化由于通信所致的傳送電力中的降低。在許多實施例中，方法可以允許經(jīng)改進的通信并且可以促進電力發(fā)射器與電力接收器之間的同步。
[0030]同步器可以被布置為通過分析、評估或測量電源信號的性質使重復的時間間隔與電源信號直接同步。例如，電源信號中的幅度變化可以用于同步重復的時間間隔。然而，在其它實施例中，例如通過使重復的時間間隔與本身和電源信號同步的另一信號同步，可以實現(xiàn)重復的時間間隔與電源信號的間接同步。例如，可以從另一信號導出電源信號，并且可以通過與該另一信號的性質同步實現(xiàn)重復的時間間隔的同步。
[0031]在許多實施例中，重復的時間間隔可以與電源信號的幅度或信號電平變化同步。
[0032]在許多實施例中，限制器可以被布置為在重復的時間間隔期間將驅動信號與感應器斷開或解耦合。因此，限制器可以通過在重復的時間間隔期間不將驅動信號饋送到感應器來約束饋送到感應器的驅動信號的電力。
[0033]限制器可以典型地將電力約束到不超過驅動信號的最大電力的至多20%、10%或5%。在許多實施例中，驅動信號在重復的時間間隔期間可以與感應器斷開，從而將饋送到感應器的驅動信號的電力限制到O。
[0034]電力信號發(fā)生器可以例如被布置為操作在電力傳送模式和通信模式中。電力信號發(fā)生器在重復的時間間隔期間可以操作在通信模式中。在電力傳送模式中，驅動信號驅動感應器以提供無線感應電力信號。在通信模式中，驅動信號不驅動感應器，并且特別地驅動信號可以不饋送到感應器。在通信模式中，電力發(fā)射器可以與電力接收器通信。通信模式可以包括電力發(fā)射器生成通信信號并且將此饋送到感應器?？商鎿Q地或附加地，通信模式可以包括電力發(fā)射器檢測或解調由感應器所接收的通信信號，例如對應于由提供自電力接收器的感應通信信號所感應的信號。通信可以被約束于重復的間隔。
[0035]在一些實施例中，電力發(fā)射器與電力接收器之間的所有通信可以在重復的時間間隔內。因此，在許多實施例中，在重復的時間間隔外沒有電力發(fā)射器與電力接收器之間的通信發(fā)生。
[0036]在許多實施例中，頻率轉換器可以是DC-AC轉換器。電源信號可以是被轉換為AC驅動信號的變化電平的DC信號。頻率轉換器可以包括逆變器。
[0037]在許多實施例中，頻率轉換器可以通過包括對應于電源信號和具有更高頻率的另外的信號的乘積的操作來生成驅動信號。另外的信號可以對應于具有兩個電平的方波信號，并且乘積操作可以使用由具有比電源信號更高的頻率的開關信號驅動的開關電路(諸如逆變器)來實現(xiàn)。
[0038]在許多實施例中，響應于利用具有比電源信號更高的頻率的調制信號對電源信號的幅度調制，可以生成驅動信號。在這樣的實施例中，限制器可以被布置為通過對驅動信號的操作來約束電力驅動信號的電力，或者可以例如通過約束經(jīng)幅度調制的電源信號的電力(或者在例如乘積的情況下，通過約束調制信號的幅度)來約束電力。
[0039]在許多實施例中，可以從具有低于10Hz的頻率的低頻AC信號生成電源信號。特別地，可以從具有50Hz或60Hz的典型頻率的市電信號生成電源信號。在許多實施例中，電源信號可以是市電導出的AC信號的全波整流版本。因此，電源信號的頻率可以典型地是10Hz或120Hz。在大多數(shù)實施例中，電源信號的頻率將不高于400Hz。
[0040]驅動信號的頻率將典型地是至少10 kHz,20 kHz或甚至50 kHz。驅動信號可以是對應于具有至少10 kHz,20 kHz或甚至50 kHz的載波頻率和不超過400 kHz (高達400kHz的頻率可以例如經(jīng)常使用在飛機中)的幅度變化的最大頻率的幅度變化的載波的信號。在許多場景中，驅動信號可以對應于經(jīng)幅度調制的載波，其中載波信號由頻率轉換器提供并且幅度調制信號是電源信號。
[0041 ] 重復的時間間隔可以是周期性重復的時間間隔。在許多實施例中，重復的時間間隔可以具有不超過10%、5%或甚至在一些實施例中1%的占空比。
[0042]根據(jù)本發(fā)明的可選特征，電源信號是變化的DC電力信號。
[0043]這可以提供經(jīng)改進的性能并且在許多實施例中可以降低復雜性。方法可以特別地適于將通信引入到系統(tǒng)，其中電源信號，諸如到用于驅動感應器的驅動電路的供應電壓，是非恒定的。可以例如通過AC輸入信號的半或全波整流生成電源信號。平滑化可以缺失和/或不足以將紋波降低到低值。例如，電源電壓上的紋波可以不低于最大值的25%或甚至50%。
[0044]電源信號可以特別地具有變化的電壓，其中信號的電壓隨時間改變。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的可選特征，重復的時間間隔對應于電源信號的電平低于閾值的時間間隔。
[0046]這可以提供經(jīng)改進的通信和/或經(jīng)改進的電力傳送。當由電力發(fā)射器所提供的電力傳送不太顯著時，其可以特別地使重復的時間間隔與時間同步。
[0047]可以取決于各個實施例或場景來選擇閾值。在一些實施例中，重復的時間間隔可以與電源信號的重復且可能周期性的最小值同步。特別地，可以選擇重復的時間間隔，使得其包括對應于電源信號的電平的局部最小值的時刻并且經(jīng)常以其為中心。
[0048]根據(jù)本發(fā)明的可選特征，同步器被布置為使重復的時間間隔與電源信號中的周期性幅度變化同步。
[0049]這可以提供特別有利的操作，并且在許多場景中允許對通信的降低的干擾、對電力傳送的降低的影響和/或電力發(fā)射器與電力接收器之間的經(jīng)促進的同步二者。
[0050]根據(jù)本發(fā)明的可選特征，電源信號包括覆蓋DC分量的紋波分量，并且同步器被布置為使重復的時間間隔與紋波分量同步。
[0051]電源信號可以特別地是紋波信號分量、恒定信號分量以及諸如噪聲信號分量的可能地其它信號分量的組合。同步器可以測量紋波信號分量的時間特性并且使重復的時間間隔與這些時間特性同步。例如，可以執(zhí)行與紋波信號分量的最小值的同步。方法可以允許經(jīng)改進的操作。
[0052]根據(jù)本發(fā)明的可選特征，電源被布置為響應于AC信號的整流而生成電源信號，并且其中重復的時間間隔與AC信號的零交叉同步。<