無(wú)線感應(yīng)式功率傳輸?shù)闹谱鞣椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及感應(yīng)式功率傳輸并且特別而非排他地涉及根據(jù)Qi無(wú)線功率傳輸標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)式功率傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]很多系統(tǒng)要求布線和/或電接觸以便供應(yīng)電功率給設(shè)備。省略這些線和接觸提供了改進(jìn)的用戶(hù)體驗(yàn)。傳統(tǒng)地，這已經(jīng)使用位于設(shè)備中的電池來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是該方案具有若干缺點(diǎn)，包括額外的重量、體積和對(duì)頻繁對(duì)電池進(jìn)行替換或再充電的需要。近來(lái)，使用無(wú)線感應(yīng)式功率傳輸?shù)姆桨敢咽艿皆絹?lái)越多的興趣。
[0003]該增加的興趣的部分是由于便攜和移動(dòng)設(shè)備的數(shù)量和種類(lèi)在過(guò)去十年中已經(jīng)激增。例如，移動(dòng)電話、平板電腦、媒體播放器等的使用已變得無(wú)所不在。這樣的設(shè)備通常由內(nèi)部電池供電并且典型使用情形通常要求對(duì)電池進(jìn)行再充電或從外部電源對(duì)設(shè)備進(jìn)行直接有線供電。
[0004]如提到的，大多數(shù)目前的設(shè)備要求有線和/或顯式電接觸以從外部電源供電。然而，這往往是不實(shí)際的并且要求用戶(hù)物理地插入連接器或以其他方式建立物理電接觸。通過(guò)引入線的長(zhǎng)度，這還往往對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)是不方便的。通常，功率要求也顯著不同，并且當(dāng)前大多數(shù)設(shè)備被提供有其自己的專(zhuān)用電源，從而導(dǎo)致典型用戶(hù)具有大量不同電源，每個(gè)電源專(zhuān)用于特定設(shè)備。盡管內(nèi)部電池可防止對(duì)到外部電源的有線連接的需要，但該方案僅提供部分解決方案，因?yàn)殡姵貙⑿枰俪潆?或替換，其是昂貴的)。電池的使用還可能大量增加設(shè)備的重量以及潛在地增加設(shè)備的成本和尺寸。
[0005]為了提供顯著改進(jìn)的用戶(hù)體驗(yàn)，已提出了使用無(wú)線電源，其中功率被感應(yīng)地從功率傳送器設(shè)備中的傳送器線圈傳輸?shù)礁鱾€(gè)設(shè)備中的接收器線圈。
[0006]經(jīng)由磁感應(yīng)的功率傳送是熟知的概念，大多數(shù)應(yīng)用在具有在初級(jí)傳送器線圈和次級(jí)接收器線圈之間的緊耦合的變壓器中。通過(guò)在兩個(gè)設(shè)備之間分離初級(jí)傳送器線圈和次級(jí)接收器線圈，基于松散耦合變壓器的原理，在設(shè)備之間的無(wú)線功率傳輸變得可能。
[0007]這樣的布置允許到設(shè)備的無(wú)線功率傳輸，而不要求任何有線或物理電連接。實(shí)際上，其可簡(jiǎn)單地允許設(shè)備被放置在傳送器線圈附近或頂上以便被外部地再充電或供電。例如，功率傳送器設(shè)備可被布置有水平表面，設(shè)備可被簡(jiǎn)單地放置在該水平表面上，以便被供電。
[0008]此外，這樣的無(wú)線功率傳輸布置可以有利地被設(shè)計(jì)使得可與一系列功率接收器設(shè)備一起使用功率傳送器設(shè)備。特別地，已知為Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線功率傳輸標(biāo)準(zhǔn)已被定義并且當(dāng)前在進(jìn)一步發(fā)展。該標(biāo)準(zhǔn)允許滿(mǎn)足Qi標(biāo)準(zhǔn)的功率傳送器設(shè)備與也滿(mǎn)足Qi標(biāo)準(zhǔn)的功率接收器設(shè)備一起使用，而這些不必來(lái)自同一制造商或不必專(zhuān)用于彼此。Qi標(biāo)準(zhǔn)還包括用于允許操作適配于特定功率接收器設(shè)備(例如取決于特定功率消耗)的某種功能。
[0009]Qi標(biāo)準(zhǔn)由無(wú)線功率聯(lián)盟開(kāi)發(fā)，并且可例如在它們的網(wǎng)站:http: //www.wirelesspowerconsortium.com/index, html上找到更多信息，其中特別地可找到定義的標(biāo)準(zhǔn)文檔。
[0010]為了支持功率傳送器和功率接收器的交互工作和交互操作性，優(yōu)選的是這些設(shè)備可相互通信，即期望的是如果支持在功率傳送器和功率接收器之間的通信，以及優(yōu)選地支持在兩個(gè)方向的通信。
[0011]Qi標(biāo)準(zhǔn)支持從功率接收器到功率傳送器的通信，由此使得功率接收器能夠提供可允許功率傳送器適配于特定功率接收器的信息。在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中，已定義從功率接收器到功率傳送器的單向通信鏈路，并且該方案基于功率接收器作為控制元件的宗旨。為了準(zhǔn)備并且控制在功率傳送器和功率接收器之間的功率傳輸，功率接收器具體將信息傳達(dá)到功率傳送器。
[0012]通過(guò)功率接收器執(zhí)行負(fù)載調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)該單向通信，其中由功率接收器施加到次級(jí)接收器線圈的負(fù)載被改變以提供功率傳輸信號(hào)的調(diào)制?？捎晒β蕚魉推鳈z測(cè)并且解碼(解調(diào))得到的電氣特性中的改變(例如電流汲取的變化)。
[0013]然而，Qi系統(tǒng)的限制是其不支持從功率傳送器到功率接收器的通信(至少在低功率Qi規(guī)范中)。此外，在一些應(yīng)用中，諸如開(kāi)發(fā)用于Qi之類(lèi)的負(fù)載調(diào)制可能是次優(yōu)的。
[0014]實(shí)際上，在諸如Qi系統(tǒng)之類(lèi)的功率傳輸系統(tǒng)中的接收器和傳送器之間的通信面臨多個(gè)挑戰(zhàn)和困難。特別是，在對(duì)功率傳輸信號(hào)的要求和特性與對(duì)通信的期望之間通常存在沖突。通常，系統(tǒng)要求在功率傳輸和通信功能之間的緊密交互。例如，基于在傳送器和功率接收器之間感應(yīng)式耦合僅一個(gè)信號(hào)，即功率傳輸信號(hào)本身的概念來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。然而，使用功率傳輸信號(hào)本身用于不僅執(zhí)行功率傳輸而且還用于承載信息導(dǎo)致了困難。
[0015]例如，在很多情形中，功率傳輸信號(hào)幅值可能動(dòng)態(tài)并且周期性改變，導(dǎo)致功率傳輸信號(hào)不總是適合調(diào)制。實(shí)際上，如果功率傳輸信號(hào)幅值暫時(shí)減小到基本上為零，則不存在要調(diào)制的信號(hào)一一無(wú)論是直接用于例如功率傳輸信號(hào)的幅值或頻率調(diào)制以提供從功率傳送器到功率接收器的通信還是用于功率傳輸信號(hào)的負(fù)載調(diào)制以提供從功率接收器到功率傳送器的通信。
[0016]作為另一示例，使用其中功率接收器通過(guò)負(fù)載調(diào)制來(lái)傳達(dá)數(shù)據(jù)(諸如在Qi系統(tǒng)中)的負(fù)載調(diào)制方案要求正常負(fù)載是相對(duì)恒定的。然而，這在很多應(yīng)用中不能被保證。
[0017]例如，如果無(wú)線功率傳輸將被用于對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器械(諸如例如攪拌機(jī))供電，則該電流的幅值強(qiáng)烈與電機(jī)的負(fù)載相關(guān)。如果電機(jī)負(fù)載改變，則電機(jī)電流也改變。這導(dǎo)致在逆變器電流的幅值也隨著負(fù)載改變。該負(fù)載變化將干擾負(fù)載調(diào)制，導(dǎo)致劣化的通信。實(shí)際上，在實(shí)踐中通常非常難以檢測(cè)對(duì)于包括電機(jī)作為負(fù)載的部分的負(fù)載的負(fù)載調(diào)制。
[0018]為了解決這樣的問(wèn)題，提出了使用完全獨(dú)立的通信技術(shù)用于在功率傳送器和功率接收器之間提供通信。然而，這樣的方案可解決一些問(wèn)題，但是其通常引入其他缺點(diǎn)。
[0019]例如，其通常引入以下風(fēng)險(xiǎn):可能建立不在功率傳輸中涉及的雙方之間的通信。這將通常導(dǎo)致故障和潛在地較不安全的操作。例如，分離通信信道的使用可導(dǎo)致在不同功率傳輸操作的操作之間的干擾，這可導(dǎo)致具有過(guò)多功率水平的非期望情形。例如，控制操作可能相互干擾，例如通過(guò)來(lái)自一個(gè)功率傳輸操作的功率接收器的控制數(shù)據(jù)被用于控制到另一附近功率接收器的功率傳輸。在通信和功率傳輸信號(hào)之間的分離可導(dǎo)致較少的魯棒和較少的故障安全操作。
[0020]因此，改進(jìn)的功率傳輸系統(tǒng)將是有利的，并且特別是允許改進(jìn)的通信支持、增加的可靠性、增加的靈活性、便利的實(shí)施方式、對(duì)負(fù)載變化的減小敏感性、改進(jìn)的安全性和/或改進(jìn)的性能的系統(tǒng)將是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021 ] 相應(yīng)地，本發(fā)明尋求優(yōu)選單個(gè)地或以任意組合地減輕、緩解或消除上文提到的缺點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)的裝置，該無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)包括被布置為經(jīng)由無(wú)線感應(yīng)式功率傳輸信號(hào)提供功率傳輸?shù)焦β式邮掌鞯墓β蕚魉推?，在功率傳輸階段期間的功率傳輸信號(hào)被提供在重復(fù)的功率傳輸信號(hào)時(shí)間幀的功率時(shí)間間隔中，功率傳輸信號(hào)時(shí)間幀進(jìn)一步包括減小的功率時(shí)間間隔，功率傳輸信號(hào)的功率針對(duì)相對(duì)于功率時(shí)間間隔的減小的功率時(shí)間間隔被減??；該裝置包括:用于功率傳輸信號(hào)的傳輸?shù)墓β蕚鬏旊姼衅?；用于短距通信的通信天線；被布置為使用短距通信與作為功率傳送器和功率接收器中的至少一個(gè)的第二實(shí)體傳達(dá)數(shù)據(jù)消息的短距通信單元，短距通信具有不超過(guò)20cm的范圍并且使用與功率傳輸信號(hào)分離的載波信號(hào)；以及被布置為將短距通信與功率傳輸信號(hào)時(shí)間幀同步使得短距通信受限于減小的功率時(shí)間間隔的同步器。
[0023]本發(fā)明可在很多功率傳輸系統(tǒng)中提供改進(jìn)的通信和/或改進(jìn)的、更可靠或甚至潛在地更安全的操作。
[0024]該方案可具體地在很多情形中提供使用與功率傳輸信號(hào)分離的分離通信通道的益處，而不引入一般與其相關(guān)聯(lián)的潛在風(fēng)險(xiǎn)和缺點(diǎn)。
[0025]本發(fā)明可允許基于電磁信號(hào)在分離系統(tǒng)之間的交互工作。該方案可允許分離的功率提供和通信，由此允許每個(gè)的個(gè)體優(yōu)化。附加地，該方案可減輕在都基于在小空間中共存的電磁信號(hào)的不同系統(tǒng)之間的干擾。特別地，該方案可允許通信與功率提供分離同時(shí)在功率傳輸階段期間仍然執(zhí)行通信，其中通過(guò)功率傳輸信號(hào)生成非常強(qiáng)的磁場(chǎng)。
[0026]實(shí)際上，本發(fā)明可組合短距感應(yīng)式功率傳輸與短距通信系統(tǒng)的使用，同時(shí)避免或減輕在這些之間的干擾，由此允許實(shí)現(xiàn)可靠的操作。發(fā)明人意識(shí)到使用分離的通信鏈路可能引入多于一個(gè)的功率接收器或功率傳送器的存在可能導(dǎo)致非期望影響的風(fēng)險(xiǎn)，并且這些影響可通過(guò)使用具有與感應(yīng)式功率傳輸?shù)姆秶喈?dāng)?shù)姆秶耐ㄐ沛溌穪?lái)減輕。發(fā)明人進(jìn)一步意識(shí)到可使得這樣的短距通信和功率傳輸操作共存和協(xié)作，盡管存在對(duì)兩個(gè)短距磁場(chǎng)(以及特別是具有為非常強(qiáng)磁場(chǎng)的功率傳輸信號(hào)磁場(chǎng))的需要之間的顯然沖突。
[0027]該方案可因此通過(guò)具有非常短距的功率傳輸和通信來(lái)提供益處，而同時(shí)克服功率傳輸和通信都為短距的缺點(diǎn)。該方案可具體地克服由于源自于提供功率到功率接收器的強(qiáng)干擾所致的在無(wú)線功率傳輸系統(tǒng)中短距通信是不實(shí)用的偏見(jiàn)。本發(fā)明可修改功率傳輸操作以便適應(yīng)通信的要求。因此，不是適配通信方案以適合連續(xù)功率傳輸要求的常規(guī)方案，該系統(tǒng)采用相反的方案并且使功率傳輸特性適配于與引入短距通信系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的要求。因此，可以使在功率提供方面的功率傳輸操作與使用短距通信系統(tǒng)的通信性能和操作益處相權(quán)衡。
[0028]該方案可具體地允許更可靠的操作并且可降低在多個(gè)功率傳輸實(shí)體(接收器或傳送器)的操作與可能相互鄰近的功率傳輸之間的干擾的風(fēng)險(xiǎn)。該方案還可允許實(shí)質(zhì)上改進(jìn)的通信，包括雙向通信、更高的數(shù)據(jù)速率通信和/或更可靠的通信。
[0029]如果裝置是功率傳送器，則第二實(shí)體可以是功率接收器。如果該裝置是功率接收器，則第二實(shí)體可以是功率傳送器。
[0030]在一些實(shí)施例中，可以在給定方向、并且具體地在其中形成平面功率傳送器線圈以用于輻射功率傳輸信號(hào)的平面的方向上測(cè)量20cm的通信范圍。
[0031]同步器單元可被布置為同步數(shù)據(jù)交換以在減小的功率時(shí)間間隔中發(fā)生。同步器可在一些實(shí)施例中同步該裝置的傳送功能以?xún)H在減小的功率時(shí)間間隔中傳送數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例或情形中，傳送功能可在其他時(shí)間間隔中(具體地在功率時(shí)間間隔中)傳送例如載波，但是可將數(shù)據(jù)的通信限制到減小的功率時(shí)間間隔中。同步器可在一些實(shí)施例中同步裝置的接收功能以?xún)H在減小的功率時(shí)間間隔中接收數(shù)據(jù)。
[0032]在一些實(shí)施例中，短距通信被布置在僅在減小的功率時(shí)間間隔中傳送數(shù)據(jù)(消息)。
[0033]在一些實(shí)施例中，短距通信被布置為僅在減小的功率時(shí)間間隔中接收數(shù)據(jù)(消息)。
[0034]在一些實(shí)施例中，通信范圍可以不超過(guò)10cm。
[0035]在大多數(shù)實(shí)施例中，減小的功率時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間將較低，并且通常比功率時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間實(shí)質(zhì)上更低。在很多實(shí)施例中，占空比可不超過(guò)20%、10%或甚至5%。精確占空比可提供在通信容量和功率傳輸效率之間的有利權(quán)衡。對(duì)于很多功率傳輸系統(tǒng)，針對(duì)不超過(guò)10%的占空比發(fā)現(xiàn)了有利的權(quán)衡。
[0036]減小的功率時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間可在很多實(shí)施例中有利地在從1毫秒到5毫秒的范圍中，和/或功率時(shí)間間隔的持續(xù)時(shí)間可在很多實(shí)施例中有利地在從5毫秒到10毫秒的范圍中。
[0037]在很多實(shí)施例中，時(shí)間幀的持續(xù)時(shí)間不少于5毫秒，并且不多于200毫秒。時(shí)間幀可以是周期性重復(fù)時(shí)間幀，并且可以通常具有不少于5Hz并且不多于200Hz的重復(fù)頻率。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的可選特征，載波的載波頻率不小于功率傳輸信號(hào)的頻率的兩倍。
[0039]這可在很多實(shí)施例中提供改進(jìn)的性能，并且可以具體地通常提供從功率傳輸信號(hào)到短距通信的減少的干擾。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的可選特征，在第一時(shí)間幀中在減小的功率時(shí)間間隔期間的功率傳輸信號(hào)的功率水平不多于在第一時(shí)間幀期間在功率時(shí)間間隔期間的功率傳輸信號(hào)的功率水平的20%。
[0041]這可提供改進(jìn)的性能。
[0042]在減小的功率時(shí)間間隔中的功率傳輸信號(hào)的功率可以通常限于不多于在功率時(shí)間間隔中可能的最大功率的20%、10%或5%。在很多情形中，在減小的功率時(shí)間間隔中的功率傳輸信號(hào)可以不多于在相鄰功率時(shí)間間隔中的功率的20%、10%或5%。在很多實(shí)施例中，減小的功率時(shí)間間隔可以實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)于斷電時(shí)間間隔。在很多實(shí)施例中，功率傳送器可以被布置為在減小的功率時(shí)間間隔期間關(guān)斷功率傳輸信號(hào)。在這樣的斷電時(shí)間間隔中，可不生成功率傳輸?目號(hào)。短距通?目可以是近場(chǎng)通?目、NFC通f目。
[0043]發(fā)明人意識(shí)到諸如Qi系統(tǒng)的功率傳輸系統(tǒng)可被修改以允許NFC通信標(biāo)準(zhǔn)被用于在功率接收器和功率傳送器之間的(雙向)通信，并且這可允許改進(jìn)和更可靠的操作。
[0044]特別地，NFC可以與其他通信方案(例如藍(lán)牙WiFi?)相比提供更可靠的操作，其具有來(lái)自不同設(shè)備的通信被混淆的降低風(fēng)險(xiǎn)。該方案允許NFC與功率傳輸系統(tǒng)一起使用，盡管該通信利用近場(chǎng)通信并且因此在功率傳輸還感應(yīng)非常強(qiáng)的磁場(chǎng)的情況下操作。
[0045]該方案可降低成本并且提供特別適合功率傳輸?shù)耐ㄐ牛驗(yàn)榭蓪?shí)現(xiàn)足夠高的數(shù)據(jù)速率同時(shí)限制通信到非常小的范圍，通常確保僅一個(gè)其他通信實(shí)體可存在于給定范圍內(nèi)。
[0046]根據(jù)本發(fā)明的可選特征，短距通信單元可操作以操作作為發(fā)起到第二實(shí)體的短距通信鏈路的發(fā)起者。
[0047]在一些實(shí)施例和情形中，該裝置可操作作為發(fā)起者并且第二實(shí)體可操作作為目標(biāo)。在一些實(shí)施例和情形中，第二實(shí)體可操作作為發(fā)起者并且該裝置可操作作為目標(biāo)。
[0048]例如，該裝置可以是功率傳送器并且可操作作為發(fā)起與功率接收器的NFC通信的發(fā)起者。作為另一示例，該裝置可以是功率接收器并且可操作作為發(fā)起與功率傳送器的NFC通信的發(fā)起者。
[0049]根據(jù)本發(fā)明的可選特征，短距通信單元被布置為在從所述第二實(shí)體接收數(shù)據(jù)消息所在的所述減小的功率時(shí)間間隔中對(duì)從所述第二實(shí)體接收的數(shù)據(jù)消息進(jìn)行答復(fù)。
[0050]在一些實(shí)施例中，可以在單個(gè)時(shí)隙/間隔內(nèi)執(zhí)行雙向通信。例如，第二實(shí)體可以是發(fā)起者并且可在給定減小的功率時(shí)間間隔中傳送第一消息到該裝置。該裝置可以是目標(biāo)并且可通過(guò)傳送第二消息到第二實(shí)體來(lái)響應(yīng)第一消息，其中第二消息在接收第一消息所在的同一減小的功率時(shí)間間隔內(nèi)被傳送。
[0051]在一些實(shí)施例中，短距通信單元被布置為在傳送數(shù)據(jù)消息到第二實(shí)體所在的減小的功率時(shí)間間隔中從第二實(shí)體接收數(shù)據(jù)消息。例如，該裝置可以是發(fā)起者并且可在給定減小的功率時(shí)間間隔中傳送第一消息到第二實(shí)體。第二實(shí)體可以是目標(biāo)并且可通過(guò)傳送第二消息到該裝置來(lái)響應(yīng)第一消息，其中第二消息在接收第一消息所在的同一減小的功率時(shí)間間隔內(nèi)被傳送。該裝置可被布置為在其傳送第一消息所在的同一減小的功率時(shí)間間隔中接收該第二消息。
[0052]根據(jù)本發(fā)明的可選特征，短距通信單元被布置為在從第二實(shí)體接收數(shù)據(jù)消息所在的隨后于減小的功率時(shí)間間隔的減小的功率時(shí)間間隔中答復(fù)從第二實(shí)體接收的數(shù)據(jù)消息。
[0053]在一些實(shí)施例中，可以在兩個(gè)連續(xù)時(shí)隙/間隔內(nèi)執(zhí)行雙向通信。例如，第二實(shí)體可以是發(fā)起者，并且可在給定減小的功率時(shí)間間隔中傳送第一消息到裝置。該裝置可以是目標(biāo)并且可通過(guò)傳送第二消息到第二實(shí)體來(lái)響應(yīng)第一消息，其中第二消息在下一減小的功率時(shí)間間隔中，即在跟隨接收第一消息所在的間隔的減小的功率時(shí)間間隔中被傳送。
[0054]在一些實(shí)施例中，短距通信單元被布置為在隨后于傳送數(shù)據(jù)消息到第二實(shí)體所在的減小的功率時(shí)間間隔的減小的功率時(shí)間間隔中從第二實(shí)體接收響應(yīng)數(shù)據(jù)消息。
[0055]例如，該裝置可以是發(fā)起者并且可在給定減小的功率時(shí)間間隔中傳送第一消息到第二實(shí)體。第二實(shí)體可以是目標(biāo)并且可通過(guò)傳送第二消息到該裝置來(lái)響應(yīng)第一消息，其中第二消息在下一減小的功率時(shí)間間隔中，即在跟隨接收第一消息所在的間隔的減小的功率時(shí)間間隔中