无线感应式电力传输的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及感应式电力传输并且特别而非排他地涉及根据Qi无线电力传输标准的感应式电力传输系统。
【背景技术】
[0002]很多系统要求布线和/或电接触以便供应电功率给设备。省略这些线和接触提供了改进的用户体验。传统地，这可使用位于设备中的电池来实现，但是该方案具有若干缺点，包括额外的重量、体积和对频繁对电池进行替换或再充电的需要。近来，使用无线感应式电力传输的方案已受到越来越多的兴趣。
[0003]该增大的兴趣的部分是由于在近十年来激增的便携和移动设备的数量和种类。例如，移动电话、平板电脑、媒体播放器等的使用已变得无所不在。这样的设备通常由内部电池供电并且典型使用情形通常要求从外部电源对电池的再充电或对设备的直接有线供电。
[0004]如提到的，大多数目前的设备要求有线和/或显式电接触以从外部电源供电。然而，这往往是不实际的并且要求用户物理地插入连接器或以其他方式建立物理电接触。通过引入线的长度，这还往往对于用户来说是不方便的。通常，功率要求也明显不同，并且当前大多数设备被提供有其自己的专用电源，从而导致一般用户具有大量不同电源，每个电源专用于特定设备。尽管内部电池可防止对到外部电源的有线连接的需要，但该方案仅提供部分解决方案，因为电池将需要再充电(或替换，其是昂贵的)。电池的使用还可能大量增加设备的重量以及潜在地增加设备的成本和尺寸。
[0005]为了提供显著改进的用户体验，已提出了使用无线电源，其中电力被感应地从电力传送器设备中的传送器线圈传输到各个设备中的接收器线圈。
[0006]经由磁感应的电力传送是熟知的概念，大多数应用在具有在初级传送器线圈和次级接收器线圈之间的紧密耦合的变压器中。通过在两个设备之间分离初级传送器线圈和次级接收器线圈，基于松散耦合变压器的原理，在设备之间的无线电力传输变得可能。
[0007]这样的布置允许到设备的无线电力传输，而不要求任何有线或物理电连接。实际上，其可简单允许设备被放置在传送器线圈附近或顶上以便被外部地再充电或供电。例如，电力传送器设备可被布置有水平表面，设备可被简单放置在该水平表面上，以便被供电。
[0008]此外，这样的无线电力传输布置可以有利地被设计使得可与一定范围的电力接收器设备一起使用电力传送器设备。特别地，被已知为Qi标准的无线电力传输标准已定义并且当前在进一步发展。该标准允许满足Qi标准的电力传送器设备与也满足Qi标准的电力接收器设备一起使用，而这些不必来自同一制造商或不必专用于彼此。Qi标准还包括允许操作适配于特定电力接收器设备(例如取决于特定功率系)的一些功能。
[0009]Qi标准由无线电源联盟开发，并且可例如在它们的网站:http: //www.wirelesspowerconsortium.com/index, html上找到更多信息，其中特别地可找到定义的标准文档。
[0010]为了支持电力传送器和电力接收器的交互工作和交互操作性，优选的是这些设备可相互通信，即期望的是支持在电力传送器和电力接收器之间的通信，以及优选地支持在两个方向的通信。
[0011]Qi标准支持从电力接收器到电力传送器的通信，由此使得电力接收器能够提供可允许电力传送器适配于特定电力接收器的信息。在当前标准中，已定义从电力接收器到电力传送器的单向通信链路，并且该方案基于电力接收器作为控制元件的宗旨。为了准备并且控制在电力传送器和电力接收器之间的电力传输，电力接收器具体将信息传达到电力传送器。
[0012]通过电力接收器执行负载调制来实现该单向通信，其中由电力接收器施加到次级接收器线圈的负载被改变以提供电力信号的调制。可由电力传送器检测并且解码(解调)得到的电气特性中的改变(例如电流汲取的变化)。在该方案中，基本上使用电力传输信号作为由电力接收器调制的载体，由此例如通过接通和关断连接到电力接收器线圈的阻抗来调制在电力接收器线圈上的负载。
[0013]然而，Qi系统的限制是其不支持从电力传送器到电力接收器的通信。为了解决此，已提出了各种通信方案。例如，提出了通过利用表示将被传送的数据的适当信号来调制电力传输信号，从而将数据从电力传送器传达到电力接收器。例如，可将表示数据的小频率变化叠加在电力传输信号上。
[0014]通常，在电力接收器和电力传送器之间的通信面临很多挑战和困难。特别是，一般在传输电力中对电力信号的要求和特性与通信的要求和偏好之间存在冲突。一般，系统要求在电力传输和通信功能之间的紧密交互。例如，基于在传送器和电力接收器之间感应式耦合仅一个信号，即电力信号本身的概念来设计系统。然而，由于变化的操作特性，使用电力信号本身用于不仅执行电力传输而且还用于承载信息导致了困难。
[0015]作为具体示例，使用其中电力接收器通过调制电力信号的负载来传达数据(例如在Qi系统中)的负载调制方案要求了正常负载是相对恒定的。然而，这在很多应用中不能被保证。
[0016]例如，如果无线电力传输将被用于对电机驱动器械(例如搅拌机)供电，则电机电流往往非常不稳定并且不连续。实际上，当电机驱动器械汲取电流时，电流的幅值强烈与电机的负载相关。如果电机负载改变，则电机电流也改变。这导致在传送器中的电流的幅值也随着负载改变。该负载变化将干扰负载调制，导致劣化的通信。实际上，在实践中通常非常难以检测包括电机作为负载的部分的负载的负载调制。因此，在这样的情形中，通信错误的数量相对高或者通信可利用非常高的数据符号能量，由此非常显著减小可能的数据速率。
[0017]为了解决利用负载调制的问题，提出了使用从电力接收器到电力传送器的单独和独立的通信链路。这样的独立通信链路可提供从电力接收器到电力传送器的数据路径，其基本上独立于电力传输操作和动态变化。其还可提供较高带宽和通常更鲁棒的通信。
[0018]然而，还存在与使用独立通信链路相关联的缺点。例如，分离通信信道的使用将导致在不同电力传输的操作之间的干扰，这可导致具有高功率水平的潜在危险的情况。例如，控制操作可能相互干扰，例如通过来自一个电力传输操作的电力接收器的控制数据被用于控制到另一附近电力接收器的电力传输。在通信和电力传输信号之间的分离可导致较少的鲁棒和较少的故障安全操作。
[0019]因此，改进的电力传输系统将是有利的，并且特别是允许改进的通信支持、增大的可靠性、增大的灵活性、便利的实施方式、对负载变化的减小敏感性、改进的安全性和/或改进的性能的系统将是有利的。
【发明内容】
[0020]相应地，本发明试图优选逐个地或以任意组合地减轻、缓解或消除上文提到的缺点中的一个或多个。
[0021]根据本发明的一方面，提供了一种无线电力传输系统，包括:电力传送器，其包括:用于经由电力传输信号传输电力到电力接收器的传送电力传输线圈，用于使用为传送电力传输线圈和邻近传送电力传输线圈的传送通信线圈中的至少一个的第一通信线圈在第一通信链路上向电力接收器传达消息的第一通信单元，第一通信单元被布置为向电力接收器传送第一消息，第一通信链路具有对应于电力传输信号的电力传输范围的范围；第二通信单元，其被布置为在第二通信链路上从电力接收器接收数据，第二通信链路不使用第一通信线圈并且具有超过第一通信链路的范围的范围，以及电力接收器，其包括:用于接收电力传输信号的接收电力传输线圈，用于从电力传输信号提供电力到负载的电力负载耦合器，用于使用为接收电力传输线圈和邻近接收电力传输线圈的接收通信线圈中的至少一个的第二通信线圈在第一通信链路上接收来自电力传送器的消息的第三通信单元，第三通信单元被布置为从电力传送器接收第一消息，用于响应于第一消息生成响应消息的响应生成器，该响应包括第一消息的属性的第一属性指示，用于在不使用第二通信线圈的第二通信链路上传送响应消息到电力传送器的第四通信单元；电力传送器还包括:用于确定对第一消息的期望响应消息的响应处理器，期望响应消息包括用于第一消息的属性的期望属性指示；用于生成指示是否在第二通信链路上接收对应于期望响应消息的消息的确认指示的有效性检验器，确认指示指示属性指示是否匹配期望属性指示；用于响应于确认指示来控制电力传输信号的功率水平的功率控制器。
[0022]本发明可提供在很多实施例和情形中改进的操作，并且可特别减小在不同电力传输操作之间干扰的风险。例如，其可减小给定电力传输操作可被涉及另一邻近电力传输操作的数据通信影响或控制的风险。该方案可允许在单独通信链路和电力传输操作之间的可靠关联。该关联可在不要求第二通信链路具有几何学限制(例如在通信装置相对于电力传输线圈的位置上的限制)的情况下实现。
[0023]本发明可允许电力传输系统有效使用不对称通信用于前向(从电力传送器到电力接收器)和反向(从电力接收器到电力传送器)通信。特别地，本发明可在很多实施例中允许反向通信链路被实施，而不要求这是短距通信链路，并且特别地不要求这具有类似于电力传输和/或前向通信的范围的范围。例如，具有例如几米或几十米的通信范围的标准通信技术可被用于反向通信。此外，这样的通信方法可被使用，同时防止或实质上减小来自其它电力接收器的消息被电力传送器使用于控制电力传输的风险。有效地，本发明在很多实施例中可实现来自电力接收器的消息的可使用范围被限制于前向(第一)通信链路的通信范围(以及因此电力传输范围)，尽管反向(第二)通信链路的实际通信范围可能高得多。相应地，该方法可确保仅来自足够靠近传送器线圈将通过其供电的电力接收器的消息被用于控制电力传输信号的功率水平。
[0024]本发明人还认识到尽管用于使用单独通信链路用于从电力接收器到电力传送器的通信的当前提议可提供优点，但是其还与潜在的风险相关联并且可在最坏情况情形下导致错误的功率水平。例如，如果将包括电力接收器的设备从一个传送电力传输线圈移动到邻近的传送电力线圈，则单独的通信链路可能维持不被影响并且这可潜在导致之前的电力传输线圈而不是新的电力传输线圈由在单独通信链路上传送的数据控制。这可导致错误的功率水平被提供到在新电力传输线圈上的电力接收器并且到位于初始电力传输线圈上的任何电力接收器设备。当前方案可用于减小这样的情况发生的风险，并且可用于确保用于电力接收器的电力传输的控制实际上由来自该电力接收器的通信控制(并且这些通信不影响任何其它电力传输)。
[0025]该方案可因此允许单独通信链路被使用，由此允许负载调制的缺点以及特别是对负载变化的敏感性被减轻或避免。
[0026]该方案可进一步减小对来自电力接收器的消息的时序的要求。特别地，响应消息是否包括第一消息的属性的考虑可允许有效性检验器确定响应消息是否来自期望源，而不一定要求这是以与第一消息的任何特定时间关系传送。例如，在很多实施例中，其可不要求响应消息是在第一消息的给定持续时间内接收。
[0027]电力传输信号可以是无线感应电力信号，并且可特别是通过在传送电力传输线圈和接收电力传输线圈之间的电磁通量表示。传送电力传输线圈、接收电力传输线圈、通信传送线圈和/或通信接收线圈可以是任何适当电感器并且可以特别是平面线圈。
[0028]作为特别示例，接收电力传输线圈可以是用于感应性加热的接收电力传输实体，例如特别是平面连续电气元件。在一些实施例中，接收电力传输线圈可因此例如是电传导元件，其通过感应涡流或附加地通过由于铁磁行为导致的磁滞损失来加热。在一些实施例中，接收线圈可相应地还本身提供(并且是)负载和电力负载耦合器。
[0029]接收电力传输实体可以由将电磁信号转换为热的任何适当材料构造，并且可以特别是板。
[0030]在很多实施例中，接收电力传输线圈和接收通信线圈可以被同心布置(而任一线圈是内线圈)并且可能甚至重叠。在很多实施例中，传送电力传输线圈和传送通信线圈可被同心布置(而任一线圈是内线圈)并且可能甚至重叠。
[0031]在很多实施例中，包括接收电力传输线圈和通信接收线圈两者的最小矩形体积(或对于平面线圈，是最小矩形面积)将不超过包括接收电力传输线圈的最小矩形体积的四倍(或在很多实施例中不超过2或1.5倍)。
[0032]在很多实施例中，包括传送电力传输线圈和通信传送线圈两者的最小矩形体积(或对于平面线圈，是最小矩形面积)将不超过包括传送电力传输线圈的最小矩形体积的四倍(或在很多实施例中不超过2倍)。
[0033]第二通信链路可使用与传送电力传输线圈、接收电力传输线圈、通信传送线圈和通信接收线圈不同的电感器。在很多实施例中，第二通信链路可以不基于在电力接收器和电力传送器之间的(松散耦合)变压器的形成。例如，在很多实施例中可以使用适当天线形成无线通信。第二通信链路可以例如使用近场通信(NFC)、W1-Fi通信、蓝牙?通信或类似物来实施。
[0034]第二通信链路将一般不依赖于电力传输并且实际上不依赖于从电力传送器到电力接收器的任何通信。第二通信链路将一般被实质上从电力传输信号去耦合，例如空间地或通过频率。第二通信链路将相应地一般不依赖于负载变化，并且实际上不依赖于电力传输操作的具体特性。
[0035]第二通信链路可另外被用于从电力接收器传送其它数据到电力传送器，例如控制数据和特别的功率控制数据。因此，系统允许改进的通信，同时维持或改进安全和可靠的电力传输操作。
[0036]第一通信链路的范围对应于电力传输范围。在很多实施例中，第一通信链路具有不超过电力传输范围的200%、150%、120%或甚至100%的通信范围。在很多实施例中，第一通信链路通过电力传输信号的调制来形成。在这样的情形下，第一通信链路通信范围和电力传输范围将固有地实质上相同。在很多实施例中，通过电力传输信号的调制对前向通信链路的实施固有地并且直接意味着第一通信链路的通信范围对应于电力传输范围。
[0037]在一些实施例中，第一通信链路的有效范围可以低于可理论上提供电力时所处于的范围。然而，在这样的实施例中，电力传输将一般仅如果可建立第一通信链路时被允许。因此，在通信范围小于电力传输的可能范围的100%的情况下，支持的实际电力传输范围将一般被第一通信链路的通信范围所限制。这往往本质地提供安全的操作，因为电力传输仅在通信是可能的情况下被允许。
[0038]在很多实施例中，电力传输范围不多于50cm或20cm。通信范围通过具有不多于50cm或20cm的通信范围而对应于电力传输范围。在很多实施例中，第二通信链路的通信范围可不少于30cm、60cm或100cm。
[0039]在很多情形中，可以例如将多个电力传送器定位在有限区域内。一般可能的是，这些电力传送器同时支持对多个电力接收器的电力传输。该方案可对于这样的情况是特别有利的，并且可提供改进的可靠性和来自电力接收器的正确数据被用于正确电力传输的增大的确定性。例如，该方案可减小电力接收器使用由使用另一线圈的另一电力接收器提供的数据控制的一个电力传送器的风险。
[0040]在很多实施例中，电力传送器可包括多个电力传送器线圈，例如线圈的阵列。传送电力传输线圈可因此是可能支持到电力接收器的电力传输的多个线圈之一。可一般可能的是，电力传送器使用不同线圈同时支持对多个电力接收器的电力传输。该方案可以对于这样的实施例是特别有利的，并且可提供改进的可靠性和来自电力接收器的正确数据被用于正确电力传输的增大的确定性。例如，该方案可减小电力接收器使用由使用另一线圈的另一电力接收器提供的数据控制的一个线圈的风险。
[0041]响应消息可以是考虑第一消息(以任何形式)以便生成第一消息的属性的指示的任何消息。因此，其可包括根据电力接收器接收第一消息的结果而生成的消息。其也可包括不根据第一消息被接收的结果而生成的消息但是包括第一消息被接收的指示，例如第一消息中包括的数据的指示。特别地，响应消息术语可包括响应于第一消息生成的并且包括该第一消息的属性的任何消息，以及特别地从第一消息的数据得到的任何消息。响应消息可以例如是由系统无论如何要求传送的但是是基于第一消息修改的(例如通过包括从第一消息得到的数据(或第一消息的数据))的消息。特别地，响应消息可以是被修改以包括从第一消息得到的数据的功率控制消息(即使功率控制消息的传送不是通过第一消息被接收而引起或触发)。还将认识到，可以针对第一消息生成多个响应消息。例如，可以生成功率控制消息的序列，其包括功率控制消息以及从第一消息得到的数据。这些功率控制消息中的每个可被认为是用于第一消息的响应消息。
[0042]属性的指示可以是反映从第一消息的属性确定的参数的任何指示。属性可以是第一消息信号的任何属性，例如频率、相位或幅值型式或值。在很多实施例中，第一消息的属性的指示可以是第一消息的数据内容的指示。属性可以是可在来自不同电力传送器的第一消息之间变化(并且一般是不同的)属性。在很多实施例中，对于不同电力传送器，属性将是不同的。电力传送器可以特别生成第一消息以具有第一属性来提供电力传送器(或可能的特定电力传送器电感器)的身份指示。身份指示可以在一些实施例中对于电力传送器是唯一的。在其它实施例中，身份指示可以指示多个身份值之中的身份值。其它电力传送器可以被分配来自多个身份值的其它身份值。特别地，在一些实施例中，第一属性可对应于包括在第一消息中或由第一消息表示的电力传送器身份数据。
[0043]有效性检验器可根据任何匹配标准，生成指示属性指示是否匹配期望属性指示的确认指示。例如，可以通过将接收的属性指示与期望属性指示相比较来生成相似性度量。有效性检验器可以生成确认指示以反映该相似性值。特别地，如果(并且仅如果)相似性度量超过阈值的话，可认为匹配发生。例如，期望属性指示可以是期望电力传送器身份数据，并且这可以与在响应消息中接收的电力传送器身份数据相比较。
[0044]根据本发明的可选特征，第一通信单元被布置为生成第一消息以包括第一数据，响应生成器被布置为从第一数据生成响应数据并且在响应消息中包括响应数据；响应处理器被布置为响应于第一数据确定期望响应数据；并且有效性校验器被布置为响应于在第二通信链路上接收的消息是否包括匹配期望响应数据的数据的评估来生成确认指示。
[0045]这可提供改进的性能并且可特别允许改进的可靠性和鲁棒操作。该方案可例如允许电力接收器提供当控制功率水平和电力传输时允许另外特性被考虑的信息。
[0046]功率控制器可响应于确认指示控制功率水平，并且因此功率控制可以取决于第二通信单元是否接收到在第二通信单元上的消息，该消息包括期望由电力接收器响应于从电力传送器传送到电力接收器的数据而提供的数据。该方案允许在从电力传送器到电力接收器的电力传输和通信与使用第二通信链路的从电力接收器的通信之间的改进连接。因此，能够实现第二通信链路实际上与利用与电力传输的电力接收器相同的电力接收器的改进确定性。
[0047]根据本发明的可选特征，第一数据包括电力传送器的身份和传送电力传输线圈的身份中的至少一个的指示。
[0048]这可在很多实施例和情形中提供改进的性能、改进的可靠性和/或增大的操作安全性。特别地，其可减小电力传输由意图的电力接收器之外的另一电力接收器控制的风险。如果发送控制消息的多个电力接收器设备存在于电力传送器附近的话，这可例如是尤其相关的。
[0049]例如，对于其中多个电力传送器被定位在有限区域内的情形，该方案可提供用于由这些传送器支持的不同的同时电力传输操作的可靠操作。这可包括其中在不同电力传送器之间移动电力接收器的情形。
[0050]作为另一示例，对于包括多个电力传送器线圈并且具有支持对多个电力接收器的同时电力传输的能力的电力传送器，传送电力传输线圈的身份的包括可允许系统确保针对不同同时电力传输操作的可靠操作，包括在其中电力接收器设备在不同传送电力传输线圈之间移动的情况中。
[0051]电力接收器可特别生成包括电力传送器和/或传送电力传输线圈的所接收身份的指示的响应数据。期望响应数据可以是电力传送器和/或传送电力传输线圈的身份的指示，并且因此确认指示可指示由电力传送器在第二通信链路上接收的消息的数据是否包括电力传送器和/或传送电力传输线圈的身份的如此指示。
[0052]根据本发明的可选特征，第一数据包括第一消息的传送时间和消息身份中的至少一个的指示。
[0053]这可在很多实施例和情形中提供改进的性能、改进的可靠性和/或增大的操作安全性。该方案可特别允许系统对在操作或设置中的动态改变做出反应。例如，其可允许系统对其中电力接收器被移动，例如从一个传送器移动到另一传送器，或从一个传送电力传输线圈移动到另一个的情形做出反应。
[0054]电力接收器可特别生成包括第一消息的传送时间