无线感应电力传送的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及感应电力传送，并且具体地但非排他性地涉及一种根据Qi无线电力传送标准的感应电力传送系统。
【背景技术】
[0002]许多系统要求布线和/或电气接触以便将电力供应给设备。省略这些线和接触提供经改进的用户体验。传统上，这已经使用位于设备中的电池实现，但是该方法具有许多缺点，包括附加的重量、体积以及需要频繁地更换或再充电电池。最近，使用无线感应电力传送的方法已经受到越来越多的关注。
[0003]这种越来越多的关注的一部分是由于便携式和移动设备的数目和种类在过去十年间已经爆发。例如，移动电话、平板电脑、媒体播放器等的使用已经变得无所不在。这样的设备一般由内部电池供电，并且典型的使用场景经常要求电池的再充电或从外部电源对设备的直接有线供电。
[0004]如所提到的，大部分现代设备要求布线和/或显式电气接触以从外部电源供电。然而，这往往是不切实际的，并且要求用户物理地插入连接器或以其它方式建立物理电气接触。通过引入线的长度，这对于用户往往还是不方便的。典型地，电力要求也显著地不同，并且当前大部分设备提供有其自身的专用电源，这导致典型的用户具有大量不同的电源，其中每个电源专用于特定设备。尽管内部电池可以防止对于到外部电源的有线连接的需要，但是该方法仅提供部分解决方案，因为电池将需要再充电(或昂贵的更换)。电池的使用还可能大幅添加设备的重量以及潜在地成本和大小。
[0005]为了提供显著改进的用户体验，已经提出使用无线电源，其中电力从电力发射器设备中的发射器线圈感应地传送到单独设备中的接收器线圈。
[0006]经由磁感应的电力传输是大部分应用在变压器中的公知概念，所述变压器具有初级发射器线圈与次级接收器线圈之间的紧密耦合。通过在两个设备之间分离初级发射器线圈和次级接收器线圈，基于松散耦合变压器的原理，设备之间的无线电力传送变得可能。
[0007]这样的布置允许在不要求任何线或物理电气连接的情况下到设备的无线电力传送。实际上，其可以简单地允许设备邻近发射器线圈或在其顶部上安置以便外部地再充电或供电。例如，电力发射器设备可以布置有水平表面，在其上可以简单地安置设备以便供电。
[0008]而且，可以有利地设计这样的无线电力传送布置，使得电力发射器设备可以与一系列电力接收器设备一起使用。具体而言，已经定义并且目前正进一步研发被称为Qi标准的无线电力传送标准。该标准允许满足Qi标准的电力发射器设备与同样满足Qi标准的电力接收器设备一起使用，而这些不必来自相同制造商或不必专用于彼此。Qi标准还包括用于允许操作适于特定电力接收器设备的某种功能性(例如，依赖于特定电力汲取)。
[0009]Qi标准由无线电力协会研发，并且可以例如在其网站上找到更多信息:http://www.wirelesspowerconsortium.com/index, html,其中牛寺另lj;t也可以手戈至1J月斤定义的申示7隹文档。
[0010]为了支持电力发射器和电力接收器的交互工作和互操作性，优选的是，这些设备可以彼此通信，即如果支持电力发射器和电力接收器之间的通信，并且优选地如果在两个方向上支持通信，则其是合期望的。在US2012/314745A1中提供了允许电力接收器与电力发射器之间的通信的无线电力传送系统的示例。
[0011]Qi标准支持从电力接收器到电力发射器的通信，从而使得电力接收器能够提供可允许电力发射器适于特定电力接收器的信息。在现行标准中，已经定义从电力接收器到电力发射器的单向通信链路，并且方法基于电力接收器作为控制元件的基本原理。为了准备和控制电力发射器与电力接收器之间的电力传送，电力接收器特别地将信息传达给电力发射器。
[0012]通过电力接收器执行负载调制实现单向通信，其中由电力接收器应用到次级接收器线圈的负载发生变化以提供电力信号的调制。可以通过电力发射器检测和解码(解调)电气特性中的所得改变(例如，电流汲取中的变化)。
[0013]然而，Qi系统的限制在于，其不支持从电力发射器到电力接收器的通信。而且，在一些应用中，诸如针对Qi所研发的负载调制可能是次优的。
[0014]作为示例，图1图示了用于典型的感应加热器具的电力供应路径。电力提供包括AC/DC转换器101，其对输入ac电压(例如，市电)进行整流。经整流的市电信号馈送到生成高频驱动信号的DC/AC转换器103 (逆变器)，该高频驱动信号馈送到谐振槽105 (经调谐的L-C电路)并且经由此馈送到发射器线圈107。系统包括加热盘，其可以由接收器线圈109和负载R_Sole 111 (表示盘底中的涡电流损耗)表示。
[0015]图2图示了图1的电力路径的电压波形。市电电压Umains由AC/DC转换器101整流为电压Udc_abs。用于缓冲经整流的市电电压的大存储电容器正常地不应用于这些种类的应用中，因为其将添加该应用的总体市电谐波失真。因此，通过AC/DC转换器101生成变化的DC电压。
[0016]由于经整流的电压Udc_abs的特性，DC/AC转换器103的输出电压Uac_HF被成形为如图2中所示。逆变器的正常操作频率约为20 kHz到100 kHz ο
[0017]发射器线圈107连同接收器线圈109和电阻R_sole—起基本上是DC/AC转换器103的负载。然而，由于该负载的性质(既是感应性的又是电阻性的)，谐振电路105典型地使用在DC/AC转换器103与该负载之间以便取消负载的感应部分。而且，谐振网络105典型地导致典型地使用在DC/AC转换器103中的逆变器的开关损耗中的降低。
[0018]诸如图1的系统中的接收器与发射器之间的通信面临多个挑战和困难。具体而言，典型地，存在电力信号的要求和特性与对通信的期望之间的冲突。典型地，系统要求电力传送与通信功能之间的紧密交互。例如，基于以下概念设计系统:仅一个信号在发射器与电力接收器之间感应地耦合，即电力信号本身。然而，使用电力信号本身用于不仅执行电力传送而且用于承载信息导致归因于电力信号幅度的变化性质的困难。例如，为了将信号调制到电力信号上或使用负载调制，电力信号必须具有足够的幅度。然而，对于诸如图2的那个的电力信号，不能保证这一点。
[0019]作为特定示例，使用其中电力接收器通过负载调制传达数据(诸如在Qi系统中)的负载调制方法要求正常负载是相对恒定的。然而，在许多应用中不能保证这一点。
[0020]例如，如果无线电力传送用于对马达驱动器具(诸如例如搅拌器)供电，则可以使用类似于图1的那个的电力路径，但是由分离的接收感应器(Rx线圈)、AC/DC转换器和DC马达本身代替负载(对应于加热盘)。图3中图示了这样的电力路径。
[0021]图4中示出了这样的无线马达驱动器具的典型电压和电流波形。如所图示的，马达电流Idc_motor往往是相当不稳定且不连续的。在市电电压的零交叉附近，马达电流中出现间隙。这由马达的旋转电压导致。如果电压Uac_Rx比马达中所感应的旋转电压Udc_mot更高，则DC/AC转换器(逆变器)仅能够将电流供应给马达。
[0022]为了控制马达的速度(或力矩)，可以将速度传感器(或电流传感器)添加到系统，连同从速度传感器到电力发射器的反馈环路一起。由于逆变器(其可以是电压或电流源)的性质，DC/AC转换器(逆变器)优选地并入在该反馈环路中。因此，要求器具部分(电力接收器)与电力发射器部分之间的通信。通过在器具侧处应用负载调制技术，使得在发射器侧处可以检测并解调负载改变，可以实现此。然后，该经解调的数据可以包括马达速度(或力矩)的信息，或实际上可例如用于控制发射器的任何其它信息。
[0023]然而，当马达驱动器具汲取电流时，该电流的幅度与马达的负载紧密相关。如果马达负载改变，则马达电流也改变。这导致逆变器电流的幅度也随负载改变。该负载变化将干扰负载调制，从而导致降级的通信。实际上，对于包括马达作为负载的一部分的负载而言，在实践中典型地非常难以检测负载调制。因此，在这样的场景中，通信误差的数目是相对高的，或通信可以利用非常高的数据符号能量，从而非常大幅地降低可能的数据速率。
[0024]因此，经改进的电力传送系统将是有利的，并且具体而言，允许经改进的通信支持、增加的可靠性、增加的灵活性、经促进的实现方式、对负载变化的降低的灵敏度和/或经改进的性能的系统将是有利的。
【发明内容】
[0025]因此，本发明力图优选地单个或以任何组合减轻、缓解或消除以上提到的缺点中的一个或多个。
[0026]根据本发明的方面，提供了一种用于使用无线感应电力信号将电力传送到电力接收器的电力发射器，该电力发射器包括:感应器，其用于响应于馈送到感应器的驱动信号而提供无线感应电力信号；电源，其用于提供电源信号；电力信号发生器，其用于从电源信号生成驱动信号，该电力信号发生器包括:被布置为生成比电源信号的频率更高的驱动信号的频率的频率转换器，和用于在重复的时间间隔内将馈送到感应器的驱动信号的电力约束到阈值以下的限制器；同步器，其用于使重复的时间间隔与电源信号同步；以及通信单元，其用于在重复的时间间隔期间与电力接收器交换数据。
[0027]本发明可以提供一种经改进的电力传送系统。在许多实施例中，其可以允许、支持或促进电力发射器与电力接收器之间的经改进的通信。方法可以特别地启用、促进或支持基于由电力接收器所生成的感应信号的通信。方法可以用于从电力发射器到电力接收器和/或从电力接收器到电力发射器的通信。
[0028]方法可以允许针对电力传送与通信操作的要求和偏好之间的增加的分离。其可以特别地降低电力传送的操作特性对通信操作的影响，并且反之亦然。特别地，可以降低或移除电力传送负载中的变化对通信性能的影响。方法可以允许电力接收器可生成无线信号，其可以提供给电力接收器的线圈，从而导致在电力发射器的感应器中感应信号。该电力接收器生成的信号可以用于在电力发射器与电力接收器之间感应地传送数据。方法可以导致通信对电源信号的电平变化的降低的灵敏度。
[0029]在许多实施例中，与电源信号的同步可以促进操作和/或提供更可靠的操作。具体而言，其可以降低通信对电力传送的影响，并且特别地降低或甚至最小化由于通信所致的传送电力中的降低。在许多实施例中，方法可以允许经改进的通信并且可以促进电力发射器与电力接收器之间的同步。
[0030]同步器可以被布置为通过分析、评估或测量电源信号的性质使重复的时间间隔与电源信号直接同步。例如，电源信号中的幅度变化可以用于同步重复的时间间隔。然而，在其它实施例中，例如通过使重复的时间间隔与本身和电源信号同步的另一信号同步，可以实现重复的时间间隔与电源信号的间接同步。例如，可以从另一信号导出电源信号，并且可以通过与该另一信号的性质同步实现重复的时间间隔的同步。
[0031]在许多实施例中，重复的时间间隔可以与电源信号的幅度或信号电平变化同步。
[0032]在许多实施例中，限制器可以被布置为在重复的时间间隔期间将驱动信号与感应器断开或解耦合。因此，限制器可以通过在重复的时间间隔期间不将驱动信号馈送到感应器来约束馈送到感应器的驱动信号的电力。
[0033]限制器可以典型地将电力约束到不超过驱动信号的最大电力的至多20%、10%或5%。在许多实施例中，驱动信号在重复的时间间隔期间可以与感应器断开，从而将馈送到感应器的驱动信号的电力限制到O。
[0034]电力信号发生器可以例如被布置为操作在电力传送模式和通信模式中。电力信号发生器在重复的时间间隔期间可以操作在通信模式中。在电力传送模式中，驱动信号驱动感应器以提供无线感应电力信号。在通信模式中，驱动信号不驱动感应器，并且特别地驱动信号可以不馈送到感应器。在通信模式中，电力发射器可以与电力接收器通信。通信模式可以包括电力发射器生成通信信号并且将此馈送到感应器。可替换地或附加地，通信模式可以包括电力发射器检测或解调由感应器所接收的通信信号，例如对应于由提供自电力接收器的感应通信信号所感应的信号。通信可以被约束于重复的间隔。
[0035]在一些实施例中，电力发射器与电力接收器之间的所有通信可以在重复的时间间隔内。因此，在许多实施例中，在重复的时间间隔外没有电力发射器与电力接收器之间的通信发生。
[0036]在许多实施例中，频率转换器可以是DC-AC转换器。电源信号可以是被转换为AC驱动信号的变化电平的DC信号。频率转换器可以包括逆变器。
[0037]在许多实施例中，频率转换器可以通过包括对应于电源信号和具有更高频率的另外的信号的乘积的操作来生成驱动信号。另外的信号可以对应于具有两个电平的方波信号，并且乘积操作可以使用由具有比电源信号更高的频率的开关信号驱动的开关电路(诸如逆变器)来实现。
[0038]在许多实施例中，响应于利用具有比电源信号更高的频率的调制信号对电源信号的幅度调制，可以生成驱动信号。在这样的实施例中，限制器可以被布置为通过对驱动信号的操作来约束电力驱动信号的电力，或者可以例如通过约束经幅度调制的电源信号的电力(或者在例如乘积的情况下，通过约束调制信号的幅度)来约束电力。
[0039]在许多实施例中，可以从具有低于10Hz的频率的低频AC信号生成电源信号。特别地，可以从具有50Hz或60Hz的典型频率的市电信号生成电源信号。在许多实施例中，电源信号可以是市电导出的AC信号的全波整流版本。因此，电源信号的频率可以典型地是10Hz或120Hz。在大多数实施例中，电源信号的频率将不高于400Hz。
[0040]驱动信号的频率将典型地是至少10 kHz,20 kHz或甚至50 kHz。驱动信号可以是对应于具有至少10 kHz,20 kHz或甚至50 kHz的载波频率和不超过400 kHz (高达400kHz的频率可以例如经常使用在飞机中)的幅度变化的最大频率的幅度变化的载波的信号。在许多场景中，驱动信号可以对应于经幅度调制的载波，其中载波信号由频率转换器提供并且幅度调制信号是电源信号。
[0041 ] 重复的时间间隔可以是周期性重复的时间间隔。在许多实施例中，重复的时间间隔可以具有不超过10%、5%或甚至在一些实施例中1%的占空比。
[0042]根据本发明的可选特征，电源信号是变化的DC电力信号。
[0043]这可以提供经改进的性能并且在许多实施例中可以降低复杂性。方法可以特别地适于将通信引入到系统，其中电源信号，诸如到用于驱动感应器的驱动电路的供应电压，是非恒定的。可以例如通过AC输入信号的半或全波整流生成电源信号。平滑化可以缺失和/或不足以将纹波降低到低值。例如，电源电压上的纹波可以不低于最大值的25%或甚至50%。
[0044]电源信号可以特别地具有变化的电压，其中信号的电压随时间改变。
[0045]根据本发明的可选特征，重复的时间间隔对应于电源信号的电平低于阈值的时间间隔。
[0046]这可以提供经改进的通信和/或经改进的电力传送。当由电力发射器所提供的电力传送不太显著时，其可以特别地使重复的时间间隔与时间同步。
[0047]可以取决于各个实施例或场景来选择阈值。在一些实施例中，重复的时间间隔可以与电源信号的重复且可能周期性的最小值同步。特别地，可以选择重复的时间间隔，使得其包括对应于电源信号的电平的局部最小值的时刻并且经常以其为中心。
[0048]根据本发明的可选特征，同步器被布置为使重复的时间间隔与电源信号中的周期性幅度变化同步。
[0049]这可以提供特别有利的操作，并且在许多场景中允许对通信的降低的干扰、对电力传送的降低的影响和/或电力发射器与电力接收器之间的经促进的同步二者。
[0050]根据本发明的可选特征，电源信号包括覆盖DC分量的纹波分量，并且同步器被布置为使重复的时间间隔与纹波分量同步。
[0051]电源信号可以特别地是纹波信号分量、恒定信号分量以及诸如噪声信号分量的可能地其它信号分量的组合。同步器可以测量纹波信号分量的时间特性并且使重复的时间间隔与这些时间特性同步。例如，可以执行与纹波信号分量的最小值的同步。方法可以允许经改进的操作。
[0052]根据本发明的可选特征，电源被布置为响应于AC信号的整流而生成电源信号，并且其中重复的时间间隔与AC信号的零交叉同步。<