专利名称：：用于平面感应式电池充电系统的定点充电、负载识别和双向通信方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于平面电池充电系统的定点充电、负载识别和双向通信方法。
背景技术：
：移动电话、MP3播放器和PDA之类的便携式消费电子产品日益普及，已使人们各式各样所需电池充电器的巨大种类数量感到担忧。式样繁多不仅对使用者不方便，而且还会最终导致电子废品问题。现已提出了能对至少一种电子产品充电的感应式或者无线式充电装置，提出了两种不同的思路来产生交变磁通，即“卧式磁通”方法和“立式磁通”方法。已经开发出感应式电子充电器用于某些类型的电子设备，如电动牙刷。有些现有技术文献，如US6，356，049，US6，301，128和US6，118，249就提出过感应式充电器。然而，这些感应式充电器采用的是在铁磁芯上缠绕组的传统变压器式设计。在初级(能量发送)绕组和次级(能量接收)绕组之间的主磁通必须通过所述磁芯材料。另一种非接触式充电器[Chang-GyunKim；Dong-HyunSeo；Jung-SikYou；Jong-HuPark；Cho,B.H.,‘Designofacontactlessbatterychargerforcellularphone‘，IEEETransactionsonIndustrialElectronics,Volume:48,Issue:6，Dec.2001Page(s):1238_1247·]也使用铁芯作为耦合的变压器绕组的主体结构。然而，这些电池充电器不是采用平面结构，而且每个充电器在某一时刻只能为一个电子负载充电。现有技术最近提出了两种不同的思路来制作平面式电池充电装置。第一种类型的平面式充电器，通过把“圆筒形”电机摊成如图1(a)所示的“薄饼形”而改进了旋转机械的方案，见于GB2399225A、GB2398176A、W02004/038888A、GB2388716A、US2003-210106A、GB2392024A和GB2399230A。磁通线1沿着(即大体上平行于)平面式充电表面2流通。然而，这种卧式磁通方案需要一个竖直表面来收集交变磁通来形成电压感应(图1(b))，此局限性就难以设计可无妨碍地安放到需充电设备内部的纤巧型能量接收模块。通常如图1(b)所示，次级绕组需要缠绕到一个磁芯3之上。第二种方案(示例于W003/105308A、GB2389720A、GB2399446A、US7164255、GB2389767A、W02007/019806)创造了一个交变磁场，其磁通线4大体上竖直流出一个平面式充电表面5(图2(a))。由于磁通线沿竖直方向离开充电表面，总的来说，负载的整个表面可用于收集磁通[S.C.Tang，S.Y.R.Hui和H.Chung，‘EvaluationoftheShieldingEffectsonPrinted-Circuit—BoardTransformersusingFerritePlatesandCopperSheets',IEEETransactionsonPowerElectronics,Vol.17,No.6,Nov.2002，pp.1080-1088；S.C.Tang禾口S.Y.R.Hui，'Planarprinted-circuit—boardtransformerswitheffectiveelectromagneticinterference(EMI)shielding‘美国专利US6,501，364;S.Y.R.Hui,'Apparatusandmethodofaninductivebatterycharger'，PCT专利申请W003/105308；S.Y.R.Hui和W.C.Ho,‘’ANewGenerationofUniversalContactlessBatteryChargingPlatformforPortableConsumerElectronicEquipment",IEEEPowerElectronicsSpecialistsConference,2004.,Volume1,20-25June2004,Pages:638_644]。便携式电子产品的电池组或其后盖区域实际上可用于能量接收线圈。与卧式磁通方案相比，立式磁通方案更易于设计一种纤巧的能量接收模块。充电表面有一侧用于放置要充电的电子装置，而在其相反的那侧上设有电磁屏蔽6。电磁屏蔽不仅防止磁通导向错误方向(错误导向会产生安全问题一尤其是电池充电台放在一个金属表面上的情况下)，而且增强了用于电池充电的有效磁通量。如图2(b)示例出，能量接收线圈之与放置在充电表面之侧相反的那侧，也加装上电磁屏蔽。在这种电池充电台中设有一个与待充电电池相联接的次级绕组，该次级绕组接收磁通而产生充电电压供给电池。次级绕组通常与电池做在一起，使装有电池的电子装置在充电表面上放置成次级绕组平行于该充电表面以便接收最大的磁通量。然而作为另一种方式，次级绕组可电连接到电池但与其在实体上脱开；在这种情况下，次级绕组可做成一个次级充电模块之置于充电表面上的部分。这特别可用于使充电台站用到老式电子装置上，否则，此类老式电子装置不适于用于这类充电台。在上述两种情况下，激活充电表面的整个表面来达到能量传送。尽管先前在GB2389720A、US7164255和W02007/019806中预先披露过某种“定点充电原理”的概念，但至今仍无系统性方案来设计一种能同时满足能量效率、安全和电磁匹配性要求的感应式电池充电盘。在"Τ.Sekitani,M.Takamiya,Y.Noguchi,S.Nakano,Y.Kato,K.Hizu,H.Kawaguchi,Τ.Sakurai,Τ.Someya,"Alarge-areaflexiblewirelesspowertransmissionsheetusingprintedplasticMEMSswitchesandorganicfield-effecttransistors",IEDM2006,InternationalElectronDevicesMeeting,Dec.2006,pp.1-4”中，提出过一种用于感应式充电系统的MEMS方法，但该方案局限于较低功率，而且成本昂贵。
发明内容本发明提供一种平面式电池充电系统，包括一个初级能量传输侧，由一个初级绕组阵列构成，初级绕组适合于产生大体垂直于一充电表面的磁通；和一个次级能量接收侧，包括一个与待充电电池相联的次级绕组并且在放在所述充电表面上时能够接收所述磁通；次级绕组有一个放到充电表面的侧面，次级绕组在与该侧面相反的侧面上设有电磁屏蔽；其中，初级绕组与次级绕组的相对尺寸选择得符合下列条件(a)次级绕组所围拢的面积大于一个初级绕组所围拢的面积；(b)当一个次级绕组放在所述充电表面上时，次级绕组或者电磁屏蔽总会完全围拢住一个初级绕组，和(c)单个初级绕组就能产生足够的能量来为所述电池充电。为了优化所述的充电系统，最好，由次级绕组所围拢的面积与一个初级绕组所围拢的面积之比值在遵守条件(a)和(b)的情况下是最小化的。最好，初级绕组以相同尺寸和形状排列成一个规则阵列。初级绕组阵列分成若干区，初级绕组在每个区内是形状和尺寸相同的，而各个区可以有不同尺寸和形状的绕组。更好，所述初级绕组设成堆叠结构。例如，一个初级绕组包括两个或更多个由基板分开的相连线圈。最好，在充电表面上放有一个次级绕组时，仅激励一个初级线圈。所述电磁屏蔽可以超过次级绕组的尺寸。放置在充电表面上的一个次级绕组或所述电磁屏蔽所遮盖的唯一初级绕组受到激励。也可以激励在充电表面上的一个次级绕组或所述电磁屏蔽所遮盖的几个初级绕组。本发明另提供一种平面式电池充电系统，包括一个初级能量传输侧，由一个初级绕组阵列构成，初级绕组适合于产生大体垂直于一充电表面的此通；和一个次级能量接收侧，包括一个与待充电电池相联的次级绕组并且在放在所述充电表面上时能够接收所述磁通；其中，在充电表面上放置一个次级绕组时，仅激励一个初级绕组产生磁通来为所述电池充电。最好，还包括一个矩阵式开关阵列来激励一个所选择的初级绕组。单个初级绕组受激励时能提供足够的磁通量来对所述电池充电。另外，每个初级绕组联有至少一个相应的双向开关。特别是，每个所述初级绕组在其两端分别联有一个双向开关。最好，设有检测在所述充电平面上是否存在次级绕组及其位置的装置。本发明有提供一种平面式电池充电系统，包括一个初级能量传输侧，由一个初级绕组阵列构成，初级绕组适合于产生大体垂直于一充电表面的磁通；和一个次级能量接收侧，包括一个与待充电电池相联的次级绕组并且在放在所述充电表面上时能够接收所述磁通；其中，电池充电系统进一步包括用于选择性地激励各个初级绕组的开关装置。最好，所述开关装置包括一个矩阵式开关阵列。另外，所述初级绕组阵列包括若干排和若干列，所述矩阵式开关阵列包括每排一个开关和每列一个开关，根据某个绕组的位置闭合相应排和列的开关来激励所述绕组。所述开关可由一个微处理器控制单元控制，而且，所述矩阵式开关阵列包括滤波器来防止产生电磁干扰(EMI)。进而，所述开关装置包括各个双向开关，每个初级绕组配有至少一个这样的开关。最好，每个初级绕组在其两端分别配接一个双向开关。本发明再提供一种平面式电池充电系统，包括一个初级能量传输侧，由一个初级绕组阵列构成，初级绕组适合于产生大体垂直于一充电表面的磁通；和一个次级能量接收侧，包括一个与待充电电池相联的次级绕组并且在放在所述充电表面上时能够接收所述磁通；其中，电池充电系统包括用于在初级侧和次级侧之间实现数据通信的数据通信装置。可通过调制对一个初级绕组的激励来实现从所述初级侧向次级侧传送数据。也可通过调制次级侧上的一个参数(例如加载条件)实现从所述次级侧向初级侧传送数据。最好，所述数据通信包括在初级侧检测一个在次级侧上待充电的负载。检测待充电的负载可以包括检测所述负载在充电表面上的位置。最好，所述数据通信包括在所述初级侧和待充电负载之间进行的信号问答和匹配性检查和/或确定电池的充电状态。现参照附图举例说明本发明的一些实施例。图1(a)示出第一个现有技术的电池充电台站中的磁通方向；图1(b)示出一个与第一个现有技术的电池充电台站相应的次级装置；图2(a)示出第二个现有技术的电池充电台站中的磁通方向；图2(b)示出一个与第二个现有技术的电池充电台站相应的次级装置；图3示出一种充电台站的典型六边形单层或多层绕组阵列；图4示出方形式或圆形接收器绕组的例子图5示出大的接收器绕组和小的发送器绕组之间的尺寸关系，其中小的发送器绕组是正方拼装的圆绕组；图6示出大的接收器绕组和小的发送器绕组之间的尺寸关系，其中小的发送器绕组是六边形螺线绕组按六角形拼装的；图7示例出由负载选择出发送器绕组予以激励；图8示出用于发送器绕组选择和激励的开关电路的第一实施例；图9示出用于发送器绕组选择和激励的开关电路的第二实施例；图10(a)和(b)分别示出包括一个双开关选择器的本发明直接切换实施例的全桥和半桥电路结构；图11(a)和(b)分别示出包括一个单开关选择器的本发明直接切换实施例的全桥和半桥电路结构；图12示出发送器绕组和接收器绕组之间的双向通信方法；和图13示出本发明一实施例的工作流程图。优选实施方式本发明的优选实施方式系统的阐释了一种感应式电池充电系统的技术特点。该系统包括一个充电台或盘，该盘或台从其平表面上产生竖直磁通，而本发明的优选实施例至少阐述了在充电盘系统中实现定点充电的几项基本原则。尽管这些原则和特点可以分别单个实施，也可以混杂起来综合应用，而能够开发一种感应式充电盘系统来满足国际规程方面的各种各样的要求。图3示出了一个在一种感应式电池充电盘中设有许多分立的初级能量发送线圈7(此后称之为发送器绕组)的典型单层绕组阵列结构。在此提议，也可以用多层绕组阵列。例如，可以采用堆叠绕组来增强在相同占用空间区域的磁通量，在每个堆叠绕组中，每个初级绕组包括一对分别设在印刷电路板之类的基板两侧面的线圈。在堆叠结构中，该对线圈中的一个大体上叠置予另一个之上，但不需要一定很精准，也可以由少许错位。还应注意，堆叠结构可以扩展到三个或更多个线圈。为了使充电盘对广大种类范围的便携式电子负载充电，建议组合使用几个基本原则和技术特征的方法。在下文中，在充电盘中的初级能量发送绕组称之为发送器绕组，电子负载内的次级能量接受绕组称之为接收器绕组。在本发明的实施例中，(i)接收器绕组比发送器绕组大(ii)只要含有接收器绕组的电子负载放置在充电盘的充电表面上，无论放在什么位置，接收器绕组应该完全盖住至少一个发送器绕组；和(iii)一个发送器绕组足以为适配于充电盘的电子负载提供足够的能量传送。如上所述，多层堆叠绕组结构可用于增强相同占用空间区域内的磁通量。如果条件(ii)满足，最好使接收器绕组和一个发送器绕组的面积比最小化。定点充电的基本原理是，只激励电子负载接收绕组正下方的相关发送器绕组来实现能量传送。也就是说，定点充电原理是由负载位置决定的，只激励充电表面上的放置有电子负载的区域。在本发明的优选实施例中，建议只激励一个针对各电子负载的发送器绕组或者至少仅是那些电子负载盖住的发送器绕组。其优点如下(a)由于发送器绕组受到接收器绕组的完全遮盖(电磁屏蔽应该至少与接收器绕组延伸相同的尺寸，最好超出接收器绕组)，以避免从充电表面未受到电子负载遮盖之处产生多余的电磁辐射，由此减少了可能的电磁干扰(EMI)之产生。(b)在不发挥能量传送的发送器绕组中避免或至少降低了不必要的开关和传导功率损失。(c)由于对充电盘的充电表面的物理接触而使人体对充电盘发射能量的暴露之可能性，消除了或至少减小了。就人体暴露于3KHz到300GHz的射频电磁场来说，该技术特征有利于达到IEEEC95.1的安全标准。为了选择定点充电所适用的发送器绕组，需要合适的逆变器(powerinverter)电路来连到适用的发送器绕组并对其通电，以便于对这些适用的发送器绕组以合适的频率予以激励，从而在充电盘的发送器绕组和电子负载的接受器绕组之间使电磁耦合和能量传送达到最大化。电子开关电路应该周期性地检测充电盘上是否有负载。一旦负载匹配性得到肯定地检测，功率电子开关电路就应给适当的发送器绕组供电以实现能量传送。本发明实施例包括使用一种双向通信系统来检测负载在充电盘表面上的存在及其位置。双向通信系统必须要识别负载及其匹配性，从而不应该在充电盘上受充电的物品不会接收到传输的能量。该技术特征确保了用户的安全。例如，设若把一个打火机不小心放在了充电盘上，它决不能从充电盘上接收到能量。此外，双向通信装置还得提供电池充电状况的信息；当负载充满电时，所选择的发送器绕组应停止能量传送，以减少不必要的能量浪费。下文中会更详细地解释这些组合使用的技术特征。对绕组提出的三个条件是(i)接收器绕组8应该比一个发送器绕组7大，接受器绕组8围拢的面积应大于一个发送器绕组；(ii)电子负载无论放在充电盘的充电表面上任何位置，接收器绕组8必须完全盖住至少一个发送器绕组7；和(iii)一个发送器绕组能够提供的能量传送足以为充电盘上待充电的电子装置的电池充电。在本实施例中，假设接收器绕组8是圆形的。然而，本领域技术人员可以理解，接收器绕组8可以是其他形状的，例如方形之类的多边形，也可以是椭圆形的，如图4所示。图4示出了方形和圆形接收器绕组的典型例子。接收器绕组嵌置于电子装置内部(若其电池要与电子装置拆分开充电，至少带一个电池)来实现与发送器绕组之间的相互耦合。也就是说，发送器绕组相当于一个变压器的初级绕组，而接收器绕组相当于次级绕组。图5示出采用了方形拼装图案的圆形螺线形初级绕组7。每个发送器绕组7的直径为d，相应的圆形接收器绕组8的直径为D。按图5的设置，即便是大的接收器绕组8沿任何方向有些许移动，接收器绕组8总会围住或盖住小的发送器绕组7中的至少一个。可以理解的是，尽管图5仅示出了4个发送器绕组，但实际上，这4个绕组仅仅是更大的规则形阵列的相同绕组中一小部分。如图5所示，χ与d之间的关系如等式⑴所示x=根号2*d/2接收器绕组直径D表示在等式(2)中权利要求1.一种平面式电池充电系统，包括一个初级能量传输侧，由一个初级绕组阵列构成，初级绕组适合于产生大体垂直于一充电表面的磁通；和一个次级能量接收侧，包括一个与待充电电池相联的次级绕组并且在放在所述充电表面上时能够接收所述磁通；次级绕组有一个放到充电表面的侧面，次级绕组在与该侧面相反的侧面上设有电磁屏蔽；其中，初级绕组与次级绕组的相对尺寸选择得符合下列条件(a)次级绕组所围拢的面积大于一个初级绕组所围拢的面积；(b)当一个次级绕组放在所述充电表面上时，次级绕组或者电磁屏蔽总会完全围拢住一个初级绕组，和(c)单个初级绕组就能产生足够的能量来为所述电池充电。2.如权利要求1所述的充电系统，其中，由次级绕组所围拢的面积与一个初级绕组所围拢的面积之比值在遵守条件(a)和(b)的情况下是最小化的。3.如权利要求1所述的充电系统，其中，初级绕组以相同尺寸和形状排列成一个规则阵列。4.如权利要求1所述的充电系统，其中，初级绕组阵列分成若干区，初级绕组在每个区内是形状和尺寸相同的。5.如权利要求1所述的充电系统，其中，所述初级绕组设成堆叠结构。6.如权利要求5所述的充电系统，其中，一个初级绕组包括两个或更多个由基板分开的相连线圈。7.如权利要求1所述的充电系统，其中，在充电表面上放有一个次级绕组时，仅激励一个初级线圈。8.如权利要求1所述的充电系统，其中，所述电磁屏蔽超过次级绕组的尺寸。9.如权利要求1所述的充电系统，其中，放置在充电表面上的一个次级绕组所遮盖的唯一初级绕组受到激励。10.一种平面式电池充电系统，包括一个初级能量传输侧，由一个初级绕组阵列构成，初级绕组适合于产生大体垂直于一充电表面的磁通；和一个次级能量接收侧，包括一个与待充电电池相联的次级绕组并且在放在所述充电表面上时能够接收所述磁通；其中，在充电表面上放置一个次级绕组时，仅激励一个初级绕组产生磁通来为所述电池充电。11.如权利要求10所述的充电系统，其中，还包括一个矩阵式开关阵列来激励一个所选择的初级绕组。12.如权利要求10所述的充电系统，其中，单个初级绕组受激励时能提供足够的磁通量来对所述电池充电。13.如权利要求10所述的充电系统，其中，每个初级绕组联有至少一个相应的双向开关。14.如权利要求13所述的充电系统，其中，每个所述初级绕组在其两端分别联有一个双向开关。15.如权利要求10所述的充电系统，其中，设有检测在所述充电平面上是否存在次级绕组及其位置的装置。16.一种平面式电池充电系统，包括一个初级能量传输侧，由一个初级绕组阵列构成，初级绕组适合于产生大体垂直于一充电表面的磁通；和一个次级能量接收侧，包括一个与待充电电池相联的次级绕组并且在放在所述充电表面上时能够接收所述磁通；其中，电池充电系统进一步包括用于选择性地激励各个初级绕组的开关装置。17.如权利要求16所述的充电系统，其中，所述开关装置包括一个矩阵式开关阵列。18.如权利要求17所述的充电系统，其中，所述初级绕组阵列包括若干排和若干列，所述矩阵式开关阵列包括每排一个开关和每列一个开关，根据某个绕组的位置闭合相应排和列的开关来激励所述绕组。19.如权利要求18所述的充电系统，其中，所述开关由一个微处理器控制单元控制。20.如权利要求18所述的充电系统，其中，所述矩阵式开关阵列包括滤波器。21.如权利要求16所述的充电系统，其中，所述开关装置包括各个双向开关，每个初级绕组配有至少一个这样的开关。22.如权利要求21所述的充电系统，其中，每个初级绕组在其两端分别配接一个双向开关。23.—种平面式电池充电系统，包括一个初级能量传输侧，由一个初级绕组阵列构成，初级绕组适合于产生大体垂直于一充电表面的磁通；和一个次级能量接收侧，包括一个与待充电电池相联的次级绕组并且在放在所述充电表面上时能够接收所述磁通；其中，电池充电系统包括用于在初级侧和次级侧之间实现数据通信的数据通信装置。24.如权利要求23所述的充电系统，其中，通过调制对一个初级绕组的激励来实现从所述初级侧向次级侧传送数据。25.如权利要求23所述的充电系统，其中，通过调制次级侧上的一个参数实现从所述次级侧向初级侧传送数据。26.如权利要求25所述的充电系统，其中，通过改变加载条件实现从所述次级侧向初级侧传送数据。27.如权利要求23所述的充电系统，其中，所述数据通信包括在初级侧检测一个在次级侧上待充电的负载。28.如权利要求25所述的充电系统，其中，检测待充电的负载包括检测所述负载在充电表面上的位置。29.如权利要求23所述的充电系统，其中，所述数据通信包括在所述初级侧和待充电负载之间进行的信号问答和匹配性检查。30.如权利要求23所述的充电系统，其中，所述数据通信包括确定电池的充电状态。全文摘要一种用于平面感应式电池充电系统的定点充电、负载识别和双向通信方法，其中的控制电路在充电台上放有一个负载时可选择性地激励一个初级绕组。研讨了接收器绕组相对于发送器绕组之间尺寸上的优化。而相关的通信方法包括下列技术负载识别、匹配性检查、控制信号交换和充电状态通信。文档编号H02J7/02GK102007665SQ200880118778公开日2011年4月6日申请日期2008年10月28日优先权日2007年10月30日发明者何永财,刘逊,树源·荣·许,陈永昌申请人:香港城市大学