本发明涉及用于非接触式连接器系统的功率接收连接器，涉及非接触式连接器系统，且涉及控制非接触式连接器系统的附属方法，用于在功率发射连接器和功率接收连接器之间电感地传输功率。
背景技术：
在许多应用中，电感能量转移的原理用作大量的应用的技术开发的物理基础。电感能量转移情况下的基本元件是松散耦合导体，其代表初级侧功率传输装置中的电感器或磁绕组与目标装置中的电感器或磁绕组的磁耦合。在操作期间，能量在初级侧部分和次级侧部分之间电感地转移。如果从初级侧部分移除次级侧部分，则能量转移被中断。在上下文中，术语“非接触式”用于表示：在初级侧部分和次级侧部分上的相对应的电触头之间分别没有任何欧姆连接的情况下，可以实现能量转移。
省略电触头对于在不同应用领域中的许多应用是非常重要的。这特别适用于在电源和电汇(sink)之间的电连接的机械设置中具有高要求的应用，其中可以通过应用电感能量转移(ie)来避免技术上复杂的插头和电缆。另外，基于ie的技术能量供应系统部件可以被保护免受环境影响，而不会由于应用外部连接器而使得机械设置不必要地复杂。此外，在ie的一些应用领域中，鉴于技术可行性，必须避免使用电连接。例如，在易爆环境中或者在导电和/或腐蚀性介质中对系统部件进行操作期间，依赖于允许非接触式能量转移的系统在技术上是有利的。另外，对于其中器件以及最终这些器件的电触头暴露于高应力的系统，ie的使用可以改善系统的可靠性。这一方面是对于具有旋转或可移动部件的系统的情况，这是因为基于ie的部件允许避免使用瞬动触头(wipercontact)，其易于由于摩擦而磨损。此外，ie技术可以有利地用于具有连接器的装置中，否则其必须针对多个插头来设定尺寸。
非接触式连接器用于许多不同的应用领域中，其在彼此之间没有欧姆接触的情况下可靠地传输电功率、信号和数据。特别地，在工业机器人系统的领域中(其中涉及需要在恶劣环境下使移动部件和电子部件保持可靠的连接)，需要接触式连接器系统，其有效地传输功率和数据，并且不受恶劣环境的影响，例如水、灰尘或振动。
在欧洲专利申请ep2581994b1中公开了这种非接触式连接器系统的示例。根据该文件，提供了一种非接触式连接器系统，其具有可以配合的初级侧电感耦合元件和次级侧电感耦合元件，用于将电功率从初级侧无线地传输到次级侧。此外，经由两个天线元件在连接器系统的相配合的两个部分之间建立射频数据链路来实现双向数据传输。
目前，泰科电子(teconnectivity)生产了一种名为ariso的非接触式连接器系统，其在图1中示意性地示出。该已知的非接触式连接器系统200包括功率传输连接器202和功率接收连接器204。功率传输连接器202具有初级侧电感耦合元件lp(也称为初级侧功率线圈)，其由输入电源供给功率。输入功率可以例如是dc功率，其通过借助于dc/dc转换器206和随后的dc/ac转换器208转换为交流电压。如图1中示意性示出的，功率线圈lp是谐振电路210的部件，其包括并联于功率线圈lp的电容器cp。
当功率传输连接器202和功率接收连接器204的两个配合表面212、214充分地紧密接触时，次级功率线圈ls磁耦合至初级侧功率线圈lp。次级侧功率线圈ls是次级侧谐振电路216的部件。借助于电磁耦合，功率从初级侧传输至次级侧。次级侧谐振电路216连接至整流电路218(例如包括桥式整流器)以及后续的dc/dc转换器224，以产生调节的dc输出功率。
除了功率传输以外，非接触式连接器系统200还配备有用于建立双向数据链路的机构，以通过连接器系统进行数据传输。初级侧数据通信接口222与连接至功率传输连接器202的第一外部部件(未在图中示出)进行通信。具有一个或多个天线元件226的初级侧数据收发器元件224将来自通信接口222的数据信号转换为无线电信号，并相应地将接收到的无线电信号转换为电数据信号，输入到通信接口222。
功率接收连接器204设置有相对应的次级侧数据收发器元件228，其具有一个或多个天线230，天线230经由无线近场无线电链路从初级侧接收信号，并从次级侧向初级侧传输信号。次级侧数据通信接口232连接至次级侧数据收发元件器228，用于与连接至所述功率接收连接器204的第二外部部件(未在图中示出)进行通信。
设置初级侧控制单元234，以控制谐振电路210、初级侧数据通信接口222、以及初级侧数据收发器元件224的操作。
然而，已知的非接触式连接器系统(其传输功率和数据两者)只能在经由来自初级侧的电感转移具有充足的功率供给时，在次级侧提供更新的固件，此外，最大功率控制通常涉及硬件修改。
仍然需要一种非接触式连接器和一种非接触式连接器系统，即使在没有来自初级侧的功率供给的情况下，其也允许访问次级侧连接器。
技术实现要素：
上述目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利的实施例是从属权利要求的主题。
根据本发明的功率接收连接包括次级侧电感耦合元件(ls)，当与所述功率发射连接器的初级侧电感耦合元件(lp)电磁耦合时，其可操作为接收电功率；以及功率输入/输出端子，用于向连接至所述功率接收连接器的次级侧外部部件输出所接收的电功率，或用于从外部次级侧电源接收功率。次级侧数据收发器元件设置为，在功率发射连接器和功率接收连接器的配合状态中，其可操作为与初级侧数据收发器元件形成数据链路，且次级侧数据通信接口连接至所述第二数据收发器元件，用于与所述次级侧外部部件进行通信。功率接收连接器还包括次级侧控制单元，用于控制所述次级侧数据通信接口和所述次级侧数据收发器元件的操作，所述次级侧控制单元具有被供给电功率的功率供给端子。
本发明是基于以下想法：功率接收连接器还包括连接至功率输入/输出端子的切换单元，用于控制功率输入/输出端子处的电功率输出，其中切换单元还可操作为将所述功率供给端子连接至次级侧电感耦合元件(ls)，或连接至功率输入/输出端子。
通过提供这样的切换单元，在功率接收连接器没有从初级侧接收功率的情况下，功率接收连接器的次级侧控制单元也可以经由功率输入/输出端子向外供给功率。这对于一些情况是有利的。首先，可能需要进行功率接收连接器的维护，而不需要连接至相对应的功率发射连接器，例如用于安装或修改存储在次级侧控制单元中的固件。其次，在相对应的功率发射连接器连接但不提供电功率的情况下，通过使用次级侧上的外部功率供给为收发器元件、数据通信接口和次级侧控制单元供给功率，仍然可以进行数据接收和/或发送。这可能例如在系统的启动期间是有利的。
此外，根据本发明的切换单元连接在功率输入/输出端子和次级侧电感耦合元件之间，使得可以借助于切换单元来中断对功率输入/输出端子的功率供功率供给。这允许以特别简单且有效的方式来控制由功率接收连接器输出到次级侧外部部件的最大功率。
例如，切换单元可以由次级侧控制单元响应于在功率接收连接器处测量的参数(例如温度、或功率接收连接器与功率发射连接器之间的距离)来控制。另外，次级侧控制单元还可以接收关于传输到功率输入/输出端子的功率的信息，并且如果功率太高，则控制切换单元使功率输入/输出端子与电功率断开。替代地或附加地，切换单元也可以被控制，以使最大功率控制适配应用环境参数，例如连接至根据本发明的功率接收连接器的外部部件的功率要求。不需要硬件修改来进行这样的适配。
在功率输入/输出端子处的短路情况下，切换单元也可以被控制以切断输出。
有利地，也可以响应于从初级侧接收的数据信号中断功率输出。这对于对由功率发射连接器执行的测量做出反应是特别有利的。
根据本发明的有利的实施例，切换单元包括金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)，其具有栅极端子、源极端子和漏极端子，mosfet可操作为经由漏-源导电沟道提供从次级侧电感耦合元件(ls)至功率输入/输出端子的连接，且其还可操作为经由漏-源体二极管提供从至功率输入/输出端子至次级侧控制单元的功率供给端子的连接。如通常已知的，在连接于mosfet的漏极和源极之间的体/漏极p-n结中形成本征体二极管，其也被称为反向二极管。体二极管有时用于需要反向漏极电流(所谓的续电流)的路径的电路中，例如电动机控制应用中的半桥和全桥转换器电路。
根据本发明，外部次级侧电源可以与功率输入/输出端子连接，以便经由体二极管为次级侧控制单元供给功率。有利地，使用增强型的p沟道mosfet。增强型保证mosfet正常地断开(off)，即当栅极-源极电压为零时，没有漏极电流可以流过。这防止了当控制器尚未就绪时，在启动期间接通(on)晶体管。然而，对于本领域技术人员清楚的是，当实现切换单元时，也可以使用其他合适的半导体开关或更复杂的电路布置。
此外，二极管可以设置在次级侧控制单元的功率供给端子与切换单元之间，二极管的阴极与功率供给端子连接，使得从次级侧控制单元流出的电流被阻挡。当供给电压经由输入电容器连接至功率供给端子时，这是特别有利的。
为了控制切换单元，次级侧控制单元可以包括控制输出端子，以将切换单元的控制输入端子提供控制信号。因此，切换单元可以响应于次级侧控制单元可用的任何信息而打开和关闭。例如，在功率接收连接器包括用于检测温度的感应元件的情况下，切换单元可以相应于升高的温度而被致动。此外，次级侧控制单元还可以接收关于发送到输出的功率的信息。在功率电平太高的情况下，可以致动切换单元以断开功率输入/输出端子，使得没有功率输出到次级侧外部部件。
根据有利的实施例，所述mosfet的栅极端子连接至驱动电路，所述驱动电路由所述次级侧控制单元控制。驱动电路产生控制mosfet所需的输入电压。特别地，该驱动电路可以包括电平位移元件。电平位移元件例如包括双极晶体管，其具有基极端子、集电极端子和发射极端子，其中基极端子连接至所述次级侧控制单元的控制输出端子，发射极端子连接至参考电势，且集电极端子连接至分压器的一端，分压器的另一端连接至mosfet的源极端子，其中mosfet的栅极端子连接至所述分压器的输出节点。当然，也可以使用mosfet或集成电平移位器代替双极晶体管，如本领域技术人员已知的。
本发明还涉及一种非接触式连接器系统，其包括如上所述的功率接收连接器和相对应的可配合的功率发射连接器。
功率发射连接器具有：初级侧电感耦合元件(lp)，其连接至功率输入端子，功率输入端子可连接至提供输入功率的电源；以及谐振电路，用于从所述输入功率在所述第一电感耦合元件(lp)处产生磁场。初级侧数据收发器元件设置为发送和接收数据，使得数据链路形成在所述发射连接器和接收连接器之间。初级侧数据通信接口连接至所述初级侧数据收发器元件，用于与连接至所述功率发射连接器的第一外部部件进行通信，且初级侧控制单元设置为控制所述谐振电路、所述初级侧数据通信接口和所述第一数据收发器元件的操作。
为了允许功率发射连接器和功率接收连接器之间的单向通信或双向通信，初级侧数据收发器元件包括第一天线元件，且所述次级侧数据收发器元件包括第二天线元件，其中，在连接器系统的配合状态，所述天线元件可操作为允许射频通信。
本发明还涉及一种控制非接触式连接器系统的方法，以在功率发射连接器和功率接收连接器之间电感地传输功率，所述方法包括，在第一操作模式中的以下步骤：
通过借助于谐振电路变换输入功率，在第一电感耦合元件(lp)处产生磁场，
操作次级侧电感耦合元件，以在与所述初级侧电感耦合元件电磁耦合时接收电功率，
在所述功率发射连接器和所述功率接收连接器之间建立数据链路，
其中，所述方法还包括，在第二操作模式中的以下步骤：
控制切换单元从次级侧电感耦合元件(ls)断开次级侧控制单元的功率供给端子，并将功率供给端子连接至功率输入/输出端子，所述功率输入/输出端子可连接至外部次级侧电源。
优选地，第一操作模式是常规操作模式，其中当与所述初级侧电感耦合元件电磁耦合时，次级侧控制单元被供给由次级侧电感耦合元件接收的功率，且第二操作模式是维持模式，其中次级侧电感耦合元件不耦合至初级侧电感耦合元件。有利地，根据本发明，次级侧控制单元可以在不需要来自初级侧的功率供给的情况下被供给功率。可以容易地执行仅涉及次级侧连接器的程序，例如固件的更新，或将操作参数适配为组装次级侧连接器的操作环境。例如，外部次级侧dc电源可以连接至功率输入/输出端子，且诊断和/或编程数据可以经由功率接收连接器的次级侧数据接口发送至外部控制器/从外部控制器发送。
附图说明
附图并入说明书中并且形成说明书的一部分，以说明本发明的若干实施例。这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅用于说明如何制造和使用本发明的优选的和替代的示例，而不应被解释为将本发明限制为仅是示出和描述的实施例。另外，实施例的若干方面可以单独地或以不同的组合形成根据本发明的解决方案。因此，以下描述的实施例可以单独地或以其任意组合来考虑。如附图中所示，通过下述对本发明的各种实施例的更具体的描述，进一步的特征和优点将变得显而易见，在附图中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
图1是常规的非接触式连接器系统的框图；
图2是根据本发明的非接触式连接器系统的透视图；
图3是根据本发明的具有功率接收连接器非接触式连接器系统的框图；
图4是根据本发明的切换单元的电路图；
图5是根据本发明的用于切换单元中的p沟道增强mosfet的示意图；
图6是根据本发明的另一实施例的切换单元的电路图。
具体实施方式
现在将参考附图更详细地解释本发明，且首先参考图2。
图2示出了根据本发明的可能实施例的非接触式连接器系统100的透视图。非接触式连接器系统100包括功率传输连接器102，其可以经由第一端子101连接至电源(未在图中示出)。功率传输连接器102限定非接触式连接器系统100的初级侧。非接触式连接器系统100还包括功率接收连接器104，其限定非接触式连接器系统100的次级侧。设置第二端子103，用于将系统连接至次级侧外部部件(未在图中示出)。
当功率发射连接器102和功率接收连接器104的配合表面112、114分别彼此充分靠近时，功率接收连接器104与功率发射连接器102电磁耦合，从而从初级侧至次级侧的非接触式电感能量转移可以发生。
除了允许电感功率转移以外，非接触式连接器系统100还能够在两个连接器102、104之间提供单向或双向数据链路。
图2所示的非接触式连接器系统100具有如下优点：具有高度的运动自由度，其包含倾斜、角度和未对准。此外，通过经由流体和(非铁磁)壁传递功率和数据信号，可以实现改进的设计灵活性和成本节约。此外，连接提供了旋转自由度，其使得能够以大于360°的角度更快地旋转。非接触式连接器系统100确保了在潮湿和多尘的环境中的无限制的配合循环，从而降低维护成本。由于抗振性和完全密封的耦合器，可在恶劣的环境中提供安全且可靠的连接。
图3示出了根据本发明的非接触式连接器系统100的有利的实施例的框图。如上文已经参考图2提到的，非接触式连接器系统100包括功率发射连接器102和功率接收连接器104。功率发射连接器102具有初级侧电感耦合元件lp(也可以被称为初级侧功率线圈)，其由输入电源供给功率。输入功率可以例如是dc功率，其借助于dc/dc转换器106和后续的dc/ac转换器108转换为交流电压。如图3中示意性地示出的，功率线圈lp是谐振电路110的一部分，谐振电路110包括并联于功率线圈lp的电容器cp。然而，谐振电路110当然也可以是串联谐振电路。
当功率发射连接器102和功率接收连接器104的两个配合表面112、114彼此充分靠近时，次级侧功率线圈ls磁耦合至初级侧功率线圈lp。次级侧功率线圈ls是次级侧谐振电路116的一部分。借助于电磁耦合，功率从初级侧发送至次级侧。次级侧谐振电路116连接至整流器电路118(包括例如桥式整流器)以及后续的dc/dc转换器124，以产生调节的dc输出功率。
除了功率发送以外，非接触式连接器系统100还配备有用于建立双向数据链路的机构，以通过连接器系统发送数据。如图所示且如下所述，通信可以是双向的。然而，本发明也可以分别使用从初级侧到次级侧或从次级侧到初级侧的单向通信。初级侧数据通信接口122与连接至功率发射连接器102的第一外部部件(未在图中示出)进行通信。具有一个或多个天线元件126的初级侧数据收发器元件124将来自通信接口122的数据信号转换为无线电信号，并相应地将接收的无线电信号转换为电数据信号，将其输入到通信接口122中。
功率接收连接器104设置有相对应的次级侧数据收发元件128，其具有一个或多个天线130，经由无线近场无线电链路，天线130从初级侧接收信号，并从次级侧向初级侧发送信号。次级侧数据通信接口132连接至次级侧数据收发元件128，用于与连接至所述功率接收连接器104的第二外部部件(未在图中示出)进行通信。
设置初级侧控制单元134以控制谐振电路110、初级侧数据通信接口122和初级侧数据收发器元件124的操作。虚线表示从初级侧数据通信接口122和初级侧数据收发器元件124至初级侧控制单元134的可选反馈。在实现功率发射连接器102和功率接收连接器104之间的双向通信的情况下，该反馈提供关于次级侧上的参数的信息。
根据本发明，功率接收连接器104包含切换单元140，其连接在dc/dc转换器120的输出和端子142之间，端子142连接至外部部件(未在图中示出)以提供dc功率。通过致动切换单元140，dc/dc转换器120和端子142之间的连接可以被中断。用于致动切换单元140的控制信号144由次级侧控制单元136产生。
根据本发明，从而可以实现用于限制端子142处的输出功率的最大功率开关关闭。软件能够基于例如温度、装置类型、距离的参数或其他参数来控制连续输出功率，而不需要修改硬件。
根据本发明的切换单元140还具有如下功能，提供从端子142(在本申请中也称为功率输入/输出端子)的路径，以向次级侧控制单元136供给功率。这由图3中的功率供给线146表示。为了向次级侧控制单元136提供功率，外部电源(例如24v外部电源)可以连接至功率输入/输出端子142。该外部功率供给可以例如是功率接收连接器104所安装到的外部部件的一部分。通过从次级侧对次级侧控制单元136供给功率，而不需要连接到初级侧，即使没有从初级侧接收到功率，也可以维持到初级侧的数据链路。
可选地，次级侧控制单元136还可以包括感测和监测功能。例如，可以监测功率接收连接器的温度，并且可以响应于测量的温度来致动切换单元140。此外，次级侧控制单元136可以监视由dc/dc转换器120产生的输出电压，并且在待输出的功率超过预先限定的阈值的情况下，切断到功率输入/输出端子142的连接。
功率接收连接器104可以可选地监测至少一个次级侧操作参数并产生控制信号138，其发送至初级侧，以由初级侧控制单元134进行评估。换言之，除了在通过非接触式连接器系统互连的两个部件之间通信的有效载荷数据以外，功率发射连接器102和功率接收连接器104之间的数据链路还承载附加的控制数据，其向初级侧控制单元134提供关于次级侧参数的信息。该信息允许改善非接触式连接器系统的总体性能。此外，初级侧控制单元134可以包括用于测量初级侧上的一个或多个运行参数的机构。特别地，可以监测并控制以下参数。
在发射器侧上，可以测量以下参数：
a.输入电压和输入电流，且从而输入功率是已知的；
b.功率发射连接器102的温度；
c.dc/ac转换器108的输入电压；
d.初级侧功率线圈lp两端的电压vp，以及通过初级侧功率线圈lp的电流，且从而发送的功率是已知的；
e.初级侧数据通信接口122上的数据的存在，即，数据是否被发送；
在接收器侧上，可以测量以下参数：
a.输出电压和输出电流，且从而输出功率是已知的；
b.功率接收连接器104温度；
c.次级侧功率线圈ls两端的电压vs，以及通过次级侧功率线圈ls的电流，且从而接收的功率是已知的，
d.次级侧数据通信接口132上的数据的存在，即，数据是否被发送。
具有关于vp和vs的信息允许系统控制确定功率发射连接器102和功率接收连接器104之间的距离。知道距离使得能够实现例如可靠的功率超距离降额的功能。
图4示出了切换单元140的可能实施方式。根据该实施例，mosfet148连接在dc/dc转换器120的输出与功率输入/输出端子142之间。mosfet148是p沟道增强型mosfet。因此，其正常断开，即，当栅极端子g处的电压为零时，在漏极d和源极s端子之间不可能有电流。
mosfet148的栅极端子g连接至次级侧控制单元136的控制输出144，以由次级侧控制单元136来控制。
用于驱动mosfet148的栅极的驱动电路包括电平移位器，其具有双极晶体管150和由两个电阻器r1和r2形成的分压器。次级侧控制单元136的控制输出144经由另外的电阻器r3连接至双极晶体管150的基极b。
因此，次级侧控制单元136可以使功率输入/输出端子142与dc/dc转换器120连接或断开。特别是当次级侧控制单元还包括感测和监测机构时，可以实现软件控制的最大功率输出控制。
另外，mosfet148还可以提供用于向次级侧控制单元136供给功率的反向电流路径。从图5所示的等效电路可以看出，并且如通常已知的，mosfet具有本征体二极管d2，其形成在连接在mosfet的漏极区和源极区之间的体/漏极p-n结中。本征体二极管d2可以用于向次级侧控制单元136的功率供给输出146供给功率。为此，功率输入/输出端子142必须连接至外部功率供给，例如24v(未在图中示出)。替代地，除了本征体二极管d2以外，外部二极管也可以添加至电路。。
这样的外部功率供给在以下情况下是有用的：在次级侧功率接收器104未连接至初级侧功率发射连接器102的情况下，或者在没有从初级侧提供功率的情况下。例如，对于例如次级侧控制单元136的固件的更新的维护程序，或者在非接触式连接器系统100的启动期间，这是有利的特征。
功率供给输入146可以连接有输入电容器c1。可以设置二极管d1，以便阻止电容器c1的放电。
总而言之，提供根据本发明的切换单元具有可以借助于软件接通和断开功率输出的优点。非接触式连接器系统的功率可以借助于软件来控制，而不需要修改硬件。在次级侧控制单元136接收关于发送到输出的功率的信息的情况下，能够在功率过高的情况下切换(switch)输出。另外，在输出处短路的情况下，次级侧控制单元136能够切断输出。
此外，在功率接收连接器104没有从功率发射连接器102接收功率的情况下，次级侧控制单元136可以通过将外部功率供给连接至功率输入/输出端子142而从外部供给功率。在这种情况下，p沟道mosfet的体二极管d2导通，并将功率传送至次级侧控制单元136。即使在功率接收连接器没有从初级侧接收功率的情况下，使用外部电源允许维持数据链路。
图6示出了根据本发明的切换单元140的另一实施例。除了已经参考图4所解释的部件以外，切换单元还可以包括测量部分，其可操作为测量dc/dc转换器120的电压与功率输入/输出端子142处的电压之间的差异。这样的测量可以例如用于确定在输出处是否发生短路。
从图6可见，次级侧控制单元136包括用于接收测量信号145的另一端子。端子连接至包括电阻器r4、r5、r6和r7的电阻器网络。如虚线所示，电阻器r4可以连接至mosfet148的源极端子s与dc/dc转换器120的输出之间的节点147，或连接至到级侧控制单元的功率供给146，这取决于是否将监测电压vi或电压vs。
必须考虑以下情况。首先，dc/dc转换器120可以切断且输出开关148打开。在这种情况下，且对于连接至节点147的r4，电压vi是0v，且电压vo是0v，结果，电压vm也是0v。另外，当dc/dc转换器120正常操作时，提供24v的dc电压，且输出开关148打开，vi等于24v，且vo等于0v。因此，如果负载电阻的值比组合电阻r4+r5的值低得多，则将12v的值测量为vm。第三种情况是常规操作模式：dc/dc转换器120正常操作并提供24v的dc电压，并且输出开关148闭合。结果，vi具有24v的值，且vo也具有24v的值。结果，vm也是24v。最后，在输出端子142对地短路的情况下，当开关148闭合时，vi和vo都为0v。因此，测量的电压vm也为0v。因此，通过在晶体管148导通时检测0v信号，可以在测量端子处检测到对地短路。
附图标记列表