用于无线电力传送的系统、方法和装置与流程
由电池供电的便携式电子装置由于其所提供的使用便利性已经变得越来越流行。已经实施了无线电力传送系统来对这种装置的电池进行再充电，即使在使用中也可以进行再充电。无线电力传送系统在不具有有线连接的情况下使用电感耦合或者磁共振耦合来传送电力。
附图说明
附图被并入本说明书中且形成本说明书的一部分，并与下面的详细描述一起用于进一步图示包括所要求的发明在内的构思的实施例并且解释那些实施例的各种原理和优点，在附图中，类似的附图标记表示相同的或者功能类似的元件。
图1a是根据一些实施例的无线电力传送系统的侧视图。
图1b是根据一些实施例的无线电力传送系统的示意图。
图2是根据一些实施例的充电座的示意图。
图3是根据一些实施例的耦合至充电座的底座单元的示意图。
图4图示了根据一些实施例的对便携式电子装置充电的已占用充电座和未占用充电座。
图5图示了根据一些实施例的对便携式电子装置充电的两个相邻的已占用充电座。
图6图示了根据一些实施例的对置于相邻充电座上的两个便携式电子装置充电。
图7图示了根据一些实施例的使用中继器配置对便携式电子装置充电。
图8图示了是根据一些实施例的充电座的锁定结构。
图9a图示了根据一些实施例的从电源插头接口拔出的充电座。
图9b图示了根据一些实施例的插入电源插头接口中的充电座。
图10至图14图示了根据一些实施例的操作图1所示无线电力传送系统的方法的流程图。
技术人员要了解，出于简单和简洁起见，仅仅图示了图中的元件，并且这些元件并不一定是按比例绘制而成。例如，相对于其他元件，图中一些元件的尺寸可能会被夸大，以帮助提高对本发明的实施例的理解。
在适当的情况下，已经通过图中的常规符号表示了设备和方法组件，仅仅示出了与理解本发明的实施例有关的那些具体细节以使本公开不会被现有技术中的受益于本文的说明的普通技术人员明显已知的细节模糊。
具体实施方式
一个示例性实施例提供了一种包括定位成彼此相邻的多个充电座的无线充电系统。各个充电座包括配置为无线地传送电力的第一发送线圈；定位成与第一发送线圈相对并且配置为无线地传送电力的第二发送线圈；定位在第一发送线圈与第二发送线圈之间的屏蔽件；以及配置为感测在相邻充电座上存在便携式电子装置的传感器。
另一示例性示例提供了一种操作无线充电系统的方法。该方法包括：使用第一充电座中的第一发送线圈来生成第一磁场；使用定位成与第一充电座相邻的第二充电座中的第二发送线圈来生成第二磁场；将第一和第二磁场磁耦合至便携式电子装置的接收线圈。磁耦合包括将电力从第一磁场和第二磁场传送至便携式电子装置的接收线圈，并且使第一磁场的相位和第二磁场的相位同步。
图1是无线电力传送系统100的一个示例性实施例的侧视图的图示。如本文中使用的，术语“无线电力传送(wirelesspowertransfer)”是指通过两个或者更多个磁感应线圈的电感耦合或者磁共振耦合(本文中统称为“电感耦合”)来无线地传送电力。如此耦合的磁感应线圈在本文中可以称为被磁耦合或者电感耦合。无线电力传送系统100包括安装在底座单元102上的无线充电座104、106、108、110、112和被置于充电座104上(下文称为占用充电座104)的便携式电子装置105。如下面阐释的，替代实施例可以包括可拆卸地安装在底座单元102上的不同类型的充电座(诸如，棒、杯、杆、柱、或者配置为保持便携式装置的其他组件)和不同类型的便携式电子装置(诸如智能背心或者其他可穿戴电子装置等)，或者可以包括另外的组件。在图1中，无线充电座114使用可以被插入底座单元102的插座117中的连接销115来耦合至底座单元102。底座单元102经由电源插头118耦合至壁式插座120以接收电力。
图1b是无线电力传送系统150的一个示例性实施例的示意图。无线电力传送系统100包括无线充电座104和便携式电子装置105。无线充电座104包括座接收线圈135、充电电路控制器136和充电线圈137。无线充电座104包括下面将详细描述的其他组件。在一些实施例中，无线充电座104可以包括其他数字和模拟组件，出于简明起见，本文未对这些数字和模拟组件进行描述，这些数字和模拟组件可以被实施在硬件、软件、或者两者的组合中，用于控制无线充电座104的组件。在一些实施例中，充电电路控制器136向无线充电线圈提供无线电力信号。在另一实施例中，充电线圈137可以从接收线圈135接收无线电力，其中，座接收线圈135和充电线圈137是电连接至彼此的磁电感线圈。座接收线圈135配置为(例如，经由共振感应)接收无线电力信号并且将该无线电力信号传送至充电线圈137。被提供至充电线圈137的无线电力信号在充电线圈137中生成交流电，该电流在充电线圈137周围产生时变磁场。
便携式电子装置105包括接收线圈129、模式线圈122、电子控制器123、电池组125、发送线圈127、和配件127以及其他各种模块和组件，其通过或者经过能够在其间实现通信的一个或者多个控制或者数据总线彼此耦合。鉴于本文提供的说明，使用控制和数据总线来实现在各种模块和组件之间的互连和信息交换对于本领域中的技术人员是显而易见的。在替代实施例中，可以使用合适的无线模式(例如，
接收线圈129包括能够经由例如与无线充电座104的充电线圈137的感应耦合来接收电力的磁感应线圈。当充电线圈137被置于例如便携式电子装置105的接收线圈129附近时，时变磁场(根据法拉第感应定律)在接收线圈129中诱发磁场(电流)，从而将电力无线地传送至便携式电子装置105。诱发的场强以及由此传送的电力随着接收线圈129离充电线圈137的距离呈指数地下降。因此，接收线圈129必须在充电线圈137的电感电力传送范围内以便进行无线电力传送。
模式线圈122是电耦合至电子控制器123的磁感应线圈，并且用作感测磁场的传感器。在一些实施例中，电子控制器是包括电子处理器、存储器和输入/输出接口的微控制器。电子控制器123还包括软件，该软件存储在存储器(未图示)中并且由电子处理器执行，以控制如本文所描述的便携式电子装置105的其他组件。
电池组125包括用于接收和供应电力的一个或者多个可再充电电池和其他各种数字和模拟组件和/或电路(未示出)。电池组125操作以从电池组125的电池向便携式电子装置105的其他组件供应电力。电池组125还操作以从接收线圈129接收电力，并且将接收到的电力分配给电池组125的电池、操作便携式电子装置105的其他组件、或者这两者。电池组125由电子控制器123控制以在发送线圈127中生成电流。在一些实施例中，发送线圈127定位在智能背心内以向体佩式电子装置——例如，便携式通信装置140——提供电力。便携式电子装置105的替代实施例包括多个发送线圈，该多个发送线圈能够同时将电力无线地传送至使用电池组125提供的电力的多个外部装置。
配件121由电子控制器113控制并且从电池组125接收电力。在一些实施例中，配件121可以是体佩式照相机。在其他实施例中，配件121可以是远程扬声器麦克风(rsm)。在一些实施例中，配件121可以是传感器或者多个传感器，例如，加速度计、温度传感器、力传感器等。在其他实施例中，配件121可以是包括许多电子或者机电组件的智能系统。智能系统的示例包括健康监测系统、体温控制系统、综合无线电通信系统、和悬挂(holster)相机警报系统。为了方便描述，便携式电子装置105的图示实施例包括单个配件121。图1b所示智能背心的替代实施例包括至少一个配件121并且可以包括上述实施例中的一个以上的或者许多组合。
图1b所示的便携式电子装置105是服装形式的智能背心，其包括各种用于监测、辅助或者向穿戴者提供通信的集成电子组件。在本文描述的某些实施例中，便携式电子装置105对于公共事务、运输、建筑、制造和公共安全人员尤其有用。然而，无线电力传送系统150的便携式电子装置105的使用不限于与工作有关的应用。例如，参与诸如徒步、骑行或者打猎的户外运动的人可以使用便携式电子装置105的包括集成电子组件的实施例来具体地协助他们的活动。因此，本文描述的系统和方法的应用不限于智能背心。替代实施例可以包括其他类型的智能服装(例如，智能功能腰带)和非服装便携式电子装置(例如，便携式收音机和便携式电话)
图2是充电座200的示例性实施例的示意图。充电座200包括发送模块210和220、屏蔽件204和底座连接器202。发送模块210包括控制器211、电源212、功率放大器214、匹配电路216、发送线圈218、频率生成和相位同步电路213、近场模块(例如，
在图示的示例中，发送模块220包括控制器221、电源222、功率放大器224、匹配电路226、发送线圈228、频率生成和相位同步电路223、
发送模块210和220定位成使得发送线圈218和发送线圈228彼此相对且使用屏蔽件204彼此绝缘。在一些实施例中，该一个或者多个基于红外收发器的相位同步电路229设置在充电座200的侧表面上，使得它们面朝相邻的充电座。
图3是示出了耦合至充电座310、320和330的底座单元302的示例性实施例的示意图。底座单元302包括相位同步电路318和充电座连接器312、314和316。充电座连接器312、314和316分别提供与充电座310、320和330的连接。底座单元302耦合至电源插头320以接收用于无线充电系统100的电力。导通的相位同步电路318和基于红外收发器的相位同步电路229可以共存在无线充电系统中以提供使用导通的或者无线的相位同步方法的灵活性，或者在无线充电系统中仅存在导通的相位同步电路318或者仅存在基于红外收发器的相位同步电路229。
图4图示了对便携式电子装置460充电的已占用充电座430和未占用充电座440的示例性实施例。已占用充电座430包括红外(ir)收发器438和439、发送线圈432和定位成与发送线圈432相对的发送线圈434。屏蔽件424定位在发送线圈432和434之间。充电座430还包括控制器420、和开关422-1和422-2。控制器420控制开关422-1和422-2的操作，开关422-1和422-2的操作又分别控制着电力流入发送线圈432和434。相似地，控制器450控制开关441-1和441-2的操作，开关441-1和441-2的操作又分别控制着电力流入发送线圈442和444。在一些实施例中，便携式电子装置460包括耦合至无线电电路427的接收线圈416。在其他实施例中，便携式电子装置460可以包括在本文中其他地方描述的另一些组件。
在一些实施例中，当便携式电子装置460被置于充电座430上时，控制器420和450分别打开开关422-2和441-1，使得发送线圈432和434接收电力并且开始向接收线圈416进行无线电力传送。在一些实施例中，红外收发器438和439配置成确定便携式电子装置460是否被置于充电座430上的传感器。在其他实施例中，红外收发器438和439配置成确定在发送线圈434或者442与便携式电子装置460之间的距离的传感器。在一些实施例中，红外收发器439和448包括相位同步电路，该相位同步电路配置为生成用于匹配(或者同步)由发送线圈432和434生成的信号的相位的相位同步信号。
图5图示了对便携式电子装置520充电的两个相邻已占用充电座510和530的示例性实施例。已占用充电座510包括红外(ir)收发器514和515、发送线圈513和523、控制器511、开关501和开关502、以及用于使发送线圈512和523彼此隔离的屏蔽件。相似地，已占用充电座530包括红外收发器、控制器521、开关531和开关532、以及用于使发送线圈533和543彼此绝缘的屏蔽件。
在一些实施例中，当便携式电子装置520被置于充电座510上并且相似的便携式电子装置540被置于相邻的充电座530上时，控制器511和521配置为通过适当的开关路由电力，以实现向接收线圈516和526进行高效的无线电力传送。具体地，控制器511打开开关501向发送线圈523馈送电流，该电流能够生成实现向接收线圈516进行无线电力传送的磁场。相似地，控制器521打开开关531向发送线圈533馈送电流，该能够生成实现向接收线圈516进行无线电力传送的磁场。另外，控制器521打开开关532，该开关532使电流流入发送线圈526，发送线圈526又将电力无线地传送至便携式电子装置540的接收线圈526。
图6是示出了根据一些实施例的具有分别被置于相邻充电座610和630上的两个便携式电子装置620和640的充电配置的示例性实施例。在操作中，充电座610内的开关612被充电座610中的控制器打开，以使发送线圈623将电力无线地传送至便携式电子装置620的接收线圈616。相似地，充电座630内的开关631被充电座630中的控制器打开，以使发送线圈633将电力无线地传送至便携式电子装置640的接收线圈626。
图7是示出了使用中继器配置对便携式电子装置720充电的示例性实施例。便携式电子装置720和740分别占用两个相邻的充电座710和730，而充电座750未被占用。当充电座750中的开关751被充电座750中的控制器打开时，充电座750的发送线圈752接收电流。当充电座730中的开关733被充电座730中的控制器打开时，充电座730的发送线圈734接收电流。当在发送线圈734和752处接收到电流时，它们开始将电力无线地传送至充电座730的接收线圈736。在一些实施例中，便携式电子装置740包括无线电电路737和中继器发送线圈742。在一个实施例中，接收线圈736接收到的电力的一部分耦合至中继器发送线圈742，该中继器发送线圈742耦合至无线电737。
在一些实施例中，中继器发送线圈742用于将电力无线地传送至相邻的接收线圈716。在其他实施例中，接收线圈716配置为同时接收从充电座710内的发送线圈714和中继器线圈742无线地传送的电力。这是通过利用相应充电座内的控制器使充电座710中的开关702和充电座730中的开关731同时打开来实现的。
图8是示出了被置于充电座818上的便携式电子装置820的锁定机构的示例性实施例。图8所示的无线充电系统包括充电座810、812、814、816、818和822。在一个实施例中，充电座822包括上臂824和下臂822，上臂824和下臂822被设计为当朝着下臂822向下移动上臂824时它们会进入锁定位置。在一些实施例中，可以使用用于固定便携式电子装置的机械机构(例如，锁销)。在其他实施例中，可以使用电动操作的锁定机构来固定便携式电子装置820。
图9a图示了根据一些实施例的从电源插座904拔出的充电座902。电源插座904适于插入壁式电源输出口906。
图9b图示了根据一些实施例的插入电源插座904中的充电座902。
图10至图14图示了根据一些实施例的操作无线电力传送系统100的方法1000。例如，可以通过例如利用执行被设计为实施方法1000的所有或者一部分的软件的控制器211和/或控制器221来实行方法1000。下文描述的方法步骤是在理解装置a可以是便携式电子装置105、460、520、540、620、640、720和740中的任何一个的基础上提供的。相似地，下文描述的座a是在理解其可以是充电座104、106、108、110、112、114、310、230、330、430、440、510、530、610、630、710、730、750、810、812、814、816、818、和822中的任何一个的基础上提供的。
在框1001(图10)，当座a内的红外收发器检测到装置a导致的红外反射时，充电座(座a)检测便携式电子装置(装置a)被置于充电座上。
在框1002，座a内的各个控制器检查其自己的状态。
在框1003，方法1000检查座a是否正向相邻的充电座发送无线电力以帮助对相邻的便携式电子装置充电。当座a正朝向或者向相邻的充电座发送电力时，方法1000进入框1020，在框1020，将适用的控制器置于“已帮助模式”下。另一方面，当座a没有正朝向或者向相邻的充电座发送电力时，方法1000进入框1004。
在框1004，座a检查红外接收器是否已经接收到任何“同步相位”红外信号或者，更广泛地说，来自相邻座的同步信号。当座a在红外接收器处检测到“同步相位”红外信号时，方法1000进入框1040，在框1040，适用的控制器进入“相邻发送模式”。当座a未检测到红外接收器处的“同步相位”红外信号时，方法1000进入框1020，在框1020，适用的控制器进入“相邻空闲模式”。
在框1005，方法1000确定相邻座是否正朝向或者向座a发送无线电力。当座a正接收来自相邻座的无线电力时，方法1000进入框1040，在框1040，适用的控制器进入“相邻发送模式”。当座a没有正在接收来自相邻座的无线电力时，方法1000进入框1030(图11)，在框1030，适用的控制器进入“相邻空闲模式”。
在框1007，适用的控制器确定装置a何时被充满。当装置a未被充满时，方法1000回到框1040，在框1040，将适用的控制器置于或者保持在“相邻发送模式”下。当装置a被充满时，方法1000进入框1008。
在框1008，适用的控制器确定座a是否由于装置a的内部结构的阻断或者干扰而在帮助或者辅助对相邻座上的装置充电时存在问题。当确定座a在帮助对相邻装置充电时存在问题时，将适用的控制器置于“中继器模式”(框1030(图12))。另一方面，当确定座a在辅助对相邻装置充电时不存在问题时，适用的控制器进入“帮助相邻模式”(框1060(图13))。
在框1020(图11)，适用的控制器进入“相邻空闲模式”。
在框1021，座a打开驻留在座a内的发送线圈以确定装置a是否在与发送线圈相同侧上具有无线电力接收电路。例如，可以通过使用根据a4wp充电协议或者另一具有相似功能的协议来进行该确定。
在框1022，适用的控制器确定装置a的无线电力接收电路是否在电力发送器的相同侧。当其在相同侧时，方法1000进入框1024。当装置a不在电力发送器的相同侧时，方法1000停止于框1022。
在框1024，未被装置a阻挡的红外发送器将被切换至“寻求帮助”模式，其中座a向相邻的座b提供或者发送连续红外信号脉冲(“同步相位”信号)以寻求帮助加速充电，其中通过相位同步电路(例如，锁相环(pll))将红外“同步相位”信号相位同步至座a无线电力信号。
在框1025，在座b接收到来自座a的“同步相位”信号之后，座b通过同步电路(例如，锁相环)将红外“同步相位”信号的相位同步到座b无线电力发送器相位。
在框1026，座b发送相位同步的无线电力以帮助座a对装置a充电。
在框1027，当装置a被充满时，停止红外发送“同步相位”信标，并且座a和相邻座两者都停止发送无线电力。
在框1030(图12)，方法1000进入中继器模式。
在框1031，装置a切换到中继器模式，在中继器模式下，将在一侧接收到(来自座c)的无线电力路由至中继器发送线圈，以便能够发送至座的另一侧(发送至座b)以帮助对另一侧的装置充电。
在框1032，在中继器发送线圈侧的红外接收器接收到(来自座b)的红外“同步相位”信号将被中继至接收线圈侧的红外发送器(中继至座c)，从而可以将红外“同步相位”信号中继至座c，该座通过具有相同无线电力相位的中继器来试图帮助座b对装置b充电。
在框1033，当座b上的装置b被充满时，座b将停止发出红外“同步相位”信号，因此将不再中继至座c，并且因此将停止从座c输出无线电力。
在框1040(图13)，方法1000进入相邻发送模式。
在框1041和1042，座a打开座a内的发送线圈，以识别装置a是否在与发送线圈相同侧具有无线电力接收电路。这是使用根据a4wp充电协议或者将来可用的具有相似功能的协议的负载/阻抗检测来进行的。当确定在与发送线圈相同侧上不具有无线电力接收电路时，方法1000进入帮助相邻模式(框1060)，该模式继续进入框1062。当确定在与发送线圈相同侧上具有无线电力接收电路时，方法1000进入框1043。
在框1043，基于红外“同步相位”信号，利用相位同步来发送无线电力。该信号由相邻充电座发出并且被用于重新调节自适应阻抗匹配。
在框1044，当装置a和相邻座上的装置两者都被充满时，相邻充电座将停止发送红外“同步相位”信号。这发生在两个充电座通过红外通信进行通信并且停止发送无线电力之后。
在框1062，座a将输出相位同步的无线电力，以帮助相邻充电座对相邻装置充电。
在框1064，当相邻装置被充满时，停止电力的无线发送。
在框1050(图14)，方法1000进入已帮助模式。
在框1051和框1052，座a将识别装置a是否在相同侧具有无线电力接收电路(通过根据无线电力联盟(a4wp)充电协议或者将来可用的具有相似功能的协议的负载/阻抗检测)。当在相同侧具有无线电力接收电路时，方法1000进入框1024。当在相同侧不具有无线电力接收电路时，方法1000继续帮助相邻充电座(框1053)。
在框1054，方法1000基于从寻求帮助的相邻充电座接收到的红外“同步相位”信号利用相位同步继续发送无线电力，并且还重新调节自适应阻抗匹配。
在框1055，当装置a和相邻充电座上的装置都被充满时，将停止发送红外“同步相位”信号。该步骤紧接着发生在两个座使用红外通信使彼此的状态同步之后。
在上述说明中，已经描述了具体的实施例。然而，本领域的普通技术人员要了解，在不脱离如以下权利要求书中阐述的本发明的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，该说明和附图都应该被理解为是示意性的，而不是限制性的，并且所有这种修改都旨在被包括在本教导的范围内。
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此外，在此文档中，诸如第一和第二、顶和底等的相关术语仅仅用于将一个实体或动作与另一实体或动作相区分，而不一定要求或暗指在这些实体或动作之间的任何实际上的这种关系或次序。术语“含有”、“具有”、“包括”、“包含”或其任何变化旨在覆盖非排它性包括，使得含有、具有、包括或包含一列元素的过程、方法、物品或设备不仅包括那些元素，而可以包括没有明确列出的或该过程、方法、物品或设备所固有的其他元素。在“含有一...”、“具有一...”、“包括一…”或“包含一…”后面的元素在没有更多约束条件的情况下，不排除在含有、具有、包括或包含该元素的过程、方法、物品或设备中附加的同样元素的存在。除非这里另外明确地声明，否则术语“一”被定义为一个或多个。术语“大体上”、“基本上”、“近似地”、“大约”或其任何其他表述被定义为如一个本领域普通技术人员所理解的接近，并且在一个非限制性实施例中，该术语被定义为在10％内，在另一实施例中被定义为在5％内，在另一实施例中被定义为在1％内，并且在另一实施例中被定义为在0.5％内。如这里所用的术语“耦合”被定义为连接，不过未必是直接的也未必是机械的。依照某种方式“配置的”装置或结构至少依照该方式配置，但是也可以依照未列出的方式配置。
应当理解，一些实施例可以由一个或多个通用或专用处理器(或“处理装置”)和独特的存储程序指令(包括软件和固件)组成，该处理器诸如微处理器、数字信号处理器、定制处理器、和现场可编程门阵列(fpga)，该独特的存储程序指令用于控制一个或多个处理器结合某些非处理器电路来实现这里描述的方法和系统的一些、大部分或全部功能。可替代地，一些或所有功能可以由没有存储程序指令的状态机或用一个或多个专用集成电路(asic)来实现，其中每种功能或某些功能的一些组合被实现为定制逻辑。当然，也可以使用这两种方式的组合。
此外，实施例可以被实现为计算机可读存储介质，其上存储有用于编程计算机(例如，包括处理器)以便执行如这里所描述并要求保护的方法的计算机可读代码。进一步地，预期到，当受到这里所公开的构思和原理指导时，尽管可能需要大量努力以及存在由例如可用时间、当前技术和经济考虑所引起的许多设计选择，但一个普通技术人员能够容易地以最小的实验来产生这种软件指令和程序以及ic。
提供本公开的摘要是为了允许读者快速地确定本技术公开的性质。应该将其理解为，本公开的摘要不是用于解释或限制权利要求的范围或意义。另外，在前述详细说明中，可以看到，出于紧凑的目的而将各种特征集中在各种实施例中。不应将本公开方法解释为其反映要求保护的实施例要求比每个权利要求中明确所述的更多的特征的意图。相反，如权利要求所反映的，本发明的主题比单个公开实施例的所有特征要少。因此，权利要求由此被结合到详细说明中，每个权利要求本身主张单独要求保护的主题。
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