感应式功率发射器、接收器及操作方法与流程

本发明涉及对感应式功率发射器的关于接收器线圈类型的信息的通信并且涉及利用此类信息的感应式功率发射器和/或感应式功率接收器的操作模式。

背景技术：

电转换器存在于许多不同类型的电气系统中。一般来讲，转换器将第一类型的供应转换为第二类型的输出。此类转换可以包括dc-dc、ac-ac和dc-ac电转换。在一些配置中，转换器可以具有任何数量的dc和ac“部件”，例如dc-dc转换器可以结合变压器形式的ac-ac转换器级。

术语“逆变器”有时可以被用于特定描述dc-ac转换器。同样，此类逆变器可以包括其他转换级，或者逆变器可以是更一般性转换器的上下文中的级。因此，术语“逆变器”应被解释为涵盖dc-ac转换器，无论是孤立地还是在更一般性转换器的上下文中。为了清楚起见，本说明书的其余部分将以术语“逆变器”来指代本发明的dc-ac转换器，但不排除在一些情况下术语“转换器”可能是合适的替代形式的可能性。

逆变器的一个使用示例是在感应式功率传输(ipt)系统中。ipt系统通常将包括感应式功率发射器和感应式功率接收器。感应式功率发射器包括一个或多个发射线圈，该发射线圈由合适的发射电路驱动以产生交变磁场。交变磁场将在感应式功率接收器的一个或多个接收线圈中感生电流。所接收的功率然后可以被用于对电池充电，或者对设备或者与感应式功率接收器相关联的某个其他负载供电。另外，发射线圈和/或接收线圈可以连接到谐振电容器以生成谐振电路。谐振电路可以在对应的谐振频率增大功率吞吐量和效率。

已知被反相地或以相反极性驱动的所谓双d或“dd”线圈产生与被同相地驱动的此类线圈相比在线圈上方更大高度处具有增强的通量密度(改善的z)的磁场。此类dd线圈被公开在被授予aucklanduniserviceslimited的wo2013036146中，其公开内容以引用方式并入本文。所谓的dd正交线圈或“ddq”线圈由一对线圈构成，并且另一线圈设置跨在这些dd线圈上。在期望在大的线圈间隔上具有良好耦合的应用诸如电动车辆充电中，dd线圈可以有利地被用作发射器线圈，ddq线圈被用作接收器线圈。

在其他应用中期望利用由被反相地驱动的dd线圈提供的经改善的z。dd线圈也降低可供用于杂散耦合到(位于接收器旁边但不在接收器下方的)外来对象的通量的量，从而降低由于外来对象检测而禁用充电的可能性。然而，在许多其他充电应用中，尤其是对于消费电子器件，感应式功率发射器可能必需能够将功率有效地传输到具有不同类型的接收器线圈和操作模式的一系列设备。

用于消费电子应用的此类感应式功率发射器通常必须能够有效地将功率传输至简单圆或“c”线圈。当被反相地驱动的dd发射器线圈与常规c线圈一起使用时，磁耦合可能在某些区域中表现出显著降低，诸如dd发射器线圈的中心并且被称为盲点(或“零”)，这可能将功率传输减小到不可接受的水平。

因此，对于必须与广泛范围的接收器线圈类型兼容的感应式功率发射器，迄今还不可能利用由被反相地驱动的dd线圈提供的经改善的z。

技术实现要素：

根据一个示例性实施方案，提供了一种感应式功率发射器和感应式功率接收器之间的功率传输方法，该方法包括：

a.在第一模式中驱动感应式功率发射器的多个发射器线圈；

b.接收来自感应式功率接收器的包括指示感应式功率接收器的接收器线圈类型的信息的信号；以及

c.如果接收器线圈类型与第二模式相关联，则在第二模式中驱动多个发射器线圈。

根据另一示例性实施方案，提供了一种感应式功率发射器，该感应式功率发射器包括：

a.多个功率发射器线圈；

b.控制器，该控制器被配置为接收来自感应式功率接收器的包括关于接收器线圈类型的信息的通信信号、以及根据接收器线圈类型而在多种模式中的一种模式中驱动多个功率发射线圈。

根据另一示例性实施方案，提供了一种感应式功率发射器，该感应式功率发射器包括：

a.功率发射线圈；

b.控制器，该控制器被配置为接收来自感应式功率接收器的包括关于功率接收器线圈类型的信息的通信信号，以便控制功率发射线圈的操作。

根据另一示例性实施方案，提供了一种感应式功率发射器，该感应式功率发射器包括：

a.dd线圈配置中的一对发射器线圈；

b.控制器，该控制器被配置为接收来自感应式功率接收器的包括关于功率接收器线圈类型的信息的通信信号、以及根据关于线圈类型的信息而同相地或反相地驱动发射器线圈。

根据另一示例性实施方案，提供了一种感应式功率发射器，该述感应式功率发射器包括：

a.功率发射线圈；和

b.控制器，该控制器驱动功率发射线圈并且被配置为根据接收器线圈类型而改变其驱动发射器线圈的模式。

根据另一示例性实施方案，提供了一种感应式功率接收器，该感应式功率接收器包括：

a.一个或多个功率接收线圈；

b.用于与感应式功率发射器通信的通信电路，其中通信电路被适配为传输关于接收器线圈类型的信息。

根据另一示例性实施方案，提供了一种感应式功率传输系统，该感应式功率传输系统包括：

a.感应式功率发射器，该感应式功率发射器包括：

i.功率发射线圈；

ii.发射器控制器，该发射器控制器在多种模式中驱动功率发射线圈；和

iii.用于与感应式功率接收器通信的发射器通信电路；和

b.感应式功率接收器，该感应式功率接收器包括：

i.功率接收线圈；

ii.接收器控制器，该接收器控制器在多种模式中操作功率接收线圈；和

iii.用于与发射器通信电路通信的接收器通信电路，其中发射器控制器和接收器控制器经由通信电路通信协商发射器控制器和接收器控制器的操作模式。

公认的，在可变的权限内，术语“包括(comprise)”“包括(comprises)”和“包括(comprising)”可被赋予排他性的或包含性的含义。出于本说明书的目的并且除非另外指出，否则这些术语旨在具有包含性含义，即它们将被认为是包括使用所直接引用的所列出部件，并且可能还包括其他未指定的部件或元件。

本说明书中对任何现有技术的标引并不构成承认此类现有技术构成公共常识的一部分。

附图说明

结合到说明书中并且构成说明书的一部分的附图、本发明的例示的实施方案以及连同上文给出的本发明的一般说明和下文给出的实施方案的详细说明一起用于解释本发明的原理。

图1是感应式功率传输系统的一般性表示；

图2是c型线圈的示意图；

图3是dd型线圈的示意图；

图4是ddq型线圈的示意图；

图5是具有dd型发射器线圈和c型接收器线圈的感应式功率传输系统的示意图；

图6是具有dd型发射器线圈和ddq型接收器线圈的感应式功率传输系统的示意图；

图7是用于切换被施加到发射器线圈的驱动信号的极性的电路图；

图8是用于切换在同相地驱动一对发射器线圈时利用桥被施加到线圈的驱动信号的极性的电路图；

图9是用于切换在反相地驱动一对发射器线圈时利用桥被施加到线圈的驱动信号的极性的电路图；

图10是示例性配置分组结构的示意图；并且

图11至图12是示出感应式功率传输系统的操作步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了感应式功率传输(ipt)系统1的表示。ipt系统包括感应式功率发射器2和感应式功率接收器3。感应式功率发射器连接到适当的电源4(诸如主电源)。感应式功率发射器可以包括线圈驱动电路5，该线圈驱动电路通常包括连接到逆变器的ac-dc转换器。逆变器为一个或多个发射线圈6供应ac电流，使得一个或多个发射线圈生成交变磁场。在一些配置中，发射线圈也可以被认为是与逆变器分开。一个或多个发射线圈可以并联或串联的方式连接到电容器(未示出)以形成谐振电路。

图1还示出了感应式功率发射器2内的控制器7。控制器可以连接到感应式功率发射器的每个部件。控制器可以被适配为接收来自感应式功率发射器的每个部件的输入并且产生控制每个部件的操作的输出。本领域的技术人员将会知道，控制器可以被实现成单个单元或分开的单元。本领域的技术人员将会知道，控制器可以被适配为根据能力来控制感应式功率发射器的各个方面，包括例如：功率流、调谐、选择性地对发射线圈赋能、感应式功率接收器检测和/或通信。

感应式功率接收器3包括连接到功率接收电路9的一个或多个接收线圈8，功率接收电路继而向负载供应功率。当感应式功率发射器2和感应式功率接收器3适当地耦合时，由一个或多个发射线圈6生成的交变磁场在一个或多个接收线圈8中感生交流电。接收电路被适配为将所感生的电流转换成适于负载的形式。一个或多个接收线圈可以并联或串联的方式连接到电容器(未示出)以形成谐振电路。接收器可以包括控制器10，该控制器可以例如包括通信电路并且控制一个或多个接收线圈的调谐、或者被接收电路供应给负载的功率。

图2示出了通常通过将线卷绕成线圈形式或者通过印刷到印刷电路板上而形成的由多个绕组构成的常规“c”型线圈。

图3示出了由两个相邻线圈12和13构成的dd型线圈，具有可磁透的芯14在线圈中心之间在这些线圈下方提供磁通路径。磁通线示出了当线圈12和13被反相地或基本上相反极性地被驱动时的磁通路径。当两个场的相位差“基本上”为180°时，可以实现反相，即使它们不是正好180°偏移。在这种情况下，基本上相反的极性可以是指例如180°±1％、±5％或±10％的相位差。

图4示出了由两个相邻线圈15和16以及与线圈15和16重叠的“正交线圈”17构成的ddq型线圈。ddq型线圈特别适合作为接收器线圈用于与dd型发射器线圈一起使用，以实现用于大的发射器线圈和接收器线圈间隔的有效功率传输。

图5示出了一种感应式功率传输系统，其中发射器驱动dd线圈12和13，并且接收器拾取线圈11为c型线圈。所述系统的其余部分依照图1，并且类似的数字指示类似的整数。

图6示出了一种感应式功率传输系统，其中感应式功率发射器驱动dd线圈12和13，其中感应式功率接收器采用由线圈15、16和17构成的ddq型拾取线圈。

将结合图11的流程图针对感应式功率接收器采用c型线圈(图5)和ddq型线圈(图6)这两种情况来讨论图5和图6所示的采用dd型线圈的感应式功率发射器的操作。

在对线圈12和13赋能以供应功率之前，感应式功率发射器需要检测感应式功率接收器存在(图11中的步骤a，通常称为“模拟查验”)。感应式功率发射器可以多种方式检测感应式功率接收器的存在，包括向线圈12和13提供周期性功率突发并检测由于感应式功率接收器的存在而产生的调制、使用特定检测线圈的检测、冲击传感器、光传感器、接近传感器等。

在检测到感应式功率接收器的存在(图11中的数字查验步骤b)时，控制器7在第一模式(模式1)中对线圈12和13赋能。所述模式可以控制线圈选择、所采用的线圈拓扑、所施加的驱动信号的极性、供应给每个线圈的功率电平、或者某个其他属性。在本示例中，在模式1中，dd线圈12和13两者均被同相地驱动。通过以模式1中开始，这确保c接收器线圈类型和ddq接收器线圈类型两者均接收足够的功率来上电以及传输接收器线圈类型信息给感应式功率接收器。

通常，接收器控制器响应于数字查验(图12中的步骤h)而上电，并且确定信号强度并且包括通信电路用于将信号强度信息、配置信息和设备身份信息发送给接收器控制器7的通信电路(图12中的步骤i以及然后的j)。此类信息可以在配置分组中被发送，在配置分组中，特定位在协议诸如qi协议下被分配以特定含义。在这个示例中，关于接收器线圈类型的信息也可以被传输，在配置分组内或者在单独的通信中。线圈类型信息可以是一个位、多个位、或者一个或多个标记。对于所述示例，如果只有dd型发射器线圈要被采用，则接收器线圈信息可以是单个位，指示接收器线圈是否是与被反相地驱动的dd发射器线圈兼容的类型。图10是示例性配置分组，其中接收器线圈类型信息是位置b1b7处的单个位。如果有更大范围的发射器线圈类型可用，则可能需要更多的位来标识所有线圈类型。线圈类型信息也可以被分成多个属性，诸如线圈匝数、线圈拓扑、线圈操作模式等。在这种情况下，可以在行b1中添加另外的位。

通信常常是单向的，经由反向散射调制从功率接收器到功率发射器。在反向散射调制中，功率接收器线圈被加载，从而改变功率发射器处的电流消耗。这些电流变化被监视并且被解调成这两个设备一起工作所需要的信息。然而，如果感应式功率发射器能够调制被供应给发射器线圈的驱动信号或者如果独立的无线电或光学通信信道被提供，则通信可以是双向的。

发射器控制器针对关于信号强度的信息监视与接收器的反向散射通信信道(图11中的步骤c)。之后可以跟着具有其他信息诸如配置信息、设备身份和发射器线圈类型的配置分组(图11中的步骤d)。另选地，线圈类型信息可以在另一分组中或者以某个其他方式来发送。

响应于发射器控制器7接收到接收器线圈类型信息，发射器控制器7确定发射器线圈是否可以针对所指定的接收器线圈类型进行优化(图11中的步骤e)。在本示例中，如果发射器正在驱动dd型线圈并且接收器正在使用ddq型线圈(图6)，则操作模式可以有利地被设置为第二模式，模式2，其中dd线圈12和13被反相地驱动(图11中的步骤f)。如果发射器正在驱动dd型线圈并且接收器正在使用c型线圈(图5)，则操作模式可以保持在模式1中，其中dd线圈被同相地驱动。功率传输然后在步骤g中继续进行。

在以上示例中，单个位可以允许基于单个接收器线圈类型位在两种模式之间切换的操作。对于大量的接收器线圈类型，可以为控制器7提供查找表以确定对于所指定的接收器线圈类型的最佳发射器线圈操作。这可以包括确定要驱动哪些发射器线圈、要采用的电路拓扑、驱动功率电平、操作模式(例，同相或反相)等。

如果发射器和接收器两者均可以控制其发射器线圈和接收器线圈的操作模式并且双向通信可供使用，则可以通过发射器控制器7和接收器控制器10之间的协商来优化发射器线圈和接收器线圈两者的操作。这可能涉及每一侧的可能操作模式的通信以及每一侧根据最佳设备配对的配置。

现在参见图7，示出了用于改变模式1和模式2操作的发射器驱动电路拓扑的电路。由开关20和21形成的半桥经由电容器22向dd线圈23和24(对应于图5和图6中的线圈12和13)供应高频ac驱动信号。发射器线圈23始终以相同极性被驱动。开关网络25至28使得发射器线圈24能够以任一极性连接到所述高频ac驱动信号。当如图7所示，开关26和27闭合并且开关25和27断开时，发射器线圈24可以与发射器线圈23被反相地驱动(即，模式2)。当开关25和28闭合并且开关26和27断开时，发射器线圈24可以与发射器线圈23被同相地驱动(即，模式1)。这些开关25至28是“缓慢”开关(即，不是切换模式)并且只用于改变电流从半桥通过第二线圈的方向，并且因此可以采用成本相对较低的开关。

可以通过将发射器线圈23与发射器线圈24串联放置(即，在电容器22和开关25和26之间)来修改这个布置。在这个配置中，每个发射器线圈中的电流被迫使是相同的，而在并联拓扑中，这可能具有失衡操作和降低的性能。这个布置仅需要相对缓慢的开关，并且仅需要简单的逻辑来根据模式对开关进行配置，并且来自逆变器的激励保持为与现有方法相同。

根据应用的要求，可以通过各种方法来实现以反相或反转极性驱动dd线圈。例如，第一线圈可以沿与相邻第二线圈绕组相反的方向卷绕，其中这两个线圈由同一线圈绕组导体形成，从而生成串联电连接的两个线圈。另选地，第一线圈可以以与类似的相邻第二线圈的极性相比反转的极性连接到ac能量源(例如，逆变器、振荡器或功率放大器)。在另一替代方案中，第一线圈和相邻的第二线圈可以连接到分开的ac能量源，并且其中这些ac能量源被电气地(例如，能量源定时信号被协调为是180度异相)、或机械地(例如，中继)配置为以180度(或基本上这个值)的相位差驱动第二线圈中的电流。在再一替代方案中，第一线圈和相邻的第二线圈可以通过换向或切换电路连接到单个或多个ac或dc能量源，所述ac或dc能量源在第一线圈中产生与第二线圈中的电流相比具有基本上180度的相位的电流。

在以上给出的示例中的任意者中，反相是指180°或基本上180°偏移，包括可以考虑制造公差。在反相(例如，180°相位差或者基本上180°相位差)是通过相对于彼此反转地卷绕两个线圈并且以相同的信号驱动这两个线圈来实现的实施方案中，本领域的普通技术人员将认识到，这两个线圈生成同相和反相信号，即使物理卷绕由于制造的原因不是完全镜像。在反相是通过利用经180°相移的ac信号驱动相同设计的两个线圈来实现的实施方案中，本领域的普通技术人员将认识到，部件制造公差可能意味着相移仅仅是大约180°并且可能根据应用的要求而变化一定量。另外，基本上180°旨在涵盖其中线圈被有意地相对于180°偏离(例如，179.9°)地驱动以基本上实现反相的一个或多个有益效果而不使用恰好180°的情形。

现在参见图8和图9，示出了用于改变模式1和模式2操作的发射器驱动电路拓扑的另选电路。在这个电路中，由六个高速开关29、30、33、34、37和38构成的全桥的操作被控制以实现模式1和模式2操作。

在第一模式(图8)中，对于第一半周期，开关29和38接通，所有其他开关关断，使得电流从vdc流过开关29、电容器31、发射器线圈32、发射器线圈35、电容器36和开关38。在第二半周期中，开关30和37接通，并且其他开关关断以反转通过发射器线圈的电流流动。

在第二模式(图9)中，对于第一半周期，开关29、34和37接通，所有其他开关关断，使得电流从vs流过开关29和37、流过每个发射器线圈并且共同地流过开关34，如虚线所示。在第二半周期中，开关30、33和38接通，并且其他开关关断以反转通过发射器线圈的电流流动。这个布置提供全桥等效操作，因此与图7所示的半桥相比，对于相同的系统dc输入供应，在发射器线圈上施加双倍有效激励电压。这为相同的dc输入电压提供了更高的功率能力。此外，作为全桥，它使得昂贵且大体积的高电压高电流串联电容器不是必要的，除非它们对于谐振操作也是所期望的。然而，它需要六个高速开关和更复杂的逻辑来驱动和协调这些开关并确保安全切换。

虽然以上示例描述了采用dd型线圈用于与c型或ddq型接收器线圈一起操作的感应式功率发射器的操作，但应当理解，这个概念适用于范围广泛的发射器线圈类型和接收器线圈类型。发射器和/或接收器可以能够选择要使用的线圈、驱动功率电平、操作模式(例如，同相或反相)等等。似然此类信息可以与查找表中的线圈类型相关联，但是线圈类型信息也可以被分成多个属性诸如线圈匝数、线圈拓扑、线圈操作模式等等，并且应当理解，所述概念并不局限于任何特定线圈类型或操作模式。

因此，为范围广泛的线圈拓扑和操作模式提供了增强的互操作性和功率传输优化。这可以允许对于兼容线圈类型实现在较大线圈间隔的经改善的功率传输，同时保持不兼容线圈类型的性能。这也可以减少由于更多受限通量图案(如果可用的话)而导致的外来对象检测问题。

尽管已通过对本发明的实施方案的描述说明了本发明，并且尽管已详细描述了实施方案，但本申请人的意图并非将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制为这些细节。对于本领域的技术人员而言，其他的优点和修改将是显而易见的。因此，本发明的更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性装置和方法以及说明性示例。因此，在不脱离本申请人的总体发明构思的实质或范围的情况下，可以从这些细节进行修改。