无线感应式功率传输的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及感应式功率传输并且特别而非排他地涉及根据Qi无线功率传输标准的感应式功率传输系统。
【背景技术】
[0002]很多系统要求布线和/或电接触以便供应电功率给设备。省略这些线和接触提供了改进的用户体验。传统地，这已经使用位于设备中的电池来实现，但是该方案具有若干缺点，包括额外的重量、体积和对频繁对电池进行替换或再充电的需要。近来，使用无线感应式功率传输的方案已受到越来越多的兴趣。
[0003]该增加的兴趣的部分是由于便携和移动设备的数量和种类在过去十年中已经激增。例如，移动电话、平板电脑、媒体播放器等的使用已变得无所不在。这样的设备通常由内部电池供电并且典型使用情形通常要求对电池进行再充电或从外部电源对设备进行直接有线供电。
[0004]如提到的，大多数目前的设备要求有线和/或显式电接触以从外部电源供电。然而，这往往是不实际的并且要求用户物理地插入连接器或以其他方式建立物理电接触。通过引入线的长度，这还往往对于用户来说是不方便的。通常，功率要求也显著不同，并且当前大多数设备被提供有其自己的专用电源，从而导致典型用户具有大量不同电源，每个电源专用于特定设备。尽管内部电池可防止对到外部电源的有线连接的需要，但该方案仅提供部分解决方案，因为电池将需要再充电(或替换，其是昂贵的)。电池的使用还可能大量增加设备的重量以及潜在地增加设备的成本和尺寸。
[0005]为了提供显著改进的用户体验，已提出了使用无线电源，其中功率被感应地从功率传送器设备中的传送器线圈传输到各个设备中的接收器线圈。
[0006]经由磁感应的功率传送是熟知的概念，大多数应用在具有在初级传送器线圈和次级接收器线圈之间的紧耦合的变压器中。通过在两个设备之间分离初级传送器线圈和次级接收器线圈，基于松散耦合变压器的原理，在设备之间的无线功率传输变得可能。
[0007]这样的布置允许到设备的无线功率传输，而不要求任何有线或物理电连接。实际上，其可简单地允许设备被放置在传送器线圈附近或顶上以便被外部地再充电或供电。例如，功率传送器设备可被布置有水平表面，设备可被简单地放置在该水平表面上，以便被供电。
[0008]此外，这样的无线功率传输布置可以有利地被设计使得可与一系列功率接收器设备一起使用功率传送器设备。特别地，已知为Qi标准的无线功率传输标准已被定义并且当前在进一步发展。该标准允许满足Qi标准的功率传送器设备与也满足Qi标准的功率接收器设备一起使用，而这些不必来自同一制造商或不必专用于彼此。Qi标准还包括用于允许操作适配于特定功率接收器设备(例如取决于特定功率消耗)的某种功能。
[0009]Qi标准由无线功率联盟开发，并且可例如在它们的网站:http: //www.wirelesspowerconsortium.com/index, html上找到更多信息，其中特别地可找到定义的标准文档。
[0010]为了支持功率传送器和功率接收器的交互工作和交互操作性，优选的是这些设备可相互通信，即期望的是如果支持在功率传送器和功率接收器之间的通信，以及优选地支持在两个方向的通信。
[0011]Qi标准支持从功率接收器到功率传送器的通信，由此使得功率接收器能够提供可允许功率传送器适配于特定功率接收器的信息。在当前标准中，已定义从功率接收器到功率传送器的单向通信链路，并且该方案基于功率接收器作为控制元件的宗旨。为了准备并且控制在功率传送器和功率接收器之间的功率传输，功率接收器具体将信息传达到功率传送器。
[0012]通过功率接收器执行负载调制来实现该单向通信，其中由功率接收器施加到次级接收器线圈的负载被改变以提供功率传输信号的调制。可由功率传送器检测并且解码(解调)得到的电气特性中的改变(例如电流汲取的变化)。
[0013]然而，Qi系统的限制是其不支持从功率传送器到功率接收器的通信(至少在低功率Qi规范中)。此外，在一些应用中，诸如开发用于Qi之类的负载调制可能是次优的。
[0014]实际上，在诸如Qi系统之类的功率传输系统中的接收器和传送器之间的通信面临多个挑战和困难。特别是，在对功率传输信号的要求和特性与对通信的期望之间通常存在冲突。通常，系统要求在功率传输和通信功能之间的紧密交互。例如，基于在传送器和功率接收器之间感应式耦合仅一个信号，即功率传输信号本身的概念来设计系统。然而，使用功率传输信号本身用于不仅执行功率传输而且还用于承载信息导致了困难。
[0015]例如，在很多情形中，功率传输信号幅值可能动态并且周期性改变，导致功率传输信号不总是适合调制。实际上，如果功率传输信号幅值暂时减小到基本上为零，则不存在要调制的信号一一无论是直接用于例如功率传输信号的幅值或频率调制以提供从功率传送器到功率接收器的通信还是用于功率传输信号的负载调制以提供从功率接收器到功率传送器的通信。
[0016]作为另一示例，使用其中功率接收器通过负载调制来传达数据(诸如在Qi系统中)的负载调制方案要求正常负载是相对恒定的。然而，这在很多应用中不能被保证。
[0017]例如，如果无线功率传输将被用于对电机驱动器械(诸如例如搅拌机)供电，则该电流的幅值强烈与电机的负载相关。如果电机负载改变，则电机电流也改变。这导致在逆变器电流的幅值也随着负载改变。该负载变化将干扰负载调制，导致劣化的通信。实际上，在实践中通常非常难以检测对于包括电机作为负载的部分的负载的负载调制。
[0018]为了解决这样的问题，提出了使用完全独立的通信技术用于在功率传送器和功率接收器之间提供通信。然而，这样的方案可解决一些问题，但是其通常引入其他缺点。
[0019]例如，其通常引入以下风险:可能建立不在功率传输中涉及的双方之间的通信。这将通常导致故障和潜在地较不安全的操作。例如，分离通信信道的使用可导致在不同功率传输操作的操作之间的干扰，这可导致具有过多功率水平的非期望情形。例如，控制操作可能相互干扰，例如通过来自一个功率传输操作的功率接收器的控制数据被用于控制到另一附近功率接收器的功率传输。在通信和功率传输信号之间的分离可导致较少的鲁棒和较少的故障安全操作。
[0020]因此，改进的功率传输系统将是有利的，并且特别是允许改进的通信支持、增加的可靠性、增加的灵活性、便利的实施方式、对负载变化的减小敏感性、改进的安全性和/或改进的性能的系统将是有利的。
【发明内容】
[0021 ] 相应地，本发明寻求优选单个地或以任意组合地减轻、缓解或消除上文提到的缺点中的一个或多个。
[0022]根据本发明的一方面，提供了一种用于无线功率传输系统的装置，该无线功率传输系统包括被布置为经由无线感应式功率传输信号提供功率传输到功率接收器的功率传送器，在功率传输阶段期间的功率传输信号被提供在重复的功率传输信号时间帧的功率时间间隔中，功率传输信号时间帧进一步包括减小的功率时间间隔，功率传输信号的功率针对相对于功率时间间隔的减小的功率时间间隔被减小；该装置包括:用于功率传输信号的传输的功率传输电感器；用于短距通信的通信天线；被布置为使用短距通信与作为功率传送器和功率接收器中的至少一个的第二实体传达数据消息的短距通信单元，短距通信具有不超过20cm的范围并且使用与功率传输信号分离的载波信号；以及被布置为将短距通信与功率传输信号时间帧同步使得短距通信受限于减小的功率时间间隔的同步器。
[0023]本发明可在很多功率传输系统中提供改进的通信和/或改进的、更可靠或甚至潜在地更安全的操作。
[0024]该方案可具体地在很多情形中提供使用与功率传输信号分离的分离通信通道的益处，而不引入一般与其相关联的潜在风险和缺点。
[0025]本发明可允许基于电磁信号在分离系统之间的交互工作。该方案可允许分离的功率提供和通信，由此允许每个的个体优化。附加地，该方案可减轻在都基于在小空间中共存的电磁信号的不同系统之间的干扰。特别地，该方案可允许通信与功率提供分离同时在功率传输阶段期间仍然执行通信，其中通过功率传输信号生成非常强的磁场。
[0026]实际上，本发明可组合短距感应式功率传输与短距通信系统的使用，同时避免或减轻在这些之间的干扰，由此允许实现可靠的操作。发明人意识到使用分离的通信链路可能引入多于一个的功率接收器或功率传送器的存在可能导致非期望影响的风险，并且这些影响可通过使用具有与感应式功率传输的范围相当的范围的通信链路来减轻。发明人进一步意识到可使得这样的短距通信和功率传输操作共存和协作，尽管存在对两个短距磁场(以及特别是具有为非常强磁场的功率传输信号磁场)的需要之间的显然冲突。
[0027]该方案可因此通过具有非常短距的功率传输和通信来提供益处，而同时克服功率传输和通信都为短距的缺点。该方案可具体地克服由于源自于提供功率到功率接收器的强干扰所致的在无线功率传输系统中短距通信是不实用的偏见。本发明可修改功率传输操作以便适应通信的要求。因此，不是适配通信方案以适合连续功率传输要求的常规方案，该系统采用相反的方案并且使功率传输特性适配于与引入短距通信系统相关联的要求。因此，可以使在功率提供方面的功率传输操作与使用短距通信系统的通信性能和操作益处相权衡。
[0028]该方案可具体地允许更可靠的操作并且可降低在多个功率传输实体(接收器或传送器)的操作与可能相互邻近的功率传输之间的干扰的风险。该方案还可允许实质上改进的通信，包括双向通信、更高的数据速率通信和/或更可靠的通信。
[0029]如果装置是功率传送器，则第二实体可以是功率接收器。如果该装置是功率接收器，则第二实体可以是功率传送器。
[0030]在一些实施例中，可以在给定方向、并且具体地在其中形成平面功率传送器线圈以用于辐射功率传输信号的平面的方向上测量20cm的通信范围。
[0031]同步器单元可被布置为同步数据交换以在减小的功率时间间隔中发生。同步器可在一些实施例中同步该装置的传送功能以仅在减小的功率时间间隔中传送数据。在一些实施例或情形中，传送功能可在其他时间间隔中(具体地在功率时间间隔中)传送例如载波，但是可将数据的通信限制到减小的功率时间间隔中。同步器可在一些实施例中同步装置的接收功能以仅在减小的功率时间间隔中接收数据。
[0032]在一些实施例中，短距通信被布置在仅在减小的功率时间间隔中传送数据(消息)。
[0033]在一些实施例中，短距通信被布置为仅在减小的功率时间间隔中接收数据(消息)。
[0034]在一些实施例中，通信范围可以不超过10cm。
[0035]在大多数实施例中，减小的功率时间间隔的持续时间将较低，并且通常比功率时间间隔的持续时间实质上更低。在很多实施例中，占空比可不超过20%、10%或甚至5%。精确占空比可提供在通信容量和功率传输效率之间的有利权衡。对于很多功率传输系统，针对不超过10%的占空比发现了有利的权衡。
[0036]减小的功率时间间隔的持续时间可在很多实施例中有利地在从1毫秒到5毫秒的范围中，和/或功率时间间隔的持续时间可在很多实施例中有利地在从5毫秒到10毫秒的范围中。
[0037]在很多实施例中，时间帧的持续时间不少于5毫秒，并且不多于200毫秒。时间帧可以是周期性重复时间帧，并且可以通常具有不少于5Hz并且不多于200Hz的重复频率。
[0038]根据本发明的可选特征，载波的载波频率不小于功率传输信号的频率的两倍。
[0039]这可在很多实施例中提供改进的性能，并且可以具体地通常提供从功率传输信号到短距通信的减少的干扰。
[0040]根据本发明的可选特征，在第一时间帧中在减小的功率时间间隔期间的功率传输信号的功率水平不多于在第一时间帧期间在功率时间间隔期间的功率传输信号的功率水平的20%。
[0041]这可提供改进的性能。
[0042]在减小的功率时间间隔中的功率传输信号的功率可以通常限于不多于在功率时间间隔中可能的最大功率的20%、10%或5%。在很多情形中，在减小的功率时间间隔中的功率传输信号可以不多于在相邻功率时间间隔中的功率的20%、10%或5%。在很多实施例中，减小的功率时间间隔可以实质上对应于断电时间间隔。在很多实施例中，功率传送器可以被布置为在减小的功率时间间隔期间关断功率传输信号。在这样的断电时间间隔中，可不生成功率传输?目号。短距通?目可以是近场通?目、NFC通f目。
[0043]发明人意识到诸如Qi系统的功率传输系统可被修改以允许NFC通信标准被用于在功率接收器和功率传送器之间的(双向)通信，并且这可允许改进和更可靠的操作。
[0044]特别地，NFC可以与其他通信方案(例如蓝牙WiFi?)相比提供更可靠的操作，其具有来自不同设备的通信被混淆的降低风险。该方案允许NFC与功率传输系统一起使用，尽管该通信利用近场通信并且因此在功率传输还感应非常强的磁场的情况下操作。
[0045]该方案可降低成本并且提供特别适合功率传输的通信，因为可实现足够高的数据速率同时限制通信到非常小的范围，通常确保仅一个其他通信实体可存在于给定范围内。
[0046]根据本发明的可选特征，短距通信单元可操作以操作作为发起到第二实体的短距通信链路的发起者。
[0047]在一些实施例和情形中，该装置可操作作为发起者并且第二实体可操作作为目标。在一些实施例和情形中，第二实体可操作作为发起者并且该装置可操作作为目标。
[0048]例如，该装置可以是功率传送器并且可操作作为发起与功率接收器的NFC通信的发起者。作为另一示例，该装置可以是功率接收器并且可操作作为发起与功率传送器的NFC通信的发起者。
[0049]根据本发明的可选特征，短距通信单元被布置为在从所述第二实体接收数据消息所在的所述减小的功率时间间隔中对从所述第二实体接收的数据消息进行答复。
[0050]在一些实施例中，可以在单个时隙/间隔内执行双向通信。例如，第二实体可以是发起者并且可在给定减小的功率时间间隔中传送第一消息到该装置。该装置可以是目标并且可通过传送第二消息到第二实体来响应第一消息，其中第二消息在接收第一消息所在的同一减小的功率时间间隔内被传送。
[0051]在一些实施例中，短距通信单元被布置为在传送数据消息到第二实体所在的减小的功率时间间隔中从第二实体接收数据消息。例如，该装置可以是发起者并且可在给定减小的功率时间间隔中传送第一消息到第二实体。第二实体可以是目标并且可通过传送第二消息到该装置来响应第一消息，其中第二消息在接收第一消息所在的同一减小的功率时间间隔内被传送。该装置可被布置为在其传送第一消息所在的同一减小的功率时间间隔中接收该第二消息。
[0052]根据本发明的可选特征，短距通信单元被布置为在从第二实体接收数据消息所在的随后于减小的功率时间间隔的减小的功率时间间隔中答复从第二实体接收的数据消息。
[0053]在一些实施例中，可以在两个连续时隙/间隔内执行双向通信。例如，第二实体可以是发起者，并且可在给定减小的功率时间间隔中传送第一消息到装置。该装置可以是目标并且可通过传送第二消息到第二实体来响应第一消息，其中第二消息在下一减小的功率时间间隔中，即在跟随接收第一消息所在的间隔的减小的功率时间间隔中被传送。
[0054]在一些实施例中，短距通信单元被布置为在随后于传送数据消息到第二实体所在的减小的功率时间间隔的减小的功率时间间隔中从第二实体接收响应数据消息。
[0055]例如，该装置可以是发起者并且可在给定减小的功率时间间隔中传送第一消息到第二实体。第二实体可以是目标并且可通过传送第二消息到该装置来响应第一消息，其中第二消息在下一减小的功率时间间隔中，即在跟随接收第一消息所在的间隔的减小的功率时间间隔中