用于在无线电力传输过程中通信的方法和接收器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在电荷从发射器到接收器的感应无线传输过程中接收器与发射器之间的通?目O
【背景技术】
[0002]无线充电联盟(WirelessPower Consortium，WPC)在(http://www.wirelesspowerconsortium.com)上发布规范:“系统说明无线电力传输卷1:低电力部分1:接□定义(System Descript1n Wireless Power Transfer Volume 1: Low Power Part1:1nterface Definit1n)”。第 6 章“通信接口 (Communicat1n Interface) ”尤其与本申请相关且该规范的早于本申请的版本的全部内容通过弓I用并入在本文中。对现有技术的以下论述重申本规范的一些最相关的部分。
[0003]图1A示出了现有技术的发射器和接收器。发射器I(Tx)设置有电源2，该电源2驱动交流(Alternating Current，AC)电流通过包括初级电感器3 (Lp)和电容器4 (Cp)的电路。传输电路由包括控制电力传输的开关的布置的调制器(在WPC规范中示出)来调制。电源2通常为例如配电网的发生器，或者机动车辆的电路，以熟知的方式将发射器插入至电源2内。因此，电源被暂时耦合至发射器并且通常不会形成发射器的集成部分。
[0004]接收器6(Rx)可以包括在一个设备内，该设备通常为便携式设备，例如手机、平板电脑或笔记本电脑，以便向蓄电池(通常为化学电池)提供电荷。当足够接近发射器时，次级电感器7与初级电感器3感应耦合，使得在包括电容器8 (Cs)的接收电路中感应产生交流电流，AC电流经由电容器8 (Cs)传送至全波整流器9。整流器9将直流(Direct Current,DC)电流传递至充电器18，从而传送至手机11中的蓄电池。
[0005]为了优化蓄电池的耐久性和容量，期望在充电过程的持续时间内改变传送至电池的电力。为了实现这一点，发射器I具有控制器，该控制器通过调制器控制供给初级电感器的电力。然而，为了实现该控制，必须将关于蓄电池和充电电路的瞬时状态的信息从接收器6通信至发射器的控制器。
[0006]标准指出将利用叠加在一个或多个电力携带信号上的电流脉冲来完成通信。这些脉冲为250 μ s长或500 μ s长，以根据每个脉冲的持续时间将信息编码成二进制消息。在实践中，前面提及的脉冲持续时间分别对应逻辑‘I’和‘0’，如图1B所示。图1B提供了差分双相编码的示例。在顶部是时钟周期，其中，tM为时钟周期的时间段。在底部是所生成的电流脉冲，该电流脉冲具有编码到其中的数据。为了促进可靠的通信，脉冲被指定成具有一定的形状(-S)。特别地，每个生成的脉冲的宽度必须精确到±4%。
[0007]通过具有在范围110kHz-205kHz中的频率的载波来完成电力的传送。电力载波的整流对工作频率引起显著的噪声谐波，特别是第二谐波。
[0008]执行某些安全性有关的具有高精度的测量是强制性的。因此需要对电力接收器6的输出电压进行滤波。相对大的滤波电容器1(Cfilt)置于整流器的输出端处。使用调制到应用电流I?的电流源12来实现电流调制。电流源12连接至整流器的一个直流端子并接地。在使用中，由电流调制器12传送的调制电流(Imod)的一部分流自滤波电容器10，导致如图2所示的脉冲形状的恶化。最终，随着电容器大小增大，这将导致比特读取错误，从而引起在可接受水平以下的通信通道的误码率(Bit Error Rate，BER)的恶化。
[0009]需要对电力接收器的输出电压进行滤波的根本原因是源于规范的以优于1%的精度测量电力接收器的输出电流的要求。由于这个原因，需要在整流器的输出端处放置5 UF的电容器。由于在整流器的输出端处所观测的有限阻抗，因此调制电流也调制该滤波电容器上的电压。因此，调制电流的一部分流自电容器而不流经有源整流器，并最后经由发射器的解调器结构流动。在图2A示出了理想的目标矩形阶梯函数波形。在图2B中示出了由于波形恶化所导致的流经整流器和Tx侧解调电路的实际的锯齿电流波形的有些夸大的示例。由于信息束缚于脉冲持续时间，因此如果允许偏差增长得足够大，则电流脉冲的形状的畸形将导致解调错误。因此，滤波电容器的大小受限于生成的电流脉冲的容许畸变。反过来，由于模拟电路目前必须容许更高的噪声水平，因此这使得更难以执行具有期望精度的电流测量。
[0010]期望能够增大滤波电容器10的大小，同时最小化通信信号的降级并在接收器6处保持高效的电力接收。
【发明内容】
[0011]因此，本发明提供一种无线电力接收器，该接收器具有电感器，该电感器用于通过与独立电源的感应耦合来接收电力，该接收器具有整流器，该整流器在具有电流调制器的电路中响应于控制器而叠加用于与感应耦合的电源的感应通信的脉冲电流信号；
[0012]该接收器的特征在于，该电流调制器布置成响应于控制器而塑形信号电流脉冲，使得通过次级电感器观测的通信脉冲形状更接近地类似于矩形阶梯函数。
[0013]根据本发明的第二方面，提供了一种在无线电力接收器与无线电力发射器之间信号传输的方法，该无线电力接收器具有次级电感器，该次级电感器与无线电力发射器感应耦合，该方法包括:在接收器电路中生成信号电流脉冲的序列，该方法的特征在于如下步骤:塑形信号电流脉冲，使得电路失真的效应致使在接收器的次级电感器处观测的信号脉冲的形状趋向于矩形阶梯函数。
[0014]为了清楚起见，次级电感器是相对于电力的传输而如此命名的。
[0015]因此根据本发明，信号电流调制器生成具有预失真形状的电流脉冲(相比于理想的矩形阶梯函数脉冲而言)。使电流脉冲的形状“预失真”，使得在脉冲开端的电流脉冲的瞬时过量补偿电路中的脉冲失真效应，尤其是由滤波电容器引起的脉冲失真效应。
[0016]电流脉冲的形状可以包括超出(超过)额定电流脉冲值的初始短暂的尖峰值，以及朝向该额定电流脉冲值的渐进衰减。该形状可以通过实时感测失真并相应地生成脉冲电流形状来确定。可替选地，脉冲电流形状可以被预先记录在存储器中并通过WPC控制器应用到脉冲电流发生器。该脉冲可以以小于(不足)额定脉冲值的电流尖峰结束，或者下一个脉冲以小于(不足)额定脉冲值的电流尖峰开始，然后渐进地朝向该额定值上升。在数字地控制电流调制器的情况下，可利用一系列步骤来仿真电流调制脉冲的形状。
[0017]根据本发明的第三方面，提供了一种无线电力接收器，该接收器具有电感器，该电感器用于通过与独立电源的感应耦合来接收电力，该接收器具有整流器，该整流器在具有电流调制器的电路中响应于控制器而叠加用于与感应耦合的电源的感应通信的脉冲电流信号；该接收器的特征在于，该电流调制器跨接整流器的直流端子。
[0018]根据本发明的第四方面，提供了一种无线电力接收器，该接收器具有电感器和电流调制器，该电感器用于通过与独立电源的感应耦合来接收电力，该电流调制器响应于控制器而生成用于与感应耦合的电源的感应通信的脉冲电流信号；该接收器的特征在于，该电流调制器由电容器提供，该电容器与闭合断开开关串联且与该电感器并联连接，该开关响应于控制器而调制每一个通信电流脉冲。
[0019]本发明的第四方面旨在减少可由通信过程引起的电力传输中的效率损失。
[0020]本发明的第三方面和/或第四方面无论是否与本发明的任何其它方面组合，都可以是有用的。
【附图说明】
[0021]现在将参照附图，仅以示例的方式描述用于在无线电力传输过程中的数据通信的方法和装置的至少一个实施方式，其中:
[0022]图3为现有技术的发射器和体现本发明的接收器的电路图；
[0023]图4A示意性地示出理想的电流波形；
[0024]图4B示意性地示出实际的电流波形；
[0025]图5示意性地示出瞬变电流；
[0026]图6示意性地示出具有瞬变电流的离散副本的理想的脉冲；
[0027]图7示意性地示出差分双相编码的示例；
[0028]图8为示出控制和通信单元以及电力转换单元的实施方式的示意框图；以及
[0029]图9示意性地示出控制错误消息的传输。
【具体实施方式】
[0030]图4A示意性地示出理想化的预失真电流脉冲和形成的流向发射器I (TX)的电流脉冲。图4B示出了在次级电感器7处观测的信号脉冲的实际形状。因此，可使用比现有技术的布置大的滤波电容器，从而形成更好的测量精度。此外，在系统内应具有其它的错误来源，例如负载电流的瞬变，生成更好形状的脉冲的能力使系统对其它类型的失真或噪声更不敏感。
[0031]在图5中示出了流经电容器的有害瞬变电流的示例。为了补偿其影响，脉冲生成电流调制器12由控制器19控制，使得其有效地将瞬变电流的离散副本增加(叠加)在理想的脉冲矩形阶梯函数脉冲的顶部上。在图6中示出了对于此的示例。这可以利用具有合适采样率的电流数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)来实现，该电流DAC例如为3-4比特电流DAC。由于MHz范围的时基是可用的且由于关于通信脉冲的持续时间为250 μ s或500 μ s，因此很容易构造这种对于电流模式DAC的控制，使多个脉冲相等以具有期望的形状。上述实现可能需要双极电流脉冲的生成。尽管可以借助电流模式DAC—直生成具有正极性的脉冲，但可以通过调制充电器的充电电流来创造具有负极性的脉冲。其缺点可能是充电时间的可忽略的增加。
[0032]生成脉冲的常规方式是在整流器9 (电力链路)的DC输出端与地之间应用电阻器或电流源12 (Inwd)。由于所接收到的电力的一部分用于通信目的，因此这导致效率的直接下降。在图1B中，利用电流源12(Icm)来实现电流的生成。电流源12连接至整流器9的每个直流端子。
[0033]当在发射器I的解调器电路13处测量时，通信脉冲已经被指定为具有15mA的最小幅度。在实践中，通常通过放置与初级电感线圈3(Lp)串联的电流测量电阻器来实现调制信号的感测。
[0034]由于解调器电路13被指定为具有大约20V的供给，因此用于通信的最小瞬时功率大约为300mW。然而，相比于指定的最小值，瞬时调制功率必须为其2-6倍，以确保足够的信噪比(signal-to-noise rat1, SNR)用于解调。这导致600mW-1800mW的瞬时调制功率。
[0035]在充电控制过程中，接收器6需要将一个或多个所谓的控制错误消息发送给发射器1，以便控制传输的电力的水平。控制错误消息的持续时间大约为22ms。在