無(wú)線感應(yīng)式電力傳輸?shù)闹谱鞣椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及感應(yīng)式電力傳輸，并且特別地、但非排他地涉及依照Qi無(wú)線電力傳輸標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)式電力傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]使用中的便攜和移動(dòng)設(shè)備的數(shù)量和種類在過(guò)去十年已激增。例如，移動(dòng)電話、平板電腦、媒體播放器等的使用已變得無(wú)處不在。這樣的設(shè)備通常由內(nèi)部電池供電并且典型使用場(chǎng)景通常要求從外部電源對(duì)電池的再充電或?qū)υO(shè)備的直接有線供電。
[0003]大多數(shù)目前的系統(tǒng)要求有線和/或顯式電接觸以從外部電源供電。然而，這往往是不實(shí)際的并且要求用戶物理地插入連接器或以其他方式建立物理電接觸。通過(guò)引入線的長(zhǎng)度，這還往往對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是不方便的。通常，電力要求也明顯不同，并且當(dāng)前大多數(shù)設(shè)備被提供有其自己的專用電源，從而導(dǎo)致一般用戶具有大量不同電源，每個(gè)電源專用于特定設(shè)備。盡管內(nèi)部電池的使用可避免在使用期間到電源的有線連接的需要，但這僅提供局部解決方案，因?yàn)殡姵貙⑿枰俪潆?或替換，其是昂貴的)。電池的使用還可能大量增加設(shè)備的重量以及潛在地增加設(shè)備的成本和尺寸。
[0004]為了提供顯著改進(jìn)的用戶體驗(yàn)，已提出使用無(wú)線電源，其中電力被感應(yīng)地從電力傳送器設(shè)備中的傳送器線圈傳輸?shù)礁鱾€(gè)設(shè)備中的接收器線圈。
[0005]經(jīng)由磁感應(yīng)的電力傳輸是熟知的概念，大多數(shù)應(yīng)用在具有初級(jí)傳送器線圈和次級(jí)接收器線圈之間的緊密耦合的變壓器中。通過(guò)在兩個(gè)設(shè)備之間分離初級(jí)傳送器線圈和次級(jí)接收器線圈，這些之間的無(wú)線電力傳輸基于松散耦合變壓器的原理而變得可能。
[0006]這樣的布置允許到設(shè)備的無(wú)線電力傳輸，而不需要做出任何有線或物理電連接。實(shí)際上，其可簡(jiǎn)單允許將設(shè)備放置在傳送器線圈附近或其頂部以便被外部地再充電或供電。例如，電力傳送器設(shè)備可被布置有水平表面，設(shè)備可簡(jiǎn)單地放置在該水平表面上以便被供電。
[0007]此外，這樣的無(wú)線電力傳輸布置可以有利地被設(shè)計(jì)使得電力傳送器設(shè)備可與一些電力接收器設(shè)備一起使用。特別地，已知為Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電力傳輸標(biāo)準(zhǔn)已定義并且當(dāng)前在進(jìn)一步發(fā)展。該標(biāo)準(zhǔn)允許滿足Qi標(biāo)準(zhǔn)的電力傳送器設(shè)備與也滿足Qi標(biāo)準(zhǔn)的電力接收器設(shè)備一起使用，而這些不必來(lái)自同一制造商或不必專用于彼此。Qi標(biāo)準(zhǔn)還包括允許操作適用于特定電力接收器設(shè)備(例如取決于特定電力耗用)的一些功能。
[0008]Qi標(biāo)準(zhǔn)由無(wú)線電源聯(lián)盟開(kāi)發(fā)，并且可例如在它們的網(wǎng)站:http: //www.wirelesspowerconsortium.com/index, html上找到更多信息，其中特別地可找到定義的標(biāo)準(zhǔn)文檔。
[0009]Qi無(wú)線電力標(biāo)準(zhǔn)描述了電力傳送器必須能夠提供有保證的電力給電力接收器。所需特定電力水平取決于電力接收器的設(shè)計(jì)。為了規(guī)定有保證的電力，定義了一組測(cè)試電力接收器和負(fù)載條件，其描述了針對(duì)該條件中的每個(gè)的有保證的電力水平。
[0010]Qi最初定義用于被認(rèn)為是具有小于5W的電力耗用的設(shè)備的低電力設(shè)備的無(wú)線電力傳輸。落入該標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)的系統(tǒng)使用在兩個(gè)平面線圈之間的感應(yīng)式耦合來(lái)將電力從電力傳送器傳輸?shù)诫娏邮掌?。在兩個(gè)線圈之間的距離一般是5_?？梢詫⒃摲秶鷶U(kuò)展到至少 40mm。
[0011]然而，正進(jìn)行工作以增大可用電力，并且特別是，正將該標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到作為具有大于5W的電力耗用的設(shè)備的中等電力設(shè)備。
[0012]Qi標(biāo)準(zhǔn)定義了兼容設(shè)備必須滿足的各種技術(shù)要求、參數(shù)和操作流程。
[0013]通值
Qi標(biāo)準(zhǔn)支持從電力接收器到電力傳送器的通信，由此使得電力接收器能夠提供可允許電力傳送器適應(yīng)于特定電力接收器的信息。在當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)中，已定義從電力接收器到電力傳送器的單向通信鏈路，并且該方案基于電力接收器作為控制元件的宗旨。為了準(zhǔn)備并且控制在電力傳送器和電力接收器之間的電力傳輸，電力接收器特別將信息傳達(dá)到電力傳送器。
[0014]通過(guò)電力接收器執(zhí)行負(fù)載調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)該單向通信，其中由電力接收器施加到次級(jí)接收器線圈的負(fù)載被改變以提供電力信號(hào)的調(diào)制?？捎呻娏魉推鳈z測(cè)并且解碼(解調(diào))得到的電氣特性中的改變(例如電流汲取中的變化)。
[0015]因此，在物理層，從電力接收器到電力傳送器的通信信道使用電力信號(hào)作為數(shù)據(jù)載體。電力接收器對(duì)負(fù)載進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)傳送器線圈電流或電壓的幅度和/或相位中的改變來(lái)檢測(cè)該負(fù)載。以字節(jié)和分組來(lái)格式化數(shù)據(jù)。
[0016]可在Qi無(wú)線電力規(guī)范(版本1.0)的第I部分的第6章中找到更多信息。
[0017]系統(tǒng)棹制
為了控制無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)，Qi標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了系統(tǒng)在操作的不同時(shí)間可能處于的若干階段或模式。可在Qi無(wú)線電力規(guī)范(版本1.0)的第I部分的第5章中找到更多細(xì)節(jié)。
[0018]該系統(tǒng)可以處于以下階段:
選擇階段
該階段是系統(tǒng)未被使用時(shí)，即電力傳送器和電力接收器之間不存在耦合(即沒(méi)有電力接收器被定位為靠近電力傳送器)時(shí)的典型階段。
[0019]在選擇階段中，電力傳送器可以處于待機(jī)模式，但是將感測(cè)以便檢測(cè)對(duì)象的可能存在。類似地，接收器將等待電力信號(hào)的存在。
[0020]探測(cè)(Ding)階段:
如果傳送器檢測(cè)到對(duì)象的可能存在，例如由于電容改變，則系統(tǒng)進(jìn)行到探測(cè)階段，其中電力傳送器(至少間歇地)提供電力信號(hào)。該電力信號(hào)由電力接收器檢測(cè)，電力接收器著手發(fā)送初始分組給電力傳送器。特別地，如果電力接收器存在于電力傳送器的接口上，則電力接收器將初始信號(hào)強(qiáng)度分組傳達(dá)給電力傳送器。信號(hào)強(qiáng)度分組提供在電力傳送器線圈和電力接收器線圈之間的耦合程度的指示。由電力傳送器檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度分組。
[0021]識(shí)別&配置階段:
然后電力傳送器和電力接收器進(jìn)行到識(shí)別和配置階段，其中電力接收器至少傳達(dá)標(biāo)識(shí)符和所要求的電力。通過(guò)負(fù)載調(diào)制在多個(gè)數(shù)據(jù)分組中傳達(dá)該信息。電力傳送器在識(shí)別和配置階段維持恒定的電力信號(hào)，以便允許檢測(cè)到負(fù)載調(diào)制。特別地，電力傳送器為此目的提供具有恒定幅度、頻率和相位的電力信號(hào)(除了由負(fù)載調(diào)制引起的變化)。
[0022]在實(shí)際電力傳輸?shù)臏?zhǔn)備中，電力接收器能夠應(yīng)用接收到的信號(hào)以對(duì)其電子設(shè)備進(jìn)行通電，但是保持其輸出負(fù)載斷開(kāi)。電力接收器將分組傳達(dá)給電力傳送器。這些分組包括強(qiáng)制消息，例如識(shí)別和配置分組，或可包括一些定義的可選消息，例如擴(kuò)展的識(shí)別分組或電力關(guān)斷分組。
[0023]電力傳送器著手根據(jù)從電力接收器接收的信息來(lái)配置電力信號(hào)。
[0024]電力傳輸階段:
系統(tǒng)然后進(jìn)行到電力傳輸階段，其中電力傳送器提供所要求的電力信號(hào)并且電力接收器連接輸出負(fù)載以向其供應(yīng)接收的電力。
[0025]在該階段期間，電力接收器監(jiān)測(cè)輸出負(fù)載狀況，并且特別地，其測(cè)量在某一操作點(diǎn)的實(shí)際值和期望值之間的控制誤差。其以例如每250毫秒的最小速率將這些控制誤差在控制誤差消息中傳達(dá)給電力傳送器。這向電力傳送器提供了電力接收器的繼續(xù)存在的指示。此外，控制誤差消息用于實(shí)施閉環(huán)功率控制，其中電力傳送器調(diào)節(jié)電力信號(hào)以使所報(bào)告的誤差最小化。特別地，如果操作點(diǎn)的實(shí)際值等于期望值，則電力接收器傳達(dá)具有零值的控制誤差，從而導(dǎo)致電力信號(hào)不改變。假如電力接收器傳達(dá)不同于零的控制誤差，電力傳送器將相應(yīng)地調(diào)節(jié)電力信號(hào)。
[0026]該系統(tǒng)允許電力傳輸?shù)挠行гO(shè)置和操作。然而，該方案是限制性的，并且可能不允許完全期望的靈活性并且支持如要求的功能。例如如果電力接收器試圖從電力傳送器得到多于5W的功率，則電力傳送器可能終止電力傳輸，從而導(dǎo)致差的用戶體驗(yàn)。因此，合期望的是進(jìn)一步發(fā)展Qi標(biāo)準(zhǔn)以提供增強(qiáng)的功能性、靈活性和性能。然而，標(biāo)準(zhǔn)的這樣發(fā)展必須非常仔細(xì)地做出并且必須例如確保維持后向兼容性以便允許現(xiàn)有產(chǎn)品仍舊有用。
[0027]作為進(jìn)一步發(fā)展Qi標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的挑戰(zhàn)的示例的是如何支持在電力傳送器和電力接收器之間的期望交互。為了提供未來(lái)可更新性和靈活性，Qi標(biāo)準(zhǔn)版本1.0定義了可從電力接收器傳達(dá)到電力傳送器但被保留以用于未來(lái)使用的若干消息，即沒(méi)有具體含義附著到在版本1.0中定義的消息。
[0028]然而，并非忽略這樣的消息，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，已被制造的若干電力傳送器通過(guò)中止任何進(jìn)行的電力傳輸來(lái)對(duì)接收這樣的消息進(jìn)行響應(yīng)。然而，如果與依附到使用這些保留消息的該標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)版本的電力接收器一起使用這樣的電力傳送器，則電力傳輸將被終止。因此現(xiàn)有電力傳送器不能與使用保留的擴(kuò)展消息的未來(lái)電力接收器一起使用。相應(yīng)地，該標(biāo)準(zhǔn)的未來(lái)發(fā)展不能容易利用保留的消息。
[0029]當(dāng)前Qi標(biāo)準(zhǔn)僅利用單向通信鏈路并且僅支持從電力接收器到電力傳送器的信息的通信。然而，已經(jīng)提出還引入從電力傳送器到電力接收器的通信。
[0030]允許從電力傳送器到電力接收器的通信的系統(tǒng)的示例在W02012/049582中提供。在該系統(tǒng)中，電力接收器可傳送消息到電力傳送器，并且電力傳送器可通過(guò)對(duì)提供給電力接收器的電力信號(hào)進(jìn)行幅度或頻率調(diào)制來(lái)響應(yīng)于該消息。在公開(kāi)的系統(tǒng)中，在配置階段期間，電力接收器不提供電力給負(fù)載并且功率是恒定的事實(shí)由電力傳送器使用以傳達(dá)對(duì)消息的響應(yīng)。特別地，可從電力傳送器發(fā)送控制消息給電力接收器，并且電力傳送器可著手通過(guò)是否給電力信號(hào)引入功率水平改變來(lái)向電力接收器提供二進(jìn)制響應(yīng)。
[0031]然而，盡管W02012/049582可允許從電力傳送器到電力接收器的一些通信，但是其在所有情形中不是最優(yōu)的。例如，所添加的幅度或頻率調(diào)制可能在一些情形中是對(duì)電力信號(hào)的非期望修改。而且，該方案是基于僅在初始化期間并且在電力傳輸之前存在的特性，并且這可限制在很多實(shí)際情形中的使用。
[0032]通常，雙向鏈路的引入不是微不足道的并且經(jīng)受大量的困難和挑戰(zhàn)。例如，得到的系統(tǒng)仍然需要是后向兼容的并且仍然需要支持例如不能夠雙向通信的電力傳送器和接收器。此外，在例如調(diào)制選項(xiàng)、功率變化、傳送選項(xiàng)等方面中的技術(shù)限制是非常限制性的，因?yàn)樗鼈冃枰c現(xiàn)有參數(shù)以及管理要求適應(yīng)。實(shí)際上，在一些區(qū)域中，管理需求不允許對(duì)電力信號(hào)的直接調(diào)制。盡管這可通過(guò)使用獨(dú)立通信鏈路(例如藍(lán)牙通信鏈路)來(lái)解決，但是這向?qū)嵤┰黾恿藦?fù)雜度和成本。
[0033]還重要的是，從電力傳送器到電力接收器的通信不影響、退化或干擾從電力接收器到電力傳送器的通信。此外，非常重要的要求是通信鏈路不會(huì)不可接受地退化系統(tǒng)的電力傳輸能力。
[0034]相應(yīng)地，很多挑戰(zhàn)和困難與增強(qiáng)電力傳輸系統(tǒng)(例如Qi)以包括雙向通信相關(guān)聯(lián)。因此，在電力傳輸系統(tǒng)(例如Qi系統(tǒng))中引入雙向通信是復(fù)雜的并且經(jīng)受很多限制和要求，以便確保高效的電力傳輸、高效的操作和尤其是后向兼容性。
[0035]因此，改進(jìn)的電力傳輸系統(tǒng)將是有利的，并且特別地，允許增大的靈活性、改進(jìn)的反向兼容性、方便的實(shí)施和/或改進(jìn)的性能的系統(tǒng)將是有利的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0036]相應(yīng)地，本發(fā)明力圖優(yōu)選地個(gè)別地或以任意組合地緩和、減輕或消除上文提到的缺點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種使用無(wú)線感應(yīng)式電力信號(hào)傳輸電力到電力接收器的電力傳送器，該電力傳送器包括:用于提供該電力信號(hào)的電感器；用于驅(qū)動(dòng)該電感器以提供該電力信號(hào)的電力信號(hào)發(fā)生器；用于接收來(lái)自電力接收器的數(shù)據(jù)消息的接收器，該數(shù)據(jù)消息是通過(guò)對(duì)電力信號(hào)的負(fù)載調(diào)制而傳達(dá)的；功率回路控制器，其被布置為響應(yīng)于從電力接收器接收的功率控制誤差消息來(lái)控制電力信號(hào)的功率；查詢消息處理器，其用于檢測(cè)已從電力接收器接收到查詢消息；以及修改處理器，其用于響應(yīng)于查詢消息來(lái)修改功率回路控制器對(duì)功率控制誤差消息的響應(yīng)。
[0038]本發(fā)明可提供一種改進(jìn)的電力傳輸系統(tǒng)。其在很多實(shí)施例中可通過(guò)引入雙向通信來(lái)允許、支持或促進(jìn)電力傳輸系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展和發(fā)展。這在很多情形中可在維持后向兼容性的同時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明可允許一種實(shí)用的方案并且可促進(jìn)引入到現(xiàn)有系統(tǒng)中。此外，該方案使用電力傳輸信號(hào)實(shí)現(xiàn)雙向通信，但是不使電力信號(hào)與附加的調(diào)制或增大的電力信號(hào)變化和波動(dòng)重疊。
[0039]該方案可特別允許將數(shù)據(jù)從電力傳送器傳達(dá)到電力接收器，而不要求引入對(duì)電力信號(hào)的附加調(diào)制。相反，現(xiàn)有功率控制回路可暫時(shí)被中斷并且該功能可用于提供信息給電力接收器。該方案可以相對(duì)低的附加復(fù)雜性來(lái)實(shí)施。
[0040]該方案可特別提供減小對(duì)其它功能性的影響的從電力傳送器到電力接收器的通信。特別地，該方案可減小通信對(duì)電力信號(hào)的影響。因此，可針對(duì)電力傳輸操作和電力接收器到電力傳送器的通信兩者來(lái)減小引入雙向通信的影響。這可特別促進(jìn)操作和實(shí)施，并且改進(jìn)后向兼容性。特別地，可促進(jìn)將雙向通信引入到之前僅支持單向通信的現(xiàn)有電力傳輸系統(tǒng)。該方案可在很多實(shí)施例中允許將現(xiàn)有硬件再用于電力傳送器和電力接收器，并且可僅要求固件中的小改變以及復(fù)雜性中的微小改變。
[0041]該方案的特殊優(yōu)點(diǎn)是其可在很多實(shí)施例中減小數(shù)據(jù)通信對(duì)電力信號(hào)的影響。電力信號(hào)可受附加數(shù)據(jù)通信的較少影響并且因此可較少干擾電力傳輸操作。這對(duì)于后向兼容性可以是特別顯著的，因?yàn)檫z留儀器可不受該儀器尚未被設(shè)計(jì)用于的數(shù)據(jù)通信的引入的影響。在很多實(shí)施例中，由于引入的數(shù)據(jù)通信所致的電力信號(hào)的偏差可維持到