專利名稱：具有干擾檢測(cè)的無(wú)線電力傳輸?shù)南到y(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子器件，且更明確地說(shuō)，涉及無(wú)線電力傳輸。
背景技術(shù)：
無(wú)線能量傳輸或無(wú)線電力是在沒(méi)有互聯(lián)線的情況下從電源到電負(fù)載的電能發(fā)射。無(wú)線發(fā)射在互聯(lián)線不便捷、危險(xiǎn)或不可能存在的情況下是有用的。無(wú)線電力不同于無(wú)線通信，其中僅當(dāng)對(duì)于信號(hào)太低而不能充分恢復(fù)時(shí)，信噪比(SNR)或所接收能量的百分比才變得關(guān)鍵。對(duì)于無(wú)線電力發(fā)射，效率是更重要的參數(shù)。無(wú)線電力發(fā)射中兩種常見(jiàn)的耦合形式是電感耦合及諧振電感耦合。無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)通常由經(jīng)電磁耦合的發(fā)射與接收線圈組成。歸因于線圈耦合，來(lái)自初級(jí)側(cè)的能量可在一定距離上傳輸?shù)酱渭?jí)側(cè)。電磁感應(yīng)無(wú)線發(fā)射技術(shù)在距離上為近場(chǎng)，相當(dāng)于靠近所使用的波長(zhǎng)的四分之一的裝置的直徑的幾倍。近場(chǎng)能量自身是不輻射的，但確實(shí)發(fā)生一些輻射損耗。另外，通常存在電阻性損耗。通過(guò)感應(yīng)的能量傳輸通常是由磁性引起的，但同樣可實(shí)現(xiàn)電容耦合。電磁感應(yīng)按初級(jí)線圈產(chǎn)生主要的磁場(chǎng)且次級(jí)線圈在所述場(chǎng)內(nèi)的原理工作，以便電流在次級(jí)中被感應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)高效率，耦合應(yīng)為緊的。隨著距初級(jí)的距離的增大，越來(lái)越多的磁場(chǎng)未達(dá)到次級(jí)。甚至在相對(duì)短的范圍上，感應(yīng)方法也相當(dāng)無(wú)效率，從而浪費(fèi)許多所發(fā)射的能量。電變壓器的動(dòng)作是通過(guò)感應(yīng)進(jìn)行無(wú)線電力發(fā)射的最簡(jiǎn)單實(shí)例。變壓器的初級(jí)及次級(jí)電路未直接連接。能量傳輸通過(guò)被稱為互感的過(guò)程而通過(guò)電磁耦合發(fā)生。主要功能是逐步上調(diào)或下調(diào)初級(jí)電壓及電絕緣。移動(dòng)電話及電動(dòng)牙刷電池充電器及配電變壓器是如何使用此原理的實(shí)例。電磁爐使用此方法。此基本形式的無(wú)線發(fā)射的主要缺點(diǎn)是短范圍。為了有效地與發(fā)射器或感應(yīng)單元耦合，接收器必須直接鄰近于發(fā)射器或感應(yīng)單元。共振增強(qiáng)電動(dòng)感應(yīng)的常見(jiàn)用途是對(duì)便攜式裝置(例如膝上型計(jì)算機(jī)、手機(jī)、醫(yī)療用植入器及電動(dòng)車)的電池充電。共振用于無(wú)線充電板(發(fā)射器電路)及接收器模塊(嵌入在負(fù)載中)以使能量傳輸效率最大化。此方法適用于用于便攜式電子器件(例如移動(dòng)電話)的通用無(wú)線充電板。其已被采用為Qi無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)的一部分。其同樣用于為例如RFID貼片及非接觸式智能卡等沒(méi)有電池的裝置供電，及將電能從初級(jí)電感器耦合到特斯拉線圈無(wú)線電力發(fā)射器的螺旋共振器。Qi是使用由無(wú)線電力聯(lián)盟(WPC)建立的協(xié)議的感應(yīng)充電的系統(tǒng)的實(shí)例。Qi為感應(yīng)充電器與裝置建立通用語(yǔ)言以彼此對(duì)話。所以任何具有Qi允用配件或?qū)i直接建置在內(nèi)的裝置可在任何Qi感應(yīng)充電板上充電。感應(yīng)充電是當(dāng)兩個(gè)裝置(一個(gè)經(jīng)設(shè)計(jì)以發(fā)送電力，且另一個(gè)經(jīng)設(shè)計(jì)以接收電力)彼此觸碰且能量在它們之間傳輸時(shí)所發(fā)生的情況。在過(guò)去，此些兩個(gè)裝置必須針對(duì)彼此經(jīng)專門設(shè)計(jì)；但經(jīng)設(shè)計(jì)以支持由WPC建立的標(biāo)準(zhǔn)的裝置與充電器可自由地互充。WPC標(biāo)準(zhǔn)允許兼容的智能手機(jī)、相機(jī)、mp3播放器及任何其它者的通用充電，在不需要直接插入這些裝置的情況下，消耗達(dá)5W。通過(guò)使用電磁場(chǎng)來(lái)傳輸能量，充電板能夠智能地與它們正在充電的裝置來(lái)回通信。

發(fā)明內(nèi)容
實(shí)施實(shí)施例提供具有干擾檢測(cè)的無(wú)線電力傳輸?shù)南到y(tǒng)及方法。在一個(gè)實(shí)施例中，次級(jí)側(cè)控制器經(jīng)配置以監(jiān)測(cè)經(jīng)感測(cè)電力，且產(chǎn)生包括關(guān)于所述經(jīng)感測(cè)電力的參數(shù)的反饋信號(hào)，且調(diào)制模塊經(jīng)配置以調(diào)制所述反饋信號(hào)的表示。所述調(diào)制發(fā)射到初級(jí)側(cè)控制器，所述初級(jí)側(cè)控制器經(jīng)配置以基于如應(yīng)用到電力損耗等式的所述參數(shù)而抑制充電。實(shí)例實(shí)施例還可以用初級(jí)側(cè)控制器廣泛地實(shí)施，所述初級(jí)側(cè)控制器經(jīng)配置以控制跨越電感耦合所發(fā)射的電力，接收包括關(guān)于次級(jí)經(jīng)感測(cè)電力的參數(shù)的表示，且通過(guò)將所述參數(shù)應(yīng)用到電力損耗等式以確定次級(jí)經(jīng)感測(cè)電力對(duì)初級(jí)電力的效率而確定是否存在寄生金屬兀件。實(shí)施例還可被視作提供具有干擾檢測(cè)的無(wú)線電力傳輸方法。在此方面，一個(gè)實(shí)施例包含感測(cè)在電感耦合的次級(jí)側(cè)上的電力；產(chǎn)生包括關(guān)于所述經(jīng)感測(cè)電力的參數(shù)的表示；調(diào)制所述經(jīng)感測(cè)電力的表示；以及將所述經(jīng)感測(cè)電力的所述經(jīng)調(diào)制的表示發(fā)射到所述電感耦合的初級(jí)側(cè)，所述初級(jí)側(cè)經(jīng)配置以基于如應(yīng)用到電力損耗等式的所述參數(shù)而抑制電力傳輸。另一個(gè)實(shí)施例包含接收包括關(guān)于來(lái)自電感耦合的次級(jí)側(cè)的經(jīng)感測(cè)電力的參數(shù)的表示，將所述參數(shù)應(yīng)用到電力損耗等式以確定從初級(jí)到次級(jí)的電力傳輸?shù)男剩约盎谒鲂蚀_定寄生金屬元件的存在。


參考附圖描述實(shí)例實(shí)施例，其中圖1是無(wú)線電力傳輸?shù)膶?shí)例實(shí)施例的系統(tǒng)圖。圖2是具有干擾傳輸?shù)奈矬w的圖1的無(wú)線電力傳輸?shù)膶?shí)例實(shí)施例的系統(tǒng)圖。圖3是具有干擾檢測(cè)的無(wú)線電力傳輸?shù)哪芰總鬏數(shù)膶?shí)例實(shí)施例的系統(tǒng)圖。圖4是具有干擾檢測(cè)的無(wú)線電力傳輸?shù)哪芰總鬏數(shù)膶?shí)施實(shí)施例的系統(tǒng)圖。圖5是圖4的具有干擾檢測(cè)的無(wú)線電力傳輸?shù)哪芰總鬏數(shù)膶?shí)例實(shí)施例的電路圖。圖6是圖4的具有干擾檢測(cè)的無(wú)線電力傳輸?shù)哪芰總鬏數(shù)膶?shí)例實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式通過(guò)無(wú)線充電，系統(tǒng)的接收部分可周期性地將例如其所操作的電壓、電流及功率電平以及來(lái)自初級(jí)側(cè)要求的校正動(dòng)作傳達(dá)到初級(jí)側(cè)以保持次級(jí)電力參數(shù)在需要的操作范圍內(nèi)。當(dāng)寄生金屬物體偶然或蓄意地極靠近發(fā)射線圈時(shí)，此系統(tǒng)的性能可能會(huì)顯著地降級(jí)。所發(fā)射能量中的一些可被這些金屬物體耦合且作為熱浪費(fèi)掉。這不僅使系統(tǒng)的性能降級(jí)，而且還可能會(huì)形成如像線圈及電鍵的金屬物體變得足夠熱而形成火災(zāi)、引起塑料部分變形或當(dāng)觸碰時(shí)燒傷操作者皮膚的危險(xiǎn)。本文所揭示的具有干擾檢測(cè)的無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)及方法通過(guò)比較在系統(tǒng)的接收側(cè)上接收的電力與在初級(jí)側(cè)上消耗的電力而檢測(cè)與放置得極為靠近系統(tǒng)線圈的寄生金屬物體相關(guān)聯(lián)的可能過(guò)度的能量傳輸。如果此比較的結(jié)果顯示在初級(jí)側(cè)上消耗的電力大大超過(guò)在次級(jí)側(cè)上接收的電力，那么系統(tǒng)積極地做出終止操作的決定，從而防止不利影響繼續(xù)發(fā)展。具有干擾檢測(cè)的無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)及方法可包含初級(jí)側(cè)，其經(jīng)耦合以輸入電能量源(舉例來(lái)說(shuō)，初級(jí)DC源)；半導(dǎo)體電路，其將輸入電力轉(zhuǎn)變成激發(fā)發(fā)射線圈且朝向接收線圈發(fā)射的電磁能量；及接收線圈，其與發(fā)射線圈電磁耦合以從發(fā)射線圈接收能量。接收器電路可利用所接收的能量及待由負(fù)載使用的條件參數(shù)。負(fù)載可耦合到次級(jí)側(cè)，且消耗由接收線圈耦合的能量的某一部分。次級(jí)側(cè)電路可監(jiān)測(cè)所接收的能量且周期性地將所接收能量的參數(shù)報(bào)告給發(fā)射電路，以試圖在次級(jí)側(cè)上實(shí)現(xiàn)能量參數(shù)的閉路調(diào)節(jié)。在實(shí)例實(shí)施例中，次級(jí)側(cè)測(cè)量電路可感測(cè)由次級(jí)側(cè)接收的電力。初級(jí)側(cè)測(cè)量電路感測(cè)在初級(jí)側(cè)上消耗的電力。調(diào)制電路可放置在次級(jí)側(cè)上，且在實(shí)例實(shí)施例中可能夠以可從次級(jí)側(cè)發(fā)送二進(jìn)制代碼且在初級(jí)側(cè)上接收二進(jìn)制代碼的方式來(lái)改變耦合發(fā)射及接收線圈的電磁場(chǎng)。次級(jí)側(cè)控制器可耦合到次級(jí)側(cè)測(cè)量電路及調(diào)制電路，且在實(shí)例實(shí)施例中有效地控制這些電路以周期性地發(fā)送與在次級(jí)側(cè)上接收的電力相關(guān)聯(lián)的二進(jìn)制代碼。初級(jí)側(cè)解調(diào)電路對(duì)耦合發(fā)射及接收線圈的電磁能量的變化敏感，且能夠解調(diào)從次級(jí)側(cè)發(fā)送的二進(jìn)制代碼。耦合到初級(jí)側(cè)解調(diào)電路及輸入電力測(cè)量電路的初級(jí)側(cè)控制器將所接收的電力值與在初級(jí)側(cè)上測(cè)量的所消耗電力值進(jìn)行比較，且基于比較結(jié)果有效地指揮系統(tǒng)的操作。通信方法可包含數(shù)個(gè)不同協(xié)議或方式，所述數(shù)個(gè)不同協(xié)議或方式包含跨越耦合、紅外通道及射頻通道發(fā)射經(jīng)調(diào)制的信號(hào)，以及其它方式。在實(shí)例實(shí)施例中，初級(jí)側(cè)可將所接收的電力與所消耗的電力進(jìn)行比較，且通過(guò)用所接收的次級(jí)側(cè)與所測(cè)量的初級(jí)側(cè)功率電平來(lái)執(zhí)行數(shù)學(xué)函數(shù)而計(jì)算與寄生金屬物體相關(guān)聯(lián)的電力。數(shù)學(xué)函數(shù)可包含所接收及測(cè)量的功率電平的按比例縮放，從按比例縮放的所測(cè)量電力減去按比例縮放的所接收電力，及減去與在初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)中耗散的靜態(tài)電力相關(guān)聯(lián)的預(yù)定常數(shù)。次級(jí)側(cè)可發(fā)送關(guān)于已知電力損耗源的常數(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，已知源可包含歸因于線圈的電阻或罩內(nèi)損耗的損耗以及其它損耗。罩典型為磁性材料(舉例來(lái)說(shuō)，鐵酸鹽)，其放置在線圈背后，為磁通量提供返回路徑。罩阻止大多數(shù)的磁場(chǎng)傳到正被充電的裝置內(nèi)。通過(guò)沿需要的方向引導(dǎo)場(chǎng)，改進(jìn)了效率。已知參數(shù)可為常數(shù)(例如靜態(tài)電力)，或它們可與電力成比例(例如，比例因子)。電力損耗中的一些因子可為非線性的，且也可能涉及到較高階項(xiàng)。舉例來(lái)說(shuō)，損耗可通過(guò)熱而加劇-因?yàn)樯叩臏囟葧?huì)使線圈的電阻增高，I2R損耗可比電流增高得快?？蓭椭?jì)算的實(shí)例數(shù)學(xué)函數(shù)可為以下電力損耗等式(I) PMD = a *TX_pwr_P *RX_pwr-Cl_C2 ;其中比例因子及與次級(jí)側(cè)的靜態(tài)電力相關(guān)聯(lián)的常數(shù)可借助于調(diào)制電路作為二進(jìn)制代碼從次級(jí)側(cè)發(fā)送到初級(jí)側(cè)。電力損耗檢測(cè)可通過(guò)對(duì)電力平衡等式求值而實(shí)現(xiàn)，所述等式例如上文提供的顧及系統(tǒng)中已知損耗的非限制性等式。這些損耗可通過(guò)從接收器傳到發(fā)射器的參數(shù)來(lái)校準(zhǔn)。在實(shí)例實(shí)施例中，Rx相關(guān)聯(lián)的比例因子及電力損耗常數(shù)可作為單一字發(fā)送，其中一部分的字位表示比例因子，且一些位表示電力常數(shù)。Rx電力包尤其可由表示Rx最大電力、比例因子及電力損耗常數(shù)的位組成。上文呈現(xiàn)的公式是寄生金屬耗散(PMD)的更一般公式的計(jì)算線性化
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，其包括 次級(jí)側(cè)控制器，其經(jīng)配置以監(jiān)測(cè)經(jīng)感測(cè)的電力，且產(chǎn)生包括關(guān)于所述經(jīng)感測(cè)電力的參數(shù)的反饋信號(hào)；以及 調(diào)制模塊，其經(jīng)配置以調(diào)制所述反饋信號(hào)的表示，所述調(diào)制發(fā)射到初級(jí)側(cè)控制器，其中所述初級(jí)側(cè)控制器經(jīng)配置以基于如應(yīng)用到電力損耗等式的所述參數(shù)而抑制充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述參數(shù)包括關(guān)于所述經(jīng)感測(cè)的次級(jí)電力的常數(shù)與在所述次級(jí)側(cè)上的靜態(tài)耗散中的至少一者。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括感測(cè)電阻器及放大器，用于感測(cè)待被所述次級(jí)側(cè)控制器監(jiān)測(cè)的次級(jí)側(cè)電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述調(diào)制模塊發(fā)射振幅調(diào)制、脈寬調(diào)制、頻率調(diào)制、相移鍵控、紅外及射頻信號(hào)中的至少一者。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括所述初級(jí)側(cè)控制器，所述初級(jí)側(cè)控制器經(jīng)配置以解調(diào)來(lái)自所述調(diào)制模塊的所述調(diào)制，將所述反饋信號(hào)的經(jīng)解調(diào)的表示與初級(jí)電力進(jìn)行比較，且如果次級(jí)電力對(duì)初級(jí)電力的效率小于預(yù)定水平，那么禁止充電。
6.一種方法，其包括 感測(cè)在電感耦合的次級(jí)側(cè)上的電力； 產(chǎn)生包括關(guān)于所述經(jīng)感測(cè)的電力的參數(shù)的表示；以及 調(diào)制所述經(jīng)感測(cè)電力的所述表示；且將所述經(jīng)感測(cè)電力的所述經(jīng)調(diào)制的表示發(fā)射到所述電感耦合的初級(jí)側(cè)，所述初級(jí)側(cè)經(jīng)配置以基于如應(yīng)用到電力損耗等式的所述參數(shù)而抑制電力傳輸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述參數(shù)包括關(guān)于所述經(jīng)感測(cè)的次級(jí)電力的常數(shù)及在所述次級(jí)側(cè)上的靜態(tài)耗散中的至少一者。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述調(diào)制包括振幅調(diào)制、頻率調(diào)制、相移鍵控、脈寬調(diào)制、紅外發(fā)信及射頻發(fā)信中的至少一者。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述經(jīng)調(diào)制的表示由所述初級(jí)側(cè)使用以確定寄生金屬元件的存在。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述初級(jí)側(cè)上接收所述經(jīng)調(diào)制的表示；且解調(diào)所述經(jīng)感測(cè)電力的所述經(jīng)調(diào)制的表示。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進(jìn)一步包括將所述經(jīng)感測(cè)電力的所述經(jīng)解調(diào)的表示與初級(jí)側(cè)電力進(jìn)行比較以確定發(fā)射效率；且基于所述發(fā)射效率確定寄生金屬元件的存在。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其進(jìn)一步包括如果所述寄生金屬元件的所述存在的所述確定是肯定的，那么抑制初級(jí)電力發(fā)射。
13.—種方法,其包括 從電感耦合的次級(jí)側(cè)接收包括關(guān)于經(jīng)感測(cè)電力的參數(shù)的表示； 將所述參數(shù)應(yīng)用到電力損耗等式以確定從初級(jí)到次級(jí)的電力傳輸?shù)男?；以? 基于所述效率確定寄生金屬元件的存在。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述參數(shù)包括關(guān)于所述經(jīng)感測(cè)次級(jí)電力的常數(shù)及在所述次級(jí)側(cè)上的靜態(tài)耗散中的至少一者。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進(jìn)一步包括如果所述寄生金屬元件的所述存在的所述確定是肯定的，那么抑制初級(jí)電力發(fā)射。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進(jìn)一步包括感測(cè)在所述次級(jí)側(cè)上的電力；產(chǎn)生所述經(jīng)感測(cè)電力的表示；調(diào)制所述表示；及將所述經(jīng)調(diào)制的表示發(fā)射到所述初級(jí)側(cè)。
17.—種系統(tǒng),其包括 初級(jí)側(cè)控制器，其經(jīng)配置以 控制跨越電感耦合所發(fā)射的電力； 接收包括關(guān)于次級(jí)經(jīng)感測(cè)電力的參數(shù)的表示；以及 通過(guò)將所述參數(shù)應(yīng)用到電力損耗等式以確定次級(jí)經(jīng)感測(cè)電力對(duì)初級(jí)電力的效率而確定是否存在寄生金屬元件。
全文摘要
本發(fā)明揭示具有干擾檢測(cè)的無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)及方法，其檢測(cè)與放置得極靠近系統(tǒng)線圈的寄生金屬物體相關(guān)聯(lián)的可能過(guò)度的能量傳輸。將在所述系統(tǒng)的接收側(cè)上接收的電力與在初級(jí)側(cè)上消耗的電力進(jìn)行比較(610到640)。如果在所述初級(jí)側(cè)上消耗的電力大大超過(guò)在次級(jí)側(cè)上接收的電力，那么中斷電力傳輸(650、660)。如果在所述初級(jí)側(cè)上消耗的電力不超過(guò)在次級(jí)側(cè)上接收的電力，那么繼續(xù)電力傳輸(650、670)。
文檔編號(hào)H02J17/00GK103053093SQ201180038170
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月23日
發(fā)明者弗拉迪米爾·A·穆拉托夫, 埃里克·G·奧廷格 申請(qǐng)人:德州儀器公司