用於檢測、表徵以及跟蹤感應電力接收器的系統和方法
2023-10-27 06:04:52 2
用於檢測、表徵以及跟蹤感應電力接收器的系統和方法
【專利摘要】一種用於檢測、表徵以及跟蹤接近於感應充電器的感應充電錶面的感應電力接收器的系統和方法。一個或多個諧振器和一個或多個傳感器提供能夠被用來檢測、表徵以及跟蹤感應電力接收器的信息。諧振器能夠被配置成使用與諧振器相關聯的傳感器的量值或相位來確定遠程設備的位置。另外，通過監視感應電力發射器和諧振器，充電器能夠在如下情形之間進行區分：存在寄生金屬、存在遠程設備還是兩者都存在。
【專利說明】用於檢測、表徵以及跟蹤感應電力接收器的系統和方法
【背景技術】
[0001]有時被稱為感應充電器的感應電源可用來供應無線電力以對次級設備進行供電或充電。在某些已知感應電源中，通過將次級設備放置在充電錶面上來對其進行供電或充電。某些感應電源由於要求遠程設備相對於感應電源的特定放置和取向而限制了空間自由度。
[0002]在某些已知感應電源系統中，將單個初級線圈嵌入充電設備的充電錶面中並將單個次級線圈嵌入次級設備中。能夠從幹線輸入端向有時被稱為無線電源的充電設備提供電力。假設幹線輸入端提供AC電力，該電力能夠在幹線整流電路中被整流成DC電力，並且然後能夠在DC/DC電源中被調整。逆變器能夠以由控制器控制的頻率對DC電力進行切換以便生成跨感應儲能電路的AC信號以產生電磁場。儲能電路能夠包括初級線圈和初級電容器。次級設備能夠包括次級線圈和可選諧振電容器以接收電磁能。一旦在次級設備上接收到AC信號，該AC信號就能夠在整流電路中被整流成DC電力。從那裡，DC電力能夠直接對負載進行供電，或者在負載是電池的情況下，能夠使用該電力來對電池進行充電。可利用控制器來控制如何向負載施加電力或控制用於對電池進行充電的充電算法。在此類系統中，當線圈被中心到中心對準時以及當初級和次級線圈之間的間距減小時，電力傳輸效率通常得以增加。然而，緊密地一對一對準以便有效地傳送和發射電力這一要求限制了空間自由度並將充電器局限於每次一個次級設備情況下的操作。為了實現具有無線電力的表面，通常為用戶提供關於設備需要位於哪裡的信息。這能夠用磁對準特徵或者用迫使設備被置於某個位置上的不同機械引導件或用指導用戶正確地放置設備的圖形元素來完成。某些用戶想要更多的自由度以在充電設備的表面上到處移動次級設備。
[0003]一個感應充電器提供相鄰地布置在單個層中的線圈陣列。在該技術方案中，在充電錶面附近將許多初級線圈設置成陣列。其他感應充電器提供多層線圈陣列。通過使得兩層或更多層線圈被布置成使得一層上的繞組圖案的中心置於另一層上的相鄰繞組圖案之間的間隙上，能夠提供附加空間自由度。
[0004]某些感應充電器激勵陣列中的所有線圈，使得無論設備被放置在陣列上的什麼位置，其都能夠從充電器接收能量。某些陣列技術方案嘗試通過提供磁性吸引物以特別地將設備定位於充電錶面上而使得能夠利用單個線圈傳輸電力來繞過必須開啟大量的線圈。然而，磁性吸引物增加成本、複雜性，並且能降低電力傳輸系統的效率。還提出了各種人機工程對準技術方案，但這些輔助手段能破壞表面的美感、增加表面設計的複雜性並能影響可用性，因為對準可能仍然得不到保證。
【發明內容】
[0005]本發明提供一種用於檢測、表徵和跟蹤接近於感應充電器的感應充電錶面的感應電力接收器的系統和方法。感應充電器包括用於將電力傳輸至接近於感應充電錶面定位的感應電力接收器的一個或多個感應電力發射器。感應充電器還包括一個或多個諧振器和一個或多個傳感器，所述傳感器提供能夠用來檢測、表徵和跟蹤感應電力接收器的信息。[0006]一個或多個諧振器能夠被配置成使得I)在不存在感應電力接收器的情況下，驅動感應電力發射器不會在所述一個或多個諧振器中產生電流的顯著變化；以及2)在存在感應電力接收器的情況下，驅動感應電力發射器會在所述一個或多個諧振器中產生電流的顯著變化。在一個實施例中，使一個或多個諧振器偏移一個或多個感應電力發射器，以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比被大幅減小。在另一實施例中，將一個或多個諧振器遠離一個或多個感應電力發射器定位，以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比被大幅減小。在另一實施例中，將一個或多個諧振器與一個或多個感應電力發射器屏蔽。在又一實施例中，感應充電器包括偏移諧振器、遠程諧振器以及被屏蔽諧振器的組合。在每個實施例中，當驅動所述一個或多個感應電力發射器並將其耦合到感應電力接收器時，則感應電力接收器耦合到一個或多個諧振器以產生顯著電流。
[0007]在一個實施例中，通過監視一個或多個諧振器中的電力的特性，系統能夠檢測感應電力接收器何時已被接近於感應充電錶面放置，因為感應電力接收器在被放置時耦合到一個或多個諧振器並在所述一個或多個諧振器中感生電流。然而，當一塊金屬被接近於感應充電錶面放置時，金屬中的感生電流不會使到諧振器的場永久存在。因此，在金屬被接近於感應充電錶面放置時，諧振器傳感器能夠在不產生假正電(false positive)的情況下通過監視諧振器中的電力的特性來檢測何時感應電力接收器被接近於感應充電錶面放置。此夕卜，通過監視感應電力發射器中的電力的特性和諧振器中的電力的特性，感應充電器能夠區分如下情況的檢測:存在感應電力接收器、存在金屬或者存在感應電力接收器和金屬兩者。
[0008]在另一實施例中，通過測量一個或多個諧振器中的電力的一個或多個特性，能夠表徵感應電力接收器。表徵感應電力接收器能夠包括確定感應電力接收器的位置、確定感應電力接收器的邊界、確定感應電力接收器的形狀、確定感應電力接收器的尺寸、確定感應電力接收器的維度、確定感應電力接收器的取向以及確定關於感應電力接收器的其他特性。另外，能夠在表徵中測量和利用一個或多個感應電力發射器中的電力的一個或多個特性。
[0009]能夠通過分析一個或多個諧振器中的電力的特性的量值(magnitude)來確定感應電力接收器的位置。電力的特性的量值表示從感應電力接收器穿透諧振器的通量的量。因此，感應電力接收器距離給定諧振器越近，則量值越高。
[0010]在某些情況下，可能難以確定感應電力接收器是大體上鄰近於諧振器還是基本上與之重疊。通過收集關於一個或多個諧振器相對於一個或多個感應電力發射器的電力的特性的相位信息，系統能夠確定感應電力接收器是大體上鄰近於諧振器還是基本上與之重疊。該信息能夠用來幫助表徵感應電力接收器。電力的特性的相位表示從感應電力接收器穿透諧振器的大多數通量的方向。因此，在諧振器與一個或多個感應電力發射器同相的情況下，大多數感應電力接收器與諧振器重疊。在諧振器與一個或多個感應電力發射器不同相的情況下，大多數感應電力接收器與諧振器不重疊。
[0011]感應充電器能夠動態地配置布置在陣列中的多個電感器，所述電感器有時被稱為線圈。取決於系統是如何配置的，某些電感器能夠是感應電力發射器，某些能夠是諧振器，並且某些能夠是開路。在某些實施例中，某些電感器能夠被永久地配置為諧振器或感應電力發射器，而其他電感器能夠是可動態配置的。通過動態地配置電感器陣列，能夠快速地檢測、表徵或跟蹤感應電力接收器。在一個實施例中，復用器將電感器連接到驅動器、基準電壓或將其保持作為開路而斷開連接的狀態。當電感器被連接到基準電壓時，其變成諧振器，而當電感器被連接到驅動器時，其變成感應電力發射器。
[0012]備選地，感應充電器可具有專用電力傳輸線圈，並且使用諧振線圈來感測遠程設備是否適當地與電力傳輸線圈對準。可使用諸如單導體線繞式線圈、表面安裝電感器或由PCB材料製成的印刷電感器之類的低成本線圈來構造諧振線圈。感應充電器可使用設備位置信息來調整電力傳輸特性，比如當設備未被對準時減小最大可允許電力。感應充電器還可向用戶顯示關於諸如OLED顯示器或簡單的LED陣列之類的遠程設備的當前對準的信息。感應充電器還可向遠程設備提供對準信息且遠程設備可確定在遠程設備的顯示系統上向用戶顯示該對準信息。該信息可通過線圈作為已調製電力信號來傳送，或者可通過諸如藍牙或WiFi這樣的備選數據通信信道來傳送。
[0013]在不同實施例中，傳感器能夠位於不同的位置。在一個實施例中，每個電感器與其自己的傳感器相關聯。在備選實施例中，將一個傳感器放置在復用器與驅動器之間而將另一傳感器放置在復用器與基準電壓之間。
[0014]在另一備選實施例中，使用兩個或更多驅動器，以使得多個感應電力接收器能夠同時接收電力。為了將陣列中的線圈配置為諧振線圈，開啟驅動器的一個場效應電晶體並將其保持在開啟狀態，以將線圈連接到基準電壓。這允許線圈是諧振線圈，而且允許多個設備被單獨地供電，這是因為兩個或更多驅動器能夠連接到完全可選擇陣列。
[0015]在一個實施例中，一旦已知感應電力接收器的位置，系統就能夠跟蹤該感應電力接收器的移動。隨著感應電力接收器朝著或遠離諧振器移動，感應電力接收器與諧振器之間的耦合相應地增加或減少。通過周期性地獲取對於每個諧振器的測量結果，能夠跟蹤感應電力接收器的移動。此外，系統能夠使用移動信息來動態地將電感器在諧振器、感應電力發射器以及開路之間切換以便最有效地向感應電力接收器提供電力。例如，如果諧振器中的電流增加到某個級別，則感應電力接收器可能已移動至距離遠到足以應配置和選擇新的感應電力發射器或感應電力發射器組的地步。
[0016]備選地，感應電力接收器可以可選地激活其線圈以從遠程設備向充電底座(base)發射電力。充電底座然後能夠分析發射和諧振線圈中的電流的特性以確定遠程設備位置。
[0017]通過參考對實施例和附圖的描述，本發明的這些及其他特徵將得到更充分地理解和領會。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1示出具有全部被耦合到次級設備的感應電力接收器的三個感應電力發射器和一個諧振器的感應充電器的表不圖。
[0019]圖2示出其中將一個線圈配置為感應電力發射器並將三個相鄰線圈配置為諧振器的三層線圈陣列。
[0020]圖3示出放置於在感應電力發射器和諧振器附近的陣列上的感應電力接收器。
[0021]圖4示出感應充電器電路的一部分的一個實施例，其中復用器將一個或多個線圈(每個具有專用傳感器)選擇性地連接到驅動器或地線。[0022]圖5示出具有被放置在驅動器與復用器之間以及在基準電壓與復用器之間的傳感器的感應充電器電路的一部分的另一實施例。
[0023]圖6示出感應充電器電路的一部分的另一實施例，其中，兩個驅動器被連接到復用器，每個驅動器具有專用傳感器。
[0024]圖7示出其中將兩個線圈配置為諧振器並將一個線圈配置為感應電力發射器的代表性三個線圈陣列。
[0025]圖8示出用於感應充電系統的電路的一部分，其中，每個線圈具有專用線圈驅動器和傳感器。
[0026]圖9示出圖7的三個線圈陣列，其中在陣列上放置有感應電力接收器。
[0027]圖10示出圖7的三個線圈陣列，其中在陣列上放置有不同的感應電力接收器。
[0028]圖11示出其中將一個線圈配置為感應電力發射器並將另一線圈配置為遠程諧振器的三層線圈陣列。
[0029]圖12示出放置在圖11陣列上的感應電力接收器。
[0030]圖13示出感應電力發射器、接收器以及四個專用諧振器。
[0031]圖14示出發射器與四個諧振器之間的相位關係。
[0032]圖15示出圖14中所示的實施例的示例性圖示。
[0033]圖16示出圖15中所示的實施例的備選圖示。
[0034]圖17示出單個諧振器的備選圖示，其中，提供串聯諧振電容器以增強性能。
[0035]圖18示出感應電力發射器和遠程設備。
[0036]圖19示出遠程設備正被放置在感應電力發射器上，但是其電力接收線圈與感應電力發射器的電力發射線圈不對準。指引用戶行動裝置的LED被顯示為照亮。
【具體實施方式】
[0037]圖1中示出根據本發明的實施例的感應充電系統。該感應充電系統包括產生電磁場以向次級設備無線地傳輸電力的感應充電器100。感應充電器能夠包括各種初級電路102，將在下面對其進行更詳細論述。通常，初級電路能夠包括一個或多個感應電力發射器104、一個或多個諧振器106、用於激勵一個或多個感應電力發射器104的驅動器108、一個或多個傳感器(未示出)以及控制器110。次級設備112能夠包括負載和各種次級電路114，也將在下面對其進行更詳細論述。次級設備的示例能夠包括行動電話、平板計算機、膝上型計算機或需求電力的任何其他設備。通常，次級電路114能夠包括一個或多個感應電力接收器116、負載120以及用於調節由感應電力接收器接收到的感應電力的電路118。基於傳感器，感應充電系統能夠進行檢測、表徵、跟蹤感應電力接收器中的至少一個操作。
[0038]參考圖2-3，示出根據本發明的實施例的線圈陣列。圖7中示出根據本發明的另一實施例的另一線圈陣列。線圈陣列能夠是多層線圈陣列，如下面所論述的，並且如在對於Baarman等人的在2010年4月8日提交的美國公開專利申請號2010/0259217中詳細地公開的那樣，該專利申請被整體地通過引用結合到本文中。線圈陣列能夠是相反纏繞線圈陣列，其中，兩個或更多共軸和間隔開的在其之間產生協作(cooperative)磁通量區域。在相反纏繞線圈陣列中，能夠將具有感應電力接收器的設備接近於協作磁通量區域放置以從非接觸式電源接收無線電力，並且能夠繞著公共軸在交替的方向上纏繞間隔開的初級線圈並對其同相地進行驅動，或者能夠繞著公共軸在單個方向上纏繞並相互異相約180度地對其進行驅動。在對於Norconk等人的2011年4月28日提交的美國專利申請號61/479926中詳細地公開了相反纏繞線圈陣列，其被通過引用結合到本文中。
[0039]線圈陣列提供其中能夠放置一個或多個遠程設備以便接收無線電力的充電錶面。在圖2中，提供多層線圈陣列，其中，每個線圈偏移一個半徑長度，並且以直接地一個在另一個之上的堆疊配置的方式被布置。在該例示中線圈被示為一般環形形狀，其通常表示螺旋形線圈。然而應理解的是，線圈幾何結構、繞組的匝數、導線直徑以及基本上線圈的任何其他物理屬性可根據應用而改變。線圈還能被稱為繞組或電感器。在備選實施例中，線圈可偏移不同的量。例如，在其中將多個線圈同時地選擇成感應電力發射器的實施例中，不同的偏移距離可能更適當。此外，在備選實施例中，陣列和形狀和尺寸能根據期望的應用而改變。例如，在備選實施例中，線圈可跨單個層或兩個交錯層伸展。
[0040]線圈陣列能夠是選擇性可配置的。在圖4-6中所描述的每個實施例中，感應充電器包括驅動器、線圈陣列、復用器以及控制器，該控制器被編程為選擇性地I)將陣列中的一個或多個線圈配置成感應電力發射器，該感應電力發射器能夠被驅動器激勵以非接觸地向放置在充電錶面上的設備中的感應電力接收器傳輸電力；2)通過將線圈選擇性地連接到公共基準而將陣列中的一個或多個線圈配置成諧振器；以及3)將陣列中的一個或多個線圈配置成處於開路配置。選擇性地將線圈配置為感應電力發射器或諧振器的能力允許能夠跨整個充電錶面對次級設備進行檢測、表徵、跟蹤以及供電。
[0041]備選地，可將諧振器配置為固定諧振器，其可僅僅是檢測遠程設備與感應電源之間的耦合的變化的電感器。諧振器可以可選地具有諧振電容器以創建諧振電路。諧振點可基本上在發射器的工作頻率附近，或者可基本上接近於遠程設備的諧振頻率。可將感應電源配置為向用戶提供對準信息。
[0042]諧振器可通過整流器來驅動LED 1500、1502、1504、1506，比如圖15中所示的電路那樣，或者微控制器可使用傳感器來檢測諧振器中的電流並使用該信息來向用戶顯示對準信息，比如圖16中所示的電路那樣。顯示器可以是被布置成向用戶顯示方向信息的若干LED 1800，比如圖18中所示的LED。圖19示出遠程設備112正被放置在感應電力發射器100上，但是其中其電力接收線圈116與感應電力發射器100的電力發射線圈104不對準。指引用戶行動裝置的LED 1900被顯示為照亮。
[0043]備選地，感應電源可通過通信信道向遠程設備提供對準信息。通過感應電力信號的調製，此通信信道可以是諸如藍牙或Wifi這樣的單獨RF通信信道或諸如紅外這樣的光通信信道。
[0044]每個諧振器被配置成使得I)在不存在耦合到諧振器的感應電力接收器的情況下，驅動感應電力發射器不會在諧振器中產生電流的顯著變化；以及2)在存在耦合到諧振器的感應電力接收器的情況下，驅動感應電力發射器會在諧振器中產生電流的顯著變化。該諧振器配置能夠以多種不同的方式來實現，比如通過使諧振器從感應電力發射器偏移、將諧振器遠離感應電力發射器定位或者將諧振器與感應電力發射器屏蔽。在一個實施例中，感應充電器包括偏移諧振器、遠程諧振器以及被屏蔽諧振器的組合。
[0045]在另一實施例中，將一個或多個諧振器遠離一個或多個感應電力發射器定位，以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比被大幅減小。例如，如圖11中所示，可將諧振器充分地遠離感應電力發射器定位，使得當驅動感應電力發射器時，在諧振器中產生很少、甚至沒有電流。通過如圖12中所示的那樣放置感應電力接收器116以使得感應電力接收器能夠耦合到感應電力發射器和遠程諧振器兩者，從而感應電力發射器能夠在遠程諧振器中產生電流變化。
[0046]在另一實施例中，將一個或多個諧振器與一個或多個感應電力發射器屏蔽。為了使感應電力發射器在遠程諧振器中產生電流變化，感應電力接收器耦合到感應電力發射器和遠程諧振器兩者。也就是說，將諧振器與感應電力發射器屏蔽，而不與感應電力接收器屏蔽。
[0047]返回參考圖2，在不存在感應電力接收器的情況下用交流電對感應電力發射器進行供電時，在相鄰諧振器中感生很少、甚至沒有電流。然而，當感應電力接收器被放置於線圈陣列上且使用交流電對感應電力發射器進行供電時，在感應電力接收器中感生交流電並且在該感應電力接收器中感生的交流電又在該感應電力接收器與之耦合的任何諧振器中感生電流。通過測量在諧振器中感生的電力的電流或其他特性，感應充電器能夠確定設備是否已被放置在陣列上，並且還能夠表徵該設備。例如，如果感應電力接收器被直接放置在感應電力發射器之上，則在相鄰諧振器中感生的電流增加，但並非顯著的量。然而，如果感應電力接收器被直接放置在諧振器之上，則在該諧振器中的感生電流增加相對顯著的量。因此，通過分析傳感器輸出，感應充電器能夠確定是否感應電力接收器已被接近於諧振器放置且能夠表徵該設備。
[0048]能夠由諧振器傳感器測量的電力的特性能夠包括電流、電壓、功率或電力的任何其他特性。測量結果能夠是量值、相位、平均值、峰值、均方根值或電力的特性的任何其他類型的測量結果。
[0049]表徵的類型和表徵的準確性能夠根據不同的應用而廣泛地改變。在某些實施例中，能夠基於從諧振器收集的信息來確定感應電力接收器的精確坐標、取向、節距、偏航以及維度。在備選實施例中，可確定設備的大體定位和邊界。通常，可用的諧振器傳感器輸出越多，則表徵能夠越精確。雖然從諧振器收集的信息能夠在表徵感應電力接收器方面有幫助，但其還可在表徵次級設備本身時有用。
[0050]在其中期望更準確的表徵的實施例中，能夠利用附加技術來增加解析度(resolution)。例如，可利用三角測量以利用來自附加諧振器的附加數據點來確定位置。或者，在其他情況下，可利用線圈幾何結構信息來輔助表徵。在一個實施例中，表徵過程能夠說明多層線圈陣列中的各層之間的垂直距離，使得能夠更容易地比較來自不同層中的諧振器的信息。在其他實施例中，不同層中的諧振器之間的垂直距離對查驗(Ping)的結果不具有顯著的影響，並且能夠忽略。
[0051]除從諧振器傳感器收集的信息之外，還能夠從在初級電路中的其他地方的感應電力發射器或從次級設備本身獲得附加信息。該信息能夠與諧振器信息相結合地被用來表徵感應電力接收器，或者，備選地，該信息能夠被用來檢驗基於諧振器信息的感應電力接收器的表徵。例如，能夠通過感測感應電力發射器中的電力的特性(比如電流、電壓或功率)來獲得信息。如同諧振器傳感器的情況一樣，測量結果能夠是量值、相位、平均值、峰值、均方根值或電力的特性的任何其他類型的測量結果。
[0052]在此過程期間還可將除定位之外的其他因素也考慮在內。例如，如果被連接到感應電力接收器的遠程設備需要比一個感應電力發射器可提供的電力更多的電力，則可利用附加感應電力發射器來增加輸送到負載的電力的總量。或者如果存在寄生負載，比如位於充電錶面上的一塊金屬，則控制器可識別該寄生負載，並且然後選擇激活更加遠離該寄生負載的線圈，但是仍能夠向感應電力接收器提供電力。這些僅僅是在關於要激活線圈陣列中的哪些線圈的決策中作為能夠被包括進去的因素的其他信息的兩個示例。
[0053]系統能夠利用位置信息來確定將激勵哪些線圈和多少線圈以便向次級設備傳輸電力。通過開啟線圈的不同組合作為感應電力發射器，能夠使磁場的位置在充電錶面周圍移位。
[0054]為了檢測或表徵感應電力接收器，能夠將控制器編程為在短時間段內激勵感應電力發射器。在備選實施例中，能夠在短時間段內同時地激勵多個感應電力發射器。然後能夠使用傳感器來確定是否存在感應電力接收器以及在感應電力接收器在附近的情況下該感應電力接收器位於何處。以這樣的方式，通過激勵感應電力發射器，能夠檢測接近於感應電力發射器或任何所選諧振器的感應電力接收器。由於減小了感應電力發射器與諧振器之間的耦合比，所以當在不存在感應電力接收器的情況下驅動感應電力發射器時，在諧振器中將感生很少甚至沒有電流。然而，當感應電力接收器被放置在其耦合到感應電力發射器和諧振器兩者的位置時，在諧振器中將感生電流。也就是說，感應電力發射器中的交流電在感應電力接收器中感生電流，其又在諧振器中感生電流，即使諧振器未被直接耦合到感應電力發射器。
[0055]備選地，遠程設備可激活其線圈並從該遠程設備向感應電源傳輸少量的能量。感應電源可讀取電力發射線圈或諧振線圈或兩者中的電力的特性。一旦感應電源檢測到正在向線圈施加電力，則其以相同的方式使用傳感器信息來檢測遠程設備的位置和特性。可將遠程設備配置成通過單獨的通信信道與感應電源通信以確定何時其可足夠接近而開始向其線圈施加電力。備選地，可為遠程設備配置用戶輸入端，使得用戶可提示遠程設備向其線圈施加電力。
[0056]在一個實施例中，當激勵感應電力發射器時,能夠使用感應電力發射器中的傳感器來感測來自次級負載的反射阻抗。例如，感應電力發射器中的電流傳感器將顯示電流根據是否存在次級線圈和該次級線圈與諧振器的距離而改變。該過程能被稱為查驗。在查驗期間，還能夠從一個或多個諧振器中的傳感器收集信息。例如，能夠從相鄰諧振器中的傳感器收集信息，其提供關於比感應電力發射器中的傳感器能夠提供的更大的充電錶面面積的信息。因此，通過利用諧振器，能夠從能夠用來快速地檢測和表徵感應電力接收器的單個查驗獲得多個數據點。例如，根據單個查驗，可能可使得系統對感應電力接收器的精確位置、尺寸以及形狀進行確定。
[0057]在一個實施例中，用於在線圈陣列的充電錶面中搜索感應電力接收器的方法包括配置線圈陣列以使得一個線圈是感應電力發射器且陣列中的多個其他線圈是諧振器，用感應電力發射器進行的查驗包括從與每個諧振器相關聯的傳感器收集信息，並且響應於該信息而I)對陣列進行重配置，使得一個不同的線圈是感應電力發射器，並且陣列中的不同的多個線圈是諧振器，或者2)基於信息來表徵感應電力接收器，基於該表徵來將陣列中的一個或多個線圈配置成是感應電力發射器，並且向感應電力接收器供應電力。以這樣的方式，能夠使用單個查驗來不僅搜索接近於感應電力發射器的區域，而且能夠搜索接近於諧振器的區域。
[0058]返回參考圖4，感應充電器包括將線圈連接到半橋驅動器、基準電壓(在這種情況下為地線)或將它們置於開路的復用器。當選擇線圈並將其連接到基準電壓時，該電路變為諧振電路。在圖4實施例中，每個線圈具有單獨的傳感器400、402、404，使得當該線圈被連接為諧振器或感應電力發射器時，其能夠提供關於感應電力接收器的信息。
[0059]參考圖5，在該實施例中，線圈仍通過使用復用器被選擇，並且其能夠仍被連接至半橋驅動器或基準電壓，比如地線。然而，在該實施例中，將電流傳感器500、502放置在復用器與驅動器之間以及復用器與基準電壓之間。在其中僅存在一個諧振器的配置中，該配置提供較低成本且較簡單的配置。在將使用小於可選擇陣列中的線圈數目的預定義數目的諧振器的情況下，能夠基於復用器連接來提供電流傳感器而不是為每個線圈提供單獨的電流傳感器。
[0060]參考圖6，在該實施例中，能夠利用兩個或更多半橋驅動器而不僅僅是一個。為了將陣列中的線圈配置為諧振線圈，能夠將半橋驅動器的一個場效應電晶體開啟並使其保持為開啟狀態，使得到該驅動器的復用器連接導致將線圈連接到基準電壓(在這種情況下，+V或地線)。這允許第二驅動器被選擇性地配置成被用作基準電壓，或者當具有多個驅動器是有利的時被用為驅動器，例如在存在同時需求電力的兩個感應電力接收器的情況下。儘管所例示實施例描述兩個驅動器，但可添加附加驅動器以提供同時地對甚至更多的感應電力接收器進行供電的能力。還可將附加驅動器配置成使得經由復用器連接的附加線圈是諧振器。在備選實施例中，復用器可將線圈連接到多個驅動器和一個或多個基準電壓。以這樣的方式，可根據手邊的應用而將感應充電器動態地配置成動態地提供更多的諧振器或被更多地感應供電的發射器。
[0061]如上所提及的，圖7示出三個線圈陣列。類似於圖2中所示的較大陣列，圖7陣列被布置成使得每個線圈偏移一個半徑長度，並且以直接地一個在另一個之上的堆疊配置的方式被布置。在當前實施例中，中心線圈被配置為感應電力發射器而兩個外線圈被配置為諧振器。當接收器被以一定偏移放置在陣列上時(如圖9中所示)，其被耦合到被供電發射線圈和上諧振線圈兩者。次級的也變成被負耦合到下諧振線圈。與下線圈的耦合比的絕對值小於感應電力接收器與上諧振線圈之間的耦合比的絕對值。通過觀察所有三個線圈中的電力的特性(諸如電流)，包括振幅和相位，能夠確定設備位置。圖13示出具有感應電力發射器、接收器以及四個專用諧振器的備選實施例。圖14示出發射器與四個諧振器之間的示例性相位關係。
[0062]圖8描述用於諸如圖7中所示的那個的感應充電器的電路圖的一部分的一個實施例。在該實施例中，提供了三個半橋驅動器而不是使用復用器，每個半橋驅動器專用於一個線圈。為了將兩個外線圈配置為諧振線圈，開關S2和S4被開啟。在此配置中，每個電路(感應電力發射器、諧振器以及感應電力接收器)的諧振頻率被調諧至同一頻率。這允許感應電源在短時間段內施加少量的電力並仍在感應電力接收器(和諧振器)中感生電流。備選地，能夠將電路調諧至兩個或更多不同的諧振頻率。在此類配置中，在感應電力發射器和諧振器中的傳感器測量結果可大幅改變，即使感應電力接收器被同樣地耦合到每一個。在檢測或表徵過程中能夠說明這些變化。感應充電器使用傳感器800、802、804來測量感應電力發射器的振幅(該振幅通常在存在次級的情況下減小)以及每個諧振器的振幅和相位。該信息能夠被存儲在存儲器中。能夠分析該信息以檢測、表徵以及跟蹤感應電力接收器。備選地或另外地，能夠足夠長地對感應電力發射器進行供電以使次級負載加電並開始接收通信。圖17示出具有單個諧振器的次級設備的備選圖示，其中，提供串聯諧振電容器1700以增強性倉泛。
[0063]以示例的方式，圖9示出具有被放置為覆蓋諧振器中的一個Lrt並覆蓋感應電源發射器Lt的感應電力接收器Ls的三個線圈陣列。能夠對感應電力發射器Lt進行查驗，並且能夠將對來自諧振器Lrt、Lr2中的傳感器和來自感應電力發射器Lt中的傳感器的查驗的響應存儲在存儲器中。給定圖9中的次級設備的位置，對關於諧振器Lrt的查驗的響應將相對高於對關於L2的查驗的響應，因為感應電力接收器跟其與諧振器Lrf相比，與諧振器Lrt更緊密地對準。對關於感應電力發射器Lt中的傳感器的查驗的響應將相對類似於對關於諧振器Lrt的查驗的響應，因為感應電力接收器Ls覆蓋諧振器Lrt的面積與其覆蓋感應電力發射器Lt的面積的量大約相同。在查驗響應中能夠存在某些預期差異，例如由於是諧振器或感應電力發射器或者由於線圈的Z位置所引起，然而，在過程中能夠說明那些差異。在此方案中，系統能夠確定感應電力發射器Lt和諧振器Lrt被同樣地耦合到接收器，並且感應電力接收器Ls並未延伸至諧振器L2的頂部之上。
[0064]基於諧振器信息來確定感應電力接收器的位置能夠以多種方式來實現。例如，能夠利用相對傳感器測量結果來提供感應電力接收器的位置的相當準確的描繪。測量結果的相對值越高，諧振器越接近於感應電力接收器。在備選實施例中，能夠將每個傳感器測量結果與閾值值進行比較。如果傳感器測量結果高於閾值值，則可斷定感應電力接收器足夠接近於該諧振器，使得其能夠被配置為感應電力發射器。閾值對於不同的應用和不同的線圈而言可改變。閾值能夠在製造時被設定，或者基於由感應充電器在使用期間收集的信息來動態地改變，通過傳感器的使用或者在某些實施例中經由通過通信系統接收到的信息。在另一實施例中，可利用相對測量結果和閾值的組合來表徵感應電力接收器。在不能肯定地對感應電力接收器的位置進行定位的情況下，能夠利用諧振器中的測量結果來確定哪個或哪些線圈接下來應是諧振器和感應電力發射器。例如，在除兩個之外的所有諧振器中的測量結果都接近於零且在其他兩個諧振器中存在低測量結果的情況下，控制器能夠將具有低測量結果的諧振器的方向上的線圈配置成是感應電力發射器和諧振器。以這樣的方式，可能的是可快速地檢測和表徵感應電力接收器。
[0065]作為對比示例，圖10示出具有被放置為覆蓋諧振器中的一個Lrt、覆蓋感應電源發射器Lt並覆蓋另一諧振器L2的一部分的感應電力接收器Ls2的三個線圈陣列。能夠對感應電力發射器Lt進行查驗，並且能夠將對來自諧振器Lr1、Lr2中的傳感器和來自感應電力發射器Lt中的傳感器的查驗的響應存儲在存儲器中。給定圖10中的次級設備的位置，對關於諧振器Lrt的查驗的響應將相對高於對關於L2的查驗的響應，因為感應電力接收器跟其與諧振器L2相比，與諧振器Lrt更緊密地對準。如圖9示例的情況一樣，對關於感應電力發射器Lt中的傳感器的查驗的響應將相對類似於對關於諧振器Lrt的查驗的響應，因為感應電力接收器Ls覆蓋諧振器Lrt的面積與其覆蓋感應電力發射器Lt的面積的量大約相同。對關於圖9中的諧振器L1^2的查驗的響應和對關於圖10中的諧振器L1^2的查驗的響應可以是類似的，儘管存在在一個示例中感應電力接收器大體上鄰近於諧振器I^2 (圖9)而在另一示例中感應電力接收器大體上與諧振器Lrf重疊(圖10)這一事實。在每個示例中，這能夠用耦合比來解釋。在圖9中，耦合比是正的，但是在圖10中，耦合比是負的。由於電流的量值測量結果並未說明耦合比的符號，所以在某些情況下，量值並不足以確定感應電力接收器的尺寸是否。然而，通過測量諧振器的相位，能夠確定耦合比，並且控制器能夠確定感應電力接收器是否如在圖9中一樣僅僅較小且鄰近於諧振器，或者感應電力接收器是否如在圖10中一樣正覆蓋諧振器的一部分。
[0066] 以上描述是本發明的當前實施例的描述。在不脫離如在隨附權利要求中限定的、要根據包括等同原理的專利法的原則所解釋的本發明的精神和更寬泛方面的情況下，能做出多種替代和修改。任何以例如使用冠詞「一」、「一個」、「該」之類的單數形式或「所述」這樣的方式來提及請求保護的要素不被解釋為將該要素局限於單數。
【權利要求】
1.一種感應充電器，用於檢測接近於感應充電錶面的感應電力接收器的位置，所述感應充電器包括: 一個或多個諧振器； 一個或多個可驅動感應電力發射器，用於向接近於所述感應充電錶面定位的感應電力接收器傳輸電力，其中，所述感應充電器被配置成使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合被大幅減小；以及 一個或多個諧振器傳感器，每個諧振器傳感器產生指示所述一個或多個諧振器中的電力的特性的傳感器輸出。
2.根據權利要求1所述的感應充電器，其中 所述一個或多個諧振器中的每個被配置成使得 在存在感應電力接收器的情況下驅動所述一個或多個感應電力發射器與通過在不存在感應電力接收器的情況下驅動所述一個或多個感應電力發射器而產生的基準相比，在所述一個或多個傳感器中的至少一個中產生傳感器輸出變化。
3.根據權利要求1所述的感應充電器，其中，通過使所述一個或多個諧振器偏移所述一個或多個感應電力發射器以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值，從而所述耦合被大幅減小。
4.根據權利要求1所述的感應充電器，其中，通過使所述一個或多個諧振器遠離所述一個或多個感應電力發射器定位以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值，從而所述耦合被大幅減小。
5.根據權利要求1所`述的感應充電器，其中，通過使所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器屏蔽以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值，從而所述耦合被大幅減小。
6.根據權利要求1所述的感應充電器，其中，所述一個或多個諧振器中的每個是偏移所述一個或多個電力發射器、遠離所述一個或多個電力發射器定位以及與所述一個或多個電力發射器屏蔽中的至少之一，以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值。
7.根據權利要求1所述的感應充電器，包括一個或多個電力發射器傳感器，每個電力發射器傳感器產生指示所述一個或多個電力發射器中的電力的特性的電力發射器傳感器輸出， 其中，在存在傳導對象的情況下驅動所述一個或多個感應電力發射器在所述一個或多個電力發射器傳感器中的至少一個中產生高於閾值的電力發射器傳感器輸出變化，並在所述一個或多個諧振器傳感器中的每個中產生低於閾值的穩定傳感器輸出， 由此，所述電力發射器傳感器輸出和所述諧振器傳感器輸出的組合指示如下情形中的至少之一:存在感應電力接收器、存在金屬以及同時存在感應電力接收器和金屬。
8.根據權利要求1所述的感應充電器，其中，所述一個或多個傳感器中的每個產生指示所述諧振器中的電力的特性的量值的傳感器輸出，其指示感應電力接收器的位置。
9.根據權利要求1所述的感應充電器，其中，所述一個或多個傳感器中的每個產生指示所述諧振器中的電力的特性的相位的傳感器輸出，其指示感應電力接收器的位置。
10.根據權利要求8所述的感應充電器，其中，所述電力的特性的所述相位指示感應電力接收器是否是如下情形中的至少之一:與所述一個或多個諧振器相鄰和與所述一個或多個諧振器重疊。
11.根據權利要求1所述的感應充電器，包括多個選擇性可配置電感器，其中，所述選擇性可配置電感器中的每個選擇性地能配置為至少所述一個或多個電力發射器中的之一、所述一個或多個諧振器中的之一和開路。
12.根據權利要求11所述的感應充電器，響應於確定感應電力接收器的位置，在所述感應電力接收器的位置附近的所述多個選擇性可配置電感器中的之一被配置為電力發射器。
13.根據權利要求1所述的感應充電器，包括多個電感器，其中，所述電感器中的每個被固定為所述一個或多個電力發射器中的之一或所述一個或多個諧振器中的之一。
14.根據權利要求1所述的感應充電器，包括在所述感應充電器上用來向用戶顯示對準信息的顯示器。
15.根據權利要求1所述的感應充電器，包括用於向遠程設備提供要在所述遠程設備上顯示的對準信息的通信信道。
16.一種用於檢測接近於感應充電器的感應電力接收器的位置的感應充電系統，所述感應充電系統包括: 感應電力接收器，包括: 第一可驅動感應電力發射器，用於從所述感應電力接收器向所述感應充電器發射電力； 感應電力接收器，用於從感應充電器接收電力； 感應充電器，包括: 一個或多個諧振器； 第二可驅動感應電力發射器，用於向接近於所述感應充電錶面定位的所述感應電力接收器傳輸電力，其中，所述感應充電器被配置成使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合被大幅減小；以及 一個或多個傳感器，每個傳感器產生指示所述一個或多個諧振器中的電力的特性的傳感器輸出。
17.根據權利要求16所述的感應充電系統，其中，所述一個或多個諧振器中的每個被配置成使得從所述感應電力接收器接收到的電力與閾值相比在所述一個或多個傳感器中的至少一個中產生傳感器輸出變化。
18.根據權利要求16所述的感應充電系統，其中，通過使所述一個或多個諧振器偏移所述第二可驅動感應電力發射器以使得所述一個或多個諧振器與所述第二感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值，從而所述耦合被大幅減小。 18.根據權利要求16所述的感應充電系統，其中，通過使所述一個或多個諧振器遠離所述第二可驅動感應電力發射器定位以使得所述一個或多個諧振器與所述第二感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值，從而所述耦合被大幅減小。
19.根據權利要求16所述的感應充電系統，其中，通過使所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應充電器感應電力發射器屏蔽以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值，從而所述耦合被大幅減小。
20.根據權利要求16所述的感應充電系統，其中，所述一個或多個諧振器中的每個是偏移所述一個或多個感應充電器電力發射器、遠離所述一個或多個感應充電器電力發射器定位以及與所述一個或多個感應充電器電力發射器屏蔽中的至少之一，以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值。
21.根據權利要求16所述的感應充電系統，其中，所述一個或多個傳感器中的每個產生指示所述諧振器中的電力的特性的量值的傳感器輸出，其指示感應電力接收器的位置。
22.根據權利要求16所述的感應充電系統，其中，所述一個或多個傳感器中的每個產生指示所述諧振器中的電力的特性的相位的傳感器輸出，其指示感應電力接收器的位置。
23.根據權利要求22所述的感應充電系統，其中，所述電力的特性的所述相位指示感應電力接收器是否是如下情形中的至少之一:與所述一個或多個諧振器相鄰和與所述一個或多個諧振器重疊。
24.根據權利要求16所述的感應充電系統，包括多個選擇性可配置電感器，其中，所述選擇性可配置電感器中的每個選擇性地能配置為至少所述一個或多個電力發射器中的之一、所述一個或多個諧振器中的之一和開路。
25.根據權利要求24所述的感應充電系統，響應於確定感應電力接收器的位置，在所述感應電力接收器的位置附近的所述多個選擇性可配置電感器中的之一被配置為電力發射器。
26.根據權利要求16所述的感應充電器，包括多個電感器，其中，所述電感器中的每個被固定為所述一個或多個電力發射器中的之一或所述一個或多個諧振器中的之一。
27.根據權利要求16所述的感應充電器，包括在所述感應充電器上用來向用戶顯示對準信息的顯示器。
28.根據權利要求16所述的感應充電器，包括用於向遠程設備提供要在所述遠程設備上顯示的對準信息的通信信道。
29.一種感應充電系統，包括: 遠程設備，具有: 一個或多個感應電力接收器； 感應充電器，具有: 一個或多個諧振器； 一個或多個可驅動感應電力發射器，用於向接近於所述感應充電器定位的所述感應電力接收器傳輸電力，其中，所述感應充電器被配置成當所述遠程設備接近於所述感應充電器定位時，減小所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合，而不會大幅改變所述感應電力接收器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合。
30.根據權利要求29所述的感應充電系統,包括一個或多個傳感器,每個傳感器產生指示所述一個或多個諧振器中的電力的特性的傳感器輸出。
31.根據權利要求29所述的感應充電系統，其中，所述一個或多個諧振器中的每個被配置成使得 在存在感應電力接收器的情況下驅動所述一個或多個感應電力發射器與通過在不存在感應電力接收器的情況下驅動所述一個或多個感應電力發射器而產生的基準相比，在所述一個或多個傳感器中的至少一個中產生傳感器輸出變化。
32.根據權利要求29所述的感應充電系統，其中，通過使所述一個或多個諧振器偏移所述一個或多個感應電力發射器以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值，從而所述耦合被減小。
33.根據權利要求29所述的感應充電系統，其中，通過使所述一個或多個諧振器遠離所述一個或多個感應電力發射器定位以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值，從而所述耦合被減小。
34.根據權利要求29所述的感應充電系統，其中，通過使所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器屏蔽以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值，從而所述耦合被大幅減小。
35.根據權利要求29所述的感應充電系統，其中，所述一個或多個諧振器中的每個是偏移所述一個或多個電力發射器、遠離所述一個或多個電力發射器定位以及與所述一個或多個電力發射器屏蔽中的至少之一，以使得所述一個或多個諧振器與所述一個或多個感應電力發射器之間的耦合比低於預定耦合比閾值。
36.根據權利要求29所述的感應充電系統,包括一個或多個電力發射器傳感器，每個電力發射器傳感器產生指示所述一個或多個電力發射器中的電力的特性的電力發射器傳感器輸出， 其中，在存在金屬的情況下驅動所述一個或多個感應電力發射器在所述一個或多個電力發射器傳感器中的至少一個中產生高於閾值的電力發射器傳感器輸出變化，並在所述一個或多個諧振器傳感器中的 每個中產生低於閾值的穩定傳感器輸出， 由此，所述電力發射器傳感器輸出和所述諧振器傳感器輸出的組合指示如下情形中的至少之一:存在感應電力接收器、存在金屬以及同時存在感應電力接收器和金屬。
37.根據權利要求30所述的感應充電系統，其中，所述一個或多個傳感器中的每個產生指示所述諧振器中的電力的特性的量值的傳感器輸出，其指示感應電力接收器的位置。
38.根據權利要求30所述的感應充電系統，其中，所述一個或多個傳感器中的每個產生指示所述諧振器中的電力的特性的相位的傳感器輸出，其指示感應電力接收器的位置。
39.根據權利要求38所述的感應充電系統，其中，所述電力的特性的所述相位指示感應電力接收器是否是如下情形中的至少之一:與所述一個或多個諧振器相鄰和與所述一個或多個諧振器重疊。
40.根據權利要求29所述的感應充電系統，包括多個選擇性可配置電感器，其中，所述選擇性可配置電感器中的每個選擇性地能配置為至少所述一個或多個電力發射器中的之一、所述一個或多個諧振器中的之一和開路。
41.根據權利要求29所述的感應充電系統，響應於確定感應電力接收器的位置，在所述感應電力接收器的位置附近的所述多個選擇性可配置電感器中的之一被配置為電力發射器。
42.根據權利要求29所述的感應充電系統，包括多個電感器，其中，所述電感器中的每個被固定為所述一個或多個電力發射器中的之一或所述一個或多個諧振器中的之一。
43.根據權利要求29所述的感應充電系統，包括在所述感應充電器上用來向用戶顯示對準信息的顯示器。
44.根據權利要求29所述的感應充電系統，包括用於向所述遠程設備提供對準信息的通信信道，所述遠程設備包括用來向用戶顯示對準信息的顯示器。
45.根據權利要求29所述的感應充電系統，其中，所述遠程設備被配置成從位於遠程設備內的一個或多個線圈向充電底座供應電力。
46.根據權利要求45所述的感應充電系統，其中，所述充電底座被配置成通過檢測諧振器傳感器的輸出的量值來確定遠程設備的位置。
47.根據權利要求29所述的感應充電系統，其中，所述諧振器被耦合到LED顯示器，其中，由於到遠程設備的互耦合而被耦合到所述一個或多個諧振器中的電流促使一個或多個LED點亮。
48.根據權利要求47所述的感應充電系統，其中，LED被配置到引導箭頭的顯示器中以向用戶提供對準信息。
49.根據權利要求48所述的感應充電系統，其中，LED陣列被配置成使得位於線圈的一側的諧振器向位於陣列的相對側的LED提`供耦合電流。
【文檔編號】H02J7/02GK103636098SQ201280028659
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年6月8日 優先權日:2011年6月10日
【發明者】B.C.梅斯, D.W.巴曼 申請人:捷通國際有限公司