BR112017023029B1

BR112017023029B1 - Método de alocação de intervalos de tempo, transmissor de energia indutiva sem fio, e receptor de energia indutiva sem fio

Info

Publication number: BR112017023029B1
Application number: BR112017023029-1A
Authority: BR
Inventors: Andries Van Wageningen; Antonius Adriaan Maria Staring
Original assignee: Koninklijke Philips N.V
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2016-04-08
Publication date: 2022-11-01
Also published as: CN107534324B; EP3289661B1; US20180069430A1; JP2018511294A; ES2698394T3; TR201816630T4; RU2673457C1; JP6505247B2; US10396595B2; EP3289661A1; BR112017023029A2; WO2016173822A1; CN107534324A

Abstract

MÉTODO DE ALOCAÇÃO DE INTERVALOS DE TEMPO, TRANSMISSOR DE ENERGIA INDUTIVA SEM FIO, E RECEPTOR DE ENERGIA INDUTIVA SEM FIO. A presente invenção apresenta um método de alocação de intervalos de tempo de comunicação contidos em quadros de repetição para comunicação entre um transmissor de energia indutiva sem fio e ao menos dois receptores de energia indutiva sem fio, sendo que o transmissor de energia e os receptores de energia são dispostos para se comunicarem por meio de modulação e demodulação de um sinal de energia indutiva. O transmissor envia mensagens de sincronização que marcam o início dos intervalos de tempo e dos quadros de comunicação, e mensagens que indicam se um intervalo de tempo está livre para ser alocado. Um receptor pode enviar, durante um intervalo de tempo não alocado, uma mensagem ao transmissor solicitando alocação do intervalo de tempo de comunicação não alocado. O transmissor subsequentemente envia mensagens para indicar se a comunicação foi recebida com sucesso e se a solicitação de alocação foi concedida.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere a um método de alocação de intervalos de tempo de comunicação contidos em quadros de repetição para comunicação entre um transmissor de energia indutiva sem fio e ao menos dois receptores de energia indutiva sem fio. A invenção se refere adicionalmente a um transmissor de energia indutiva sem fio e um receptor de energia indutiva sem fio.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] A transferência de energia indutiva sem fio está se tornando cada vez mais popular. Nessa tecnologia, um dispositivo transmissor de energia gera um campo magnético que usa uma bobina primária. Um dispositivo receptor de energia obtém energia a partir desse campo magnético que usa uma bobina secundária, indutivamente acoplada à bobina primária por proximidade. Dessa forma, a energia é transferida sem nenhum contato elétrico. Tal tecnologia está padronizada no Wireless Power Consortium (Consórcio para Transmissão de Energia Sem Fio), e é conhecida sob o nome de Especificação Qi.

[003] Em uma aplicação exemplificadora dessa tecnologia, um telefone móvel age como o receptor de energia e tem uma bobina secundária integrada. Para carregar as baterias do telefone, este é colocado sobre a superfície de uma base de carregamento sem fio que tem uma bobina primária integrada. As duas bobinas são acopladas mediante posicionamento e alinhamento adequados, e a energia é transferida do carregador para o telefone por indução, sem o uso de fios. Assim, o telefone pode ser carregado sendo simplesmente colocado sobre uma superfície apropriada do carregador, sem a necessidade de conectar conectores e fios ao telefone. O carregamento de um telefone móvel ou de outro dispositivo portátil é uma aplicação de baixo consumo de energia, com uma potência típica de cerca de 1 a 5 watts transferida do transmissor para o receptor. As aplicações de transferência de energia indutiva sem fio de alto consumo de energia podem ser usadas para o cozimento de alimentos ou até para carregar um automóvel elétrico sem o uso de cabos.

[004] O padrão Qi para transferência de energia indutiva sem fio especifica uma interface de comunicação para a comunicação entre um transmissor de energia sem fio e um receptor de energia sem fio. Esse tipo de comunicação é necessário, entre outras coisas, para correlacionar adequadamente a transmissão de energia às características do dispositivo de recepção. Até o presente, esse tipo de comunicação foi especificado apenas para um único transmissor trabalhando com um único receptor. Apenas a comunicação receptor-transmissor é suportada, realizada por modulação de carga no lado do receptor. A modulação de carga leva à modulação da energia transmitida, a qual pode ser detectada no lado do transmissor como modulação da tensão ou corrente na bobina primária. Esse único receptor informa suas necessidades de energia, e o transmissor atende ao pedido. Isso é descrito, por exemplo, no documento WO 2014020464.

[005] Existe a necessidade de uma solução para a situação em que uma única bobina primária (ou múltiplas bobinas primárias operadas em série ou em paralelo) em um transmissor de energia é acoplada a múltiplas bobinas secundárias em múltiplos dispositivos receptores de energia. Isso pode ocorrer, por exemplo, no caso de uma base de carregamento maior capaz de acomodar diversos dispositivos portáteis simultaneamente.

[006] Sumário da invenção

[007] É um objetivo da invenção fornecer uma tecnologia de transferência de energia sem fio que possibilite a comunicação entre um único transmissor de energia indutiva sem fio e múltiplos receptores de energia indutiva sem fio. Os inventores perceberam que múltiplos receptores podem se comunicar individualmente com um único transmissor com o uso de modulação de carga, mas um receptor não será capaz de detectar a comunicação proveniente de um outro receptor, pelo fato de que o acoplamento entre as bobinas secundárias dos dois receptores é excessivamente fraco. Isso significa que um receptor não é capaz de “recuar” quando um outro receptor está se comunicando simultaneamente, pois o receptor simplesmente não consegue detectar que este é o caso. Portanto, é necessária uma abordagem na qual a comunicação a partir de múltiplos receptores seja separada para evitar colisões por múltiplos receptores ao se comunicarem simultaneamente, e que seja organizada sem a necessidade de uma comunicação específica, ou mesmo a detecção de uma comunicação, entre os receptores.

[008] Isso é possível, de acordo com um primeiro aspecto da invenção, mediante o uso de um método de alocação de intervalos de tempo de comunicação contidos em quadros de repetição para comunicação entre um transmissor de energia indutiva sem fio e ao menos dois receptores de energia indutiva sem fio, sendo que o transmissor de energia e os receptores de energia são dispostos para se comunicarem por meio de modulação e demodulação de um sinal de energia indutiva, sendo que o método compreende as etapas de:

[009] - enviar, por meio do transmissor, mensagens de sincronização que marcam o início dos intervalos de tempo e dos quadros de comunicação,

[010] - enviar, por meio do transmissor, antes do início de um intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem indicando que o intervalo de tempo de comunicação não alocado está livre para ser alocado,

[011] - enviar, por meio de um primeiro receptor, durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de solicitação de alocação para o transmissor para solicitar a alocação do intervalo de tempo de comunicação não alocado para o primeiro receptor,

[012] - enviar, por meio do transmissor, após o final do intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de situação de recepção indicando a recepção bem- sucedida de uma mensagem durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado,

[013] - enviar adicionalmente, por meio do transmissor, no caso da recepção bem-sucedida da mensagem de solicitação de alocação, uma mensagem de concessão indicando que a alocação solicitada foi concedida.

[014] Isso tem a vantagem de que os intervalos de tempo podem ser alocados a receptores de energia indutiva sem fio individuais, mesmo que os receptores não possam detectar a comunicação uns dos outros. A alocação é concedida pelo único transmissor de energia que é capaz de se comunicar com cada um dos receptores de energia, e que é, portanto, capaz de detectar também as colisões causadas por dois receptores ao se comunicarem simultaneamente.

[015] Em uma modalidade, a mensagem indicando que o intervalo de tempo de comunicação não alocado está livre para ser alocado é parte da mensagem de sincronização imediatamente anterior ao intervalo de tempo de comunicação não alocado. Em uma outra modalidade, a mensagem de situação de recepção e a mensagem de concessão são parte da mensagem de sincronização imediatamente posterior ao intervalo de tempo de comunicação não alocado. Isso tem a vantagem de que a comunicação permanece compacta e eficiente, o que é necessário, considerando-se as baixas taxas de fluxo de bits que podem ser alcançadas na prática por modulação do sinal de energia.

[016] Em uma outra modalidade, a duração das mensagens de sincronização que marcam o início dos intervalos de tempo e dos quadros de comunicação situa-se na faixa de 30 a 60 milissegundos. Em ainda outra modalidade, a duração dos intervalos de tempo de comunicação situa-se na faixa de 30 a 60 milissegundos. Isso tem a vantagem de tornar a abordagem de comunicação compatível com a especificação Qi de energia sem fio existente, que especifica uma duração da ‘janela de latência digital’ de 65 ms. Permanecer dentro dessa duração assegura que um transmissor de energia executando o protocolo acima pode também detectar e corretamente operar com um receptor de energia que é compatível apenas com a especificação já existente.

[017] De acordo com um segundo aspecto da invenção, o objetivo é alcançado por um transmissor de energia indutiva sem fio que compreende:

[018] - uma bobina primária para transferir um sinal de energia indutiva para ao menos dois receptores de energia indutiva sem fio,

[019] - um conversor de energia para fornecer energia à bobina primária,

[020] - uma unidade de modulação e demodulação de energia para modular e demodular o sinal de energia indutiva sem fio, e

[021] - uma unidade de comunicação e controle,

[022] sendo que a unidade de comunicação e controle é disposta para controlar a unidade de modulação e demodulação de energia para se comunicar com os receptores de energia indutiva sem fio em intervalos de tempo de comunicação contidos em quadros de repetição, e sendo que a unidade de comunicação e controle é adicionalmente disposta para executar o seguinte protocolo de comunicação:

[023] - enviar aos receptores mensagens de sincronização que marcam o início dos intervalos de tempo e dos quadros de comunicação;

[024] - enviar aos receptores, antes do início de um intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem indicando que o intervalo de tempo de comunicação não alocado está livre para ser alocado;

[025] - se um primeiro receptor de energia indutiva sem fio, durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado, enviar uma mensagem de solicitação de alocação solicitando alocação do intervalo de tempo de comunicação não alocado para o primeiro receptor, então receber a mensagem de solicitação de alocação;

[026] - enviar aos receptores, após o final do intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de situação de recepção indicando a recepção bem-sucedida de uma mensagem durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado;

[027] - se uma mensagem de solicitação de alocação foi recebida com sucesso durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado, então enviar adicionalmente aos receptores, após o final do intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de concessão indicando que a alocação solicitada foi concedida.

[028] O transmissor de energia indutiva sem fio da presente invenção tem a vantagem de que o mesmo pode alocar intervalos de tempo para receptores de energia indutiva sem fio individuais, mesmo que os receptores não possam detectar a comunicação uns dos outros. A alocação é concedida pelo transmissor de energia que é capaz de se comunicar com cada um dos receptores de energia, e que é, portanto, capaz de detectar também as colisões causadas por dois receptores ao se comunicarem simultaneamente.

[029] De acordo com um terceiro aspecto da invenção, o objetivo é alcançado por um receptor de energia indutiva sem fio que compreende:

[030] - uma bobina secundária para receber um sinal de energia indutiva sem proveniente de um transmissor de energia indutiva sem fio,

[031] - um conversor de energia para converter o sinal de energia em uma potência de saída,

[032] - uma unidade de modulação e demodulação de energia para modular e demodular o sinal de energia indutiva sem fio,

[033] - e uma unidade de comunicação e controle

[034] sendo que a unidade de comunicação e controle é disposta para controlar a unidade de modulação e demodulação de energia para se comunicar com um transmissor de energia indutiva sem fio, em intervalos de tempo de comunicação contidos em quadros de repetição, e adicionalmente disposta para executar o seguinte protocolo de comunicação:

[035] - receber do transmissor mensagens de sincronização que marcam o início dos intervalos de tempo e dos quadros de comunicação,

[036] - receber do transmissor, antes do início de um intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem indicando que o intervalo de tempo de comunicação não alocado está livre para ser alocado,

[037] - se o receptor precisar se comunicar com os transmissor, enviar ao transmissor, durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de solicitação de alocação para solicitar alocação do intervalo de tempo de comunicação não alocado para o receptor,

[038] - receber do transmissor, após o final do intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de situação de recepção indicando a recepção bem-sucedida de uma mensagem durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado,

[039] - receber do transmissor, no caso da recepção bem-sucedida da mensagem de solicitação de alocação, uma mensagem de concessão indicando que a alocação solicitada foi concedida.

[040] O receptor de energia indutiva sem fio da presente invenção tem a vantagem de que o mesmo pode solicitar e receber alocação de intervalos de tempo a partir de um transmissor de energia indutiva sem fio, e, assim, se comunicar sem colisão com outros receptores ao se comunicarem simultaneamente, mesmo que os receptores não possam detectar a comunicação uns dos outros. A alocação é concedida pelo transmissor de energia que é capaz de se comunicar com cada um dos receptores de energia, e que é, portanto, capaz de detectar também as colisões causadas por dois receptores ao se comunicarem simultaneamente.

[041] Esses e outros aspectos da invenção ficarão evidentes e serão elucidados com referência à(s) modalidade(s) descrita(s) mais adiante neste documento.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[042] Esses e outros aspectos do método e aparelho de acordo com a invenção ficarão evidentes e serão elucidados com referência às implementações e modalidades doravante descritas neste documento, e com referência aos desenhos anexos, que servem meramente como ilustrações específicas não limitadoras que exemplificam o conceito mais amplo.

[043] A Figura 1 ilustra uma base de carregamento com dois dispositivos móveis carregáveis;

[044] a Figura 2 ilustra um transmissor de energia e dois receptores de energia sem fio;

[045] a Figura 3 ilustra um transmissor de energia sem fio;

[046] a Figura 4 ilustra um receptor de energia sem fio;

[047] a Figura 5 ilustra um quadro compreendendo intervalos de tempo;

[048] a Figura 6 ilustra um quadro de comunicação compreendendo intervalos de sincronização;

[049] a Figura 7 ilustra um método de alocação de intervalos de tempo.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES

[050] A descrição a seguir concentra-se principalmente em modalidades da invenção aplicadas, por exemplo, ao carregamento sem fio das baterias de telefones móveis. Entretanto, deve-se compreender que a invenção não se limita a essa aplicação apenas, mas que pode ser empregada em muitos outros dispositivos como relógios de pulso inteligentes, tablets, laptops, barbeadores, escovas de dente elétricas, eletrodomésticos para cocção ou de cozinha, com potência nominal para transferência de energia na faixa de 1 a 5 watts para os dispositivos menores a valores muito mais altos.

[051] Ao longo deste documento, os transmissores de energia indutiva sem fio e receptores de energia indutiva sem fio são também simplesmente chamados de transmissor de energia e receptor de energia, ou apenas transmissor e receptor.

[052] A Figura 1 ilustra um exemplo de uma aplicação de energia sem fio. Dois dispositivos móveis 12 e 12a são colocados sobre uma base de carregamento sem fio 10. Essa base de carregamento é apenas um exemplo e pode ser fornecida em muitas formas, pode ser um dispositivo separado ou, por exemplo, ser parte de um painel de instrumentos de um automóvel, ou ser embutida em uma bancada de trabalho ou integrada em uma peça de mobília. A base de carregamento é equipada com uma única bobina primária 11, e age como um transmissor de energia indutiva sem fio. Os dispositivos móveis são, cada um, equipados com uma bobina secundária 13 e 13a, e agem como receptores de energia indutiva sem fio. A base de carregamento envia uma corrente alternada através da bobina primária, o que cria um campo magnético alternante. Esse campo magnético, por sua vez, induz nas duas bobinas secundárias uma tensão e corrente alternadas que podem ser retificadas e usadas para carregar as baterias dos dispositivos móveis. Assim, a energia é transferida do carregador para o dispositivo móvel sem fios, como um sinal de energia indutiva sem fio. O princípio é similar ao de um transformador tradicional, mas com um acoplamento muito mais fraco, e as duas bobinas residem em dispositivos separados.

[053] Geralmente, a quantidade de energia a ser transferida situa-se na faixa de potência de 1 a 5 watts ou mais, dependendo da aplicação e dos requisitos do receptor. Nessas aplicações, uma bobina secundária em um receptor de energia sem fio estará, geralmente, em uma faixa de tamanho adequada a um dispositivo portátil, digamos de 1 a 15 cm em diâmetro para dispositivos que variam desde relógios de pulso inteligentes a eletrodomésticos de cozinha. A bobina primária pode ter aproximadamente o mesmo tamanho, ou pode ser maior para acomodar múltiplos receptores, conforme ilustrado na Figura 1. Em vez de uma única e grande bobina primária, várias bobinas primárias em série ou em paralelo podem também ser utilizadas e operadas quase como uma única bobina.

[054] No exemplo da Figura 1, dois dispositivos móveis estão sendo carregados ao mesmo tempo. É bem possível que um dispositivo tenha requisitos de energia diferentes do outro, por exemplo, porque um dispositivo já se encontra completamente carregado e outro não, ou porque um dos dispositivos não é capaz de lidar com um nível de energia tão alto quanto o outro dispositivo. Ambos os dispositivos precisam ser capazes de informar suas necessidades de energia para a base de carregamento. Isso pode ser feito por modulação da energia transferida por meio de modulação de carga no lado do receptor: se um receptor variar a corrente através da bobina secundária, por exemplo, chaveando uma carga adicional como um resistor em série ou em paralelo, isso resultará também em uma modulação da corrente através da bobina primária, devido à indução mútua entre a bobina primária e a bobina secundária. Dessa forma, o receptor pode modular o sinal de energia indutiva sem fio. Essas modulações podem ser prontamente detectadas no transmissor de energia, e, desse modo, as mensagens codificadas em bits ou bytes podem ser transferidas do receptor de energia para o transmissor de energia. Entretanto, a indução mútua entre as duas bobinas secundárias 13 e 13a dos dois dispositivos móveis é muito baixa devido ao fraco alinhamento entre elas, e, portanto, os dois dispositivos móveis não podem se comunicar da mesma maneira; de fato, eles não são capazes de detectar se um outro dispositivo receptor está se comunicando. É possível, portanto, que os dois dispositivos tentem se comunicar simultaneamente com a base de carregamento, o que leva a erros de recepção da comunicação e a perda de ambas as mensagens. Simplesmente tentar novamente mais tarde não é uma solução aceitável, visto que alguns dados podem ser temporalmente críticos. Por exemplo, uma mensagem de que a energia precisa ser desligada imediatamente não deve ser muito postergada, uma vez que isso poderia potencialmente resultar em danos.

[055] Os inventores perceberam que é necessária uma solução que possibilite a comunicação rápida entre múltiplos receptores de energia indutiva sem fio e um único transmissor de energia indutiva sem fio. Como os receptores não podem se detectar mutuamente, não é possível para um receptor “perceber” que um outro receptor está se comunicando simultaneamente. Os inventores perceberam isso, e concluíram que a comunicação precisa ser coordenada pelo transmissor de energia, que é capaz de se comunicar com cada um dos receptores acoplados.

[056] A Figura 2 ilustra esquematicamente um único transmissor de energia indutiva sem fio 22 (PTx) acoplado a dois receptores de energia indutiva sem fio 23 e 23a (PRx). O transmissor de energia compreende uma bobina primária 25, e obtém energia de uma fonte de alimentação 21, que pode ser, por exemplo, a eletricidade da rede pública de energia. Os dois receptores de energia compreendem, cada um, uma bobina secundária, 26 e 26a, e transferem a energia que recebem para uma carga, 24 e 24a. Essa carga pode, por exemplo, ser uma bateria que precisa ser carregada, mas muitas outras opções são possíveis, por exemplo, um eletromotor pode ser alimentado, ou um elemento resistivo pode ser alimentado para propósitos de aquecimento.

[057] A Figura 3 mostra, esquematicamente, mais detalhes de um transmissor de energia indutiva sem fio. O transmissor compreende uma bobina primária 25 para transferir um sinal de energia indutiva sem fio para receptores de energia indutiva sem fio acoplados, e uma entrada para a energia fornecida pela fonte de alimentação 21. Adicionalmente, ele compreende um conversor de energia 31, uma unidade de modulação e demodulação de energia 32, e uma unidade de comunicação e controle 33.

[058] O conversor de energia 31 converte a energia de entrada recebida da fonte de alimentação 21 em um sinal de energia adequado para acionar a bobina primária. Por exemplo, ele pode converter uma energia de entrada de CA ou de CC em uma energia de CA de uma frequência adequada para a transferência de energia indutiva sem fio.

[059] A unidade de modulação/demodulação de energia 32 possibilita a comunicação com receptores acoplados mediante a modulação e demodulação do sinal de energia indutiva sem fio. Quando um receptor envia uma mensagem de comunicação mediante a modulação da corrente através de sua bobina secundária, conforme descrito acima, a corrente que flui através da bobina primária no transmissor também será modulada. Desse modo, o sinal de energia indutiva sem fio é modulado pelo receptor. Isso pode ser detectado ao se monitorar a corrente através da bobina primária ou a tensão na bobina primária da unidade de modulação/demodulação 32. As variações de tensão ou corrente são demoduladas e traduzidas em bits e bytes e interpretadas pela unidade de comunicação e controle 33.

[060] Para enviar uma mensagem de comunicação sob a forma de um padrão de bits ou bytes para um receptor, a unidade de modulação/demodulação 32 modula a corrente que flui através da bobina primária, modulando, assim, o sinal de energia indutiva sem fio sendo transferido, o que leva também a uma modulação na corrente através das bobinas secundárias devido à indução mútua. A modulação pode ser uma modulação de amplitude, a qual pode ser obtida, por exemplo, mediante o chaveamento de um resistor em série ou em paralelo com a bobina primária. Alternativamente, a modulação em frequência ou fase pode ser aplicada nos casos em que a frequência ou a fase da corrente de CA através da bobina primária é modulada, o que, novamente, pode ser detectado pelo receptor.

[061] A unidade de comunicação e controle 33 controla o conversor de energia e gerencia a comunicação em conjunto com a unidade de modulação e demodulação 32. Ela envia e recebe mensagens mediante o controle da unidade de modulação/demodulação e ela controla a operação do transmissor de energia. Por exemplo, ela pode enviar um pulso de energia indutiva curto, um ‘ping’, para verificar se há algum receptor presente. Se houver um receptor presente, ela poderá responder com uma mensagem indicando suas necessidades de energia. A unidade de comunicação e controle, ao receber essa mensagem, pode ativar a transmissão de energia continuamente, controlando o conversor de energia 31 para manter o nível necessário de energia. Quando o receptor não mais precisar de energia, por exemplo porque uma bateria está completamente carregada, esse fato será novamente informado mediante o envio de uma mensagem pelo receptor ao transmissor, e a unidade de comunicação e controle 33 irá, ao receber essa mensagem, desativar a transmissão de energia controlando o conversor de energia 31, pelo menos se nenhum outro dispositivo ainda precisar de energia.

[062] A Figura 4 mostra esquematicamente mais detalhes de um receptor de energia indutiva sem fio. O receptor compreende uma bobina secundária 26, e uma saída para a energia destinada a uma carga 24. Adicionalmente, ele compreende um conversor de energia 41, uma unidade de modulação e demodulação de energia 42, e uma unidade de comunicação e controle 43.

[063] O conversor de energia 41 converte o sinal de energia indutiva de CA recebido pela bobina secundária em uma potência de saída adequada para acionar a carga. Por exemplo, ele pode converter o sinal de energia recebido em uma energia de CA ou de CC adequada para a carga.

[064] A unidade de modulação/demodulação de energia 42 possibilita a comunicação com um transmissor de energia acoplado. Ela pode modular o sinal de energia indutiva sem fio por modulação de carga, conforme descrito acima. Quando um transmissor envia uma mensagem de comunicação mediante a modulação da amplitude do sinal de energia indutiva sem fio, conforme descrito acima, a corrente através da bobina secundária 26 no receptor também terá a amplitude modulada. Isso pode ser detectado ao se monitorar a corrente através da bobina secundária ou a tensão na bobina secundária da unidade de modulação/demodulação 42. As variações de tensão ou corrente são traduzidas em bits e bytes e interpretadas pela unidade de comunicação e controle 33. No caso em que o transmissor de energia usa modulação em frequência do sinal de energia para a comunicação, então a corrente através da bobina secundária no receptor também será modulada em frequência. Isso pode ser detectado ao se monitorar a frequência, por exemplo, mediante a detecção de transições por zero da corrente na bobina secundária, ou da tensão na bobina secundária, e a medição da duração de um ou mais ciclos.

[065] A unidade de comunicação e controle 43 controla o conversor de energia e gerencia a comunicação em conjunto com a unidade de modulação/demodulação. Ela envia e recebe mensagens mediante o controle da unidade de modulação/demodulação, e ela controla a operação do receptor de energia. Por exemplo, ela pode detectar um pulso de energia indutiva curto, um ‘ping’, enviado por um transmissor de energia para verificar se há algum receptor presente. Ela pode, então, responder com uma mensagem indicando suas necessidades de energia. Quando, subsequentemente, o transmissor de energia ativar a transmissão de energia continuamente, a unidade de comunicação e controle 43 engata o conversor de energia 41 para alimentar adequadamente a energia recebida em fio para a carga 24. Quando a carga não mais precisar de energia, por exemplo, porque a bateria está completamente carregada, a unidade de comunicação e controle no receptor de energia poderá enviar uma mensagem ao transmissor para indicar que não há mais necessidade de energia, e desengata o conversor de energia.

[066] As unidades de comunicação e controle 33 e 43 podem ser implementadas de muitas maneiras, como por meio de circuitos eletrônicos dedicados, matrizes de portas programáveis em campo, ou com microprocessadores e memória de propósitos gerais, configurados ou programados para executar os métodos e protocolos necessários para comunicação e controle de acordo com a invenção.

[067] Os inventores perceberam que a comunicação entre um transmissor de energia e um ou mais receptores de energia precisa ser coordenada pelo transmissor, visto que os receptores não são capazes de se comunicarem uns com os outros, ou mesmo detectar qualquer comunicação sendo feita por um outro receptor de energia. Portanto, um receptor de energia não é capaz de determinar por si só se o canal de comunicação está livre para uso, ou se já está ocupado por um outro receptor. Os inventores adotaram uma solução na qual a comunicação é gerenciada em intervalos de tempo, e na qual múltiplos intervalos de tempo estão contidos em quadros de comunicação que se repetem no tempo. O princípio geral é ilustrado na Figura 5. Nesse exemplo, um quadro 51 começa com um cabeçalho de quadro 52, e compreende N intervalos de tempo 53, identificados de S1 a SN. Aqui, N pode ser um número inteiro fixo, escolhido para ser pelo menos igual ao número máximo de receptores de energia com os quais um transmissor de energia é projetado para se comunicar. Por exemplo, se um máximo de 4 telefones móveis puderem ser acomodados em uma base de carregamento, conforme ilustrado na Figura 1, então N precisa ser pelo menos igual a 4. O valor de N pode também ser determinado, por exemplo, por um padrão.

[068] No cabeçalho de quadro, o transmissor de energia fará a comunicação, enquanto os intervalos S1 a SN são reservados para comunicação pelos receptores de energia. Para evitar comunicação simultânea pelos receptores, os intervalos de tempo precisam ser alocados a receptores individuais. Para possibilitar a alocação rápida, os quadros de comunicação de acordo com a invenção compreendem intervalos de tempo de sincronização adicionais, conforme ilustrado na Figura 6. Um quadro de comunicação 61 começa com um cabeçalho de quadro 62 e compreende n intervalos de tempo 64 identificados com S1 a SN. Cada intervalo de tempo 64 é precedido por um intervalo de tempo de sincronização 63 identificados com Sync1 a SyncN. Nessa abordagem, o cabeçalho de quadro 62 e os intervalos de tempo de sincronização 63 são usados para comunicação pelo transmissor de energia, e os intervalos de tempo 64 são usados para comunicação pelos receptores de energia. É possível omitir um cabeçalho de quadro separado, e, em vez disso, ter o primeiro intervalo de tempo de sincronização fornecendo a funcionalidade de cabeçalho de quadro.

[069] Durante os intervalos de tempo de sincronização o transmissor de energia envia uma mensagem de sincronização, um padrão de bits ou uma sequência de bits. Essas mensagens atendem a múltiplos propósitos. Primeiramente, elas marcam o início do próximo intervalo de tempo de comunicação para os receptores, e, dessa forma, mantêm a base de tempo para a comunicação. Em segundo lugar, a mensagem de sincronização compreende informações sobre a situação de alocação do próximo intervalo de tempo de comunicação. Se o próximo intervalo de tempo ainda não estiver alocado para um receptor, a mensagem indicará que o intervalo de tempo está livre para ser alocado. Se, por outro lado, o próximo intervalo de tempo estiver alocado para um receptor específico, a mensagem de sincronização indicará que o intervalo de tempo está alocado, e para qual receptor o mesmo está alocado. Em terceiro lugar, a mensagem de sincronização pode indicar o sucesso ou o fracasso da recepção pelo transmissor de energia de uma mensagem de comunicação no intervalo de tempo de comunicação anterior. Em quarto lugar, a mensagem de sincronização pode compreender uma resposta a uma mensagem recebida com sucesso no intervalo de tempo de comunicação anterior.

[070] Observe-se que na Figura 6, não há nenhum intervalo de sincronização após o último intervalo de tempo de comunicação SN. Em vez disso, o primeiro intervalo de tempo de sincronização no quadro seguinte pode servir para indicar a recepção bem-sucedida naquele intervalo.

[071] Quando um receptor de energia tem um intervalo de tempo a ele alocado, ele pode usar esse intervalo de tempo para enviar mensagens para o receptor de energia. Os outros receptores não usarão esse mesmo intervalo de tempo, pois o mesmo está marcado como sendo alocado.

[072] Se um dado receptor de energia, doravante chamado de primeiro receptor, precisar se comunicar, mas não tiver um intervalo de tempo a ele alocado, ele precisará solicitar alocação de um intervalo de tempo livre. Isso é ilustrado na Figura 7, que destaca um intervalo de tempo não alocado 72, identificado como Sn. No intervalo de tempo de sincronização anterior 71, identificado como Syncn, o transmissor de energia indicará a situação de alocação do intervalo de tempo Sn, que, neste exemplo, está livre para ser alocado. Durante o intervalo de tempo não alocado Sn, o primeiro receptor de energia enviará ao transmissor de energia uma mensagem de solicitação de alocação, solicitando que o intervalo Sn seja alocado a ele.

[073] No intervalo de tempo de sincronização seguinte 73, identificado como Sn+1, o transmissor de energia enviará uma mensagem indicando se uma mensagem foi recebida com sucesso durante o intervalo de tempo Sn. Se a solicitação de alocação for recebida com sucesso e o intervalo estiver livre, o transmissor de energia poderá conceder a alocação e enviar uma mensagem indicando a concessão de alocação do intervalo Sn para o primeiro receptor.

[074] Se, contudo, um segundo receptor tentar se comunicar também durante o intervalo de tempo Sn, por exemplo, porque também fez uma solicitação de alocação do mesmo intervalo de tempo, então as duas tentativas de comunicação irão interferir na bobina primária do transmissor de energia e nenhuma mensagem será recebida corretamente pelo transmissor de energia. O transmissor, portanto, enviará uma mensagem durante o intervalo de tempo de sincronização seguinte de que não houve recepção bem-sucedida de uma mensagem durante o intervalo de tempo Sn e nenhuma alocação será consequentemente concedida. Isso indica ao primeiro e segundo receptores que suas solicitações de alocação falharam e que eles devem tentar novamente obter uma alocação de intervalo de tempo. Para evitar a mesma colisão entre os dois receptores de energia que competem pela alocação do próximo intervalo de tempo, os receptores não farão nova tentativa imediatamente, mas aguardarão por vários intervalos. Certamente, os dois receptores precisarão aguardar períodos de durações diferentes ou a colisão se repetirá. Por exemplo, pode ser aplicado um período de aviso (semi)aleatório que reduz significativamente a probabilidade de uma colisão se repetir várias vezes.

[075] Se um receptor não usar o intervalo de tempo a ele alocado, a unidade de comunicação e controle 31 poderá decidir “desalocar” o intervalo de tempo. Ela poderá fazê-lo, por exemplo, depois que o intervalo de tempo alocado não tiver sido usado para comunicação pelo receptor em vários quadros consecutivos. O intervalo de tempo será, então, marcado como não alocado novamente e estará disponível para alocação aos receptores que o solicitarem.

[076] Os inventores perceberam que a duração da comunicação de intervalos de tempo descrita acima precisa ser selecionada com critérios. Devido à natureza dos métodos de modulação e à natureza dos dispositivos, a taxa de fluxo de bits alcançada na comunicação será baixa, e os intervalos de tempo não poderão ser escolhidos curtos demais. No padrão Qi para um único transmissor de energia trabalhando com um único receptor de energia, é necessário que um receptor responda dentro de 65 ms ao ‘ping’ de um transmissor, conforme descrito acima. Quando um receptor de energia sem fio detecta um transmissor de energia, deve ser possível estabelecer adequadamente dentro do período de 65 ms se o transmissor suporta a comunicação por intervalos de tempo ou se o mesmo é de um tipo mais antigo que não suporta. Assim, a duração de um intervalo de tempo de mensagem de sincronização 71 é, de preferência, escolhida em uma faixa de 30 a 60 ms. De preferência, o intervalo de tempo para a comunicação do receptor 72 também é escolhido na mesma faixa. Os inventores descobriram que um período de 50 ms funciona bem tanto para o intervalo de tempo de sincronização quanto para o intervalo de tempo de comunicação. Com essas limitações, um receptor sempre poderá detectar ao menos uma parte de uma mensagem de sincronização dentro dos 65 ms, e, dessa forma, determinar os recursos de comunicação do transmissor.

[077] Em geral, as taxas de fluxo de bits que podem obtidas por modulação na transferência de energia indutiva sem fio, conforme descrito, são baixas e apenas um número limitado de bits poderá ser enviado em um intervalo de tempo de sincronização. Isso exige codificação eficiente das informações a serem transmitidas, que incluem a recepção bem- sucedida de uma mensagem no intervalo de tempo de comunicação anterior, concessão ou rejeição de uma solicitação de alocação recebida no intervalo de tempo de comunicação anterior, e situação de alocação do próximo intervalo de tempo de comunicação. Isso pode, por exemplo, ser obtido por meio de uma codificação eficiente de 3 bits, conforme ilustrado na Tabela 1, onde pp indica uma resposta de 2 bits para o intervalo de tempo de comunicação anterior, e n indica uma situação de alocação do próximo intervalo de tempo de comunicação de 1 bit (e x é usado para indicar ‘qualquer’ valor de bit). Aqui, a mensagem é formada eficientemente por uma parte curta indicando um entendimento da situação da comunicação, combinada com uma parte curta que indica a disponibilidade do intervalo de tempo sucessivo.TABELA 1: EXEMPLO DE CODIFICAÇÃO DE MENSAGEM DE SINCRONIZAÇÃO

[078] Para se obter uma duração do intervalo de tempo de sincronização próxima de, mas que não exceda uma duração máxima escolhida, por exemplo 50 ms, pode ser usado um pequeno número de bits de preâmbulo. O número de bits de preâmbulo pode ser ajustado às condições de operação do sistema de transferência de energia sem fio, para se obter um intervalo de tempo de sincronização tão próximo quanto possível da duração escolhida.

[079] A Figura 8 mostra um típico método de alocação de intervalos de tempo de comunicação a receptores de energia sem fio que segue um protocolo, conforme descrito acima. Em uma primeira etapa 81, um transmissor de energia indutiva sem fio envia mensagens de sincronização para marcar o início dos intervalos de tempo de comunicação. Isso permite aos receptores de energia indutiva sem fio detectar a temporização dos quadros e intervalos de comunicação e se sincronizarem à sua temporização. Em uma próxima etapa 82, o transmissor de energia sem fio envia uma mensagem indicando a situação de alocação de um intervalo de tempo subsequente. Para um intervalo de tempo não alocado, essa mensagem indicará que o intervalo está livre para ser alocado. Essa mensagem precisa ser enviada antes do início desse intervalo de tempo não alocado.

[080] Em uma próxima etapa 83, um receptor de energia sem fio que precisa de um intervalo de tempo para sua comunicação, solicita a alocação desse intervalo de tempo, para que possa usá-lo para a comunicação em subsequentes quadros de comunicação. Isso ocorre durante o intervalo de tempo não alocado.

[081] Em uma próxima etapa 84, o transmissor de energia envia uma mensagem indicando se alguma comunicação foi recebida com sucesso durante o intervalo de tempo não alocado. Isso ocorre após o final do intervalo de tempo não alocado em questão. Se a mensagem de solicitação de alocação foi realmente recebida com sucesso, em uma próxima etapa 85 o transmissor de energia envia uma outra mensagem indicando que o intervalo de tempo está agora alocado ao receptor que o solicitou.

[082] Embora a invenção tenha sido ilustrada e descrita em detalhes nos desenhos e na descrição supracitada, tal ilustração e descrição devem ser consideradas ilustrativas ou exemplificadoras, e não restritivas; a invenção não se limita às modalidades reveladas. O simples fato de certas medidas serem mencionadas em reivindicações dependentes mutuamente diferentes não indica que uma combinação dessas medidas não possa ser usada com vantagem. De fato, muitas características podem ser combinadas, as quais o versado na técnica reconhecerá como mutuamente compatíveis, como as durações de vários intervalos de tempo e mensagens, a natureza das mensagens enviadas ou os níveis de energia indutiva transferida.

[083] Outras variações às modalidades reveladas podem ser compreendidas e realizadas pelos versados na técnica na prática da invenção reivindicada, a partir de um estudo dos desenhos, da revelação e das reivindicações anexas.

[084] Nas reivindicações, a expressão “que compreende” não exclui outros elementos ou outras etapas, e o artigo indefinido “um” ou “uma” não exclui uma pluralidade. Um único processador ou outra unidade pode executar as funções de vários itens mencionados nas reivindicações. Nenhum sinal de referência nas reivindicações deve ser interpretado como limitador do escopo da invenção.

Claims

1. MÉTODO DE ALOCAÇÃO DE INTERVALOS DE TEMPO, de comunicação contidos em quadros de repetição para comunicação entre um transmissor de energia indutiva sem fio (22) e ao menos dois receptores de energia indutiva sem fio (23), sendo que o transmissor de energia e os receptores de energia são dispostos para se comunicarem por meio de modulação e demodulação de um sinal de energia indutiva, sendo que o método é caracterizado por compreender as etapas de: - enviar, por meio do transmissor, mensagens de sincronização que marcam o início dos intervalos de tempo e dos quadros de comunicação, - enviar, por meio do transmissor, antes do início de um intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem indicando que o intervalo de tempo de comunicação não alocado está livre para ser alocado, - enviar, por meio de um primeiro receptor, durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de solicitação de alocação para o transmissor para solicitar a alocação do intervalo de tempo de comunicação não alocado para o primeiro receptor, - enviar, por meio do transmissor, após o final do intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de situação de recepção indicando a recepção bem-sucedida de uma mensagem de solicitação de alocação durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado, - enviar adicionalmente, por meio do transmissor, no caso da recepção bem-sucedida da mensagem de solicitação de alocação, uma mensagem de concessão indicando que a alocação solicitada foi concedida.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela mensagem indicando que o intervalo de tempo de comunicação não alocado está livre para ser alocado ser parte da mensagem de sincronização imediatamente anterior ao intervalo de tempo de comunicação não alocado.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pela mensagem de situação de recepção e a mensagem de concessão serem parte da mensagem de sincronização imediatamente posterior ao intervalo de tempo de comunicação não alocado.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo primeiro receptor, no caso de nenhuma mensagem de concessão ser enviada pelo transmissor em resposta à mensagem de solicitação de alocação, aguardar por um período de mais de um quadro antes de solicitar novamente a alocação de um intervalo de tempo de comunicação para o primeiro receptor.

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela duração das mensagens de sincronização que marcam o início dos intervalos de tempo e dos quadros de comunicação situarem-se na faixa de 30 a 60 milissegundos.

6. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pela duração dos intervalos de tempo de comunicação situar-se na faixa de 30 a 60 milissegundos.

7. TRANSMISSOR DE ENERGIA INDUTIVA SEM FIO (22), compreendendo: - uma bobina primária (25) para transferir um sinal de energia indutiva para ao menos dois receptores de energia indutiva sem fio (23), - um conversor de energia (31) para fornecer energia à bobina primária, - uma unidade de modulação e demodulação de energia (32) para modular e demodular o sinal de energia indutiva sem fio, e - uma unidade de comunicação e controle (33), sendo que a unidade de comunicação e controle é disposta para controlar a unidade de modulação e demodulação de energia para se comunicar com os receptores de energia indutiva sem fio em intervalos de tempo de comunicação contidos em quadros de repetição, e caracterizado pela unidade de comunicação e controle ser adicionalmente disposta para executar o seguinte protocolo de comunicação: - enviar aos receptores mensagens de sincronização que marcam o início dos intervalos de tempo e dos quadros de comunicação; - enviar aos receptores, antes do início de um intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem indicando que o intervalo de tempo de comunicação não alocado está livre para ser alocado; - se um primeiro receptor de energia indutiva sem fio, durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado, enviar uma mensagem de solicitação de alocação solicitando alocação do intervalo de tempo de comunicação não alocado para o primeiro receptor, então receber a mensagem de solicitação de alocação; - enviar aos receptores, após o final do intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de situação de recepção indicando a recepção bem-sucedida de uma mensagem de solicitação de alocação durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado; - se uma mensagem de solicitação de alocação foi recebida com sucesso durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado, então enviar adicionalmente aos receptores, após o final do intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de concessão indicando que a alocação solicitada foi concedida.

8. TRANSMISSOR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela unidade de comunicação e controle ser adicionalmente disposta para enviar uma mensagem indicando que o intervalo de tempo de comunicação não alocado está livre para ser alocado como parte da mensagem de sincronização imediatamente anterior ao intervalo de tempo de comunicação não alocado.

9. TRANSMISSOR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela unidade de comunicação e controle ser adicionalmente disposta para enviar uma mensagem indicando que o intervalo de tempo de comunicação não alocado está livre para ser alocado como parte da mensagem de sincronização que marca o início do quadro compreendendo o intervalo de tempo de comunicação não alocado.

10. TRANSMISSOR, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pela unidade de comunicação e controle ser adicionalmente disposta para enviar a mensagem de situação de recepção e a mensagem de concessão como parte da mensagem de sincronização imediatamente após o intervalo de tempo não alocado.

11. TRANSMISSOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 10, caracterizado pela duração das mensagens de sincronização que marcam o início dos intervalos de tempo e dos quadros de comunicação situar-se na faixa de 30 a 60 milissegundos.

12. TRANSMISSOR, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 11, caracterizado pela duração dos intervalos de tempo de comunicação situar-se na faixa de 30 a 60 milissegundos.

13. RECEPTOR DE ENERGIA INDUTIVA SEM FIO (23), compreendendo: - uma bobina secundária (26) para receber um sinal de energia indutiva sem proveniente de um transmissor de energia indutiva sem fio, - um conversor de energia (41) para converter o sinal de energia em uma potência de saída, - uma unidade de modulação e demodulação de energia (42) para modular e demodular o sinal de energia indutiva sem fio, - e uma unidade de comunicação e controle (43) sendo que a unidade de comunicação e controle é disposta para controlar a unidade de modulação e demodulação de energia para se comunicar com um transmissor de energia indutiva sem fio (22), em intervalos de tempo de comunicação contidos em quadros de repetição, e adicionalmente caracterizado pela unidade de comunicação e controle ser disposta para executar o seguinte protocolo de comunicação: - receber do transmissor mensagens de sincronização que marcam o início dos intervalos de tempo e dos quadros de comunicação, - receber do transmissor, antes do início de um intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem indicando que o intervalo de tempo de comunicação não alocado está livre para ser alocado, - se o receptor precisar se comunicar com os transmissor, enviar ao transmissor, durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de solicitação de alocação para solicitar alocação do intervalo de tempo de comunicação não alocado para o receptor, - receber do transmissor, após o final do intervalo de tempo de comunicação não alocado, uma mensagem de situação de recepção indicando a recepção bem-sucedida de uma mensagem de solicitação de alocação durante o intervalo de tempo de comunicação não alocado, - receber do transmissor, no caso da recepção bem- sucedida da mensagem de solicitação de alocação, uma mensagem de concessão indicando que a alocação solicitada foi concedida.

14. RECEPTOR, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado adicionalmente por ser disposto para aguardar por um período de mais de um quadro antes de solicitar novamente a alocação de um intervalo de tempo de comunicação para o primeiro receptor, no caso de nenhuma mensagem de concessão ser enviada pelo transmissor em resposta à mensagem de solicitação de alocação.