BR112018001067B1

BR112018001067B1 - Transmissor de energia sem fio indutiva, receptor de energia sem fio indutiva e método de detectar objetos estranhos

Info

Publication number: BR112018001067B1
Application number: BR112018001067-7A
Authority: BR
Inventors: Andries Van Wageningen; Antonius Adriaan Maria Staring
Original assignee: Koninklijke Philips N.V.
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2022-11-08
Also published as: JP6458198B2; US20180219416A1; ZA201801161B; MX2018000848A; EP3326258B1; WO2017012979A1; EP3326258A1; TR201902932T4; RU2018106250A3; RU2018106250A; RU2713466C2; US10897154B2; CN108112279A; JP2018520630A; BR112018001067A2; CN108112279B

Abstract

TRANSMISSOR DE ENERGIA SEM FIO INDUTIVA, RECEPTOR DE ENERGIA SEM FIO INDUTIVA E MÉTODO DE DETECTAR OBJETOS ESTRANHOS. A presente invenção refere-se a um transmissor de energia sem fio indutiva para transmitir um sinal de energia sem fio indutiva a pelo menos dois receptores de energia sem fio indutiva. O transmissor de energia coordena comunicação com os receptores de energia em intervalos de tempo. O mesmo aloca um intervalo de tempo de medição para medição sincronizada de energia pelo transmissor de energia e os receptores de energia. Durante o intervalo de tempo de medição, o transmissor de energia mede a quantidade de energia que transmite. Após o final do intervalo de tempo de medição, o mesmo recebe, a partir dos receptores de energia, as quantidades medidas de energia recebida. A partir da energia transmitida e da energia recebida medidas, o mesmo determina uma quantidade de energia perdida. Se a quantidade de energia perdida exceder um valor-limite, o mesmo reduz a energia do sinal de energia sem fio indutiva.

Description

Campo da invenção

[001] A presente invenção se refere a um transmissor de energia sem fio indutiva, a um receptor de energia sem fio indutiva e a um método para determinar a perda de energia em um sistema de transferência de energia sem fio indutiva.

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 de recepção de energia usa energia a partir desse campo magnético com o uso de uma bobina secundária, acoplada indutivamente à bobina primária de maneira bastante próxima. 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 exemplificativa dessa tecnologia, um telefone móvel age como um receptor de energia e tem uma bobina secundária integrada. Para carregar a bateria do telefone; ele é colocado sobre a superfície de uma base de carregamento sem fio que tem uma bobina primária integrada. As duas bobinas são acopladas por posicionamento adequado do telefone na base de carregamento, e uma potência é transferida do carregador para o telefone de maneira sem fio por indução. 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. 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 no WO2014020464.

[005] Quando um objeto metálico está presente nas proximidades de um transmissor de energia, o campo magnético da bobina primária pode induzir correntes parasitas no objeto, o que faz com que ele se aqueça. Se a temperatura do objeto se tornar alta demais, isso pode causar queimaduras de pele mediante contato. Um método para evitar isso é detectar tais objetos estranhos ao se determinar perdas de energia, conforme descrito nos documentos nos WO 2012127335 e US 2013/0307348 A1. Tanto o receptor de energia quanto o transmissor de energia medem suas energias, e o receptor comunica sua energia recebida medida ao transmissor de energia. Quando o transmissor de energia detecta uma diferença significativa entre a energia enviada pelo transmissor e a energia recebida pelo receptor, determina-se que um objeto estranho pode estar presente e a transferência de energia deve ser reduzida ou abortada por motivos de segurança.

[006] As soluções descritas acima funcionam somente para um transmissor de energia e um único receptor de energia. Existe a necessidade de uma solução para a detecção de objetos estranhos em uma 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 que pode acomodar vários dispositivos portáteis simultaneamente, transferindo energia para múltiplos dispositivos em paralelo, conforme descrito no documento no US 2010/0181961 A1.

Sumário da invenção

[007] É um objetivo da invenção fornecer uma tecnologia de transferência de energia sem fio indutiva que possibilite a detecção de objetos estranhos por um único transmissor de energia sem fio indutiva que transfere energia para múltiplos receptores de energia sem fio indutiva. Os inventores perceberam que múltiplos receptores de energia podem se comunicar individualmente com um único transmissor de energia com o uso de modulação de carga, mas um receptor de energia não será capaz de detectar qualquer comunicação proveniente de um outro receptor, pelo fato de que o acoplamento indutivo entre as bobinas secundárias dos dois receptores é excessivamente fraco. Além disso, os inventores perceberam que, devido ao fato da comunicação entre um transmissor de energia sem fio indutiva e múltiplos receptores de energia sem fio indutiva ocorrer por modulação do sinal de energia, tal comunicação pode interferir com quaisquer medições de energia realizadas no processo para detectar objetos estranhos. Portanto, necessita-se de uma nova abordagem em que a comunicação entre um único transmissor de energia e os múltiplos receptores de energia, assim como as medições de energia, sejam coordenados pelo transmissor e organizados de forma que possibilite a realização de medições confiáveis de energia pelo transmissor de energia, bem como pelos receptores de energia.

[008] Isso é alcançado, de acordo com um primeiro aspecto da invenção, por um transmissor de energia sem fio indutiva para transmitir um sinal de energia sem fio indutiva com uma energia de pelo menos 2 watt para pelo menos dois receptores de energia sem fio indutiva, o que compreende

[009] - uma bobina primária para transmitir o sinal de energia sem fio indutiva,

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

[011] - uma unidade de medição de energia para determinar uma quantidade de energia sem fio indutiva transmitida pelo transmissor de energia,

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

[013] - uma unidade de controle e coordenação de comunicação,

[014] a unidade de controle e coordenação de comunicação é disposta de modo a controlar a unidade de demodulação e modulação de energia para coordenar comunicações com os pelo menos dois receptores de energia sem fio indutiva em intervalos de tempo presentes em quadros de comunicação repetidos, e sendo que a unidade de controle e coordenação de comunicação é adicionalmente disposta de modo a:

[015] - alocar um intervalo de tempo de medição de energia para medições sincronizadas de energia e anunciar o intervalo de tempo de medição de energia para os receptores de energia sem fio,

[016] - ativar a unidade de medição de energia para determinar a quantidade de energia indutiva transmitida pelo transmissor de energia durante o intervalo de tempo de medição de energia,

[017] - após o intervalo de tempo de medição de energia, receber, a partir de cada um dos receptores de energia sem fio uma mensagem indicando uma quantidade de energia indutiva recebida por aquele receptor de energia durante o intervalo de tempo de medição de energia, e

[018] - a partir da quantidade determinada de energia transmitida e das quantidades determinadas de energia recebida, calcular uma quantidade de energia perdida,

[019] sendo que o transmissor de energia sem fio indutiva é adicionalmente disposto para reduzir a energia do sinal de energia sem fio indutiva se a quantidade de energia perdida calculada exceder um valor-limite.

[020] Esse transmissor de energia tem a vantagem de poder usar o método de perda de energia para estabilizar a presença de objetos estranhos em um sistema com múltiplos receptores de energia acoplados a um único transmissor de energia sem fio. Devido ao fato da medição de energia e as comunicações serem completamente coordenadas e sincronizadas, as medições de energia podem ser realizadas com precisão tanto pelo transmissor de energia quanto pelos receptores de energia. A redução de energia quando o limite de perda de energia é excedido tem a vantagem de evitar aquecimento indevido de objetos estranhos quando a presença de tal objeto tiver sido detectada.

[021] Em uma outra modalidade, a duração do intervalo de tempo de medição de energia está na faixa de 30 a 60 milissegundos. Isso oferece a vantagem da compatibilidade com transmissores de energia sem fio mais antigos.

[022] De acordo com um segundo aspecto da invenção, o objeto é alcançado por um receptor de energia sem fio indutiva para receber um sinal de energia sem fio indutiva com a energia de pelo menos 2 watt a partir de um transmissor de energia sem fio indutiva em um sistema de transferência de energia sem fio que compreende pelo menos um receptor de energia sem fio indutiva adicional, que compreende

[023] - uma bobina secundária para receber o sinal de energia sem fio indutiva,

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

[025] - uma unidade de medição de energia para determinar a quantidade de energia sem fio indutiva recebida pelo receptor de energia,

[026] - e uma unidade de controle e comunicação

[027] sendo que a unidade de controle e comunicação é disposta de modo a controlar a unidade de demodulação e modulação de energia para se comunicar com o transmissor de energia sem fio indutiva, em intervalos de tempo de comunicação presentes em quadros de comunicação repetidos e que são coordenados pelo transmissor de energia sem fio indutiva, e sendo que a unidade de controle e comunicação é disposta adicionalmente para:

[028] - receber a partir do transmissor de energia sem fio indutiva um anúncio de um intervalo de tempo de medição de energia alocado para medições sincronizadas de energia.

[029] - ativar a unidade de medição de energia para determinar uma quantidade de energia indutiva recebida pelo transmissor de energia durante o intervalo de tempo de medição de energia,

[030] - após o intervalo de tempo de medição de energia enviar para o transmissor de energia sem fio uma mensagem indicando a quantidade de energia indutiva recebida, para uso pelo transmissor de energia sem fio em uma detecção de objetos estranhos com base em uma quantidade de energia perdida calculada no sistema de transferência de energia sem fio.

[031] Isso apresenta a vantagem de que o receptor de energia coopera com o transmissor de energia sem fio para usar o método de perda de energia para estabelecer a presença de objetos estranhos em um sistema com múltiplos receptores de energia acoplados a um único transmissor de energia sem fio. Devido ao fato da medição de energia e as comunicações serem completamente coordenadas e sincronizadas, as medições de energia podem ser realizadas com precisão tanto pelo transmissor de energia quanto pelos receptores de energia.

[032] De acordo com um terceiro aspecto da invenção, o objeto é alcançado por um método de detectar objetos estranhos ao determinar uma perda de energia em um sistema de transferência de energia indutiva sem fio que compreende um transmissor de energia sem fio indutiva para transmitir um sinal de energia sem fio indutiva com a energia de pelo menos 2 watt e pelo menos dois receptores de energia sem fio indutiva para receber o sinal de energia sem fio indutiva, sendo que o transmissor de energia e os receptores de energia são dispostos para se comunicarem por meio de modulação e demodulação do sinal de energia sem fio indutiva, sendo que a comunicação é proporcionada em intervalos de tempo e coordenada pelo transmissor de energia, sendo que o método compreende as etapas de:

[033] - o transmissor de energia alocar um intervalo de tempo de medição de energia sincronizado e enviar uma mensagem aos receptores de energia anunciando o intervalo de tempo de medição de energia sincronizado,

[034] - o transmissor de energia medir, durante o intervalo de tempo de medição de energia, a energia sem fio indutiva transmitida pelo transmissor de energia,

[035] - cada um dos receptores de energia medir, durante o intervalo de tempo de medição de energia, uma energia sem fio indutiva recebida por aquele receptor de energia,

[036] - cada um dos receptores de energia enviar, após o intervalo de tempo de medição de energia, uma mensagem para o transmissor de energia indicando a energia medida recebida por aquele receptor de energia,

[037] - o transmissor de energia calcular a perda de energia a partir da energia sem fio indutiva medida transmitida pelo transmissor de energia e as energias sem fio indutivas medidas recebidas por cada um dos receptores de energia,

[038] - o transmissor de energia reduzir a energia do sinal de energia sem fio indutiva se a perda de energia calculada exceder um valor-limite.

[039] Isso apresenta a vantagem do transmissor de energia e os receptores de energia cooperarem, sob o controle do transmissor de energia, para usar o método de perda de energia, o que possibilita a detecção de objetos estranhos. Devido ao fato da medição de energia e as comunicações serem completamente coordenadas e sincronizadas, as medições de energia podem ser realizadas com precisão tanto pelo transmissor de energia quanto pelos receptores de energia. A redução de energia quando o limite de perda de energia é excedido tem a vantagem de evitar aquecimento indevido de objetos estranhos quando a presença de tal objeto tiver sido detectada.

Breve descrição dos desenhos

[040] 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.

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

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

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

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

[045] a Figura 5 ilustra um quadro de comunicação que compreende intervalos de tempo;

[046] a Figura 6 ilustra um quadro de comunicação que compreende um intervalo de medição;

[047] a Figura 7 ilustra um quadro de comunicação que compreende um intervalo de medição e intervalos de tempo de sincronização;

[048] a Figura 8 ilustra um método de determinar perda de energia.

Descrição detalhada das modalidades

[049] A descrição a seguir concentra-se principalmente em modalidades da invenção aplicadas, por exemplo, ao carregamento sem fio das baterias de telefones móveis a título de exemplo. 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 até 1.000 watts para eletrodomésticos para cocção ou de cozinha.

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

[051] A Figura 1 ilustra um exemplo de uma aplicação de energia sem fio. Dois dispositivos móveis 12 e 12a são colocados sobre a superfície de 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 nesse exemplo é equipada com uma única bobina primária 11, e age como um transmissor de energia sem fio indutiva. Os dispositivos móveis são, cada um, equipados com uma bobina secundária, 13 e 13a respectivamente, e agem como receptores de energia sem fio indutiva. 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.

[052] Geralmente, a quantidade de energia a ser transferida situa-se na faixa de potência de 1 a 5 watts para dispositivos móveis menores, dependendo da aplicação e dos requisitos do receptor. A energia pode ser muito mais alta, por exemplo, em aplicações de cozinha que podem exigir 1.000 watts ou mais. 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 menores em série ou em paralelo, e essas podem também ser usadas e operadas quase como uma única bobina.

[053] 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 nem mesmo 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.

[054] Na Figura 1, um objeto estranho 15 é mostrado, colocado na superfície de uma base de carregamento. O mesmo pode ser qualquer objeto metálico, como uma moeda ou chaves. O campo magnético alternante gerado pela base de carregamento induzirá correntes parasitas em um objeto estranho metálico, o que causa o aquecimento do objeto. Isso poderia levar a queimaduras quando o objeto for pego, ou poderia levar a danos à base de carregamento. É preciso que tais objetos estranhos sejam detectados e, mediante a detecção, é preciso que o campo magnético seja reduzido ou desligado para impedir quaisquer danos. Alternativa ou adicionalmente, um alarme visível e/ou audível pode atrair a atenção do usuário e aconselhá-lo a remover o objeto.

[055] 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.

[056] 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, o mesmo compreende um conversor de energia 31, uma unidade de modulação e demodulação de energia 32, uma unidade de controle e coordenação de comunicação e uma unidade de medição de energia 26.

[057] 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. Em aplicações Qi, normalmente usa- se uma frequência em cerca de 100 kHz.

[058] 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 devido ao acoplamento indutivo das bobinas. 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 controle e coordenação de comunicação 33.

[059] 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. Por motivos de temporização da comunicação, como determinar a duração de intervalos de tempo e dos bytes e bits, e das modulações representando os bits, a unidade de modulação/demodulação pode compreender, por exemplo, um gerador de base de tempo ou um relógio de referência. Alternativamente, o mesmo também pode estar compreendido, por exemplo, na unidade de controle e coordenação de comunicação 33.

[060] A unidade de medição de energia 36 mede a energia gerada pelo transmissor de energia sem fio indutiva. Isso pode ser alcançado medindo-se tanto a tensão na bobina primária 25 quanto a corrente existente através da mesma. Alternativamente, uma dentre as duas pode ser medida e uma relação conhecida entre a corrente ou tensão medidas e a energia real transferida pelo transmissor de energia pode ser aplicada para determinar a energia. Essa relação conhecida pode ser estabelecida, por exemplo, nos estágios de design e testagem do produto.

[061] Uma capacidade de medição de tensão e/ou corrente pode ser compartilhada com a unidade de demodulação e modulação 32 onde a mesma é necessária para propósitos de demodulação, ou cada unidade tem seus próprios recursos para medição de corrente e/ou tensão.

[062] A unidade de controle e coordenação de comunicação 33 controla o conversor de energia e coordena 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 controle e coordenação de comunicação 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.

[063] A unidade de controle e a coordenação de comunicação 33 controla adicionalmente a unidade de medição 36, ativando-a para realizar medições de energia quando exigido e, após conclusão das medições, receber a partir da mesma os resultados das medições de energia.

[064] As unidades de controle e coordenação de comunicação 33 podem ser implementadas de muitas maneiras, como por meio de circuitos eletrônicos dedicados, matrizes de portas programáveis em campo ou, conforme mostrado na Figura 3, com uma memória 35 e microprocessadores 33 de propósitos gerais, configurados ou programados para executar os métodos e protocolos necessários para comunicação e controle de acordo com a invenção.

[065] 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, o mesmo compreende um conversor de energia 41, uma unidade de modulação e demodulação de energia 42, uma unidade de controle e de comunicação 43 e uma unidade de medição de energia 46. 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.

[066] 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 43. 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. Por motivos de temporização da comunicação, como determinar a duração de bits, e das modulações que representam os bits, a unidade de modulação/demodulação pode compreender, por exemplo, um gerador de base de tempo ou um relógio de referência. Alternativamente, o mesmo também pode estar compreendido, por exemplo, na unidade de controle de comunicação 43.

[067] A unidade de medição de energia 46 mede a energia recebida pelo receptor de energia sem fio indutiva. Isso pode ser alcançado pela medição tanto da tensão na bobina secundária 26 quanto da corrente existente através da mesma. Alternativamente, uma dentre as duas pode ser medida e uma relação conhecida entre a corrente ou tensão medidas e a energia real pode ser aplicada para determinar a energia. Essa relação conhecida pode ser estabelecida, por exemplo, nos estágios de design e testagem do produto.

[068] Uma capacidade de medição de tensão e/ou corrente pode ser compartilhada com a unidade de demodulação e modulação 42 onde a mesma é necessária para propósitos de demodulação, ou cada unidade tem seus próprios recursos para medição de corrente e/ou tensão.

[069] 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.

[070] A unidade de controle e de comunicação 43 controla adicionalmente a unidade de medição 46, ativando-a para realizar medições de energia quando exigido e, após conclusão das medições, receber a partir da mesma os resultados das medições de energia.

[071] As unidades de controle e de comunicação 43 podem ser implementadas de muitas maneiras, como por meio de circuitos eletrônicos dedicados, matrizes de portas programáveis em campo ou, conforme mostrado na Figura 4, com uma memória 45 e microprocessadores 44 de propósitos gerais, configurados ou programados para executar os métodos e protocolos necessários para comunicação e controle de acordo com a invenção.

[072] Devido ao acoplamento indutivo bastante fraco entre as bobinas secundárias de dois receptores de energia sem fio colocadas sobre uma base de carregamento, uma comunicação direta entre dois receptores de energia é impraticável. Até mesmo a detecção, em um receptor de energia, a respeito de outro receptor estar se comunicando é praticamente impossível. Portanto, a comunicação entre o transmissor de energia sem fio e um ou mais receptores de energia sem fio deve ser organizada e coordenada pelo transmissor de energia, que se comunica com cada um dos receptores de energia. Isso pode ser feito por comunicação em quadros de comunicação repetidos conforme ilustrado na Figura 5. Um quadro de comunicação 51 compreende um cabeçalho de quadro 52, identificado como H, e múltiplos intervalos de tempo 53, identificados como S1 a SN. Durante o cabeçalho de quadro H, o transmissor de energia sem fio envia mensagens na forma de um número de bits presentes no intervalo de cabeçalho. Portanto, o transmissor de energia inicia todos os quadros e, então, coordena a temporização dos quadros e dos intervalos em um quadro. O número de intervalos de tempo N pode ser escolhido igual ao número de receptores de energia sem fio presentes ou, por exemplo, igual ao número máximo de receptores de energia sem que possam ser suportados pelo transmissor de energia sem fio. O número de intervalos de tempo pode ser ficado e pré- estabelecido, ou pode ser variável e, por exemplo, ser anunciado no cabeçalho de quadro pelo transmissor de energia que coordena a comunicação. A alocação de um intervalo de tempo particular a um receptor particular pode ser feita pelo transmissor, que coordena a comunicação. O mesmo pode ocorrer, por exemplo, durante um procedimento de aperto de mãos quando o receptor de energia é colocado sobre a base de carregamento e se comunica pela primeira vez com o transmissor de energia sem fio.

[073] Em algumas modalidades, a estrutura do quadro de comunicação pode ser diferente ou mais complexa. Por exemplo, cada intervalo de tempo de comunicação S1 a SN em que um receptor de energia pode se comunicar pode ser precedido por um intervalo de tempo de sincronização em que o transmissor de energia pode se comunicar. Isso pode, por exemplo, possibilitar que o transmissor de energia se comunique de maneira mais assídua com relação ao intervalo de tempo precedente ou subsequente. Dessa maneira, o transmissor de energia controla e coordena mais rigidamente a temporização da comunicação.

[074] Os inventores perceberam que, a fim de habilitar a detecção de objeto estranho com o uso do método de perda de energia, uma medição confiável da energia enviada pelo transmissor de energia e da energia recebida por cada um dos receptores de energia presentes é necessária. É impossível para o transmissor de energia determinar a quantidade de energia que envia para cada um dos receptores de energia separadamente, então, a determinação da perda de energia deve ser com base na quantidade total de energia transmitida e a soma das quantidades de energia recebidas por cada um dos receptores de energia presentes.

[075] Infelizmente, a comunicação entre o transmissor de energia e os receptores de energia interfere com a medição de energia, tendo em vista que a comunicação é baseada na modulação da energia sendo transferida, tanto pelos receptores quanto pelo transmissor. Além disso, as medições de energia pelos dispositivos precisam ser sincronizadas para evitar que variações à energia com o tempo leve a uma determinação incorreta de perda de energia e, portanto, a uma detecção falsa de objetos estranhos. A energia pode variar com o tempo, por exemplo, devido a mudanças na carga de um dos receptores de energia conforme a bateria se carrega.

[076] A Figura 6 ilustra um quadro de comunicação modificado. Além do cabeçalho de quadro H e dos intervalos de tempo de comunicação S1 a SN, um intervalo de tempo de medição de energia 54 adicional, identificado como M, é agora alocado pela unidade de controle e coordenação de comunicação de transmissor de energia. Durante esse intervalo de tempo de medição de energia, todas as unidades realizarão uma medição de energia e não haverá comunicação. Durante intervalos de tempo de comunicação subsequentes, no mesmo quadro ou em um dos poucos próximos quadros, cada um dos receptores de energia comunica o resultado de sua medição de energia ao transmissor de energia. Os valores medidos podem incluir fatores de correção, por exemplo, para corrigir perdas conhecidas dentro de dispositivos devido a partes de metal nos dispositivos, devido à dissipação no circuito eletrônico etc. Pode-se concordar que todos os dispositivos meçam a energia ponderada ou integrada durante o intervalo de tempo de medição de energia. Essa duração do intervalo de tempo de medição de energia pode ser predeterminada.

[077] Então, o transmissor de energia calcula a perda de energia a partir da diferença entre a energia enviada e a soma das energias recebidas. O cálculo pode não ser muito preciso, mas será uma aproximação pelo menos suficientemente precisa de energia perdida. Se a perda de energia exceder um certo limite predeterminado, os objetos estranhos aparentemente estarão presentes e absorvendo energia demais e, consequentemente, a transferência de energia pode precisar ser interrompida ou reduzida, ou alguma forma de alarme pode ser ativada para alertar o usuário. O valor-limite pode ser escolhido com base na determinação experimental dos limites seguros. Por exemplo, uma perda muito pequena de 1 mW não levará a situações perigosas, na prática, um limite de, por exemplo, 100 mW a 2 W poderia ser usado. Em aplicações de alto consumo de energia, por exemplo, eletrodomésticos de cozinha, o limite pode ser escolhido relativamente como maior.

[078] O intervalo de tempo de medição de energia M pode ser alocado pelo transmissor de energia em todos os quadros de comunicação e é, então, implicitamente anunciado no cabeçalho de cada quadro. A posição e duração do mesmo dentro do quadro de comunicação pode ser fixa, por exemplo, sempre seguindo o cabeçalho de quadro conforme mostrado na Figura 6, com uma duração pré-definida. Nesse caso, o cabeçalho serve como um anúncio implícito do começo do intervalo de tempo de medição de energia.

[079] Alternativamente, um intervalo de tempo de medição de energia pode ser alocado somente em alguns quadros de comunicação, em cujo caso a presença ou ausência de um intervalo de tempo de medição de energia em um quadro pode ser anunciada pelo transmissor de energia sem fio no cabeçalho de quadro, por exemplo, definindo-se um identificador ou um valor de bit correspondente. Na prática, pode ser suficiente repetir a medição de energia para detecção de objeto estranho regularmente, com um intervalo de, por exemplo, 1 a 5 segundos. A posição e o comprimento do intervalo de tempo de medição de energia dentro de um quadro também podem ser variáveis, em cujo caso as informações são comunicadas pelo transmissor de energia no cabeçalho de quadro para anunciar o começo e o fim do intervalo de tempo de medição de energia.

[080] A Figura 7 ilustra um quadro de comunicação em que os intervalos de tempo de comunicação S1 a SN são, cada um, precedidos por um intervalo de tempo de sincronização 55 em que o transmissor envia uma mensagem ou um padrão de bit fixo. Isso pode, por exemplo, possibilitar que o transmissor de energia se comunique de maneira mais assídua com relação ao intervalo de tempo precedente ou subsequente. Dessa maneira, o transmissor de energia controla e coordena mais rigidamente a temporização da comunicação. Isso possibilita uma sincronização melhor entre o transmissor de energia e os receptores de energia.

[081] Por motivos de compatibilidade, a duração do intervalo de tempo de medição de energia M, dos intervalos de tempo de comunicação S1 a SN e dos intervalos de tempo de sincronização pode ser escolhida 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. Uma duração de intervalo de tempo de medição de energia de 30 a 60 ms, por exemplo, de 50 ms, funciona bem. Uma duração deve ser longa o suficiente para realizar uma boa medição, mas ainda assim deve estar suficientemente abaixo do limite de 65 ms. Estar suficientemente dentro de 65 ms garante que um transmissor de energia que realiza o protocolo de comunicação acima com intervalos de tempo de medição de energia sincronizados possa também detectar e operar corretamente com um receptor de energia que é compatível apenas com as especificações já existentes. Além disso, um receptor de energia pode, portanto, sempre detectar comunicação de transmissor de energia dentro do período de 65 ms e determinar qual versão da comunicação especificada está sendo usada pelo transmissor de energia.

[082] A Figura 8 ilustra um método típico para determinar uma perda de energia para a detecção de objetos estranhos em um sistema de transferência de energia indutiva sem fio que compreende um transmissor de energia sem fio indutiva 22 e pelo menos dois receptores de energia sem fio indutiva 23. A comunicação entre transmissor e receptores é organizada em quadros e intervalos de tempo e coordenada pelo transmissor de energia, conforme descrito acima.

[083] Na primeira etapa 81, o transmissor de energia aloca um intervalo de tempo de medição de energia e anuncia o intervalo de tempo aos receptores de energia mediante o envio de uma mensagem.

[084] Em uma próxima etapa 82, tanto o transmissor de energia quanto os receptores de energia realizam medições de energia durante o intervalo de tempo de medição de energia alocado. O transmissor de energia mede a energia indutiva sem fio que transmitiu e os receptores de energia medem, cada um, a energia sem fio indutiva que receberam. Essas medições podem ser corrigidas com relação a desvios conhecidos, causados, por exemplo, por partes metálicas dos próprios transmissor e receptores, por dissipação ou por outras imperfeições no circuito elétrico etc. Na próxima etapa 83, cada receptor de energia envia o resultado de sua medição de energia ao transmissor de energia. Isso acontecerá sequencialmente, isto é, cada receptor comunicará seus resultados de medição em seu próprio intervalo de tempo de comunicação.

[085] Na próxima etapa 84, o transmissor de energia calcula uma perda de energia com base na diferença entre a energia transmitida pelo transmissor de energia e a doma da energia recebida por cada um dos receptores de energia.

[086] Em uma etapa adicional 85, o transmissor compara a perda de energia calculada com um valor-limite. Se o limite for excedido, a energia pode ser reduzida ou, até mesmo, completamente interrompida, ou um alarme pode ser acionado para informar um usuário quando à suspeita da presença de um objeto estranho.

[087] 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.

[088] 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, muitos recursos podem ser combinados, os quais serão reconhecidos pelo versado na técnica como mutuamente compatíveis, tal como as diferentes opções de intervalos de tempo discutidas, os diferentes métodos de modulação, os diferentes níveis de energia ou os aspectos de temporização conforme mencionado pelo decorrer do texto.

[089] 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. [067] 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. TRANSMISSOR DE ENERGIA SEM FIO INDUTIVA (22), para transmitir um sinal de energia sem fio indutiva com uma energia de pelo menos 2 watts a pelo menos dois receptores de energia sem fio indutiva (23), compreendendo: - uma bobina primária (25) para transmitir o sinal de energia sem fio indutiva - um conversor de energia (31) para fornecer energia à bobina primária, - a unidade de medição de energia (36) para determinar uma quantidade de energia sem fio indutiva transmitida pelo transmissor de energia, - uma unidade de modulação e demodulação de energia (32) para modular e demodular o sinal de energia indutiva sem fio, e - uma unidade de controle e coordenação de comunicação (33), a unidade de controle e coordenação de comunicação estar disposta de modo a controlar a unidade de demodulação e modulação de energia para coordenar comunicações com os pelo menos dois receptores de energia sem fio indutiva em intervalos de tempo (52, 53, 55) presentes em quadros de comunicação repetidos (51), caracterizado pela unidade de controle e coordenação de comunicação estar ainda disposta de modo a: - alocar um intervalo de tempo de medição de energia (54) para medições sincronizadas de energia e anunciar o intervalo de tempo de medição de energia para os receptores de energia sem fio, - ativar a unidade de medição de energia para determinar a quantidade de energia indutiva transmitida pelo transmissor de energia durante o intervalo de tempo de medição de energia, - após o intervalo de tempo de medição de energia, receber, a partir de cada um dos receptores de energia sem fio uma mensagem indicando uma quantidade de energia indutiva recebida por aquele receptor de energia durante o intervalo de tempo de medição de energia, e - a partir da quantidade determinada de energia transmitida e das quantidades determinadas de energia recebida, calcular uma quantidade de energia perdida; sendo que o transmissor de energia sem fio indutiva está ainda disposto de modo a reduzir a energia do sinal de energia sem fio indutiva se a quantidade de energia perdida calculada exceder um valor-limite.

2. TRANSMISSOR DE ENERGIA SEM FIO INDUTIVA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela duração do intervalo de tempo de medição de energia estar na faixa de 30 a 60 milissegundos.

3. RECEPTOR DE ENERGIA SEM FIO INDUTIVA (23), para receber um sinal de energia sem fio indutiva com uma energia de pelo menos 2 watts a partir de um transmissor de energia sem fio indutiva (22) em um sistema de transferência de energia sem fio que compreende pelo menos um receptor de energia sem fio indutiva adicional, compreendendo: - uma bobina secundária (26) para receber o sinal de energia sem fio indutiva, - uma unidade de modulação e demodulação de energia (42) para modular e demodular o sinal de energia indutiva sem fio, - uma unidade de medição de energia (46) para determinar a quantidade de energia sem fio indutiva recebida pelo receptor de energia, - e uma unidade de comunicação e controle (43), sendo que a unidade de controle e comunicação é disposta de modo a controlar a unidade de demodulação e modulação de energia para se comunicar com o transmissor de energia sem fio indutiva (22), em intervalos de tempo de comunicação presentes em quadros de comunicação repetidos e que são coordenados pelo transmissor de energia sem fio indutiva, caracterizado pela unidade de controle e comunicação estar disposta ainda para: - receber a partir do transmissor de energia sem fio indutiva um anúncio de um intervalo de tempo de medição de energia alocado (54) para medições sincronizadas de energia, - ativar a unidade de medição de energia para determinar uma quantidade de energia indutiva recebida pelo transmissor de energia durante o intervalo de tempo de medição de energia, - após o intervalo de tempo de medição de energia, enviar para o transmissor de energia sem fio uma mensagem indicando a quantidade de energia indutiva recebida, para uso pelo transmissor de energia sem fio em uma detecção de objetos estranhos com base em uma quantidade de energia perdida calculada no sistema de transferência de energia sem fio.

4. RECEPTOR DE ENERGIA SEM FIO INDUTIVA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pela duração do intervalo de tempo de medição de energia estar na faixa de 30 a 60 milissegundos.

5. MÉTODO DE DETECTAR OBJETOS ESTRANHOS, ao determinar uma perda de energia em um sistema de transferência de energia indutiva sem fio que compreende um transmissor de energia sem fio indutiva (22) para transmitir um sinal de energia sem fio indutiva com a energia de pelo menos 2 watts e pelo menos dois receptores de energia sem fio indutiva (23) para receber o sinal de energia sem fio indutiva, sendo que o transmissor de energia e os receptores de energia são dispostos para se comunicarem por meio de modulação e demodulação do sinal de energia sem fio indutiva, em que a comunicação é proporcionada em intervalos de tempo e coordenados pelo transmissor de energia, sendo que o método é caracterizado por compreender as etapas de: - o transmissor de energia (22) alocar um intervalo de tempo de medição de energia sincronizado e enviar uma mensagem aos receptores de energia (23) anunciando o intervalo de tempo de medição de energia sincronizado, - o transmissor de energia medir, durante o intervalo de tempo de medição de energia, a energia sem fio indutiva transmitida pelo transmissor de energia, - cada um dos receptores de energia medir, durante o intervalo de tempo de medição de energia, uma energia sem fio indutiva recebida por aquele receptor de energia, - cada um dos receptores de energia enviar, após o intervalo de tempo de medição de energia, uma mensagem para o transmissor de energia indicando a energia medida recebida por aquele receptor de energia, - o transmissor de energia calcular a perda de energia a partir da energia sem fio indutiva medida transmitida pelo transmissor de energia e as energias sem fio indutivas medidas recebidas por cada um dos receptores de energia, - o transmissor de energia reduzir a energia do sinal de energia sem fio indutiva se a perda de energia calculada exceder um valor-limite.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela duração do intervalo de tempo de medição de energia estar na faixa de 30 a 60 milissegundos.

7. MÉTODO DE DETECTAR OBJETOS ESTRANHOS, ao determinar uma perda de energia em um transmissor de energia sem fio indutiva (22) para transmitir um sinal de energia sem fio indutiva com a energia de pelo menos 2 watts a pelo menos dois receptores de energia sem fio indutiva (23) para receber o sinal de energia sem fio indutiva, sendo que o transmissor de energia é disposto para se comunicar com os receptores de energia por meio de modulação e demodulação do sinal de energia sem fio indutiva, em que a comunicação é proporcionada em intervalos de tempo e coordenados pelo transmissor de energia, sendo que o método é caracterizado por compreender as etapas de: - o transmissor de energia (22) alocar um intervalo de tempo de medição de energia sincronizado e enviar uma mensagem aos receptores de energia (23) anunciando o intervalo de tempo de medição de energia sincronizado, - o transmissor de energia medir, durante o intervalo de tempo de medição de energia, a energia sem fio indutiva transmitida pelo transmissor de energia, - o transmissor de energia receber, a partir de cada um dos receptores de energia, após o intervalo de tempo de medição de energia, uma mensagem indicando a energia medida por aquele receptor de energia, - o transmissor de energia calcular a perda de energia a partir da energia sem fio indutiva medida transmitida pelo transmissor de energia e as energias sem fio indutivas medidas recebidas por cada um dos receptores de energia, - o transmissor de energia reduzir a energia do sinal de energia sem fio indutiva se a perda de energia calculada exceder um valor-limite.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela duração do intervalo de tempo de medição de energia estar na faixa de 30 a 60 milissegundos.