CN103368276A

CN103368276A - 无线的能量传输

Info

Publication number: CN103368276A
Application number: CN201310112109XA
Authority: CN
Inventors: J·马克; D·克鲁佩热维奇
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-04-02
Also published as: DE102012205693A1; GB2501609B; GB201305957D0; GB2501609A; CN103368276B

Abstract

用于无线的能量传输的发送器包括用于提供电磁交变场的谐振变压器，其中所述谐振变压器包括第一和第二发送线圈。此外，所述发送器具有确定装置和控制装置，所述确定装置用于根据谐振变压器上的电参数检测发送线圈之一的区域中的物体，所述控制装置用于改变谐振变压器的品质因数，以便在低品质因数的情况下允许能量传输并且在高品质因数的情况下允许检测物体。

Description

无线的能量传输

技术领域

本发明涉及无线的能量传输。本发明尤其涉及用于感应的能量传输的发送器和用于控制所述发送器的方法。

背景技术

小型电设备包括用电器和蓄电池，以便允许无线的使用。为了给蓄电池充电，可以以无线的方式将能量从电源传输到小型设备，其方式是使用电磁场用于能量传输。为此，电源和小型设备分别包括一个线圈，所述线圈可以彼此以小的间距定位并且因此一起基本上构成变压器。

如果在电磁场的区域中存在导电的物体，则能够构成涡流，所述涡流加热物体。如果物体是可磁化的，则也可以通过再磁化损耗或磁滞损耗加热物体。所述加热可能是显著的，从而不能确保发送器或接收器的运行安全性。此外，物体可以从电磁场中获取能量，从而至接收器的能量传输受干扰。

可能的是，检测物体的存在，其方式是确定物体对发送线圈的电感的影响。然而，如果物体相对较小或离发送线圈相对较远，则可能难以可靠地检测物体。

发明内容

因此本发明所基于的任务是，说明一种装置、一种系统和一种方法，借助其可以实施敏感的、可靠的和选择性良好的物体确定，以便能够实现对物体存在的反应。本发明借助具有独立权利要求的特征的发送器、能量传输系统和方法解决所说明的问题。从属权利要求给出优选的实施方式。

根据本发明的、用于无线的能量传输的发送器包括具有用于提供电磁交变场的发送线圈的谐振变压器。确定装置设置用于根据谐振变压器上的电参数来检测发送线圈的区域中的物体。此外，发送器包括控制装置，其用于改变谐振变压器的品质因数，以便在低品质因数的情况下允许能量传输并且在高品质因数的情况下允许物体检测。

由此可能的是，为能量传输和物体的检测分别提供匹配的、改善的条件。由于不同运行模式的区别，能够改善地实施能量传输或物体检测或两者。

在一个特别优选的实施方式中，发送器包括另一个发送线圈，并且控制装置被设置用于对于高品质因数使发送线圈并联连接并且对于低品质因数使发送线圈串联连接。通过这种方式能够容易地和可重复地改变谐振变压器的品质因数。此外，两个发送线圈不仅用于能量传输而且用于物体检测。改善的能量传输或改善的物体识别或两者可以是结果。

在一个实施方式中，发送线圈包括相同的电感和相同的欧姆电阻。由此能够使用相同构造的线圈，由此能够更加成本有利地设计制造。此外由此可以容易地以可良好管理的因数2增大或减小品质因数。

在一个特别有利的实施方式中，两个发送线圈缠绕在一个共同的芯上。由此发送线圈能够在几何上彼此尽可能接近地设置，从而所述发送线圈能够以改善的方式表现得如同谐振变压器的唯一的线圈那样。

控制装置可以被设置用于在高品质因数的情况下给谐振变压器馈给低功率并且在低品质因数的情况下给谐振变压器馈给高功率。高功率可能有益于能量传输，而在低功率的情况下可以节能地并且伴随物体的轻微加热地实施物体的确定。可以通过降低的功率进一步保护并联连接的发送线圈免受例如由于过压引起的过载。此外，通过降低的功率可以提供辐射保护。

控制装置可以被设置用于在高品质因数的情况下以高工作频率运行谐振变压器并且在低品质因数的情况下以低工作频率运行谐振变压器。当发送线圈并联连接或串联连接时，工作频率可以与品质因数相反地变化。通过不同的控制能够如此选择谐振变压器或发送器的功率和工作频率，使得遵循电磁兼容性值（EVM）。因此能够简化地实现用于辐射保护的标准的遵循。

在一个特别优选的实施方式中，控制装置被设置用于周期性地增大用于检测物体的谐振变压器的品质因数，其中具有低品质因数的运行时间相对于具有高品质因数的运行时间的比是大的。通常，所述比根据用于物体识别的所期望的频数和所需要的持续时间尽可能选得大。至少10比1的值、优选至少100比1的值是有利的。

在一个特别优选的实施方式中，确定装置可以被设置用于基于谐振变压器上的电流、电压、谐振频率或品质因数检测所述物体。可以将相应的参数与阈值继续比较，其中如果参数超过阈值，则检测到物体。

在一个实施方式中，发送线圈中的每一个具有第一连接端子和第二连接端子，并且控制装置包括三个开关装置，即用于连接第一发送线圈的第一连接端子与第二发送线圈的第一连接端子的第一开关装置、用于连接第一发送线圈的第二连接端子与第二发送线圈的第二连接端子的第二开关装置和用于连接第一发送线圈的第二连接端子与第二发送线圈的第一连接端子的第三开关装置。在此，控制装置被设置用于同向地打开和闭合第一开关装置和第二开关装置以及与其反向地打开和闭合第三开关装置。

由此能够以简单和有效的方式允许第二发送线圈与第一发送线圈并联或串联地连接。第一发送线圈的第一连接端子和第二发送线圈的第二连接端子可以用作包括两个单个发送线圈的、组合的、可切换的发送线圈的连接端子。还能够以相应的方式在第二发送线圈和附加的第三发送线圈之间使用所描述的开关装置，从而也能够并联连接或彼此串联连接三个或更多个发送线圈。

根据本发明的、用于无线的能量传输的系统包括以上所述的发送器和一个接收器，所述接收器被设置用于将交变磁场、尤其是在发送器的发送线圈的区域中提供的交变磁场转化为电流。接收器也可以包括一个或多个用于电流的用电器，例如蓄电池和用于蓄电池的充电控制器。

根据本发明的、用于检测用于无线的能量传输的发送器处的物体的方法包括以下步骤，其中所述发送器包括谐振变压器，所述谐振变压器具有发送线圈：以高品质因数运行谐振变压器、对谐振变压器上的电参数进行采样、基于所采样的参数检测物体和以低品质因数运行谐振变压器用于能量传输。

附图说明

现在参考附图更详细说明本发明，其中：

图1示出用于无线的能量传输的发送器，

图2示出用于确定在图1的发送器的发送线圈的区域中的物体的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出用于无线的能量传输的发送器100。发送器100包括一个谐振变压器105，所述谐振变压器105包括一个谐振电容110和一个组合的发送线圈115，它们彼此串联。在此，组合的发送线圈115包括一个第一发送线圈120以及一个第二发送线圈135，所述第一发送线圈在所示等效电路图中由第一电感125与第一电阻130构成，所述第二发送线圈由第二电感140和第二电阻145构成。在第一发送线圈120与第二发送线圈135的连接端子之间设置第一开关装置150、第二开关装置155和第三开关装置160，其能够分别通过继电器或晶体管实现。第一开关装置150与发送线圈120和135的上面的连接端子连接，并且第二开关装置155与发送线圈120和135的下面的连接端子连接。第三开关元件160位于第一发送线圈120的下面的连接端子和第二发送线圈135的上面的连接端子之间。开关装置150、155和160可通过控制装置165控制。

发送线圈120和135的绕组优选彼此靠近并且具有相同的绕组方向，如通过发送线圈120和135处的点表示的那样。特别地，两个发送线圈120、135的绕组可以施加在共同的芯170上。芯170可以改善组合的发送线圈155与未详细表示的接收器177的接收线圈175的感应耦合。

在组合的发送线圈115的电磁影响区域中可以设置物体180，所述物体吸收电场的能量的一部分，其中所述物体能够变热。为了检测物体180，设置确定装置185，其对谐振变压器105上的电参数进行采样，以便基于所述电参数推断出物体180的存在。优选地，确定装置185与控制装置165连接。

可以给谐振变压器105供给能量并且激励它振荡，其方式是，使所述谐振变压器的连接端子中的一个周期性交替地与正电势和负电势连接。出于所述目的，在图1中表示的实施方式中设置半桥190，所述半桥示例性地借助两个晶体管构造。半桥190可以借助时钟发生器195控制，所述时钟发生器在一个实施方式中与谐振变压器105反馈耦合，以便将谐振变压器105置于谐振的振荡中。

控制装置165被设置用于共同打开或闭合第一开关装置150和第二开关装置155并且同时反向地操作第三开关装置160，即当闭合开关装置150和155时打开所述第三开关装置，反之亦然。如果两个第一开关装置150、155闭合并且第三开关装置160打开，则所述发送线圈120和135彼此并联连接。如果与此相反第一和第二开关装置150、155打开并且第三开关装置160闭合，则发送线圈120和135彼此串联连接。两个发送线圈120和135的所示连接能够以相应的方式扩展到三个或更多个发送线圈120、135，其方式是，多次依次实施所述电路。第一发送线圈120的上面的连接端子和最后的发送线圈135的下面的连接端子在此表示组合的发送线圈115的连接端子。

组合的发送线圈115的动态特性取决于其有效电感和其有效电阻。不仅电感而且电阻取决于发送线圈120和135是彼此串联连接还是并联连接。

为了确定谐振变压器105的谐振频率，适用以下公式：

ω_{0} = \frac{1}{\sqrt{LC}}

（等式1）

其中L是组合的发送线圈115的有效电感并且C是谐振电容110。谐振变压器105的品质因数确定为：

Q_{0} = \frac{1}{R} \sqrt{\frac{L}{C}}

（等式2）

其中R是组合的发送线圈115的欧姆电阻。发送线圈120和135的欧姆阻抗R通过电阻130或145建模并且有效电感L通过电感125或140建模。

如果发送线圈120和135串联连接，从而电感125和140加成有效电感并且电阻130和145加成有效电阻，则对于谐振频率或品质因数适用以下公式：

串联电路：

ω_{s} = \frac{1}{\sqrt{L_{s} C}} = \frac{1}{\sqrt{(L_{1} + L_{2}) C}}

（等式3）

Q_{s} = \frac{1}{R_{s}} \sqrt{\frac{L_{s}}{C}} = \frac{1}{R_{1} + R_{2}} \sqrt{\frac{L_{1} + L_{2}}{C}}

（等式4）

如果发送线圈120和135彼此并联连接，从而有效电感被构造为电感125和140的乘积与电感125和140的和的商并且有效电阻被构造为电阻130和145的乘积与电阻130和145的和的商，则对于谐振频率和品质因数适用以下说明：

并联电路：

ω_{p} = \frac{1}{\sqrt{L_{p} C}} = \sqrt{\frac{L_{1} + L_{2}}{L_{1} L_{2} C}}

（等式5）

Q_{p} = \frac{1}{R_{p}} \sqrt{\frac{L_{p}}{C}} = \frac{R_{1} + R_{2}}{R_{1} R_{2}} \sqrt{\frac{L_{1} L_{2}}{(L_{1} {+ L}_{2}) C}}

（等式6）

如果发送线圈120和135彼此相同构造，从而电感125和140或电阻130和145彼此成对对应，则上述等式3至6得到简化并且可以看到：在并联电路中谐振频率和品质因数分别是串联电路中的谐振频率或品质因数两倍那样大。

不管两个发送线圈120和135的实施方式，组合的发送线圈115的品质因数通过发送线圈120和135的并联增大并且通过两个发送线圈的120、135的串联减小。小的品质因数主要对于组合的发送线圈115与接收线圈175之间的能量传输是有利的，而物体180的检测主要能够借助高品质因数实施。

优选地，根据所述公式使工作频率匹配于发送线圈120、135的并联或串联，时钟发生器195借助半桥190以所述工作频率激励谐振变压器105。进一步优选地，在组合的发送线圈115的减小的电磁场的情况下，实施物体180的检测。为此，能够降低例如在谐振变压器105上的电压，例如其方式是，缩短地控制半桥190的开关装置，从而所述开关装置对于一个完整的振荡持续时间的更大部分都是打开的。

可以借助确定装置185检测物体180，其方式是，所述确定装置对谐振变压器105上的电参数、尤其是电流或电压进行采样并且确定所采样的参数是否受物体180的存在影响。为此，可以将所采样的参数与预先确定的阈值进行比较。

在一个优选的实施方式中进行物体180的存在的周期性确定，为此中断从发送器100到接收器的能量传输。为了实现尽可能高的效率，优选地，物体检测期间的运行时间与能量传输期间的运行时间相比保持得尽可能短。能量传输期间的运行时间相对于物体检测期间的运行时间的比优选大于10，特别优选地大于100。

以下表格归纳了发送器100上的相关的参数的组合：

	用于能量传输的串联电路	用于物体检测的并联电路
			品质因数	-	+
谐振频率	-	+
			功率	+	-
运行时间	+	-

（表格1）

图2示出用于确定图1中的发射器100的发送线圈115的区域中的物体180的方法200的流程图。所述方法200在步骤205中开始。在随后的步骤210中，使发送线圈120与135彼此并联连接。在继续往后的步骤215中，以低功率和高工作频率运行组合的发送线圈115。所述状态对于从以下步骤220起实施的物体确定是特别有利的。为了确定物体180，在步骤225中首先对谐振变压器105上的电参数进行采样并且将其与阈值进行比较。如果所采样的参数超过所述阈值，则在随后的步骤230中推断出在组合的发送线圈115的区域中的物体180的存在。

如果存在物体160，则在步骤235中采取合适的措施，例如其方式是，调整或限制发送器100的运行。附加地或替代地，例如以光学或声学的形式向使用者发出告警。

如果不存在物体160，则开始从发送器100至无线的接收器177的能量传输。为此，在步骤240中使线圈120和135串联连接。在后续的步骤245中，以高功率和低工作频率运行组合的发送线圈115。由此在步骤250中产生到用于无线的能量传输的接收器177的能量传输。

优选地，在预先确定的时间到期之后或基于外部事件，所述方法能够返回到第一步骤205并且重新运行。优选地，执行步骤215至235期间的时间尽可能保持得如此短，以便在步骤250中度过所述方法200的运行时间的尽可能大的部分。

Claims

1.一种用于无线的能量传输的发送器（100），其包括：

-谐振变压器（105），其具有发送线圈（120），用于提供电磁交变场；

-确定装置（185），用于根据所述谐振变压器（105）上的电参数检测所述发送线圈（120）的区域中的物体（180），

其特征在于

-控制装置（165），其用于改变所述谐振变压器（105）的品质因数（Q），以便在低品质因数（Q_s）的情况下允许能量传输并且在高品质因数（Q_p）的情况下允许所述物体（180）的检测。

2.根据权利要求1所述的发送器（100），所述发送器此外还包括另一个发送线圈（135），其中，所述控制装置（165）被设置用于对于高品质因数（Q_p）使所述发送线圈（120，135）并联连接并且对于低品质因数（Q_s）使所述发送线圈（120，135）串联连接。

3.根据权利要求1或2所述的发送器（100），其中，所述发送线圈（120，135）具有相同的电感（L）和相同的电阻（R）。

4.根据以上权利要求中任一项所述的发送器（100），其中，所述发送线圈（120，135）缠绕在共同的芯（170）上。

5.根据以上权利要求中任一项所述的发送器（100），其中，所述控制装置（165）被设置用于在高品质因数（Q_p）的情况下以低功率运行所述谐振变压器（105）并且在低品质因数（Q_s）的情况下以高功率运行所述谐振变压器（105）。

6.根据以上权利要求中任一项所述的发送器（100），其中，所述控制装置（165）被设置用于在高品质因数（Q_p）的情况下以高工作频率运行所述谐振变压器（105）并且在低品质因数（Q_s）的情况下以低工作频率运行所述谐振变压器（105）。

7.根据以上权利要求中任一项所述的发送器（100），其中，所述控制装置（165）被设置用于周期性地增大所述谐振变压器（105）的所述品质因数用于所述物体（180）的检测，其中，具有低品质因数（Q_s）的运行时间与具有高品质因数（Q_p）的运行时间的比是大的。

8.根据以上权利要求中任一项所述的发送器（100），其中，所述确定装置（185）被设置用于基于所述谐振变压器（105）上的电流、电压、谐振频率或品质因数（Q）检测所述物体（180）。

9.根据以上权利要求2至8中任一项所述的发送器（100），其中，所述发送线圈（120，135）中的每一个具有第一连接端子和第二连接端子并且所述控制装置（165）包括以下：

-第一开关装置（150），用于连接所述第一发送线圈（120）的第一连接端子与所述第二发送线圈（135）的第一连接端子，

-第二开关装置（155），用于连接所述第一发送线圈（120）的第二连接端子与所述第二发送线圈（135）的第二连接端子，

-第三开关装置（160），用于连接所述第一发送线圈（120）的第二连接端子与所述第二发送线圈（135）的第一连接端子，

-其中，所述控制装置（165）被设置用于同向地转换所述第一开关装（150）和所述第二开关装置（155）以及与其反向地转换所述第三开关装置（160）。

10.一种用于无线的能量传输的系统（100，177），其包括根据以上权利要求中任一项所述的发送器（100）和一个接收器（177），所述接收器被设置用于将交变磁场转化为电流。

11.一种用于检测用于无线的能量传输的发送器（100）处的物体的方法（200），其中，所述发送器（100）具有谐振变压器（105），所述谐振变压器具有发送线圈（115），所述方法具有以下步骤：

-以高品质因数（Q_p）运行（230）所述谐振变压器（105）；

-对所述谐振变压器（105）上的电参数进行采样（235）；

-基于所采样的参数检测（240）所述物体（180）；

-以低品质因数（Q_s）运行（215）所述谐振变压器（105），用于能量传输。