CN103427455B - 经由磁耦合的方法和充电平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及经由磁耦合的方法和充电平台。根据本发明的充电平台(1)包括在叠置平面(P1，P2)内部分重叠的三个线圈(Ba、Bb和Bc)。馈电线(10)使得能够给线圈提供来自电源的AC电流。待充电的便携式设备(5)被放置在该充电平台的上侧(3)上。该设备包括用于接收充电的绕组(6)和铁氧体保护罩(7)。线圈之一(Bb)被选择以向移动电话(5)发射磁充电流(2)。该选择通过由至少一个线圈(Ba、Bb、Bc)发射一系列脉冲并将返回信号与参考阈值进行比较来执行。该比较还使其它线圈(Ba，Bc)之一能够被选择或使这些其它两个线圈(Ba，Bc)中的两个都能够被用于接收用于传送源自待充电的便携式设备(5)的信息的流(8)。

Description

经由磁耦合的方法和充电平台

技术领域

本发明涉及一种通过磁耦合进行充电的方法，具有充电和为控制充电而传送源自便携式设备的信息的功能。本发明还涉及一种能够执行这种方法的充电平台(bench)。

背景技术

本发明的领域是通过被称作“初级”设备的任选的便携式设备的感应充电，该设备用于充电或再充电一个或多个便携式电子设备，例如移动电话、USB密钥、MP3播放器、智能电话、GPS设备等，这些电子设备统称为“次级”设备。

初级感应充电设备是最近的发展。感应充电的使用变得更加广泛，因为不需要特殊的连接接口，其实现无线充电并可适合于许多应用，特别是包括“充电平台”表面，其被用于同时地再充电多个便携式设备。此外，其能够将充电与用于所供应电力的计费的计费功能相结合。感应充电正成为通用充电标准。

感应充电利用两个绕组之间磁耦合的电学现象，即初级设备的绕组和次级设备的绕组之间，其实现电压的电磁传输。初级设备的绕组中的AC电流产生变化的磁场，其场线横切次级设备的绕组。次级绕组被该强度变化的场线的这种横切在该绕组中感生电流。由该电流产生的电压则可被用于给次级设备供电或为其电池充电。转换效率依赖于两个绕组之间的耦合质量。

感应充电要求对于其而言特定的通信功能，以便由初级设备基于涉及充电水平、充电速率或供电计费的信息的接收来控制充电。初级设备然后处理该信息以便由此推断可能要进行的动作：停止充电、完全地还是临时地、触发计费过程等。

近来提供了很多改进感应充电的方式，例如那些在专利文献US2010/0066305、US2011/0025265或US2011/0285348中公布的。

文献US2010/0066305特别描述了为了对次级设备进行充电而必须执行的各种操作，尤其是：使次级设备的绕组与初级设备的绕组相对放置；提供控制和无接触通信功能以便监视对次级设备的充电；以及一旦完成就停止充电。这种类型设备的缺点之一在于为了执行必需的通信步骤并特别是为了验证次级设备的充电水平而需要停止充电。充电被中断以使通信能够在没有干扰或寄生噪声的情况下被传输。

文献US2011/0025265描述的初级设备除了提供用于充电的绕组之外，还装备有用于与次级设备进行近距离无线通信的第二天线，并且次级设备也装备有第二天线。该第二天线主要是专用于初级设备和次级设备之间的通信。然而，在通信期间，充电被停止，否则该充电会通过谐波噪声干扰通信。此外，强加于次级设备上的约束，即特定的第二天线的使用，剥夺了无线充电器的通用性。

对于文献US2011/0285348，其涉及改进次级设备的绕组的制造；其通过在次级设备的构成层之一中模制(molding)而形成。以这种方式模制的绕组有两个优点：耐久性和薄。

然而，这些设备不能在两个设备之间通信的同时，使初级设备能够状况良好地对次级设备充电。这种同时性允许充电水平被实时监视，并且次级设备一发出其已充满电的信号时电力发射就会被降低或停止。

在这些现有技术的设备中，充电流(charging flux)和通信流(communicationflux)结合在一起形成幅度调制。表示信息幅度与载波幅度之比的调制指数保持极小，大约1％，这是因为为了提高它们的品质因子，发射天线表现出强谐振并持续发射。这个小的调制指数使得解码该通信变得困难且不确定。另外，通信会干扰充电流，降低两个绕组之间的谐振，并由此降低它们之间能量传输的效率。

发明内容

本发明的目的是通过经由在充电和通信模式之间的线圈的可逆切换使用于待充电的便携式设备的两种类型的流分开，即感应充电磁流和与该充电相关的通信流，以克服这些缺点。

更确切地，本发明涉及一种经由磁耦合的充电方法，执行通过被称为初级设备的包括至少两个线圈的充电设备或平台对被称为次级设备的待充电的便携式电子设备的充电、以及将源自次级设备的信息传送到初级设备的功能。在该方法中，通过由初级设备的至少一个线圈发射测试信号、并由初级设备的至少一个线圈接收返回的携带信息数据的信号来对次级设备进行检测进而定位。然后将接收到的一个或多个信号的幅度与至少一个参考阈值相比较以便确定，在选择阶段，最接近于次级设备的初级设备的线圈切换到充电模式，以及接近该充电线圈的初级设备的线圈切换到用于传送信息数据的模式，以便启动包含在这些数据中的指令。

因此该方法使充电流和通信流在初级设备的至少两个线圈上分离(decouple)，从而使次级设备能够在充电期间向充电器传输指令，而不会使充电干扰该通信。幅度调制的指数得以大大增加，变成约25％。

根据优选的实施例：

·能量传输经由在磁谐振条件下初级设备的线圈和次级设备的至少一个线圈之间的感应耦合来实现；

·初级充电设备的线圈是电异相的(electrically out ofphase)；

·测试信号由规则分布在初级设备的线圈阵列中的少量线圈发射的一系列简短脉冲构成；

·对信息数据进行分析以便启动相应的指令：充电速率的变化、充电的停止和/或充电花费的计费；

·充电期间以规则的间隔发射测试信号，以便验证例如由线圈接收到的返回信号的幅度，并且当由充电线圈接收到的信号幅度低于参考阈值时，根据次级设备的新位置切换线圈的操作模式；以及

·当存在多个待充电的次级设备时，对每个次级设备都执行检测、定位以及充电/通信选择的操作。

本发明还涉及一种能够实现该方法的充电平台。这种充电平台包括用于提供电力的装置、用于支持待充电的便携式设备(次级设备)的表面、由至少两个线圈构成的线圈阵列、用于处理源自至少一个待充电设备(次级设备)的信息数据的至少一个微控制器、至少一个充电调节器、以及针对每个线圈在电路中连接到微控制器和调节器的模式选择装置。

根据某些优选的实施例：

·模式选择装置包含多路通信选择器，其输出被连接到每个线圈的一端且其输入被连接到微控制器以便为其提供信息数据，以及包含多路充电选择器，其输出被连接到每个线圈的另一端且其输入被连接到充电调节器以便能够发射电能的流；

·线圈在数量上至少为三个，并且被布置在彼此部分重叠的至少两个叠置的平面内；优选地，线圈被布置为使得至少两个相邻的线圈之间存在部分重叠；

·线圈以选自线状或网状布置的布置方式安装，特别是矩阵、螺旋或圆形。

附图说明

本发明的其它详情、特征和优点在阅读下述参考附图给出的非限制性描述后将变得明显，附图分别示出：

·图1，根据本发明原理操作的并且包括三个线圈的示例性充电平台的示意性横剖面图，待充电的便携式设备被相对放置；

·图2a和2b，分别示出当没有便携式设备就位时以及当这种设备被放置在充电装置上时的通信和充电区域的根据图1的示例性充电平台中的三个线圈的顶视图；

·图3a到3c，显示了在没有待充电设备的情况下以及待充电设备处于两不同位置时，由根据图2的平台的两个端部线圈接收到的通信的调制指数的信号幅度图；

·图4，示出了在检测和定位待充电设备期间，充电平台的充电线圈的线性阵列的图示；

·图5，用于充电装置的线圈的通信/充电模式选择器电路的示例；以及

·图6，用于针对根据本发明的包括根据图4的充电平台的充电装置上的便携式设备，根据检测阈值选择充电和通信线圈的步骤的示例性的流程图。

具体实施方式

图1中的示意图图示了充电平台1(初级设备)的横剖面，充电平台1包括部分重叠的三个线圈Ba、Bb和Bc，中心线圈Bb被放置在较高的平面P1-即更接近于待充电的设备-位于两个其它端部线圈Ba、Bc的平面P2之上。馈电线10使得能够给线圈供应来自电源的AC电流。

在该示例中待充电的便携式设备5(次级设备5)并更具体地移动电话5被放置在该充电平台的上侧3上(为了清楚起见，所示移动电话5离开平台一定距离)。这种移动电话5包括用于接收充电的绕组6、以及用于保护其电子器件免受周围磁场影响的铁氧体保护罩7。

线圈之一，图示示例中的线圈Bb，被选择用来向移动电话5发射磁充电流2。根据本发明，该选择通过由线圈之一发射一系列脉冲、并将返回信号与参考阈值相比较(见下文，参考图4，选择“n”个线圈的方法)来执行。充电线圈Bb的相邻线圈之一，即因此未被用于传输充电流2的-例如线圈Bc-于是被用于接收用于传送源自次级设备5即移动电话5的信息8的流8。

如图2a中充电平台1的顶视图所示，线圈的重叠有利地允许获得连续的充电覆盖：线圈Ba、Bb和Bc的潜在充电区域a1、b1和c1分别重叠。此外，该部分重叠减少了干扰该流的磁耦合。为了进一步降低该耦合，例如减小到低于1.5％，通过本领域技术人员已知的合适的相移电路，使每个线圈的电力供应有利地移为异相。

当没有设备出现在充电平台1上时，每个线圈Ba、Bb和Bc的通信区域a2、b2和c2小于充电区域a1、b1和c1。当次级设备5放置在充电平台1上并且装备有铁氧体时-例如移动电话5(图1)-通信区域a2、b2和c2扩大。如图2b所示，充电区域a1、a2和a3于是几乎完全被由此形成的通信区域20覆盖。

更确切地，铁氧体7增加了次级设备5和充电平台1的线圈之间的耦合。因而它们优选地重定向包含由次级设备5发射的数据的磁力线以朝向充电平台1。有利地，本发明采用形成这种区域20以产生用于次级设备5和充电平台1的任意线圈(特别是充电线圈之外的至少一个线圈)之间通信的流。

通信区域20的范围的增加，导致当通信流被传输到所述充电平台1时由所述充电平台1产生的调制指数增加。图3a到3c中的图形图示了在没有次级设备5的情况下或当次级设备5在不同位置时端部线圈Ba和Bc的信号的该调制指数的幅度，中心线圈Bb保留，在该示例的各个及每种情况下，该线圈用于发射充电流。

当没有次级设备5被放置在充电平台1上时(图3a)，不会接收到通信流且线圈Ba和Bc的接收信号51和52的变化非常小：它们的小幅度，等于大约500mV，几乎为噪声电平。

在待充电的次级设备5被放置在充电平台1的端部线圈之一的一侧的情况下，在示例(图3b)中即线圈Ba一侧，由线圈Ba的接收信号51携带高幅度通信信号61。线圈Bc未接收到通信信号。相对于先前的情形，在目前情况下当次级设备5装备有铁氧体7时，载波接收信号51和52被放大。因此，载波信号51的幅度约为1.7V且载波信号52的幅度约为1V。由线圈Ba接收到的信号51的幅度高于线圈Bc的信号52的幅度，这是因为相比线圈Bc，次级设备5更接近于线圈Ba。

如图3b所示的示例，当次级设备5包括铁氧体7时，由于流的集中，线圈Ba的接收信号51的幅度增大约250％。此外，并且重要的是，因为充电流和携带通信帧的流在两个不同线圈上得以分离，调制指数于是达到约25％，这对应大约300-400％的信噪比(信号61与噪声51之比)：通信帧的解码由此能够无模糊地获得。有利地，调制指数使得不需要预先校准。

当次级设备5被基本上放置在充电平台1的中心时，换句话说，与其它端部线圈相比更接近于中央线圈Bb时，这两个端部线圈Ba和Bc分别接收到相同数量级的通信信号61和62(参见图3c)。在这种情况下，通信帧的解码的确定性和调制指数针对次级设备5相对于每个通信线圈Ba和Bc的远距离位置进行优化，从而引起与充电流的最大分离，并有效获取从形成通信帧的两个信号61和62拉出的信息。在图3c所示的示例中，载波信号51和52的不相等的幅度，分别为1.5V和2.3V，显示出相比线圈Ba，次级设备5更接近于线圈Bc。

在这些情况下，这样看来在载波信号51和52的幅度之间、和/或在通信信号61和62之间的比较将提供次级设备5在端部线圈Ba和Bc之间的位置的估计。因此本发明允许次级设备5在其经载波信号51和52的放大而得以检测之后被定位。图4的示图更特别地图示了通过包括线状布置的多个线圈B1、B2、B3、B4、B5、...、Bn的充电平台1实现这些检测和定位的步骤。如下面所解释的，然后线圈之间的选择性通信阶段可以发生在次级设备5已经被定位之后。

如上所述，由于分离的缘故，期望布置在两个平行平面中的线圈B1、B2、B3、...、Bn部分重叠。在检测期间，规则分布的线圈，图示的示例中三个中的一个线圈，即图4中的线圈B2和B5发射一系列简短脉冲80。测量接收到的返回信号的幅度并与参考阈值K0.Vi比较，Vi是每个线圈两端的初始电压，而K0是调制系数。

当线圈，即图示的示例中的线圈B3，接收到具有高于所述阈值的幅度的信号83时，检测到待充电的次级设备5。如果多个线圈，例如B3和B4，接收到具有高于所述阈值的幅度的信号83和84，那么对这些幅度的比较允许直接推出待充电的次级设备5的位置。在该示例中，信号83的幅度高于信号84的幅度，并且与线圈B4相比，次级设备5更接近于线圈B3。

位于最接近次级设备5的线圈B3然后被切换到充电模式，并且相邻的线圈B4然后被切换到通信模式。模式之间的切换通过通信/充电模式选择器电路执行，如下面参考图5的示图所描述的。

这样的电路30包括用于处理源自至少一个次级设备5的信息数据的微控制器31；充电调节器32；多路通信选择器33，其多个输出33s连接到每个线圈B1、...、Bn的一端E1、E2、...、En，并且其输入33e连接到微控制器31；以及多路充电选择器34，其多个输出34s连接到每个线圈B1、...、Bn的另一端E’1、E’2、...、E’n，并且其输入34e连接到充电调节器32。线圈的末端E1、E2、...、En还经由固定于直接连接L1、L2、...、Ln上的放大器A1、A2、...、An连接到微控制器31。这些末端E1、E2、...、En还通过电容器C1、C2、...、Cn被接地“T”。这些放大器和电容器有助于电路30的平衡操作。

每个线圈都能够通过经由选择器33连接到微控制器31的方式而工作于对源自待充电的次级设备5的信息数据进行传送的模式，或者通过经由选择器34连接到调节器32的方式而工作于能流(energy flux)传输的感应充电模式。

图6的流程图图示了在根据本发明的包括多个线圈的充电平台1装备有上述选择电路时，对于至少一个次级设备5，基于多个检测/定位阈值选择充电和通信线圈的步骤的非限制性示例。

微控制器31(图5)包含存储器和比较装置(未示出)。用于各种电平处的返回信号的检测阈值的集合91被存储在存储器中，每个线圈的初始电压Vi由各种系数K1、K2、K3调制的功能：在其下不能进行检测的有效阈值K3.Vi，以及限定了次级设备5的检测范围的下检测阈值K2.Vi和上检测阈值K1.Vi。在检测阶段(阶段I)，微控制器31(图5)将线圈B1、B2、...、B(n+2)的电压电平VB1、VB2、...、VB(n+2)与所述阈值比较。在该步骤100中，由某些线圈例如线圈B2、B5、...、和B(n+1)发射脉冲，并根据针对图4描述的协议接收从次级设备5返回的信号。

在检测步骤100中，电压VB1、VB3、VB4、VB6、...、VBn和VB(n+2)与检测阈值K3.Vi相比较。在示例中，线圈Bn和B(n+2)的电压高于阈值K3.Vi(结果100’)，从而指示检测到次级设备5在这些线圈对面。在实践中，依赖于待充电的次级设备5和线圈网络的尺寸，每个检测到的次级设备5涉及的线圈的数量一般限制于两个或三个并列的线圈。如果没有电压VB3、VB4、VB6、VBn和VB(n+2)高于阈值K3.Vi，则检测步骤100被重新初始化。

在定位待充电的次级设备5的阶段(II)，将接收并测量到的作为电压VBn和VB(n+2)的信号电平与检测阈值K1.Vi和K2.Vi相比较，以使待充电的设备5相对于线圈Bn、B(n+1)和B(n+2)被定位，并进而(阶段III)选择操作模式，即对于这些线圈中的至少两个选择充电模式或通信模式。

为了实现这一点，假定设备5经由其电压电平被定位为最接近线圈Bn(步骤“H1”)。为了验证该假定，在比较步骤101中将电压VBn与上阈值K1.Vi比较。如果电压VBn高于上限K1.Vi，其意味着相比任何其它线圈，次级设备5更接近于线圈Bn：线圈Bn被切换到次级设备5充电模式(步骤102)。此外，线圈B(n+1)切换到通信模式(步骤103)，该线圈B(n+1)因为其更接近于线圈Bn而比线圈B(n+2)更接近次级设备5。如果通信流没有被线圈Bn接收到(步骤104)，与有效阈值K3.Vi比较的步骤(步骤100)被重新初始化。

如果电压VBn低于上阈值K1.Vi，则对于电压B(n+2)执行与阈值K1.Vi的相同比较(步骤101’)。在电压VB(n+2)高于阈值K1.Vi的情况下，由此推断出相比其它线圈，待充电的次级设备5更接近于线圈B(n+2)：线圈B(n+2)切换到充电模式(步骤102’)，且线圈B(n+1)-因为其更接近于线圈B(n+2)而比线圈Bn更接近待充电的次级设备5-被切换到通信模式(步骤103’)。如果通信流没有被线圈B(n+1)接收到(步骤104’)，与有效阈值K3.Vi比较的步骤(步骤100)被重新初始化。

相反，在电压VB(n+2)低于阈值K1.Vi的情况下，执行与下检测阈值K2.Vi的双重比较(步骤101”)，以确定电压VB(n+2)或VBn中的一个是否高于阈值K2.Vi。在电压VB(n+2)或VBn中的一个高于阈值K2.Vi而另一个不高于的情况下，则认为线圈B(n+1)更接近于待充电的次级设备5并切换到充电模式(步骤102”)。相邻线圈中的一个或两个，即Bn和/或B(n+2)被切换到通信模式(步骤103”)。

本发明并非限制于所描述和展示的实施例。因此：

·待充电的次级设备5和充电平台1(或初级设备1)之间的通信可以由另一个充电平台1或由两个其它的充电平台1确保；

·线圈可平行于充电平台1的顶面以二维阵列方式放置；

·线圈可由微控制器之外的控制单元控制：例如处理器的数字处理单元、耦合到模拟/数字转换器的模拟控制单元等；

·本发明允许对任何类型的移动设备进行高效充电，例如：移动电话、任意类型的智能电话、MP3播放器、USB密钥、GPS，同时实现这些设备和充电平台之间的优化通信；

·充电可经由不是感应耦合的耦合完成，例如经由微波，或经由“witricity(无线电力)”系统(包括调谐到相同频率的磁回路天线的系统)。

Claims (10)

1.一种经由磁耦合的充电方法，执行通过被称为初级设备(1)的包括至少两个线圈(Ba，Bb，Bc；B1，B2，…，Bn)的充电设备或平台(1)对被称为次级设备(5)的待充电的便携式电子设备(5)的充电、以及将源自次级设备(5)的信息(8；83；84)传送到初级设备(1)的功能，

·通过由初级设备(1)的至少一个线圈(Bb；B2，B5)发射测试信号(80)、并由至少一个线圈(Bc；B(n+1)，B(n+2))接收返回的携带信息数据(61，62)的信号(51，52)来对次级设备(5)进行检测(I)进而定位(II)，

·将接收到的一个或多个信号的幅度(VBn，VB(n+1)，VB(n+2))与至少一个参考阈值(K0.Vi；K1.Vi，K2.Vi，K3.Vi)相比较，

该方法的特征在于：

·在选择阶段(III)，通过模式选择装置(33，34)对最接近于次级设备(5)的初级设备(1)的线圈(Bb；B(n+1)，B(n+2))进行选择并然后将其切换到用于经由能流(2)的传输来充电的模式，以及

·在选择阶段(III)，通过模式选择装置(33，34)对接近用于充电的该线圈(Bb；B(n+1)，B(n+2))的初级设备(1)的线圈(Bc；Bn，B(n+1))进行选择并将其切换到用于传送信息数据(61，62)的模式，以便启动包含在这些数据中的指令，

每个线圈(Bc；Bb，Bn，B(n+1)，B(n+2))都能够工作于用于传送信息数据的模式或者用于经由能流的传输来充电的模式。

2.如权利要求1所述的充电方法，其特征在于能量传输(2)经由在磁谐振条件下初级设备(1)的线圈(Ba，Bb，Bc；B1，B2，…，Bn)和次级设备(5)的至少一个线圈(6)之间的感应耦合来实现。

3.如前述权利要求之一所述的充电方法，其中初级设备(1)的线圈(Ba，Bb，Bc；B1，B2，…，Bn)是电异相的。

4.如权利要求1至2中之一所述的充电方法，其中测试信号(80)由规则分布在初级设备(1)的线圈阵列(B1，B2，…，Bn)中的少量线圈(B2，B5)发射的一系列简短脉冲构成。

5.如权利要求1至2中之一所述的充电方法，其中在充电期间以规则的间隔发射测试信号(80)以便验证由线圈(Bc；B3，B5)接收到的返回信号(83，85)的幅度，并且当充电线圈接收到的信号的幅度与参考阈值(K0.Vi；K1.Vi；K2.Vi；K3.Vi)比较时，根据次级设备(5)的新位置来切换线圈的操作模式。

6.如权利要求1至2中之一所述的充电方法，其中当存在多个待充电的次级设备(5)时，对每个次级设备(5)执行检测(I)、定位(II)和充电/通信选择(III)的操作。

7.一种能够实现如前述权利要求之一所述的方法的充电平台(1)，特征在于其包括：

·用于提供电力的装置(10)，

·用于支持待充电的次级设备(5)的表面(3)，

·由至少两个线圈(Ba，Bb，Bc；B1，B2，…，Bn)构成的线圈阵列，

·用于处理源自至少一个次级设备(5)的信息数据的至少一个微控制器(31)，

·至少一个充电调节器(32)，以及

·针对每个线圈(Ba，Bb，Bc；B1，B2，…，Bn)在电路(30)中连接到微控制器和调节器的模式选择装置(33，34)，所述模式选择装置包含多路通信选择器(33)，其输出被连接到每个线圈(Ba，Bb，Bc；B1，B2，…，Bn)的一端且其输入被连接到微控制器(31)以便为其提供信息数据，以及包含多路充电选择器(34)，其输出被连接到每个线圈(Ba，Bb，Bc；B1，B2，…，Bn)的另一端且其输入被连接到充电调节器(32)以便能够发射电能的流(2)。

8.如权利要求7所述的充电平台(1)，其中线圈(Ba，Bb，Bc；B1，B2，…，Bn)在数量上至少为三个，并且被布置在彼此部分重叠的至少两个叠置的平面(P1，P2)内。

9.如权利要求7到8之一所述的充电平台(1)，其中线圈(Ba，Bb，Bc；B1，B2，…，Bn)以选自线状或网状布置的布置方式安装。

10.如权利要求7到8之一所述的充电平台(1)，其中线圈(Ba，Bb，Bc；B1，B2，…，Bn)以选自矩阵、螺旋或圆形布置的布置方式安装。