CN103427498A - 降低无线功率系统中寄生损耗的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的降低无线功率系统中的寄生损耗的系统和方法的示例性实施例提供一种不考虑耦合而精确估测无线功率传输系统中的寄生损耗的实际装置。这种系统和方法可用于生成一个预测无线功率系统中的寄生损耗的公式。在发射器和接收器并不直接耦合的偏移情况下，与初级LC回路中的环流相关的损耗占所述损耗的大部分，并且所发送的功率可以通过以下方式被更好地估计：在受控环境中测量功率输入、功率输出和注入损耗；对公式进行数学拟合，该公式根据各种功率测量和注入损耗对预期发射器损耗进行预测；并且随后在运行环境中基于功率输入、功率输出和预期损耗公式使用该公式对寄生损耗进行预测。

Description

降低无线功率系统中寄生损耗的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年5月21日提交的序列号为61/649,788的美国临时专利申请和2012年5月21日提交的序列号为61/649,799的美国临时专利申请的优先权，这两份申请通过引用合并于此。

技术领域

本发明大致涉及电子学，并且更具体地涉及无线功率传输。

背景技术

无线能量传输或无线功率是无需互连电线而将电能从电源传输到电力负载。无线传输在互连电线不方便、危险或不可能的情况下是有用的。无线功率与无线通讯不同，在无线通讯中，只有当信号太弱而无法充分恢复时，信噪比(SNR)或所接收到的能量百分比才会变的非常关键。对于无线功率传输，效率是更为重要的参数。

无线功率传输中的两种常见的耦合方式是电感耦合和谐振电感耦合。无线功率传输系统通常包括电磁耦合的发送线圈和接收线圈。通过线圈耦合，初级侧的能量可被传输至一定距离外的次级侧。电磁感应无线传输技术是距离为一个装置或多个装置的直径的数倍的近场，该直径接近所使用波长的四分之一。近场能量本身是非辐射性的，但是确实会产生一些辐射损耗。此外，通常还有一些阻性损耗。借助感应的能量传输通常是磁性的，但也可以实现容性耦合。

电磁感应是基于这样的工作原理，即初级线圈产生一主要磁场，次级线圈位于该磁场中，从而在次级侧感应出电流。为了实现高效，耦合应当是紧凑的。随着距初级侧的距离增加，越来越多的磁场无法到达次级侧。即使在相对短程内，感应方法也不那么有效，也会浪费很多的传输能量。

电力变压器的工作方式是通过感应进行无线功率传输的最简单示例。变压器的初级电路和次级电路并不直接连接。能量传输借助电磁耦合通过众所周知的互感过程来实现。主要功能是逐步提高或降低初级电压，以及电气绝缘。移动电话、电动牙刷电池充电器以及配电变压器是如何利用这种原理的示例。电磁炉使用这种方法。无线传输的这种基本形式的主要缺点是短程。接收器必须直接邻近发射器或感应单元以高效地与其耦合。

共振增强型电动感应的常规应用是为例如笔记本电脑、蜂窝电话、医疗植入体以及电动汽车等便携式设备的电池充电。共振可用在无线充电垫(发射器电路)以及接收模块(嵌入在负载中)中以使能量传输效率最大化。这种方法适用于例如移动电话的便携式电子装置的通用无线充电垫。它已经被用作Qi无线充电标准的一部分。它也被用于没有电池的供电装置，例如RFID贴片和非接触式智能卡，并且用于将电能从初级感应器耦合到特斯拉线圈无线功率发射器的螺旋型谐振器。

Qi是采用由无线充电联盟(WPC)建立的协议的用于感应充电的系统的技术规范。Qi为感应充电器和感应装置建立一种共同语言以便彼此通话。所以具有可以使用Qi的附件或者将Qi直接嵌入体内的任何装置能够在任何Qi感应充电垫上充电。

感应充电发生于两个装置彼此接触并且能量在它们之间传输的时候，这两个装置一个被设计为发送功率，另一个被设计为接收功率。过去，这样两种装置不得不针对彼此专门设计，但是被设计成支持由WPC建立的标准的装置和充电器可以自由地互换。所述WPC标准允许兼容的智能手机、相机、mp3播放器以及具有兼容电源要求的其它任意设备的通用充电，而不必直接插入到这些装置中。通过利用电磁场来传输能量，充电垫能够反复与它们为之充电的装置智能通信。

发明内容

本发明的示例性实施例提供降低无线功率系统中的寄生损耗的系统。简而言之，在结构上，除了别的形式外，所述系统的一个示例性实施例可以实施如下：无线功率系统中的发射器，其被配置为：向接收器发送功率；接收与无线功率系统中存在寄生损耗相关的信息；以及将所发送的功率降低至非零水平。

本发明的实施例还可被视为提供降低无线功率系统中的寄生损耗的方法。在这一方面，除了别的形式外，这种方法的一个实施例可以被宽泛地总结为如下步骤：在无线功率系统中从发射器向接收器传输功率；确定无线功率系统中寄生损耗的存在；以及将从发射器发送的功率降低至非零水平。

附图说明

图1是无线功率传输的示例性实施例的系统图。

图2是图1的无线功率传输的示例性实施例的系统图，其中有一物体干扰该传输。

图3是具有干扰检测的无线功率传输的能量传输的示例性实施例的系统框图。

图4是具有干扰检测的无线功率传输的能量传输的示例性实施例的系统框图。

图5是图4的具有干扰检测的无线功率传输的能量传输的示例性实施例的电路图。

图6是降低无线功率系统中的寄生损耗的方法的示例性实施例的流程图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图对本发明的实施例进行更为充分的描述，其中在七幅附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中示出了示例实施例。然而，权利要求的实施例可以以多种不同的方式进行实施，而且不应被理解为限于本文所阐述的实施例。本文所阐述的实施例为非限制性示例，并且在其它可能的示例中也仅为示例。

通过无线充电，该系统的接收部分可以周期性地将例如其运行于的电压、电流和功率电平以及初级侧所要求的矫正行为发送至初级侧，以将次级侧功率参数保持在期望的运行范围内。当寄生金属物体意外或有意地靠近发射线圈时，这种系统的性能可能会显著下降。一些传输的能量可能被这些金属物体所耦合，并以热量的形式消耗。这不仅会降低系统性能，还可能产生危险，因为例如硬币和钥匙的金属物体会变得足够热而产生着火的危险，从而引起塑料部件变形，或者当操作人员触碰时，皮肤被烫伤。

通过将系统的接收侧所接收的功率与初级侧所消耗的功率进行比较，具有干扰检测的无线功率传输系统的系统和方法可以检测与靠近系统线圈放置的寄生金属物体相关的可能的过剩能量传输。如果这种比较的结果显示初级侧所消耗的功率充分超过次级侧所接收到的功率，则该系统决定终止运行，主动阻止不利效果的发展。

具有干扰检测的无线功率传输系统的系统和方法可以包括耦合到例如初级直流源的电能输入源的初级侧；半导体电路，其将输入功率转变成激励发射线圈并朝向接收线圈被发射的电磁能；以及接收线圈，其与发射线圈电磁耦合以便从发射线圈接收能量。接收器电路可以利用所接收的能量和条件参数为负载所使用。该负载可耦合至次级侧，并消耗接收线圈所耦合的能量的一部分。次级侧电路可以监控所接收的能量，并周期性地将所接收的能量的参数报告给发射电路以尝试实现次级侧上的能量参数的闭环调节。

次级侧测量电路可以感测次级侧所接收的功率。初级侧测量电路可以感测初级侧所消耗的功率。调制电路可以放置于次级侧上并且能够改变耦合发射线圈和接收线圈的电磁场，以使得能够从次级侧发送二进制编码并在初级侧接收该二进制编码。次级侧控制器可以耦合至次级侧测量电路和调制电路并有效地控制这些电路周期性地发送与次级侧所接收的功率相关的二进制编码。

初级侧解调电路对耦合发射线圈和接收线圈的电磁能的变化比较敏感，并且能够解调从次级侧发送的二进制编码。耦合至初级侧解调电路的初级侧控制器和输入功率测量电路将所接收的功率值与在初级侧所测量的消耗的功率值进行比较，并基于该比较结果有效地控制或命令系统运行。该通信方法如果利用的话可包括大量不同的协议或手段，包括通过耦合、红外信道和射频信道等发射一调制信号。

初级侧可以将所接收的功率与所消耗的功率进行比较并且用所接收的次级侧功率水平和所测量的初级侧功率水平执行数学函数来计算与寄生金属物体相关的功率。这些数学函数可以包括标定(scale)所接收和所测量的功率水平，从标定的测量功率中减去标定的接收功率，以及减去与初级侧和次级侧所消耗的静态功率有关的预定常数。次级侧可以发送与公知的功率损耗源有关的常数。例如，公知的损耗源可以包括由于线圈电阻引起的损耗或屏蔽件中的损耗等。屏蔽件通常为置于线圈后面的磁性材料例如铁磁体，其为磁通提供返回路径。屏蔽件阻止大部分磁场进入到正在充电的装置中。通过在期望方向上引导磁场，效率被改善。公知的参数可以是常数(例如静态功耗)，或者它们可以与功率成比例(例如标定因数)。功耗中的一些因数可以是非线性的，并且也可以涉及更高阶项。例如，损耗可以以发热的形式加重，因为升高的温度会增加线圈的电阻，而I²R损耗可能比电流增加得更快。

如果次级侧功率与初级侧功率的比较结果超出某个预定水平，则可以做出决定完全停止能量传输。该比较优选包括标定与可能从次级侧传递到初级侧的参数的比较。系统停止能量传输时的预定水平可通过耦合到初级侧微控制器的用户可配置电阻器、电压或电流来设定。系统停止能量传输时的所述预定水平可以存储在初级侧微控制器可访问的存储器中。

通过调制耦合发射线圈和接收线圈的电磁场，次级侧微控制器可以将停止能量传输时的接收功率与消耗功率之间的差别作为二进制编码发送至初级侧微控制器。如果比较的结果超过了某个任意的预定水平，则可以作出决定将能量传输停止一暂时的预定持续时间。系统停止能量传输的时间间隔可以由耦合至初级侧微控制器的用户可配置电阻器、电压或电流来设定。系统暂时停止能量传输的持续时间可以被存储在初级侧微控制器可访问的存储器中。通过调制耦合发射线圈和接收线圈的电磁场，由次级侧微控制器将能量传输停止的持续时间发送至初级侧微控制器。

为了达到更高的精度，可以在次级侧和初级侧之间建立何时对所接收的功率与所消耗的功率进行测量的约定。为了进一步改善精度，可以在与系统最不可能经历与耦合发射线圈和接收线圈的电磁场的调制相关的任何扰动基本相同的时刻进行功率测量。为了减少由于噪声读数引起的障碍跳闸的发生，能量传输可被配置成仅在超出预定水平的若干连续情况出现后才停止。停止能量传输前的连续情况的数量可以是用户可配置的。

与用于基于有效表面温度测量进行金属物体检测的通用系统相比，所公开的系统和方法测量并比较初级侧和次级侧的功率水平，并且如果初级侧功率和次级侧功率之间的差别超出阈值(例如作为非限制的示例，用户定义的阈值)，则对系统运行进行必要的校正。

无线功率干扰检测的一个目的是检测靠近充电器的寄生金属的存在。为了制作一款通用的充电器，创建了无线充电联盟(WPC)以建立用于从要充电的装置到充电器之间的数据传输或通话的标准。在一个示例性实施例中存在一种挑战，例如在Qi兼容充电器中，Qi兼容的任意手机或装置可被充电，其它的金属物体可能会与充电器相互干扰。如果金属物体引起干扰，它们可能会升温并对手机或用户带来问题和损害，甚至升温至90摄氏度。可以计算功率传输的效率，以确定在一些标准损耗存在的条件下，所接收到的功率与初级侧功率相比是否足够高效。如果接收器并未接收到发射器所发射的大部分能量，那么这意味着存在某些消耗能量的因素。

图1提供一种用于移动装置的充电系统的示例性实施例。充电系统100是从例如墙壁供电装置获取电力的任意一种无线充电器，其被配置为对移动装置110充电。移动装置110可包括蜂窝电话、mp5播放器、计算机、嵌入式医疗传感器或任意其它可无线充电的装置。

图2提供一种系统，其中寄生金属物体220可能干扰充电器200对装置210的充电。当充电器200试图通过例如感应耦合向装置210传输能量时，金属物体220可能接收一些发送来的能量并升温从而对移动装置210、充电器装置200和金属物体220造成损害。如果金属物体220升温，则该热量可能造成包括失火以及把用户烫伤的其它损害。

图3提供一种用在具有干扰检测的无线功率传输系统中的能量平衡的示例。发射侧310发送所发射的能量315并接收发射线圈317中的能量损耗的指示。接收侧320将传输来的接收能量发送给负载322。接收侧320还将传输在接收线圈及整流器325中损耗的能量以及在接收器控制电路327中损耗的能量。这些已知的能量项可以被合并成单一的“接收功率”消息。在金属物体329中浪费的能量是一个未知量，其可以通过将已知的传输能量和接收能量简单叠加来计算。然后发送侧310将计算损耗并确定是否应该禁止能量传输。

图4提供一种具有干扰检测例如寄生金属物体检测的无线功率传输系统的示例的系统框图。系统400包括发送器410、电感耦合器420、调制器450和次级侧控制器440。初级侧控制器410通过电感耦合420将能量传输至次级侧控制器440。次级侧控制器440感测所接收的功率并向调制器450发送一信号，该信号包括次级侧功率水平。调制器430通过电感耦合420将该信号发送至初级侧控制器410。初级侧控制器410计算功率损耗并确定是否应该禁止功率从初级侧410传输至次级侧440。

图5提供一种具有干扰检测的无线功率传输电路的示例。电源510向系统500供电。电阻器515和放大器520用于检测初级侧电流水平；输入502用于检测初级侧电压水平。两者都可通过初级侧控制器505感测以计算初级侧功率水平。在该示例中，初级侧控制器505向控制器525发送信号以控制具有高侧场效应晶体管530和低侧场效应晶体管535的谐振转换器。来自初级侧的功率通过无线耦合540(例如通过电感耦合器)传输到次级侧。在该示例中，次级侧可以包括整流器550，整流器550包括四个二极管。次级侧的电流可以通过电流电阻器555和放大器560被感测，并可以呈现给次级侧控制器575。在该示例中，次级侧控制器575可以向输出调节器570发送信号，以向负载580提供功率。次级侧控制器575从放大器560接收电流感测输入，并向调制网络545提供所感测的功率水平的表示。

在该示例中，调制网络545将表示来自电流感测电阻器555和电压感测器572的感测功率的二进制信号通过电感耦合器540发送给初级侧控制器505。控制器505通过放大器520和感测电阻器515从电源510接收感测电流。在该示例性实施例中，初级侧控制器505控制具有高侧场效应晶体管530和低侧场效应晶体管535的谐振控制器525。次级侧控制器575可通过WPC协议和调制网络545进行通信以通过电感耦合器540将表示所接收功率的二进制编码发送回初级侧，其中该二进制编码可以由初级侧控制器505接收。

初级侧控制器505随后可计算功率损耗以确定效率是否足以继续充电。如果损耗足够高，则可以确定有东西阻止能量从初级侧高效传输至次级侧，并且可以中断能量传输。这可以由阈值来确定。该阈值可以预设，或者也可以是用户可配置的。所述调制类型可以包括但不限于幅值调制、频率调制、相移键控、脉宽调制以及红外调制等。

在现有的解决方案中，对干扰检测和与之相关的功率损耗进行了估计。这些方案试图通过查看功率公式来检测在为功率传输所产生的磁场中的金属物体，要求考虑所有传输功率(能量守恒定律的重新表述)，以使得：

传输功率＝接收功率+预期损耗+非预期损耗

这导致将损耗计算为：

损耗＝A*传输功率-B*接收功率-C

其中，传输功率被计算为输入电流*输入电压；接收功率是来自被充电装置的报告值；而C是用来去除任意直流偏移的常数。

虽然当发射线圈和接收线圈被强制对准以提供理想耦合时，该方法确实相当不错，但是当接收器偏离发射器的中心放置而使得耦合改变时，该方法就缺少精度。在偏移的情况下，与初级LC回路中的循环电流相关的损耗会占主导地位，而上面仅基于输入功率估计的传输功率可能是不准确的。

解决这种缺点的一种途径可包括准确测量初级绕组中的环流线圈电流，并且在精确获知谐振电路中的串联电阻的情况下，可以更好地计算“预期损耗”。这种方法的缺点包括1)测量电流涉及昂贵的电流互感器，或者在高电流回路中的阻阻感应元件，该感应元件会增加阻尼，影响系统效率；以及2)线圈的电阻应当是已知的(这限制设计的自由度)，并且潜在地更有问题的是，该电阻应当为常数——不提供处理可能是功率水平或温度的函数的非线性的机制。

本文公开的降低无线功率系统中的寄生损耗的系统和方法的示例性实施例提供一种不考虑耦合而准确估算无线功率传输系统中的寄生损耗的实用方法。这种系统和方法可用于生成预测无线功率系统中的寄生损耗的公式。该方法和具体公式(以及相关的公式群组)对于无线功率领域而言是新颖的。

降低无线功率系统中的寄生损耗的方法的示例性实施例包括在受控环境中测量功率输入、功率输出以及注入损耗；对公式进行数学拟合，该公式根据各种功率测量值和注入损耗预测预期的发射器损耗；以及随后在运行环境中，基于功率输入、功率输出以及预期损耗的公式，使用该公式预测寄生损耗。

在收集数据时，可使用固定发射器来报告直流输入电流、直流输入电压以及在谐振回路中看到的峰值电压。(注意该峰值测量可以确实是线圈电流和电容器电压的任意线性组合。之所以在这里选择电压是因为可以在对系统的谐振特性有很小影响的情况下对其进行测量)。其它的元件包括可移动的接收器，该接收器可报告所接收的功率(例如符合无线充电联盟规格1.1版本的接收器的非限制性示例)、位于接收器输出端的可变负载以及位于接收器输入端的可变负载(例如位于整流器上的阻性负载，用于为实际系统中的寄生损耗提供可量化参数，从而提供一种接收器不知道的可测量损耗)。

在许多不同的运行点处(例如通过使用矩阵，该矩阵包括一组：空间位移、输出负载以及整流器负载)，示例收集参数包括TX_电压_输入、TX_电流_输入、TX_峰值_回路_电压、RX_整流器_电压、RX_整流器_负载(欧姆)以及RX报告功率(“接收功率”)。根据该数据，可以使用功率损耗公式对每个点进行分析：

TX_功率＝RX_功率+预期损耗+注入损耗

其中：

TX_功率＝TX电压输入*TX电流输入；

RX_功率＝RX报告的“接收功率”；以及

注入损耗＝RX整流电压²/RX整流器负载(欧姆)；

随后，可以在无需知道接收器的状态的情况下计算发射器上的“预期损耗”。在运行时间系统中，一旦获得预期损耗，功率公式可以被视为：

TX_功率＝RX_功率+预期损耗+寄生损耗

其中获得寄生损耗是计算的目标。

虽然这里详细审查了具体公式，但是存在一个可以应用的相关公式的潜在群组。通过试验，已发现预期损耗遵从如下公式：

预期损耗＝A*TX_峰值_电压²+B*TX_峰值_电压*电流_输入+C*TX_电流_输入²

在矩阵形式中，设X＝[A，B，C]，则功率公式可以改写成：

TX_功率-RX_功率-注入损耗＝

                     [峰值_电压²(峰值_电压*电流_输入)电流_输入²].*X

可以使用例如Excel或Matlab等数学软件生成系数A、B和C的最小二乘法拟合。

例如，可以使用Matlab表述：X＝Iscov([v_peak.^2 v_peak*i_in i_in.^2])，rec_pwr+inject-(v_in.*i_in)。仅仅举例，在示例性实施例中数据的最小二乘系数可被计算为：

X＝[A，B，C]＝[-3.28011e-010 3.47138e-007 -0.000502683]

在示例性实施例中，该输出可被结合到发射器固件中(例如使用被优化以阻止溢出或下溢问题的定点数学)以估计系统中的寄生金属损耗。

Loss＝(v_in*i_in)

   -(32000L*rec_power)

   -((((11541UL*(v_peak＞＞8))＞＞10)*(v_peak＞＞8))＞＞6)

   +(((2982*iin)＞＞16)*(v_peak＞＞7))

   -((((1054*iin)＞＞10)*iin)＞＞4)；

用于特征公式的其它选择包括用谐振回路电流替换电压；除二次项外还包括线性项；包括作为线性项和二次项之间的交叉乘积的项；而且包括可以解释系统差异的常数项(但是该系统差异可以被包括在与估测损耗相比较的阈值中)。

在示例性实施例中，可以通过改变输出负载实现线性，且未使用温度传感器。此外，不要求对初级回路中的电流进行精确测量，这种精确测量也会增加成本。示例性实施例在受控环境中测量功率输入、功率输出以及注入损耗；对公式进行数学拟合，该公式根据各种功率测量和注入损耗来预测预期发射器损耗；并且随后在运行环境下，基于所述功率输入、功率输出和预期损耗公式使用该公式预测寄生损耗。一种系统例如可包括：固定发射器，其能够报告DC输入电流、DC输入电压以及在谐振回路中看到的峰值电压(注意该峰值测量确实可以是线圈电流和电容器电压的任意线性组合。这里选择电压是因为可以对其进行测量而对系统的谐振特性没有什么影响)；可移动的接收器，其报告所接收的功率(例如一种符合无线充电联盟规范1.1版本的接收器)；以及在接收器输出端上的可变负载(整流器的阻性负载为实际系统中的寄生损耗提供量化指标，提供接收器不知道的可测量损耗)。

生成系统中已知损耗的公式的方法的一种替代实施例是在不存在接收器的情况下激励发射器线圈。在这种构造中，所有测量的输入功率可被视为“已知损耗”，因为没有接收器耦合有用的能量，并且没有外部物体产生热量。通过在其工作频率范围内“开环”驱动发射器并测量输入电流、输入电压和谐振电容器峰值电压，例如可使用最小二乘法拟合来提供从峰值谐振电容器电压到输入功率(Vin*Iin)的映射。因此已知损耗可以表达为：

已知损耗＝[峰值电压²+峰值电压+1].*X

也可以利用数学软件来确定X的数值，其包括在公式的运算形式中使用的系数A、B和C。

可增加进一步的细微改良来补偿部件的可变性，例如不同场效应晶体管、线圈或谐振电容器中的电阻，其可能带来依赖于负载的损耗。在实验中，与输入电流成正比的项在估算由于发射器中的阻性变量带来的其它感应损耗时是有效的。由该添加项导致的示例性实施方式采用如下形式：

损耗＝Vin*Iin-接收功率-A*峰值电压²-B*峰值电压-C-D*Iin

其中“D”通过实验的方式在运算系统中确定以去除任何依赖于负载的损耗。

如上所述，一种无线功率传输系统(WPTS)包括开放式变压器，其中初级绕组位于功率发射器内，而次级绕组位于功率接收器内。通过用产生磁场的交变电流激励初级线圈来实现功率传输。当接收器被置于该磁场中时，就会在线圈中感应电流，该感应电流可以被用于为接收器供电。

无线功率的一个最大的问题是“寄生金属”在磁场中的意外发热。当金属物体靠近线圈放置时，就会产生涡流并造成发热。寄生金属可以是放置在磁场中靠近接收器的外来物体，或者更差的情况是，该寄生金属放置在发射器和接收器之间，这里的磁场是最强的。发热可能是很明显的，从装置可靠性的立场且更重要的是从安全的角度来看发热可能是不理想的。

无线充电联盟(WPC)已经花费了很多时间和精力来考虑外来物体的检测(FOD)，定义一组带有温度限制的参考物体(圆盘、环形物和铝箔)，如果系统要“通过”，就不能超过所述温度限制。虽然这种努力已经非常详尽且非常有目的性，但是这种努力不仅在检测外来物体，而且在处理系统中的“友好损耗”方面仍然很重要。暴露在磁场中的电路板、电池、天线或相机都将会发热，就像放错地方的硬币或口香糖包装纸。

对于外来物体，对所检测的功率损耗的响应假定为“关闭它”。这非常有效地停止发热。关闭发射器的问题是没有能量传递，并且在失效的充电垫上经过一个凉爽的无电夜晚后，当使用者在早晨拿起他们的电话时，它并未被充电。

在WPC框架中，功率传输以调节的方式发生，其中接收器会根据它的需求要求更多或更少的功率。例如，当对电池充电时，接收器可能需要比电池完全充电时更多的功率。WPC已经定义了一种用于该通信的协议，其中接收器会发送表明应当传输多少功率的控制误差包(CEP)消息，并且发射器通过调整一些运行参数例如频率、占空比或电压对输出的相应变化做出响应。例如，当CEP包括+5的值时，它意味着接收器会请求多于5％的功率，并且希望发射器将初级绕组电流增加5％以传输该功率。该控制回路动作将驱动CEP至零。

除了CEP消息，接收器还对它接收了多少功率进行通信。利用REC_PWR信息以及已知的特征化系统损耗和正在传输多少功率的度量，该发射器可以估测有多少功率损耗在磁场内的外来物体。功率损耗和温度上升之间的关系可以被测量。例如，如果损耗保持在500mW以下，可以看到钢制圆盘保持在60℃以下。一旦确定损耗的可接受阈值，发射器可防止损耗超过该阈值，以便允许温度保持在可接受范围内。

在此公开的示例性实施例提供了比损耗接近(或超过)阈值时接收器请求的功率更少的功率。在正常操作中，发射器驱动CEP值至零；为了传输更少的功率，CEP值被驱动为大于零，从而接收器一直“不饱和”，接收小于其需求的功率。通过调整调节点，减小了功率传输量。因为感应功率传输机构对于次级绕组和寄生金属是相同的，这导致按比例更少的功率进入寄生金属并按比例产生更少的热量。

可基于所计算的损耗接近阈值的程度来调整偏移调节设定点(用于闭环控制的非零CEP基准)，也就是说，当寄生损耗接近所述阈值时，增加功率不饱和(starving)水平。存在用于控制该设定点的若干选项。在示例性实施例中，用简单的比例回路设置该设定点。在替代实施例中，也可使用一种更先进的控制回路，其中如果未以按比例设置的偏移达到理想的损耗下降量，则功率的下降量会增加。

在示例性实施例中，可以通过忽略CEP消息并且用控制回路直接包绕损耗来实现功率不饱和。示例性实施例可通过超控标准的闭环控制来降低输出功率。该功率的不饱和可在有限的范围内运行。纯比例控制将意味着输出的减少量等于K*(阈值-损耗)。然而，在示例性实施例中，只有当(阈值-损耗)在某个预定义范围内例如200mW时，才会引起功率不饱和。

可能存在无法处理比已经要求的输入电源更低的输入电源的接收器。也就是说，它们会停机而不是传输降低的输出。在这种情况下，功率不饱和的应用可能会导致系统关闭，即使它可能已经在阈值以下运行。例如，如果阈值为500mW，则在200mW内调用不饱和状态，而损耗为400mW。在这种情况下，超出阈值一次后，一种示例性实施方式调用功率的不饱和。

在多线圈系统中，可以定位金属引起的损耗(友好的或其它的)，以使得在由一个线圈所产生的磁场中的该损耗大于选择不同的线圈用于功率传输时的损耗。因此对于多线圈系统，在调用功率不饱和之前，尝试通过交流线圈进行能量传输是有利的。

在一种替代实施例中，可以逐步应用功率不饱和。对于不能处理任何不饱和的接收器，可抑制应用降低功率直至阈值被超越。那时，可定义一种比例增益和运行范围。例如，可将运行范围定义为在200mW内运行，最大降幅为10％。如果损耗仍然超出所述阈值，可以增加所述范围和/或增益，例如在300mW内运行，最大降幅为25％。随着逐渐增加的主动性，这可能会重复发生，或者当意识到对于现行状况不可能阻止加热时，在某个点它可能被终止。

在示例性实施例中，当确定输出功率下降时，随之而来的标准闭环控制的超控就会发生。基于所计算的损耗接近阈值的程度，可以对偏移调节设定点(用于闭环控制的非零CEP基准)进行调整(即当损耗接近阈值时，增加功率不饱和水平)。对于控制所述设定点存在多种选择，例如简单的比例回路和更高级的控制回路，其中如果通过按比例设定的偏移未达到期望的功耗下降量，则功率下降量会增加。功率不饱和可在有限范围内运行。纯比例控制将意味着输出的减少量等于K*(阈值-损耗)；然而，只有当(阈值-损耗)在某个预定义范围内时，它才可能被调用。

在功率不饱和引起关机之前，可利用功率不饱和来阻止外来物体检测(FOD)事件。在示例性实施例中，比例积分(PI)控制回路设定所述CEP调整量，而不是使用固定的调整量，以试图将所述损耗保持在低于FOD阈值的水平。该技术提供一种更加渐近不饱和的方法，并极大地消除了振荡，而采用固定等级方法则存在振荡。例如，如果FOD阈值为600mW，则可以将所计算的损耗保持为低于400mW。基于PI控制回路增益可增加不饱和度。例如，如果P＝0.05，I＝0.01，且功耗LOSS被计算为500，则CEP调整量可按下式计算：

Err＝500-400＝100

积分器＝积分器+0.01*Error＝1.0

比例＝0.05*Err＝5

CEP_调整量＝比例+积分器＝5+1＝6

如果进行到下一步，损耗降低到480，

Err＝480-400＝80

积分器＝积分器+0.01*Error＝1.0+0.8＝1.8

比例＝0.05*Err＝4.0

CEP_调整量＝比例+积分器＝4+1.8＝5.8

这会最终导致积分器足够大，可以将Err驱动至0，用CEP调整量来运行以保持所述目标损耗。

图6提供一种降低无线功率系统中的寄生损耗的方法的流程图600。在模块610中，功率在无线功率系统中从发射器被传输到接收器。在模块620中，确定无线功率系统中存在寄生损耗。在模块630中，从发射器发送的功率被降低到非零水平。

图6的流程图示出了降低寄生损耗软件的一种可能实施方式的结构、功能和操作。在这方面，每个模块可代表一个模块、片段或部分编码，其包括用于实施专用逻辑功能的一种或多种可执行指令。还应当注意的是，在一些替代实施方式中，多个模块中标明的功能可以不按图6示出的顺序执行。例如，图6中接连示出的两个模块事实上可基本同时执行，或者这些模块有时也可以按相反顺序执行，这取决于相关的功能。流程图中的任意过程描述或模块应当被理解为表示模块、片段或部分编码，其包括用于执行程序中特定逻辑功能或步骤的一种或多种可执行指令，替代实施方式被包括在示例性实施例的范围内，其中可以不按所示出的或所讨论的顺序执行功能，包括基本同时或相反顺序，这取决于所涉及的功能。此外，流程图中的过程描述或模块应当被理解为表示由硬件结构例如状态机做出的决定。

示例性实施例的逻辑可以用硬件、软件、固件或其组合来实施。在示例性实施例中，该逻辑可以用软件或固件来实施，该逻辑被存储在存储器中并且由合适的指令执行系统来执行。如果用硬件来实施，如同在替代实施例中，该逻辑可利用现有技术中公知的如下技术中的任意一种或其组合来实施：具有用于在数据信号上实施逻辑功能的逻辑门的离散逻辑电路、具有合适的组合逻辑门的专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等。此外，本发明的范围包括用在硬件或软件配置介质中体现的逻辑来体现在此公开的示例性实施例的功能。

包括用于实施逻辑功能的可执行指令的有序列表的软件实施例可以体现在任意计算机可读介质中，以便由指令执行系统、装置或设备如基于计算机的系统、含处理器的系统或者能够从该指令执行系统、装置或设备取得指令并执行该指令的其它系统使用或与其连接。在本文的正文部分，“计算机可读介质”可以是能够包括、存储程序或与程序通信的任何装置，该装置由所述指令执行系统、装置或设备使用或与其连接。所述计算机可读介质可以是例如但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统、装置或设备。计算机可读介质的更具体示例(非穷举列表)包括以下各项：便携式计算机磁盘(磁性)、随机存取存储器(RAM)(电子)、只读存储器(ROM)(电子)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)(电子)以及便携式光盘只读存储器(CDROM)(光学)。此外，本发明的范围包括用在硬件或软件配置介质中体现的逻辑来体现本发明示例性实施例的功能。

尽管已经详细地描述了本发明，但是应当理解的是在不偏离由附加权利要求所定义的本发明精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替代和修改。

Claims (20)

1.一种方法，其包括：

在无线功率系统中从发射器向接收器传递功率；

确定所述无线功率系统中的寄生损耗的存在；以及

将从所述发射器发送的功率降至非零水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过将测量损耗与预期损耗进行比较来确定寄生损耗的存在，通过在受控环境中测量系统特性来确定所述预期损耗，通过将所述系统特性的数学拟合应用于一公式来预测寄生损耗。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述公式将预期损耗计算为以下各项之和：

第一常数乘以发射器峰值电压的平方；

第二常数乘以所述发射器峰值电压和所述发射器输入电流；以及

第三常数乘以所述发射器输入电流的平方。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述公式将预期损耗计算为以下各项之和：

第一常数乘以发射器峰值电压的平方；

第二常数乘以所述发射器峰值电压；以及

第三常数。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述公式计算预期损耗作为下面各项之和：

第一常数乘以发射器峰值电压的平方；

第二常数乘以所述发射器峰值电压；

第三常数；以及

第四常数乘以输入电流。

6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括确定可接受的损耗阈值并且降低从所述发射器发送的功率直至达到所述可接受的损耗阈值。

7.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括参考在控制误差包CEP消息中接收的值来设定所述可接受的损耗阈值。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括忽略所述CEP消息并且基于所述寄生损耗进行直接控制。

9.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括将传输功率调节设定点设定在所述可接受的损耗阈值，并利用比例回路对所述传输功率调节设定点处的传输功率进行调节。

10.根据权利要求6所述的方法，其中从所述发射器发送的功率的下降发生在寄生损耗的预定义范围内。

11.一种系统，其包括：

无线功率系统中的发射器，其被配置为：

向接收器传送功率；

接收与所述无线功率系统中存在寄生损耗相关的信息；以及

将发送的所述功率降至非零水平。

12.根据权利要求11所述的系统，其中通过将测量损耗与预期损耗进行比较来确定寄生损耗的存在，通过在受控环境中测量系统特性来确定所述预期损耗，通过将所述系统特性的数学拟合应用于一公式来预测寄生损耗。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述公式将预期损耗计算为以下各项之和：

第一常数乘以发射器峰值电压的平方；

第二常数乘以所述发射器峰值电压和所述发射器输入电流；以及

第三常数乘以所述发射器输入电流的平方。

14.根据权利要求11所述的系统，其中所述发射器被进一步配置为降低从所述发射器发送的功率直至达到可接受的损耗阈值。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述发射器被进一步配置为参考在控制误差包CEP消息中接收的值来设定所述可接受的损耗阈值。

16.根据权利要求15所述的系统，其中所述发射器被进一步配置为忽略所述CEP消息并基于所述寄生损耗直接控制传输功率。

17.根据权利要求14所述的系统，其中所述发射器被进一步配置为将传输功率调节设定点设定在所述可接受的损耗阈值并利用比例回路对所述传输功率调节设定点处的传输功率进行调节。

18.根据权利要求14所述的系统，其中所述发射器被配置为当所述寄生损耗处于预定义范围内时降低从所述发射器发送的功率。

19.一种系统，其包括：

用于向接收器发送功率的装置；

用于接收与所述无线功率系统中存在寄生损耗相关的信息的装置；以及

用于将发送的所述功率降至非零水平的装置。

20.根据权利要求19所述的系统，进一步包括用于通过将测量损耗与预期损耗进行比较来确定存在寄生损耗的装置，所述预期损耗通过在受控环境中测量系统特性来确定，通过将所述系统特性的数学拟合应用于一公式来预测寄生损耗。

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