CN106877521A - 具有来自次级侧反馈的无接触式连接器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无接触式连接器系统，其具有电力发送连接器(102)，电力发送连接器具有初级侧电感耦合元件(Lp)和谐振电路(110)，用于通过输入电力在所述初级侧电感耦合元件(Lp)处产生磁场。电力接收连接器(104)与所述电力发送连接器(102)可配合，其具有次级侧电感耦合元件(Ls)，当与所述初级侧电感耦合元件(Lp)电磁耦合时，其可操作为接收电力。双向数据链路形成在所述发送连接器和接收连接器(102，104)之间。次级侧感应单元(136)可操作为测量至少一个次级侧操作参数，且响应于所述至少一个次级侧操作参数和至少一个初级侧操作参数的组合来控制所述谐振电路(110)的操作。
Description
技术领域
本发明涉及无接触式连接器系统以及控制无接触式连接器系统以用于在电力发送连接器和电力接收连接器之间电感传输电力的方法。
背景技术
电感能量转移的原理在许多应用中用作大量应用的技术开发的物理基础。在电感能量转移的情况下，其基本元件是松散耦合导体，其代表初级侧电力发送装置中的电感器或磁绕组与目标装置中的电感器或磁绕组的磁耦合。在操作期间，能量在初级侧部分和次级侧部分之间电感转移。如果从初级侧部分移除次级侧部分，则能量转移被中断。在上下文中，术语“无接触式”用于表示：在初级侧部分和次级侧部分上的相对应的电触头之间分别没有任何欧姆连接的情况下可以实现能量转移。
省略电触头对于在不同应用领域中的许多应用是非常重要的。这特别适用于在电源和电汇(sink)之间的电连接的机械设置中具有高要求的应用，其中可以通过应用电感能量转移(IE)来避免技术上复杂的插头和电缆。另外，基于IE的技术能量供应系统部件可以被保护免受环境影响，而不会由于应用外部连接器而使得机械设置不必要地复杂化。此外，在IE的一些应用领域中，鉴于技术可行性，必须避免使用电连接。例如，在易爆环境中或者在导电和/或腐蚀性介质中对系统部件进行操作期间，依赖于允许非接触式能量转移的系统在技术上是有利的。另外，对于其中装置以及最终这些装置的电触头暴露于高应力的系统，IE的使用可以改善系统的可靠性。一方面,对于具有旋转或可移动部件的系统属于这种情况，这是因为基于IE的部件允许避免使用瞬动触头(wiper contact)，其易于由于摩擦而磨损。此外，IE技术可以有利地用于具有连接器的装置中，否则所述装置必须针对多个插头来设定尺寸。
非接触式连接器用于许多不同的应用领域中，其在彼此之间没有欧姆接触的情况下可靠地传输电力、信号和数据。特别地，在工业机器人系统的领域中(其中涉及需要在恶劣环境下使移动部件和电子部件保持可靠的连接)，需要接触式连接器系统，其有效地传输电力和数据，并且不受恶劣环境的影响，例如水、灰尘或振动。
在欧洲专利申请EP 2581994B1中公开了这种无接触式连接器系统的示例。根据该文件，提供了一种无接触式连接器系统，其具有可以配合的初级侧电感耦合元件和次级侧电感耦合元件，用于将电力从初级侧无线地传输到次级侧。此外，经由两个天线元件在连接器系统的相配合的两个部分之间建立射频数据链路来实现双向数据发送。
目前，TE Connectivity公司生产了一种名为ARISO的无接触式连接器系统，其在图1中示意性地示出。该已知的无接触式连接器系统200包括电力发送连接器202和电力接收连接器204。电力发送连接器202具有初级侧电感耦合元件Lp(也称为初级侧电力线圈)，其由输入电源供电。输入电力可以例如是直流(DC)电力，其通过借助于DC/DC转换器206和随后的DC/AC转换器208转换为交流电压。如图1中示意性示出的，电力线圈Lp是谐振电路210的部件，其包括与电力线圈Lp并联的电容器Cp。
当电力发送连接器202和电力接收连接器204的两个配合表面212、214充分地紧密接触时，次级电力线圈Ls磁耦合至初级侧电力线圈Lp。次级侧电力线圈Ls是次级侧谐振电路216的部件。借助于电磁耦合，电力从初级侧传输至次级侧。次级侧谐振电路216连接至整流电路218(例如包括桥式整流器)以及后续的DC/DC转换器224，以产生经调节的DC输出电力。
除了电力传输以外，无接触式连接器系统200还配备有用于建立双向数据链路的机构，以通过连接器系统进行数据传输。初级侧数据通信接口222与连接至电力发送连接器202的第一外部部件(未在图中示出)进行通信。具有一个或多个天线元件226的初级侧数据收发元件224将来自通信接口222的数据信号转换为无线电信号，并相应地将接收到的无线电信号转换为电数据信号，输入到通信接口222。
电力接收连接器204设置有相对应的次级侧数据收发元件228，其具有一个或多个天线230，天线230经由无线近场无线电链路从初级侧接收信号，并从次级侧向初级侧发送信号。次级侧数据通信接口232连接至次级侧数据收发元件228，用于与连接至所述电力接收连接器204的第二外部部件(未在图中示出)进行通信。
设置初级侧控制单元234以控制谐振电路210、初级侧数据通信接口222、以及初级侧数据收发元件224的操作。
然而，传输电力和数据两者的已知的无接触式连接器系统使用谐振驱动电路以有效的方式传输电力，并且基于前馈控制来控制这些谐振系统，这意味着没有从次级侧测量和发送的信息可用于控制。对于必须满足关于它们的整体尺寸的严格要求的无接触式连接器系统尤其如此。
因此，仍然需要一种传输电力和数据两者的无接触式连接器系统，其特别能量高效、安全且稳健，同时其可以以特别具有成本效益的方式来制造。
发明内容
该目的通过独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。
根据本发明的无接触式连接器系统包括电力发送连接器，其具有：初级侧电感耦合元件，其连接至电力输入端子，所述电力输入端子可连接至提供输入电力的电源；谐振电路，用于通过所述输入电力在所述初级侧电感耦合元件处产生磁场；初级侧数据收发元件，用于发送和接收数据，从而在所述发送连接器和接收连接器之间形成双向数据链路；初级侧数据通信接口，连接至所述初级侧数据收发元件，用于与连接至所述电力发送连接器的第一外部部件进行通信；以及初级侧控制单元，用于控制所述谐振电路、所述初级侧数据通信接口、以及所述初级侧数据收发元件的操作。
另外，无接触式连接器系统包括与所述电力发送连接器可配合的电力接收连接器，所述电力接收连接器具有：次级侧电感耦合元件，当与所述初级侧电感耦合元件电磁耦合时，其可操作为接收电力；次级侧数据收发元件，在所述电力发送连接器和所述电力接收连接器的配合状态中，其可操作为与所述初级侧数据收发元件形成双向数据链路；次级侧数据通信接口，连接至所述次级侧数据收发元件，用于与连接至所述电力接收连接器的第二外部部件进行通信。
本发明基于以下想法：电力接收连接器还包括次级侧感应单元，其可操作为测量至少一个次级侧操作参数，且其中所述初级侧控制单元连接至初级侧数据通信单元，用于响应于所述至少一个次级侧操作参数和至少一个初级侧操作参数的组合来控制所述谐振电路的操作。
通过在次级侧上感测一个或多个参数，并经由双向数据链路将信息发送至初级侧连接器，可以显著地改善连接器系统的性能。可以在次级侧上以及初级侧上监测多种参数，且信息可以由初级侧控制单元使用，以控制电力输送。
特别地，通过测量电力发送连接器和电力接收连接器的温度，可以改善根据本发明的无接触式连接器系统的热管理。
另外，通过监测跨初级电感耦合元件和次级电感耦合元件的电压，可以实现电力的远距离和超范围管理。这两个电压的比率可以用作两个电感耦合元件之间的距离的计量。通常，当电力发送连接器和电力接收发送器之间的距离增加时，可以输送的最大电力减小。在目前的连接器系统中，电力输送被最大化到固定水平，并且在距离为大约某一水平的情况下被设定为零。通过跨初级电感耦合元件和次级电感耦合元件的电压的比率，连接器系统知道初级电感耦合元件和次级电感耦合元件之间的当前距离是多少，且可以计算从其输送的电力的量。此外，如果必要，关于实际距离、可输送的电力、以及距离过大的事实(换言之，电力接收连接器超范围)的信息可以发送至外部部件。
根据本发明的无接触式连接器系统具有以下优点：通过监测电力发送连接器和电力接收连接器两者的温度以及跨初级和次级电感耦合元件的电压，可以进行温度相关的电力输送。通常来说，较高的电力水平在发送侧和接收侧两者处都导致较高的温度，这是由于系统中有较高的损失。根据本发明，当电力发送连接器和电力接收连接器中的温度水平低时，可输送的电力水平可以增加。
根据本发明，通过响应于电力发送连接器和电力接收连接器的配合端之间的负载和距离来改变电力线圈驱动器(例如，推拉驱动器)的DC输入电压，可以实现更简单的控制算法。
另外，根据本发明的无接触式连接器系统具有以下优点：通过监测电力发送连接器和电力接收连接器处的温度，可以提供改善的异物检测(FOD)。如果发送的电力大约是取决于电力接收负载和距离的期望值，则系统可以断开。
此外，可以使得电力传输的接通和断开更加可靠，这是由于数据发送部件被激活且可以建立数据链路，同时电力部件仍然非激活。这主要是因为数据发送部件仅需要低电压和小供给电力。
有利地，根据本发明的无接触式连接器系统可以是关于欠压锁定阈值可编程的，使得通过测量系统的输入电压，阈值还包含迟滞(hysteresis)。
根据本发明的无接触式连接器系统优选地包括在连接器系统配合状态下的第一天线元件和第二天线元件和双向射频通信。射频通信是提供无线近场数据链路的完善和稳健的方式。然而，对于本领域技术人员清楚的是，红外或光学数据发送也可以用于根据本发明的无接触式连接器系统。特别地，第一天线元件和第二天线元件可以包括圆极化天线。这具有如下优点：无接触式连接器系统是关于它们的相对于其纵向轴线的配合方向完全旋转对称的，因此确保了电力发送连接器和电力接收连接器的独立于旋转角度的配合。圆极化天线可以是左旋极化或右旋极化的，以提供适当的连接。
每一个无接触式连接器可以进一步包含两个天线元件，即，用于使得能够通过相应的连接器进行数据发送的第一天线元件，以及用于从相应的另一连接器接收数据的第二天线元件。优选地，每个连接器上的两个天线元件具有不同的极化旋向，以便将上行链路通道(从电力接收连接器到电力发送连接器)和下行链路通道(从电力发送连接器到电力接收连接器)彼此分离。
根据本发明的有利的实施例，电力接收连接器包括次级侧辅助绕组，在配合状态中，其电感耦合至初级侧电感耦合元件或附加的初级侧辅助绕组。次级侧上的这种额外绕组可以有利地用于在电力发送连接器和电力接收连接器之间进行距离测量。
另外，初级侧电力线圈上的以及次级侧电力线圈上的附加的辅助绕组可以用于提供改善的异物检测(FOD)。
有利地，在初级(即发送)侧和次级(即接收)侧两处添加的额外的绕组不加载或连接至电力线圈。初级/发送侧可以用小的高频信号来驱动，使得与初级电容器和谐振电路在次级侧处发生谐振(通过选择适当的组件)。
如果发射侧和接收侧的线圈被调谐到相同的频率，则所产生的谐振将容易被影响磁场的任何异物干扰。该干扰可以经由谐振的失谐来测量。该方法从而改善了异物的检测。
如果相同的额外绕组用于距离测量，则必须注意避免距离测量和异物测量之间的干扰。这可以通过例如采用显著地高于用于电力输送的频率的谐振频率来完成(通常大约200kHz)。
根据第一有利的实施例，可以使用正交幅度调制(QAM)方案来实现来自次级侧的反馈。然而，对于本领域技术人员清楚的是，存在许多其他完善的射频(RF)调制方案，其也可以与根据发明的无接触式连接器系统一起使用。
根据本发明，当在无接触式连接器系统的两个连接器之间进行双向发送数据时，可以使用若干不同的分离方案来分离高比特数据通道和控制通道，高比特率数据通道包含有效负载数据(其必须从第一外部部件发送至第二外部部件)，且控制通道包括低比特控制数据(其耦合回初级侧)。
如通常所知的，分离可以通过以下方式实现：在时域中通过执行时分复用(time-division multiplexing)，在频域中通过提供频分复用(frequency divisionmultiplexing)，以及在空间域中通过使用两个物理分离的天线，来在每个连接器处发送和接收不同类型的数据。在后一种情况下，实现两个完整的RF系统，一个用于数据流，一个用于控制流。天线也可以彼此分离。
另外，也可以通过使用无线电波的不同极化来实现通道分离。在这种情况下，也可以实现两个完整的RF系统，但不是使用两个天线，而是仅使用一个天线。一个信号以例如水平极化或右旋极化发送，而第二信号经由垂直极化或左旋极化发送。
本发明还涉及控制无接触式连接器系统的相应方法，用于在电力发送连接器和电力接收连接器之间电感传输电力。方法包括以下步骤：
通过借助谐振电路变换输入电力，在初级侧电感耦合元件处产生磁场，
当次级侧电感耦合元件与所述初级侧电感耦合元件电磁耦合时，操作所述次级侧电感耦合元件以接收电力，
在所述电力发送连接器和所述电力接收连接器之间建立双向数据链路，
借助设置在所述电力接收连接器中的次级侧感应单元，测量至少一个次级侧操作参数，
响应于指示所述至少一个次级侧操作参数的次级侧控制数据和指示至少一个初级侧操作参数的初级侧控制数据的组合，控制所述谐振电路的操作。
通过根据这种控制方法来操作无接触式连接器系统，可以实现特别安全且功率高效的电力和通信数据的无线发送。
根据该方法的另一实施例，双向数据链路使用正交幅度调制(QAM)来从串行比特流产生射频信号。
根据该方法的另一实施例，双向数据链路使用时分复用或频分复用，来将次级侧控制数据与经由双向数据链路发送的数据组合在一起。
根据本发明的另一实施例，双向数据链路使用空间分离，来将次级侧控制数据与经由双向数据链路发送的数据组合在一起。
根据本发明的另一实施例，双向数据链路使用RF信号的左旋极化和右旋极化来实现全双工(full duplex)。
附图说明
附图合并到说明书中并且形成说明书的一部分，以说明本发明的若干实施例。这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅用于说明如何制造和使用本发明的优选的和替代的示例，而不应被解释为将本发明限制为仅示出和描述的实施例。另外，实施例的若干方面可以单独地或以不同的组合形成根据本发明的解决方案。因此，以下描述的实施例可以单独地或以其任意组合来考虑。如附图中所示，通过下述对本发明的各种实施例的更具体的描述，进一步的特征和优点将变得显而易见，在附图中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：
图1是常规的无接触式连接器系统的框图；
图2是根据本发明的无接触式连接器系统的透视图；
图3是根据本发明的第一实施例的无接触式连接器系统的框图；
图4是根据本发明的收发器单元的发送部分的示意图；
图5是根据本发明的收发器单元的接收部分的示意图；
图6是示出了用于发送数据通道和控制通道的时分复用方案的示意图；
图7是示出了用于接收数据通道和控制通道的时分复用方案的示意图；
图8是示出了频域中的通道分离的另一技术的示意图；
图9是示出了根据第一实施例的电感电力输送的电路图；
图10是示出了根据第二实施例的电感电力输送的电路图；
图11是示出了根据第一实施例的电感电力输送的电路图；
图12是示出了使用次级辅助绕组进行距离测量的电路图；
图13是示出了使用初级辅助绕组和次级辅助绕组进行距离测量的电路图；
图14是根据另一实施例的电力输送电路的电路图，其包括初级侧辅助绕组和次级侧辅助绕组。
具体实施方式
现在将参照附图更详细地解释本发明，首先参照图2。图2示出了根据本发明的可能的实施例的无接触式连接器系统100的透视图。无接触式连接器系统100包括电力发送连接器102，其可以经由第一端子101连接至电源(未在图中示出)。电力发送连接器102限定无接触式连接器系统100的初级侧。无接触式连接器系统100还包括电力接收连接器104，其限定无接触式连接器系统100的次级侧。设置第二端子103，用于将系统连接至次级侧外部部件(未在图中示出)。
当电力发送连接器102和电力接收连接器104的配合表面112、114分别彼此充分靠近时，电力接收连接器104与电力发送连接器102电磁耦合，从而从初级侧至次级侧的无接触式电感能量转移可以发生。
除了允许电感电力输送以外，无接触式连接器系统100还能够在两个连接器102、104之间提供双向数据链路。
图2所示的无接触式连接器系统100具有如下优点：具有高度的运动自由度，包含倾斜、角度和未对准。此外，通过经由流体和(非铁磁)壁传递电力和数据信号，可以实现改进的设计灵活性和成本节约。此外，连接提供了旋转自由度，其使得能够以大于360°的角度更快地旋转。无接触式连接器系统100确保了在潮湿和多尘的环境中的不受限的配合循环，从而降低维护成本。由于抗振性和完全密封的耦合器，可在恶劣的环境中提供安全且可靠的连接。
图3示出了根据本发明的无接触式连接器系统100的第一实施例的框图。如上文已经参照图2提到的，无接触式连接器系统100包括电力发送连接器102和电力接收连接器104。电力发送连接器102具有初级侧电感耦合元件Lp(也可以被称为初级侧电力线圈)，其由输入电源供电。输入电力可以例如是DC电力，其借助于DC/DC转换器106和后续的DC/AC转换器108转换为交流电压。如图3中示意性地示出的，电力线圈Lp是谐振电路110的一部分，谐振电路110包括与电力线圈Lp并联的电容器Cp。然而，谐振电路110当然也可以是串联谐振电路。
当电力发送连接器102和电力接收连接器104的两个配合表面112、114彼此充分靠近时，次级侧电力线圈Ls磁耦合至初级侧电力线圈Lp。次级侧电力线圈Ls是次级侧谐振电路116的一部分。借助于电磁耦合，电力从初级侧传输至次级侧。次级侧谐振电路116连接至整流电路118(包括例如桥式整流器)以及后续的DC/DC转换器124，以产生经调节的DC输出电力。
除了电力传输以外，无接触式连接器系统100还配备有用于建立双向数据链路的机构，以通过连接器系统发送数据。初级侧数据通信接口122与连接至电力发送连接器102的第一外部部件(未在图中示出)进行通信。具有一个或多个天线元件126的初级侧数据收发器124将来自通信接口122的数据信号转换为无线电信号，并相应地将接收到的无线电信号转换为电数据信号，输入到通信接口122。
电力接收连接器104设置有相对应的次级侧数据收发元件128，其具有一个或多个天线130，天线130经由无线近场无线电链路从初级侧接收信号，并从次级侧向初级侧发送信号。次级侧数据通信接口132连接至次级侧数据收发元件128，用于与连接至所述电力接收连接器104的第二外部部件(未在图中示出)进行通信。
设置初级侧控制单元134以控制谐振电路110、初级侧数据通信接口122、以及初级侧数据收发元件124的操作。
根据本发明，电力接收连接器100还包括次级侧感应单元136。次级侧感应单元136监测至少一个次级侧操作参数并产生控制信号138，其被发送到初级侧以由初级侧控制单元134进行评估。换言之，除了在通过无接触式连接器系统互连的两个部件之间通信的有效载荷数据以外，电力发送连接器102和电力接收连接器104之间的数据链路还承载附加的控制数据，其向初级侧控制单元134提供关于次级侧参数的信息。
该信息允许改善接触式连接器系统的总体性能。另外，初级侧控制单元134还包括用于测量初级侧上的一个或多个运行参数的机构。
特别地，根据本发明，可以监测并控制以下参数。
在发射器侧上，可以测量以下参数：
a.输入电压和输入电流，且从而输入电力是已知的；
b.电力发送连接器102的温度；
c.DC/AC转换器108的输入电压；
d.跨初级侧电力线圈Lp的电压Vp，通过初级侧电力线圈Lp的电流，以及跨初级侧电力线圈Lp的电压Vp与通过初级侧电力线圈Lp的电流之间的相位，且从而发送的电力是已知的；
e.初级侧数据通信接口122上的数据是否存在，即数据是否被发送。
在接收器侧上，可以测量以下参数：
a.输出电压和输出电流，且从而输出电力是已知的；
b.电力接收连接器104的温度
c.跨次级侧电力线圈Ls的电压Vs，通过初级侧电力线圈Ls的电流，以及跨次级侧电力线圈Ls的电压Vs与通过次级侧电力线圈Ls的电流之间的相位，且从而发送的电力是已知的；
d.次级侧数据通信接口132上的数据是否存在，即数据是否被发送。
知晓关于Vp和Vs的信息允许系统控制确定电力发送连接器102和电力接收连接器104之间的距离。知道距离使得能够实现例如可靠的电力超距离降额(power-over-distance de-rating)的功能。
有利地，通过提供根据本发明的反馈，可以提供无接触式连接器系统100的以下特征和特性。
1.欠电压锁定(迟滞)：
通过监测电力发送连接器102处的输入电压，可以实现包含可靠的迟滞的改善的欠电压锁定机制。
2.涌入电流限制：
只要电力发送连接器102仍然启动，电力接收连接器104可以进入待机。这将减少接收器侧的涌入电流。一旦电力发送连接器102完全可操作，电力接收连接器104可以进入正常操作。
3.软启动：
作为限制涌入电流的结果特征，可以进一步实现软启动功能。
4.电源输出短路保护(恒定电流/电流返送)：
对于参照图1所解释的常规连接器系统，存在以下缺点：如果在电力发送连接器的输出处存在短路，则系统控制持续地尝试激活电力输出。通过监测输出电压和电流，可以在需要时避免这种连续的接通/断开行为。
5.电力操作就绪：
通过接收关于电力接收连接器104侧上的电力水平的信息，可以在达到操作就绪时发送反馈信号。
6.电力超范围：
如果电力发送连接器102和电力接收连接器104之间的距离是已知的，则可以限定可以确保工作系统的、具有固定距离的最小电力水平(所谓的电力超距离降额)。如果距离(或负载)变得太大，则无接触式连接器系统可以以可靠的方式断开。
7.过温保护(迟滞)：
无接触式连接器系统的温度基于两个因素：环境温度和装置内的温升。目前，仅监测发射器侧的温度，使得接收器可能过热。监测接收器侧的温度允许控制两侧的(过)热，在临界温度的情况下，系统可以关闭。
另外，通过测量启动时以及一段时间之后的温度，可以确定内部温升，且可以实现一种电力过温。
8.异物保护：
目前，由于在接收器侧的电力输出是未知的，因此几乎不可能进行故障安全异物保护。当从输入汲取太多的电力时，系统关闭，但是，由于在输出处传递的功率，在发射器侧和接收器侧之间的金属物品中仍然可以产生相当多的电力。通过知道发射器侧和接收器侧两者的电力水平，可以更好地理解电力可被发送的位置，因此可以显著地改善异物保护功能。
9.数据反转极性保护：
通过提供关于数据是否存在于输入线上的反馈信息，还允许系统在出现反转极性故障的情况下考虑断开电力。
10.数据输出短路保护：
基于数据接口上的短路的反馈，系统关闭并相应地允许系统保护。
11.数据操作就绪：
在限定的最小电力水平下实现就绪。当电力高至足以支持可以应用最低比特率的RF芯片时，达到该电力水平。还可能的是，通过附加的距离信息，根据限定的固定距离来确保电力水平和比特率。
11.诊断：
附加的信息以及对初级侧和次级侧上的操作参数的可比较的概述支持任何后分析，并相应地诊断故障且允许实时系统控制。另外，可以向操作者通知系统的状态和可能的故障，例如短路，过温等。
12.可编程性：
通过电力与系统的每个对应部分的RF部分之间的附加的控制实例，可以实现固件的可编程性。例如可以经由软件控制最大电力或数据速率。
13.外部唤醒：
电力接收连接器可以进入待机，直至从发射器侧或从其数据通信接口132接收到唤醒。
为了将控制数据138与通过双向无线数据链路传输的其他(有效载荷)数据一起反馈，本发明提供了将控制数据引入到有效载荷数据流中的若干技术。
重要的是，控制数据138与有效载荷数据合并，要被从电力接收连接器104发送至电力发送连接器102，使得有效载荷数据流不被该合并过程影响。
为了产生借助于天线130发送的射频(RF)信号，待发送的数据被调制到载波信号上，这是众所知周的。尽管在本领域中已知许多射频调制方案，但在下文中将参照图4和图5更详细地解释正交幅度调制(QAM)技术。根据本发明，次级侧收发元件128包括调制单元140，用于从串行比特流产生RF输出信号。相对应地，初级侧收发元件124包括解调单元142。
与所有的调制方案类似，QAM通过响应于数据信号而改变载波信号或载波(通常为正弦波)的一些方面来传送数据。在QAM的情况下，彼此90°异相(正交)的两个波的幅度被改变(调制或键控)，以表示数据信号。为了解调发送的信号，可以使用相干解调器来解调这两个调制信号。这种接收器将接收到的信号分别与余弦信号和正弦信号相乘，以分别产生I(t)和Q(t)的接收估算。由于载波信号的正交特性，可以独立地检测调制信号。
为了根据本发明来合并控制信号和有效载荷信号，可以采用在RF系统中传送两个不同的通道的任何合适的技术。特别是可以使用以下选项：
a.时域中的分离，即时分复用；
b.频域中的分离，即频分复用；
c.空间域中的分离；
d.使用不同的极化的分离。
对于使用基于QAM的RF传输系统的情况，以下示例示出了如何将低比特率控制通道与高比特率数据通道合并、在对数据通道产生最小影响的情况下将所有信息传送到另一侧的不同的选项。
当使用时域中的分离时，所使用的事实是：在用于传输1Gbps数据通道的60GHzISM频带的情况下，不使用完全可用的ISM频带来进行有效载荷数据传输。因此，一些带宽仍然可用于控制通道。如图6所示，可以通过增加比特率来合并有效载荷数据通道(通道1)和控制通道(通道2)。然而后，两个通道被输入到合并器144中，以产生馈送到图4的调制单元140中的串行比特流。在接收侧，即在电力发送连接器102中，使用解合器146将由图5的解调单元142输出的串行比特流分离成两个通道。
对于使用频域中的分离，两个不同的选项是可用的。
首先，从图4可以看出，输入数据流被分成两个数据流以形成类似QAM的调制。代替分割数据流，“数据通道”可以连接至一个输入(I-通道)，而“控制通道”可以连接至另一个输入(Q-通道)。在接收侧，即在电力发送连接器102中，可以省略图5所示的并联至串联转换器，并且数据流存在于I-通道输出上，并且控制流存在于Q-通道输出上。
可替代地，代替分离I-通道和Q-通道，可以通过使用图4所示的数模转换器(DAC)的不同比特输入来合并两个数据流。该替代方案在图8中示出。
另外，还可以执行控制数据与有效载荷数据的空间分离。在这种情况下，可以实现两个完整的RF系统，一个用于数据流，一个用于控制流。天线还彼此分离，使得电力发送连接器102和电力接收连接器104中的每一个具有分离的天线，用于发送/接收控制数据和有效载荷数据。
分离控制数据与有效载荷数据的另一种可能性是使用借助于极化的分离。
在这种情况下，也实现了两个完整的RF系统，但是代替使用两个天线，在电力发送连接器102和电力接收连接器104中的每一个处仅使用一个天线。然后以例如水平极化或右旋极化发射一个信号，而经由垂直极化或左旋极化发射第二个信号。
应当注意的是，上述关于将控制数据和有效载荷数据从电力接收器合并到电力发射器的合并方案，也适用于通过数据流发送时钟信号。在这种情况下，可以有利地省略时钟和数据恢复(CDR)。
如上文已经提到的，根据本发明的从电力接收连接器104反馈到电力发送连接器102的控制数据可以含有多个待监测的参数。一个重要的待监测的参数是电力发送连接器102和电力接收连接器104之间的距离。本发明提供若干有利的实施例，其使用控制数据反馈来确定该距离。
可以通过使用不同的谐振电路110、116来实现电力发送连接器102和电力接收连接器104之间的电感谐振耦合。特别地，可以在任一侧上使用并联谐振电路或串联谐振电路。在图9-11中示出了根据本发明的有利地使用的配置。如图9所示，首先，可以选择初级电容器Cp和次级电容器Cs以及相应的电感耦合线圈的串联布置，导致初级侧和次级侧上的串联谐振。可替代地，如图10所示，可以在次级侧上提供并联谐振，而初级谐振电路是串联布置。对于图9和图10所示的电路，输入是由输入Vin驱动的电压。
可替代地，如图11所示，并联谐振配置也可以提供在初级侧上。在这种情况下，输入必须是由电流源Iin驱动的电流。
对于图9所示的电感耦合电力输送系统，发射器线圈和接收器线圈上的电压由以下公式(1)和(2)给出。
Vp＝jω·Lp·Ip+jω·LM·Is (1)
Vs＝jω·LM·Ip+jω·Ls·Is (2)
这里，Vp是跨初级侧发射器线圈的电压，Vs是跨次级侧接收器线圈的电压，Ip是通过初级侧发射器线圈的电流，Is是通过次级侧接收器线圈的电流。Lp是初级侧发射器线圈的电感，Ls是次级侧接收器线圈的电感，Lm是它们之间的互感。
该互感可以根据公式(3)表示为电感Lp和Ls的函数。
在公式(3)中，κ是耦合系数且取决于初级侧发射器线圈和次级侧接收器线圈之间的距离。作为近似，耦合系数与发射器线圈和接收器线圈之间的距离的乘积是常数。因此，在没有负载连接至初级侧发射器线圈和次级侧接收器线圈的情况下(Is＝0)，次级电压Vs是耦合系数的度量，从而也是距离的度量。对于Is＝0的情况，Vs可以由公式(4)表示。
由于参数Lp和Ls是由设计已知的，并且可以测量Ip和Vs，因此可以使用等式(4)计算耦合系数，并且从而计算距离。
然而，在次级侧上通常存在影响距离计算的负载。因此，本发明提供了两种不同的方式来克服该问题。
首先，可以临时地断开负载，例如通过关闭图3所示的整流器218。如果这在非常短的时间段内完成(例如小于1％的时间)，则对电力输送的影响是有限的。该解决方案的缺点是需要额外的控制，用于在短时间段内断开负载，以及需要快速地测量跨次级侧接收器线圈的电压。
因此，根据本发明的有利实施例，额外的绕组被添加至空载的次级侧接收器线圈。在图12中示出了用于电力输送的作为结果的谐振电路的第一示例。根据该实施例，电力接收连接器104包括次级侧辅助绕组Lsm，其电感耦合至初级侧，但不连接至到次级侧接收器线圈的输出，因此实际上是空载的。次级侧辅助绕组Lsm和次级电力接收绕组Ls之间的耦合应当接近1。可以示出的是，跨次级侧辅助绕组的电压Vms与流经初级侧线圈的电流Ip之间的比率Vms/Ip是耦合系数的精确度量，且从而是距离的精确度量。。
为了确定电力发送连接器102和电力接收连接器104之间的距离，测量跨次级侧辅助绕组Lsm的电压Vms。另外，必须确定流经初级侧线圈的电流Ip，以便计算距离。在初级侧，独立于次级负载，可以准确地测量电压和电流。因此，为了测量的功能，不需要分离的初级侧辅助绕组。
然而，在初级侧电力发送连接器102处测量电流Ip可能是棘手的。因此，根据进一步有利的实施例，可以设置附加的初级侧辅助绕组。在图13中示出了这种便于初级侧上的电压测量的配置。
除了测量电力发送连接器102和电力接收连接器104之间的距离以外，使用初级侧和次级侧上的辅助绕组的配置还可以用于允许异物检测(FOD)。图14示出了电路布置的示例，其可以用于检测铁磁异物是否已经进入到电力发送连接器102和电力接收连接器104的配合表面112、114之间。
如图14所示，可以通过设置辅助绕组Lpm和Lsm来改善异物检测。根据该实施例，两个辅助绕组都不被加载，且不连接至电力线圈Lp、Ls。设置具有低幅度的额外的高频信号V1，以驱动初级侧辅助谐振电路。选择次级侧上的谐振电路的部件Lsm、Rsm、Csm，使得在没有任何异物的情况下，在次级侧也发生谐振。
如果发射侧和接收侧的线圈都被调谐到相同的频率，则这样产生的谐振将被任何“吸收”磁场的异物容易地干扰。该干扰可以经由谐振的失谐来测量。该方法从而改善了异物的检测。
在相同的辅助绕组用于该异物检测和用于上面参考图13所述的距离测量的情况下，必须确保在距离测量和异物测量之间不发生干扰。为此，例如，谐振频率V1可以被选择为显著地高于用于电力输送的频率，其通常在200kHz左右。
附图标记
Claims (15)
1.无接触式连接器系统(100)包括：
电力发送连接器(102)，具有：
初级侧电感耦合元件(Lp)，其连接至电力输入端子，所述电力输入端子可连接至提供输入电力的电源，
谐振电路(110)，用于通过所述输入电力在所述初级侧电感耦合元件(Lp)处产生磁场，
初级侧数据收发元件(124)，用于发送和接收数据，从而在所述发送连接器和接收连接器(102，104)之间形成双向数据链路，
初级侧数据通信接口(122)，连接至所述初级侧数据收发元件(124)，用于与连接至所述电力发送连接器(102)的第一外部部件进行通信，以及
初级侧控制单元(134)，用于控制所述谐振电路(110)、所述初级侧数据通信接口(122)、以及所述初级侧数据收发元件(124)的操作，
电力接收连接器(104)，其与所述电力发送连接器(102)可配合，所述电力接收连接器(104)具有：
次级侧电感耦合元件(Ls)，当与所述初级侧电感耦合元件(Lp)电磁耦合时，其可操作为接收电力，
次级侧数据收发元件(128)，在所述电力发送连接器(102)和所述电力接收连接器(104)的配合状态中，其可操作为与所述初级侧数据收发元件(124)形成双向数据链路，
次级侧数据通信接口(132)，连接至所述次级侧数据收发元件(128)，用于与连接至所述电力接收连接器(104)的第二外部部件进行通信，
其中所述电力接收连接器(104)还包括次级侧感应单元(136)，其可操作为测量至少一个次级侧操作参数，且其中所述初级侧控制单元(134)连接至所述初级侧数据通信接口(122)，用于响应于所述至少一个次级侧操作参数和至少一个初级侧操作参数的组合来控制所述谐振电路(110)的操作。
2.如权利要求1所述的无接触式连接器系统，其中所述初级侧收发元件(124)包括初级侧天线元件(126)，且所述次级侧收发元件(128)包括次级侧天线元件(130)，其中，在所述连接器系统(100)的配合状态中，所述天线元件(126，130)可操作为允许双向射频通信。
3.如权利要求1或2所述的无接触式连接器系统，其中所述初级侧操作参数包括跨所述初级侧电感耦合元件(Lp)的初级电压(Vp)，且其中所述次级侧操作参数包括跨所述次级侧电感耦合元件的次级电压(Vs)，且其中初级控制单元(134)可操作为基于这些参数来计算所述初级侧电感耦合元件(Lp)和所述次级侧电感耦合元件(Ls)之间的距离，或者基于这些参数计算所述初级侧的输入处的电力与所述次级侧处的输出电力之间的电力损耗。
4.如权利要求2或3所述的无接触式连接器系统，其中所述第一天线元件和第二天线元件线元件(126，130)中每一个包括圆极化天线。
5.如前述权利要求任一项所述的无接触式连接器系统，其中所述次级侧感应单元(136)包括温度测量单元，用于产生指示所述电力接收连接器的温度的温度值，且其中所述温度值经由所述双向数据链路发送至所述初级侧。
6.如前述权利要求任一项所述的无接触式连接器系统，其中所述电力接收连接器(104)包括次级侧辅助绕组(Lsm)，在所述配合状态，所述次级侧辅助绕组电感耦合至所述初级侧电感耦合元件(Lp)或初级侧辅助绕组(Lpm1)。
7.如权利要求6所述的无接触式连接器系统，其中所述电力发送连接器(102)包括初级侧辅助绕组(Lpm1)和耦合至其的高频源，其中所述次级侧辅助绕组耦合至次级侧谐振电路，当所述次级侧辅助绕组和初级侧辅助绕组适当地配合时，所述次级侧谐振电路可操作为执行高频谐振振荡，且其中所述次级侧感应单元可操作为检测是否存在高频谐振振荡。
8.如权利要求2-7任一项所述的无接触式连接器系统，其中所述次级侧收发元件(128)包括调制器单元，用于将由所述次级侧感应单元产生的控制信号与由所述次级数据通信接口输出的数据合并。
9.如权利要求8所述的无接触式连接器系统，其中所述初级侧收发元件(124)包括解调器单元，用于解并所述控制信号和所述数据。
10.控制无接触式连接器系统(100)的方法，所述无接触式连接器系统用于在电力发送连接器(102)和电力接收连接器(104)之间电感传输电力，所述方法包括：
通过借助谐振电路转换输入电力，在初级侧电感耦合元件(Lp)处产生磁场，
当次级侧电感耦合元件与所述初级侧电感耦合元件电磁耦合时，操作所述次级侧电感耦合元件以接收电力，
在所述电力发送连接器和所述电力接收连接器之间建立双向数据链路，
借助设置在所述电力接收连接器中的次级侧感应单元，测量至少一个次级侧操作参数，
响应于指示所述至少一个次级侧操作参数的次级侧控制数据和指示至少一个初级侧操作参数的初级侧控制数据的组合，控制所述谐振电路的操作。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述初级侧操作参数包括跨所述初级侧电感耦合元件的初级电压(Vp)，且其中所述次级侧操作参数包括跨所述次级侧电感耦合元件的次级电压(Vs)，且其中，基于这些参数，计算所述初级侧电感耦合元件和所述次级侧电感耦合元件之间的距离。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述初级侧操作参数包括在所述初级侧电感耦合元件中流动的电流(Ip)，且其中所述次级侧操作参数包括跨所述次级侧电感耦合元件的次级电压(Vs)，且其中，基于这些参数，计算所述初级侧电感耦合元件和所述次级侧电感耦合元件之间的距离。
13.如权利要求10-12任一项所述的方法，还包括在执行对所述次级电压的测量时断开负载。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述初级侧操作参数包括在所述初级侧电感耦合元件中流动的电流(Ip)或在初级侧辅助绕组(Lpm1)中流动的辅助电流(Ipm)，或者跨所述初级侧辅助绕组(Lpm1)的辅助电压(Vpm)，且其中所述次级侧操作参数包括跨次级侧辅助绕组的次级辅助电压(Vms)，所述次级侧辅助绕组电感耦合至所述初级电感耦合元件或所述初级侧辅助绕组(Lpm1)，且其中，基于这些参数，计算所述初级侧电感耦合元件和所述次级侧电感耦合元件之间的距离。
15.如权利要求10-14任一项所述的方法，其中所述次级侧控制数据与经由所述电力发送连接器与所述电力接收连接器之间的双向数据链路发送的数据合并。
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