CN110419141B - 通过近场通信对电池充电的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的主题是一种通过与基站的近场通信来对便携式设备的馈电电池进行再充电的方法。由该设备实现的该方法包括在基站（20）的主天线（LP）和设备（10）的辅天线（LS）电磁耦合的情况下的以下步骤：改变基站（20）的主天线（LP）和设备（10）的辅天线（LS）之间的耦合；在耦合的所述改变之后接收由基站（20）发送的认证请求信号；以及基于所接收的认证请求信号的能量来对设备（10）的馈电电池（BAT）进行充电。

Description

通过近场通信对电池充电的方法
技术领域
本发明涉及馈电电池的再充电领域，并且更具体地涉及通过近场通信对便携式设备的馈送电能的电池进行充电的方法以及近场通信便携式设备。本发明特别适用于装备非接触式访问徽章、用于电话的免提套件、蓝牙®耳机等类型的便携式设备的小尺寸电池的快速再充电。
背景技术
如已知的那样，可以经由近场通信（NFC，针对英语的“Near FieldCommunication”）型无线通信系统来访问驾驶室或起动机动车辆的发动机。这种系统包括：安装在车辆中的检测器，其具有基站的形式，包括所谓“主”天线；以及包括所谓“辅”天线的便携式设备；两者都与NFC技术兼容。该设备可以例如具有以下形式：电子标签、卡片、徽章、盒子等。
为了检测兼容设备，基站周期性地（例如每100ms）并且为了节约能量而在非常短的持续时间期间（例如，30μs）发射询问信号，该询问信号在主天线附近产生电磁场。
因此，当兼容设备被置于基站附近时，其改变了在询问信号的发射期间产生的电磁场，从而在基站的主天线与设备的辅天线之间产生耦合。基站检测到改变了在主天线中流动的电流的强度的该耦合，基站于是从中推断出设备在附近。
在检测到设备之后，基站在询问信号的两次发射之间发射认证请求信号，询问信号的周期性发射使得能够确保始终实现耦合并且设备因此始终存在于基站附近。该认证请求信号包括设备认证请求，作为返回，其通过发送包括其标识符的响应信号来响应于基站。
当设备的标识符有效时，基站授权解锁驾驶室或起动车辆的发动机。当设备被移除时，主天线与辅天线之间的耦合消失，并且设备与基站之间的所有通信都被中断，直到检测到新的耦合。
便携式设备可以是无源的，在这种情况下它没有馈电电池，或者其可以是有源或半有源的，并且在这种情况下它包括馈电电池。
在有源或半有源设备的情况下，当电池已放电时，需要更换电池或对其再充电或更换设备。电池的更换且甚至设备的更换可能显得非常昂贵，因此经常更倾向于再充电。
这种再充电可以通过以下方式来实现：经由馈电线缆将设备连接到电网，这可能是繁琐的；或者将设备放置在无线感应再充电模块上，其在设备是兼容的时更容易使用。然而，这种感应再充电模块可能显得非常昂贵，尤其是当其对便携式设备快速再充电的能力较强的情况下。
发明内容
本发明的目的是通过提出用于（尤其是在机动车辆中）从基站对便携式近场通信设备的馈电电池进行再充电的简单且高效的解决方案来至少部分地弥补这些缺陷。
特别地，本发明旨在使得能够快速地对小尺寸的有源或半有源电池进行再充电，所述电池例如安装在访问卡、免提式电话套件、蓝牙®耳机等中。
为此目的，本发明首先涉及一种通过与基站的近场通信对有源或半有源便携式设备的馈电电池进行再充电的方法，所述基站包括所谓“主”天线，所述设备包括所谓“辅”天线。
由该设备实现的该方法的特征在于，其包括在基站的主天线和设备的辅天线电磁耦合的情况下的以下步骤：改变基站的主天线与设备的辅天线之间的耦合，在所述改变耦合之后接收由基站发送的认证请求信号，以及基于所接收的所述认证请求信号的能量来对设备的馈电电池进行充电。
根据本发明的方法有利地使得能够使用适于近场通信的基站来对有源或半有源的近场通信设备的电池进行再充电。基站可以例如安装在车辆中或者是智能手机或任何合适的近场通信设备。利用根据本发明的方法，设备改变设备与基站之间实现的耦合，以使基站发射至少一个新的认证请求信号，优选地多个认证请求信号，以便对设备的馈电电池进行再充电。这样可以快速地实现耦合改变以及因此的电池再充电，直到电池已充电或者设备与基站之间的耦合中断。由于使用了已经存在的近场通信基站而无需提供更加昂贵的专用的再充电站，因此根据本发明的方法另外使得能够与感应再充电的解决方案相比降低成本。
应注意，更加显而易见的解决方案是使用基站周期性发射的询问信号来通过感应为有源或半有源的设备电池进行再充电。然而，如前所述，为了节约能量，这些信号是由基站周期性地发射的，例如每100ms，并且持续很短的时间，例如30μs，因此其能量密度很低。这将会导致电池的再充电延迟显著更长，例如至少3小时且可能达到20小时，这取决于检测脉冲的持续时间和周期以及电池的类型。
根据本发明的一个方面，该方法包括在基站的主天线与设备的辅天线之间进行初步电磁耦合的步骤。该步骤使得能够初始耦合主天线和辅天线，使得设备然后能够改变耦合并因此引起馈电电池的充电。
优选地，该方法包括以下步骤：检测认证请求信号的接收结束时刻，然后一检测到认证请求信号的接收结束时刻就改变耦合。这有利地使得能够实现电池的几乎连续的充电，然后一个接一个地接收认证请求信号。
在一个实施例中，周期性地、优选地最迟每500ms改变耦合，以便使得系统性地发射认证请求信号。
本发明还涉及一种设备，优选地与基站近场通信的有源或半有源便携式设备，所述基站包括称为“主”天线的天线，所述设备包括用于馈送电能的电池和称为“辅”天线的天线，所述“辅”天线能够与所述主天线电磁耦合，该设备的特征在于它包括：基于由主天线发射并经由辅天线接收的认证请求信号的能量来对馈电电池进行充电的装置以及改变在主天线与辅天线之间实现的耦合的装置。
在一个有利实施例中，该设备是用于激活机动车辆的功能的认证设备，所述功能如例如解锁访问驾驶室或起动车辆发动机。
优选地，改变耦合的装置包括切换支路，该切换支路包括与开关并联安装的电容。
有利地，改变耦合的装置包括切换所述开关的装置。
优选地，改变耦合的装置能够检测到认证请求信号的接收结束时刻，并且能够一检测到认证请求信号的所述接收结束时刻就改变耦合。
可替代地或额外地，改变耦合的装置可以能够周期性地改变耦合，使得位于近场中的基站周期性地发射认证信号，从而使得能够对便携式设备的馈电电池进行充电。
根据本发明的一个方面，该设备还被配置成授权对馈电电池进行充电，直到所述馈电电池被充至满电或者直到设备与基站之间的耦合中断。
根据本发明的另一方面，该设备还被配置成检测馈电电池被充至满电，并且然后当电池已完全充电时停止改变装置对耦合的任何改变。
最后，本发明涉及一种用于对便携式近场通信设备的馈电电池进行再充电的系统，所述系统包括如前所述的设备和包括称为“主”天线的天线的基站，所述“主”天线能够与所述设备的辅天线电磁耦合，所述基站被配置成经由所述主天线发射至少一个询问信号，检测与设备的辅天线的（新的）耦合或与设备的辅天线的现有耦合的变化，并且在已实现了与辅天线的耦合时或者在检测到与辅天线的耦合改变时经由主天线发射认证请求信号。
优选地，基站安装在机动车辆中。
有利地，基站可以是便携式电话，例如智能电话型的便携式电话，其能够与设备进行近场通信（NFC）以便对电池再充电。
附图说明
在以下参考附图的描述期间，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，所述附图是以非限制性示例的名义给出的，并且其中对相似的对象给予同样的附图标记。
图1示意性地示出了根据本发明的系统的实施例；
图2示意性地示出了根据本发明的方法的实施例；
图3是在没有与设备耦合的情况下由基站的主天线周期性地发射询问信号的图形表示的示例；
图4是由图1的系统的基站的主天线交替发射询问信号和认证请求信号的图形表示的示例；
图5是图1的系统的设备的切换触发器的时钟信号的图形表示的示例；
图6是当图1的系统的设备被图5中所示的时钟信号所控制时其开关状态的图形表示的示例。
具体实施方式
根据本发明的系统使得能够通过使用近场通信技术由基站对便携式设备的馈电电池进行再充电。
术语“近场通信”意指通过无线电通信在短距离（例如几厘米）处实现通信。在本发明的上下文中，这种近场通信技术尤其集合了RFID（英语的“Radio FrequencyIdentification”或射频识别）型技术和NFC标准或任何类似技术。
本发明特别针对有源或半有源RFID访问徽章型设备（例如用于访问机动车辆的驾驶室）、用于便携式电话的免提套件（如例如Bluetooth®或BLE（英语的“Bluetooth® LowEnergy（蓝牙®低能耗）”）型耳机）以及需要通过近场通信对其电池进行再充电的任何类型的近场通信设备，如例如智能手机。
在下面描述的非限制性示例中，基站安装在机动车辆中。然而，应当注意，本发明更一般地涉及通过任何类型的基站对便携式设备的馈电电池进行再充电，该基站使用近场通信技术并且并非必须安装在车辆中。将特别注意的是，基站可以是智能手机或任何其他近场通信设备。
图1示意性地示出了根据本发明的系统1的实施例。
近场通信系统1包括便携式设备10和基站20。
便携式设备10是称为“有源”或“半有源”的近场通信设备，也就是说它包括用于馈送电能的馈电电池BAT。在这种情况下，馈电电池BAT能够如下所述的那样被再充电。
为了使得能够实现设备10与基站20之间的通信，基站20包括称为“主”天线LP的天线，并且设备10包括称为“辅”天线LS的天线，这两个天线都能够彼此电磁耦合并且例如以13.56 MHz的频率发射和接收各种类型的信号。在这个示例中，基站20的主天线LP和设备10的辅天线LS二者都采用电感线圈的形式。
为了检测设备10，基站20被配置成经由主天线LP周期性地（例如每100ms）并且为了节约能量而在非常短的持续时间内（例如30μs）发射询问信号，询问信号的发射在所述主天线LP附近产生电磁场。
当设备10的辅天线LS在询问信号的发射期间处于由基站20的主天线LP产生的电磁场中时，在所述辅天线LS与所述主天线LP之间发生耦合。
基站20包括被配置成实现多个任务的控制模块200。
首先，控制模块200被配置成检测在主天线LP中流动的电流的强度的变化或在主天线LP的端子之间的电压的变化，亦即在基站20的主天线LP与设备10的辅天线LS之间建立耦合或改变其之间的现有耦合。
控制模块200还被配置成在检测到其主天线LP与辅天线LS之间的新耦合或预先存在的耦合的变化之后向设备10发送请求信号。该认证请求信号的能量密度显著大于询问信号的能量密度，且从而使得能够更快地对馈电电池BAT充电。认证请求信号尤其包括向基站20认证设备10的请求。
当设备10接收到认证请求信号时，设备10被配置成：
- 在称为“通信”模式的模式中，将响应信号发射给基站20，该认证请求信号至少包括所述设备10的标识符，
- 在称为“充电”模式的模式中，借助于认证请求信号的能量对其馈电电池进行再充电。
控制模块200还被配置成接收由设备10发射的响应信号并根据应用场景对其进行利用。这样，例如，在机动车辆的情况下，当设备10的标识符有效时，基站20可以被配置成授权解锁驾驶室或起动车辆发动机。
可以首先实现通信模式以认证设备10，并且然后，设备10可以转为充电模式以使得能够对其馈电电池BAT进行充电。
通信模式与充电模式之间的转变可以例如根据馈电电池BAT的再充能需求而是自动的，或者由用户手动激活。
为了使得能够基于接收到的认证请求信号的能量对其馈电电池BAT进行再充电，设备10包括用于对所述馈电电池BAT进行充电的装置。换言之，充电装置被配置成基于从基站20的主天线LP接收的认证请求信号的能量来对馈电电池进行充电。
在图1的示例中，充电装置包括整流电路D2，其一方面连接到馈电电池BAT，并且另一方面连接到辅天线LS的第一端子B1和第二端子B2，这使得能够对由辅天线LS提供的信号进行整流以对馈电电池BAT进行充电。举例来说，该整流器D2可以采取本身已知的二极管桥的形式。
根据本发明，设备10还包括用于改变在设备10的辅天线与基站20的主天线之间实现的耦合的装置。
优选地，改变耦合的装置一检测到从基站20接收到的认证请求信号的接收结束时刻就能够改变耦合。实际上，这使得基站20能够快速检测其主天线LP与设备10的辅天线LS之间的耦合改变，以发射新的认证请求信号。
为此目的，在图1的示例中，改变耦合的装置包括二极管D1，二极管D1一方面连接到辅天线LS的第一端子B1，另一方面连接到高通滤波器F1的输入端。整流二极管D1使得能够将由基站20接收的正弦信号变换为用于对电池BAT充电的直流信号。
去耦电容C3安装在大地M与二极管D1和高通滤波器F1的中点之间，以滤除到达构成辅天线LS的线圈上的寄生信号。
仍然参考图1，改变耦合的装置然后包括切换支路，该切换支路一方面包括与开关并联安装的匹配电容C2，并且另一方面包括所述开关的切换装置MC1。在该非限制性示例中，开关由晶体管T1构成，例如NPN或PNP型晶体管，其发射极和集电极分别连接到电容C2的一个分支。
设备10还包括匹配电容C1，其串联安装于辅天线LS的第一端子与电容C2和晶体管T1的中点之间，使得能够将构成辅天线LS的线圈匹配至期望的工作频率。
在所示实施例中，切换装置MC1采取本身已知的触发器JK的形式。可替代地，要注意的是，可以使用任何其他类型的合适的切换装置。
触发器JK的时钟连接到高通滤波器F1的输出端。触发器JK的端子J和K连接到馈电电压Vcc。在PNP晶体管的情况下，晶体管T1连接到触发器JK的输出端Q。在NPN晶体管的情况下，晶体管T1连接到触发器JK的反相输出端Q1。在图1所示的示例中，晶体管是PNP型的，并且JK触发器的端子Q连接到晶体管T1的基极。
优选地，设备10可以被配置成检测馈电电池BAT被充至满电，使得改变装置停止改变耦合。
仍然优选地，设备10可以被配置成授权馈电电池BAT充电直到其已充好或者直到辅天线LS与主天线LP之间的耦合中断。
现在将参考图1至6在本发明的实现中描述本发明。
在该应用示例中，便携式设备10是RFID徽章，其旨在使用户佩戴以向安装在机动车辆中的基站20认证用户，使得所述基站20激活车辆的功能，如例如解锁驾驶室或起动车辆发动机。
在预备步骤E0中，首先在基站20的主天线LP与设备10的辅天线LS之间实现电磁耦合C。
图3示出了在附近没有设备10的情况下（即，在没有耦合C的情况下）基站20周期性地发射询问信号SI0。该询问信号SI0例如每100ms发射并且为了节约能量而持续非常短的时间，例如30μs，这样的发射在基站20的主天线LP附近产生电磁场。
参考图4，当设备10被放置在基站20附近时，例如小于10cm时，在询问信号SI1的发射期间在基站20的主天线LP与设备10的辅天线LS之间产生耦合C，该耦合C于是改变了在主天线LP中流动的电流的强度（例如，增大或减小了例如其幅度）。
然后，基站20检测到该耦合C并从中推断出设备10请求与所述基站20通信。然后，基站20经由主天线LP向设备10发射认证请求信号SR1，设备10经由其辅天线LS接收该信号。
当设备10转为其馈电电池BAT的充电模式时并且根据本发明，设备10将触发基站20发射多个连续的认证请求信号，设备10将使用这些信号来对馈电电池BAT进行充电。
因此，首先，在步骤E1中，仍然参考图4，设备10改变在步骤E0中产生的现有耦合C。更确切地说，在步骤E1期间，设备10使用其切换装置MC1来改变在其辅天线LS中流动的电流的强度，并且从而改变所述辅天线LS与基站20的主天线LP之间的耦合C。
为此，参考图5和图6，当晶体管T1使电流通过（即，开关闭合）时，电容C2处于短路状态（图6中的状态A），并且主天线LP的端子两端的电压等于电容C1的端子两端的电压。该电压使得能够经由触发器JK的时钟H来切换触发器JK，以便控制晶体管T1使其不再使电流通过（开关断开）。在这种情况下，主天线的端子两端的电压变化并变得等于电容C1的端子两端的电压和于是被导通的电容C2的端子两端的电压之和（图6中的状态B）。设备10对耦合C的改变改变了流过基站20的主天线LP的电流强度，这导致询问信号的幅度的改变，例如，在图4的示例中询问信号SI2降低。在主天线LP中流动的电流的强度的改变改变了在二极管D1和滤波器电路F1中流动的电流，使得再次改变了触发器JK的时钟信号。触发器JK于是再次将双位置开关（这里是晶体管T1）切换至其闭合位置，直到基站20下一次发射询问信号。这样，每当询问信号SI1、SI2的幅度变化，就每次都实现这种切换。
参考图4，耦合的改变改变了询问信号SI2，这导致在基站20的主天线LP中流动的电流强度的变化。基站20将该改变感知为新的耦合C（即，有新的设备请求认证），并且然后在步骤E2中触发发射新的认证请求信号SR2。
该认证请求信号SR2在步骤E3中由设备10的辅天线LS接收，设备10在步骤E4中使用该信号来对馈电电池BAT进行充电。
然后，设备10在步骤E5中检测认证请求信号SR1的接收结束时刻，并且然后在下一个询问信号SI2的发射期间再次改变主天线LP与辅天线LS之间的耦合C（步骤E1）以接收新的认证请求信号SR2，以及接下来的步骤。
连续的认证请求信号通过整流电路D2传送到馈电电池BAT，以便对其进行快速充电。
允许对馈电电池BAT进行充电的耦合C的改变以及因此的请求信号的发射持续设备10所决定的等长的时间，例如直到馈电电池BAT完全充电或者取出设备10以中断耦合C。
因此，根据本发明的方法有利地使得能够触发发射若干连续的认证请求信号，以便快速高效地对设备10的馈电电池BAT进行充电。该方法对于低容量电池（例如递送小于2W的功率）的再充电特别有效。因此可以非常容易且快速地在几分钟之内对RFID访问徽章的电池或蓝牙®耳机进行再充电。

Claims (10)

1.一种通过与基站（20）的近场通信来对便携式设备（10）的馈送电能的馈电电池（BAT）进行再充电的方法，所述基站（20）包括天线，称为主天线（LP），所述便携式设备（10）包括天线，称为辅天线（LS），由所述便携式设备（10）实现的所述方法的特征在于，其包括以下步骤：
- 电磁耦合所述基站（20）的主天线（LP）和所述便携式设备（10）的辅天线（LS）；
- 通过周期性地改变流经所述辅天线的电流，由所述便携式设备周期性地改变（E1）所述基站（20）的主天线（LP）与所述便携式设备（10）的辅天线（LS）之间的耦合（C），
- 响应于所述耦合的每次周期性改变，由所述便携式设备通过所述辅天线周期性地接收（E3）由所述基站（20）发送的相应认证请求信号（SR1、SR2），每个相应认证请求信号请求来自所述便携式设备的响应，以及
- 基于所接收的每个所述认证请求信号（SR1、SR2）的能量来对所述便携式设备（10）的馈电电池（BAT）进行充电（E4）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤（E5）：检测认证请求信号（SR1、SR2）的接收结束时刻，并且其中，一检测到认证请求信号的接收结束时刻就改变耦合（C）。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的方法，其特征在于，耦合（C）周期性地被改变。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，最迟每500ms改变一次耦合（C）。
5.一种用于对便携式近场通信设备（10）的馈电电池（BAT）进行再充电的系统（1），所述系统（1）包括:
包括辅天线的便携式设备（10），和
包括称为主天线（LP）的天线的基站（20），所述主天线（LP）能够与所述便携式设备（10）的辅天线（LS）电磁耦合，
其中，所述便携式设备被配置成通过周期性地改变流经所述辅天线的电流来周期性地改变所述基站的主天线与所述便携式设备之间的耦合，
其中，所述基站（20）被配置成：
- 经由所述主天线（LP）发射至少一个询问信号，
- 检测与便携式设备（10）的辅天线（LS）的耦合（C）的周期性改变，以及
- 响应于检测到耦合的周期性改变，经由主天线（LP）发射相应的认证请求信号，相应的所述认证请求信号请求来自所述便携式设备的响应，
其中，所述便携式设备配置成：
周期性地接收来自所述基站的相应的所述认证请求信号；以及
基于所接收的每个所述认证请求信号的能量来对所述便携式设备的馈电电池进行充电。
6.根据权利要求5所述的系统（1），其特征在于，便携式设备（10）包括：
- 基于由主天线（LP）发射并经由辅天线（LS）接收的认证请求信号的能量来对馈电电池（BAT）进行充电的装置，以及
- 改变在主天线（LP）与辅天线（LS）之间实现的耦合（C）的装置。
7.根据权利要求6所述的系统（1），其特征在于，用于改变耦合（C）的装置包括切换支路，该切换支路包括与开关（T1）并联安装的电容（C2）。
8.根据权利要求7所述的系统（1），其特征在于，用于改变耦合（C）的装置包括用于切换所述开关（T1）的装置。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的系统（1），其特征在于，便携式设备（10）还被配置成授权对馈电电池（BAT）进行充电，直到所述馈电电池（BAT）被充至满电或者直到便携式设备与基站之间的耦合（C）中断。
10.根据权利要求6至8中的任一项所述的系统（1），其特征在于，便携式设备（10）还被配置成检测馈电电池（BAT）被充至满电，并且然后停止经由改变装置对耦合（C）的任何改变。
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