CN116868479A - 无线功率传输 - Google Patents

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CN116868479A CN202280015532.5A CN202280015532A CN116868479A CN 116868479 A CN116868479 A CN 116868479A CN 202280015532 A CN202280015532 A CN 202280015532A CN 116868479 A CN116868479 A CN 116868479A
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Abstract

一种功率发送器(101)包括生成用于输出谐振电路的驱动信号的驱动器(201)，所述输出谐振电路包括生成功率传输信号的发送器线圈(103)。谐振检测器(307)确定针对所述输出谐振电路的耦合谐振频率，其中，所述耦合谐振频率是针对被耦合到接收器线圈(107)的所述发送器线圈(103)的所述输出谐振电路的谐振频率，所述接收器线圈是所述功率接收器(105)的功率传输输入谐振电路的部分。所述输入谐振电路的品质因数不小于10。估计电路(309)响应于所述输出谐振电路或所述输入谐振电路的第一有效谐振频率和可能的非耦合谐振频率而确定针对所述发送器线圈(103)与所述接收器线圈(107)之间的耦合的耦合因子估计结果。适配器(311)响应于所述耦合因子估计结果而设置操作参数。

Description

无线功率传输
技术领域
本发明涉及无线功率传输系统，并且具体地但非排他性地涉及向高功率设备(例如，厨房电器)提供感应功率传输的功率发送器的操作。
背景技术
大多数现代电气产品需要专用的电连接，以便得到外部电源的供电。然而，这往往是不切实际的，并且需要用户物理地插入连接器或者以其他方式建立物理电连接。在典型情况下，功率需求也显著不同，并且当前大多数设备被提供有它们自己的专用电源，从而造成了典型用户具有大量不同电源并且每个电源专用于特定设备的情况。虽然使用内置电池可以避免在使用期间有线连接到电源的需求，但是这仅提供了部分解决方案，因为需要对电池进行充电(或更换)。使用电池也可能显著增加设备重量并潜在增大设备成本和尺寸。
为了提供显著改善的用户体验，已经提出使用无线电源，其中，功率从功率发送器设备中的发送器电感器感应传输到个体设备中的接收器线圈。
经由磁感应进行的功率传输是众所周知的构思，它主要应用于初级发送器电感器/线圈与次级接收器线圈之间具有紧密耦合的变压器中。通过将初级发送器线圈和次级接收器线圈分离在两个设备之间，基于松散耦合的变压器的原理，可能实现这些设备之间的无线功率传输。
这种布置允许针对设备的无线功率传输，而不需要进行任何电线或物理电连接。事实上，它可以简单地允许将设备放置在发送器线圈附近或顶部，以便从外部充电或供电。例如，功率发送器设备可以被布置有水平表面，能够将设备简单地放置在该水平表面上以便得到供电。
此外，可以有利地设计这种无线功率传输装置，使得功率发送器设备能够与一系列功率接收器设备一起使用。具体而言，已经定义了被称为Qi规范的无线功率传输方法，并且目前正在进一步开发这种方法。这种方法允许符合Qi规范的功率发送器设备与也符合Qi规范的功率接收器设备一起使用，而无需这些设备非要来自同一制造商或者必须彼此专用。Qi标准还包括某些允许操作适配特定功率接收器设备的功能(例如取决于特定的功率消耗)。
Qi规范是由无线充电联盟制定的，更多信息能够在他们的网站(http:// www.wirelesspowerconsortium.com/index.html)上找到，其中能够具体找到所定义的规范文件。
无线充电联盟已经在Qi规范的基础上着手开发Ki规范(也被称为无绳厨房规范)，该规范旨在向厨房电器提供安全、可靠和高效的无线功率传输。Ki支持更高的功率水平，最高可达2.2千瓦。
无线功率传输的潜在问题是功率传输性能可能显著取决于特定条件。具体而言，在效率、可实现的功率水平、适配响应时间等方面的功率传输性能往往强烈取决于发送器线圈和接收器线圈相对于彼此如何定位。一般来说，相互对准和靠近的线圈往往能够实现更高效和更可靠的功率传输。
在典型情况下，功率传输性能取决于耦合因子或系数，耦合因子越高，功率传输就越高效。
虽然能够通过设计设备而使得功率接收器设备相对于功率发送器设备的定位受到严格约束(例如将功率接收器限制到一个特定位置)来实现更接近的对准和更高的耦合因子，但是通常并不期望这样，因为这限制了系统的实用性。例如，对于在操作台上实施功率发送器的厨房用具，优选的是，用户能够简单地将该电器放置在功率发送器线圈附近，然后系统相应地进行适配。还优选的是，在不需要例如约束功率接收器设备的机械或物理引导特征的情况下实施功率传输功能，例如，期望能够使用完全平坦的操作台面来实施功率发送器。
考虑到操作条件可能变化很大，可以从可以为最坏情况条件提供可接受的性能的初始操作点开始功率传输。在功率传输期间，控制回路可以将操作点适配到更优的操作点。具体而言，可以从低功率水平开始功率传输，然后在功率传输期间逐渐增大功率传输。
然而，这些方法往往不是最优的，并且不能提供理想的性能。它往往会引入达到最优性能所花费的延迟。在许多场景和情况下，该方法可能不会达到最优操作点，例如由于控制回路停留在局部极值而不是前进到全局最优值。
因此，改善的功率传输系统操作将是有利的，具体而言，允许提高灵活性、降低成本、降低复杂性、改进耦合因子估计、向后兼容性、改进对更高功率水平传输的适合性、改进功率传输的初始化、改进对特定操作条件的适配和/或提高性能的方法将是有利的。
发明内容
因此，本发明寻求优选地单独地或以任何组合方式减轻、缓解或消除一个或多个上述缺点。
根据本发明的一个方面，提供了一种包括功率发送器和功率接收器的无线功率传输系统，所述功率发送器被布置为经由感应功率传输信号向所述功率接收器无线地提供功率；所述功率发送器包括：输出谐振电路，其包括发送器线圈和至少一个电容器；驱动器，其被布置为生成用于所述输出谐振电路的驱动信号以生成所述感应功率传输信号；谐振检测器，其被布置为确定在谐振测量时间区间期间针对所述输出谐振电路的第一耦合谐振频率，所述第一耦合谐振频率是针对被耦合到所述功率接收器的功率传输输入谐振电路的接收器线圈的所述发送器线圈的所述输出谐振电路的谐振频率；估计电路，其被布置为响应于所述第一耦合谐振频率而确定针对所述发送器线圈与所述接收器线圈之间的耦合的耦合因子估计结果；以及适配器，其被布置为响应于所述耦合因子估计结果而设置操作参数；并且所述功率接收器包括：功率传输输入谐振电路，其包括接收器线圈和至少一个电容器，所述接收器线圈被布置为从所述功率发送器提取功率；所述功率传输输入谐振电路在所述谐振测量时间区间期间具有不小于10的品质因数；以及电路，其被布置为在所述谐振测量时间区间期间从功率传输模式切换到测量模式，在所述功率传输模式中，所述品质因数不被约束为不小于10，当所述功率接收器在所述测量模式中操作时，所述品质因数不小于10。
在许多实施例中，本发明可以提供改善的功率传输。在许多实施例中，它可以提供改善的初始性能和/或更快的适配和收敛到优选操作点。在许多实施例中，该方法可以提供功率传输对变化的操作条件的改善的适配。该方法通常可以提供有利的功率传输操作和性能，同时允许低复杂度的实施。该方法可以允许高效和/或可靠和/或准确的耦合因子确定，这可以允许功率传输的典型关键参数的改善的适配，从而允许改善的功率传输。
该方法的一个特别的优点在于，在许多实施例中，它可以完全基于功率发送器，而不需要在功率接收器处执行特定的估计过程或计算。在许多场景中，这可以降低成本。它可以促进实施和/或提供改进的向后兼容性。
耦合因子估计结果可以是耦合因子变化估计结果。
针对谐振电路的非耦合谐振频率可以是从谐振电路到不是谐振电路的部分的电感器没有电感耦合时的谐振频率。针对输出谐振电路的非耦合谐振频率可以是当发送器线圈没有被耦合到接收器线圈(通常也没有被耦合到任何其他电感器)时的谐振频率。
第一耦合谐振频率可以是当输出谐振电路被耦合到接收器线圈107时以及当功率接收器处于用于功率传输的功率传输位置时输出谐振电路的谐振频率。
在一些实施例中，在谐振测量时间区间期间，功率传输输入谐振电路具有不小于20、50、100或者甚至500的品质因数。
针对输出谐振电路的耦合谐振频率对应于驱动信号的谐振频率，并且对于变化的驱动信号频率，针对输出谐振电路的耦合谐振频率可以具体对应于针对驱动信号的属性的局部最大值(或者可能是局部最小值)。
在一些实施例中，估计电路还被布置为响应于功率传输输入谐振电路的非耦合谐振频率而确定耦合因子估计结果。
在一些实施例中，功率传输输入谐振电路的非耦合谐振频率是预定频率。
在一些实施例中，功率发送器还包括用于从功率接收器接收数据的接收器，并且该接收器被布置为从功率接收器接收指示功率传输输入谐振电路的非耦合谐振频率的数据。
在一些实施例中，估计电路还被布置为响应于功率传输输出谐振电路的非耦合谐振频率而确定耦合因子估计结果。
在一些实施例中，功率传输输出谐振电路的非耦合谐振频率是预定频率。
根据本发明的任选特征，所述谐振检测器还被布置为在所述谐振测量时间区间期间测量针对所述输出谐振电路的第二耦合谐振频率，所述第二耦合谐振频率是在存在所述功率接收器的情况下针对所述输出谐振电路的不同谐振频率；并且所述估计电路还被布置为响应于所述第二耦合谐振频率而确定所述耦合因子估计结果。
在许多实施例中，这可以提供改善的和/或促进的耦合因子估计，并且具体地在许多场景中，这可以降低对操作环境、部件、功率发送器和/或功率接收器的变化或未知参数和/或测量误差或不准确性的变化的敏感度。
根据本发明的任选特征，所述第一耦合谐振频率和所述第二耦合谐振频率是所述驱动信号的电流表现出局部最大值时的频率。
这可以提供改善的性能和/或操作，并且通常能够实现促进的或改善的耦合因子估计。
对于变化的驱动信号频率，局部最大值可以是驱动信号的电流的局部最大值。
在一些实施例中，估计电路被布置为响应于第一耦合谐振频率与第二耦合谐振频率之间的比率而确定耦合因子。
根据本发明的任选特征，所述估计电路被布置为进一步响应于针对所述输出谐振电路的非耦合谐振频率和针对所述输入谐振电路的非耦合谐振频率而确定所述耦合因子。
这可以提供改善的性能和/或操作，并且通常能够实现促进的或改进的耦合因子估计。
根据本发明的任选特征，所述估计电路被布置为进一步响应于针对所述输出谐振电路的非耦合谐振频率与针对所述输入谐振电路的非耦合谐振频率之间的比率而确定所述耦合因子。
这可以提供改善的性能和/或操作，并且通常能够实现促进的或改进的耦合因子估计。具体而言，在许多场景中，它可以降低对操作环境、部件、功率发送器和/或功率接收器的变化或未知参数和/或测量误差或不准确性的敏感度。
在一些实施例中，估计电路被布置为：确定第一耦合谐振频率与第二耦合谐振频率之间的第一比率，并且根据该比率来确定耦合因子。
根据本发明的任选特征，所述估计电路被布置为进一步响应于针对所述输出谐振电路的非耦合谐振频率和针对所述输入谐振电路的非耦合谐振频率的平方和与所述第一耦合谐振频率和第二耦合谐振频率的平方和之间的比率而确定所述耦合因子，所述第二耦合谐振频率是针对被耦合到接收器线圈的所述发送器线圈的所述输出谐振电路的谐振频率。
这可以提供改善的性能和/或操作，并且通常能够实现促进的或改进的耦合因子估计。具体而言，在许多场景中，它可以降低对操作环境、部件、功率发送器和/或功率接收器的变化或未知参数和/或测量误差或不准确性的敏感度。
根据本发明的任选特征，所述谐振检测器被布置为将针对所述输出谐振电路的非耦合谐振频率确定为所述驱动信号的电流对于具有不超过2的品质因数的所述输入谐振电路表现出局部最大值时的频率；并且所述估计电路被布置为响应于针对所述输出谐振电路的所述非耦合谐振频率而确定所述耦合因子。
这可以改进对当前条件下输出谐振电路的非耦合谐振频率的确定，从而改进了耦合因子估计。
在一些实施例中，当确定与输出谐振电路的非耦合谐振频率相对应的局部最大值时，输入谐振电路可以具有不超过0.5、1、3或5的品质因数。
对于变化的驱动信号频率，局部最大值可以是驱动信号的电流的局部最大值。
根据本发明的任选特征，所述谐振检测器被布置为将针对所述输入谐振电路的非耦合谐振频率确定为所述驱动信号的电流对于具有不小于10的品质因数的所述输入谐振电路表现出局部最小值时的频率；并且所述估计电路被布置为响应于针对所述输入谐振电路的所述非耦合谐振频率而确定所述耦合因子。
这可以改进对当前条件下输入谐振电路的非耦合谐振频率的确定，从而改进了耦合因子估计。
在一些实施例中，当确定与输入谐振电路的非耦合谐振频率相对应的局部最小值时，输入谐振电路可以具有不小于5、15、20或30的品质因数。
对于变化的驱动信号频率，局部最小值可以是驱动信号的电流的局部最小值。
可以在谐振测量时间区间期间确定局部最小值，并且可以专门使用相同的频率扫描来确定输出谐振电路/驱动信号的一个或多个耦合谐振频率以及输入谐振电路的非耦合谐振频率。
在一些实施例中，谐振检测器被布置为：控制驱动器以生成在谐振测量时间区间期间具有变化频率的驱动信号，并且响应于驱动信号的电压、驱动信号的电流以及驱动信号的电压与驱动信号的电流之间的相位差中的至少一项来确定第一耦合谐振频率。
这可以提供特别有利的方法，并且可以高效且实用地确定耦合因子，从而改进对操作参数的设置。
在一些实施例中，谐振检测器被布置为：控制驱动器从较高频率向较低频率执行驱动信号频率扫描，并且将第一耦合谐振频率确定为满足针对驱动信号的谐振准则的第一检测频率。
在许多实施例中，这可以改进对针对输出谐振电路的耦合谐振频率的检测，由此提供改进的耦合因子估计和改进的操作参数设置，从而改进了功率传输。
根据本发明的任选特征，所述谐振测量时间区间处于功率传输操作的初始化期间，并且所述操作参数是用于所述功率传输操作的初始操作参数。
该方法可以允许改进的功率传输初始化。该方法可以允许更快和/或更可靠地朝向功率传输的优选操作点收敛
根据本发明的任选特征，所述驱动器被布置为在功率传输阶段期间根据重复时间框架来生成所述驱动信号，所述重复时间框架包括至少一个功率传输时间区间和至少一个测量时间区间，并且其中，所述谐振测量时间区间被包括在测量时间区间中。
该方法可以允许改善对在功率传输期间变化的操作条件的适配，例如特别是改善对功率接收器相对于功率发送器的移动的适配。
在许多实施例中，测量时间区间的持续时间不小于时间框架的持续时间的5％、10％或20％。在许多实施例中，(一个或多个)测量时间区间的持续时间不超过时间框架的70％、80％或90％。在许多场景中，(一个或多个)测量时间区间的持续时间可以不超过5毫秒、10毫秒或50毫秒。
在一些实施例中，操作参数是控制功率传输信号的功率水平的参数。
在许多实施例中，这可以提供特别有利的操作。
控制功率传输信号的功率水平的参数具体可以是驱动信号的参数，例如，驱动信号的频率、占空比、相位、电流和/或电压。
根据本发明的任选特征，所述操作参数是功率回路参数，所述功率回路参数是功率控制回路的回路参数，所述功率控制回路被布置为响应于从所述功率接收器接收的功率控制消息而适配所述功率传输信号的功率水平。
在许多实施例中，这可以提供特别有利的操作。它可以允许针对当前条件动态地适配和/或优化对功率传输的控制响应。在许多场景中，该方法可以允许更快的控制操作，同时仍然确保控制回路的稳定性。
回路参数可以具体是回路增益和/或回路延迟。
在一些实施例中，估计电路还被布置为响应于功率传输输入谐振电路的非耦合谐振频率而确定耦合因子估计结果。
在许多场景中，这可以允许改进的耦合因子估计。它可以促进对耦合因子估计结果的确定。
功率传输输入谐振电路的非耦合谐振频率可以是当接收器线圈没有被耦合到发送器线圈(通常也没有被耦合到任何其他电感器)时功率传输输入谐振电路的谐振频率。
在一些实施例中，谐振检测器还被布置为确定在谐振测量时间区间期间针对输出谐振电路的第二耦合谐振频率，第二操作谐振频率是在功率接收器存在的情况下针对输出谐振电路的不同谐振频率；并且估计电路还被布置为响应于第二操作谐振频率而确定耦合因子估计结果。
在许多实施例中，这可以提供特别有利的和/或促进的操作和/或性能。
在一些实施例中，估计电路被布置为响应于以下方程中的至少一个而确定耦合因子估计结果：
以及
其中，fp是谐振输出电路的非耦合谐振频率，fs是功率传输输入谐振电路的非耦合谐振频率，Fres1是第一耦合谐振频率，Fres2是第二耦合谐振频率，并且k是耦合因子。
在许多实施例中，这可以提供特别有利的和/或促进的操作和/或性能。
功率接收器包括电路，该电路被布置为在谐振测量时间区间期间从功率传输模式切换到测量模式，在功率传输模式中，品质因数不被约束为不小于10，当功率接收器在测量模式中操作时，品质因数不小于10。
在许多实施例中，这可以提供特别有利的和/或促进的操作和/或性能。
根据本发明的任选特征，所述功率接收器还包括被布置为在所述谐振测量时间区间期间使所述功率传输输入谐振电路发生短路的电路。
在许多实施例中，这可以提供特别有利的和/或促进的操作和/或性能。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于包括功率发送器和功率接收器的无线功率传输系统的操作方法，所述功率发送器被布置为经由感应功率传输信号向所述功率接收器无线地提供功率；所述功率发送器包括输出谐振电路，所述输出谐振电路包括发送器线圈和至少一个电容器，并且所述功率接收器包括功率传输输入谐振电路，所述功率传输输入谐振电路包括接收器线圈和至少一个电容器，所述接收器线圈被布置为从所述功率发送器提取功率；所述操作方法包括所述功率发送器执行以下步骤：生成用于所述输出谐振电路的驱动信号以生成所述感应功率传输信号；确定在谐振测量时间区间期间针对所述输出谐振电路的第一耦合谐振频率，所述第一耦合谐振频率是针对被耦合到所述功率接收器的功率传输输入谐振电路的接收器线圈的所述发送器线圈的所述输出谐振电路的谐振频率，所述功率传输输入谐振电路在所述谐振测量时间区间期间具有不小于10的品质因数；响应于所述第一耦合谐振频率而确定针对所述发送器线圈与所述接收器线圈之间的耦合的耦合因子估计结果；并且响应于所述耦合因子估计结果而设置操作参数；并且所述方法还包括所述功率接收器执行以下步骤：在所述谐振测量时间区间期间从功率传输模式切换到测量模式，在所述功率传输模式中，所述品质因数不被约束为不小于10，当所述功率接收器在所述测量模式中操作时，所述品质因数不小于10。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于包括功率发送器和功率接收器的无线功率传输系统的功率接收器，所述功率发送器被布置为经由感应功率传输信号向所述功率接收器无线地提供功率；所述功率接收器包括：功率传输输入谐振电路，其包括接收器线圈和至少一个电容器，所述接收器线圈被布置为从所述功率发送器提取功率；以及电路，其被布置为在谐振测量时间区间期间从功率传输模式切换到测量模式，在所述功率传输模式中，所述品质因数不被约束为不小于10，当所述功率接收器在所述测量模式中操作时，所述品质因数不小于10。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于包括功率发送器和功率接收器的无线功率传输系统的功率接收器的操作方法，所述功率发送器被布置为经由感应功率传输信号向所述功率接收器无线地提供功率；所述功率接收器包括：功率传输输入谐振电路，其包括接收器线圈和至少一个电容器，所述接收器线圈被布置为从所述功率发送器提取功率；所述方法包括：电路被布置为在谐振测量时间区间期间从功率传输模式切换到测量模式，在所述功率传输模式中，所述品质因数不被约束为不小于10，当所述功率接收器在所述测量模式中操作时，所述品质因数不小于10。
附图说明
将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的实施例，在附图中：
图1图示了根据本发明的一些实施例的功率传输系统的元件的示例；
图2图示了用于图1的功率传输系统的等效电路的示例；
图3图示了根据本发明的一些实施例的功率发送器的元件的示例；
图4图示了用于功率发送器的半桥逆变器的示例；
图5图示了用于功率发送器的全桥逆变器的示例；
图6图示了根据本发明的一些实施例的功率接收器的元件的示例；
图7图示了图3的功率发送器的输出谐振电路的响应的示例；
图8图示了作为耦合因子的函数的图3的功率发送器的输出谐振电路的耦合谐振频率的示例；
图9图示了作为耦合因子的函数的图3的功率发送器的输出谐振电路的耦合谐振频率的示例；
图10图示了图3的功率发送器的输出谐振电路的响应的示例；
图11图示了图3的功率发送器的输出谐振电路的响应的示例；
图12图示了图3的功率发送器的输出谐振电路的响应的示例；
图13图示了图3的功率发送器的输出谐振电路的响应的示例；
图14图示了图3的功率发送器的输出谐振电路的响应的示例；
图15图示了针对图1的无线功率传输系统的时间框架的示例；并且
图16图示了针对图1的功率传输系统的等效电路的示例。
具体实施方式
以下描述集中于能应用于利用例如根据Qi规范或Ki规范已知的功率传输方法的无线功率传输系统的本发明的实施例。然而，应当理解，本发明不限于这种应用，而是可以应用于许多其他无线功率传输系统。
图1图示了根据本发明的一些实施例的功率传输系统的示例。功率传输系统包括功率发送器101，功率发送器101包括(或者被耦合到)发送器线圈/电感器103。该系统还包括功率接收器105，功率接收器105包括(或者被耦合到)接收器线圈/电感器107。
该系统提供感应电磁功率传输信号，该感应电磁功率传输信号可以将功率从功率发送器101感应传输到功率接收器105。具体而言，功率发送器101生成电磁信号，该电磁信号通过发送器线圈或电感器103作为磁通量进行传播。功率传输信号通常可以具有在约20kHz至约500kHz之间的频率，并且对于Qi兼容系统，功率传输信号的频率通常在从95kHz至205kHz的范围内，或者对于Ki兼容系统，功率传输信号的频率通常在20kHz至80kHz的范围内。发送器线圈103和功率接收器线圈107松散耦合，因此功率接收器线圈107从功率发送器101拾取(至少部分)功率传输信号。因此，功率经由从发送器线圈103到功率接收器线圈107的无线感应耦合从功率发送器101传输到功率接收器105。术语功率传输信号主要用于指发送器线圈103与功率接收器线圈107之间的感应信号/磁场(磁通量信号)，但是应当理解，等效地，它也可以被认为和用作对被提供给发送器线圈103的或由功率接收器线圈107拾取的电信号的参考。
在该示例中，功率接收器105具体是经由接收器线圈107接收功率的功率接收器。然而，在其他实施例中，功率接收器105可以包括金属元件，例如，金属加热元件，在这种情况下，功率传输信号直接感应出涡电流，从而引起元件直接发热。
该系统被布置为传输相当大的功率水平，具体而言，在许多实施例中，功率发送器可以支持超过500mW、1W、5W、50W、100W或500W的功率水平。例如，对于Qi对应的应用，对于低功率应用(基线功率概况曲线)，功率传输通常可以在1-5W的功率范围内，对于Qi规范版本1.2，功率传输可以高达15W，对于诸如电动工具、笔记本电脑、无人机、机器人等更高功率应用，功率传输可以高达100W，而对于诸如Ki厨房应用之类的非常高的功率应用，功率传输可以超过100W并且最高超过2000W。
在下文中，将具体参考通常根据Qi规范或Ki规范(除了本文描述的(或相应的)修改和增强之外)或适合用于由无线充电联盟开发的更高功率厨房规范的实施例来描述功率发送器101和功率接收器105的操作。具体而言，功率发送器101和功率接收器105可以遵循或基本上兼容Qi规范版本1.0、1.1、1.2或1.3的要素(除了本文描述的(或相应的)修改和增强之外)。
许多无线功率传输系统(特别是诸如Ki之类的高功率系统)利用谐振功率传输，在谐振功率传输中，发送器线圈103是谐振电路的部分，并且通常接收器线圈107也是谐振电路的部分。在许多实施例中，谐振电路可以是串联谐振电路，因此发送器线圈103和接收器线圈107可以与对应的谐振电容器串联耦合。使用谐振电路往往能够提供更高效的功率传输。
在大多数功率传输系统中，在功率传输开始之前，建立功率发送器101与功率接收器105之间的通信信道。当已经建立了通信并且已经实现了这两个设备的识别时，功率发送器101可以开始向功率接收器105发送功率。
图2图示了针对功率发送器101和功率接收器105的功率传输函数的等效电路图的示例。在给定的系统中可以存在各种各样的功率发送器和功率接收器，并且这些功率发送器和功率接收器可以具有显著不同的属性和参数。例如，线圈尺寸、感应值和负载可能变化很大。因此，如在图2中具体表示的系统参数实际上对于不同的设备、机械构造、定位等来说可能有很大不同。具体而言，功率接收器的放置以及因此接收器线圈107和发送器线圈103的相对位置会显著影响线圈(即，初级(功率发送器侧)电感器Lp与次级(功率发送器侧)电感器Ls)之间的耦合，并且因此会显著改变系统行为。
此外，功率接收设备可以具有几种不同的操作模式，例如在不同的模式中会接通或断开几个负载。例如，对于作为空气炸锅电器的功率接收器，能够打开和关闭加热元件。这可以例如引起非常大(例如从50到1200W)的负载阶跃，反之亦然。另外，可以在设备操作期间重复这种负载切换以保持温度恒定。
系统还能够包含非线性负载，例如，功率接收器可以驱动电动机(例如，食品加工机的电动机)，而不是作为电阻部件。这会引起完全不同的系统响应并且这尤其对控制系统设计有很大影响。
在通常情况下，无线功率传输系统采用功率控制回路，以便将系统导向适当操作点。该功率控制回路改变从功率发送器传输到功率接收器的功率量。能够测量所接收的功率(或电压或电流)并且可以将其与设定点功率值一起用于生成误差信号。该电器将该误差信号或可能的期望功率设定点发送到功率发送器中的功率控制功能以减小静态误差(理想情况下减小到零)。
然而，由于系统性能和操作因现有功率发送器和功率接收器的组合和放置而变化很大，因此适当操作点也变化很大。这包括功率传输的启动/初始化时的条件，因此最优初始操作点也变化很大。
影响操作的关键参数之一是耦合因子。另外，耦合因子往往取决于功率接收器相对于功率发送器的定位(具体是接收器线圈107相对于发送器线圈103的定位)，因此取决于具体的操作条件。相比之下，对于特定的功率发送器和接收器线圈107的组合来说，图2的大多数其他参数往往是已知的并且往往是相对恒定的。因此，通常，除了耦合因子之外，几乎所有相关的系统参数都是已知的。耦合因子取决于多个参数，特别包括线圈的尺寸/几何形状以及功率发送器与功率接收器之间的距离。
在图1的系统中，该系统包括用于估计耦合因子和用于响应于耦合因子而适配操作参数的功能。具体而言，在许多实施例中，可以适配控制回路的参数(例如，开环传递函数和/或回路增益)，以便优化和控制闭环性能。作为另一示例，可以根据耦合因子来适配优选(通常是初始)操作点(例如，功率水平)。在一些实施例中，可以在功率传输之前执行测量和适配，也可以替代地或额外地在功率传输之后执行测量和适配。
作为示例性操作，当将功率接收器放置在功率发送器上时，可以在它们之间建立通信。这可以允许功率发送器开始发送功率，但是首先它需要建立合适的操作点。一种选择是选择非常安全和可靠的操作点(其能够保证在最坏的情况下也能够进行操作)，然后在功率传输期间逐渐适配操作点。然而，这种方法往往是缓慢和低效的，并且实际上在许多场景中，逐渐适配到最优操作点可能是不可行的(例如，系统可能卡在局部最大值而不是前进到全局最大值)。
因此，优选地，可以确定期望操作点，并且在该期望操作点处或附近开始操作。能够使用所有已知的系统参数来估计期望操作点。这些系统参数可以例如包括以下各项(或者由以下各项组成)：初级电感和次级电感、初级谐振和次级谐振、负载电阻、功率和电压，以及耦合因子。在所有这些参数已知的情况下，能够计算针对功率路径的传递函数，并且能够确定初始操作点。然而，虽然功率发送器能够(例如基于来自功率接收器的功率接收器参数的通信)知道大多数参数，但是耦合因子取决于设备的放置/未对准，因此无法提前知道。
在该示例中，功率发送器可以相应地继续测量/估计耦合因子。这可以例如通过在功率接收器加载时确定针对功率发送器谐振电路的一个或多个谐振频率来完成。在这种测量期间，功率接收器可以进入高Q模式，并且功率发送器可以通过驱动发送器线圈103的信号的频率扫描来确定谐振频率。基于所测量的(一个或多个)谐振频率，可以例如基于功率接收器谐振频率和功率发送器谐振频率的自由运行谐振频率来计算耦合因子。
然后能够使用该耦合因子来计算完整的传递函数，然后计算初始操作点和所需的工作参数，例如，初始功率水平和/或回路增益。将操作参数设置为计算值可以允许从功率传输的开始达到初始操作点，这将引起适当的功率/电流被输送到功率接收器。
事实上，通过在功率传输之前测量功率传输系统的耦合因子，能够对系统响应进行更好的估计。这可以更好地选择初始操作点(功率信号的频率、占空比、回路增益等)。这可以允许更快地达到期望的功率水平。另外，这种方法可以降低发生过电压状况或过电流状况的风险。
而且，在功率传输期间测量耦合因子并基于这种测量来适配(一个或多个)操作参数可以提供改善的性能，并且通常可以提供更准确的优化和适配。
图3更详细地图示了图1的功率发送器101的元件。
功率发送器101包括驱动器301，驱动器301可以生成驱动信号，所述驱动信号被馈送到发送器线圈103，发送器线圈103继而生成电磁功率传输信号，从而向功率接收器105提供功率传输。发送器线圈103是包括发送器线圈103和电容器303的输出谐振电路的部分。在该示例中，输出谐振电路是串联谐振电路，但是应当理解，在其他实施例中，输出谐振电路可以是并联谐振电路。应当理解，可以使用任何合适的谐振电路，包括包含多个电感器和/或电容器的谐振电路。
驱动器301生成电流和电压，所述电流和电压被馈送到输出谐振电路并因此被馈送到发送器线圈103。驱动器301通常是逆变器形式的驱动电路，其根据DC电压生成交流信号。驱动器301的输出通常是开关桥，其通过开关桥的开关的适当切换来生成驱动信号。图4示出了半桥开关桥/逆变器。控制开关S1和S2，使得它们永远不会同时闭合。交替地，S1闭合而S2断开，以及S2闭合而S1断开。开关以期望的频率断开和闭合，从而在输出部处生成交流信号。通常，逆变器的输出部经由谐振电容器连接到发送器电感器。图5示出了全桥开关桥/逆变器。控制开关S1和S2，使得它们永远不会同时闭合。控制开关S3和S4，使得它们永远不会同时闭合。交替地，开关S1和S4闭合而S2和S3断开，然后S2和S3闭合而S1和S4断开，从而在输出部处创建方波信号。开关以期望的频率断开和闭合。
功率发送器101还包括功率发送器控制器305，功率发送器控制器305被布置为根据期望的操作原理来控制功率发送器101的操作。具体而言，功率发送器101可以包括根据Qi规范或Ki规范执行功率控制所需的许多功能。
功率发送器控制器305被具体布置为控制驱动器301生成驱动信号的生成操作，并且它能够具体控制驱动信号的功率水平，因此控制所生成的功率传输信号的水平。功率发送器控制器305包括功率回路控制器，功率回路控制器响应于在功率传输阶段期间从功率接收器105接收的功率控制消息而控制功率传输信号的功率水平。
功率发送器控制器305还可以包括用于与功率接收器105通信的功能。例如，功率发送器控制器305可以被布置为：通过调制功率传输信号向功率接收器105发送数据，并且通过检测功率传输信号的负载调制从功率接收器105接收数据。应当理解，在其他实施例中，可以使用其他通信手段，例如可以实施诸如NFC通信之类的单独的通信功能。
众所周知，使用包括发送器线圈103的谐振电路在许多场景中提供了更高效的功率传输。此外，具有也采用谐振电路的功率接收器(即，其中接收器线圈107是谐振电路的部分)可以引起谐振功率传输，这提供了许多优点，包括(例如通过控制驱动信号的频率而实现的)高效的功率传输和容易控制的功率传输。
图6图示了功率接收器105的一些示例性元件。
接收器线圈107经由电容器603被耦合到功率接收器控制器601，电容器603与接收器线圈107一起形成输入谐振电路。因此，功率传输可以是谐振电路之间的谐振功率传输。
功率接收器控制器601经由开关607将接收器线圈107耦合到负载605，开关607具体能够使负载605发生短路。功率接收器控制器601包括功率控制路径，功率控制路径将由接收器线圈107提取的功率转换成用于负载605的合适供电。在一些实施例中，功率接收器控制器601可以提供直接功率路径，直接功率路径简单地将输入谐振电路连接到开关607或负载605，即，可以简单地通过两条线来实施功率接收器控制器601的功率路径。在其他实施例中，功率路径可以包括例如整流器和可能的平滑电容器以提供DC电压。在其他实施例中，功率路径可以包括更复杂的功能，例如，电压控制电路、阻抗匹配电路、电流控制电路等。类似地，应当理解，开关607可以仅存在于一些实施例中，并且在一些实施例中，负载605可以被永久地耦合到输入谐振电路。
另外，功率接收器控制器601可以包括执行功率传输所需的各种功率接收器控制器功能，特别是根据Qi规范或Ki规范执行功率传输所需的功能。
功率接收器控制器601还可以包括用于与功率发送器101通信的功能。例如，它可以被布置为对被调制到功率传输信号上的数据进行解码和解调，并且它可以被布置为通过对功率传输信号进行负载调制向功率发送器101发送数据。在一些实施例中，可以采用单独的通信功能，例如，NFC通信功能。
在操作中，该系统被布置为控制驱动信号，使得功率传输信号获得合适的操作参数/属性，并且使得在合适的操作点操作功率传输。为此，功率发送器被布置为使用功率控制回路来控制驱动信号的参数，其中，响应于从功率接收器接收的功率控制误差消息而控制功率传输信号/驱动信号的功率属性。
功率接收器以规则的(通常是频繁的)间隔向功率发送器发送功率控制误差消息。在一些实施例中，可以发送指示期望的绝对功率水平的直接功率设定点改变消息(而不是相对误差消息)。功率接收器105包括用于支持这种功率控制回路的功能，例如，功率接收器控制器601可以连续监测被提供给负载的负载信号的功率或电压，并且检测这是高于期望值还是低于期望值。它可以以规则间隔生成请求提高或降低功率传输信号的功率水平的功率控制误差消息，并且它可以将该功率控制误差消息发送到功率发送器。
当从功率接收器接收到功率控制误差消息时，发送控制器305可以确定应当如何修改驱动信号参数以根据请求提高或降低功率传输信号的功率水平。然后，它可以相应地控制和适配驱动信号参数。
相应地采用功率控制回路，该功率控制回路控制功率传输信号的功率属性，从而在功率接收器处得到期望操作点。因此，功率传输的操作由功率控制回路来控制，并且这种控制的有效操作对于系统的性能至关重要。因此，针对操作条件来初始化或适配功率控制回路对于最优性能是至关重要的。
在所描述的系统中，功率发送器包括用于估计耦合因子和用于基于耦合因子来适配功率传输系统的操作(特别是功率控制回路的操作)的功能。
当功率发送器被耦合到功率接收器(特别是被耦合到接收器线圈107和输入谐振电路)时，功率发送器被专门布置为响应于对针对输出谐振电路(和/或等效地，针对驱动信号)的一个或多个谐振频率的检测结果/测量结果而确定耦合因子。然后，可以相应地适配功率传输系统的操作。
功率发送器101包括谐振检测器307，谐振检测器307被布置为确定在谐振测量时间区间期间针对输出谐振电路的至少一个耦合操作谐振频率，其中，耦合谐振频率是当存在功率接收器时(即，当发送器线圈103被耦合到功率接收器的接收器线圈107时)针对输出谐振电路的谐振频率。因此，当发送器线圈103被耦合到接收器线圈107时，耦合谐振频率反映了输出谐振电路的有效谐振频率。由于两个线圈的耦合，当发送器线圈103没有被耦合到任何接收器线圈107时，发送器线圈103的有效电感不同于发送器线圈103的自感。类似地，当接收器线圈107没有被耦合到任何发送器线圈103时，接收器线圈107的有效电感不同于接收器线圈107的自感。结果，当没有耦合时，有效谐振将不同于自谐振。此外，由于两个线圈的耦合以及因此两个谐振电路的耦合，驱动信号将有效地经历两个(不同的)谐振频率，即，由于耦合，输出谐振电路将有效地具有两个谐振频率，并且这两个谐振频率不同于输出谐振电路的自(非耦合)谐振频率。
在许多实施例中，谐振检测器307可以被布置为确定这两个耦合谐振频率。
当输出谐振电路没有被耦合到任何其他电感器时，针对输出谐振电路的有效或耦合谐振频率将不同于输出谐振电路的自谐振频率，并且这种差异将取决于耦合。因此，检测输出谐振电路的耦合或操作谐振频率可以提供关于到接收器线圈107的耦合的信息，并且这可以在功率发送器101中用于估计耦合因子。
谐振检测器307被耦合到估计电路309，估计电路309被布置为至少基于耦合谐振频率来确定针对发送器线圈103与接收器线圈107之间的耦合的耦合因子估计结果。
在一些实施例中，估计电路309可以被布置为仅基于单个测量的耦合谐振频率来生成耦合因子估计结果。例如，估计电路309可以包括查找表，该查找表提供针对与所确定的耦合谐振频率相对应的输入地址字的耦合估计。该查找表可以例如通过在制造和设计阶段期间的测量来生成，或者可以基于理论计算来生成。
然而，虽然这种方法在许多实施例中可能是有利的，但是当所涉及的参数可能变化很大时，这种方法往往提供对耦合因子的次优估计，并且因此通常只限于所涉及的参数(包括谐振电路的电参数、功率发送器和功率接收器的属性等)受到很多约束的情况。
在大多数实施例中，估计电路309相应地被布置为进一步考虑额外参数，并且在许多实施例中，估计电路309可以被布置为还基于考虑输出谐振电路的第二耦合谐振频率、输出谐振电路的自谐振频率/非耦合谐振频率，以及输入谐振电路的自谐振频率/非耦合谐振频率中的至少一项来确定耦合因子估计结果。
具体而言，在许多实施例中，估计器309可以被布置为在确定耦合因子估计结果时进一步考虑输出谐振电路的非耦合谐振频率。
输出谐振电路的非耦合频率是当输出谐振电路没有被耦合到接收器线圈107时的谐振频率，并且通常是当输出谐振电路没有被耦合到任何电感器时的谐振频率。非耦合谐振频率也被称为输出谐振电路的自谐振频率。
因此，在许多实施例中，估计电路309被布置为基于发送器线圈103与接收器线圈107之间的耦合对输出谐振电路的谐振频率产生的影响来估计耦合因子。
估计电路309被耦合到适配器311，适配器311被布置为响应于耦合因子估计结果而设置操作参数。在一些实施例中，该设置可以是相对设置或绝对设置。适配器311可以例如通过将参数值增大或减小给定量(例如，可以从当前值增大或减小功率水平)来执行对操作参数的相对设置。
在一些实施例中，适配器311可以被布置为适配或设置针对功率传输信号参数的操作值，并且专门设置针对控制功率传输信号的功率水平的功率传输信号的参数值。这种参数值可以包括针对功率传输信号的频率(其影响针对谐振功率传输系统的功率水平)、相位、幅度(电流和/或电压)或占空比。
例如，对于高耦合因子，线圈之间的功率传输可以是高效的，因此能够设置高功率水平，而对于低耦合因子，功率传输效率较低，因此应当设置到较低水平。
因此，通过估计耦合因子，可以确定合适的功率水平，并且当开始功率传输操作时，可以通过适当设置功率传输信号的操作参数，利用被设置到期望值的功率水平来进行初始化。
例如，可以使用在制造期间生成的查找表(LUT)来确定适当的功率水平。例如，基于对具有不同属性(例如，线圈维度尺寸、功率接收器电感值等)的不同功率接收器执行的测量，可以确定针对不同耦合因子的合适功率水平并将其存储在LUT中。在操作期间，当利用新的功率接收器初始化新的功率传输时，功率接收器可以向功率发送器发送相关参数值，功率发送器可以进一步估计耦合因子。可以使用所得到的值在LUT中执行表查找，并且可以利用对应的功率水平来初始化功率传输。LUT可以具体输出针对驱动信号的频率、占空比和/或幅度的合适值。适配器311然后可以例如向功率发送器控制器305提供该信息，功率发送器控制器305可以控制驱动器301以生成具有这些属性的驱动信号。因此，该系统可以利用合适的参数来启动功率传输，在此之后，功率控制回路可以执行适配。
在一些实施例中，适配器311可以替代地或额外地适配功率控制回路的功率控制回路参数，该功率控制回路基于从功率接收器(105)接收的功率控制消息来控制功率传输信号的功率水平。
功率控制回路的开环性能严重取决于耦合因子，相应地，闭环性能也是如此。事实上，在许多场景中，闭环仅在耦合因子的某些值下可以是稳定的。通常，回路的增益可以基本上与耦合因子成比例，并且由于耦合因子可以显著变化，因此增益也可以显著变化。回路增益的变化直接影响闭环的时间(和频率)响应，包括回路的稳定性。适配器311可以被布置为修改回路增益以补偿耦合因子的变化，使得总增益可以处于期望水平。由于并非一定要设置回路增益以确保在最坏情况下也具有稳定性，因此这可以提供具有更快的动作回路的优化性能。
在一些实施例中，可以对回路进行更复杂的适配，例如，调整延迟或(开环)频率响应。这可以提供更灵活的适配，从而允许更精确地定制性能。例如，滤波器响应可以适于防止任何潜在的自激振荡和不稳定性。
至于功率传输信号的功率水平，可以例如通过在设计/制造期间的测量和实验来确定参数，其中，适当的参数被存储在LUT中。实际上，同一LUT可以存储针对控制回路和功率水平设置这两者的参数。
应当理解，可以被适配的操作参数不限于功率水平参数或回路参数，而是在一些实施例中可以替代地或额外地设置其他参数，例如，异物检测参数或通信参数。
在不同的实施例中，估计器309可以使用不同的方法来确定耦合因子。具体而言，当输出谐振电路被耦合到输入谐振电路时(这能够充分无阻尼地振荡)，输出谐振电路将有效地表现出两个耦合谐振频率，而不仅仅是单个耦合谐振频率。具体而言，当输入谐振电路完全无阻尼时(例如特别是串联谐振电路短路使得串联负载/电阻基本为零时)，输出谐振电路将表现出两个耦合谐振频率。
如图7的示例所示，当被耦合到输入谐振电路时(这时充分无阻尼)，输出谐振电路的响应包括两个谐振。图7示出了针对典型系统参数的响应(针对驱动信号的恒定电压幅度的初级电流的幅度和相位)的示例(其中，输入谐振电路无阻尼)，并且清楚地看到该响应包括两个谐振峰值。
图8图示了针对不同的耦合因子k，耦合输出谐振电路的谐振频率如何变化的示例。在该示例中，输出谐振电路和输入谐振电路的非耦合谐振频率都处于0.3×105的归一化频率。能够看出，耦合情况引起第一谐振频率高于非耦合频率并且第二谐振频率低于非耦合频率。还能够看出，谐振频率对耦合因子有很强的依赖性，耦合因子越大，差异就越大。
图9图示了与图8相对应的示例，但是其中输出谐振电路的归一化平均非耦合谐振频率为0.268×105并且输入谐振电路的归一化平均非耦合谐振频率仍然为0.3×105。能够看出，这引起略微不同的耦合谐振频率。
在一些实施例中，可以在对相关的功率发送器和接收器线圈107的组合的制造/设计阶段期间进行如图8和图9所示的这种依赖性的测量。结果可以被存储在被包括在功率发送器中的LUT中(或者例如被集中存储并且在建立新的功率传输时被检索)。在确定了耦合谐振频率之后，估计器309可以执行表查找，以导出估计的耦合因子。
在一些实施例中，谐振检测器307可以被布置为在谐振测量时间区间期间通过改变驱动信号的频率来检测耦合谐振频率，并且具体而言，谐振检测器307可以在频率范围上执行频率扫描，该频率范围可以对应于耦合谐振频率预期位于的频率区间，或者可以认为在该频率范围内耦合因子足够高而能够提供可接受的功率传输。谐振检测器307然后可以监测驱动信号，并且它可以检测例如电流幅度或电压幅度的极值。例如，对于串联谐振电路，谐振检测器307可以控制驱动器301在一定范围内改变频率并且具有固定的电压幅度。然后，它可以测量针对不同频率的电流幅度，并且确定最高电流幅度被确定时的耦合谐振频率。作为另一示例，谐振检测器307可以检测驱动信号的电流和电压之间的相位差何时为零(或接近零)，即，输出谐振电路的负载何时是纯电阻性的。如果在频率区间内没有检测到耦合谐振频率，则这可以指示耦合因子不在用于功率传输的合适间隔内，并且功率传输可以被终止。
在一些实施例中，驱动信号的频率扫描可以从较高频率向较低频率进行，并且耦合谐振频率可以被确定为满足谐振准则(例如，信号的电流幅度或电压幅度的极值或者电压与电流之间的零相位差)的第一检测频率。因此，代替例如检测全局极值，可以检测第一局部极值。
这种方法可以允许检测这两者中最高的耦合谐振频率。发明人已经认识到，对于变化的耦合因子，耦合谐振频率的最大变化发生在最高的耦合谐振频率时，因此通常可以有利地使用这种现象，尤其是如果仅使用一个耦合谐振频率。
在一些实施例中，两个耦合谐振频率都可以被检测到并被用于确定耦合因子估计结果。例如，可以分别为较低的耦合谐振频率和较高的耦合谐振频率提供两个单独的LUT，并且耦合因子估计结果可以被确定为两个表查找结果的平均值。
在其他实施例中，可以使用用于确定输出谐振电路的耦合谐振频率的其他方法。例如，在一些实施例中，可以使用逐次逼近法。当谐振频率确定基于频率区间时，这种方法将是非常有利和有用的。该方法可以允许快速检测一个或多个谐振频率。
在一些实施例中，功率接收器可以将系统参数(例如，非耦合谐振频率和/或接收器线圈电感)传送给功率发送器，并且这可以用于根据耦合谐振频率来确定耦合因子。例如，LUT也可以取决于这些功率接收器因素，或者可以为不同的功率接收器提供不同的LUT(实际上，在一些实施例中，LUT可以由功率接收器来提供)。
在一些实施例中，耦合因子确定可以基于解析公式。具体而言，估计电路309可以被布置为响应于以下方程中的至少一个而确定耦合因子估计结果：
其中，fp是谐振输出电路的非耦合谐振频率，fs是功率传输输入谐振电路的非耦合谐振频率，Fres1是最高耦合操作谐振频率，Fres2是最低耦合谐振频率，并且k是耦合因子。
这些方程适用于耦合谐振电路，并且可以由谐振检测器307(直接或间接)使用。
在一些实施例中，可以仅使用其中的一个方程，并且实际上耦合因子估计结果可以仅基于其中的一个耦合谐振频率。例如，如上所述，可以通过在从较高频率到较低频率的扫描中检测第一峰值来确定最高耦合谐振频率。基于上面的第一个方程，并且分别使用针对输入谐振电路和输出谐振电路的非耦合谐振频率的已知值，所述最高耦合谐振频率然后可以用于计算耦合因子估计结果。
基于最低耦合谐振频率，可以使用相同的方法来确定耦合因子。
在一些实施例中，可以测量最高耦合谐振频率和最低耦合谐振频率，并且可以使用这两个方程。例如，可以分别使用第一方程和第二方程以及相应的测得的耦合谐振频率来计算两个耦合因子值，并且可以将耦合因子估计结果生成为这些值的平均值。在其他实施例中，可以将耦合因子估计结果计算为得到上述方程与测量值之间的最低误差的那个耦合因子估计结果。
在一些实施例中，可以使用两个耦合谐振频率和两个方程，但是不使用输入谐振电路的非耦合谐振频率。取而代之的是，可以使用上面的方程和两个耦合谐振频率来估计这个变量。在这种方法中，可以使用更复杂的估计和计算以避免功率发送器必须知道输入谐振电路的特定属性的必须条件。这种方法对于在现有系统中的实施可能特别有用，在现有系统中，一些功率接收器可能无法传送该信息。
所描述的方法基于通过考虑由输出谐振电路到输入谐振电路的耦合引起的谐振频率的变化来估计耦合因子。该变化取决于耦合因子，但也取决于输入谐振电路的品质因数Q。这能够在图10-14中看到，图10-14图示了针对不同的耦合因子，两个耦合谐振频率如何变化(在每个图形中，k＝[0.1，0.2，…，0.9])，而且还图示了该变化如何取决于Q值(通过比较分别示出了针对Q＝1000，10，3，1，0.1的图形的不同图形能够看出这种现象)。
在该方法中，输入谐振电路的品质因数在谐振测量时间区间期间不小于10，并且通常可以更高。这可以使得(一个或多个)耦合谐振频率的检测是可靠的且相当准确，因此使得耦合因子估计结果同样是可靠且准确的。因此，它可以确保操作点的适配是可靠的并且可以允许高效的操作。
在一些实施例中，可以通过使针对输入谐振电路的Q值总是大于10来确保在谐振测量时间区间期间的高Q，即，通过使针对输入谐振电路设计的功率接收器总是具有大于10的品质因数来确保在谐振测量时间区间期间的高Q。然而，这通常与向负载提供适当功率的期望相反。
例如，对于Ki系统，典型功率值对输入谐振电路的加载引起Q值通常小于5，并且常常小于2。
在许多实施例中，功率接收器可以被相应地布置为将操作模式从在谐振测量时间区间之外的至少一些时间内的较低品质因数模式切换到在谐振测量时间区间期间Q值至少为10的较高品质因数模式。这可以允许高效的功率传输和高效的耦合因子估计。因此，功率接收器可以被布置为在谐振测量时间区间期间从功率传输模式切换到测量模式，在功率传输模式中，品质因数不被约束到10以上，并且在功率传输模式期间，品质因数实际上可以显著小于10，以便允许高效的功率传输，
在测量模式中，品质因数不小于10。
这可以例如通过开关607来实现。例如，如果功率路径将开关607和负载605直接耦合到输入谐振电路，则开关可以在(一个或多个)谐振测量时间区间之外将正常负载605耦合到输入谐振电路。然而，在(一个或多个)谐振测量时间区间期间，开关607可以与负载605解耦。对于输入并联谐振电路，开关607可以例如将负载605断开连接，使得没有从输入谐振电路汲取电流。相反，对于输入串联谐振电路，开关607可以通过使负载605短路将负载解耦，从而在谐振测量时间区间期间使功率传输输入谐振电路短路。
在一些实施例中，在功率接收器不包括特定功能的情况下，可以发生这种品质因数变化。例如，在一些实施例中，负载可以在启动期间固有地提供实质短路，这可以允许在固有地具有高Q输入谐振电路的功率传输之前的谐振测量时间区间。例如，当负载是电动机时，它可能几乎启动为短路。作为另一示例，当整流器和大输出电容器存在于功率路径中时，当电容器放电时，这也将表现得几乎像短路。
在许多实施例中，谐振测量时间区间(或至少一个谐振测量时间区间)可以在功率传输之前。具体而言，对耦合因子估计的确定和对操作参数的设置可以在功率传输操作的初始化期间执行。因此，在功率传输之前，功率发送器可以针对特定的功率接收器和功率接收器的特定定位确定合适的操作参数值。然后，功率发送器可以使用该参数值作为初始操作参数值来开始功率传输。
例如，在许多实施例中，该方法可以用于确定针对功率传输信号的初始回路增益值和功率水平值。因此，该系统可以在更可能接近最优操作点的状态下启动功率传输，并且不必从初始最坏情况安全操作点进行缓慢和逐渐的适配。因此，能够实现更快的优化并且可以降低不能达到最优操作点的风险。
另外，在预备功率传输耦合因子估计期间，功率接收器可以进入用于耦合谐振频率检测的测量模式。具体而言，开关607可以使负载短路，以便提供针对输入谐振电路的高品质因数。当系统进入功率传输阶段时，功率接收器可以切换回正常的功率传输操作模式，具体而言，可以消除短路。
在一些实施例中，该方法可以替代地或额外地在功率传输阶段期间应用。在这种方法中，耦合因子估计对于适配回路参数和性能会特别有用。例如，它可以用于适配回路参数，使得对于功率接收器的不同位置能够实现基本相同的控制性能。因此，能够实现改善的性能，特别是降低对功率接收器的定位变化的敏感性。
在许多实施例中(其中在功率传输阶段期间采用该方法)，该系统可以被布置为以时隙模式操作，其中，在测量时间区间期间执行测量和耦合谐振频率检测。可以具体在重复时间框架的这种减少的测量时间区间期间执行谐振测量时间区间，该重复时间框架还包括至少一个功率传输时间区间，在这至少一个功率传输时间区间期间，功率被传输到功率接收器。
在这种实施例中，系统因此可以在功率传输阶段期间利用时间划分。具体而言，可以例如在单独的时间区间中执行对耦合谐振频率的检测和功率传输，从而允许显著降低它们之间的干扰。
在该示例中，驱动器301和发送器线圈103在功率传输区间期间被布置为生成电磁功率传输信号以用于向功率接收器传输功率。另外，驱动信号可以在测量时间区间期间用于检测耦合谐振频率，以便确定耦合因子估计结果。功率发送器可以在功率传输阶段期间采用针对驱动信号的重复的时间框架，其中，该时间框架包括至少一个功率传输时间区间和至少一个谐振测量时间区间。图15示出了这种重复时间框架的示例，其中，功率传输时间区间由PT指示，并且测量时间区间由D指示(时间区间也可以被称为检测时间区间)。在该示例中，每个时间框架FRM仅包括一个谐振测量时间区间和一个功率传输时间区间，并且这些时间区间(以及时间框架本身)在每个框架中具有相同的持续时间。然而，应当理解，在其他实施例中，在时间框架中也可以包括其他时间区间(例如，通信区间)，或者在每个时间框架中可以包括多个谐振测量时间区间和/或功率传输时间区间。此外，在一些实施例中，不同时间区间的持续时间(以及实际上时间框架本身)可以动态变化。
在该方法中，测量、通信和功率传输因此在时域中是分开的，从而使得从功率传输到测量和耦合因子估计的交叉干扰减少了。因此，由功率传输的操作条件的变化引起的可变性和不确定性能够从测量和估计中分离出来，从而得到更可靠且更准确的估计过程。另外，它允许生成(和优化)驱动信号以检测耦合谐振频率。具体而言，它允许谐振检测器307执行频率扫描并且执行针对该检测的合适操作。
此外，它允许功率接收器具体适于为检测提供改善的或最优的属性。具体而言，在许多实施例中，功率接收器可以从在功率传输时间区间期间的功率操作模式切换到测量模式，在功率传输时间区间期间，负载被耦合到输入谐振电路(因此输入谐振电路的品质因数为低)，在测量模式中，(例如通过开关607使负载短路)确保输入谐振电路的品质因数为高。
因此，时隙方法可以允许或促进在功率传输阶段期间的耦合因子估计的性能。
如上所述，在许多实施例中，基于至少一个耦合谐振频率并且基于(功率发送器的)输出谐振电路和/或(输入谐振电路的)输入谐振电路的非耦合/自谐振来确定耦合因子估计结果。
在一些实施例中，输入谐振电路和/或输出谐振电路的非耦合谐振频率是预定频率。例如，在一些实施例中，功率发送器和/或功率接收器可能受到例如合适标准的规范和规定的严格约束。例如，无线功率传输标准(例如，Ki规范)可以规定功率发送器和功率接收器可以分别采用具有例如30kHz的非耦合谐振频率的输出谐振电路和输入谐振电路。在这种实施例中，估计器309可以被布置为基于一个或多个耦合谐振频率和非耦合谐振频率的假定标称值来估计耦合因子估计结果。
在其他实施例中，系统可以允许例如输出谐振电路中发生某种变化。然而，功率发送器和估计器309常常会知道输出谐振电路的非耦合谐振频率。例如，在制造期间，输出的非耦合谐振频率可以被存储在存储器中，以用于在确定耦合因子估计结果时被检索和使用。非耦合谐振频率例如可以被简单地确定为根据发送器线圈的自感值和谐振电容器的电容值得到的谐振频率，并且被存储在存储器中。
在一些实施例中，这种预定的(非固定的)谐振频率可以与功率接收器的输入谐振电路的假定非耦合谐振频率一起使用，例如在功率接收器的非耦合谐振频率由适当标准规定的情况下。
在一些实施例中，估计器309可以被布置为响应于从功率接收器接收的数据而确定输入谐振电路的非耦合谐振频率。在一些实施例中，功率发送器可以包括被布置为从功率接收器接收数据的数据接收器313。类似地，功率接收器可以包括用于向功率发送器发送数据的数据发送器609。该通信可以例如使用负载调制，或者如本领域技术人员所知的那样例如使用NFC通信来实施。
在一些实施例中，数据发送器609可以向数据接收器313发送数据，数据接收器313可以用于确定输入谐振电路的非耦合谐振频率。例如，功率接收器可以发送直接表示输入谐振电路的非耦合谐振频率的数据。在其他实施例中，功率接收器可以发送指示属性的数据，或者以其他方式允许功率发送器确定输入谐振电路。
例如，在一些实施例中，功率接收器可以发送描述输入谐振电路的部件的参数的数据，例如，接收器线圈的自感和谐振电容器的电容。然后，估计器309可以根据这些分量值来计算非耦合谐振频率。作为另一示例，功率接收器可以发送关于例如由接收器实施的输入谐振电路的类型的信息。例如，一组可能的输入谐振电路属性(特别是非耦合谐振频率)可以由系统的标准来规定，并且功率接收器可以指示实施了哪种类型。功率发送器可以存储针对不同类型的输入谐振电路的非耦合谐振频率，并且可以检索针对所指示的类型的值。在一些实施例中，输入谐振电路的非耦合谐振频率可以与功率接收器的类型或属性相关联，并且这可以例如在功率传输初始化期间被传送到功率发送器。例如，不同的分量值可以用于不同的功率水平，并且功率接收器可以发送对所需的功率水平的指示，功率发送器也可以使用该指示来确定输入谐振电路的非耦合谐振频率。
因此，在一些实施例中，功率发送器包括数据接收器，该数据接收器被布置为从功率接收器接收指示功率传输输入谐振电路的非耦合谐振频率的数据。该数据可以直接表示非耦合谐振频率，或者可以提供允许(通常基于功率发送器中存储的另外的信息)确定非耦合谐振频率的数据。
虽然使用不取决于当前背景/情况的非耦合谐振频率的预定值的这种实施例可以在许多实施例中提供有利的性能。然而，发明人已经认识到，通过使用针对输入谐振电路和/或输出谐振电路的动态测量的非耦合谐振频率估计耦合因子估计结果，可以实现改善的性能。
具体而言，发明人已经认识到，对于无线充电的不同情况和场景，非耦合谐振频率可以发生变化，并且在生成耦合因子估计结果时可以确定并考虑这些变化。发明人已经认识到，通过使用输入谐振电路和/或输出谐振电路的非耦合谐振频率的测量值，可以实现改善的性能。另外，他们已经意识到，能够使用与确定耦合谐振频率相同的方法来进行有利的测量，并且实际上，可以根据在与确定耦合谐振频率相同的频率扫描期间的测量结果来确定输入谐振电路的耦合谐振频率。
在一些实施例中，估计器309可以被布置为响应于至少一个固有谐振频率的测量值而不是预定值来确定耦合因子估计结果。
在一些实施例中，谐振检测器307还可以被布置为将针对输入谐振电路的非耦合谐振频率确定为驱动信号的电流对于具有不小于10的品质因数的输入谐振电路表现出局部最小值时的频率。针对输入谐振电路的非耦合谐振频率(此后也被称为输入非耦合谐振频率)是通过在输入谐振电路基本上未被阻尼的情况下测量驱动信号来确定的。在许多实施例中，对输入非耦合谐振频率的测量和确定可以在输入谐振电路的负载基本为零的情况下进行，具体而言，在串联谐振电路的(串联)负载被短路或者并联谐振电路的(并联)负载被断开连接的情况下进行。
谐振检测器307可以例如通过以下操作来执行测量：针对输入谐振电路未被阻尼的情况执行频率扫描，并且测量驱动信号的电流。然后，它可以确定输入的非耦合谐振频率为电流最小时的频率。在一些实施例中，通过测量不同的参数(例如，驱动信号的电压和电流之间的相位为零、驱动信号的功率处于最小值等)，可以更间接地确定电流最小时的频率。在一些实施例中，这种条件发生在电流条件最小时(由于它是由在该频率下的谐振效应引起的)。
在许多实施例中，对输入非耦合谐振频率的确定可以与对耦合谐振频率的确定相结合。具体而言，谐振检测器307可以执行如前所述的频率扫描，以将耦合谐振频率确定为检测到驱动信号电流的局部最大值时的频率。另外，它可以基于相同的频率扫描将输入非耦合谐振频率确定为驱动信号表现出最小电流时的频率。如上面所提到的，该确定可以基于对驱动信号电流的直接测量，或者可以通过对驱动信号的相关参数(例如，相位、电压或功率)的测量来实现。
发明人已经认识到，针对最小驱动信号电流的频率提供了对输入谐振电路的非耦合谐振频率的良好估计。
在一些实施例中，谐振检测器307还可以被布置为将针对输出谐振电路的非耦合谐振频率确定为驱动信号的电流对于具有不超过2的品质因数的输入谐振电路表现出局部最大值时的频率。针对输出谐振电路的非耦合谐振频率(此后也被称为输出非耦合谐振频率)是通过在输入谐振电路被严重阻尼并且可能被完全阻尼的情况下测量驱动信号来确定的。在许多实施例中，对输出非耦合谐振频率的测量和确定可以在输入谐振电路的负载非常高(并且实际上可能是无穷大)的情况下进行，具体而言，在串联谐振电路的(串联)负载断开连接或者并联谐振电路的(并联)负载短路的情况下进行。
谐振检测器307可以例如通过以下操作来执行测量：针对输入谐振电路被完全阻尼从而输入谐振电路不发生谐振的情况执行频率扫描，并且测量驱动信号的电流。然后，它可以将输出非耦合谐振频率确定为电流最大时的频率。在一些实施例中，通过测量不同的参数(例如，驱动信号的电压和电流之间的相位为零、驱动信号的功率处于最小值等)，可以更间接地确定电流最大时的频率。在一些实施例中，这种条件发生在电流条件最大时(由于它是由输出谐振电路在该频率下的谐振效应引起的)。
发明人已经认识到，针对严重阻尼输入谐振电路的最大驱动信号电流的频率提供了对输出谐振电路的非耦合谐振频率的良好估计。具体而言，通过严重阻尼输入谐振电路，输入谐振电路对输出谐振电路的谐振效应能够被消除或显著衰减，从而允许测量输出谐振电路的非耦合谐振频率。例如，通过使串联输入谐振电路发生开路，没有电流将流过接收器线圈，接收器线圈将不会从电磁场提取任何功率。因此，输入谐振电路可以不影响输出谐振电路，从而实质上允许测量结果有效地为输出谐振电路的非耦合谐振频率。
对非耦合谐振频率的测量可以提供显著改善的性能和更准确的耦合因子估计结果。该方法可以减轻和补偿功率传输装置的背景、环境和设置的变化的效应，并且具体而言可以减轻和补偿功率发送器和功率接收器的属性的影响。例如，功率接收器的存在对驱动信号的影响不限于发送器线圈与接收器线圈之间(以及因此谐振电路之间)的耦合，还可能受到其他效应的影响，例如，功率接收器设备和功率发送器设备中的金属的影响等。这种效应不取决于耦合因子，而是可以随着例如设备的实施方式的特定属性以及设备或附近的其他元件的定位而显著变化。因此，由于这种(通常是未知的或不合格的)效应，对耦合因子的估计会受到阻碍并变得不太准确。然而，在当前方法中，可以通过测量特定背景和情况下的有效值来确定非耦合谐振频率，从而考虑这种依赖性和效应。因此，通过使用针对输入谐振电路或输出谐振电路的非耦合谐振频率中的至少一项的测量值，可以实现显著改善的耦合因子估计。
测得的(取决于背景/情况的)非耦合谐振频率也可以被称为匹配的非耦合谐振频率。
如前所述，在许多实施例中，估计器309可以被布置为响应于输出谐振电路/驱动信号的第一耦合谐振频率和第二耦合谐振频率这两者而确定耦合因子估计结果。如上面所提到的，这可以例如通过以下操作来完成：使用预定的或测得的耦合谐振频率来估计针对这两个不同的耦合谐振频率的耦合因子估计结果，并且对该结果进行平均化。
在其他实施例中，可以确定这两个耦合谐振频率并且将其与输出谐振电路的估计的非耦合谐振频率一起用来估计耦合因子估计结果，而不需要知道输入谐振电路的耦合谐振频率。具体而言，先前提供的两个公式可以一起用于基于输出谐振电路的耦合谐振频率和两个非耦合谐振频率来生成耦合因子估计结果。
还应当理解，用于确定耦合因子估计结果的确切公式和方程可以变化，并且取决于个体实施例的具体偏好和要求。在许多实施例中，基于各种假定条件或简化条件对先前提供的方程的操纵和简化可以得到有利且高效的用于生成耦合因子估计结果的方法。
在许多实施例中，估计器309可以被布置为响应于相对于第二耦合谐振频率的第一耦合谐振频率而确定耦合因子估计结果。
具体而言，在许多实施例中，估计器309可以被布置为响应于第一耦合谐振频率与第二耦合谐振频率之间的比率而确定耦合因子估计结果。在许多实施例中，耦合因子估计结果可以被确定为第一耦合谐振频率与第二耦合谐振频率之间的比率的函数。在一些实施例中，通过取决于第一耦合谐振频率与第二耦合谐振频率之间的比率，该函数仅取决于第一耦合谐振频率和第二耦合谐振频率中的任一项，并且该函数不单独考虑第一耦合谐振频率或第二耦合谐振频率。在一些实施例中，该函数可以是能够被操纵或重新排序而使得第一耦合谐振频率和第二耦合谐振频率仅作为耦合谐振频率之间的比率而被包括的函数。
在许多实施例中，估计器309可以被布置为将耦合因子估计结果确定为根据第一耦合谐振频率和第二耦合谐振频率确定的无量纲参数(例如具体是频率之间的比率)的函数。对第一耦合谐振频率和/或第二耦合谐振频率的依赖性可以仅作为无量纲参数(具体是比率)。
发明人特别认识到，虽然第一耦合谐振频率和第二耦合谐振频率可以根据各种参数(例如，执行测量时的负载和有效品质因数、线圈的属性等)显著变化，但是可以通过响应于第一耦合谐振频率与第二耦合谐振频率之间的关系(具体是这些耦合谐振频率之间的关系)而确定耦合因子估计结果来减轻和补偿这种变化。具体而言，当确定耦合因子估计结果时，可以通过根据第一耦合谐振频率与第二耦合谐振频率之间的比率确定耦合因子估计结果来显著降低对输入谐振电路和输出谐振电路的非耦合谐振频率的变化的敏感性。
作为特定示例，在一些实施例中，可以使用以下函数来确定耦合因子：
其中，F1是第一耦合谐振频率，并且F2是第二耦合谐振频率。已经发现，该函数对一系列场景和参数提供了高度准确的耦合因子估计结果。
已经发现，对于输入谐振电路和输出谐振电路的非耦合谐振频率基本相似的情况，该函数提供了特别有利的性能。具体而言，已经发现，使用频率之间的比率可以大大降低对测量误差和不准确的敏感度。另外，使用例如以上简化方程更易于评价，并且这可以促进实施和/或操作。例如，在一些实施例中，可以实施基于为了进行查找而用作输入的频率之间的比率的单个LUT。
在许多实施例中，如前所述，估计器309被布置为响应于输入谐振电路和/或输出谐振电路的非耦合谐振频率而确定耦合因子估计结果。这可以例如与基于耦合谐振频率之间的比率对耦合因子估计结果的确定结合使用，并且尤其可以用于修改以上方程。
在许多实施例中，估计器309可以被布置为响应于针对输出谐振电路的非耦合谐振频率与针对输入谐振电路的非耦合谐振频率之间的比率而确定耦合因子估计结果。发明人已经认识到，考虑非耦合谐振频率之间的比率可以提供特别有利的操作，并且尤其可以提供对变化的并且常常未知的参数的降低的敏感性。
在许多实施例中，耦合因子估计结果可以被确定为第一耦合谐振频率与第二耦合谐振频率之间的比率以及输入谐振电路和输出谐振电路的非耦合谐振频率之间的比率的函数：
其中，fr表示输入谐振电路的非耦合谐振频率，ft表示输出谐振电路的非耦合谐振频率，F1表示最高耦合谐振频率，并且F2表示最低耦合谐振频率。
用于估计耦合功能的特别有利的函数具体可以是：
其中，/>并且/>
对于β＝1，这简化为前面的方程：
该函数也可以被替代地表示为：
这是通过用适当频率的对应函数代替β和T以及一些简单的操纵从前面的方程得出的。
这些方程可以从先前提供的方程中导出，并且输入谐振电路的负载被短路：
用比率fr＝βft替换频率：
产生了以下结果：
/>
使用fres的左侧(负)峰值和右侧(正)峰值的比率(即，fright＝fres(+)＝F1)并且fleft＝fres(-)＝F2)得到了
该公式具有以下形式其中，a＝1+β2并且/>
T(a-b)＝a+b
Ta-Tb＝a+b
-Tb-b＝a-Ta
b(-T-1)＝a(1-T)
这给出了以下公式，其中，k正好在等号的左边：
/>
简化得到：
其中，/>并且/>对于β＝1，当初级谐振和次级谐振都很相似时：
其中，β＝1
其中，/>并且/>在公式中替换回这些项目：
特别有利的用于估计耦合功能的函数的另一示例如下：
因此，在一些实施例中，估计器309可以被布置为响应于第一非耦合谐振频率和第二非耦合谐振频率的平方和与第一耦合谐振频率和第二耦合谐振频率的平方和之间的比率而确定耦合因子估计结果。
在许多实施例中，耦合因子估计结果可以被确定为非耦合谐振频率的平方和与耦合谐振频率的平方和之间的比率的函数，并且在一些实施例中，该函数通过取决于该比率而仅取决于谐振频率，并且该函数不考虑耦合谐振频率或非耦合谐振频率，除非在这种比率中。在一些实施例中，该函数可以是能够被操纵或重新排序而使得谐振频率仅作为耦合谐振频率的平方和与非耦合谐振频率的平方和之间的比率而被包括的函数。
在许多实施例中，估计器309可以被布置为将耦合因子估计结果确定为根据第一耦合谐振频率和第二耦合谐振频率以及第一非耦合谐振频率和第二非耦合谐振频率确定的无量纲参数(例如具体为频率或平方频率之间的比率)的函数。对第一耦合谐振频率和/或第二耦合谐振频率和/或第一非耦合谐振频率和/或第二非耦合谐振频率的依赖性可以仅作为无量纲参数(具体为比率)。
已经发现，这种方法特别有利，并且提供了增强的鲁棒性和对环境变化、分量变化、测量误差等的降低的敏感性。
通过使用适当的假定条件和简化条件，可以具体从前面提供的两个方程中导出上述方程：
其中，fp＝ft，fs＝fr，Fres1＝F1，并且Fres2＝F2。
更详细地，从针对图16的等效电路的系统方程开始。可以推导出一次谐波近似结果：
在这些方程中，
ut表示施加到输出谐振电路的电压；
ω表示操作角频率；
it表示输出谐振电路中的电流；
ir表示输出谐振电路中的电流；
L′ t表示输出谐振电路中的电感；
Ct表示输出谐振电路中的电容；
Rt表示输出谐振电路中的电阻；
L′ r表示输出谐振电路中的电感；
Cr表示输出谐振电路中的电容；
Rr表示输出谐振电路中的电阻；
RL表示输出谐振电路中的电阻；并且
M表示互感。
可以确定针对it和ir的系统方程，然后可以基于以下表达式找到传递函数中的峰值位置和谷值位置：
仅保留该表达式的分子，设定RL＝0(即，使功率接收器的负载发生短路)，忽略与 和/>成比例的项，对结果进行因式分解并使其等于零，从而得到以下方程：
f·(β-f)·(β+f)·(f4k2-f4+β2k2+f2-β2)·
(3β2f4k2-f6k2+β4f2-2β2f4+f6+β4-2β2f2+f4)＝0
在这个方程中，
其中，/>表示无量纲操作频率；并且
其中，/>表示非耦合谐振频率的比率。
将该方程的第二项设置为零而得到谷值(局部最小值)的位置，即，f＝β或者等同地ω＝ω′r。将该方程的第四项设置为零而得到两个峰值(局部最小值)的位置，即：
或者等同地
将这两个结果相除并重写以隔离出耦合因子，从而得到：
在这个方程中，T是两个谐振频率的比率(带加号的解除以带减号的解)。
将这两个结果相加会得到：
并且在重写后：
或者等同地
输出谐振电路的非耦合谐振频率ω′t是在功率接收器的负载断开连接的情况下测量输出谐振电路的电流的峰值位置(局部最大值)而得出的。非耦合谐振频率ω′r是通过测量输出谐振电路中的电流的两个谐振峰值之间的谷值位置(局部最小值)得出的。
应当理解，偏离假定条件等(例如，串联输入谐振电路的短路被低电阻值代替)可能导致一些变化，并且可能导致所确定的频率不同于理论值。然而，在许多实施例中，这种变化可能是可接受的或者甚至是可忽略的。事实上，即使对于相对较大的偏离，已经发现简化公式和关系的方法和使用提供了有利且有用的耦合因子估计结果。
在一些实施例中，功率发送器可以被布置为确定功率接收器关于功率发送器(具体是接收器线圈107关于发送器线圈103)的未对准的指示或度量。具体来说，耦合因子越低，未对准就越高。另外，在这种实施例中，功率发送器可以被布置为生成指示未对准的用户输出。具体来说，在耦合因子低于阈值的情况下，功率发送器可以提供向用户指示功率接收器应被重新定位的用户警报。
应当理解，为了清楚起见，上面的描述已经参考不同的功能电路、单元和处理器描述了本发明的实施例。然而，应当理解，在不偏离本发明的情况下，可以使用不同的功能电路、单元或处理器之间的任何合适的功能分布。例如，被图示为由单独的处理器或控制器执行的功能可以由相同的处理器或控制器来执行。因此，对特定功能单元或电路的引用仅被视为对用于提供所述功能的合适模块的引用，而不是指示严格的逻辑或物理结构或组织。
本发明能够以任何合适的形式实施，包括硬件、软件、固件或它们的任何组合。任选地，本发明可以被至少部分地实施为在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上运行的计算机软件。本发明的实施例的元件和部件可以以任何合适的方式在物理上、功能上和逻辑上实施。实际上，该功能可以在单个单元中实施，在多个单元中实施或者作为其他功能单元的部分来实施。正因如此，本发明可以在单个单元中实施，或者可以在物理上和功能上分布在不同的单元、电路和处理器之间。
虽然已经结合一些实施例描述了本发明，但是本发明并不局限于本文阐述的特定形式。相反，本发明的范围仅受权利要求的限制。另外，虽然特征可能看起来是结合特定实施例描述的，但是本领域技术人员将认识到，所描述的实施例的各种特征可以根据本发明进行组合。在权利要求中，术语“包括”并不排除其他元件或步骤的存在。
此外，虽然被单独列出，但是多个模块、元件、电路或方法步骤可以由例如单个电路、单元或处理器来实施。另外，虽然各个特征可以被包括在不同权利要求中，但是这些特征可以被有利地组合，并且包括在不同权利要求中并不意味着特征的组合是不可行的和/或不利的。而且，在一种类型权利要求中包括一个特征并不意味着对这种类型的限制，而是表明该特征在适当情况下能等同地适用于其他类型的权利要求。在一个独立权利要求的从属权利要求中包括特征并不意味着对该独立权利要求的限制，而是表明该特征在适当情况下能等同地适用于其他独立权利要求。此外，权利要求中的特征的顺序并不意味着这些特征必须以任何特定顺序工作，尤其是方法权利要求中的个体步骤的顺序并不意味着这些步骤必须以该顺序执行。相反，这些步骤可以以任何合适的顺序执行。另外，单数引用并不排除复数。因此，提及“一”、“一个”、“第一”、“第二”等并不排除多个。权利要求中的附图标记仅仅是为了澄清示例而提供的，不应被解释为以任何方式限制权利要求的范围。
在一些场景中，可以提供：
一种用于经由感应功率传输信号向功率接收器(105)无线地提供功率的功率发送器(101)；所述功率发送器(101)包括：
输出谐振电路，其包括发送器线圈(103)和至少一个电容器(303)；
驱动器(201)，其被布置为生成用于所述输出谐振电路(103)的驱动信号以生成所述感应功率传输信号；
谐振检测器(307)，其被布置为测量在谐振测量时间区间期间针对所述输出谐振电路的第一耦合谐振频率，所述第一耦合谐振频率是针对被耦合到所述功率接收器(105)的功率传输输入谐振电路的接收器线圈(107)的所述发送器线圈(103)的所述输出谐振电路的谐振频率，所述功率传输输入谐振电路在所述谐振测量时间区间期间具有不小于10的品质因数；
估计电路(309)，其被布置为响应于所述第一耦合谐振频率而确定针对所述发送器线圈(103)与所述接收器线圈(107)之间的耦合的耦合因子估计结果；以及
适配器(311)，其被布置为响应于所述耦合因子估计结果而设置操作参数。
一种用于经由感应功率传输信号向功率接收器(105)无线地提供功率的功率发送器(101)的操作方法；所述功率发送器(101)包括：
输出谐振电路，其包括发送器线圈(103)和至少一个电容器(303)；
并且所述方法包括：
生成用于所述输出谐振电路(103)的驱动信号以生成所述感应功率传输信号；
确定在谐振测量时间区间期间针对所述输出谐振电路的第一耦合谐振频率，所述第一耦合谐振频率是针对被耦合到所述功率接收器(105)的功率传输输入谐振电路的接收器线圈(107)的所述发送器线圈(103)的所述输出谐振电路的谐振频率，所述功率传输输入谐振电路在所述谐振测量时间区间期间具有不小于10的品质因数；
响应于所述第一耦合谐振频率而确定针对所述发送器线圈(103)与所述接收器线圈(107)之间的耦合的耦合因子估计结果；并且
响应于所述耦合因子估计结果而设置操作参数。

Claims (15)

1.一种包括功率发送器和功率接收器的无线功率传输系统，所述功率发送器被布置为经由感应功率传输信号向所述功率接收器(105)无线地提供功率；
所述功率发送器(101)包括：
输出谐振电路，其包括发送器线圈(103)和至少一个电容器(303)；
驱动器(201)，其被布置为生成用于所述输出谐振电路(103)的驱动信号以生成所述感应功率传输信号；
谐振检测器(307)，其被布置为确定在谐振测量时间区间期间针对所述输出谐振电路的第一耦合谐振频率，所述第一耦合谐振频率是针对被耦合到所述功率接收器(105)的功率传输输入谐振电路的接收器线圈(107)的所述发送器线圈(103)的所述输出谐振电路的谐振频率；
估计电路(309)，其被布置为响应于所述第一耦合谐振频率而确定针对所述发送器线圈(103)与所述接收器线圈(107)之间的耦合的耦合因子估计结果；以及
适配器(311)，其被布置为响应于所述耦合因子估计结果而设置操作参数；并且
所述功率接收器包括：
功率传输输入谐振电路，其包括接收器线圈(107)和至少一个电容器，所述接收器线圈被布置为从所述功率发送器提取功率；所述功率传输输入谐振电路在所述谐振测量时间区间期间具有不小于10的品质因数；以及
电路，其被布置为在所述谐振测量时间区间期间从功率传输模式切换到测量模式，在所述功率传输模式中，所述品质因数不被约束为不小于10，当所述功率接收器在所述测量模式中操作时，所述品质因数不小于10。
2.根据任一前述权利要求所述的无线功率传输系统，其中，所述谐振检测器(307)还被布置为在所述谐振测量时间区间期间测量针对所述输出谐振电路的第二耦合谐振频率，所述第二耦合谐振频率是在存在所述功率接收器(105)的情况下针对所述输出谐振电路的不同谐振频率；并且所述估计电路(309)还被布置为响应于所述第二耦合谐振频率而确定所述耦合因子估计结果。
3.根据权利要求2所述的无线功率传输系统，其中，所述第一耦合谐振频率和所述第二耦合谐振频率是所述驱动信号的电流表现出局部最大值时的频率。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的无线功率传输系统装置，其中，所述估计电路(309)被布置为进一步响应于针对所述输出谐振电路的非耦合谐振频率和针对所述输入谐振电路的非耦合谐振频率而确定所述耦合因子。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的无线功率传输系统装置，其中，所述估计电路(309)被布置为进一步响应于针对所述输出谐振电路的非耦合谐振频率与针对所述输入谐振电路的非耦合谐振频率之间的比率而确定所述耦合因子。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的无线功率传输系统装置，其中，所述估计电路(309)被布置为进一步响应于针对所述输出谐振电路的非耦合谐振频率和针对所述输入谐振电路的非耦合谐振频率的平方和与所述第一耦合谐振频率和第二耦合谐振频率的平方和之间的比率而确定所述耦合因子，所述第二耦合谐振频率是针对被耦合到接收器线圈(107)的所述发送器线圈(103)的所述输出谐振电路的谐振频率。
7.根据任一前述权利要求所述的无线功率传输系统，其中，所述谐振检测器(307)被布置为将针对所述输出谐振电路的非耦合谐振频率确定为所述驱动信号的电流对于具有不超过2的品质因数的所述输入谐振电路表现出局部最大值时的频率；并且所述估计电路被布置为响应于针对所述输出谐振电路的所述非耦合谐振频率而确定所述耦合因子。
8.根据任一前述权利要求所述的无线功率传输系统，其中，所述谐振检测器(307)被布置为将针对所述输入谐振电路的非耦合谐振频率确定为所述驱动信号的电流对于具有不小于10的品质因数的所述输入谐振电路表现出局部最小值时的频率；并且所述估计电路被布置为响应于针对所述输入谐振电路的所述非耦合谐振频率而确定所述耦合因子。
9.根据任一前述权利要求所述的无线功率传输系统，其中，所述谐振测量时间区间处于功率传输操作的初始化期间，并且所述操作参数是用于所述功率传输操作的初始操作参数。
10.根据任一前述权利要求所述的无线功率传输系统，其中，所述驱动器(201)被布置为在功率传输阶段期间根据重复时间框架来生成所述驱动信号，所述重复时间框架包括至少一个功率传输时间区间和至少一个测量时间区间，并且其中，所述谐振测量时间区间被包括在测量时间区间中。
11.根据任一前述权利要求所述的无线功率传输系统，其中，所述操作参数是功率回路参数，所述功率回路参数是功率控制回路的回路参数，所述功率控制回路被布置为响应于从所述功率接收器(105)接收的功率控制消息而适配所述功率传输信号的功率水平。
12.根据任一前述权利要求所述的无线功率传输系统，其中，所述功率接收器还包括被布置为在所述谐振测量时间区间期间使所述功率传输输入谐振电路发生短路的电路。
13.一种用于包括功率发送器和功率接收器的无线功率传输系统的操作方法，所述功率发送器被布置为经由感应功率传输信号向所述功率接收器(105)无线地提供功率；
所述功率发送器(101)包括输出谐振电路，所述输出谐振电路包括发送器线圈(103)和至少一个电容器(303)，并且所述功率接收器包括功率传输输入谐振电路，所述功率传输输入谐振电路包括接收器线圈(107)和至少一个电容器，所述接收器线圈被布置为从所述功率发送器提取功率；
所述操作方法包括所述功率发送器执行以下步骤：
生成用于所述输出谐振电路(103)的驱动信号以生成所述感应功率传输信号，
确定在谐振测量时间区间期间针对所述输出谐振电路的第一耦合谐振频率，所述第一耦合谐振频率是针对被耦合到所述功率接收器(105)的功率传输输入谐振电路的接收器线圈(107)的所述发送器线圈(103)的所述输出谐振电路的谐振频率，所述功率传输输入谐振电路在所述谐振测量时间区间期间具有不小于10的品质因数，
响应于所述第一耦合谐振频率而确定针对所述发送器线圈(103)与所述接收器线圈(107)之间的耦合的耦合因子估计结果，并且
响应于所述耦合因子估计结果而设置操作参数；并且
所述方法还包括所述功率接收器(105)执行以下步骤：
在所述谐振测量时间区间期间从功率传输模式切换到测量模式，在所述功率传输模式中，所述品质因数不被约束为不小于10，当所述功率接收器在所述测量模式中操作时，所述品质因数不小于10。
14.一种用于包括功率发送器和功率接收器的无线功率传输系统的功率接收器，所述功率发送器被布置为经由感应功率传输信号向所述功率接收器(105)无线地提供功率；
所述功率接收器(105)包括：
功率传输输入谐振电路，其包括接收器线圈(107)和至少一个电容器，所述接收器线圈被布置为从所述功率发送器提取功率；以及
电路，其被布置为在谐振测量时间区间期间从功率传输模式切换到测量模式，在所述功率传输模式中，所述品质因数不被约束为不小于10，当所述功率接收器在所述测量模式中操作时，所述品质因数不小于10。
15.一种用于包括功率发送器和功率接收器的无线功率传输系统的功率接收器的操作方法，所述功率发送器被布置为经由感应功率传输信号向所述功率接收器(105)无线地提供功率；
所述功率接收器(105)包括：
功率传输输入谐振电路，其包括接收器线圈(107)和至少一个电容器，所述接收器线圈被布置为从所述功率发送器提取功率；
所述方法包括：
电路被布置为在谐振测量时间区间期间从功率传输模式切换到测量模式，在所述功率传输模式中，所述品质因数不被约束为不小于10，当所述功率接收器在所述测量模式中操作时，所述品质因数不小于10。
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