CN1954472A - 控制感应功率传输系统 - Google Patents

Abstract

感应功率传输系统(1)包括：初级单元(10)，可操作以产生电磁场；以及至少一个次级装置(30)，可与初级单元分离，并且适合于当次级装置接近初级单元时与场耦合，以使次级装置可以从初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触。系统检测在一方面从初级单元获取的功率与另一方面次级装置需要的功率之间，或者如果存在一个以上次级装置，则与次级装置需要的总功率之间是否存在相当大差别。在这种检测之后，系统限制或停止来自初级单元的感应电力供应。这种系统能够可靠地检测在初级单元附近有害寄生负载的存在。

Description

控制感应功率传输系统

本发明涉及一种用于为例如便携式电气或电子装置供电的控制感应功率传输系统。

本申请要求由申请人于2004年5月11日提交的第GB0410503.7号和2005年2月10日提交的第GB 0502775.0号共同未决的申请的优先权，并将其每一个的全部内容结合于此作为参考。

适合于为便携式装置供电的感应功率传输系统可包括两部分：

●初级单元，具有至少一个初级线圈，初级单元通过初级线圈驱动交变电流，产生时变磁通量。

●次级装置，可与初级单元分离，包括次级线圈。当将次级线圈放置到接近由初级线圈产生的时变磁通量处时，变化的磁通量在次级线圈中感应出交变电流，因此，可以将功率从初级单元感应地传输到次级装置。

通常，次级装置向外部负载提供传输的功率，且次级装置可以被装入包括负载的宿主对象(host object)中或由宿主对象携带。例如，宿主对象可为具有可再充电的蓄电池或电池的便携式电气或电子装置。在这种情况下，负载可为用于给蓄电池或电池充电的蓄电池充电器电路。可选地，次级装置可与适当的蓄电池充电器电路一起集成到这种可再充电的电池或蓄电池中。

在我们的英国专利公开GB-A-2388716中描述了一类这种感应功率传输系统。这类系统的显著特征是初级单元的磁系的物理“开放”性-磁路相当大的部分穿过空气。为了使初级单元能够为不同形状和尺寸的次级装置以及同时为多个次级装置提供功率，这是必不可少的。在GB-A-2389720中描述了这种“开放”系统的另一实例。

这种系统可能存在一些问题。第一个问题是初级单元不会有100％的效率。例如，即使在当前不存在次级装置时，或当前没有需要充电的次级装置时，电子设备中的开关损耗和在初级线圈中的I²R损耗仍消耗功率。这样很浪费能量。优选地，在这种情况下，初级单元应该进入低功耗的“待机模式”。

这种系统中的第二个问题是不能机械地防止外物被放入到初级线圈附近，与线圈耦合。金属制成的外物将在其中感应涡流。这些涡流趋向于起作用以排斥磁通量，但因为材料具有电阻，因此流动的涡流将产生I²R损耗，这将导致物体变热。存在两种变热很显著的特殊情况：

●如果任一金属的电阻很高，例如如果其不纯或很薄。

●如果材料是铁磁性的，例如钢。这种材料具有高磁导率，激励材料中的高磁通量密度，引起大的涡流，从而引起大的I²R损耗。

在本申请中，这种引起功耗的外物被称为“寄生负载”。优选地，当存在寄生负载时初级单元应进入“关闭模式”，以避免使其变热。

现有技术中已提出了解决这两个问题的各种方法。

针对当没有次级装置需要充电时不浪费功率的第一个问题的解决方案包括：

●在EP0533247和US 6118249中，次级装置在充电过程中调整其感应负载，导致从初级单元获得的功率的相应变化。这指示初级单元不应进入待机状态。

●在EP1022840中，初级单元改变其驱动器的频率，从而改变了与调谐的次级单元的耦合系数。如果次级单元未获取功率，则在扫频时获取的功率没有差别，因此初级单元进入待机状态。

●在US5536979中，初级单元仅测量初级线圈中流动的功率，且如果其低于阈值，则进入脉冲调制待机状态。

●在US5896278中，初级单元包含检测线圈，检测线圈根据次级装置的位置将功率反馈耦合到检测线圈中。如果次级装置不存在，则初级单元进入待机模式。

●在US5952814中，次级装置具有配合初级单元中的插槽的机械突起，将其激活。

●在US6028413中，初级单元驱动两个线圈，并在次级单元中具有相应的两个功率接收次级线圈。初级单元测量从每个初级线圈传送的功率，且如果其低于阈值则进入待机模式。

针对寄生负载的第二个问题的解决方案包括：

●如上所述，在EP1022840中，初级单元改变其驱动器的频率。在该系统中，次级装置是已调谐的，因此该频率变化将导致从初级单元取得的功率的变化。如果负载由一片金属替代，则改变频率将不会有同样效果，并且初级单元将进入关闭状态。

●如上所述，在US5952814中，次级装置中的键启动初级单元。假设如果存在次级装置，则这将物理地排斥任何外物。

●如上所述，在US6028413中，初级单元通过驱动两个初级线圈为次级装置提供功率。如果由两个线圈提供的电量不同，则初级单元假定负载不是有效的次级装置，并进入关闭模式。

这些方法全部假定初级单元和次级装置之间是1∶1的关系。因此，这些方法对于诸如GB-A-2388716中描述的可能同时存在一个以上的次级装置的那些系统来说是不够的。例如，当存在两个次级装置，其中一个需要充电而另一个不需要时，这些方法将不起作用。

这些方法中的一些还假定有效的次级装置的物理或电气存在意味着所有的外物均被次级装置物理地排斥。不一定是这种情况，特别是如GB-A-2388716中所述，当次级装置可相对于初级单元随意放置时。

根据本发明的第一方面，提供了一种控制感应功率传输系统中感应功率传输的方法，其中，感应功率传输系统包括：初级单元，可操作以产生电磁场；以及至少一个次级装置，可与初级单元分离，并且适合于当次级装置接近初级单元时与所述场耦合，使得次级装置可从初级单元感应地接收功率，而不需要彼此直接的导电接触，该方法包括：将所述或每个次级装置设置为空载状态，在该状态中，基本防止了将次级装置感应接收到的任何功率提供给其实际负载；以及在初级单元中，当将所述或每个次级装置设置为所述空载状态时，测量从初级单元中获取的功率，并根据所测量的功率限制或停止来自初级单元的感应电力供应。

因为在功率测量期间次级装置被设置为空载状态，所以如果存在相当大的寄生负载，则可以很容易地从测量的功率中检测出来。如果这样的话，则初级单元可进入关闭模式。例如，如果在空载状态下所测量的功率大于阈值，则将限制或停止电力供应。

这种方法很方便，这是因为次级装置不必将其功率需求传递给初级单元，或初级单元不必执行功率需求的任何求和：已知由于次级装置处于空载状态，因此它们的总共的功率需求为零或至少很小的值，该值是由次级装置自身强加到初级单元上的任一寄生负载所感应的。

根据本发明的第二方面，提供了一种控制感应功率传输系统中感应功率传输的方法，感应功率传输系统包括：初级单元，可操作以产生电磁场；以及至少一个次级装置，可与初级单元分离，并且适合于当次级装置接近初级单元时与所述场耦合，使得可通过次级装置从初级单元感应地接收功率，而不需要彼此直接导电接触，该方法包括：在初级单元中，从处于功率需求状态的所述或每个次级装置中接收涉及有关的次级装置的功率需求的信息；以及在初级单元中，当将电力供应给具有功率需求状态的所述或每个次级装置时，测量从初级单元中获取的功率，并根据测量的功率和接收的功率需求信息限制或停止来自初级单元的感应功率传输。

在这种情况下，可根据所述测量的功率与具有所述功率需求状态的次级装置的各个功率需求的总和之差来限制或停止来自初级单元的感应电力供应。例如，在测量的功率超过所述总和多于阈值的情况下，可限制或停止感应电力供应。

这种方法具有优于第一方面的方法的优点，就是在功率测量期间不必将次级装置设置为空载状态。因此，可向次级装置的实际负载持续提供功率。

当然，在第一方面的方法中，功率测量周期可以非常短，使得对负载的电力供应的任何中断都不易察觉。如果负载的中断是个问题，则可以在次级装置中设置诸如电容器的能量存储装置，以在功率测量周期期间维持对实际负载的电力供应。

在第二方面的方法中，可以使用任何适当的通信方法将功率需求信息从每个次级装置传输到初级单元。一种用于所述或每个次级装置将其功率需求信息传输到初级单元的优选方法是RFID方法。可选地，所述或每个次级装置可通过改变由次级装置强加到初级单元上的负载，将其功率需求信息传输到初级单元。

应当理解，实施本发明的第一和第二方面的方法提供了不同的检测在一方面从初级单元获取的功率与另一方面次级装置需求的功率之间，或者如果存在一个以上的次级装置，则与次级装置需求的总功率之间是否存在相当大差别的方法。在该检测之后，可限制或停止来自初级单元的感应电力供应。

在第一和第二方面的方法中，可以改变由次级装置强加到初级单元上的负载以将来自次级装置的信号或信息传递到初级单元。例如，可以这样传输在第二方面中所需要的功率需求信息。

利用负载变化来通信的优点是可以允许两个或多个、或者可能全部的次级装置同时向初级单元提供各项信息。例如，如果任何次级装置需要功率，则可以改变其负载。如果初级单元检测到全部负载没有或基本没有改变，则可以断定没有次级装置需要功率，从而进入待机模式。类似地，初级单元将检测任何负载变化的总和。如果来自每个单个次级装置的负载变化与将被传送到初级单元的一些模拟量(例如，次级装置的功率需求或寄生负载)成比例，则在功率测量中，将通过初级单元检测各个模拟量的总和。这意味着可以直接获得总和，而无需在初级单元中进行执行起来将耗时和/或代价高的额外处理。

除了检测何时进入关闭模式之外，还可能期望检测进入待机模式的条件。例如，在第一方面的方法中，在测量的功率小于待机阈值(不同于上述的关闭阈值)的情况下，可以限制或停止感应电力供应。另一个可能性是所述或每个所述次级装置向初级单元报告指示次级装置是处于无功率需求状态(该状态中次级装置的实际负载当前不需要来自初级单元的功率)还是功率需求状态(该状态中所述实际负载当前需要来自初级单元的功率)的状态信息。然后，初级单元根据所述或每个次级装置报告的状态信息来限制或停止来自初级单元的感应电力供应。例如，除非由至少一个次级装置报告的状态信息表明其处于所述功率需求状态，否则初级单元会限制或停止感应功率的传输。优选地，为了响应速度，两个或多个次级装置同时向初级单元报告它们各自的状态信息。如上所述，一种方便的可能性是使所述或每个次级装置通过改变由其强加在初级单元上的负载来报告其所述状态信息。

通常，可以在不同的测量周期中执行从初级单元获取的功率的两个或多个测量。如果次级装置与初级单元同步，则在一个测量周期中，次级装置会彼此表现不同，以使初级单元能够检测两个或多个不同条件(这些条件下功率限制或停止是适当的)。

一个优选实施例具有三个测量周期。在第一个周期中，每个次级装置断开假负载(dummy load)。在第二个周期中，每个需要功率的次级装置接通其假负载。其他次级装置断开它们的假负载。在第三个周期中，每个次级装置均接通其假负载。初级单元可以从三个周期中的功率测量的比较中检测出是存在需要关闭的相当大的寄生负载还是不存在需要功率的装置，以适当的待机。

也可以在测量周期内改变负载。例如，可固定负载改变的幅度，但可改变持续时间，以提供信息。

初级单元可能已登记了至少一个所述次级装置的功率需求。在这种情况下，从次级装置传输的功率需求信息可以只是标识次级装置的信息。初级单元利用标识信息来检索装置的登记的功率需求。标识信息可以是分配给次级装置的代码或类型、型号、或者序列号。这可以减少传输到初级单元的信息量并提高响应速度和可靠性。

尽管每个处于功率接收状态的次级装置均以第二方面的方法向初级单元传输功率需求信息，但如果希望的话，未处于功率需求状态的所述或每个所述次级装置也可以向初级单元传输这种功率需求信息。一种可能性是使由不处于所述功率需求状态的所述或每个所述次级装置传输的功率需求信息表示由次级装置强加在初级单元上的寄生负载。于是，这可以用于使关闭检测更可靠。当处于功率需求状态时，也可能是次级装置的实际负载与寄生负载的功率需求的总和，而当次级装置没有处于功率需求状态时，则功率需求信息仅是寄生负载的功率需求。

通常，理想地，限制和停止感应电力供应的条件的检测要考虑初级单元和次级装置中的任何损耗。有多种方法实现这点。

一种方法是当执行所述检测时，使用关于初级单元自身损耗的第一补偿信息，以补偿所述损耗。当初级单元有效地处于电磁屏蔽时，可以从初级单元所取得的测量结果中获得部分或全部所述第一补偿信息。第一补偿信息可以存储在初级单元的校准单元中。

另一种方法是当执行所述检测时，使用关于由所述或每个次级装置强加到初级单元上的寄生负载的第二补偿信息，以补偿所述或每个次级装置的所述寄生负载。所述或每个所述次级装置优选地将其所述第二补偿信息直接传递给所述初级单元，或者将其他信息传递给初级单元，初级单元从所述其他信息中得到所述第二补偿信息。如上文所述，次级装置可以通过改变由其强加到初级单元上的负载，来将其所述第二补偿信息或其所述其他信息传递给初级单元。

特别方便、有效的方法是使所述或每个所述次级装置具有表示其所述寄生负载的假负载，次级装置将所述寄生负载强加到所述初级单元上，以改变由次级装置强加到初级单元上的负载。

所述第一补偿信息的部分或全部和/或所述第二补偿信息的部分或全部可以是在初级单元的制造和/或测试期间存储在初级单元中的信息。

当初级单元的一个或多个运行条件(例如，温度)变化时，改变所述第一和第二补偿信息中的一个或两个可能是有利的。次级装置可单独或与另一个物体结合使用。例如，可以从宿主对象中去除次级装置。如果当将其从宿主对象中去除或安装到宿主对象中时可以被供电，则装置自身的寄生负载可能与装置和宿主对象共同的寄生负载很不同。为处理这种情况，可以根据装置是单独使用还是与另一物体一起使用来改变第二补偿信息。

在许多实施方式中，次级装置需要与初级单元同步运行。因此，优选地，是从初级单元向所述或每个所述次级装置传输同步信号，或者从所述或每个所述次级装置向初级单元传输同步信号，以使初级单元和所述或每个所述次级装置的运行同步。这可以通过调制施加到初级单元中的初级线圈的驱动信号很方便地实现。可以使用频率、振幅、或相位调制或它们的组合。

可以利用很多不同的技术来测量由次级装置从初级单元获取的功率。在一种技术中，通过电驱动单元驱动的初级线圈产生电磁场，且用于驱动单元的电功率被从初级单元的电源提供到驱动单元的功率输入端。可以通过暂时断开电源并在断开期间检测所述功率输入端处的变化，来测量从初级单元获取的功率。变化可能是电压衰减。这种技术的优点在于没有驱动单元的电流流过的串连电阻。这种串连电阻消耗相当大的功率。

优选地，将能量存储在诸如连接至所述功率输入端的电容器的能量存储单元中，使得在所述电源断开时可以向所述功率输入端持续地提供功率。

如果电驱动单元具有用于控制到初级线圈的驱动器电流或功率的反馈电路，则另一种测量获取的功率的方法也是可用的。在这种情况下，反馈电路中的反馈信号可以提供获取的功率的测量，而根本无需加入功率测量单元。

另一种测量功率的方法包括在测量周期期间使包括所述初级线圈的电路在非驱动谐振(undriven resonating)条件下工作，在该条件中，暂停将驱动信号施加到初级线圈，使得存储在电路中的能量在所述周期期间衰减。然后，在所述周期期间进行一次或多次这种能量衰减的测量，并且使用这些测量来测量从初级单元获取的功率。

可以在相同条件下进行两次或者多次功率测量，并将这些结果取平均值以提高精度。

在操作中，可能希望将电磁场的场强设置为低于在运行模式中的最大值的值。在第二方面的方法中，初级单元具有来自每个次级装置的功率需求信息，从而可以根据次级装置所需求的功率或者(如果存在一个以上的次级装置)次级装置需求的总功率，容易地设置场强。这样，可以找到用于为次级装置供电的最小功率输出。然而，还有实现类似结果的其他方式。例如，没有获得足够功率的次级装置可以以某种方式调制其负载。初级单元可以以最大功率开始运行并减小功率，直至检测到来自至少一个次级装置的负载调制。这样可以以简单、快捷的方式确定最小的功率。

根据本发明的第三个方面，提供了一种感应功率传输系统，其包括：初级单元，可操作以产生电磁场；至少一个次级装置，可与初级单元分离，并且当次级装置接近初级单元时适合于与所述场耦合，以使次级装置可以从初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触；装置，用于检测在一方面从初级单元获取的功率与另一方面次级装置需求的功率之间，或者如果存在一个以上的次级装置则与次级装置需求的总功率之间是否存在相当大差别；以及装置，在这种检测之后，可操作以限制或停止来自初级单元的感应电力供应。

根据本发明的第四个方面，提供了一种初级单元，用于还具有可与初级单元分离的至少一个次级装置的感应功率传输系统，初级单元包括：装置，用于当次级装置接近初级单元时产生与所述至少一个次级装置耦合的电磁场，使得次级装置可以从初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触；装置，用于检测在一方面从初级单元获取的功率与另一方面次级装置需要的功率之间，或者如果存在一个以上的次级装置，则与次级装置需要的总功率之间是否存在相当大差别；以及装置，在这种检测之后，可操作以限制或停止来自初级单元的感应电力供应。

根据本发明的第五个方面，提供了一种次级装置，用于包括产生电磁场的初级单元的感应功率传输系统，次级装置包括：次级线圈，适合于当次级装置接近初级单元时与所述初级单元产生的所述场耦合，以使次级装置可以从初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触；负载连接装置，连接至所述次级线圈，并适合于当使用次级装置时将其连接至需要来自初级单元的功率的负载，用于向负载提供这种感应接收的功率；检测装置，用于检测由初级单元传输的同步信号；以及控制装置，响应于同步信号的检测，将次级装置设置为空载状态，在该状态下，基本防止了通过负载连接装置将任何感应接收的功率提供到所述负载。

这可以提供一种适合用于实施上述本发明第一方面的方法的次级装置。

根据本发明的第六个方面，提供了一种用于包括产生电磁场的初级单元的感应功率传输系统中的次级装置，其包括：次级线圈，适合于当次级装置接近初级单元时与所述初级单元产生的所述场耦合，以使次级装置可以从初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触；负载连接装置，连接至所述次级线圈，并且当使用次级装置时适合于连接至需要来自初级单元的功率的负载，用于向负载提供这种感应接收的功率；以及RFID通信装置，可操作以使用RFID通信方法将关于次级装置的功率需求的信息提供给初级单元。

这可以提供一种适合用于实施上述本发明第二方面的方法的次级装置。在这种情况下，在功率测量期间，负载连接装置没有断开实际负载。

根据本发明的第七个方面，提供了一种控制感应功率传输系统中感应功率传输的方法，其中，感应功率传输系统包括：初级单元，可操作以产生电磁场；以及至少一个次级装置，可与初级单元分离，并且适合于当次级装置接近初级单元时与所述场耦合，以使次级装置可以从初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触，该方法包括：在信息提供阶段，允许两个或多个次级装置同时向初级单元提供分别关于有关的次级装置的信息；以及在初级单元解释同时提供的信息，并基于解释的信息确定是否限制或停止来自初级单元的感应电力供应。

这种方法可以允许从次级装置快速地提供信息或信号，以能够快速地实现电力供应的限制或停止。

在一个实施例中，由每个次级装置提供的信息表明有关的次级装置是否处于功率需求状态(其中，次级装置的实际负载需要来自初级单元的功率)，并且初级单元确定由其提供的感应功率是否应该被限制或停止，除非在信息提供阶段由至少一个次级装置提供的信息表明其具有所述功率接收状态。

由每个次级装置提供的信息可以表示有关的次级装置的模拟量。在这种情况下，初级单元可从同时提供的信息中直接得到次级装置的各自模拟量之和。

模拟量可表示由次级装置自身强加在初级单元上的寄生负载。

模拟量可表示次级装置的实际负载的功率需求。

模拟量可表示由次级装置强加在初级单元上的总负载，所述总负载包括次级装置的实际负载和由次级装置自身强加在初级单元上的寄生负载。

在一个实施例中，每个所述次级装置通过改变由其强加在初级单元上的负载来提供其所述信息。例如，在所述信息提供阶段期间，每个所述次级装置可以具有假负载，次级装置将假负载选择性地强加在初级单元上。优选地，假负载表示所述模拟量。不同的假负载可用于表示不同的模拟量，例如，功率需求和寄生负载。

在一个实施例中，在由初级单元确定的时间，每个所述次级装置均具有其所述信息提供阶段。

根据本发明的第八个方面，提供了一种控制感应功率传输系统中感应功率传输的方法，其中，感应功率传输系统包括：初级单元，可操作以产生电磁场；以及至少一个次级装置，可与初级单元分离，并且适合于当次级装置接近初级单元时与所述场耦合，以使次级装置可以从初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触，其中方法包括以下步骤：在报告阶段，所述或每个所述次级装置向初级单元报告信息，其中，该信息表示次级装置是处于无功率需求状态(该状态中次级装置的实际负载当前不需要来自初级单元的功率)还是功率需求状态(该状态中所述实际负载当前需要来自初级单元的功率)；以及所述初级单元根据由所述或每个次级装置在所述报告阶段报告的信息来确定应该限制或停止其感应电力供应。

优选地，在由初级单元确定的时间，所述或每个所述次级装置均具有其所述报告阶段。

在一个实施例中，具有至少两个次级装置，并且每个所述次级装置同时具有其所述报告阶段。

所述或每个所述次级装置可以通过改变由其强加在初级单元上的负载来报告其所述信息。例如，在所述报告阶段期间，所述或每个次级装置均可具有假负载，次级装置将假负载选择性地强加在初级单元上。

在一个实施例中，在所述报告阶段期间，具有所述功率需求状态的所述或每个所述次级装置强加其所述假负载，以及在所述报告阶段期间，具有所述无功率需求状态的所述或每个所述次级装置不强加其所述假负载。

根据本发明的第九个方面，提供了一种用于包括产生电磁场的初级单元的感应功率传输系统中的次级装置，次级装置包括：次级线圈，适合于当次级装置接近初级单元时与所述初级单元产生的所述场耦合，以使次级装置可以从初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触；负载连接装置，连接至所述次级线圈，且适合于当使用次级装置时连接至需要初级单元的功率的负载，用于向负载提供这种感应接收的功率；以及通信装置，可操作以向初级单元传递关于由次级装置强加在初级单元上的寄生负载的信息。

这种次级装置可以向初级单元传输它的寄生负载，用于使初级单元用来补偿负载。例如，当检测限制或停止来自初级单元的感应功率传输的条件时，可使用传输的寄生负载。

可以使用任何通信方法，且方法不限于负载变化。例如，可以使用红外线或超声波通信。还可以使用RFID。

在一个实施例中，所述通信装置可操作以通过在所述初级单元上强加假负载来传递所述信息。通信装置可以为可操作的以在第一时间将第一假负载强加在初级单元上，并在第二时间将不同于所述第一假负载的第二假负载强加在初级单元上，根据所述寄生负载设置所述第一和第二假负载之差。所述第一和第二假负载中的一个可以为零。

根据本发明的第十个方面，提供了一种便携式电气或电子装置，其包括：负载，其至少有时需要来自初级单元的功率；以及实施前述本发明的第五、第六、或第九方面的次级装置，所述次级装置的所述负载连接装置被连接至所述负载，用于在所述时间向负载提供这种感应接收的功率。

根据本发明的第十一个方面，提供了一种控制感应功率传输系统中感应功率传输的方法，其中，感应功率传输系统包括：初级单元，具有其上被施加电驱动信号以产生电磁场的初级线圈；以及还包括至少一个次级装置，可与初级单元分离，并且具有次级线圈，适合于当次级装置接近初级单元时与所述场耦合，使得能够将功率感应地从初级单元传输到次级装置，而无需彼此直接的导电接触，该方法包括：在测量周期期间使包括所述初级线圈的电路在非驱动谐振条件下工作，在该条件下，暂停将所述驱动信号施加到所述初级线圈，以使存储在电路中的能量在所述周期期间内衰减；在所述周期期间，进行这种能量衰减的一个或多个测量；以及根据所述一个或多个能量衰减测量来限制或停止来自初级单元的感应功率传输。

这种方法可以以可靠并节省成本的方式来实现寄生负载和待机检测中任何一个或两个。这在可以具有多个次级装置和/或系统的开放磁性使得寄生物体易于耦合至初级线圈的系统中特别有利。

现在，将通过实例，参照附图，附图中：

图1是示出实施本发明的感应功率传输系统的部分的框图；

图2是用于说明根据本发明的检测关闭条件的第一方法的流程图；

图3是用于说明根据本发明的检测待机条件的第一方法的流程图；

图4是示出根据本发明第一实施例的感应功率传输系统的部分的框图；

图5示出用于说明图4系统的操作的波形图；

图6示出显示图4系统中各种信号的时序的波形图：图6(a)示出施加到初级线圈的AC电压信号的频率；图6(b)示出从初级单元获取的功率；图6(c)示出初级单元中开关的状态；以及图6(d)示出初级单元开关两端的电压；

图7是示出在三个不同测量操作期间获取的负载的示意图；

图8是示出图4系统中的不同运行模式的示意图；

图9是示出根据本发明第二实施例的功率传输系统中初级单元的部分的框图；

图10是用于说明根据本发明的检测关闭条件的第二方法的流程图；以及

图12是示出根据本发明第三实施例的功率传输系统的部分的框图。

图1示出实施本发明的感应功率传输系统的部分。系统1包括初级单元10和至少一个次级装置30。初级单元10具有初级线圈12，以及连接至初级线圈12的电驱动单元14，用于为初级线圈12提供电驱动信号以产生电磁场。控制单元16连接至电驱动单元14。该控制单元生成AC电压信号106。电驱动单元14得到AC电压信号106，并在初级线圈12中将其转换为AC电流信号，以在初级线圈12附近产生感应电磁场。

初级单元10可以具有任意适当的形式，但一个优选的形式是具有功率传输表面的平坦的平台，在其上或附近均可以放置每个次级装置30。在该情况下，如GB-A-2388716中所述，场可以分布在表面的功率传输区上。

次级装置30可与初级单元10分离，并具有次级线圈32，当次级装置30接近初级单元10时，次级线圈32与由初级单元10产生的电磁场耦合。以这种方式，可以感应地将功率从初级单元10传输到次级装置30，而无需彼此直接的导电接触。

初级线圈12和次级线圈32可具有任意适当的形式，但例如，可以是在高磁导率线圈架(例如，铁氧体或非晶金属)周围缠绕的铜导线。

次级装置30通常连接至外部负载(未示出-在本文中也可以称为次级装置的实际负载)，并向外部负载提供感应接收的功率。次级装置30可以被装入需要功率的物体(例如，便携式电气或电子装置或者可再充电的蓄电池或电池)中或由需要功率的物体携带。可以在GB-A-2388716中找到关于次级装置30和可使用次级装置30供电的物体的设计的更多信息。

在图1的系统中的初级单元10还包括连接至控制单元16的功率测量单元100。当接收到由控制单元16提供的信号时，功率测量单元100对电驱动单元14获取的功率进行测量。功率测量单元100向控制单元16提供表示由电驱动单元14获取的功率的输出。由电驱动单元14获取的功率表示由初级线圈12获取的功率，因此也表示由所有次级装置30获取的功率加上其他损耗。

在图1的系统中，希望检测某些条件，并在这些条件下限制或停止来自初级单元的感应电力供应。

一个这样的条件是在初级单元附近存在相当大的寄生负载。在这种情况下，控制单元16可以进入关闭模式，在该模式中减少或停止对初级线圈12的驱动，以防止寄生负载发热。

另一个这样的条件是在初级单元10的附近不存在系统的次级装置30。另一个这种条件是存在至少一个次级装置30但没有一个装置具有当前需要功率的负载。例如，当关闭时或者在可再充电的蓄电池或电池充满电时，负载不需要功率。在这两种条件下，控制单元16可以进入待机模式，在该模式中，减少或停止对初级线圈12的驱动，防止初级单元10中不必要的功率消耗。

图2是用于说明根据本发明的检测初级单元附近存在相当大的寄生负载的第一方法的流程图。

在此第一方法中，当使用图1的系统时，有时故意将初级单元附近的所有次级装置设置为空载状态。在该空载状态中，防止了将次级装置感应接收的任何功率提供给其实际负载(上述的外部负载)。

在步骤S2中，在所有的次级装置都处于空载状态的情况下，初级单元中的功率测量单元100测量次级装置从初级单元获取的功率。在步骤S3中，初级单元中的控制单元16根据步骤S2中测量的功率来确定是否限制或停止来自初级单元的感应电力供应。

在最简单的情况下，在步骤S3中，控制单元16仅仅将测量的功率与预定的关闭阈值进行比较。如果测量的功率超过关闭阈值，则控制单元16确定应该限制或停止来自初级单元的感应电力供应。然而，如下面更详细的描述，优选地，考虑在功率传输系统中不可避免地出现的损耗。特别地，这些损耗包括在初级单元自身和/或任一次级装置/宿主对象中存在的损耗。这些损耗包括初级线圈自身和任一其他的与初级线圈相关的部件(例如，电驱动单元)的低效率，例如，线圈的铜或任一调谐电容器的有效串联电阻中的I²R损耗。损耗还包括初级单元和次级装置中的任何磁损耗，例如磁损耗为与初级单元和/或次级装置相关的任一线圈中的磁滞环损耗。因此，控制单元16除了可以使用所测量的功率外还，还可以使用关于初级单元自身损耗的第一补偿信息，以在步骤S3中补偿那些损耗。可选地，或者此外，控制单元16除了可以使用所测量的功率外还可以使用关于由所述或每个次级装置强加在初级单元上的寄生负载的第二补偿信息，以在步骤S3中对所述或每个次级装置的寄生负载进行补偿。

如果在步骤S3中确定了应该限制或停止电力供应，则在步骤S4中，控制单元16将初级单元设置为关闭模式，在该模式中，限制或停止来自初级单元的感应电力供应。

初级单元将保持关闭模式，直至以某种方式将其复位。这种复位可以由初级单元的用户手动发起，或可选地，控制单元16可以周期性地启动以再次提供感应功率，并重复步骤S1至S3以确定是否保持关闭模式。

在步骤S3中，如果控制单元16确定不需要限制或停止电力供应，则在步骤S6中，需要功率的次级装置重新接收来自初级单元的功率。然后，例如在预定的间隔之后，处理再次返回步骤S1。接下来，将参照图3描述检测进入待机状态的条件的第一方法。

在图3中，如步骤S11所示，不时地，存在于初级单元10附近的每个次级装置(如果有的话)均具有报告阶段。所有存在的次级装置可以同时进入报告阶段。可选地，每个次级装置可单独地依次进入报告阶段。在任一情况下，在报告阶段中，每个次级装置均向初级单元报告表明次级装置是处于无功率需求状态还是功率需求状态的状态信息。在无功率需求状态中，次级装置的实际负载当前不需要来自初级单元的功率。另一方面，在功率需求状态中，实际负载当前确实需要来自初级单元的功率。

在步骤S12中，初级单元中的控制单元16根据在步骤S11中报告的状态信息，确定是否应该限制或停止来自于初级单元的电力供应。特别地，除非至少一个次级装置在报告阶段向初级单元报告其处于功率需求状态，否则控制单元16确定应该限制或停止感应功率的供应，并且处理执行步骤S13，在步骤S13中，初级单元被设置为待机模式。当然，如果初级单元附近根本不存在次级装置，以至于在步骤S11中，没有或没有有效的状态信息被初级单元接收，则控制单元16也将初级单元设置为待机模式。

如上关于图2方法的步骤S5所述的，一旦将初级单元设置为待机模式，则可以通过用户手动干预或自动地将其再次重新设置为运行模式。

如果在步骤S12中，控制单元16基于报告的状态信息确定不该限制或停止感应电力供应，则处理返回到步骤S11，例如在预定的间隔之后。这样，存在的每个次级装置周期性地具有向初级单元报告其状态信息的报告阶段。

可以彼此独立的执行图2和图3的方法。然而，优选地，初级单元的控制单元16既能检测何时进入关闭模式又能检测何时进入待机模式。这可以通过结合图2和图3的方法来实现，现在将参照图4进行描述。

图4示出根据本发明第一实施例的感应功率传输系统的部分。系统1具有初级单元10和次级装置30。图4还示出例如由放置在初级单元10附近的外物引起的初级单元上的寄生负载500。在这种情况下，假设将次级装置30装入宿主对象(例如，便携式电气或电子装置)或由宿主对象携带。如上文所述，次级装置30和/或宿主对象还在初级单元10上不可避免地强加“有利的”寄生负载501。

如之前参照图1所述，初级单元10包括初级线圈12、电驱动单元14、控制单元16、和功率测量单元100。电驱动单元14具有连接到提供AC电压信号106的控制单元16的输出端的输入端。电驱动单元14的输出节点连接至初级线圈12。电驱动单元通过功率测量单元100连接到电源105。电源105为电驱动单元14提供直流电。电驱动单元14对AC电压信号106呈现高输入阻抗，以使基本上所有的负载电流均从电源105获取。

在该实施例中，控制单元16是微处理器。该微处理器具有嵌入的数/模转换器(未示出)，以驱动提供AC电压信号106的输出端。可选地，可使用ASIC来实现控制单元16以及初级单元的一些或所有其他的电路元件。

本实施例中的控制单元16适合于调制用于向次级装置传输同步信号的AC电压信号106。调制是AC电压信号的频率调制。也可以使用诸如振幅或相位调制的其他调制技术。控制单元16适合于向存在的任一次级装置30发送同步信号。次级装置30响应于同步信号来改变它们的负载条件。该信息被用于检测进入关闭和待机模式的条件。

希望无需断开对初级线圈12的供电，功率测量单元100就可以工作，由于这意味着不中断对次级装置30的供电，从而减少了到周围环境中的杂散电磁干扰。因为存在大量的噪声且要求在短时间进行测量，所以这是很有挑战性的。

功率测量单元100包括在电源105的0V供电端与电驱动单元14的接地端之间的开关102。开关102由控制单元16控制。功率测量单元还包括连接在电驱动单元14的正极与接地端之间的电容器101。该电容器起功率存储单元的作用。差分放大器103具有在开关102的每一侧的输入端，并具有连接至模/数转换器104的输出端。模/数转换器的输出端连接到控制单元16。

当开关102闭合时，功率测量单元100不工作，并且功率由电源105直接耦合到电驱动单元14。当开关102打开时，执行功率测量。现在，电容器101被从电源105上的0V干线(rail)上断开，但仍保持其电荷。同时，电驱动单元14继续获取电流，因此使电容器101放电。这样，电容器101两端的电压稍有衰减，因此电容器101与开关102之间的点的电压稍微升高，高于0V。储存电容器107确保正电源电压保持恒定。差分放大器103测量开关102两端的电压，并且通过模/数转换器104将得到的测量结果转换为数字信号并传送到控制单元16。电驱动单元14两端的小的暂时压降不会对传输到次级装置30的功率有任何明显影响。

如图5所示，当开关102打开时，在时间t₁和t₂分别得到两个测量结果，分别设为测量V₁和V₂。在开关打开之后，有个延迟t₁，以使瞬态效应稳定。然后，通过下式得出功率P：

$P=\mathrm{CV}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=C(v^{+}-\frac{(V_1+V_2)}{2})\frac{(V_2-V_1)}{(t_2-t_1)}\≈{\mathrm{CV}}^{+}\frac{(V_2-V_1)}{(t_2-t_1)}$

其中，V⁺是电源电压，假设V₁，V₂.＜＜V⁺。有利地，在周期中的同一点对电源电压采样，以去除电压中周期性扰动(也示出在图5中)。然后，再次关闭开关102，将电源105重新连接至电驱动单元14。

顺便说一句，可以使用电感器代替电容器101用作能量存储单元。在这种情况下，在断开电源期间由电路测量的变化可能是例如作为串联电阻器两端的压降测量的电流的变化。

在该实施例中，初级单元10还包括校准单元29。校准电源29存储关于初级单元中损耗(例如，电或磁损耗)的补偿信息。故意地，在制造时，和/或此后周期性地，初级单元中的损耗可以被校准并存储在校准单元29中。校准单元29将存储的信息提供给控制单元16，以使控制单元16从总的测量结果中减去损耗，从而计算出仅由寄生负载造成的损耗数值。校准单元29可以改变补偿信息，以应付初级单元中的可变损耗，例如，温度变化的损耗。

次级装置30包括次级线圈32、整流器34、次级控制单元36、假负载开关38、假负载40、负载开关42、存储单元44、以及实际负载46。例如，假负载开关38和负载开关42的每个均可以是FET。例如，假负载40是电阻器。在本实施例中，存储单元44是电容器，但可使用电感器来代替。

在该实施例中，实际负载46位于次级装置30的外部，并且是宿主对象的一部分。其可以是用于锂离子电池的蓄电池充电控制器。

还有检测单元200，其用于检测强加在接收的AC信号上的调制。为检测调频信号，检测单元200可以是过零检测器，每次AC信号过零伏时，检测单元200就向控制单元传递信号。于是，控制单元36可以包括内部时钟和计数电路(未示出)。时钟和计数电路可以用于测量连续的过零之间的时间间隔，从而得到由初级单元控制单元16强加的AC信号106的频率。因此，次级单元可以检测频率变化并通过调节开关42和38改变其负载条件来响应。

其他形式的负载检测电路200可包括用于数字振幅调制的阈值检测器或用于多级振幅调制的模/数转换器，或者用于相位调制的相位检测器，或是它们的任意组合。

现在，将描述系统的运行。

在系统的“运行模式”中，集成有次级装置30的宿主对象被放置在初级单元10上或在初级单元10附近。开关102闭合。控制单元16将AC电压信号106施加到电驱动单元14。电驱动单元14从电源105获取DC功率，将AC电压信号106放大，并将其施加到初级线圈12。

在运行模式中，初级线圈12在初级单元10附近产生电磁场。次级线圈32与该场耦合，并通过该场在线圈中感应出交变电流。假负载开关38打开且负载开关42闭合。整流器34对在次级线圈32中感应的交变电流整流，并通过负载开关42将整流的电流提供给存储单元44和实际负载46。这样，功率从初级单元10感应地传输到次级装置30，并从次级装置30传输到负载46。在运行模式中，存储单元44存储功率。

当在运行模式中时，初级单元10中的控制单元16不时地发起测量。随着初级单元10通过向AC驱动电压信号106施加瞬时频率改变来向次级装置30发送同步信号，测量开始。次级装置30接收AC电压信号，且在每个接收次级装置中，检测单元200与控制单元36一起确定何时出现了同步信号。响应于同步信号，次级单元即刻改变它们的负载条件，持续设定的时间周期，且初级单元10在该时间周期内测量总负载(获取的功率)。

在正常运行期间，次级装置30使用存储单元44存储来自初级单元10的能量。在测量期间，通过打开开关42来断开实际负载46。随着能量传输到负载，存储在次级装置的存储单元44中的能量逐渐衰减。假设存储单元有足够的容量，且在测量开始前已经被完全充满，则在整个测量期间存储单元可以向次级装置传输连续的能量，使得不中断实际负载46。

在该实施例中，为了下列目的，初级单元10发起一系列三个功率测量：1)确定当前是否存在需要使初级单元进入关闭模式以防止过热的寄生金属，以及2)确定是否没有需要任何功率的装置，以便单元可进入待机模式。初级单元10和次级装置30的运转状态在一系列的三个测量的每一个中略有不同。

在第一测量期间，次级控制单元36使假负载开关38打开，以使假负载40不与次级线圈32连接。因此，第一测量是测量传递到初级单元附近的外物的任何寄生负载500的功率以及由次级装置和/或其宿主对象的损耗以及初级单元自身的任何损耗强加的任何寄生负载501的功率的测量。因此，在第一个测量期间运行对应于上述图2的步骤S1至S3。

在第二测量期间，次级控制单元36选择性地关闭假负载开关38。次级控制单元36基于实际负载46的功率需求确定在第二测量期间是使假负载开关38打开还是闭合。如果负载46现在不需要任何功率，例如因为它具有当前充满电的可再充电蓄电池，则在第二测量期间，假负载开关38保持打开。另一方面，如果负载46现在确实需要功率，则假负载开关38闭合，以使假负载40连接至初级线圈32。

在第二测量期间，控制单元16引起有功负荷(power load)的另一个测量。如果第二功率测量与第一功率测量有相当大差别，则控制单元16检测需要功率的次级装置当前位于初级单元附近。因此，在第二测量期间的运行对应于上述图3的步骤S11和S12。

在第三测量期间，次级控制单元36总是闭合假负载开关38，以使假负载40连接至次级线圈32。

在初级单元中由控制单元16进行另一个功率测量。在这种情况下，测量结果是寄生负载500、次级装置和/或宿主对象的寄生负载501、初级单元损耗、以及假负载40的总和。基于第一和第三功率测量之差，控制单元计算存在于初级单元附近的所有次级装置中的全部假负载40的值。

图6中图解地示出了各种信号和测量结果的时序(未按比例)。图6(a)表示施加到初级线圈12的驱动频率；图6(b)表示由次级装置30引入的负载；图6(c)表示初级单元10中开关102的状态；以及图6(d)表示开关102两端的电压。

对于第一、第二和第三测量，在每个测量的开始，首先，初级单元10分别瞬时改变到初级线圈的驱动频率510、511、512。然后，每个次级装置30隔离其实际负载513、514、515，并根据情况引入假负载514、515。在该时间帧内，初级单元中的开关102打开516、517、518。在开关打开的窗口中，开关106两端的电压斜坡上升519、520、521。在该窗口中的几个点对该电压采样，以测量功率。在第一测量中，不存在假负载513；在第二测量中，如果其实际负载需要功率，则每个装置只连接假负载514；在第三测量中，总连接假负载515。

次级装置30通过测量发生的顺序分辨出这些测量中哪个是哪个。如果自从上次的同步信号有几ms长的间隙，则次级装置知道其必为第一测量。这可以通过次级装置对接收的交变电流的周期数进行计数来确定。在设定的周期数内，第二和第三测量同步信号自然地以此顺序跟随其后。为了获得更精确的测量，可通过多个序列平均每个测量结果。

将在该实施例的系统中的次级装置30中的每个假负载40设置为特殊值(在制造时或者在校准或测试期间)，使该值表示由有关的次级装置和/或由其宿主对象强加的寄生负载501。

因此，由控制单元16计算的所有存在的次级装置的全部假负载，可以被控制单元16用作第二补偿信息，以补偿存在的次级装置的寄生负载501。例如，如果当测量的功率超过某阈值时控制单元16检测到在初级单元附近存在相当大的寄生负载500，则可以根据所有存在的次级装置的全部寄生负载501将阈值增加一定量，以使对来自外物的寄生载荷500的检测不受存在的次级装置的数量的影响。

图7图解地示出三个测量获取的负载。获取的负载是下列损耗的总和：与初级单元(焊盘，pad)中初级线圈相关的损耗543、与外部金属物相关的寄生负载542、与将被供电的宿主对象(便携式装置)相关的金属的‘友好寄生(friendly parasitics)’541、以及与所有次级装置相关的电流负载540。第一测量结果530包括除负载540之外的所有这些成分(component)。如果没有装置需要功率，则第二测量结果531将与第一测量结果530相同，因此可将初级单元设置为待机模式(图3中的S4)。然而，如果至少一个装置需要功率，则第二测量结果531将大于第一测量结果530，且需要功率。在第三测量结果中，每个次级装置30连接其假负载。使每个装置的假负载40等于装置的‘友好寄生’。通过从第三测量结果中减去第一测量结果，结果是‘友好寄生’541。初级单元损耗543是已知的(且存储在校准单元29中)。为得到存在的全部寄生负载542的测量结果，可以从第一测量结果530中减去计算的‘友好寄生’541和已知的初级单元损耗543。如果该数字超过特定阈值，则可以将该单元设置为关闭模式(图2中的步骤S4)。

实施本发明的系统能够灵敏地(例如，在50mW内左右)测量强加到初级单元上的负载。以该灵敏度，可以确保将非常少的功率耦合到诸如外物的寄生负载500。

图8是示出图4系统中的不同运行模式以及用于在这些不同模式之间切换的条件的示意图。三种运行模式为运行模式、关闭模式、和待机模式。

在运行模式中，初级单元大部分时间处于标准状态(驱动条件)，但周期性地执行如上所述三个测量的序列。如果测量序列的结果是没有次级装置需要功率，则初级单元进入待机模式。如果测量序列的结果是存在很大的寄生负载500，则初级单元进入关闭模式。

在待机模式中，大部分时间停止电驱动单元14，因此几乎不消耗功率。初级单元周期性地进入正常模式，然后在各个探测周期中执行一系列测量，来检查其是应该进入运行模式还是关闭模式。否则保持待机模式。

关闭模式与待机模式功能上相同。然而，可以通过诸如LED的一些用户界面特征来区分两种模式，以提示用户去除任一相当大的寄生负载500。

除了本发明第一实施例之外，还有可应用以带来有益效果的许多其它可能的实施例以及特征的结合。

例如，如在GB-A-2398176中所述，具有其他的感应功率传输系统，其不是具有单个初级线圈12，而是具有多个线圈。在这种系统中，可以具有两组设置为彼此正交的线圈。它们中的每一个均可以相同的AC电压信号来驱动，但是以正交驱动(即，相位相差90°)，以使感应磁场随时间旋转。这允许将次级装置30放置在任何方向上且仍能够接收功率。本发明可直接用于这种结构。电驱动单元14不仅向第一线圈而且还向第二线圈提供AC电流驱动。传输的同步信号将出现在两个线圈上。此外，因为通过确定从电源获取的电流来执行电流测量，所以功率测量结果将是所有获取的负载的总和，而与每个线圈获取的比例无关。在这种2磁道(channel)旋转系统中，次级装置30的方向是任意的。因此次级装置30相对于初级单元将具有+/-180°的相位差。因此，每个次级装置30必须在初级单元的测量周期的每一侧提升(lift)其负载至少1/2周期。

除了所描述的三个测量，还可以进行第四测量。该测量由初级单元10中的控制单元16发起，并且导致功率测量单元100执行功率测量，但是没有任何同步信号被发送到初级线圈12。次级装置30不改变它们的负荷条件，因此这是在运行状态时的功率测量。该测量可以在任何时间进行而不必在第一第三测量的测量序列期间进行。该第四测量被用于确定所获取的总负载是否大于装置的功率规范(specification)，因此将初级单元设置为‘过载状态’。‘过载状态’功能上等同于‘关闭状态’，但可以通过诸如LED的一些用户界面特征来辨别。

为了改变产生的磁场的场强，另一个可能是使电驱动单元14适合于改变其输出到初级线圈中的电流强度。这将允许为小负载减小场强，从而保存电功率。该特征的实施是以不同方式使用第一和第二测量，不仅检测是否装置需要功率，而且设置所需的场强。在第二测量期间如果需要功率，不是接入假负载40，而是如果没有得到足够的功率的话，则次级装置可以接入它的假负载。然后，初级单元将第一和第二测量结果之差视为“功率不足”的信号。初级单元10可以周期性地将场提高到最大强度，然后逐渐减小它，直到第一和第二测量结果之差大于某一阈值(“功率不足”信号)。这样，初级单元将总是在最低可能的场强运行。

在另一个实施例中，次级装置适合于动态地改变它们的假负载的值。例如，这可以通过集成可通过控制装置改变值的负载来实现。简单的例子是具有开关阵列的电阻梯(resistor ladder)，其可由二进制增量值来设置。通过使用晶体管电路或通过集成一些其他的非线性元件，负载可适合于具有连续可变的值。动态改变负载的另一种方法是调节连接负载的开关40，以使在测量时间间隔中平均功率测量结果时，改变有效负载。可改变脉宽或占空比来改变有效负载值。

动态改变假负载的能力对于其‘友好寄生’负载可能变化的装置是有用的。例如，自充电蓄电池单独充电时，与当其连接至移动电话充电时相比，可能有不同的‘友好寄生’负载。控制单元36可以检测是否连接了电话，从而调整假负载。可选地，电话可以将其‘友好寄生’负载传递到蓄电池。也可以检测其他有助于附加的‘友好寄生’负载的可拆装的附件，从而调整假负载。这包括例如，但不限于，可拆装的照相机附件、外壳、和扬声器。

除了提供关于次级装置30的负载需求信息以及寄生信息以外，可以使用该方法，以使初级单元10能够推断出关于次级装置30的其他信息。例如，初级单元10可以接收关于序列号、型号、功率需求的信息、或者存储在次级装置中的其他信息。这可以通过同步或异步地动态改变负载来实现。可以使用振幅调制或脉宽调制。可以使用多个‘位’或‘符号’(其中‘符号’表示多个振幅等级或脉宽持续时间，因此其大于一个‘位’)。

在另一个实施例中，通过调制施加到电驱动单元的AC电压信号106，初级单元10能够向次级装置30传输信息，而不是同步信号。该信息可包括但不限于：关于初级单元10的信息，例如，充电成本、功率容量、编码；关于初级单元位置的信息，例如，附近的设备；以及其他的信息，例如，广告材料。次级装置30可以通过检测元件200和控制单元36来接收这种信息。

本领域的技术人员应该明白，为了获得优点不必同时实现所有这些特征。例如，通过只使用第一和第二测量，可以实现待机检测特征。类似地，通过只使用第一和第三测量，可以实现寄生检测特征。通过只使用第四测量，可以实现过载检测特征。可以通过初级装置推导出关于次级装置30的信息，而不必实现其他的特征。类似地，可以将信息从初级单元发送到次级装置而不实现其他的特征。可以使用另外的测量值来实现附加的特征。应该理解，标记每个测量只是为了识别的目的，并且可以以任意顺序执行测量。

除了描述的在每个测量之前发送同步信号以及以其出现的顺序来识别每个测量的方法以外，还有其他的识别每个测量的方法。这些方法包括但不限于：在每个测量之前发送不同的同步信号，由此，同步信号可能在频率偏移、振幅、或相位方面不同；或者只发送第一同步信号并通过对接收的信号周期计数的计数器或每个次级装置中的内部时钟来推导其他测量的时序。甚至可以一个接一个的执行几个测量，而其间基本没有间隙。可选地，测量由次级装置而不是由初级单元发起。次级装置可发起‘前同步码’动态负载调制，初级单元将对其检测然后同步，以使其功率测量与适应其负载条件的次级装置的时序一致。为了使初级单元可以同时向一个以上的次级装置提供功率，‘前同步码’可以包括使用的一些唯一标识符，以使每个次级装置均可以被独立询问。‘前同步码’还可以用于从初级单元到次级装置的通信，以单独对每个装置寻址。

如上所述，假负载可用于表示宿主装置的‘友好寄生’负载。当然，假负载值和将被传输的友好寄生负载之间的比不限于任何特殊值。例如，假负载可以是‘友好寄生’负载值的两或三倍或者非整数倍的值。只要知道比值，初级单元就可以推导出全部‘友好寄生负载’。此外，如果装置没有任何有效的‘友好寄生’负载，可能希望为其‘分配’特殊值，以使其可用于表示装置是否需要充电。理想地，可使用一个以上的假负载。第一假负载可以被用于第二测量，并且第二假负载可以被用于第三测量。第一假负载将被用于待机检测，并且第二假负载将表示‘友好寄生’。如果次级装置具有大变化的寄生负载，则这是特别有利的。第一假负载还可用于确定需要充电的次级装置的功率需求，而不是只做待机决定。假负载值将适合于表示特定装置的功率需求。第一和第二假负载可以通过上述单独的动态可变假负载、或使用固定负载、或者两者的结合来实现。

除了上述的功率测量方法和装置，应该理解，还有很多可以用于检测初级线圈或线圈组上的负载的方法。最简单的功率测量可包括在一条电源干线(supply rail)上插入串联电阻。可以测量电阻两端的电压，并从观测的电压和已知的电阻值推导功率。通过该方法，在电阻器两端并入开关是理想，以使在测量时间以外的期间，可将电阻器短路，使得在电阻器中没有不必要的功耗。

另一种功率测量方法是测量电驱动单元中的功率。例如，理想地，通过反馈电路调节对线圈或线圈组的电驱动。反馈信号可用于推导功率测量结果。

如在例如申请人于2004年5月11日提交的共同未决的申请GB 0410503.7(本发明要求该申请的优先权)中所描述的，还可以将发送同步信号和功率测量的功能结合在单个元件内。在该系统中，功率测量包括断开初级线圈的电源，并检测未驱动的谐振电路中的衰减。断开初级线圈12的电源的动作还具有调制初级线圈中信号的作用，从而在次级装置30中接收信号。

图9示出了根据本发明的功率传输系统的第二实施例。该实施例与图4的第一实施例的主要不同之处在于执行功率检测的方法。初级单元110包括初级线圈112、电驱动单元114、控制单元116、和衰减测量单元118。该实施例中的电驱动单元114具有传统的半桥结构，其中，第一开关120连接在初级单元的第一电源线与电驱动单元的输出节点之间，且第二开关121连接在输出节点与初级单元的第二电源线之间。例如，第一和第二开关120和121可以是场效应晶体管(FET)。

电驱动单元114还包括驱动控制器119，其向开关121和122施加控制信号，以使其打开或关闭。驱动控制器119具有连接至控制单元116的输出端的控制输入端。电驱动单元144的输出节点通过电容器117连接至初级线圈112的一侧。

在本实施例中，控制单元116是微处理器。可选地，可使用ASIC以及初级单元的一些或全部其他电路元件来实现控制单元116。

衰减测量单元118包括电阻器125，其具有连接至开关128的一例的第一节点和连接至第二电源线的第二节点。电阻器125是低值电阻器。衰减测量单元118还包括具有连接至电阻器125的第一节点的输入端的运算放大器126。衰减测量单元118还包括连接至运算放大器126的输出端的模/数转换器(ADC)127。ADC 127的输出端连接至控制单元116的测量输入端。

开关128的另一侧连接至初级线圈112的另一侧。缓冲器单元122与开关128并联连接。缓冲器单元122包括彼此串联连接的电容器123和电阻器124。校准单元129与图4中的校准单元29相同。

本实施例中的每个次级装置均与图4中的次级装置30基本相同，因此这里省略了对其的描述且图9中未示出次级装置。

现在，将参照图10说明图9系统的运行。

最初，系统处于标准状态，在该状态下，控制单元116使电驱动单元114向初级线圈112提供驱动信号，以使其振荡。应该理解，在运行模式中，系统几乎所有时间都处于这种状态。开关128闭合，且包括电容器117和初级线圈112的电路形成谐振回路。

下一个状态为“缓冲”状态。在控制单元116的控制下暂停由电驱动单元114向初级线圈112施加驱动信号。驱动控制器119闭合开关121。当谐振回路中的大部分能量保留在电容器117中时，控制单元116也打开开关128。开关128的打开使缓冲单元122与谐振回路串联。缓冲单元122快速消耗保留在初级线圈112中的所有能量，在一个周期左右停止其谐振。存储在谐振回路中的大部分能量被保存在电容器117中。由次级装置30中的检测单元200和次级控制单元36检测周期的突然停止。次级控制单元36打开负载开关42。顺便说一句，应该理解，需要修改图4中的检测单元200，以检测本实施例中的缓冲状态中周期的突然停止。阈值检测器(如上所述)可被用作本实施例中的检测单元。

因此，在本实施例中，尽管还可以使用其他形式(例如，调频或调相)，但将缓冲状态用作到次级装置的同步信号。如上所述，在每个测量之前，不是总需要具有同步信号。

然后，系统从缓冲状态进入衰减状态。控制单元116闭合开关128，从谐振回路中去除缓冲单元122，从而使电容器117中的能量再次流入谐振回路中。在衰减状态中，谐振回路在未驱动谐振条件下运行。存储在谐振回路中的能量在衰减状态期间衰减。在本实施例中，衰减测量单元118通过测量流过初级线圈112的电流，来测量谐振回路中的能量衰减。相同的电流流过电阻器125并在电阻器的第一节点产生电压。该电压通过运算放大器126缓冲并通过ADC127转换为数字信号。产生的数字信号被提供给控制单元116的测量输入端。

图10示出了流过初级线圈112的电流在功率测量期间出现的标准、缓冲和衰减状态中如何变化。在该实施例中，在控制单元16中接收和处理表示测量期间内流入初级线圈的电流的数字信号，以计算谐振回路中功率衰减率的测量结果。

在谐振时，描述存储在谐振回路中能量的方程是：

$E=\frac{1}{2}L\widehat{I^2}=\frac{1}{2}C\widehat{V^2}$

其中，E是能量，L是电感， 是峰值电流，C是电容，以及

是峰值电压。

因此，如果已知电感和峰值电流或如果已知电容和峰值电压，或者它们的组合，则可以计算出在任一给定的时刻存储在初级单元的谐振回路中的能量。通常电容是已知的，峰值电流和电压可以通过合适的电路来测量，并且可以通过在测量期间观测自然谐振频率和应用以下公式推导出电感，该公式为：

$L=\frac{1}{4{\mathrm{\π}}^2{f}^{2}C}$

功率测量值P由来自谐振回路的能量(以及如此的损耗)的衰减率给出，并可以通过在时间T₁测量E₁和在另一个时间T₂测量E₂计算得到。

$P=\frac{E_2-E_1}{T_2-T_1}$

因为在谐振时，谐振回路中的电压和电流彼此间将会有90度的相位差，所以读取一个峰值电压的简便方法是在另一个过零时触发测量。

将参照图11描述用于检测根据本发明的关闭条件的第二方法。该方法可用于图1系统中。

当使用图1系统时，每个处于功率需求状态的次级装置不时地向初级单元提供关于其自身功率需求的信息。功率需求信息可以采用许多不同的形式。例如，信息可以包括用于表示“无功率需求”或“功率需求”的二进制部分。在这种情况下，在二进制部分为“功率需求”的情况下，可由次级装置提供补充信息，来表示功率需求量。可选地，功率需求信息可以仅表示功率需求量，且如果装置根本不需要功率，则可以传输“0”。也可能初级单元已经知道次级装置的功率需求。例如，可知特定类型的所有次级装置均将具有特殊的功率需求。在这种情况下，功率需求信息可仅为表示次级装置类型的代码(或一些其他的标识信息)。

所有的次级装置都可以同时向初级单元提供功率需求信息。可选地，每个次级装置单独依次地向初级单元提供其功率需求信息。

初级单元接收由每个具有功率需求状态的次级装置提供的功率需求信息。

在步骤S22中，如前所述，初级单元中的控制单元16使功率测量单元100测量由次级装置从初级单元获取的功率。实际上，测量的功率也将反映系统中的所有损耗。

在步骤S23中，控制单元16根据步骤S22中测量的功率和步骤S21中接收的功率需求信息，确定是否应限制或停止来自初级单元的感应电力供应。例如，控制单元16计算所有处于功率需求状态的次级装置的各个功率需求的总和。将该总和与在步骤S22得到的测量的功率进行比较。如果测量的功率超过功率需求总和大于阈值，则控制单元确定在初级单元附近必定存在相当大的寄生负载。在这种情况下，处理执行步骤S24，在该步骤中，初级单元进入关闭模式，并且限制或停止了来自初级单元的感应电力供应。如之前关于图2方法的描述，在步骤S25中，可以手动或自动复位系统。

如果在步骤S23中，控制单元16确定不需要限制或停止电力供应，则例如在预定的时间间隔之后，处理返回步骤S21。

为了补偿初级单元和/或次级装置中的损耗，可以调整在步骤S23中使用的关闭阈值。可以实现这点的一种方法是每个次级装置(无论是否处于功率需求状态)也都向初级单元提供关于其“友好寄生”负载的信息。类似地，如参照图4所述，可以使用校准单元计算初级单元中的损耗。

图12示出了根据本发明第三实施例的功率传输系统的部分。该系统使用RFID通信方法实现图11的关闭检测方法。

图12系统包括多个次级装置600₁、600₂、...、600_n。图12的系统还包括初级单元700。初级单元700包括RFID单元710、控制单元720、和功率测量单元730。控制单元720通常对应于前面参照图1描述的控制单元16，且功率测量单元730通常对应于参照图1描述的功率测量单元100。

除了可省略元件38、40、42、44、和200，次级装置600的特征通常与图4中次级装置30的特征相同。代替这些元件，每个次级装置600均包括其自身的负载测量单元610和RFID单元620。负载测量单元610测量提供到次级装置的实际负载(图4中的46)的功率。例如，负载测量单元610可以测量提供到实际负载46的电流和/或电压，并可以随着时间推移将这些测量结果累积起来用于求平均值，例如，平均周期可以是十秒。

在每个次级装置中的RFID单元620均可以使用RFID链接630与初级单元700中的RFID单元710通信。将每个次级装置中的负载测量单元610生成的负载测量结果提供给装置中的RFID单元620，然后通过相应的RFID链接630将其传输到初级单元中的RFID单元710。例如，RFID单元710可以不时地轮询每个次级装置中的RFID单元610。作为响应，已经被轮询的RFID单元620传输其负载测量结果。该负载测量结果对应于图11中步骤S21的功率需求信息。

如图11中的步骤S22中一样，初级单元中的功率测量单元730也测量由次级装置从初级单元获取的功率。然后，控制单元720根据测量的功率和从次级装置接收的负载测量结果的总和，确定是否应限制或停止到次级装置的电力供应。特别地，如果来自功率测量单元730的测量的功率超过来自次级装置的负载测量结果的总和大于关闭阈值，则如图11中的步骤S24中一样，控制单元720断定必定存在相当大的寄生负载，并将初级单元设置为关闭模式。

由每个次级装置生成的负载测量结果还可以表示来自次级装置的总负载，其包括次级装置和/或宿主对象的实际负载和所有友好寄生负载需求的功率量。如果实际负载不需要功率，则负载测量结果可变为只表示友好寄生负载。

在图12的实施例中，需要一些抗碰撞或防碰撞技术。在一个已知的防碰撞技术中，每个RFID单元620具有唯一的编码(或者实际上是基于统计数字唯一的一个)。初级单元中的RFID单元710发送请求在特定范围内的所有RFID单元620应答的信号。RFID单元620以编码(例如，Manchester编码)发送它们的应答，以使RFID单元710能够断定是否一个以上装置已应答。初级单元逐渐减小范围，直到可以唯一地识别每个现存装置的编码。通常，在每一次叠代中都将编码的范围减半，以快速返回(home in)。

应该理解，代替RFID，可使用任何适当的通信链路，以允许每个次级装置将其功率需求信息传输至初级单元。例如，可以使用红外线或超声波通信。可选地，每个次级装置可以改变其强加到初级单元上的负载，来传输功率需求信息。例如，每个次级装置可以强加表示其实际负载需要的功率值的假负载。在该技术中，所有处于功率需求状态的次级装置均可以同时强加其各自的假负载，以使初级单元可以在一次测量中直接得出所有次级装置的功率需求的总和。可选地，假负载可以表示来自次级装置的总负载，总负载包括次级装置和/或宿主对象的实际负载和所有友好寄生负载需要的功率值。

Claims (35)

1.一种控制感应功率传输系统中感应功率传输的方法，所述感应功率传输系统包括：初级单元，可操作以产生电磁场；以及至少一个次级装置，可与所述初级单元分离，并且适合于当所述次级装置接近所述初级单元时与所述场耦合，以使所述次级装置可以从所述初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触，所述方法包括：

检测在一方面从所述初级单元获取的功率与另一方面所述次级装置需要的功率之间，或者如果存在一个以上的次级装置，则与所述次级装置需要的总功率之间是否有相当大差别；以及

在这种检测之后，限制或停止来自所述初级单元的感应电力供应。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

将所述或每个次级装置设置为空载状态，在这种状态下，基本上防止了将所述次级装置感应接收的任何所述功率提供到其实际负载；以及

在所述初级单元中，当所述或每个次级装置被设置为所述空载状态时，测量从所述初级单元获取的功率，并根据所测量的功率限制或停止来自所述初级单元的感应电力供应。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，在所测量的功率大于阈值的情况下，限制或停止所述感应电力供应。

4.根据权利要求2或3所述的方法，还包括在所测量的功率小于待机阈值的情况下，限制或停止所述感应电力供应。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述初级单元中，从所述或每个处于功率需求状态的次级装置接收涉及有关的所述次级装置的功率需求的信息；以及

在所述初级单元中，当将功率提供给具有所述功率需求状态的所述或每个次级装置时，测量从所述初级单元获取的所述功率，并根据所测量的功率和所接收的功率需求信息限制或停止来自所述初级单元的所述感应功率传输。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，根据所述测量的功率与具有所述功率需求状态的所述次级装置的各个功率需求的总和之差，限制或停止来自所述初级单元的所述感应电力供应。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在所测量的功率超过所述总和大于阈值的情况下，限制或停止所述感应电力供应。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，所述或每个次级装置使用RFID方法将其功率需求信息传输给所述初级单元。

9.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，所述或每个次级装置通过改变由所述次级装置强加在所述初级单元上的负载来将其功率需求信息传输给所述初级单元。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其中，所述初级单元已在其中登记至少一个所述次级装置的功率需求，并且从所述次级装置传输的所述功率需求信息是标识所述次级装置的信息，并且所述初级单元使用所述标识信息来检索所述装置的所登记的功率需求。

11.根据权利要求5至10中任一项所述的方法，其中，不具有所述功率需求状态的所述或每个所述次级装置也向所述初级单元传输这种功率需求信息。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，由未处于所述功率需求状态的所述或每个所述次级装置传输的所述功率需求信息表示由所述次级装置强加在所述初级单元上的寄生负载。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括当执行所述检测时，使用关于所述初级单元自身损耗的第一补偿信息，以补偿所述损耗。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括当所述初级单元有效地处于电磁屏蔽状态时，从通过所述初级单元获得的测量结果得到所述第一补偿信息的部分或全部。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括当执行所述检测时，使用关于由所述或每个次级装置强加在所述初级单元上的寄生负载的第二补偿信息，以补偿所述或每个次级装置的所述寄生负载。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述或每个所述次级装置将其所述第二补偿信息直接传递给所述初级单元，或将其他信息传递给所述初级单元，所述初级单元从所述其他信息中得到所述第二补偿信息。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述或每个所述次级装置通过改变由其强加在所述初级单元上的负载，将其所述第二补偿信息或其所述其他信息传输到所述初级单元。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述或每个所述次级装置具有表示其所述寄生负载的假负载，所述次级装置将所述寄生负载强加在所述初级单元上，以改变由其强加在所述初级单元上的所述负载。

19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其中，所述第一补偿信息的部分或全部和/或所述第二补偿信息的部分或全部是在所述初级单元制造和/或测试期间存储在所述初级单元中的信息。

20.根据权利要求13至19中任一项所述的方法，还包括当所述初级单元的一个或多个运行条件改变时，改变所述第一和第二补偿信息中的一个或两个。

21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其中，所述或一个所述次级装置可以单独使用或与另一物体结合使用，并且根据所述装置是单独使用还是在所述结合中使用，来改变所述第二补偿信息。

22.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：

所述或每个所述次级装置向所述初级单元报告表明所述次级装置是处于无功率需求状态还是处于功率需求状态的状态信息，其中，在无功率需求状态中，所述次级装置的实际负载当前不需要来自所述初级单元的功率，在功率需求状态中，所述实际负载当前确实需要来自所述初级装置的功率；以及

所述初级单元根据由所述或每个次级装置报告的所述状态信息，限制或停止来自它的所述感应电力供应。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述初级单元限制或停止所述感应功率传输，除非由至少一个次级装置报告的所述状态信息表明其具有所述功率需求状态。

24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，两个或多个次级装置同时向所述初级单元报告它们各自的状态信息。

25.根据权利要求22、23、或24所述的方法，其中，所述或每个所述次级装置通过改变由其强加在所述初级单元上的负载，来报告其所述状态信息。

26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将同步信号从所述初级单元传输到所述或每个所述次级装置，或从所述或每个所述次级装置传输到所述初级单元，以使所述初级单元和所述或每个所述次级装置的运行同步。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，由所述初级单元的初级线圈产生所述电磁场，并且通过调制施加到所述初级线圈的驱动信号，将所述同步信号从所述初级单元传输到所述或每个所述次级装置。

28.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，由电驱动单元驱动的初级线圈产生所述电磁场，从所述初级单元的电源将所述驱动单元的电功率提供到所述驱动单元的功率输入端，并且通过暂时断开所述电源并在断开期间检测所述功率输入端的变化来测量从所述初级单元获取的所述功率。

29.根据权利要求28所述的方法，还包括将能量存储在连接至所述功率输入端的能量存储单元中，以使当所述电源断开时，可将功率连续供应到所述功率输入端。

30.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其中，由初级线圈产生所述电磁场，并且所述方法还包括：

在测量期间，使包括所述初级线圈的电路在未驱动谐振条件下工作，在所述条件下，暂停将驱动信号施加到所述初级线圈，以使存储在所述电路中的能量在所述周期期间衰减；

在所述周期期间，进行一个或多个这种能量衰减的测量，并使用所述一个或多个测量，来测量从所述初级单元获取的所述功率。

31.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括根据所述次级装置需要的所述功率，或者如果存在一个以上次级装置，则根据所述次级装置需要的总功率，来改变所述场的场强。

32.一种感应功率传输系统，包括：

初级单元，可操作以产生电磁场；

至少一个次级装置，可与所述初级单元分离，并且适合于当所述次级装置接近所述初级单元时与所述场耦合，以使所述次级装置可以从所述初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触；

用于检测在一方面从所述初级单元获取的功率与另一方面所述次级装置需求的功率之间，或者如果存在一个以上的次级装置，则与所述次级装置需求的总功率之间是否存在相当大差别的装置；以及

可操作以在这种检测之后限制或停止来自所述初级单元的所述感应电力供应的装置。

33.一种初级单元，用于还具有至少一个可与所述初级单元分离的次级装置的感应功率传输系统中，所述初级单元包括：

用于当次级装置接近所述初级单元时产生与所述至少一个次级装置耦合的电磁场，以使所述次级装置可以从所述初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触的装置；

用于检测在一方面从所述初级单元获取的功率与另一方面所述次级装置需要的功率之间，或者如果存在一个以上的所述次级装置，则与所述次级装置需要的总功率之间是否存在相当大差别的装置；以及

可操作以在这种检测之后限制或停止来自所述初级单元的所述感应电力供应的装置。

34.一种次级装置，用于包括产生电磁场的初级单元的感应功率传输系统中，所述次级装置包括：

次级线圈，适合于当所述次级装置接近所述初级单元时与所述初级单元产生的所述场耦合，以使所述次级装置可以从所述初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触；

负载连接装置，连接至所述次级线圈，且适合于当次级装置正在使用时连接至需要来自所述初级单元的功率的负载，用于向所述负载提供这种感应接收的功率；以及

检测装置，用于检测由所述初级单元传输的同步信号；以及

控制装置，响应于所述同步信号的所述检测，将所述次级装置设置为空载状态，在所述空载状态下，基本上防止了通过所述负载连接装置向所述负载提供任何所述感应接收的功率。

35.一种次级装置，用于包括产生电磁场的初级单元的感应功率传输系统中，所述次级装置包括：

次级线圈，适合于当所述次级装置接近所述初级单元时与所述初级单元产生的所述场耦合，以使所述次级装置可以从所述初级单元感应地接收功率，而无需彼此直接的导电接触；

负载连接装置，连接至所述次级线圈，且适合于当次级装置正在使用时连接至需要来自所述初级单元的功率的负载，用于向所述负载提供这种感应接收的功率；以及

RFID通信装置，使用RFID通信方法，可操作以向所述初级单元提供关于所述次级装置的功率需求的信息。

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