TW202130093A - 無線電力轉移及通訊 - Google Patents

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威翰墨斯 傑拉德斯 瑪麗亞 艾特斯
帕司可 李奧納德 瑪麗亞 西奧多 黎本斯
海 弗爾德 喬翰尼斯 胡伯特斯 傑拉德斯 歐
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Abstract

提供一種包含用於經由一感應式電力信號將電力提供至一電力接收器的一電力傳輸器的無線電力轉移系統，其包含一電力傳輸器，該電力傳輸器繼而包含一傳輸器諧振電路，該傳輸器諧振電路包含一電力傳輸電感器，該傳輸器諧振電路具有在一第一頻率的一傳輸諧振並經配置用於產生該電力轉移信號，該電力傳輸電感器經配置以可磁耦合至該電力接收器中的一電力接收器電感器、一電力傳輸器驅動器，其可操作地耦接至該電力傳輸器諧振電路並經配置以產生用於該電力傳輸電感器的一驅動信號、一傳輸器通訊諧振電路，其不同於該傳輸器諧振電路並直接地或電容地耦接至該電力傳輸電感器，其經配置以在與該第一頻率不同的一第二頻率建立用於通訊的一傳輸器通訊諧振，其中該電力傳輸電感器參與在傳輸諧振及傳輸器通訊諧振二者中，且其中該傳輸器諧振電路及該傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者。

Description

無線電力轉移及通訊
本發明係關於無線電力轉移中的通訊，尤其但非排他地關於電力傳輸器與電力接收器之間需要轉移顯著資料量的通訊。
現今大多數的電產品需要專用電接觸件，以從外部電源供電。然而，此往往係不切實際的並要求使用者實體地插入連接器或以其他方式建立實體電接觸。一般而言，電力需求亦顯著地不同，且目前大多數裝置具備其自己的專用電源，導致一般使用者具有大數目的不同電力供應器，其中各電力供應器專用於特定裝置。雖然，內部電池組的使用可在使用期間避免至電源之有線連接的要求，由於電池組會需要再充電（或更換），此僅提供部分解決方案。電池組的使用亦可實質增加裝置的重量及潛在成本及大小。
為提供經顯著改善的使用者體驗，已建議使用無線電力供應器，其中電力係從電力傳輸器裝置中的傳輸電感器感應地轉移至個別裝置中的接收器線圈。
經由磁感應的電力傳輸係已為人熟知的概念，大部分施用在具有在一次傳輸電感器/線圈與二次接收器線圈之間的緊密耦合的變壓器中。藉由分開二個裝置之間的一次傳輸器線圈及二次接收器線圈，基於鬆耦合變壓器之原理，其等之間的無線電力轉移變得可能。
此一配置允許無線電力轉移至裝置，而不需要任何導線或進行實體電連接。實際上，可簡單地允許裝置放置成相鄰於傳輸器線圈或在該傳輸器線圈的頂部上以再充電或外部供電。例如，電力傳輸器裝置可配置有裝置可簡單地放置於其上以供電的水平表面。
此外，此類無線電力轉移配置可有利地設計使得電力傳輸器裝置可搭配各種電力接收器裝置使用。具體而言，已定義稱為Qi規格的一種無線電力轉移方法，且目前正進一步發展。此方法允許符合Qi規格的電力傳輸器裝置搭配亦符合Qi規格的電力接收器裝置使用，而不需要其等必需來自相同製造商或必需專用於彼此。Qi標準進一步包括允許調適於特定電力接收器裝置之操作（例如，取決於特定電力消耗）的一些功能。
Qi規格係由無線充電聯盟(Wireless Power Consortium)開發，而更多資訊可在，例如，其網站上發現：http://www.wirelesspowerconsortium.com/index.html ，其中具體而言可發現已定義規格的文獻。
在電力轉移可開始之前，電力傳輸器及電力接收器需要執行用於電力轉移之條件的相互識別及協商。此等係定義在Qi規格中，作為使用電力信號之調變的通訊方法。由於電力信號載波的頻率係在100kHz區域中及系統的慣性顯著，可能的資料速率相對低。
在一些情況下，特別係使用較高電力系統的情況下，因為安全的理由需要更多的檢查，需要交換的資料量變得顯著。
因此，本發明尋求單獨地或採用任何組合緩和、減輕、或消除上文提及之問題的一或多者。
因此，提供一種用於經由一感應式電力轉移信號將電力無線地提供至一電力接收器的電力傳輸器，該電力傳輸器包含一傳輸器諧振電路，該傳輸器諧振電路包含一電力傳輸電感器，該傳輸器諧振電路具有在一第一頻率的一傳輸諧振並經配置用於產生該電力轉移信號，該電力傳輸電感器經配置以可磁耦合至該電力接收器中的一電力接收器電感器、一電力傳輸器驅動器，其可操作地耦接至該電力傳輸器諧振電路且經配置以產生用於該電力傳輸電感器的一驅動信號；及一傳輸器通訊諧振電路，其不同於該傳輸器諧振電路並直接地或電容地耦接至該電力傳輸電感器且不顯著地磁耦合至該電力傳輸器電感器，其經配置以在與該第一頻率不同的一第二頻率建立用於通訊的一傳輸器通訊諧振，其中該電力傳輸電感器參與在傳輸諧振及傳輸器通訊諧振二者中，且其中該傳輸器諧振電路及傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者。
此配置對電力傳輸器及電力接收器的相對擺置不太敏感，因此由使用者移動電力接收器而中斷通訊的風險較小。此外，設計約束相較於基於NFC系統寬鬆，使電力傳輸器及電力接收器的整體設計變得更容易。連同組件上的可能節省，此可有助於降低整體系統的成本。
在一實施例中，該電力信號及該通訊信號經由該電力傳輸電感器傳遞。
在一實施例中，該電力信號及通訊信號可同時存在。
因為該傳輸諧振及通訊諧振同時存在，可能使該電力轉移信號及通訊信號同時存在。此外，該通訊載波的該MHz頻率提供遠高於使用該電力信號之調變（諸如負載調變）的該技術之頻寬的可能性。
在一實施例中，在該電力傳輸器中，該傳輸器通訊諧振電路包含一傳輸器通訊電感器(305)，該傳輸器通訊電感器(305)經配置以不實質地磁耦合至存在於一電力接收器中的一接收器通訊電感器。
因為該等通訊電感器未磁耦合至任何顯著程度且該通訊信號傳遞該電力傳輸電感器及電力接收電感器，該通訊信號較不易於為電力接收器及電力傳輸器的該相對定位所擾動。事實上，該通訊信號由移動該電力接收器所中斷的風險進一步減少。
在一實施例中，他第二頻率係該第一頻率的至少7倍。較高的載波頻率允許比該負載調變更高的一資料速率，其繼而允許更複雜的協商/通訊協定及增強的安全特徵。
在一實施例中，該傳輸器通訊電感器係與該電力傳輸電感器分開的一組件。在一進一步實施例中，該傳輸器通訊電感器包含一電磁屏蔽。
在實施例中，該傳輸器通訊電感器係由與形成該電力傳輸電感器相同的該電感器的一部分形成。此可提供一種免除一額外組件之有成本效益的解決方案。
在一實施例中，有一種耦接至該傳輸器通訊諧振電路並經配置以產生一通訊驅動信號的通訊驅動器。此允許該電力傳輸器使用該高頻系統回應一電力接收器。
在一實施例中，該電力傳輸器進一步包含通訊接收器(501)，該通訊接收器耦接至該傳輸器通訊諧振電路並經配置解碼一通訊信號，允許該電力傳輸器接收高頻通訊。
類似地，提供一種用於經由一感應式電力轉移信號無線地接收電力的電力接收器；該電力接收器包含一電力接收電感器，該電力接收電感器用於從該電力轉移信號提取電力、一接收器諧振電路，其可操作地耦接至該電力接收電感器並經配置以在一第一頻率建立一接收諧振、及一接收器通訊諧振電路，其不同於該接收器諧振電路並直接地或電容地耦接至該電力接收器電感器且不顯著地磁耦合至該電力接收器電感器，其經配置以在與該第一頻率不同的一第二頻率建立用於通訊的一接收器通訊諧振，其中該電力接收器電感器參與在接收諧振及接收器通訊諧振二者中，且其中該傳輸器及傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者。
在一實施例中，該通訊信號經由該電力接收電感器傳遞。
在一實施例中，該第二接收器諧振電路包含一接收器通訊電感器，該接收器通訊電感器經配置以不實質地磁耦合至存在於一電力傳輸器中的一通訊電感器。
在一實施例中，該接收器通訊電感器係與該電力傳輸電感器分開的一組件。
在一實施例中，該接收器通訊電感器包含一電磁屏蔽。
在一實施例中，該接收器通訊電感器係由與形成該電力接收電感器相同的該電感器的一部分形成。
在一實施例中，該電力接收器進一步包含一通訊驅動器，該通訊驅動器耦接至該接收器通訊諧振電路並經配置以產生一通訊驅動信號。
在一實施例中，該電力接收器進一步包含一通訊接收器，該通訊接收器耦接至該接收器通訊諧振電路並經配置解碼一通訊信號，
亦提供一種包含用於經由一感應式電力信號將電力提供至一電力接收器的一電力傳輸器的無線電力轉移系統，該系統包含一電力傳輸器，該電力傳輸器包含一傳輸器諧振電路，該傳輸器諧振電路包含一電力傳輸電感器，該傳輸器諧振電路具有在一第一頻率的一傳輸諧振並經配置用於產生該電力轉移信號，該電力傳輸電感器經配置以可磁耦合至該電力接收器中的一電力接收器電感器、一電力傳輸器驅動器，其可操作地耦接至該電力傳輸器諧振電路並經配置以產生用於該電力傳輸電感器的一驅動信號、一傳輸器通訊諧振電路，其不同於該傳輸器諧振電路並直接地或電容地耦接至該電力傳輸電感器，其經配置以在與該第一頻率不同的一第二頻率建立用於通訊的一傳輸器通訊諧振，其中該電力傳輸電感器參與在傳輸諧振及傳輸器通訊諧振二者中，且其中該傳輸器諧振電路及傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者，且該電力接收器包含一電力接收電感器，該電力接收電感器用於從該電力轉移信號提取電力、一接收器諧振電路，其可操作地耦接至該電力接收電感器並經配置以在一第一頻率建立一接收諧振、一接收器通訊諧振電路，其不同於該接收器諧振電路並直接地或電容地耦接至該電力接收器電感器，其經配置以在與該第一頻率不同的一第二頻率建立用於通訊的一第二接收器諧振，且其中該電力接收器電感器參與在接收諧振及接收器通訊諧振二者中，且其中該傳輸器諧振電路及傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者，該系統經配置以使用經由電力傳輸器電感器及電力接收器電感器經過之在該第二頻率的一載波在該電力傳輸器與電力接收器之間執行至少一部分通訊。
亦提供一種使用如本文展現的一電力傳輸器以經由一感應式電力轉移信號將電力提供至根據如本文展現之任何者的一電力接收器的無線電力轉移方法，該方法包含在該電力傳輸器中，產生一驅動信號並將該驅動信號施加至該電力傳輸電感器以便產生一電力轉移信號、藉由施加一通訊驅動信號至在該電力接收器或該電力傳輸器之其中一者中的該等第二諧振電路而產生一通訊信號，其中該電力信號及該通訊信號同時存在。
在下文描述中，相同的元件符號指定類似元件。
以下描述聚焦在可應用至使用電力轉移方法（諸如由Qi規格所知者）之無線電力轉移系統之本發明的實施例。然而，將理解本發明不限於此應用，而可應用至許多其他無線電力轉移系統。
圖1繪示根據本發明的一些實施例之電力轉移系統100的實例。電力轉移系統包含電力傳輸器101，該電力傳輸器包括（或耦接至）傳輸器線圈/電感器103。系統進一步包含電力接收器105，該電力接收器包括（或耦接至）接收器線圈/電感器107。
系統100提供可將電力從電力傳輸器101感應地轉移至電力接收器105的電磁電力信號。具體地說，電力傳輸器101產生電磁信號，該電磁信號藉由電力傳輸線圈或電感器103傳播為磁通量。電力信號一般可具有在約20 kHz至約500 kHz之間的頻率，且通常對於Qi相容系統，一般在從95 kHz至205 kHz的範圍中（或例如，對於高電力廚房應用，頻率一般可在，例如，20kHz至80kHz之間的範圍中）。電力傳輸電感器103及電力接收電感器107係鬆耦合的，且因此電力接收線圈107拾取來自電力傳輸器101的（至少部分）電力信號。因此，電力經由從傳輸器線圈103至電力接收線圈107的無線電感耦合從電力傳輸器101轉移至電力接收器105。用語電力信號主要用於指在傳輸器線圈103與電力接收線圈107之間的感應信號/磁場（磁通量信號），但應理解等效性，其亦可視為並使用為對提供至傳輸器線圈103或由電力接收線圈107拾取之電信號的參考。
在實例中，電力接收器105具體而言係經由接收器線圈107接收電力的電力接收器。然而，在其他實施例中，電力接收器105可包含金屬元件，諸如金屬加熱元件，在該情形中，電力信號直接感應渦電流，導致元件的直接加熱。
系統100可經配置以轉移實質電力位準，且具體而言，電力傳輸器101在許多實施例中可支援超過500 mW、1 W、5 W、50 W、100 W、或500 W的電力位準。例如，對於Qi對應應用，電力轉移對於低電力應用（基本電力曲線），一般可在1至5 W的電力範圍中，對於Qi規格版本1.2，至多15 W；對於較高的電力應用，諸如電力工具、膝上型電腦、無人機、機器人等，在至多100 W的範圍中；且對於非常高電力應用，諸如，廚房應用，超過100 W且至多多於1000 W。
在下文中，電力傳輸器101及電力接收器105的操作將具體參考通常根據Qi規格或適於正由無線充電聯盟發展之更高電力廚房規格的實施例描述（除了本文描述（或隨之而來）的修改及加強外）。具體而言，電力傳輸器101及電力接收器105可遵循或實質上相容於Qi規格版本1.0、1.1、或1.2的要件（除了本文描述（或隨之而來）的修改及變化）。
圖2a顯示如在電力傳輸器101之實施例中使用之半橋式開關橋接器/反流器的示意圖。DC電壓橫跨輸入端子V+及V-施加。控制開關S1及S2使得其等絕不在同一時間閉合。替代地，當S2斷開時，S1閉合，且當S1斷開時，S2閉合。開關以所欲頻率斷開及閉合，從而在輸出處產生交流信號。一般而言，反流器的輸出經由諧振電容器Cres連接至電力傳輸器電感器103。
圖2b顯示如在電力傳輸器101之實施例中使用之全橋式開關橋接器/反流器的示意圖。DC電壓橫跨輸入端子V+及V-施加。在一些操作模式中，控制開關S1及S2使得其等絕不在同一時間閉合。控制開關S3及S4使得其等絕不在同一時間閉合。替代地，在S2及S3斷開時，開關S1及S4閉合，且接著在S1及S4或斷開時，S2及S3閉合，從而在輸出處產生方波信號。開關係以所欲頻率斷開及閉合。在另一操作模式中，在一部分的時間中，S1及S3係斷開的且S2及S4閉合，且反之亦然。此常稱為相位控制。此等配置在變成電力信號載波頻率處產生方波類型的輸出。電力傳輸器電感103之電感的效應係將此變換成接近正弦波者。然而，由於反流器中的開關具有有限的斷開及閉合時間，有直接從V+至V-之電流流動的短路實例，其在電力信號正弦波的零交叉上導致峰。頻域中的峰將顯現為電力信號的高頻分量。對於電力轉移，此等峰可藉由接收器諧振電路及任何其他必要濾波濾除。
對於高電力系統（例如轉移100 W），電力傳輸器及電力接收器一般建立通訊通道，以執行無線電力轉移的控制及/或執行電力接收器與電力傳輸器之間的認證或其他輔助資料轉移。
使用平行通訊（帶外）通道可係可行的，諸如NFC。然而，此展現一些問題。
為使NFC運作，NFC天線需要經良好對準。在諸如無線廚房的情況下，使用者移動電力接收器可能發生。在此重定位可在電力轉移之公差內的同時，其可將NFC場擾動至其將在該瞬間恰巧發生之任何NFC通訊中斷的程度。此可具有導致系統控制層級之錯誤的後果，其繼而導致電力轉移的重設。
NFC天線必須經定位以便不受電力轉移電感器103、107（傳輸或接收）影響。此將額外的設計約束強加在電力傳輸器101或電力接收器105上。
重要地，NFC系統可僅在電力信號低於相對低位準時操作。
最後，NFC系統附帶與具有通常知識者將知道之硬體及其他考量有關的成本影響。
因此，解決上述顧慮的解決方案係所欲的。
圖3繪示電力傳輸器的例示性元件，特別係與電力傳輸電感器103關聯的諧振電路。
電容器301 (Cp )連接在電力傳輸電感器103與電力傳輸器驅動器303 (PTSDRV)之間。電力傳輸器驅動器303可含有諸如相關於圖2a及圖2b描述之該等者的元件。電容器301及電力傳輸電感器103形成第一（串聯）諧振電路。在頻率上，電力信號的載波係在20與300 kHz之間。因此，諧振電路（傳輸器諧振電路）可具有在此範圍中的諧振頻率ꞷp ，例如，100 kHz，在電力信號載波之頻率周圍的某處。第二電感器305（傳輸器通訊電感器，Lc ）耦接在電力傳輸電感器103與較低的參考電位之間。在本實例中，傳輸器通訊電感器305至電力傳輸電感器103的耦接可係直接的（換言之，DC）或電容式的係所欲的。
電力傳輸電感器103及傳輸器通訊電感器305的耦接點耦接至其繼而耦接至電阻器309 (Rc )的電容器307 (Cc )。電阻器309的另一端子連接至傳輸器通訊驅動器311 (TCDRV)。傳輸器通訊接收器312耦接在電容器307與電阻器309之間，傳輸器通訊接收器312 (TCRCV)經配置以偵測、解調變、及解碼通訊信號。電力傳輸器控制器313 (PTCTRL)連接至電力傳輸器驅動器303、傳輸器通訊驅動器311、及傳輸器通訊接收器312，以便控制與電力接收器105之電力信號及通訊的產生。
第二（串聯）諧振電路（傳輸器通訊諧振電路）係由傳輸器通訊電感器305、電容器307、電阻器309、及電力傳輸電感器103形成。通訊信號之載波頻率的便利選擇會在比電力信號載波高約十倍（若不係更多）。因此，在本實例中，傳輸器通訊諧振電路的諧振頻率ꞷc 可在MHz的範圍中，例如約1.1 MHz。該通訊係相對「高頻率」。
電力傳輸器驅動器303及傳輸器通訊驅動器311二者皆參考至較低基準或較低參考電位。
圖4a顯示傳輸器諧振電路的轉移曲線。第一跡線401顯示隨頻率而變動的系統回應量值，而第二跡線403顯示相位。電力轉移中的峰405存在於約100 kHz，在傳輸器諧振電路的諧振處或周圍。
圖4b顯示傳輸器通訊諧振電路的轉移曲線。第一跡線407顯示隨頻率而變動的系統回應量值，而第二跡線409顯示相位。電力轉移中的峰411存在於約1.1 MHz，在傳輸器通訊諧振電路的諧振處。
因此電力傳輸器101用於經由感應式電力轉移信號將電力無線地提供至電力接收器103，電力傳輸器101包含傳輸器諧振電路，其包含電力傳輸電感器，該傳輸器諧振電路具有在第一頻率的傳輸諧振並經配置用於產生電力轉移信號，該電力傳輸電感器經配置以可磁耦合（亦即，可磁性地耦合）至電力接收器中的電力接收器電感器；電力傳輸器驅動器303，其可操作地耦接至電力傳輸器諧振電路並經配置以產生用於電力傳輸電感器103的驅動信號、傳輸器通訊諧振電路，其不同於該傳輸器諧振電路並直接地或電容地耦接至該電力傳輸器電感器，其經配置以在與第一頻率不同之第二頻率建立用於通訊的傳輸器通訊諧振、及通訊電路，其耦接至第二傳輸器諧振電路並經配置以產生通訊驅動信號，其中電力傳輸電感器103參與傳輸諧振及傳輸器通訊諧振二者中，且其中傳輸器諧振電路及傳輸器通訊諧振電路（在本實例中，分別係301+103及305+307+309+103）經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者。
圖5表示根據一實施例之經配置以執行電力轉移及通訊的電力傳輸器101及電力接收器103及其元件。電力傳輸器101之元件已參照圖3討論且將不描述。
在電力接收器103側上，電力接收電感器107經由電容器505 (Cp )耦接至接收器控制器507 (RCVCTRL)。電容器505亦經由電容器506在接收器控制器側上耦接至較低參考電位。應注意電力傳輸器103中的較低參考電位不具有至電力接收器105中之較低參考電位的直接連接，且各者相對於真實接地的絕對值可相當不同。電力接收電感器103及電容器505用於接收器側上的第一諧振電路（接收器諧振電路）。接收器控制器507使用接收器諧振電路從由電力接收電感器107擷取的電力信號提取電力。以類似於電力傳輸器103的方式，接收器諧振電路具有在20至200 kHz之範圍中的諧振頻率，例如在約100 kHz。傳輸器諧振電路及接收器諧振電路的諧振頻率相同係所欲的。接收器控制器507耦接至將電力提供至其的負載509。接收器控制器及負載509的耦接包含允許調變如電力接收電感器所見之負載的切換元件及/或其他元件。此耦接將不會於此處討論且在具有通常知識者的能力範圍內。
接收器通訊電感器511 (Lc )耦接在電力接收電感器107與較低基準或較低參考電位之間。在此實例中，此耦接係直接的(DC)或電容式的）係所欲的。繼而耦接至電阻器515的電容器513 (Cc )耦接至電力接收器電感器103及接收器通訊電感器511的耦接點。電阻器515的另一端子連接至接收器通訊驅動器517 (RCDRV)。
以類似於電力傳輸器103的方式，第二諧振電路（接收器通訊諧振電路）係由接收器通訊電感器511、電容器513、電阻器515、及電力接收電感器107形成。傳輸器通訊諧振電路的諧振頻率可在MHz的範圍中，例如在約1.1 MHz。
接收器通訊接收器519 (RCRCV)耦接至接收器通訊諧振電路並經配置以解調變及解碼經由接收器通訊諧振電路接收的通訊信號。
因為電力傳輸電感器103參與在傳輸器通訊諧振電路中，其傳輸具有在傳輸器通訊諧振電路之諧振周圍之載波頻率的通訊信號係可行的，亦即，在MHz範圍中。因此電力信號及通訊信號可經由電力傳輸電感器傳遞，且電力信號及通訊信號可同時存在。
因此電力接收器用於經由感應式電力轉移信號無線地接收電力；電力接收器(103)可包含：電力接收電感器(107)，該電力接收電感器用於從電力轉移信號提取電力；接收器諧振電路，其可操作地耦接至該電力接收電感器並經配置以在第一頻率建立接收諧振；接收器通訊諧振電路，其可操作地耦接至電力接收電感器(107)並經配置以在第二頻率建立第二接收器諧振；接收器通訊諧振電路，其與該接收器諧振電路不同並直接地或電容地耦接至電力接收器電感器(107)，其經配置以在與第一頻率不同的第二頻率建立用於通訊的接收器通訊諧振；及接收器通訊驅動器(517)，其耦接至第二接收器通訊諧振電路並經配置以產生通訊驅動信號，其中電力接收器電感器(107)參與在接收諧振及接收器通訊諧振二者中，且其中傳輸器諧振電路及傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者。
如圖5所示，電力傳輸電感器及電力接收電感器107係磁耦合的。在許多實例中，此耦合的電感性耦合因數k係在0.2至0.8的範圍中。然而，對於通訊電感器305、511而言，其等不具有與各別「電力」電感器103、107或與彼此的顯著磁耦合係所欲的。此一情況會有在通訊電感器305或511的一或兩者中產生反相位通訊信號的風險，其接著具有不可預測的效應且可能使通訊信號降級。更重要地，意圖使通訊信號經由傳輸器電感器103及接收器電感器107及其磁耦合傳遞。「無顯著磁耦合」意指低於1%的磁耦合對可接受效能將係足夠低的，且低於0.1%係所欲的。磁耦合的位準可藉由尋找可測量反相位通訊信號的存在而檢查。
此配置係有多個優點。
因為通訊電感器305、511未磁耦合至任何顯著程度且通訊信號經由電力傳輸電感器103及電力接收電感器107傳遞，通訊信號較不易於為電力接收器103及電力傳輸器101的相對定位所擾動。事實上，通訊信號由移動電力接收器103所中斷的風險減少。
因為該傳輸諧振及通訊諧振同時存在，可能使該電力轉移信號及通訊信號同時存在。此外，該通訊載波的該MHz頻率提供遠高於使用該電力信號之調變（諸如負載調變）的該技術之頻寬的可能性。
此外，設計約束相較於基於NFC系統寬鬆，使電力傳輸器101及電力接收器103的整體設計變得更容易。連同組件上的可能節省，此可有助於降低整體系統的成本。
現在將參考電力傳輸器103討論信號流，雖然類似分析可應用至電力接收器103。電力信號載波流動通過路徑Cp - Lp - Lc ，亦即，301-103-305。在電力信號的載波頻率（「低頻率」），電容器307 (Cc )具有高阻抗，且通訊電感器305 (Lc )具有低得多的阻抗。例如，在電力信號與通訊信號載波頻率之間有約十倍之差時，電容器307 Cc 與通訊電感器305 (Lc )之間在低頻率的阻抗差可在約40dB。此具有限制由電阻器309 (Rc )-通訊驅動器/接收器電路所見之電力信號之振幅的所欲效應。此振幅愈大，通訊接收器501將需要具有以能夠在通訊及電力信號之間區分的動態範圍愈大。通訊-電力隔離的此考量使在載波頻率中具有至少十倍差變得係所欲的。
從通訊驅動器311提供的電流流動通過路徑Rc -Cc 且在Lc 與Lp 之間分裂。在大部分經由Lc 向下流至較低參考電位的同時，部分流動通過路徑Lp - Cp -電力轉移驅動器303（或接收器控制器507）。此量可小於20%。然而，通訊載波流動通過電力傳輸電感器103的電流可僅係流動通過通訊電感器305之電流的幾個百分比。在電力傳輸電感器103中導因於通訊載波的電流可由下式給定：
Figure 02_image001
[1]
在本實例中的載波頻率處，電容器307 (Cp )及驅動器303的阻抗係低的，有效地將電力傳輸電感器103 (Lp )短路至較低基準。在本實例中，通訊載波的振幅可係電力信號載波的5%或更少。電力傳輸電感器103中的通訊載波電流亦僅係通訊電感器305中之電流的幾個百分比。然而，此可在接收側上偵測到。因此，可能獨立地且同時地在電力轉移電感器103（或用於電力接收器的107）中具有電力信號載波及低位準的通訊載波。
如先前提及的，由通訊電感器305/511所見之任何電感耦合係非常小或可忽略的係所欲的。此亦確保獲得期望信號流。
由於如相關於圖2所討論之驅動器303的本質，在電力信號的零交叉上有（較）高的頻率峰。此等可為了通訊信號之目的而在頻帶內。若通訊諧振電路之Q因子太高，此等峰可在通訊諧振電路中導致振盪。此繼而需要額外的制振，以便能夠解碼通訊信號。因此，通訊諧振電路的Q因子係低的，較佳地低於20。
在一實施例中，傳輸器通訊電感器305可係與電力傳輸電感器103分開的組件，例如表面安裝組件。此具有其係小的且可相對自由地放置的優點。
在一實施例中，傳輸器通訊電感器305包含電磁屏蔽。屏蔽可提供改善的隔離及降低非期望地耦接至其他電感器的一或多者的風險。
在一實施例中，電力傳輸電感器103係由線圈形成，且傳輸器通訊電感器305係由相同電感器的一部分形成，例如藉由將電容器307耦接至在沿著線圈之長度之某處的點。應將該點選擇成獲得期望的二個電感值。此計算係在具有通常知識者的能力範圍內。作出通訊相關部件之長度及整體之佈局的選擇使得通訊相關部件不會發現自身係以可能磁耦接至電力接收器中之電感器的方式而定位亦係所欲的，例如藉由對準成接近並大致平行於該其他電感器。
在一實施例中，接收器通訊電感器511可係與電力傳輸電感器103分開的組件，例如表面安裝組件。
在一實施例中，接收器通訊電感器511包含電磁屏蔽。
在一實施例中，電力接收電感器107係由線圈形成，且傳輸器通訊電感器511係由相同電感器的一部分形成，例如藉由將電容器513耦接至在沿著線圈之長度之某處的點。應將該點選擇成獲得期望的二個電感值。此計算係在具有通常知識者的能力範圍內。作出通訊相關部件之長度及整體之佈局的選擇使得通訊相關部件不會發現自身係以可能磁耦接至電力傳輸器中之電感器的方式而定位亦係所欲的，例如藉由對準成接近並大致平行於該其他電感器。
在無線電力轉移系統中，可能具有用於經由感應式電力轉移信號將電力提供至二者均根據實施例之電力接收器(103)的電力傳輸器(101)。電力傳輸器包含：傳輸器諧振電路，該傳輸器諧振電路包含電力傳輸電感器(103)，該傳輸器諧振電路具有在第一頻率的傳輸諧振並經配置用於產生電力轉移信號，該電力傳輸電感器經配置以可磁耦合至電力接收器(103)中的電力接收器電感器(107)、電力傳輸器驅動器(303)，其可操作地耦接至電力傳輸器諧振電路並經配置以產生用於電力傳輸電感器(103)的驅動信號、傳輸器通訊諧振電路，其不同於傳輸器諧振電路並直接地或電容地耦接至電力傳輸電感器，其經配置以在與第一頻率不同的第二頻率建立用於通訊的傳輸器通訊諧振、傳輸器通訊接收器(501)，其耦接至第二傳輸器諧振電路並經配置以從通訊信號提取資訊，其中電力傳輸電感器(103)參與在傳輸諧振及傳輸器通訊諧振二者中，且其中傳輸器諧振電路及傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠將第一諧振及第二諧振二者同時呈現在一側上。在另一側上，電力接收器(103)可包含電力接收電感器(107)，該電力接收電感器用於從電力轉移信號提取電力、接收器諧振電路，其可操作地耦接至電力接收電感器(107)並經配置以在第一頻率建立接收諧振、接收器通訊諧振電路，其可操作地耦接至電力接收電感器並經配置以在第二頻率建立第二接收器諧振、接收器通訊諧振電路，其與該接收器諧振電路不同並直接地或電容地耦接至電力接收器電感器(107)，其經配置以在與第一頻率不同的第二頻率建立用於通訊的第二接收器諧振、及接收器通訊驅動器(517)，其耦接至第二傳輸器諧振電路並經配置以產生通訊信號，其中電力接收器電感器(107)參與在接收諧振及接收器通訊諧振二者中，且其中傳輸器諧振電路及傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者。
該系統可經配置以使用經由電力傳輸器電感器及電力接收器電感器傳遞之在第二頻率的載波在電力傳輸器與電力接收器之間執行至少一部分通訊。
憑藉存在於電力傳輸器103及電力接收器105二者中的傳輸與通訊諧振，可能使用根據一實施例的電力傳輸器以經由感應式電力轉移信號將電力提供至根據一實施的電力接收器，該使用包含在電力傳輸器中，產生驅動信號並施加該驅動信號至該電力傳輸電感器，以便產生電力信號、及藉由施加通訊驅動信號至電力接收器或電力傳輸器之其中一者中的第二諧振電路在電力傳輸器103或電力接收器105的其中一者中產生通訊信號，其中電力信號及通訊信號（該「高頻率」信號）同時存在。
在具有頻帶內通訊通道的無線電力系統中，從電力接收器105至電力傳輸器103的典型通訊方法係負載調變。有利的解決方案係使用可藉由電力接收器105側上的高頻載波產生達成的相對負載調變。其允許僅具有單一高頻載波調變器的電力接收器105與具有及不具有高頻解調變器的電力傳輸器103通訊。電力信號的調變將「類似」僅具有「低」頻率、較舊負載調變之電力傳輸器的負載調變。因此，具有高頻調變器的電力接收器仍可與「舊型」電力傳輸器通訊。
初始通訊（例如在協商開始時）可使用施用至電力信號（「低頻率」）的已知負載調變技術執行。部分的此等通訊可用以為電力傳輸器103判定電力接收器105是否能夠支援本文描述的「高頻」通訊，及此是否係單工或雙工的。若此經判定係該情形，則電力傳輸器103及電力接收器105可接著移至使用「高頻」方法。
圖6a及圖6b表示根據實施例的通訊電路。在圖6a中，通訊接收器501/519耦接在電容器307/513與電阻器309/515之間。有雙擲開關601在電阻器309/515與通訊驅動器311/517之間，該雙擲開關可用以在通訊電路在接收模式時斷開通訊驅動器311/517。開關601的共同端子耦接至電阻器309/515、開關601的一個切換端子耦接至通訊驅動器311/517、且另一者連接至較低參考電位。圖6b顯示開關601的共同端子耦接至電容器307/513的另一實施例。一個切換端子耦接至第一電阻器309/515且另一者耦接至第二電阻器603，該第二電阻器繼而連接至較低參考電位。
此等配置二者皆提供半雙工通訊。期望資訊可藉由各種調變方案（諸如移幅鍵控(amplitude shift keying)、移相/頻鍵控(phase/frequency shift keying)、正交調變）或實際藉由其他技術而調變至通訊載波信號上。
在一實施例中，通訊係從電力接收器105至電力傳輸器101的單工。電力傳輸器103僅具有通訊接收器312，且電力接收器105不具有通訊接收器519。在此情形中，應將迄今顯示成連接至通訊驅動器311之電阻器309的端子連接至較低參考電位。在另一方向上具有單工通訊的一實施例中，其係會連接至電力接收器105之較低參考電位的電阻器515。
圖7表示電力轉移驅動器信號701及703的有利相對時序。如先前提及的，在電力信號的零交叉上有（較）高頻率峰。此等可為了通訊信號之目的而在頻帶內。因此，將通訊載波的調變限制至電力轉移驅動信號701之半部的一者或另一者，而非在零交叉期間使通訊信號調變可係有用的。
圖8表示用於開關鍵調變信號之偵測器電路的實施例。傳入信號(VM2)通過高通濾波器801，然後通過放大器（或比較器?）803以達到恢復電路，該恢復電路包含4位元計數器805及經配置重設計數器805的可重觸發多振動器807。然後將計數器輸出饋送至另一可重觸發多振動器809以恢復原始調變。此配置的優點係可改變每位元的載波循環數，而無需將約束強加在電力信號載波的工作循環上。接著可解碼經恢復調變以恢復該資訊。
圖9顯示相關於先前描述之實施例之調變及偵測的實例波形。跡線901顯示系統之未整流AC電力輸出，亦即，橫跨電容器506的電壓。跡線903顯示多振動器809之偵測器的輸出。跡線905顯示計數器805的輸出。跡線907顯示係多振動器807之輸出的載波偵測器信號。跡線909顯示來自比較器803的經恢復脈衝。跡線911顯示至高通濾波器的輸入。最後，跡線913顯示具有疊加於其上之通訊輸入信號調變（用於視覺化）的電力信號驅動器信號。
須注意上述實施例說明而非限制本發明，且所屬技術領域中具有通常知識者將能夠在不偏離附加申請專利範圍之範圍的情況下設計許多替代實施例。
在申請專利範圍中，不應將任何置於括號之間的參考符號解釋為對申請專利範圍的限制。動詞「包含(comprise)」及其動詞變化形式的使用未排除在請求項中陳述之該等者以外的元件或步驟的存在。一元件前的冠詞「一(a/an)」不排除複數個此類元件的存在。本發明可經由包含若干不同元件的硬體及經由經合適程式化的電腦或處理單元實施。在枚舉若干手段的裝置請求項中，此等手段的若干者可藉由硬體的一者及相同項目來體現。在相互不同的附屬項中所敘述的某些測量的這一事實並未指示此等測量之組合無法用以得利。
本發明的態樣可實作在電腦程式產品中，該電腦程式產品可係儲存在電腦可讀儲存裝置上之可由電腦執行之電腦程式指令的集合。本發明的指令可採任何可解譯或可執行碼機制，包括但不限於腳本、可解譯程式、動態鏈接程式庫(DLL)、或Java類別。可將該等指令提供為完整的可執行程式、部分可執行程式，作為現存程式的修改（例如，更新）或現存程式的擴充（例如，外掛程式）。此外，本發明之處理的部分可分布在多個電腦或處理器上。
適用於儲存電腦程式指令的儲存媒體包括所有形式的非揮發性記憶體，包括但不限於，EPROM、EEPROM、及快閃記憶體裝置、磁碟（諸如內部及外部硬碟機）、可移除磁碟、及CD-ROM光碟。電腦程式產品可分布在此一儲存媒體上，或可通過HTTP、FTP、電子郵件或通過連接至網路（諸如網際網路）之伺服器而提供下載。
100:電力轉移系統 101:電力傳輸器 103:傳輸器線圈/電力傳輸電感器/電力傳輸器/電力轉移電感器 105:電力接收器 107:接收器線圈/電力接收電感器/電力接收線圈/電力轉移電感器 301:電容器 303:電力傳輸器驅動器 305:傳輸器通訊電感器 307:電容器 309:電阻器 311:傳輸器通訊驅動器 312:傳輸器通訊接收器 313:電力傳輸器控制器 401:第一跡線 403::第二跡線 405:峰 407:第一跡線 409:第二跡線 411:峰 501:通訊接收器 505:電容器 506:電容器 507:接收器控制器 509:負載 511:接收器通訊電感器 513:電容器 515:電阻器 517:接收器通訊驅動器 519:接收器通訊接收器 601:雙擲開關 603:第二電阻器 701:電力轉移驅動器信號 703:電力轉移驅動器信號 801:高通濾波器 803:放大器 805:4位元計數器 807:可重觸發多振動器 809:可重觸發多振動器 901:跡線 903:跡線 905:跡線 907:跡線 909:跡線 911:跡線 913:跡線 Cc:電容器 Cp:電容器 Cres:諧振電容器 Lc:通訊電感器 Lp:電力傳輸電感器 Rc:電阻器 S1:開關 S2:開關 S3:開關 S4:開關 V-:輸入端子 V+:輸入端子 VM2:傳入信號
上文，以及所揭示裝置、系統、及方法的額外目的、特徵、及優點將參考附圖通過下文之裝置及方法之說明性且非限制性詳細的實施方式描述而更佳地理解，其中： 〔圖1〕表示無線電力轉移系統。 〔圖2a〕及〔圖2b〕表示用於電力傳輸器之半橋式及全橋式反流器的實例。 〔圖3〕表示根據一實施例之無線電力傳輸器中的電路系統。 〔圖4a〕及〔圖4b〕表示根據一實施例之電力傳輸器中的電力傳輸電路及通訊電路的轉移函數曲線。 〔圖5〕表示根據一實施例且經配置用於操作之電力傳輸器及電力接收器的電路系統。 〔圖6a〕及〔圖6b〕表示根據實施例之通訊電路的變形。 〔圖7〕表示根據一實施例之電力傳輸器中之信號的時序。 〔圖8〕表示根據一實施例之通訊電路之接收部件的實施例。 〔圖9〕表示根據一實施例之包括傳輸器或接收器中之電力信號及通訊信號的信號。
100:電力轉移系統
103:傳輸器線圈/電力傳輸電感器/電力傳輸器/電力轉移電感器
301:電容器
303:電力傳輸器驅動器
305:傳輸器通訊電感器
307:電容器
309:電阻器
311:傳輸器通訊驅動器
312:傳輸器通訊接收器
313:電力傳輸器控制器
Cc:電容器
Cp:電容器
Lc:通訊電感器
Lp:電力傳輸電感器
Rc:電阻器

Claims (20)

  1. 一種用於經由一感應式電力轉移信號將電力無線地提供至一電力接收器(103)的電力傳輸器(101)，該電力傳輸器(101)包含： 一傳輸器諧振電路，其包含一電力傳輸電感器，該傳輸器諧振電路具有在一第一頻率的一傳輸諧振並經配置用於產生該電力轉移信號，該電力傳輸電感器經配置以可磁耦合至該電力接收器中的一電力接收器電感器； 一電力傳輸器驅動器(303)，其可操作地耦接至該電力傳輸器諧振電路並經配置以產生用於該電力傳輸電感器(103)的一驅動信號，及 一傳輸器通訊諧振電路，其不同於該傳輸器諧振電路並直接地或電容地耦接至該電力傳輸電感器且不顯著地磁耦合至該電力傳輸器電感器，該傳輸器通訊諧振電路經配置以在不同於該第一頻率的一第二頻率建立用於通訊的一傳輸器通訊諧振， 其中該電力傳輸電感器參與在傳輸諧振及傳輸器通訊諧振二者中，且其中該傳輸器諧振電路及該傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者。
  2. 如請求項1之電力傳輸器，其中該電力信號及該通訊信號經由該電力傳輸電感器傳遞。
  3. 如請求項1或2中任一項之電力傳輸器，其中該電力信號及該通訊信號可同時存在。
  4. 如前述請求項中任一項之電力傳輸器，其中該傳輸器通訊諧振電路包含一傳輸器通訊電感器(305)，該傳輸器通訊電感器(305)經配置以不實質地磁耦合至存在於一電力接收器中的一接收器通訊電感器。
  5. 如前述請求項中任一項之電力傳輸器，其中該第二頻率係該第一頻率的至少7倍。
  6. 如請求項4之電力傳輸器，其中該傳輸器通訊電感器係與該電力傳輸電感器分開的一組件。
  7. 如請求項5之電力傳輸器，其中該傳輸器通訊電感器包含一電磁屏蔽。
  8. 如請求項3之電力傳輸器，其中該傳輸器通訊電感器係由與形成該電力傳輸電感器相同的該電感器的一部分形成。
  9. 如前述請求項中任一項之電力傳輸器，其進一步包含一通訊驅動器(501)，該通訊驅動器耦接至該傳輸器通訊諧振電路並經配置以產生一通訊驅動信號。
  10. 如前述請求項中任一項之電力傳輸器，其進一步包含一通訊接收器(501)，該通訊接收器耦接至該傳輸器通訊諧振電路並經配置解碼一通訊信號。
  11. 一種用於經由一感應式電力轉移信號無線地接收電力的電力接收器；該電力接收器(103)包含： 一電力接收電感器(107)，其用於從該電力轉移信號提取電力； 一接收器諧振電路，其可操作地耦接至該電力接收電感器並經配置以在一第一頻率建立一接收諧振，及 一接收器通訊諧振電路，其不同於該接收器諧振電路並直接地或電容地耦接至該電力接收器電感器(107)且不顯著地磁耦合至該電力接收器電感器(107)，該接收器通訊諧振電路經配置以在不同於該第一頻率的一第二頻率建立用於通訊的一接收器通訊諧振， 其中該電力接收器電感器(107)參與在接收諧振及接收器通訊諧振二者中，且其中該傳輸器諧振電路及該傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者。
  12. 如請求項11之電力接收器，其中該通訊信號經由該電力接收電感器傳遞。
  13. 如請求項10或11之電力接收器，其中該接收器通訊諧振電路包含一接收器通訊電感器(511)，該接收器通訊電感器經配置以不實質地磁耦合至存在於一電力傳輸器中的一通訊電感器。
  14. 如請求項10至12中任一項之電力接收器，其中該接收器通訊電感器(511)係與該電力傳輸電感器(107)分開的一組件。
  15. 如請求項13之電力接收器，其中該接收器通訊電感器包含一電磁屏蔽。
  16. 如請求項10至12中任一項之電力接收器，其中該接收器通訊電感器係由與形成該電力接收電感器相同的該電感器的一部分形成。
  17. 如請求項11至16中任一項之電力接收器，其進一步包含一通訊驅動器(517)，該通訊驅動器耦接至該接收器通訊諧振電路並經配置以產生一通訊驅動信號。
  18. 如請求項11至17中任一項之電力接收器，其進一步包含通訊接收器(519)，該通訊接收器耦接至該接收器通訊諧振電路並經配置解碼一通訊信號。
  19. 一種包含用於經由一感應式電力信號將電力提供至一電力接收器(103)的一電力傳輸器(101)的無線電力轉移系統，該無線電力轉移系統包含： 一電力傳輸器，其包含： 一傳輸器諧振電路，其包含一電力傳輸電感器(103)，該傳輸器諧振電路具有在一第一頻率的一傳輸諧振並經配置用於產生該電力轉移信號，該電力傳輸電感器經配置以可磁耦合至該電力接收器(103)中的一電力接收器電感器(107)； 一電力傳輸器驅動器(303)，其可操作地耦接至該電力傳輸器諧振電路並經配置以產生用於該電力傳輸電感器(103)的一驅動信號； 一傳輸器通訊諧振電路，其不同於該傳輸器諧振電路並直接地或電容地耦接至該電力傳輸電感器且不顯著地磁耦合至該電力傳輸器電感器，該傳輸器通訊諧振電路經配置以在不同於該第一頻率的一第二頻率建立用於通訊的一傳輸器通訊諧振； 其中該電力傳輸電感器(103)參與在傳輸諧振及傳輸器通訊諧振二者中，且其中該傳輸器諧振電路及該傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者，且 該電力接收器(103)包含： 一電力接收電感器(107)，其用於從該電力轉移信號提取電力； 一接收器諧振電路，其可操作地耦接至該電力接收電感器(107)並經配置以在一第一頻率建立一接收諧振； 一接收器通訊諧振電路，其不同於該接收器諧振電路並直接地或電容地耦接至該電力接收器電感器(107)且不顯著地磁耦合至該電力接收器電感器(107)，該接收器通訊諧振電路經配置以在不同於該第一頻率的一第二頻率建立用於通訊的一第二接收器諧振，且 其中該電力接收器電感器(107)參與在接收諧振及接收器通訊諧振二者中，且其中該傳輸器諧振電路及該傳輸器通訊諧振電路經配置以能夠同時呈現第一諧振及第二諧振二者， 該系統經配置以使用經由電力傳輸器電感器及電力接收器電感器傳遞之在該第二頻率的一載波在該電力傳輸器與該電力接收器之間執行至少一部分通訊。
  20. 一種使用如請求項1至10中任一項之電力傳輸器以經由一感應式電力轉移信號將電力提供至如請求項11至18中任一項之電力接收器的無線電力轉移方法，該方法包含： 在該電力傳輸器中，產生一驅動信號並施加該驅動信號至該電力傳輸電感器，以便產生一電力轉移信號； 藉由將一通訊驅動信號施加至在該電力接收器或該電力傳輸器中的該等第二諧振電路而產生一通訊信號，其中該電力信號及該通訊信號同時存在。
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