ИНДУКТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С КОНТРОЛЕМ РАБОЧЕГО ЦИКЛА Российский патент 2013 года по МПК H02J5/00 

Данная заявка заявляет приоритет на основании предварительной заявки США № 61/019,411, поданной 7 января 2008 года.

Данное изобретение касается индуктивного питания и, в частности, системы и способа беспроводного энергоснабжения.

В последние годы системы беспроводного энергоснабжения привлекают к себе повышенное внимание из-за некоторых своих достоинств по сравнению с традиционными проводными системами энергоснабжения. Некоторые более капитальные системы беспроводного энергоснабжения специально выполнены с возможностью заряжания конкретного устройства, которые могут обеспечить минимизацию проблем эффективности передачи энергии. Другие системы беспроводного энергоснабжения пытаются учесть нарушение ориентации при зарядке разных удаленных устройств и подаче разных количеств энергии. В данных системах поддержание приемлемой эффективности передачи энергии может быть затруднительно.

Некоторые системы беспроводного энергоснабжения регулируют рабочую частоту сигнала переменного тока через резонансный контур, ближе к резонансу или дальше от него, с целью увеличения или уменьшения количества энергии, доставляемого удаленному устройству. Другие системы беспроводного энергоснабжения регулируют резонансную частоту резонансного контура ближе к рабочей частоте или дальше от нее. Первой проблемой данных систем является то, что эффективность передачи энергии между индуктивным источником питания и удаленным устройством является функцией близости рабочей частоты к резонансной частоте. Так что, хотя регулирование рабочей частоты или резонансной частоты может обеспечить некоторый контроль над количеством энергии, доставляемым удаленному устройству, это может произойти за счет пониженной эффективности передачи энергии.

В других беспроводных источниках энергии используют фиксированную рабочую частоту и взамен для увеличения или уменьшения количества энергии, доставляемого удаленному устройству, регулируют напряжение на шинах, рабочий цикл, или фазу сигнала переменного тока по параллельному резонансному контуру. Первой проблемой в данном случае является то, что для приемлемой эффективности передачи энергии, источник индуктивной энергии и удаленное устройство должны быть точно подогнаны и специально выполнены с возможностью работы друг с другом.

Данное изобретение обеспечивает индуктивный источник питания, который поддерживает резонанс и регулирует рабочий цикл, базирующийся на реакции обратной связи от вторичной цепи. В одном варианте осуществления индуктивный источник питания включает в себя первичный контроллер, цепь возбуждения, цепь переключения и резонансный контур. Контроллер, цепь возбуждения и цепь переключения взаимодействуют для выработки сигнала переменного тока с выбранными рабочей частотой и рабочим циклом. Сигнал переменного тока подают в резонансный контур с целью создания индуктивного поля для обеспечения энергией вторичной цепи. Вторичная цепь обеспечивает обратную связь от приемника энергии обратно к первичному контроллеру. Эффективность передачи энергии может быть оптимизирована поддержанием рабочей частоты по существу в резонансе, а количество передаваемой энергии может контролироваться регулированием рабочего цикла.

В одном варианте осуществления вторичная цепь включает в себя вторичную обмотку, выпрямитель, переключатель, нагрузку, датчик, вторичный контроллер и средство связи. Датчик напряжения и/или тока прослеживает характеристики энергии, которые передаются обратно первичному контроллеру с помощью средства связи. По желанию, может быть обеспечена защита от перенапряжения или перегрузки по току. В случае обнаружения неисправности нагрузку отключают с помощью переключателя.

В одном варианте осуществления обеспечен процесс индуктивного создания нагрузки поддержанием по существу резонанса и регулированием рабочего цикла. Первоначально рабочую частоту и рабочий цикл устанавливают в допустимых значениях. Начальную рабочую частоту определяют прогоном диапазона частот и выбором рабочей частоты, которая обеспечивает наивысшую эффективность передачи энергии. Начальный рабочий цикл устанавливают на сравнительно низком значении, например, 20%, для уверенности в том, что во вторичную обмотку не будет передано слишком много энергии. Сразу после установки начальных значений индуктивный источник питания входит в непрерывный процесс регулирования рабочей частоты с целью поддержания по существу резонанса и регулированию рабочего цикла в зависимости от того, слишком высокое или слишком низкое количество энергии или слишком высокая температура.

Данное изобретение обеспечивает простую и эффективную систему и способ обеспечения выбранного количества беспроводной энергии с одновременно высокой эффективностью передачи. Регулирование рабочего цикла обеспечивает другой уровень контроля беспроводной передачи энергии, регулирование, которое может быть применено для тонкого регулирования количества энергии, передаваемого во вторичную цепь. Дополнительно, возможность регулирования количества передаваемой энергии с одновременным поддержанием по существу резонанса приводит в результате к меньшим общим потерям и более легкому выполнению установленных энергетических требований.

Эти и другие задачи, преимущества и признаки изобретения будут легко поняты и оценены со ссылкой на подробное описание рассматриваемого варианта осуществления и чертежи.

Фиг 1 является блок-схемой индуктивного источника питания.

Фиг.2 является блок-схемой вторичной цепи.

Фиг.3А-С, вместе, являются схемой цепи индуктивного источника питания.

Фиг.4 является схемой вторичной цепи.

Фиг.5 является технологической схемой процесса поддержания резонанса и регулирования рабочего цикла.

Фиг.6 является технологической схемой процесса регулирования рабочей частоты для поддержания резонанса.

Фиг.7 представляет собой примерный график "частота - эффективность передачи энергии".

Фиг.8 является диаграммой таймирования, показывающей изменяющийся рабочий цикл.

I. Обзор

Индуктивный источник питания, или первичная цепь, в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения представлена на фиг.1 и обозначена в целом позицией 100. Первичная цепь 100 включает в себя: первичный контроллер 110;

цепь 111 возбуждения, включающую в себя пару драйверов 112, 114; цепь 115 переключения, включающую в себя пару переключателей 116, 118; резонансный контур 120; первичный датчик 122 и беспроводной приемник 124, по желанию. Первичный контроллер 110, цепь 111 возбуждения и цепь 115 переключения вместе вырабатывают сигнал переменного тока с выбранной частотой и выбранным рабочим циклом, который передают в резонансный контур 120 с целью создания индуктивного поля для беспроводной передачи энергии вторичной цепи. Вторичная цепь, в целом, в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения представлена на фиг.2 позицией 200. Вторичная цепь 200 может включать в себя вторичную обмотку 210, выпрямитель 212, переключатель 214, нагрузку 216, датчик 218 тока, или датчик 220 напряжения, вторичный контроллер 222, сигнальный резистор 224 для обеспечения связи с использованием отраженного импеданса, и, по желанию, беспроводной передатчик 226.

При работе, вариант осуществления процесса регулирования рабочего цикла показан на фиг.5, начальную рабочую частоту устанавливают в блоке 504 по существу в резонансной частоте, а начальный рабочий режим устанавливают в блоке 506 при сравнительно низком значении. Первичный контроллер непрерывно регулирует рабочую частоту в блоке 508 для поддержания по существу резонансной частоты и непрерывно определяет в блоке 510, не является ли количество передаваемой энергии слишком высоким. Если энергии передают слишком много или температура выше величины заданного порога, то в блоке 514 рабочий цикл снижают. Если энергии передают слишком мало, тогда в блоке 512 рабочий цикл повышают. Различные условия могут временно или перманентно уменьшить или остановить передачу энергии.

II. Индуктивный источник питания

Данное изобретение пригодно для применения в широком разнообразии индуктивного энергоснабжения. Используемый здесь термин "индуктивный источник питания" предназначен для широкого включения любого индуктивного источника питания, способного к беспроводному обеспечению энергией. Данное изобретение также пригодно для применения с "адаптивными индуктивными источниками питания". Используемый здесь термин "адаптивный индуктивный источник питания" предназначен для широкого включения любого индуктивного источника питания, способного к беспроводному обеспечению энергией при множестве разных частот. Для целей раскрытия информации данное изобретение описано на примере конкретного адаптивного индуктивного источника питания, показанного на фиг.3А-3С. Представленный адаптивный индуктивный источник питания 310, 312, 314 является только примером, однако и данное изобретение может быть выполнено по существу с любым индуктивным источником питания, который может быть модифицирован для обеспечения индуктивной энергии в различных рабочих циклах.

В иллюстрируемом варианте осуществления адаптивный индуктивный источник питания 310, 312, 314, в общем, включает в себя первичный контроллер 310, низковольтный источник питания 312, запоминающее устройство 314, цепь 316 возбуждения, цепь 318 переключения, резонансный контур 320, датчик 322 тока, фильтр 324 и, по желанию, беспроводной приемник 326. При работе первичный контроллер 310, цепь 316 возбуждения и цепь 318 переключения подают энергию в резонансный контур 320 для выработки источника электромагнитной индуктивной энергии с выбранной частотой и выбранным рабочим циклом.

Первичный контроллер 310 иллюстрируемого варианта осуществления включает в себя два микроконтроллера, один для контроля частоты, а другой для контроля рабочего цикла. Микроконтроллер частоты может быть микроконтроллером, например, PIC24FJ32GA002 или микропроцессором более общего назначения. Микроконтроллер рабочего цикла может быть микроконтроллером, таким как dsPIC30F2020, или микропроцессором более общего назначения. В альтернативных вариантах осуществления первичный контроллер 310 может быть выполнен с использованием простого микрокомпьютера FPGA с аналоговой или цифровой схемой. Цепь 316 возбуждения может быть из отдельных компонентов, как показано на Фиг.3С, или они могут быть встроены в первичный контроллер 310. В первичный контроллер 310 может быть включен осциллятор (не показан).

Первичная цепь 310, 312, 314 может также включать в себя низковольтный источник питания 312 для подачи низковольтной энергии первичному контроллеру 310, цепи возбуждения, а также любых других компонентов, требующих для работы низковольтной энергии. В иллюстрируемом варианте осуществления низковольтный источник питания 312 обеспечивает уровень входного напряжения до 3,3 В. В альтернативных вариантах осуществления может быть обеспечено разное напряжение.

В данном варианте осуществления различные компоненты первичной цепи 310, 312, 314 совместно возбуждают резонансный контур 320 на частоте и рабочем цикле, диктуемых первичным контроллером 310. В частности, первичный контроллер 310 контролирует таймирование цепи 316 возбуждения и цепи 318 переключения. Таймирование относится как к частоте, так и рабочему циклу вырабатываемого сигнала. Используемая здесь частота относится к числу повторов законченной формы волны в единицу времени. Рабочий цикл относится к соотношению времени, в течение которого законченная форма волны является высокой, к общему количеству времени законченной формы волны. Таким образом, квадратная волна, показанная на фиг.8, может быть описана ее частотой и рабочим циклом. Дополнительно, рабочий цикл можно регулировать, поддерживая в то же время одну и ту же частоту, а частоту можно регулировать, поддерживая один и тот же рабочий цикл. Цепь 316 возбуждения иллюстрируемого варианта осуществления включает в себя два отдельных драйвера и может включать в себя дополнительные компоненты цепи для усиления и фильтрации сигнала. Например, в данном варианте осуществления сигнал усиливают до 20 В без воздействия на таймирование.

Цепь 318 переключения включает в себя два переключателя. В данном варианте осуществления переключатели выполнены в виде МОП-транзисторов с полевым эффектом (MOS field effect transistors). В альтернативных вариантах осуществления для выполнения цепи могут быть использованы другие компоненты цепи. Дополнительно, в зависимости от энергетических потребностей, во время изготовления могут быть выполнены канальные полевые униполярные МОП-транзисторы (MOSFETs) с разными характеристиками. В некоторых вариантах осуществления на монтажной плате могут быть обеспечены сложные комплекты переключателей, допускающие, на основании энергетических потребностей данного применения, пайку единого комплекта переключателей во время изготовления.

В одном варианте осуществления цепь 115 переключения включает в себя два отдельных переключателя 116, 118, которые включены на одну и ту же частоту, но не в фазе друг с другом. Фиг.8 иллюстрирует таймирование для одного варианта осуществления такой цепи переключения. На фиг.8 оба переключателя имеют один и тот же рабочий цикл, но смещены во времени относительно друг друга на половину периода переключения формы волны. В альтернативных вариантах осуществления каждый переключатель может быть смещен во времени на разную величину по отношению друг к другу. То есть отделение на половину периода и при одном и том же рабочем цикле желательно, но не обязательно для переключателей, поскольку это может привести к повышенной эффективности передачи энергии от индуктивного источника питания к удаленному устройству.

Резонансный контур 320 обычно включает в себя первичную обмотку и конденсатор. Первичная обмотка данного варианта осуществления является катушкой индуктивности без сердечника. Может быть также применена катушка индуктивности с сердечником, если надлежащие соображения предусмотрены с целью пространственной свободы, мониторинга всей энергии и обратной связи. Емкостное сопротивление конденсатора может быть выбрано так, чтобы сбалансировать импеданс первичной обмотки при ожидаемых рабочих параметрах. В данном варианте осуществления, хотя показаны три конденсатора резонансного контура, нет необходимости впаивать в цепь во время изготовления все три конденсатора. Можно изготовить индуктивный источник питания, который во время пайки может иметь соответствующую величину емкости, выбранную пайкой или включением разных конденсаторов в цепь. Резонансный контур 320 может быть либо последовательным резонансным контуром (как показано на фиг 3.С) или параллельным резонансным контуром (не показано). Данное изобретение может быть включено в адаптивный индуктивный источник питания, показанный в патенте США Patent 6,825,620, который включен сюда посредством ссылки. В качестве другого примера, где данное изобретение может быть включено в адаптивный индуктивный источник питания, представленное в публикации заявки США 2004/130916 A1, заявитель Баарман (Baarman), которая озаглавлена "Adapted Inductive Power Supply" (Адаптированный индуктивный источник питания) и опубликована 8 июля 2004 г. (U.S. Serial № 10/689,499, поданная 20 октября 2003 г.), которая также включена сюда посредством ссылки. Дополнительно, может быть подходящим применение данного изобретения в соединении с адаптивным индуктивным источником питания, пригодным для установления беспроводных связей с удаленным устройством, например, адаптивным индуктивным источником питания, представленным в публикации заявки США 2004/130915А1, заявитель Баарман (Baarman), которая озаглавлена "Adapted Inductive Power Supply with Communication" (Адаптированное индуктивное энергоснабжение со связью) и опубликована 8 июля 2004 г. (U.S. Serial № 10/689,148, поданная 20 октября 2003 г.), включенная сюда посредством ссылки. Еще дополнительно, может быть подходящим применение данного изобретения с катушкой на печатной плате, например, включающей в себя принципы изобретения по заявке США №60/975,953, которая озаглавлена "Printed Circuit Board Coil" (Катушка на печатной плате) и заявлена 28 сентября 2007 г. Баарманом и др. (Baarman et al.), и включена сюда посредством ссылки в полном объеме. В других альтернативных вариантах осуществления катушка индуктивности может быть выполнена, как катушки индуктивности, с множеством ответвлений и/или конденсаторы могут быть выполнены как банк переключаемых конденсаторов, которые могут быть использованы для динамичного, перед или во время применения, изменения резонанса первичной цепи, например, как описано в патенте США Patent 7,212,414, который озаглавлен "Adaptive Inductive Power Supply" (Адаптивный индуктивный источник питания) и выдан 1 мая 2007 г. Баарману (Baarman), и включенный сюда посредством ссылки.

В некоторых режимах работы первичный контроллер 310 может устанавливать рабочую частоту в виде функции ввода от датчика 322 тока. Контроллер 310, в свою очередь, управляет цепью 316 возбуждения с установленной им частотой. Цепь 316 возбуждения обеспечивает сигнал, необходимый для работы цепи 318 переключения. В результате цепь 318 переключения обеспечивает энергию переменного тока резонансному контуру 320 от источника энергии постоянного тока. В альтернативном варианте осуществления рабочую частоту устанавливают от отдельного канала связи, например, беспроводного приемника 326, выполненного в данном варианте осуществления в виде приемника инфракрасного излучения (IR receiver).

Первичный контроллер 310 может также устанавливать рабочий цикл в виде функции ввода от датчика 322 тока. Запланированное шунтирование сигнального резистора на вторичной обмотке, которое будет описано более подробно ниже, может быть использовано для обеспечения информации в первичную обмотку, используя отраженный импеданс, обнаруженный датчиком 322 тока. Альтернативно, рабочий цикл может быть установлен с использованием отдельного канала связи, например, беспроводного приемника 326, выполненного в данном варианте осуществления в виде приемника инфракрасного излучения (IR receiver). Это могло бы быть около поля или других радиочастотных (RF) каналов связи.

В иллюстрируемой варианте осуществления датчик 322 тока является трансформатором тока, имеющим первичную обмотку, соединенную с резонансным контуром, а вторичную обмотку, соединенную с первичным контроллером 310. В данном варианте осуществления датчик 322 тока включает в себя схемное решение для регулирования усиления мощности датчика тока с целью аккомодации принимаемых первичным контроллером 310 диапазонов. Дополнительно, величину усиления можно регулировать первичным контроллером 310 подачей сигнала переключателю. Индуктивный источник питания 310, 312, 314 может включать в себя схему 324 кондиционирования для доведения выходной мощности трансформатора тока до требуемых параметров перед передачей ее в первичный контроллер 310. В данном осуществлении схема 324 кондиционирования представлена двухполюсным фильтром 5 кГц. Хотя иллюстрируемый вариант осуществления включает в себя трансформатор тока для измерения отраженного импеданса вторичного или удаленного устройства, индуктивный источник питания 310, 312, 314 может включать в себя по существу любой альтернативный тип датчика, способный к обеспечению информации соответствующего отраженного импеданса от вторичного устройства 400. Дополнительно, несмотря на то, что датчик 322 тока иллюстрируемого варианта осуществления соединен напрямую с резонансным контуром, датчик тока (или другой датчик отраженного импеданса) может быть расположен по существу в любом месте, где он способен к даче показаний, определяющих отраженный импеданс.

В иллюстрируемом варианте осуществления индуктивный источник питания 310, 312, 314 дополнительно включает в себя запоминающее устройство 314, способное к хранению информации, относящейся к рабочим параметрам множества вторичных устройств 400. Сохраняемая информация может быть использована для более эффективного пропуска индуктивным источником питания энергии во вторичные устройства 400 и упрощенного распознавания условий отказа. В некоторых приложениях индуктивный источник питания 310, 312, 314 может быть предназначен для использования со специфической установкой вторичных устройств 400. В таких приложениях запоминающее устройство 314 включает в себя уникальную резонансную частоту (или систему частот) для каждого вторичного устройства 400 вместе с необходимым набором связанной информации, например, максимальной и минимальной рабочих частот, текущим значением тока и максимальным и минимальным рабочим циклом. Однако запоминающее устройство 314 может включать в себя по существу любую информацию, которая может быть полезной для индуктивного источника питания 310, 312, 314 при работе вторичных устройств 400. Например, в приложениях, где желательно устанавливать беспроводную связь с вторичными устройствами 400, запоминающее устройство 314 может включать в себя информацию, касающуюся протокола беспроводной связи удаленного устройства 400.

III. Вторичная цепь

Данное изобретение предназначено для применения с широким разнообразием удаленных устройств или вторичных устройств различных моделей и конструкций. Предполагается, что данные различные удаленные устройства будут требовать энергию с изменяющейся частотой и предъявлять разные требования к энергии.

С целью раскрытия информации на фиг.4 показан один вариант осуществления вторичной цепи 400. В варианте осуществления по фиг.4 вторичная цепь обычно включает в себя вторичную обмотку 410 для приема энергии от индуктивного источника питания 310, 312, 314, выпрямитель 414 (или другие компоненты для преобразования переменного тока в постоянный ток), низковольтное энергоснабжение 412, которое масштабирует принимаемую энергию для управления вторичным контроллером 428, схемы 416, 426 кондиционирования для удаленной пульсации сигнала, датчик 418 тока, датчик 422 напряжения, переключатель 420, нагрузку 424, вторичный контроллер 428, сигнальный резистор 432 и беспроводной передатчик 430, по желанию. При работе выпрямитель 414 преобразует энергию переменного тока, вырабатываемую во вторичной обмотке 410, в энергию постоянного тока, которая обычно необходима для питания нагрузки. Альтернативно множественные вторичные обмотки, принимающие энергию на разных стадиях, могут быть использованы для снижения пульсирующего напряжения. Имеется ссылка на заявку 60/976,137, озаглавленную "Multiphase Inductive Power Supply System" (Многофазныая индуктивная система энергоснабжения) на имя Баармана и др. (Baarman et al.), которая включена сюда посредством ссылки. Многочисленные первичные обмотки могут быть востребованы в данном варианте осуществления для передачи энергии на разных стадиях. В одном варианте осуществления нагрузка имеет зарядную цепь (не показана) для аккумулятора. Зарядные цепи хорошо известны и широко применяются с множеством перезаряжаемых электронных устройств. Если надо, то зарядная цепь может быть выполнена как для зарядки аккумулятора (не показано) так и/или питания нагрузки 424. В альтернативных вариантах осуществления выпрямитель может быть необязателен, и энергию переменного тока можно переориентировать для питания нагрузки.

Датчик 418 тока устанавливает величину тока принимаемой энергии и выдает эту информацию вторичному контроллеру 428. Датчик 422 напряжения устанавливает величину напряжения принимаемой энергии и выдает эту информацию вторичному контроллеру 428. Несмотря на то, что иллюстрируемый вариант осуществления включает в себя как датчик 422 напряжения, так и датчик 418 тока, необходим лишь один датчик. Благодаря фиксации напряжения и/или тока во вторичной цепи и знанию напряжения и/или тока, поданного первичной цепью, первичный контроллер может оценить эффективность передачи энергии. Путем прогона диапазона рабочих частот, отмечая эффективность передачи энергии при каждой частоте, можно определить ближайшую к резонансной рабочую частоту - она совпадает с рабочей частотой, которая обеспечивает наилучшую эффективность передачи энергии. Дополнительно, датчики 418, 422 напряжения и тока можно использовать в сочетании с алгоритмом защиты во вторичном контроллере 428 с целью отключения нагрузки 424, если установлено состояние сбоя. Данная концепция описана в частности в публикации заявки США Patent Application № 11/855,710, озаглавленной "System and Method for Inductively Charging a Battery" (Устройство и способ индуктивного заряжания аккумулятора), Баарман и др. (Baarman et al), которая была предварительно включена посредством ссылки.

Вторичный контроллер 428 может быть по существу микроконтроллером любого типа. В иллюстрируемом варианте осуществления вторичный контроллер 428 представлен микроконтроллером ATTINY24V - 10MU. Вторичный контроллер 428 в общем включает в себя преобразователь аналоговой формы в цифровую, и запрограммирован на процесс считывания показаний напряжения и/или тока и передачи их в первичный контроллер 310 индуктивного источника питания 310, 312, 314. Микропроцессор может также включать в себя другое кодирование, не относящееся к процессам контроля частоты или рабочего цикла.

Сообщение считываемых напряжения и/или тока во вторичных устройствах может передаваться в первичный контроллер 310 множеством путей. В иллюстрируемом варианте осуществления информация может быть передана с использованием сигнального резистора 432 или беспроводного передатчика 430.

В одном варианте осуществления сигнальный резистор 432 может быть использован для посылки информации первичному контроллеру 310. Применение сигнального резистора 432 для обеспечения передачи сообщений от вторичного устройства к первичному обсуждено в публикации заявки США Patent Application № 11/855,710, озаглавленной "System and Method for Inductively Charging a Battery" (Устройство и способ индуктивного заряжания аккумулятора), Баарман и др. (Вааrmаn et al.), которая включена сюда посредством ссылки. Сигнальный резистор 432, когда зашунтирован, посылает сигнал сообщения, которое означает состояние перегрузки по току или перенапряжения. Когда резистор зашунтирован, пиковый детектор первичной цепи способен улавливать состояние перенапряжение/перегрузка по току и действовать соответствующим образом. Сигнальный резистор по данному изобретению может шунтироваться систематически, для сообщения дополнительных данных в первичный контроллер 310. Например, поток данных мог бы представлять собой считываемый ток и/или считываемое напряжение. Альтернативно, сигнальный резистор можно использовать исключительно ранее описанным образом, когда передатчик перенапряжение/перегрузка по току или резистор совершенно удален.

Применение беспроводного передатчика или приемопередатчика было ранее описано в публикации заявки США Patent Application Publication US 2004/130915 A1, Баарман (Baarman), которая озаглавлена "Adapted Inductive Power Supply with Communication" (Адаптированный индуктивный источник питания со связью), которая была предварительно включена посредством ссылки. Конкретно, заранее было обсуждено применение, в качестве путей беспроводной передачи данных от удаленного устройства к индуктивному источнику питания, стандарта WIFI на беспроводную связь, инфракрасной технологии, технологии Blue tooth (беспроводной связи разнотипных микропроцессорных устройств локальной сети) сотовой технологии или технологии RFID (радиочастотной идентификации). Дополнительно была обсуждена связь, использующая индукционные катушки и протокол связи по линии электроснабжения. Любой их этих способов передачи данных может быть выполнен по данному изобретению с целью передачи заданных данных из вторичной цепи в первичную цепь.

IV. Работа Общая работа первичной цепи 100 и вторичной цепи 200 описана в связи с фиг.5.

В данном варианте осуществления первичная цепь определяет и устанавливает начальную рабочую частоту в блоке 504. Обычно целью установки начальной рабочей частоты является ее установка насколько возможно близко к резонансной частоте, которая меняется в зависимости от многих разных факторов, включая, среди прочих, ориентацию и расстояние между первичной цепью и вторичной цепью. В данном варианте осуществления используют простой прогон частот для определения установки начальной рабочей частоты. Конкретно, в данном варианте осуществления выполнен прогон диапазона эффективных частот и отмечена эффективность передачи энергии при каждой частоте. Шаг между частотами может меняться, однако в данном варианте осуществления частоту прогоняют между 70 кГц и 250 кГц с шагом 100 Гц. Сразу после прогона полного диапазона частот в качестве начальной рабочей частоты выбирают рабочую частоту, обеспечившую наивысшую эффективность передачи энергии. Рабочая частота, которая обеспечила наивысшую эффективность передачи энергии, указывает на то, что она является наиближайшей к резонансной частотой. Дополнительные шаги по более тонкому определению частоты может облегчить последующая дополнительная регулировка. В альтернативных вариантах осуществления могут быть применены другие способы определения начальной рабочей частоты. Например, начальная рабочая частота может быть выбрана на основе известного первичного и вторичного компонента. Дополнительно, модификации в процессе прогона могут включать в себя динамическое шаговое регулирование, пропорциональное эффективности передачи энергии. В еще одном альтернативном варианте осуществления прогон может быть выполнен настолько динамично, что сохраняют только значение эффективности передачи энергии для текущей частоты и частоту с наивысшей эффективностью передачи энергии. По мере прогрессирования прогона каждое значение сверяют с наивысшим сохраненным значением, и если оно выше, то им заменяют предыдущее наивысшее значение.

В варианте осуществления, представленном на фиг.5, первичная цепь в блоке 506 устанавливает начальный рабочий цикл. Рабочий цикл соответствует количеству энергии, передаваемому в каждом цикле. Более высокий рабочий цикл, больше передаваемой за цикл энергии. В данном варианте осуществления начальный рабочий цикл установлен в 20%, который считается довольно низким, чтобы исключить риск перегрузки удаленного устройства, однако является достаточно высоким, при котором вторичной цепи передается достаточно энергии. В альтернативном варианте, исходя из условий применения, или любого количества других факторов, может быть установлен разный рабочий цикл.

Этап регулирования рабочей частоты в блоке 508 является многоступенчатым процессом, который гарантирует, что рабочая частота поддерживается по существу резонансной. Фиг.6 представляет один вариант осуществления этого процесса более подробно. В описываемом варианте осуществления рабочую частоту увеличивают на заранее выбранную величину, называемую шаг вверх. Регулировке позволяют распространиться по системе и эффективность энергии сверяют в блоке 604. Если эффективность энергии выросла, то система по существу не была в резонансе, и рабочую частоту повышают опять на шаг. Этот процесс продолжают до тех пор, пока эффективность энергии либо снизится, либо останется той же самой. Когда это происходит, рабочую частоту опускают в блок 606. В блоке 608 эффективность энергии сверяют. Если эффективность энергии возрастает, тогда рабочую частоту опять опускают на шаг, пока она не останется той же самой или снизится. Последний шаг является шагом рабочей частоты наверх в блок 610, чтобы вернуться к рабочей частоте с пиковой эффективностью. Это только один вариант осуществления процесса поддержания рабочей частоты по существу в резонансе. Для поддержания рабочей частоты по существу в резонансе может быть применен любой другой процесс.

Одна причина, по которой рабочая частота поднимается и опускается, может объясняться видом примерного графика рабочей частоты в зависимости от эффективности энергии, показанного на фиг.7. Как видно, здесь имеются несколько пиков эффективности энергии по представленному диапазону рабочих частот. Начальный прогон частот устанавливает рабочую частоту к резонансной частоте, т.е. наивысшему пику на фиг.7. Каждый раз во время регулирования, несмотря на то, что рабочая частота не изменена, значения эффективности энергии могут измениться под влиянием любого количества факторов, причем наиболее заметно передвижение вторичной цепи. Обычно изменение графика является простым небольшим перемещением, означающим, что оптимальная рабочая частота может быть в нескольких шагах в любом направлении. Это то, почему данный вариант осуществления поднимается и опускается. Если первый шаг вверх приводит к снижению эффективности передачи энергии, то процесс пока сразу же переводят на шаг вниз. Если шаговое опускание вниз также приводит к снижению эффективности передачи энергии, то ясно, что необходимости в регулировании нет и рабочая частота была уже на резонансной частоте. В альтернативном варианте осуществления для установления, как далеко от резонанса находится система, могла бы быть применена аналоговая схема, заставляющая контроллер непосредственно реагировать на собственную частоту. Одной такой схемой является фазовый компаратор.

В данном варианте осуществления рабочую частоту регулируют при каждой итерации, однако в альтернативных вариантах осуществления рабочую частоту могут регулировать менее часто или только когда события подталкивают к необходимости ее регулирования. Например, если детектор движения на вторичной цепи отмечает перемещение или изменение ориентации вторичной цепи. Или, например, если происходит резкое снижение или повышение количества энергии, передаваемого вторичной цепи.

Следующим этапом является определение в блоке 510, не является ли количество энергии, получаемое вторичным устройством, слишком высоким. Если принимаемое количество энергии слишком высокое, тогда в блоке 514 рабочий цикл передаваемой энергии снижают. Если принимаемое количество энергии не слишком высокое, тогда в блоке 512 рабочий цикл передаваемой энергии повышают. В данном варианте осуществления рабочий цикл не должен превышать приблизительно 49%, чтобы снизить риск возникновения короткого замыкания. В данном варианте осуществления после регулирования, вверх или вниз, рабочего цикла, рабочую частоту регулируют повторно в блоке 508. Как объяснялось выше, рабочий цикл относится к "переключению на время" ("switch on time") или отношению времени, в течение которого форма волны высокая, к общему количеству времени для законченной формы волны. Примерный график, иллюстрирующий сигнал с изменяющимся рабочим циклом, показан на фиг.8. График представляет диаграмму времени в зависимости от тока. Сплошная линия представляет форму волны, вырабатываемой первичной цепью при текущем рабочем цикле. Штриховая линия представляет форму волны, которая имела бы место при повышенном рабочем цикле. Штрихпунктирная линия представляет форму волны, которая имела бы место при сниженном рабочем цикле. Заметим, что поскольку рабочий цикл повышается и снижается симметрично, то частота формы волны не изменяется при регулировании в рабочем цикле. Стоит отметить, что в некоторых вариантах осуществления во время работы частота может быть нерегулируемой, в то время как регулирования рабочего цикла продолжаются.

Рабочий цикл может быть на шаг повышен или понижен на предварительно выбранную величину. В данном варианте осуществления шаговые величины повышения и понижения статичны и равны. Однако в альтернативных вариантах осуществления шаговые величины могут быть динамичными и разными. Например, в приложениях зарядки аккумуляторов может быть выгодным снижать рабочий цикл большими шагами, а повышать рабочий цикл небольшими шагами. Различным аккумуляторам требуются разные алгоритмы заряжания и для обеспечения правильного режима заряжания аккумуляторов может быть применен контроль рабочего цикла. В другом примере рабочий цикл может быть на шаг повышен или понижен пропорционально количеству необходимой вторичному устройству энергии. Количество энергии, требуемое вторичному устройству, может быть определено считыванием датчика тока и/или напряжения. При небольших изменениях в показаниях в рабочий цикл может быть внесено небольшое изменение, а там, где изменения в показаниях большие, в рабочий цикл могут быть внесены большие изменения.

В одном варианте осуществления между изменениями в рабочей частоте и изменениями в рабочем цикле встроены задержки. Эти задержки можно оценить на любой стадии разногласий, которые могут возникнуть из-за скорости, с которой изменяются рабочая частота или рабочий цикл.

Этот процесс продолжается, как предусмотрено или пока не отключат энергоснабжение, не удалят вторичное устройство или в случае зарядки аккумулятора, когда он полностью заряжен.

Первичная цепь может регулировать рабочий цикл в зависимости от потребностей вторичного устройства. Например, в одном варианте осуществления этой целью может быть поддержание некоторой величины напряжения или тока во вторичном устройстве. С помощью сигнала обратной связи от вторичного устройства, например, считываемого напряжения и/или тока, рабочую частоту можно регулировать с гарантированием оптимальной эффективности передачи энергии гарантированной работой по существу с резонансной частотой, а рабочий цикл можно регулировать с целью обеспечения дополнительной или меньшей энергии для достижения поставленной цели.

Представленное выше описание является описанием данного варианта осуществления изобретения. Возможны различные видоизменения и преобразования, не выходящие за рамки существа, и более широкие варианты изобретения.

Изобретение относится к системам и способам беспроводного электроснабжения. Индуктивный источник питания (100), который поддерживает резонанс и регулирует рабочий цикл, базирующийся на реакции обратной связи от вторичной цепи. Контроллер (110), цепь (111) возбуждения и цепь (115) переключения взаимодействуют для выработки сигнала переменного тока при выбранных рабочей частоте и рабочем цикле. Сигнал переменного тока подают к резонансному контуру (120) для создания индукционного поля с целью энергоснабжения вторичной цепи. Вторичная цепь по обратной связи сообщает о принятой энергии обратно первичному контроллеру (110). Эффективность передачи энергии может быть оптимизирована поддержанием рабочей частоты по существу в резонансе, а количество передаваемой энергии можно контролировать регулированием рабочего цикла. Технический результат - обеспечение эффективной передачи энергии. 5 н. и 30 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Индуктивный источник питания для беспроводного обеспечения энергией удаленного устройства, причем указанный индуктивный источник питания содержит:
первичную цепь для выработки сигнала при заданной рабочей частоте, причем указанная первичная цепь способна к регулированию рабочего цикла указанного сигнала с возможностью вариации количества энергии, передаваемого удаленному устройству с указанной рабочей частотой;
резонансный контур в электрической связи с указанной первичной цепью, причем указанная первичная цепь подает указанный сигнал указанному резонансному контуру для передачи количества энергии указанному удаленному устройству;
указанный индуктивный источник питания выполнен с возможностью приема реакции обратной связи от указанного удаленного устройства;
причем указанная первичная цепь выполнена с возможностью контролирования указанной рабочей частоты указанного сигнала, в ответ на указанную реакцию обратной связи, с целью оптимизации эффективности передачи энергии между указанным индуктивным источником питания и указанным удаленным устройством; и
причем указанная первичная цепь выполнена с возможностью контролирования указанного рабочего цикла указанного сигнала, в ответ на указанную реакцию обратной связи, с целью контролирования указанного количества энергии, передаваемого указанному удаленному устройству при указанной рабочей частоте.

2. Индуктивный источник питания п.1, в котором указанная первичная цепь поддерживает указанную рабочую частоту указанного сигнала, по существу, в резонансе.

3. Индуктивный источник питания по п.1, в котором указанная первичная цепь непрерывно регулирует указанную рабочую частоту для поддержания, по существу, резонанса и непрерывно регулирует указанный рабочий цикл, базирующийся на сравнении указанного количества энергии, передаваемого указанному удаленному устройству, и пороговой величины.

4. Индуктивный источник питания по п.1, в котором указанная первичная цепь контролирует указанный рабочий цикл указанного сигнала в соответствии с по меньшей мере одним режимом зарядки аккумулятора и потребностью указанного удаленного устройства.

5. Индуктивный источник питания по п.1, в котором указанная первичная цепь включает в себя:
первичный контроллер;
цепь возбуждения в электрической связи с указанным первичным контроллером;
цепь переключения в электрической связи с указанной цепью возбуждения; и
датчик измерения отраженного импеданса указанного удаленного устройства, причем указанный датчик находится в электрической связи с указанным резонансным контуром и указанным первичным контроллером.

6. Индуктивный источник питания по п.5, в котором указанная цепь переключения включает в себя пару переключателей,
при этом каждый переключатель включен в указанном рабочем цикле и с указанной рабочей частотой, но не в фазе друг с другом; и
при этом, в ответ на указанную реакцию обратной связи, указанный первичный контроллер контролирует указанную частоту каждого из указанных переключателей; и
причем, в ответ на указанную реакцию обратной связи, указанный первичный контроллер контролирует указанный рабочий цикл каждого из указанных переключателей.

7. Индуктивный источник питания по п.5, в котором указанный первичный контроллер регулирует указанную рабочую частоту указанного сигнала в виде функции ввода от указанного датчика.

8. Индуктивный источник питания по п.1, в котором указанная первичная цепь включает в себя беспроводной приемник для принятия указанного сигнала обратной связи от указанного удаленного устройства.

9. Система индуктивного энергоснабжения, содержащая:
индуктивный источник питания, включающий в себя:
первичную цепь для выработки сигнала с рабочей частотой и для регулирования рабочего цикла указанного сигнала, с целью контролирования количества энергии, передаваемого с указанной рабочей частотой; и
резонансный контур в электрической связи с указанной первичной цепью, причем указанная первичная цепь подает указанный сигнал к указанному резонансному контуру для передачи количества энергии указанному удаленному устройству;
причем указанный индуктивный источник питания настроен для приема сигнала обратной связи от указанного удаленного устройства;
отделяемое от указанного индуктивного источника питания удаленное устройство для приема энергии от указанного индуктивного источника питания, причем указанное удаленное устройство включает в себя:
вторичную обмотку, возбуждаемую указанным индукционным полем,
нагрузку в электрической связи с указанной вторичной обмоткой,
датчик в электрической связи с указанной вторичной обмоткой,
вторичный контроллер электрической связи с указанным датчиком,
и
коммуникационное устройство в электрической связи с указанным вторичным контроллером для передачи реакции обратной связи указанному индуктивному источнику питания;
в которой, в ответ на указанную реакцию обратной связи, указанная первичная цепь регулирует указанную рабочую частоту указанного сигнала, с целью оптимизации эффективности передачи энергии между индуктивным источником питания и указанным удаленным устройством; и
в которой, в ответ на указанную реакцию обратной связи, указанная первичная цепь контролирует указанный рабочий цикл указанного сигнала, с целью контролирования указанного количества энергии, передаваемого указанному удаленному устройству с указанной рабочей частотой.

10. Система индуктивного энергоснабжения по п.9, в которой указанная первичная цепь поддерживает указанную рабочую частоту, по существу, в резонансе.

11. Система индуктивного энергоснабжения по п.9, в которой указанная первичная цепь непрерывно регулирует указанную рабочую частоту, с целью поддержания, по существу, резонанса, и непрерывно регулирует указанный рабочий цикл, базирующийся на сравнении указанного количества энергии, передаваемого указанному удаленному устройству, и пороговой величины.

12. Система индуктивного энергоснабжения по п.9, в которой указанная первичная цепь контролирует указанный рабочий цикл указанного сигнала в соответствии с по меньшей мере одним режимом зарядки аккумулятора и потребностью связанного с указанным индуктивным источником питания указанного удаленного устройства.

13. Система индуктивного энергоснабжения по п.9, в которой указанная первичная цепь включает в себя:
первичный контроллер;
цепь возбуждения в электрической связи с указанным первичным контроллером;
цепь переключения в электрической связи с указанной цепью возбуждения; и
датчик измерения отраженного импеданса указанного удаленного устройства, причем указанный датчик находится в электрической связи с указанным резонансным контуром и указанным первичным контроллером.

14. Система индуктивного энергоснабжения по п.13, в которой указанная цепь переключения включает в себя пару переключателей,
в которой каждый переключатель включен в указанном рабочем цикле и с указанной рабочей частотой, но не в фазе друг с другом; и
в которой, в ответ на указанную реакцию обратной связи, указанный первичный контроллер контролирует указанную рабочую частоту каждого из указанных переключателей; и
в которой, в ответ на указанную реакцию обратной связи, указанный первичный контроллер контролирует указанный рабочий цикл каждого из указанных переключателей.

15. Система индуктивного энергоснабжения по п.13, в которой указанный первичный контроллер регулирует указанную рабочую частоту указанного сигнала в виде функции ввода от указанного датчика.

16. Система индуктивного энергоснабжения по п.9, в которой указанная первичная цепь включает в себя беспроводной приемник, а указанное удаленное устройство включает в себя беспроводной передатчик, причем указанный беспроводной приемник принимает указанную реакцию обратной связи от указанного беспроводного передатчика.

17. Способ передачи энергии от индуктивного энергоснабжения к удаленному устройству, причем указанный способ предусматривает стадии:
установление начальной рабочей частоты сигнала в указанном индуктивном источнике питания;
установление начального рабочего цикла указанного сигнала в указанном индуктивном источнике питания;
подачу указанного сигнала в резонансный контур для передачи количества энергии из указанного индуктивного источника питания к удаленному устройству;
принятие в указанном индуктивном источнике питания реакции обратной связи от указанного удаленного устройства;
регулирование, в ответ на указанную реакцию обратной связи, указанной рабочей частоты указанного сигнала, с целью оптимизации эффективности передачи энергии между указанным индуктивным источником питания и указанным удаленным устройством;
регулирование, в ответ на указанную реакцию обратной связи, рабочего цикла указанного сигнала, с целью контролирования указанного количества энергии, передаваемого указанному удаленному устройству.

18. Способ передачи энергии по п.17, в котором указанное регулирование указанного рабочего цикла предусматривает стадии:
снижение указанного рабочего цикла указанного сигнала, в ответ на установление того, что указанная энергия, передаваемая указанному удаленному устройству, превышает пороговую величину; и
повышение указанного рабочего цикла указанного сигнала, в ответ на установление того, что указанная энергия, передаваемая указанному удаленному устройству, находится ниже пороговой величины.

19. Способ передачи энергии по п.17, в котором по меньшей мере одно указанное установление начальной рабочей частоты и регулирование указанной рабочей частоты предусматривает стадии: прогона частотного диапазона; определения количества энергии, переданного указанному удаленному устройству на каждой рабочей частоте; и выбора рабочей частоты, при которой указанное количество энергии, переданное указанному удаленному устройству, довольно высокое по сравнению с другими частотами в пределах указанного частотного диапазона.

20. Способ передачи энергии по п.17, в котором по меньшей мере одно указанное установление начальной рабочей частоты и регулирование указанной рабочей частоты включает в себя стадии прогона частотного диапазона и выбора указанной рабочей частоты, ближайшей к резонансной.

21. Способ передачи энергии по п.17, в котором указанное регулирование указанной рабочей частоты предусматривает стадию непрерывного регулирования указанной рабочей частоты для поддержания, по существу, резонанса, а указанное регулирование указанного рабочего цикла предусматривает стадию непрерывного регулирования указанного рабочего цикла, базирующегося на сравнении количества энергии, передаваемого указанному удаленному устройству, и величины порога.

22. Способ передачи энергии по п.17, в котором указанное регулирование указанного рабочего цикла предусматривает стадию регулирования указанного рабочего цикла в соответствии с по меньшей мере одним режимом зарядки аккумулятора и потребностью указанного удаленного устройства.

23. Индуктивный источник питания для удаленного устройства, содержащий:
резонансный контур;
первичную цепь в электрической связи с указанным резонансным контуром, причем указанная первичная цепь выполнена с возможностью передачи сигнала указанному параллельному резонансному контуру; и
приемник, выполненный с возможностью приема сообщений от удаленного устройства, причем указанный приемник в электрической связи с указанной первичной цепью; указанную первичную цепь, выполненную с возможностью выборочного регулирования рабочей частоты указанного сигнала в виде функции указанных сообщений, с целью оптимизации эффективности передачи энергии от указанного резонансного контура удаленному устройству; указанную первичную цепь, выполненную с возможностью выборочного регулирования рабочего цикла указанного сигнала, в виде функции указанных сообщений для управления количеством передаваемой энергии удаленному устройству с указанной рабочей частотой, посредством чего указанный индуктивный источник питания поддерживает эффективность передачи энергии регулировками рабочей частоты, и в то же время поддерживая соответствующий уровень энергии при регулировании рабочего цикла.

24. Индуктивный источник питания по п.23, в котором указанный приемник дополнительно выполнен как датчик тока, электрически подключенный к указанному резонансному контуру для обеспечения сигнала, указывающего на наличие тока в указанном резонансном контуре.

25. Индуктивный источник питания по п.23, в котором указанный приемник дополнительно выполнен как приемник связи.

26. Способ беспроводного энергоснабжения удаленного устройства, предусматривающий стадии:
размещения удаленного устройства достаточно близко к индуктивному источнику питания, с целью установления индуктивной связи между удаленным устройством и индуктивным источником питания;
подачи, в индуктивном источнике питания, в резонансный контур сигнала под множеством разных рабочих частот, с целью беспроводной передачи энергии удаленному устройству;
снятия, в удаленном устройстве, отдельных замеров характеристики энергии, принимаемой беспроводным способом от индуктивного источника питания, для каждой из указанных разных рабочих частот;
определения на основе отдельных замеров начальной рабочей частоты;
и
подачи, в индуктивном источнике питания, в резонансный контур сигнала с начальной рабочей частотой,
приема в индуктивном источнике питания сообщения от удаленного устройства;
регулирования в ответ на сообщение рабочей частоты сигнала для оптимизации эффективности передачи энергии между индуктивным источником питания и удаленным устройством; и
регулирования в ответ на сообщение рабочего цикла сигнала для управления количеством энергии, передаваемым удаленному устройству.

27. Способ по п.26, в котором указанная стадия определения включает в себя сохранение информации, показывающей эффективность передачи энергии на каждой из множества разных рабочих частот; и
выбор начальной рабочей частоты в качестве рабочей частоты, имеющей наибольшую эффективность передачи энергии.

28. Способ по п.26, в котором указанная стадия определения включает в себя сохранение информации, показывающей рабочую частоту, имеющую наибольшую эффективность передачи энергии; и
выбор начальной рабочей частоты в качестве рабочей частоты, имеющей наибольшую эффективность передачи энергии.

29. Способ по п.26, в котором стадия передачи сигнала в резонансный контур включает в себя передачу сигнала на первый уровень энергии, выбранный достаточно низким, чтобы не допустить перегрузки удаленного устройства.

30. Способ по п.26, в котором стадия передачи сигнала в резонансный контур включает в себя передачу сигнала в рабочем цикле, выбранном достаточно низким, чтобы не допустить перегрузки удаленного устройства.

31. Индуктивный источник питания по п.1, дополнительно включающий первый контроллер для управления указанной рабочей частотой и второй контроллер для управления указанным рабочим циклом.

32. Индуктивный источник питания по п.1, дополнительно включающий запоминающее устройство для хранения информации, относящейся к рабочим параметрам множества удаленных устройств.

33. Индуктивный источник питания по п.10, в котором указанная информация включает, для каждого удаленного устройства, по меньшей мере одно из резонансной частоты, максимальной рабочей частоты, минимальной рабочей частоты, потребления тока, минимального рабочего цикла, максимального рабочего цикла и протокола беспроводной связи удаленного устройства.

34. Способ по п.26, дополнительно предусматривающий стадию определения начального рабочего цикла на основании отдельных измерений.

35. Способ по п.26, дополнительно предусматривающий стадию выбора начального рабочего цикла в 20% или менее, так чтобы слишком большое количество энергии не было подано на удаленное устройство.