СПОСОБ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2017 года по МПК H02J5/00 H02J50/80 

Настоящее изобретение относится к способу беспроводной передачи электрической энергии между передатчиком и приемником, предусматривающему стадию передачи электрической энергии и стадию измерения, где на стадии измерения приемник измеряет мощность полученной электрической энергии и передает информацию об измеренной мощности электрической энергии на передатчик, передатчик сравнивает мощность переданной электрической энергии с мощностью электрической энергии, измеренной приемником, и на основании этого сравнения определяет потерю мощности электрической энергии, причем стадия передачи электрической энергии не происходит, если потеря мощности превышает максимально допустимое пороговое значение.

В уровне техники известны способы беспроводной передачи электрической энергии. Такие способы применяются для зарядки электронных устройств, таких, например, как беспроводные телефоны. Для этой цели объект, который необходимо зарядить, помещают на зарядную подставку, и передатчик (зарядная подставка), и приемник (заряжаемое устройство) постоянно обмениваются данными для поддержания оптимальной передачи электрической энергии. В ходе этого процесса приемник через равные промежутки времени запрашивает у передатчика информацию об изменениях в уровне мощности электрической энергии. Чтобы обеспечить функциональную совместимость зарядных устройств и приемников разных производителей, в уровне техники был принят так называемый «Стандарт беспроводной передачи электрической энергии» (WPC), в соответствии с которым определенные технические данные, например передаваемая электрическая энергия, были стандартизованы. Примером такого стандарта является так называемый «Стандарт передачи электрической энергии низкой мощности» (LP). В соответствии с этим стандартом между передатчиком и приемником беспроводным способом передается энергия мощностью 5 Вт.

Для передачи между передатчиком и приемником для случаев, когда в зоне зарядки передатчика присутствует только «действительный» приемник, в уровне техники существует так называемое обнаружение стороннего объекта, которое используется для проверки подключения передатчика с «действительным» приемником и проверки отсутствия металлического стороннего объекта, такого как монета, который мог случайно попасть в зону зарядки, в зоне передачи рядом с действительным приемником. Сторонние металлические объекты поглощают электромагнитное излучение, передаваемое от передатчика приемнику. Таким образом обнаружение стороннего объекта предотвращает нагревание такого стороннего объекта до высокой температуры под действием поглощаемой энергии.

Для обнаружения стороннего объекта приемник измеряет количество мощности, получаемой от передатчика электрической энергии, и отправляет информацию об измеренном значении на передатчик. В свою очередь передатчик сравнивает полученную информацию с мощностью выходной электрической энергии. В случае если потеря мощности электрической энергии (мощность переданной электрической энергии за вычетом мощности полученной электрической энергии) превышает заданное значение, считается, что в зоне передачи передатчика присутствует сторонний объект, который потребляет больше электрической энергии, чем разрешено. В этом случае передача электрической энергии прекращается. Заданное пороговое значение потери мощности электрической энергии зависит от точности измерения используемой измерительной системы и от соответствующего стандарта, согласно которому электрическая энергия передается от передатчика приемнику. В соответствии со стандартом передачи электрической энергии низкой мощности выходная мощность составляет 5 Вт. При постоянной точности измерения, равной приблизительно 5%, потерю мощности можно измерить с точностью до 250 мВт. В результате такой потери мощности, равной 250 мВт, сторонний объект, например, будет нагреваться до 80°. Такой нагрев все же будет считаться приемлемым с точки зрения безопасности.

Однако в случае передачи между передатчиком и приемником более мощной электрической энергии, при точности измерения 5% будут возникать значительно большие температуры, связанные с возможным присутствием стороннего объекта. В случае передачи электрической энергии в соответствии с так называемым «Стандартом передачи электрической энергии средней мощности», согласно которому мощность передаваемой электрической энергии должна составлять 15 Вт, точно измеренная потеря мощности составляет 750 мВт, что приводит к избыточному нагреву стороннего объекта.

С учетом описанных выше недостатков целью настоящего изобретения является предоставление способа беспроводной передачи электрической энергии между передатчиком и приемником, который обеспечивает обнаружение стороннего объекта с помощью точного измерения, в частности способом, не зависящим от применения конкретного стандарта передачи электрической энергии, таким образом предотвращая избыточный и опасный нагрев сторонних объектов.

Для достижения указанной выше цели настоящее изобретение предлагает способ беспроводной передачи выходной электрической энергии между передатчиком и приемником, предусматривающий стадию передачи электрической энергии и стадию измерения, где на стадии измерения передатчик передает электрическую энергию, мощность которой меньше мощности электрической энергии, передаваемой на стадии передачи электрической энергии. В соответствии с настоящим изобретением обнаружение стороннего объекта осуществляется при значении мощности электрической энергии, которое ниже по сравнению со значением мощности на стадии передачи электрической энергии, и потеря мощности при котором не приводит к избыточному нагреву возможного стороннего объекта. Соответственно для выполнения стадии измерения мощность передаваемой от передатчика электрической энергии уменьшают до значения, которое будет безопасным даже в случае присутствия стороннего металлического объекта.

Стадии измерения и стадии передачи электрической энергии могут чередоваться последовательно во времени. Стадию измерения повторяют в заданный период времени между последовательно выполняемыми стадиями передачи электрической энергии, что обеспечивает высокую степень безопасности через равные промежутки времени.

Альтернативно перед стадией передачи электрической энергии последовательно во времени может выполняться одна стадия измерения. Стадия измерения является начальным процессом, который предшествует длительной и продолжительной стадии передачи электрической энергии. В основе такого варианта осуществления положено предположение, что вероятность того, что для определенных конструктивных исполнений передатчика и приемника во время процесса изменения между передатчиком и приемником окажется сторонний объект, который будет нагреваться, крайне мала. Применительно к передаче электрической энергии с выходной мощностью 15 Вт (стандарт передачи электрической энергии средней мощности) потерю мощности можно измерить, например, на стадии измерения при 5 Вт (стандарт передачи электрической энергии низкой мощности), а вычисленная потеря мощности может быть сохранена в памяти, при этом ее можно использовать для калибровки, гарантируя таким образом точность измерения при 15 Вт. Такое переключение от 15 Вт мощности на стадии передачи до 5 Вт на стадии измерения и наоборот возможно потому, что эти стандарты совместимы и характеризуются одинаковой частотой передачи. Если на стадии измерения сторонний объект не обнаруживается, т.е. потеря мощности находится ниже максимального допустимого порогового значения, начинается стадия передачи электрической энергии.

В частности, на стадии передачи электрической энергии передатчик испускает электрическую энергию мощностью более 5 Вт, в частности 15 Вт. При такой конфигурации становится возможным достигнуть благоприятного эффекта, обеспечиваемого настоящим изобретением, особенно преимущественным способом. Стадии передачи электрической энергии с выходной мощностью, превышающей 5 Вт, в частности равной 15 Вт, не подходят для безопасного измерения потери мощности. В случае измерения выходной мощности на стадии передачи электрической энергии (например, 15 Вт) получаемая в результате потеря мощности будет составлять 250 мВт при точности измерения 5%, а получаемая в результате температура стороннего объекта будет соответственно превышать, например, 80°С. Это может привести к серьезным ожогам и даже вызвать пожар. Настоящее изобретение подходит для использования даже при передаче электрической энергии мощностью выше 5 Вт на стадии передачи электрической энергии.

Особенно предпочтительно, чтобы передатчик передавал на стадии измерения электрическую энергию мощностью не более 5 Вт. Однако также может передаваться электрическая энергия мощностью менее 5 Вт. Таким образом мощность электрической энергии, передаваемой на стадии измерения, предпочтительно ниже мощности электрической энергии, превышающей 5 Вт, в частности 15 Вт, в соответствии со стандартом передачи электрической энергии средней мощности, передаваемой на стадии передачи электрической энергии. Соответственно, при использовании такой конфигурации преимущественно стадия передачи электрической энергии характеризуется высокой мощностью, а стадия измерения - низкой мощностью, так что, с одной стороны, обеспечивается возможность передачи на стадии передачи электрической энергии высокой мощности, а с другой стороны, обнаружение стороннего объекта на стадии измерения может осуществляться без риска возникновения пожара или травм.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения передатчик инициирует стадию измерения. В этом случае передатчик по собственной инициативе передает выходную электрическую энергию мощностью, например, 5 Вт. Частота повторений измерений на стадии измерения преимущественно соответствует частоте повторений измерений на стадии передачи электрической энергии, известной из уровня техники. В соответствии со стандартом передачи электрической энергии средней мощности частота повторений измерений стороннего объекта, как правило, оставляет от 1,5 до 4 с. Это означает, что разница во времени между двумя последовательными измерениями составляет от 1,5 до не более 4 с. Таким образом, можно говорить об одновременно определяемом промежутке времени, в течение которого приемник должен сообщить передатчику информацию о мощности полученной электрической энергии. Соответственно период между двумя отчетами должен составлять 1,5 с, но не должен превышать 4 с. Приемник идентифицирует стадию измерения на основании уменьшения мощности электрической энергии до 5 Вт, а затем измеряет мощность электрической энергии, полученной на стадии измерения, и передает эту информацию обратно на передатчик. После того как приемник получает эту информацию, он увеличивает передаваемую мощность электрической энергии до значения, соответствующего стадии передачи электрической энергии, т.е. до более чем 5 Вт, в частности до 15 Вт, если измеренная потеря мощности между передаваемой и полученной электрической энергией не превышает заданное пороговое значение. Для того чтобы передатчик инициировал такое изменение уровня мощности электрической энергии, требуется только самый простой приемник.

Альтернативно приемник может инициировать стадию измерения. В соответствии с таким вариантом осуществления приемник дает передатчику команду уменьшить мощность передаваемой электрической энергии, например, до 5 Вт. В этом случае частота повторений измерений на стадии измерения также преимущественно соответствует частоте повторений измерений на стадии передачи электрической энергии, известной из уровня техники, причем частота повторений меняется в той или иной степени, поскольку в соответствии с таким вариантом приемник может определять время выполнения измерений до тех пор, пока он остается в пределах максимально допустимого периода времени между двумя измерениями (4 с). Преимущественно такой «запрос» приемника выполняется в специальном формате данных «обнаружение стороннего объекта», который может ускорить весь процесс по сравнению с общей обработкой пакета данных. После уменьшения мощности электрической энергии приемник измеряет мощность электрической энергии, полученную на стадии измерения, и передает эту информацию на передатчик. Передатчик принимает информацию и сравнивает мощность передаваемой электрической энергии с мощностью электрической энергии, получаемой приемником. В зависимости от величины потери мощности, определенной таким способом, передача электрической энергии будет продолжаться или будет прекращена, т.е. в случае если потеря мощности ниже заданного порогового значения, приемник может снова запросить выходную мощность, которая выше измеренного значения мощности. Преимущественно приемник может сам спонтанно определять момент времени, который наилучшим образом подходит для инициирования стадии измерения. В частности, также возможно, что приемник будет выбирать момент времени для инициации, соответствующий небольшой разнице мощности для передатчика и приемника, между стадией передачи электрической энергии и стадией измерения. Приемник может, в частности, выбирать наилучший момент времени в зависимости от присутствующего тока зарядки. Более того, поскольку приемник запрашивает мощность электрической энергии, передаваемой от передатчика, приемник может инициировать постепенное уменьшение мощности передаваемой электрической энергии, так чтобы между мощностью на стадии передачи электрической энергии и мощностью на стадии измерения не было постепенного изменения мощности электрической энергии, а присутствовала постепенная потеря мощности электрической энергии. Таким образом удается избежать возникновения помех в виде электромагнитных полей во встроенных цепях приемника и передатчика.

Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылками на примеры.

На фиг. 1 показан

a) передатчик, на котором размещен приемник;

b) передатчик, на котором размещен сторонний объект;

c) передатчик, на котором размещен приемник и сторонний объект.

На фиг. 2 показана характеристика мощности передатчика и приемника в течение процесса, инициированного передатчиком.

На фиг. 3 показана характеристика мощности передатчика и приемника в течение процесса, инициированного приемником.

На фиг. 1а)-с) показаны разные случаи конструкции передатчика 1.

В соответствии с вариантом а) приемник 2, например беспроводной телефон, соединен с передатчиком 1. Перед передачей электрической энергии приемник 2 идентифицирует себя перед передатчиком 1. На этой стадии передатчик 1 предпочтительно выполняет стадию 5 измерения, так что он выдает только электрическую энергию низкой мощности. Для измерения передатчик 1 получает от приемника 2 ответный сигнал, содержащий информацию о мощности электрической энергии, которую приемник 2 получил от передатчика 1. Теперь передатчик вычисляет потерю мощности как разницу между мощностью передаваемой им электрической энергии и мощностью электрической энергии, передаваемой обратно от приемника 2. Если величина такой потери мощности ниже максимального порогового значения, передатчик 1 идентифицирует приемник 2 как «действительный объект» и переключается со стадии 5 измерения (например, 5 Вт) на стадию передачи электрической энергии (например, 15 Вт). Затем приемник 2 заряжается электрической энергией мощностью 15 Вт.

В соответствии с вариантом b) на передатчике 1 расположен только сторонний объект 3. Таким сторонним объектом 3 может быть, например, монета. Исходя из изменений электромагнитного поля, передатчик 1 определяет присутствие объекта 3, поглощающего энергию поля, на передатчике. Следовательно, передатчик 1 кратковременно увеличивает выходную мощность, за счет чего приемник 1, как правило, идентифицирует себя перед передатчиком 1 за счет обратной связи. Поскольку сторонний объект 3 не обладает возможностью обратной связи, то в результате отсутствия такой обратной связи передатчик 1 прекращает поток выходной мощности.

В соответствии с вариантом с) и приемник 2, и сторонний объект 3 взаимодействуют с передатчиком 1. В этом случае передатчик 1 получает от приемника 2 информацию о мощности электрической энергии, полученной приемником 2 от передатчика 1. В результате присутствия стороннего объекта 3, помещенного на передатчик 1, приемник 2 получает от передатчика 1 электрическую энергию, мощность которой ниже, чем мощность при отсутствии стороннего объекта 3. Затем передатчик 1 сравнивает мощность передаваемой от него электрической энергии с мощностью электрической энергии, получаемой приемником 2, и вычисляет разницу, т.е. потерю мощности. Если потеря мощности превышает заданное пороговое значение, стадия передачи электрической энергии не инициируется, т.е. передатчик 1 будет оставаться на стадии 5 измерения до тех пор, пока сторонний объект 3 не будет удален. Так как потеря мощности электрической энергии может быть определена только при точности, которая зависит от способа измерения, образуется «теневая область», в которой определение присутствия стороннего объекта 3 невозможно, и он нагревается. Соответственно, пороговое значение потери мощности зависит от точности измерения измерительной системы.

На фиг. 2 показан пример, согласно которому переключение между стадией 4 передачи электрической энергии и стадией 5 измерения инициируется передатчиком 1. Этот пример соответствует варианту осуществления, в котором способ в соответствии с настоящим изобретением предусматривает чередующиеся стадии 4 передачи электрической энергии и стадии 5 измерения. С учетом стадии 4 передачи электрической энергии, на которой передатчик 1 передает электрическую энергию мощностью 15 Вт, по истечении заданного периода передатчик 1 переключается с передаваемой электрической энергии мощностью 15 Вт на 5 Вт. Передача электрической энергии мощностью 5 Вт соответствует стадии измерения. Как показано на фиг. 2, это приводит к постепенному уменьшению мощности с 15 до 5 Вт. Выходная мощность соответствует мощности согласно стандарту передачи электрической энергии средней мощности и стандарту передачи электрической энергии низкой мощности, хотя настоящее изобретение можно использовать для других значений мощности электрической энергии. В соответствии со стандартом WPC MP (Стандарт передачи электрической энергии средней мощности) период времени между отдельными передачами, как правило, соответствует от 1,5 до не более чем 4 с. На стадии 5 измерения приемник 2 измеряет мощность электрической энергии, полученной от передатчика 1, и соответственно сообщает информацию о мощности полученной электрической энергии передатчику 1. В соответствии с этим примером величина мощности полученной электрической энергии составляет 4 Вт. Затем передатчик 1 вычисляет разницу между мощностью передаваемой им электрической энергии (5 Вт) и мощностью электрической энергии (4 Вт), полученной приемником 2. Если разница (0,2 Вт), т.е. потеря мощности составляет меньше заданного порогового значения, подразумевается, что стороннего объекта 3 на передатчике нет (это подразумевается в данном случае). Затем передатчик 1 снова переключает мощность передаваемой им электрической энергии с 5 до 15 Вт. После этого начинается следующая стадия 4 передачи электрической энергии. Переключение между стадией 4 передачи электрической энергии и стадией 5 измерения может происходить через заданные промежутки времени. Альтернативно также такое переключение может происходить через неравные промежутки времени, например, на основании команды, передаваемой от приемника 2, где эта команда передается в момент, который считается приемником 2 подходящим.

На фиг. 3 показан способ, согласно которому изменение уровня мощности электрической энергии инициируется приемником 2. В момент времени, свободно определяемый передатчиком 1, передатчик 1 получает от приемника 2 команду уменьшить мощность передаваемой электрической энергии, так что стадия 5 измерения может выполняться при более низкой мощности выходной электрической энергии. Как показано на фиг. 1, приемник 2 может постепенно отправлять передатчику 1 команды на постоянное уменьшение мощности передаваемой электрической энергии до тех пор, пока электрическая энергия не уменьшится от 15 до 5 Вт. Приемник 2 может определить наилучший момент времени для переключения мощности передаваемой электрической энергии в соответствии с текущими условиями зарядки и нагрузки. Если на приемник 2 поступает только 13 из 15 Вт, как в данном примере, он может немедленно переключиться на стадию 5 измерения, на которой будет проверяться, присутствует ли сторонний объект 3 между передатчиком 1 и приемником 2. На стадии 5 измерения приемник 2 измеряет мощность электрической энергии, полученной от передатчика 1, и передает передатчику 1 результаты измерения. После того как передатчик 1 принимает эту информацию от приемника 2, он вычисляет потерю мощности и предотвращает переключение на стадию 4 передачи электрической энергии до тех пор, пока сторонний объект 3 не будет удален, если предполагается его присутствие. С другой стороны, если потеря мощности меньше соответствующего заданного порогового значения, по запросу приемника 2 передатчик 1 переключает мощность электрической энергии, соответствующей стадии измерения электрической энергии, например 5 Вт, обратно на мощность электрической энергии, соответствующей стадии 4 передачи электрической энергии, например 15 Вт.

Перечень ссылочных позиций:

1 передатчик;

2 приемник;

3 сторонний объект;

4 стадия передачи электрической энергии;

5 стадия измерения;

Использование – в области электротехники. Технический результат - обнаружение сторонних объектов и предотвращение их избыточного нагрева. Настоящее изобретение относится к способу беспроводной передачи электрической энергии между передатчиком и приемником, предусматривающему стадию передачи электрической энергии и стадию измерения, где на стадии измерения приемник измеряет мощность полученной электрической энергии и передает информацию об измеренной мощности электрической энергии на передатчик, передатчик сравнивает мощность переданной электрической энергии с мощностью электрической энергии, измеренной приемником, и на основании этого сравнения определяет потерю мощности электрической энергии, причем стадия передачи электрической энергии не происходит, если потеря мощности превышает максимально допустимое пороговое значение, причем на стадии измерения передатчик передает электрическую энергию, мощность которой меньше мощности электрической энергии, передаваемой на стадии передачи электрической энергии. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ беспроводной передачи электрической энергии между передатчиком (1) и приемником (2), предусматривающий стадию (4) передачи электрической энергии и стадию (5) измерения, где на стадии (5) измерения приемник (2) измеряет мощность полученной электрической энергии и передает информацию об измеренной мощности на передатчик (1), при этом передатчик (1) сравнивает мощность отправленной электрической энергии с мощностью электрической энергии, измеренной приемником (2), и на этом основании идентифицирует потерю мощности, причем стадия (4) передачи электрической энергии не происходит, если потеря электрической энергии превышает максимальное допустимое пороговое значение,

отличающийся тем, что на стадии (5) измерения передатчик (1) испускает электрическую энергию, мощность которой меньше мощности электрической энергии, испускаемой на стадии (4) передачи электрической энергии, причем мощность на стадии (5) измерения выбирают таким образом, чтобы потеря мощности была измерена с точностью до 250 мВт.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадии (5) измерения и стадии (4) передачи электрической энергии чередуют последовательно во времени.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что стадии (5) измерения выполняют через равные промежутки времени.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед стадией (4) передачи электрической энергии выполняют одну стадию (5) измерения.

5. Способ по любому из пп. 1, 2, 4, отличающийся тем, что на стадии (4) передачи электрической энергии передатчик (1) испускает электрическую энергию мощностью более 5 Вт, в частности 15 Вт.

6. Способ по любому из пп. 1, 2, 4, отличающийся тем, что на стадии (5) измерения передатчик (1) испускает электрическую энергию мощностью не более 5 Вт.

7. Способ по любому из пп. 1, 2, 4, отличающийся тем, что передатчик (1) инициирует стадию (5) измерения.

8. Способ по любому из пп. 1, 2, 4, отличающийся тем, что приемник (2) инициирует стадию (5) измерения.