ИНДУКТИВНАЯ БЕСПРОВОДНАЯ ПЕРЕДАЧА МОЩНОСТИ С СИНХРОНИЗИРОВАННЫМ ИЗМЕРЕНИЕМ МОЩНОСТИ Российский патент 2020 года по МПК H02J50/60 H02J7/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к индуктивному беспроводному передатчику мощности, индуктивному беспроводному приемнику мощности и способу определения потери мощности в системе индуктивной беспроводной передачи мощности.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Индуктивная беспроводная передача мощности становится все более популярной. В этой технологии устройство передачи мощности генерирует магнитное поле с использованием первичной обмотки. Устройство приема мощности отбирает мощность из этого магнитного поля с использованием вторичной обмотки, индуктивно связанной с первичной обмоткой посредством близкого расстояния. Таким образом, мощность передается без установления электрического контакта. Одна из таких технологий стандартизирована в Консорциуме беспроводной передачи мощности и известна под названием Qi.

В прикладном примере этой технологии мобильный телефон выступает в качестве приемника мощности и имеет встроенную вторичную обмотку. Для зарядки аккумулятора телефона он помещается на поверхность беспроводной зарядной площадки, которая имеет встроенную первичную обмотку. Две обмотки связываются путем надлежащего размещения телефона на зарядной площадке, и мощность передается от зарядного устройства телефону беспроводным образом посредством индукции. Таким образом телефон можно зарядить путем простого помещения его на специальной поверхности зарядного устройства, без необходимости в присоединении разъемов и проводов к телефону. Зарядка мобильного телефона или другого портативного устройства является маломощным применением, обычно с передачей от передатчика приемнику приблизительно 1-5 ватт мощности. Высокомощные применения индуктивной беспроводной передачи мощности могут использоваться для приготовления еды или даже беспроводной зарядки электромобиля.

Стандарт Qi для индуктивной беспроводной передачи мощности определяет интерфейс коммуникации для коммуникации между беспроводным передатчиком мощности и беспроводным приемником мощности. Такая коммуникация необходима, среди прочего, чтобы должным образом согласовывать передачу мощности с характеристиками приемного устройства. Эта коммуникация была указана только для одного передатчика, работающего с одним приемником. Поддерживается только коммуникация приемник-передатчик, она достигается путем модуляции нагрузки на стороне приемника. Модуляция нагрузки приводит к модуляции передаваемой мощности, что может быть обнаружено на стороне передатчика как модуляция напряжения или тока в первичной обмотке. Один приемник сообщает о своей потребности в мощности, а передатчик ее предоставляет. Это описывается, например, в WO2014020464.

Когда вблизи передатчика мощности присутствует металлический предмет, магнитное поле первичной обмотки может индуцировать вихревые токи в этом предмете, что вызывает его нагрев. Если температура предмета становится слишком высокой, это может вызвать ожог кожи при контакте. Одним способом избежать этого является обнаружение таких посторонних предметов путем определения потерь мощности, как описано в WO 2012127335 и US 2013/0307348 A1. Как приемник мощности, так и передатчик мощности измеряют свою мощность, и приемник сообщает свою измеренную принимаемую мощность передатчику мощности. Если передатчик мощности обнаруживает значительную разницу между мощностью, посланной передатчиком, и мощностью, принятой приемником, то может присутствовать нежелательный внешний предмет, и передача мощности должна быть уменьшена или прервана в целях безопасности.

Решения, описанные выше, работают только для одного передатчика мощности и одного приемника мощности. Необходимо решение для обнаружения посторонних предметов в ситуации, когда одна первичная обмотка (или несколько первичных обмоток, включенных последовательно или параллельно) в передатчике мощности связаны с несколькими вторичными обмотками в нескольких устройствах приема мощности. Это может возникать, например, в случае большой зарядной площадки, которая может обслуживать несколько портативных устройств одновременно, передавая мощность нескольким устройствам параллельно, такой, как описано в US 2010/0181961 A1.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является обеспечение технологии индуктивного беспроводного питания, позволяющей обнаруживать посторонние предметы с помощью одного индуктивного беспроводного передатчика мощности, передающего мощность нескольким индуктивным беспроводным приемникам мощности. Авторы изобретения поняли, что каждый из нескольких приемников мощности может осуществлять связь с одним передатчиком мощности с использованием модуляции нагрузки, но приемник мощности будет не способен обнаружить любую коммуникацию от другого приемника, потому что индуктивная связь между вторичными обмотками двух приемников слишком слаба. Кроме того, авторы изобретения поняли, что так как коммуникация между индуктивным беспроводным передатчиком мощности и несколькими индуктивными беспроводными приемниками мощности происходит путем модуляции сигнала мощности, такая коммуникация может интерферировать с любыми измерениями мощности, выполняемыми в процессе для обнаружения посторонних предметов. Поэтому необходим новый подход, в котором коммуникация между одним передатчиком мощности и несколькими приемниками мощности, а также измерения мощности координируются передатчиком и организуются таким образом, который позволяет выполнять надежные измерения мощности как передатчиком мощности, так и приемниками мощности.

Это достигается, в соответствии с первым аспектом изобретения, с помощью индуктивного беспроводного передатчика мощности для передачи индуктивного беспроводного сигнала мощности с мощностью по меньшей мере 2 ватта по меньшей мере двум индуктивным беспроводным приемникам мощности, содержащего

- первичную обмотку для передачи индуктивного беспроводного сигнала мощности,

- преобразователь мощности для предоставления мощности первичной обмотке,

- блок измерения мощности для определения величины индуктивной беспроводной мощности, переданной передатчиком мощности,

- блок модуляции и демодуляции мощности для модуляции и демодуляции индуктивного беспроводного сигнала мощности, и

- блок координации и управления коммуникацией,

блок координации и управления коммуникацией выполнен с возможностью управления блоком модуляции и демодуляции мощности для координации коммуникации по меньшей мере с двумя индуктивными беспроводными приемниками мощности во временные интервалы, присутствующие в повторяющихся коммуникационных кадрах, и блок координации и управления коммуникацией дополнительно выполнен с возможностью:

- выделения временного интервала измерения мощности для синхронизированных измерений мощности и объявления о временном интервале измерения мощности беспроводным приемникам мощности,

- активации блока измерения мощности для определения величины индуктивной мощности, переданной передатчиком мощности во время временного интервала измерения мощности,

- после временного интервала измерения мощности приема от каждого из беспроводных приемников мощности сообщения, указывающего величину индуктивной мощности, принятой этим приемником мощности во время временного интервала измерения мощности, и

- вычисления по определенной величине переданной мощности и величине принятой мощности величины потерянной мощности,

при этом индуктивный беспроводной передатчик мощности дополнительно выполнен с возможностью уменьшения мощности индуктивного беспроводного сигнала мощности, если вычисленная величина потерянной мощности превышает пороговое значение.

Этот передатчик мощности имеет то преимущество, что он может использовать способ определения потери мощности для установления присутствия посторонних предметов в системе с несколькими приемниками мощности, связанными с одним беспроводным передатчиком мощности. Поскольку коммуникация и измерение мощности полностью скоординированы и синхронизированы, точные измерения мощности могут быть выполнены как передатчиком мощности, так и приемниками мощности. Уменьшение мощности, когда превышен порог потери мощности, имеет то преимущество, что предотвращается чрезмерное нагревание посторонних предметов, когда было обнаружено присутствие такого предмета.

В дополнительном варианте осуществления длительность временного интервала измерения мощности находится в диапазоне 30-60 миллисекунд. Это дает преимущество совместимости с более старыми беспроводными передатчиками мощности.

В соответствии со вторым аспектом изобретения задача изобретения решается с помощью индуктивного беспроводного приемника мощности для приема индуктивного беспроводного сигнала мощности с мощностью по меньшей мере 2 ватта от индуктивного беспроводного передатчика мощности в системе беспроводной передачи мощности, содержащей по меньшей мере один дополнительный индуктивный беспроводной приемник мощности, содержащего

- вторичную обмотку для приема индуктивного беспроводного сигнала мощности,

- блок модуляции и демодуляции мощности для модуляции и демодуляции индуктивного беспроводного сигнала мощности,

- блок измерения мощности для определения величины индуктивной беспроводной мощности, принятой приемником мощности,

- и блок коммуникации и управления,

блок коммуникации и управления выполнен с возможностью управления блоком модуляции и демодуляции мощности для коммуникации с индуктивным беспроводным передатчиком мощности во временные интервалы коммуникации, присутствующие в повторяющихся коммуникационных кадрах, которые координируются индуктивным беспроводным передатчиком мощности, и блок коммуникации и управления дополнительно выполнен с возможностью:

- приема от индуктивного беспроводного передатчика мощности объявления о выделенном временном интервале измерения мощности для синхронизированных измерений мощности,

- активации блока измерения мощности для определения величины индуктивной мощности, принятой передатчиком мощности во время временного интервала измерения мощности,

- после временного интервала измерения мощности отправки беспроводному передатчику мощности сообщения, указывающего величину индуктивной принятой мощности, для использования беспроводным передатчиком мощности при обнаружении посторонних предметов на основании вычисленной величины мощности, потерянной в системе беспроводной передачи мощности.

Это имеет то преимущество, что приемник мощности взаимодействует с беспроводным передатчиком мощности для использования способа потери мощности для установления присутствия посторонних предметов в системе с несколькими приемниками мощности, связанными с одним беспроводным передатчиком мощности. Поскольку коммуникация и измерение мощности полностью скоординированы и синхронизированы, точные измерения мощности могут быть выполнены как передатчиком мощности, так и приемниками мощности.

В соответствии с третьим аспектом изобретения задача изобретения решается с помощью способа обнаружения посторонних предметов путем определения потери мощности в системе индуктивной беспроводной передачи мощности, содержащей индуктивный беспроводной передатчик мощности для передачи индуктивного беспроводного сигнала мощности с мощностью по меньшей мере 2 ватта и по меньшей мере двумя индуктивными беспроводными приемниками мощности для приема индуктивного беспроводного сигнала мощности, при этом передатчик мощности и приемники мощности выполнены с возможностью коммуникации посредством модуляции и демодуляции индуктивного беспроводного сигнала мощности, где коммуникация распределяется по временным интервалам и координируется передатчиком мощности,

способа, содержащего этапы, на которых:

- передатчик мощности выделяет временной интервал синхронизированного измерения мощности и отправляет сообщение приемникам мощности, объявляющее о временном интервале синхронизированного измерения мощности,

- передатчик мощности измеряет во время временного интервала измерения мощности индуктивную беспроводную мощность, переданную передатчиком мощности,

- каждый из приемников мощности измеряет во время временного интервала измерения мощности индуктивную беспроводную мощность, принятую этим приемником мощности,

- каждый из приемников мощности посылает, после временного интервала измерения мощности, сообщение передатчику мощности, указывающее измеренную мощность, принятую этим приемником мощности,

- передатчик мощности вычисляет потерю мощности по измеренной индуктивной беспроводной мощности, переданной передатчиком мощности, и измеренным индуктивным беспроводным мощностям, принятым каждым из приемников мощности,

- передатчик мощности уменьшает мощность индуктивного беспроводного сигнала мощности, если вычисленная потеря мощности превышает пороговое значение.

Это имеет то преимущество, что передатчик мощности и приемники мощности взаимодействуют, под управлением передатчика мощности, для использования способа определения потери мощности, позволяющего обнаруживать посторонние предметы. Поскольку коммуникация и измерение мощности полностью скоординированы и синхронизированы, точные измерения мощности могут быть выполнены как передатчиком мощности, так и приемниками мощности. Уменьшение мощности, когда превышен порог потери мощности, имеет то преимущество, что предотвращается чрезмерное нагревание посторонних предметов, когда было обнаружено присутствие такого предмета.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты способа и устройства в соответствии с изобретением будут очевидны из и объясняются со ссылкой на реализации и варианты осуществления, описанные ниже, и со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые выступают в качестве просто неограничивающих конкретных примеров, иллюстрирующих более общую концепцию.

Фиг. 1 изображает зарядную площадку с двумя имеющими возможность зарядки мобильными устройствами;

фиг. 2 изображает беспроводной передатчик мощности и два приемника;

фиг. 3 изображает беспроводной передатчик мощности;

фиг. 4 изображает беспроводной приемник мощности;

фиг. 5 изображает коммуникационный кадр, содержащий временные интервалы;

фиг. 6 изображает коммуникационный кадр, содержащий интервал измерения;

фиг. 7 изображает коммуникационный кадр, содержащий интервал измерения и временные интервалы синхронизации;

фиг. 8 изображает способ определения потери мощности.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Следующее ниже описание фокусируется, главным образом, на вариантах осуществления изобретения, применяемых, например, в беспроводной зарядке аккумуляторов мобильных телефонов, в качестве примера. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается только этим применением, и может применяться во многих других устройствах, таких как умные часы, планшеты, портативные компьютеры, бритвы, электрические зубные щетки, кухонные принадлежности и кухонное оборудование, варьирующиеся по потребности в передаче мощности от 1-5 ватт для небольших устройств до 1000 ватт и более для кухонных принадлежностей и кухонного оборудования.

На протяжении этого документа индуктивные беспроводные передатчики мощности и индуктивные беспроводные приемники мощности также называются (беспроводным) передатчиком мощности и (беспроводным) приемником мощности или даже просто передатчиком и приемником.

Фигура 1 изображает пример применения беспроводной передачи мощности. Два мобильных устройства 12 и 12a помещаются на поверхности беспроводной зарядной площадки 10. Эта зарядная площадка является лишь примером, она может иметь различные формы, она может быть отдельным устройством, или, например, может быть частью автомобильной инструментальной панели, или может быть встроенной в верхнюю рабочую поверхность, или интегрированной в предмет мебели. Зарядная площадка в этом примере оборудована одной первичной обмоткой 11 и выступает в качестве индуктивного беспроводного передатчика мощности. Каждое из мобильных устройств оборудовано вторичной обмоткой 13 и 13a, соответственно, и они выступают в качестве индуктивных беспроводных приемников мощности. Зарядная площадка посылает переменный ток через первичную обмотку, что вызывает переменное магнитное поле. Это магнитное поле, в свою очередь, индуцирует переменное напряжение и ток в этих двух вторичных обмотках, которые могут быть выпрямлены и использованы для зарядки аккумуляторов мобильных устройств. Таким образом, мощность передается от зарядного устройства мобильному устройству беспроводным образом, как индуктивный беспроводной сигнал мощности. Этот принцип аналогичен традиционному трансформатору, но со значительно более слабой связью, и две обмотки теперь находятся в отдельных устройствах.

Как правило величина мощности, которая должна быть передана, составляет приблизительно 1-5 ватт для небольших мобильных устройств, в зависимости от применения и требований приемника. Мощность может быть намного выше, например, в применении на кухне, где может требоваться 1000 ватт или более. Вторичная обмотка в беспроводном приемнике мощности в этих применениях, как правило, будет в диапазоне размеров, подходящих для портативного устройства, скажем 1-15 см в диаметре для устройств в пределах от умных часов до кухонного оборудования. Первичная обмотка может быть примерно такого же размера или может быть больше для обслуживания нескольких приемников, как изображено на фигуре 1. Вместо одной большой первичной обмотки также может использоваться много небольших последовательно или параллельно включенных первичных обмоток, и они могут использоваться почти также, как одна обмотка.

В примере фигуры 1 два мобильных устройства заряжаются одновременно. Вполне может случиться так, что одно устройство имеет другие требования к мощности, чем другое, например, потому что одно устройство уже полностью заряжено, в то время как другое еще нет, или потому что одно из устройств не может справиться с таким же высоким уровнем мощности, как другое устройство. Оба устройства должны иметь возможность сообщать их потребности в мощности зарядной площадке. Это может быть достигнуто путем модуляции передаваемой мощности посредством модуляции нагрузки на стороне приемника: если приемник изменит ток через вторичную обмотку, например, путем переключения дополнительной нагрузки, такой как последовательно или параллельно включенное сопротивление, то это приведет также к модуляции тока через первичную обмотку из-за взаимоиндукции между первичной обмоткой и вторичной обмоткой. Таким образом, приемник может модулировать индуктивный беспроводной сигнал мощности. Эти модуляции с легкостью могут быть обнаружены в передатчике мощности, и, таким образом, сообщения с битовым или байтовым представлением могут быть переданы от приемника мощности передатчику мощности. Однако взаимоиндукция между этими двумя вторичными обмотками 13 и 13a этих двух мобильных устройств очень низка из-за их плохого совмещения, и поэтому эти два мобильных устройства не могут осуществлять коммуникацию друг с другом таким же образом, фактически они не могут даже обнаружить, осуществляет ли коммуникацию другое приемное устройство. Поэтому может случиться так, что эти два устройства предпримут попытку коммуникации с зарядной площадкой одновременно, что приведет к ошибкам при приеме коммуникации и к потере обоих сообщений. Простая повторная попытка позже не является приемлемым решением, поскольку некоторые данные могут быть срочными. Например, сообщение, что мощность должна быть немедленно выключена, не должно задерживаться слишком сильно, поскольку это может привести к повреждению.

На фигуре 1 показан посторонний предмет 15, помещенный на поверхность зарядной площадки. Это может быть любым металлическим предметом, таким как монета или ключи. Переменное магнитное поле, генерируемое зарядной площадкой, будет индуцировать вихревые токи в постороннем металлическом предмете, что вызывает нагрев предмета. Это может привести к ожогу, когда предмет будет поднят, или это может привести повреждению зарядной площадки. Такие посторонние предметы необходимо обнаруживать, и при обнаружении магнитное поле должно быть уменьшено или выключено, чтобы предотвратить любые повреждения. Альтернативно или дополнительно звуковой и/или визуальный предупредительный сигнал может привлечь внимание пользователя и посоветовать убрать предмет.

Фигура 2 схематично изображает один индуктивный беспроводной передатчик 22 мощности (PTx), связанный с двумя индуктивными беспроводными приемниками 23 и 23a мощности (PRx). Передатчик мощности содержит первичную обмотку 25 и получает мощность от источника 21 питания, который может быть, например, сетевым электричеством. Каждый из двух приемников мощности содержит вторичную обмотку 26 и 26a и посылает мощность, которую они принимают, нагрузке 24 и 24a. Эта нагрузка может быть, например, аккумулятором, который должен быть заряжен, но возможно множество других вариантов, например, может питаться электродвигатель или может питаться резистивный элемент с целью нагрева.

Фигура 3 схематично показывает более подробно индуктивный беспроводной передатчик мощности. Передатчик содержит первичную обмотку 25 для передачи индуктивного беспроводного сигнала мощности связанным индуктивным беспроводным приемникам мощности, а входная мощность поступает из источника 21 питания. Дополнительно он содержит преобразователь 31 мощности, блок 32 модуляция и демодуляции мощности, блок 33 координации и управления коммуникацией и блок 36 измерения мощности.

Преобразователь 31 мощности преобразует входную мощность, принятую из источника 21 питания, в сигнал мощности, подходящий для возбуждения первичной обмотки. Например, он может преобразовывать входную мощность переменного тока (AC) или постоянного тока (DC) в мощность AC с частотой, подходящей для индуктивной беспроводной передачи мощности. В применениях Qi обычно используется частота приблизительно 100 кГц.

Блок 32 модуляции/демодуляции мощности позволяет осуществлять коммуникацию со связанными приемниками путем модуляции и демодуляции индуктивного беспроводного сигнала мощности. Когда приемник посылает коммуникационное сообщение путем модуляции тока через его вторичную обмотку, как было описано выше, ток через первичную обмотку в передатчике также будет модулироваться из-за индуктивной связи обмоток. Таким образом, индуктивный беспроводной сигнал мощности модулируется приемником. Это может быть обнаружено путем отслеживания тока через первичную обмотку или напряжения на первичной обмотке в блоке 32 модуляции/демодуляции. Вариации напряжения или тока демодулируются и переводятся в биты и байты и интерпретируются блоком 33 координации и управления коммуникацией.

Чтобы послать коммуникационное сообщение в виде комбинации битов или байтов приемнику, блок 32 модуляции/демодуляции модулирует ток через первичную обмотку, тем самым модулируя передаваемый индуктивный беспроводной сигнал мощности, что приводит также к модуляции тока через вторичные обмотки из-за взаимоиндукции. Модуляция может быть амплитудной модуляцией, которая может обеспечиваться, например, путем переключении сопротивления, включенного последовательно или параллельная первичной обмотке. Альтернативно может применяться частотная или фазовая модуляция, когда модулируются частота или фаза переменного тока (AC) через первичную обмотку, что опять же может быть обнаружено в приемнике. Для временных аспектов коммуникации, таких как определение длительности временных интервалов, байтов, битов и модуляций, представляющих биты, блок модуляции/демодуляции может содержать, например, генератор временных интервалов или генератор опорных тактовых импульсов. Альтернативно они также могут содержаться, например, в блоке 33 координации и управления коммуникацией.

Блок 36 измерения мощности измеряет мощность, генерируемую индуктивным беспроводным передатчиком мощности. Это может быть достигнуто путем измерения как напряжения на первичной обмотке 25, так и тока, текущего через нее. Альтернативно может измеряться одно из этих двух, и известная взаимосвязь между измеренным током или напряжением и фактической мощностью, переданной передатчиком мощности, может применяться для определения мощности. Эта известная взаимосвязь может быть установлена, например, на стадиях проектирования и тестирования продукта.

Возможность измерения напряжения и/или тока может быть общей с блоком 32 модуляции и демодуляции, где она необходима для демодуляции, или каждый блок может иметь свои собственные отдельные средства для измерения напряжения и/или тока.

Блок 33 координации и управления коммуникацией управляет преобразователем мощности и координирует коммуникацию в сочетании с блоком 32 модуляции и демодуляции. Он посылает и принимает сообщения путем управления блоком модуляции/демодуляции, и он управляет работой передатчика мощности. Например, он может послать короткий индуктивный импульс мощности, 'проверку (ping)', чтобы проверить, присутствуют ли какие-либо приемники. Если приемник присутствует, он может ответить сообщением, указывающим его потребности в мощности. Блок коммуникации и управления после приема этого сообщения может включить непрерывную передачу мощности, управляя преобразователем 31 мощности, чтобы поддерживать требуемый уровень мощности. Когда приемник больше не нуждается в мощности, например, потому что аккумулятор полностью заряжен, об этом снова будет сообщено путем отправки сообщения от приемника передатчику, и блок 33 координации и управления коммуникацией при приеме этого сообщения выключит передачу мощности путем управления преобразователем 31 мощности, если по меньшей мере никакое другое устройство больше не будет нуждаться в питании.

Блок 33 координации и управления коммуникацией дополнительно управляет блоком 36 измерения, активируя его, чтобы выполнить измерения мощности, когда это требуется, и, после завершения измерений, принимает от него результаты измерений мощности.

Блоки 33 координации и управления коммуникацией могут быть реализованы различным образом, в том числе с помощью специализированных электронных схем, программируемых пользователем вентильных матриц или, как показано на фигуре 3, с помощью универсальных микропроцессоров 34 и памяти 35, выполненных с возможностью или запрограммированных выполнять необходимые способы и протоколы для коммуникации и управления в соответствии с изобретением.

Фигура 4 схематично показывает более подробно индуктивный беспроводной приемник мощности. Приемник содержит вторичную обмотку 26 и вывод для мощности на нагрузку 24. Дополнительно он содержит преобразователь 41 мощности, блок 42 модуляции и демодуляции мощности, блок 43 коммуникации и управления и блок 46 измерения мощности.

Преобразователь 41 мощности преобразует переменный (AC) индуктивный сигнал мощности, принятый вторичной обмоткой, в выходную мощность, подходящую для возбуждения нагрузки. Например, он может преобразовывать принятый сигнал мощности в мощность переменного тока (AC) или постоянного тока (DC), подходящую для нагрузки.

Блок 42 модуляции/демодуляции мощности обеспечивает коммуникацию со связанным передатчиком мощности. Он может модулировать индуктивный беспроводной сигнал мощности путем модуляции нагрузки, как было описано выше. Когда передатчик посылает коммуникационное сообщение путем модуляции амплитуды индуктивного беспроводного сигнала мощности, как было описано выше, ток через вторичную обмотку 26 в приемнике также будет модулироваться по амплитуде. Это может быть обнаружено путем отслеживания тока через вторичную обмотку или напряжения на вторичной обмотке в блоке 42 модуляции/демодуляции. Вариации напряжения или тока переводятся в биты и байты и интерпретируются блоком 43 коммуникации и управления. В случае, если передатчик мощности использует частотную модуляцию сигнала мощности для коммуникации, то ток через вторичную обмотку в приемнике также будет частотно-модулированным. Это может быть обнаружено путем отслеживания частоты, например, путем обнаружения переходов через ноль тока во вторичной обмотке или напряжения на вторичной обмотке и измерения длительности одного или нескольких циклов. Для временных моментов в коммуникации, например, определения длительности битов и модуляций, представляющих собой биты, блок модуляции/демодуляции может содержать, например, генератор временных интервалов или генератор опорных тактовых импульсов. Альтернативно они также могут содержаться, например, в блоке 43 коммуникации и управления.

Блок 46 измерения мощности измеряет мощность, принятую индуктивным беспроводным приемником мощности. Это может быть достигнуто путем измерения как напряжения на вторичной обмотке 26, так и тока, текущего через нее. Альтернативно, может измеряться одно из этих двух, и известная взаимосвязь между измеренным током или напряжением и фактической мощностью может применяться для определения мощности. Эта известная взаимосвязь может быть установлена, например, на стадиях проектирования и тестирования продукта.

Возможность измерения напряжения и/или тока может быть общей с блоком 42 модуляции и демодуляции, где она необходима для демодуляции, или каждый блок может иметь свои собственные отдельные средства для измерения напряжения и/или тока.

Блок 43 коммуникации и управления управляет преобразователем мощности и обрабатывает коммуникацию в сочетании с блоком модуляции/демодуляции. Он посылает и принимает сообщения путем управления блоком модуляции/демодуляции, и он управляет работой приемника мощности. Например, он может обнаружить короткий индуктивный импульс мощности, 'проверку (ping)', посланный передатчиком мощности, чтобы проверить, присутствуют ли какие-либо приемники. Затем он может ответить сообщением, указывающим его потребности в мощности. Когда впоследствии передатчик мощности включает непрерывную передачу мощности, блок 43 коммуникации и управления задействует преобразователь 41 мощности, чтобы должным образом подавать принятую беспроводным образом мощность на нагрузку 24. Когда нагрузка больше не нуждается в мощности, например, потому что аккумулятор полностью заряжен, блок коммуникации и управления в приемнике мощности может послать сообщение передатчику для указания, что больше в мощности нет необходимости, и отключить преобразователь мощности.

Блок 43 коммуникации и управления дополнительно управляет измерительным блоком 46, активируя его для выполнения измерения мощности, когда требуется, и после завершения измерений принимая от него результаты измерений мощности.

Блоки 43 коммуникации и управления могут быть реализованы различным образом, в том числе с помощью специализированных электронных схем, программируемых пользователем вентильных матриц или, как показано на фигуре 4, с помощью универсальных микропроцессоров 44 и памяти 45, выполненных с возможностью или запрограммированных выполнять необходимые способы и протоколы для коммуникации и управления в соответствии с изобретением.

Из-за очень слабой индуктивной связи между вторичными обмотками двух беспроводных приемников мощности, помещенных на зарядную площадку, прямая связь между двумя приемниками мощности невозможна. Даже просто обнаружение в одном приемнике мощности, что другой приемник осуществляет коммуникацию, на практике невозможно. Поэтому коммуникация между беспроводным передатчиком мощности и одним или несколькими беспроводными приемниками мощности должна организовываться и координироваться передатчиком мощности, который осуществляет связь с каждым из приемников мощности. Это может быть сделано путем коммуникации в повторяющихся коммуникационных кадрах, как изображено на фигуре 5. Коммуникационный кадр 51 содержит заголовок 52 кадра, обозначенный как H, и несколько временных интервалов 53, обозначенных как S₁-S_N. Во время заголовка H кадра беспроводной передатчик мощности посылает сообщения в форме ряда битов, присутствующих в интервале заголовка. Таким образом, передатчик мощности инициирует каждый кадр и, таким образом, координирует моменты времени кадров и интервалов в кадре. Число временных интервалов N может быть выбрано равным числу присутствующих беспроводных приемников мощности или, например, равным максимальному числу беспроводных приемников мощности, которое может поддерживаться беспроводным передатчиком мощности. Число временных интервалов может быть фиксированным и предварительно согласованным, или оно может быть переменным и, например, объявляться в заголовке кадра передатчиком мощности, координирующим коммуникацию. Выделение конкретного временного интервала конкретному приемнику может выполняться передатчиком, который координирует коммуникацию. Например, это может происходить во время процедуры квитирования, когда приемник мощности помещается на зарядной площадке и сначала осуществляет коммуникацию с беспроводным передатчиком мощности.

В некоторых вариантах осуществления структура коммуникационного кадра может быть другой или может быть более сложной. Например, каждому коммуникационному временному интервалу S₁-S_N, в котором приемник мощности может осуществлять коммуникацию, может предшествовать временной интервал синхронизации, в котором может осуществлять коммуникацию передатчик мощности. Это может позволить, например, передатчику мощности осуществлять коммуникацию более своевременно относительно предыдущего или последующего временного интервала. Таким образом, передатчик мощности более точно управляет и координирует моментами коммуникации.

Авторы изобретения поняли, что для того, чтобы обеспечить обнаружение посторонних предметов с использованием способа определения потери мощности, необходимо надежное измерение мощности, посланной передатчиком мощности, и мощности, принятой каждым имеющимся приемником мощности. Передатчик мощности не может определить величину мощности, которую он посылает в каждый из приемников мощности отдельно, таким образом, определение потери мощности должно быть основано на общей величине переданной мощности и сумме величин мощности, принятой каждым имеющимся приемником мощности.

К сожалению, коммуникация между передатчиком мощности и приемниками мощности интерферирует с измерением мощности, поскольку коммуникация основана на модуляции передаваемой мощности как приемниками, так и передатчиком. Кроме того, измерения мощности устройствами должны быть синхронизированными, во избежание того, что вариации мощности с течением времени приведут к неправильному определению потери мощности и, таким образом, ложному обнаружению посторонних предметов. Мощность может варьироваться с течением времени, например, из-за изменений нагрузки одного из приемников мощности по мере того, как аккумулятор заряжается.

Фигура 6 изображает модифицированный коммуникационный кадр. В дополнение к заголовку H кадра и коммуникационным временным интервалам S₁-S_N теперь выделяется дополнительный временной интервал 54 измерения мощности, обозначенный как M, блоком координации и управления коммуникацией передатчика мощности. В течение этого временного интервала измерения мощности все блоки будут выполнять измерение мощности, и будет отсутствовать коммуникация. В течение последующих коммуникационных временных интервалов в том же самом кадре или в одном из нескольких следующих кадров каждый из приемников мощности передает результат своего измерения мощности передатчику мощности. Измеренные величины могут включать в себя поправочные коэффициенты, например, для коррекции на известные потери в устройствах из-за металлических частей в устройствах или из-за утечек в электронных схемах и так далее. Можно согласовать, чтобы все устройства измеряли мощность, усредненную или интегрированную за длительность временного интервала измерения мощности. Эта длительность временного интервала измерения мощности может быть заранее определенной.

Передатчик мощности затем вычисляет потерю мощности по разности между посланной мощностью и суммой принятых мощностей. Вычисление может быть не очень точным, но по меньшей мере будет в достаточной мере точной аппроксимацией потерянной мощности. Если потеря мощности превышает некоторый предварительно заданный предел, посторонние предметы очевидно присутствуют и поглощают слишком много мощности, и, следовательно, передача мощности возможно должна быть прекращена или уменьшена, или некоторая форма предупредительного сигнала может быть активирована, чтобы предупредить пользователя. Пороговое значение может быть выбрано на основании экспериментального определения безопасных пределов. Например, очень небольшая потеря в 1 мВт не будет приводить к опасным ситуациям, на практике может использоваться порог, лежащий, например, в диапазоне от 100 мВт до 2 Вт. В высокомощных применениях, например, в кухонных принадлежностях, порог может быть выбран даже несколько выше.

Временной интервал M измерения мощности может быть выделен передатчиком мощности во всех коммуникационных кадрах, а затем неявно объявлен в заголовке в начале каждого кадра. Его положение и длительность в пределах коммуникационного кадра может быть фиксированной, например, всегда вслед за заголовком кадра, как показано на фигуре 6, с согласованной длительностью. В этом случае заголовок служит неявным объявлением начала временного интервала измерения мощности.

Альтернативно, временной интервал измерения мощности может быть выделен только в некоторых коммуникационных кадрах, в этом случае присутствие или отсутствие временного интервала измерения мощности в кадре может объявляться беспроводным передатчиком мощности в заголовке кадра, например, путем задания предварительно определенного флага или бита соответственно. На практике измерение мощности может достаточно регулярно повторяться для обнаружения посторонних предметов с интервалом, например, 1-5 секунд. Положение и длительность временного интервала измерения мощности в пределах кадра также могут быть переменными, в этом случае информация передается передатчиком мощности в заголовке кадра для объявления начала и конца временного интервала измерения мощности.

Фигура 7 изображает коммуникационный кадр, в котором каждому из коммуникационных временных интервалов S₁-S_N предшествует временной интервал 55 синхронизации, в котором передатчик посылает сообщение или фиксированную комбинацию битов. Это может, например, позволить передатчику мощности осуществлять коммуникацию более своевременно относительно предыдущего или последующего временного интервала. Таким образом, передатчик мощности более точно управляет и координирует моментами коммуникации. Это обеспечивает улучшенную синхронизацию между передатчиком мощности и приемниками мощности.

По соображениям совместимости длительность временного интервала M измерения мощности, коммуникационных временных интервалов S₁-S_N и временных интервалов синхронизации может быть выбрана в диапазоне 30-60 миллисекунд. Это имеет то преимущество, что делает подход к коммуникации совместимым с существующими спецификациями беспроводной передачи мощности Qi, в которых определяется длительность 'окна цифровой проверки (ping)' в 65 мс. Длительность временного интервала измерения мощности в 30-60 мс, например, равная 50 мс, хорошо подходит. Длительность должна быть достаточно большой для выполнения хорошего измерения, но все же в достаточной мере меньше предела в 65 мс. Пребывание в достаточной мере в пределах 65 мс гарантирует, что передатчик мощности, выполняющий упомянутый выше протокол связи с временными интервалами синхронизированного измерения мощности, также может обнаружить и правильно работать с приемником мощности, который совместим только с уже существующими спецификациями. Кроме того, приемник мощности может, таким образом, всегда обнаруживать коммуникацию передатчика мощности в пределах перерыва в 65 мс, и установить, какая версия указанной коммуникации используется передатчиком мощности.

Фигура 8 изображает типичный способ определения потери мощности для обнаружения посторонних предметов в системе индуктивной беспроводной передачи мощности, содержащей индуктивный беспроводной передатчик 22 мощности и по меньшей мере два индуктивных беспроводных приемника 23 мощности. Коммуникация между передатчиком и приемниками организована в кадры и временные интервалы и координируется передатчиком мощности, как было описано выше.

На первом этапе 81 передатчик мощности выделяет временной интервал измерения мощности и объявляет об этом временном интервале приемникам мощности путем отправки сообщения.

На следующем этапе 82 как передатчик мощности, так и приемники мощности выполняют измерения мощности во время выделенного временного интервала измерения мощности. Передатчик мощности измеряет беспроводную индуктивную мощность, которую он передал, а каждый из приемников мощности измеряет индуктивную беспроводную мощность, которую они приняли. Эти измерения могут быть скорректированы на известные отклонения, вызванные, например, металлическими частями самих передатчика и приемников, утечками или другими несовершенствами в электрической схеме и так далее.

На следующем этапе 83 каждый приемник мощности посылает результат своего измерения мощности передатчику мощности. Это будет происходить последовательно, то есть каждый приемник будет передавать результаты своих измерений в его собственный временной интервал коммуникации.

На следующем этапе 84, передатчик мощности вычисляет потерю мощности на основании разности между мощностью, переданной передатчиком мощности, и суммой мощностей, принятых каждым из приемников мощности.

На следующем этапе 85 передатчик сравнивает вычисленную потерю мощности с пороговым значением. Если порог превышен, мощность может быть уменьшена или даже полностью отключена, или может быть активирован предупредительный сигнал, чтобы сообщить пользователю о возможном присутствии постороннего предмета.

Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в приведенном выше описании, такие иллюстрацию и описание следует считать иллюстративными и приведенными в качестве примера, а не ограничивающими; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления.

Сам по себе факт, что некоторые средства перечислены во взаимно-различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих средств не может быть использована с выгодой. Фактически многие признаки могут комбинироваться, если специалист в области техники распознает их как взаимно-совместимые, например, различные обсуждавшиеся опции разбиения на временные интервалы, различные способы модуляции, различные уровни мощности или временные аспекты, как упоминалось на протяжении всего текста.

Другие вариации раскрытых вариантов осуществления могут быть очевидны специалистам в области техники и могут быть ими осуществлены при реализации заявленного изобретения в результате изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения.

В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключает множественное. Один процессор или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение объема изобретения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в обеспечении возможности обнаружения посторонних предметов с помощью одного индуктивного беспроводного передатчика мощности, передающего мощность нескольким беспроводным приемникам мощности. Представлен индуктивный беспроводной передатчик мощности для передачи индуктивного беспроводного сигнала мощности по меньшей мере двум индуктивным беспроводным приемникам мощности. Передатчик мощности координирует коммуникацию с приемниками мощности во временных интервалах. Он выделяет временной интервал измерения для синхронизированного измерения мощности передатчиком мощности и приемниками мощности. В течение временного интервала измерения передатчик мощности измеряет величину мощности, которую он передает. После конца временного интервала измерения он принимает от приемников мощности измеренные величины принятой мощности. По измеренным переданной мощности и принятой мощности он определяет величину потерянной мощности. Если величина потерянной мощности превышает пороговое значение, он уменьшает мощность индуктивного беспроводного сигнала мощности. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Индуктивный беспроводной передатчик (22) мощности для передачи индуктивного беспроводного сигнала мощности с мощностью по меньшей мере 2 ватта по меньшей мере двум индуктивным беспроводным приемникам (23) мощности, содержащий

- первичную обмотку (25) для передачи индуктивного беспроводного сигнала мощности,

- преобразователь (31) мощности для предоставления мощности первичной обмотке,

- блок (36) измерения мощности для определения величины индуктивной беспроводной мощности, переданной передатчиком мощности,

- блок (32) модуляции и демодуляции мощности для модуляции и демодуляции индуктивного беспроводного сигнала мощности, и

- блок (33) координации и управления коммуникацией,

блок координации и управления коммуникацией выполнен с возможностью управления блоком модуляции и демодуляции мощности для координации коммуникации по меньшей мере с двумя индуктивными беспроводными приемниками мощности во временные интервалы (52, 53, 55), присутствующие в повторяющихся коммуникационных кадрах (51), блок координации и управления коммуникацией дополнительно выполнен с возможностью:

- выделения временного интервала (54) измерения мощности для синхронизированных измерений мощности и объявления о временном интервале измерения мощности беспроводным приемникам мощности,

- активации блока измерения мощности для определения величины индуктивной мощности, переданной передатчиком мощности во время временного интервала измерения мощности,

- после временного интервала измерения мощности приема от каждого из беспроводных приемников мощности сообщения, указывающего величину индуктивной мощности, принятой этим приемником мощности во время временного интервала измерения мощности, и

- вычисления по определенной величине переданной мощности и величине принятой мощности величины потерянной мощности;

при этом индуктивный беспроводной передатчик мощности дополнительно выполнен с возможностью уменьшения мощности индуктивного беспроводного сигнала мощности, если вычисленная величина потерянной мощности превышает пороговое значение.

2. Индуктивный беспроводной передатчик мощности по п. 1, в котором длительность временного интервала измерения мощности находится в диапазоне 30-60 миллисекунд.

3. Индуктивный беспроводной приемник (23) мощности для приема индуктивного беспроводного сигнала мощности с мощностью по меньшей мере 2 ватта от индуктивного беспроводного передатчика (22) мощности в беспроводной системе передачи мощности, содержащей по меньшей мере один дополнительный индуктивный беспроводной приемник мощности, содержащий

- вторичную обмотку (26) для приема индуктивного беспроводного сигнала мощности,

- блок (42) модуляции и демодуляции мощности для модуляции и демодуляции индуктивного беспроводного сигнала мощности,

- блок (46) измерения мощности для определения величины индуктивной беспроводной мощности, принятой приемником мощности,

- и блок (43) коммуникации и управления,

блок коммуникации и управления выполнен с возможностью управления блоком модуляции и демодуляции мощности для коммуникации с индуктивным беспроводным передатчиком (22) мощности во временные интервалы коммуникации, присутствующие в повторяющихся коммуникационных кадрах, которые координируются индуктивным беспроводным передатчиком мощности, и блок коммуникации и управления дополнительно выполнен с возможностью:

- приема от индуктивного беспроводного передатчика мощности объявления о выделенном временном интервале (54) измерения мощности для синхронизированных измерений мощности,

- активации блока измерения мощности для определения величины индуктивной мощности, принятой передатчиком мощности во время временного интервала измерения мощности,

- после временного интервала измерения мощности отправки беспроводному передатчику мощности сообщения, указывающего величину индуктивной принятой мощности, для использования беспроводным передатчиком мощности при обнаружении посторонних предметов на основании вычисленной величины мощности, потерянной в системе беспроводной передачи мощности.

4. Индуктивный беспроводной приемник мощности по п. 3, в котором длительность временного интервала измерения мощности находится в диапазоне 30-60 миллисекунд.

5. Способ обнаружения посторонних предметов путем определения потери мощности в индуктивной беспроводной системе передачи мощности, содержащей индуктивный беспроводной передатчик (22) мощности для передачи индуктивного беспроводного сигнала мощности с мощностью по меньшей мере 2 ватта и по меньшей мере двумя индуктивными беспроводными приемниками (23) мощности для приема индуктивного беспроводного сигнала мощности, при этом передатчик мощности и приемники мощности выполнены с возможностью коммуникации посредством модуляции и демодуляции индуктивного беспроводного сигнала мощности, где коммуникация распределяется по временным интервалам и координируется передатчиком мощности,

способ, содержащий этапы, на которых:

- передатчик (22) мощности выделяет временной интервал синхронизированного измерения мощности и отправляет сообщение приемникам (23) мощности, объявляющее о временном интервале синхронизированного измерения мощности,

- передатчик мощности измеряет во время временного интервала измерения мощности индуктивную беспроводную мощность, переданную передатчиком мощности,

- каждый из приемников мощности измеряет во время временного интервала измерения мощности индуктивную беспроводную мощность, принятую этим приемником мощности,

- каждый из приемников мощности посылает, после временного интервала измерения мощности, сообщение передатчику мощности, указывающее измеренную мощность, принятую этим приемником мощности,

- передатчик мощности вычисляет потерю мощности по измеренной индуктивной беспроводной мощности, переданной передатчиком мощности, и измеренным индуктивным беспроводным мощностям, принятым каждым из приемников мощности,

- передатчик мощности уменьшает мощность индуктивного беспроводного сигнала мощности, если вычисленная потеря мощности превышает пороговое значение.

6. Способ по п. 5, в котором длительность временного интервала измерения мощности находится в диапазоне 30-60 миллисекунд.

7. Способ обнаружения посторонних предметов путем определения потери мощности в индуктивном беспроводном передатчике (22) мощности для передачи индуктивного беспроводного сигнала мощности с мощностью по меньшей мере 2 ватта по меньшей мере двум индуктивным беспроводным приемникам (23) мощности для приема индуктивного беспроводного сигнала мощности, при этом передатчик мощности выполнен с возможностью коммуникации с приемниками мощности посредством модуляции и демодуляции индуктивного беспроводного сигнала мощности, где коммуникация распределяется по временным интервалам и координируется передатчиком мощности,

способ, содержащий этапы, на которых:

- передатчик (22) мощности выделяет временной интервал синхронизированного измерения мощности и отправляет сообщение приемникам (23) мощности, объявляющее о временном интервале синхронизированного измерения мощности,

- передатчик мощности измеряет во время временного интервала измерения мощности индуктивную беспроводную мощность, переданную передатчиком мощности,

- передатчик мощности принимает от каждого из приемников мощности, после временного интервала измерения мощности, сообщение, указывающее измеренную мощность, принятую этим приемником мощности,

- передатчик мощности вычисляет потерю мощности по измеренной индуктивной беспроводной мощности, переданной передатчиком мощности, и измеренным индуктивным беспроводным мощностям, принятым каждым из приемников мощности,

- передатчик мощности уменьшает мощность индуктивного беспроводного сигнала мощности, если вычисленная потеря мощности превышает пороговое значение.

8. Способ по п. 7, в котором длительность временного интервала измерения мощности находится в диапазоне 30-60 миллисекунд.