無線電力通信的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001 ]本發(fā)明涉及無線電力傳輸。
[0002]無線電力供給系統(tǒng)允許電力被傳輸?shù)诫娮釉O(shè)備，諸如便攜式設(shè)備，而無需直接的電連接。無線電力傳輸可以通過使用電感器來實現(xiàn)，所述電感器在電流流過它們時產(chǎn)生磁場。相反，當存在磁場、諸如另一電感器所產(chǎn)生的磁場時，在電感器中可以感生電流。如果兩個電感器被接近地放置，并且用電流驅(qū)動一個電感器，那么另一個電感器將產(chǎn)生電流，即使兩個電感器沒有被直接連接。兩個電感器之間的該相互關(guān)系通常稱為感應(yīng)式(inductive)耦合，并且許多人已經(jīng)使用該現(xiàn)象來在沒有電連接的情況下傳輸電力。
[0003]事實上，無線電力傳輸?shù)脑S多基本原理已經(jīng)已知了100年或更多。廣泛地被視為無線電力傳輸之父的尼古拉特斯拉因早在1893年就已經(jīng)展示了用于為燈泡無線供電的系統(tǒng)而著名。特斯拉花了許多年進行該領(lǐng)域中的研究和開發(fā)，并且積累了與無線電力傳輸有關(guān)的有意義的專利資產(chǎn)。隨著我們目睹在無線電力方面的興趣的復(fù)興，一些他早期的發(fā)明正被現(xiàn)今開發(fā)無線電力系統(tǒng)的那些人所使用。例如，特斯拉的美國專利649,621和685，012公開了在初級線圈和次級線圈之間的感應(yīng)式電力傳輸可以通過并入中間線圈的附加集合而被改進，所述中間線圈起到“諧振”線圈的作用來放大振蕩并在初級單元和次級單元之間傳送電力。更具體地，初級單元包括一起運作來將電力傳送到次級單元的一對線圈，并且次級單元包括一起運作來接收電力的一對線圈。初級單元包括電連接到電源并且直接從電源接收電力的初級線圈，以及感應(yīng)地耦合到被直接供電的線圈的諧振線圈。諧振線圈從初級線圈感應(yīng)地接收電力，放大振蕩并且生成電磁場，從而將電力傳送到次級單元。特斯拉還論證了與諧振線圈相組合地使用的電容與單獨地諧振線圈相比可以產(chǎn)生甚至更大的振蕩。次級單元包括接收由初級單元諧振線圈所生成的電磁場的另一諧振線圈，以及感應(yīng)地耦合到次級諧振線圈以直接將電力傳送到次級負載的次級線圈。因此，如可以看到的，使用中間線圈的分離集合來提供具有改進的性能的感應(yīng)式耦合的概念已經(jīng)已知了超過一個世紀。
[0004]盡管無線電力傳輸?shù)幕靖拍钜呀?jīng)存在了許多年，但是在對該技術(shù)的興趣方面有相對新近的復(fù)興，并且正做出普遍的努力來實現(xiàn)實際且高效的無線電力傳輸系統(tǒng)。存在使高效系統(tǒng)的開發(fā)復(fù)雜的各種因素。例如，操作特性(即系統(tǒng)在其之下操作的條件)能夠?qū)﹄娏鬏數(shù)馁|(zhì)量和效率具有顯著影響?；ジ幸材軌?qū)Τ跫墕卧痛渭墕卧g的電力傳輸?shù)男示哂杏绊??；ジ腥Q于許多電路參數(shù)，包括在初級單元和次級單元之間的距離。隨著初級單元和次級單元之間的距離被最小化，互感增加。在距離和互感之間的該逆關(guān)系可能對系統(tǒng)的操作參數(shù)施加限制。
[0005]過去的設(shè)計，包括特斯拉的四線圈構(gòu)造，其利用由電感線圈所驅(qū)動的諧振線圈，已經(jīng)被用于在較大的距離上傳輸電力。該類型的配置已經(jīng)由各種名稱提及，諸如高度諧振的或磁諧振。該系統(tǒng)可能由于利用了附加的線圈以便維持不受負載抑制的非耦合諧振條件而獲得一些效率，但是可能在耦合變緊或線圈變得在物理上更靠近時損失效率。
[0006]常規(guī)的解決方案也已經(jīng)被設(shè)計成使用附加的線圈用于感應(yīng)式耦合，從而在高度諧振的配置中或緊密耦合的配置中感生磁場。但是當在這些配置中使用附加線圈時，成本可能由于添加的導(dǎo)線而增加，并且大小可能與添加的材料成比例地增加。由于附加線圈的添加的等效串聯(lián)電阻(ESR)，效率也可能較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了一種遠程設(shè)備，其具有用于無線地接收電力的自適應(yīng)電力接收器，所述自適應(yīng)電力接收器能夠用于與無線電力發(fā)射器通信。自適應(yīng)電力接收器在電力接收循環(huán)的一部分內(nèi)通過無線電力發(fā)射器或供給來被供能，并且在電力接收循環(huán)的一部分內(nèi)被放電。在一個實施例中，自適應(yīng)電力接收器在循環(huán)的供能部分期間從負載電去耦，以起到可以更容易地被供能的高Q諧振電路的作用。自適應(yīng)電力接收器可以在放電部分期間電耦合到負載，從而提供直接的電路徑用于從被供能的自適應(yīng)電力接收器向負載傳輸電力。通過使電力接收循環(huán)的放電和供能持續(xù)時間變化，這通常被稱作Q控制，由遠程設(shè)備接收的和被供給到負載的電力的量可以變化。
[0008]遠程設(shè)備可以選擇性地在兩個不同的Q控制占空比(duty cycle)之間調(diào)整Q控制占空比，從而使遠程設(shè)備的阻抗移位(shift)并且與無線電力發(fā)射器通信。在一些實施例中，Q控制占空比的選擇性調(diào)整可以包括調(diào)整到在兩個不同的離散Q控制占空比其間的一個或多個中間Q控制占空比的值。
[0009]遠程設(shè)備包括控制器，所述控制器能夠使電力接收循環(huán)的供能和放電部分的持續(xù)時間變化，從而控制被供給到負載的電力的量。例如，控制器可以增加供能部分的持續(xù)時間并且減少放電部分的持續(xù)時間，用以增加被供給到負載的電力。Q控制占空比可以按照電力被供給到負載的時間的百分比(即當Q控制FET斷開時的電力接收循環(huán)的放電部分)來表述，或按照電力從負載去耦的時間的百分比(即當Q控制FET閉合時的電力接收循環(huán)的供能部分)來表述。
[0010]在一個實施例中，自適應(yīng)電力接收器可以使用Q控制來與無線電力供給通信。由Q控制所引起的阻抗方面的移位將導(dǎo)致反射阻抗方面的改變。反射阻抗方面的改變可以通過無線電力供給中電流或電壓的幅度的改變而被感測到。因此，通過利用Q控制來調(diào)制電力信號以改變反射阻抗，無線電力接收器可以有效地與無線電力供給通信，這通常被稱為后向散射(backscatter)調(diào)制。
[0011]有可能使用后向散射調(diào)制來通過使用阻抗移位而對數(shù)據(jù)進行編碼?；旧?，任何后向散射調(diào)制編碼方案可以通過使用Q控制來實現(xiàn)。例如，雙相編碼可以通過在指示“一”的位時間(b i t t i me )期間在2 O %占空比和3 O %占空比之間切換并且在指示“零”的位時間期間保持恒定占空比來實現(xiàn)。
[0012]在離散的占空比的值之間切換以便創(chuàng)建通信可能引入諸如能夠使通信失真的振鈴(r inging)之類的問題。通過使得在占空比的值之間斜坡化(ramp )，能夠減少或消除失真。例如，代替于將占空比直接從20%調(diào)整到30%，占空比可以通過斜坡化時間段上的一系列步長(step)而調(diào)整到在20%和30%其間的值，這能夠減少或消除通信中的失真。遠程設(shè)備的通信方案可以或可以不包括其中占空比在斜坡化時段之后保持恒定的時間段。
[0013]斜坡化的步長的數(shù)目和大小可以取決于配置而變化。例如，遠程設(shè)備可以按1%來增加/減小占空比10次，以便在20%和30%之間斜坡化。步長的大小可以是線性的、二次的、對數(shù)的或任何其它函數(shù)以幫助形成通信信號的總體形狀。
[0014]斜坡化的持續(xù)時間可以變化。例如，位時間期間用于斜坡化的時間段可以取決于位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)變的數(shù)目。另外，用于斜坡化到第一占空比的時間段可以不同于用于斜坡化到第二占空比的時間段。例如，用于斜坡化的時間段可以被選擇成加速或延遲到達某個占空比的值，從而確定該占空比是在位時間的開始、中間還是結(jié)束附近得以實現(xiàn)。延遲的峰值占空比轉(zhuǎn)變可以減少快速零位衰退。
[0015]在一個實施例中，可以通過以下而在兩個占空比的值之間切換:通過重復(fù)地將占空比調(diào)整到更接近于第一占空比的值的中間占空比的值來斜坡化到第一占空比的值，在一段時間內(nèi)維持該第一占空比的值，并且通過重復(fù)地將占空比調(diào)整到更接近于第二占空比的值的中間占空比的值而斜坡化到第二占空比的值。該過程可以被系統(tǒng)地重復(fù)以形成數(shù)據(jù)位。例如，雙相位編碼方案使用在每個位時間的開始和結(jié)束處的轉(zhuǎn)變。如果在位時間內(nèi)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，則位時間被定義為“一”；如果在位時間內(nèi)沒有轉(zhuǎn)變發(fā)生，則位時間被定義為“零”。
[0016]通過參考當前實施例的描述和附圖，本發(fā)明的這些和其它目的、優(yōu)勢和特征將被更全面地理解和領(lǐng)會。
[0017]在詳細解釋本發(fā)明的實施例之前，要理解的是，本發(fā)明不限于在以下的描述中所闡明的或在附圖中所圖示的操作的細節(jié)或構(gòu)造的細節(jié)以及組件的布置。本發(fā)明可以實現(xiàn)在各種其它實施例中以及以沒有在本文中明確公開的可替換方式來實踐或?qū)嵤?。同樣，要理解的是，本文中使用的用語和術(shù)語是用于描述的目的并且不應(yīng)被視為限制性的?！鞍ā焙汀鞍币约捌渥冃偷氖褂靡鉃楹w其后列出的項及其等同物，以及附加項及其等同物。此夕卜，在各種實施例的描述中可以使用枚舉。除非另行明確聲明，否則枚舉的使用不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限制到任何特定的次序或組件的數(shù)目。枚舉的使用也不應(yīng)被解釋為從本發(fā)明的范圍中排除可能與所枚舉的步驟或組件組合的或被組合到所枚舉的步驟或組件中的任何附加的步驟或組件。
【附圖說明】
[0018]圖1示出了三線圈或四線圈感應(yīng)式無線電力系統(tǒng)。
[0019]圖2示出了具有自適應(yīng)接收器和補充接收器的遠程設(shè)備示意圖，其中自適應(yīng)接收器Q控制FET可以用于通信。
[0020]圖3示出具有自適應(yīng)接收器的遠程設(shè)備示意圖，其中自適應(yīng)接收器Q控制FET可以用于通信。
[0021]圖4示出了Q控制通信信號的一個實施例中的兩位的圖解。
[0022]圖5A示出了時鐘信號波形的圖解。
[0023]圖5B示出了雙相編碼的通信信號波形的圖解。
[0024]圖6A示出了疊覆在由遠程設(shè)備接收的無線電力信號波形上的Q控制占空比調(diào)整的圖解。
[0025]圖6B示出了雙相編碼的通信信號的圖解。
[0026]圖7A-7F示出了用以生成Q控制通信信號的Q控制占空比的值的各種示例性圖解。
[0027]圖8A示出了具有疊覆在由遠程設(shè)備所接收的無線電力信號上的有斜坡化的Q控制調(diào)整的圖解。
[0028]圖SB示出了由圖8A中圖示的無線電力信號所生成的雙相編碼的通信信號。
[0029]圖SC示出了用于生成斜坡化Q控制通信的Q控制占空比的值的圖解。
[0030]圖9A示出了由Q控制通信所生成的失真的通信信號波形的圖解。
[0031]圖9B示出了Q控制通信期間在無線電力發(fā)射器中的線圈電流的圖解。
[0032]圖9C示出了用于生成Q控制通信的Q控制占空比的值的圖解。
[0033]圖1OA示出了由斜坡化Q控制通信所生成