用于检测、表征以及跟踪感应电力接收器的系统和方法
【专利摘要】一种用于检测、表征以及跟踪接近于感应充电器的感应充电表面的感应电力接收器的系统和方法。一个或多个谐振器和一个或多个传感器提供能够被用来检测、表征以及跟踪感应电力接收器的信息。谐振器能够被配置成使用与谐振器相关联的传感器的量值或相位来确定远程设备的位置。另外，通过监视感应电力发射器和谐振器，充电器能够在如下情形之间进行区分：存在寄生金属、存在远程设备还是两者都存在。
【专利说明】用于检测、表征以及跟踪感应电力接收器的系统和方法
【背景技术】
[0001]有时被称为感应充电器的感应电源可用来供应无线电力以对次级设备进行供电或充电。在某些已知感应电源中，通过将次级设备放置在充电表面上来对其进行供电或充电。某些感应电源由于要求远程设备相对于感应电源的特定放置和取向而限制了空间自由度。
[0002]在某些已知感应电源系统中，将单个初级线圈嵌入充电设备的充电表面中并将单个次级线圈嵌入次级设备中。能够从干线输入端向有时被称为无线电源的充电设备提供电力。假设干线输入端提供AC电力，该电力能够在干线整流电路中被整流成DC电力，并且然后能够在DC/DC电源中被调整。逆变器能够以由控制器控制的频率对DC电力进行切换以便生成跨感应储能电路的AC信号以产生电磁场。储能电路能够包括初级线圈和初级电容器。次级设备能够包括次级线圈和可选谐振电容器以接收电磁能。一旦在次级设备上接收到AC信号，该AC信号就能够在整流电路中被整流成DC电力。从那里，DC电力能够直接对负载进行供电，或者在负载是电池的情况下，能够使用该电力来对电池进行充电。可利用控制器来控制如何向负载施加电力或控制用于对电池进行充电的充电算法。在此类系统中，当线圈被中心到中心对准时以及当初级和次级线圈之间的间距减小时，电力传输效率通常得以增加。然而，紧密地一对一对准以便有效地传送和发射电力这一要求限制了空间自由度并将充电器局限于每次一个次级设备情况下的操作。为了实现具有无线电力的表面，通常为用户提供关于设备需要位于哪里的信息。这能够用磁对准特征或者用迫使设备被置于某个位置上的不同机械引导件或用指导用户正确地放置设备的图形元素来完成。某些用户想要更多的自由度以在充电设备的表面上到处移动次级设备。
[0003]一个感应充电器提供相邻地布置在单个层中的线圈阵列。在该技术方案中，在充电表面附近将许多初级线圈设置成阵列。其他感应充电器提供多层线圈阵列。通过使得两层或更多层线圈被布置成使得一层上的绕组图案的中心置于另一层上的相邻绕组图案之间的间隙上，能够提供附加空间自由度。
[0004]某些感应充电器激励阵列中的所有线圈，使得无论设备被放置在阵列上的什么位置，其都能够从充电器接收能量。某些阵列技术方案尝试通过提供磁性吸引物以特别地将设备定位于充电表面上而使得能够利用单个线圈传输电力来绕过必须开启大量的线圈。然而，磁性吸引物增加成本、复杂性，并且能降低电力传输系统的效率。还提出了各种人机工程对准技术方案，但这些辅助手段能破坏表面的美感、增加表面设计的复杂性并能影响可用性，因为对准可能仍然得不到保证。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种用于检测、表征和跟踪接近于感应充电器的感应充电表面的感应电力接收器的系统和方法。感应充电器包括用于将电力传输至接近于感应充电表面定位的感应电力接收器的一个或多个感应电力发射器。感应充电器还包括一个或多个谐振器和一个或多个传感器，所述传感器提供能够用来检测、表征和跟踪感应电力接收器的信息。[0006]一个或多个谐振器能够被配置成使得I)在不存在感应电力接收器的情况下，驱动感应电力发射器不会在所述一个或多个谐振器中产生电流的显著变化；以及2)在存在感应电力接收器的情况下，驱动感应电力发射器会在所述一个或多个谐振器中产生电流的显著变化。在一个实施例中，使一个或多个谐振器偏移一个或多个感应电力发射器，以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比被大幅减小。在另一实施例中，将一个或多个谐振器远离一个或多个感应电力发射器定位，以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比被大幅减小。在另一实施例中，将一个或多个谐振器与一个或多个感应电力发射器屏蔽。在又一实施例中，感应充电器包括偏移谐振器、远程谐振器以及被屏蔽谐振器的组合。在每个实施例中，当驱动所述一个或多个感应电力发射器并将其耦合到感应电力接收器时，则感应电力接收器耦合到一个或多个谐振器以产生显著电流。
[0007]在一个实施例中，通过监视一个或多个谐振器中的电力的特性，系统能够检测感应电力接收器何时已被接近于感应充电表面放置，因为感应电力接收器在被放置时耦合到一个或多个谐振器并在所述一个或多个谐振器中感生电流。然而，当一块金属被接近于感应充电表面放置时，金属中的感生电流不会使到谐振器的场永久存在。因此，在金属被接近于感应充电表面放置时，谐振器传感器能够在不产生假正电(false positive)的情况下通过监视谐振器中的电力的特性来检测何时感应电力接收器被接近于感应充电表面放置。此夕卜，通过监视感应电力发射器中的电力的特性和谐振器中的电力的特性，感应充电器能够区分如下情况的检测:存在感应电力接收器、存在金属或者存在感应电力接收器和金属两者。
[0008]在另一实施例中，通过测量一个或多个谐振器中的电力的一个或多个特性，能够表征感应电力接收器。表征感应电力接收器能够包括确定感应电力接收器的位置、确定感应电力接收器的边界、确定感应电力接收器的形状、确定感应电力接收器的尺寸、确定感应电力接收器的维度、确定感应电力接收器的取向以及确定关于感应电力接收器的其他特性。另外，能够在表征中测量和利用一个或多个感应电力发射器中的电力的一个或多个特性。
[0009]能够通过分析一个或多个谐振器中的电力的特性的量值(magnitude)来确定感应电力接收器的位置。电力的特性的量值表示从感应电力接收器穿透谐振器的通量的量。因此，感应电力接收器距离给定谐振器越近，则量值越高。
[0010]在某些情况下，可能难以确定感应电力接收器是大体上邻近于谐振器还是基本上与之重叠。通过收集关于一个或多个谐振器相对于一个或多个感应电力发射器的电力的特性的相位信息，系统能够确定感应电力接收器是大体上邻近于谐振器还是基本上与之重叠。该信息能够用来帮助表征感应电力接收器。电力的特性的相位表示从感应电力接收器穿透谐振器的大多数通量的方向。因此，在谐振器与一个或多个感应电力发射器同相的情况下，大多数感应电力接收器与谐振器重叠。在谐振器与一个或多个感应电力发射器不同相的情况下，大多数感应电力接收器与谐振器不重叠。
[0011]感应充电器能够动态地配置布置在阵列中的多个电感器，所述电感器有时被称为线圈。取决于系统是如何配置的，某些电感器能够是感应电力发射器，某些能够是谐振器，并且某些能够是开路。在某些实施例中，某些电感器能够被永久地配置为谐振器或感应电力发射器，而其他电感器能够是可动态配置的。通过动态地配置电感器阵列，能够快速地检测、表征或跟踪感应电力接收器。在一个实施例中，复用器将电感器连接到驱动器、基准电压或将其保持作为开路而断开连接的状态。当电感器被连接到基准电压时，其变成谐振器，而当电感器被连接到驱动器时，其变成感应电力发射器。
[0012]备选地，感应充电器可具有专用电力传输线圈，并且使用谐振线圈来感测远程设备是否适当地与电力传输线圈对准。可使用诸如单导体线绕式线圈、表面安装电感器或由PCB材料制成的印刷电感器之类的低成本线圈来构造谐振线圈。感应充电器可使用设备位置信息来调整电力传输特性，比如当设备未被对准时减小最大可允许电力。感应充电器还可向用户显示关于诸如OLED显示器或简单的LED阵列之类的远程设备的当前对准的信息。感应充电器还可向远程设备提供对准信息且远程设备可确定在远程设备的显示系统上向用户显示该对准信息。该信息可通过线圈作为已调制电力信号来传送，或者可通过诸如蓝牙或WiFi这样的备选数据通信信道来传送。
[0013]在不同实施例中，传感器能够位于不同的位置。在一个实施例中，每个电感器与其自己的传感器相关联。在备选实施例中，将一个传感器放置在复用器与驱动器之间而将另一传感器放置在复用器与基准电压之间。
[0014]在另一备选实施例中，使用两个或更多驱动器，以使得多个感应电力接收器能够同时接收电力。为了将阵列中的线圈配置为谐振线圈，开启驱动器的一个场效应晶体管并将其保持在开启状态，以将线圈连接到基准电压。这允许线圈是谐振线圈，而且允许多个设备被单独地供电，这是因为两个或更多驱动器能够连接到完全可选择阵列。
[0015]在一个实施例中，一旦已知感应电力接收器的位置，系统就能够跟踪该感应电力接收器的移动。随着感应电力接收器朝着或远离谐振器移动，感应电力接收器与谐振器之间的耦合相应地增加或减少。通过周期性地获取对于每个谐振器的测量结果，能够跟踪感应电力接收器的移动。此外，系统能够使用移动信息来动态地将电感器在谐振器、感应电力发射器以及开路之间切换以便最有效地向感应电力接收器提供电力。例如，如果谐振器中的电流增加到某个级别，则感应电力接收器可能已移动至距离远到足以应配置和选择新的感应电力发射器或感应电力发射器组的地步。
[0016]备选地，感应电力接收器可以可选地激活其线圈以从远程设备向充电底座(base)发射电力。充电底座然后能够分析发射和谐振线圈中的电流的特性以确定远程设备位置。
[0017]通过参考对实施例和附图的描述，本发明的这些及其他特征将得到更充分地理解和领会。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1示出具有全部被耦合到次级设备的感应电力接收器的三个感应电力发射器和一个谐振器的感应充电器的表不图。
[0019]图2示出其中将一个线圈配置为感应电力发射器并将三个相邻线圈配置为谐振器的三层线圈阵列。
[0020]图3示出放置于在感应电力发射器和谐振器附近的阵列上的感应电力接收器。
[0021]图4示出感应充电器电路的一部分的一个实施例，其中复用器将一个或多个线圈(每个具有专用传感器)选择性地连接到驱动器或地线。[0022]图5示出具有被放置在驱动器与复用器之间以及在基准电压与复用器之间的传感器的感应充电器电路的一部分的另一实施例。
[0023]图6示出感应充电器电路的一部分的另一实施例，其中，两个驱动器被连接到复用器，每个驱动器具有专用传感器。
[0024]图7示出其中将两个线圈配置为谐振器并将一个线圈配置为感应电力发射器的代表性三个线圈阵列。
[0025]图8示出用于感应充电系统的电路的一部分，其中，每个线圈具有专用线圈驱动器和传感器。
[0026]图9示出图7的三个线圈阵列，其中在阵列上放置有感应电力接收器。
[0027]图10示出图7的三个线圈阵列，其中在阵列上放置有不同的感应电力接收器。
[0028]图11示出其中将一个线圈配置为感应电力发射器并将另一线圈配置为远程谐振器的三层线圈阵列。
[0029]图12示出放置在图11阵列上的感应电力接收器。
[0030]图13示出感应电力发射器、接收器以及四个专用谐振器。
[0031]图14示出发射器与四个谐振器之间的相位关系。
[0032]图15示出图14中所示的实施例的示例性图示。
[0033]图16示出图15中所示的实施例的备选图示。
[0034]图17示出单个谐振器的备选图示，其中，提供串联谐振电容器以增强性能。
[0035]图18示出感应电力发射器和远程设备。
[0036]图19示出远程设备正被放置在感应电力发射器上，但是其电力接收线圈与感应电力发射器的电力发射线圈不对准。指引用户移动设备的LED被显示为照亮。
【具体实施方式】
[0037]图1中示出根据本发明的实施例的感应充电系统。该感应充电系统包括产生电磁场以向次级设备无线地传输电力的感应充电器100。感应充电器能够包括各种初级电路102，将在下面对其进行更详细论述。通常，初级电路能够包括一个或多个感应电力发射器104、一个或多个谐振器106、用于激励一个或多个感应电力发射器104的驱动器108、一个或多个传感器(未示出)以及控制器110。次级设备112能够包括负载和各种次级电路114，也将在下面对其进行更详细论述。次级设备的示例能够包括移动电话、平板计算机、膝上型计算机或需求电力的任何其他设备。通常，次级电路114能够包括一个或多个感应电力接收器116、负载120以及用于调节由感应电力接收器接收到的感应电力的电路118。基于传感器，感应充电系统能够进行检测、表征、跟踪感应电力接收器中的至少一个操作。
[0038]参考图2-3，示出根据本发明的实施例的线圈阵列。图7中示出根据本发明的另一实施例的另一线圈阵列。线圈阵列能够是多层线圈阵列，如下面所论述的，并且如在对于Baarman等人的在2010年4月8日提交的美国公开专利申请号2010/0259217中详细地公开的那样，该专利申请被整体地通过引用结合到本文中。线圈阵列能够是相反缠绕线圈阵列，其中，两个或更多共轴和间隔开的在其之间产生协作(cooperative)磁通量区域。在相反缠绕线圈阵列中，能够将具有感应电力接收器的设备接近于协作磁通量区域放置以从非接触式电源接收无线电力，并且能够绕着公共轴在交替的方向上缠绕间隔开的初级线圈并对其同相地进行驱动，或者能够绕着公共轴在单个方向上缠绕并相互异相约180度地对其进行驱动。在对于Norconk等人的2011年4月28日提交的美国专利申请号61/479926中详细地公开了相反缠绕线圈阵列，其被通过引用结合到本文中。
[0039]线圈阵列提供其中能够放置一个或多个远程设备以便接收无线电力的充电表面。在图2中，提供多层线圈阵列，其中，每个线圈偏移一个半径长度，并且以直接地一个在另一个之上的堆叠配置的方式被布置。在该例示中线圈被示为一般环形形状，其通常表示螺旋形线圈。然而应理解的是，线圈几何结构、绕组的匝数、导线直径以及基本上线圈的任何其他物理属性可根据应用而改变。线圈还能被称为绕组或电感器。在备选实施例中，线圈可偏移不同的量。例如，在其中将多个线圈同时地选择成感应电力发射器的实施例中，不同的偏移距离可能更适当。此外，在备选实施例中，阵列和形状和尺寸能根据期望的应用而改变。例如，在备选实施例中，线圈可跨单个层或两个交错层伸展。
[0040]线圈阵列能够是选择性可配置的。在图4-6中所描述的每个实施例中，感应充电器包括驱动器、线圈阵列、复用器以及控制器，该控制器被编程为选择性地I)将阵列中的一个或多个线圈配置成感应电力发射器，该感应电力发射器能够被驱动器激励以非接触地向放置在充电表面上的设备中的感应电力接收器传输电力；2)通过将线圈选择性地连接到公共基准而将阵列中的一个或多个线圈配置成谐振器；以及3)将阵列中的一个或多个线圈配置成处于开路配置。选择性地将线圈配置为感应电力发射器或谐振器的能力允许能够跨整个充电表面对次级设备进行检测、表征、跟踪以及供电。
[0041]备选地，可将谐振器配置为固定谐振器，其可仅仅是检测远程设备与感应电源之间的耦合的变化的电感器。谐振器可以可选地具有谐振电容器以创建谐振电路。谐振点可基本上在发射器的工作频率附近，或者可基本上接近于远程设备的谐振频率。可将感应电源配置为向用户提供对准信息。
[0042]谐振器可通过整流器来驱动LED 1500、1502、1504、1506，比如图15中所示的电路那样，或者微控制器可使用传感器来检测谐振器中的电流并使用该信息来向用户显示对准信息，比如图16中所示的电路那样。显示器可以是被布置成向用户显示方向信息的若干LED 1800，比如图18中所示的LED。图19示出远程设备112正被放置在感应电力发射器100上，但是其中其电力接收线圈116与感应电力发射器100的电力发射线圈104不对准。指引用户移动设备的LED 1900被显示为照亮。
[0043]备选地，感应电源可通过通信信道向远程设备提供对准信息。通过感应电力信号的调制，此通信信道可以是诸如蓝牙或Wifi这样的单独RF通信信道或诸如红外这样的光通信信道。
[0044]每个谐振器被配置成使得I)在不存在耦合到谐振器的感应电力接收器的情况下，驱动感应电力发射器不会在谐振器中产生电流的显著变化；以及2)在存在耦合到谐振器的感应电力接收器的情况下，驱动感应电力发射器会在谐振器中产生电流的显著变化。该谐振器配置能够以多种不同的方式来实现，比如通过使谐振器从感应电力发射器偏移、将谐振器远离感应电力发射器定位或者将谐振器与感应电力发射器屏蔽。在一个实施例中，感应充电器包括偏移谐振器、远程谐振器以及被屏蔽谐振器的组合。
[0045]在另一实施例中，将一个或多个谐振器远离一个或多个感应电力发射器定位，以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比被大幅减小。例如，如图11中所示，可将谐振器充分地远离感应电力发射器定位，使得当驱动感应电力发射器时，在谐振器中产生很少、甚至没有电流。通过如图12中所示的那样放置感应电力接收器116以使得感应电力接收器能够耦合到感应电力发射器和远程谐振器两者，从而感应电力发射器能够在远程谐振器中产生电流变化。
[0046]在另一实施例中，将一个或多个谐振器与一个或多个感应电力发射器屏蔽。为了使感应电力发射器在远程谐振器中产生电流变化，感应电力接收器耦合到感应电力发射器和远程谐振器两者。也就是说，将谐振器与感应电力发射器屏蔽，而不与感应电力接收器屏蔽。
[0047]返回参考图2，在不存在感应电力接收器的情况下用交流电对感应电力发射器进行供电时，在相邻谐振器中感生很少、甚至没有电流。然而，当感应电力接收器被放置于线圈阵列上且使用交流电对感应电力发射器进行供电时，在感应电力接收器中感生交流电并且在该感应电力接收器中感生的交流电又在该感应电力接收器与之耦合的任何谐振器中感生电流。通过测量在谐振器中感生的电力的电流或其他特性，感应充电器能够确定设备是否已被放置在阵列上，并且还能够表征该设备。例如，如果感应电力接收器被直接放置在感应电力发射器之上，则在相邻谐振器中感生的电流增加，但并非显著的量。然而，如果感应电力接收器被直接放置在谐振器之上，则在该谐振器中的感生电流增加相对显著的量。因此，通过分析传感器输出，感应充电器能够确定是否感应电力接收器已被接近于谐振器放置且能够表征该设备。
[0048]能够由谐振器传感器测量的电力的特性能够包括电流、电压、功率或电力的任何其他特性。测量结果能够是量值、相位、平均值、峰值、均方根值或电力的特性的任何其他类型的测量结果。
[0049]表征的类型和表征的准确性能够根据不同的应用而广泛地改变。在某些实施例中，能够基于从谐振器收集的信息来确定感应电力接收器的精确坐标、取向、节距、偏航以及维度。在备选实施例中，可确定设备的大体定位和边界。通常，可用的谐振器传感器输出越多，则表征能够越精确。虽然从谐振器收集的信息能够在表征感应电力接收器方面有帮助，但其还可在表征次级设备本身时有用。
[0050]在其中期望更准确的表征的实施例中，能够利用附加技术来增加分辨率(resolution)。例如，可利用三角测量以利用来自附加谐振器的附加数据点来确定位置。或者，在其他情况下，可利用线圈几何结构信息来辅助表征。在一个实施例中，表征过程能够说明多层线圈阵列中的各层之间的垂直距离，使得能够更容易地比较来自不同层中的谐振器的信息。在其他实施例中，不同层中的谐振器之间的垂直距离对查验(Ping)的结果不具有显著的影响，并且能够忽略。
[0051]除从谐振器传感器收集的信息之外，还能够从在初级电路中的其他地方的感应电力发射器或从次级设备本身获得附加信息。该信息能够与谐振器信息相结合地被用来表征感应电力接收器，或者，备选地，该信息能够被用来检验基于谐振器信息的感应电力接收器的表征。例如，能够通过感测感应电力发射器中的电力的特性(比如电流、电压或功率)来获得信息。如同谐振器传感器的情况一样，测量结果能够是量值、相位、平均值、峰值、均方根值或电力的特性的任何其他类型的测量结果。
[0052]在此过程期间还可将除定位之外的其他因素也考虑在内。例如，如果被连接到感应电力接收器的远程设备需要比一个感应电力发射器可提供的电力更多的电力，则可利用附加感应电力发射器来增加输送到负载的电力的总量。或者如果存在寄生负载，比如位于充电表面上的一块金属，则控制器可识别该寄生负载，并且然后选择激活更加远离该寄生负载的线圈，但是仍能够向感应电力接收器提供电力。这些仅仅是在关于要激活线圈阵列中的哪些线圈的决策中作为能够被包括进去的因素的其他信息的两个示例。
[0053]系统能够利用位置信息来确定将激励哪些线圈和多少线圈以便向次级设备传输电力。通过开启线圈的不同组合作为感应电力发射器，能够使磁场的位置在充电表面周围移位。
[0054]为了检测或表征感应电力接收器，能够将控制器编程为在短时间段内激励感应电力发射器。在备选实施例中，能够在短时间段内同时地激励多个感应电力发射器。然后能够使用传感器来确定是否存在感应电力接收器以及在感应电力接收器在附近的情况下该感应电力接收器位于何处。以这样的方式，通过激励感应电力发射器，能够检测接近于感应电力发射器或任何所选谐振器的感应电力接收器。由于减小了感应电力发射器与谐振器之间的耦合比，所以当在不存在感应电力接收器的情况下驱动感应电力发射器时，在谐振器中将感生很少甚至没有电流。然而，当感应电力接收器被放置在其耦合到感应电力发射器和谐振器两者的位置时，在谐振器中将感生电流。也就是说，感应电力发射器中的交流电在感应电力接收器中感生电流，其又在谐振器中感生电流，即使谐振器未被直接耦合到感应电力发射器。
[0055]备选地，远程设备可激活其线圈并从该远程设备向感应电源传输少量的能量。感应电源可读取电力发射线圈或谐振线圈或两者中的电力的特性。一旦感应电源检测到正在向线圈施加电力，则其以相同的方式使用传感器信息来检测远程设备的位置和特性。可将远程设备配置成通过单独的通信信道与感应电源通信以确定何时其可足够接近而开始向其线圈施加电力。备选地，可为远程设备配置用户输入端，使得用户可提示远程设备向其线圈施加电力。
[0056]在一个实施例中，当激励感应电力发射器时,能够使用感应电力发射器中的传感器来感测来自次级负载的反射阻抗。例如，感应电力发射器中的电流传感器将显示电流根据是否存在次级线圈和该次级线圈与谐振器的距离而改变。该过程能被称为查验。在查验期间，还能够从一个或多个谐振器中的传感器收集信息。例如，能够从相邻谐振器中的传感器收集信息，其提供关于比感应电力发射器中的传感器能够提供的更大的充电表面面积的信息。因此，通过利用谐振器，能够从能够用来快速地检测和表征感应电力接收器的单个查验获得多个数据点。例如，根据单个查验，可能可使得系统对感应电力接收器的精确位置、尺寸以及形状进行确定。
[0057]在一个实施例中，用于在线圈阵列的充电表面中搜索感应电力接收器的方法包括配置线圈阵列以使得一个线圈是感应电力发射器且阵列中的多个其他线圈是谐振器，用感应电力发射器进行的查验包括从与每个谐振器相关联的传感器收集信息，并且响应于该信息而I)对阵列进行重配置，使得一个不同的线圈是感应电力发射器，并且阵列中的不同的多个线圈是谐振器，或者2)基于信息来表征感应电力接收器，基于该表征来将阵列中的一个或多个线圈配置成是感应电力发射器，并且向感应电力接收器供应电力。以这样的方式，能够使用单个查验来不仅搜索接近于感应电力发射器的区域，而且能够搜索接近于谐振器的区域。
[0058]返回参考图4，感应充电器包括将线圈连接到半桥驱动器、基准电压(在这种情况下为地线)或将它们置于开路的复用器。当选择线圈并将其连接到基准电压时，该电路变为谐振电路。在图4实施例中，每个线圈具有单独的传感器400、402、404，使得当该线圈被连接为谐振器或感应电力发射器时，其能够提供关于感应电力接收器的信息。
[0059]参考图5，在该实施例中，线圈仍通过使用复用器被选择，并且其能够仍被连接至半桥驱动器或基准电压，比如地线。然而，在该实施例中，将电流传感器500、502放置在复用器与驱动器之间以及复用器与基准电压之间。在其中仅存在一个谐振器的配置中，该配置提供较低成本且较简单的配置。在将使用小于可选择阵列中的线圈数目的预定义数目的谐振器的情况下，能够基于复用器连接来提供电流传感器而不是为每个线圈提供单独的电流传感器。
[0060]参考图6，在该实施例中，能够利用两个或更多半桥驱动器而不仅仅是一个。为了将阵列中的线圈配置为谐振线圈，能够将半桥驱动器的一个场效应晶体管开启并使其保持为开启状态，使得到该驱动器的复用器连接导致将线圈连接到基准电压(在这种情况下，+V或地线)。这允许第二驱动器被选择性地配置成被用作基准电压，或者当具有多个驱动器是有利的时被用为驱动器，例如在存在同时需求电力的两个感应电力接收器的情况下。尽管所例示实施例描述两个驱动器，但可添加附加驱动器以提供同时地对甚至更多的感应电力接收器进行供电的能力。还可将附加驱动器配置成使得经由复用器连接的附加线圈是谐振器。在备选实施例中，复用器可将线圈连接到多个驱动器和一个或多个基准电压。以这样的方式，可根据手边的应用而将感应充电器动态地配置成动态地提供更多的谐振器或被更多地感应供电的发射器。
[0061]如上所提及的，图7示出三个线圈阵列。类似于图2中所示的较大阵列，图7阵列被布置成使得每个线圈偏移一个半径长度，并且以直接地一个在另一个之上的堆叠配置的方式被布置。在当前实施例中，中心线圈被配置为感应电力发射器而两个外线圈被配置为谐振器。当接收器被以一定偏移放置在阵列上时(如图9中所示)，其被耦合到被供电发射线圈和上谐振线圈两者。次级的也变成被负耦合到下谐振线圈。与下线圈的耦合比的绝对值小于感应电力接收器与上谐振线圈之间的耦合比的绝对值。通过观察所有三个线圈中的电力的特性(诸如电流)，包括振幅和相位，能够确定设备位置。图13示出具有感应电力发射器、接收器以及四个专用谐振器的备选实施例。图14示出发射器与四个谐振器之间的示例性相位关系。
[0062]图8描述用于诸如图7中所示的那个的感应充电器的电路图的一部分的一个实施例。在该实施例中，提供了三个半桥驱动器而不是使用复用器，每个半桥驱动器专用于一个线圈。为了将两个外线圈配置为谐振线圈，开关S2和S4被开启。在此配置中，每个电路(感应电力发射器、谐振器以及感应电力接收器)的谐振频率被调谐至同一频率。这允许感应电源在短时间段内施加少量的电力并仍在感应电力接收器(和谐振器)中感生电流。备选地，能够将电路调谐至两个或更多不同的谐振频率。在此类配置中，在感应电力发射器和谐振器中的传感器测量结果可大幅改变，即使感应电力接收器被同样地耦合到每一个。在检测或表征过程中能够说明这些变化。感应充电器使用传感器800、802、804来测量感应电力发射器的振幅(该振幅通常在存在次级的情况下减小)以及每个谐振器的振幅和相位。该信息能够被存储在存储器中。能够分析该信息以检测、表征以及跟踪感应电力接收器。备选地或另外地，能够足够长地对感应电力发射器进行供电以使次级负载加电并开始接收通信。图17示出具有单个谐振器的次级设备的备选图示，其中，提供串联谐振电容器1700以增强性倉泛。
[0063]以示例的方式，图9示出具有被放置为覆盖谐振器中的一个Lrt并覆盖感应电源发射器Lt的感应电力接收器Ls的三个线圈阵列。能够对感应电力发射器Lt进行查验，并且能够将对来自谐振器Lrt、Lr2中的传感器和来自感应电力发射器Lt中的传感器的查验的响应存储在存储器中。给定图9中的次级设备的位置，对关于谐振器Lrt的查验的响应将相对高于对关于L2的查验的响应，因为感应电力接收器跟其与谐振器Lrf相比，与谐振器Lrt更紧密地对准。对关于感应电力发射器Lt中的传感器的查验的响应将相对类似于对关于谐振器Lrt的查验的响应，因为感应电力接收器Ls覆盖谐振器Lrt的面积与其覆盖感应电力发射器Lt的面积的量大约相同。在查验响应中能够存在某些预期差异，例如由于是谐振器或感应电力发射器或者由于线圈的Z位置所引起，然而，在过程中能够说明那些差异。在此方案中，系统能够确定感应电力发射器Lt和谐振器Lrt被同样地耦合到接收器，并且感应电力接收器Ls并未延伸至谐振器L2的顶部之上。
[0064]基于谐振器信息来确定感应电力接收器的位置能够以多种方式来实现。例如，能够利用相对传感器测量结果来提供感应电力接收器的位置的相当准确的描绘。测量结果的相对值越高，谐振器越接近于感应电力接收器。在备选实施例中，能够将每个传感器测量结果与阈值值进行比较。如果传感器测量结果高于阈值值，则可断定感应电力接收器足够接近于该谐振器，使得其能够被配置为感应电力发射器。阈值对于不同的应用和不同的线圈而言可改变。阈值能够在制造时被设定，或者基于由感应充电器在使用期间收集的信息来动态地改变，通过传感器的使用或者在某些实施例中经由通过通信系统接收到的信息。在另一实施例中，可利用相对测量结果和阈值的组合来表征感应电力接收器。在不能肯定地对感应电力接收器的位置进行定位的情况下，能够利用谐振器中的测量结果来确定哪个或哪些线圈接下来应是谐振器和感应电力发射器。例如，在除两个之外的所有谐振器中的测量结果都接近于零且在其他两个谐振器中存在低测量结果的情况下，控制器能够将具有低测量结果的谐振器的方向上的线圈配置成是感应电力发射器和谐振器。以这样的方式，可能的是可快速地检测和表征感应电力接收器。
[0065]作为对比示例，图10示出具有被放置为覆盖谐振器中的一个Lrt、覆盖感应电源发射器Lt并覆盖另一谐振器L2的一部分的感应电力接收器Ls2的三个线圈阵列。能够对感应电力发射器Lt进行查验，并且能够将对来自谐振器Lr1、Lr2中的传感器和来自感应电力发射器Lt中的传感器的查验的响应存储在存储器中。给定图10中的次级设备的位置，对关于谐振器Lrt的查验的响应将相对高于对关于L2的查验的响应，因为感应电力接收器跟其与谐振器L2相比，与谐振器Lrt更紧密地对准。如图9示例的情况一样，对关于感应电力发射器Lt中的传感器的查验的响应将相对类似于对关于谐振器Lrt的查验的响应，因为感应电力接收器Ls覆盖谐振器Lrt的面积与其覆盖感应电力发射器Lt的面积的量大约相同。对关于图9中的谐振器L1^2的查验的响应和对关于图10中的谐振器L1^2的查验的响应可以是类似的，尽管存在在一个示例中感应电力接收器大体上邻近于谐振器I^2 (图9)而在另一示例中感应电力接收器大体上与谐振器Lrf重叠(图10)这一事实。在每个示例中，这能够用耦合比来解释。在图9中，耦合比是正的，但是在图10中，耦合比是负的。由于电流的量值测量结果并未说明耦合比的符号，所以在某些情况下，量值并不足以确定感应电力接收器的尺寸是否。然而，通过测量谐振器的相位，能够确定耦合比，并且控制器能够确定感应电力接收器是否如在图9中一样仅仅较小且邻近于谐振器，或者感应电力接收器是否如在图10中一样正覆盖谐振器的一部分。
[0066] 以上描述是本发明的当前实施例的描述。在不脱离如在随附权利要求中限定的、要根据包括等同原理的专利法的原则所解释的本发明的精神和更宽泛方面的情况下，能做出多种替代和修改。任何以例如使用冠词“一”、“一个”、“该”之类的单数形式或“所述”这样的方式来提及请求保护的要素不被解释为将该要素局限于单数。
【权利要求】
1.一种感应充电器，用于检测接近于感应充电表面的感应电力接收器的位置，所述感应充电器包括: 一个或多个谐振器； 一个或多个可驱动感应电力发射器，用于向接近于所述感应充电表面定位的感应电力接收器传输电力，其中，所述感应充电器被配置成使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合被大幅减小；以及 一个或多个谐振器传感器，每个谐振器传感器产生指示所述一个或多个谐振器中的电力的特性的传感器输出。
2.根据权利要求1所述的感应充电器，其中 所述一个或多个谐振器中的每个被配置成使得 在存在感应电力接收器的情况下驱动所述一个或多个感应电力发射器与通过在不存在感应电力接收器的情况下驱动所述一个或多个感应电力发射器而产生的基准相比，在所述一个或多个传感器中的至少一个中产生传感器输出变化。
3.根据权利要求1所述的感应充电器，其中，通过使所述一个或多个谐振器偏移所述一个或多个感应电力发射器以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值，从而所述耦合被大幅减小。
4.根据权利要求1所述的感应充电器，其中，通过使所述一个或多个谐振器远离所述一个或多个感应电力发射器定位以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值，从而所述耦合被大幅减小。
5.根据权利要求1所`述的感应充电器，其中，通过使所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器屏蔽以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值，从而所述耦合被大幅减小。
6.根据权利要求1所述的感应充电器，其中，所述一个或多个谐振器中的每个是偏移所述一个或多个电力发射器、远离所述一个或多个电力发射器定位以及与所述一个或多个电力发射器屏蔽中的至少之一，以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值。
7.根据权利要求1所述的感应充电器，包括一个或多个电力发射器传感器，每个电力发射器传感器产生指示所述一个或多个电力发射器中的电力的特性的电力发射器传感器输出， 其中，在存在传导对象的情况下驱动所述一个或多个感应电力发射器在所述一个或多个电力发射器传感器中的至少一个中产生高于阈值的电力发射器传感器输出变化，并在所述一个或多个谐振器传感器中的每个中产生低于阈值的稳定传感器输出， 由此，所述电力发射器传感器输出和所述谐振器传感器输出的组合指示如下情形中的至少之一:存在感应电力接收器、存在金属以及同时存在感应电力接收器和金属。
8.根据权利要求1所述的感应充电器，其中，所述一个或多个传感器中的每个产生指示所述谐振器中的电力的特性的量值的传感器输出，其指示感应电力接收器的位置。
9.根据权利要求1所述的感应充电器，其中，所述一个或多个传感器中的每个产生指示所述谐振器中的电力的特性的相位的传感器输出，其指示感应电力接收器的位置。
10.根据权利要求8所述的感应充电器，其中，所述电力的特性的所述相位指示感应电力接收器是否是如下情形中的至少之一:与所述一个或多个谐振器相邻和与所述一个或多个谐振器重叠。
11.根据权利要求1所述的感应充电器，包括多个选择性可配置电感器，其中，所述选择性可配置电感器中的每个选择性地能配置为至少所述一个或多个电力发射器中的之一、所述一个或多个谐振器中的之一和开路。
12.根据权利要求11所述的感应充电器，响应于确定感应电力接收器的位置，在所述感应电力接收器的位置附近的所述多个选择性可配置电感器中的之一被配置为电力发射器。
13.根据权利要求1所述的感应充电器，包括多个电感器，其中，所述电感器中的每个被固定为所述一个或多个电力发射器中的之一或所述一个或多个谐振器中的之一。
14.根据权利要求1所述的感应充电器，包括在所述感应充电器上用来向用户显示对准信息的显示器。
15.根据权利要求1所述的感应充电器，包括用于向远程设备提供要在所述远程设备上显示的对准信息的通信信道。
16.一种用于检测接近于感应充电器的感应电力接收器的位置的感应充电系统，所述感应充电系统包括: 感应电力接收器，包括: 第一可驱动感应电力发射器，用于从所述感应电力接收器向所述感应充电器发射电力； 感应电力接收器，用于从感应充电器接收电力； 感应充电器，包括: 一个或多个谐振器； 第二可驱动感应电力发射器，用于向接近于所述感应充电表面定位的所述感应电力接收器传输电力，其中，所述感应充电器被配置成使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合被大幅减小；以及 一个或多个传感器，每个传感器产生指示所述一个或多个谐振器中的电力的特性的传感器输出。
17.根据权利要求16所述的感应充电系统，其中，所述一个或多个谐振器中的每个被配置成使得从所述感应电力接收器接收到的电力与阈值相比在所述一个或多个传感器中的至少一个中产生传感器输出变化。
18.根据权利要求16所述的感应充电系统，其中，通过使所述一个或多个谐振器偏移所述第二可驱动感应电力发射器以使得所述一个或多个谐振器与所述第二感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值，从而所述耦合被大幅减小。 18.根据权利要求16所述的感应充电系统，其中，通过使所述一个或多个谐振器远离所述第二可驱动感应电力发射器定位以使得所述一个或多个谐振器与所述第二感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值，从而所述耦合被大幅减小。
19.根据权利要求16所述的感应充电系统，其中，通过使所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应充电器感应电力发射器屏蔽以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值，从而所述耦合被大幅减小。
20.根据权利要求16所述的感应充电系统，其中，所述一个或多个谐振器中的每个是偏移所述一个或多个感应充电器电力发射器、远离所述一个或多个感应充电器电力发射器定位以及与所述一个或多个感应充电器电力发射器屏蔽中的至少之一，以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值。
21.根据权利要求16所述的感应充电系统，其中，所述一个或多个传感器中的每个产生指示所述谐振器中的电力的特性的量值的传感器输出，其指示感应电力接收器的位置。
22.根据权利要求16所述的感应充电系统，其中，所述一个或多个传感器中的每个产生指示所述谐振器中的电力的特性的相位的传感器输出，其指示感应电力接收器的位置。
23.根据权利要求22所述的感应充电系统，其中，所述电力的特性的所述相位指示感应电力接收器是否是如下情形中的至少之一:与所述一个或多个谐振器相邻和与所述一个或多个谐振器重叠。
24.根据权利要求16所述的感应充电系统，包括多个选择性可配置电感器，其中，所述选择性可配置电感器中的每个选择性地能配置为至少所述一个或多个电力发射器中的之一、所述一个或多个谐振器中的之一和开路。
25.根据权利要求24所述的感应充电系统，响应于确定感应电力接收器的位置，在所述感应电力接收器的位置附近的所述多个选择性可配置电感器中的之一被配置为电力发射器。
26.根据权利要求16所述的感应充电器，包括多个电感器，其中，所述电感器中的每个被固定为所述一个或多个电力发射器中的之一或所述一个或多个谐振器中的之一。
27.根据权利要求16所述的感应充电器，包括在所述感应充电器上用来向用户显示对准信息的显示器。
28.根据权利要求16所述的感应充电器，包括用于向远程设备提供要在所述远程设备上显示的对准信息的通信信道。
29.一种感应充电系统，包括: 远程设备，具有: 一个或多个感应电力接收器； 感应充电器，具有: 一个或多个谐振器； 一个或多个可驱动感应电力发射器，用于向接近于所述感应充电器定位的所述感应电力接收器传输电力，其中，所述感应充电器被配置成当所述远程设备接近于所述感应充电器定位时，减小所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合，而不会大幅改变所述感应电力接收器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合。
30.根据权利要求29所述的感应充电系统,包括一个或多个传感器,每个传感器产生指示所述一个或多个谐振器中的电力的特性的传感器输出。
31.根据权利要求29所述的感应充电系统，其中，所述一个或多个谐振器中的每个被配置成使得 在存在感应电力接收器的情况下驱动所述一个或多个感应电力发射器与通过在不存在感应电力接收器的情况下驱动所述一个或多个感应电力发射器而产生的基准相比，在所述一个或多个传感器中的至少一个中产生传感器输出变化。
32.根据权利要求29所述的感应充电系统，其中，通过使所述一个或多个谐振器偏移所述一个或多个感应电力发射器以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值，从而所述耦合被减小。
33.根据权利要求29所述的感应充电系统，其中，通过使所述一个或多个谐振器远离所述一个或多个感应电力发射器定位以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值，从而所述耦合被减小。
34.根据权利要求29所述的感应充电系统，其中，通过使所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器屏蔽以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值，从而所述耦合被大幅减小。
35.根据权利要求29所述的感应充电系统，其中，所述一个或多个谐振器中的每个是偏移所述一个或多个电力发射器、远离所述一个或多个电力发射器定位以及与所述一个或多个电力发射器屏蔽中的至少之一，以使得所述一个或多个谐振器与所述一个或多个感应电力发射器之间的耦合比低于预定耦合比阈值。
36.根据权利要求29所述的感应充电系统,包括一个或多个电力发射器传感器，每个电力发射器传感器产生指示所述一个或多个电力发射器中的电力的特性的电力发射器传感器输出， 其中，在存在金属的情况下驱动所述一个或多个感应电力发射器在所述一个或多个电力发射器传感器中的至少一个中产生高于阈值的电力发射器传感器输出变化，并在所述一个或多个谐振器传感器中的 每个中产生低于阈值的稳定传感器输出， 由此，所述电力发射器传感器输出和所述谐振器传感器输出的组合指示如下情形中的至少之一:存在感应电力接收器、存在金属以及同时存在感应电力接收器和金属。
37.根据权利要求30所述的感应充电系统，其中，所述一个或多个传感器中的每个产生指示所述谐振器中的电力的特性的量值的传感器输出，其指示感应电力接收器的位置。
38.根据权利要求30所述的感应充电系统，其中，所述一个或多个传感器中的每个产生指示所述谐振器中的电力的特性的相位的传感器输出，其指示感应电力接收器的位置。
39.根据权利要求38所述的感应充电系统，其中，所述电力的特性的所述相位指示感应电力接收器是否是如下情形中的至少之一:与所述一个或多个谐振器相邻和与所述一个或多个谐振器重叠。
40.根据权利要求29所述的感应充电系统，包括多个选择性可配置电感器，其中，所述选择性可配置电感器中的每个选择性地能配置为至少所述一个或多个电力发射器中的之一、所述一个或多个谐振器中的之一和开路。
41.根据权利要求29所述的感应充电系统，响应于确定感应电力接收器的位置，在所述感应电力接收器的位置附近的所述多个选择性可配置电感器中的之一被配置为电力发射器。
42.根据权利要求29所述的感应充电系统，包括多个电感器，其中，所述电感器中的每个被固定为所述一个或多个电力发射器中的之一或所述一个或多个谐振器中的之一。
43.根据权利要求29所述的感应充电系统，包括在所述感应充电器上用来向用户显示对准信息的显示器。
44.根据权利要求29所述的感应充电系统，包括用于向所述远程设备提供对准信息的通信信道，所述远程设备包括用来向用户显示对准信息的显示器。
45.根据权利要求29所述的感应充电系统，其中，所述远程设备被配置成从位于远程设备内的一个或多个线圈向充电底座供应电力。
46.根据权利要求45所述的感应充电系统，其中，所述充电底座被配置成通过检测谐振器传感器的输出的量值来确定远程设备的位置。
47.根据权利要求29所述的感应充电系统，其中，所述谐振器被耦合到LED显示器，其中，由于到远程设备的互耦合而被耦合到所述一个或多个谐振器中的电流促使一个或多个LED点亮。
48.根据权利要求47所述的感应充电系统，其中，LED被配置到引导箭头的显示器中以向用户提供对准信息。
49.根据权利要求48所述的感应充电系统，其中，LED阵列被配置成使得位于线圈的一侧的谐振器向位于阵列的相对侧的LED提`供耦合电流。
【文档编号】H02J7/02GK103636098SQ201280028659
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2011年6月10日
【发明者】B.C.梅斯, D.W.巴曼 申请人:捷通国际有限公司