计算感应式电能传输的电能损耗

技术领域

本发明涉及一种在电能发送器中计算感应式电能传输系统内的电能损耗的方法。

本发明还涉及一种在电能接收器中使得能够计算感应式电能传输系统内的电能损耗的方法。

本发明还涉及一种电能发送器、一种电能接收器和一种通信信号。

本发明涉及电能传输技术领域，特别地，涉及一种用于计算电能传输期间的电能损耗的方法和装置。

经由磁感应的电能传输是众所周知的方法，主要应用于在初级和次级线圈之间具有紧密耦合的变压器中。通过将初级和次级线圈分离到两个装置中，基于松耦合变压器的原理，在这些装置之间的无线电能传输变得可能。这种系统的基本元件是包含初级线圈的电能发送器和包含次级线圈的电能接收器。

背景技术

经由http://www.wirelesspowerconsortium.com/ downloads/wireless-power-specification-part-1.html可获得的文献“System description，Wireless Power Transfer，第I卷：Low Power，第1部分：Interface Definition，版本1.0，2010年7月，Wireless Power Consortium出版”，也被称为Qi无线电能规范，描述了电能的无线传输。

为了准备和控制这种无线、感应式电能传输系统中的电能发送器和电能接收器之间的电能传输，电能接收器将信息传送给电能发送器。例如，电能接收器可以传送指示接收的电能（例如，整流的电能）的数据包。

问题是，由于由电能发送器产生的磁场而引起的涡流，放置在电能发送器的表面上的金属物体会达到不希望的高温（高于65°C）。这是不想要的情形。这种加热能引起外壳燃烧和塑料熔化。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电能传输的方法和装置，其允许发送器避免加热金属物体。

为了这个目的，根据本发明的第一方面，一种计算感应式电能传输系统内的电能损耗的方法包括由电能发送器执行的以下步骤，所述感应式电能传输系统包括电能发送器，电能发送器用于经由发送器线圈和接收器线圈将电能感应式地发送到电能接收器：

- 获取从电能接收器传送来的所接收电能参数；

- 获取从电能接收器传送来的用于时间对准的时间信息，以使能电能发送器与电能接收器对准计算电能传输期间的电能损耗的时间；

- 根据所获得的时间信息和所接收电能参数来计算电能损耗。

为了这个目的，根据本发明的另一方面，一种使能计算感应式电能传输系统内的电能损耗的方法包括由电能接收器执行的以下步骤，所述感应式电能传输系统包括电能发送器，电能发送器用于经由发送器线圈和接收器线圈将电能感应式地发送到电能接收器：

- 将用于时间对准的时间信息传送到电能发送器，以使电能发送器与电能接收器对准计算电能传输期间的电能损耗的时间；

- 根据所述时间信息来确定所接收电能参数，以及

- 将所接收电能参数传送到电能发送器。

这些措施具有的效果是电能损耗被精确地确定，这是因为所接收电能和所发送电能是根据相同的时间信息来确定的，例如在相同的、经对准的时间窗口中。可以通过获取净的所发送电能与总的所接收电能之间的差来估算金属物体中的电能损耗。为了防止太多的电能被耗费在金属物体中，如果电能损耗超出阈值，则电能发送器终止电能传输。有利地，通过确定不是系统正常的电能损耗的一部分的电能损耗而防止金属物体变热。

为了这个目的，根据本发明的另一方面，一种电能接收器包括通信单元，通信单元用于与电能发送器通信，电能发送器用于经由发送器线圈和接收器线圈将电能感应式地发送到电能接收器，电能接收器被布置为根据时间信息确定所接收电能参数，以及通信单元被布置为传送所接收电能参数并传送用于时间对准的所述时间信息，以使能电能发送器与电能接收器对准计算电能传输期间的电能损耗的时间。

为了这个目的，根据本发明的另一方面，一种电能发送器包括通信单元，通信单元用于与电能接收器相通信，电能接收器被布置为经由发送器线圈和接收器线圈从电能发送器感应式地接收电能，通信单元被布置为传送所接收电能参数和用于时间对准的时间信息，电能发送器被布置为：根据在电能传输期间从电能接收器传送来的所接收电能参数以及通过应用从电能接收器传送来的时间信息计算从电能发送器至电能接收器的电能的传输期间的电能损耗，以计算电能发送器和电能接收器之间的电能损耗。

为了这个目的，按照本发明的另一方面，一种从电能接收器传送到电能发送器的通信信号被布置为传送所接收电能参数和用于时间对准的时间信息，以使电能发送器与电能接收器对准计算电能传输期间的电能损耗的时间，以计算电能发送器和电能接收器之间的电能损耗，其中，电能接收器被布置为经由发送器线圈和接收器线圈从电能发送器感应式地接收电能。

有利地，这些装置和信号组成了一种用于无线电能传输的系统，该系统被使能根据所接收电能参数和时间信息，计算从电能发送器到电能接收器的电能的传输期间的电能损耗，以计算电能发送器和电能接收器之间的电能损耗。

可选地，在方法、装置和/或信号中，时间信息包括时间窗口的大小和时间窗口相对于时间基准点的偏移量。

可选地，一种计算感应式电能传输系统内的电能损耗的方法，感应式电能传输系统包括电能发送器，电能发送器用于经由发送器线圈和接收器线圈将电能感应式地发送到电能接收器，所述方法包括以下步骤：

- 由电能发送器获取用于时间对准的时间信息，以使电能发送器与电能接收器对准计算电能损耗的时间；

- 根据所获得的时间信息和从电能接收器传送来的所接收电能参数，计算电能传输期间的电能损耗。

可选地，定时信息包括时间窗口的大小和时间窗口相对于时间基准点的偏移量。

可选地，时间基准点与从电能接收器到电能发送器的包的传送有关。

可选地，时间基准对应于传送给定位的包的结束。

可选地，与时间基准有关的包包含所接收电能信息，所述所接收电能信息被电能发送器用来计算电能损耗。

可选地，与时间基准有关的包先于包含所接收电能参数信息的包，所述所接收电能信息被电能发送器用来计算电能损耗。

可选地，所述时间窗口的大小被降为零或相对小的值，电能接收器由此获取单个测量结果来确定所接收电能，并且电能发送器计算与该测量结果对准的电能损耗。

可选地，电能接收器包括一单元，该单元用于在电能传输之前传送与时间对准参数有关的参数，以使电能发送器与电能接收器对准计算电能传输期间的电能损耗的时间。

可选地，电能接收器还包括一单元，该单元用于通过以下项将其接收的电能传送到电能发送器：

- 单个数据实体，或者

- 通过两个数据实体，其中，第一数据实体包括输出值，且第二个实体包括与接收器或移动装置内的电能损耗有关的电能发送器能够据以计算所接收电能的信息。

可选地，电能发送器包括一单元，该单元用于根据电能传输期间从电能接收器传送来的所接收电能并通过应用在电能传输之前从电能接收器传送来的用于时间对准的计时信息，计算在从电能发送器至电能接收器的电能的传输期间的电能损耗，以计算电能发送器和电能接收器之间的电能损耗。

可选地，电能发送器还可以包括：

- 一单元，用于应用由电能接收器传送来的所接收电能信息的多个实例，以改善电能损耗计算方法的鲁棒性；

- 一单元，用于如果对于两个或更多个接连的实例，电能损耗都超出阈值，则终止电能传输；

- 一单元，用于获取两个或更多个接连的实例的平均，以计算这些实例上的平均电能损耗。

本发明还包括电能传输系统，电能传输系统包含如上所述的电能发送器以及如上所述的电能接收器。

在所附权利要求中给出了根据本发明的装置和方法的另外的优选实施例，其公开通过引用被合并于此。

附图说明

根据下列描述中作为示例而描述的实施例以及附图，本发明的这些以及其它方面将显而易见，并且将参照下列描述中作为示例而描述的实施例以及参照附图来进一步阐明本发明的这些以及其它方面。

图1示出了作为负载阶跃（load step）的结果的所接收电能和所发送电能的变化的示例；

图2根据实施例图示了时间窗口的定义；以及

图3描述了如何确定时间基准的实施例。这些图纯粹是图示性的，而非按比例绘制。在图中，与已经描述的元素相对应的元素具有相同的标记数字。

图4示出了一种计算电能损耗的方法，以及一种使得能够计算感应式电能传输系统内的电能损耗的方法。

图5示出了感应式电能系统中的发送器和接收器。

具体实施方式

一种用于防止金属物体变热的方法将是，确定并非是系统的正常电能损耗的一部分的电能损耗。可以通过获得净的所发送电能和总的所接收电能之间的差来估算金属物体内的电能损耗。为了防止太多的电能被耗费到金属物体中，如果电能损耗超出阈值，则电能发送器终止电能传输。

为了确定电能损耗，电能接收器例如通过测量它的整流的电压和电流、将电流和电压相乘、并加上电能接收器中的内部电能损耗的估算来估算其总所接收电能。电能接收器将所接收电能传送到电能发送器，例如，以诸如每5秒的最小速率进行传送。这种最小速率表示，两个接连的所接收电能信息数据的结尾之间在时间上的距离最大是5秒。

电能发送器例如通过测量输入电压和电流、将输入电压和电流相乘、以及从中间结果中减去电能发送器的内部电能损耗的估算来估算其净的所发送电能。然后，电能发送器通过从所发送电能中减去传送的所接收电能来计算电能损耗。如果差超出阈值，则电能发送器假定太多电能被耗费在金属物体中并终止电能传输。通过下式定义终止标准：

P_T-P_R>阈值

其中：

P_T=估算的净的所发送电能

P_R=估算的总的所接收电能

P_T-P_R=估算的电能损耗

阈值=安全界限

该阈值可能并入估算的所发送电能和所接收电能的不精确。重要的是，在估算发送和所接收电能中实现高精度以及在计算电能损耗中减少误差（error）。

如果输出负载随时间而波动，如果测量结果以及所发送和所接收电能的估算在时间上没有对准，则在电能损耗的计算中将出现误差。通过在某一较长时段上获取所发送电能和所接收电能的平均来减少这个误差。

平均电能测量结果的可能的实现方式是将瞬时测量结果的多个采样相加并用一段时间上的采样的数目除该结果。

另一种可能的实现方式是，与先前计算的平均成比例地获取每个新采样的贡献。因此，例如，如果电能接收器在某一时段内获得20个采样，则新平均将是：

新采样*1/20+旧平均*19/20。

再一种可能性是，应用低通滤波器来使实际测得的值的贡献衰减。例如，可以使用经由电阻器连接到所测得信号的电容器来对此进行实现。

图1示出了作为负载阶跃的结果的所接收电能和所发送电能的变化的示例。电能接收器在其上平均其所接收电能的时段并不为电能发送器所知，并且可以随着设计而改变。通过图1图示了这个问题。该图示出了作为负载阶跃（负载的急剧增大或减小）的结果的所接收电能（Rx-电能）和所发送电能（Tx-电能）的变化。

在图1中，在其上获取平均的所发送电能的窗口（Tx-窗口）没有对准在其上获取平均的所接收电能的窗口（Rx-窗口）。例如，如果作为负载阶跃的结果，Tx和Rx电能都从1W变化到5W，则在Rx-窗口中的平均的所接收电能将是3W，而在Tx-窗口中的所发送电能将是4W，这在电能损耗的估算中导致了1W的（额外的）误差。

作为解决方法，电能发送器和电能接收器可以分别测量在两个接连的所接收电能包之间的时段上的平均的所发送电能和平均的所接收电能。然而，如果所接收电能包由于通信错误而未到达电能发送器，则这种方法将会失败。

本发明通过将所发送电能的估算在时间上对准所接收电能的估算来降低由动态输出负载导致的电能损耗检测方法中的误差。为了这个目的，电能发送器将获取用于对准测量所发送电能和所接收电能的时间的信息。该信息例如可以是时间窗口参数，其用于在配置阶段期间设置电能发送器的时间窗口，以使能电能发送器通过应用这个时间窗口而将其所发送电能估算对准所接收电能估算。

对于上述的电能损耗方法，如果输出负载波动，为了使电能发送器能消除或减少电能损耗的计算误差，电能发送器需要电能损耗必须被计算的时间上的时段。

为了这个目的，电能接收器在系统的配置期间传送用于确定时间窗口的设置的参数。电能发送器应用窗口设置，以将其所发送电能的估算对准所接收电能的估算。

在电能发送器中，可以预先存储默认时间窗口在那儿。如果电能接收器没有传送这样的定时参数（timing parameter），则电能发送器应用它们的默认值。

时间窗口由下列两个参数来决定。

1、窗口大小——例如8位值。例如，这个参数的范围可以是例如0秒至12.750秒。窗口大小的合理值可以是1秒。同样，默认值可以是1秒。窗口大小也可以减为相对小的值，例如100毫秒或255毫秒。

2、窗口偏移量——例如8位值。这个值表示时间窗口相对于时间基准的偏移量。优选地，偏移量被定义在时间窗口的结尾和基准点之间，但是也可能使用时间窗口的起点来确定相对于基准的偏移量。例如，偏移量参数的范围可以是从0毫秒至255毫秒。偏移量的合理值可以是100毫秒。同样，默认值可以是100毫秒。

3、可以根据包的某一位被从电能接收器传送到电能发送器的时刻来定义时间基准。该包优选地是电能发送器用来计算电能损耗的所接收电能包，这是因为，通过接收这个包，在所接收电能信息和电能发送器需要来计算电能损耗的时间窗口之间，电能发送器可以一定具有正确的关系。

确定时间基准的示例性实施例如下：

a. 通过所接收电能包的最后一位的传送（的结束）来确定时间基准。典型地，电能接收器知道传送所接收电能包的长度以及因而的时间（例如，20毫秒），并且电能接收器设计者还知道根据测量结果计算所接收电能的时间（例如，80毫秒）——这意味着可以相当精确地确定窗口偏移量（例如，100毫秒）。

b. 通过所接收电能包的第一位的传送来确定时间基准。这个定时可以是更加精确一点的，因为此时消除了包传输时间的不精确。然而，电能发送器必须存储包的第一位的接收的时间，并且在电能发送器知道该位是所接收电能包的一部分之前，等待该包的剩余部分的接收。

图2图示了根据实施例a.的时间窗口的定义，其中，由所接收电能包（Rx-电能）的最后一位的传送的结束来定义基准时间。时间窗口的结束和基准时间之间的时间由窗口偏移量来决定。窗口的开始和结束之间的时间由窗口大小来决定。

电能发送器的可能的实现方式是对在小的时间步长上的其平均电能进行采样，并且将这些值存入存储器中。步长值例如可以是10毫秒。在接收到所接收电能包之后，电能发送器查找存储的值，并且计算在配置的时间窗口上的平均值。对于1000毫秒的窗口大小以及100毫秒的相对于所接收电能包的最后一位的窗口偏移量，电能发送器必须存储例如110个采样。电能发送器可以循环地存储所发送电能采样，由此，其用最新的采样盖写最旧的采样。

如果电能发送器没有基于在单个电能接收消息中携带的信息而终止电能传输，则可以改善电能损耗方法的鲁棒性。

在终止电能传输之前，电能发送器可以等待一个或多个附加的所接收电能包。因此，如果根据与单个所接收电能包有关的信息将超出电能损耗阈值，则电能发送器可以决定将终止电能传输的决策延迟到接连的包的接收。

如果对于两个或更多个接连的所接收电能包中的每个来说，电能损耗都超出阈值，则它可以终止电能传输。

它可以对与最后两个或更多个所接收电能包相对应的所计算的电能损耗进行平均，并且如果该平均超出阈值，则终止电能传输。

依靠于如上述描述中所所示的所接收电能包，可以将所接收电能从电能接收器传送到电能发送器。然而，本发明并不局限于传送所接收电能的这种形式。

电能接收器还可以以其它形式传送其所接收电能，像：

· 传送像例如整流的输出电能的（任何形式的）输出电能，以及附加地，传送使能电能发送器根据输出电能计算所接收电能的信息。可以将附加信息作为单独的包进行传送，但是也可以将附加信息与输出电能信息一起包括在单个包中，附加信息例如可以包含：

1、接收器中的实际电能损耗，其中，电能发送器应该将其加到输出电能中来计算所接收电能。优选地，在与输出电能相同的包内传送该信息，或者在输出电能包之前或之后不久，在单独的包中传送该信息。

2、电能校正因数和电能偏移量因数，其中，电能发送器应该将电能校正因数与输出电能相乘，以及电能发送器应该将电能偏移量因数加到输出电能中以计算所接收电能。为了减少电能传输期间的传送开销，可以在配置期间由接收器传送这种校正信息。

本发明应用向着基准时间的窗口偏移量。上述描述使用所接收电能包来关联这种基准时间，这种基准时间迟于为电能损耗计算而应用的时间窗口。然而，确定这种基准点的其它方法也是可能的。以下是时间基准的一些另外的示例。

图3描述了如何确定时间基准的实施例。电能接收器可以以均等时间间距发送所接收电能包；如果电能发送器被告知这些包之间的时间间距，则能够将先前传送的所接收电能包用于时间基准。图3图示了如何将先前传送的所接收电能包用于时间基准。先前的所接收电能包的最后一位是基准时间。时间窗口起始于在这个基准时间之后的窗口偏移量处。优点是，电能发送器并非必须存储采样，以便根据过去的确定其平均的所发送电能。它可以确定在该时间窗口期间的其平均的所发送电能。它在下一个所接收电能包被接收之前仅仅必须存储在该时间窗口期间的所得到的平均电能。如果电能发送器由于通信错误而不会接收到所述下一个所接收电能包，则它可以应用超时（time-out）来丢弃上一次存储的平均的所发送电能，以及使用与两个接连的所接收电能包之间的期望时间有关的信息，来开始为下一个时间窗口确定平均的所发送电能。

对于这种方法，需要的是，电能发送器被告知两个接连的所接收电能包之间的时间间距。可以通过使用默认值和/或通过例如在系统的配置阶段将这个值从电能接收器传送到电能发送器，来对此进行布置。在这种方法中，电能接收器应该不会使传送两个接连的包之间的时间偏离太多来保持电能发送器对准。这可能是一个问题，如果其它控制包必须以更高优先级被传送并且造成了在传送所接收电能包上的延迟的话。因此，所接收电能包必须具有高优先级。

另一种可能性是，电能接收器与来自电能发送器的信号相同步。如果该系统允许从电能发送器到电能接收器的通信，例如，通过调制电能信号的幅度，频率或者相位，则电能发送器可以以规则的时间间隔发送同步数据。这种数据也可以用作时间窗口的时间基准。例如，该时间窗口可以正好是两个接连的同步数据之间的时间。

该系统应用在其上所接收电能和所发送电能被平均的窗口。实施例包括将窗口大小降为零的可能性。这意味着，代替所接收电能和所发送电能的平均值，实例值被获取来实现该电能损耗方法。一种实际的实现方式可以是应用非常小的窗口大小，其中电能接收器获取（单个）测量结果来确定其所接收电能，并且其中，电能发送器获取（单个）测量结果来确定其所发送电能。相比于较大尺寸的时间窗口上的多个测量值的平均被获取的实施例来说，这个实施例具有较差的鲁棒性。然而，如早前所述，可以改善鲁棒性。

在实际的实施例中，窗口偏移量表示在用于平均所接收电能的窗口和相应的所接收电能包（Received Power Packet）的传输的开始之间的间隔。窗口偏移量的值可以以将从电能接收器传输到电能发送器的数据包中的数据值的单位来表示，例如，3位。另外的数据值可以表示窗口大小，例如5位。这些值可以以几毫秒的单位来表示，例如4毫秒。有利地，使用8毫秒的单位，这允许252毫秒的最大窗口大小，而不是124毫秒。

注意的是，时间窗口可以是相对长的时段，例如1秒，但是也可以是相对短的时段，例如64毫秒。当在Rx和Tx之间没有出现通信时，较短的时段使得能够测量仅仅电能。由于通信而导致的振幅调制使测量结果不太精确。例如，较短的时段允许将时间窗口定义为从在前的包（例如，在前的所接收电能包）的结束至当前的所接收电能包的开始，或者从在前的包的结束至在前的包的结束+所定义的窗口大小。

图4示出了一种计算电能损耗的方法，以及一种使得能够计算感应式电能传输系统中的电能损耗的方法。感应式电能传输系统具有电能发送器，其用于经由发送器线圈和接收器线圈将电能感应式地发送到电能接收器。计算电能损耗的方法开始于如步骤INIT TR（初始化发送）所示，感应式电能系统具有初始传输电能之后。然后，该方法由电能发送器通过执行下列步骤而继续进行。在步骤OTI（获取时间信息）中，该方法获取从电能接收器传送来的用于时间对准的时间信息。该时间信息使能电能发送器与电能接收器对准计算在电能传输期间的电能损耗的时间。在步骤DTPD（确定所发送电能数据）中，该方法确定所发送电能数据。在步骤OPP（获取电能参数）中，该方法获取从电能接收器传送来的所接收电能参数。然后，该方法继续进行，在步骤CALC（计算）中，根据所获得的时间信息、所确定的所发送电能数据和所接收电能参数来计算电能损耗。

该图还示出了一种通过由电能接收器执行的步骤使能计算电能损耗的方法。在如步骤INIT RC（初始化接收）所示，感应式电能系统具有初始传输电能之后，该方法开始。在步骤CTI（传送时间信息）中，该方法由电能接收器将用于时间对准的时间信息传送到电能发送器。该时间信息使能电能发送器与电能接收器对准计算在电能传输期间的电能损耗的时间。在步骤DPP（确定电能参数）中，根据时间信息来确定所接收电能参数，例如在由时间信息定义的时间窗口中。然后，该方法继续进行，以在步骤CPP（传送电能参数）中，将所接收电能参数传送到电能发送器。

图5示出了感应式电能系统中的发送器和接收器。供电装置110，也称为基站，具有至少一个电能发送器112，112a以及用于控制感应式电能系统的系统单元115。发送器线圈114，也称为初级线圈，被示为连接到发送器电能转换单元113，发送器电能转换单元113耦合到也被称为通信和控制单元的控制器111。发送器电能转换单元113将输入电能转换为传输电能，该传输电能被从发送器线圈磁性地传输到接收器线圈。发送器通信单元111耦合到电能转换单元，用于经由发送器线圈接收来自接收器线圈的通信信号。

电能接收器100，通常是移动装置，具有接收器线圈104，接收器线圈104也被称为次级线圈，被示为连接到电能获得单元103，电能获得单元103将输出电能提供给负载102。电能获得单元耦合到接收器通信和控制单元101。接收器通信和控制单元被布置为驱动接收器线圈，以将通信信号经由接收器线圈传输至发送器线圈，并且该接收器通信和控制单元耦合到负载102，以感测和控制负载电能状态。如图4所示的感应式电能传输系统是基于公知的Qi标准的。在发送器和接收器中的通信和控制单元适合于执行如以上参照图1、2和3所定义的功能。

总之，本发明提出了一种计算感应式电能传输系统内的电能损耗的方法，该感应式电能传输系统包括电能发送器，电能发送器用于经由发送器线圈和接收器线圈将电能感应式地发送到电能接收器，该方法包括：获取步骤，由电能发送器获取用于时间对准的时间信息，以使能电能发送器与电能接收器对准计算电能损耗的时间；以及计算步骤，根据所获得的时间信息和从电能接收器传送来的所接收电能参数，计算在电能传输期间的电能损耗。

应当注意的是，可以通过使用可编程组件而以硬件和/或软件来实现本发明。用于实现本发明的方法具有与为如上所述的系统定义的功能相对应的步骤。

尽管已经连同一些实施例描述了本发明，但是本发明并不被期望局限于本文所阐述的具体形式。另外，尽管特征可能看似连同特定实施例而被描述，但是本领域技术人员将意识到，根据本发明可以组合所描述实施例的各种特征。在权利要求中，术语“包括”并不排除其它元件或步骤的存在。

此外，尽管被单独列出，但是多个设备、元件或方法步骤可以由例如，单个单元或处理器来实现。另外，尽管单独的特征可以被包括在不同权利要求中，但是这些特征也许可以被有利地组合，并且不同权利要求中的包括并不暗示，特征的组合是不可行的和/或有利的。同样，在一种类型的权利要求中的特征的包括并不暗示对这种类型的限制，而是表示该特征可以视情况等同地应用于其它的权利要求类型。此外，在权利要求中的特征的顺序并不暗示这些特征所必须据以运转的任何具体的顺序，并且特别地，在方法权利要求中的单独的步骤的顺序并不暗示，必须以这个顺序执行这些步骤。相反，可以以任何适当的顺序执行这些步骤。另外，单数的引用并不排除多个。因此，“一个”、“一种”、“第一”、“第二”等的引用并不排除多个。权利要求中的参考标记仅作为阐明示例而提供，无论如何，应该不被解释为限制权利要求的范围。