本发明涉及一种无线电力传输系统。
背景技术：
1、常规上，无线电力传输系统是已知的。其中，初级电力输送单元经由时变电磁场将电力无线发送到次级电力接收单元。特别是在经由无线电力传输为电动运载工具(electric vehicle)供电的应用中，例如为电动运载工具的电池充电，初级电力输送单元和次级电力接收单元的精确对准是具有挑战性的，其中次级电力接收单元通常设置在运载工具侧。
2、从us2012/0262002 a1或us11 362 545 b2中已知一种用于对准初级和次级电力传输/接收单元的方法。在us11 362 545 b2中，在初级(输送)侧设置了用于异物检测(foreign object detection，fod)的附加传感器线圈以及附加控制和评估电子设备，并且在次级(接收)侧设置了被动信标(passive beacon)。基于来自被动信标的调制信号来确定被动信标的位置。然而，这种基于fod和被动信标的位置感测需要初级侧和次级侧庞大且昂贵的附加传感器和信标线圈。此外，调制信号的评估是复杂的，需要昂贵的处理部件。
3、此外，从kr 101 704 934b1中已知一种使用自动对准进行最大功率接收的无线充电板和方法。其中，实时测量接收功率以使板对准。然而，这种方法不适合精确对准，特别是不适合在三维空间中精确对准。
4、从ep 3 875 305 a1中已知初级板和次级板之间的通信链路。
5、然而，常规已知的对准方法要么基于附加的传感器或信标，这是昂贵的、庞大的和低效的，要么基于从无线传输接收的功率，然而这在提供初级板和次级板之间的三维对准方面是不准确的。
技术实现思路
1、因此，本发明的目的是提供克服这些缺陷的无线电力传输系统。特别地，本发明的目的是提供一种无线电力传输系统，其能够精确地确定初级板和次级板的相对位置。
2、在本发明实施例中，该目的的解决方案是通过包括初级单元、次级单元和控制单元的无线电力传输系统来实现的。其中，初级单元包括用于无线电力输送的初级板和初级无线通信单元。此外，次级单元包括用于无线电力接收的次级板和次级无线通信单元。初级板和次级板被配置用以经由感应耦合来无线传送电力。此外，初级无线通信单元和次级无线通信单元被配置用以发送和接收通信信号，控制单元被配置用以检测通信信号的信号强度，并基于所检测的信号强度来确定初级无线通信单元和次级无线通信单元的相对位置。
3、本文中，术语“初级无线通信单元和次级无线通信单元的相对位置”是指初级无线通信单元和次级无线通信单元之间的至少一维距离，优选为二维距离，更优选为三维距离。优选地，初级或次级无线通信单元之一的位置是已知的或预定的。例如，通信单元之一被设置在预定位置，例如停车场或充电站。因此，初级单元和次级单元的绝对位置由此可以通过检测到的相对位置和已知的预定位置来确定。
4、在本发明实施例中，用于无线电力输送的初级板和初级无线通信单元被容置于初级单元的通用壳体中。进一步优选地，次级板和次级无线通信单元被容置于次级单元的通用壳体中。因此，初级无线通信单元和次级无线通信单元的相对位置本质上对应于初级板和次级板的相对位置。此外，由于初级板和初级无线通信单元之间的距离以及次级板和次级无线通信单元之间的距离是已知的，因此初级板和次级板的相对位置可以根据初级无线通信单元和次级无线通信单元的相对位置来确定。
5、在本发明实施例中，初级单元和/或次级单元进一步包括用以控制无线电力传输和/或无线通信的(一个或更多个)初级控制单元和/或次级控制单元。例如，初级板和次级板中的至少一个或每个优选地包括板控制单元，和/或初级无线通信单元和次级无线通信单元中的至少一个或每个优选地包括通信控制单元。在下文中，为了便于解释，将通过“控制单元”来描述无线电力传输系统的控制。控制单元可以代表一个或更多个初级和/或次级侧控制单元，特别是相互通信的控制单元。附加地或可替代地，控制单元是指单个控制单元，例如处理单元，其被配置用以为控制初级单元和次级单元，特别是经由无线通信进行控制。
6、在本发明实施例中，初级无线通信单元和次级无线通信单元被配置用以发送和接收通信信号，并且附加地或同时使用通信信号来检测初级无线通信单元和次级无线通信单元的相对位置。因此，不需要附加传感器来检测相对位置，其中该附加传感器用于检测通过板的电力传输的磁场的接收功率。
7、在一个有利的实施例中，初级无线通信单元和次级无线通信单元被配置用以提供具有板到板链路的近场通信链路，用于通信信号的传输。进一步优选地，通信信号是板到板链路(pad-to-pad link，通常也称为“ppl”)。其中，优选地，通信信号传达例如初级单元和次级单元的标识、用于控制经由板的电力传输的电力传输要求等。
8、在本发明实施例中，在近场通信链路中，使用例如10mhz至15mhz信号，优选地13.56mhz信号，作为数据传输的载波。
9、在本发明实施例中，控制单元被配置用以检测通信信号的信号强度，并基于检测的信号强度来确定初级无线通信单元和次级无线通信单元的相对位置。因此，可以有利地采用通信信号的信号强度的简单检测过程来检测相对位置。
10、在本发明实施例中，控制单元被配置用以至少检测接收的通信信号的信号强度。优选地，其中，控制单元被配置用以基于检测的通信信号的最大幅度来检测信号强度。
11、在本发明实施例中，控制单元被配置用以通过使用已知的或预定的每单位距离的信号衰减值或者通过将检测值与关联所检测的信号强度和距离的预定查找表进行比较来计算相对位置，即距离。例如，控制单元被配置用以将发送信号强度或最大幅度与接收信号强度或最大幅度进行比较，计算衰减值(即发送信号强度和接收信号强度之差)并由此计算距离。
12、在本发明实施例中，无线电力传输系统(特别是控制单元)包括至少一个模数转换器(“ad”或“adc”)，其分别被配置用以测量信号强度，特别是通信信号的幅度。
13、在一个有利的实施例中，当初级无线通信单元和次级无线通信单元分开一段相隔距离时，控制单元被配置用以：
14、-当相隔距离等于或小于第一预定距离时，使用通信信号检测相对位置；和/或
15、-当相隔距离等于或小于第二预定距离时，使用通信信号传送数据。
16、在本发明实施例中，第一预定距离大于第二预定距离。其中，控制单元有利地被配置用以仅在相隔距离等于或小于第二预定距离时，使用通信信号传送数据。
17、在本发明实施例中，当相隔距离等于或小于第二预定距离时，初级无线通信单元和次级无线通信单元间传送数据，特别是经由近场通信链路和/或板到板链路传送数据。
18、在本发明实施例中，当相隔距离大于第二预定距离时，初级无线通信单元和次级无线通信单元发送和接收通信信号，且不传送数据。
19、例如，当相隔距离等于或小于第二预定距离时，可以在初级无线通信单元和次级无线通信单元之间进行握手(handshake)，以便建立数据传送。例如，这种握手是通过初级无线通信单元和次级无线通信单元之间的通信信号的轮询(polling)来实现的。但是，这种轮询不会传送数据。
20、当相隔距离大于第二预定距离时，通信信号优选地仅用于确定相对位置。此外，相隔距离大于第二预定距离时，通信信号也可以用于轮询(即仅用于确定的相对位置和轮询)，而不传送数据。例如，通信信号由此可以用于确定其信号强度不足以进行数据传送的距离处的相对位置，然而其中其信号强度仍然可以例如经由轮询来检测。
21、在本发明实施例中，控制单元被配置用以在相隔距离等于或小于第二预定距离时，也使用通信信号来检测相对位置。换句话说，相隔距离等于或小于第二预定距离时，通信信号用于数据传送以及确定相对位置。
22、在本发明实施例中，控制单元被配置用以在相隔距离等于或小于第三预定距离时控制初级板和次级板间无线传送电力，其中第三预定距离小于第二预定距离。因此，优选地，相隔距离等于或小于第一距离时，可以进行相对位置的确定(以及后续/同时定位)直到达到第二距离。然后，相隔距离等于或小于第二距离时，进行数据传送和进一步的相对位置确定(以及后续/同时定位)，直到至少达到第三距离。然后，相隔距离等于或低于第三距离时，进行无线电力传送。
23、在本发明实施例中，控制单元被配置用以在相隔距离等于或小于第四预定距离时，以比在相隔距离等于第一预定距离和第二预定距离时更高的精度确定初级单元和次级单元的相对位置。
24、在本发明实施例中，相隔距离等于或小于第三距离时，控制单元被配置用以使用通信信号(数据传送)来检测相对位置。因此，即使在无线电力传送期间，初级单元和次级单元的定位也可以进一步优化，直到两者之间的距离有利地最小化。
25、在本发明实施例中，初级板和次级板中的每一个都包括用于电力输送和/或电力接收的一个或更多个线圈。优选地，前述线圈不用于或不可用于通信信号的发送/接收。前述线圈仅用于经由感应耦合的电力传输。进一步地，初级无线通信单元和次级无线通信单元都不被配置用于电力传输。换句话说，初级板和次级板被配置用以传送能量，而无线通信单元被配置用以传送信息，其中经由无线通信单元的能量传送(例如，与数据传送相关联的能量)是可忽略的并且尽可能少的。
26、在一个有利的实施例中，初级无线通信单元和次级无线通信单元中的每一个都包括至少一个主通信天线，用于发送和接收通信信号。优选地，主通信天线被配置用以提供通信链路并传送信息，例如身份信息或用于控制经由板的电力传输的电力传送要求。优选地，主通信天线不用以实质传送能量(即仅有可忽略的量)。优选地，控制单元被配置用以对在主通信天线之间传送的通信信号进行编码和/或解码。
27、在一个有利的实施例中，初级无线通信单元和次级无线通信单元中的至少一个包括至少两个辅助感测天线，用于检测相对位置。优选地，辅助感测天线被配置用以接收通信信号。
28、在本发明实施例中，辅助感测天线被配置用以从相应的另一个(初级或次级)无线通信单元的主通信天线接收通信信号。优选地，其中，辅助感测天线被配置用以接收仅用于检测相对位置的通信信号，而不是用于信息传送。优选地，控制单元被配置用以检测由辅助感测天线接收的信号强度，特别是幅度。优选地，控制单元不用以解码由辅助感测天线接收的通信信号。
29、在本发明实施例中，多个辅助感测天线围绕相应的初级或次级无线通信单元的主通信天线布置，特别是对称地围绕相应的初级或次级无线通信单元的主通信天线布置。
30、在本发明实施例中，各个初级或次级无线通信单元的辅助感测天线和主天线是独立的元件，即独立的天线。优选地，辅助感测天线和主天线彼此不直接电连接。优选地，辅助感测天线和主天线分别连接到至少一个控制单元和/或另外的电子部件，例如放大器和/或微处理器和/或多路复用器和/或模数转换器。
31、在一个有利的实施例中，初级无线通信单元和次级无线通信单元中的另一个恰好包括一个主通信天线并且不包括辅助感测天线。优选地，初级无线通信单元和次级无线通信单元中的一个恰好包括一个主通信天线并且不包括辅助感测天线，而初级无线通信单元和次级无线通信单元中的另一个恰好包括一个主通信天线和多个辅助感测天线，特别是四个辅助感测天线。初级无线通信单元和次级无线通信单元的这种不对称配置的优点在于，可以有利地简化这些单元之一(即特别是不包括辅助感测天线的单元)的制造，并且可以有利地节省天线的材料。
32、在一个有利的实施例中，初级无线通信单元和次级无线通信单元两者各自恰好包括一个主通信天线和多个辅助感测天线。因此，通过提供对称或相似的初级无线通信单元和次级无线通信单元，可以简化无线电力传输系统的制造。
33、在本发明较佳实施例中，控制单元被配置用以比较由各个辅助感测天线接收的通信信号的信号强度，并被配置用以确定相对位置。
34、优选地，无线电力传输系统(特别是控制单元)包括至少一个模数转换器(“ad”或“adc”)，其分别连接到至少一个辅助感测天线，并被配置用以测量由至少一个辅助感测天线接收的通信信号的信号强度，特别是幅度。
35、在本发明较佳实施例中，控制单元被配置用以基于三边测量和/或基于曲线拟合和/或基于总和和/或基于由相应辅助感测天线接收的通信信号的信号强度的查找表来确定相对位置。
36、在本发明较佳实施例中，控制单元被配置用以计算检测到的信号强度的累积值，特别是总和。因此，控制单元优选地被配置用以基于计算的总和来检测初级单元和次级单元之间的气隙的尺寸。
37、在一个有利的实施例中，控制单元被配置用以使用开关移位键控调制来调制通信信号，特别是用于数据传送。其中，优选地，通过打开和关闭载波信号来编码由通信信号传送的数据。
38、在本发明其他实施例中，特别是在无线通信单元相隔距离大于第二预定距离时，特别是在无线通信单元之间握手之前，通信信号可以被调制为例如恒定高信号。这种恒定高信号可以有利地用于轮询。
39、在本发明较佳实施例中，对应于每个天线(每个主通信天线和每个辅助感测天线)，次级单元包括一个模数转换器。
40、在本发明较佳实施例中，次级单元包括一个用于主通信天线的模数转换器、用于辅助感测天线的多路复用器以及另外的(特别是单个)连接到辅助感测天线的多路复用器的模数转换器。
41、在本发明较佳实施例中，次级单元包括多个放大器和滤波器，各自连接到一个辅助感测天线。
42、在本发明较佳实施例中，初级单元和次级单元每个都包括微控制器、收发器和连接到相应主通信天线的天线匹配电路，用于在初级单元和次级单元之间传送通信信号，特别是经由通信链路，即板到板链路进行传送。
43、在一个有利的实施例中，次级单元被包括在电动运载工具中。其中，优选地，电动运载工具包括至少一个电池单元，该电池单元被配置用以由从初级板传送到次级板的电力充电。因此，无线电力传输系统优选地为无线充电系统(wireless charging system，“wcs”)。进一步优选地，电动运载工具包括控制单元。
44、在本发明较佳实施例中，电动运载工具是工业用电动运载工具，例如叉车。
45、可替代地，电动运载工具是电梯。其中，优选地，初级单元被包括在电梯井中，特别是在电梯井的底部，而次级单元被包括在电梯中，特别是在电梯的地板处或下面。
46、在一个有利的实施例中，初级单元被安装到墙壁。换句话说，初级单元优选地是竖直布置。
47、附加地或可替代地，初级单元被安装到地板。换句话说，初级单元优选地是水平布置。
48、在本发明实施例中，(一个或多个)主天线和/或辅助天线是平面印刷电路板天线。
49、在本发明实施例中，控制单元是处理器。例如，控制单元是微控制器(microcontroller，“mcu”)、cpu、gpu、soc、asic、fpga或类似的。
50、在本发明实施例中，控制单元被配置用以根据通信信号计算相对位置，特别是根据信号强度以及具体根据信号幅度。附加地或可替代地，控制单元被配置用以将检测到的通信信号、其信号强度和/或其信号幅度与查找表进行比较，在查找表中存储有距离的参考值，例如在存储单元中。进一步附加地或可替代地，控制单元被配置用以采用数学和/或随机方法或算法来基于通信信号确定相对位置，特别是基于通信信号的信号强度和/或信号幅度。
51、在本发明实施例中，相对位置的检测独立于异物检测(“fod”)。换句话说，优选地，无线电力传输系统不采用用于fod的传感器来进一步确定相对位置。
52、尽管在前面已经描述了“控制单元”，但是无线电力传输系统优选地包括多个控制单元。
53、在本发明实施例中，控制单元包括初级控制单元和次级控制单元，其中初级控制单元连接到初级板和初级无线通信单元，并且其中次级控制单元连接到次级板和次级无线通信单元。优选地，初级控制单元被包括在初级单元中，而次级控制单元被包括在次级单元中。
54、其中，优选地，次级控制单元被配置用以如前所述检测相对位置。此外，优选地，初级控制单元被配置用以控制初级板的无线电力输送和通过初级无线通信单元进行的通信信号的传输。优选地，初级无线通信单元和次级控制单元相互通信，特别是经由通信信号相互通信。优选地，初级控制单元和次级控制单元之间的通信在处于或小于第二预定距离时进行。
55、在本发明实施例中，初级单元的初级控制单元，特别是仅初级控制单元，被配置用以检测相对位置。
56、在仅初级控制单元或仅次级控制单元检测相对位置的两种情况中，相对位置在初级单元和次级单元之间传达，优选地经由无线通信单元传达，特别是经由近场通信链路或板到板链路传达。
57、在本发明较佳实施例中，初级单元和次级单元分别包括的初级控制单元和次级控制单元两者都被配置用以检测相对位置。因此，检测到的相对位置不需要在初级单元和次级单元之间传达。
58、本发明还涉及一种检测初级无线通信单元和次级无线通信单元的相对位置的方法，其中用于控制无线电力传输系统的元件/单元的控制单元的前述配置优选地被理解为方法步骤。
1.一种无线电力传输系统，包括：
2.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其中所述初级无线通信单元和所述次级无线通信单元被配置用以提供具有板到板链路的近场通信链路，用于所述通信信号的传输。
3.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其中所述控制单元被配置用以基于检测的所述通信信号的最大幅度来检测所述信号强度。
4.根据权利要求1中所述的无线电力传输系统，其中所述初级无线通信单元和所述次级无线通信单元分开一段相隔距离，并且所述控制单元被配置用以：
5.根据权利要求4所述的无线电力传输系统，其中所述控制单元被配置用以当所述相隔距离等于或小于第三预定距离时，控制所述初级板和所述次级板无线传送电力，其中所述第三预定距离小于所述第二预定距离。
6.根据权利要求4所述的无线电力传输系统，其中所述控制单元被配置用以当所述相隔距离等于或小于第四预定距离时，以比在处于所述第一预定距离和所述第二预定距离时更高的精度确定所述初级单元和所述次级单元的相对位置。
7.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其中所述初级板和所述次级板中的每一个都包括用于电力传输和/或电力接收的一个或更多个线圈，所述初级无线通信单元和所述次级无线通信单元中的每一个都包括至少一个主通信天线，用于发送和接收所述通信信号，并且所述初级无线通信单元和所述次级无线通信单元中的至少一个包括至少两个辅助感测天线，用于接收所述通信信号以检测所述相对位置，其中所述至少两个辅助感测天线对称地围绕所述主通信天线布置。
8.根据权利要求7所述的无线电力传输系统，其中所述初级无线通信单元和所述次级无线通信单元中的一个仅包括一个主通信天线并且不包括辅助感测天线。
9.根据权利要求7所述的无线电力传输系统，其中所述控制单元被配置用以比较由各个辅助感测天线接收的所述通信信号的信号强度，并确定所述相对位置。
10.根据权利要求4所述的无线电力传输系统，其中所述控制单元被配置用以使用开关移位键控调制来调制所述通信信号以传送数据。
11.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其中所述初级单元被安装到墙壁或被安装到地板，并且所述次级单元被包括在电动运载工具中。
