用于机动车辆的用户设备的感应充电控制方法和相关充电装置与流程

1.本发明涉及在机动车辆中对用户设备进行感应能量充电的领域，并且更具体地涉及机动车辆中的对用户设备进行感应充电的装置和充电控制方法。


背景技术：

2.如今，一些机动车辆预备有使得能够对用户设备（如例如移动电话）的电池进行感应充电的装置。术语“电池”在本文献中意指使得能够向用户设备馈电的电能存储单元。
3.这样的充电装置包括管理模块、发射模块和用于接收用户设备的接收表面。发射模块包括至少一个天线，其为感应发射线圈型天线，其耦合到接收表面并且通过在例如100至200khz之间的频带中操作而在所谓的“发射”区域中在接收表面周围产生电磁场。该装置的管理模块被配置成控制发射模块，特别是线圈的发射功率水平，以便检测发射线圈两端的电压变化并与用户设备交换消息。
4.用户设备则互补地包括控制模块和接收模块。接收模块包括至少一个天线，其为感应接收线圈型天线，当接收模块被置于充电装置的发射区域中时，该天线检测由所述装置产生的电磁场。用户设备的控制模块被配置成控制接收模块并与充电装置交换消息。磁感应功率传输系统的示例从wpc（英语表述“wireless power consortium（无线电源联盟）”的首字母缩写词）联盟所定义的规范中已知，该规范称为“qi低功率规范”（版本1.2），该规范尤其定义了充电装置与用户设备之间的消息交换。
5.以已知的方式，由发射线圈产生的电磁场在接收线圈中感生出交变电流，这使得能够对用户设备的电池进行充电。
6.这样，当用户希望对其设备的电池充电时，他将该设备放置在装置的接收表面上，这引起该装置的至少一个发射线圈的输出电压发生变化。
7.该装置的管理模块检测该电压变化并由此推断出至少部分为金属的物体被放置在了接收表面上。
8.装置的管理模块然后发送识别消息以确定被放置在该表面上的物体是与充电装置兼容的用户设备（即其能够被该装置再充电）还是其他物体，例如不兼容的用户设备或任何其他至少部分为金属的物体。
9.而且，当用户设备与装置兼容时，用户设备的控制模块通过发送兼容消息来响应于装置，并且所述至少一个发射线圈开始对用户设备进行感应充电，直到充电结束或用户设备离开发射区域。
10.当车辆行驶时，经常出现的情况是用户设备在接收表面上移位而不再位于被激活以进行充电的发射线圈上方。必须检测用户设备在接收表面上的新位置以激活最适合为用户设备充电的新发射线圈，换言之，与用户设备的接收线圈最佳地对齐的新发射线圈。
11.此外，为了确保用户的安全，需要检查在便携式设备下方不存在任何外来金属物体，即使便携式设备在所述表面上移位也要如此。
12.现有技术的充电控制方法在于例如使用温度传感器，其连续测量接收表面的不同点处的温度。实际上，金属物体的存在，无论它是否与感应充电兼容，在发送检测和定位信号（如例如发射“ping（脉冲）”）后都会在接收表面上产生局部温度升高，温度传感器检测这样的温度升高。然而，这样的传感器的温度测量速度较慢，而且检测的惯性是一个主要缺点，尤其是在涉及用户安全的情况下。
13.现有技术的另一解决方案在于在接收表面下方设置多个电容传感器并且测量所述传感器的输出电容变化。该解决方案的一个缺点在于电容传感器对用户身体部位的存在的敏感性。如果用户用手将用户设备放置在接收表面上，则电容传感器检测到存在，然而，一旦用户设备放好，电容传感器就不再能够检测到所述设备在接收表面上的移位。此外，使用由电容传感器组成的网格成本较高。
14.最后，现有技术的最后一个解决方案在于测量每个发射线圈两端的品质因数，以便检测金属物体的存在。实际上，位于充电装置的发射线圈对面的金属物体的存在，无论其是便携式用户设备还是与感应充电不兼容的金属零件，都会降低所述线圈的品质因数。然而，这种检测和定位方法只能在感应充电停止时进行，因为该方法需要线圈发送专用信号，继而测量线圈两端的参数，这构成了一个主要缺点。
15.本发明的目标是不具有现有技术的缺点的感应充电的控制方法和为便携式用户设备充电的充电装置，在这种情况下，其使得能够检测接收表面上的金属物体、定位所述物体、确定其类型（兼容充电的用户设备还是外来的多余物体），以便恰当地适配感应充电过程，即例如降低或增加充电功率以优化充电效率、停止和控制表面温度、或在必要时停止充电。


技术实现要素：

16.本发明提出了用于控制由充电装置对便携式用户设备进行感应充电的控制方法，所述充电装置包括能够接收用户设备的接收表面、发射线圈、和能够在平行于接收表面的平面中引导磁场的磁场引导装置（guide），该方法的特征在于，在预备步骤中为充电装置配备至少两个磁天线（antenne magn
é
tique），每个磁天线被适配成发射磁场并且每个磁天线被适配成接收由另一天线发射的部分磁场，并且在于，该方法包括以下步骤：a. 两个天线同时发射，彼此之间具有第一输入相移，b. 测量天线输出端的至少一个参数，c. 存储测量的参数，d. 将这样测量的至少一个参数与预定值进行比较，e. 针对其他相移值重复前面的步骤，f. 根据比较结果控制充电。
17.优选地，测量的至少一个参数包括在每个天线的输出端测量的电压和/或电流与电压之间的相位。
18.预定值可以包括在接收表面上没有金属物体的情况下测量的参数、或者包括针对接收表面上金属物体的多个位置测量的参数、或者包括针对多种类型的金属物体测量的参数。
19.有利地，预定值（vi1ref、v2iref、φ1iref、φ2iref）包括在先前时刻针对同一相
移值测量的参数。
20.本发明还涉及旨在车载在机动车辆中的用于为便携式用户设备进行感应充电的装置，其包括能够接收用户设备的接收表面、发射线圈、和能够在平行于接收表面的平面中引导磁场的磁场引导装置，该装置的特征在于它还包括：a. 至少两个磁天线，每个磁天线被适配成发射磁场并且每个磁天线被适配成接收由另一天线发射的部分磁场，b. 电连接到两个天线的发射部件，包括使天线之间相移的相移部件，c. 接收和处理部件，包括：d. 测量部件，用于测量天线输出端的至少一个参数，e. 存储部件，用于存储测量的参数，f. 比较部件，用于将这样测量的至少一个参数与预定值进行比较，g. 检测部件，用于根据比较的结果在接收表面上检测物体、所述物体的定位和物体类型，h. 控制部件，用于根据所进行的检测来控制充电。
21.优选地，用于测量参数的测量部件包括用于测量电压和/或用于测量天线输出端的相位的测量部件。
22.有利地，磁场引导装置包括铁氧体。
23.在第一实施例中，天线采用围绕铁氧体缠绕的环的形式。
24.在第二实施例中，天线采用位于平行于接收表面的平面中的平面绕组的形式。
25.明智地，两个磁天线的发射频率在20khz至20mhz之间，例如，天线为近场通信射频天线或感应充电天线。
26.本发明还适用于任何机动车辆，其包括根据上面列出的特征中的任一个的充电装置。
附图说明
27.通过阅读以下描述，本发明的另外的特征和优点将变得更加清楚。该描述纯粹是例证性的，并且应参考附图阅读，其中：图1示出了根据本发明的便携式用户设备的充电装置的截面，图2示出了根据本发明的充电装置的各组件的透视图，图3示意性地示出了根据本发明的充电装置的第二实施例，图4是电子电路的示意性表示，其中包括磁天线a1、a2、所述天线的磁场发射部件e1、e2、以及用于接收磁场并处理由根据本发明的充电装置的所述天线接收的磁场的接收和处理部件r，图5是示出了根据本发明的充电控制方法的流程图，图6是曲线图，其示出了在根据本发明的方法的实施期间，针对两个天线之间的各种相移值，沿充电装置的纵轴x的由两个天线发射的所得磁场的分布，图7是曲线图，其示出了在根据本发明的充电控制方法的实施期间，针对以下情况沿充电装置的纵轴的由两个天线发射的所得磁场的分布：针对零相移值，以及针对三种不同配置：没有物体位于接收表面上、电话被放置在接收表面s的右侧（沿轴线x）、以及电话被
放置在接收表面的左侧（沿轴线x），图8是曲线图，其示出了在根据本发明的充电控制方法的实施期间，针对以下情况沿充电装置的纵轴的由两个天线发射的磁场的分布：针对等于80
°
的相移值，以及针对三种不同配置：没有物体位于接收表面上、电话被放置在接收表面s的右侧（沿轴线x）、以及电话被放置在接收表面的左侧（沿轴线x）。
具体实施方式
28.图1例示了用于为用户设备p充电的充电装置d。用户设备p可以是移动电话，但也可以是平板电脑，并且被放置在充电装置d的接收表面s上。
29.充电装置d包括多个发射线圈，在图1和图2所示的示例中，有四个发射线圈b1、b2、b3、b4位于接收表面s下方，它们被适配成例如按照wpc标准经由用户设备的接收线圈b来对所述设备的电池进行感应充电。
30.充电装置d还包括位于例如印刷电路10中的电子控制电路，其使得能够控制由发射线圈b1、b2、b3、b4进行的感应充电，并且还使得能够在充电装置d与用户设备p之间进行与充电过程相关的通信。
31.充电装置d还包括磁场引导装置，例如铁氧体f，即由磁性材料制成的表面，其位于发射线圈b1、b2、b3、b4下方并且能够在与接收表面s平行的平面中将由所述发射线圈发射的电磁场从与在本情况中铁氧体所在的相反一侧重新引导至便携式用户设备p。该充电装置d在现有技术中是已知的并且此处将不再详述。
32.如上所述，需要检测金属物体的存在和/或确定其在接收表面s上的位置和/或其类型（是与感应充电兼容的便携式用户设备还是外来金属物体），尤其是当车辆正在移动中并且装置d在表面s上移位时，以便恰当地控制感应充电过程。
33.本发明提出使用两个磁天线，第一天线a1和第二天线a2，它们被设置为使得它们各自发射磁场，并且它们各自接收由另一天线a1、a2发射的部分磁场。纵向x平行于接收表面s。两个天线a1和a2采用铜线环的形式，优选地围绕铁氧体f的一侧缠绕并且被缠绕成使得第一天线a1发射的磁场部分或全部由第二天线a2接收，并且反之亦然。借助于磁场引导装置，由所述天线进行的磁场发射例如在平行于接收表面s的平面中部分地传播，但这完全不做限制，沿一个。换言之，两个天线a1、a2发射的磁场不会相互抵消，更准确地说，两个天线a1、a2的互感不为零。
34.在图1和图2所示的示例中，充电装置d和铁氧体是矩形f的。第一天线a1和第二天线a2各自围绕纵轴x缠绕在铁氧体f的一端。这样，第一天线a1和第二天线a2这两个天线处于彼此相对。
35.当然，其他实施例也是可能的，第一天线a1和第二天线a2可以例如缠绕在铁氧体f和印刷电路10周围，或者靠近铁氧体f设置而不围绕所述铁氧体f缠绕。这在图3中示出。
36.图3示出了根据本发明的充电装置d'的第二实施例，其包括位于充电装置d'一端的沿纵轴x的第一平面天线a1'以及位于所述装置d'的另一相对端的颜纵轴x的第二平面天线a2'。两个天线a1'、a2'位于三个发射线圈b1'、b2'、b3'上方，这三个发射线圈b1'、b2'、b3'本身位于铁氧体f'和印刷电路10'上方，印刷电路10'位于所述铁氧体f'下方。也可以将两个天线a1'、a2'设置在发射线圈b1'、b2'、b3'下面。
37.该第二实施例以及图1和图2所示的充电装置d的优选实施例绝不是限制性的。两个天线a1、a2可以采用其他形式，例如，天线a1和a2可以沿纵轴x对称也可以不对称，并且它们可以沿横轴y彼此对称也可以不对称，两个轴x、y彼此垂直并形成平行于接收表面s的平面。
38.然而，由每个天线a1、a2、a1'、a2'发射的磁场的一部分在平行于接收表面s的x方向上传播以便被例如位于接收表面s的另一端的另一天线接收对于本发明而言是必要的。铁氧体f使得能够以平行于接收表面s的方式引导磁场，但是可以使用本领域技术人员已知的任何其他磁场引导装置。
39.优选地，第一天线a1和第二天线a2为近场射频通信天线，例如频率等于13.56mhz或在20khz至20mhz之间。
40.天线a1、a2也可以是感应充电天线。
41.根据本发明，天线a1、a2中的每一个电连接到用于发射磁场的发射部件e1、e2以及用于接收并处理所接收的磁场的接收和处理部件r。这在图4中示出。发射部件e1、e2以及接收和处理部件r位于例如印刷电路10'上。
42.发射部件a1、a2各自包括用于生成正弦电压vref的发生器g1、g2，其连接到用于使每个天线a1、a2相移的相移部件m6，从而使得能够适配在每个天线a1、a2的输入端φi1、φi2处的电流与馈电电压之间的相位。相移部件m6优选地包括：时钟h，其用于为两个发生器g1、g2产生振荡频率，例如等于13.56mhz的频率；以及用于使来自电压发生器的正弦电压信号相对于另一个延迟的部件，其可以包括本领域技术人员已知的“pll”（英语为“phase locked loop”，锁相环）或从动相位环。
43.对于每个天线a1、a2，发射部件e1、e2包括滤波器和匹配电路，其中包括：a. 针对第一天线a1：i. 滤波器f1，比如“lc”滤波器，包括线圈l1和接地的电容器c11，ii. 阻抗匹配电路30，包括串联连接到滤波器的电容器c12和接地的第二电容器c13，b. 针对第二天线a2，类似地：i. 滤波器f2，比如“lc”滤波器，包括线圈l2和接地的电容器c21，ii. 阻抗匹配电路40，包括串联连接到滤波器的电容器c22和接地的第二电容器c23。
44.两个天线的发射之间的相移也可以通过在每个天线a1、a2的匹配电路中使用可变电容器来实现。图4所示的用于使天线的发射之间相移的相移部件m6绝不是限制性的，并且可以使用本领域技术人员已知的任何相移部件。
45.用于接收和处理磁场的接收和处理部件r包括：a. 测量部件m1，用于测量所述天线a1、a2的输出端的电压v1、v2和/或电流与电压之间的相位φr1、φr2，b. 比较部件m2，用于将这样在天线的输出端测量的电压值v1、v2和/或相位值φr1、φr2与预定的电压值v1ref、v2ref和/或相位值φ1ref、φref进行比较，c. 存储部件m3，用于存储测量值，d. 检测部件m4，用于根据比较的结果在接收表面上检测物体、所述物体的定位和
物体类型，e. 控制部件m5，用于根据这样执行的检测来控制充电。
46.当然，可以使用代表由天线产生的磁场的其他参数，如例如流过天线的电流幅度。
47.测量部件m1、比较部件m2、存储部件m4和确定部件m5采用包括在例如位于微控制器10'中的集成电路中的软件形式。
48.现在将描述图5所示的充电控制方法。
49.在图5中未示出的预备步骤中，为充电装置d配备两个磁天线a1和a2以及磁场发射部件e1、e2以及磁场接收和处理部件r，如上所述。
50.在第一步骤el中，通过在两个天线之间应用第一相移δφi来启动该方法（其中i=1），例如第二天线a2的输入端的相位φi2=80
°
，并且第一天线a1的输入端的相位φi1=0
°
，并激活两个天线a1、a2的同时发射，使得它们以有相移的方式发射，即：【数学式1】δiφ = φi2
ꢀ–ꢀ
φi1 = 80
°
。
51.然后两个天线a1、a2各自同时在接收表面s上方发射磁场，其产生的磁场h如图6所示。
52.图6示出了针对两个天线a1、a2之间的输入电压信号的各种相移值δφi的沿充电装置d的纵轴x的由两个天线a1、a2的同时发射得到的标准化磁场h（单位为a/m，安培/米）。
53.两个天线之间的
‑
160
°
相移得到的磁场h由包括圆圈的曲线表示，对应于0
°
相移的磁场h由包括菱形的曲线表示，对应于80
°
相移的磁场h由包括方块的曲线表示，并且对应于120
°
相移的磁场h由包括叉号的曲线表示。
54.所得磁场h沿纵轴x具有这样的分布（即值）：其根据两个天线a1、a2之间的发射相移而变化，这导致天线a1、a2还从另一个天线接收不同的磁场，并且在所述天线a1、a2的输出端测量的电压vi1、vi2和/或相移φir1、φir2的值也不同。
55.由天线a1、a2的同时且具有相移的发射这样产生的所得磁场h还受到以下因素的影响：a. 放置在接收表面s上的任何物体的存在，b. 物体在接收表面s上的定位，c. 以及物体类型（移动电话、金属外来物体等）。
56.这还具有相对于参考电压和/或相位值v1ref、v2ref、φi1ref、φi2ref修改在天线a1、a2的输出端测量的电压值v1、v2和/或相位值φr1、φr2的效果，所述参考电压和/或相位值v1ref、v2ref、φi1ref、φi2ref是在接收表面s上没有放置任何物体的情况。
57.放置在接收表面s上的物体对所得磁场h的影响在图7和图8中示出。
58.对于天线a1、a2之间的零相移δφ=0
°
（配置编号6），在图7中针对以下三种情况示出了所得磁场h：a. 没有物体放置在接收表面s上，对应于用圆圈示出的曲线“n”，b. 电话p沿轴线x放置在充电装置d的右侧，对应于用方块示出的曲线“s1”，c. 电话p沿轴线x放置在充电装置d的左侧，对应于用叉号示出的曲线“s2”。
59.对于这些情况中的每一种，在天线a1、a2的输出端测量的电压和/或相位值v1、v2、φr1、φr2是不同的。
60.类似地，对于等于80
°
的相移（配置编号1），δφ=80
°
，在图8中针对以下三种情况示出了所得磁场h：a. 没有物体放置在接收表面s上，对应于用圆圈示出的曲线“n”，b. 电话p沿轴线x放置在充电装置d的右侧，对应于用方块示出的曲线“s1”，c. 电话p沿轴线x放置在充电装置d的左侧，对应于用叉号示出的曲线“s2”。
61.对于这些情况中的每一种，在天线a1、a2的输出端测量的电压和/或相位值也不同。
62.在该方法的第二步骤e2中，测量所述天线的输出端的电压值vi1、vi2和/或相位值φir1、φir2。
63.在第三步骤e3中，存储所测量的电压值vi1、vi2和/或相位值φi1、φi2。
64.接下来，在第四步骤e4中，将这样测量的所述值与参考值vi1ref、v2iref、φ1iref、φ2iref进行比较，所述参考值vi1ref、v2iref、φ1iref、φ2iref是针对天线输入端的相同相位值φi1、φi2、也就是说针对天线之间的相同的输入相移值δiφ预先预确定的。
65.在该预校准期间，针对与天线a1、a2输入端的各种相位值φi1、φi2相对应的各种配置i并且针对以下场景确定每个天线a1、a2的输出端的电压和相位测量值v1ref、v2ref、φi1ref、φi2ref：a. 没有物体位于接收表面s上，b. 和/或针对接收表面s上的多个金属物体位置，c. 和/或针对放置在接收表面s上的多种金属物体类型：移动电话或外来物体（例如回形针或硬币等）。
66.表1
67.举例来说，上表例示了在情况a）中在预校准阶段期间测量的值，即没有物体位于接收表面s上。
68.这样，根据上表；在第一配置i=1中，第一天线a1输入端的相位等于φ11=0
°
，并且第二天线a2输入端的相位等于φ12=80
°
。
69.在该第四步骤e4期间，针对每个第i配置、针对每个场景获得测量的值与预定值之间的比较，此处例如针对预定值对应于情况a）的场景，即没有物体放置在接收表面s上，如下表所示：
表2
70.然后针对下一个配置i 1重复充电控制方法，下一个配置i 1对应于天线a1、a2的输入端的不同相位值，例如对于第二配置，即i=2：第二天线a2输入端的相位等于φ22=100
°
，并且第一天线a1输入端的相位等于φ21=0
°
。
71.这样针对i个配置重复该方法，在本示例中，i=n。这样，存储针对每个相移配置的所有测量值（步骤e4）。
72.在执行了最后一个配置时，即在i>n时，则计算步骤e7使得能够使用这样测量的所有值并将其与预定值进行比较，以便：a. 检测放置在接收表面s上的物体b. 确定所述金属物体在接收表面s上的位置，并且c. 确定其类型。
73.根据上表，在测量值以大约例如 /
‑
3%的测量容差而不同于预定值的情况下，可以由此推断出物体被放置在接收表面s上。
74.可以通过计算测量的值与预定值之差的总和并将其与预定阈值进行比较来确定物体的定位，如下表所示：表3
75.在这种情况下，在上述示例中，如果第一天线输出电压的测量值与预定值之差的总和小于零：【数学式2】σ(vi1
ꢀ‑ꢀ
vi1ref) < 0%并且如果第二天线输出电压的测量值与预定值之差的总和大于零，即如果：【数学式3】σ(vi2
ꢀ‑ꢀ
vi2ref) > 0%则由此推断出金属物体位于第一天线a1附近。
76.作为替代，还可以比较相位测量值，并且如果第一天线输出相位的测量值与预定值之差的总和大于零，即如果：【数学式4】σ(φir1
ꢀ‑ꢀ
φi1ref) > 0%并且如果第二天线输出相位的测量值与预定值之差的总和小于零，即如果：【数学式5】σ(φir2
ꢀ‑ꢀ
φi2ref) < 0%则金属物体被检测为位于第一天线a1附近。
77.当然，可以使用基于电压测量值或基于相位测量值执行的比较，如上所述，或者作为替代，可以针对这两个参数——电压和相位——执行比较，以检测金属物体的存在。
78.这只是在步骤7中执行的比较的一个示例。可以根据物体的类型来适配阈值，并且这使得能够区分检测到与感应充电兼容的电话还是外来金属物体。
79.本领域技术人员可以按其设计使用任何统计和/或数学工具，其使得能够将测量值与对应于各种情况的预定值进行比较：在接收表面s上没有物体、针对金属物体在接收表面s上的各种定位、针对最后针对放置在接收表面s上的各种类型的金属物体，以检测物体的存在、其定位和其类型。
80.在根据本发明的充电控制方法的一个特定实施例中，预定值可以包括针对天线a1、a2的输入端的相同相移值在先前时刻执行的参数测量。例如，在时刻t，初始相移值为
80
°
，测量并存储天线输出端的电压和/或相位值v1、v2、φr1、φr2，然后将其与天线输出端的电压和/或相位值v1、v2、φr1、φr2的新的测量值进行比较，所述新的测量值是在时刻t 1、在80的相同相移的情况下测量的。该实施例使得能够确定物体是否挪动了。
81.实际上，如果在t和t 1处执行的测量对于同一个相移不同，则这意味着物体在接收表面s上移位，以便在新的位置重新启动充电控制方法。
82.然后如下恰当地适配充电控制：a. 如果检测到的物体是金属外来物体，则停止充电，b. 如果检测到的物体是位于接收表面一端的移动电话，则激活最近的线圈，c. 取决于所确定的相对于发射线圈的位置，可以增大或减小充电功率。
83.根据接收表面s上的金属物体的类型和位置来控制或适配充电的策略是本领域技术人员已知的。
84.因此，本发明使得能够通过巧妙地使用来自两个相移射频天线的同时发射的磁场h的变化通过检测和定位金属物体来明智地控制充电，金属物体要么是充电装置s的接收表面s上的便携式用户设备要么是外来金属物体。
85.在本发明的优选实施例中，本发明将更加有利，因为这两个天线包括已经存在于充电装置d'中并且用于在充电期间进行nfc通信的nfc天线。