CN107910962A

CN107910962A - 为机动车内的移动设备进行感应充电的方法

Info

Publication number: CN107910962A
Application number: CN201711233925.0A
Authority: CN
Inventors: 雨果·寇塔斯; 克里斯托弗·陶特万
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2018-04-13
Also published as: US20180159379A1; DE102016123268B3; US10439440B2; CN111799896A

Abstract

本发明涉及一种用于对机动车内的移动设备(222)进行感应充电的充电器(300)，包括：电源(302)，其配置成以直流电压的形式供应电能；发射线圈(316)，其用于向所述移动设备(222)感应地传送功率；信号发生器(312)，其配置成产生正弦信号(310)；和输出级(304)，其耦连到电源(302)、发射线圈(316)和信号发生器(312)并且配置成接收正弦信号(310)作为控制信号并且向发射线圈(316)提供由电源(302)供给能量的与控制信号对应的电流。本发明还涉及一种用于对机动车辆内的移动设备(222)进行感应充电的方法。

Description

为机动车内的移动设备进行感应充电的方法

技术领域

本发明涉及无线功率传输领域，特别是在机动车内部。因此，本发明涉及一种用于对机动车内的移动装置进行感应充电的充电器，以及一种对机动车内的移动装置进行感应充电的方法。

背景技术

移动设备必须反复充电才能使用。为了避免通过插头和插座枯燥地连接充电器以实现反复充电，用于无线传输功率的***正在被越来越多地使用。这里利用两个磁线圈之间的交变电感来通过磁感应传送电输出。通常在电感和谐振***之间进行区分，也可以使用混合形式。在电感***中，充当变压器初级绕组的源线圈由电压源或电流源供电。充当变压器的次级绕组的接收线圈直接连接或通过谐振耦连电容连接到桥式整流器。在谐振***中，源线圈和接收线圈耦连到电容器以形成电振荡电路，使得线圈的阻抗的一部分被抵消。这最终导致优化到电功率所传送于的窄频带上的***。

由于充电器和待充电的移动设备必须相互调谐，因此在无线功率传输领域已经建立了各种标准。无线充电联盟(WPC)颁布的Qi标准通常被归为感应充电标准。尽管在参考电路中使用了一个谐振电容，但品质因数Q位于一位数范围内；这意味着没有有效利用共振。这里的功率以88Hz-205Hz的频率范围传输。在汽车环境中，利用方波信号在传输线圈之前激励输出级是无益的，因为这导致高的电磁辐射/噪声辐射和/或电磁不兼容性。尤其在收音机、ABS、自动驾驶仪等敏感车辆模块附近，这种情况只能通过车内和充电器周围昂贵的屏蔽措施来缓解。

例如在US 2016/0 301 236 A1、US2014/0 239 732 A1或WO 2015/177 657 A1中描述了用于在机动车辆内对电池驱动的移动设备进行感应充电的充电器。

发明内容

因此，本发明所要解决的一个技术问题是创建解决或缓解上述问题的无线功率传输，并且使用最简单的可能的结构手段来实现。

该技术问题通过独立权利要求的主题来实现。在从属权利要求、说明书和附图中指定了本发明的有利的进一步发展。

根据本发明的用于对机动车辆内的移动设备进行感应充电的充电器包括电源、发射线圈、信号发生器以及适当地将电源、发射器线圈和信号发生器彼此连接的输出级。电源设计用于提供直流电压。因此，电源可以被理解为电池、具有直流电压转换器的发电机或用于连接直流电压的接口。发射线圈配置成感应地将功率传送到移动设备。信号发生器配置成产生正弦信号并且在输出级的控制输入处提供正弦信号。输出级具有控制输入、功率输入和功率输出。输出级的功率输入电耦连到电源，并且输出级的功率输出电耦连到发射线圈。输出级配置成在控制输入处接收信号发生器的正弦信号，以根据控制信号转换所施加的直流电压，并且经由发射线圈的功率输出提供相应的电流。

感应式充电器的传输功率是通过对用作控制信号的正弦信号的幅度进行闭环控制而实现的。因此，信号发生器包括布置在信号发生器和控制输入之间的电平调节装置。电平调节装置也被称为电平控制装置或电平控制器。作为闭环控制装置，电平调节装置还可以包括用于指定设定点值的控制器输入和用于读取实际值的反馈输入。这里的实际值由用于测量电流的测量装置检测。测量装置也被称为电流测量装置。测量装置布置和配置在输出级的集电极端子与电源或底盘接地的电极之间，并且设计成测量由电源作为实际值提供的电流。

换句话说，所产生的感应充电器是其中产生正弦信号并施加正弦信号以激励输出级。因此，例如在汽车领域，包括汽车乘客车厢区域，接近诸如收音机或ABS之类的敏感汽车模块处，符合无线充电联盟的Qi标准配置的智能电话通过优化的电磁兼容性进行充电。有利地观察到这符合汽车工业的有效规范和规定，特别是关于电磁兼容性。

这里的输出级可以成本有效地设计成半桥电路或全桥电路。因此，输出级可包括推挽式布置的两个或更多个晶体管。因此，输出级可设计成具有单周期控制的推挽输出级。输出级的控制输入因此可以连接到基极，晶体管的两个发射极可以彼此连接并连接到功率输出。晶体管的两个集电极形成电源输入。输出级的第一集电极然后电连接到电源的正极，并且输出级的第二集电极连接到电源负极或底盘接地。

这两个晶体管有利地分别由具有相反电参数的PNP晶体管和NPN晶体管组成。在一个优选实施例中，NPN晶体管的集电极电连接到电源的正极，并且PNP晶体管的集电极连接到电源负极或底盘接地。

根据该实施例，信号发生器是以不同的方式实现的。例如，它可以设计为LC发生器、RC发生器、锁相环发生器(PLL)或方波发生器以及随后的低通滤波器。因此，信号发生器可适合于电路以创造高品质且同时低价的解决方案。

在一个变型中，发射线圈设计为印刷电路板上的(多个)印刷导体，由此可以实现相应的充电器的非常低成本的设计。此外，通过集成到印刷电路板中的线圈可以容易地调整绕组的形式；一些例子包括大致矩形或正方形形状，或者任何其他多边形(三角形，五角形，八角形，...)的绕组。

对于批量生产，充电器的主要部分可以低价地在ASIC中实现。结合印刷在PCB上的线圈，充电器可通过这种非常紧凑但高性能、同时低成本的方式生产，同时满足汽车应用中对电磁兼容性的要求。

用于对机动车内的移动设备进行感应充电的方法至少包括提供、生成和传送的步骤。在提供步骤中，由电源提供直流电压的形式的电能。在生成步骤中，信号发生器生成正弦信号作为控制信号，该信号在传送步骤中被用于通过输出级和发射线圈将电能以与控制信号对应的电流的形式感应地传送到移动设备。

附图说明

以下参考附图解释本发明的有利实施例。在附图中：

图1示出了根据符合Qi标准的现有技术的感应充电器的参考设计的电路图；

图2示出了根据符合Qi标准的现有技术的感应充电器的另一参考设计的电路图；

图3示出了根据本发明第一实施例的感应充电器的电路图；

图4示出了根据本发明第二实施例的感应充电器的电路图；以及

图5示出了根据本发明实施例的用于感应充电的方法的流程图。

附图仅仅是示意性表示，并且仅用于解释本发明。相同或相似的元件始终以相同的附图标记提供。

具体实施方式

图1示出了根据符合Qi标准的现有技术的参考设计感应充电器100的电路图。该电路由为输出级104供电的DC电压源102组成。输出级104包括半桥或全桥，并且用MOSFET 106实现。交替地接通和关断MOSFET 106导致谐振振荡电路交替地施加到正电源电压或负电源电压或底盘接地108。MOSFET 106的交替通断是通过由微控制器112发射的施加的方波信号110来执行的。微控制器112用作方波信号发生器112。串联振荡电路118中的输入功率引起电容114和线圈116之间的振荡，并导致通过发射线圈116将功率传送到次级电路。

借助于方波信号110直接激励输出级104导致非常急速上升的电压和电流(“电流增加”被电感衰减)，导致电网噪声和电磁噪声增加。由于串联振荡电路118中的高品质因子，接近谐振频率的高电压出现在电容114处。取决于电路如何配置，这可以达到远高于100V的值。为了电路的安全排布，需要大量具有高介电强度的NPO电容114。因此，电路的成本可能会增加。

为了在汽车环境中使用图1所示的电路的变型，需要昂贵的措施，例如需要铝外壳来屏蔽电路。此外，电压调节器将是必需的，但是这降低了效率。

换句话说，输出级104的基本结构在于用MOSFET 106实现的半桥或全桥。为了传输功率，使用由发射线圈116和电容114构成的串联谐振振荡电路118。输出级104由方波信号110激励。

图2示出了根据符合Qi标准的现有技术的另一参考设计感应充电器200的电路图。这可以是图1中所示的充电器100的变型。由于效率更高，所以分别在初级和次级上使用两个LC振荡电路218、220。所描述的实施例除了包括直流电压源202、具有两个MOSFET 206的输出级204、方波信号发生器212、电容C1 214和线圈L1 216的初级振荡电路218之外还示出了移动设备222。简单地说，移动设备222包括次级振荡电路220，其由次级线圈L2 224和次级电容C2 226、直流电压转换器228和作为负载230的蓄电池230组成。

图2所示的电路的优点在于方波驱动的效率、低热量和简单的布线。

图3示出了根据本发明第一实施例的感应充电器300的电路图。充电器300包括配置成以直流电压的形式提供电能的电源302。此外，充电器300具有用推挽电路中的晶体管306实现的输出级304、用于生成特定振幅和频率的正弦信号310的信号发生器312、和用于功率传输的发射线圈316。发射线圈316的输入连接到输出级304的输出，并且发射线圈316的输出连接到底盘接地308。正极332(电压源正极)和负极334(电压源负极或底盘接地308)被示出用于电源302。

换句话说，正弦信号310被生成并用于感应式充电器300以激励输出级304。信号310的幅度被调整以增强和调节性能。为了实现***300的最佳的可实现效率，将频率调整到接收器电路(LC振荡电路接收器)的特定谐振频率。该电路由激励器312组成，激励器312基于所接收的信息以特定的幅度和频率产生正弦信号310。借助于所产生的信号310来激励发射器的输出级304，并且因此向线圈/电感316供给来自电源302(332，334)的正弦电流。线圈316所得到的磁场是正弦形状的。通过在发射器和接收器之间连续地交换信息或者通过负载电路中的正弦信号的电压/电流测量来在功率传输期间优化地设置或调节信号。

已经证明有利的一些特征是良好的电磁兼容性(EMV)；与图2中所示的电路相比噪声排放低得多，因为与方波激励相比不使用陡峭的电压边沿；简单的幅度调节；没有电压调节器；没有NPO电容；不要求线圈的品质以及集成已知标准电路的可能性。

如上所述，图3所示的感应充电器300与图2所示的感应充电器相比具有多个优点。由于发射器不是设计成振荡电路，而是通过信号发生器312直接控制其频率，所以谐振频率很容易适应接收器。而且，在发送器中，没有电容在谐振频率上或谐振频率附近操作时承受高电压。

图4示出了根据本发明第二实施例的感应充电器300的电路图。根据本发明，输出级由正弦信号310激励。

线圈316由设计为半桥/全桥放大器形式的输出级304供电。因此，输出级304包括推挽式电路中的两个或更多个晶体管。通过线圈的电流(负载电流)由电流测量装置440或电流测量电路440测量，并用作用于设定/调节所需功率要求的值。输出级304由具有连接在下游的放大器级444的电平控制装置442激励。放大器级444设计成将控制器442的输出电压放大到输出级304所需的幅度。如果信号发生器不是幅度可控的，则电平控制装置442具有三个输入：发生器312的正弦信号、电流测量装置440的输出信号(用于自动设置电流幅度/反馈)和微控制器448的参考值446，用于设置线圈电流。正弦信号310的发生器312可以由以下变体组成：LC发生器、RC发生器、锁相环发生器450(PLL发生器450)或具有下游低通滤波器454的微控制器452的信号输出。可以在正分支(332)或负分支(334)中(通过电流测量装置440)进行电流测量Ai。

利用正弦信号310来激励发射线圈316会产生以下优点:

-发生器频率(450，452)可以被调整到接收器电路LC₂(即，移动设备(未示出))的谐振频率，由此提高效率；

-正弦激励器不产生电磁噪声发射；

-不存在初级谐振电路(LC₁——对比图1或图2)；因此不需要具有高介电强度的电容；

-不存在初级谐振电路(LC₁——对比图1或图2)；因此线圈L₁ 316对品质没有要求；

-通过闭环电流控制，可以在最佳工作频率(调节到接收器的谐振频率)下高效充电；

-通过使用简单的正弦激励，可以将发射器的线圈316最佳地布置在所有的次级振荡电路LC₂上，因为次级振荡电路不会影响(不存在的)初级振荡电路LC₁的谐振频率；

-由于不要求线圈316的品质，可以将其安装在PCB(印刷电路板)上而不是具有高频绞线的缠绕线圈上；

-通过调节线圈316，仅需要一步降压转换器或根本不需要；

-接线非常简单，以至于在ASIC中的实现不会造成问题；

-由于磁场兼容性是根据Qi规范开发的，所以满足了与外部接口有关的Qi标准。

为了达到***300的最佳效率，频率被调整到接收器电路(LC振荡电路接收器)的相应谐振频率。

总之，与图1和图2所示的现有技术相比，图3和图4所示解决方案的优点在于电磁兼容性(EMV)、简单的幅度调节和标准电路的集成。这样做的结果是，不需要电压调节器，也不需要昂贵的NPO电容，对线圈品质的要求很少或没有要求。

图5示出了根据本发明实施例的用于感应充电的方法的工作流程。该方法包括步骤提供S1、生成S2和传送S3。在提供步骤S1中，功率作为直流电压由电源供给。在生成步骤S2中，由信号发生器产生正弦信号作为控制信号。在传送步骤S3中，通过输出级和发射线圈将电能作为与控制信号对应的电流形式感应地传送到移动装置，从而通过感应式能量传送对移动装置进行充电。

附图标记列表

100 感应充电器

102 直流电压源

104 输出级

106 MOSFET

108 底盘接地

110 方波信号

112 方波信号发生器，微控制器，μC

114 (串联)电容C₁

116 线圈，发射线圈，L₁

118 串联振荡电路，串联谐振振荡电路

200 感应充电器

202 直流电压源

204 输出级

206 MOSFET

212 方波信号发生器，微控制器，μC

214 (串联)电容C₁

216 线圈L₁，发射线圈

218 初级振荡电路

220 次级振荡电路

222 移动设备

224 次级线圈L₂

226 次级电容C₂

228 直流电压转换器

230 蓄电池，负载

300 (感应)充电器

302 直流电压源，电源

304 输出级

306 晶体管

308 底盘接地

310 正弦信号

312 (正弦)信号发生器

316 线圈，发射线圈

332 正极，电压供电正极

334 负极，电压供电负极，底盘接地

440 电流测量装置，电流测量电路，用于测量电流的测量装置

442 电平控制装置，电平控制器，电平调节装置

444 放大器级

446 参考值

448 微控制器，μC

450 锁相环发生器，PLL发生器

452 微控制器，μC

454 低通滤波器

S1-S3 方法步骤

Claims

1.一种用于对机动车内的移动设备(222)进行感应充电的充电器(300)，该充电器具有

电源(302)，该电源配置成以直流电压的形式供应电能；

发射线圈(316)，该发射线圈用于向所述移动设备(222)感应地传送功率；

信号发生器(312)，该信号发生器被配置成产生正弦信号(310)并调节正弦信号(310)的幅度，以控制传送的电能；

耦连到电源(302)、发射线圈(316)和信号发生器(312)的输出级(304)，该输出级被配置成接收正弦信号(310)作为控制信号并且向所述发射线圈(316)提供由所述电源(302)供给的与所述控制信号对应的电流；

电流测量装置(440)，该电流测量装置设置在所述输出级(304)的集电极端子和电源(302)的电极(332，334)之间并且配置成测量由所述电源(302)作为实际值提供的电流，以及

电平控制装置(442)，该电平控制装置设置在信号发生器(312)的输出端和输出级(304)的控制输入端或放大器级(444)的输入端之间，并且包括用于读取所述实际值的反馈输入端。

2.根据权利要求1所述的充电器(300)，其中，所述输出级(304)设计为半桥电路或全桥电路。

3.根据前述权利要求中任一项所述的充电器(300)，其中，所述输出级(304)由推挽式电路中的晶体管(306)组成。

4.根据前述权利要求所述的充电器(300)，其中，所述输出级(304)设计成具有单断控制的推挽放大器。

5.根据权利要求3所述的充电器(300)，其中，所述晶体管(306)设计成具有相反电参数的NPN晶体管和PNP晶体管。

6.根据前述权利要求中任一项所述的充电器(300)，其中，所述信号发生器(312)设计成LC发生器和/或RC发生器和/或锁相环发生器(450)和/或方波发生器(452)以及随后的低通滤波器(454)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的充电器(300)，其中，放大器级(444)设置在所述信号发生器(312)的输出和所述输出级(304)的控制输入之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的充电器(300)，其中，电平控制装置(442)设置在所述信号发生器(312)的输出和所述输出级(304)的控制输入或放大器级(444)的输入之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的充电器(300)，其中，所述输出级(304)的第一集电极端子电耦连到所述电源(302)的正极(332)，并且所述输出级(304)的第二集电极端子电耦连到电源(302)的负极(334)或电耦连到底盘接地(308)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的充电器(300)，其中，所述发射线圈(316)设计成印刷电路板上的印刷线圈。

11.一种用于对机动车辆内的移动设备(222)进行感应充电的方法，包括以下步骤：

提供步骤(S1)，借助于电源(302)以直流电压的形式提供电能；

生成步骤(S2)，借助于信号发生器(312)生成作为控制信号的正弦信号(310)，其中，通过电平控制装置(442)调节正弦信号(310)的幅度以控制传送的电能；

为电平控制装置(442)测量电能作为实际值；以及

传送步骤(S3)，借助于输出级(304)和发射线圈(316)将电能作为与控制信号对应的电流传送到移动设备(222)，以便借助于能量的感应传递对移动设备进行充电。