CN114123533A - 无线电力传输***及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种无线电力传输***及其控制方法。该无线电力传输***包括:发射器线圈,配置为磁耦合到接收器线圈;功率转换装置,耦合到发射器线圈;以及控制器,包括二分之一周期检测块,二分之一周期检测块配置为建立电流检测时刻,并且其中在电流检测时刻,流经发射器线圈的电流被检测,并且与预定阈值进行比较以进行异物检测,从而确定是否有异物耦合至无线电力传输***。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域,更具体地,涉及一种无线电力传输***及其控制方法。
背景技术
随着技术进一步进步,无线电力传输已经成为用于对基于电池的移动装置(例如移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器等)供电或充电的有效便利机制。无线电力传输***通常包括一次侧发射器和二次侧接收器。一次侧发射器经过磁耦合来磁耦合到二次侧接收器。磁耦合可实现为松耦合变压器,该变压器具有一次侧发射器中形成的一次侧线圈以及二次侧接收器中形成的二次侧线圈。
一次侧发射器可包括功率转换单元,例如功率转换器的一次侧。功率转换单元耦合到电源,并且能够将电力转换成无线电力信号。二次侧接收器能够经过松耦合变压器来接收无线电力信号,并且将所接收无线电力信号转换成适合于负载的电力。
无线电力传输***的功率消耗是一个十分重要的参数,例如,可以利用计算到的功率消耗进行异物检测(Foreign Object Detection,FOD)。常规无线电力传输***需要利用附加电路来检测输入电流、线圈电流等参数,来实现功率消耗检测,进而实现异物检测。
期望具有一种简单可靠的控制机制,以降低功率损耗检测的成本。
发明内容
鉴于上述问题,本发明的目的在于提供一种无线电力传输***及其控制方法。
根据本公开的一个实施例,提供了一种无线电力传输***,包括:发射器线圈,配置为磁耦合到接收器线圈;功率转换装置,耦合到所述发射器线圈;以及控制器,包括二分之一周期检测块,所述二分之一周期检测块配置为建立与所述功率转换装置的切换周期的二分之一对应的电流检测时刻,并且在所述电流检测时刻,流经所述发射器线圈的电流被检测,并且与预定阈值进行比较以进行异物检测,从而确定是否有异物耦合至所述无线电力传输***。
根据本公开的另一个实施例,提供了一种无线电力传输***的控制方法,包括:在无线电力传输***的功率转换器的切换周期中,查找与所述切换周期的二分之一对应的时刻;在所述时刻,将流经发射器线圈的电流与预定阈值进行比较以进行异物检测,从而确定是否有异物耦合至所述无线电力传输***。
根据本公开的又一个实施例,提供了一种控制器,包括二分之一周期检测块,所述二分之一周期检测块配置为建立与所述功率转换装置的切换周期的二分之一对应的电流检测时刻,并且在所述电流检测时刻,流经发射器线圈的电流被检测,并且与预定阈值进行比较以进行异物检测,从而确定是否有异物耦合至所述无线电力传输***。
以上相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点,以便可更好地了解随后的本公开的详细描述。以下将描述形成本公开的权利要求书的主题的本公开的附加特征和优点。本领域的技术人员应当理解,所公开的概念和具体实施例可易于用作用于修改或设计执行本公开的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域的技术人员还应当知道,这类等效构造没有背离如所附权利要求书所述的本公开的精神和范围。
附图说明
为了更全面了解本公开及其优点,现在参照以下结合附图的描述,附图包括:
图1示出按照本公开的各个实施例的无线电力传输***的框图;
图2示出按照本公开的各个实施例、图1所示无线电力传输***的示意图;
图3示出按照本公开的各个实施例、图1所示无线电力传输***的各种波形;
图4示出按照本公开的各个实施例的控制器的框图;
图5示出按照本公开的各个实施例的比较和中断块的示意图;以及
图6示出按照本公开的各个实施例、控制图1所示无线电力传输***的方法的流程图。
不同附图中的对应数字和标号一般表示对应部件,除非另加说明。绘制附图以清楚地示出各个实施例的相关方面,而不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细论述当前优选实施例的制作和使用。但是应当理解,本公开提供能够在大量具体上下文中体现的许多可适用发明概念。所述的具体实施例只是说明制作和使用本公开的具体方式,而不是限制本公开的范围。将在具体上下文(即,用于无线电力传输***的异物检测设备)中针对优选实施例来描述本公开。但是,本发明还可适用于多种电力***。下面将参照附图来说明各个实施例。
图1示出按照本公开的各个实施例的无线电力传输***的框图。无线电力传输***100包括功率级104和无线电力传输装置101,级联连接在输入电源102与负载114之间。无线电力传输装置101包括发射器 110和接收器120。如图1所示,发射器110包括级联连接的发射器电路107和发射器线圈L1。发射器电路107的输入耦合到功率级104的输出。接收器120包括级联连接的接收器线圈L2和整流器112。整流器112的输出耦合到负载114。
当接收器120被放置在发射器110附近时,发射器110经过磁场磁耦合到接收器120。松耦合变压器115通过发射器线圈L1(所述发射器线圈L1是发射器110的组成部分)和接收器线圈L2(所述接收器线圈L2 是接收器120的组成部分)来形成。因此,电力可从发射器110传输给接收器120。
在一些实施例中,发射器110可在充电垫内部。发射器线圈被放置在充电垫的顶面下面。接收器120可包含在移动电话中。当移动电话被放置在充电垫附近时,可在发射器线圈与接收器线圈之间建立磁耦合。换言之,发射器线圈和接收器线圈可形成松耦合变压器,经过该变压器,电力传输在发射器110与接收器120之间进行。发射器线圈L1与接收器线圈L2之间的耦合强度通过耦合系数k来量化。在一些实施例中,k 处于从大约0.05至大约0.9的范围中。
在一些实施例中,在发射器线圈L1与接收器线圈L2之间已经建立磁耦合之后,发射器110和接收器120可形成电力***,经过该电力***,电力从输入电源102无线传输给负载114。
输入电源102可以是将电网线电压转换成直流(dc)电压的电源适配器。在另一些实施例中,输入电源102可以是再生电源,例如太阳能电池板阵列。此外,输入电源102可以是能量存储装置,例如可充电电池、燃料电池等。
负载114表示耦合到接收器120的移动装置(例如移动电话)所消耗的功率。在另一些实施例中,负载114可表示可充电电池和/或串联/并联连接并且耦合到接收器120的输出的电池。
发射器电路107按照一些实施例可包括全桥功率转换器的一次侧开关。全桥又称作H桥。在另一些实施例中,发射器电路107可包括其他转换器(例如半桥转换器、推挽转换器等)的一次侧开关。下面将针对图 2来描述发射器电路107的详细配置。
应当注意,上述转换器只是示例。本领域的技术人员将会知道,在另一些实施例中可使用其他适当功率转换器,例如基于E类拓扑的功率转换器(例如E类放大器)。
发射器电路107可进一步包括谐振电容器。谐振电容器和发射器线圈的磁电感可形成谐振回路。取决于设计需要和不同应用,谐振回路可进一步包括谐振电感器。在一些实施例中,谐振电感器可实现为外部电感器。在另一些实施例中,谐振电感器可实现为连接导线。
接收器120包括接收器线圈L2,所述接收器线圈L2在接收器120 被放置在发射器110附近之后磁耦合到发射器线圈L1。因此,电力可被传输给接收器线圈,并且经过整流器112进一步传递给负载114。接收器120可包括二次谐振电容器。
整流器112将从接收器线圈L2的输出所接收的交替极性波形转换成单极性波形。在一些实施例中,整流器112实现为包括四个开关的同步整流器。在另一些实施例中,整流器112包括全波二极管桥和输出电容器。
此外,同步整流器可通过任何可控装置(例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)装置、双极结晶体管(BJT)装置、超结晶体管(SJT)装置、绝缘栅双极晶体管(IGBT)装置、基于氮化镓(GaN)的电力装置等)来形成。下面将针对图2来论述整流器112的详细结构。
功率级104耦合在输入电源102与无线电力传输装置101的输入之间。取决于设计需要和不同应用,功率级104可包括许多不同配置。在一些实施例中,功率级104可以是非隔离功率转换器,例如降压转换器。在一些实施例中,功率级104可实现为线性调节器。在一些实施例中,功率级104可以是隔离功率转换器,例如正激式转换器。
上述功率级104的实现只是示例,不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域的技术人员会知道许多变化、替代和修改。此外,取决于不同应用和设计需要,功率级104可以是无线电力传输***100的可选元件。换言之,输入电源102可直接连接到发射器电路107。
图2示出按照本公开的各个实施例、图1所示无线电力传输***的示意图。无线电力传输装置101包括级联连接的发射器电路107、谐振电容器Cp、松耦合变压器115、谐振电容器Cs和整流器112。松耦合变压器115通过发射器线圈L1和接收器线圈L2来形成。发射器电路 107实现为如图2所示的全桥。在以下的文本中,图2所示的全桥又被称为功率转换器或全桥功率转换器。
全桥107包括四个开关元件,即,S1、S2、S3和S4。如图2所示,开关元件S1和S2串联连接在输入电压母线VIN与地之间。输入电压母线VIN连接到图1所示的功率级104的输出。同样,开关元件S3和S4 串联连接在输入电压母线VIN与地之间。开关元件S1和S2的公共结点 (SW1)耦合到发射器线圈L1的第一输入端子。开关元件S3和S4的公共结点(SW2)经过谐振电容器Cp来耦合到发射器线圈L1的第二输入端子。 SW1与SW2之间的电压表示为VSW。下面将针对图4示出VSW的波形。
按照一些实施例,开关元件S1、S2、S3和S4实现为MOSFET或者并联连接的MOSFET、它们的任何组合等。按照另一些实施例,开关元件(例如开关S1)可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)装置。在另一些实施例中,一次开关能够是任何可控开关,例如集成栅换向晶闸管(IGCT)装置、栅关断晶闸管(GTO)装置、可控硅整流器(SCR)装置、结型栅场效应晶体管(JFET)装置、MOS可控晶闸管(MCT)装置、基于氮化镓(GaN)的电力装置等。
应当注意,虽然本描述中的示例通篇基于全桥转换器(例如图2所示的全桥107),但是图2所示的发射器电路107的实现可具有许多变化、替代和修改。例如,在另一些实施例中可采用半桥转换器、推挽转换器、基于E类的功率转换器(例如E类放大器)。此外,当发射器线圈L1在一些应用中与接收器线圈L2紧耦合时,可形成电感器-电感器-电容器 (LLC)谐振转换器。
总之,仅为了便于清楚地示出各个实施例的发明方面而限制本文所示的全桥107。本发明并不局限于任何特定功率拓扑。
还应当注意,虽然图2示出四个开关S1-S4,但是本公开的各个实施例可包括其他变化、修改和替代。例如,独立电容器可与全桥107的每个开关并联连接。这种独立电容器帮助更好地控制全桥107的谐振过程的定时。
接收器线圈L2的输出经过谐振电容器Cs、整流器112和电容器Co 来耦合到负载RL。整流器将从接收器线圈L2的输出所接收的交替极性波形转换成单极性波形。电容器Co用来衰减噪声并且提供稳态输出电压。谐振电容器Cs帮助实现无线电力传输***的软切换。
在一些实施例中,整流器112实现为同步整流器。整流器112包括四个开关元件,即,S5、S6、S7和S8。如图2所示,开关元件S5和 S6串联连接在整流器112的输出端子与地之间。同样,开关元件S7和 S8串联连接在整流器112的输出端子与地之间。如图2所示,开关元件 S5和S6的公共结点耦合到接收器线圈L2的第一端子。开关元件S7和 S8的公共结点经过谐振电容器Cs来耦合到接收器线圈L2的第二端子。
按照一些实施例,开关元件S5、S6、S7和S8实现为MOSFET或者并联连接的MOSFET、它们的任何组合等。
返回参考图1,在相关技术中,在无线电力传输过程中,需要进行异物检测。进行异物检测的方式有很多种,例如检测电容、电阻、功率损耗等。其中,功率损耗检测法是通过检测发射器110与接收器120之间的功率损耗deltaP是否小于阈值,来确定无线电力传输***周围是否存在异物。具体的,deltaP=Pt-Pr,其中,Pt为发射器110的发射功率, Pr为接收器120的接收功率。在使用功率损耗检测法进行异物检测时,需要精确检测出Pt和Pr,才可能准确判断出无线电力传输***周围是否存在异物,然而,Pt和Pr的精确检测难度较大。
为此,本申请对功率损耗检测法进行了改进,简化了功率损耗的计算。具体的,利用功率损耗公式deltaP=Pt-Pr=[Pi-Pt(loss)]-[Po-Pr(loss)],其中,Pt为发射器110的发射功率,Pr为接收器120的接收功率,Pi 为***的输入功率,Pt(loss)为输入端的功率损耗,Po为***的输出功率, Pr(loss)为输出端的功率损耗。本申请提供了一种简便计算Pt(loss)的方法,可以兼顾输入端功率损耗计算的简便性和精确性,在Pi、Po和Pr(loss)已知的情况下,通过简便地计算出Pt(loss)以得到功率损耗deltaP,从而判断出功率损耗是否小于阈值以及无线电力传输***周围是否存在异物。下面将针对图3来描述发射器的功率损耗与流经发射器线圈的电流之间的关系。
图3示出按照本公开的各个实施例、图1所示无线电力传输***的各种波形。图3的水平轴表示时间间隔。第一波形402表示VSW(图2 所示的两个开关结点SW1与SW2之间的电压)。第二波形404表示第一波形402的基频波形。第三波形406表示流经发射器线圈的电流。
发射器功率损耗包括线圈损耗、功率管损耗和谐振电容损耗,三者的损耗等效于发射器线圈的交流等效电阻乘以电流。假设交流等效电阻为ACR,则发射器功率损耗为ACR*Icoilrms^2,其中,Icoilrms表示发射器线圈电流的有效值。
定义流经发射器线圈的电流为公式(1):
发射器线圈电流可分为两部分,包括有功功率(active power)部分和无功功率(reactive power)部分,具体可表示为公式(2):
Icoilrms 2=Icoilarms 2+Icoilrrms 2 (2)
其中,Icoilarms 2表示有功功率部分,Icoilrrms 2表示无功功率部分。
发射器线圈电流的有功功率部分可以表示为公式(3):
其中,IIN表示发射器线圈的输入电流。
发射器线圈电流的在π时刻的电流可表示为公式(4):
则发射器线圈电流的无功功率部分可以表示为公式(5):
因此,发射器线圈电流可以表示为公式(6):
在相关技术中,需要利用复杂的公式来计算发射器110与接收器 120之间的功率损耗(例如,利用电压计算功率损耗),从而进一步进行异物检测。
本公开提供了一种改进的检测电路,可以简便地获得输入端的功率损耗,以便于计算出发射器110与接收器120之间的功率损耗deltaP,从而达到异物检测的目的。
在操作中,在每个切换周期中,查找与切换周期的二分之一对应的时刻。在这个时刻,检测流经发射器线圈的电路。基于所检测电流,能够相应地计算判断发射器线圈的功率损耗是否大于阈值,并基于判断结果达到异物检测的目的。
在操作中,将所检测电流与预定阈值进行比较。在一些实施例中,根据上一周期的阈值设置当前周期的阈值。如果检测电流大于预定阈值,则判定为周围存在异物,并激活异物检测的保护机制。下面结合图4-6 来描述本公开提供的检测电路的详细实现。
图4示出按照本公开的各个实施例的控制器的框图。该控制器包括微控制单元(MCU)502、π检测块504、比较和中断块506以及电流采样单元508。该控制器可以实现异物检测的功能。
MCU 502建立相当于功率转换器的切换周期的二分之一的整数。 MCU 502将这个整数馈送到π检测块504。电流采样单元508的输入端直接或间接地连接至发射器线圈,以检测流经发射器线圈的电流。
在功率转换器的每一个切换周期中,π检测块504检测施加到全桥的一个PWM信号的下降沿,并将下降沿发送至比较和中断块506。比较和中断块506接收PWM信号的下降沿,并在相当于切换周期的二分之一的时刻,检测流经发射器线圈的电流(Icoil)。所检测电流(流经发射器线圈的电流)被馈入比较和中断块506中。将所检测电流与预定阈值进行比较。如果周围存在异物,则比较和中断块506生成对应中断信号,并且将这个中断信号馈送到MCU 502,MCU 502将对应控制机制应用于无线电力传输***,以控制所述无线电力传输***不进入电力传输模式,或停止进行电力传输。例如,MCU 502将对应控制机制应用于功率转换器,使得功率转换器停止进行功率转换。
图5示出按照本公开的各个实施例的比较和中断块的示意图。比较和中断块506包括第一比较器702和第一中断生成器708。如图5所示,第一比较器702的反相输入耦合到预定阈值。在每个当前周期中,预定阈值例如为根据前一周期的预定阈值来设置的。预定阈值用来确定无线电力传输***周围是否存在异物。第一比较器702的非反相输入耦合到流经发射器线圈的电流(Icoil)。
应当注意,本文所述的比较和中断块506仅为了便于说明而提供,并且仅作为可包含在比较和中断块506中的功能性的示例来提供。本领域的技术人员会知道,比较和中断块506可按照许多不同方式来实现,并且它可包括其他功能块。
图6示出按照本公开的各个实施例、控制图1所示无线电力传输***的方法的流程图。图6所示的这个流程图只是示例,不应当不适当地限制权利要求书的范围。本领域的技术人员会知道许多变化、替代和修改。例如,图6所示的各种步骤可被添加、去除、替代、重新布置和重复。
无线电力传输***包括发射器和接收器。发射器包括功率转换器和发射器线圈。接收器包括接收器线圈和整流器。发射器线圈磁耦合到接收器线圈。
在操作中,当无线电力传输***的周围存在异物时,无线电力传输***的功率消耗变大。
控制器用于检测在与功率转换器的切换周期的二分之一对应的时刻流经发射器线圈的电流,该时刻的检测电流可以表征无线电力传输***的周围是否存在异物。当检测电流大于预定阈值时,判定为无线电力传输***的周围存在异物。
在步骤802,在无线电力传输***的功率转换器的切换周期中,查找与切换周期的二分之一对应的时刻。例如,在功率转换器的切换周期中,使用功率转换器的门驱动信号的下降沿作为与切换周期的二分之一对应的时刻。
在步骤804,在与切换周期的二分之一对应的时刻,检测流经无线电力传输***的发射器线圈的电流。
在步骤806,将流经发射器线圈的电流与预定阈值进行比较以进行异物检测,从而确定是否有异物耦合至无线电力传输***。例如,根据前一周期的预定阈值更新当前周期的预定阈值。
在步骤808,当确定有异物耦合至无线电力传输***时,将控制机制应用于无线电力传输***。例如,当确定有异物耦合至无线电力传输***时,成中断信号并发送至功率转换装置,以控制所述无线电力传输***不进入电力传输模式,或停止进行电力传输。
在另外一些实施例中,根据将流经发射器线圈的电流与预定阈值进行比较的比较结果,控制所述无线电力传输***不进入电力传输模式,或停止进行电力传输。
虽然详细描述了本公开的实施例及其优点,但是应当理解,本文中能够进行各种变更、置换和改变,而没有背离如所附权利要求书所限定的本公开的精神和范围。
此外,本申请的范围不是意在局限于本说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、部件、方法和步骤的特定实施例。如本领域的技术人员通过本公开的公开将易于理解,按照本公开可利用执行与本文所述的对应实施例基本上相同的功能或者实现基本上相同的结果的当前存在或者以后将要开发的过程、机器、制造、物质组成、部件、方法或步骤。相应地,所附权利要求书预计在其范围之内包含这类过程、机器、制造、物质组成、部件、方法或步骤。
Claims (15)
1.一种无线电力传输***,其特征在于,包括:
发射器线圈,配置为磁耦合到接收器线圈;
功率转换装置,耦合到所述发射器线圈;以及
控制器,包括二分之一周期检测块,所述二分之一周期检测块配置为建立与所述功率转换装置的切换周期的二分之一对应的电流检测时刻,并且在所述电流检测时刻,流经所述发射器线圈的电流被检测,并且与预定阈值进行比较以进行异物检测,从而确定是否有异物耦合至所述无线电力传输***。
2.根据权利要求1所述的无线电力传输***,其特征在于,所述功率转换装置是全桥转换器、半桥转换器或推挽转换器。
3.根据权利要求1所述的无线电力传输***,其特征在于,所述控制器配置为当确定有异物耦合至所述无线电力传输***时,控制所述无线电力传输***不进入电力传输模式,或停止进行电力传输。
4.根据权利要求1所述的无线电力传输***,其特征在于,所述控制器还包括比较和中断块,所述比较和中断块配置为在所述电流检测时刻,将流经所述发射器线圈的电流与预定阈值进行比较以进行异物检测,
其中,当所述比较和中断块确定有异物耦合至所述无线电力传输***时,生成中断信号,以控制所述无线电力传输***不进入电力传输模式,或停止进行电力传输。
5.根据权利要求1或4所述的无线电力传输***,其特征在于,所述控制器配置为根据前一周期的预定阈值更新当前周期的预定阈值。
6.根据权利要求4所述的无线电力传输***,其特征在于,所述比较和中断块包括:
比较器,用于比较流经所述发射器线圈的电流与预定阈值;
锁存器,用于锁存所述比较器的比较结果,所述锁存器的使能端连接至所述二分之一周期检测块,以在所述电流检测时刻提供所述比较结果;以及
中断生成器,用于根据所述比较结果提供所述中断信号。
7.根据权利要求4所述的无线电力传输***,其特征在于,所述控制器还包括:
电流采样单元,配置为检测流经所述发射器线圈的所述电流;
微控制单元,配置为根据所述中断信号控制所述无线电力传输***是否进行电力传输。
8.一种无线电力传输***的控制方法,其特征在于,包括:
在无线电力传输***的功率转换器的切换周期中,查找与所述切换周期的二分之一对应的时刻;
在所述时刻,将流经发射器线圈的电流与预定阈值进行比较以进行异物检测,从而确定是否有异物耦合至所述无线电力传输***。
9.根据权利要求8所述的控制方法,其特征在于,当确定有异物耦合至所述无线电力传输***时,生成中断信号并发送至所述无线电力传输***,以控制所述无线电力传输***不进入电力传输模式,或停止进行电力传输。
10.根据权利要求8所述的控制方法,其特征在于,根据前一周期的预定阈值更新当前周期的预定阈值。
11.根据权利要求8所述的控制方法,其特征在于,在所述功率转换器的所述切换周期中,使用所述功率转换器的门驱动信号的下降沿作为与所述切换周期的二分之一对应的时刻。
12.根据权利要求8所述的控制方法,其特征在于,将流经所述发射器线圈的所述电流与预定阈值进行比较,当确定有异物耦合至所述无线电力传输***时,生成中断信号并发送至所述无线电力传输***,以控制所述无线电力传输***不进入电力传输模式,或停止进行电力传输。
13.根据权利要求8所述的控制方法,其特征在于,进行所述异物检测在所述无线电力传输***进入电力传输模式前进行,或在所述无线电力传输***进行电力传输时进行。
14.一种控制器,其特征在于,包括二分之一周期检测块,所述二分之一周期检测块配置为建立与所述功率转换装置的切换周期的二分之一对应的电流检测时刻,并且在所述电流检测时刻,流经发射器线圈的电流被检测,并且与预定阈值进行比较以进行异物检测,从而确定是否有异物耦合至所述无线电力传输***。
15.根据权利要求14所述的控制方法,其特征在于,还包括:
电流采样单元,配置为检测流经所述发射器线圈的所述电流;
比较和中断块,配置为在所述电流检测时刻,将流经所述发射器线圈的电流与预定阈值进行比较以进行异物检测;
微控制单元,配置为根据所述中断信号控制所述无线电力传输***是否进行电力传输。
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