CN105765874B - 具有磁性特征的功率接收器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种非接触式功率系统、功率接收器及其操作方法，其中，该系统的功率接收器被配置为经由相应的接收线圈与发送线圈的非接触式电磁耦合来接收由系统的功率发送器发送的功率。功率接收器还具有这样的电路，该电路用于在由功率接收器的接收线圈接收到功率脉冲时将独特磁信号反映给功率发送器的发送线圈。

Description

具有磁性特征的功率接收器及其操作方法
技术领域
本发明属于非接触式感应耦合电能传输(ICPT)系统的技术领域。更具体地，虽然不是唯一的，但本发明涉及一种具有用于提供磁性特征(magnetic signature)的预负载电路的功率接收器。
背景技术
非接触式功率系统通常由产生交变磁场的功率发送器以及耦合至产生的磁场以提供局部电源的一个或更多个功率接收器组成。这些非接触式功率接收器与功率发送器邻近，但与功率发送器电气隔离。非接触式功率接收器包括功率接收线圈，并将功率供应给电负载，通过由功率发送器所产生的磁场而在功率接收线圈中诱导出电流。
通常，发送器侧与接收器侧一耦合，功率就被直接传送给接收器侧负载。在申请人于2012年11月5日提交的发明名称为“感应耦合电能传输方法和系统(InductivelyCoupled Power Transfer Method and Systems)”的第61/722,564号美国临时申请(现在公布为国际申请日为2013年11月5日的第2014/070026号PCT文件)(其全部内容通过引用合并于此)中，对具有低功耗待机状态的功率发送器进行了描述：在低功耗待机状态下，发送器能够检测功率接收器的耦合；仅当检测到这样的耦合时，发送器才从低功耗待机状态唤醒或激活；以及当这样的耦合被停止时，发送器进入低功耗待机状态。描述了各种检测电路和方法，检测电路和方法通常包含：经由发送线圈发送低能量脉冲以及检测发送器侧电路之内的电气条件的任何改变。
然而，在很多ICPT系统中，更有利的是在将功率递送给接收器侧负载之前，确保发送器与接收器之间的兼容性。
发明内容
根据示例性实施例，提供了一种非接触式功率系统，该非接触式功率系统包括具有发送线圈的功率发送器和具有接收线圈的功率接收器，功率接收器被配置为经由相应线圈的非接触式电磁耦合来接收由功率发送器发送的功率脉冲，其中，功率接收器包括预负载电路，预负载电路用于在接收到功率脉冲时将独特磁信号反映给发送线圈。
功率接收器的预负载电路可以具有可开关负载，可开关负载将在功率接收器中通过接收的功率脉冲产生的一定量的能量吸收预定量的时间，其中，所述一定量的能量提供所述独特磁信号。
可开关负载可以具有一个或更多个电阻元件，所述一个或更多个电阻元件具有这样的电阻值，该电阻值被选择用来吸收在功率接收器中通过接收的功率脉冲而产生的选中量的能量，从而产生选中磁信号。
功率接收器的预负载电路可以具有第一电容元件，第一电容元件被配置为：在接收到功率脉冲时充电第一时间段，并在第一时间段的结束处使可开关负载切换。
可开关负载可以被配置为在第一时间段的结束处断开，从而停止可开关负载对能量的吸收。第一电容元件的电容值被选择为使得：第一时间段使可开关负载吸收在功率接收器中通过接收的功率脉冲而产生的选中量的能量，从而产生选中磁信号。
功率接收器的预负载电路可以具有第二电容元件，第二电容元件被配置为在接收到功率脉冲时充电以及在功率脉冲停止时放电，充电与放电之间经过的时间提供第二时间段，第二电容元件连接至第一电容元件以在第二时间段的结束处使第一电容元件放电。
附图说明
包含于说明书并构成说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，且与以上给出的对本发明的一般性描述以及以下给出的对实施例的详细描述一起用来解释本发明的原理：
图1图示具有功率发送器的ICPT系统的框图，该功率发送器与包括预负载电路的功率接收器可操作地耦合；
图2图示图1中的预负载电路的框图；
图3图示用于图2中的预负载电路的示例性实施方式的完整电路图；以及
图4图示：视图(a)：由功率接收器从功率发送器接收到的用于预负载电路的操作的示例性AC输入；视图(b)：预负载电路的电压/电流条件；以及视图(c)：在预负载电路的操作期间功率接收器的中间电压的对应电压条件。
具体实施方式
图1中示出的示例性非接触式或感应耦合电能传输(ICPT)系统包括功率发送器100和功率接收器101。发送器100包括驱动功率发送线圈103来产生磁场的控制器102。发送线圈103可以被驱动以产生交变磁场。接收器101包括功率接收线圈105、调谐电路106、整流器(rectifier)107、负载108和功率流(power flow)控制电路109。接收线圈105和调谐电路106代表谐振电路。发送器100包括类似的具有或不具有调谐部件的谐振电路。
当接收线圈105极度邻近发送线圈103时，功率发送器100的磁场在接收线圈105中诱导出电流。由于磁场是交变的，因此通过整流器107对诱导出的交变电流进行整流以将其转换成直流电流，整流器107因而将DC功率递送给负载108。为了让此实现，整流器107可以是半桥整流器或全桥整流器，但是其他实施方式也是可能的。此外，将AC功率递送给接收器侧负载的实施方式可应用于本发明。负载108(例如，其可以表示消费型设备的可充电电池)被描述为包括电容元件和电阻元件，然而，这仅是示例性的，且复杂的负载是可能的。
接收到的功率的水平取决于通过调谐电路106导致接收器101的谐振电路谐振的频率。发送器谐振电路的谐振频率与接收器谐振电路的谐振频率的匹配允许最大功率传输。对递送给接收器侧负载的功率的控制以若干方式来设置。例如，控制可以通过对发送器侧的操作频率调谐、对接收器侧的谐振频率调谐或者对二者调谐来施加。对负载108的功率流控制通过控制电路109来设置，控制电路109调节递送给负载108的功率，使得满足负载功率要求。例如，根据接收器负载的要求，控制电路109可以为具有诸如降压(Buck)、升压(boost)等配置的电源转换器。
通常，不管使用什么功率流控制方案，发送器侧与接收器侧一耦合，功率就被直接传送给接收器侧负载。本发明通过在接收器侧电路中包括预负载电路而扩展在前述通过引用而并入的第61/722,564号美国临时申请中描述的检测方案的功能，来在功率被递送给接收器侧之前确保发送器与接收器之间的兼容性。
再次参见图1，本发明的ICPT系统还在由整流器107和控制电路109提供的整流级与功率流控制级之间设置有预负载电路110。预负载电路110表示在开关电路的控制下接收从整流器107输出的经整流电压Vint的可开关负载，开关电路使用经由线路111接收到的通过发送器检测信号在接收器侧谐振电路中诱导出的未整流接收功率Pin来操作。预负载电路110的目的在于将由发送器侧检测信号提供的能量吸收(sink)预定量时间，以提供独特的接收器检测信号给发送器。现在参照图2和图3来描述预负载电路的该方面和其他方面。
图2将示例性预负载电路210图示为框图，图3将预负载电路210图示为示例性完整电路图。图2和图3中图示的预负载电路的相同元件用相同的附图标记来标记。现在描述本发明的预负载电路的配置和示例性操作。
预负载电路210具有接收经整流电压Vint的预负载211、用于将预负载211与功率接收器电路连接/断开的预负载开关212、预负载设置/重置电路213和预负载断开电路214、以及操作以重置预负载电路210的预负载重置开关215，预负载设置/重置电路213和预负载断开电路214各自接收用于操作的接收功率Pin且一起提供对预负载开关212的操作的时序控制。还提供了在设置/重置电路213与重置开关215之间的门开关216以及在断开电路214与预负载开关212之间的门开关217，门开关216和门开关217在来自预负载电源218的辅助功率Paux的控制下操作。
在使用中，来自发送器检测信号的接收AC功率Pin输入以激活预负载电路210，而经整流电压Vin(这里称作“中间电压”，因为其在功率接收器101的整流级与调节级中间)输入以激活预负载电源218，这使得预负载开关212和重置开关215导通。这允许预负载211通过消耗由中间电压Vint提供的能量而用作能量“释放”或功率“吸收”。这种能量释放导致突然的电流涌入，该涌入反映回功率发送器100。如前面通过引用并入的第61/72,2564号美国临时申请中所描述的，功率发送器使用这种反映的涌入信号来检测与功率接收器的耦合。然而，与先前的功率接收器配置不同的是，本发明在功率接收器中添加预负载电路不仅允许检测功率接收器耦合，还允许识别特定功率接收器类型。现在将说明这种识别。
预负载211被配置为中间电压Vint的阻抗，例如，在图3中预负载211被描述为包括电阻元件。因此，通过用不同值的电阻器、电容器和/或电感器和/或其不同组合来配置预负载211，可以改变通过预负载211所“释放”的能量的量，由此改变相关联的所反映的涌入信号的特性。这样，给功率接收器设置独特配置的预负载电路为功率接收器提供了独特的磁信号或磁性特征，该磁信号或磁性特征可以被功率发送器用来识别和区分特定功率接收器。这具有很多优点。
例如，不同于仅依赖于接收器的耦合(其可以内在地接收由发送器发送来的功率)来作为启动功率传输的条件，本发明的ICPT系统允许在功率传输之前通过发送器来验证接收器。出于若干理由，这种初始验证(或握手(hand shake))是有利的，这些理由不完全地包括(分别地或其各种组合)：
1)提高的安全性：当导电物体(诸如金属物体)邻近于发送线圈时不对发送线圈供电，由此防止不期望地加热物体，从而提供了增强的所谓异物检测(FOD)；
2)增强的鲁棒性：防止由于不兼容的接收器被发送器供电而导致的接收器和/或发送器的误操作；
3)提高的效率：可以将发送器的工作频率动态地微调至经验证的兼容接收器的谐振频率，所以最大功率被递送；
4)降低的功耗：由于不兼容接收器或异物不会触发发送器的供电，因此在检测到兼容接收器之前可以将发送器维持在低功耗待机模式或睡眠模式；
5)提高的兼容性：唯一地识别各种兼容接收器的能力意味着可以递送适当量的功率，使得可以使用单个发送器来给很多不同类型的接收器供电而不需要对递送效率进行折衷，例如，被配置为递送一定范围的功率水平的发送器可以用来给需要7.5W的智能手机以及需要15W的平板(tablet)充电；以及
6)数据收集：也可以收集像发送线圈与接收线圈之间的错配等的重要信息。
本发明的预负载电路210还被配置用来支持大范围的发送器-接收器检测方案。即，功率发送器可以被配置为接连不断地传送多个能量脉冲来检测功率接收器。例如，发送器可以发送长度为20微秒的能量脉冲，然后在感测下一能量脉冲之前等待50微秒的时段，所述下一能量脉冲与第一脉冲可以是或者可以不是同一类型(持续时间和频率)。因此，预负载电路210被配置为使得：一旦接收到能量脉冲，独特磁性特征就被快速传送，该电路被快速重置以在接收后续能量脉冲之前消耗电路中剩余的任何能量。这是通过预负载开关212和重置开关215的操作来实现的，预负载开关212和重置开关215在接收到发送器能量脉冲时初始导通，随后在由设置/重置电路213和断开电路214的操作所设置的预定量的时间之后关断。所述预定量的时间被设置为使得对预负载电路210的断开和重置出现在由功率发送器发送的用于接收器检测的短持续时间能量脉冲之间的时序之内。预负载电路的断开使得后续的能量脉冲被预负载电路释放，或者在从发送器发送正常功率时正常功率经由控制电路109流向负载108。如之后所描述的，实现了预负载电路的时序的设置和重置。
再次参见图3，现在描述预负载电路210的完整电路示例。设置/重置电路213和断开电路214中的每个包括电容元件和电阻元件，电容元件和电阻元件被配置为功率转换器，使得输入AC功率Pin根据相应的电容值和电阻值而被转换成相应的DC信号。门开关216和217被配置为半导体开关，即，npn型的双极结型晶体管，在门开关216的情况下，该晶体管具有接收相应的DC信号的基极、连接至地的发射极和连接至预负载重置开关215的集电极，在门开关217的情况下，该晶体管具有接收相应的DC信号的基极、连接至地的发射极和连接至预负载开关212的集电极。以此方式，来自设置/重置电路213和断开电路214的DC信号操作门开关216和217。
预负载开关212和预负载重置开关215也被配置为半导体开关，但是为n型的金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)，在预负载开关212的情况下，该晶体管具有经由相应的上拉电阻元件219接收来自预负载电源218的辅助功率Paux的栅极、连接至地(也参见图2)的源极以及连接至预负载211的漏极，在预负载重置开关215的情况下，该晶体管具有经由相应的上拉电阻元件220接收来自预负载电源218的辅助功率Paux的栅极、连接至地(也参见图2)的源极以及连接至门开关217的基极的漏极。预负载电源218包括电容元件，该电容元件在接收到中间电压Vint时充电，由此将辅助功率Paux供应给预负载开关212的栅极和重置开关215的栅极而使得开关212和215默认导通。预负载开关212的栅极和重置开关215的栅极中的每个也连接至相应的栅电压保护二极管(齐纳二极管)221和222，以确保栅极-源极电压不超过nMOSFET所允许的最大额定值。
为了停止通过预负载211的能量释放，预负载开关212在第一时间段之后通过断开电路214来关断。然后预负载电路210被重置。重置通过以下来实现：预负载重置开关215首先在来自功率发送器100的信号被设置/重置电路313接收到时关断，然后一旦来自功率发送器100的信号停止就导通。这提供了第二时间段。
具体地，AC功率Pin的接收使得设置/重置电路213的电容元件充电，从而使门开关216导通。这将预负载重置开关215的晶体管栅极从其前述默认高状态拉低，从而使预负载重置开关215关断。这设置了第一时间段和第二时间段的起始。一旦重置开关215关断，断开电路214的电容元件就充电，从而使门开关217导通。这将预负载开关212的晶体管栅极从其前述默认高状态拉低，从而使预负载开关212关断。这设置了第一时间段的结束。第一时间段导致了在门开关217被激活之前的从接收到AC功率Pin开始的延迟，使得预负载开关212短时间维持导通，从而允许预负载211释放来自发送器能量脉冲的能量以建立独特磁性特征。
设置/重置电路213和断开电路214的相对配置通过对电阻元件/电容元件的电阻值/电容值的适当选择来选择，使得预负载开关215被快速关断且允许断开电路214中的电压上升。由断开电路214提供的对第一时间段的选择(例如，通过选择具有较大或较小电阻值/电容值的电阻元件和/或电容元件)提供了另一种改变磁性特征的机制以建立不同且独特的磁性特征。
当去除了AC功率Pin(即，发送器能量脉冲停止)时，设置/重置电路213的电容元件放电，从而使门开关216关断且允许预负载重置开关215的栅极在辅助功率Paux和上拉电阻元件220的影响下再次走高。结果，重置开关215重新导通，从而设置了第二时间段的结束。这使得断开电路214两端的电压短路，从而将断开电路214的电容元件放电且重置预负载电路210。配置设置/重置电路213来为门开关216的操作设置最小可能时间(例如，通过对电阻元件/电容元件的电阻值/电容值的适当选择)允许将断开电路214尽可能快地放电。因此，预负载电路210被快速重置以在时间上准备好用于来自发送器的后续能量脉冲。
本领域普通技术人员理解，图3中包括的电路元件和其相应的值仅为示例性的，可以选择其他配置和/或值同时仍提供本发明的ICPT系统的操作和优点。类似地，本说明书中所描述的任何值也仅是示例性的。此外，已经将本发明的预负载电路描述为位于ICPT功率接收器的整流级与功率流控制级之间的“中间”(或“经整流”)级。本领域普通技术人员理解，可以使用在功率接收器之内的用于预负载电路的其他位置和/或不同位置，同时仍提供本发明的ICPT系统的操作和优点。甚至还有，本领域普通技术人员理解，如果功率接收器被配置为传送通信信号给功率发送器以用于验证发送器的目的，则代替地将预负载电路定位在功率发送器之内或者除在功率接收器之内之外还将预负载电路定位在功率发送器之内也是可能的，同时仍提供本发明的ICPT系统的操作和优点。
现在针对图3的电路示例来参照图4描述预负载电路的示例性操作。在此示例中，在由发送器100向接收器101发送初始“脉冲(ping)”功率信号期间，如图4的视图(a)中所示，当接收器101从发送器100接收到AC功率时，中间电压Vint快速上升(图4的视图(c)中的区域A)直到在预负载开关212的栅极处存在充足的电压为止(图4的视图(b)中的点B)。在此点处预负载开关212导通，使得中间电压基本上瞬间暴跌(图4的视图(c)中的点C)，因为预负载211(其被选择为相对非常小的值，例如，大约5欧姆至10欧姆)被短接至地。预负载开关212的栅极保持“高”特定时段，例如，大约200微秒至500微秒(图4的视图(c)中的时段ton)，然后被断开电路213转变为“低”(图4的视图(b)中的点D)。这使得中间电压Vint返回至接收器100的正常操作的典型电平(图4的视图(c)中的点E)。这是预负载电路210进入稳态操作的点，在稳态操作期间，预负载开关212的栅极电压保持“低”而预负载开关212保持关断(图4的视图(b)和(c)中的时段F)。
当功率发送器100停止发送功率时，给功率接收器101(和至预负载电路210中)的AC输入停止(图4的视图(a)中的点G)。这使得预负载开关212的栅极电压被拉高(图4的视图(b)中的区域H)。从而预负载开关212导通，并且中间电压经由预负载211被短接至地(图4的视图(c)中的区域I)。经由预负载重置开关215的操作，储存在功率接收器101中的所有能量被消耗，并且整个预负载电路210被快速重置(例如，在大约50微秒之内)(图4的视图(b)中的时段toff之后)。预负载电路210现在准备好响应来自功率发送器的下一AC脉冲。
虽然已经通过对本发明的实施例的描述说明了本发明，以及虽然已经详细地描述了实施例，但并非意图要将所附权利要求的范围约束为或以任何方式局限于这些细节。对于本领域技术人员来讲，额外的优点和修改将是非常明显的。因此，本发明的更广泛的方面不局限于所示出和描述的特定细节、代表性装置和方法以及说明性示例。相应地，在不脱离总体发明构思的精神或范围的情况下可以脱离这些细节。

Claims (13)

1.一种用于非接触式功率系统的功率发送器，所述功率发送器具有功率发送线圈和控制器，所述控制器被布置为利用发送器检测信号来驱动所述发送线圈，以检测和识别邻近的功率接收器，
其中所述发送线圈被配置为：
经由与功率接收器的接收线圈的非接触式电磁耦合，向所述功率接收器发送功率脉冲；以及
经由与所述功率接收器的所述接收线圈的非接触式电磁耦合，从所述功率接收器接收反映的磁信号，所述反映的磁信号由所述功率接收器的预负载电路来提供，所述预负载电路被配置为将所述功率接收器中使用接收的所述功率脉冲而产生的一定量的能量吸收第一时间段，以提供所述反映的磁信号，并且
其中所述控制器被配置为：基于所述反映的磁信号来确定所述功率接收器的标识。
2.如权利要求1所述的功率发送器，其中所述功率发送器被配置为发送具有不同的持续时间和/或频率的多个功率脉冲。
3.如权利要求1所述的功率发送器，其中所述第一时间段为200微秒至500微秒。
4.如权利要求1所述的功率发送器，还被配置为基于所述反映的磁信号来检测耦合到所述功率接收器。
5.如权利要求1所述的功率发送器，其中所述功率接收器的标识的所述确定还基于由所述功率接收器所释放的能量的量。
6.如权利要求1至5中任一项所述的功率发送器，还被配置为基于所述识别来验证所述功率接收器用于功率传输。
7.一种用于非接触式功率系统的功率接收器，所述功率接收器具有接收线圈，并且被配置为经由与功率发送器的发送线圈的非接触式电磁耦合来接收由所述功率发送器发送的功率脉冲，其中所述功率接收器包括预负载电路，所述预负载电路用于在接收到所述功率脉冲时将磁信号反映给所述发送线圈，
其中所述功率接收器的所述预负载电路包括断开电路、可开关负载和开关，所述断开电路包括电容元件和电阻元件，
其中所述可开关负载被配置为：使用DC信号进行切换，以将所述功率接收器中使用接收的所述功率脉冲而产生的一定量的能量吸收第一时间段，以提供所述磁信号，所述DC信号取决于所述电阻元件的电阻以及所述电容元件的电容，并且
其中所述电容元件包括第一电容器，所述第一电容器被配置为在接收到所述功率脉冲时在所述第一时间段内充电，并且提供引起所述开关在所述第一时间段的结束处的切换的DC信号。
8.如权利要求7所述的功率接收器，其中所述预负载电路被配置为设置以下项：
在接收到所述功率脉冲之后的所述第一时间段的开始；以及
在接收到所述功率脉冲之后的所述第一时间段的结束。
9.如权利要求7所述的功率接收器，其中所述第一时间段为200微秒至500微秒。
10.如权利要求7所述的功率接收器，其中所述开关的切换引起所述可开关负载在所述第一时间段的结束处的切换。
11.如权利要求10所述的功率接收器，其中引起所述可开关负载在所述第一时间段的结束处的切换包括：断开所述可开关负载，由此停止所述可开关负载对能量的吸收。
12.如权利要求7所述的功率接收器，其中所述预负载电路包括第二电容器，所述第二电容器被配置为在接收到所述功率脉冲时充电并且在所述功率脉冲的停止时放电，充电与放电之间的经过时间提供第二时间段，所述第二电容器连接到所述第一电容器以引起所述第一电容器在所述第二时间段的结束处的放电。
13.如权利要求7至12中任一项所述的功率接收器，其中所述可开关负载包括具有经选择的电感值的电感元件。
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