CN106849301A - Dc‑dc转换器的控制方法及接地组件和无线电力传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了DC‑DC转换器控制方法，接地组件和使用其的无线电力传输方法。用于控制无线电力传输用接地组件的DC‑DC转换器的方法，其中DC‑DC转换器包括在电源和初级线圈之间设置为桥式电路形式的第一、第二、第三和第四开关，该方法可包括：检测在DC‑DC转换器的输出电压信号的上升沿流经初级线圈的电流；确定是否电流的强度处于落入预定参考范围内的负电平；以及响应于确定电流未处于负电平，改变DC‑DC转换器的开关频率。

Description

DC-DC转换器的控制方法及接地组件和无线电力传输方法
技术领域
本公开涉及无线电力传输系统，更具体地说，涉及控制DC-DC转换器的方法，使用其的接地组件，以及使用其的无线电力传输方法。
背景技术
由于环境污染和石油能量枯竭，世界范围内正在对环保电动车辆(EV)展开研究。随着对EV和插电式混合动力车辆(PHEV)的需求和研发的增多，用于高压电池充电的车载充电器(OBC)成为汽车工业中的重要元件。同时，代替使用连接器的传导充电，用于不用连接器来对高压电池充电的无线电力传输(WPT)技术已被引入。
在用于EV充电的无线充电系统中，初级盘和次级盘在等效电路中可被建模为变压器。与传统转换器变压器相比，由于初级盘和次级盘之间的空气隙很大，因此耦合系数相对较低。也就是说，由于磁化电感远大于漏电感，可能会变得难以传递电力至输出。因此，通常使用这样一种方法，其中至少一个电容器被施加给初级盘和次级盘以使得盘间的谐振由盘的电感和电容引起。
通常，移相全桥转换器被用作用于无线电力传输系统的转换器，其连接至初级盘的前端。此外，零电压开关(ZVS)技术被用来改善转换器的效率。设计该转换器以通过使用初级和次级盘的电容来实现ZVS并不太难。
然而，在无线充电期间，初级和次级盘之间的未对准、盘(pad)和电容器的制造公差、以及其不同特性可能会破坏其谐振。同样的，由于该原因，流经转换器中开关的反向电流可能会大量产生，转换器的ZVS可能不能得到保证，并且无线电力传输系统的效率可能会迅速下降。
同时，具有大载流量的开关应当被使用以应对反向电流。此外，如果ZVS得不到保证，由硬开关引起的电磁干扰(EMI)的增加将需要附加的滤波器用来减少EMI，由此增大了整个系统的体积和材料成本。
发明内容
由此，本公开的典型实施例被提供以充分地消除由相关技术的限制和缺点引起的一个或多个问题。
本公开的典型实施例提供一种直流至直流(DC-DC)转换器，其能够最小化流经开关的反向电流并且即使是在无线电力传输系统或无线充电系统中存在初级和次级盘之间的未对准和/或盘和电容器的制造公差时也能保证ZVS。
本公开的典型实施例还提供一种接地组件，其通过使用上述DC-DC转换器提供高的效率和性能。
本公开的典型实施例还提供一种无线电力传输方法，通过使用该DC-DC转换器其能够增强无线电力传输的稳定性和可靠性。
为了达到上述目的，本公开的一个方面提供一种用于无线电力传输的接地组件的直流至直流(DC-DC)转换器的控制方法，该转换器包括在电源和初级线圈之间设置为桥式电路形式的第一、第二、第三和第四开关。该方法可包括在DC-DC转换器输出电压信号的上升沿检测流经初级线圈的电流；确定检测到的电流是否为落入预定参考范围内的负电平；以及响应于确定该电流不是落入预定参考范围内的负电平，改变DC-DC转换器的开关频率。
同样的，在确定中，可以确定检测到的电流是否为未落入预定参考范围内的过大负电平。
在此，响应于确定检测到的电流为过大负电平，可减小DC-DC转换器的开关频率。
在此，响应于确定检测到的电流为正电平，可增大DC-DC转换器的开关频率。
同样的，在检测中，可在输出电压信号的正脉冲的第一上升沿检测流经初级线圈的第一电流，并且可在输出电压信号的负脉冲的第二上升沿检测流经初级线圈的第二电流。
在此，在确定中，可确定是否第二电流为不落入预定参考范围内的过大负电平。
同样的，响应于确定第二电流为过大负电平，可增大DC-DC转换器的开关频率。
为了实现上述目的，本公开的另一方面提供一转换器接地组件，其包括连接至电源的第一电力转换部；初级线圈；包括在第一电力转换部与初级线圈之间以全桥电路形式设置的第一、第二、第三和第四开关的直流至直流(DC-DC)转换器；连接至初级线圈并检测初级线圈的电流和电压的传感器；以及连接至传感器并控制DC-DC转换器的控制器。控制器经由传感器检测在DC-DC转换器的输出电压信号的第一上升沿流经初级线圈的第一电流和在DC-DC转换器的输出电压信号的第二上升沿流经初级线圈的第二电流，并且根据第一电流或第二电流的电平改变DC-DC转换器的开关频率。
同样的，响应于确定第一电流具有低于在第一上升沿为负的第一参考电平的过大负电平，以及第二电流具有高于在第二上升沿为正的第二参考电平的过大正电平，控制器可减小DC-DC转换器的开关频率。
同样的，控制器可响应于确定第一电流在第一上升沿具有正电平增大DC-DC转换器的开关频率。
同样的，控制器可包括被配置为检测由传感器感测的电压或电流的电平的传感部；被配置为将电流的电平与零或第一和第二参考电平进行比较的比较部；以及被配置为根据比较部的比较结果改变DC-DC转换器的开关频率的调节部。
同样的，接地组件可进一步包括重对准部，其被配置为通过根据调节部改变开关频率后的当前输出功率电平移动初级线圈、次级线圈或二者重新对准初级线圈和次级线圈。
同样的，DC-DC转换器可以是移相全桥转换器。
同样的，在DC-DC转换器中，第一开关的第一端连接至第三开关的第二端，第一开关的第二端和第三开关的第一端连接至初级线圈的两端，第四开关的第一端连接至第二开关的第二端，第四开关的第二端和第二开关的第一端连接至初级线圈的两端，第一和第三开关的第一连接节点以及第四和第二开关的第二连接节点连接至第一电力转换部的两个输出端。
为了实现上述目的，本公开的又一方面提供一种在无线电力传输系统的控制器中执行的无线电力传输方法。该方法可包括检测在位于电源和初级线圈之间的直流至直流(DC-DC)转换器的输出电压信号的第一上升沿流经初级线圈的第一电流；检测在DC-DC转换器的输出电压信号的第二上升沿流经初级线圈的第二电流；以及根据第一电流或第二电流的电平改变DC-DC转换器的开关频率。
同样的，响应于确定在第一上升沿，第一电流为低于负的第一参考电平的过大负电平，可减小DC-DC转换器的开关频率。
同样的，响应于确定在第二上升沿，第二电流为高于正的第二参考电平的过大正电平，可减小DC-DC转换器的开关频率。
同样的，响应于确定在第一上升沿，第一电流为正电平，可增大DC-DC转换器的开关频率。
同样的，该方法可进一步包括，在改变之后，将无线电力传输系统的当前输出与参考输出进行比较；以及通过根据比较中的比较结果移动初级线圈、次级线圈或者二者来重新对准初级线圈和感应耦合初级线圈的次级线圈。
同样的，控制器可包括包含在无线电力传输系统的接地组件(GA)内的GA控制器，在GA的DC-DC转换器中的控制器，以及经由无线通信链路连接GA控制器的车辆组件(VA)控制器中的至少一个。
根据上述DC-DC转换器控制方法、接地组件和无线电力传输方法，即使是在无线充电系统或无线电力传输系统的初级和次级盘之间未对准、或者存在盘或用于盘的电容器的制造公差时，也能最小化流经开关的反向电流，并且可保证零电压开关(ZVS)。
同样的即使是在初级盘与次级盘之间的未对准存在于前/后、左/右、上/下或其组合方向上时，系统的效率和输出也可逐渐降低而不迅速降低。此外，在通过阻止效率和输出迅速降低所获得的时间段期间，根据确定初次级盘是否正确对准可重新使盘对准。
同样的，相比于具有类似性能(效率和输出)的传统结构而言，无线电力传输系统的体积和材料成本得以降低。
附图说明
通过参考附图详细描述本公开的典型实施例，本公开的典型实施例将变得更加明白，附图中：
图1是根据本公开典型实施例的使用DC-DC转换器的无线电力传输系统的框图；
图2是示出根据本公开典型实施例的DC-DC转换器控制方法的流程图；
图3是示出根据本公开另一典型实施例的DC-DC转换器控制方法的流程图；
图4是根据本公开实施例的能够使用DC-DC转换器控制方法的无线电力传输系统的框图；
图5是根据本公开典型实施例的DC-DC转换器的最优操作的时序图；
图6是根据比较实例的DC-DC转换器操作的时序图；
图7是根据另一比较实例的DC-DC转换器操作的时序图；
图8是根据本公开典型实施例的DC-DC转换器操作的时序图；
图9是示出根据本公开典型实施例的DC-DC转换器控制方法的优点的图；
图10是解释可用在根据本公开典型实施例的接地组件中的控制器结构的框图；以及
图11是示出了使用图10接地组件的无线电力传输方法的流程图。
具体实施方式
在此公开了本公开的典型实施例。然而，在此所描述的特定结构和功能细节仅表示用于描述本公开的典型实施例，但是，本公开的典型实施例可以以多种替换形式实施，并且不应被解释为对在此提出的本公开的典型实施例进行限制。在描述各图时，相同的附图标记指代相同的元件。
可以理解，尽管在此可使用术语“第一”、“第二”等来描述各个元件，但是这些元件不应被这些元件所限制。这些术语仅用于将元件彼此区分开来。例如，在不背离本公开范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，类似的，第二元件可被称为第一元件。术语“和/或”包括相关列出项中一个的任一和全部组合。
可以理解，当一个元件被称作是“连接至”另一元件时，其可以直接地或间接地连接至另一元件。也就是说，例如，可以有中间元件。另一方面，当一个元件被称作是“直接连接至”另一元件时，应该理解为没有中间元件。
在此使用的术语仅用于描述典型实施例而不对本公开进行限制。除非在上下文中另有限定，否则单数表达包括复数表达。在本说明书中，使用术语“包括”或“具有”来指明本说明书中公开的特征、数量、步骤、操作、元件、组件或其组合，但是不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、元件、组件或其组合的存在或增加的可能性。
除非另有限定，否则包括技术和科学术语的所有术语具有本领域普通技术人员所通常理解的相同含义。应该理解的是，通常使用的在字典中限定的术语被解释为包括与相关领域的语境义相同的含义，除非在本申请中明确地以其他方式限定，否则不会作为理想形式含义或过分形式的含义解释。
本公开使用所术语定义如下。
“电动汽车，EV”：如49CFR 523.3中定义，用于高速公路的汽车，由从例如电池的车载能量存储设备汲取电流的电动机驱动，电池可由例如居民或公共用电系统或车载燃料驱动发电机的外接电源充电。EV可以是制造为主要用于共用街道、道路的四轮或更多轮车辆。
EV可被称为电动汽车、电动车辆、电动道路车辆(ERV)、插电式车辆(PV)、插电式车辆(xEV)、等等，并且xEV可以分为插电式纯电动汽车(BEV)、蓄电池电动汽车、插电式电动汽车(PEV)、混合动力电动汽车(HEV)、混合插电式电动汽车(HPEV)、插电式混合电动汽车(PHEV)、等等。
“插电式电动汽车，PEV”：通过连接至电网给车载主电池充电的电动汽车。
“插电式汽车，PV”：不使用物理插头或物理插座通过无线充电从电动汽车供电设备(EVSE)充电的电动汽车。
“重型汽车，H.D.汽车”：如49CFR 523.6或49CFR 37.3定义的任何四轮或更多轮汽车(公交车)。
“轻型插电式电动汽车”：由从可充电蓄电池或其它能量设备汲取电流的电动机推动的三轮或四轮汽车，主要用于共用街道、道路和高速公路并且额定车辆总重量小于4545kg。
“无线电力充电系统，WCS”：用于包含对准和通信的GA和VA之间的无线电力传输和控制的系统。该系统从供电网传输能量至通过两部分松耦合变压器的电动汽车。
“无线电力传输，WPT”：通过非接触装置的从AC供电网到电动汽车的电力传输。
“市电(utility)”：供给电能的一套系统并且包括用户信息系统(CIS)、高级量测体系(AMI)、定价和收益系统等。市电可通过定价表和离散事件给EV提供能量。同样的，市电可提供关于EV认证、电力消耗测量间隔和收费的信息。
“智能充电”：EVSE和/或PEV与电力网通信以通过反映电力网的容量或使用开支优化EV的充电比或放电比的系统。
“自动充电”：在车辆位于对应于能够传输电力的初级充电器装置的适当位置后自动进行感应充电的进程。该自动充电可在获得必要的认证和权利后进行。
“互用性(interoperability)”：系统部件与对应的系统部件交互以通过系统执行操作的状态。同样的，信息互用性可以指两个或多个网络、系统、设备、应用或部件能够有效共享和容易使用信息而不给用户带来不便的能力。
“感应充电系统”：通过两部分间隔铁芯变压器(two-part gapped coretransformer)从电源传递能量给EV的系统，在两部分间隔铁芯变压器中，变压器的两半儿，初级和次级线圈彼此物理分隔。在本公开中，感应充电系统可对应于EV电力传输系统。
“感应耦合器”：由GA线圈中的线圈和VA线圈中的线圈构成的变压器，其允许电力在电气隔离的情况下进行传递。
“感应耦合”：两个线圈之间的磁耦合。在本公开中，为GA线圈与VA线圈之间的耦合。
“接地组件，GA”：基础设施测的装置，由GA线圈、电力/频率转换单元和GA控制器以及来自电网的和在各个单元之间的接线、滤波电路、壳体等构成，必须用作无线电力充电系统的电源。GA可包括在GA和VA之间通信所必须的通信元件。
“车辆组件，VA”：车辆上的装置，由VA线圈、整流器/电力转换单元和VA控制器以及到车辆电池的和在各个单元之间的接线、滤波电路、壳体等构成，必须用作无线电力充电系统的车辆部分。VA可包括在GA和VA之间通信所必须的通信元件。
GA可被称为初级设备(PD)，VA可被称为次级设备(SD)。
“初级设备”：提供到次级设备的无接触耦合的装置。也就是说，初级设备可以是EV外部的装置。当EV接收电力时，初级设备可用作要传递的电力的源。初级设备可包括壳体和全部的盖。
“次级设备”：安装在EV上的装置，其提供到初级设备的无接触耦合。也就是说，次级设备可安装在EV中。当EV接收电力时，次级设备可将电力从初级传递至EV。次级设备可包括壳体和全部的盖。
“GA控制器”：GA的部分，其基于来自车辆的信息调节给GA线圈的输出电力电平。
“VA控制器”：VA的部分，其在充电期间监控特定车载参数并开始与GA的通信以控制输出电力电平。
GA控制器可被称为初级设备通信控制器(PDCC)，并且VA控制器可被称为电动车辆通信控制器(EVCC)。
“磁隙”：对准时GA线圈中李兹线的顶部或磁性材料的顶部中较高者的平面到VA线圈中李兹线或者磁性材料的底部中较低者的平面间的垂直距离。
“环境温度”：在考虑的子系统处测量的并且不在阳光直晒下的空气的地平面温度。
“车辆地面间距”：地平面与车辆底盘的最低部分之间的垂直距离。
“车辆磁性地间距”：安装在车辆上的VA线圈中李兹线或磁性材料的底部中的较低者的平面到地面的垂直距离。
“VA线圈磁性表面距离”：最近的磁性或传导元件表面的平面到安装时VA线圈的较低外表面之间的距离。该距离包括任何保护罩和可封装在VA线圈外壳内的附加项。
VA线圈可被称为次级线圈、车辆线圈或接收线圈。类似的，GA线圈可被称为初级线圈或传输线圈。
“裸露导电元件”：电气设备(如车辆)的导电部件，其可被触摸到并且其通常不带电但是在故障情况下会变成带电。
“危险带电部件”：带电部件，其在特定情况下能够产生有害的电击。
“带电部件”：在正常使用下带电的任何导体或导电部件。
“直接接触”：人与带电部件的接触。(参见IEC 61440)
“间接接触”：人与由于绝缘故障导致带电的裸露的、导电的和带电的部件的接触。(参见IEC 61440)
“对准”：寻找初级设备到次级设备的相对位置和/或寻找次级设备到初级设备的相对位置以进行指定的有效电力传输的过程。在本公开中，对准可以指无线电力传输系统的精确定位。
“配对”：车辆与唯一专用初级设备相关联的过程，其位于初级设备处并且将从初级设备传递电力。配对可包括VA控制器和充电桩的GA控制器相关联的过程。该关联/相关过程可包括在两个对等通信实体间建立联系的过程。
“命令和控制通信”：EV源设备与EV间的通信，其交换启动、控制和终止WPT过程所必须的信息。
“高级通信(HLC)”：HLC是特殊类型的数字通信。HLC对于未被命令&控制通信所覆盖的其它服务来说是必要的。HLC的数据链路可使用电力线通信(PLC)，但不限于此。
“低功率激励(LPE)”：LPE表示激活初级设备用于精确定位和配对从而使得EV能够检测到初级设备，并且反之亦然的技术。
充电站可包括至少一个GA和管理至少一个GA的至少一个GA控制器。GA可包括至少一个无线通信设备。充电站可以指具有至少一个GA的地方，其安装在家庭、办公室、公共场所、道路、停车场等处。
下文中，通过参考附图将详细解释本公开的优选典型实施例。
图1是根据本公开实施例使用DC-DC转换器的无线电力传输系统的框图。
参见图1，根据一实施例的无线电力传输系统100可包括GA 110和VA 130。
GA 110可包括连接至电网的具有功率因数校正(PFC)功能的交流至直流(AC-DC)转换器10、DC-DC转换器20、传感器30、以及GA线圈40。GA 110可进一步包括GA控制器120。GA控制器120可从传感器30接收检测信号D1和D2，并基于接收到的检测信号D1和D2输出用于控制DC-DC转换器20中开关的控制信号S1和S2。GA 110可进一步包括DC-AC转换器、滤波器、阻抗匹配网络(IMN)、谐振电路(RC)等等。然而，图1中省略了对其的描述。
VA 130可包括与GA线圈40构成耦合电路的VA线圈50，RC/IMN 60、具有滤波器功能的整流器70、以及阻抗转换器80。阻抗转换器80可连接至电池150。VA 130可进一步包括VA控制器140。VA控制器140可连接例如车辆发动机控制单元的电子控制单元160。
在无线电力传输期间，VA控制器140可执行命令并控制经由无线通信链路实现的与GA控制器120的通信和/或高级通信。
无线电力传输系统100的操作过程可解释如下。
首先，在VA 130中确定用于给电池150充电的电流。
随后，经由无线通信链路从VA 130传送电力请求至GA 110。
接着，GA 110可识别来自VA 130的电力请求，通过AC-DC转换器10和DC-DC转换器20将由电网提供的电力转换为高频AC电力，并将转换后的AC电力传递给GA线圈40。
接着，高频AC电力可经由耦合从GA线圈40传递给VA线圈50，在VA 130中进行整流和处理，并最终用于给电池150充电。
上述进程继续进行，直至电池150完全充满电并且VA 130将指示充电完成的信号传递给GA。
同时，无线电力传输系统100的性能(效率和输出)一般可取决于DC-DC转换器20的性能，在GA 110的部件中DC-DC转换器20显示出了性能上的显著差异。同样的，实施为移相全桥转换器的DC-DC转换器可以通过零电压开关(ZVS)实现高的效率。然而，在应用于EV或HEV的无线电力传输系统中，初级与次级盘之间的对准误差或者例如电容器的元件的公差会引起DC-DC转换器不能正确执行ZVS的问题。
因此，本实施例可提供一种DC-DC转换器控制方法和无线电力传输方法，其能够容忍盘间的对准误差和元件的公差。在提出的方法中，GA控制器120检测在特定时间流经初级线圈(即GA线圈)的电流，并且根据检测电流的电平控制DC-DC转换器20中开关的开关频率。
下文将进行描述的DC-DC转换器控制方法可基本上在GA控制器120中执行。然而，各种实施方式不限于此。例如，DC-DC转换器中存在的控制部(控制器)可直接从传感器30接收信号，并且控制DC-DC转换器20中开关的开关操作。同样的，根据实施方式，在给定的控制权限内，DC-DC转换器控制方法可由经由无线通信链路连接至GA控制器120的VA控制器140执行。在该情况下，GA控制器120可传递命令并且控制VA控制器140与传感器30之间的或者VA控制器140与DC-DC转换器20之间的通信和/或高级通信。
图2是示出了根据本公开典型实施例的DC-DC转换器控制方法的流程图。
参见图2，在根据实施例的DC-DC转换器控制方法中，DC-DC转换器可包括在电源和初级线圈之间以桥式电路形式设置的第一、第二、第三和第四开关，并且可由GA控制器控制。在此，第一和第三开关的第一串联电路级以及第四和第二开关的第二串联电路级可以相对于初级线圈并联连接(将在下面参考图4进行解释)。
首先，GA控制器可检测在DC-DC转换器的输出电压脉冲的上升沿流经初级线圈的电流(S21)。
接着，GA控制器可确定检测电流的强度(即电流电平)是否处于落入预定参考范围内的负电平(S22)。
接着，当电流未处于落入预定参考范围内的负电平时，GA控制器可改变开关频率(S23)。
相反，当电流处于落入预定参考范围内的负电平时，GA控制器可维持当前开关频率不变(S24)。
根据本公开，可防止DC-DC转换器的开关由于包括初级线圈和次级线圈的盘之间的对准误差、和/或电容器元件的公差不能执行ZVS。这样，可提供移相全桥转换器类型的、并且能够容忍对准误差和电容器元件公差的DC-DC转换器。特别地，在EV或HEV的大功率传输下变得严重的DC-DC转换器的性能降低可得到抑制，从而无线电力传输系统的可靠性和稳定性可得到显著的提升。
图3是示出了根据本公开另一典型实施例的DC-DC转换器控制方法的流程图。
根据另一实施例的DC-DC转换器控制方法可对应于参考图2描述的更具体的实施例。
参见图3，GA控制器可检测第一上升沿处的第一电流，以及第二上升沿处的第二电流(S31)。第一上升沿可对应于DC-DC转换器的输出电压脉冲从0V上升至正电平的时刻，并且第二上升沿可对应于DC-DC转换器的输出电压脉冲从0V降至负电平的时刻。第一上升沿和第二上升沿可由从零电压到正电平或负电平的方向来表示，但不受限。
接着，GA控制器可确定第一电路的强度是否处于低于第一参考电平的负电平(S32)。当第一电流处于低于第一参考电平的负电平时，GA控制器可降低DC-DC转换器的开关频率(S33)。
接着，GA控制器可确定第一电流的强度是否处于正电平(S34)。当第一电流在第一上升沿处于正电平时，GA控制器可增大DC-DC转换器的开关频率(S35)。
尽管解释了步骤S32在步骤S34之前执行，但是各种实施例不限于此。也就是说，步骤S34可在步骤S32之前被执行。或者，步骤S32和步骤S34可同时或并行执行。
接着，GA控制器可确定第二电流的强度是否处于高于第二参考电平的正电平(S36)。当第二电流在第二上升沿处于高于第二参考电平的正电平时，GA控制器可减小DC-DC转换器的开关频率(S37)。
另一方面，在上述步骤S32，S34和S36中，如果第一电流或第二电流未处于该负电平或正电平，则GA控制器可维持当前开关频率不变(S38)。
图4是可使用根据本公开实施例的DC-DC转换器控制方法的无线电力传输系统的框图。
参见图4，根据本公开实施例的无线电力传输系统可将电源8的电力无线传输给电池。为此，无线电力传输系统可包括作为初级侧元件的AC-DC转换器(AC整流器)11、PFC转换器12、DC-DC转换器20、传感器30和初级盘42。此外，无线电力传输系统可包括作为次级侧元件的次级盘52以及整流器和滤波器70。初级盘42可包括初级线圈，次级盘52可包括次级线圈。
更具体地，AC-DC转换器11可包括第一至第四二极管D1，D2，D3和D4，其被设置为位于电源8和PFC转换器12之间的桥式电路的形式。AC-DC转换器11可将电源8的AC电力(例如，商用电)转换为DC电力。尽管在本实施例中AC-DC转换器11被配置为包括四个二极管，但是AC-DC转换器11的配置不限于此。例如，四个二极管中的至少一个可由具有二极管功能的开关替换。
PFC转换器12可包括电感器、开关、二极管和电容器。此外，通过根据输入电流或电压的波形或相位控制开关的操作，PFC转换器12的控制器可将AC-DC转换器11的输出电压转换为基本上恒定的电压以由此提高电力效率。PFC转换器12可分为升压型、降压型、降升压型和谐振型。PFC转换器12的控制器可以是独立的控制器。然而，也可以使用GA控制器的至少部分(参见图1的120)来实施或实施为执行相应功能的元件。
上述AC-DC转换器11和PFC转换器12可对应于AC-DC转换器(参见图1的10)，并且还可被称为具有PFC功能的初级电力转换部。
DC-DC转换器20可以是移相全桥转换器。同样的，DC-DC转换器20可包括每个都具有第一端、第二端和控制端的第一至第四开关SW1，SW2，SW3和SW4。
第一开关SW1的第一端与第三开关SW3的第二端连接，并且第一开关SW1的第二端和第三开关SW3的第一端连接至初级线圈的两端。第四开关SW4的第一端与第二开关SW2的第二端连接，并且第四开关SW4的第二端和第二开关SW2的第一端也连接至初级线圈的两端。此外，第一和第三开关SW1和SW3的第一连接节点以及第四和第二开关SW4和SW2的第二连接节点连接至PFC转换器12或AC-DC转换器11的两个输出端。
DC-DC转换器20的输出电压Vt可对应于第一连接节点和第二连接节点之间的电压，并且DC-DC转换器20的输出电流It可对应于从第一连接节点流至初级线圈的电流。同样的，当DC-DC转换器20通过基于来自DC-DC转换器20的控制器的控制信号控制第一至第四开关SW1至SW4来将来自电源8的电力(即功率因素校正DC电力)转换为具有不同电平的DC电力时，根据输入电压或输入电流，由第一和第三开关SW1和SW3构成的串联电路可变为第一级，由第四和第二开关SW4和SW2构成的串联电路可变为第二级。
DC-DC转换器20的控制器可以是独立的控制器。然而，不限于此，其可以使用GA控制器(图1的120)的至少部分或对应功能部件来实施。
初级盘42可包括初级线圈(或GA线圈)。初级盘42可进一步包括帮助在初级线圈中产生磁场的装置，以及用于支持或保护初级线圈的装置。
整流器和滤波器70可包括连接至次级线圈并在次级线圈中感应出的AC电压进行整流的整流器，以及位于整流器后端并通过减少整流器得到的DC电压的纹波来产生平滑DC电压的滤波器。整流器和滤波器70可连接至电池装置152中的电池。
此外，根据实施方式，整流器和滤波器70的后端可进一步包括稳压器或附加转换器。在这种情况下，电池装置152可被实施为进一步包括附加的转换器和电池。附加的转换器可与电池一起被包封在单个壳体内。
根据当前实施例，AC商用电可通过AC整流器11整流为正电压，并通过PFC转换器12转换为恒定DC电压。作为移相全桥转换器的DC-DC转换器20可将该恒定DC电压转换为高频DC电压/电流。高频DC电压/电流可由DC-AC转换器转换为高频AC电压/电流并被传递给初级盘42。随后，AC电压被传递给感应耦合初级盘42的次级盘52，并且该AC电压可通过整流器和滤波器70转换为DC电压。无线电力传输系统的次级侧可使用该DC电压来直接对电池充电或通过附加的转换器对电池充电。
图5是根据本公开典型实施例的DC-DC转换器的最优操作的时序图。
参见图5，根据本实施例的DC-DC转换器可以是包括第一至第四开关的移相全桥转换器。DC-DC转换器的控制器可执行ZVS以改进转换器的效率。
DC-DC转换器的最优操作可解释如下。
当DC-DC转换器进行操作时，DC-DC转换器的输出端可给初级线圈提供电流It和电压Vt。电流It可具有最大值例如为约14A的正弦波形，电压Vt可具有最大值例如为约20V的脉冲波形。
DC-DC转换器的第三开关SW3可响应于第三控制信号Vgate3进行导通-关断操作，第三控制信号Vgate3具有预定电压电平(例如1V)的脉冲形式，DC-DC转换器的第一开关SW1可响应于第一控制信号Vgate1进行导通-关断操作，第一控制信号Vgate1具有预定电压电平(例如1V)的脉冲形式。在时间轴上，第三控制信号的导通脉冲和第一控制信号的导通脉冲可被交替施加给各自的开关SW3和SW1，并且其可彼此保持预定的间隔。
在上述情况下，当第三开关响应于第三控制信号执行导通一关断操作时，第三开关SW3的电流IMOS3通过第三控制信号在Vt的正脉冲的下降沿从0V降至负电平用于零电压开关(参见虚线圆A3)，在Vt的零和负脉冲周期期间从负电平升至正电平，并且通过第三控制信号在Vt的负脉冲的上升沿从正电平降至零。
同样的，当第一开关SW1响应于第一控制信号执行导通-关断操作时，第一开关SW1的电流IMOS1在与第一控制信号有关的Vt的负脉冲的上升沿从0V降至负电平用于零电压开关(参见虚线圆A1)，在与第一控制信号有关的Vt的零和正脉冲周期期间从负电平升至正电平，并且在与第一控制信号有关的Vt的正脉冲的下降沿降至零。
类似的，DC-DC转换器的第四开关SW4可响应于第四控制信号Vgate4执行导通-关断操作，第四控制信号Vgate4具有预定电压电平(如1V)的脉冲形式，并且DC-DC转换器的第二开关SW2可响应于第四控制信号Vgate2执行导通-关断操作，第二控制信号Vgate2具有预定电压电平(如1V)的脉冲形式。在时间轴中，第四控制信号的导通脉冲和第二控制信号的导通脉冲可被交替施加给各自的开关SW4和SW2，并且其彼此之间保持预定的间隔。
在上述情况下，当第四开关SW4响应于第四控制信号执行导通-关断操作时，第四开关SW4的电流IMOS4在Vt的负脉冲的下降沿和第二控制信号的门极脉冲的下降沿从0V降至略低于0V(如低约1V)的负电平以用于第四开关SW4的零电压开关(参见虚线圆A4)，在紧接着的第四控制信号的下一门极脉冲的上升沿开始从略低于0V的负电平上升至正电平，并在Vt的正脉冲周期期间通过正的最大电平，在Vt的下一正脉冲的上升沿和第四控制信号的门极脉冲的下降沿降至0V。
同样的，当第二开关SW2响应于第二控制信号执行导通-关断操作时，第二开关SW2的电流IMOS2在Vt的正脉冲的上升沿下降至略低于0V(例如低约1V)的负电平以用于第二开关SW2的零电压开关(参见虚线圆A2)，在紧接着的下一个第二控制信号的门极脉冲的上升沿开始从略低于0V的负电平上升至正电平，并且在Vt的正脉冲周期期间通过正的最大电平，在Vt的下一负脉冲的上升沿和第二控制信号的门极脉冲的下降沿下降至0V。
在上述情况下，DC-DC转换器可通过由控制器的开关驱动器驱动的软开关执行全部开关的ZVS，由此操作为维持最优状态。
然而，当发生包含初级线圈的初级盘与包括次级线圈的次级盘之间的未对准、或者存在盘或电容器的制造公差时，在进行无线充电时谐振可能会被破坏。此外，流经转换器中开关的反向电流将过多地产生，转换器的ZVS可能得不到保证，无线电力传输系统的效率可能降低。
另外，具有大载流能力的开关应当被使用以应对反向电流。此外，如果ZVS得不到保证，由硬开关引起的电磁干扰(EMI)的增加将会需要一个用于减少EMI的滤波器，由此增加了整个系统的体积和材料成本。
将参考图6解释DC-DC转换器的不利操作条件，即过多反向电流流经开关的情况。另外，将参考图7解释DC-DC转换器的不利操作条件，即在至少一个开关中未正确执行ZVS的情况。
图6是根据比较实例的DC-DC转换器的操作的时序图。
如图6中所示，对于滞后级开关的ZVS，滞后级开关(即SW4和SW2)的电流IMOS4和IMOS2不应当降至远低于0V的负电平。
然而，当滞后级开关中的反向电流增加时，可以确定的是，滞后级中第四开关SW4的电流IMOS4和滞后级中第二开关SW2的电流IMOS2(参见A4a和A2a)从0V降低超过预定参考电平至负电平，这与超前级中第三和第一开关SW3和SW1的电流IMOS3和IMOS1类似。
在此，预定参考电平可以是大于对应0V的误差范围(约-1V到+1V)并且等于或小于约5V的值。也就是说，预定参考电平可以是4V～6V的值。
根据上述比较实例，由于相对大的反向电流流经DC-DC转换器中的开关，应当使用具有这种大容量的开关。此外，在比较实例中，由于ZVS不能得到保证，EMI增加，并且应当准备附加的措施以用于增加的EMI。
图7是根据另一比较实例的DC-DC转换器的操作的时序图。
如图7中所示，对于ZVS，电流IMOS3和IMOS2应当在各自开关的下降沿超越对方交替达到0V，并且电流IMOS4和IMOS2应当超越对方交替达到0V而不降至过大的负电平。
然而，当存在盘或电容器的制造公差时，第四开关SW4的电流IMOS4和第二开关SW2的电流IMOS2可能会从零降低多于预定参考电平到负电平。尽管第四开关SW4的电流IMOS4的电平(参见A4b)和第二开关SW2的电流IMOS2的电平(参见A2b)小于第三开关SW3的电流IMOS3的电平(参见A3)和第一开关SW1的电流IMOS1的电平(参见A1)，第四和第二开关SW4和SW2的ZVS仍不能实现，这是因为IMOS4和IMOS2降到了低于预定参考电平的负电平。
在上述情况下，由于在根据比较实例的DC-DC转换器中所有开关无法执行ZVS，因此转换器的效率显著降低。也就是说，由于元件制造公差的存在，根据比较实例的DC-DC转换器无法正确进行ZVS，从而无线电力系统的功率和效率降低了。
图8是根据本公开典型实施例的DC-DC转换器的操作时序图。
参见图8，根据本公开实施例的DC-DC转换器控制方法可解决由于初级和次级线圈间的未对准和/或元件制造公差引起的反向电流流经开关或不能正确进行ZVS的上述问题。
为此，在根据实施例的DC-DC转换器控制方法中，执行下面两个步骤。首先，可感测流经初级线圈的电流It。第二，感测作为移相全桥转换器的DC-DC转换器的滞后级开关的门极脉冲。在此，滞后级可对应于第二级，其中给第二级施加晚于DC-DC转换器第一级的信号的信号。也就是说，滞后级开关可以是第四开关SW4和第二开关SW2。同样的，门极脉冲可对应于分别施加给第四开关SW4和第二开关SW2的控制端的控制信号。
上述两个步骤能够解决传统DC-DC转换器的上述问题如下。
首先，DC-DC转换器的控制器、GA控制器、VA控制器、或其组合(下文，“控制器”)可检测在施加给第四开关SW4的控制端(门极4)的门极脉冲的第一下降沿(t1)流经初级线圈的电流(下文，“第一电流”)。同样，控制器可检测在施加给第二开关SW2控制端(门极2)的门极脉冲的第二下降沿(t2)流经初级线圈的电流(下文，“第二电流”)。在此，“下降沿”可指当施加给滞后级开关的门极脉冲从高电平降至低电平或零的时刻。
接着，当初级线圈的电流It在第一下降沿t1具有比零远低该预定参考电平的负电平时，控制器可减小DC-DC转换器的开关频率。
同样的，当初级线圈的电流It在第二下降沿t2具有比零远高该预定参考电平的正电平时，控制器可减小DC-DC转换器的开关频率。
在上述情况下，由于当DC-DC转换器降低开关频率时初级线圈的电流It超前电压Vt，因此可减少流经开关的反向电流。
同时，当初级线圈的电流It在第一下降沿t1为正电平时，控制器可增大DC-DC转换器的开关频率。
在上述情况下，由于当DC-DC转换器增大开关频率时初级线圈的电流It滞后电压Vt，因此所有开关中的ZVS变为可能。
根据本实施例，可在施加给滞后级开关的控制信号的下降沿检测初级电流，全部并且可根据检测到的初级电流的电平主动改变开关频率。这样，可减小流经开关的反向电流，并且可执行全部开关中的ZVS(参见图5的A3，A1，A4和A2)，由此可提高DC-DC转换器的效率和输出并可阻止在该不利情况下效率和输出突然降低。
图9是示出了根据本公开典型实施例的DC-DC转换器控制方法的优点的图。
如上所述，当采用根据本公开的DC-DC转换器控制方法时，无线电力传输系统的效率和输出能够得以提升。
也就是说，如图9的(a)所示，即使是在初级线圈(或安装有初级线圈的初级盘)与次级线圈(或安装有次级线圈的次级盘)之间的未对准在前/后、左/右、上/下或其组合方向上存在时，效率和输出也可逐渐降低，而不会在未对准增大时快速降低。
同样的，如图9的(b)中所示，即使是在初级盘、连接至初级盘的初级线圈的第一电容器、次级盘、或者连接至次级盘的次级线圈的第二电容器的元件具有制造公差时，效率和输出也可逐渐降低而不会在制造公差增大时快速降低。
图9的(a)和(b)的组合的情况在图9的(c)中示出。
如上所述，使用根据本公开实施例的DC-DC转换器控制方法，即使是在盘之间的未对准或者元件的制造公差存在时也可通过稳定的ZVS操作保持无线电力传输系统的性能(效率或输出)。同样的，如参考执行不稳定ZVS操作的比较实例所解释的，可以在不使用额外滤波器的情况想解决EMI问题，并且从而可减小无线电力传输系统的GA和/或VA的体积和材料成本。
图10是解释可用在根据本公开典型实施例的接地组件中的控制器结构的框图。
参见图10，根据实施例的GA控制器120可包括感测部122、比较部124、调节部126和重对准部128。可对GA控制器120的每个部件详细解释如下。
感测部122可在连接传感器时从传感器接收信号。传感器可检测电流或电压。同样的，感测部122可检测DC-DC转换器输出电压脉冲中的第一上升沿和第二上升沿。另外，感测部122可检测在第一上升沿流经初级线圈的第一电流，以及在第二上升沿流经初级线圈的第二电流。
输出电压脉冲可对应DC-DC转换器的输出电压，其为脉冲的形式。第一上升沿可对应于输出电压脉冲从零上升至正电平的时刻。第二上升沿可对应于输出电压脉冲从零下降至负电平的时刻。
上述感测部122可包括模拟-数字转换器(ADC)，其输出指示由传感器感测到的模拟值的强度或量的数字值。
当在第一上升沿处的第一电流为低于预先配置的第一参考电平的负电平时，比较部124可输出第一比较结果。同样的，当在第一上升沿处第一电流为正电平时，比较部124可输出第二比较结果。同样的，当在第二上升沿处第二电流为高于预先配置的第二参考电平的正电平时，比较部124可输出第三比较结果。
同样的，比较部124可将无线电力传输系统的当前输出与预先配置的参考输出进行比较。
比较部124可被实施为集成电路或包括运算放大器。
调节部126可包括第一调节部126a和第二调节部126b。第一调节部126a可包括根据比较部124的比较结果降低DC-DC转换器的开关频率的装置，或者执行相应功能的部件。类似的，第二调节部126b可包括根据比较部124的比较结果增大DC-DC转换器的开关频率的装置，或者执行相应功能的部件。
调节部126可被实施为包括控制DC-DC转换器中至少四个开关的导通一关断操作的开关驱动器。
重对准部128可在检测到的系统当前输出小于预先配置的参考输出时重新对准初级和次级盘。重对准部128可将重对准所需的信号或信息传递给GA控制器和/或VA控制器。在这种情况下，GA控制器和/或VA控制器可通过根据来自重对准部128的重对准请求(即信号和信息)向前、后、左、右、上、下或其组合方向移动初级和次级盘中的至少一个来执行重对准。
重对准部128可包括用于产生包含重对准信息的重对准请求并将重对准请求发送给GA控制器和/或VA控制器的装置，或者执行相应功能的部件。另外，重对准部128可被实施为执行命令和进行与连接至初级盘或次级盘的执行机构的直接控制通信。
在另一方面，实施根据本公开实施例的DC-DC转换器控制方法的控制器不限于上述GA控制器结构。也就是说，上述功能部件也可被实施为包括在DC-DC转换器的控制器中，或者还可被植入为包括在无线连接GA控制器120的VA控制器中。
图11是示出了使用图10接地组件的无线电力传输方法的流程图。
参见图11，根据本实施例的无线电力传输方法可由GA执行。然而，根据实施，根据本实施例的无线电力传输方法可由通过无线通信链路连接至GA控制器的VA控制器、包含有VA控制器的VA、或者车辆中的电子控制单元执行。
首先，VA的GA控制器或DC-DC转换器的控制器可检测在DC-DC转换器的输出电压脉冲的第一上升沿流经初级线圈的第一电流(S111)。
接着，控制器可确定第一电流是否具有低于参考电平的负电平(S112)。当第一电流具有低于参考电平的负电平时，控制器可降低DC-DC转换器的开关频率(S113)。
接着，控制器可检测在DC-DC转换器的输出电压脉冲的第二上升沿流经初级线圈的第二电流(S114)。
接着，控制器可确定第二电流是否具有正电平(S115)。当第二电流具有正电平时，控制器可进一步降低DC-DC转换器的开关频率(S116)。
接着，控制器可确定第一电流是否在跟着第二上升沿的新的第一上升沿处具有正电平(S117)。当在步骤S115中第二电流未处于正电平时，可执行步骤S117。然而，各种实施例不限于此。另外，当第一电流在新的第一上升沿处具有正电平时控制器可增大DC-DC转换器的开关频率(S118)。
接着，控制器可确定无线电力传输系统的当前输出是否小于通过从系统额定输出减去预定阈值所获得的值(S119)。步骤S119被执行以用于检测尽管尝试通过上述过程抑制由于盘间的未对准或元件的制造公差所引起的系统性能降低但性能还是过度降低的情况。
在步骤S119之后，当无线电力传输系统的当前输出小于该值(即额定输出一预定阈值)时，可停止无线电力传输并且可再次进行初级和次级线圈间的重对准(S120)。相反，当系统的当前输出等于或大于该值时，可保持或重新开始根据本公开实施例的无线电力传输的基本过程。
根据上述实施例，即使是在初级线圈和次级线圈间的未对准存在于前/后、左/右、上/下、或其组合反向上时，也可防止系统的效率和输出快速降低。另外，如果必要，可通过重对准盘来有效地管理无线电力传输进程。
尽管已经详细描述了本公开的典型实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离本公开范围的情况下，在此可以作出各种改变、替换和更改。

Claims (20)

1.一种用于控制无线电力传输用接地组件的直流至直流(DC-DC)转换器的方法，所述DC-DC转换器包括在电源和初级线圈之间以桥式电路形式设置的第一、第二、第三和第四开关，该方法包括以下步骤：
检测在DC-DC转换器的输出电压信号的上升沿流经初级线圈的电流；
确定检测电流是否处于落入预定参考范围内的负电平；以及
响应于确定电流未处于落入预定参考范围内的负电平，改变DC-DC转换器的开关频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在确定步骤中，确定检测电流是否处于未落入预定参考范围内的过大负电平。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，响应于确定检测电流处于所述过大负电平，降低DC-DC转换器的开关频率。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，响应于确定检测电流处于正电平，增大DC-DC转换器的开关频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在检测步骤中，检测在输出电压信号的正脉冲的第一上升沿流经初级线圈的第一电流，检测在输出电压信号的负脉冲的第二上升沿流经初级线圈的第二电流。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，在确定步骤中，确定第二电流是否处于未落入预定参考范围内的过大负电平。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，响应于确定第二电流处于所述过大负电平，降低DC-DC转换器的开关频率。
8.一种接地组件，包括：
连接至电源的第一电力转换部；
初级线圈；
包含在第一电力转换部和初级线圈之间以全桥电路形式设置的第一、第二、第三和第四开关的直流至直流(DC-DC)转换器；
连接至初级线圈并检测初级线圈的电流和电压的传感器；以及
连接至传感器并控制DC-DC转换器的控制器，
其中所述控制器经由所述传感器检测在DC-DC转换器的输出电压信号的第一上升沿流经初级线圈的第一电流和在DC-DC转换器的输出电压信号的第二上升沿流经初级线圈的第二电流，并且根据第一电流或第二电流的电平改变DC-DC转换器的开关频率。
9.根据权利要求8所述的接地组件，其中在确定第一电流在第一上升沿具有低于负的第一参考电平的过大负电平、并且第二电流在第二上升沿具有高于正的第二参考电平的过大正电平时，控制器减小DC-DC转换器的开关频率。
10.根据权利要求9所述的接地组件，其中当确定第一电流在第一上升沿具有正电平时，控制器增大DC-DC转换器的开关频率。
11.根据权利要求8所述的接地组件，其中控制器包括：
配置为检测由传感器感测的电压或电流的电平的传感部；
配置为将电流的电平与零或第一和第二参考电平进行比较的比较部；以及
配置为根据比较部的比较结果改变DC-DC转换器的开关频率的调节部。
12.根据权利要求11所述的接地组件，进一步包括配置为通过根据调节部改变开关频率后的当前输出功率电平移动初级线圈、次级线圈或二者重新对准初级线圈和次级线圈的重对准部。
13.根据权利要求8所述的接地组件，其中DC-DC转换器是移相全桥转换器。
14.根据权利要求13所述的接地组件，其中在DC-DC转换器中，第一开关的第一端连接至第三开关的第二端，第一开关的第二端和第三开关的第一端连接至初级线圈的两端，第四开关的第一端连接至第二开关的第二端，第四开关的第二端和第二开关的第一端连接至初级线圈的两端，第一和第三开关的第一连接节点以及第四和第二开关的第二连接节点连接至第一电力转换部的两个输出端。
15.一种在无线电力传输系统的控制器中执行的无线电力传输方法，该方法包括以下步骤：
检测在位于电源和初级线圈之间的直流至直流(DC-DC)转换器的输出电压信号的第一上升沿流经初级线圈的第一电流；
检测在DC-DC转换器的输出电压信号的第二上升沿流经初级线圈的第二电流；以及
根据第一电流或第二电流的电平改变DC-DC转换器的开关频率。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，响应于检测到在第一上升沿，第一电流为低于负的第一参考电平的过大负电平，减小DC-DC转换器的开关频率。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，响应于检测到在第二上升沿，第二电流为高于正的第二参考电平的过大正电平，减小DC-DC转换器的开关频率。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，响应于检测到在第一上升沿，第一电流为正电平，增大DC-DC转换器的开关频率。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括以下步骤：
在改变之后，将无线电力传输系统的当前输出与参考输出进行比较；以及
通过根据该比较的比较结果移动初级线圈、次级线圈或者二者来重新对准初级线圈和感应耦合初级线圈的次级线圈。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，控制器包括包含在无线电力传输系统的接地组件(GA)内的GA控制器、在GA的DC-DC转换器中的控制器、以及经由无线通信链路与GA控制器连接的车辆组件(VA)控制器中的至少一个。
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