CN108649712A - 无线电能发射端、无线充电系统和电路模组 - Google Patents

无线电能发射端、无线充电系统和电路模组 Download PDF

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Abstract

公开了一种无线电能发射端、无线充电系统和电路模组。本发明实施例通过在无线电能发射端增加一个电流采样元件并通过检测电流采样元件的电流获取无线电能发射端的电流，从而可以更加精确地检测电能发射线圈的电流。

Description

无线电能发射端、无线充电系统和电路模组
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种无线电能发射端、无线充电系统和电路模组。
背景技术
无线充电系统可以以非接触的方式在无线电能发射端和无线电能接收端之间传递电能。
图1是现有技术的无线充电系统的电路图。如图1所示，无线电能发射端1包括逆变电路11、发射侧谐振电路12和发射侧控制器13，无线电能接收端2包括接收侧谐振电路21和整流电路22。发射侧谐振电路12和接收侧谐振电路21通过共振频率的交变磁场以非接触的方式相互耦合，从而实现无线电能传递。发射侧控制器13用于控制逆变电路11的工作状态。
现有的无线充电系统对于无线电能发射端的过流保护通过采样发射侧谐振电容的电流来实现，由于电容的电流滞后电路的电流且电容容值存在误差，使得获取的电流有误差，过流保护不能及时准确地进行，将损耗电路中的元件。同时，随着逆变电路的输入功率的增加，当无线电能发射端存在电阻较小的异物时，由于电流检测不准确，使得异物检测效果较差，进而可能导致对无线电能发射端的保护不及时。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例提出一种无线电能发射端和无线充电系统，以使得能够较准确地获得发射侧谐振电路的电流，控制逆变电路的工作状态，从而实现无线电能发射端的过流保护和异物检测。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种无线电能发射端，包括：
发射侧谐振电路，被配置为以无线的方式发射电能；
电流采样元件，与所述发射侧谐振电路串联；
逆变电路，被配置为向所述发射侧谐振电路输出高频交流电；
电流检测电路，与所述电流采样元件连接，被配置为获取所述发射侧谐振电路的电流的峰值；以及
发射侧控制器，被配置为控制所述逆变电路的工作状态。
优选地，所述发射侧谐振电路包括：
电能发射线圈；以及
发射侧谐振电容，与所述电能发射线圈串联。
优选地所述电流采样元件为：
电流互感器；或者
采样电阻。
优选地，所述电流检测电路包括峰值检测电路。
优选地，所述发射侧控制器在所述发射侧谐振电路的所述电流的峰值或有效值高于预定阈值时控制所述逆变电路停止工作。
优选地，所述发射侧控制器被配置为根据所述电流的有效值计算所述发射侧谐振电路的功率参考值，在输入功率与所述功率参考值的差值满足预定条件时控制所述逆变电路停止工作。
优选地，所述电流采样元件为电流互感器，所述功率参考值根据如下公式计算：
Pin_ref＝P1+P2+P3+Pout
其中，Pin_ref为所述功率参考值；
P1为所述电能发射线圈的损耗功率，
P2为所述逆变电路的导通损耗，
P3为所述逆变电路的开关损耗，P3＝fkVinIp；以及
Pout为电能接收端反馈的所述电能发射线圈的输出功率；
其中，Ip为检测获取的所述电流的有效值，Rac为所述电能发射线圈的等效阻抗，Rdson为所述逆变电路的等效阻抗，fk为所述逆变电路开关过程的损耗系数，Vin为所述逆变电路的输入电压。
优选地，所述电流采样元件为采样电阻，所述功率参考值根据如下公式计算：
Pin_ref＝P1+P2+P3+P4+Pout
其中，Pin_ref为所述功率参考值；
P1为所述电能发射线圈的损耗，
P2为所述逆变电路的导通损耗，
P3为所述逆变电路的开关损耗，P3＝fkVinIp；
P4为所述采样电阻的损耗，以及
Pout为电能接收端反馈的所述电能发射线圈的输出功率；
其中，Ip为检测获取的所述电流的有效值，Rac为所述电能发射线圈的等效阻抗，Rdson为所述逆变电路的等效阻抗，fk为所述逆变电路开关过程的损耗系数，Vin为所述逆变电路的输入电压，Rsense为所述采样电阻的等效阻抗。
优选地，所述发射侧控制器被配置为检测所述电能发射电路的电压扰动或功率扰动以获得电能接收端反馈的所述电能发射线圈的输出功率。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种无线充电系统，包括：
如第一方面所述的无线电能发射端；以及
至少一个无线电能接收端，被配置为以无线的方式接收所述无线电能发射端发射的电能。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种电路模组，包括：
电能发射线圈；
发射侧谐振电容；以及
电流采样元件，与所述电能发射线圈和所述发射侧谐振电容串联。
优选地，所述电流采样元件为：
电流互感器；或者
采样电阻。
公开了一种无线电能发射端、无线充电系统和电路模组。本发明实施例通过在无线电能发射端增加一个电流采样元件并通过检测电流采样元件的电流获取无线电能发射端的电流，从而可以更加精确地检测电能发射线圈的电流。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是现有技术的无线充电系统的电路图；
图2是本发明实施例的无线电能发射端的电路图；
图3是本发明的一个可选实现方式的无线电能发射端的电路图；
图4是本发明的另一个可选实现方式的无线电能发射端的电路图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图2是本发明实施例的无线电能发射端的电路图。如图2所示，本实施例的无线电能发射端3包括逆变电路31、发射侧谐振电路32、发射侧控制器33、电流检测电路34和电流采样元件35。其中，逆变电路31被配置为向发射侧谐振电路32输出高频交流电。发射侧谐振电路32被配置为以非接触的方式与对应的无线电能接收端(图中未标出)的接收侧谐振电路耦合，从而以无线的方式发射电能。发射侧谐振电路32与电流采样元件35串联。优选地，发射侧谐振电路32包括电能发射线圈Ls和发射侧谐振电容Cs，两者串联，在高频交流电的驱动下谐振产生频率为预定工作频率f0的交变磁场。电流检测电路34与电流采样元件35连接，被配置为检测发射侧谐振电路32的电流的峰值。由于电流采样元件35与发射侧谐振电路32串联，通过检测电流采样元件35的电流的峰值可以准确地得到发射侧谐振电路32的电流的峰值。发射侧控制器33与电流检测电路34连接，接收电流检测电路34输出的电流检测信号IP。应理解，电流检测信号IP可以为模拟的电压或电流信号，也可以为将电流检测值转换获得的数字信号。发射侧控制器33被配置为控制逆变电路31的工作状态。具体地，发射侧控制器33可以根据电流检测信号IP来控制逆变电路31的工作状态以进行过流保护和异物检测保护。其中，电流检测信号IP用于表征流过发射侧谐振电路32的电流的峰值。根据电流的峰值可以获取电流的有效值。具体地，在交流电中，电流的峰值为有效值的倍。其中，电流检测电路34包括峰值检测电路34’。在本实施例中，电流采样元件35为实时或基本实时地的转换输出随流过的电流变化的信号的元件，所述随流过电流变化的信号可以为电流信号也可以为电压信号。
具体地，在对无线电能发射端3进行过流保护时，发射侧控制器33在发射侧谐振电路32的电流的峰值或有效值高于预定阈值时控制逆变电路停止工作。通过检测电流采样元件35的电流的峰值可以较准确且几乎没有延时地获取发射侧谐振电路32的电流的峰值。在电流检测电路34检测到发射侧谐振电路32的电流的峰值或有效值过大时，发射侧控制器33可以立刻控制逆变电路31停止工作，从而保护无线电能发射端3的各个元件，提高过流保护的可靠性。
在对无线电能发射端3进行异物检测时，发射侧控制器被配置为根据电流峰值计算发射侧谐振电路的功率参考值，在输入功率与所述功率参考值的差值满足预定条件时控制所述逆变电路停止工作。通常在电路连通过程中各个元件的电阻阻值会受到温度的影响，且电流的检测结果等也会存在一定误差，因此通过计算获得的功率参考值也会存在一定偏差，需要根据温度等情况确定合理的预定条件得到更准确的异物检测模型，实现更精准的异物检测。
本发明实施例通过在无线电能发射端增加一个电流采样元件并通过检测电流采样元件的电流获取无线电能发射端的电流，从而可以更加精确地检测电能发射线圈的电流，进而可以更加精确地进行过流保护和异物检测，提高无线电能传输系统的安全性和可靠性。
图3是本发明的一个可选实现方式的无线电能发射端的电路图，如图3所示，本发明实施例的电流采样元件为电流互感器351。电流互感器351的一次侧绕组与发射侧谐振电路32串联，二次侧绕组连接到电流检测电路34。优选地，可以在电流检测电路34或发射侧控制器33中设置信号放大电路。信号放大电路被配置增强电流互感器351的二次侧绕组的电流检测信号获取发射侧谐振电路32的电流检测信号IP。发射侧控制器33被配置为可以根据电流检测信号IP计算出功率参考值。功率参考值用于表征在当前的负载状态下电能发射端的正常输出功率。功率参考值可以根据如下公式计算：
Pin_ref＝P1+P2+P3+Pout
其中，Pin_ref为所述功率参考值；
P1为所述电能发射线圈的损耗功率，
P2为所述逆变电路的导通损耗，
P3为所述逆变电路的开关损耗，P3＝fkVinIp；以及
Pout为电能接收端反馈的所述电能发射线圈的输出功率。
其中，Ip为检测获取的所述电流的有效值，Rac为所述电能发射线圈的等效阻抗，Rdson为所述逆变电路的等效阻抗，fk为所述逆变电路开关过程的损耗系数，Vin为所述逆变电路的输入电压。通常，当无线电能接收端接入时，无线电能接收端的电压、温度、输出功率等信号会反馈到无线电能发射端。例如，可以通过近距离无线通信连接来进行反馈。其中，近距离无线通信连接包括基于蓝牙、近场通信NFC、红外通信等技术的通信连接。又例如，可以通过在无线电能接收端进行电压扰动或功率扰动来进行信息反馈。电压/功率扰动是通过改变无线电能接收端的输出功率或输出电压，使得无线电能发射端的发射侧谐振电路的输出参数相应发生改变。由此，通过检测发射侧谐振电路的输出参数就可以获取反馈信息。例如，通过无线电能接收端一侧按照反馈信息编码来短路负载，可以使得无线电能发射端的输出电流随无线电能接收端的负载变化而改变，因此能够通过发射侧谐振电路的电流的有效值的变化检测获取无线电能接收端的输出功率。由此可以在无线电能发射端的输入功率与所述功率参考值的差值满足预定条件时控制所述逆变电路停止工作。具体地，在无线电能发射端的输入功率和所述功率参考值的差值大于预定阈值时，说明无线电能发射端除了对无线电能接收端输出功率以及其它可能的损耗外，还在对其它物体输出功率，因此可以判断存在异物。
在本实现方式中，在无线电能发射端处于工作状态时，为了便于检测发射侧谐振电路中的电流，采用电流互感器(Current Transformer，CT)对电流进行转换。具体地，可以采用传统的电磁式电流互感器，传统的电磁式电流互感器是根据电磁感应原理将一次侧绕组中的大电流转化成二次侧绕组中的小电流进行测量的仪器。电流互感器的一次侧绕组匝数很少，与发射侧谐振电路32串联，二次侧绕组匝数较多，与电流检测电路34连接。同时，也可以采用较为先进的电子式电流互感器，例如光学电流传感器、空心线圈电流互感器(也即，Rogowski线圈式电流互感器)、铁心线圈式低功率电流互感器(LPCT)、变频电流传感器等。电子式电流互感器电磁兼容性更好，幅频特性和相频特性更好，能够在宽幅值、频率、相位范围内获得较高的测量精度，且不会引入新误差，互感器误差就是系统误差。电流互感器的精度被划分成多种级别，由此可以获得不同精度的电流，得到不同精度的异物检测模型，实现不同精度的异物检测。
采用电流互感器作为电流采样元件几乎不存在时延，因此检测获取的电流检测值更加精确。同时，由于电流互感器可以对电流进行变换，其二次侧的电流可以远小于一次侧的电流，因此，可以降低施加到电流检测电路的电流，从而使得电流检测电路可以在较小的电流或电压环境下工作，降低电路的制造成本。同时，采用电流互感器可以进行大功率、大电流检测，电流互感器的损耗可以忽略不计。
图4是本发明的另一个可选实施方式的无线电能发射端的电路图。如图4所示，本发明实施例的电流采样元件为采样电阻Rsense。采样电阻Rsense与发射侧谐振电路32串联，电流检测电路34并联在采样电阻Rsense两端。由此可以准确地得到发射侧谐振电路32的电流的峰值。可选地，可以采用差分采样的方式获取发射侧谐振电路32的电流的峰值，保持采样的精度。获取发射侧谐振电路32的电流的峰值后，能够计算出功率参考值：
Pin_ref＝P1+P2+P3+P4+Pout
其中，Pin_ref为所述功率参考值；
P1为所述电能发射线圈的损耗，
P2为所述逆变电路的导通损耗，
P3为所述逆变电路的开关损耗，P3＝fkVinIp；
P4为所述采样电阻的损耗，以及
Pout为电能接收端反馈的所述电能发射线圈的输出功率；
其中，Ip为检测获取的所述电流的有效值，Rac为所述电能发射线圈的等效阻抗，Rdson为所述逆变电路的等效阻抗，fk为所述逆变电路开关过程的损耗系数，Vin为所述逆变电路的输入电压，Rsense为所述采样电阻Rsense的等效阻抗。通常，当无线电能接收端接入时，无线电能接收端的电压、温度、输出功率等信号会反馈到无线电能发射端。例如，可以通过近距离无线通信连接来进行反馈。其中，近距离无线通信连接包括基于蓝牙、近场通信NFC、红外通信等技术的通信连接。又例如，可以通过在无线电能接收端进行电压扰动或功率扰动来进行信息反馈。电压/功率扰动是通过改变无线电能接收端的输出功率或输出电压，使得无线电能发射端的发射侧谐振电路的输出参数相应发生改变。由此，通过检测发射侧谐振电路的输出参数就可以获取反馈信息。例如，通过无线电能接收端一侧按照反馈信息编码来短路负载，可以使得无线电能发射端的输出电流随无线电能接收端的负载变化而改变，因此可以通过发射侧谐振电路的电流的有效值的变化检测获取无线电能接收端的输出功率。由此可以在无线电能发射端的输入功率与所述功率参考值的差值满足预定条件时控制所述逆变电路停止工作。具体地，在无线电能发射端的输入功率和所述功率参考值的差值大于预定阈值时，说明无线电能发射端除了对无线电能接收端输出功率以及其它可能的损耗外，还在对其它物体输出功率，因此可以判断存在异物。
通常，用于电流采样的采样电阻的阻值很小，采样电阻适用于小功率、小电流检测，因此需要考虑采样电阻的损耗从而获得更精准的异物检测模型。具体地，采样电阻的精度同样被划分成多种级别，由此可以获得不同精度的电流，得到不同精度的异物检测模型，实现不同精度的异物检测。
在本发明实施例中，采用采样电阻作为电流采样元件几乎不存在延时，因此获取的电流更加精确。采样电阻适于小功率、小电流检测，且采用采样电阻的无线电能发射端的电路连接易于实现。但采样电阻会增加无线电能发射端的额外损耗，因此同样可以根据实际需要选择不同精度的采样电阻。
本发明实施例通过在无线电能发射端增加一个电流采样元件并通过检测电流采样元件的电流获取无线电能发射端的电流，从而对无线电能发射端进行更准确的过流保护和异物检测。
本发明各实施例的无线电能发射端均可以与现有的谐振型无线电能接收端配合使用构成无线充电系统。
本发明各实施例的电流采样元件均可以与现有的发射侧谐振电容和电能发射线圈串联构成电路模组。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种无线电能发射端，包括：
发射侧谐振电路，被配置为以无线的方式发射电能；
电流采样元件，与所述发射侧谐振电路串联；
逆变电路，被配置为向所述发射侧谐振电路输出高频交流电；
电流检测电路，与所述电流采样元件连接，被配置为获取所述发射侧谐振电路的电流的峰值；以及
发射侧控制器，被配置为控制所述逆变电路的工作状态。
2.根据权利要求1所述的无线电能发射端，其特征在于，所述发射侧谐振电路包括：
电能发射线圈；以及
发射侧谐振电容，与所述电能发射线圈串联。
3.根据权利要求1所述的无线电能发射端，其特征在于，所述电流采样元件为：
电流互感器；或者
采样电阻。
4.根据权利要求1所述的无线电能发射端，其特征在于，所述电流检测电路包括峰值检测电路。
5.根据权利要求1所述的无线电能发射端，其特征在于，所述发射侧控制器在所述发射侧谐振电路的所述电流的峰值或有效值高于预定阈值时控制所述逆变电路停止工作。
6.根据权利要求1所述的无线电能发射端，其特征在于，所述发射侧控制器被配置为根据所述电流的有效值计算所述发射侧谐振电路的功率参考值，在输入功率与所述功率参考值的差值满足预定条件时控制所述逆变电路停止工作。
7.根据权利要求6所述的无线电能发射端，其特征在于，所述电流采样元件为电流互感器，所述功率参考值根据如下公式计算：
Pin_ref＝P1+P2+P3+Pout
其中，Pin_ref为所述功率参考值；
P1为所述电能发射线圈的损耗功率，
P2为所述逆变电路的导通损耗，
P3为所述逆变电路的开关损耗，P3＝fkVinIp；以及
Pout为电能接收端反馈的所述电能发射线圈的输出功率；
其中，Ip为检测获取的所述电流的有效值，Rac为所述电能发射线圈的等效阻抗，Rdson为所述逆变电路的等效阻抗，fk为所述逆变电路开关过程的损耗系数，Vin为所述逆变电路的输入电压。
8.根据权利要求6所述的无线电能发射端，其特征在于，所述电流采样元件为采样电阻，所述功率参考值根据如下公式计算：
Pin_ref＝P1+P2+P3+P4+Pout
其中，Pin_ref为所述功率参考值；
P1为所述电能发射线圈的损耗，
P2为所述逆变电路的导通损耗，
P3为所述逆变电路的开关损耗，P3＝fkVinIp；
P4为所述采样电阻的损耗，以及
Pout为电能接收端反馈的所述电能发射线圈的输出功率；
其中，Ip为检测获取的所述电流的有效值，Rac为所述电能发射线圈的等效阻抗，Rdson为所述逆变电路的等效阻抗，fk为所述逆变电路开关过程的损耗系数，Vin为所述逆变电路的输入电压，Rsense为所述采样电阻的等效阻抗。
9.根据权利要求7或8所述的无线电能发射端，其特征在于，所述发射侧控制器被配置为检测所述电能发射电路的电压扰动或功率扰动以获得电能接收端反馈的所述电能发射线圈的输出功率。
10.一种无线充电系统，包括：
如权利要求1-9中任一项所述的无线电能发射端；以及
至少一个无线电能接收端，被配置为以无线的方式接收所述无线电能发射端发射的电能。
11.一种电路模组，包括：
电能发射线圈；
发射侧谐振电容；以及
电流采样元件，与所述电能发射线圈和所述发射侧谐振电容串联。
12.根据权利要求11所述的电路模组，其特征在于，所述电流采样元件为：
电流互感器；或者
采样电阻。
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