CN110062996A - 电力流控制器同步 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示用于无线电力传送的技术。用于在无线电力传送系统中接收电力的设备的实例包含：电力接收元件；调谐及电流倍增器电路，其可操作地耦合到所述电力接收元件；电力流控制器电路，其可操作地耦合到所述调谐及电流倍增器电路；及控制器，其可操作耦合到所述电力接收元件及所述电力流控制器电路且经配置以检测所述电力接收元件中的信号及基于所述信号使所述电力流控制器电路同步。

Description

电力流控制器同步
技术领域
本申请案大体上涉及可充电装置的无线电力充电，且更特定来说，涉及电力流控制器与接收器电压信号的同步。
背景技术
多种电及电子装置经由可再充电电池供电。此类装置包含电动车辆、移动电话、便携式音乐播放器、膝上型计算机、平板计算机、计算机外围装置、通信装置(例如，蓝牙装置)、数码相机、助听器及类似物。在历史上，可再充电装置经由有线连接通过缆线或物理地连接到电力供应器的其它类似连接器充电。最近，无线充电系统用于在自由空间中传送电力以用于对可再充电电子装置充电或将电力提供到电子装置。电力在自由空间中的传送可取决于发射单元及接收单元的定向。充电操作期间发射及接收单元的相对位置及/或谐振频率的变化可对电路组件产生应力。操作参数的这些潜在变化通常意味着电路必须过度设计以确保组件足够稳健以适应变化。此类过度稳健设计可增加单元成本，且可具有其它非所要性能特性。需要允许更具成本效应的设计以在此类动态环境中控制电力及将电力安全地传送到电子装置的无线电力传送系统及方法。
发明内容
根据本发明的用于在无线电力传送系统中接收电力的设备的实例包含：电力接收元件；调谐及电流倍增器电路，其可操作地耦合到所述电力接收元件；电力流控制器电路，其可操作地耦合到所述调谐及电流倍增器电路；及控制器，其可操作耦合到所述电力接收元件及所述电力流控制器电路且经配置以检测所述电力接收元件中的信号及基于所述信号使所述电力流控制器电路同步。
此设备的实施方案可包含以下特征的一或多者。所述控制器可经配置以基于所述信号中的负零交叉点使所述电力流控制器的频率同步。所述控制器可经配置以基于所述信号中的正零交叉点使所述电力流控制器的所述频率同步。电力输出可操作地耦合到所述电力流控制器电路。所述电力输出可为电池。所述电力接收元件中的所述信号可为所述电力接收元件中的电压信号。所述电压信号的所述频率可在80到90kHz的范围内。所述调谐及电流倍增电路可包含至少一个电容器、至少两个二极管及至少两个电感器。所述电力流控制器电路可包含可操作地耦合到所述控制器的至少一个开关，其中使所述电力流控制器同步包含基于所述信号激活所述至少一个开关。所述控制器可经配置以确定所述电力流控制器的工作循环。所述控制器可经配置以基于电力接收元件电感值确定所述工作循环。所述信号可为所述电力接收元件中的电流信号。所述电力接收元件可经由与发射器的电感耦合接收电力。
根据本发明的控制无线电力传送系统中的接收器的方法的实例包含：检测电力接收元件中的信号，使得所述信号在操作频率下；确定所述信号中的同步点；及基于所述同步点及所述操作频率激活电力流控制器。
此方法的实施方案可包含以下特征的一或多者。确定所述同步点可包含确定所述信号中的负零电压交叉点。确定所述同步点可包含确定所述信号中的正零电压交叉点。所述方法可包含：确定电力接收元件电感值；基于所述电力接收元件电感值确定电力流控制器工作循环；及至少部分基于所述电力流控制器工作循环激活所述电力流控制器。激活所述电力流控制器包含基于所述同步点及所述操作频率控制一或多个晶体管中的漏极到源极电压。所述方法可进一步包含：确定到电池的电流输出，使得所述电池经由输出滤波器可操作地耦合到所述电力流控制器；基于所述电流输出确定电力流控制器工作循环；及至少部分基于所述电力流控制器工作循环激活所述电力流控制器。所述电力流控制器工作循环可在0％与50％之间。在所述电力接收元件中检测到的所述信号可为电压或电流信号。
根据本发明的包括用于控制无线电力传送系统中的接收器的指令的非暂时性处理器可读存储媒体的实例包含：用于检测电力接收元件中的信号的代码，其中所述信号在操作频率下；用于确定所述信号中的同步点的代码；及用于基于所述同步点及所述操作频率激活电力流控制器的代码。
此非暂时性处理器可读存储媒体的实施方案可包含以下特征的一或多者。用于确定所述同步点的所述代码可包含用于确定所述信号中的负零电压交叉点的代码。用于确定所述同步点的所述代码可包含用于确定所述信号中的正零电压交叉点的代码。所述非暂时性处理器可读存储媒体可包含：用于确定电力接收元件电感值的代码；用于基于所述电力接收元件电感值确定电力流控制器工作循环的代码；及用于至少部分基于所述电力流控制器工作循环激活所述电力流控制器的代码。用于激活所述电力流控制器的所述代码可包含用于基于所述同步点及所述操作频率控制一或多个晶体管中的漏极到源极电压的代码。所述非暂时性处理器可读存储媒体可包含：用于确定到电池的电流输出的代码，使得所述电池经由输出滤波器可操作地耦合到所述电力流控制器；用于基于所述电流输出确定电力流控制器工作循环的代码；及用于至少部分基于所述电力流控制器工作循环激活所述电力流控制器的代码。所述电力流控制器工作循环可在0％与50％之间。所述信号可为电压或电流信号。
根据本发明的用于在无线电力传送系统中接收电力的设备的实例包含：电力接收构件；调谐及电流倍增器构件，其可操作地耦合到所述电力接收构件；电力流控制器构件，其可操作地耦合到所述调谐及电流倍增器构件；及控制器构件，其可操作耦合到所述电力接收构件及所述电力流控制器构件且经配置以检测所述电力接收构件中的信号及基于所述信号使所述电力流控制器构件同步。所述信号可为电压或电流信号。
本文描述的物品及/或技术可提供以下能力中的一或多者，还可提供未提及的其它能力。无线电力传送接收单元可经定位接近发射单元。可检测所述接收单元中的电压信号或电流信号。可在所述接收单元处检测所述发射单元的频率。可选择同步点(例如，正零电压交叉、负零交叉电压或其它点)。所述接收器中的电力流控制器(例如，开关模式控制器)可基于所述同步点经同步到所述发射器频率。由所述接收器中的电感器引起的纹波电流可基于所述电力流控制器的工作循环减小。所述接收器的操作稳定性可增加。较小的更有效电流倍增器可用于所述接收器中。所述发射器组件上的应力可减小。改变所述电力流控制器的工作循环可改变所述纹波电流。所述纹波电流可指示被注入到所述接收器中的谐振槽电路中的电力量。改变所述同步点可用于调谐所述接收器。改变所述工作循环可用于调整由基垫对准中的变化引起的电感变化。可提供其它能力，且并非根据本发明的每个实施方案都必须提供所论述能力的任何者，更别说提供全部所述能力。此外，可通过除所述之外的方式实现上述效果，且所提及的物品/技术可能不一定产生所述效果。
附图说明
图1是示范性无线电力传送系统的功能框图。
图2是另一无线电力传送系统的实例的功能框图。
图3是包含发射或接收元件的图2的发射电路或接收电路的部分的示意图。
图4是在接收电路上具有控制环路的示范性无线电力传送系统的图。
图5是无线电力传送系统中的实例接收器的示意图。
图6是实例电流倍增器级的简化示意图。
图7A是仅具有一个电感器的实例电路的简化示意图。
图7B是车辆垫的电压图形。
图8A及8B是流过图7A的电路的电流实例。
图9是DC电感器中的电流纹波图形。
图10是电力流操作的实例的图形。
图11A及11B是具有正零电压交叉点同步的简化示意图。
图12A及12B是具有负零电压交叉点同步的简化示意图。
图13A是正零电压交叉点同步的模拟波形图形。
图13B是负零电压交叉点同步的模拟波形图形。
图14A及14B是同步及不同步情况下的输出及电感器电流的图形。
图15是用于控制无线电力传送系统中的接收器的过程的流程图。
具体实施方式
本文论述使用谐振电路的无线电力传送的技术。无线电力传送可指代从发射器传送与电场、磁场、电磁场或其它相关联的任何形式的能量到接收器而无需将发射器附接到及连接到接收器以递送电力的物理电导体(例如，电力可通过自由空间传送)。输出到无线场(例如，磁场或电磁场)的电力可由电力接收元件接收、捕获或耦合到电力接收元件以实现电力传送。发射器通过发射器与接收器的无线耦合将电力传送到接收器。在实例中，发射器及接收器用于无线电动车辆充电(WEVC)系统中。电动车辆在本文用于描述远程系统，其实例是包含源自可充电能量存储装置(例如，一或多个可再充电电化学电池或其它类型的电池)的电力作为其运转能力的部分的车辆。作为非限制性实例，一些电动车辆可为混合电动车辆，其包含(除了电动机外)用于直接运转或对车辆的电池充电的传统内燃机。其它电动车辆可从电力汲取所有运转能力。电动车辆不限于汽车且可包含摩托车、手推车、小型摩托车及类似物。通过实例且无限制，本文描述呈电动车辆(EV)形式的远程系统。此外，还预期可至少部分使用可充电能量存储装置供电的其它远程系统(例如，电子装置，例如个人计算装置及类似物)。
可能需要无线电力传送系统处置若干操作参数在充电操作期间的变化。在具有无源次级侧接收器的并联调谐电路中，操作参数变化通常由基侧逆变器(即，发射器)处置。发射器中的无源电子器件还可能受可在接收线圈中导致额外损失的电池电压变化影响。这些参数变化可添加发射器必须处置的更多变化，这可增加对发射器组件(例如，逆变器)的应力。在一些操作点中，操作参数的不利组合可对逆变器组件造成相当大的应力且显著降低系统效率。
具有电力流控制器同步的接收器可用于通过修复由接收器所见的电池电压变化减少操作参数的变化。电力流控制器同步可消除对在接收器中对部分串联电路的需要，且可减小对应失调效应。一般来说，电力流控制器同步可通过允许发射器逆变器在更有利(例如，应力较小)条件下操作来提高无线电力传送系统整体平均效率。
图1是无线电力传送系统100的实例的功能框图。输入电力102可从电源(在此图中未展示)提供到发射器104以生成无线(例如，磁或电磁)场105以执行能量传送。接收器108可耦合到无线场105且生成输出电力110以由经耦合以接收输出电力110的装置(在此图中未展示)存储或消耗。发射器104及接收器108分离达非零距离112。发射器104包含经配置以发射/耦合能量到接收器108的电力发射元件114。接收器108包含经配置以接收或捕获/耦合从发射器104发射的电力接收元件118。
发射器104及接收器108可根据互相谐振关系配置。当接收器108的谐振频率及发射器104的谐振频率基本上相同时，相较于谐振频率并非基本上相同，发射器104与接收器108之间的发射损耗减小。因而，当谐振频率基本上相同时，可跨较大距离提供无线电力传送。谐振电感耦合技术允许经改进效率及跨各种距离且具有多种电感电力发射及接收元件配置的电力传送。
无线场105可对应于发射器104的近场。近场对应于其中存在由电力发射元件114中的电流及电荷引起的不会远离电力发射元件114显著辐射电力的强反应场的区域。近场可对应于高达电力发射元件114的约一个波长的区域。有效能量传送可通过将无线场105中的能量的大部分耦合到电力接收元件118发生，而非在电磁波中将大部分能量传播到远场。
发射器104可在对应于电力发射元件114的谐振频率的频率下输出时变磁(或电磁)场。当接收器108在无线场105内时，时变磁(或电磁)场可在电力接收元件118中感应出电流。如上文描述，在电力接收元件118经配置为在电力发射元件114的频率下谐振的谐振电路的情况下，可有效地传送能量。电力接收元件118中感应出的交流(AC)信号可经整流以产生直流(DC)信号，其可经提供以对能量存储装置(例如，电池)充电或对负载供电。
图2是无线电力传送系统200的实例的功能框图。系统200可包含发射器204及接收器208。发射器204经配置以将电力提供到电力发射元件214，电力发射元件214经配置以无线地将电力发射到电力接收元件218，电力接收元件218经配置以从电力发射元件214接收电力且将电力提供到接收器208。尽管其名称为无源元件，但电力发射元件214及电力发射元件218可发射及接收电力及通信。
发射器204包含电力发射元件214、包含振荡器222、驱动器电路224及前端电路226的发射电路206。电力发射元件214展示为在发射器204外以有助于说明使用电力发射元件218的无线电力传送。振荡器222可经配置以在可响应于频率控制信号223调整的所要频率下生成振荡器信号。振荡器222可将振荡器信号提供到驱动器电路224。驱动器电路224可经配置以基于输入电压信号(VD)225以例如电力发射元件214的谐振频率驱动电力发射元件214。驱动器电路224可为开关放大器，其经配置以从振荡器222接收方波且输出正弦波。
前端电路226可包含滤波器电路，其经配置以滤除谐波或其它非所要频率。前端电路226可包含匹配电路，其经配置以将发射器204的阻抗匹配到电力发射元件214的阻抗。如下文将更详细解释，前端电路226可包含调谐电路以创建与电力发射元件214的谐振电路。由于驱动电力发射元件214，电力发射元件214可生成无线场205以在足够用于对电池236充电或对负载供电的电平性无线地输出电力。
发射器204进一步包含控制器240，其可操作地耦合到发射电路206且经配置以控制发射电路206的一或多个方面，或完成与管理电力传送相关的其它操作。控制器240可可操作地直接或间接地连接到发射电路206中的每一组件。控制器240可进一步经配置以从发射电路206的组件中的每一者接收信息且基于接收到的信息执行计算。控制器240可经配置以为组件中的每一者生成可调整所述组件的操作的控制信号(例如，信号223)。因而，控制器240可经配置以基于由控制器240执行的操作的结果调整或管理电力传送。发射器204可进一步包含经配置以存储数据的存储器(未展示)，举例来说，例如用于导致控制器240执行例如与无线电力传送的管理有关的特定功能的指令。
接收器208包含电力接收元件218及包含前端电路232及整流器电路234的接收电路210。电力接收元件218展示为在接收器208外以有助于说明使用电力接收元件218的无线电力传送。前端电路232可包含匹配电路，其经配置以将接收电路210的阻抗匹配到电力接收元件218的阻抗。如下文将解释，前端电路232可进一步包含调谐电路及电流倍增器以创建与电力接收元件218的谐振电路。整流器电路234可从AC电力输入生成DC电力输出以给电池236充电，如图3中展示。整流器电路234可包含交错电力流控制器(例如，开关模式控制器)，其具有经配置以控制到电池236的电力的一或多个半导体开关。接收器208及发射器204可另外在单独通信通道219(例如，蓝牙、紫峰、蜂窝等)上通信。替代地，接收器208及发射器204可经由带内信令使用无线场205的特性交替地通信。
接收器208可经配置以确定由发射器204发射及由接收器208接收的电力量是否适于给电池236充电。发射器204可经配置以生成主要为非辐射的场，其具有用于提供能量传送的直接场耦合系数(k)。接收器208可直接耦合到无线场205且生成输出电力以用于由耦合到输出或接收电路210的电池(或负载)236存储或消耗。在此实例中，产生的输出电力与前端232中的谐振电路相关联，这是因为谐振电路的调谐将影响产生的输出电力量。
接收器208进一步包含控制器250，控制器250可类似于上文所描述的发射控制器240那样配置以用于管理无线电力接收器208的一或多个方面。接收器208可进一步包含经配置以存储数据的存储器(未展示)，例如用于致使控制器250执行例如与无线电力传送的管理有关的特定功能的指令。
如上文论述，发射器204及接收器208可分离开一定距离且可根据互相谐振关系配置以试图最小化发射器204与接收器208之间的传输损耗。
图3是图2的发射电路206或接收电路210的部分的实例的示意图。虽然在图3中展示线圈，且因此展示电感系统，但可使用其它类型的系统，例如用于耦合电力的电容系统，其中线圈用适当电力传送(例如，发射及/或接收)元件取代。如图3中说明，发射或接收电路350包含电力发射或接收元件352及调谐电路360。电力发射或接收元件352也可称为或经配置作为天线，例如“环形”天线。术语“天线”通常是指可无线地输出能量以由另一天线接收且可从另一天线接收无线能量的组件。电力发射或接收元件352在本文也可称为或经配置作为“磁”天线，例如电感线圈(如展示)、谐振器或谐振器的部分。电力发射或接收元件352还可称为经配置以无线地输出或接收电力的一种类型的线圈或谐振器。如本文使用，电力发射或接收元件352是经配置以无线地输出及/或接收电力的一种类型的“电力传送组件”的实例。电力发射或接收元件352可包含空气芯或物理芯，例如铁氧体芯(未展示)。
当电力发射或接收元件352经配置作为与调谐电路360的谐振电路或谐振器时，电力发射或接收元件352的谐振频率可为基于电感及电容。电感可仅为由形成电力发射或接收元件352的线圈及/或其它电感器产生的电感。电容(例如，电容器)可由调谐电路360提供以在所要谐振频率下创建谐振结构。作为非限制性实例，调谐电路360可包括电容器354及电容器356，其可被添加到发射或接收电路350以创建谐振电路。
调谐电路360可包含其它组件以与电力发射或接收元件352形成谐振电路。作为另一非限制性实例，调谐电路360可包含并联放置在电路350的两个端子之间的电容器(未展示)。其它设计也是可能的。举例来说，前端电路226中的调谐电路可具有与前端电路232中的调谐电路相同的设计(例如，360)。替代地，前端电路226可使用与前端电路232中不同的调谐电路设计。
对于电力发射元件，具有基本上对应于电力发射或接收元件352的谐振频率的频率的信号358可输入到电力发射或接收元件352。对于电力接收元件，具有基本上对应于电力发射或接收元件352的谐振频率的频率的信号358可从电力发射或接收元件352输出。尽管本文揭示的方面可通常涉及谐振无线电力传送，但所属领域的一般技术人员将了解，本文揭示的方面可用于无线电力传送的非谐振实施方案中。
参考图4，展示在接收电路上具有控制环路的示范性无线电力传送系统400的图。系统400包含发射器402及具有控制电路408的谐振网络404。发射器402经配置以输出时变场405(例如，磁或电磁)，例如针对发射元件214描述。谐振网络404经配置以提供输出406。谐振网络404可为前端232的部分，且输出406可接收与谐振网络404的调谐相关联的AC信号。输出406可例如进一步经整流以用于电力应用(例如，电池充电)中，或用于阻抗匹配装置(例如，通信系统中的天线匹配)中。控制电路408可为控制器250的部分，且可操作地耦合到输出406及谐振网络404。谐振网络404包括具有一或多个无功元件及电流倍增器的谐振电路。在充电配置中，谐振网络可包含具有一或多个开关半导体(例如，晶体管)的交错电力流控制器。控制电路408可经配置以基于输出406处的电压/电流改变电力流控制器的工作循环。控制电路408可操作地耦合到电力流控制器且经配置以改变晶体管的状态(例如，工作循环)。举例来说，控制电路408可检测输出406上的反馈参数(例如，电流、电压、驻波比或其它参数)，基于反馈信号生成控制信号及将控制信号提供到电力流控制器(或其它相关元件)以改变提供到输出406的电力。
参考图5，展示无线电力传送系统中的实例接收器500的示意图。为了更有效地解释电力流控制器同步的方面，实例接收器500涉及无线电动车辆充电(WEVC)。举例来说，接收器500可为集成在车辆上以用于无线地从发射器接收电力的车辆垫(例如，次级侧单元)或为车辆垫的部分，发射器可为在行驶表面上或埋藏在行驶表面上的基垫(例如，初级侧单元)。电力流控制器同步还可用于其它应用及装置中，例如移动电话、便携式音乐播放器、膝上型计算机、平板计算机、计算机外围装置、通信装置(例如，蓝牙装置)、数码相机、助听器及类似物。接收器500说明电感电力传送系统次级侧的四个主要级，其包含：车辆垫电路502、调谐及电流倍增器电路504、交错电力流控制器(升压)级506及输出滤波器508。车辆垫电路502包含车辆垫线圈VP。调谐及电流倍增器电路504包含并联调谐电容器C1、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感器L1及第二电感器L2。交错电力流控制器级506可为开关模式控制器的部分且包含第一晶体管装置MN1、第二晶体管装置MN2、第三二极管D3及第四二极管D4。在实例中，第一晶体管MN1及第二晶体管MN2是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其经配置以经由相应控制信号(例如，ctrl 1、ctrl 2)独立地断开或闭合。MOSFET装置的使用仅是示范性的且无限制，因为可使用其它开关结构。输出滤波器508包含滤波器电容器C3及滤波器电感器L3。接收器500可可操作地耦合到电池B1。接收器500中的组件的规格将基于应用及预期电力电平改变。在车辆充电应用中，跨车辆垫的电压(VVP)可在从500到800V的范围内。第一二极管D1及第二二极管D2可额定为1200V，且第三二极管D3及第四二极管D4可额定为650V，且MOSFET MN1、MN2可额定为650V。输出Vbat可在300到400V的范围内。
参考图6，在进一步参考图5的情况下，展示实例电流倍增器级600的示意图。电流倍增器级600是接收器500的简化版本(即，无交错电力流控制器级506及输出滤波器508)。电流倍增器级600经提供以有助于解释电流倍增器。电流倍增器级600可进一步经简化以包含仅一个电感器L1，如图7A中展示。
参考图7A，展示具有仅一个电感器的电路700的实例的示意图。本文对电路700的描述对电流倍增器级600(例如，包含两个电感器L1、L2)同样有效，其中差异为存在反向极性的VP电压。流到电池B1中的输出电流是两个电感器电流(例如，IL1、IL2)的和，这是接收器500的此区段为何称为“电流倍增器”拓扑的原因。参考图7B，展示车辆垫(VP)中的电压图形。所述图形包含电压轴720、时间(t)轴722及VP电压值724。所述图形还包含电池电压(VBat)线726、正零电压交叉(ZVC)点730及负ZVC点732。从T＝0到T＝Ts/2的操作周期分成三个间隔。在第一间隔728a期间，VP电压大于电池电压(VBat＜VVP)。在第二间隔728b及第三间隔728c期间，电池电压大于VP电压(VBat＞VVP)。在第一间隔728a期间，谐振槽(例如，电感器VP及电容器C1)用作能量源。电感器L1被暴露到VP电压(正半周期)与电池电压之间的差(VVP-VBat)。能量被存储在电感器L1中(即，电感器中的电流增加)。在第二间隔期间(例如，VBat大于VVP)，电感器L1使用其所存储的能量且用作能量源。跨电感器L1的电压等于-VBat。
参考图8A及8B，在进一步参考图5的情况下，展示流过电路700的电流实例。图8A展示在VVP>0(即，0<t<Ts/2)时流过电路700的电流。图8B展示在VVP<0(即，Ts/2<t<Ts)时流过电路700的电流。在VVP>0(即，0<t<Ts/2)时的间隔期间，电感器存储并供应能量。图8A及8B展示跨第一二极管D1或第二二极管D2中的一者但仅在一半周期期间的完整的电池电流。如果安装了第三二极管D3及第四二极管D4(例如，图5中所展示的完整电路，无开关)，一半电池电流在完整的操作周期期间会交叉。在电流倍增器级600的情况下，如图6中展示，电感器L1、L2应具有类似值以维持电路的对称性。只要电感器值不是无限大，除了DC负载电流之外，其还载送AC纹波电流，这是由于使用能量的充电及放电。在图9中展示电感器AC纹波电流的实例。在图9中，DC电感器中的电流纹波图形包含时间轴902、电流轴904及第一纹波电流906a(例如，与第一电感器L1相关联)及第二纹波电流906b(例如，与第二电感器L2相关联)。纹波电流906a到b移位180°使得当其在输出处被组合在一起时，到电池B1的所得纹波显著减小。因此，对于WEVC应用，只要考虑了标准80到90kHz滤波，输出滤波器508就可经设计得非常小。另外，第一电感器L1及第二电感器L2中的每一者在不同的半周期中加载谐振电路。操作频率(例如，80到90kHz)下的AC纹波可为此类接收器的重要耗损驱动因素。AC电流还将阻抗反射回到谐振槽中，这可导致槽谐振失调。
在实例中，交错电力流控制器级506从电路图角度看起来是升压转换器，然而，在功能上其更类似于降压转换器。交错电力流控制器级506的功能是通过调整开关MN1、MN2的工作循环在输出电压(即，VBAT)改变时固定输入电压(即，VVP)。交错电力流控制器级506及控制电路408可为开关模式控制器，其经配置以控制从谐振槽流到电池B1的电力。交错电力流控制器级506耦合到电流倍增器电路504，如图5中展示。交错电力流控制器级506中的每一晶体管(例如，开关)MN1、MN2对电流倍增器电感器L1、L2的一者的电流起作用。两个开关MN1、MN2的控制信号(即，ctrl 1、ctrl 2)是交错的(例如，相移180度)。与电流倍增器电路504组合，两个开关MN1、MN2中的每一者在一半电池电流(例如，输出电流)下操作。晶体管开关MN1、MN2的切换经同步(例如，对准)到VP电压以便获得经改进电力流。
参考图10，展示电力流级操作的实例的图形1000。图形1000包含时间轴1002、电压轴1004、VP电压信号1006、第一漏极到源极电压1008a及第二漏极到源极电压1008b。图形1000展示两个开关MN1、MN2的VP电压信号1006(例如，VVP)及漏极到源极电压1008a到b(例如，第一漏极到源极电压1008a是ctrl 1，且第二漏极到源极电压1008b是ctrl 2)。开关MN1、MN2的开关可在原则上经同步到VP电压信号1006波形上的任何点。虽然在VP电压信号的上下文中论述开关MN1、MN2的同步，但所述同步可为基于VP中的对应电流信号。如将论述，开关同步点(例如，与VVP相关)影响通过DC电感器(例如，L1、L2)的纹波电流，这是由于电流倍增器电感器被暴露到的电压的变化。在图7B中将两个主要同步点描绘为正零电压交叉(ZVC)点730及负零电压交叉(ZVC)点732。也就是说，电压从负值交叉到正值的点(图7B中的Ts)称为正ZVC。电压从正值交叉到负值的点(图7B中的Ts/2)称为负ZVC。MN1、MN2的切换频率以此方式同步使得开关在ZVC点中关断且在时刻ZVC点-D中接通，其中D是工作循环。此意味着如果开关经同步到正ZVC，开关就在VP电压的负半波形期间发生(如果D<50％)。此外，如果开关经同步到负ZVC，开关就在VP电压的正半波形期间发生(如果D<50％)。如果MN1、MN2经同步使得开关在ZVC点中接通且在时刻ZVC点-D中关断，那么同样内容将适用。
参考图11A及11B，展示具有正零电压交叉点同步的电路的简化示意图。为了帮助解释流过系统的电流，图11A及11B中的电路图通过隐藏一个电流倍增器电感器(例如，L2)及相关半导体(例如，MN2、D4)来简化。接下来的所有论述对其它电感器及相关电路有效，其中唯一差异是存在相反极性的VP电压。流到电池中的输出电流是两个电感器电流的和。在实例中，操作周期以第一开关MN1关断且VP电压上升到正值(例如，正ZVC点730)开始。第一间隔从t＝0持续直到t＝Ts/2(参见图7B)。在此间隔期间，电流类似于图8A中展示那样流动(例如，无开关MN1)，这是因为第一开关MN1在整个间隔期间断开。如图7B中指示，此间隔可被细分成第一、第二及第三间隔728a、728b、728c。在第一间隔728a及第三间隔728c期间，VVP＜VBat且递送到输出的能量是由DC电感器L1供应的能量(例如，电感器电流减小)与谐振电路(例如，VP及C1)供应的能量的组合。在第二间隔728b期间，电感器以由VP电压与电池电压之间的电压差VVP-VBat界定的速率存储L1能量(电感器电流增加)。第一开关MN1是断开的以开始VP电压的负半周期(例如，Ts/2-Ts)。在图11A中展示主要电流流动。DC电感器L1中先前存储的能量用于供应负载。只要开关MN1接通，电感器电流的续流便开始(即，电感器中存储的能量产生电流)。在图11B中展示在此间隔期间的电流流动。如果忽略组件损耗，那么DC电感器电流保持恒定。续流间隔在开关MN1关断时结束。此动作还开始下一周期。电感器电流纹波在同步到正ZVC的情况下强烈取决于开关工作循环D。这主要是由于存在电感器电流在其期间不改变的续流间隔。因为其它间隔期间的电流变化率不取决于工作循环，所以整体电流纹波与工作循环成反比。
参考图12A及12B，展示具有负零电压交叉点同步的电路的简化示意图。为了帮助解释流过系统的电流，图12A及12B中的电路图通过隐藏一个电流倍增器电感器(例如，L2)及相关半导体(例如，MN2、D4)来简化。接下来的所有论述对其它电感器及相关电路有效，其中唯一差异是存在相反极性的VP电压。当第一开关MN1在VP电压的正半周期期间(即，当VVP＜VBat时)接通时，必须考虑的间隔数目显著增加。此增加复杂性且为理解系统的实际操作提供了很少的附加值。从实际观点，工作循环从零变为大约0.3到0.4。这意味着开关MN1在Ts/2-t1与Ts/2之间的间隔中不接通。与负ZVC点732同步操作时不会发生续流。因此，电流流径及因此负ZVC的电流纹波基本上不同于同步到负ZVC点的操作。举例来说，在此情况中，操作周期以VP电压上升到正值开始。然而，在此情况中，开关MN1在整个前一周期期间处于其断开状态。第一间隔从t＝0持续直到开关MN1接通。在此间隔期间，电流流动类似于图8A中所展示的电流流动。此间隔可细分成两个子间隔。在第一子间隔期间，VVP<VBat且递送到输出的能量是由DC电感器L1供应的能量(例如，电感器电流减小)与谐振电路(例如，VP及C1)供应的能量的组合。在第二子间隔期间，电感器以由VP电压与电池电压之间的电压差VVP-VBat界定的速率存储能量(例如，电感器电流增加)。两个子间隔期间的电流流动与图8A中所展示的类似。只要开关MN1接通，第二间隔就开始。电感器L1继续存储能量。然而，此发生的速率(即，电流增加速率)由于电感器L1被暴露到全VP电压VVP而不仅仅是VP电压与电池电压之间的差VVP-VBat(如同其在前一间隔期间那样)而增加。在图12A中展示在此间隔中的电流流动。开关MN1在负ZVC点732处断开。在图12B中展示VP电压的整个负周期期间的电流流动。电感器L1在此整个间隔期间将其能量供应到输出且因此其电流减小。当下一操作周期开始时，此间隔以正ZVC点730结束。
参考图13A，展示正零电压交叉点同步的模拟波形图形。所述图形包含工作循环波形1302a、电池电压值1304a、VP电压值1306a及DC电感器电流值1308a。工作循环波形1302a指示开关MN1的不同工作循环。举例来说，工作循环的值(D)包含0％、10％、20％、30％、40％及49％。电池电压值1304a在整个循环内保持相对恒定。0％工作循环与VP电压值1306a中的正ZVC对准。DC电感器电流纹波值1308a在正ZVC同步的情况下取决于开关工作循环D。这主要是由于存在电感器电流在其期间不改变的续流间隔。因为其它间隔期间的电流变化率不取决于工作循环，所以整体电流纹波与工作循环成反比。举例来说，VP电压值1306a及DC电感器电流值1308a中的每一线对应于工作循环值。工作循环值越高，DC电感器电流值1308a越小。图形呈现恒定电力输出及电池电压。
参考图13B，展示负零电压交叉点同步的模拟波形图形。所述图形包含工作循环波形1302b、电池电压值1304b、VP电压值1306b及DC电感器电流值1308b。工作循环波形1302b指示开关MN1的不同工作循环。举例来说，工作循环的值(D)包含0％、10％、20％、30％及40％。电池电压值1304b在整个循环内保持相对恒定。0％工作循环与VP电压值1306b中的负ZVC对准。与正ZVC同步相比，负ZVC同步中的电流纹波保持基本上恒定。也就是说，如图13B中指示，DC电感器电流值1308b针对每一工作循环值保持近似相同。此结果指示电感器损耗，注入到谐振槽中的无功电力及相关失调以及输出电流纹波独立于工作循环D。而且，全部参数保持接近特定电池电压的最大值。
参考图14A及14B，展示同步及不同步情况下的输出及电感器电流的图形。所述图形包含时间轴1402及电流轴(Amps)1404。图14A说明当晶体管开关MN1、MN2被同步到VP电压(即，跨车辆垫线圈的电压VP(图5中的VVP))时接收器500的操作，且图14B说明当晶体管开关MN1、MN2并未同步到VP电压时的实例。两个图形都描绘31amps附近(例如，+/-1amp)的近似恒定的输出值1406a、1406b。在图14A中的经同步系统中，第一电感器电流值1408a及第二电感器电流值1410a指示近似恒定的电流纹波4A峰值到峰值及近似电感器电流值21A。相比之下，图14B中描绘的不同步情况下的图形指示电感器电流纹波从大约3.5A变为8A峰值到峰值，且通过电感器的电流增加到大约30A(即，相较于经同步电路，增加超过9amp)。图形14B中的电感器电流变化水平(1408b、1410b)是次优的且可导致不稳定的操作。此外，较高的电感器电流还可能需要使用较大的电感器或较大的半导体来处置此不同操作条件。
参考图15，展示用于控制无线电力传送系统中的接收器的过程1500的实例。然而，过程1500仅是实例且不具限制性。过程1500可例如通过添加、移除、重新布置、组合、同时执行阶段及/或将单个阶段分成多个阶段来更改。对所展示及描述的过程1500的其它更改也是可能的。
在阶段1502处，控制器250检测电力接收元件218中的信号，其中所述信号在操作频率下。所述信号可为电压或对应电流信号。在WECV实例中，操作频率可为大约85kHz(例如，+/-5kHz)。其它应用，例如医疗装置，可具有其它操作频率，例如6.2MHz、16MHz等。精确频率仅是实例，因为过程1500预期具有各种操作频率的发射系统，例如在发射器超出校准范围时。一般来说，无线电力传送系统必须对发射器变化、对准及电池电压变化以及可能影响接收器的调谐的其它组件公差做出反应。在WEVC实例中，参考图7A及7B，接收元件是车辆垫VP且信号是VP电压值724(或对应电流值)。
在阶段1504处，控制器250确定信号中的同步点(例如，接收线圈处的电压波形)。在理论上，同步点可处于信号中的任何点。在操作中，通常较易于确定正或负ZVC点。在WEVC实例中，信号是VP电压值724，且正ZVC点730及负ZVC点732可用作同步点。对同步点的选择将影响接收器500中的电感器电流纹波。举例来说，如图13A中描绘，正ZVC可显著减小较高工作循环处的纹波电流。在实施例中，同步点与对纹波电流的影响之间的相关性可用于调谐接收器500。举例来说，因为不同同步点导致不同电流纹波，且无功电力中的对应差异被注入到谐振槽中，所以可将无功电力注入控制在可用于有源系统调谐的某些限制内。在任一情况中，对同步点及与信号的后续同步的选择改进接收器500的稳定性且可减小对发射器(例如，对逆变器)的应力。
在阶段1506处，控制器250基于同步点及操作频率激活电力流控制器级506。在WEVC实例中，电力流控制器级506中的开关MN1、MN2可经配置以在电力传送的操作频率(例如，如在车辆垫处接收到)下切换。参考图13A及13B，展示正ZVC及负ZVC的实例。相应工作循环波形1302a到b中的0％点指示每一实例的ZVC。此0％点保持与信号(例如，相应VP电压值1306a到b)同步。接着，工作循环波形1302a到b中的脉冲可基于工作循环从0％点扩展。控制器250可经配置以在阶段1502处检测信号且视情况修改同步。
在实例中，电力流控制器还可经配置以基于电力接收元件中的电感值调整工作循环。在实例中，电力接收元件的电感值可基于车辆垫与基垫之间的对准变化。此电感变化可导致调谐及电流倍增器电路504失调。所述调谐可通过增加电力流控制器中的工作循环改进。控制器可检测电感变化(例如，通过比较L1中的电压与电流相位)，且接着增加或减少开关工作循环直到电压及电流测量近似同相(例如，+/-10％)。
其它实例及实施方案在本发明及所附权利要求书的范围及精神内。举例来说，由于软件及计算机的性质，上文描述的功能可使用由处理器、硬件、固件、硬写或这些内容的任何者的组合执行的软件实施。实施功能的特征也可物理地定位在各个位置处，包含经分布使得功能的部分在不同物理位置处实施。
而且，如本文使用，后接“…中的至少一者”或后接“…中的一或多者”的项目列表中所使用的“或”指示包含性列表，使得例如“A、B或C中的至少一者”的列表或“A、B或C中的一或多者”的列表意指A或B或C或AB或AC或BC或ABC(即，A及B及C)，或与一个以上特征的组合(例如，AA、AAB、ABBC等)。
除非另外陈述，否则如本文使用，功能或操作是“基于”项或条件的陈述意味着功能或操作是基于所述项或条件，或可为基于除了所述项或条件之外的一或多个项及/或条件。
此外，“向”实体发送或发射信息或发送或发射信息的陈述的指示不需要完成通信。此类指示或陈述包含其中信息从发送实体传送但未到达信息的预期接收者的情况。即使实际上未接收到信息，预期接收者仍可称为接收实体，例如接收执行环境。此外，经配置以“向”预期接收者发送或发射信息的实体不需要经配置以完成向预期接收者递送信息。举例来说，实体可向能够转发信息以及预期接收者的指示的另一实体提供信息及预期接收者的指示。
可根据特定要求作出实质变化。举例来说，也可使用定制硬件，及/或特定元件可实施于硬件、软件(包含便携式软件，例如小程序等)或两者中。此外，可采用到其它计算装置(例如网络输入/输出装置)的连接。
如本文使用，术语“机器可读媒体”及“计算机可读媒体”是指参与提供导致机器以特定方式操作的数据的任何媒体。使用计算机系统，各种计算机可读媒体可涉及将指令/代码提供到处理器以供执行及/或可用于存储及/或载送此类指令/代码(例如，作为信号)。在许多实施方案中，计算机可读媒体是物理及/或有形存储媒体。此媒体可采用许多形式，包含(但不限于)非易失性媒体及易失性媒体。非易失性媒体包含例如光盘及/或磁盘。易失性媒体包含(无限制)动态存储器。
常见形式的物理及/或有形计算机可读媒体包含例如软盘、软磁盘、硬盘、磁带或任何其它磁性媒体、CD-ROM、任何其它光学媒体、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其它物理媒体、RAM、PROM、EPROM、快闪-EPROM、任何其它存储器芯片或匣、下文所描述的载波或计算机可从其读取指令及/或代码的任何其它媒体。
各种形式的计算机可读媒体可涉及将一或多个指令的一或多个序列载送到一或多个处理器以供执行。仅通过实例，指令可最初被携载于远程计算机的磁盘及/或光盘上。远程计算机可将指令装载到其动态存储器中且经由发射媒体发送指令作为信号以由计算机系统接收及/或执行。
上文论述的方法、系统及装置是实例。各种配置可视情况省略、替代或添加各种程序或组件。例如，在替代配置中，方法可按不同于描述的顺序执行，且可添加、省略或组合各种步骤。而且，关于某些配置描述的特征可组合于各种其它配置中。配置的不同方面及元素可以类似方式组合。而且，技术发展且因此，许多元件是实例且不限制本发明或权利要求书的范围。
在描述中给出特定细节以提供实例配置的透彻理解(包含实施方案)。然而，可在没有这些具体细节的情况下实践配置。举例来说，可在无不必要的细节的情况下展示众所周知的电路、过程、算法、结构及技术，以避免模糊配置。此描述仅提供实例配置，且不限制权利要求书的范围、适用性或配置。配置的前述描述提供用于实施所描述技术的描述。在不背离本发明的精神或范围的情况下，可对元件的功能及布置进行各种改变。
而且，配置可被描述为过程，其被描绘为流程图或框图。尽管每一者可将操作描述为顺序过程，但许多操作可并行或同时执行。另外，可重新布置操作的顺序。过程可具有图中未包含的额外阶段或功能。此外，方法的实例可由硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合实施。当实施于软件、固件、中间件或微代码中时，执行任务的程序代码或代码片段可存储于非暂时性计算机可读媒体中，例如存储媒体。处理器可执行所描述的任务。
图中展示及/或本文论述为与彼此连接或通信的组件、功能或其它通信地耦合。也就是说，其可直接或间接连接以实现其之间的通信。
描述了若干实例配置，可在不背离本发明的精神的情况下使用各种修改、替代构造及等效物。举例来说，上述元件可为较大系统的组件，其中其它规则可优先于或以其它方式修改本发明的应用。而且，可在考虑上述元件之前、期间或之后进行许多操作。因此，以上描述不限制权利要求书的范围。
此外，可揭示一个以上发明。

Claims (30)

1.一种用于在无线电力传送系统中接收电力的设备，其包括：
电力接收元件；
调谐及电流倍增器电路，其可操作地耦合到所述电力接收元件；
电力流控制器电路，其可操作地耦合到所述调谐及电流倍增器电路；及
控制器，其可操作耦合到所述电力接收元件及所述电力流控制器电路且经配置以检测所述电力接收元件中的信号及基于所述信号使所述电力流控制器电路同步。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器经配置以基于所述信号中的负零交叉点使所述电力流控制器电路同步。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器经配置以基于所述信号中的正零交叉点使所述电力流控制器电路同步。
4.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括可操作地耦合到所述电力流控制器电路的电力输出。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述电力输出包含电池。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述电力接收元件中的所述信号是所述电力接收元件中的电压信号。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述电压信号的频率是在80到90kHz的范围内。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述调谐及电流倍增器电路包含至少一个电容器、至少两个二极管及至少两个电感器。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述电力流控制器电路包含可操作地耦合到所述控制器的至少一个开关，其中使所述电力流控制器电路同步包含基于所述信号激活所述至少一个开关。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器经配置以确定所述电力流控制器电路的工作循环。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述工作循环是基于所述调谐及电流倍增器电路中的电感器电流值。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述信号是所述电力接收元件中的电流信号。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述电力接收元件经由与发射器的电感耦合接收电力。
14.一种控制无线电力传送系统中的接收器的方法，其包括：
检测电力接收元件中的信号，其中所述信号是在操作频率下；
确定所述信号中的同步点；及
基于所述同步点及所述操作频率激活电力流控制器。
15.根据权利要求14所述的方法，其中确定所述同步点包含确定所述信号中的负零电压交叉点。
16.根据权利要求14所述的方法，其中确定所述同步点包含确定所述信号中的正零电压交叉点。
17.根据权利要求14所述的方法，其中激活所述电力流控制器包含基于所述同步点及所述操作频率控制一或多个开关。
18.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：
确定电力接收元件电感值；
基于所述电力接收元件电感值确定电力流控制器工作循环；及
至少部分基于所述电力流控制器工作循环激活所述电力流控制器。
19.根据权利要求14所述的方法，其中激活所述电力流控制器包含基于所述同步点及所述操作频率控制一或多个晶体管中的漏极到源极电压。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述信号是所述电力接收元件中的电压信号。
21.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：
确定到电池的电流输出，其中所述电池经由输出滤波器可操作地耦合到所述电力流控制器；
基于所述电流输出确定电力流控制器工作循环；及
至少部分基于所述电力流控制器工作循环激活所述电力流控制器。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述电力流控制器工作循环是在0％与50％之间。
23.一种包括用于控制无线电力传送中的接收器的指令的非暂时性处理器可读存储媒体，其包括：
用于检测电力接收元件中的信号的代码，其中所述信号是在操作频率下；
用于确定所述信号中的同步点的代码；及
用于基于所述同步点及所述操作频率激活电力流控制器的代码。
24.一种用于在无线电力传送中接收电力的设备，其包括：
电力接收构件；
调谐及电流倍增器构件，其可操作地耦合到所述电力接收构件；
电力流控制器构件，其可操作地耦合到所述调谐及电流倍增器构件；及
控制器构件，其可操作耦合到所述电力接收构件及所述电力流控制器构件且经配置以检测所述电力接收构件中的信号及基于所述信号使所述电力流控制器构件同步。
25.根据权利要求24所述的设备，其中所述控制器构件经配置以基于所述信号中的负零交叉点使所述电力流控制器构件同步。
26.根据权利要求24所述的设备，其中所述控制器构件经配置以基于所述信号中的正零交叉点使所述电力流控制器构件同步。
27.根据权利要求24所述的设备，其中所述控制器构件经配置以确定所述电力流控制器构件的工作循环。
28.根据权利要求27所述的设备，其中所述控制器构件经配置以基于所述电力接收构件的电感值确定所述工作循环。
29.根据权利要求24所述的设备，其进一步包括可操作地耦合到所述电力流控制器构件的电力输出构件。
30.根据权利要求24所述的设备，其中所述信号是电流信号。
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