CN110651411A - 一种充电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于控制充电装置(10)以及将能量传递到电感耦合的家用电器(20)的负载的相应的充电装置(10)，所述充电装置(10)的电路包括：‑振荡器电路(1)，所述振荡器电路至少具有一个输出功率线圈元件(2，L1)和一个电容器元件(C1，C2)；‑电源；‑功率开关元件(7，T1)，所述功率开关元件为所述振荡器电路供电；‑传感器元件(6)，所述传感器元件用于确定表示所述振荡器电路(1)的电感的电信号值；‑微处理器(4，uC)，所述微处理器被配置为根据所测量的电信号与阈值的比较来调整由所述振荡器电路提供的电能。该方法包括以下步骤：‑启动所述微处理器(4，uC)的阈值确定模式，所述阈值确定模式在所述微处理器的接近加电时开始；以及‑在所述微处理器(4，uC)的阈值确定模式中，在所述微处理器(4，uC)的接近加电之后自动确定所述阈值。

Description

一种充电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及提供一种用于为电感耦合家用电器的电力负载传递能量的充电装置及其控制方法。电力负载可以是一种用于通过传递能量充电的家用电器的二次电池。家用电器可以是牙刷、剃刀或其它特别适用于潮湿房间使用的其它装置。

背景技术

EP 2 262 078 A1描述了用于感应能量传递的装置和方法。本发明的电路布置具有用于产生交变磁场并将其辐射到绕组的初级振荡器电路。初级振荡器电路设置有线圈元件和电容器元件。提供了一种有源元件，振荡器电路通过该有源元件提供电能。振荡器电路具有电路元件，其中改变振荡器电路的有源电阻用于调节能量输入。能量输入的调节是基于所测量的值来执行的，该测量值被测量好并与比较器元件中的固定阈值进行比较。测量值如果超过或低于固定阈值，则振荡器的振幅将减小或增强。该解决方案的一个主要问题是所使用的电子元件的公差影响阈值的大小。为了避免对每个充电装置的电路进行校准，必须使用具有昂贵的低公差电子元件和装置中的电子元件的复杂的机械布置。特别是对于感应式充电装置，校准是困难的，因为电路的壳体进行了封装，例如，通过注塑封装。在注塑封装之后，电路由于不可访问，不能用于进一步校准。另一方面，围绕电路的电子元件的注塑封装确实影响振荡器电路的电感特性，从而影响阈值的大小。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种充电装置和用于提供和控制该充电装置的方法，该充电装置允许电路的电子元件及其在电路中的机械布置具有更高的公差。

本发明利用根据权利要求1所述的方法和根据权利要求12所述的充电装置来解决所述目的。根据本发明的内容，充电装置的电路包括：

-振荡器电路，所述振荡器电路至少具有一个输出功率线圈元件和一个电容器元件；

-电源，例如，可连接到电源的AC/DC转换器；

-功率开关元件，所述功率开关元件给所述振荡器电路供电；

-传感器元件，所述传感器元件用于确定表示所述振荡器电路的电感的电信号值；

-微处理器，所述微处理器被配置为根据所测量的电信号与阈值的比较来调整由所述振荡器电路提供的电能。

根据本发明内容，在微处理器的接近加电时开始的阈值确定模式被激活，并且在微处理器的阈值确定模式中，在微处理器的接近加电之后，阈值将自动确定。因此，在激发阈值确定模式和确定阈值之间，充电装置的电路被封装，使得微处理器不能从外部访问，以通过用户界面输入来设置阈值。不能从外部方法访问，使得在相应的校准步骤之后不可能将任何阈值输入微处理器中。微处理器的封装可通过防水条件下用封闭壳体紧密包围充电装置的电路进行，例如通过在电路周围将装置壳体注塑封装。控制充电装置具体地包括设置用于适应由振荡器电路提供的电能的阈值。

附图说明

图1示意性地示出了根据现有技术用于控制感应式充电装置的框图。

相比之下，图2示意性地示出了根据本发明的实施方案的用于控制感应式充电装置的框图。

图3示意性地示出了根据本发明的实施方案的充电装置的电路的实例。

具体实施方式

在描述与图1至图3有关的本发明的有利实施方案之前，将更详细地描述本发明的不同方面。这些方面公开了可能以任何有用组合而结合的本发明的用途的进一步的特征、优点和可能性。附图中描述和/或示出的所有特征均为本发明的主题，而与权利要求和/或它们的反向引用中的特征的分组无关。

本发明的向电感耦合家用电器(感应充电装置)的电力负载传递能量的充电装置具有电路，所述电路包括：

-振荡器电路，所述振荡器电路至少具有一个输出功率线圈元件和一个电容器元件；

-电源，例如可连接到电源的AC/DC转换器；

-功率开关元件，所述功率开关元件给所述振荡器电路供电；

-传感器元件，所述传感器元件用于确定表示所述振荡器电路的电感的电信号值；

-微处理器，所述微处理器被配置为根据所测量的电信号与阈值的比较来调整由所述振荡器电路提供的电能。

该阈值用于确定电感耦合的家用电器的存在。如果存在家用电器，则充电装置提供的电能可增加，例如，用于将二次电池充电为电感耦合到充电装置的振荡器电路的电力负载。如果在另一种情况下，充电装置没有负载，则充电装置提供的电力必须关闭或大幅降低，以便在待机模式期间满足产品要求。通常，充电器装置可连续地连接到电源，并且家用电器可设置在充电器装置中，以通过感应耦合对二次电池充电。因此，如果家用电器不是电感耦合或者在充电，则需要对家用电器的存在进行可靠的检测，以便降低充电装置的功率消耗。振荡器的电能可通过使用振荡器电路的可变有源电阻来调整振荡器电路的振幅来改变。

阈值的具体值取决于每个装置的实际电特性，具体地讲取决于电路中电公差和部件的布置中的公差。尤其相关的是振荡器电路的电子部件，包括用于确定表示振荡器电路的电感的电信号值的传感器元件和/或振荡器电路的可变有源电阻。

通过在生产过程中确定单个阈值，还可实现关于干扰信号的更高的信号干扰比，从而允许微控制器由于更精确的阈值而对功率需求进行更快的反应。

更具体地讲，当在接近加电之后在阈值确定模式中确定阈值时，充电装置的微处理器可适于根据本发明执行以下方法步骤运行：

(1)记录由所述传感器元件确定的第一电信号值，该第一电信号值指示家用电器的一个状态，表示该电器是否电感耦合到充电装置；

(2)通过将实际电信号与所记录的第一电信号值进行比较来检测由传感器元件确定的第一电信号值的变化；

(3)记录由传感器元件确定的不同于所记录的第一电信号值的第二电信号值，该第一电信号值指示电感耦合或不耦合到充电装置的电家用电器的另一个状态；

(4)基于所记录第一电信号值和第二电信号值来计算阈值，以区分电感耦合或不耦合到充电装置的家用电器的状态；

(5)存储所述阈值并终止所述阈值确定模式。

根据本发明内容，电信号例如是振荡电路的电压和/或电流信号，并且根据本发明内容，传感器元件例如是模拟-数字转换器，将在振荡器电路中的限定测量点处分接的电信号转换为用于微处理器中的电信号值，具体地讲用于确定阈值和比较实际电信号值。在存储阈值之后，该阈值可用于确定家用电器是否电感耦合到充电器电路。基于该确定结果，可减小或增强振荡器电路的振幅以适应由振荡器电路提供的电能。

微处理器的阈值确定模式可在生产(感应)充电装置期间使用与仅在生产期间可用的电路中的微处理器的引线连接来激活，然后将电路封装在充电装置的壳体中。例如，为了激活阈值确定模式，可为某个微处理器输入端口提供电压信号或脉冲。

例如，封装可通过围绕电路注塑壳体实现，以实现对充电装置中电路的防水密封。因此，这种充电装置非常适用于湿室环境下使用。围绕电路形成或模塑壳体将改变振荡器电路的电感，具体地讲，是改变充电装置的输出功率线圈元件与家用电器的接收功率线圈元件的耦合系数(具有电力负载)。利用本发明，即使微处理器无法从外部输入进一步的参数，也可以在完成装置的电子和机械组件之后校准充电装置。

此外，使用较低价格的部件通常导致电路中的电气部件和电子部件在一个和其它特定设备之间的大范围公差。根据本发明，它可以容忍更大的公差。

作为另外一种选择和/或除此之外，微处理器的阈值确定模式可通过根据时间和/或量值模式电感耦合到振荡器电路来激活，所述时间和/或量值模式由微控制器识别，由传感器元件确定电信号值。即使微处理器无法访问前导接口，用于确定模式的阈值的制动允许在完全安装的充电装置中启动校准。这可用于装置的重新校准，即复位。

根据本发明内容，微控制器可识别的类型包括检测高于重置阈值的电信号和/或经过限定阈值的被监测的实际电信号值的限定时间模式。考虑到可能的容差，可以将通过家用电器的耦合获得的复位阈值设置为高于第一电信号值和第二电信号值。此类复位阈值可为在设备开发期间以实验方式确定和/或计算得出，并且在生产期间固定在装置中。阈值可以定义为允许的数值范围。在限定的时间模式中经过所定义的阈值意味着在预定时间段内以高于和低于所限定阈值的实际电信号值进行改变，其中所述时间模式可包括限定的循环。阈值可以是用于检测耦合的家用电器的一个计算阈值。在这种情况下，家用电器可用于生成时间模式。在复位阈值高于所计算的阈值的情况下，可使用特定复位装置。

该特征的优点是充电装置的复位和重新校准是可能实现的。此外，在装置封装之前，不需要在生产期间激活阈值确定模式。经过不同于用于检测家用电器的感应耦合的计算阈值的复位阈值，可能会需要一个特殊的复位装置，其适于生成导致这些值的高电信号值和/或时间模式的电感，即复位装置中的某些接收功率线圈元件和/或负载。

根据本发明内容，计算的阈值和/或复位阈值被存储在微处理器或电路的非易失性存储器中，诸如微处理器的电子抹除式可复写唯读记忆体/闪存(EEPROM/FLASH)段。这确保无论微处理器的电源或充电装置的电路如何，确定的阈值是安全可靠的。

为了确认阈值已设置并且阈值确定模式已完成，根据本发明内容，可提供该阈值：在终止阈值确定模式之前，微处理器适于生成指示阈值已被计算并存储的信号。这在生产过程中是有用的，以便在生产过程中进行质量控制。

在一个实施方案中，该确认信号(指示阈值已计算和存储)包括根据预定时间模式关闭和接通振荡器电路的功率开关元件。此类模式可利用阈值设置工具来检测，以便与充电装置电感耦合。阈值设置工具可为家用电器(如可用于充电装置)或可与充电装置电感耦合的任何其它器具。所述器具具有微控制器，所述微控制器适于根据该预定时间模式检测能量的传递。另外，器具的微控制器可适于发送确认信号，例如，光学、声学和/或可接收的无线电信号(诸如蓝牙信号)。

根据本发明内容，在设定如上所述阈值之后，用于控制充电装置的方法可包括当实际电信号值低于阈值时充电装置断开的步骤，其中定时元件用于周期性地接通充电装置以确定实际电信号值并将其与阈值进行比较，并且如果实际电信号值仍然低于阈值，则充电装置再次断开。该特征使充电装置的待机功耗最小化。

可简单地调节时序元素的时间段(用于确定实际电信号值的充电装置上的切换周期性)，使得充电装置消耗的待机功率达到期望的值。用于接通充电装置(用于确定实际电信号值并将其与阈值进行比较)消耗的功率与充电装置的断开时间内无能量消耗的功率进行平均。因此，通过延长或缩短时间段(即调节周期性)，可以将装置获得的(平均)所消耗的待机功率调整为任何期望的值。

根据本发明的方法，在振荡器电路中测量或分接的电信号是用作功率开关元件的晶体管的集电极电压，晶体管的集电极连接到输出功率线圈元件。在功率开关元件(晶体管的集电极)的端子处测量的电压易于测量并且可指示振荡器电路的电感。分接的电压，或一般地，分接的电信号，可被电平移位，以便将电信号值的信号电平转移至适合于可被集成到微处理器中的转换模拟-数字转换器(ADC)的范围。

本发明还涉及如上所述的充电装置，所述充电装置具有电路，所述电路具有振荡器电路、电源、输送电能给振荡器电路的功率开关元件、用于确定表示振荡器电路的电感的电信号的传感器元件，以及被配置成根据所测量的电信号与阈值的比较来调整振荡器电路提供的电能的微处理器。微处理器还适于执行上述方法或上述方法的一部分。

功率开关元件可以是与其集电极连接到功率线圈元件和电容器元件之间的振荡器电路的晶体管，其发射极与振荡器电路可变的有源电阻连接，并且使其基级与具有至少两个电阻器的分压器连接，例如设备电压供应VCC和接地或任何其它电压水平之间。

另外，可变有源电阻可包括连接在接地和电阻器之间的晶体管和串联连接到用作功率开关元件的晶体管的发射极的线圈，可变有源电阻的晶体管可由微处理器切换以根据所测量的电信号与阈值的比较来调整振荡器电路提供的电能。

根据本发明，充电装置的完整电路可用防水注塑到充电装置的壳体中，使得除了电源之外，电路不具有与壳体的外部的电引导连接。对于此类设备的湿室环境使用，这是必要的或有利的安全特征。

在下文中，根据本发明的内容参考附图描述了示例性实施方案。

图1示出了感应式充电装置100的示意性框图。已知的充电装置100包括振荡器电路101，该振荡器电路包括将与家用电器的相应(接收功率)线圈元件耦接的输出功率线圈元件102，该家用电器具有如充电装置充电的二次电池。图1中未示出家用电器。

在振荡器电路101中，在电平移位器103a和103b中对振荡器电路101的电感的峰值和/或平均值指示器进行分接和处理，以使最终过高的峰值或平均值适应于接下来比较器104的操作输入。处理值被转发到比较器104的输入端口。比较器104将输入值与固定阈值进行比较，以确定家用电器的负载是否电感耦合到输出功率线圈元件102。比较器104根据比较结果产生输出信号，并且启动作用在振荡器电路101上的开关105，以改变由振荡器电路101提供的电力。

开关105可用于切换振荡器电路的可变有源电阻，以适应振荡器电路101的振幅。

根据现有技术的该解决方案的问题在于，比较器正在使用的固定阈值是不能考虑到电子部件的公差和电路中的部件的布置的公差。

图2示意性地示出了根据本发明的解决方案。以类似的方式，充电装置10包括具有输出功率线圈元件2的振荡器电路1，和用于适配由振荡器电路1提供的电能的开关5。在振荡器电路1中，指示振荡器电路1的电感的电信号被分接和在电平移位器3中选择性地处理。然后将经处理的电信号转发至微处理器4的模拟数字转换器(ADC)，该微处理器具有集成的模拟数字转换器(ADC)，存储器和用作电路时间基准的定时元件。

在微处理器4中，经处理的电信号被转换为数字电信号并且与阈值进行比较，以确定家用电器是否电感耦合到振荡电路1。根据该确定结果，振荡器电路提供的电能适于提供高输出(在耦合器具的情况下)或低输出(在没有耦合器具的情况下)。因此，相对于现有技术，开关5具有与图1中所述的开关105相同的功能。

根据本发明内容，现有技术中所公开的比较器104已被微处理器4代替，该微处理器用于确定数字电信号值，该数字电信号指示振荡器电路1的电感，以及用于根据所确定的与阈值相比较的电信号值来启动开关5。

阈值由微处理器4利用以下步骤确定：

(1)记录一个由所述传感器元件确定的第一电信号值，该第一电信号值指示所述家用电器的其中一个状态，该第一电信号值电感耦合或不耦合到所述充电装置；

(2)通过将实际电信号与所记录的第一电信号进行比较来检测由传感器元件确定的电信号值的变化；

(3)记录由传感器元件确定的不同于所记录的第一电信号值的第二电信号值，该第一电信号值指示电感耦合或不耦合到充电装置的家用电器的另一个状态；

(4)基于所记录的第一电信号值和第二电信号值来计算所述阈值，以区分电感耦合和不耦合到充电装置的家用电器的状态；

(5)存储所述阈值并终止所述阈值确定模式。

因此，阈值不是使用具有固定阈值的比较器固定在电路中，而是通过在设备外壳内的部件的实际机械布置中将充电装置与实际电子部件校准来确定。阈值可被计算为第一电信号值和第二电信号值的平均值，或基于用于确定合适阈值的任何其他合适的算法来计算。本领域的技术人员可基于该情况的要求来选择算法。

计算出的阈值被存储在微处理器4的非易失性存储器中。然后如前文所述使用该阈值以用于在高值和低值之间切换振荡器电路1的振幅，以便适应由振荡器电路提供的电能。

图3以举例的方式示出了根据本发明内容的充电装置10的典型电路，以及电耦合到充电装置的家用电器20。

充电装置10的电路包括具有一个输出功率线圈元件2的振荡器电路1，该输出功率线圈元件具有彼此串联连接的线圈或电感L1以及电容器元件C1和C2。电路还具有连接到电源的功率电源(未示出)，以用于向充电装置10的电路提供电压供应VCC。为了供应微处理器4,uC电压，提供一种低压差稳压器(LDO)以用于将供电电压VCC调节至用于供应微处理器的输出电压(VDO)。

作为用于为振荡器电路1输送的功率开关元件7，提供晶体管T1。晶体管T1与其集电极连接到功率线圈元件2，L1和电容器元件C2之间的振荡器电路，并且其发射极与包括电阻器R3和线圈L2的振荡器电路1的可变有源电阻Z连接，其基极连接到在器件电压供应VCC和接地之间具有至少两个电阻器R1和R2的分压器。

可变有源电阻Z包括连接在接地之间的晶体管T2和与用作功率开关元件7的晶体管T1的发射极串联连接的一对电阻器R3和线圈L2。可变有源电阻Z的晶体管T2可由微处理器uC切换以根据所测量的电信号与阈值的比较来调整由振荡器电路1提供的电能。

该能量由振荡器电路1从线圈L2传递至家用电器20的电路的线圈L300，该电路具有连接到线圈L300的二次电池21的家用电器20的负载，以用于对二次电池21进行充电。

为了测试线圈L300是否电感耦合到振荡器电路1的线圈L1，提供了用于确定振荡器电路1的电感的电信号值指示器的传感器元件6。振荡器电路1的电感随着线圈L300电感耦合到振荡器电路1的线圈L1而改变。

在振荡器电路1中测量的电信号为用作功率开关元件7的晶体管T1的集电极电压，晶体管T1的集电极连接到输出功率线圈元件2(即线圈L1)。该电信号的信号电平在电平移位器3中被转移到可直接输入到微处理器uC中的信号范围和集成到微处理器uC中的模拟-数字转换器。

所测量的电信号值既用于计算阈值，又用于根据所测量的电信号与阈值的比较来调整振荡器电路提供的电能。这一点已经在以上内容中详细描述了。

本文所公开的量纲和值不应理解为严格限于所引用的精确数值。相反，除非另外指明，否则每个此类量纲旨在表示所述值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。

Claims (15)

1.一种用于控制向电感耦合家用电器（20）的电力负载传递能量的充电装置（10）的方法，所述充电装置（10）的电路包括：

- 振荡器电路（1），所述振荡器电路具有至少一个输出功率线圈元件（2, L1）和至少一个电容器元件（C1, C2）；

- 电源；

- 功率开关元件（7, T1），所述功率开关元件向所述振荡器电路供电；

- 传感器元件（6），所述传感器元件用于确定表示所述振荡器电路（1）的电感的电信号值；

- 微处理器（4, uC），所述微处理器被配置为根据所测量的电信号与阈值的比较来调整由所述振荡器电路提供的电能；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

- 启动所述微处理器（4, uC）的阈值确定模式，所述阈值确定模式在所述微处理器的接近加电时开始；以及

- 在所述微处理器（4, uC）的阈值确定模式中，在所述微处理器（4, uC）的接近加电之后自动确定所述阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1) 记录由所述传感器元件（6）确定的第一电信号值；

(2) 检测由所述传感器元件（6）确定的所述电信号值的变化；

(3) 记录由所述传感器元件（6）确定的不同于所记录的第一电信号值的第二电信号值；

(4) 基于所记录的第一电信号值和第二电信号值来计算所述阈值，以区分所述家用电器（20）电感耦合和电感不耦合到所述充电装置（10）的状态；

(5) 存储所述阈值并终止所述阈值确定模式。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在将所述电路封装在所述充电装置（10）的壳体中之前，在生产所述充电装置（10）期间使用与所述电路中的所述微处理器（4,uC）的电接口来激活所述微处理器（4, uC）的阈值确定模式。

4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述微处理器（4, uC）的阈值确定模式是通过根据时间和/或量值模式电感耦合到所述振荡器电路来激活，所述时间和/或量值模式被微控制器（4, uC）识别，所述微控制器（4, uC）监测由所述传感器元件（6）确定的电信号值。

5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，待由所述微控制器（4, uC）识别的所述模式包括检测高于复位阈值的电信号和/或被监测的实际电信号值经过限定阈值时的限定时间模式。

6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述阈值存储在所述微处理器（4, uC）或电路（诸如所述微处理器（4, uC）的电子抹除式可复写唯读记忆体/闪存段）的非易失性存储器中。

7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述微处理器（4, uC）适于在终止所述阈值确定模式之前生成指示所述阈值已被计算和存储的信号。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述信号包括根据预定时间模式关闭和接通所述振荡器电路（1）的所述功率开关元件（7）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当所述实际电信号值低于所述阈值时，充电装置（10）被断开，其中定时元件用于周期性地接通所述充电装置（10）以确定所述实际电信号值并将其与所述阈值进行比较，并且其中，如果所述实际电信号值仍然低于所述阈值，则所述充电装置（10）再次被断开。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，调节所述定时元件的时间段以使所述充电设备（10）消耗的待机功率适应期望的值。

11. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述振荡器电路（10）中测量的所述电信号值为用作功率开关元件（7）的晶体管（T1）的集电极电压，所述晶体管（T1）的集电极连接到所述输出功率线圈元件（2, L1）。

12.充电装置，所述充电装置将能量传递至电感耦合的家用电器（20）的电负载（21），所述充电装置（10）的电路包括：

- 振荡器电路（1），所述振荡器电路至少具有一个输出功率线圈元件（2, L1）和一个电容器元件（C1，C2）；

- 电源；

- 功率开关元件（7, T1），所述功率开关元件为所述振荡器电路（1）供电；

- 传感器元件（6），所述传感器元件用于确定表示所述振荡器电路（1）的电感的电信号值；

- 微处理器（4, uC），所述微处理器被配置为根据所测量的电信号与阈值的比较来调整由所述振荡器电路（1）提供的电能，

其特征在于，所述微处理器（4, uC）适于执行如前述权利要求1至11中任一项所述的方法。

13. 根据权利要求12所述的充电装置，其特征在于，所述功率开关元件（7）是在所述功率线圈元件（2, L1）和所述电容器元件（C2）之间用其集电极连接到所述振荡器电路（1）的晶体管（T1），其发射极与所述振荡器电路（1）的可变有源电阻（Z）连接，并且其基极连接到所述器件电压供应（VCC）和接地之间的至少有两个电阻器（R1）和（R2）的分压器（8）。

14. 根据权利要求13所述的充电装置，其特征在于，所述可变有源电阻（Z）包括连接在接地和一对电阻器（R3）之间的晶体管（T2）和串联连接到用作功率开关元件（7）的晶体管（T1）的发射器的线圈（L2），所述可变有源电阻（Z）的所述晶体管（T2）能够取决于微处理器（7, uC）所测量的电信号与所述阈值的比较来调整由所述振荡器电路（1）提供的电能。

15.根据权利要求12至15中任一项所述的充电装置，其特征在于，所述充电装置（10）的电路用防水注塑到所述充电装置（10）的壳体中。

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