CN111917193A - 无线电力传递装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种无线电力传递装置。在无线电力传递装置(1)中，借助于生成磁场(9)的初级谐振器(6)和通过拾取磁场(9)来接收电力的次级谐振器(10)而跨空气间隙(8)将电力从初级侧(2)无线地传递到次级侧(3)。次级侧(3)包括输出级(11)，其接收由次级谐振器(10)提供的AC电力并且生成要被提供给负载的DC输出(13)。电流感测装置(18)感测从次级谐振器(10)流动到输出级(11)的AC电流，并且向电力传递控制器(15)提供电流感测信号(16)，该电力传递控制器(15)基于电流感测信号(16)来控制无线电力传递装置(1)的电力传递。并且电流感测信号(16)被提供给开关控制器(20)，该开关控制器(20)控制输出级(11)的同步整流器的开关，该同步整流器将由次级谐振器(10)提供的AC电力(12)转换为DC输出(13)。

Description

无线电力传递装置
技术领域
本发明涉及用于通过感应耦合从初级侧跨空气间隙到次级侧的无线电力传递的无线电力传递装置，其中初级侧包括用于接收输入电力的电力输入、用于将输入电力转换成初级AC电力的输入级、以及用于接收初级AC电力并且感应磁场的初级谐振器，次级侧包括用于将通过磁场接收的电力转换成次级AC电力的次级谐振器和用于将次级AC电力转换成DC输出电力的输出级，输出级包括用于将次级AC电力转换成DC输出电力的可控整流器，无线电力传递装置包括被适配为产生电流感测信号的电流感测装置、被适配为基于电流感测信号控制无线电力传递的电力传递控制器、以及用于控制可控整流器的控制装置。本发明进一步涉及用于这样的无线电力传递装置的次级侧、用于这样的无线电力传递装置的电流感测设备以及用于无线电力传递的对应方法。
背景技术
电能被使用在许多不同的应用中。为了对并未永久地连接到电力源的电驱动的设备、物品或物体供电，这样的设备、物品或物体经常配备有一个或多个电池，该一个或多个电池被用于存储能量以用于在这样的设备、物品或物体没有连接到电力源时对这样的设备、物品或物体供电。示例是移动设备，诸如手机、PDA(个人数字助理)等，机动车辆，诸如汽车、卡车、摩托车、火车、船、货轮、飞机、和直升机等，而且还有工业车辆，诸如叉车、AGV(自动引导车辆)、清洁机、和升降机等，或者用于提升、移位或运输任何种类的货物的电气工作装备。所有这些设备、物品或物体通常包括用于使其工作的电池。
虽然初级侧最经常地是被固定地安装的并且被连接到电力源，但是次级侧通常被布置在如上面提到的移动设备内，移动设备仅偶尔被放置在初级侧附近以用于对其电池充电或者以其它方式向其供给电力。
虽然铅酸电池已经经常被用于存储电力以用于驱动这样的设备、物品或物体，但是锂离子电池现在经常被用于该目的。原因之一是它们可以被以更高得多的充电率(c-rate)充电。铅酸电池可以以大约0.1c至0.2c的充电率充电。这意味着600 Ah的铅酸电池可以以大约60安培至120安培的电流充电并且将需要大约5至10小时。锂离子电池可以以达到1c的充电率充电，因此600 Ah的锂离子电池可以以达到600安培的电流充电，这将充电时间降低到低至大约1小时。此外，锂离子电池可以被偶尔地充电而不对电池造成损坏，这种损坏在铅酸电池的情况下在仅几分钟内施加多个短充电循环时发生。
然而，在锂离子电池的情况下的高的充电电流可能引起基于布线的充电器的问题，在基于布线的充电器中，充电电流被经由线缆连接——其中线缆被通过连接器连接到源和/或电池——从电力源馈送到电池。高的充电电流将要求具有大的铜直径的充电线缆和重载连接器。因此，充电线缆难以处置并且连接器将被快速磨损。在偶尔充电的情况下，这样的连接器将在几周内被磨损。
为了克服在充电线缆方面的问题，这样的电池的充电通常是通过无线电力传递来完成的。在通过感应耦合无线地传递电力的情况下，这样的无线电力传递系统被称为感应电力传递(IPT)系统。一些IPT系统也与松耦合的电感器一起工作。
这样的无线电力传递系统的初级侧包括输入级和初级焊盘，其中输入级被连接到电力源并且典型地将输入电力转换成适合为用于初级焊盘的输入的AC输入电力，其感应出或多或少的定向磁场。这样的无线电力传递系统的次级侧包括次级焊盘和输出级，其中次级焊盘位于由初级产生的磁场内，并且输出级包括整流器，该整流器把从次级焊盘接收的AC电力转换成用于对电池充电或用于对另外的种类的负载供电的DC电流。
为了控制电力传递，已知的是控制输入级以使得跨空气间隙传递的并且被由输出级转换为DC电力的电力满足特定标准。典型地，负载电流应当满足由负载指定的设定值，例如由要被充电的电池的电池管理系统指定的负载电流。因此，控制器通常基于负载电流的测量来产生用于输入级的控制信号。可以例如利用在无线电力传递系统的输出处的分流电阻器或电流换能器来感测电流。
为了降低次级整流器中的损耗，通常使用同步整流器(SR)。典型地通过感测跨同步开关的电压来得出用于同步整流器的控制信号。在MOSFET作为同步开关的情况下，如果测量的漏极-源极电压低于几毫伏(mV)，则开关被接通，并且一旦漏极-源极电压接近零伏(V)，则其被关断。被实现为集成电路(IC)的控制电路通常被用于这样的SR控制。
然而，在高磁性AC场环境中，如例如在用于对电动车辆的电池进行充电的无线电力传递系统中，检测几mV是相当困难的。因此，可能发生检测错误并且导致不稳定的开关。
文献US 8’947’041 B2公开了这样一种控制方法。其公开了用于将电力从一个无线可充电设备(初级侧)无线地交换到另一无线可充电设备(次级侧)的无线电力收发器(500)。该电力收发器包括发射器(308T)并且其包括接收器(308R)，发射器(308T)具有电力转换电路和用以感应磁场的发射天线(306T)，接收器(308R)具有用以接收通过磁场传递的能量的接收天线(306R)以及用以向负载(电池310R或主机设备电子器件)提供DC电力的输出电力转换电路。输出电力转换电路进一步包括同步整流器(Q2，Q2')、频率发生器和用于控制同步整流器(Q2，Q2')以及用于控制工作模式(即，发射模式或接收模式)的控制部(322R)。如果双向输出电力转换电路在接收模式下工作，则基于在整流器开关上感测的电压来控制同步整流器(Q2，Q2') (第9栏第26行)。
这种连接中的问题之一是负载电流的测量。负载电流是DC电流，并且DC电流可能不会被无源地测量或者仅在高的付出下被测量(诸如例如通过使用有源换能器等)，由此增加了成本。测量高DC电流的另一种可能性是使用合适的分流器，然而这增加了损耗。
发明内容
本发明的目的是创建一种与最初提到的技术领域有关的无线电力传递装置，其使得增强的SR控制是可能的，造成更少的开关错误并且具有降低的损耗。本发明的进一步的目的是创建与最初提到的技术领域有关的用于这样的无线电力传递装置的次级侧、用于这样的无线电力传递装置的电流感测装置和用于无线电力传递的方法。
本发明的关于无线电力传递装置的解决方案由权利要求1的特征指定。根据本发明，电流感测装置包括电流感测设备，其被适配为通过感测从次级谐振器流动到输出级的AC电流来产生电流感测信号，并且其中控制装置被适配为基于电流感测信号来控制可控整流器。
即，控制装置产生用于控制可控整流器的控制信号，诸如例如用于使同步整流器的开关接通和关断的控制信号。并且控制装置考虑与所感测的AC电流对应的电流感测信号来产生这些控制信号。电流感测信号例如是不同尺度上的所感测的AC电流的拷贝。
取决于电流感测装置的设计，其输出可以是电流或电压。因此，电流感测信号一般可以是电流或电压。进一步注意的是，如果电流感测装置输出电流，则其可以被容易地变换为电压来作为电流感测信号。或者如果电流感测装置输出电压，则其可以被容易地变换为电流来作为电流感测信号。
进一步地，要注意的是由于所感测的AC电流一般对应于负载电流，因此电流感测信号也对应于负载电流，并且因此非常适合于电力传递控制。
因此，并非必须感测小的电压而是感测高的电流。但是在高磁性AC场环境中感测高电流与在这样的环境中感测小电压相比更不易出错。因此可以避免或至少减少检测或感测错误，这造成没有开关错误或降低的数量的开关错误。
并且由于感测的电流是AC电流，因此其可以是以无源方式感测的，造成降低的损耗。
术语AC电流在下文中表示从次级谐振器流动到输出级的AC电流，除非另外指示或对于本领域技术人员而言在给定的上下文中是清楚的。
术语控制装置可以指代排它地控制次级中的同步整流器的装置。然而，其可以未必指代这样的排它的控制装置。控制装置还可以控制无线电力传递装置的其它方面。控制装置例如还可以执行从无线电力传递装置的初级侧到次级侧的电力传递的控制。然而，无线电力传递装置还可以包括分离的控制器以用于控制从无线电力传递装置的初级侧到次级侧的电力传递和/或装置的其它方面。
在本发明的优选的实施例中，电流感测装置被适配为产生表示输出级的DC输出电流——即被提供给连接到输出级的负载的电流——的电流感测信号。在这种情况下，被从初级传递到次级的电力的控制可以因此还基于由电流感测装置产生的电流感测信号。在这种连接中术语"表示"意味着从电流感测信号中推断出提供给负载的DC输出电流的一个或多个特性应当是可能的。例如，电流感测信号的某些特性可以反映DC输出电流的某些特性，诸如其幅度。在简单的并且因此优选的实施例中，电流感测信号被产生为与DC输出电流成比例。电流感测信号还可以包括偏移。然而，电流感测信号也可以被产生为例如对于被用于控制电力传递的DC输出电流的幅度具有指数关系。电流感测信号可以实际上对于DC输出电流具有任何期望的、适合的或者另外符合条件的关系，只要它被清楚地定义并且可以确定DC输出电流的期望的特性(例如其幅度)即可。例如还将是可能的是将电流感测信号产生为编码信号，该编码信号被传输到电力传递控制器，由电力传递控制器解码，并且然后被用于控制电力传递。
然而，电力传递控制还可以基于在与无线电力传递装置相同的位置处或在无线电力传递装置的另外的合适的位置处的分离的电流、电压或电力测量。在这种情况下，电流感测信号可以未必表示提供给负载的DC电流。如下的情况将是足够的：电流感测信号由电流感测装置产生以使得电流感测信号的定相表示输出电流的定相，以便正确地产生用于控制可控整流器的控制信号。在这种连接中术语"表示"意味着电流感测信号的定相对应于或者甚至等于输出电流的定相。
电力传递控制器优选地被实现为次级侧的一部分，如上面概述那样，其被与诸如例如电池的负载一起集成到移动设备或汽车设备等中。并且由于移动设备或汽车设备仅被偶尔放置于初级侧附近以用于对其电池充电或以其它方式向其供给电力，因此用于电力传递控制的控制信号必须被从次级侧传输到初级侧。因此，可以建立线缆连接以使得能够在初级侧与次级侧之间进行通信。然而，由于电力传递本身是无线的，因此优选的是也以无线方式进行控制信号从电力传递控制器到初级侧的传输以使得可以避免建立线缆连接。
因此，在本发明的优选的实施例中，初级侧以及次级侧包括用于彼此无线通信的收发器。优选地，通信链路是无线电通信链路，诸如LTE、UMTS、GSM、WLAN、蓝牙等或任何其它合适的无线电通信技术。由于初级侧和次级侧在电力传递期间被布置在彼此附近，因此通信技术优选地是短距离通信技术，诸如WLAN或蓝牙等。在无线电通信技术在系统的位置处提供不同的频率范围的情况下，可以选取这些本地可用的频率范围中的每一个。例如，如果要使用WLAN技术，则可以使用2.4 GHz和/或5 GHz频带。由于世界上的每个地区可以识别可以在给定的、通常低的传输电力范围内自由使用的特定频带，因此优选地使用如下的无线电通信技术：其使用这样的自由频带。
在本发明的优选的实施例中，电流感测设备包括第一级电流感测设备和链接到第一级电流感测设备的输出的第二级电流感测设备。
第一级电流感测设备和第二级电流感测设备例如包括电流变换器、使用霍尔效应的电流传感器或用于感测AC电流的其它电流传感器。
第一级电流感测设备感测AC电流并且产生输出电流或电压。在这种连接中，术语"链接到第一级电流感测设备的输出"意味着第二级电流感测设备感测由第一级电流感测设备产生的输出电流或电压，以产生电流感测信号作为其输出电流或电压。
由于所感测的AC电流——在整流之后——被用于以高的充电率对高容量电池充电，因此要被感测的AC电流是具有例如达到数百安培或甚至几千安培的值的高电流。因此，第一级电流感测设备优选地被适配为适合用于这样的高电流。
在本发明的优选的实施例中，第一级电流感测设备和第二级电流感测设备两者都包括用于感测从次级谐振器流动到输出级的AC电流的电流变换器。电流变换器被广泛地使用在这样的应用中，并且可以是以合理的成本针对所要求的高的安培额定值而制造的。因此，第一级电流感测设备包括第一电流变换器，并且第二级电流感测设备包括第二电流变换器。
如周知的那样，电流变换器通常包括磁芯、具有一定匝数并且要被感测的电流通过其流动的初级绕组、以及具有一定匝数的次级绕组，其中载荷电阻器被连接在次级绕组的端部之间并且其中跨载荷电阻器的电压表示在初级绕组中流动的电流的量。次级绕组中的匝数与初级绕组中的匝数的比被称为转换比。
第一电流变换器优选地具有10:1和80:1之间的转换比。转换比优选地在15:1和50:1之间，并且甚至更优选地在20:1和30:1之间。第一电流变换器的转换比在下文中被表示为第一转换比。
一般地，第一电流变换器在初级中具有低匝数。如果初级中的匝数例如为三，则次级中的匝数被选取为在30和240之间的某处。
第二电流变换器优选地具有20:1和600:1之间的转换比，优选地在100:1和300:1之间，并且更优选地在150:1和250:1之间。第二电流变换器的转换比在下文中被表示为第二转换比。一般地，第二电流变换器在初级中具有低匝数。如果初级中的匝数例如为三，则次级中的匝数被选取为在60和1800之间的某处。
两个电流变换器的转换比将相乘。这有助于将高的初级电流转换为低的电流信号。因此优选地对第一转换比和第二转换比进行选取以使得电流感测设备具有在100:1和30000:1之间、优选地在500:1和15000:1之间、并且更优选地在2000:1和10000:1之间的总转换比。因此可以例如利用25:1的第一转换比和200:1的第二转换比来实现5000:1的转换比。
可以选取两个电流变换器的转换比以造成高精确度的电流感测。由此，必须考虑几个方面，诸如在期望的电流额定值下的计量准确度或第一电流变换器的输出与第二电流变换器的输入匹配以及其它方面，诸如例如商业产品的可用性以及它们的电流额定值。
然而，如果更低的测量精确度是可接受的，则两个电流变换器的转换比也可以被选取为高于或低于上面提到的那些转换比。
在优选的实施例中，第一电流导体的初级仅包括单个绕组。或者换句话说，承载要被感测的AC电流的导体仅被通过第一电流变换器的芯进行馈送。为了实现大约5000:1的总转换比和高准确度的电流感测，第一电流变换器的转换比被选取为大约25:1并且第二电流变换器的转换比被选取为大约200:1，在初级中也仅具有单匝。
使用串联连接的两个电流变换器来形成两级电流感测设备进一步具有如下优点：可以实现高的转换比同时电流感测设备具有高的自谐振频率。这是优选的，因为自谐振频率应当显著高于无线电力传输装置的工作频率以减少扰动和干扰并且提高效率。优选地，电流感测设备被配置以使得其自谐振频率是工作频率的至少十倍。如果工作频率例如为30kHz，则电流感测设备优选地被配置为具有至少300 kHz的自谐振频率。
自谐振频率与设备的电感L的平方根的倒数成比例，其中L与N2成比例，其中N是换能器次级绕组的匝数。
因此，为了实现例如1000:1的转换比，假设初级中为单匝，单级电流传感器将要求在次级中为1000匝。两级电流传感器例如将在第一级的次级中具有10匝，并且在第二级的次级中具有100匝——再次假设初级中为单匝。所得到的两级电流传感器的总自谐振频率因此将本质上高于单级设备的总自谐振频率。
在用于以高充电率对高容量电池进行无线充电的无线电力传递装置中，承载电流的导体通常具有相当高的横截面。这样的导体经常是以箔导体的形式提供的，在下文中还被指明为片材导体。这样的箔导体通常具有一般为矩形的横截面，具有比厚度大得多的宽度。它们的宽度优选地为它们的厚度的至少50倍。
典型地，这样的导体具有十分之一毫米的若干倍的厚度，例如具有0.1~0.5毫米的厚度，以及几十毫米的宽度，例如40~100毫米的宽度。取决于期望的电流量，这样的导体也可以更厚和更宽或者更薄和更窄。
在本发明的优选的实施例中，第一级电流传感器被优化以感测在这样的箔导体中的电流。在这方面术语“优化”主要表示机械优化。然而，它也可以表示电优化。在下文中，有时替代术语“电流变换器”而使用术语“换能器”。
这样的优化的第一换能器的磁芯包括平行布置的并且在承载AC电流的导体的不同侧的上的两个棒。因此，该导体形成第一换能器的初级绕组，并且由围绕导体的AC电流感应出磁场。两个棒被布置在该磁场内。它们由具有高磁导率的材料(例如铁氧体)制成。在该实施例中的第一换能器的次级绕组包括彼此连接的两个绕组部分。第一绕组部分卷绕在第一棒上，并且第二绕组部分卷绕在第二棒上，其中绕组部分被围绕棒卷绕以使得在两个绕组部分中感应的电流在相同的方向上流动，即，它们相加以形成第一换能器的次级电流。
以此方式，在初级绕组中即在承载AC电流的导体中流动的电流围绕导体生成磁场，该磁场进而感应出在次级绕组中流动的电流，该电流与导体内的AC电流成比例。
在进一步的优选的实施例中，棒比导体的宽度长，并且它们被布置成垂直于导体的纵向方向，并且使得它们在两侧上延伸超出导体。进一步地，绕组部分不覆盖棒的端部以使得各棒确实地形成在每侧上具有间隙的芯。更优选地，绕组部分被围绕棒卷绕以使得在导体的范围内存在有匝。或者换句话说，棒的确实地延伸超出导体的那些部分是空出的，并且不承载次级绕组的匝。
这样的带间隙的芯具有相当低的自感，因此施加到其的电压导致磁化电流。然而，在这种情况下，施加到第一换能器的电压非常低。如下面进一步概述那样，电流感测装置典型地跟随有整流器，其用于提供感测的AC信号的整流版本并且用于确定感测的电流信号的平均值以及用于生成用于输出级的可控整流器的控制信号。因此，第二换能器通过其转换比降低来自该整流器的反射电压。如果第二换能器具有200的转换比，则反射电压被从大约1~3V降低到5~15 mV。
如上面提到那样，这样的换能器装置的优点是电流换能器的自谐振频率非常高，典型地为WL充电器的工作频率的至少10倍。
更优选的是对形成换能器的单个元件进行选取以使得电流换能器的谐振频率为WL充电器的工作频率的至少20倍或者甚至更优选地为WL充电器的工作频率大约至少30倍。
第二电流变换器可以是任何形状的，并且与第一电流变换器相比通常具有更高的次级匝数。第二电流变换器可以例如被实现为具有卷绕在其上的两个线圈的标准铁氧体芯。
存在用于生成用于控制可控整流器的控制信号的不同方法。控制装置可以例如包括模拟到数字(A/D)转换器以将电流感测信号转换为数字信号以及包括诸如例如微处理器的计算单元以确定用于同步整流器的开关的切换时间并且基于所转换的数字信号来控制对应的驱动电路。然而，由于是数字组件，成本将增加。
在本发明的另一优选的实施例中，控制装置因此包括用于感测电流感测信号的水平的第一比较器、用于感测电流感测信号的方向即感测的电流的符号的第二比较器、以及被适配为组合第一比较器的输出和第二比较器的输出以控制可控整流器的逻辑电路。
这造成容易的并且成本有效的方式来生成用于可控整流器的控制信号。
在这样的实现中，电流感测装置优选地包括无源全波感测整流器以用于对电流感测设备的输出进行整流以使得第一比较器能够感测电流感测设备的输出的水平。为此目的，第一比较器被跨分流器连接，该分流器被跨感测整流器的输出连接。并且为了感测电流的符号，第二比较器被跨感测整流器的输入连接。
在本发明的进一步优选的实施例中，感测整流器是二极管整流器并且电流感测设备被适配为提供电流作为电流感测信号。在每个分支中具有两个二极管的全波二极管整流器的情况下，感测整流器的输入电压等于跨分流器的电压和跨整流器的二极管的电压的两倍之和。这造成更鲁棒得多的对电流的符号的感测，因为整流器输入电压的正半波增加到二极管电压的两倍，并且其负半波减少至二极管电压的二分之一，造成整流器输入电压在跨零附近的更陡峭得多的斜率。或者换句话说，二极管的电压降使信噪比增加，并且使得能够更精确并且更鲁棒地对要被感测的电流的跨零进行检测。
代替无源全波整流器——其提供具有在其输出处的减少的滤波量的低成本解决方案，一般而言可以使用任何其它的整流设备来提供感测电流的整流版本。例如，可以使用诸如单个二极管的半波整流器，而且还可以使用具有受控开关的全波整流器。
可控整流器优选地包括诸如例如MOSFET的多个可控开关。然而，也可以使用其它种类的电可控开关，诸如其它晶体管、晶闸管或三端双向可控硅元件。
在这样的可控整流器中，开关通常被分组为至少两个子集，其中逻辑电路被适配成为可控整流器的开关的第一子集提供第一控制信号，并且为可控整流器的开关的第二子集提供第二控制信号。在两个开关整流器的情况下，逻辑电路为第一开关提供第一控制信号，并且为第二开关提供第二控制信号。
然而，可控整流器优选地被实现为具有两个并联分支的全桥整流器，其中每个分支包括串联的两个可控开关。在这样的整流器中，开关是被成对地控制的。包括第一分支的上部开关和第二分支的下部开关的第一对角线开关形成开关的第一子集，并且是使用第一控制信号来控制的，并且包括第一分支的下部开关和第二分支的上部开关的第二对角线开关形成开关的第二子集，并且是使用第二控制信号来控制的。
如上面概述的那样，第一比较器感测电流感测设备的输出的水平。为作到这点，第一比较器优选地被适配为如果从次级谐振器流动到输出级的AC电流为高则在其输出处提供低信号，并且如果AC电流为低则提供高信号。如果AC电流高于给定的阈值——其中该阈值优选地被选取为感测整流器的最大输出电压的分数，则在这种连接中将AC电流指定为高。因此，该比较器用于确定导通角度，即在一个周期期间在其处给定的开关为导通的角度。
目标是控制开关以便实现尽可能大的导通角度，以便使损耗最小化。然而，导通角度可以不是180°，因为可能造成错误的开关。因此，优选地对开关进行控制以便实现在120°和180°之间、优选地在150°与179°之间并且甚至更优选地在大约165°与177°之间的导通角度。
在具有例如50 kHz的工作频率的充电器中，半周期持续10μs。为了实现例如170°的导通，开关可以在跨零之后被接通大约150 ns至300 ns，并且其可以在下一次跨零之前被关断大约150 ns至300 ns。
由于电流通常为正弦电流，因此阈值的水平优选地被选取为感测整流器的输出的最大幅度的大约5%到10%。当然，第一比较器还可以被适配为提供不同的阈值来接通和关断开关，使得如果整流器输出达到例如其最大值的6%则接通开关并且使得如果整流器输出下降到例如其最大值的9%则关断所述开关。
第二比较器检测感测电流的方向。其结果被用于确定同步整流器的有效对角线。因此，第二比较器必须位于感测整流器的上游，即在感测整流器的输入处，或者更一般地在感测整流器的前面。
优选地，第二比较器被适配为如果AC电流为正则提供高信号并且如果AC电流为负则提供低信号。
在本发明的具有如上面描述的两个比较器的优选的实施例中，逻辑电路被适配为提供：
-第一控制信号，用于如果第一比较器在其输出处提供低信号并且第二比较器在其输出处提供高信号则接通开关的第一子集并且关断开关的第二子集，
-第一控制信号，用于如果第一比较器和第二比较器这两者都在其输出处提供低信号则关断开关的第一子集并且接通开关的第二子集，以及
-第一控制信号和第二控制信号，用于如果第一比较器在其输出处提供高信号则与第二比较器的输出信号无关地关断开关的第一子集和开关的第二子集这两者。
或者换句话说，逻辑电路被适配为提供：
-第一控制信号，用于如果AC电流为正并且为高(即高于阈值)则接通开关的第一子集并且关断开关的第二子集，
-第二控制信号，用于如果AC电流为负并且为高(即高于阈值)则接通开关的第二子集并且关断开关的第一子集，以及
-第一控制信号和第二控制信号，用于否则即如果AC电流为低(即低于阈值)关断开关的第一子集和开关的第二子集。
然而，对于本领域技术人员来说清楚的是，逻辑电路还可以是以不同的方式构造的，只要它与比较器的输出匹配并且产生用于控制可控整流器的相同的输出信号。
例如，第一比较器还可以被适配为如果AC电流为低则在其输出处提供低信号，并且如果AC电流为高则提供高信号。并且第二比较器可以被适配为如果AC电流级为负则提供高信号，并且如果AC电流为正则提供低信号。
在这样的情况下，逻辑电路将必须被适配为提供：
-第一控制信号，用于如果第一比较器在其输出处提供高信号并且第二比较器在其输出处提供低信号则接通开关的第一子集并且关断开关的第二子集，
-第一控制信号，用于如果第一比较器和第二比较器这两者都在其输出处提供高信号则关断开关的第一子集并且接通开关的第二子集，以及
-第一控制信号和第二控制信号，用于如果第一比较器在其输出处提供低信号则与第二比较器的输出信号无关地关断开关的第一子集和开关的第二子集。
如上面提到那样，由电流感测装置产生的电流感测信号还可以被用于从无线电力传递装置的初级到次级的电力传递控制。电力传递控制可以基于对表示传递到负载的电流、电压或电力(诸如例如提供到负载的DC电流，或者如上面描述的那样，从次级谐振器流动到输出级的电流)的参数的任何合适的测量。
被提供给电力控制设备的测量信号可以是例如电流感测设备的AC输出。然而，这将造成更复杂的控制器，因为感测信号将必须被由控制器处理以提取控制电力传递所要求的信息。提供给电力控制设备的测量信号也可以是表示负载电流的任何其它信号。但是，再次地，取决于提供给电力控制部的信号的类型或种类，可能存在针对处理所接收的信号以提取精确地控制从初级侧到次级侧并且进一步地到负载的电力传递所要求的信息的特定需要。
为了简化和增强电力传递控制，在本发明的另一优选的实施例中，优选地生成被提供给电力控制器的电流信号以便表示所感测的AC电流的平均值。在本发明的进一步的优选的实施例中，电流感测装置因此包括平均值装置，其被连接到电流感测设备以用于产生表示从次级谐振器流动到输出级的AC电流的平均值的电流感测信号的平均值。因此，电力传递控制器优选地被适配为基于电流感测信号的平均值来控制无线电力传递。
可以例如通过对感测信号进行采样、利用模拟到数字转换器和数字处理器等将其转换为数字信号而以纯数字方式根据样本计算平均值来确定所感测的电流信号的平均值。
但是在本发明的另一优选的实施例中，平均值装置包括用于对电流感测信号进行整流的平均值整流器和被连接到感测整流器的输出的平均值滤波器。平均值滤波器将整流器的经整流的AC输出信号转换成表示电流感测装置的输出的平均值的DC信号。
因此，在平均值滤波器的输出处提供电流感测信号的平均值。平均值滤波器因此在其输出处提供表示要被感测的AC电流的平均值的电流感测信号。因此，该平均值与传导至电池的电流成比例。为了避免在感测/平均值整流器中的损耗，电流换能器的转换比优选地被选取为相当高，诸如例如1000:1，或者更优选地甚至更高，诸如大约5000:1。
平均值整流器可以是任何种类的，具有有源元件或具有无源元件，有源元件诸如为采用晶体管形式的可控开关或基于半导体元件的其它晶体管，无源元件诸如为二极管。当然，混合的实现也是可能的。整流器也可以是半波或全波整流器。为了提供所感测的AC电流的精确图像，整流器优选地是包括全桥配置中的四个二极管的无源全波整流器。由于电流感测装置的输出中存在低电力，因此具有受控开关的同步整流器并非是必需的。
平均值滤波器可以包括用于对整流器输出进行平滑和/或滤波的任何类型的滤波器。优选具有串联电阻器和并联电容器的简单的RC电路，并且充分地减小纹波以提供感测信号的精确的平均值。然而，取决于特定的应用和精确度要求，可以使用诸如单个并联电容器或LC电路的其它滤波器。
平均值整流器可以被实现为除了上面提到的感测整流器之外的元件，其在电路中被用于生成用于输出级的可控整流器的控制信号。
然而，在本发明的进一步的优选的实施例中，感测整流器还被用作为平均值整流器。因此，感测整流器的输出被连接到平均值滤波器。这有助于减少必需的元件的数量。
本发明进一步涉及用于无线电力传递装置的次级侧，其包括用于将通过磁场接收的电力转换成次级AC电力的次级谐振器和用于将次级AC电力转换成DC输出电力的输出级。根据本发明，次级侧包括：电流感测装置，其被适配为产生电流感测信号；电力传递控制器，其被适配为基于电流感测信号来控制无线电力传递；以及控制装置，其用于控制可控整流器，其中，电流感测装置包括电流感测设备，其被适配为通过感测从次级谐振器流动到输出级的AC电流来产生电流感测信号，并且其中控制装置被适配为基于电流感测信号来控制可控整流器。
根据本发明的用于如上面描述那样的无线电力传递装置的电流感测设备被适配为感测从无线电力传递装置的次级谐振器流动到无线电力传递装置的输出级的AC电流。
根据本发明的电流感测设备的优选的实施例呈现出上面提到的特征中的一个或多个。
在优选的实施例中，电流感测设备例如包括第一级电流感测设备和链接到第一级电流感测设备的输出的第二级电流感测设备。
本发明的关于用于无线电力传递的方法的解决方案由权利要求16的特征指定。方法包括如下步骤：
a)使用输入级将在初级侧的电力输入处接收的输入电力转换为初级AC电力，并且接收初级AC电力并且使用初级谐振器感应出磁场；
b)使用次级谐振器将通过磁场接收的电力转换为次级AC电力，并且使用具有可控整流器的输出级将次级AC电力转换为DC输出电力；
c)使用电流感测装置产生电流感测信号，并且使用电力传递控制器基于电流感测信号来控制电力传递，以及
d)使用控制装置来控制可控整流器。
根据本发明，方法进一步包括如下步骤：
e)通过使用电流感测设备感测从次级谐振器流动到输出级的AC电流来产生电流感测信号，以及
f)基于电流感测信号来控制可控整流器。
从下面的详细描述和全体权利要求中得出其它有利的实施例和特征的组合。
附图说明
用于解释实施例的附图示出：
图1是根据本发明的无线电力传递装置的示意性表示；
图2是用于根据本发明的无线电力传递装置的输入级的示意性表示；
图3是用于根据本发明的无线电力传递装置的初级谐振器的示意性表示；
图4是用于根据本发明的无线电力传递装置的次级谐振器的示意性表示；
图5是用于根据本发明的无线电力传递装置的输出级的示意性表示；
图6是用于根据本发明的无线电力传递装置的电流感测装置的示意性表示；
图7是用于根据本发明的无线电力传递装置的电流感测装置的更详细的示意性表示；
图8是用于根据本发明的无线电力传递装置的第一电流感测设备的示意性表示；
图9是用于产生用于控制无线电力传递的电流感测信号的电路的示意性表示；
图10是用于控制可控整流器的控制装置的示意性表示；
图11是用于产生用于控制无线电力传递的电流感测信号的组合电路和用于控制可控整流器的控制装置的示意性表示；以及
图12是图11中示出的组合电路的更详细的示意性表示。
在各图中，相同的组件被给予相同的参考标号。
具体实施方式
图1示出根据本发明的无线电力传递装置1的示意性表示。无线电力传递装置1包括初级侧2、次级侧3和电力传递控制器15。初级侧2包括输入级5，其用于将输入电力4转换成被馈送到初级谐振器6的AC初级输出电力7。初级谐振器6感应出磁场9以跨空气间隙8无线地传输电力。次级侧3包括次级谐振器10，其拾取磁场9并且将通过磁场9接收的电力转换为AC次级输出12。输出级11AC接收次级谐振器10的AC次级输出12，并且将AC次级输出12转换为DC次级输出13，该DC次级输出13然后被在无线电力传递装置1的输出处提供作为输出电力14。
控制器15控制从初级侧2经空气间隙8到次级侧3并且因此到连接到DC次级输出13的负载的电力传递，以便满足特定应用的要求。控制器15控制初级侧2以例如满足连接到输出级11的设备所需要的特定输出电力14。在其中负载包括例如要被由无线电力传递装置1充电的电池的情况下，控制器15可以例如从负载接收电力设定值，例如从负载电池的电池管理系统(BMS)接收电流设定值19。
由于次级侧以及负载/电池通常被布置在移动设备处、移动设备上或移动设备内，即在彼此附近，因此它们优选地经由有线通信链路彼此通信。为了避免不必要的布线，这样的通信链路优选地是有线总线通信系统。取决于特定的应用，可以使用任何合适的总线系统(标准化的或非标准化的)。这样的总线的示例是HIPPI(高性能并行接口)、IEEE-488、PC卡(PCMCIA)、CAN总线(控制器区域网络)、eSATA、ExpressCard、Fieldbus、IEEE1394接口(FireWire)、Lightning、RS-232、RS-485、Thunderbolt、USB(通用串行总线)或这些总线系统的任何前身、变型或后继的总线系统，并且可以使用任何其它已知的总线系统。进一步地，任何适当的通信协议可以被用于使用这些总线中的任何总线的通信。在车辆或自动化应用中，与CANopen协议组合的CAN总线系统被优选与本发明相关地使用。
无线电力传递装置1进一步包括电流感测装置18，其用于测量AC次级输出12，特别是用于测量从次级谐振器10流动到输出级11的电流。电流感测装置18向控制器15提供电流感测信号16，控制器15基于该电流感测信号16生成控制信号17以控制初级侧2以便感应出磁场9以满足所要求的输出电力14。
基于电流感测信号16和电流设定值19，控制器15确定用于初级侧2的控制信号17。控制器15例如被配置为通过计算电流设定值19和电流感测信号16的差来产生控制信号17。
无线电力传递装置1进一步包括用于控制输出级11、特别是用于控制AC次级输出12到DC次级输出13的转换的开关控制器20。该转换例如由可控整流器执行。在这样的配置中，可控整流器的一个或多个开关被由控制信号21控制，控制信号21是由开关控制器20提供给输出级11的。开关控制器20被适配为基于也从电流感测装置18馈送到开关控制器20的电流感测信号16来产生这些控制信号21。
虽然电力传递控制器15和开关控制器20被示出为分离的单元，但是它们也可以被实现为单个控制器单元。或者它们可以被(单独地或组合地)集成到图1中示出的任何单元中。两个控制器优选地是无线电力传递装置的次级侧的部分。每个控制器还可以被分成进一步的子单元以分离地控制例如初级中的频率和开关。每个控制器还可以执行无线电力传递装置的附加的控制功能或者甚至未示出的其它设备的功能。
输入级5例如包括用于将输入电力4转换成AC初级输出电力7的转换器装置。在AC输入电力4的情况下，转换器装置例如包括AC/DC级、DC链路和DC/AC逆变器。在这样的配置中，控制信号17例如通过提供用于切换逆变器的开关的控制信号17来包括用以控制输入级5的信号。
如上面概述的那样，电力传递控制器15通常被实现为次级侧的一部分，因此控制信号17将被传输到初级侧。在该示例中，控制信号17被借助于诸如例如蓝牙或WLAN的无线通信技术传输到初级侧。因此次级侧以及初级侧包括蓝牙或WLAN收发器以建立通信并且特别是传输控制信号17。
图2示出用于根据本发明的无线电力传递装置的输入级的示例性实施例的示意性表示。输入级被连接到提供AC输入电力36的AC电力源。AC/DC转换器35将AC输入电力36转换成固定的DC中间电力38'，其然后被由DC/DC转换器37转换成可变的DC中间电力38。固定的DC中间电力38'可以例如是800V下的电力并且可变的DC中间电力38可以例如是在0V和800V之间的DC电力，这取决于在次级处的实际电力需要。可变的DC中间电力38被馈送到逆变器39，其将可变的DC电力38转换成AC输出电力40。为了将可变的DC中间电力38转换成AC输出电力40，逆变器39包括在全桥配置中的四个可控开关41。软开关可以被用于逆变器39的高效工作，代替为了控制电压而在AC/DC转换器和DC/AC逆变器之间提供附加的DC/DC级，DC/AC逆变器可以被用于电压控制。然而，在这种情况下，软开关可能不再被用于切换DC/AC逆变器的开关。
在输出电力40处提供的电力的频率和量可以通过控制开关41的切换来控制，例如通过其中不仅可以控制脉冲的占空比而且可以控制脉冲的频率的PWM(脉冲宽度调制)来控制。
因此，为了控制电力传递，可以通过控制逆变器39的频率和/或在逆变器39的输入处的可变的DC中间电力38来控制频率。基于典型地借助于无线传输从次级侧接收的控制信号来完成对逆变器39的频率和/或可变的DC中间电力38的控制。输入级可以进一步包括控制器(未示出)以用于提供用于切换开关41的开关控制信号，其中开关控制信号是从接收自次级侧的控制信号得出的。
MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)经常被用作为在这样的转换器中的可控开关，并且还优选地被使用在本发明中。然而，可以使用其它类型和种类的可控开关，诸如其它晶体管、晶闸管或三端双向可控硅元件。
输入级不仅可以包括图2中示出的那些元件，而且通常还包括诸如滤波器等的进一步的元件以优化其工作。
一般地，不同类型的输入级可以被使用在初级侧中以用于在根据本发明的无线电力传递装置中使用，只要它将所提供的输入电力转换成可控AC输出电力即可。
图3示出用于根据本发明的无线电力传递装置的初级谐振器45的示意性表示。初级谐振器45可以例如被连接到诸如在图2中示出的输入级。因此，初级谐振器45在其输入处接收AC输入电力46。
初级谐振器45本质上包括具有串联连接的电阻器47、电容器48和线圈49的调谐电路。通过将AC电力施加到初级谐振器45的输入，初级谐振器45开始振荡，由此感应出被发射到谐振器周围的区域中的磁场。然而，磁场线的形状、走向和分布可能受某些措施影响。因此，提供一个或多个场引导元件(在此采用磁芯50的形式)以将磁场引导到如特定应用所期望的方向上。通常，修改磁场线以使得传递到磁场中的大部分能量可以被接收谐振器拾取以便减少或最小化损耗。
一般地，初级谐振器还可以包括进一步的或更少的元件，并且其元件中的一些或全部也可以被并联连接以形成用于生成用于电力传输的磁场的谐振电路。
图4示出用于根据本发明的无线电力传递装置的次级谐振器的示意性表示。次级谐振器55可以例如被用于拾取由诸如图3中示出的初级谐振器45生成的磁场。
次级谐振器55主要对应于初级谐振器45。它本质上还包括具有串联连接的电阻器57、电容器58和线圈59的调谐电路。通过将次级谐振器55适当地布置在由初级谐振器45产生的磁场内，次级谐振器55可以拾取经由磁场传递的能量并且将该能量转换为在其输出处提供的AC输出电力56。为了从磁场中拾取尽可能多的能量(即尽可能多的磁场线)，次级谐振器55还包括一个或多个通量引导元件(在此也采用磁芯60的形式)。
再次地，次级谐振器还可以包括进一步的或更少的元件，并且其元件中的一些或全部还可以被并联连接以形成用于拾取磁场的谐振电路。
图5示出用于在根据本发明的无线电力传递装置中使用的输出级的示意性表示。
输出级包括AC/DC转换器65，其被连接到诸如例如在图4中示出的次级谐振器55的次级谐振器的输出。AC/DC转换器65将在其输入处接收的AC电力66转换成在其输出处提供的DC输出电力70。AC电力66例如包括流动到AC/DC转换器65中的电流74。在本发明的该实施例中，AC/DC转换器包括具有全桥配置中的四个开关71的同步整流器67，接着是用以对DC输出电力70进行整形的体电容器68和输出滤波器69。AC/DC转换器65还可以包括在图10中未示出的进一步的元件。因此，DC输出电力70提供在特定DC电压下的DC电流。
在该示例中，输出级还被示出为包括电流感测装置78和接收电流设定值79的控制器75。电流感测装置78确定电流74并且向控制器75提供电流感测信号76。在该实施例中的控制器75是组合控制器。其不仅生成被馈送到无线电力传递装置的初级侧以便控制装置的电力传递的控制信号77，其中控制信号77例如是通过计算电流设定值79与电流感测信号76的差来确定的。控制器还生成用于控制将AC电力66转换成DC输出电力70的AC/DC转换器65的控制信号72、73。因此，控制信号77以及控制信号72、73由控制器75在考虑由电流感测装置78提供的电流感测信号76的情况下生成。
开关71是使用FET(场效应晶体管)实现的，其中当然还可以使用诸如其它晶体管的其它开关。控制信号72、73被馈送到开关71的栅极。如在图5中示出那样，控制信号72被馈送到整流器67的左上的以及右下的开关71的控制输入，并且另一控制信号73被馈送到整流器67的右上的和左下的开关71的控制输入。因此并且如本领域中已知的那样，呈对角线布置的开关由相同的控制信号来控制。
一般地，不同类型的转换器可以被用于将由次级谐振器提供的AC输入转换成DC输出。DC输出还可以如特定应用所要求的那样逐步上升或下降。并且还将可能的是再次将DC输出转换为具有如特定应用所要求的给定特征的AC输出。
图6示出用于根据本发明的无线电力传递装置的电流感测装置118的示意性表示。电流感测装置118是具有第一级电流感测设备101和第二级电流感测设备102的两级电流感测装置118。第一级电流感测设备101感测在导体103中流动的电流104，并且提供表示电流104的输出信号。在这种情况下，第一级电流感测设备101提供表示电流104的输出电流114。然后第二级电流感测设备102感测第一级电流感测设备101的输出电流114，并且提供表示电流114并且因此还表示电流104的输出信号。在这种情况下，第二级电流感测设备102提供表示电流114以及由此还表示电流104的输出电压115。
第一级电流感测设备101以及第二级电流感测设备102通常被适配为提供与所感测的电流成比例的输出信号。在这种情况下，电流114因此与电流104成比例，并且电压115与电流114成比例，由此电压115也与电流104成比例。
图7示出用于根据本发明的无线电力传递装置的电流感测装置128的更详细的示意性表示。在该示例中，电流感测装置128再次地是两级电流感测装置128，其中第一级电流感测设备是电流变换器121，并且其中第二级电流感测设备也是电流变换器122。
第一级电流变换器121感测在导体123中流动的电流124，并且提供与电流124成比例的输出电流134。第一级电流变换器121包括闭环磁芯125，其中导体123被通过闭环磁芯125馈送以形成第一级电流变换器121的初级绕组。在导体123中流动的电流124由此在磁芯125内感应出磁通量。第一级电流变换器121进一步包括被围绕闭环磁芯125卷绕的次级绕组126，并且其中次级绕组126的端部被彼此连接。因此，在磁芯125内流动的磁通量感应出流过次级绕组126的电流134。
在该示例中第二级电流变换器122相当类似于第一级电流变换器121。第二级电流变换器122感测在导体中流动的电流并且提供与所感测的电流成比例的输出电流。
第二级电流变换器122包括闭环磁芯135，其中第一级电流变换器121的次级绕组126被通过闭环磁芯135馈送以形成第二级电流变换器122的初级绕组。在次级绕组126中流动的电流134由此在磁芯135内感应出磁通量。第二级电流变换器122进一步包括被围绕闭环磁芯135卷绕的次级绕组136，并且其中次级绕组136的端部被连接到电阻器139的端部。因此，在磁芯135内流动的磁通量感应出流过次级绕组136和电阻器139的电流144。因此，第二级电流变换器122感测在次级绕组126中流动的电流134，并且提供与电流134成比例的输出电流144。并且由于电流134与在导体123中流动的电流124成比例，因此电流144还与电流124成比例。电流感测装置128的输出可以是电流144或者其还可以是跨电阻器139的电压。进一步地，电流感测装置128的输出还可以被提供为跨连接在次级绕组136的端部之间的电容器的电压。在另一示例中次级绕组136的端部可以被提供为电流感测装置128对后续电路的输出。
闭环磁芯125以及闭环磁芯135在图7中被示出为环形芯，特别是超环面芯。然而，磁芯既不必须彼此相同也不必须是环形芯。闭环磁芯可以具有任何形状，只要它们允许磁通量在芯内流通即可。因此，还可以使用矩形芯。并且芯可以被实现为具有或不具有诸如例如在图8中示出的空气间隙。
图8示出在根据本发明的无线电力传递装置中使用的第一级电流变换器158的示意性表示。电流变换器158例如被用作为用于在本发明中使用的第一级电流感测设备。
电流变换器158因此被适配为感测在根据本发明的无线电力传递装置的次级侧的导体中流动的电流，特别是在承载从次级谐振器流动到输出级的电流的导体中流动的电流。在这样的无线电力传递装置中，从次级谐振器流动到输出级的电流通常是高电流，因此该导体经常被实现为箔导体153。图8示出箔导体153的横截面，因此在箔导体中流动的电流垂直于附图平面流动。
电流变换器158的磁芯包括两个棒155.1、155.2，其中第一棒155.1被布置在箔导体153的上侧上，并且其中第二棒155.2被布置在箔导体153的下侧上。棒155.1、155.2这两者都被示出为平行于附图平面布置，这意味着它们被布置成垂直于箔导体153的纵向方向。
棒155.1、155.2这两者都比箔导体153的宽度长以使得在箔导体153的两侧上在两个棒155.1、155.2的端部之间产生空气间隙157。
因此，箔导体形成电流变换器158的初级绕组。次级绕组156由围绕第一棒155.1卷绕的第一线圈156.1和围绕第二棒155.2卷绕的第二线圈156.2形成，其中第一线圈156.1和第二线圈156.2被彼此连接或者甚至使用单根布线卷绕在棒155.1、155.2上。第一线圈156.1和第二线圈156.2被围绕棒155.1、155.2卷绕以使得在这些线圈中感应的电流相加。
而电流变换器158的初级绕组即箔导体153包括单匝，次级绕组156被示出为包括24匝，其中第一线圈156.1包括一半的匝并且其中第二线圈156.2包括一半的匝。因此，电流变换器158具有大约24:1的转换比。
为了在电流感测装置具有电流变换器158作为其第一级电流感测设备的情况下达到大约5000:1的总转换比，第二级电流感测设备必须具有大约208:1的转换比。第二级电流感测设备可以例如是如在图7中示出的电流传感器的电流传感器，在次级中具有大约210匝。
图9示出用于产生用于控制无线电力传递的电流感测信号的电路160的示意性表示。电路160包括整流器161和连接到整流器161的输出的滤波器162。整流器161接收感测的电流信号163。整流器161例如被连接到如在图6或图7中示出的电流感测装置的输出，其中感测的电流信号163可以采用电流或电压的形式。
感测的电流信号163被提供为馈送到整流器161的电流。
整流器161的整流输出被馈送到滤波器162以用于对整流器输出进行平滑和/或滤波，以便在滤波器输出处提供感测的电流信号163的平均值。整流器161例如包括简单的四二极管全桥整流器，并且滤波器162例如包括具有电阻器和电容器的串联电路的RC滤波器，其中跨电容器提供平均值。因此该平均值表示从次级谐振器流动到输出级的电流，并且被指定为电流感测信号167。该电流感测信号然后可以被馈送到控制器以用于控制根据本发明的电力传递装置的电力传递。
图10示出用于控制输出级的可控整流器的控制装置170的示意性表示。控制装置170包括整流器171、第一比较器174、第二比较器175和逻辑电路176。
整流器171接收再次被提供为电流的感测的电流信号173。整流器171例如被连接到如在图6或图7中示出的电流感测装置的输出，这与如图9中示出的整流器161类似。
第一比较器174被连接到整流器171的输出，并且将整流输出与阈值进行比较，以提供表示感测的电流信号173的水平的指定的输出信号。如果整流器输出高于特定的电压水平，则第一比较器174例如在其输出处提供高信号。或者，如果整流器输出高于该电压水平，则第一比较器174在其输出处提供低信号。
感测的电流信号173还被馈送到第二比较器175，其将感测的电流信号173与另一阈值进行比较，以确定感测的电流信号173当前是在其负半波中还是在其正半波中。如果感测的电流信号173在其负半波中则第二比较器175例如在其输出处提供高信号，并且如果感测的电流信号173在其正半波中则第二比较器175在其输出处提供低信号，或者反之亦然。
然后，将每个比较器174和175的输出馈送到逻辑电路176，该逻辑电路176然后产生用于控制根据本发明的无线电力传递装置的次级侧的输出级中的可控整流器的开关的控制信号177。
因此，第一比较器174确定开关在哪个角度下被接通和关断，并且第二比较器175确定可控整流器的哪些开关将被接通和关断。在全桥整流器的情况下，第二比较器确定开关的哪个对角线将被接通和关断。
图11示出用于产生用于控制无线电力传递并且用于控制可控整流器的电流感测信号的控制电路180的示意性表示。控制电路是图9中示出的电路160和图10中示出的控制装置170的组合，其中控制电路180只包括用于两个电路的公共整流器。
控制电路180包括单个整流器181和用于对整流器181的输出进行平滑和滤波的滤波器182。整流器181接收如与图9有关地描述的感测的电流信号183。然后，感测的电流信号183被由整流器181整流并且被由滤波器182滤波，以便在滤波器输出处提供电流感测信号187。电流感测信号187然后可以被馈送到控制器以用于控制根据本发明的电力传递装置的电力传递。
进一步地，控制电路180包括第一比较器184、第二比较器185和逻辑电路186。类似于图10中示出的控制电路170，第一比较器184确定开关在哪个角度下被接通和关断，并且第二比较器185确定可控整流器的哪些开关将被接通和关断。并且逻辑电路186产生用于次级侧的输出级中的可控整流器的开关的控制信号188。
图12示出在图11中示出的组合电路180的更详细的示意性表示。感测的电流信号183被以电流的形式馈送到整流器181。在该示例中，整流器181是具有全桥配置中的四个二极管的简单的二极管整流器。整流器181的输出被馈送到滤波器182，该滤波器182是RC滤波器，具有电阻器182.1和跨整流器181的输出端子连接的电容器182.2的串联电路。电阻器还可以被分成连接在电容器182.2的两侧上的两个电阻器。跨滤波器182的电压对应于感测的电流信号183的平均值，并且因此还对应于从次级谐振器流动到电力传输装置的输出级的感测的AC电流。跨滤波器182的该平均值输出形成电流感测信号187，其被馈送到电力传输装置的控制器以使得能够基于所感测的AC电流来控制所传递的电力。
组合电路180还可以包括连接到滤波器182的输出的附加的缩放元件，以便为电力传输控制器提供具有合适水平的电流感测信号187。这样的缩放级可以包括例如差分放大器以将电流感测信号187与合适的因子相乘，使得电流感测信号187满足关于控制器输入的要求。
组合电路180进一步包括被跨整流器181的输出连接以确定整流器输出电压的分流器189。分流器189的正端子192被连接到第一比较器184的反相端子，并且参考电压194被连接到比较器184的非反相端子。因此当比较器184的反相端子处的电压变得高于比较器184的非反相端子处的电压时比较器184的输出196变为低，并且否则其为高。
附加的元件可以被连接到比较器184的一个或两个端子或者被连接在分流器189的端子或去往比较器184的输入端子的参考电压194的端子的连接线内，以确保比较器输入信号具有适当的水平以对于彼此来说是合适地可对比的。例如，可以在分流器189的正端子192到比较器184的反相端子的连接线中提供电阻器。并且可以例如由合适的电压源来提供参考电压194。或者，可以使用从比较器184的供给电压到地(例如分流器189的负端子193)的分压器来生成参考电压194。
由于第一比较器184确定输出级中的可控整流器的开关的接通时间和关断时间，因此比较器184的输出指示在哪些时间感测的电流信号183的整流电压值高于给定的阈值。附加的电路因此被选取为使得比较器184的输出196在感测的电流信号183变高(即高于阈值)时变为低并且其在感测的电流信号183变低(即落到阈值之下)时变为高。因此，分流器189的正端子例如被经由电阻器直接馈送到比较器184的反相端子，但是在分流器189的负端子与比较器184的非反相端子之间提供分压器以合适地调整阈值。阈值的选择直接影响开关的导通角度。因此，依赖于应用和诸如比较器的其它元件的选择来选取附加的电路的元件的特定值。于是它们被选取以便实现合理的导通角度，例如大约170°的导通角度。
感测的电流信号183被作为流动到组合电路180中的电流而提供给组合电路180。正输入端子190被馈送到比较器185的非反相端子，并且负输入端子191被馈送到比较器185的反相端子。因此，当比较器184的非反相端子处的电压变得高于比较器184的反相端子处的电压时，比较器185的输出197变为低，并且否则其为高。
再次地，附加的元件可以被连接到比较器185的一个或两个输入或者被连接在从正输入端子190或从负输入端子191到比较器185的输入端子的连接线内，以确保两个比较器输入信号具有适当的水平以对于彼此来说是合适地可对比的。例如，电阻器可以被提供在正端子190和/或负端子191到比较器185的输入端子的连接线中，或者分压器可以被提供在供给电压与端子190、191之一或两者之间以在合适的用于比较的水平下向比较器184提供输入信号。
第二比较器185确定可控整流器的哪些开关要被接通和关断。因此其被适配为通过直接将非反相端子处的电压和反相端子处的电压彼此进行比较来检测输入信号的跨零。
因此选取附加的电路以使得当感测的电流信号183变成正时比较器185的输出197变为高并且使得当感测的电流信号183变成负时比较器185的输出197变为低。因此，两个一般相同的分压器被用于将输入端子190、191馈送到比较器185的端子，可能地具有小的在分压上的小的差异以使得能够实现滞后和/或直到比较器185的输出水平改变为止的小的延迟。
逻辑电路186组合两个比较器184、185的输出196、197以提供控制信号188.1、188.2。逻辑电路186典型地包括多个逻辑门，这些逻辑门优选地被选取为是相同的。在图12的示例中，逻辑电路186包括三个或非(NOR)门186.1、186.2、186.3。
第一或非门186.1接收两个第二比较器185输出197，并且因此如果第二比较器185的输出197为高则提供低输出198，并且如果第二比较器185的输出197为低则其提供高输出198。
第二或非门186.2接收第一或非门186.1的输出和第一比较器184的输出196，并且因此如果第一或非门186.1的输出和第一比较器184的输出196这两者都为低则提供高输出188.1，并且否则其提供低输出188.1。
第三或非门186.2接收第一比较器184的输出196的输出和第二比较器185的输出197。因此，如果第一比较器184的输出196和第二比较器185的输出197这两者都为低，则其提供高输出188.2，并且否则其提供低输出188.2。例如，控制信号188.1被用于控制如在图5中示出的同步全桥电力整流器的第一对角线，并且控制信号188.2被用于控制这样的同步全桥电力整流器的第二对角线，其中第一对角线包括同步全桥电力整流器的左上的和右下的开关，并且第二对角线包括同步全桥电力整流器的右上的和左下的开关。
这得到用于控制信号188.1、188.2的以下的真值表：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
V183由此指定感测的电流信号183的电压，并且V189指定跨分流器189的电压，其中与V189有关的"高"意味着V189高于阈值，并且其中"低"意味着V189低于阈值。
控制信号188.1、188.2的"低"值意味着对应的开关被关断，并且"高"值意味着它们被接通。"高"值例如对应于比较器的正的供给电压，并且"低"值例如对应于比较器的负的供给电压。
如对于本领域技术人员而言清楚的那样，比较器中的一个或两者还可以被以不同的方式分别地连接到电流传感器输出或感测整流器输出，以使得它们的输出信号被反相。在这样的情况下，逻辑电路因此被适配成为整流器开关递送适当的控制信号。
总之，要注意的是，本发明使得能够创建具有增强的同步整流器控制的无线电力传递装置，造成更少的开关错误和降低的损耗，由此还具有减少的数量的元件，因为诸如电力传递控制器以及同步整流器控制器的一些模块利用了诸如感测整流器的公共元件。

Claims (15)

1.一种用于通过感应耦合从初级侧(2)跨空气间隙(8)到次级侧(3)的无线电力传递的无线电力传递装置(1)，其中
a)初级侧(2)包括用于接收输入电力(4)的电力输入、用于将输入电力(4)转换成初级AC电力(7)的输入级(5)、以及用于接收初级AC电力(7)并且感应出磁场(9)的初级谐振器(6)，
b)次级侧(3)包括用于将通过磁场(9)接收的电力转换成次级AC电力(12)的次级谐振器(10)、以及用于将次级AC电力(12)转换成DC输出电力(13)的输出级(11)，
c)输出级(11)包括用于将次级AC电力(12)转换为DC输出电力(13)的可控整流器(67)，
d)无线电力传递装置(1)包括
-电流感测装置(18)，其被适配为产生电流感测信号(16)，
-电力传递控制器(15)，其被适配为基于电流感测信号(16)来控制无线电力传递，以及
-控制装置(20)，用于控制可控整流器(67)，
其特征在于：
电流感测装置(18)包括电流感测设备，其被适配为通过感测从次级谐振器(10)流动到输出级(11)的AC电流来产生电流感测信号(16)，并且控制装置(20)被适配为基于电流感测信号(16)来控制可控整流器(67)。
2.根据权利要求1所述的无线电力传递装置，其中电流感测设备(118)包括第一级电流感测设备(101)和链接到第一级电流感测设备(101)的输出的第二级电流感测设备(102)。
3.根据权利要求2所述的无线电力传递装置，其中，第一级电流感测设备包括具有在10:1和80:1之间、优选地在15:1和50:1之间并且甚至更优选地在20:1和30:1之间的第一转换比的第一电流变换器(121)，并且其中，第二级电流感测设备包括具有在20:1和600:1之间、优选地在100:1和300:1之间并且更优选地在150:1和250:1之间的第二转换比的第二电流变换器(122)，其中，第一转换比和第二转换比被选取为使得电流感测设备具有在100:1和30000:1之间、优选地在500:1和15000:1之间并且更优选地在2000:1和10000:1之间的总转换比。
4.根据权利要求3所述的无线电力传递装置，其中第一电流变换器(158)包括磁芯和次级绕组(156)，其中磁芯包括具有高磁导率的材料的两个棒(155.1，155.2)，具有高磁导率的材料例如为铁氧体，所述两个棒(155.1，155.2)被平行地布置并且被布置在承载从次级谐振器流动到输出级的AC电流的导体(153)的不同的侧上，以使得导体(153)形成第一电流变换器(158)的初级绕组，并且其中次级绕组(156)包括卷绕在第一棒(155.1)上的第一绕组部分(156.1)和卷绕在第二棒(155.2)上并且被连接到第一绕组部分(156.1)的第二绕组部分(156.2)，其中导体(153)优选地包括箔导体。
5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的无线电力传递装置，其中控制装置包括：第一比较器(174)，用于感测电流感测信号的水平；第二比较器(175)，用于感测电流感测信号的方向；以及逻辑电路(176)，其被适配为组合第一比较器(174)的输出和第二比较器(175)的输出以提供用于控制可控整流器的一个或多个控制信号(177)。
6.根据权利要求5所述的无线电力传递装置，其中电流感测装置包括用于对电流感测信号(173)进行整流的感测整流器(171)，其中第一比较器(174)被跨分流器连接，分流器被跨感测整流器(171)的输出连接，并且其中第二比较器(175)被跨感测整流器(171)的输入连接。
7.根据权利要求5至6中的任何一项所述的无线电力传递装置，其中可控整流器(67)包括多个可控开关(71)，并且其中逻辑电路(186)被适配成为可控整流器的开关(71)的第一子集提供第一控制信号(188.1)并且为可控整流器的开关(71)的第二子集提供第二控制信号(188.2)。
8.根据权利要求5至7中的任何一项所述的无线电力传递装置，其中第一比较器被适配为如果从次级谐振器流动到输出级的AC电流为高则提供低信号，并且被适配为如果从次级谐振器流动到输出级的AC电流为低则提供高信号。
9.根据权利要求5至8中的任何一项所述的无线电力传递装置，其中，第二比较器(184)被适配为如果从次级谐振器流动到输出级的AC电流为正则提供高信号，并且被适配为如果从次级谐振器流动到输出级的AC电流为负则提供低信号。
10.根据权利要求5至9中的任何一项所述的无线电力传递装置，其中，逻辑电路(186)被适配为提供第一控制信号(188.1)以用于如果从次级谐振器流动到输出级的AC电流为正并且高于阈值则接通开关的第一子集并且关断开关的第二子集，被适配为提供第二控制信号(188.2)以用于如果从次级谐振器流动到输出级的AC电流为负并且高于阈值则接通开关的第二子集并且关断开关的第一子集，以及被适配为提供第一控制信号和第二控制信号以用于否则关断开关的第一子集和开关的第二子集。
11.根据权利要求1至10中的任何一项所述的无线电力传递装置，其中电流感测装置包括平均值装置，平均值装置被连接到电流感测设备以用于产生电流感测信号(183)的平均值(187)，并且其中电力传递控制器被适配为基于平均值(187)来控制无线电力传递。
12.根据权利要求11所述的无线电力传递装置，其中平均值装置包括用于对电流感测信号(183)进行整流的平均值整流器(181)和被连接到感测整流器(181)的输出的平均值滤波器(182)，其中在平均值滤波器(182)的输出处提供平均值(187)。
13.一种用于根据权利要求1至12中的任何一项所述的无线电力传递装置的次级侧，其中，次级侧包括
-电流感测装置，其被适配为产生电流感测信号，
-电力传递控制器，其被适配为基于电流感测信号来控制无线电力传递，以及
-控制装置，用于控制可控整流器，
其中，电流感测装置包括电流感测设备，电流感测设备被适配为通过感测从次级谐振器流动到输出级的AC电流来产生电流感测信号，并且控制装置被适配为基于电流感测信号来控制可控整流器。
14.一种用于根据权利要求1至12中的任何一项所述的无线电力传递装置的电流感测设备，被适配为感测从无线电力传递装置的次级谐振器流动到无线电力传递装置的输出级的AC电流。
15.一种用于通过感应耦合从初级侧(2)跨空气间隙(8)到次级侧(3)的无线电力传递的方法，包括
a)使用输入级(5)将在初级侧的电力输入处接收的输入电力(4)转换为初级AC电力(7)，并且接收初级AC电力(7)并且使用初级谐振器(6)感应出磁场(9)，
b)使用次级谐振器(10)将通过磁场(9)接收的电力转换成次级AC电力(12)，并且使用具有可控整流器的输出级(11)将次级AC电力(12)转换成DC输出电力(13)，
c)使用电流感测装置(18)产生电流感测信号(16)并且使用电力传递控制器基于电流感测信号(16)来控制电力传递，以及
d)使用控制装置(20)来控制可控整流器，
其特征在于如下步骤：
e)通过使用电流感测设备(18)感测从次级谐振器(10)流动到输出级(11)的AC电流(12)来产生电流感测信号(16)，以及
f)基于电流感测信号(16)来控制可控整流器。
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