CN112534678A - 无线电力传输系统中的安全运行 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线电力传输系统的安全运行。无线电力传输系统的移动侧电路包括感应耦合至所述无线电力传输系统的固定侧谐振电路(18)的移动侧谐振电路(26)。移动侧控制电路(40)适于在移动侧电路(24)中出现故障状态时改变移动侧整流器(32)的运行模式。本发明确保了所述无线电力传输系统的安全运行，同时有效地避免了在移动侧出现故障状态时对移动侧电路的损坏。
Description
技术领域
本发明涉及无线电力传输系统的安全运行，并且特别地涉及无线电力传输系统的移动侧电路，其中移动侧整流器中的电路拓扑在移动侧电路中出现故障状态时是可动态配置的；本发明还涉及使用移动侧电路的无线电力传输系统，以及移动侧电路和无线电力传输系统的相关运行方法。
背景技术
与电缆连接系统相比，无线电力传输系统(也称为感应电力传输系统)具有巨大的优势。由于技术的进步，用于例如移动电池的充电的无线电力传输系统越来越受到关注。
通常，无线电力传输系统由固定侧电路和移动侧电路组成。固定侧电路具有开关模式电子电路，开关模式电子电路充当固定侧谐振电路的固定激励单元，其中固定侧谐振电路由至少一个电容器和传输线圈组成。在移动侧电路处，在移动侧谐振电路中感应出电压和电流。无源或有源整流器直接为电池或移动能源系统供电，其中移动能源系统由多个负载组成，例如，DC/DC转换器以及能量存储设备如电池、超级电容器(Supercap)和/或超电容(Ultracap)。
图1示出了如本领域中已知的使用串联-串联补偿的无线电力传输系统的示意图。
如图1所示，可以在无线电力传输系统中使用串联-串联补偿技术。对于固定侧电路，提供了向固定侧谐振电路2供电的固定激励单元1。在移动侧电路中，桥式整流器4将接收到的、由移动侧谐振电路3输出的AC信号转换为DC输出电压和电流。将整流器4的输出与平滑电容器和负载6并联连接，其中负载6可以是电池或任何其它消费品设备或存储设备。通常，提供了开关元件5，用以在移动侧电路中出现故障状态时保护负载6。
然而，开关元件5的断开或导致移动侧电路上开路的任何其它事件可能导致移动侧谐振电路的输出侧的过电压，因为固定电源仍然继续向移动侧谐振电路提供能量。这可能导致损坏移动侧电子设备。为了避免损坏移动侧电子设备，需要在出现移动侧故障状态时无时延地保护移动侧电路。
为了解决该问题，在US-A-6,037,745中提出了使移动侧谐振电路短路而不使移动侧电池或能量存储设备短路的方案。对于串联-串联补偿拓扑，这可以看作是现有技术。然而，使移动侧谐振电路短路会中断对电池的电力供应，但不会中断移动侧谐振电路中的电流。鉴于此，在EP 2 903 852 B1中建议使移动侧谐振电路短路并检测固定侧上的短路，以中断来自固定侧谐振电路的电力供应。
图2示出了对于串联-串联补偿的感应电力传输系统，在建立了移动侧电路的移动侧谐振电路短路之后的电压和电流波形。
如图2所示，如上所述的使移动侧谐振电路短路导致移动侧谐振电路突然出现非常硬的阶跃响应，从而导致电力传输线圈以及谐振电容器中的非常高的电流和极高的电压峰值。这可能会导致这些部件中的隔离故障，或者由于高电流而导致短路开关损坏或性能下降。
同样如图2所示，突然的电压阶跃产生极高的电流，所述电流几乎达到初始稳态电流的四倍。这导致传输线圈以及谐振电容器中出现非常高的电压。另一方面，使MOSFET电路短路面临很高的电流应力。
发明内容
鉴于以上所述，本发明的目的是确保无线电力传输系统的安全运行，同时有效地避免在移动侧出现故障状态时对移动侧电路的损坏。
根据本发明的第一方面，该目的通过无线电力传输系统的移动侧电路来实现。该移动侧电路包括：感应耦合至所述无线电力传输系统的固定侧谐振电路的移动侧谐振电路；适于在所述移动侧电路的无故障运行期间以第一运行模式运行的移动侧整流器，其中所述第一运行模式是半桥整流模式或全桥整流模式；以及能量存储电路，所述能量存储电路与移动侧整流器的输出端子并联连接并且适于对移动侧整流器的输出进行平滑。此外，移动侧控制电路适于控制与移动侧整流器的至少一个整流元件并联连接的至少一个开关元件，以在移动侧电路发生故障时将移动侧整流器的第一运行模式改变为第二运行模式。根据本发明，所述第二运行模式不同于所述第一运行模式，并且所述第二运行模式选自半桥模式、全桥模式、具有或没有极性反转的DC模式以及反相模式，其中在DC模式下，将能量存储电路两端的电压切换至移动侧整流器的输入侧，而在反相模式下，将移动侧整流器的输入电压和输入电流根据预定的相移相对于彼此进行相移。
根据本发明的第二方面，该目的通过包括根据第一方面的移动侧电路的无线电力传输系统来实现。所述无线电力传输系统进一步包括：固定侧激励单元，其适于激励固定侧谐振电路以将无线电力传输到移动侧电路；以及固定侧控制器。固定侧控制器适于控制固定激励单元的运行，监测到移动侧电路的电力输送，并且在传输到移动侧电路的电量变化超过预定阈值时，中断无线电力传输。
根据本发明的第三方面，该目的通过运行根据本发明的第一方面所述的移动侧电路的方法来实现，所述方法包括以下步骤：在移动侧电路的无故障运行期间，使移动侧整流器以半桥整流模式或全桥整流模式的运行模式运行；以及在移动侧电路中出现故障状态时，控制与移动侧整流器的至少一个整流元件并联连接的至少一个开关元件，以将移动侧整流器的第一运行模式改变为第二运行模式。这里，所述第二运行模式不同于所述第一运行模式，并且所述第二运行模式选自半桥模式、全桥模式、具有或没有极性反转的DC模式以及反相模式，其中在DC模式下，将能量存储电路两端的电压切换至移动侧整流器的输入侧，而在反相模式下，将移动侧整流器的输入电压和输入电流根据预定的范围相对于彼此进行移位。
根据本发明的第四方面，该目的通过运行根据本发明的第二方面所述的无线电力传输系统的方法来实现，所述方法包括监测到移动侧电路的电力传输的步骤，以及在传输到移动侧电路的电量变化超过预定阈值时，中断无线电力传输的步骤。
附图说明
将参照附图描述本发明的以下实施例，其中：
图1示出了如本领域中已知的使用串联-串联补偿的无线电力传输系统的示意图；
图2示出了对于串联-串联补偿的感应电力传输系统，在建立了移动侧电路的移动侧谐振电路短路之后的电压和电流波形；
图3示出了根据本发明的使用串联-串联补偿的无线电力传输系统的示意图；
图4示出了根据本发明的无线电力传输系统的移动侧电路的运行流程图；
图5示出了根据本发明的无线电力传输系统的固定侧电路的运行流程图；
图6示出了第一示例：根据本发明的第一实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为半桥模式，以及从半桥模式改变为全桥模式；
图7示出了第二示例：根据本发明的第一实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为半桥模式，以及从半桥模式改变为全桥模式；
图8示出了第三示例：根据本发明的第一实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为半桥模式，以及从半桥模式改变为全桥模式；
图9示出了第四示例：根据本发明的第一实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为半桥模式，以及从半桥模式改变为全桥模式；
图10示出了根据本发明的第一实施例，在将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为半桥模式以及从半桥模式改变为全桥模式时，固定侧电路和移动侧电路的电压和电流信号图；
图11示出了根据本发明的第一实施例，在将移动侧整流器的运行模式从半桥模式改变为全桥模式以及从全桥模式改变为半桥模式时，固定侧电路和移动侧电路的电压和电流信号图；
图12示出了第一示例：根据本发明的第二实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为没有极性反转的DC模式，以及从没有极性反转的DC模式改变为全桥模式；
图13示出了如图12所示的移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为没有极性反转的DC模式的等效示意图；
图14示出了第二示例：根据本发明的第二实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为具有极性反转的DC模式，以及从具有极性反转的DC模式改变为全桥模式；
图15示出了如图14所示的移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为具有极性反转的DC模式的等效示意图；
图16示出了如下示例：根据本发明的第三实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为反相模式，以及从反相模式改变为全桥模式；
图17示出了对于到移动侧整流器的输入电流的负周期，如图16所示的移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为反相模式的等效示意图；
图18示出了对于到移动侧整流器的输入电流的正周期，如图16所示的移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为反相模式的等效示意图；以及
图19示出了如下示例：根据本发明的第四实施例，在移动侧发生故障时，将移动侧整流器的运行模式从半桥模式改变为没有极性反转的DC模式，以及从没有极性反转的DC模式改变为半桥模式。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细说明本发明。在此，应该理解，这样的解释仅与本发明的示例有关，而不绑定于权利要求所限定的本发明的范围。当提到特定的电路部件时，其被认为是用于底层功能的示例，只要实现相同的功能，这些电路部件就可以明显地互换。
图3示出了根据本发明的使用串联-串联补偿的无线电力传输系统10的示意图。
如图3所示，感应电力传输系统10具有固定侧电路12，固定侧电路12包括固定侧DC/AC转换器14、固定侧控制器16、以及由至少一个固定侧电容器20和至少一个固定侧发射器线圈22构成的固定侧谐振电路18。
在操作上，固定侧DC/AC转换器14适于激发固定侧谐振电路18，以在无线电力传输期间产生振荡磁场。此外，在操作上，固定侧控制器16适于测量固定侧高频电流以及可选地测量固定侧高频电压，以控制初级侧DC/AC转换器14。更进一步，在操作上，固定侧控制器16可选地适于测量从无线电力传输系统10的固定侧电路12无线传输到移动侧电路24的电量。
如图3所示，无线电力传输系统10还具有与固定侧电路12分开的至少一个移动侧电路24。
如图3所示，移动侧电路24包括移动侧谐振电路26，移动侧谐振电路26由与至少一个移动侧电容器30串联连接的至少一个接收器线圈28构成。移动侧电路24还包括移动侧整流器32。在输入侧，移动侧整流器32连接到移动侧谐振电路26，而在输出侧，移动侧整流器32连接到能量存储电路34。能量存储电路34(例如，电容器)通过开关36连接到负载38。移动侧电路24包括适于控制移动侧整流器32的移动侧控制器40。
如图3所示，移动侧电路还可以包括移动侧故障检测器42，移动侧故障检测器42适于检测在移动侧电路24出现的故障状态，并且耦合至移动侧控制器40。可选地，移动侧控制器40可以包括适于向固定侧控制器16指示故障状态的出现的移动侧通信接口46。
在操作上，当置于由发射器线圈22产生的磁场中时，接收器线圈28通过感应耦合接收由发射器线圈22发射的能量。感应耦合导致在移动侧谐振电路26中产生移动侧高频电压和移动侧高频电流。
在操作上，移动侧整流器32适于在移动侧控制器40的控制下将移动侧高频电压和移动侧高频电流转换为移动侧整流电压，用以随后通过能量存储电路34进行平滑。另外，在操作上，移动侧整流器32输出移动侧直流电，以通过开关36将其提供给负载38。
在操作上，作为选择，移动侧控制器40可适于测量移动侧高频电流并测量移动侧高频电压作为移动侧整流器32的输入。此外，移动侧控制器40适于测量移动侧直流电和/或移动侧DC电压，并处理所生成的测量结果以控制移动侧整流器32。
如图3所示，根据本发明，在固定侧电路12与移动侧电路24之间提供无线通信链路44是一种选择。在这种情况下，固定侧控制器16包括第一通信接口48，并且移动侧控制器40包括第二通信接口46。应当注意，根据本发明，关于为无线通信链路44实施的无线通信的类型没有限制，其可以依赖于，例如，IrDa标准，或者可替代地依赖于蓝牙WiFi、WLAN等。
一般来说，无线电力传输系统的移动侧上的整流器通常使用由至少两个整流元件(例如，由移动侧控制器40控制的二极管或有源开关元件)构成的全桥或半桥整流器来实现整流功能。
在最一般的意义上，根据本发明，建议在发生故障时提供对移动侧整流器32中的至少整流元件进行旁路或短路的选择。如以下将更详细解释的，这允许将移动侧整流器32的运行模式改变为选自以下的一种运行模式：
·半桥模式；
·全桥模式；
·没有极性反转的DC模式，其中将能量存储电路34两端的电压切换至移动侧整流器32的输入侧，其中能量存储电路34两端的电压的极性没有反转；
·具有极性反转的DC模式，其中将能量存储电路34两端的电压切换至移动侧整流器32的输入侧，其中能量存储电路34两端的电压的极性发生反转；
·反相模式，其中移动侧整流器32的输入电压和输入电流根据预定的相移范围相对于彼此相移，例如，通过将能量存储电路34两端的电压映射到移动侧整流器的输入侧，同时在流过移动侧谐振电路26的电流具有负极性时保持电压极性，以及通过将能量存储电路34两端的电压映射到移动侧整流器的输入侧，同时在流过移动侧谐振电路26的电流具有正极性时反转电压极性。
在最一般的意义上，移动侧整流器32中运行模式的变化改变了移动侧整流器32的输出功率，从而减小了应力并避免了损坏移动侧电路。例如，从全桥模式到半桥模式的转换突然将输出功率减少了一半。根据本发明，可以在固定侧上检测到该事件以中断从固定侧电路到移动侧电路的无线电力传输。
本发明的一个重要优点是，在固定侧电路与移动侧电路之间提供通信信道以有时延地通知故障的发生，并不是强制性的。相反，本发明使得移动侧电路能够无时延地立即采取行动来处理故障的发生。
此外，虽然本领域技术人员会认为使次级侧谐振电路26短路比从全桥模式切换到半桥模式更安全，但是这样的理解忽略了在该切换事件期间产生非常高的电流导致新型危险。本发明克服了该危险。
此外，根据本发明，在发生故障时，移动侧整流器32中的电流应力显著减小，这是因为电压变化没有切换硬短路的情况那么大。
本发明的另一个重要优点是，为了以最小配置改变移动侧整流器的运行模式，在发生故障时，仅需要一个开关元件来对移动侧整流器32中的至少一个整流元件进行旁路或短路，而不是两个开关。这降低了系统的成本和复杂性。
此外，应当注意，只要无故障运行期间的运行模式不同于在移动侧电路24发生故障时使用的移动侧整流器32的目标运行模式，那么移动侧整流器32中的运行模式的改变就不受任何限制并且仅向一个方向改变，例如，从全桥模式到半桥模式。
下面，将参照图4至图19说明用于实现如上所述的本发明的基本概念的不同实施例。
图4示出了根据本发明的无线电力传输系统的移动侧电路的运行流程图。
如图4所示，在步骤S10中，通过在固定侧控制器16的控制下由固定侧电路12和在移动侧控制器40的控制下由移动侧电路24可操作地执行，无线电力传输系统10开始无线电力传输。在该阶段，在步骤S12中，通过移动侧故障检测器42和移动侧控制器40可操作地执行，将检查在移动侧是否发生故障。如果是，则根据本发明的故障处理程序将开始，否则处理流程将根据标准程序进行。
如图4所示，在步骤S14中，通过移动侧控制器40可操作地执行，根据主要运行条件，例如负载38的类型、负载38的功耗等，确定移动侧整流器32的第一运行模式。然后，在移动侧电路的无故障运行期间，移动侧整流器以第一运行模式运行，例如，半桥整流模式或全桥整流模式；
如图4所示，在步骤S16中，通过移动侧故障检测器42和移动侧控制器40可操作地执行，将再次检查在移动侧是否发生故障。可以根据预定间隔，在发出相关控制信号时或任何其它合适的条件下来实施这样的检查。
如图4所示，如果步骤S16的结果是在移动侧出现故障状态，则接下来是步骤S18，其由移动侧控制器40可操作地执行，以确定第二运行模式，所述第二运行模式不同于第一运行模式，并且选自半桥模式、全桥模式、将能量存储电路34两端的电压切换至移动侧整流器32的输入侧的具有或没有极性反转的DC模式、以及将移动侧整流器32的输入电压和输入电流根据预定的范围相对于彼此移位的反相模式。
如图4所示，在步骤S20中，通过移动侧控制器40可操作地执行，移动侧整流器32以第二运行模式运行。如上面概述并在下面更详细地解释的，这可以通过控制并联连接到移动侧整流器32的至少一个整流元件的至少一个开关元件来实现，以在移动侧电路中出现故障状态时，将移动侧整流器32的第一运行模式改变为第二运行模式。
如图4所示，在步骤S22中，通过移动侧故障检测器42和移动侧控制器40可操作地执行，将检查在移动侧是否出现故障。可以根据预定间隔，在发出相关控制信号时或任何其它合适的条件下来实施这样的检查。如果步骤22的结果是否定的，则移动侧电路在第二运行模式下的运行将继续，否则所述过程将以移动侧电路24在第一运行模式运行而继续。
应当注意，根据本发明，第一运行模式可以保持不变，例如，保持在全桥模式或半桥模式下，或者在移动侧的无故障运行期间的运行条件需要时，可以从全桥模式改变为半桥模式。
图5示出了根据本发明的无线电力传输系统的固定侧电路的运行流程图。
如图5所示，假设无线电力传输已经开始，在步骤S24中，通过固定侧控制器16可操作地控制，无线电力输送从固定侧向移动侧进行。然后，在步骤S26中，通过固定侧控制器16可操作地执行，将监测传输到移动侧的电量。应当注意，可以以固定的间隔，在运行条件改变时或在任何其它合适的条件下实施这样的监测。
如图5所示，在步骤S28中，通过固定侧控制器16可操作地执行，将确定传输电量或电流量的变化是否超过预定阈值。根据本发明的预定阈值的通常范围可以在5％至20％的范围内。如果步骤S28中的评估是肯定的，则接下来是步骤S30，其由固定侧控制器16可操作地执行，以中断向移动侧的无线电力传输。到移动侧电路24的电力供应的中断允许以非常有效和安全的方式避免对移动侧电路24的电路元件的任何损坏。
如图5所示并且作为一种选择，如果步骤S28中的评估不是肯定的，则实现到移动侧电路24的电力供应中断的另一种方式是在步骤32中从移动侧电路向固定侧电路交换故障状态通知，这由移动侧控制器40和移动侧通信接口46以及固定侧控制器16和固定侧通信接口48可操作地执行。
下面，将在假设移动侧整流器具有全桥电路拓扑的情况下，说明根据本发明的第一实施例的改变移动侧整流器32中的运行模式的不同示例。
图6示出了第一示例：根据本发明的第一实施例，将移动侧整流器32的运行模式从全桥模式改变为半桥模式，以及从半桥模式改变为全桥模式。
如图6所示，移动侧整流器32是全桥整流器，并且具有串联连接在全桥整流器的第一输出端子54与第二输出端子56之间的第一整流元件50和第二整流元件52，并且具有连接到全桥整流器的第一输入端子58的公共连接端子。
如图6所示，移动侧整流器32还具有串联连接在全桥整流器32的第一输出端子54与第二输出端子56之间的第三整流元件60和第四整流元件62，并且具有连接到全桥整流器的第二输入端子64的公共连接端子。
如图6所示，移动侧整流器还具有第一开关元件66，第一开关元件66与第一整流元件50并联连接。
如图6所示，假设在移动侧电路32中出现故障状态时第一整流元件50被旁路，则在到移动侧整流器32的输入电流的正半周期期间，电流流动如图6的中间图所示，而在到移动侧整流器32的输入电流的负半周期期间，电流流动如图6的右图所示。
如图6所示，在输入电流的正半周期期间，电流流过第一开关元件66、能量存储电路34和第四整流元件62。相对而言，在输入电流的负半周期期间，电流流过第三整流元件60和第一开关元件66。
从上面可以清楚地看到，通过短路或等效地旁路第一整流元件50，实现了移动侧整流器的运行模式从全桥模式到半桥模式的改变，从而实现了第一半桥电路68。另外，由于电流将总是流过第一半桥电路68的一个整流元件、第一开关元件66和(在正半周期间)能量存储电路34，因此可以避免移动侧谐振电路26的短路以及在移动侧电路24处的电压和电流的相关过度瞬态行为。
图7示出了第二示例：根据本发明的第一实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为半桥模式，以及从半桥模式改变为全桥模式。
图7中所示的移动整流器电路32的基本电路拓扑类似于上面关于图6概述的拓扑，不同之处在于将第二开关元件70连接到第二整流元件52。
如图7所示，假设在移动侧电路32中出现故障状态时第二整流元件52被旁路，则在到移动侧整流器32的输入电流的正半周期期间，电流流动如图7的中间图所示，而在到移动侧整流器32的输入电流的负半周期期间，电流流动如图7的右图所示。
如图7所示，在输入电流的正半周期期间，电流流过第二开关元件70和第四整流元件62。相对而言，在输入电流的负半周期期间，电流流过第三整流元件60和能量存储电路34以及第二开关元件70。
从上面可以清楚地看到，通过短路或等效地旁路第二整流元件52，实现了移动侧整流器的运行模式从全桥模式到半桥模式的改变，从而实现了第二半桥电路72。此外，根据图7所示的示例实现的效果与以上关于图6所说明的相同。
图8示出了第三示例：根据本发明的第一实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为半桥模式，以及从半桥模式改变为全桥模式。
图8所示的移动整流器电路32的基本电路拓扑类似于上面关于图6概述的拓扑，不同之处在于将第三开关元件74连接到第三整流元件60。
如图8所示，假设在移动侧电路32中出现故障状态时旁路第三整流元件60，则在到移动侧整流器32的输入电流的正半周期期间，电流流动如图8的中间图所示，而在到移动侧整流器32的输入电流的负半周期期间，电流流动如图8的右图所示。
如图8所示，在输入电流的正半周期期间，电流流过第一整流元件50和第三开关元件74。相对而言，在输入电流的负半周期期间，电流流过第三开关元件74、能量存储电路34和第二整流元件52。
从上面可以清楚地看到，通过短路或等效地旁路第三整流元件60，实现了移动侧整流器的运行模式从全桥模式到半桥模式的改变，从而实现了第三半桥电路76。此外，根据图8所示的示例实现的效果与以上关于图6所说明的相同。
图9示出了第四示例：根据本发明的第一实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为半桥模式，以及从半桥模式改变为全桥模式。
图9所示的整流器电路的基本电路拓扑类似于上面关于图6概述的拓扑，不同之处在于将第四开关元件78连接到第四整流元件62。
如图9所示，假设在移动侧电路32中出现故障状态时第四整流元件62被旁路，则在到移动侧整流器32的输入电流的正半周期期间，电流流动如图9的中间图所示，而在到移动侧整流器32的输入电流的负半周期期间，电流流动如图9的右图所示。
如图9所示，在输入电流的正半周期期间，电流流过第一整流元件50、能量存储单元34和第四开关元件78。相对而言，在输入电流的负半周期期间，电流流过第四开关元件78和第二整流元件52。
从上面可以清楚地看到，通过短路或等效地旁路第四整流元件62，实现了移动侧整流器的运行模式从全桥模式到半桥模式的改变，从而实现了第四半桥电路80。此外，根据图8所示的示例实现的效果与以上关于图6所说明的相同。
图10示出了根据本发明的第一实施例，在将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为半桥模式以及从半桥模式改变为全桥模式时，固定侧电路12和移动侧电路24的电压和电流信号图。
如图10所示，与根据本发明的图2所示的图形相比，电压和电流的瞬态行为显示出过冲显著减少，因此在移动侧电路24的电路元件上实现了相关的减少的负载。如图10所示，由于既不产生高电流也不产生高电压，所以与硬短路情形相比，移动整流器电路32中的电流应力是可避免的。
图11示出了根据本发明的第一实施例，在将移动侧整流器32的运行模式从半桥模式改变为全桥模式以及从全桥模式改变为半桥模式时，固定侧电路12和移动侧电路24的电压和电流信号图。
如图11所示，当移动侧谐振电路32的运行模式从半桥模式改变为全桥模式时，本发明得到与图10所示类似的结果。
此外，图11所示的示例与以上关于图5所示的情形有关，其中固定侧控制器16检测到移动侧电路32的电力供应增加或者接收到移动侧电路32发生故障的通知，然后中断到移动侧电路32的无线电力传输。
下面，将在假设移动侧整流器具有全桥电路拓扑的情况下，说明根据本发明的第二实施例的改变移动侧整流器32的运行模式的不同示例。与上面关于图6至图10所示的示例相比，不同之处在于，在下面的示例中，提供了两个用于改变移动侧整流器32的运行模式的开关元件。
图12示出了第一示例：根据本发明的第二实施例，将移动侧整流器32的运行模式从全桥模式改变为没有极性反转的DC模式，以及从没有极性反转的DC模式改变为全桥模式。
如图12所示，移动侧整流器32包括与第一整流元件50并联连接的一个开关元件82和与第四整流元件62并联连接的一个开关元件84。
在操作上，移动侧控制电路40适于在移动侧电路32中出现故障状态时，同时闭合或断开与第一整流元件50并联连接的开关元件82和与第四整流元件62并联连接的开关元件84。
如图12所示，假设在移动侧电路32中出现故障状态时第一整流元件50和第四整流元件62被旁路，则在到移动侧整流器32的输入电流的正半周期期间，电流流动如图12的中间图所示，而在到移动侧整流器32的输入电流的负半周期期间，电流流动如图12的右图所示。
如图12所示，在输入电流的正半周期期间，电流流过与第一整流元件50并联连接的开关元件82、能量存储电路34以及与第四整流元件50并联的开关元件84。此外，在输入电流的负半周期期间，电流流过与第四整流元件62并联连接的开关元件84、能量存储电路34以及与第一整流元件50并联连接的开关元件82。
图13示出了如图12所示的移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为没有极性反转的DC模式的等效示意图。
如图13所示，将第二运行模式改变为DC模式，其中能量存储电路34两端的电压没有极性反转。通过切换开关元件82和84两者，向负载38的电力传输立即中断。将次级谐振电路连接到等于能量存储电路34的电压的DC电压上。可选地，无线电力传输系统的固定侧电路12检测到该事件，并且关闭从固定侧电路12到移动侧电路24的电力供应。
图14示出了第二示例：根据本发明的第二实施例，将移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为具有极性反转的DC模式，以及从具有极性反转的DC模式改变为全桥模式。
如图14所示，移动侧整流器32包括与第二整流元件52并联连接的一个开关元件86和与第三整流元件60并联连接的一个开关元件88。
在操作上，移动侧控制电路40适于在移动侧电路32中出现故障状态时，同时闭合或断开与第二整流元件52并联连接的开关元件86和与第三整流元件60并联连接的开关元件88。
如图14所示，假设在移动侧电路32中出现故障状态时第二整流元件52和第三整流元件60被旁路，则在到移动侧整流器32的输入电流的正半周期期间，电流流动如图14的中间图所示，而在到移动侧整流器32的输入电流的负半周期期间，电流流动如图14的右图所示。
如图14所示，在输入电流的正半周期期间，电流流过与第二整流元件52并联连接的开关元件86、能量存储电路34以及与第三整流元件60并联连接的开关元件88。此外，在输入电流的负半周期期间，电流流过与第三整流元件60并联连接的开关元件88、能量存储电路34以及与第二整流元件52并联连接的开关元件86。
图15示出了如图14所示的移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为具有极性反转的DC模式的等效示意图。
如图15所示，以上关于图12和图13所说明的本发明第二实施例的第一示例与关于图13和图14所说明的本发明第二实施例的第二示例之间的不同之处为DC模式，其中在该DC模式下，将能量存储电路34两端的电压以极性反转的方式映射到整流器电路32的输入端子。此外，这里，移动侧谐振电路26从不被短路，因此对于本发明的第二实施例的第二示例，可以实现与上面对于本发明的第二实施例的第一示例所概述的类似的效果。
下面，将在假设移动侧整流器具有全桥电路拓扑的情况下，说明根据本发明的第三实施例的改变移动侧整流器32的运行模式的不同示例。与上面关于图6至图10所示的示例相比，不同之处在于，在下面的实施例中，提供了四个用于改变移动侧整流器32的运行模式的开关元件。
图16示出了如下示例：根据本发明的第三实施例，将移动侧整流器32的运行模式从全桥模式改变为反相模式，以及从反相模式改变为全桥模式。
如图16所示，根据本发明的第三实施例，移动侧整流器32具有与第一整流元件50并联连接的一个开关元件90、与第二整流元件52并联连接的一个开关元件92、与第三整流元件60并联连接的一个开关元件94以及与第四整流元件62并联连接的一个开关元件96。
在操作上，移动侧控制电路40适于在来自移动侧谐振电路26的电流的负周期期间，通过同时闭合与第一整流元件50并联连接的开关元件90和与第四整流元件62并联连接的开关元件96以及同时断开与第二整流元件52并联连接的开关元件92和与第三整流元件60并联连接的开关元件94来实现反相模式。
此外，在操作上，移动侧控制电路40适于在来自移动侧谐振电路26的电流的正周期期间，通过同时闭合与第二整流元件52并联连接的开关元件92和与第三整流元件60并联连接的开关元件94以及同时断开与第一整流元件50并联连接的开关元件90和与第四整流元件62并联连接的开关元件96来实现反相模式。
如图16所示，假设在移动侧电路32中出现故障状态时，第一整流元件50和第四整流元件62被旁路，则在到移动侧整流器32的输入电流的负半周期期间，电流流动如图16的中间图所示，而在到移动侧整流器32的输入电流的正半周期期间，电流流动如图16的右图所示。
如图16所示，在输入电流的负半周期期间，电流流过与第一整流元件50并联连接的开关元件92、能量存储电路34和与第四整流元件62并联连接的开关元件96。此外，在输入电流的正半周期期间，电流流过与第三整流元件60并联连接的开关元件94、能量存储电路34以及与第四整流元件62并联连接的开关元件96。
图17示出了对于到移动侧整流器的输入电流的负周期，如图16所示的移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为反相模式的等效示意图。
如图17中所示，在移动侧电路32中出现故障状态的情况下，四个开关元件90、92、94、96产生与电流i_2,hf相比具有180°相移的电压u_2,hf，即，在电流i_2,hf的负半周期期间产生正电压u_2,hf。因此，能量将被输送回固定侧，在这里固定侧控制器15可以检测到该事件并关闭向固定侧谐振电路26的电力供应，从而也关闭向移动侧电路24的电力供应。
图18示出了对于到移动侧整流器的输入电流的正周期，如图16所示的移动侧整流器的运行模式从全桥模式改变为反相模式的等效示意图。
如图18中所示，在移动侧电路32中出现故障状态的情况下，四个开关元件90、92、94、96产生与电流i_2,hf相比具有180°相移的电压u_2,hf，即，在电流i_2,hf的正半周期期间产生负电压u_2,hf。因此，同样在电流i_2,hf的正半周期期间，能量将被输送回固定侧。同样，固定侧控制器16可以关闭向移动侧电路24的电力供应。
应当注意，根据本发明，电压u_2,hf与电流i_2,hf之间的相移不限于180°的值。通常，根据本发明，移动侧控制器40可以适于控制开关元件90、92、94、96产生与电流i_2,hf相比具有在180°±30°的范围内的相移的电压u_2,hf。作为替代，相移可以在90°±30°的范围内，与180°±30°的范围相比，这导致减少了向移动侧电路的电力输送，同时减少了相关电路元件上的应力。
下面，将在假设移动侧整流器具有半桥电路拓扑的情况下，说明根据本发明的第四实施例的改变移动侧整流器32中的运行模式的一个示例。
图19示出了如下示例：根据本发明的第四实施例，在移动侧发生故障时，将移动侧整流器的运行模式从半桥模式改变为没有极性反转的DC模式，以及从没有极性反转的DC模式改变为半桥模式。
如图19所示，根据本发明的第四实施例，移动侧整流器32是半桥整流器，其具有串联连接在半桥整流器的第一输出端子102与第二输出端子104之间的第一整流元件98和第二整流元件100，并且第一整流元件98和第二整流元件100具有连接到半桥整流器的第一输入端子106的公共连接端子，并且具有与连接到半桥整流器的第二输入端子108的公共连接点不同的第二整流元件的连接端子。此外，根据本发明的第四实施例，一个开关元件110与第一整流元件98并联连接。
根据第四实施例，在操作上，移动侧控制电路40适于闭合与第一整流元件98并联连接的开关元件110，以将第二运行模式改变为能量存储电路34两端的电压没有极性反转的DC模式。
如图19所示，假设在移动侧电路32中出现故障状态时，半桥整流器的第一整流元件98被旁路，则在到移动侧整流器32的输入电流的正半周期期间，电流流动如图19的中间图所示，而在到移动侧整流器32的输入电流的负半周期期间，电流流动如图19的右图所示。即，在两种情况下，电流将沿着不同的方向流过开关元件110和能量存储电路34。
Claims (15)
1.一种无线电力传输系统的移动侧电路，包括：
移动侧谐振电路(26)，所述移动侧谐振电路(26)感应耦合至所述无线电力传输系统的固定侧谐振电路(18)；
移动侧整流器(32)，所述移动侧整流器(32)适于在所述移动侧电路的无故障运行期间以第一运行模式运行，所述第一运行模式是半桥整流模式或全桥整流模式；
能量存储电路(34)，所述能量存储电路(34)与所述移动侧整流器(32)的输出端子并联连接，并且适于对所述移动侧整流器(32)的输出进行平滑；
其特征在于，
移动侧控制电路(40)，所述移动侧控制电路(40)适于控制与所述移动侧整流器(32)的至少一个整流元件(50、52、60、62；98、100)并联连接的至少一个开关元件(66、70、74、78；82、84、86、88；90、92、94、96；110)，以在所述移动侧电路(24)中出现故障状态时将所述移动侧整流器(32)的所述第一运行模式改变为第二运行模式；其中
所述第二运行模式不同于所述第一运行模式，并且所述第二运行模式选自半桥模式、全桥模式、具有或没有极性反转的DC模式以及反相模式，其中在所述DC模式下，将所述能量存储电路(34)两端的电压切换至所述移动侧整流器(32)的输入侧，在所述反相模式下，将所述移动侧整流器(32)的输入电压和输入电流根据预定的相移范围相对于彼此进行相移。
2.根据权利要求1所述的移动侧电路，其中，所述移动侧整流器(32)是包括四个整流元件(50、52、60、62)的全桥整流器，并且包括与所述整流元件(50、52、60、62)中的一个连接的一个开关元件(66、70、74、78)，其中所述移动侧控制电路(32)适于在所述移动侧电路(32)中出现故障状态时闭合或断开所述一个开关元件(66、70、74、78)，以将所述第二运行模式改变为所述半桥模式或所述全桥模式。
3.根据权利要求2所述的移动侧电路，其中，
所述移动侧整流器(32)是全桥整流器，所述全桥整流器具有：
串联连接在所述全桥整流器的第一输出端子(54)与第二输出端子(56)之间的第一整流元件(50)和第二整流元件(52)，并且所述第一整流元件(50)和所述第二整流元件(52)具有连接到所述全桥整流器的第一输入端子(58)的公共连接端子；
串联连接在所述全桥整流器的所述第一输出端子(54)与所述第二输出端子(56)之间的第三整流元件(60)和第四整流元件(62)，并且所述第三整流元件(60)和所述第四整流元件(62)具有连接到所述全桥整流器的第二输入端子(64)的公共连接端子；以及
与所述第一整流元件(50)、所述第二整流元件(52)、所述第三整流元件(60)或所述第四整流元件(62)并联连接的一个开关元件(66、70、74、78)。
4.根据权利要求1所述的移动侧电路，其中，
所述移动侧整流器(32)是全桥整流器，所述全桥整流器具有：
串联连接在所述全桥整流器的第一输出端子(54)与第二输出端子(56)之间的第一整流元件(50)和第二整流元件(52)，并且所述第一整流元件(50)和所述第二整流元件(52)具有连接到所述全桥整流器的第一输入端子(58)的公共连接端子；
串联连接在所述全桥整流器的所述第一输出端子(54)与所述第二输出端子(56)之间的第三整流元件(60)和第四整流元件(62)，并且所述第三整流元件(60)和所述第四整流元件(62)具有连接到所述全桥整流器的第二输入端子(64)的公共连接端子；
与所述第一整流元件(50)并联连接的一个开关元件(82)；以及
与所述第四整流元件(62)并联连接的一个开关元件(84)；其中
所述移动侧控制电路(53)适于在所述移动侧电路(24)中出现故障状态时同时闭合或断开与所述第一整流元件(50)并联连接的所述开关元件(82)和与所述第四整流元件(62)并联连接的所述开关元件(84)，以将所述第二运行模式改变为所述能量存储电路(34)两端的电压没有极性反转的所述DC模式或改变为所述全桥模式。
5.根据权利要求1所述的移动侧电路，其中，
所述移动侧整流器(32)是全桥整流器，所述全桥整流器具有：
串联连接在所述全桥整流器的第一输出端子(54)与第二输出端子(56)之间的第一整流元件(50)和第二整流元件(52)，并且所述第一整流元件(50)和所述第二整流元件(52)具有连接到所述全桥整流器的第一输入端子(58)的公共连接端子；
串联连接在所述全桥整流器的所述第一输出端子(54)与所述第二输出端子(56)之间的第三整流元件(60)和第四整流元件(62)，并且所述第三整流元件(60)和所述第四整流元件(62)具有连接到所述全桥整流器的第二输入端子(64)的公共连接端子；
与所述第二整流元件(52)并联连接的一个开关元件(86)；以及
与所述第三整流元件(60)并联连接的一个开关元件(88)；其中
所述移动侧控制电路(40)适于在所述移动侧电路(32)中出现故障状态时同时闭合或断开与所述第二整流元件(52)并联连接的所述开关元件(86)和与所述第三整流元件(60)并联连接的所述开关元件(88)，以将所述第二运行模式改变为所述能量存储电路(34)两端的电压具有极性反转的所述DC模式或改变为所述全桥模式。
6.根据权利要求1所述的移动侧电路，其中，
所述移动侧整流器(32)是全桥整流器，所述全桥整流器具有：
串联连接在所述全桥整流器的第一输出端子(54)与第二输出端子(56)之间的第一整流元件(50)和第二整流元件(52)，并且所述第一整流元件(50)和所述第二整流元件(52)具有连接到所述全桥整流器的第一输入端子(58)的公共连接端子；
串联连接在所述全桥整流器的所述第一输出端子(54)与所述第二输出端子(56)之间的第三整流元件(60)和第四整流元件(62)，并且所述第三整流元件(60)和所述第四整流元件(62)具有连接到所述全桥整流器的第二输入端子(64)的公共连接端子；
与所述第一整流元件(50)并联连接的一个开关元件(90)；
与所述第二整流元件(52)并联连接的一个开关元件(92)；
与所述第三整流元件(60)并联连接的一个开关元件(94)；以及
与所述第四整流元件(62)并联连接的一个开关元件(96)；其中
所述移动侧控制电路(40)适于通过以下方式将所述第二运行模式改变为所述反相模式：
在来自所述移动侧谐振电路(26)的电流的负周期期间，同时闭合与所述第一整流元件(50)并联连接的所述开关元件(90)和与所述第四整流元件(62)并联连接的所述开关元件(96)并且同时断开与所述第二整流元件(52)并联连接的所述开关元件(92)和与所述第三整流元件(60)并联连接的所述开关元件(94)；以及
在来自所述移动侧谐振电路(26)的电流的正周期内，同时闭合与所述第二整流元件(51)并联连接的所述开关元件(92)和与所述第三整流元件(60)并联连接的所述开关元件(94)并且同时断开与所述第一整流元件(50)并联连接的所述开关元件(90)和与所述第四整流元件(62)并联连接的所述开关元件(96)。
7.根据权利要求1所述的移动侧电路，其中，
所述移动侧整流器(32)是全桥整流器，所述全桥整流器具有：
串联连接在所述全桥整流器的第一输出端子(54)与第二输出端子(56)之间的第一整流元件(50)和第二整流元件(52)，并且所述第一整流元件(50)和所述第二整流元件(52)具有连接到所述全桥整流器的第一输入端子(58)的公共连接端子；
串联连接在所述全桥整流器的所述第一输出端子(54)与所述第二输出端子(56)之间的第三整流元件(60)和第四整流元件(62)，并且所述第三整流元件(60)和所述第四整流元件(62)具有连接到所述全桥整流器的第二输入端子(64)的公共连接端子；
与所述第一整流元件(50)并联连接的一个开关元件(90)；
与所述第二整流元件(52)并联连接的一个开关元件(92)；
与所述第三整流元件(60)并联连接的一个开关元件(94)；以及
与所述第四整流元件(62)并联连接的一个开关元件(96)；其中
所述移动侧控制电路(40)适于将所述第二运行模式改变为所述反相模式，使得到所述移动侧整流器(32)的输入电压相对于到所述移动侧整流器(32)的输入电流具有在180°±30°或90°±30°范围内的相移，以将电力从所述无线电力传输系统的所述移动侧电路(32)往回输送到所述固定侧电路(12)。
8.根据权利要求1所述的移动侧电路，其中，
所述移动侧整流器(32)是半桥整流器，所述半桥整流器具有：
串联连接在所述半桥整流器的第一输出端子(102)与第二输出端子(104)之间的第一整流元件(98)和第二整流元件(100)，并且所述第一整流元件(98)和所述第二整流元件(100)具有连接到所述半桥整流器的第一输入端子(106)的公共连接端子，且具有与连接到所述半桥整流器的第二输入端子(108)的公共连接点不同的所述第二整流元件(100)的连接端子；以及
与所述第一整流元件(98)并联连接的一个开关元件(102)；其中
所述移动侧控制电路(40)适于闭合与所述第一整流元件(98)并联连接的所述开关元件(110)，以将所述第二运行模式改变为所述能量存储电路(34)两端的电压没有极性反转的所述DC模式。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的移动侧电路，其包括移动侧检测器(42)，所述移动侧检测器(42)适于检测所述移动侧电路(32)中故障状态的出现，其中所述移动侧控制器(40)适于在所述移动侧检测器(42)检测到在所述移动侧电路(32)中出现故障状态时，断开连接所述能量存储电路(36)与移动侧负载(38)的开关(36)。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的移动侧电路，其包括移动侧通信接口(46)，所述移动侧通信接口(46)适于向所述无线电力传输系统的所述固定侧控制电路(16)指示所述移动侧电路(24)处故障状态的出现。
11.一种无线电力传输系统，其特征在于，所述无线电力传输系统包括：
至少一个根据权利要求1至10中的一项所述的移动侧电路(24)；
固定侧激励单元(14)，所述固定侧激励单元(14)适于激励固定侧谐振电路(26)以将无线电力传输到所述至少一个移动侧电路(24)；
固定侧控制器(16)，所述固定侧控制器(16)适于：
控制所述固定侧激励单元(14)的运行，
监测到所述至少一个移动侧电路(24)的电力输送，以及
在传输到所述至少一个移动侧电路(32)的电量变化超过预定阈值时，中断无线电力传输。
12.根据权利要求11所述的无线电力传输系统，其中，所述固定侧控制电路(16)适于在传输到所述移动侧电路(24)的电量变化了5％或更多时中断到所述至少一个移动侧电路(24)的无线电力传输。
13.根据权利要求11或12所述的无线电力传输系统，其包括固定侧通信接口(48)，所述固定侧通信接口(48)适于接收在所述至少一个移动侧电路(24)处发生故障的通知，其中所述固定侧控制电路(16)适于在接收到在所述至少一个移动侧电路(24)处发生故障的通知时，中断无线电力传输。
14.一种运行根据权利要求1至10中的一项所述的无线电力传输系统的移动侧电路的方法，所述方法包括：
步骤(S14)：在所述移动侧电路的无故障运行期间，以第一运行模式运行所述移动侧整流器(32)，所述第一运行模式是半桥整流模式或全桥整流模式；
步骤(S16、S18、S20)：控制与所述移动侧整流器(32)的至少一个整流元件(50、52、60、62)并联连接的至少一个开关元件(66、70、74、78)，以在所述移动侧电路中出现故障状态时将所述移动侧整流器(32)的所述第一运行模式改变为第二运行模式；其中
所述第二运行模式不同于所述第一运行模式，并且所述第二运行模式选自半桥模式、全桥模式、具有或没有极性反转的DC模式以及反相模式，其中在所述DC模式下，将所述能量存储电路(34)两端的电压切换至所述移动侧整流器(32)的输入侧，在所述反相模式下，将所述移动侧整流器(32)的输入电压和输入电流根据预定的范围相对于彼此进行移位。
15.一种运行根据权利要求11至13中的一项所述的无线电力传输系统的方法，其包括：
步骤(S26、S8)：监测到所述移动侧电路(24)的电力输送；以及
步骤(S30)：当传输到所述移动侧电路(24)的电量变化超过预定阈值时，中断无线电力传输。
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