CN113287243A - 无线电力传输系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种方法，包括：在从恒定电流充电阶段到恒定电压充电阶段的第一转变期间，通过并联连接的第一充电器(218)和第二充电器(219)对电池充电，在第一时刻启用第二充电器(219)，并且在第二时刻禁用第一充电器(218)，第二时刻在第一时刻之后；以及在恒定电压充电阶段期间，就在检测到流过电池(113)的电流小于预定电流阈值之后，在第三时刻启用第一充电器(218)，并且在第四时刻禁用第二充电器(219)，第四时刻在第三时刻之后，其中第一充电器(218)和第二充电器(219)被配置成在第一时刻与第二时刻之间以及第三时刻与第四时刻之间同时对电池(113)充电。

Description

无线电力传输系统和方法
技术领域
本公开内容涉及用于高效地对电池充电的方法，并且在特定实施方式中，涉及用于通过无线电力传输系统高效地对电池充电的方法。
背景技术
随着技术进一步发展，无线电力传输已经涌现为用于为基于电池的移动装置(例如，移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器等)供电的高效且便利的机制。无线电力传输系统通常包括初级侧发送器和次级侧接收器。初级侧发送器通过磁耦合磁性地耦合至次级侧接收器。可以将磁耦合实现为松耦合变压器，该松耦合变压器具有形成在初级侧发送器中的初级侧线圈和形成在次级侧接收器中的次级侧线圈。初级侧发送器被配置成在初级侧线圈上生成交流电以形成变化的磁场，从而在次级侧线圈中生成电压。
初级侧发送器可以包括电力转换单元，例如电力转换器的初级侧。电力转换单元耦接至电源并且能够将电力转换成施加到初级侧线圈的无线电力信号。次级侧接收器通过次级侧线圈接收无线电力信号，并且将所接收的无线电力信号转换成适合于负载(例如移动电话的电池组)的电力。
次级侧接收器可以包括降压充电器，该降压充电器将整流器的输出电压转换成用于对可再充电电池进行充电的适当电压。降压充电器是用于对可再充电电池进行充电的简单可靠电路。然而，与诸如开关电容器充电器的其他充电器相比，降压充电器的最大效率相当低。期望具有用于对可再充电电池进行充电的高效充电器。
发明内容
这些和其他问题通过本公开内容的优选实施方式总体上得到解决或规避，并且总体上实现了技术优点，其中优选实施方式提供了用于通过无线电力传输系统来高效地对电池进行充电的方法。
根据一个实施方式，一种方法包括：在从恒定电流充电阶段到恒定电压充电阶段的第一转变期间，通过并联连接的第一充电器和第二充电器对电池充电，在第一时刻启用第二充电器，并且在第二时刻禁用第一充电器，第二时刻在第一时刻之后，其中第一充电器和第二充电器被配置成在第一时刻与第二时刻之间同时对电池充电，以及在恒定电压充电阶段期间，就在检测到流过电池的电流小于预定电流阈值之后，在第三时刻启用第一充电器，并且在第四时刻禁用第二充电器，第四时刻在第三时刻之后，其中第一充电器和第二充电器被配置成在第三时刻与第四时刻之间同时对电池充电。
第一充电器是降压转换器，第二充电器是开关电容器转换器。用于对电池充电的电力来自无线电力传输系统，无线电力传输系统包括：发送器电路，其连接在适配器的输出与发送器线圈之间；整流器，其连接至接收器线圈，该接收器线圈磁耦合至发送器线圈；DC/DC转换器，其具有连接到整流器的输出的输入；以及第一充电器和第二充电器，其并联连接在DC/DC转换器与电池之间。
方法还包括：就在检测到电池的电压低于第一电压阈值之后，对电池施加预充电充电阶段；就在检测到电池的电压在第一电压阈值与第二电压阈值之间之后，对电池施加恒定电流充电阶段；在电池的电压大于第二电压阈值之后，对电池施加快速电流充电阶段；就在检测到流过电池的电流已经达到电池电流充电限制时，保持流过电池的电流近似等于电池电流充电限制，同时增加电池的电压；以及就在检测到电池的电压达到第三电压阈值之后，对电池施加恒定电压充电阶段。
方法还包括：在恒定电压充电阶段期间，就在检测到流过电池的电流下降到预定电流阈值以下之后，启用第一充电器。
方法还包括：在恒定电流充电阶段期间，就在检测到电池的电压小于预定电压阈值之后，将DC/DC转换器配置成在旁路模式下操作，以及就在检测到电池的电压大于预定电压阈值之后，将DC/DC转换器配置成作为2:1电力转换装置操作。
方法还包括：在恒定电压充电阶段期间，就在检测到电池的电压大于预定电压阈值之后，将DC/DC转换器配置成作为2:1电力转换装置操作，以及就在检测到第一充电器已经进入涓流充电模式之后，将DC/DC转换器配置成在旁路模式下操作。
方法还包括：在恒定电流充电阶段和恒定电压充电阶段期间，通过在第一转变期间在禁用第一充电器之前启用第二充电器，并且在恒定电压充电阶段期间在禁用第二充电器之前启用第一充电器，来将整流器配置成在同步整流器模式下操作。
根据另一个实施方式，一种系统，包括：整流器，其被配置成通过发送器线圈和接收器线圈从发送器无线地接收电力；直流(DC)至DC(DC/DC)转换器，其直接或间接地耦接至整流器，该DC/DC转换器被配置成从整流器的输出接收输出电压；闭环充电器和开环充电器，闭环充电器和开环充电器并联连接在DC/DC转换器的输出与负载之间；以及控制器，其直接或间接地耦接至闭环充电器和开环充电器，该控制器被配置成在不同充电阶段期间选择性地启用闭环充电器和开环充电器中的一个，并且在不同充电阶段之间的转变时段期间启用闭环充电器和开环充电器两者。
闭环充电器包括降压充电器。开环充电器包括开关电容器充电器。DC/DC转换器是2:1电力转换器。
在恒定电流充电阶段期间启用闭环充电器，在恒定电压充电阶段期间启用开环充电器，并且闭环充电器和开环充电器被配置成在恒定电流充电阶段与恒定电压充电阶段之间的转变时段期间同时对电池充电。
根据又一个实施方式，一种方法包括：在整流器处通过由发送器线圈和接收器线圈形成的电感耦合从发送器无线地接收电力；由整流器生成直流(DC)电压；通过DC至DC(DC/DC)转换器将DC电压施加至闭环充电器和开环充电器；在第一充电器转变时段期间，在禁用闭环充电器之前启用开环充电器，其中，由于在禁用闭环充电器之前启用开环充电器，因此闭环充电器和开环充电器被配置成在第一充电器转变时段期间同时对电池充电；并且在第二充电器转变时段期间，在禁用开环充电器之前启用闭环充电器，其中由于在禁用开环充电器之前启用闭环充电器，因此闭环充电器和开环充电器被配置成在第二充电器转变时段期间同时对电池充电。
方法还包括通过预充电充电阶段、恒定电流充电阶段、恒定电压充电阶段和涓流充电阶段将电池充电到目标电压。
第一充电器转变时段发生在恒定电流充电阶段与恒定电压充电阶段之间。第二充电器转变时段发生在恒定电压充电阶段。
本公开内容的实施方式的优点在于，本公开内容的控制方法能够通过使用具有并联连接的降压充电器与开关电容器充电器的无线电力传输系统来高效地对电池充电。在恒定电流模式期间启用降压充电器，而在恒定电流模式期间禁用开关电容器充电器。在恒定电压模式期间启用开关电容器充电器，而在恒定电压模式期间禁用降压充电器。在降压充电器与开关电容器充电器之间的转变期间，启用降压充电器和开关电容器充电器二者。降压充电器和开关电容器充电器被配置成在转变时段期间同时对电池充电。在转变时段期间启用降压充电器和开关电容器充电器二者有助于提高无线电力传输系统的性能。
前面已经相当广泛地概述了本公开内容的特征和技术优点，以能够更好地理解下面对本公开内容的详细描述。下文中将描述形成本公开内容的权利要求的主题的本公开内容的附加特征和优点。本领域技术人员应当理解，所公开的构思和具体实施方式可以容易地用作修改或设计用于实现本公开内容的相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应当认识到，这样的等同构造不脱离如所附权利要求中阐述的本公开内容的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本公开内容及其优点，现在参考下文结合附图进行的描述，在附图中：
图1示出了根据本公开内容的各种实施方式的无线电力传输系统的框图；
图2示出了根据本公开内容的各种实施方式的图1所示的无线电力传输系统的附加细节；
图3示出了根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的无线电力传输系统的示例性充电曲线；
图4示出了根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的无线电力传输系统的另一示例性充电曲线；
图5示出了根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的无线电力传输系统的又一示例性充电曲线；以及
图6示出了根据本公开内容的各种实施方式的用于通过图2所示的无线电力传输系统对电池进行充电的方法的流程图。
除非另外指示，否则不同附图中对应的数字和附图标记通常指的是对应的部件。绘制附图是为了清楚地示出不同实施方式的相关方面并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
下文将详细论述当前优选实施方式的制作和使用。然而应当理解，本公开内容提供的许多可适用发明构思可以在多种特定上下文中实施。所论述的具体实施方式仅说明用以制作和使用本公开内容的特定方式，而不限制本公开内容的范围。
将在特定上下文中关于优选实施方式(即，用于通过无线电力传输系统高效地对电池充电的方法)描述本公开内容。然而，本公开内容也可以应用于各种能量传输系统。在下文中，将参照附图详细描述各种实施方式。
图1示出了根据本公开内容的各种实施方式的无线电力传输系统的框图。无线电力传输系统100连接在电源101与负载113之间。无线电力传输系统100包括发送器105和接收器115。如图1所示，发送器105包括以级联方式连接的发送器电路103、初级电容器C1和初级线圈L1。替选地，在整个说明书中，初级线圈L1可以被称为发送器线圈。发送器电路103的输入连接至电源101。应当注意的是，根据不同的应用和设计需要，可以在电源101与发送器电路103之间连接适当的电力转换器。
接收器115包括次级线圈L2、次级电容器C2和接收器电路111。次级电容器C2和接收器电路111级联连接在次级线圈L2与负载113之间。如图1所示，接收器电路111的输出耦接至负载113。替选地，在整个说明书中，次级线圈L2可以被称为接收器线圈。
当接收器115与发送器105相邻放置时，发送器105通过磁场磁耦合至接收器115。松耦合变压器120由作为发送器105的一部分的发送器线圈L1和作为接收器115的一部分的接收器线圈L2形成。因此，电力可以从发送器105传输至接收器115。
在一些实施方式中，发送器105可以在充电垫内侧。发送器线圈放置在充电垫的顶表面之下。接收器115可以嵌入在移动电话中。当移动电话靠近充电垫放置时，可以在发送器线圈与接收器线圈之间建立磁耦合。换言之，发送器线圈和接收器线圈可以形成松耦合变压器，可以通过该松耦合变压器在发送器105和接收器115之间传输电力。发送器线圈L1与接收器线圈L2之间的耦合强度由耦合系数K量化。
在一些实施方式中，在已经在发送器线圈L1与接收器线圈L2之间建立了磁耦合之后，发送器105和接收器115可以形成电力系统，通过该电力系统将电力从电源101无线地传输至负载113。
初级电容器C1用作谐振电容器。谐振电容器和发送器线圈的磁电感可以形成谐振回路。根据设计需要和不同的应用，谐振回路还可以包括谐振电器。在一些实施方式中，可以将谐振电感器实现为外部电感器。在替选实施方式中，可以将谐振电感器实现为连接线。次级电容器C2用作次级谐振电容器。次级电容器C2的功能类似于初级电容器C1的功能，并且因此在本文中不作讨论以避免重复。采用初级电容器C1和次级电容器C2以实现软切换，从而提高无线电力传输系统100的效率。
电源101可以是将公用事业线电压转换成直流(direct current，DC)电压的电力适配器。替选地，电源101可以是诸如太阳能电池板阵列的可再生电源。此外，电源101可以是诸如可再充电电池、燃料电池等的能量存储装置。
负载113表示耦接至接收器115的移动装置(例如，移动电话)所消耗的电力。替选地，负载113可以指串联/并联连接并且耦接到接收器115的输出的电池和/或可再充电电池。
根据一些实施方式，发送器电路103可以包括半桥转换器的初级侧开关以及相关联的驱动和控制电路。替选地，发送器电路103可以包括诸如全桥转换器、推挽式转换器等的其他转换器的初级侧开关。
应当注意的是，上述转换器仅是示例。本领域的普通技术人员将认识到，可以替选地使用其他合适的电力转换器，例如基于E类拓扑的电力转换器(例如，E类放大器)。
在一些实施方式中，接收器电路111可以包括整流器和多个下游电力转换器。整流器将从接收器线圈L2的输出接收的交变极性波形转换成单极性波形。在一些实施方式中，整流器包括全波二极管桥和输出电容器。在替选实施方式中，全波二极管桥可以由诸如n型金属氧化物半导体(n-type metal oxide semiconductor，NMOS)晶体管的开关元件形成的全波桥代替。
此外，整流器可以由其他类型的可控装置形成，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)装置、双极结型晶体管(bipolar junction transistor，BJT)装置、超结型晶体管(super junctiontransistor，SJT)装置、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)装置、基于氮化镓(gallium nitride，GaN)的电力装置等。整流器的详细操作和结构在本领域中是公知的，并且因此在本文中不论述。
可以将连接在整流器与负载之间的多个下游电力转换器实现为电池充电器。可以将电池充电器实现为任何合适的电力转换器，例如降压电力转换器、开关电容器电力转换器、它们的任何组合等。此外，可以在整流器的输出与电池充电器的输入之间连接降压型电力转换器，以改善电池充电器在各种操作条件下的性能。下面将关于图2描述多个下游电力转换器的详细图。
图2示出了根据本公开内容的各种实施方式的图1所示的无线电力传输系统的附加细节。电源101被实现为适配器。替选地，在整个说明书中，电源101可以被称为适配器。负载113被实现为电池。替选地，在整个说明书中，如图2所示，负载113可以被称为电池。
如图2所示，适配器101包括电力输送(power delivery，PD)控制器202。适配器101可以包括AC/DC转换器(未示出)，该AC/DC转换器将由AC电力供应器201提供的AC电压转换为DC输入电压(Vin)。如图2所示，采用DC输入电压Vin以向发送器电路103供电。可以将AC/DC转换器实现为任何合适的AC/DC电力转换装置，例如全波整流器等。
PD控制器202可以包括多个控制电路，例如处理器、收发器等。收发器被配置成向发送器电路103发送通信信号以及从发送器电路103接收通信信号。
如图2所示，适配器101包括三个输出端子。将第一端子表示为Vin。适配器101的第一端子Vin连接到发送器电路103的第一输入端子。将第二端子表示为Comm。适配器101的第二端子被配置成承载在适配器101与发送器电路103之间流动的通信信号。将第三端子表示为Gnd。适配器101的第三端子接地。
如图2所示，发送器电路103包括PD控制器204、无线电力发送器集成电路(transmitter integrated circuit，TXIC)206和半桥转换器208。半桥转换器208连接在高电压总线与地之间。如图2所示，高电压总线连接到发送器电路103的第一输入端子。发送器电路103的第一输入端子连接至Vin。
PD控制器204可以包括多个控制电路，例如处理器、收发器等。收发器被配置成向适配器101发送通信信号以及从适配器101接收通信信号。在一些实施方式中，PD控制器204和无线电力TXIC 206可以集成到同一硅片中。在替选实施方式中，PD控制器204和无线电力TXIC 206可以形成在两个不同的硅片上。
如图2所示，无线电力TXIC 206具有第一端子和第二端子，该第一端子被配置成从适配器101接收输入电压Vin，该第二端子被配置成与PD控制器202和204通信。无线电力TXIC 206被配置成生成用于控制半桥转换器208的开关S1和S2的栅极驱动信号。在一些实施方式中，无线电力TXIC 206可以包括处理器和收发器。收发器被配置为向接收器电路111发送通信信号以及从接收器电路111接收通信信号。
半桥转换器208包括开关S1和S2，它们串联连接在Vin与地之间。开关S1和S2以预定的开关频率被接通和关断，以在开关S1和S2的公共节点处生成交变电压信号。开关S1、S2的公共节点通过谐振电容器C1连接至发送器线圈L1。采用谐振电容器C1以实现软切换，从而提高无线电力传输系统100的效率。
应当注意的是，上述转换器仅是示例。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替选和修改。例如，可以使用包括四个开关的全桥转换器以代替图2中所示的半桥转换器208。
发送器线圈L1和接收器线圈L2在发送器电路103与接收器电路111之间形成电感耦合。可以使用电感耦合以将电力从发送器电路103传输至接收器电路111。此外，可以使用电感耦合以在发送器电路103与接收器电路111之间提供带内双向无线通信。
应该注意的是，图2所示的电感耦合仅是示例。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替选和修改。例如，使用多于一个发送器线圈将电力从发送器电路103无线地传输至接收器电路111。类似地，也可以使用多于一个接收器线圈来在电感耦合的接收侧无线地接收电力。
如图2所示，接收器电路111包括应用处理器(application processor，AP)214、无线电力接收器集成电路(receiver integrated circuit，RXIC)212、DC/DC转换器216、降压充电器218和开关电容器充电器219。无线电力RXIC 212通过谐振电容器C2连接至接收器线圈L2。采用谐振电容器C2以实现软切换，从而提高无线电力传输系统100的效率。
如图2所示，接收器线圈L2通过谐振电容器C2连接至无线电力RXIC 212。无线电力RXIC 212将由接收器线圈L2生成的AC电压转换成DC输出电压(Vout)。无线电力RXIC 212的输出连接到DC/DC转换器216的输入。DC/DC转换器216的输出是电压总线(Vbus)。如图2所示，电压总线Vbus被分别馈送到降压充电器218的输入和开关电容器充电器219的输入。降压充电器218和开关电容器充电器219的输出连接在一起并且被进一步施加至电池113。换言之，降压充电器218和开关电容器充电器219并联连接在DC/DC转换器216与电池113之间。
可以将无线电力RXIC 212实现为整流器。整流器被配置成将由接收器线圈L2生成的AC电压转换成DC输出电压Vout。替选地，在整个说明书中，无线电力RXIC 212可以被称为整流器。
为了提高无线电力传输系统的效率，可以将整流器实现为同步整流器。同步整流器的结构和工作原理是本领域公知的，并且因此在本文中不另外详细论述。
为了提高无线电力传输系统的轻负载效率，整流器可以在三种不同的模式下操作。当无线电力传输系统的负载大于第一预定负载阈值(例如，如图4所示，约300mA)时，整流器在全同步整流器模式下操作。当无线电力传输系统的负载在第二预定负载阈值(例如，如图4所示，约100mA)与第一预定负载阈值之间时，整流器在半同步整流器模式下操作。在半同步整流器模式下，整流器的至少一个开关模拟二极管的操作以降低开关损耗。当无线电力传输系统的负载小于第二预定负载阈值时，整流器在二极管整流器模式下操作。在二极管整流器模式下，整流器的所有开关模拟二极管整流器的二极管的操作以降低开关损耗。下面将关于图4描述三种不同模式的详细操作。
DC/DC转换器216被配置成将DC输出电压Vout转换成总线电压(Vbus)。在一些实施方式中，可以将DC/DC转换器216实现为2:1电力转换装置，例如开关电容电力转换器。将开关电容转换器配置为2:1电力转换装置是本领域公知的，并且因此在本文中不论述以避免重复。替选地，可以将DC/DC转换器216实现为任何合适的电力转换装置，例如3:1开关电容器转换器、降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、低压差调节器(low-dropoutregulator，LDO)、它们的任何组合等。
应当注意的是，图2所示的DC/DC转换器仅是示例。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替选和修改。例如，DC/DC转换器可以被配置成在旁路模式下操作。由于将DC/DC转换器配置成在旁路模式下操作，因此无线电力RXIC 212的输出通过常通(always-on)开关连接到DC/DC转换器216的输出。
将降压充电器218实现为降压转换器。降压转换器的效率在约92％至约93％的范围内。降压转换器包括高侧开关和低侧开关，高侧开关和低侧开关串连连接在降压转换器的输入(Vbus)与地之间。降压转换器还包括输出电感器，该输出电感器连接在高侧开关和低侧开关的公共节点与降压转换器的输出(Vbat)之间。将降压转换器配置为用于对电池充电的降压充电器在本领域中是公知的，并且因此在本文中不论述以避免重复。
将开关电容器充电器219实现为开关电容器转换器。降压转换器的效率在约97％至约98％的范围内。开关电容器转换器包括输入电容器、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和输出电容器。开关电容器转换器还包括电荷泵电容器。第一开关、第二开关、第三开关和第四开关串联连接在Vbus与地之间。电荷泵电容器连接在第一开关和第二开关的公共节点与第三开关和第四开关的公共节点之间。输入电容器连接在Vbus与地之间。输出电容器连接在第二开关和第三开关的公共节点与地之间。将开关电容器转换器配置为用于对电池充电的开关电容器充电器是本领域公知的，并且因此在本文中不讨论以避免重复。
降压充电器218是闭环充电器。换言之，可以基于由降压充电器218产生的反馈信号来调节输出电压Vbat和/或电流。降压充电器218可以用调节的电流或电压对电池113充电。
与降压充电器218相比，开关电容器充电器219是开环充电器。开关电容器充电器219可以实现更好的充电效率。在一些实施方式中，开关电容器充电器219的电力转换比是2：1。
AP 214可以向无线电力RXIC 246和DC/DC转换器216发送通信信号以及从无线电力RXIC 246和DC/DC转换器216接收通信信号。在一些实施方式中，AP 214可以利用集成电路间(Inter-Integrated Circuit，IC)串行总线通信以与开关电容器充电器219和降压充电器218通信。
图3示出了根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的无线电力传输系统的示例性充电曲线。图3的横轴表示时间的间隔。存在三个垂直轴。第一垂直轴Y1表示DC/DC转换器的输出电压(Vbus)。第二垂直轴Y2表示流过电池的电流(Ichg)。第三垂直轴Y3表示跨电池的两个端子的电压(Vbat)。
图3示出了三个波形。第一波形302是DC/DC转换器的输出电压。第一波形302包括两个转变点。第一转变点出现在T2。在第一转变点处，DC/DC转换器离开旁路模式并且进入2:1电力转换模式。第二转变点出现在T6。在第二转变点处，DC/DC转换器离开2:1电力转换模式并且返回到旁路模式。第二波形304是流过电池的电流。
第二波形304包括从T1至T3的恒定电流部分。恒定电流部分指示用于对电池充电的恒定电流。第三波形306是电池的电压。在T4之前，电池的电压逐渐增加。在T4之后，电池的电压保持恒定或几乎恒定。电池的恒定电压(从T4到T7)指示在从T4至T7的时间段期间用于对电池充电的恒定电压。
如图3所示，整个电池充电过程包括三个阶段。从T0至T1是第一充电阶段。在第一充电阶段之前，电池被耗尽。对电池施加预充电。替选地，在整个说明书中，第一充电阶段可以被称为预充电充电阶段。对电池施加预充电充电阶段，直到电池的电压达到预定电压阈值。如图3所示，根据一个实施方式，预定电压阈值近似等于3.1V。
在预充电充电阶段期间，禁用开关电容器充电器。启用降压充电器。DC/DC转换器被配置成在旁路模式下操作。在旁路模式下，至少一个开关(例如，用于降压转换器的一个高侧开关和用于开关电容器转换器的两个高侧开关)被配置成常通开关。整流器的输出电压通过常通开关施加至降压充电器。在一些实施方式中，可以选择整流器的输出电压以进一步提高无线电力传输系统的效率。如图3所示，DC/DC转换器的输出电压等于5V。由于当DC/DC转换器被配置成在旁路模式下操作时可以省略由DC/DC转换器引起的电压降，因此整流器的输出电压约等于5V。
从T1至T2是第二充电阶段。在第二充电阶段期间，向电池施加恒定电流充电。由降压充电器执行恒定电流充电。如图3所示，DC/DC转换器的输出电压从5V变化至10V。通过利用适配器的对施加到发送器的供给电压进行调节的能力来实现DC/DC输出电压的变化。在第二充电阶段期间，禁用开关电容器充电器，并且DC/DC转换器被配置成在旁路模式下操作。随着DC/DC转换器的输出电压在从5V至10V的范围内变化，降压充电器保持施加至电池的恒定电流。
从T2至T3是第三充电阶段。在第三充电阶段期间，在DC/DC转换器的输出电压达到预定电压阈值(例如，图3中所示的10V)之后，DC/DC转换器被配置成2:1降压型电力转换装置。如图3所示，响应于DC/DC转换器的变化，DC/DC转换器的输出电压在T2处下降至5V。
从T2至T3，整流器的输出电压进一步增加，使得降压充电器的输出可以维持稳定的电流输出直到T3，其中输入电压大于电池电压的四倍。在T3处，电池电压达到启动快速充电阶段的阈值电压。如图3所示，启动快速充电阶段的阈值电压等于3.5V。
在第二充电阶段和第三充电阶段期间，向电池施加恒定电流充电。如图3所示，在T1至T3期间，流过电池的电流保持恒定。在一些实施方式中，如图3所示，流过电池的电流等于1A。在整个说明书中，这两个充电阶段被统称为恒定电流充电阶段。
从T3至T4是第四充电阶段。在第四充电阶段期间，在T3处，启用开关电容器充电器。在预定延迟之后，禁用降压充电器。DC/DC转换器被配置成2:1电力转换装置。下面将关于图4描述降压充电器与开关电容器充电器之间的详细转变。
在第四充电阶段期间，进一步升高整流器的输出电压，使得充电器的输出处的充电电流达到快速充电恒定电流目标，该快速充电恒定电流目标是无线电力传输系统的充电电流限制。如图3所示，充电电流限制约为4A。在达到快速充电电流之后，无线充电系统通过逐级升高整流器的输出电压来保持流过电池的电流。在第四充电阶段期间，电池的电压逐渐升高至接近8V的电压电平，8V是无线电力传输系统的过电压保护点。在第四充电阶段期间，可以使用多种控制方法以实现快速充电电流。
在第四充电阶段期间，由开关电容器充电器替代降压充电器。更特别地，系统控制器首先在T3处启用开关电容器充电器，并且在预定延迟之后禁用降压充电器。替选地，在整个说明书中，第四充电阶段可以称为第一充电器转变时段。
从T4至T5是第五充电阶段。在第五充电阶段期间，开关电容器充电器被配置成在恒定电压充电模式下操作。在该模式下，无线电力传输系统保持电池的电压恒定。如第二波形304所指示，随着充电电流减小，沿充电路径的电压降减小。响应于减小的电压降，整流器的输出被控制为随着电池被逐渐充满而逐渐减小。在第五充电阶段期间，可以在该阶段期间使用各种控制方法，用于涉及无线电力传输系统的发送器侧和接收器侧两者的恒定电压跟踪。
从T5至T6是第六充电阶段。在第六充电阶段期间，当流过电池的电流低于预定电流阈值时，开关电容器充电器的电流控制精度降低。如图3所示，在一些实施方式中，预定电流阈值约为2A。在T5处，为了完成恒定电压充电，系统控制器启用降压充电器。在预定延迟之后，系统控制器禁用开关电容器充电器。在第六充电阶段期间，DC/DC转换器被配置为2:1电力转换装置。下面将关于图4描述降压充电器与开关电容器充电器之间的详细转变。
在已经启用降压充电器之后，整流器的输出电压逐渐降低，在T6处降低到较低电压(例如，10V)。如图3所示，在经过DC/DC转换器之后，DC/DC转换器的输出约为5V。从T5至T6，降压充电器通过利用其闭环调节能力来继续保持恒定电压充电。在T6处，DC/DC转换器被配置成再次在旁路模式下操作。
在第六充电阶段期间，将开关电容器充电器替换为降压充电器。更特别地，系统控制器首先在T5处启用降压充电器，并且在预定延迟之后禁用开关电容器充电器。替选地，在整个说明书中，第六充电阶段被称为第二充电器转变时段。
从T6至T7是第七充电阶段。如图3所示，在第七充电阶段期间，在DC/DC转换器被配置成在旁路模式下操作之后，整流器的输出电压从10V降低到5V。第七充电阶段为恒电压涓流充电阶段。
在第五充电阶段、第六充电阶段和第七充电阶段期间，向电池施加恒定电压充电。如图3所示，在T4至T7期间，电池的电压保持恒定或几乎恒定。如图3所示，在一些实施方式中，电池的电压近似等于7.8V。在整个说明书中，这三个充电阶段被统称为恒定电压充电阶段。
图3所示的七个充电阶段仅是示例，其不应当过度地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替选和修改。例如，根据不同的设计需要和应用，可以添加、移除、替换、重新排列和重复图3所示的各种充电阶段。
图4示出了根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的无线电力传输系统的另一示例性充电曲线。图4的横轴表示时间的间隔。存在两个垂直轴。第一垂直轴Y1表示整流器的输出电压。第二垂直轴Y2表示流过整流器的电流。
图4示出了三个波形。第一波形402是整流器的输出电压。第二波形404是流过整流器的电流。第三波形406是DC/DC转换器的输出电压。图4示出了两个转变点。第一转变点出现在与图3所示的T2相同的T2处。在T2之前，DC/DC转换器被配置为在旁路模式下操作。由于旁路模式，因此DC/DC转换器的输出电压近似等于整流器的输出电压。如图4所示，DC/DC转换器的电压(第三波形406)跟随整流器的电压(第一波形402)。在T2处，DC/DC转换器离开旁路模式并且进入2:1电力转换模式。从T2至T6，DC/DC在2:1电力转换模式下操作。DC/DC转换器的输出电压(第三波形406)是整流器的输出电压(第一波形402)的一半。第二转变点出现在T6处。在第二转变点处，DC/DC转换器离开2:1电力转换模式并且返回到旁路模式。
图4还示出了降压充电器与开关电容器充电器之间的转变。在T3处，在降压充电器在T3+被禁用之前启用开关电容器充电器。T3与T3+之间的时间是第一预定延迟，该第一预定延迟可以根据不同的应用和设计需要而变化。在从T3至T3+的时间段期间，开关充电器和开关电容器充电器并联连接并且同时对电池充电。在从T3至T3+的时间段期间，可以使用电池充电控制的电流限制功能以使降压充电器与开关电容器充电器之间的转变平滑。
在T5处，在开关充电器在T5+处被禁用之前启用降压充电器。T5与T5+之间的时间是第二预定延迟，该第二预定延迟可以根据不同的应用和设计需要而变化。在从T5至T5+的时间段期间，开关充电器和开关电容器充电器并联连接并且同时对电池充电。在从T5至T5+的时间段期间，可以使用电池充电控制的电流限制功能以使降压充电器和开关电容器充电器之间的转变平滑。
图4还示出了第一虚线408和第二虚线410。第一虚线408表示用于保持整流器在全同步整流器模式下操作的电流阈值。全同步整流器模式在本领域中是公知的，并且因此在本文中不再讨论。如图4所示，用于保持整流器在全同步整流器模式下操作的电流阈值近似等于0.35A。换言之，当流过整流器的电流大于0.35A时，整流器在全同步整流器模式下操作。
第二虚线410表示二极管模式与半同步整流器模式之间的边界。在二极管模式下，整流器的所有开关模拟二极管整流器的二极管。在半同步整流器模式下，开关中的至少一个模拟二极管整流器的二极管。如图4所示，二极管模式与半同步整流器模式之间的边界约为0.15A。
具有图4所示的降压充电器与开关电容器转换器之间的转变的一个有利特征是，流过整流器的电流可以保持在大于用于停留在全同步整流器模式的电流阈值的电平处。在转变期间将整流器保持停留在全同步整流器模式有助于提高无线电力传输系统的性能。例如，全同步整流器模式可以帮助提高无线电力传输系统的瞬态响应性能。
图5示出了根据本公开内容的各种实施方式的图2所示的无线电力传输系统的又一示例性充电曲线。图5的横轴表示时间的间隔。垂直轴Y1表示流过电池的电流和流过充电器的电流。
图5示出了三个波形。第一波形502是流过电池的电流。第二波形504是流过降压充电器的电流。第三波形506是流过开关电容器充电器的电流。图5示出了两个转变时段。从T3至T3+是第一转变时段。在第一转变时段期间，系统控制器首先在T3处启用开关电容器转换器，并且然后在T3+处禁用降压充电器。从T5至T5+是第二转变时段。在第二转变时段期间，系统控制器首先在T5处启用降压转换器，并且然后在T5+处禁用开关电容器充电器。
图5示出了在两个转变时段期间降压充电器与开关电容器充电器之间的电流分布。在T3处，在从降压充电器到开关电容器充电器的转变期间，整流器的输出电压约是电池电压的四倍。由于来自整流器的高输出电压，因此可以适当地接通开关电容器充电器。在接通开关电容器充电器之后，通过升高整流器的输出电压来升高流过开关电容器充电器的电流。同时，通过调节降压充电器的电流限制，使流过降压充电器的电流保持相同或缓慢减小。换言之，可以使用电池充电控制的电流限制功能以使降压充电器与开关电容器充电器之间的转变平滑。如图5所示，一旦流过开关电容器充电器的电流足够高，流过降压充电器的电流可以在降压充电器在T3+处被禁用之前减小到零。
类似地，在T5处，在开关电容器充电器被禁用之前首先启用降压充电器。然后，通过降压充电器的电流逐渐升高，而通过开关电容器充电器的电流保持相同或减小。一旦通过降压充电器的电流增加到足够高，在T5+处，开关电容器充电器被禁用。再次选择降压充电器的电流限制(开关电容器充电器在该电流限制处被禁用)以确保整流器的输出电流不低于用于保持全同步整流器模式的阈值。
图6示出了根据本公开内容的各种实施方式的用于通过图2所示的无线电力传输系统对电池进行充电的方法的流程图。图6所示的该流程图仅是示例，其不应当过度地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员将认识到许多变化、替选和修改。例如，可以添加、移除、替换、重新排列和重复图6所示的各个步骤。
无线电力传输系统包括通过电感耦合而磁耦合在一起的发送器和接收器。接收器的整流器将接收器线圈的AC电压转换成DC电压。DC/DC转换器连接到整流器的输出。降压充电器和开关电容器充电器并联连接在DC/DC转换器的输出与负载之间。在一些实施方式中，负载是可再充电电池。
在步骤602处，启用降压充电器。同时，可以将电池充电电流限制设置成等于预充电电流限制。
在步骤604处，降压充电器对电池施加预充电。在对电池施加预充电期间，可以将电池充电电流限制设置成等于恒定电流充电限制。
在步骤606处，系统控制器确定电池充电电压(Vbat)是否超过第一电压阈值(Vlow)。第一电压阈值也可以被称为预充电电压阈值。如果电池充电电压超过第一电压阈值，则方法进行到步骤608。否则，方法返回步骤604。
在步骤608处，降压充电器对电池施加恒定电流(constant current)充电。在恒定电流充电期间，电池充电电流保持恒定，并且电池充电电压(Vbat)逐渐增加。
在步骤610处，系统控制器确定电池充电电压(Vbat)是否超过第二电压阈值(Vcv_b)。第二电压阈值是用于通过降压充电器施加恒定电压充电的电压阈值。如果电池充电电压超过第二电压阈值，则方法跳至步骤630。否则，方法进行到步骤612。
在步骤612处，系统控制器确定电池充电电压(Vbat)是否在第三电压阈值(Vsc_m)与第二电压阈值(Vcv_b)之间。第三电压阈值Vsc_m是用于启用开关电容器充电器的电压阈值。如果电池充电电压不在从Vsc_m到Vcv_b的范围内，则方法返回到步骤608。否则，方法进行到步骤614。
在步骤614处，启用开关电容器充电器(switched capacitor charger)。在第一预定延迟之后，在步骤616处禁用降压充电器。在步骤618处，使用开关电容器充电器以在保持电池充电电流恒定的同时对电池充电。
在步骤620处，系统控制器确定电池充电电压(Vbat)是否超过第四电压阈值(Vcv_sc)。第四电压阈值是用于通过开关电容器充电器进入恒定电压充电的电压阈值。如果电池充电电压超过第四电压阈值，则方法进行到步骤622。否则，方法返回到步骤618。
在步骤622处，使用开关电容器充电器以对电池充电，同时保持电池充电电压(Vbat)大致恒定。在步骤624处，系统控制器确定流过电池的电流(Ichg)是否小于第一电流阈值(Isc_m)。第一电流阈值是用于启用降压充电器和禁用开关电容器充电器的电流阈值。如果流过电池的电流大于第一电流阈值，则方法返回到步骤622。否则，方法进行到步骤626。
在步骤626处，启用降压充电器。在第二预定延迟之后，在步骤628处禁用开关电容器充电器。在步骤630处，使用降压充电器以对电池充电，同时保持电池充电电压(Vbat)大致恒定。
在步骤632处，系统控制器确定流过电池的电流(Ichg)是否小于第二电流阈值(Iterm)。第二电流阈值是用于终止电池充电的电流阈值。如果流过电池的电流小于第二电流阈值，则方法进行到步骤634。否则，方法返回到步骤630。在步骤634处，禁用降压充电器，并且充电因为电池被完全充电而停止。
可以由一个或更多个控制器(例如包括：PD控制器202、PD控制器204和/或AP 214)执行参照图6描述的步骤。在一些实施方式中，可以使用AP 214以执行或至少监督参照图6描述的大部分步骤。PD控制器202和/或PD控制器204还可以帮助执行某些步骤。其他变化也是可能的。
尽管已经详细描述了本公开内容的实施方式及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开内容的精神和范围的情况下，本文可以进行各种改变、替换和变更。
此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制品、物质组合物、手段、方法和步骤的特定实施方式。如本领域普通技术人员将从本公开内容的公开内容容易理解的，根据本公开内容可以利用目前存在的或以后将开发的、执行与本文描述的对应实施方式基本上相同的功能或实现与本文描述的对应实施方式基本上相同的结果的过程、机器、制品、物质组合物、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制品、物质组合物、手段、方法或步骤包括在其范围内。因此，说明书和附图仅被认为是对由所附权利要求限定的本公开内容的说明，并且被认为涵盖落入本公开内容的范围内的任何和所有修改、变化、组合或等同物。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
通过并联连接的第一充电器和第二充电器对电池充电；
在从恒定电流充电阶段到恒定电压充电阶段的第一转变期间，在第一时刻启用所述第二充电器，并且在第二时刻禁用所述第一充电器，所述第二时刻在所述第一时刻之后，其中所述第一充电器和所述第二充电器被配置成在所述第一时刻与所述第二时刻之间同时对所述电池充电；并且
在所述恒定电压充电阶段期间，就在检测到流过所述电池的电流小于预定电流阈值之后，在第三时刻启用所述第一充电器，并且在第四时刻禁用所述第二充电器，所述第四时刻在所述第三时刻之后，其中所述第一充电器和所述第二充电器被配置成在所述第三时刻与所述第四时刻之间同时对所述电池充电。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一充电器是降压转换器，并且所述第二充电器是开关电容器转换器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，用于对所述电池充电的电力来自无线电力传输系统，所述无线电力传输系统包括：
发送器电路，其连接在适配器的输出与发送器线圈之间；
整流器，其连接至接收器线圈，所述接收器线圈磁耦合至所述发送器线圈；
DC/DC转换器，其具有连接到所述整流器的输出的输入；以及
第一充电器和第二充电器，所述第一充电器和第二充电器并联连接在所述DC/DC转换器与所述电池之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括：
就在检测到所述电池的电压低于第一电压阈值之后，对所述电池施加预充电充电阶段；
就在检测到所述电池的电压在所述第一电压阈值与第二电压阈值之间之后，对所述电池施加恒定电流充电阶段；
在所述电池的电压大于所述第二电压阈值之后，对所述电池施加快速电流充电阶段；
就在检测到流过所述电池的电流已经达到电池电流充电限制之后，保持流过所述电池的电流近似等于所述电池电流充电限制，同时增加所述电池的电压；并且
就在检测到所述电池的电压达到第三电压阈值之后，对所述电池施加恒定电压充电阶段。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括：
在所述恒定电压充电阶段期间，就在检测到流过所述电池的电流下降到所述预定电流阈值以下之后，启用所述第一充电器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括：
在所述恒定电流充电阶段期间，就在检测到所述电池的电压小于预定电压阈值之后，将所述DC/DC转换器配置成在旁路模式下操作；以及
就在检测到所述电池的电压大于所述预定电压阈值之后，将所述DC/DC转换器配置成作为2:1电力转换装置进行操作。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，还包括：
在所述恒定电压充电阶段期间，就在检测到所述电池的电压大于所述预定电压阈值之后，将所述DC/DC转换器配置成作为2:1电力转换装置操作；以及
就在检测到所述第一充电器已经进入涓流充电模式之后，将所述DC/DC转换器配置成在所述旁路模式下操作。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，还包括：
通过适配器将来自AC电力供应器的AC电压转换成DC电压；以及
从所述发送器电路将电力无线地传输至所述整流器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述第一充电器是闭环DC/DC转换器，并且所述第二充电器是开环DC/DC转换器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，还包括：
在所述恒定电流充电阶段和所述恒定电压充电阶段期间，通过在所述第一转变期间在禁用所述第一充电器之前启用所述第二充电器，并且在所述恒定电压充电阶段期间在禁用所述第二充电器之前启用所述第一充电器，来将所述整流器配置成在同步整流器模式下操作。
11.一种系统，包括：
整流器，其被配置成通过发送器线圈和接收器线圈从发送器无线地接收电力；
直流(DC)至DC(DC/DC)转换器，其直接或间接地耦接至所述整流器，所述DC/DC转换器被配置成从所述整流器的输出接收输出电压；
闭环充电器和开环充电器，所述闭环充电器和开环充电器并联连接在所述DC/DC转换器的输出与负载之间；以及
控制器，其直接或间接地耦接至所述闭环充电器和所述开环充电器，所述控制器被配置成在不同充电阶段期间选择性地启用所述闭环充电器和所述开环充电器中的一个，并且在不同充电阶段之间的转变时段期间启用所述闭环充电器和所述开环充电器两者。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述闭环充电器包括降压充电器，所述开环充电器包括开关电容器充电器，并且所述DC/DC转换器是2:1电力转换器。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其中，在恒定电流充电阶段期间启用所述闭环充电器，在恒定电压充电阶段期间启用所述开环充电器，并且所述闭环充电器和所述开环充电器被配置成在所述恒定电流充电阶段与所述恒定电压充电阶段之间的转变时段期间同时对电池充电。
14.一种方法，包括：
在整流器处通过由发送器线圈和接收器线圈形成的电感耦合来从发送器无线地接收电力；
由所述整流器生成直流(DC)电压；
通过DC至DC(DC/DC)转换器将所述DC电压施加至闭环充电器和开环充电器；
在第一充电器转变时段期间，在禁用所述闭环充电器之前启用所述开环充电器，其中，由于在禁用所述闭环充电器之前启用所述开环充电器，因此所述闭环充电器和所述开环充电器被配置成在所述第一充电器转变时段期间同时对电池充电；以及
在第二充电器转变时段期间，在禁用所述开环充电器之前启用所述闭环充电器，其中，由于在禁用所述开环充电器之前启用所述闭环充电器，因此所述闭环充电器和所述开环充电器被配置成在所述第二充电器转变时段期间同时对所述电池充电。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
通过预充电充电阶段、恒定电流充电阶段、恒定电压充电阶段和涓流充电阶段将所述电池充电到目标电压。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述第一充电器转变时段发生在所述恒定电流充电阶段与所述恒定电压充电阶段之间。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其中，所述第二充电器转变时段发生在所述恒定电压充电阶段。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中，所述闭环充电器包括降压充电器，所述开环充电器包括开关电容器充电器，并且所述DC/DC转换器是2:1电力转换装置。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，还包括：
就在检测到所述DC/DC转换器的输出电压达到预定阈值之后，将所述DC/DC转换器配置成离开旁路模式并且进入2:1电力转换模式。
20.根据权利要求14至19中的任一项所述的方法，其中：
所述闭环充电器和所述开环充电器并联连接在所述DC/DC转换器的输出与所述电池之间。
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