CN114651381A - 无线电力系统中的有源整流控制 - Google Patents

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Abstract

本文描述用于无线电力系统的整流器的有源整流方法和系统。示例性方法可以包含通过过零检测器检测所述整流器的输入处的电流的一个或多个过零；以及基于至少一个无线电力系统参数和所述过零确定第一延迟时间。所述方法可以包含分别基于所述第一延迟时间生成所述整流器的第一和第二开关的第一和第二控制信号；将第一停滞时间插入所述第一控制信号与所述第二控制信号之间；以及分别将所述第一和第二控制信号提供到所述第一和第二开关。

Description

无线电力系统中的有源整流控制
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年8月26日提交的标题为“无线电力系统中的有源整流器开关控制(CONTROL OF ACTIVE RECTIFIER SWITCHES IN WIRELESS POWER SYSTEMS)”的第62/891,959号美国临时专利申请的优先级和权益，所述专利申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
以下公开内容涉及无线电力系统中的有源整流方法和系统，且更具体来说，涉及对无线电力接收器中的有源整流方法和系统的控制。
背景技术
无线电力系统被配置成将电力传输到负载(例如，电气装置的电池)，而无传输器与接收器之间的机械接触。此类系统的无线电力接收器大体上包含整流器，以将振荡能量转换成DC以传递到耦合到接收器的负载(例如，电池)。整流器以高效率运行可能是有益的。
发明内容
本文公开用于无线电力系统的有源整流控制方法。
在一个方面中，本公开的特征在于一种用于无线电力系统的整流器的有源整流方法。所述方法可以包含通过过零检测器检测整流器的输入处的电流的一个或多个过零；以及基于至少一个无线电力系统参数和过零确定第一延迟时间。所述方法可以进一步包含分别基于第一延迟时间生成整流器的第一和第二开关的第一和第二控制信号；将第一停滞时间插入第一控制信号与第二控制信号之间；以及分别将第一和第二控制信号提供到第一和第二开关。
有源整流方法的各种实施例可以包含以下特征中的一个或多个。所述方法可以包含：基于无线电力系统参数和过零确定第二延迟时间；分别基于第二延迟时间生成整流器的第三和第四开关的第三和第四控制信号；将第二停滞时间插入第三控制信号与第四控制信号之间；以及分别将第三和第四控制信号提供到第三和第四整流器开关。第三和第四开关可以在全桥式配置下耦合到第一和第二开关。整流器可以是无线电力接收器的一部分。整流器可以是无线电力传输器的一部分。
整流器可以包含在全桥式整流器配置下与第一和第二开关耦合的两个二极管。第一和第二开关可以是整流器的低侧开关。第一和第二开关可以耦合到第一整流器输入，并且两个二极管耦合到第二整流器输入。第一延迟时间可以由可操作地耦合到过零检测器的延迟块确定。过零可以包含对应于电流上升的第一过零和对应于电流下降的第二过零。至少一个无线电力系统参数的值可以基于以下项中的至少一个：(i)整流器的阻抗；(ii)传输到耦合到无线电力系统的负载的功率电平；或(iii)包括整流器的无线电力接收器的线圈电流。
在另一方面中，本公开的特征在于一种用于无线电力系统的有源整流系统。所述系统可以包含：第一开关和第二开关，其耦合在振荡电流源与无线电力系统的电池之间；以及控制系统，其耦合到第一开关和第二开关中的每一个。所述控制系统可以被配置成：检测整流器的输入处的振荡电流的一个或多个过零；以及基于至少一个无线电力系统参数和过零确定第一延迟时间。所述控制系统可以进一步被配置成：分别基于第一延迟时间生成整流器的第一和第二开关的第一和第二控制信号；将第一停滞时间插入第一控制信号与第二控制信号之间；以及分别将第一和第二控制信号提供到第一和第二开关。
有源整流系统的各种实施例可以包含以下特征中的一个或多个。所述系统可以包含耦合在振荡电流源与无线电力系统的电池之间的第三开关和第四开关。所述控制系统可以进一步被配置成：基于无线电力系统参数和过零确定第二延迟时间；以及分别基于第二延迟时间生成整流器的第三和第四开关的第三和第四控制信号。所述控制系统可以进一步被配置成将第二停滞时间插入第三控制信号与第四控制信号之间；以及分别将第三和第四控制信号提供到第三和第四整流器开关。第三和第四开关可以在全桥式配置下耦合到第一和第二开关。
整流器可以是无线电力接收器的一部分。整流器可以是无线电力传输器的一部分。整流器可以包含在全桥式整流器配置下与第一和第二开关耦合的两个二极管。第一和第二开关可以是整流器的低侧开关。至少一个无线电力系统参数的值可以基于以下项中的至少一个：(i)整流器的阻抗；(ii)传输到耦合到无线电力系统的电池的功率电平；或(iii)包括整流器的无线电力接收器的线圈电流。
在另一方面中，本公开的特征在于一种用于无线电力系统的有源整流方法。所述方法可以包含：通过过零检测器检测整流器的输入处的电流的一个或多个过零；基于上升过零和下降过零生成锁相回路(PLL)信号；基于至少一个无线电力系统参数和过零确定第一延迟时间；分别基于第一延迟时间和PLL信号生成整流器的第一和第二开关的第一和第二控制信号；将第一停滞时间插入第一控制信号与第二控制信号之间；以及分别将第一和第二控制信号提供到第一和第二开关。
在另一方面中，本公开的特征在于一种用于无线电力系统的有源整流方法。所述方法可以包含：接收和/或滤波整流器的输入处的电流；通过过零检测器检测整流器的输入处的电流的一个或多个过零；基于至少一个无线电力系统参数和过零确定第一延迟时间；分别基于第一延迟时间生成整流器的第一和第二开关的第一和第二控制信号；将第一停滞时间插入第一控制信号与第二控制信号之间；以及分别将第一和第二控制信号提供到第一和第二开关。
在另一方面中，本公开的特征在于一种用于无线电力系统的有源整流方法。所述方法可以包含：通过过零检测器检测整流器的输入处的电流的一个或多个过零；基于上升过零和下降过零生成锁相回路(PLL)信号；基于一个或多个无线电力系统参数确定第一电压信号；分别基于PLL信号和第一电压信号生成整流器的第一和第二开关的第一和第二控制信号；将第一停滞时间插入第一控制信号与第二控制信号之间；以及分别将第一和第二控制信号提供到第一和第二开关。
附图说明
图1是示例性无线电力系统的框图。
图2A是采用有源整流的示例性无线电力系统的示意图。
图2B到2C是采用有源整流的示例性无线电力接收器的示意图。
图3A是采用有源整流的示例性无线电力系统的示意图。
图3B是用于基于输入电流确定整流器开关的控制信号的示例性工作流的图式。
图3C是说明在生成随时间变化的控制信号时的各种信号的一组曲线图。
图3D是用于无线电力系统中的整流器开关控制的示例性方法的流程图。
图4A是用于基于输入电流确定整流器开关的控制信号的示例性工作流的图式。
图4B是说明在生成随时间变化的控制信号时的各种信号的一组曲线图。
图4C是用于无线电力系统中的整流器开关控制的示例性方法的流程图。
图5A是用于基于输入电流生成整流器开关的控制信号的示例性工作流的图式。
图5B是说明在生成随时间变化的控制信号时的各种信号的一组曲线图。
图5C是用于无线电力系统中的整流器开关控制的示例性方法的流程图。
图6A是用于基于输入电流和输入电压确定整流器开关的控制信号的示例性工作流的图式。
图6B是说明在生成随时间变化的控制信号时的各种信号的一组曲线图。
图6C是用于无线电力系统中的整流器开关控制的示例性方法的流程图。
图7是示例性双向无线电力传递系统的示意图。
图8是示例性双向控制过程的流程图。
图9是示例性逆变器-整流器的示意图以及说明在逆变器操作模式下逆变器-整流器的操作的时序图。
图10是示例性逆变器-整流器的示意图以及说明在整流器操作模式下逆变器-整流器的操作的时序图。
图11是可以用于实施本文所描述的有源整流系统和方法的实例计算机系统的框图。
具体实施方式
本文公开无线电力系统中的有源整流系统和方法的示例性实施例。具体来说，有源整流可以用于无线电力接收器中。有源整流采用经耦合以便形成整流器的有源控制的开关。开关可以包含晶体管(例如，FET、MOSFET、BJT、IGBT等)。在示例性无线电力系统中，有源整流器可以用于将无线电力接收器处接收的振荡电流(AC)转换为直流(DC)，所述直流(DC)可以用于最终将能量传递到负载，如下文进一步描述。下文论述说明性实施例的细节。
无线电力系统概述
图1是示例性无线电力系统100的框图。系统100包含无线电力传输器102和无线电力接收器104。在传输器104中，电源(例如，AC干线、电池等)将电力提供到逆变器108。额外组件可以包含在逆变器级108之前的功率因数校正(PFC)电路106。逆变器108经由阻抗匹配网络110(包含固定和/或可调谐的网络组件)驱动传输器谐振器线圈和电容组件112(“谐振器”)。传输器谐振器112产生振荡磁场，其引发接收器谐振器114中的电压和/或电流。经由阻抗匹配网络116(包含固定和/或可调谐的网络组件)将所接收能量提供到整流器118。最终，将经整流电力提供到负载120(例如，电动或混合动力车辆的一个或多个电池)。在一些实施例中，电池电压电平可能会影响无线电力系统100的各种参数(例如，阻抗)。因此，可以接收、确定或测量电池电压电平以作为输入提供到无线电力系统100的其它部分。举例来说，电动车辆的典型的电池电压范围包含200-280V、200-350V、200-420V等。
在一些实施例中，传输器102的一个或多个组件可以耦合到控制器122，所述控制器可以包含被配置成与接收器104的通信模块通信的通信模块(例如，Wi-Fi、无线电、蓝牙、带内信令机制等)。在一些实施例中，传输器102的一个或多个组件可以耦合到一个或多个传感器124(例如，电流传感器、电压传感器、功率传感器、温度传感器、故障传感器等)。控制器122和传感器124可以基于来自传感器124和/或传感器128的反馈信号可操作地耦合到传输器102的控制部分。
在一些实施例中，接收器104的一个或多个组件可以耦合到控制器126，所述控制器可以包含被配置成与传输器102的通信模块通信的通信模块(例如，Wi-Fi、无线电、蓝牙、带内信令机制等)。在一些实施例中，传输器104的一个或多个组件可以耦合到一个或多个传感器128(例如，电流传感器、电压传感器、功率传感器、温度传感器、故障传感器等)。控制器126和传感器128可以基于来自传感器128和/或传感器124的反馈信号可操作地耦合到传输器102的控制部分。
无线电力系统的实例可以在2010年6月10日公开的标题为“无线能量传递系统(Wireless energy transfer systems)”的第2010/0141042号美国专利申请公开案以及2012年5月10日公开的标题为“用于车辆的无线能量传递(Wireless energy transfer forvehicles)”的第2012/0112535号美国专利申请公开案中找到，这两个文献全文以引用的方式并入本文中。
本文所公开的例示性系统和方法可以相对于车辆应用描述，但是还可以应用于由电力供电的任何系统或设备，例如机器人、工业机器、电器设备、消费型电子装置等。高功率无线电力传输器可以被配置成在例如为车辆、工业机器、机器人或依赖高功率的电子装置的电池供电和/或充电的应用中传输无线电力。出于说明的目的，以下公开内容聚焦于用于车辆的无线电力传输。然而，应了解，本文中所描述的实施例中的任何一个或多个可以应用于其中可以利用无线电力的其它应用。
如本文中所使用，术语“电容器”或其符号可以指具有电容(例如，以法拉计)和/或容抗(例如，以欧姆计)的一个或多个电气组件。例如，电容器可以指代一个或多个电容器(例如，电容器的“组”中)，其可以为大约数十个、数百个等的离散电容器。两个或更多个电容器可以串联或并联耦合以达到所要电容和/或所要容抗。应注意，本文中，容抗可以表达为负值。然而，本领域的技术人员将认识到，在一些惯例中，容抗也可以表达为正值。
如本文中所使用，术语“电感器”或其符号可以指具有电感(例如，以亨利计)和/或感抗(例如，以欧姆计)的一个或多个电气组件。例如，电感器可以指代一个或多个离散电感器或线圈。两个或更多个电感器可以串联或并联耦合以达到所要电感和/或所要感抗。应注意，本文中，感抗可以表达为正值。
虽然本公开(包含图式)可以提供各种电气组件的示例性值，但应了解，组件的值可以针对特定应用自定义。例如，各种电子组件的值可以取决于无线电力传输器用于传输电力，从而为车辆电池(大约数千瓦)还是蜂窝电话电池(通常小于5瓦)充电。
无线电力接收器中的有源整流
在一些实施例中，有源整流可以实现更大程度地控制到接收器104和/或负载120的输出的电力传输。在一些实施例中，有源整流可以实现到接收器104和/或负载120的输出的更高效电力传输。在一些实施例中，通过采用无线电力接收器中的有源整流，可以去除接收器104和/或传输器102中的可调谐阻抗匹配组件。这可以具有减小与无线电力系统相关联的大小、重量和/或成本的益处。
图2A是利用有源整流的示例性无线电力系统200的示意图。示例性系统200包含无线电力传输器202。示例性传输器202包含耦合到滤波器电路207(其可以包含例如一个或多个电感组件L3sA、L3sB、一个或多个电容组件等)的逆变器206(例如，半桥式逆变器、全桥式逆变器等)。逆变器206可以包含两个或更多个开关(例如，晶体管Q1、Q2、Q3和Q4)。可以经由相应控制信号PWM1、PWM2、PWM3、PWM4控制信号Q1、Q2、Q3、Q4。滤波器207可以进一步耦合到传输谐振器和/或匹配电路208(包含电容器C2s、C1sA、C1sB和电感器L1s)，如上文所描述。
在示例性系统200中，电路208的电感器L1s可以电感方式耦合到接收谐振器和/或匹配电路210(包含电容器C1dA、C1dB、C2d和电感器L1d)的电感器L1d，以便无线地将电力从传输器202传输到接收器204a。应注意，传输器线圈L1s生成振荡磁场，其可以引发接收器线圈L1d处的振荡电流。此电流可以具有例如85kHz的频率。在许多情况下，归因于逆变器206，电流I3d可以包含谐波。在一些实施例中，电流I3d的特性(例如，相位、振幅、形状、谐波含量等)可以进一步受接收器204a的一个或多个组件影响(例如，整形、失真等)。例如，电路210和212可以包含可以更改电流I3d的相位或形状的电感和/或电容组件。在一些情况下，电流I3d的失真可以在操作整流器开关的过程中形成挑战，如下文进一步描述。
示例性接收器204a可以包含耦合到接收谐振器和/或匹配电路210的滤波器电路212(包含例如一个或多个电感组件L3dA、L3dB、一个或多个电容组件等)。滤波器电路212可以被配置成改变电流I3d的特性(例如，减少失真)。
滤波器电路212可以耦合到整流器214a(例如，半桥式逆变器、全桥式逆变器等)，其可以包含两个或更多个开关(例如，晶体管Q5、Q6、Q7和Q8)。示例性整流器214a可以直接或间接耦合到负载216(例如，电池)。在一些实施例中，电流传感器218可以确定(例如，测量、感测等)电流I3d的特性。电流传感器218可以耦合在滤波器212的输出和/或整流器214的输入处。例如，电流传感器218可以确定整流器214的输入处的电流I3d的相位。可以将传感器信号提供到处理器和/或控制器(例如，控制器126)以供处理。在一些实施例中，处理器和/或控制器可以基于电流传感器218信号生成控制信号(例如，PWM信号)以用于控制整流器214的一个或多个开关。处理器和/或控制器可以将控制信号(例如，PWM5、PWM6、PWM7、PWM8)提供到整流器214的一个或多个开关(例如，分别为、Q5、Q6、Q7、Q8)。在一些实施例中，电流传感器218可以包含过零检测器，所述过零检测器被配置成检测电流I3d的过零，如下文进一步详细描述。可以将检测器信号提供到控制器以确定开关的控制信号。
在一些实施例中，控制信号可以使整流器开关在各种模式中操作。所述模式可以包含硬切换和/或软切换(例如，零电压切换)。在一些实施例中，整流器开关可以在第一时间段期间在一个模式中操作，且在第二时间段期间在另一模式中操作。在一些情况下，开关可以在给定时间段期间在两个模式之间交替或转换。
本文引用以下非限制性示例性无线电力系统200规范：
·传输器线圈L1s可以安置在单层或多层铁氧体上。
·系统200被配置成将大致11.3kW的电力传递到负载216。
·接收器线圈L1d可以具有15个或更少的匝、20个或更少的匝、25个或更少的匝等(例如，大致16个匝)。
·匹配可以被配置用于电压范围Vbus＝300-900V(例如，640-840V)。
图2B说明包含有源整流器214b的无线电力接收器204b的替代实施例。接收器204b包含本文针对接收器204a描述的相同或相似组件。然而，整流器214b是在高侧位置中具有二极管D5、D6且在低侧位置中具有开关Q7、Q8的全桥式有源整流器。
图2C说明包含有源整流器214c的无线电力接收器204c的另一替代实施例。接收器204c包含本文针对接收器204a描述的相同或相似组件。然而，整流器214c是全桥式有源整流器，其具有(i)耦合在输入节点220与整流器214c的输出之间的二极管D6、D8，以及(ii)耦合在输入节点222与整流器214c的输出之间的开关Q5、Q7。在替代实施例中，有源整流器可以是全桥式有源整流器，其具有(i)耦合在输入节点220与整流器的输出之间的开关Q6、Q8(代替图2C中的二极管D6、D8)以及(ii)耦合在输入节点222与整流器的输出之间的二极管D5、D7(代替图2C中所说明的开关Q5、Q7)。应注意，以下方法中的一个或多个可以用于控制整流器214a、214b或214c的开关。
第一示例性方法-电阻输入阻抗
图3A是利用有源整流的示例性无线电力系统300的示意图。应注意，系统300可以包含如上文所论述的系统200的组件(例如，整流器214a、214b或214c)。在一些实施例中，系统300可以包含：接收器303，其具有耦合在电感器L3dA与整流器214a的第一输入301a之间的一个或多个电容器C3dA；以及一个或多个电容器C3dB，其耦合在L3dB与整流器214a的第二输入301b之间。
图3B说明与用于基于输入电流I3d确定整流器开关(例如，分别为Q5、Q6、Q7、Q8)的控制信号(例如，PWM5、PWM6、PWM7、PWM8)的示例性方法相对应的示例性工作流302。图3C是说明在生成随时间变化的控制信号时的各种信号的一组曲线图。图3D说明用于确定整流器中的有源整流的控制信号的示例性方法304，所述整流器向无线电力系统的一个或多个部分(例如，传输器202、Vbus与箭头305之间的组件等)呈现电阻阻抗。为了清楚和简明起见，本文中一起论述图3A到3D。
参考图3B，可将电流I3d输入到(例如，控制系统322的)过零检测器306。在图3C(i)中提供示例性电流I3d。在示例性有源整流方法304的步骤308中，检测器306被配置成检测输入电流I3d的过零。参考图3C(ii)，检测器306可以输出指示电流信号I3d的过零的过零检测信号Vzcd。例如，电流I3d在时间t0处具有上升过零且在时间t5处具有下降过零。过零信息可以用于将Q5、Q6、Q7和/或Q8开关的开关模式与I3d电流过零同步，如在图3C(iii)和图3C(v)中所说明。具体来说，信号Vzcd的上升边缘310a(在时间t0处)和下降边缘310b(在时间t5处)可以用于对开关信号PWMpdt5和PWMpdt7(如在图3C(iii)中所说明)和开关信号PWMpdt6和PWMpdt8(如在图3C(v)中所说明)进行计时。
可以将具有过零信息(例如，电压Vzcd)的信号提供到(例如，控制系统322的)延迟块312。在步骤314中，延迟块312可以基于系统参数(例如，如下文进一步描述的β)确定第一延迟时间Tdel1和第二延迟时间Tdel2。示例性延迟块312可以被配置成根据以下关系提供一个或多个时间延迟：
时间延迟1：Tdel1＝(270-β)/360*Tperiod
时间延迟2：Tdel2＝(90+β)/360*Tperiod-Tdead
其中0≤β≤90°，Tperiod是输入信号I3d的单个时间段，并且时间Tdead是基于所使用的晶体管和/或栅极驱动器的规格的固定量(例如，约数百纳秒)。时间Tdead可以足够多，使得在相位滞后期间不会发生击穿情况，并且一对晶体管中的一个晶体管在给定时间导电。例如，开关Q5不应该与其配对开关Q7同时接通。如下文所描述，这些时间延迟可以用于生成延迟的控制信号(例如，PWMpdt5、PWMpdt6、PWMpdt7、PWMpdt8)。可以将延迟的控制信号提供到停滞时间补偿块306。
取决于优选的系统优化，参数β可以由控制器确定。在一些实施例中，控制器可以被配置成产生整流器214的等效阻抗并且因此选择β以实现所述阻抗。在一些实施例中，控制器可以被配置成维持整流器的阻抗，尽管电池电压改变(在负载216处)，并且因此选择β来实现维持。在一些实施例中，控制器可以被配置成将提供给负载216的电力维持在特定范围内，并且因此选择β来实现维持电力。在一些实施例中，可以选择β在接收器侧上维持所需线圈电流(例如，在L1d中)。
在一些实施例中，Tdel1可以是0.5个时间段(Tperiod)到0.75个时间段(Tperiod)。在一些实施例中，Tdel2可以是0.25个时间段(Tperiod)到0.5个时间段(Tperiod)。延迟时间Tdel1可以用于开关Q5和Q7的控制信号。延迟时间Tdel2可以用于开关Q6和Q8的控制开关。应注意，开关Q5和Q7形成软开关相脚，而开关Q6和Q8形成硬开关相脚。在图3C中所说明的实例中，延迟时间Tdel1等于时间t0与t6之间的差，并且延迟时间Tdel2等于t0与t3之间的差。
在步骤316中，控制系统322(例如，耦合到开关的控制器318和/或处理器320)可以分别基于第一延迟时间Tdel1生成用于第一整流器开关Q5和第二整流器开关Q7的第一“预停滞时间”控制信号PWMpdt5和第二预停滞时间”控制信号PWMpdt7。例如，信号Vzcd的上升边缘310a和下降边缘310b用于产生信号PWMpdt5和PWMpdt7的相应边缘324a、324b。
在步骤326中，控制系统322可以分别基于第二延迟时间Tdel2生成用于第三整流器开关Q6和第四整流器开关Q8的第三“预停滞时间”控制信号PWMpdt6和第四“预停滞时间”控制信号PWMpdt8。例如，信号Vzcd的上升边缘310a和下降边缘310b用于产生信号PWMpdt6和PWMpdt8的相应边缘328a、328b。
在步骤328中，停滞时间插入块330可以分别将停滞时间Tdead插入第一预停滞时间控制信号PWMpdt5与第二预停滞时间控制信号PWMpdt7之间。通过将停滞时间插入信号PWMpdt5与PWMpdt7之间，控制系统322产生用于相应整流器开关Q5、Q7的控制信号PWM5、PWM7。在图3C(iv)中，箭头332a和332b指示信号PWM5、PWM7的相应边缘之间的停滞时间Tdead(例如，使得Tdead＝t7-t6且Tdead＝t12-t11)。
在步骤334中，停滞时间插入块330可以分别将停滞时间Tdead插入第三预停滞时间控制信号PWMpdt6与第四预停滞时间控制信号PWMpdt8之间。通过将停滞时间插入信号PWMpdt6与PWMpdt8之间，控制系统322产生用于相应整流器开关Q6、Q8的控制信号PWM6、PWM8。在图3C(vi)中，箭头336a和336b指示在信号PWM6、PWM8的边缘之间的停滞时间Tdead(例如，使得Tdead＝t4-t3且Tdead＝t9-t8)。
在步骤338中，控制系统322可以将控制信号提供到相应整流器开关。在具有四个开关的全桥式整流器的实例中(例如，如在整流器214a中)，生成用于开关Q5的控制信号PWM5；生成用于开关Q6的控制信号PWM6；生成用于开关Q7的控制信号PWM7；并且生成用于开关Q8的控制信号PWM8。在另一实例中，对于具有两个高侧二极管和两个低侧开关Q7和Q8的整流器(例如，如在整流器214b中)，仅将控制信号PWM7和PWM8提供到相应开关Q7和Q8。在又一实例中，对于整流器214c，将控制信号PWM5和PWM7提供到相应开关Q5和Q8。
对于具有上文所提供的规范且利用工作流302的系统300的示例性接收器303，系统300中的滤波器电感器L3dA的值可以是大约35μH。串联补偿电容器可以用于维持与7uH电感器相同的85kHz下的阻抗。
第二示例性方法-电阻输入阻抗
图4A说明用于基于输入电流I3d生成整流器开关的控制信号的示范性方法的工作流400。图4B是说明在生成随时间变化的控制信号时的各种信号的一组曲线图。图4C说明用于生成整流器的控制信号的示例性方法402，所述整流器向无线电力系统的一个或多个部分(例如，传输器202、Vbus与箭头305之间的组件等)呈现电阻阻抗。为了清楚和简明起见，本文中一起论述图4A到4C。
参考图4A，可以将电流I3d提供到(例如，处理器320的)过零检测器406。在图4B(i)中提供示例性电流I3d。在示例性方法402的步骤404中，过零检测器406可以检测在上升输入电流信号I3d的时间t0处的上升过零以及在下降输入电流信号I3d的时间t5处的下降过零。过零检测器406可以输出具有电流信号I3d的过零信息的电压信号Vzcd。
在步骤408中，相位延迟锁(PLL)块410可以基于电流I3d的上升过零和下降过零生成PLL信号。块410输出PLL信号“SYNC”，如图4B(iii)中所说明，所述信号是与过零信号Vzcd“同步”的信号，使得信号SYNC与信号Vzcd同相。在一些实施例中，SYNC信号可以是电压信号Vzcd的副本。在一些实施例中，SYNC信号可以具有与信号Vzcd相同的相位和/或频率，但量值不同于电压信号Vzcd。例如，Vzcd的上升边缘对应于在时间t0处的SYNC的上升边缘(由箭头412a指示)，并且Vzcd的下降边缘对应于在时间t5处的SYNC的下降边缘(由箭头412b指示)。
在步骤413中，延迟块414可以基于系统参数(例如，如下文进一步描述的β)确定第一延迟时间Tdel1和第二延迟时间Tdel2。延迟块414可以根据以下关系产生一个或多个时间延迟：
时间延迟1：Tdel1＝(270-β)/360*Tperiod
时间延迟2：Tdel2＝(90+β)/360*Tperiod-Tdead
其中0≤β≤90°，Tperiod是输入信号I3d的单个时间段，并且时间Tdead是基于晶体管和/或栅极驱动器的规格的固定量。Tdead可以足够多，使得在相位滞后期间不会发生击穿情况，并且一对晶体管中的一个晶体管在给定时间导电。例如，开关Q5不与其配对开关Q7同时接通。可以将延迟的信号提供到停滞时间补偿块428。
取决于优选的系统优化，参数β可以由控制器确定。在一些实施例中，控制器可以被配置成产生整流器214的等效阻抗，并且因此选择β以实现所述阻抗。在一些实施例中，控制器可以被配置成维持整流器的阻抗，尽管电池电压改变(在负载216处)，并且因此选择β来实现维持。在一些实施例中，控制器可以被配置成将提供给负载216的电力维持在特定范围内，并且因此选择β来实现维持电力。对于图4B中提供的实例，将参数β选择为47度。
在一些实施例中，Tdel1可以是0.5个时间段(Tperiod)到0.75个时间段(Tperiod)。在一些实施例中，Tdel2可以是0.25个时间段(Tperiod)到0.5个时间段(Tperiod)。延迟时间Tdel1可以用于开关Q5和Q7的控制信号。延迟时间Tdel2可以用于开关Q6和Q8的控制开关。应注意，开关Q5和Q7形成软开关相脚，而开关Q6和Q8形成硬开关相脚。在图4B中所说明的实例中，延迟时间Tdel1等于时间t0与t6之间的差，并且延迟时间Tdel2等于t0与t3之间的差。
在步骤416中，延迟块414可以分别基于PLL信号SYNC和第一延迟时间Tdel1生成分别用于第一整流器开关Q5和第二整流器开关Q7的“预停滞时间”第一控制信号PWMpdt5和“预停滞时间”第二控制信号PWMpdt7。例如，信号SYNC的上升边缘420a和下降边缘420b用于产生信号PWMpdt5和PWMpdt7的边缘420a、420b。
在步骤422中，延迟块414可以分别基于PLL信号SYNC和第二延迟时间Tdel2生成分别用于第三整流器开关Q6和第四整流器开关Q8的“预停滞时间”第三控制信号PWMpdt6和“预停滞时间”第四控制信号PWMpdt8。例如，信号SYNC的上升边缘412a和下降边缘412b用于产生信号PWMpdt6和PWMpdt8的边缘424a、424b。
在步骤426中，停滞时间补偿块428可以分别将停滞时间Tdead插入“预停滞时间”第一控制信号PWMpdt5与“预停滞时间”第二控制信号PWMpdt7之间。在图4B(v)中说明停滞时间插入。通过将停滞时间插入时间t6与时间t7之间，控制系统322产生用于相应整流器开关Q5、Q7的控制信号PWM5、PWM7。在图4B(v)中，箭头430a、430b指示信号PWM5、PWM7的相应边缘之间的停滞时间Tdead(例如，使得Tdead＝t7-t6且Tdead＝t11-t12)。
在步骤432中，块428可以分别将停滞时间Tdead插入“预停滞时间”第三控制信号PWMpdt6与“预停滞时间”第四控制信号PWMpdt8之间。在图4B(vii)中说明停滞时间插入。通过将停滞时间插入时间t3与t4之间，控制系统产生用于相应整流器开关Q6、Q8的控制信号PWM6、PWM8。在图4B(vii)中，箭头434a、434b指示在信号PWM6、PWM8的相应边缘之间的停滞时间Tdead(例如，使得Tdead＝t4-t3且Tdead＝t9-t8)。
在步骤434中，控制系统322可以将控制信号(例如，PWM5、PWM6、PWM7和PWM8)提供到相应整流器开关(例如，分别为Q5、Q6、Q7和Q8)。在具有四个开关的全桥式整流器的实例中(例如，如在整流器214a中)，生成用于开关Q5的控制信号PWM5；生成用于开关Q6的控制信号PWM6；生成用于开关Q7的控制信号PWM7；并且生成用于开关Q8的控制信号PWM8。在另一实例中，对于具有两个高侧二极管和两个低侧开关Q7和Q8的整流器(例如，如在整流器214b中)，仅将控制信号PWM7和PWM8提供到相应开关Q7和Q8。在又一实例中，对于整流器214c，将控制信号PWM5和PWM7提供到相应开关Q5和Q8。
对于具有上文所提供的规范的系统200的示例性接收器204，方法402中的滤波器电感器L3sA、L3sB的值可以是大约14μH。应注意，方法402的滤波器电感器L3sA、L3sB的值大致比方法304的滤波器电感器L3sA、L3sB的值小五倍。这可以针对采用方法402的系统产生减小的占用面积(例如，成本、体积等)和/或成本。
第三示例性方法-电容输入阻抗
图5A说明与用于基于输入电流I3d生成整流器开关的控制信号的示例性方法相对应的工作流500。图5B是说明在生成随时间变化的控制信号时的各种信号的一组曲线图。图5C说明整流器中的示例性有源整流方法502，所述整流器向无线电力系统的一个或多个部分(例如，传输器202、Vbus与箭头305之间的组件等)呈现电容阻抗。为了清楚和简明起见，本文中一起论述图5A到5C。
在步骤504中，传感器506可以接收输入电流I3d。在一些实施例中，传感器506可以包含滤波器(例如，带通滤波器、低通滤波器、高通滤波器等)。在优选实施例中，示例性传感器506包含带通滤波器，其特征在于以下传递函数：
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其中ω0＝2*π/Tperiod和Qf是滤波器的质量因数。电流I3d的滤波可以使调制器稳定且由此实现稳定输出控制(PWM)信号。然后将滤波后的电流信号I3dmf提供到过零检测器508。
在步骤510中，过零检测器508可以检测滤波后的电流信号I3dmf的上升过零和滤波后的电流信号I3dmf的下降过零。检测器508可以产生具有过零信息的输出信号ZCD(例如，电压Vzcd和/或电流Izcd)。例如，如在图5B(iii)中所说明，信号ZCD的边缘512a对应于信号I3dmf的上升过零(在时间t0处)并且信号ZCD的边缘512b对应于信号I3dmf的下降过零(在时间t4处)。
在步骤514中，延迟块516可以基于系统参数(例如，如下文进一步描述的β)确定延迟时间Tdel1。延迟块516可以根据以下关系产生一个或多个时间延迟：
时间延迟：Tdel1＝(270-β)/360*Tperiod
其中0≤β≤90°，Tperiod是输入信号ZCD的单个时间段，并且时间Tdead是基于晶体管和/或栅极驱动器的规格的固定量。Tdead可以足够多，使得在相位滞后期间不会发生击穿情况，并且一对晶体管中的一个晶体管在给定时间导电。例如，开关Q5不与其配对开关Q7同时接通。可以将延迟的信号PWMpdt5、PWMpdt7提供到停滞时间补偿块518。
取决于优选的系统优化，参数β可以由控制器确定。在一些实施例中，控制器可以被配置成产生整流器214的等效阻抗，并且因此选择β以实现所述阻抗。在一些实施例中，控制器可以被配置成维持整流器的阻抗恒定，尽管电池电压改变(在负载216处)，并且因此选择β来实现维持。在一些实施例中，控制器可以被配置成将提供给负载216的电力维持在特定范围内，并且因此选择β来实现维持电力。在图5B中提供的实例中，将参数β选择为75度。
在步骤520中，延迟块516可以分别基于延迟时间Tdel1生成分别用于第一整流器开关Q5和第二整流器开关Q7的“预停滞时间”第一控制信号PWMpdt5和“预停滞时间”第二控制信号PWMpdt7。在图5B中所说明的实例中，延迟时间Tdel1等于时间t0与t5之间的差。例如，信号ZCD的上升边缘512a和下降边缘512b用于产生信号PWMpdt5和PWMpdt7的边缘522a、522b。
在步骤524中，停滞时间插入块526可以包含将停滞时间Tdead插入“预停滞时间”第一控制信号与“预停滞时间”第二控制信号之间。通过将停滞时间插入时间t5与t6之间，控制系统322产生用于相应整流器开关Q5、Q7的控制信号PWMpdt5和PWMpdt7。具体来说，箭头528a、528b指示在图5B(v)中的曲线图中的信号PWM5、PWM7的边缘之间的停滞时间Tdead。应注意，二极管半桥(例如，二极管D6、D8)的换流发生在时间t3与t7之间，使得t7-t3＝Tperiod/2。
在步骤530中，控制系统322可以将控制信号PWM5、PWM7提供到(例如，整流器214c的)相应整流器开关Q5、Q7。
一个优点是示例性方法502可以实现在滤波器电感器L3sA、L3sB处使用较小电感器，由此减小接收器204的物理体积。与包含整流器214的四个开关(例如，Q5、Q6、Q7和Q8)的有源控制的方法相比，示例性方法502还可以实现更高效率。
第四示例性方法-相移控制
图6A说明用于通过控制输入电流I3d与输入电压VAC(还称为Vacd)之间的相对相移而生成用于整流器开关的控制信号的示例性方法的工作流600。图6B到6C是说明根据工作流600的生成随时间变化的控制信号的一组曲线图。图6D说明用于根据工作流600生成控制信号的方法602。应注意，方法602的控制方案可以在混合信号或数字域中实施。为了清楚和简明起见，本文中一起论述图6A到6D。
参考图6A，可将电流I3d输入到(例如，控制系统322的)过零检测器604。在图6B(v)中提供示例性电流I3d。在步骤606中，检测器604被配置成检测输入电流I3d的过零。参考图6B(i)，检测器604可以输出指示电流信号I3d的过零的过零检测信号Vzcd。如本文中对于其它方法所描述，过零信息可以用于将开关Q5、Q6、Q7和/或Q8的开关模式与电流过零同步。
在步骤608中，相位延迟锁(PLL)块610可以基于电流I3d的上升过零和下降过零生成PLL信号。块610输出PLL信号“SYNC”，如图6B(iii)中所说明，所述信号是与过零信号Vzcd“同步”的信号，使得信号SYNC与信号Vzcd同相。在一些实施例中，SYNC信号的频率可以是电压信号Vzcd的频率的至少两倍。在一些实施例中，SYNC信号可以具有不同于电压信号Vzcd的量值。例如，Vzcd的上升边缘对应于SYNC的下降边缘(由箭头612a指示)，并且Vzcd的下降边缘对应于SYNC的上升边缘(由箭头612b指示)，使得信号Vzcd的一个时段对应于信号SYNC的两个时段。
在步骤614中，(例如，控制系统322的)斜坡产生块616可以基于输出PLL信号生成至少一个斜坡信号Vramp。斜坡信号Vramp用于借助于通过以下关系定义的Vdc1和Vdc2产生PWM信号：
Figure BDA0003603171120000101
Figure BDA0003603171120000102
其中参数β被选择为控制整流器的电阻阻抗且根据所要系统优化(如上文所述)进行选择，并且参数
Figure BDA0003603171120000103
被选择为控制整流器的电容阻抗。在图6B到6C中提供的实例中，针对配置成将8.3kW传递到电池216的示例性系统200，参数β＝70且参数
Figure BDA0003603171120000104
在步骤618中，(例如，控制件622的)PWM发生器620可以基于信号Vdc1和Vdc2生成用于开关Q5、Q6、Q7、Q8的预停滞时间PWM信号PWMpdt5、PWMpdt6、PWMpdt7、PWMpdt8。在一些实施例中，控制系统(例如，系统322的调制器)可以调制信号Vdc1和Vdc2以形成控制信号(例如，预停滞时间PWM信号)。
在分频器块622中，划分预停滞时间PWM信号的频率。在一些实施例中，频率除以因数2。在一些实施例中，频率除以大于2的因数(例如，2.5、3、4等)。
在步骤624中，停滞时间补偿块626可以将停滞时间Tdead插入预停滞时间第一控制信号PWMpdt5与预停滞时间第二控制信号PWMpdt7之间。通过插入停滞时间，控制系统322产生用于相应整流器开关Q5、Q7的控制信号PWM5、PWM7。
在步骤628中，块626可以将停滞时间Tdead插入预停滞时间第三控制信号PWMpdt6与“预停滞时间”第四控制信号PWMpdt8之间。通过插入停滞时间，控制系统产生用于相应整流器开关Q6、Q8的控制信号PWM6、PWM8。
在步骤630中，控制系统322可以将控制信号(例如，PWM5、PWM6、PWM7和PWM8)提供到相应整流器开关(例如，分别为Q5、Q6、Q7和Q8)。在具有四个开关的全桥式整流器的实例中(例如，如在整流器214a中)，生成用于开关Q5的控制信号PWM5；生成用于开关Q6的控制信号PWM6；生成用于开关Q7的控制信号PWM7；并且生成用于开关Q8的控制信号PWM8。在另一实例中，对于具有两个高侧二极管和两个低侧开关Q7和Q8的整流器(例如，如在整流器214b中)，仅将控制信号PWM7和PWM8提供到相应开关Q7和Q8。在又一实例中，对于整流器214c，将控制信号PWM5和PWM7提供到相应开关Q5和Q8。
在双向无线电力传输中的应用
在各种实施例中，本文所描述的有源整流系统和方法可以用于双向无线电力系统中。例如，无线电力系统可以被配置成使得将无线电力从发射器传输到接收器(还称为“单向”)。在一些情况下，无线电力系统可以被配置成使得将无线电力从第一装置传输到第二装置(例如，从发射器到接收器)和/或从第二装置传输到第一装置(例如，从接收器到发射器)。双向无线电力系统和方法的实例可以在2019年1月3日公开的标题为“无线电力系统的保护和控制(Protection and control of wireless power systems)”的第2019/0006836号美国公开案以及2020年3月26日公开的标题为“电动车中的无线电力传输(Wirelesspower transmission in electric vehicles)”的第2020/0094696号美国公开案中找到。
图7示出示例性双向无线电力系统700的示意图。示意图描绘传输器(Tx)侧无线电力装置700a和接收器(Rx)侧无线电力装置700b。如上所述，对于类似单向无线电力系统(例如，系统200或300)的情况，Tx侧无线电力装置700a通常作为无线电力传输器操作。当在耦合到电动车辆或其它移动车辆的无线电力装置的上下文中使用时，Tx侧装置700a还可以称为地面组合件(GA)或GA侧装置。然而，如下文所论述，在双向系统中，Tx侧通常是指耦合到或配置成耦合到例如电力网、AC发电机等的固定电源或负载的无线电力装置。此外，Tx侧系统通常能够处理比Rx侧无线电力设备700b更高的功率、电压或电流瞬变。另一方面，对于类似单向无线电力传递系统(例如，系统200或300)的情况，Rx侧无线电力装置700b通常作为无线电力接收器操作。然而，如下文所论述，在双向系统中，Rx侧通常是指耦合到或配置成耦合到例如电池或电池供电装置(例如，计算装置或电动车辆)的移动(例如，通常更受限)电源或负载的无线电力装置。当在耦合到电动车辆或其它移动车辆的无线电力装置的上下文中使用时，Rx侧无线电力装置700b还可以称为车辆组合件(VA)或VA侧装置。
在示例性双向系统700中，Tx侧装置700a和Rx侧装置700b两者包含逆变器-整流器702。逆变器-整流器702可以包含开关元件和/或二极管的桥式配置。例如，逆变器-整流器702可以包含例如MOSFET的有源开关元件，所述有源开关元件允许逆变器-整流器702作为双向系统中的逆变器或整流器操作。如下文更详细地论述，可以基于供应到开关元件的PWM控制信号的模式控制逆变器-整流器702的操作模式(在本文中也称为“操作特性”)。在一些实施例中，逆变器-整流器702可以根据本文所描述的一个或多个有源整流方法(例如，方法304、402、502和/或602)操作。
系统700能够通过在第一方向(例如，从传输器700a到接收器700b的正常电力流方向)上的电力传输来为负载(例如车辆的电池)供电，而断开对传输器700a的电力输入。或者，系统700可以在第二方向(例如，反向电力流方向)上供电，例如从耦合到Rx侧装置700b的电动车辆的电池将电力供应到耦合到Tx侧装置700a的电力网。作为另一实例，双向系统700可以用于在断电期间从停在车库中的电动车辆电池中的电池为家庭供电。
在示出包含电阻器、电感器和电容器的单个组件的情况下，可以利用包含串联和/或并联组件的组件组。在示出可调谐组件的情况下，可以包含与可调谐组件串联和/或并联的固定组件。在一些实施方案中，控制器122a和122b可以组合在单个控制器720中。同样，在一些实施方案中，控制器126a和126b可以组合在单个控制器740中。
在一些实施方案中，控制器720和740包含双向管理器。双向管理器根据如由分配给装置的操作特性所指示的电力流方向来协调不同硬件和软件组件无线电力装置(例如，700a或700b)的配置。例如，INV的操作特性指示逆变器-整流器正作为逆变器操作，并且因此无线电力装置700a/700b正作为传输器操作。类似地，例如，REC的操作特性指示逆变器-整流器正作为整流器操作，并且因此无线电力装置700a/700b正作为接收器操作。双向管理器还协调从电力流的一个方向到电力流的相反方向的过渡。例如，Rx侧装置700b的双向管理器可以通过无线通信链路750(例如，Wi-Fi链路)与Rx侧装置700a的双向管理器通信，以协调电力反向。双向管理器可以在每个装置700a/700b内或软件中实施为单独的控制器。
更具体来说，系统的各种硬件和软件组件可以具有不同操作设定点、模式和/或操作范围，这取决于电力流方向，进而取决于无线电力装置700a/700b的操作特性。各种操作设定点、模式和/或操作范围可以存储在存储器中或硬件中。包含各种控制器、滤波器、通信系统和/或保护系统的系统的每个组件(例如，逆变器-整流器702、可调谐匹配网络(TMN)703和其它组件)可以取决于电力流方向呈现不同“操作特性”。
无线电力装置的双向管理器可以在系统启动时和/或在电力流转换期间基于通过整个无线电力系统700的电力流的预期方向来分配适当特性。例如，在接收到从系统的一个操作模式切换到另一操作模式的命令(例如，通过连接到任一个或全部控制器、在系统的任一侧或两侧上或在系统外，例如在网络、网格或移动装置上的操作员界面和/或用户界面)后，双向管理器可以为各种组件控制器(例如，122a、122b、126a和126b)分配相应操作特性。每个控制器可以使用所分配的操作特性来识别和加载适当的操作过程或软件代码，以控制无线电力传递装置700a/700b的相关联组件。例如，当向逆变器-整流器控制器被分配逆变器(例如，INV)的操作特性时，控制器将加载软件代码来产生PWM控制信号模式，以操作逆变器-整流器开关元件来从DC输入信号生成AC输出信号。另一方面，当向逆变器-整流器控制器被分配整流器(例如，REC)的操作特性时，控制器将加载软件代码来产生PWM控制信号模式，以操作逆变器-整流器开关元件来将AC输入信号整流成DC输出信号。
此外，双向管理器可以提供电力需求、电力流方向，选择适当的软件代码块并且将特性分配给子控制器或其它控制器。双向管理器可以确定可恢复或不可恢复的错误，这具体取决于控制器所在的系统侧以及控制器为系统组件采用的操作特性。可以基于预期电力流方向，例如车辆到电网(V2G)电力流或电网到车辆(G2V)电力流分配操作特性。此外，双向管理器可以确定这些错误的恢复时间和/或模式，和/或在它们被恢复时清除错误，因此不需要用户干预。双向管理器可以与用户、系统的另一侧的控制器(例如，系统的另一侧上的双向管理器)通信。
双向管理器可以从无线电力系统的组件接收错误的通知，并且可直接通过双向管理器或在来自组件的回调请求之后将错误消息分配给无线电力系统的其它组件。
双向管理器可以从无线电力系统的组件(例如，经由Wi-Fi从来自系统的另一侧的组件)接收通信。双向管理器可以满足组件对与组件相关的消息的回调请求，或者可以将消息分配给相关组件。双向管理器可以控制(包含动态地)无线电力系统的组件接收和发送错误和通信消息的权限。双向管理器可以负责在过渡阶段期间控制无线电力系统的组件，包含处理因电力传递方向改变(V2G和G2V过渡)而引起的任何错误传导。例如，双向管理器可以监督电源的关闭，确认电源已完全或部分关闭，并对系统的组件进行排序以打开(同时为组件分配特性)。
作为实例，传输器控制器上的双向管理器接收到从空闲打开电源的命令，双向管理器可以将G2V特性分配给系统中的各种控制器和硬件。在接收到改变电力传输方向的通信时，双向管理器在传输器与接收器之间进行通信以改变电力传输方向。双向管理器可以负责处理因电力传输方向改变而产生的任何错误，包含在第一方向的断电和在第二方向的加电期间。当清除错误时，双向管理器可以例如通过从非暂时性计算机可读介质中选择指令子集，或使控制器选择指令子集来将特性分配给控制器。
在一些实施方案中，系统的每个控制器(例如，专用逆变器-整流器处理器，或专用TMN处理器，或专用传输器或接收器处理器)可以包含双向管理器。双向管理器可以作为顶部层级管理器操作。
一般来说，将特性分配给组件/控制器可以支持模块化、非冗余部分、代码和存储器，并且实现从G2V(电网到车辆电力流)到V2G(车辆到电网电力流)以及从V2G到G2V的更快实时切换。
图8描绘可以根据本公开的实施方案执行的示例性双向控制过程800的流程图。实例过程800可以例如通过本文所公开的实例无线电力系统实施。例如，过程800可以在传输器无线电力装置700a的双向管理器与接收器无线电力装置700b的双向管理器之间执行。过程800示出划分的主要侧操作802和辅助侧804操作。一般来说，主要侧操作802由接收器无线电力装置700b执行，而辅助侧操作704由Tx侧无线电力装置700a执行。例如，接收器(或装置侧)无线电力装置700b通常可以耦合到较小容量或更有限的电源或负载。将接收器无线电力装置700b实施为主要装置可以提供对双向控制过程800的更精确控制，以防止超过Rx侧系统或其负载/源的可能较低操作限制。在一些实例中，实例过程800可以由使用一个或多个计算装置、处理器或微控制器执行的一个或多个计算机可执行程序提供。例如，实例过程800或其部分可以由通过无线电力装置700a、700b的控制电路系统执行的一个或多个程序提供。
主要装置起始无线电力系统内的电力流转换。起始可以由用户输入提示，或在一些实施方案中由通过主要装置执行的自动电力转换确定提示(806)。例如，主要装置可以基于各种标准而确定移位电力流，所述标准包含但不限于，电池的充电状态、当日时间和电网电力的可用性和/或需求。例如，Rx侧无线电力装置700b可以被配置成当连接的电池高于阈值充电水平且发生电网电力损耗时起始电力流反转过程。作为另一实例，Rx侧无线电力装置700b可以被配置成在连接的电池高于阈值充电水平时以及在预设当日时间期间起始电力流反转过程。例如，Rx侧无线电力装置700b可以被配置成反转电力流，以便在电力网的峰值负载时段(例如，高需求时段和/或高能源价格时段，例如晚上)期间向家庭提供补充电力。在一些实施方案中，辅助装置可以确定何时起始电力流转换，但将执行从主要装置请求起始电力流转换的额外步骤。
主要装置将执行发送到辅助装置以反转电力流的方向(808)。响应于指令，辅助装置重新配置以在与其当前操作相反的电力流方向上操作(810)。例如，如果辅助装置正作为传输器操作，则所述辅助装置将重新配置以作为接收器操作。如果辅助装置正作为接收器操作，则所述辅助装置将重新配置以作为传输器操作。例如，辅助装置的双向管理器可以通过例如确保逆变器-整流器的操作，移位开关以断开负载/电源(视情况而定)，切换旁路开关以耗散辅助装置内的残余电流，或其组合来协调辅助装置内的控制器操作以关闭当前方向上的电力流。
辅助装置根据新的电力流方向分配新的操作特性(812)。例如，辅助装置的双向管理器根据新的电力流方向将新的操作特性分配给辅助装置内的相应控制器。双向电力管理器可以通过切换旗标位(例如，下文更详细地论述的TMN_SIDE)来分配新的操作特性，以指示作为传输器/逆变器的操作或作为接收器/整流器的操作。
响应于新的操作特性分配，各种辅助装置控制器可以重新配置其相应操作。例如，控制器可以加载控制算法(例如，软件代码块)以根据新电力流方向执行操作。例如，TMN控制器可以重置TMN并且加载控制代码以生成适当的TMN控制信号来根据新电力流方向操作。TMN可能需要调整设定点(例如，阻抗值、阻抗调整步长和/或保护方案)，以适应新方向上的电力传递或为新方向上的电力斜升做准备，或两者。例如，V2G模式下的电力流可能通常低于G2V模式下的电力流，例如归因于GA和VA侧谐振器线圈之间的不对称性和/或对电池的放电约束。因此，TMN和/或逆变器-整流器设定点对于在V2G模式与G2V模式下操作可能不同。
辅助装置(例如，辅助装置的逆变器控制器)可以根据新的操作特性控制逆变器-整流器操作(814)。例如，逆变器-整流器控制器可以加载适当的算法以生成PWM控制信号，以在辅助装置是传输器时作为逆变器操作并且在辅助装置是接收器时作为整流器操作。下文参考图9和10更详细地描述特定的逆变器和整流器操作。
辅助装置将指示其重新配置状态的回复发送到主要装置(816)。当辅助装置指示其重新配置仍在进行中或暂停时，主要装置等待和/或重新发送指令808。通过主要装置等待确认辅助装置已完成更新其操作特性，过程800可以提供更安全和更稳固的操作。例如，它可以防止电力流在分配给辅助装置或主要装置的特性不匹配的情况下开始或反转。当辅助装置指示其重新配置完成时，主要装置重新配置以在与其当前操作相反的电力流方向上操作(818)。例如，如果主要装置正作为传输器操作，则所述主要装置将重新配置以作为接收器操作。如果主要装置正作为接收器操作，则所述主要装置将重新配置以作为传输器操作。例如，主要装置的双向管理器可以通过例如确保逆变器-整流器的操作，移位开关以断开负载/电源(视情况而定)，切换旁路开关以耗散辅助装置内的残余电流，或其组合来协调辅助装置内的控制器操作以关闭当前方向上的电力流。
主要装置根据新的电力流方向分配新的操作特性(820)。例如，主要装置的双向管理器根据新的电力流方向将新的操作特性分配给主要装置内的相应控制器。双向(电力)管理器可以通过切换旗标位(例如，下文更详细地论述的TMN_SIDE)来分配新的操作特性，以指示作为传输器/逆变器的操作或作为接收器/整流器的操作。
响应于新的操作特性分配，各种主要装置控制器可以重新配置其相应操作。例如，控制器可以加载控制算法(例如，软件代码块)以根据新电力流方向执行操作。例如，TMN控制器可以重置TMN并且加载控制代码以生成适当的TMN控制信号来根据新电力流方向操作。TMN可能需要调整设定点(例如，阻抗值和/或保护方案)，以适应新方向上的电力传递或为新方向上的电力斜升做准备，或两者。
主要装置(例如，主要装置的逆变器控制器)可以根据新的操作特性控制逆变器-整流器操作(822)。例如，逆变器-整流器控制器可以加载适当的算法以生成PWM控制信号，以在辅助装置是传输器时作为逆变器操作并且在辅助装置是接收器时作为整流器操作。在一些实施方案中，主要装置中的TMN控制器可以根据新的操作特性控制TMN。例如，主要装置上的TMN控制器可以加载适当的控制算法以生成TMN调整信号，以在第一方向上作为负载耦合的TMN或在第二方向上作为电源耦合的TMN操作。
图9是示例性逆变器-整流器902的示意图900以及说明在逆变器操作模式中逆变器-整流器的操作的时序图902。示意图1800示出相移全桥式逆变器。逆变器桥电路使用有源开关元件Q1、Q2、Q3和Q4，其可以是例如MOSFET、晶体管、FET、IGBT等。
时序图902说明用于开关Q1、Q2、Q3和Q4的驱动信号模式。将开关分组成两个支脚：支脚A(Q1、Q3)和支脚B(Q2、Q4)。每个支脚中的对应开关通过相应PWM控制信号交替地接通和断开。示出每个栅极驱动信号G1、G2、G3和G4的接通时间和断开时间。所示的停滞时间td是同一支脚的栅极驱动器都断开时。对于时段Ts中的每个驱动信号，断开时间可以大于接通时间。
支脚A(Q1和Q3)与支脚B(Q2和Q4)之间的延迟时间tps当以度数表示时称为相移角，并且是用于调整逆变器-整流器在作为逆变器操作时提供的总功率的方式。在启动时，来自逆变器-整流器端子VA和VB的输出功率VAB(t)可以具有11％占空比(支脚相移角θps＝20度)。在最大功率下，VAB(t)可以处于100％占空比(支脚相位θps＝180度)。通过调整支脚A和支脚B PWM信号之间的延迟时间tPS来控制总功率输出。
在一些实施例中，逆变器-整流器900可以根据本文所描述的一个或多个有源整流方法(例如，方法304、402、502和/或602)操作。尽管示出全桥式逆变器，但是在一些实施方案中，逆变器-整流器开关可以布置在半桥式配置中。在一些实施方案中，逆变器-整流器可以实施零电压开关操作，以确保开关在跨越其的电压为零或接近零时操作。
图10是示例性逆变器-整流器的示意图1000以及说明在整流器操作模式下逆变器-整流器702的操作的时序图1902。图10说明利用如图9中所示的相同开关的同步整流器操作。在时序图1902中示出对应于相应开关(Q1、Q2、Q3、Q4)的栅极驱动信号(G1、G2、G3、G4)。尽管示出零电流开关操作，但是零电压开关(ZVS)自然地遵循操作并且可以在一些实施方案中使用。然而，图中未示出在有源整流模式中的ZVS开关。
同步整流器可以接收I3s电流(在图7中示为I3d或I3s)的过零，并且产生如时序图1002中所示的同步整流(零电流开关)的时序。在整流器模式中，逆变器-整流器702通过交替地接通对应开关对(Q1/Q4和Q2/Q3)而将AC输入信号整流成DC输出信号。例如，逆变器-整流器控制器(例如，逆变器/保护和控制电路系统)可以从电流或相位传感器(例如，传感器218)接收I3d或I3s电流和/或相位测量。开关Q1、Q2、Q3和Q4可以在逆变器-整流器702的输入的零电流(或接近零电流)下关闭，并且允许在操作下一对开关(例如，Q1和Q4或Q2和Q3)之前经过适当的时间延迟td。这可以防止开关内的功率损耗。在一些实施方案中，可以视需要通过系统调整时间延迟。
在一些实施方案中，在启动期间，逆变器-整流器不开始切换，直到所测量的输入功率高于确保连续地传导I3d电流的阈值。阈值可以例如在2kW与4kW之间，和/或在目标功率的20％至40％之间。在低于阈值输入功率值的低功率操作期间，输入AC信号可能有噪声，从而可能导致不准确的过零检测以及可能较大瞬变以用于不精确切换。例如，用于产生PWM同步的I3d电流可能不连续且有噪声，从而导致不准确的过零检测以及可能较大瞬态，或甚至导致功率级的破坏性短路。替代地，当功率低于阈值时，可以通过开关的体二极管传导无源地执行整流。在此类实施方案中，在阈值输入功率值之上执行的开关操作可以被视为有源整流模式，并且在阈值输入功率值之下执行的体二极管传导可以被视为无源整流模式。
在一些实施例中，逆变器-整流器1000可以根据本文所描述的一个或多个有源整流方法(例如，方法304、402、502和/或602)操作。
硬件和软件实施方案
在一些实例中，上文描述的处理中的一些或全部可以在一个或多个中央计算装置上实行。在一些实例中，一些类型的处理在一个装置上发生，且其它类型的处理在另一装置上发生。在一些实例中，上文描述的数据中的一些或全部可以存储于代管在一个或多个中央计算装置上的数据存储装置中，或经由基于云的存储装置存储。在一些实例中，一些数据存储于一个位置中且其它数据存储于另一位置中。在一些实例中，可以使用量子计算。在一些实例中，可以使用函数式编程语言。在一些实例中，可以使用例如基于快闪的存储器等电存储器。
图11是可以在实施本文描述的技术的过程中使用的实例计算机系统1100的框图。通用计算机、网络器具、移动装置或其它电子系统也可以包含系统1100的至少部分。系统1100包含处理器1110、存储器1120、存储装置1130和输入/输出装置1140。组件1110、1120、1130和1140中的每一个可以例如使用系统总线1150互连。处理器1110能够处理指令以供在系统1100内执行。在一些实施方案中，处理器1110为单线程处理器。在一些实施方案中，处理器1110为多线程处理器。处理器1110能够处理存储于存储器1120中或存储装置1130上的指令。
存储器1120存储系统1100内的信息。在一些实施方案中，存储器1120是非暂时性计算机可读媒体。在一些实施方案中，存储器1120是易失性存储器单元。在一些实施方案中，存储器1120是非易失性存储器单元。
存储装置1130能够为系统1100提供大容量存储。在一些实施方案中，存储装置1130是非暂时性计算机可读媒体。在各种不同实施方案中，存储装置1130可以包含(例如)硬盘装置、光盘装置、固态驱动器、快闪驱动器，或某一其它大容量存储装置。举例来说，存储装置可以存储长期数据(例如，数据库数据、文件系统数据等)。输入/输出装置1140为系统1100提供输入/输出操作。在一些实施方案中，输入/输出装置1140可以包含网络接口装置(例如，以太网卡)、串行通信装置(例如，RS-232端口)，和/或无线接口装置(例如，802.11卡、3G无线调制解调器或4G无线调制解调器)中的一个或多个。在一些实施方案中，输入/输出装置可以包含驱动器装置，其被配置成接收输入数据且将输出数据发送到例如键盘、打印机和显示装置1160的其它输入/输出装置。在一些实例中，可以使用移动计算装置、移动通信装置和其它装置。
在一些实施方案中，上文描述的方法的至少一部分可以由指令实现，所述指令在执行时致使一个或多个处理装置实行上文描述的过程和功能。这些指令可以包含(例如)例如脚本指令或可执行代码或存储于非暂时性计算机可读媒体中的其它指令的经解译指令。存储装置1130可以分布方式通过例如服务器集群或一组广泛分布的服务器的网络实施，或可以实施于单个计算装置中。
尽管图11中已描述实例处理系统，但本说明书中描述的主题、功能操作和过程的实施例可以实施于其它类型的数字电子电路系统中、有形地体现的计算机软件或固件中、包含本说明书中所公开的结构和其结构等效物的计算机硬件中，或它们中的一个或多个的组合中。本说明书中描述的主题的实施例可以被实施为一个或多个计算机程序，即，有形非易失性程序载波上编码的计算机程序指令的一个或多个模块，以供由数据处理设备执行，或控制数据处理设备的操作。替代地或另外，程序指令可编码于人工生成的传播信号上，例如经生成以编码信息以供传输到合适的接收器设备以由数据处理设备执行的机器生成的电、光学或电磁信号。计算机存储媒体可以是机器可读存储装置、机器可读存储衬底、随机或串行存取存储器装置或它们中的一个或多个的组合。
术语“系统”可以涵盖用于处理数据的所有种类的设备、装置和机器，包含(借助于实例)可编程处理器、计算机或多个处理器或计算机。处理系统可以包含专用逻辑电路系统，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。除硬件外，处理系统还可以包含创建用于所讨论的计算机程序的执行环境的代码，例如构成处理器固件、协议堆栈、数据库管理系统、操作系统或它们中的一个或多个的组合的代码。
计算机程序(其也可以被称为或描述为程序、软件、软件应用、模块、软件模块、脚本或代码)可以任何形式的编程语言编写，包含编译或解译语言，或声明性或程序性语言，并且可以任何形式部署，包含作为独立程序或作为模块、组件、子例程或其它适用于计算环境中的单元。计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可以存储在保持其它程序或数据(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、专用于所讨论程序的单个文件中，或多个经协调文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或代码的部分的文件)中。计算机程序可以被部署成在一个计算机上或在位于一个位点或跨越多个位点分布并由通信网络互连的多个计算机上执行。
在本说明书中描述的过程或逻辑流可以由一个或多个可编程计算机执行，所述可编程计算机执行一个或多个计算机程序以通过对输入数据进行操作并产生输出来执行功能。过程和逻辑流程还可以由专用逻辑电路(例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))执行，且设备还可以实施为所述专用逻辑电路。
适合执行计算机程序的计算机可以包含(借助于实例)通用或专用微处理器或这两者，或任何其它类型的中央处理单元。通常，中央处理单元将从只读存储器或随机存取存储器或这两者接收指令和数据。计算机通常包含用于执行或运行指令的中央处理单元，以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器装置。大体上，计算机将还包含或以操作方式经耦合以从用于存储数据的一个或多个大容量存储装置接收数据或向其传送数据或进行这两种操作，所述大容量存储装置例如磁盘、磁光盘或光盘。然而，计算机无需具有此类装置。
适合于存储计算机程序指令和数据的计算机可读媒体包含所有形式的非易失性存储器、媒体和存储器装置，包含(借助于实例)半导体存储器装置，例如EPROM、EEPROM和快闪存储器装置；磁盘，例如内部硬盘或可移除式磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入在专用逻辑电路中。
本说明书中所描述的主题的实施例可以在计算系统中实施，所述计算系统包含后端组件，例如作为数据服务器，或包含中间件组件，例如应用服务器，或包含前端组件，例如具有用户可通过其与本说明书中所描述的主题的实施方案交互的图形用户界面或网络浏览器的客户端计算机，或者一个或多个这些后端、中间件或前端组件的任何组合。系统的组件可以通过任何形式或媒体的数字数据通信(例如，通信网络)互连。通信网络的实例包含局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)，例如因特网。
计算系统可以包含客户端和服务器。客户端和服务器大体上远离彼此且通常通过通信网络交互。客户端与服务器的关系借助于在各别计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生。
虽然本说明书含有许多特定实施细节，但这些不应解释为对可要求保护的范围的限制，而是解释为对可特定于特定实施例的特征的描述。在本说明书中在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以在单个实施例中组合地实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分开地或以任何适合的子组合的形式在多个实施例中实施。此外，尽管特征在上文可以被描述为以某些组合起作用并且甚至如此最初被要求，但是在一些情况下可以从组合中去除要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。
类似地，虽然在图式中按特定次序描绘操作，但此情形不应被理解为要求按所示出的特定次序或按顺序次序进行此类操作，或进行所有所说明的操作，以实现合乎需要的结果。在某些情况下，多任务处理和并行处理可为有利的。此外，上述实施例中的各个系统组件的分离不应被理解成在所有实施例中都要求这种分离，而应理解的是，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。
已经描述了主题的特定实施例。其它实施例在以下权利要求书的范围内。举例来说，权利要求书中所述的动作可以不同次序执行且仍实现合乎需要的结果。作为一个实例，附图中所描绘的过程不一定需要所展示的特定次序或顺序次序以达成合乎需要的结果。在某些实施方案中，多任务处理和并行处理可能是有利的。可以提供其它步骤或阶段，或者可以从所描述的过程去除步骤或阶段。因此，其它实施方案在以下权利要求书的范围内。
术语
本文中所使用的措词和术语是出于描述的目的并且不应被视为是限制性的。
如说明书和权利要求书中使用的术语“大致”、词组“大致等于”和其它类似短语(例如，“X具有大致Y的值”或“X大致等于Y”)应理解为意味着一个值(X)在另一值(Y)的预定范围内。除非另外指明，否则预定范围可以是加上或减去20％、10％、5％、3％、1％、0.1％或小于0.1％。
如说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一”除非明确相反指示，否则应理解为意味着“至少一个”。如说明书和权利要求中所使用的短语“和/或”应理解为意味着如此结合的要素中的“任一个或两个”，即，要素在一些情况下结合地存在而在其它情况下分开存在。用“和/或”列出的多个要素应以相同方式解释，即，要素中的“一个或多个”如此结合。除通过“和/或”从句具体标识的元素之外，可以任选地存在其它元素，无论与具体标识的那些元素相关或无关。因此，作为非限制性示例，对“A和/或B”的引用在结合例如“包括”等开放式语言使用时在一个实施例中可以仅指A(可任选地包含除B以外的元素)；在另一实施例中，仅指B(任选地包含除A以外的元素)；在又一实施例中，指A和B(任选地包含其它元素)等。
如本说明书和权利要求中所使用，“或”应被理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。举例来说，当在列表中分隔多个项目时，“或”或“和/或”将解释为包含性的，即，包含至少一个，但也包含多个元件或元件列表中的一个以上和任选地额外的未列出的项目。只有明确相反指示的术语，如“仅仅……中的一个”或“恰好……中的一个”或当在权利要求书时使用时“由……组成”将指代包含若干要素或要素列表中的恰好一个要素。一般而言，当前面带有排他性术语，如“任一个”、“……中的一个”、“……中的仅一个”、或“……中的确切一个”时，所使用的术语“或”应当仅被解释为指示排他性替代形式(例如，“一个或另一个，但非两者”)。“基本上由……组成”当在权利要求书中使用时应具有其如专利法领域中所用的普通含义。
如本说明书和权利要求书中所使用，提及一个或多个要素的列表的短语“至少一个”应理解为意指选自要素列表中的任何一个或多个要素中的至少一个要素，但不一定包含要素列表内特定列出的每一个要素中的至少一个，并且不排除要素列表中的要素的任何组合。此定义还允许除了元素列表内具体识别的短语“至少一个”所指的元素之外的元素可任选地存在，无论其是否与具体识别的那些元素相关。因此，作为非限制性实例，在一个实施例中，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地，“A和/或B中的至少一个”)可以指至少一个，任选地包含多于一个A，不存在B(和任选地包含除B以外的要素)；在另一个实施例中，指至少一个、任选地包含多于一个B，不存在A(和任选地包含除A以外的元素)；在又一实施例中，指至少一个、任选地包含多于一个A，和至少一个B、任选地包含多于一个B(和任选地包含其它元素)等。
“包含”、“包括”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型的使用意图涵盖其后所列的项目和额外项目。
在权利要求书中使用例如“第一”、“第二”、“第三”等序数术语来修饰权利要求要素本身并不暗示一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先权、优先级或次序，或者执行方法的动作的时间次序。序数术语仅用作标签来区分具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一要素(但为了序数术语的使用)，以区分权利要求要素。

Claims (19)

1.一种用于无线电力系统的整流器的有源整流方法，所述方法包括：
通过过零检测器检测所述整流器的输入处的电流的一个或多个过零；
基于至少一个无线电力系统参数和所述过零确定第一延迟时间；
分别基于所述第一延迟时间生成所述整流器的第一和第二开关的第一和第二控制信号；
将第一停滞时间插入所述第一控制信号与所述第二控制信号之间；以及
分别将所述第一和第二控制信号提供到所述第一和第二开关。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
基于所述无线电力系统参数和所述过零确定第二延迟时间；
分别基于所述第二延迟时间生成所述整流器的第三和第四开关的第三和第四控制信号；
将第二停滞时间插入所述第三控制信号与所述第四控制信号之间；以及
分别将所述第三和第四控制信号提供到所述第三和第四整流器开关。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第三和第四开关在全桥式配置下耦合到所述第一和第二开关。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述整流器是无线电力接收器的一部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述整流器是无线电力传输器的一部分。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述整流器包括在全桥式整流器配置下与所述第一和第二开关耦合的两个二极管。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一和第二开关是所述整流器的低侧开关。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一和第二开关耦合到第一整流器输入，并且所述两个二极管耦合到第二整流器输入。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一延迟时间由可操作地耦合到所述过零检测器的延迟块确定。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述过零包括对应于所述电流的上升的第一过零和对应于所述电流的下降的第二过零。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个无线电力系统参数的值基于以下项中的至少一个：
(i)所述整流器的阻抗；
(ii)传输到耦合到所述无线电力系统的负载的功率电平；或
(iii)包括所述整流器的无线电力接收器的线圈电流。
12.一种用于无线电力系统的有源整流系统，所述系统包括：
第一开关和第二开关，其耦合在振荡电流源与所述无线电力系统的电池之间；以及
控制系统，其耦合到所述第一开关和所述第二开关中的每一个，所述控制系统被配置成：
检测所述整流器的输入处的所述振荡电流的一个或多个过零；
基于至少一个无线电力系统参数和所述过零确定第一延迟时间；
分别基于所述第一延迟时间生成所述整流器的所述第一和第二开关的第一和第二控制信号；
将第一停滞时间插入所述第一控制信号与所述第二控制信号之间；以及
分别将所述第一和第二控制信号提供到所述第一和第二开关。
13.根据权利要求13所述的系统，其进一步包括：
第三开关和第四开关，其耦合在所述振荡电流源与所述无线电力系统的所述电池之间，
其中所述控制系统进一步被配置成：
基于所述无线电力系统参数和所述过零确定第二延迟时间；
分别基于所述第二延迟时间生成所述整流器的第三和第四开关的第三和第四控制信号；
将第二停滞时间插入所述第三控制信号与所述第四控制信号之间；以及
分别将所述第三和第四控制信号提供到所述第三和第四整流器开关。
14.根据权利要求14所述的系统，其中所述第三和第四开关在全桥式配置下耦合到所述第一和第二开关。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述整流器是无线电力接收器的一部分。
16.根据权利要求13所述的系统，其中所述整流器是无线电力传输器的一部分。
17.根据权利要求13所述的系统，其中所述整流器包括在全桥式整流器配置下与所述第一和第二开关耦合的两个二极管。
18.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一和第二开关是所述整流器的低侧开关。
19.根据权利要求13所述的系统，其中所述至少一个无线电力系统参数的值基于以下项中的至少一个：
(i)所述整流器的阻抗；
(ii)传输到耦合到所述无线电力系统的所述电池的功率电平；或
(iii)包括所述整流器的无线电力接收器的线圈电流。
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