CN114830272A - 用于无线电力传送的安全电路 - Google Patents

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Abstract

一种磁感应谐振充电电路包括：谐振网络，该谐振网络具有将从感应初级线圈接收的磁场转换为交流电(AC)信号的感应次级线圈；以及同步整流器，该同步整流器对AC信号进行整流以生成用于施加至负载的直流电(DC)信号。同步整流器包括用于在故障的情况下分流AC电流源的AC波形的各种配置。例如，当检测到过电压、过电流故障状况或过温故障状况时，整流器控制器可以保持整流器的一对常开开关断开并且保持整流器的一对常闭开关接通以分流AC电流源。提供了用于将在谐振网络不平衡时在电动车辆的底盘中产生的电容性电磁干扰接地的配置。

Description

用于无线电力传送的安全电路
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2020年4月16日提交的美国临时专利申请第63/010,771号和于2020年11月19日提交的美国专利申请第16/952,933号的权益，二者均由John Wolgemuth提交，并且二者标题均为“Safety Circuits for Wireless Power Transfer”，这两个申请在此通过引用整体并入。
技术领域
本公开内容涉及借助于谐振感应的电能的传输。更具体地，本公开内容涉及使高功率无线电力传送系统的安全性最大化的安全电路的系统设计、电路架构和实现方式细节。
背景技术
感应电力传输具有跨许多行业和市场的许多重要应用。在低功率便携式消费设备中，使用感应电力传输来对诸如电池的电存储器进行充电越来越普遍。
众所周知，利用磁谐振在线圈之间传送电力。如法拉第感应定律和楞次定律所描述的，初级(又名发射器)线圈中的交流电产生磁场，磁场经由气隙传播以在次级(又名接收器)线圈中产生对应的相反电流。为了对电池充电，将感应的交流电(AC)转换为直流电(DC)。整流器将周期性地反转方向的交流电(AC)转换为沿仅一个方向流动的直流电(DC)。
根据AC频率、期望的DC电压或期望的效率，可以使用无源(基于二极管的)或有源(基于MOSFET或开关的)整流器。整流器通常需要附加电路系统来产生电池充电所需的均匀稳定电压和/或电压电平(DC/DC)转换。
随着对更快充电的需求增加，以更高功率充电的需求导致使用更高的电压和更高的电流。由于高电流源和高电压源的安全隐患增加，需要安全电路来降低电击的可能性。
发明内容
在附图和以下详细描述文本中提供了本发明主题的实施方式的各种细节。
本文中所描述的系统和方法通过提供在故障的情况下分流电力的机制来提供在无线电力传送期间免受电击的增加的安全性。在示例实施方式中，提供了一种磁感应谐振充电电路，包括：谐振网络，该谐振网络包括感应次级线圈，该感应次级线圈将从感应初级线圈接收的磁场转换为交流电(AC)信号；以及同步整流器，该同步整流器对AC信号进行整流以生成用于施加至要充电的负载的直流电(DC)信号。同步整流器还包括用于在故障的情况下分流AC波形的装置。在示例配置中，次级线圈被安装在电动车辆上，并且负载是电动车辆的电池。
在示例实施方式中，谐振网络包括串联连接至次级线圈的相应端的第一平衡电容器和第二平衡电容器，由此AC信号与第一电容器和第二电容器串联谐振。同步整流器可以包括一对常开开关和一对常闭开关，其中一对常开开关中的一个和一对常闭开关中的一个连接至第一平衡电容器，并且一对常开开关中的另一个和一对常闭开关中的另一个连接至第二平衡电容器。用于分流的装置包括在故障的情况下分流次级线圈的常闭开关。常开开关被配置成在故障的情况下防止负载短路。还可以提供信号调节电路系统以将DC信号调节为用于施加至负载的经调节的DC信号。
在示例实施方式中，可以提供第一电流和电压传感器以监测从谐振电路输入至同步整流器中的AC信号，并且可以提供第二电流和电压传感器以监测施加至负载的经调节的DC波形。响应于由第一电流和电压传感器以及第二电流和电压传感器测量的值的整流器控制器可以对由谐振网络输出的AC信号进行锁相，并且响应于所测量的值提供控制一对常开开关和一对常闭开关的切换的控制信号。还可以提供温度传感器，其检测同步整流器的过温故障状况并向整流器控制器提供检测信号。
在其他示例实施方式中，充电电路还包括充电处理器，该充电处理器从整流器控制器接收输入AC信号幅度、输入AC信号频率、经调节的DC波形电压、经调节的DC波形电流和/或同步整流器的温度，并且命令整流器控制器的动作以例如提供对检测到的故障状况的保护。当AC信号频率在允许范围内，AC信号均方根高于阈值，并且没有检测到故障时，充电处理器指示整流器控制器在来自谐振网络的AC信号的近似过零处接通和断开一对常开开关和一对常闭开关。另一方面，当检测到故障状况时，充电处理器可以禁用整流器控制器，该整流器控制器保持一对常开开关断开并且保持一对常闭开关接通。例如，当第二电流和电压传感器检测到过电压、过电流故障状况或者温度传感器检测到过温故障状况时，整流器控制器可以保持一对常开开关断开并且保持一对常闭开关接通。
在另外的示例实施方式中，谐振网络可以包括交流电(AC)电流源，并且同步整流器可以包括分别连接至AC电流源的第一引线和第二引线的第一对二极管以及分别连接至AC电流源的第一引线和第二引线的第二对二极管。分流装置可以包括可以与第二对二极管中的第一二极管并联连接的第一常闭开关以及可以与第二对二极管中的第二二极管并联连接的第二常闭开关。第一常闭开关和第二常闭开关在故障的情况下分流AC电流源。
在另外的示例实施方式中，谐振网络可以包括交流电(AC)电流源，并且同步整流器可以包括分别连接至AC电流源的第一引线和第二引线的第一对二极管以及分别连接至AC电流源的第一引线和第二引线的第二对二极管。分流装置可以包括连接在第一对二极管与第二对二极管之间的常闭安全开关。常闭安全开关在故障的情况下分流AC电流源。
在另外的示例实施方式中，谐振网络可以包括交流电(AC)电流源，并且同步整流器可以包括分别连接至AC电流源的第一引线和第二引线的第一对常开开关以及分别连接至AC电流源的第一引线和第二引线的第二对常开开关。分流装置可以包括连接在第一对常开开关与第二对常开开关之间的常闭安全开关。常闭安全开关在故障的情况下分流AC电流源。
在示例实施方式中，谐振网络可以是平衡的或不平衡的。可以使用各种配置。
谐振网络可以是平衡的并联-并联谐振网络(PPRN)，其包括感应初级线圈、与初级线圈并联的第一谐振电容器、次级线圈以及与次级线圈并联的第二谐振电容器。
谐振网络可以是不平衡的串联-串联谐振网络(SSRN)，其包括感应初级线圈、与初级线圈串联的第一谐振电容器、次级线圈以及与次级线圈串联的第二谐振电容器。
谐振网络可以是不平衡的并联-串联谐振网络(PSRN)，其包括感应初级线圈、与初级线圈并联的第一谐振电容器、次级线圈以及与次级线圈串联的第二谐振电容器。
谐振网络可以是不平衡的串联-并联谐振网络(SPRN)，其包括感应初级线圈、与初级线圈串联的第一谐振电容器、次级线圈以及与次级线圈并联的第二谐振电容器。
谐振网络可以是平衡的PSRN，其包括感应初级线圈、与初级线圈并联的第一谐振电容器、次级线圈，在感应线圈的第一端处与次级线圈串联的第二谐振电容器以及在次级线圈的第二端处与次级线圈串联的第三谐振电容器。
谐振网络可以是平衡的SPRN，其包括感应初级线圈、在初级线圈的第一端处与初级线圈串联的第一谐振电容器、在初级线圈的第二端处与初级线圈串联的第二谐振电容器、次级线圈以及与次级线圈并联的第三谐振电容器。
谐振网络可以是平衡的SSRN，其包括感应初级线圈、在初级线圈的第一端处与初级线圈串联的第一谐振电容器、在初级线圈的第二端处与初级线圈串联的第二谐振电容器、次级线圈、在次级线圈的第一端处与次级线圈串联的第三谐振电容器以及在次级线圈的第二端处与次级线圈串联的第四谐振电容器。
在示例实施方式中，谐振网络还可以包括感应初级线圈，该感应初级线圈包括设置在绝缘基板的至少一侧上的方形线圈绕组。谐振电容器可以串联连接至方形线圈绕组的第一端，并且方形线圈绕组的第二端可以连接至地。因此，方形线圈绕组可以具有谐振电容器两端的电压的一半的相对于地的共模电压，由此方形线圈绕组是电容性电磁干扰辐射器。
在其他示例实施方式中，第一谐振电容器可以串联连接至方形线圈绕组的第一端，并且第二谐振电容器可以串联连接至方形线圈绕组的第二端。在这样的配置中，方形线圈绕组的第一端与第二端之间的方形线圈绕组的中点实际上接地，由此方形线圈绕组不会电容性地辐射电磁干扰。
在另外的示例实施方式中，提供了用于减轻当谐振网络不平衡时辐射的电容性电磁干扰(EMI)的技术。根据第一种技术，电动车辆的轮胎设置有在充电期间将EMI接地的导电通孔。根据第二种技术，电动车辆包括在充电期间将EMI接地的接地线缆。根据第三种技术，电动车辆包括由电动车辆的电池供电的电路，该电路在充电期间抵消异相电压。
根据其他方面，提供了一种用于对电动车辆的电池充电的磁感应谐振充电电路，该充电电路包括：谐振网络，其包括电动车辆上的感应次级线圈，该感应次级线圈将从感应初级线圈接收的磁场转换为交流电(AC)信号，该谐振网络是不平衡的以辐射电容性电磁干扰(EMI)；同步整流器，其对AC信号进行整流以生成用于施加至电动车辆的电池的直流电(DC)信号；以及用于在充电期间将EMI接地的装置。在示例实施方式中，用于在充电期间将EMI接地的装置可以包括电动车辆的轮胎，其中轮胎具有在充电期间将EMI接地的导电通孔。可替选地，用于在充电期间将EMI接地的装置可以包括连接至电动车辆以便在充电期间将EMI接地的接地线缆。在另一实施方式中，用于在充电期间将EMI接地的装置可以包括由电动车辆的电池供电的电路，该电路在充电期间抵消异相电压。
提供该发明内容部分是为了以简化的形式引入本发明主题的各方面，下面在详细描述的文本中进一步说明本发明主题。本发明内容部分不旨在标识所要求保护的主题的基本或必需特征，并且本发明内容部分所列出的要素的特定组合和顺序不旨在提供对所要求保护的主题的要素的限制。相反，应当理解，以下部分提供了在以下具体实施方式中描述的实施方式中的一些实施方式的概括示例。
附图说明
根据以下结合附图的详细描述，本发明的前述有益特征和优点以及其他有益特征和优点将变得明显，在附图中：
图1示意性地示出了安全增强型磁谐振感应系统的高级电路实现方式。
图2示意性地示出了用于具有无功负载的电压源的通用安全电路。
图3示意性地示出了用于具有无功负载的电流源的通用安全电路。
图4A示意性地示出了具有复杂负载阻抗的交流电压源的基于开关的同步整流。
图4B示意性地示出了具有复杂负载阻抗的交流电流源的基于开关的同步整流。
图4C示意性地示出了具有直流电压负载的交流电压源的基于开关的同步整流。
图4D示意性地示出了具有直流电压负载的交流电流源的基于开关的同步整流。
图5A示意性地示出了具有阻抗负载的交流电压源的无源整流。
图5B示意性地示出了具有阻抗负载的交流电流源的无源整流。
图5C示意性地示出了具有阻抗负载的交流电流源的无源整流的替选实施方式。
图6示意性地示出了具有阻抗负载的交流电流源的基于开关的同步整流的替选实施方式。
图7A示意性地示出了并联-并联谐振感应电路。
图7B示意性地示出了不平衡的串联-串联谐振感应电路。
图7C示意性地示出了混合不平衡的并联-串联谐振感应电路。
图7D示意性地示出了混合不平衡的串联-并联谐振感应电路。
图7E示意性地示出了混合平衡的并联-串联谐振感应电路。
图7F示意性地示出了混合平衡的串联-并联谐振感应电路。
图7G示意性地示出了平衡的串联-串联谐振感应电路。
图8几何地示出了用于在磁谐振感应电力系统中使用的线圈。
图9示意性地示出了用于在谐振感应电力系统中使用的平面线圈的不平衡的电路等效物。
图10示意性地示出了用于在谐振感应电力系统中使用的平面线圈的平衡的电路等效物。
图11示出了具有不平衡的谐振网络的电动车辆的谐振感应电力系统的寄生电场。
具体实施方式
将参照附图描述本发明的示例性实施方式。通过参考以下结合形成本公开内容的一部分的附图和示例进行的详细描述，可以更容易地理解本文中描述的电流源安全电路和相关联方法。要理解的是，该描述不限于本文中描述和/或示出的特定产品、方法、条件或参数，并且本文中使用的术语仅用于通过示例的方式描述特定实施方式的目的，而不旨在限制任何要求保护的主题。类似地，关于可能的机制或作用模式或改进理由的任何描述仅意味着是说明性的，并且本文中描述的主题不受任何这样的建议机制或作用模式或改进理由的正确性或不正确性的约束。遍及该文本，认识到的是，描述涉及方法和用于实现这样的方法的系统/软件二者。
现在将参照图1至图11描述说明性实施方式的详细描述。尽管该描述提供了可能实现方式的详细示例，但是应当注意，这些细节旨在是示例性的，并且绝不限定本发明的主题的范围。
在使用露天变压器的无线电力传送系统中，用于磁/无线充电的谐振网络(即，初级/发射器和次级/接收器)产生交流电流源，以在车辆上进行整流。拥有电流源逆转了在家庭和工业使用场景中用于电力供应的电压源的典型的大多数惯例。与这些场景的关键区别在于在电压源中短路是不良的。因此，电力转换拓扑用常断器件构建以避免短路。然而，在电流源的情况下，情况恰恰相反：开路是不良的。这意味着典型的整流技术是不期望的。直接的无源(例如，基于二极管的)整流器不提供保护。常规的同步整流器可以提供保护，但只要有可靠的装置来使器件通电以接通它们。
图1示意性地示出了使用磁感应谐振的直流电池充电电路的高级示意图。谐振网络101(也称为接收器或次级)包括感应次级线圈104以及平衡电容105和106。次级线圈104将来自充电发射器(未示出)的磁场转换为交流电(AC)信号，该交流电信号在电压域中与平衡电容105和106串联谐振。如下面关于图7A至图7G将说明的，谐振网络的初级侧可以是平衡的或不平衡的。来自谐振网络101的AC信号然后在整流级102处被整流为直流电(DC)信号。整流级102包括使用成对的常开(NO)开关107和108以及成对的常闭(NC)开关109和110的同步整流电路。如下面将说明的，成对的NC开关109和110用于在故障的情况下分流次级线圈104。DC信号被传递至调节电路系统111。调节电路系统111的输出是用来对电池112充电的经调节的DC信号。
整流器控制器115对第一电流和电压传感器113处的谐振网络电流进行锁相，作为用于控制整流器开关107至110的时序的参考(例如，相对于检测到的过零)。每当AC波形具有足够幅度且开关频率在其采集范围内时，整流器控制器115(名义上为现场可编程门阵列(FPGA)或常规微控制器)经由第一电流和电压传感器113产生对来自次级线圈104的输入AC波形的幅度、频率和瞬时相位的估计。整流器控制器115还经由第二电流和电压传感器114监测施加至电池112的输出DC电流波形的幅度。
车辆充电处理器116(名义上被实现为在微处理器上运行的软件)经由接口(例如，控制器区域网络(CAN)总线)处理与内部(至无线电力传送(WPT)系统)子系统和外部车辆系统的通信，并且可以命令整流器控制器115的动作。例如，当被车辆充电处理器116查询时，整流器控制器115可以报告输入AC信号幅度、输入AC信号频率、DC输出电压和电流以及开关器件的温度。如果所报告的输入开关频率在允许的闭合范围(例如，79kHz至90kHz)内，AC均方根(RMS)高于阈值(例如，5安培)，并且没有检测到故障，则车辆充电处理器116可以指示整流器控制器115在输入AC波形的适当过零处接通和断开上NO开关对107和108以及下NC开关对109和110，以使整流效率最大化。标称状态是“启动”或“安全”，其中上NO开关对107和108断开而下NC开关对109和110闭合。当次级线圈104产生正信号时，第一组开关107和109断开而第二组开关108和110闭合。当来自次级线圈104的信号反相时，第一组开关107和109闭合而第二组开关108和110断开。该序列重复，从而产生数学上为输入AC信号的绝对值的输出信号。
如果整流器控制器115被车辆充电处理器116禁用，则整流器控制器115保持上NO开关对107和108断开且下NC开关对109和110接通。此外，如果在电流和电压传感器114处检测到过电压、过电流故障状况，或者在温度传感器117处检测到过温故障状况，则整流器控制器115保持上NO开关对107和108断开且下开关NC对109和110接通，以分流来自次级线圈104的电流。
整流器控制器115经由电流和电压传感器114监测来自整流级102的输出DC电压。整流器控制器115还经由电流和电压传感器114测量输出DC电流，并将输出DC电流报告给车辆充电处理器116，使得系统可以计算输送至电池112的总电力。另外，整流器控制器115可以监测一个或多个温度传感器(例如，热敏电阻或热敏电阻网络)117，其测量整流器的开关器件107至110的安装板的温度。该安装板温度表示开关器件107至110的外壳温度，该外壳温度与通过开关器件107至110的功率损耗有关。
当与串联-串联谐振发射器(未示出)配对时，谐振网络101是AC电流源。使谐振网络101开路的任何情况都会导致不安全的情况。然而，为同步整流级102选择NO开关107和108以及NC开关109和110产生固有安全的系统。在正常情况下，无论是偶然控制还是特定控制，NC开关109和110可以闭合以分流次级线圈104，从而提供用于分流谐振网络101的AC电流源的装置。NO开关107和108防止输出网络103具体是电池112短路。
在故障的情况下，电池112与信号调节电路系统111断开，并且从调节电路系统111流出的电流减小至零，而流入调节电路系统111的电流不改变。这将使调节电路系统111和整流级102两端的电压以与调节电路系统111的整流电流和阻抗成比例的速率增加。
整流器控制器115使用电流和电压传感器114来监测电压和/或电流，以检测电池112的断开。在故障的情况下，整流器控制器115可以通过断开NO开关107和108并闭合NC开关109和110来响应。这起到将谐振网络101与调节电路系统111和电池112断开的作用。当从整流级102流出到调节电路系统111和电池112的整流电流将被NO开关107和108中断，并且从谐振网络101流出的电流将通过NC开关109和110分流时，电力传送将立即停止。
在没有控制电力来操作控制器或同步整流的无源状态下，NO开关107和108断开输出网络103，而NC开关109和110分流谐振网络101。这保护充电器、负载和服务人员不受谐振网络101拾取的杂散能量的影响，无论该杂散能量是偶然的还是恶意的。
图2示意性地示出了用于具有无功负载的电压源的通用安全电路。在图2中，示出了通用电压源供应保护解决方案，其中电压源201和负载202共享公共接地203。电压源201提供源电流的固定电压不变量。源电流由负载202的负载阻抗设置。电流传感器205监测源电流。如果源电流超过可允许限制，则电流传感器205通过将常开开关204触发到其断开状态来提供保护功能。常开开关204保持断开直到重置。一旦常开开关204的断开被触发，负载202两端的电压和流经负载202的电流被驱动为零。在此示出的常开(NO)开关204和电流传感器205仅是广泛使用的各种继电器、断路器和熔断器的一种实现选项。几乎所有的电力供应和电力分配网络都使用电压源运行，并使用如图2所示的某种形式的断路器或熔断器来实现某种限流方案。应当理解，在电压源电力系统中，开路良好而短路不良。
图3所描绘的电流源供应是一种不太常见的实现方式。恒流供应需要反映更常见的电压源供应的安全保护方面的所有最佳实践。应当理解，在电流源电力系统中，与电压源电力系统不同，开路是不良的，而分流(有意短路)是良好的实践。因此，本文中描述的安全电路的不同实施方式应当基于电力供应是电流源电力系统还是电压源电力系统来考虑。
图3示意性地示出了用于具有无功负载的电流源的通用安全电路。电流源301将电流提供给无功负载302，而与它两端的电压无关。在该示例中，所有电路路径共享公共接地303。电流源301提供电压电流的固定电流不变量。
为了提供电流分流和负载与源的隔离(反之亦然)，电压敏感断开器与无功负载302并联放置。图3中所示的常闭(NC)开关分流器304和电压传感器305仅是具有广泛使用的各种开关、继电器、断路器和熔断器的分流装置的一种实现选项。一旦NC开关分流器304被电压传感器305触发，NC开关分流器304就断开，以将流经无功负载302的电流和电压驱动为零。
图4A至图4D都示出了无线电力传送所需的安全整流电路和附加子系统的替选实施方式。
图4A示意性地示出了具有复杂负载阻抗的交流电压源的基于开关的同步整流。具体地，图4A示出了常规交流电(AC)电压源和用于产生直流电(DC)电压源的安全增强型同步整流电路。AC电压源401由一组常开(NO)开关402、403、404和405同步整流。电力调节网络406为负载407提供经整流的DC电压到DC电压源的滤波。在故障的情况下，NO开关不能断开，从而断开负载407与AC电压源401并保护负载407免受AC电压源401的影响。
图4B示意性地示出了示例实施方式中具有复杂负载阻抗的交流电流源的基于开关的同步整流。具体地，图4B示出了AC电流源和用于产生DC电流源的安全增强型同步整流电路。AC电流源410由一组NO开关403和404以及常闭(NC)开关408和409同步整流。电力调节网络406为负载407提供经整流的电流到DC电流源的滤波。AC电流源410需要一组NC开关408和409打开以提供用于在故障的情况下分流电流的装置。在故障状况下，闭合的开关408和409将负载407与AC电流源410隔离，以防止电力的任何反馈。
图4C示意性地示出了具有直流电压负载的交流电压源的基于开关的同步整流。具体地，图4C示出了AC电压源和用于产生用于对电池充电的DC电压源的安全增强型同步整流电路。AC电压源401由一组NO开关402、403、404和405同步整流。电力调节网络406为电力转换级411提供经整流的电压到DC电压源的滤波。电力转换级411使DC电压源适应为电池412充电所需的电压。
图4D示意性地示出了示例实施方式中具有直流电压负载的交流电流源的基于开关的同步整流。具体地，图4D示出了AC电流源和用于产生用于对电池充电的DC电压源的安全增强型同步整流电路。AC电流源410由一组NO开关402和403以及NC开关408和409同步整流。电力调节网络406为电池412提供经整流的电流到DC电流源的滤波。AC电流源410需要一组NC开关408和409来提供用于在故障的情况下分流电流的装置。然而，由于系统由电流源供电，因此对于电池充电不需要图4C的电力转换级411。
图5A示意性地示出了具有阻抗负载的交流电压源的无源整流。具体地，图5A示意性地示出了用于AC电压源501的常规无源全波整流器电路。二极管502、503、504和505用作单向门，产生AC信号的全波整流。电力调节级506用于使施加至负载507的整流器电压输出平滑，从而允许负载507被充电。
与所有二极管电路一样，正向偏置条件下的电压降和反向恢复时间会影响整流电路的效率。无源整流器电路不需要控制器级。然而，在故障的情况下，AC电压源501仍然经由电力调节级506连接至负载507，从而使负载507暴露于电压源故障(反之亦然)。
图5B示意性地示出了示例实施方式中具有阻抗负载的交流电流源的无源整流。具体地，图5B示出了用于AC电流源508的整流的安全增强型电路的混合实施方式。全桥无源整流器二极管502、503、510和512由常闭(NC)开关509和511补充。二极管502、503、510和512用作单向门，产生全波整流。NC开关509和511用作用于在故障的情况下分流的装置，从而防止对AC电流源508的过电压损坏以及防止二极管502、503、510和512两端的过电压损坏。电力调节级506用于使施加至负载507的整流器电压输出平滑，从而允许负载507被充电。
与所有基于二极管的整流电路一样，正向偏置条件下的电压降和反向恢复时间会影响整流电路的效率。无源整流器电路不需要控制器级，但需要控制器(例如，整流器控制器115)来命令NC开关509和511。
图5C示意性地示出了示例实施方式中具有阻抗负载的交流电流源的替选无源整流。具体地，图5C示出了用于AC电流源508的全波安全增强型整流器电路的替选半无源实施方式。二极管502、503、510和512用作单向门，产生全波整流。电力调节级506用于使施加至负载507的整流器电压输出平滑，从而允许负载507被充电。在该实施方式中，常闭(NC)分流开关513被放置在电路中。在故障或命令选项的情况下，分流开关513分流整流器电路中的电流，从而防止对电力调节级506和负载507的损坏。
该实施方式是具有更简单控制的更便宜的实现方式。然而，它效率较低。另外，它在分流开关513的隔离控制边界两端放置了高的dV/dt。与所有基于二极管的整流电路一样，正向偏置条件下的电压降和反向恢复时间会影响整流电路的效率。
图6示意性地示出了示例实施方式中具有阻抗负载的交流电流源的替选的基于开关的同步整流。具体地，图6示出了用于AC电流源601的有源整流的替选安全电路。电力调节级606用于使施加至要充电的负载607的整流器电压输出平滑。通过在AC电流源601的正弦输出的过零处交替切换来实现全波整流。常闭(NC)安全开关608被安装在常开(NO)上整流开关602和604与下常开(NO)整流开关603和605之间，常闭(NC)安全开关608在故障或命令选项的情况下提供用于分流整流器电路中的电流的装置，从而防止对电力调节级606和负载607的损坏。
在故障状况或整流控制丢失时，NO整流开关602、603、604和605不能(或被命令)到断开状态，而NC安全开关608不能到闭合状态。因此，电流被分流回到AC电流源601，而负载被NC安全开关608隔离。该实施方式以附加开关608为代价减少了对常闭(NC)开关的需求。
对于谐振感应无线充电，存在四个可能的两极网络。存在并联-并联谐振网络(PPRN)和串联-串联谐振网络(SSRN)。由于电流隔离，还可能产生并联-串联谐振网络(PSRN)和串联-并联谐振网络(SPRN)。当负载阻抗与网络阻抗相比较大时，PPRN、PSRN和SPRN都表现为AC电压受控电压源(VCVS)，而当负载阻抗与网络阻抗相比较小时，PPRN、PSRN和SPRN都表现为AC电压受控电流源(VCCS)。另一方面，SSRN对于所有负载阻抗表现为VCCS。恒定电压负载例如电池在电力电平变化时表现为可变负载阻抗。在低电力时，电池将表现为高阻抗负载，而在高电力时，电池将表现为低阻抗。在高电力时，所有四个谐振网络都将表现为VCCS。
当作为VCCS工作时，PPRN的跨导(G)为k/(w*L)，单位为安培每伏特，其中k是在0至1的范围内的初级电感器和次级电感器的磁耦合系数并且是无单位的，w是以弧度每秒为单位的网络的谐振频率，以及L是以亨利为单位的初级电感器和次级电感器的几何平均值。当作为VCCS工作时，PSRN、SPRN和SSRN的G为1/(w*L*k)。这意味着对于固定的G，则PPRN的电感器具有小k2的电感器，而PPRN的电容器大k-2。这是不期望的，因为电容器是更昂贵的部件。
谐振网络谐振与P/k成比例的电力量S，其中P是通过网络的电力。对于k的典型值(例如，0.05至0.2)，S将比P高5至20倍。在并联谐振支路中，谐振电力被视为通过电容元件和电感元件的电流。在串联谐振支路中，谐振电力被视为电容元件和电感元件两端的附加电压。例如，在k为0.1的500V和125A系统中，在并联谐振中，在电感器和电容器中将有125A/0.1或1250A谐振，而在串联谐振中，在电感器和电容器两端将有500V/0.1或5000V谐振。串联谐振情况是优选的，因为较高的电压需要附加的隔离，而较高的电流需要附加的导体，因此较高的电压允许更轻且更紧凑的产品。
考虑到这些因素，PSRN、SPRN和SSRN中的每一个可以具有平衡的拓扑和不平衡的拓扑二者。PPRN仅具有平衡的拓扑。在图7A至图7G中示出这些拓扑中的每一个。
图7A示意性地示出了示例实施方式中的平衡PPRN电路。该谐振网络包括接地感应线圈701、接地并联谐振电容器703、车辆感应线圈702和车辆并联谐振电容器704。
图7B示意性地示出了示例实施方式中的不平衡SSRN电路。该谐振网络包括接地感应线圈701、接地串联谐振电容器705、车辆感应线圈702和车辆串联谐振电容器706。
图7C示意性地示出了示例实施方式中的不平衡PSRN电路。该谐振网络包括接地感应线圈701、接地并联谐振电容器707、车辆感应线圈702和车辆串联谐振电容器708。
图7D示意性地示出了示例实施方式中的不平衡SPRN电路。该谐振网络包括接地感应线圈701、接地串联谐振电容器709、车辆感应线圈702和车辆并联谐振电容器710。
图7E示意性地示出了示例实施方式中的平衡PSRN电路。该谐振网络包括接地感应线圈701、接地并联谐振电容器711、车辆感应线圈702以及一对车辆串联谐振电容器712和713。
图7F示意性地示出了示例实施方式中的平衡SPRN电路。该谐振网络包括接地感应线圈701、一对接地串联谐振电容器714和715、车辆感应线圈702和车辆并联谐振电容器716。
图7G示意性地示出了示例实施方式中的平衡SSRN电路。该谐振网络包括接地感应线圈701、一对接地串联谐振电容器717和718、车辆感应线圈702以及一对车辆串联谐振电容器719和720。
图8几何地示出了示例实施方式中用作磁谐振感应电力系统中的初级线圈的平面线圈801。虽然示出为方形线圈，但是其他几何形状(例如，经典圆形线圈或矩形)也是可能的。线圈绕组803设置在绝缘基板805上，并且可以包括分立导电带(例如，印刷电路板)、绝缘线股(例如，利兹线)等。通孔802和804允许与绝缘基板805的相对侧上的其他线圈的连接。
图9示意性地示出了示例实施方式中用于在串联谐振网络901中使用的平面线圈801的不平衡电路等效物。串联谐振网络901是发射器。网络的端子906和907连接至逆变器。当串联谐振网络901谐振时，谐振电容器905在其两端具有高电压高频电压。在电感器903两端认为有这个相同的电压。电感器903的第一端子904有效地保持在地电位。电感器的第二端子902暴露于谐振电容器905的相对于地的全电压。换言之，电感器903的电压相对于地的共模电压为谐振电容器905两端的电压的一半，这使得电感器903成为电容性电磁干扰(EMI)辐射器。在这种配置中，需要用于减轻EMI辐射的技术，如下面关于图11所指出的。
图10示意性地示出了示例实施方式中用于在串联谐振网络1001中使用的平面线圈801的平衡电路等效物。串联谐振网络1001也是发射器。网络的端子1007和1008连接至逆变器。当串联谐振网络1001谐振时，电容器1005和1006在它们两端具有高电压高频电压。在电感器1003两端认为有它们的电压之和。然而，由于串联谐振网络1001平衡，电感器1003在端子1002与1004之间的中点实际上接地。因此，虽然电感器1003两端存在差分电压，但不存在对地的高频共模电压。电感器1003不会电容性地辐射EMI，并且不需要用于处理EMI的机制。
图11示出了示例实施方式中具有导致EMI辐射的不平衡谐振网络的电动车辆1101的谐振感应电力系统的寄生电场。电动车辆1101通过轮胎1102在底盘1106与地1108之间具有边际电导。在高频下，底盘1106与地1108之间的导纳由底盘1106与地1108之间的电容控制。由发射器1104或接收器1103产生的共模电容性EMI必须被最小化，因为在底盘1106与地1108之间的间隙1107中形成的电场1105将使电容通电并在底盘1106上引入电压。至少，这种电容性耦合会扩展EMI问题，并且在最坏的情况下，它会呈现电击危险。
可以通过添加接地的导电路径来降低底盘电压，该导电路径用作用于在充电进行时将EMI接地的装置。可以通过添加穿过轮胎材料的较低电阻导电通孔来增强轮胎的已导电材料(炭黑)。接地线缆或电线“尾部”的部署也可以用于减轻充电期间的底盘电压。底盘电压还可以通过添加由无线充电系统或车辆电池系统供电的电路来减轻，该电路在充电期间抵消异相电压。
本领域技术人员应当理解，本文中描述的实施方式提供了用于在故障的情况下分流直流波形的各种装置，以便使充电时电击的可能性最小化。该技术可以用于平衡或不平衡的谐振网络拓扑。整流电路系统可以包括二极管和/或开关，其配置被设计成在故障的情况下分流电力，这导致在充电过程期间增加的安全性，特别是对于诸如电动车辆的充电的高电力传送应用。
如本文所讨论的，可以在计算系统中提供实现本文所描述的方法的各方面的逻辑、命令或指令，所述计算系统包括关于该计算系统的任何数目的形式因素，例如台式或笔记本个人计算机、诸如平板电脑、上网本和智能电话的移动设备、客户端终端和服务器托管的机器实例等。本文所讨论的另一实施方式包括将本文所讨论的技术并入到其他形式中，包括并入到其他形式的已编程逻辑、硬件配置或专用部件或模块中，包括具有用于执行这样的技术的功能的相应装置的设备。用于实现这样的技术的功能的相应算法可以包括本文中描述的电子操作中的一些或全部的序列或者在附图和以下详细描述中所描绘的其他方面。这样的系统和包括用于实现本文中描述的方法的指令的计算机可读介质也构成示例实施方式。
在一个实施方式中，本文中描述的监测和控制功能可以用软件实现。软件可以包括存储在本地的或联网的计算机可读介质或计算机可读存储设备——例如，一个或更多个非暂态存储器或其他类型的基于硬件的存储设备——上的计算机可执行指令。此外，这样的功能与可以作为软件、硬件、固件或其任意组合的模块相对应。可以根据需要在一个或更多个模块中执行多个功能，并且所描述的实施方式仅是示例。可以在在计算机系统——例如，个人计算机、服务器或其他计算机系统——上运行的数字信号处理器、ASIC、微处理器或其他类型的处理器上执行软件，从而将这样的计算机系统转变成专门编程的机器。
如本文所描述的，示例可以包括处理器、逻辑或多个部件、模块或机制(本文中为“模块”)，或者可以在处理器、逻辑或多个部件、模块或机制(本文中为“模块”)上进行操作。模块是能够执行指定操作的有形实体(例如，硬件)，并且可以以某种方式被配置或布置。在示例中，电路可以以指定方式布置(例如，在内部布置或相对于诸如其他电路的外部实体进行布置)为模块。在示例中，一个或更多个计算机系统(例如，独立的客户端或服务器计算机系统)或一个或更多个硬件处理器的全部或部分可以通过固件或软件(例如，指令、应用部分或应用)配置为进行操作以执行指定操作的模块。在示例中，软件可以驻留在机器可读介质上。软件在由模块的底层硬件执行时使硬件执行指定操作。
因此，术语“模块”被理解成涵盖有形的硬件和/或软件实体，有形的硬件和/或软件实体是如下实体：该实体被物理地构造、具体地配置(例如，硬连线)或临时地(例如，暂时地)配置(例如，编程)成以指定方式操作或者执行本文中描述的任何操作的部分或全部。考虑模块被临时配置的示例，不需要在任何时刻实例化模块中的每个模块。例如，在模块包括使用软件配置的通用硬件处理器的情况下，通用硬件处理器可以在不同的时间被配置为相应不同的模块。因此，软件可以配置硬件处理器以例如在一个时间实例构成特定模块以及在不同时间实例构成不同模块。
本领域的技术人员将理解，本文描述的拓扑和电路实现方法能够有效地实现为单个专用集成电路。此外，尽管本文包含的公开内容涉及向车辆提供电力，但是应当理解，这仅是许多可能应用中的一种，并且包括非车辆应用的其他实施方式是可能的。例如，本领域的技术人员将理解，存在非车辆感应充电应用中提供电流源安全电路的许多应用，诸如便携式消费电子设备充电器，诸如用于对牙刷、蜂窝电话和其他设备充电的那些(例如，PowerMatTM)。因此，这些和其他这样的应用包括在所附权利要求的范围内。

Claims (34)

1.一种磁感应谐振充电电路，包括：
谐振网络，所述谐振网络包括感应次级线圈，所述感应次级线圈将从感应初级线圈接收的磁场转换为交流电(AC)信号；以及
同步整流器，所述同步整流器对所述AC信号进行整流以生成用于施加至要充电的负载的直流电(DC)信号，所述同步整流器包括用于在故障的情况下分流所述AC信号的装置。
2.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述谐振网络是AC电流源。
3.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述谐振网络还包括串联连接至所述次级线圈的相应端的第一平衡电容器和第二平衡电容器，由此所述AC信号与所述第一电容器和所述第二电容器串联谐振。
4.根据权利要求3所述的充电电路，其中，所述同步整流器包括一对常开开关和一对常闭开关，所述一对常开开关中的一个和所述一对常闭开关中的一个连接至所述第一平衡电容器，并且所述一对常开开关中的另一个和所述一对常闭开关中的另一个连接至所述第二平衡电容器，用于分流的装置包括在故障的情况下分流所述次级线圈的常闭开关。
5.根据权利要求4所述的充电电路，其中，所述常开开关被配置成防止在故障的情况下所述负载短路。
6.根据权利要求4所述的充电电路，还包括信号调节电路系统，所述信号调节电路系统将所述DC信号调节为用于施加至所述负载的经调节的DC信号。
7.根据权利要求6所述的充电电路，还包括第一电流和电压传感器和第二电流和电压传感器，所述第一电流和电压传感器监测从所述谐振电路输入至所述同步整流器中的所述AC信号，所述第二电流和电压传感器监测施加至所述负载的所述经调节的DC信号。
8.根据权利要求7所述的充电电路，还包括整流器控制器，所述整流器控制器响应于由所述第一电流和电压传感器以及所述第二电流和电压传感器测量的值，以对由所述谐振网络输出的AC信号进行锁相并且响应于所测量的值提供控制所述一对常开开关和所述一对常闭开关的切换的控制信号。
9.根据权利要求8所述的充电电路，还包括温度传感器，所述温度传感器检测所述同步整流器的过温故障状况并向所述整流器控制器提供检测信号。
10.根据权利要求9所述的充电电路，还包括充电处理器，所述充电处理器从所述整流器控制器接收输入AC信号幅度、输入AC信号频率，经调节的DC波形电压、经调节的DC波形电流和所述同步整流器的温度中的至少一个并且命令所述整流器控制器的动作。
11.根据权利要求10所述的充电电路，其中，当所述AC信号频率在允许范围内，AC信号均方根高于阈值，并且没有检测到故障时，所述充电处理器指示所述整流器控制器在来自所述谐振网络的AC信号的近似过零处接通和断开所述一对常开开关和所述一对常闭开关。
12.根据权利要求10所述的充电电路，其中，当检测到故障状况时，所述充电处理器禁用所述整流器控制器，所述整流器控制器保持所述一对常开开关断开并且保持所述一对常闭开关接通。
13.根据权利要求10所述的充电电路，其中，当所述第二电流和电压传感器检测到过电压、过电流故障状况或者所述温度传感器检测到过温故障状况时，所述整流器控制器保持所述一对常开开关断开并且保持所述一对常闭开关接通。
14.根据权利要求2所述的充电电路，其中，所述同步整流器包括分别连接至所述AC电流源的第一引线和第二引线的第一对二极管以及分别连接至所述AC电流源的所述第一引线和所述第二引线的第二对二极管，所述分流装置包括与所述第二对二极管中的第一二极管并联连接的第一常闭开关以及与所述第二对二极管中的第二二极管并联连接的第二常闭开关，所述第一常闭开关和所述第二常闭开关在故障的情况下分流所述AC电流源。
15.根据权利要求2所述的充电电路，其中，所述同步整流器包括分别连接至所述AC电流源的第一引线和第二引线的第一对二极管以及分别连接至所述AC电流源的所述第一引线和所述第二引线的第二对二极管，所述分流装置包括连接在所述第一对二极管与所述第二对二极管之间的常闭安全开关，所述常闭安全开关在故障的情况下分流所述AC电流源。
16.根据权利要求2所述的充电电路，其中，所述同步整流器包括分别连接至所述AC电流源的第一引线和第二引线的第一对常开开关以及分别连接至所述AC电流源的所述第一引线和所述第二引线的第二对常开开关，所述分流装置包括连接在所述第一对常开开关与所述第二对常开开关之间的常闭安全开关，所述常闭安全开关在故障的情况下分流所述AC电流源。
17.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述谐振网络包括感应初级线圈、与所述初级线圈并联的第一谐振电容器、所述次级线圈以及与所述次级线圈并联的第二谐振电容器。
18.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述谐振网络包括感应初级线圈、与所述初级线圈串联的第一谐振电容器、所述次级线圈以及与所述次级线圈串联的第二谐振电容器。
19.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述谐振网络包括感应初级线圈、与所述初级线圈并联的第一谐振电容器、所述次级线圈以及与所述次级线圈串联的第二谐振电容器。
20.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述谐振网络包括感应初级线圈、与所述初级线圈串联的第一谐振电容器、所述次级线圈以及与所述次级线圈并联的第二谐振电容器。
21.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述谐振网络包括感应初级线圈、与所述初级线圈并联的第一谐振电容器、所述次级线圈、在所述次级线圈的第一端处与所述次级线圈串联的第二谐振电容器以及在所述次级线圈的第二端处与所述次级线圈串联的第三谐振电容器。
22.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述谐振网络包括感应初级线圈、在所述初级线圈的第一端处与所述初级线圈串联的第一谐振电容器、在所述初级线圈的第二端处与所述初级线圈串联的第二谐振电容器、所述次级线圈以及与所述次级线圈并联的第三谐振电容器。
23.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述谐振网络包括感应初级线圈、在所述初级线圈的第一端处与所述初级线圈串联的第一谐振电容器、在所述初级线圈的第二端处与所述初级线圈串联的第二谐振电容器、所述次级线圈、在所述次级线圈的第一端处与所述次级线圈串联的第三谐振电容器以及在所述次级线圈的第二端处与所述次级线圈串联的第四谐振电容器。
24.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述谐振网络还包括感应初级线圈，所述感应初级线圈包括设置在绝缘基板的至少一侧上的方形线圈绕组。
25.根据权利要求24所述的充电电路，还包括串联连接至所述方形线圈绕组的第一端的谐振电容器，并且所述方形线圈绕组的第二端连接至地，所述方形线圈绕组相对于地的共模电压为所述谐振电容器两端的电压的一半，由此所述方形线圈绕组是电容性电磁干扰辐射器。
26.根据权利要求24所述的充电电路，还包括串联连接至所述方形线圈绕组的第一端的第一谐振电容器和串联连接至所述方形线圈绕组的第二端的第二谐振电容器，所述方形线圈绕组的所述第一端与所述第二端之间的所述方形线圈绕组的中点实际上接地，由此所述方形线圈绕组不会电容性地辐射电磁干扰。
27.根据权利要求1所述的充电电路，其中，所述次级线圈安装在电动车辆上，并且所述负载是所述电动车辆的电池。
28.根据权利要求27所述的充电电路，其中，所述谐振网络是不平衡的，以辐射电容性电磁干扰(EMI)，并且所述电动车辆包括具有导电通孔的轮胎，所述导电通孔在充电期间将所述EMI接地。
29.根据权利要求27所述的充电电路，其中，所述谐振网络是不平衡的，以辐射电容性电磁干扰(EMI)，并且所述电动车辆包括在充电期间将所述EMI接地的接地线缆。
30.根据权利要求27所述的充电电路，其中，所述谐振网络是不平衡的，以辐射电容性电磁干扰(EMI)，并且所述电动车辆包括由所述电动车辆的电池供电的电路，所述电路在充电期间抵消异相电压。
31.一种用于对电动车辆的电池充电的磁感应谐振充电电路，包括：
谐振网络，所述谐振网络包括所述电动车辆上的感应次级线圈，所述感应次级线圈将从感应初级线圈接收的磁场转换为交流电(AC)信号，所述谐振网络是不平衡的以辐射电容性电磁干扰(EMI)；
同步整流器，所述同步整流器对所述AC信号进行整流以生成用于施加至所述电动车辆的电池的直流电(DC)信号；以及
用于在充电期间将所述EMI接地的装置。
32.根据权利要求31所述的充电电路，其中，所述用于在充电期间将所述EMI接地的装置包括所述电动车辆的轮胎，所述轮胎具有在充电期间将所述EMI接地的导电通孔。
33.根据权利要求31所述的充电电路，其中，所述用于在充电期间将所述EMI接地的装置包括接地线缆，所述接地线缆连接至所述电动车辆以便在充电期间将所述EMI接地。
34.根据权利要求31所述的充电电路，其中，所述用于在充电期间将所述EMI接地的装置包括由所述电动车辆的电池供电的电路，所述电路在充电期间抵消异相电压。
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