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无线电系统的保护和控制

阅读:405发布:2020-05-08

专利汇可以提供无线电系统的保护和控制专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且用于保护无线电 力 传输系统的方法、系统和装置。一方面的特征在于用于无线电力传输系统的 传感器 网络。传感器网络包括差分 电压 感测 电路 和 电流 感测电路。差分电压感测电路布置在无线电力传输系统内,以测量阻抗匹配网络的各部分之间的电压差的变化率,并且生成表示该电压差的变化率的第一 信号 。电流感测电路连接至差分电压感测电路,并且被配置为基于第一信号来计算经过连接至无线电力传输系统的 谐振器 线圈的电流。,下面是无线电系统的保护和控制专利的具体信息内容。

1.一种用于无线电传输系统的传感器网络,所述传感器网络包括:
差分电压感测电路,其布置在无线电力传输系统内以测量阻抗匹配网络的各部分之间的电压差的变化率,并且生成表示该电压差的变化率的第一信号;以及电流感测电路,其连接至所述差分电压感测电路,并且被配置为基于所述第一信号来计算经过连接至所述无线电力传输系统的谐振器线圈的电流。
2.根据权利要求1所述的传感器网络,其中,所述差分电压感测电路被配置为响应于第二信号来对所述第一信号进行缩放,所述第二信号表示经过所述阻抗匹配网络的电流。
3.根据权利要求1所述的传感器网络,其中,所述阻抗匹配网络的各部分是包括一个或多个可调谐电容器的可调谐匹配网络。
4.根据权利要求1所述的传感器网络,其中,所述差分电压感测电路包括放大级,所述放大级包括单位增益放大器
5.根据权利要求4所述的传感器网络,其中,所述单位增益放大器被配置为提供所述第一信号作为单端电压信号。
6.根据权利要求4所述的传感器网络,其中,所述差分电压感测电路被布置为向所述单位增益放大器施加第二信号,以响应于所述第二信号而对所述第一信号进行缩放,所述第二信号表示经过所述阻抗匹配网络的电流。
7.根据权利要求1所述的传感器网络,其中,所述差分电压感测电路包括微分器电路。
8.根据权利要求1所述的传感器网络,其中,所述电流感测电路包括差分电路,所述差分电路被配置为通过从表示经过所述阻抗匹配网络的电流的第二信号中减去所述第一信号来生成表示经过连接至所述无线电力传输系统的所述谐振器线圈的电流的第二信号。
9.一种用于无线电力传输系统的保护系统,所述保护系统包括:
差分电压感测电路,其布置在无线电力传输系统内,以测量阻抗匹配网络的各部分之间的电压差的变化率,并且生成表示所述电压差的变化率的第一信号;
第一电流感测电路,其被布置为测量第一电流,并且生成表示所述第一电流的第二信号,所述第一电流经过所述阻抗匹配网络;以及
第二电流感测电路,其连接至所述差分电压感测电路和所述第一电流感测电路,所述第二电流感测电路被配置为基于所述第一信号和所述第二信号来计算第二电流,并且生成表示所述第二电流的第三信号,所述第二电流经过连接至所述无线电力传输系统的谐振器线圈。
10.根据权利要求9所述的保护系统,其中,所述差分电压感测电路连接至所述第一电流感测电路,以及所述差分电压感测电路被配置为响应于所述第二信号而对所述第一信号进行缩放。
11.根据权利要求9所述的保护系统,其中,所述差分电压感测电路包括放大级,所述放大级包括单位增益放大器。
12.根据权利要求11所述的保护系统,其中,所述单位增益放大器被配置为提供所述第一信号作为单端电压信号。
13.根据权利要求11所述的保护系统,其中,所述差分电压感测电路连接至所述第一电流感测电路,以及所述差分电压感测电路被布置为将所述第二信号施加到所述单位增益放大器,以响应于所述第二信号而对所述第一信号进行缩放。
14.根据权利要求11所述的保护系统,其中,所述差分电压感测电路包括微分器电路。
15.根据权利要求11所述的保护系统,其中,所述第二电流感测电路包括差分电路,所述差分电路被配置为用于通过从所述第二信号中减去所述第一信号来生成所述第三信号。
16.根据权利要求11所述的保护系统,还包括故障保护电路,所述故障保护电路连接至所述第一电流感测电路和所述第二电流感测电路的各自的输出端子,所述故障保护电路被配置为响应于所述第二信号的幅度或所述第三信号的幅度超过相应阈值而绕过可调谐匹配网络即TMN。
17.根据权利要求16所述的保护系统,其中,所述故障保护电路还被配置为通过将针对TMN旁路晶体管的控制信号存于断定状态,来绕过所述可调谐匹配网络。
18.根据权利要求17所述的保护系统,其中,所述故障保护电路还被配置为延迟对所述控制信号进行锁存,直到所述TMN两端的电压低于TMN电压阈值为止。
19.根据权利要求11所述的保护系统,还包括故障保护电路,所述故障保护电路连接至所述第一电流感测电路和所述第二电流感测电路的各自的输出端子,所述故障保护电路被配置为响应于所述第二信号的幅度或所述第三信号的幅度超过相应阈值而使逆变器-整流器关闭。
20.一种无线电力传输系统,包括:
谐振器线圈;
阻抗匹配网络,其连接至所述谐振器线圈;以及
传感器网络,其包括:
差分电压感测电路,其被布置为测量所述阻抗匹配网络的各部分之间的电压差的变化率,并且生成表示所述电压差的变化率的第一信号;以及
电流感测电路,其连接至所述差分电压感测电路,并且被配置为基于所述第一信号来计算经过所述谐振器线圈的电流。

说明书全文

无线电系统的保护和控制

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2017年6月29日提交的美国临时专利申请62/526,842、2017年12月20日提交的美国临时专利申请62/608,052、2018年4月24日提交的美国临时专利申请62/662,148、2018年4月25日提交的美国临时专利申请62/662,462和2018年4月25日提交的美国临时专利申请62/662,486的优先权,这些申请的全部内容通过引用而并入于此。

技术领域

[0003] 本发明通常涉及无线电力系统,并且更特别地,本发明涉及用于无线电力系统的保护和传感器

背景技术

[0004] 无线电力系统采用可调谐阻抗匹配电路来将电力高效地传输至耦合的负载。负载的行为可能超出无线电力系统的控制之外,并由此可能会在无线电力系统的组件中造成不希望的状况,从而导致危险的操作和可能的损坏。

发明内容

[0005] 一般地,本发明的特征在于用于单向和双向的无线电力传输系统的控制和保护系统。本文所述的装置和处理可以用在包括可植入装置、蜂窝电话和其它移动计算装置充电器、以及电动车辆用充电器的各种背景中。
[0006] 在第一一般方面,本发明的特征在于一种用于无线电力传输系统的传感器网络。所述传感器网络包括差分电压感测电路和电流感测电路。所述差分电压感测电路布置在无线电力传输系统中,以测量阻抗匹配网络的各部分之间的电压差的变化率,并且生成表示所述电压差的变化率的第一信号。所述电流感测电路连接至所述差分电压感测电路,并且被配置为基于所述第一信号来计算经过连接至所述无线电力传输系统的谐振器线圈的电流。
[0007] 在第二一般方面,本发明的特征在于一种无线电力传输系统,其包括谐振器线圈、连接至所述谐振器线圈的阻抗匹配网络、以及传感器网络。所述传感器网络包括差分电压感测电路和电流感测电路。所述差分电压感测电路被布置为测量所述阻抗匹配网络的各部分之间的电压差的变化率,并且生成表示所述电压差的变化率的第一信号。所述电流感测电路连接至所述差分电压感测电路,并且被配置为基于所述第一信号来计算经过谐振器线圈的电流。
[0008] 这些以及以下方面可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个。
[0009] 在一些实现中,所述差分电压感测电路被配置为响应于第二信号来对所述第一信号进行缩放,所述第二信号表示经过所述阻抗匹配网络的电流。
[0010] 在一些实现中,所述阻抗匹配网络的各部分是包括一个或多个可调谐电容器的可调谐匹配网络。
[0011] 在一些实现中,所述差分电压感测电路包括放大级,所述放大级具有单位增益放大器。在一些实现中,所述单位增益放大器被配置为提供所述第一信号作为单端电压信号。在一些实现中,所述差分电压感测电路被布置为向所述单位增益放大器施加第二信号,以响应于所述第二信号而对所述第一信号进行缩放,所述第二信号表示经过所述阻抗匹配网络的电流。
[0012] 在一些实现中,所述差分电压感测电路包括微分器电路。
[0013] 在一些实现中,所述电流感测电路包括差分电路,所述差分电路被配置为通过从表示经过所述阻抗匹配网络的电流的第二信号中减去所述第一信号来生成表示经过连接至所述无线电力传输系统的所述谐振器线圈的电流的第二信号。
[0014] 在第三一般方面,本发明的特征在于一种用于无线电力传输系统的保护网络。所述保护网络包括差分电压感测电路、第一电流感测电路和第二电流感测电路。所述差分电压感测电路布置在无线电力传输系统中,以测量阻抗匹配网络的各部分之间的电压差的变化率,并且生成表示所述电压差的变化率的第一信号。所述第一电流感测电路被布置为测量第一电流并且生成表示所述第一电流的第二信号,其中所述第一电流经过所述阻抗匹配网络。所述第二电流感测电路连接至所述差分电压感测电路和所述第一电流感测电路。所述第二电流感测电路被配置为基于所述第一信号和所述第二信号来计算第二电流并且生成表示所述第二电流的第三信号,其中所述第二电流经过连接至所述无线电力传输系统的谐振器线圈。该方面可以可选地包括以下特征中的一个或多个。
[0015] 在一些实现中,所述差分电压感测电路连接至所述第一电流感测电路,以及其中,所述差分电压感测电路被配置为响应于所述第二信号而对所述第一信号进行缩放。
[0016] 在一些实现中,所述差分电压感测电路包括放大级,所述放大级包括单位增益放大器。
[0017] 在一些实现中,所述单位增益放大器被配置为提供所述第一信号作为单端电压信号。
[0018] 在一些实现中,所述差分电压感测电路连接至所述第一电流感测电路,以及其中,所述差分电压感测电路被布置为将所述第二信号施加到所述单位增益放大器,以响应于所述第二信号而对所述第一信号进行缩放。
[0019] 在一些实现中,所述差分电压感测电路包括微分器电路。在一些实现中,所述第二电流感测电路包括差分电路,所述差分电路被配置为通过从所述第二信号中减去所述第一信号来生成所述第三信号。
[0020] 一些实现还包括故障保护电路,所述故障保护电路连接至所述第一电流感测电路和所述第二电流感测电路的各自的输出端子,所述故障保护电路被配置为响应于所述第二信号的幅度或所述第三信号的幅度超过相应阈值而绕过(bypass)可调谐匹配网络即TMN。
[0021] 在一些实现中,所述故障保护电路还被配置为通过将针对TMN旁路晶体管的控制信号存于断定状态(asserted state),来绕过所述可调谐匹配网络。
[0022] 在一些实现中,所述故障保护电路还被配置为延迟对所述控制信号进行锁存,直到所述TMN两端的电压低于TMN电压阈值为止。
[0023] 一些实现还包括故障保护电路,所述故障保护电路连接至所述第一电流感测电路和所述第二电流感测电路的各自的输出端子,所述故障保护电路被配置为响应于所述第二信号的幅度或所述第三信号的幅度超过相应阈值而使逆变器-整流器关闭。
[0024] 在第四一般方面,本发明的特征在于一种用于双向无线电力传输系统的故障保护方法。该方法包括以下动作,通过无线电力传输装置的控制电路来检测双向无线电力传输系统的故障。识别无线电力传输装置的操作特性和无线电力传输装置的硬件配置。响应于检测到故障并且基于操作特性和硬件配置,来识别用于保护无线电力传输装置免于故障的保护操作。根据所述保护操作来控制无线电力传输装置的操作。该方面的其它实现包括相应的系统、电路、控制器、设备、以及编码在计算机存储装置上的被配置为进行所述方法的动作的计算机程序
[0025] 这些以及其它实现可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个。
[0026] 在一些实现中,响应于表示无线电力传输装置正作为无线电力发射器工作的操作特性,保护操作包括使逆变器-整流器关闭并且使阻抗匹配电路的至少一部分短路。在一些实现中,使逆变器-整流器关闭包括对逆变器-整流器脉冲宽度调制(PWM)控制信号进行覆盖
[0027] 在一些实现中,响应于表示无线电力传输装置正作为无线电力接收器工作的操作特性和表示无线电力传输装置被配置为连接电网的系统的硬件配置,保护操作包括:使逆变器-整流器关闭;使阻抗匹配电路的至少一部分短路以使来自谐振器线圈的电流耗散;以及接入被配置为使来自逆变器-整流器的过剩电力耗散的电阻器。在一些实现中,使逆变器-整流器关闭包括对逆变器-整流器脉冲宽度调制(PWM)控制信号进行覆盖。
[0028] 在一些实现中,响应于表示无线电力传输装置正作为无线电力接收器工作的操作特性,保护操作包括:使逆变器-整流器关闭;以及使阻抗匹配电路的至少一部分短路以是来自谐振器线圈的电流耗散。
[0029] 在一些实现中,使逆变器-整流器关闭包括:对逆变器-整流器脉冲宽度调制(PWM)控制信号进行覆盖。
[0030] 在一些实现中,响应于表示无线电力传输装置正作为无线电力接收器工作的操作特性和表示无线电力传输装置被配置为连接装置的系统的硬件配置,保护操作包括:使逆变器-整流器的开关闭合,以在谐振器线圈的端子之间提供短路。在一些实现中,保护操作在磁耦合至第一无线电力传输装置的第二无线电力传输装置中引起相应的故障状况。
[0031] 在一些实现中,故障是以下至少之一:可调谐阻抗匹配网络故障、过电流故障或过电压故障。
[0032] 在一些实现中,故障是由负载断开触发的过电压故障或过电流故障。
[0033] 在一些实现中,该方法包括:通过响应于检测到车辆碰撞而使负载从无线电力传输装置断开来发起故障。
[0034] 在第五一般方面,本发明的特征在于一种操作双向无线电力传输系统的方法。该方法包括以下动作:由第一无线电力传输装置向第二无线电力传输装置发送用以使第一无线电力传输装置和第二无线电力传输装置之间的电力流动的方向反向的指示。从第二无线电力传输装置接收对于第二无线电力传输装置已被重新配置为根据电力流动的反方向工作的指示。响应于该指示,第一无线电力装置根据电力流动的反方向来指派第一无线电力传输装置的操作特性,并且控制第一无线电力传输装置的逆变器-整流器的操作以根据该操作特性进行操作。该方面的其它实现包括相应的系统、电路、控制器、设备、以及编码在计算机存储装置上的被配置为进行方法的动作的计算机程序。
[0035] 这些以及其它实现可以各自可选地包括以下特征中的一个或多个。
[0036] 在一些实现中,操作特性表示第一无线电力传输装置正作为无线电力发射器工作,并且控制逆变器-整流器的操作包括:生成用于使逆变器-整流器作为逆变器工作的脉冲宽度调制(PWM)控制信号。
[0037] 在一些实现中,操作特性表示第一无线电力传输装置正作为无线电力接收器工作,并且控制逆变器-整流器的操作包括:生成用于使逆变器-整流器作为整流器工作的脉冲宽度调制(PWM)控制信号。
[0038] 在一些实现中,操作特性表示第一无线电力传输装置正作为无线电力接收器工作,并且控制逆变器-整流器的操作包括:响应于逆变器-整流器处的电力小于阈值,使逆变器-整流器以无源整流器模式工作;以及响应于逆变器-整流器处的电力大于阈值,生成用于使逆变器-整流器以有源整流模式工作的脉冲宽度调制(PWM)控制信号。
[0039] 在一些实现中,PWM控制信号交替地接通逆变器-整流器中的相应晶体管对,以生成直流(DC)输出信号
[0040] 在一些实现中,响应于在向着逆变器-整流器的输入处检测到零电流状况,PWM控制信号交替地接通逆变器-整流器中的相应晶体管对。
[0041] 在一些实现中,该方法包括:响应于指示,对第一无线电力传输装置的可调谐匹配网络进行复位,并且根据所指派的操作特性来控制可调谐匹配网络的操作。
[0042] 在一些实现中,第一无线电力传输装置连接至车辆,并且第二无线电力传输装置连接至电网。
[0043] 在第六一般方面,本发明的特征在于一种用于在负载断开状况期间保护无线电力系统的方法,其中在该负载断开状况期间,负载从无线电力接收器的整流器的输出断开,该无线电力系统包括无线电力接收器和无线电力发射器,该无线电力接收器被配置为从无线电力发射器接收电力。该方法包括通过负载断开传感器检测负载断开状况。通过第一控制器使两个或更多个整流器保护开关短路,各整流器保护开关连接至整流器的二极管。通过第二控制器使连接至接收器侧可调谐电容器的第一TMN保护开关短路,该可调谐电容器连接至整流器的输入。通过连接至发射器的电流传感器来检测发射器的逆变器中的过电流状况。通过第三控制器关断逆变器。通过第四控制器使连接至接收器侧可调谐电容器的第二TMN保护开关短路,该可调谐电容器连接至接收器的输出。该方面的其它实现包括相应的系统、电路、控制器、设备、以及编码在计算机存储装置上的被配置为进行方法的动作的计算机程序。
[0044] 在第六一般方面,本发明的特征在于一种用于在负载短路状况期间保护无线电力系统的方法,其中在该负载短路状况期间,负载在无线电力接收器的整流器的输出处短路,该无线电力系统包括无线电力接收器和无线电力发射器,该无线电力接收器被配置为从无线电力发射器接收电力。该方法包括:通过连接至整流器输出的电压传感器来检测欠电压状况。通过第一控制器使与无线电力接收器的可调谐电容器连接的第一保护开关短路。通过与无线电力发射器的可调谐电容器连接的电流传感器来检测可调谐电容器中的过电流状况。通过第二控制器使与无线电力发射器的可调谐电容器连接的第二保护开关短路。该方面的其它实现包括相应的系统、电路、控制器、设备、以及编码在计算机存储装置上的被配置为进行方法的动作的计算机程序。在一些实现中,该方法包括:关断无线电力发射器的逆变器,该逆变器连接至无线电力发射器的可调谐电容器。
[0045] 在第七一般方面,本发明的特征在于一种用于在负载断开状况期间保护双向无线电力系统的方法,其中在该负载断开状况期间,负载从接地侧无线电力发射器的接地侧逆变器的输出处断开,该双向无线电力系统包括无线电力发射器和无线电力接收器,并且该无线电力发射器被配置为从所述双向无线电力接收器接收电力。该方法包括:通过负载断开传感器来检测负载断开状况。通过第一控制器关断接地侧逆变器。通过第二控制器使连接至第一接地侧可调谐电容器的第一TMN保护开关短路,该至少一个可调谐电容器连接至接地侧逆变器的输入。通过第一控制器接入与断开的负载并联的第一电阻器。从无线电力发射器向无线电力接收器发送错误信号。在接收到错误信号时,通过第三控制器关断车辆侧逆变器。该方面的其它实现包括相应的系统、电路、控制器、设备、以及编码在计算机存储装置上的被配置为进行方法的动作的计算机程序。
[0046] 可以实现在本说明书中描述的主题的特定实现,以实现以下优点中的一个或多个。这些实现可以提供能够容易地配置以用在无线电力发射器或接收器上的模化传感器网络。这些实现可以提供能够容易地配置以用在无线电力发射器或接收器上的模块化传感器网络。这些实现可以提供能够用于单向或双向无线电力传输系统的传感器/保护网络。这些实现提供能够进行谐振器线圈电流的远程测量的传感器网络。例如,这些实现可以提供能够测量经过发射器谐振器线圈的电流的传感器网络,该发射器谐振器线圈位于(例如,沿着8~10英尺线缆)远离无线电力发射器的其它控制电路和传感器的位置。在一些实现中,使用模拟电路来实现传感器和保护电路可以对危险操作状况提供更快的保护响应。一些实现在不依赖通信方案的情况下提供保护。例如,一些实现可以在不依赖于正向充电方向和反向充电方向上的有线或无线通信链路的情况下,发起无线电力接收器和无线电力发射器之间的保护动作。一些实现允许非冗余硬件、代码和存储器的模块化。例如,向双向系统中的组件指派操作特性可以允许硬件和软件的更高程度的模块化,这可以允许快速、安全和即时(on-the-fly)的电力反转。另外,增加的模块化可以提高产品制造的效率。
[0047] 所公开的装置、电路和系统的实现还可以包括本文所公开的任何其它特征,包括与不同实现相组合或者以任何适当方式组合的所公开的特征。
[0048] 在以下的附图和说明书中阐述了本说明书中所描述的主题的一个或多个实现的详情。通过说明书、附图和权利要求书,该主题的其它特征、方面和优点将显而易见。

附图说明

[0049] 图1A是示例性无线电力发射器的电路模型的图。
[0050] 图1B是示例性无线电力接收器的电路模型的图。
[0051] 图1C是无线电力系统中使用的示例性传感器网络的框图
[0052] 图1D是无线电力传输系统中使用的示例性保护网络的框图。
[0053] 图2A是可调谐匹配网络(TMN)所用的示例性电压传感器的示意图。
[0054] 图2B是示出与可调谐电容器处的直接电压测量的波形输出相比的、电压传感器的示例性波形输出的标绘图。
[0055] 图3A~3C是无线电力发射器或接收器的位置C2中的一个或多个电容器两端的示例性电压传感器的示意图。
[0056] 图3D是电压传感器的示例性波形输出和图1A~1B中所提供的VC2电压(VC2+,VC2-)的直接测量的示例性波形输出的图。
[0057] 图3E~3F是电压VC2_diff、Vy和VC2_sense的示例性波形的标绘图。
[0058] 图4A是用以计算电感器Ls1处的电流I1的示例性电流传感器的示意图。
[0059] 图4B是电流传感器的示例性波形输出和电感器Ls1处的电流I1的直接测量的示例性波形输出的标绘图。
[0060] 图4C是电压Vc2_diff的示例性波形的标绘图。
[0061] 图4D是电压V1的示例性波形的标绘图。
[0062] 图5A是具有来自电流感测变压器(CST)的输入CS1和CS2的示例性电流相位检测电路的示意图。
[0063] 图5B是被配置为生成针对峰值检测电路的复位信号的示例性电路的示意图。
[0064] 图5C是被配置为检测电压信号VC2_sense的峰值的示例性峰值检测电路。
[0065] 图5D是被配置为检测表示线圈电流V_I1_sense的信号的峰值的示例性峰值检测电路。
[0066] 图5E是图5A的电路的示例性波形输出的标绘图。
[0067] 图5F是输入电压信号VC2_sense的示例性波形和输出VC2_peak_detect的示例性波形的标绘图。
[0068] 图5G是输入信号V_I1_sense的示例性波形和输出V_I1_sense_pk的示例性波形的标绘图。
[0069] 图5H是复位电压信号Vreset的示例性波形输出的标绘图。
[0070] 图6A是被配置为对发射器或接收器的TMN中的电流进行采样的示例性峰值检测电路。
[0071] 图6B是示例性过零检测器电路。
[0072] 图7A~7E是被配置为检测系统内的信号的过电压或欠电压状况的示例性窗口比较器电路的示意图。
[0073] 图8A~8E是被配置为在检测到故障时进行锁存的示例性故障锁存电路的示意图。
[0074] 图8F是将来自图8A~8E的锁存电路的故障中的两个或更多个故障组合的示例性锁存电路的示意图。
[0075] 图9A和9B是用于TMN的示例性保护电路的示意图。
[0076] 图10A示出在占空比大于零时示例性发射器中的锁存的故障的影响。
[0077] 图10B示出在占空比等于零时锁存的故障的影响。
[0078] 图11A是用以在存在硬件故障(HW_FAULT)或外部故障(EXT_FAULT)的情况下、启用或禁用在TMN中的切换的数字逻辑电路
[0079] 图11B是用以启用或禁用硬件保护的开关。
[0080] 图12是TMN过电压故障状况的硬件测试期间的波形的示例性标绘图。
[0081] 图13是具有一个或多个保护机构的示例性无线电力系统。
[0082] 图14是负载断开状况期间示例性无线电力系统中的示例性波形的标绘图。
[0083] 图15是负载短路状况期间示例性无线电力系统中的示例性波形的标绘图。
[0084] 图16是示例性双向无线电力传输系统的示意图。
[0085] 图17描述根据本发明的实现可以执行的示例性双向控制处理的流程图
[0086] 图18描述示例性逆变器-整流器的示意图和示出逆变器-整流器在逆变器操作模式下的操作的时序图。
[0087] 图19描述示例性逆变器-整流器的示意图和示出逆变器-整流器在整流器操作模式下的操作的时序图。
[0088] 图20描述根据本发明的实现可以执行的示例性保护操作的流程图。
[0089] 图21是示出故障感测电路的配置的双向无线电力传输装置的图。
[0090] 图22A是用于双向无线电力传输装置的示例性保护逻辑的框图。
[0091] 图22B示出与图22A所示的示例性保护逻辑相关联的逻辑真值表
[0092] 图23示出描述逆变器-整流器在被指派了整流器操作特性时响应于负载断开而进行的操作的一系列图。
[0093] 在各个附图中相同的附图标记和指定表示相同的元件。

具体实施方式

[0094] 通常,本发明的特征在于用于单向和双向的无线电力传输系统的控制和保护系统。实现包括传感器和保护网络,以保护无线电力传输系统免于各种危险状况,这些危险状况包括过电压、过电流、过温和可能对系统造成损坏的电力突然改变。实现包括控制系统,该控制系统用于管理无线电力传输系统组件(例如,可调谐匹配网络、逆变器、整流器和逆变器-整流器)响应于保护动作的关闭。实现包括用于管理双向无线电力传输系统中的电力流动(power flow)的反向的控制系统和处理。
[0095] 图1A是示例性无线电力发射器100(也称为无线电源或接地组件(GA))的等效模型的图。无线电力发射器100是整体无线电力系统的一部分,该无线电力系统还包括被配置为接收无线电力发射器100所发射的电力的(图1B中的)无线电力接收器112。无线电力发射器100通常连接至诸如电网、AC发电机等的电源。此外,无线电力发射器100通常用于传输来自电源的电力,以向负载供电或对连接至无线电力接收器112的电池充电。这种操作模式在这里被称为正常操作模式,并且用来指代单向无线电力传输系统中的正常电力流动方向。然而,在双向无线电力传输系统中,可以使电力流动反向(例如,反向电力流动方向)。这种操作将被视为反向操作模式。例如,在双向无线电力传输系统中,发射器100可以作为“接收器”工作,并且接收器112可以作为“发射器”工作,例如,以将来自电池或储存电源的电力传输到连接至发射器100的负载。例如,在停电期间,电动车辆的电池可用于通过双向无线电力系统向家庭提供紧急电力。因此,本文所使用的术语“发射器”和“接收器”是指各个组件在这些组件的正常操作模式下的功能,但并不意图将这些组件的功能仅仅局限于发射或接收电力。
[0096] 示例性无线电力发射器100包括逆变器102,该逆变器102接收输入电压并且连接至阻抗匹配网络103和谐振器线圈104。注意,该模型考虑了无线电力接收器的等效反射阻抗Rrefl 105和反映到发射器的负载。在阻抗匹配网络103内是具有至少一个第一可调谐电容器的可调谐匹配网络(TMN)106。在该示例中,TMN 106包括第一可调谐电容器108a和第二可调谐电容器108b。在一些实现中,TMN 106连接至诸如微控制器等的一个或多个控制器109,该一个或多个控制器109被配置为提供控制信号,诸如用以对可调谐电容器108a~
108b进行调谐的调谐信号、以及用以保护TMN 106免于损坏的保护信号等。在2017年2月8日提交的标题为“PWM capacitor control”的共同拥有的美国专利申请15/427,186中可以发现可调谐匹配网络的示例和说明。
[0097] 在图1A所示的示例性实现中,逆变器102向具有电感器Ls3a和Ls3b的阻抗匹配电路103提供电压(V1+、V1-)。这些电感器Ls3a和Ls3b分别与可调谐电容器108a和108b串联连接。可调谐电容器108a的第一端具有正电压Vcap+,并且其第二端具有负电压Vcap-。可调谐电容器108b的第一端具有正电压Vcap++,并且其第二端具有负电压Vcap--。可调谐电容器108a与可选的电流感测变压器110串联连接。在一些实现中,可调谐电容器108a、108b可以分别串联连接至固定电容器Cs3a、Cs3b。具有电压(Vc2+、Vc2-)的电容器Cs2连接至电容器Cs3a、Cs3b的右端。电容器Cs1a、电感器Ls1和电容器Cs1b并联连接至电容器Cs2。电感器Ls1在被驱动时,被配置为生成振荡磁场以向无线电力接收器传输能量。注意,本文所论述的电气组件中的任何电气组件均可以表示彼此连接的一个或多个组件。例如,发射器模型100中的单个电容器可以表示并联或串联连接的两个或更多个电容器。还注意,在所提供的附图中的任何附图中示出的组件的任何值均是示例性值,并且可以针对具体应用进行调整。
[0098] 图1B是示例性无线电力接收器(也称为无线电力装置或车辆组件(VA))的等效模型的图。无线电力接收器的结构在很大程度上反映了发射器100的结构,但存在一些重要差异。在接收器模型112中,在发射器100生成振荡磁场时,在接收器线圈114中感应出电压。接收器112中的电压源116是对该感应电压的建模。接收器线圈114连接至包括采用串联形式的电容器C12和C32以及采用并联形式的电容器C11的电容器网络。包括电流感测变压器(CST)118和可调谐电容器120a、120b的可调谐匹配网络(TMN)122串联连接至该网络。注意,CST 118和/或可调谐电容器120a、120b可以一起封装在诸如集成电路(IC)等的模块中。最终,源自接收器线圈的匹配电压在整流器124处被整流并被输出到负载126。在一些实现中,负载126可以是连接至电池的电池管理器。在一些实现中,负载126可以是电池本身。在典型实现中,平滑电容器128可以将整流器124的输出连接至负载126,并且用于对整流输出进行过滤。在一些实现中,TMN 122连接至诸如微控制器等的一个或多个控制器130,该一个或多个控制器130被配置为提供控制信号,诸如用以对可调谐电容器120a~120b进行调谐的调谐信号、以及用以保护TMN 106免于损坏的保护信号等。
[0099] 注意,在无线电力发射器的背景下论述传感器和保护机构的以下实现中的许多实现。然而,这些实现可以应用于无线电力接收器的类似结构和功能。
[0100] 在一些实现中,逆变器102可被实现为如以下更详细地论述的双向逆变器-整流器。类似地,在一些实现中,整流器124可被实现为如以下更详细地论述的双向逆变器-整流器。
[0101] 图1C是供在无线电力系统中使用的示例传感器网络132的框图。为清楚起见,传感器网络132在图1C中被描述为在无线电力发射器100中实现。应当注意,除了无线电力发射器100被表示为框图而不是电路模型以外,无线电力发射器100与图1A所示的无线电力发射器100相似。另外,传感器网络132可以在无线电力接收器(例如,图1B所示的无线电力接收器112)内实现。例如,传感器网络132可以以相似的方式布置在无线电力接收器112中,以测量与以下论述的无线电力发射器组件相对应的无线电力接收器组件的电压和电流。
[0102] 传感器网络132包括TMN电压传感器134、差分电压传感器136、电压传感器138、电流传感器140、电流相位传感器142和电流传感器150。如例如在图2A、图3A~3C、图4A、图5A和图6A中示出并且如以下更详细地所述,传感器134、136、138、140、142和150各自可被实现为模拟电路。在一些实现中,可以以软件实现传感器134、136、138、140、142和150中的一个或多个或者它们的一部分。例如,传感器134、136、138、140、142和150所测量的电压或电流可以从模拟转换成数字,并且由微处理器或微控制器根据软件指令进行进一步处理。
[0103] TMN电压传感器134被布置为测量TMN 106两端的电压。例如,TMN电压传感器A电气连接在TMN A的任意侧以测量TMN A两端的电压降。例如,电压传感器134连接在Vcap+和Vcap-处。在一些实现中,传感器网络132针对无线电力发射器100中的各TMN 106可以包括一个电压传感器134。例如,无线电力发射器100可以具有仅一个TMN 106和仅一个相应的电压传感器134,而在另一实现中,无线电力发射器100可以具有多个TMN 106,其中针对各TMN 106存在相应的电压传感器134。如以下参考图2A更详细地所述,电压传感器134被配置成生成表示TMN 106两端的测量电压的输出电压信号。在一些示例中,输出电压信号是单端电压信号,例如,范围在零与正边界或负边界之间(例如,0~3V或0~-3V)的电压信号。
[0104] 尽管例示为与谐振器线圈104串联,但在一些实现中,TMN 106与谐振器线圈104并联布置。在这些实现中,电压传感器134也可以与TMN 106并联布置。
[0105] 差分电压传感器136被布置为测量阻抗匹配网络的各部分之间的电压差的变化率(例如,一阶导数)。例如,差分电压传感器136被布置为测量TMN A和TMN B的相应输出端子之间的电压差的变化率。例如,差分电压传感器136可以连接在Vcap-和Vcap++处。如以下参考图3A和图3B更详细地所述,差分电压传感器136被配置为生成表示所测量的TMN 106的输出之间的电压的变化率的输出信号。在一些示例中,输出电压信号是单端电压信号。差分电压传感器136的输出还表示电容器C2s两端的电压的变化率。可以基于在发射器100中的该位置处获得的差分电压来确定两个不同的发射器100参数:电容器C2s两端的电压和经过谐振器线圈104的电流(电流I1s)。
[0106] 电压传感器138被配置为测量电容器C2s两端的电压。如以下参考图3C更详细地所述,电压传感器138被配置为生成表示电容器C2s两端的电压的输出信号。例如,电压传感器138可被配置为对差分电压传感器136的输出进行积分,以提供表示电容器C2s(或者更一般地为匹配网络的任何并行组件)两端的电压的输出信号。在一些示例中,输出信号是单端电压信号。
[0107] 电流传感器140被配置为测量经过谐振器线圈104的电流(例如,电流I1s)。如以下参考图4A更详细地所述,电流传感器140被配置为生成表示经过谐振器线圈104的电流的输出信号。例如,电流传感器140被配置为基于差分电压传感器136所测量的差分电压来计算经过电容器C2s的电流I2s,并且通过从电流传感器150所测量的经过阻抗匹配网络的电流I3s中减去所计算出的电流I2s来获得经过线圈104的电流。在一些示例中,电流传感器140的输出信号是单端电压信号。
[0108] 电流传感器150连接至例如在发射器100中的变压器110。类似地,电流传感器150可以连接至相应的变压器,例如接收器112中的CST 118。电流传感器150被配置为测量经过阻抗匹配网络的电流(例如,电流I3s)。如以下参考图6A更详细地所述,电流传感器150被配置为生成表示经过阻抗匹配网络(例如,TMN 106、电感器L3sA和电容器C3sA)的电流I3s的输出信号(CSI)。
[0109] 电流相位传感器142被配置为测量经过阻抗匹配网络的电流I3s的相位。如以下参考图5A更详细地所述,电流相位传感器142被配置为生成表示电流I3s的相位的输出信号。
[0110] 在无线电力发射器100的一些实现中,直接测量经过谐振器线圈104的电流是不切实际的,因为该线圈可能位于与发射器的控制电路隔开距离的线缆的端部处。在这样的情形下,传感器网络132所提供的间接测量可以提供准确且高效的电流测量,以有效地维持无线电力发射器100的安全操作。在一些实现中,可以在模拟电路中实现传感器网络132中的传感器。这样的实现与基于数字电路或软件的传感器相比可以提供对危险状况的更快检测和响应。
[0111] 在一些实现中,差分电压传感器136被配置为基于电流传感器150所获得的电流测量来对差分电压传感器136的输出信号进行缩放。例如,差分电压传感器136可以基于电流传感器150的输出(CSI)来对其输出信号进行缩放,以考虑电容器C3sA和C3sB(在存在于发射器100中时)两端的电压降。
[0112] 图1D是供在无线电力传输系统中使用的示例性保护网络180的框图。保护网络180包含传感器网络132。保护网络180被配置为响应于在无线电力发射器100(或接收器112)中检测到危险操作状况而产生故障。保护网络180还可被配置为响应于检测到危险操作状况而对无线电力发射器100(或接收器112)进行保护动作。危险操作状况可以包括但不限于阻抗匹配网络和/或TMN中的过电压/欠电压/过电流/欠电流状况、谐振器线圈中的过电压/欠电压/过电流/欠电流状况、电容器C2处的过电压/欠电压状况。这些或其它危险操作状况可以表示无线电力传输系统内的一个或多个操作故障,其包括但不限于负载短路、负载断开、离谐振器线圈104过近的外来异物(FOD)的存在、或者发射器100或接收器112的一个或多个组件的故障。
[0113] 保护网络180包括传感器网络132、峰值检测器146、148、151、复位信号发生器144、比较器电路152~160、故障逻辑162~170、可选的组合故障逻辑172、以及保护/控制电路109。如例如在图2A、图3A~3C、图4A、图5A、图6A、图6B、图7A~7E和图8A~8F中所示、并且如以下更详细地所述,保护网络180的各个组件可被实现为模拟电路。在一些实现中,可以以软件实现传感器134、136、138、140、142和150中的一个或多个或者它们的一部分。例如,传感器134、136、138、140、142和150所测量的电压或电流可以从模拟转换成数字,并且由微处理器或微控制器根据软件指令进行进一步处理。
[0114] 保护/控制电路可以包括单独的用于TMN的保护和控制电路(例如,TMN保护/控制电路174)和用于逆变器(或接收器中的整流器)的保护和控制电路(例如,逆变器保护/控制电路176)。此外,保护/控制电路109的保护和控制功能可以被集成(例如,集成到单个共同的处理器或一组处理器中)或者被分段(例如,单独的保护电路分别起作用,以在响应于故障状况期间对来自控制电路的正常控制信号进行覆盖)。保护/控制电路109可以以硬件、软件或它们的组合实现。例如,保护/控制电路109可被实现为一个或多个处理器所执行的一个或多个软件程序。保护/控制电路109可以在模拟电路或数字电路中实现。例如,保护/控制电路109可被实现为模拟电路、ASIC或FPGA。
[0115] 电流相位传感器142和峰值检测器146、148、151向可用于控制TMN 106的操作的TMN保护/控制电路174提供输出信号。以下参考图5A、图5D、图5C和图6A来说明电流相位传感器142以及峰值检测器146、148和151的详情。通常,峰值检测器146基于电压传感器138的输出来生成表示电容器C2s两端的电压峰值(例如,正峰值和负峰值)的定时、幅度或这两者的输出信号。峰值检测器148基于电流传感器140的输出来生成表示经过谐振器线圈104的电流峰值(例如,正峰值和负峰值)的定时、幅度或这两者的输出信号。峰值检测器151基于电流传感器150的输出来生成表示经过阻抗匹配网络的电流峰值(例如,正峰值和负峰值)(例如,I3s)的定时、幅度或这两者的输出信号。复位信号发生器144生成用于使峰值检测器148和146中的电路复位的复位信号。复位信号发生器144被配置为基于差分电压传感器136的输出来生成复位信号。
[0116] 比较器电路152~160和故障逻辑162~170从传感器网络132中的各个传感器检测异常输出值,并且生成相应的故障信号。以下参考图7A~7E和图8A~8E来说明比较器电路152-160和故障逻辑162-170的详情。通常,比较器电路152~160通过将各个传感器的输出与一个或多个阈值进行比较来检测发射器100中的异常状况。故障逻辑162-170从比较器电路152~160中的相应比较器电路接收输出,并且在检测到异常状况的情况下生成故障检测信号。例如,故障逻辑162~170可以包括锁存电路,该锁存电路用于在指示了故障时,锁存(例如,暂时地或永久地存储)比较器电路的输出。作为响应,故障逻辑将故障信号传递至组合故障逻辑172(如果可用)、或者传递至TMN保护/控制电路174和逆变器保护/控制电路176中的一个或这两者。如果组合故障逻辑172未实现,则各故障逻辑162~170将其输出沿着信号路径178传递到保护/控制电路109。
[0117] TMN保护/控制电路174被配置为响应于在无线电力传输系统中检测到故障而使TMN 106(或多个TMN 106)关机或者绕过TMN 106(或多个TMN 106)。如以下参考图9A~图10B更详细地所述,TMN保护/控制电路174被配置为响应故障而绕过TMN。例如,TMN保护/控制电路174可被配置为通过使电流路径绕过TMN(例如,使TMN短路)来绕过TMN 106。在一些实现中,TMN保护/控制电路174被配置为通过将一个或多个控制信号(诸如脉冲宽度调制(PWM)信号等)保持(例如,锁存)在断定状态来绕过TMN 106。断定状态是指保持旁路晶体管处于“接通”状态的信号值。例如,P型晶体管的断定状态可以是负驱动信号,而N型晶体管的断定状态可以是正驱动信号。在一些实现中,TMN保护/控制电路174可以延迟对控制信号进行锁存,直到TMN两端的电压低于阈值(例如,50V)为止,例如以使电流瞬变最小。
[0118] 逆变器(或整流器)保护/控制电路176被配置为响应于在无线电力传输系统中检测到故障而使逆变器102(或整流器124)关闭。如以下参考图14和图20~图23更详细地所述,逆变器保护/控制电路176被配置为通过将逆变器(整流器)与电源隔离以停止流经发射器100(接收器112)的电流,来响应于故障而使逆变器关闭。
[0119] 图2A是可调谐匹配网络(TMN)106和122的示例性电压传感器134的示意图。电压传感器134的实例可以连接至TMN 106的各个可调谐电容器108a、108b或者TMN 122的各个可调谐电容器120a、120b。例如,在TMN 106中,电压传感器134的第一实例的引线202a被配置为连接至可调谐电容器108a的电压节点Vcap+,并且电压传感器134的第一实例的引线202b被配置为连接至可调谐电容器108a的电压节点Vcap-。类似地,电压传感器134的第二实例的引线202a被配置为连接至可调谐电容器108b的电压节点Vcap++,并且电压传感器134的第二实例的引线202b被配置为连接至可调谐电容器108b的电压节点Vcap--。因而,在具有两个可调谐电容器的示例性可调谐匹配网络中,存在各自连接至可调谐电容器的两个电压传感器。
[0120] 示例性电压传感器134是具有第一级或无源级204和第二级或放大级206的两级传感器。示例性无源级204包括将引线202a、202b处的电压连接至传感器电路的其余部分的电容耦合器(其由电容器C17和C18组成)。在一些实现中,无源级204可以包括电容耦合器、电阻分压器、磁耦合器、光耦合器或这些的任何组合。由电容器C20和C21组成的电容分压器连接至电容耦合器。电容器分压器对连接至传感器的电压进行分压,以传递至放大级206。电容器分压器包括偏置电压207。偏置电压可以设置在0伏和2伏之间(或者在一些实现中为在1伏和1.5伏之间)的范围内。放大级206是将来自无源级204的差分电压转换成单端电压输出Vcap_sense2的单位增益放大器U13。注意,偏置电压208在向着放大器U13的正输入上。对于该传感器结构,偏置电压208可以在0V和3V之间。在其它实现中,偏置电压208是针对特定传感器结构定制的,并且可以具有不同的值。在一些实现中,可以使用单正电压电源或双电压电源来实现放大器。尽管电容分压器在该图中被示出为电压传感器的一部分,但可以使用电阻分压器作为电压传感器。在一些实现中,单位增益放大器用作滤波器。例如,放大级
206可被配置为低通滤波器(例如,其带宽约为0~2MHz)。
[0121] 图2B是示出与可调谐电容器108a或108b处的直接电压测量的波形212相比的、电压传感器134的输出的示例性波形210的图。这两个波形210和212彼此重叠。由于准确度高,因此传感器波形210(明波形)与直接测量的波形212(暗波形)之间的差异几乎是不可察觉的。在一些实现中,电压传感器的准确度可以在直接电压测量的+/-10%、+/-5%或更小内。为了产生波形210,从单端电压输出Vcap_sense2中减去偏置电压,并且通过传感器增益来对该差进行缩放。因而,通过以下的关系来定义波形210:波形210=(Vcap_sense2–偏置电压208)*传感器增益。在图2B所示的标绘图中,偏置电压208是1.5V,该偏置电压可以针对特定无线电力发射器或接收器的需求进行修改。在该标绘图中,应用人工传感器增益750以示出传感器波形210和测量电压波形212的对应关系。
[0122] 在一些实现中,电压传感器的输出Vcap_sense2被传递到一个或多个保护机构。例如,输出Vcap_sense2可被传递到窗口比较器以判断TMN 106或122中的过电压状况的存在与否。例如,如果该特定系统的期望电压电平为500~550V,则在传感器的输出读数超过550V的情况下,可以产生错误信号。该错误信号可用于防止由于TMN 106或122中的过电压状况而造成的任何潜在损坏。在另一实现中,输出Vcap_sense2被传递到连接至TMN 106或
122的控制器109。控制器109可以将输出Vcap_sense2数字化以用来控制TMN 106或122内的可调谐电容器。在又一实现中,电压传感器的输出Vcap_sense2被传递到保护机构和控制器。
[0123] 图3A是无线电力发射器(针对电容器Cs2)或接收器(针对电容器Cd2)的位置C2中的一个或多个电容器两端的差分电压传感器136的示例性第一级300的示意图。差分电压传感器136的第一级300中的运算放大器U5用作微分器。第一级300的输出是单端电压Vy,该单端电压Vy被传递到图3B的第二级302。第二级302包括具有输入Vy和304的作为单位增益放大器的放大器U10。对于在发射器中实现的电压传感器,如果发射器100的阻抗匹配网络103不包括固定电容器Cs3a、Cs3b,则输入304等于偏置电压。然而,如果网络103包括固定电容器Cs3a、Cs3b,则V1用于输入304。V1是TMN输入电流信息。第二级302的输出是位置C2处的差分电压即VC2_diff。接收器中的实现是发射器的实现的镜像。
[0124] 图3C是包括采用积分器结构的放大器U7的电压传感器138的示意图。差分电压Vc2_diff被传递到放大器U7的负极输入,其中在放大器U7的正输入处具有偏置电压。第三级306的输出是电压信号VC2_sense。
[0125] 图3D是(图1A~1B中所提供的)电压传感器138的示例性波形输出310和VC2电压(VC2+,VC2-)的直接测量的示例性波形输出312的标绘图。波形输出310是通过以下的关系获得的:输出310=-(VC2_sense2)-偏置电压*传感器增益,其中偏置电压等于1.5V并且传感器增益是1000。注意,VC2_sense的相位为负(参见图3F中的原始VC2_sense波形的标绘图)。图3E是电压VC2_diff和Vy的示例性波形图。注意,这些波形是利用固定电容器Cs3a=Cs3b=300nF产生的。
[0126] 图4A是发射器100中的用以计算电流I1的示例性电流传感器140的示意图。微分器电路400使用测量值VC2_diff(其包含经过电容器Cs2或C2d的电流信息(参见图4C的波形))和V1(其是经过阻抗匹配网络103的部分111的电流信息(参见图4D的波形)),以输出具有线圈电流信息的微分信号V_I1_sense。差分电流信号是通过从来自TMN 106的电流中减去经过电容器Cs2的电流而获得的。
[0127] 图4B是发射器100中的电流传感器140的示例性波形输出402和电流I1的直接测量的示例性波形输出404的标绘图。波形输出402是通过以下的关系获得的:输出402=((V_I1_sense)–偏置电压)*传感器,其中:偏置电压等于1.5V并且传感器增益是142.5。注意,由于电流传感器140的准确度高,因此很难感知电流传感器140输出的波形和直接测量I(Ls1)的波形之间的差异。图4C是电压Vc2_diff的示例性波形的标绘图,并且图4D是电压V1的示例性波形的标绘图。
[0128] 图5A是具有来自CST 110或118的输入CS1和CS2的示例性电流相位检测器142的示意图。在一些实现中,传感器142被配置为检测来自可调谐电容器108a或可调谐电容器120a的电流信号(I3电流)的相位。在一些实现中,传感器142被配置为检测上升或下降的电流相位(CP)或这两者。图5E是传感器142的(采用虚线的)示例性波形输出502的标绘图。波形502是表示传感器142的输出CP的方形波。在实现中,控制器的模数转换器在波形502的正转变(上升沿)和/或负转变(下降沿)上进行采样。电流相位传感器可以包括滤波器以滤除谐波。该滤波器可以在电流感测变压器之后。例如,该滤波器可以包括低通滤波器、高通滤波器带通滤波器。
[0129] 图5B是被配置为生成峰值检测电路506、508的复位信号的示例性复位发生器144的示意图。复位发生器144的输入是差分电压信号VC2_diff和偏置电压(在该示例中为1.5V)。电路144输出电压复位信号Vreset。图5H是复位电压信号Vreset的示例性波形输出
510的标绘图。复位信号Vreset 510针对差分电压信号VC2_diff的周期生成一次,并且放置在电压信号VC2_sense的上升沿。
[0130] 图5C是被配置为检测电压信号VC2_sense的峰值的示例性峰值检测器146。因而,电路146使用电压信号VC2_sense和Vreset输出峰值检测信号VC2_peak_detect。图5F是输入电压信号VC2_sense 512的示例性波形和输出VC2_peak_detect 514的示例性波形的标绘图。注意,峰值检测信号514维持电压信号VC2_sense 512的峰值,直到复位信号Vreset 510触发为止。
[0131] 图5D是被配置为检测表示线圈电流V_I1_sense的信号的峰值的示例性峰值检测器148。因而,电路148使用电压信号V_I1_sense和Vreset来输出峰值检测信号V_I1_sense_pk。图5G是输入信号V_I1_sense 518的示例性波形和输出V_I1_sense_pk 520的示例性波形的标绘图。注意,峰值检测信号520维持电压信号V_I1_sense 518的峰值,直到复位信号Vreset 510触发为止。
[0132] 图6A是示例性电流传感器150和峰值检测器151的示意图。峰值检测器151被配置为对TMN 106或122中的电流进行采样。注意,在示例性实现中,积分器602包括在峰值检测器151中。该结构相对于例如微分器存在如下的优势:积分器602可以衰减高于无线电力系统的工作频率的频率处的噪声。示例性工作频率是85kHz。为了获得与TMN中的电流有关的信息,通过电流相位信号502对积分器602的输出CSI2进行采样。该实现避免了受到与逆变器102相关联的开关噪声影响。图6B是示例性过零检测器(ZCD)电路604。过零检测器电路输出数字CP信号,该数字CP信号在TMN中的电流为负时为高,并且在TMN中的电流为正时为低。
[0133] 图7A~7E示出示例性比较器电路152~160的示意图。比较器电路152~160是被配置为检测系统内的信号的过电压或欠电压状况的窗口比较器电路。在一些实现中,窗口比较器电路可以连接至本文所述的各种测量电路。例如,比较器电路156或158可以连接至电压传感器134的输出,以检测可调谐电容器108a、108b、120a和120b中的任何可调谐电容器的过电压状况。在一些实现中,窗口比较器电路各自针对每次输入值超出由上限和下限定义的预设窗口的范围而产生计数。例如,窗口比较器电路700在TMN电压信号VtmnB大于550V时,产生计数信号nVtmnB_HIGH,并且在TMN电压信号VtmnB小于-550V时,产生计数信号nVtmnB_LOW。换句话说,VtmnA等于针对可调谐电容器108a(发射器)或120a(接收器)上的电压传感器134的输出信号Vcap_sense2。VtmnB等于针对可调谐电容器108b(发射器)或120b(接收器)上的电压传感器134的输出信号Vcap_sense2。
[0134] 注意,可以从所检测到的过电压或欠电压状况导出过电流或欠电流状况。例如,图7B是具有转换成电流读数的所输入的电压输入V_I1_sense的窗口比较器电路154。下表列出图7A~7E所示的示例性窗口比较器电路及其各自的输入和输出。
[0135]附图指定 输入信号 输出信号
图7A VC2_sense nVC2_LOW,nVC2_HIGH
图7B V_I1_sense nI1_LOW,nI1_HIGH
图7C VtmnB nVtmnB_LOW,nVtmnB_HIGH
图7D VtmnA nVtmnA_LOW,nVtmn_HIGH
图7E CSI1 nCSI_LOW,nCSI_HIGH
[0136] 表1.窗口比较器的输入信号和输出信号
[0137] 图8A~8E是被配置为在检测到故障时进行锁存的示例性故障逻辑电路162~170的示意图。将来自窗口比较器152~160的输出信号馈送到被配置为在超出预定阈值的范围的值的情况下锁存或关闭电路的逻辑电路中。例如,将来自窗口比较器156的计数信号nVtmnB_LOW、nVtmnB_HIGH输入到故障逻辑166中。示例性故障逻辑166包括向触发器电路804提供输出的NAND802,从而产生故障信号VtmnB_FAULT。
[0138] 以下是示例性锁存电路及其各自的输入和输出的表。
[0139]
[0140]
[0141] 表2.窗口比较器的输入信号和输出信号
[0142] 图8F是示例性组合故障逻辑172的示意图,并且包括逻辑电路808,该逻辑电路808组合来自图8A~8E的故障逻辑电路中的两个或更多个的故障输出信号。例如,如图所示,组合故障逻辑172使用逻辑或(OR)门来组合来自图8A~8E的故障逻辑电路中的两个或多个的故障输出信号。在一些实现中,控制器109和/或130被配置为独立地读取各个故障信号。在其它实现中,控制器109和/或130被配置为读取逻辑电路808的输出,该逻辑电路808产生整体硬件故障信号HW_FAULT。在一些实现中,控制器可以读取本文所述的故障信号的任何组合。
[0143] 图9A是被配置为检测在TMN占空比为零时、TMN电压是否是低电压的示例性检测电路。检测电路接收控制器109或130为了控制TMN 106或122的开关(例如,FET)而分别生成的PWM信号s_PWM_1和s_PWM_2,并且输出检测信号fet_low。这些PWM信号和检测信号fet_low被输入至电路902和904(如图9B所示),以生成控制信号s_PWM_1_o和s_PWM_2_o,这些控制信号被配置为控制TMN的开关。故障信号latch_fets使TMN的开关短路以保护开关免于损坏。
[0144] 在第一实现中,在TMN的占空比大于零并且检测到故障的情况下,允许TMN电压在TMN的开关短路之前降至零。这防止了由于短路而发生任何损坏。图10A示出在占空比大于零的时刻1000处在示例性发射器中的闭锁故障的影响。信号V(latch_fets)变为1V,并且可调谐电容器108a处的电压V(s_Vcap+,s_Vcap-)变为零。
[0145] 在第二实现中,在TMN的占空比为零并且检测到故障的情况下,当TMN中的电压达到特定低范围(诸如在+/-50V内等)时发生关闭。图10B示出在占空比=0时的锁闭故障的影响。在时刻1002,锁存信号变为1V。可调谐电容器108a处的电压V(s_Vcap+,s_Vcap-)在时刻1004变为零之前,存在一定幅度并且被允许接近50V。图10B的曲线图示出TMN保护/控制电路174延迟对控制信号进行锁存、直到TMN两端的电压低于阈值(例如,50V)例如以使电流瞬态最小的操作。
[0146] 图11A是用以在存在硬件故障(HW_FAULT)或外部故障(EXT_FAULT)的情况下、启用或禁用TMN的接入的数字逻辑电路。图11B是用以启用或禁用硬件保护的开关。注意,如果引脚2和3被切换成接通,则启用硬件以使TMN开关接入。如果引脚1和4被切换成接通,则绕过启用信号。在一些实现中,如果检测到故障,则TMN被配置为在TMN开关的一个切换周期期间关闭。
[0147] 图12是TMN过电压故障状况的硬件测试期间的波形的示例性标绘图。输出电压1202和输出电流1204来自示例性逆变器102。波形1206表示TMN处的电压,而波形1208表示TMN过电压故障信号。在时刻1210,如波形1208所示,检测到故障。不久之后,在时刻1212,逆变器关闭。在时刻1214,TMN的开关被迫短路。这通过在TMN的周围布线发送电流来在TMN处创建旁路。注意,在TMN处(例如,可调谐电容器处)的电压高时,如在本示例中那样,电路在使TMN的开关短路之前等待电压下降。
[0148] 图13是具有针对各种故障状况的一个或多个保护机构的示例性无线电力系统1302。在系统1302中可以发生的示例性故障状况包括但不限于:负载断开(例如,负载从无线电力接收器断开);负载短路(例如,负载发生短路);负载过电压(例如,发生电池过充电或负载断开);线圈过电流(例如,在谐振器线圈L1d和/或L1s中检测到过电流状况);TMN过电压(例如,在TMN 122或106中发生过电压状况);或者它们的组合。这些故障状况可以在系统中引起能够导致各种组件的损坏的大的瞬态。注意,与本文所述的一个或多个传感器连接的一个或多个控制器可以保护系统和系统的组件免于损坏。这些控制器包括连接至逆变器的控制器1304、连接至发射器侧TMN(Tx-TMN)的控制器1306、连接至接收器侧TMN(Tx-TMN)的控制器1308和连接至整流器的控制器1310。在一些实现中,控制器1304和1306可以是一个控制器1312。在一些实现中,控制器1308和1310可以是一个控制器1314。以下说明本文所论述的传感器减轻这些故障状况的场景。
[0149] 图14是负载断开状况期间示例性无线电力系统1302中的示例性波形的标绘图。在时刻1402,负载由于各种原因而断开。例如,连接至电池的电池管理器可能感觉到不利的状况,并且使电池从无线电源接收器断开。负载断开使充电电流经过整流器的输出处的去耦电容器C7。随后,输出电容器C7的电压V(v_bus+)开始从时刻1402上升到时刻1404。在时刻1404,检测输出电容器C7处的过电压状况。可以生成过电压故障信号(信号V(ov_flg))。在时刻1404处或附近,图13的保护开关S5、S6、S9和S10使整流器124短路。在一些实现中,可以通过闭合一组开关(例如,整流器桥S9和S10的高侧的开关或者整流器桥S5和S6的低侧的开关)来使整流器124短路。这使得输出电容器C7处的电压停止上升。这可能导致失真电流经过TMN 122;因而,在时刻1404处或附近,保护开关使接收器侧TMN 122短路。
[0150] 从时刻1404到时刻1406,发射器电子装置中的失真反射阻抗导致逆变器(逆变器的输出处的电流信号I(Ls3a))和谐振器线圈(电流信号I(L1s))中的电流上升。在时刻1406,检测到逆变器处的过电流状况并且逆变器关断。在时刻1406处或附近,发射器侧TMN 
106的开关发生短路,使得经过TMN的电流通过闭合开关而不是电容器发生转向。这防止了对TMN造成损坏。注意,从时刻1404到时刻1406,许多电流信号变得失真。这些信号包括逆变器的输出处的电流I(Ls3a)、发射器谐振器线圈中的电流I(L1s)和发射器谐振器线圈中的电流I(L1d)。这些失真可能导致触发本文所述的各种传感器。在电流信号I(Ls3a)的峰值超过阈值时,生成过电流标志信号V(oc_flag)。在时刻1406之后,系统中的能量减少。在一些实现中,接收器可能能够足够快地与发射器进行通信,以便发射器保护自身。
[0151] 在一些实现中,可以与图13所示的并联电容器C10或C13并联地设置常开型电压阻断开关。例如,如果在逆变器处检测到过电流状况,则可以闭合与电容器C10并联的常开开关,由此减少线圈L1s中的任何过剩的线圈电流。
[0152] 在一些实现中,负载断开可以由系统本身发起。例如,VA侧无线电力传输系统可以包括连接至控制器的传感器。来自传感器的值或值范围可以由控制器读取。例如,碰撞传感器(例如,加速度计)可以连接至控制器(1314和/或车辆侧的1310)。来自碰撞传感器的表示另一车辆撞到充电车辆的读数可能导致负载断开。控制器可以响应于从传感器检测到故障值而使连接在整流器的输出与(正侧和/或接地侧的)负载之间的至少一个开关(例如,继电器、MOSFET、IGBT)开放。系统进一步保护自身,并且系统如图14所示经由响应而关闭和/或断电。
[0153] 在一些实现中,代替检测输出电容器C7的上升电压(或除了检测输出电容器C7的上升电压之外),电流传感器可以连接至向着负载的输出。如果电流传感器读取到零(或近似零)电流,则系统可以检测到负载断开状况。
[0154] 图15是在负载短路状况期间示例性无线电力系统1302中的示例性波形的标绘图。可能发生负载短路状况的原因有多个。例如,如果输出电容器C7发生故障,则这可能导致短路。如果输出滤波器(诸如供电磁干扰(EMI)减少目的用)发生故障,则这可能导致短路。如果整流器发生故障,则这也会引起短路。在图15所提供的示例中,在时刻1502发生由信号V(V_LOAD+)示出的负载短路。此后不久,在时刻1504,检测到短路。此时,生成欠电压故障信号(信号V(uv_flg))。为了保护自身,如电压信号V(V2d_1,d_Vcap-)所示,TMN开关也短路。
在时刻1504之后,在发射器侧TMN 106中检测到过电流状况,并且随后,发射器侧TMN 106的开关发生短路。在时刻1506,在逆变器中检测到过电流状况(flag V(oc_flg))并且逆变器关断,这导致系统断电。
[0155] 图16示出示例性双向无线电力系统1600的示意图。该示意图描述接地组件(GA)侧无线电力传输装置1600a和装置侧无线电力传输装置1600b这两者。如上所述,GA侧无线电力传输装置1600a通常作为供类似的单向无线电力传输系统的情况用的无线电力发射器工作。然而,如以下所论述的,在双向系统中,GA侧通常指连接至或被配置成连接至固定电源或者诸如电网、AC发电机等的负载的无线电力传输装置。此外,GA侧系统通常能够处理与装置侧无线电力传输装置1600b相比更高的电力、电压或电流瞬态。另一方面,装置侧无线电力传输装置1600b通常作为供类似的单向无线电力传输系统的情况用的无线电力接收器工作。然而,如以下所论述的,在双向系统中,装置侧通常指连接至或被配置成连接至移动(或通常更有限)电源或者诸如电池或电池供电装置(例如,计算装置或电动车辆)等的负载的无线电力传输装置。装置侧无线电力传输装置1600b当用在连接至电动车辆或其它移动车辆的无线电力传输装置的背景中时,也可被称为车辆组件(VA)或VA侧装置。
[0156] GA无线电力传输装置1600a和VA无线电力传输装置1600b这两者都包括逆变器-整流器1602。逆变器-整流器1602包括开关元件的桥结构。例如,逆变器-整流器1602可以包括诸如MOSFET等的有源开关元件,这些有源开关元件允许逆变器-整流器1602在双向系统中作为逆变器或整流器工作。如以下更详细地论述的,可以基于供给至开关元件的PWM控制信号的模式来控制逆变器-整流器1602的操作模式(在本文也称为“操作特性”)。
[0157] 系统1600能够通过第一方向(例如,正常电力流动方向)上的电力传输(诸如车辆的电池等)向负载供电,而不向接地侧(GA)输入电力。可选地,系统1600可以在第二方向(例如,反向电力流动方向)上供给电力,诸如从连接至VA侧装置1600b的电动车辆的电池向连接至GA侧装置1600a的电网供给电力。作为另一示例,双向系统1600可用于在断电期间从停在车库中的电动车辆的电池向家庭供电。注意,以上论述的传感器和保护机构中的任何或全部可以在使用逆变器-整流器1602的双向系统1600中实现。在示出包括电阻器、电感器和电容器的单个组件的情况下,可以利用包括采用串联和/或并联方式的组件库。在示出可调谐组件的情况下,可以以与可调谐组件串联和/或并联的方式包括固定组件。在一些实现中,控制器1304和1306可以组合在单个控制器1620中。同样,在一些实现中,控制器1308和1310可以组合在单个控制器1640中。此外,控制器1304、1306、1620、1308、1310和1640可以以类似于以上论述的控制和保护电路176和178的结构实现。
[0158] 在一些实现中,控制器1620和1640包括双向管理器。双向管理器根据如由指派至装置的操作特性表示的电力流动的方向来协调无线电力传输装置(例如,1600a/1600b)的不同硬件和软件组件的结构。例如,INV的操作特性表示逆变器-整流器正作为逆变器工作,因此无线电力传输装置1600a/1600b正作为发射器工作。类似地,例如,REC的操作特性表示逆变器-整流器正作为整流器工作,因此无线电力传输装置1600a/1600b正作为接收器工作。双向管理器还协调从电力流动的一个方向向电力流动的相反方向的转变。例如,VA侧装置1600b的双向管理器可以经由无线通信链路1650(例如,WiFi链路)与GA侧装置1600a的双向管理器进行通信,以协调电力反转。双向管理器可被实现为各装置1600a/1600b内的单独控制器或者可以以软件实现。
[0159] 更具体地,系统的各种硬件和软件组件根据电力的流动的方向、以及延伸开来根据无线电力传输装置1600a/1600b的操作特性,可以具有不同的操作设定点、模式和/或操作范围。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者在硬件中。包括各种控制器、滤波器、通信系统和/或保护系统的系统的各组件(例如,逆变器-整流器1602、TMN 106和其它组件)可以根据电力流动的方向而采取不同的“操作特性”。
[0160] 无线电力传输装置的双向管理器可以基于经过无线电力传输系统1600整体的电力流动的预期方向,来在系统启动时和/或在电力流动转变期间指派适当的特性。例如,在接收到用以从系统的一个操作模式切换为另一操作模式的命令时,(例如,通过操作员界面、以及/或者在系统的任意侧或两侧或在系统外(诸如在网络、电网或移动装置等)连接至任意或所有控制器的用户界面),双向管理器可以向各种组件控制器(例如,1304、1306、1308和1310)指派各自的操作特性。各控制器可以使用所指派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输装置1600a/1600b的关联组件。例如,在逆变器-整流器控制器被指派了逆变器(例如,INV)的操作特性时,控制器将加载软件代码以生成PWM控制信号模式来使逆变器-整流器开关元件工作,以从DC输入信号生成AC输出信号。
另一方面,在逆变器-整流器控制器被指派了整流器(例如,REC)的操作特性时,控制器将加载软件代码以生成PWM控制信号模式来使逆变器-整流器开关元件工作,以将AC输入信号整流为DC输出信号。
[0161] 此外,双向管理器可以提供电力需求、电力流动方向,选择合适的软件代码块,并且向子控制器或其它控制器指派特性。双向管理器可以根据控制器在系统中位于哪侧、以及控制器针对系统的组件假定的操作特性,来确定可恢复或不可恢复的错误。可以基于预期电力流动方向(例如,V2G-车辆到电网电力流动或G2V电网到车辆电力流动)来指派操作特性。此外,双向管理器可以确定这些错误的恢复时间和/或模式,以及/或者在恢复了错误时清除错误,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,系统的另一侧的双向管理器)进行通信。
[0162] 双向管理器可以从无线电力传输系统的组件接收错误的通知,并且可以将错误消息直接地通过双向管理器或在来自组件的回调请求之后分配至无线电力传输系统的其它组件。
[0163] 双向管理器可以从无线电力传输系统的组件(例如,从来自系统的另一侧的组件经由WiFi)接收通信。双向管理器可以实现来自组件的针对与组件有关的消息的回调请求,或者可以将消息分配至相关组件。双向管理器可以控制(包括动态地控制)无线电力系统的组件的权限以接收和发送错误和通信消息。双向管理器可以负责在过渡阶段期间控制无线电力传输系统的组件,包括处理由于电力传输方向的改变(V2G转变和G2V转变这两者)而引起的任何错误导通。例如,双向管理器可以监督电源的下降,确认电源已完全或部分关闭,并且(向系统的组件指派特性的同时)对这些组件进行排序以开启。
[0164] 作为示例,GA控制器上的双向管理器接收到用以从空闲接通电源的命令,双向管理器可以将G2V特性指派给系统中的各种控制器和硬件。一旦接收到用以改变电力传输方向的通信,双向管理器在GA和VA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由于电力传输方向的改变而引起的任何错误,包括在第一方向的掉电和第二方向的上电期间。在清除了错误时,双向管理器例如通过从非暂时性计算机可读介质中选择指令子集、或者使控制器选择该指令子集,可以向控制器指派特性。
[0165] 在一些实现中,系统的各控制器(例如,专用逆变器-整流器处理器、或专用TMN处理器、或专用发射器或接收器处理器)可以包含双向管理器。双向管理器可以作为顶级管理器工作。
[0166] 通常,向组件/控制器指派特性可以允许模块化、非冗余部件、代码和存储器,允许从G2V(电网到车辆的电力流动)到V2G(车辆到电网的电力流动)以及以返回方式进行更快的即时切换。
[0167] 图17描述根据本发明的实现可以执行的示例性双向控制处理1700的流程图。示例性处理1700例如可以通过本文所公开的示例无线电力传输系统来实现。例如,处理1700可以在GA无线电力传输装置1600a的双向管理器和VA无线电力传输装置1600b的双向管理器之间执行。处理1700示出划分后的主装置侧操作1702和从装置侧操作1704。通常,主装置侧操作1702由VA无线电力传输装置1600b进行,而从装置侧操作1704由GA无线电力传输装置1600a进行。例如,VA(或装置侧)无线电力传输装置1600b通常可以连接至容量更小或更受限制的电源或负载。将VA无线电力传输装置1600b实现为主装置,这可以提供双向控制处理
1700的更精确控制,以防止超过VA侧系统或其负载/源的可能操作下限。在一些示例中,示例处理1700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,示例处理1700或其部分可以通过无线电力传输装置1600a、1600b的控制电路所执行的一个或多个程序来提供。
[0168] 主装置发起无线电力系统内的电力流动转变。发起可以通过用户输入来提示,或者在一些实现中通过主装置所进行的自动电力转变判断(1706)来提示。例如,主装置可以基于各种标准来使电力流动偏移,这些标准包括但不限于电池的充电状态、一天中的时间、以及电网的可用性和/或要求。例如,VA无线电力传输装置1600b可被配置为在所连接的电池高于阈值充电平并且发生电网损失的情况下,发起电力流动反转处理。作为另一示例,VA无线电力传输装置1600b可被配置为在所连接的电池高于阈值充电水平的情况下并且在一天中的预设时间期间,发起电力流动反转处理。例如,VA无线电力传输装置1600b可被配置为反转电力流动,以在电网的峰值负载时间段(例如,诸如晚上等的高需求和/或高能源价格的时间段)期间向家庭提供补充电力。在一些实现中,从装置可以确定何时发起电力流动转变,但将进行从主装置请求电力流动转变的发起的附加步骤。
[0169] 主装置向从装置发送用以反转电力流动的方向的指示(1708)。响应于这些指示,从装置重新配置,以在与当前操作相反的电力流动方向上工作(1710)。例如,如果从装置正作为发射器工作,则从装置将重新配置作为接收器的操作。如果从装置正作为接收器工作,则从装置将重新配置作为发射器的操作。例如,从装置的双向管理器通过例如确保逆变器-整流器的操作、切换开关以断开负载/电源(视情况而定)、拨动旁路开关以耗散从装置内的残余电流、或者它们的组合,可以协调从装置内的控制器操作,以关闭当前方向上的电力流动。
[0170] 从装置根据新的流动方向来指派新的操作特性(1712)。例如,从装置的双向管理器向从装置内的各个控制器指派新的操作特性,以适应电力流动的新方向。双向电力管理器可以通过拨动标记位(以下更详细地所述的TMN_SIDE)以指示作为发射器/逆变器的操作或作为接收器/逆变器的操作,来指派新的操作特性。
[0171] 响应于新的操作特性指派,各从装置控制器可以重新配置各自的操作。例如,控制器可以加载控制算法(例如,软件代码块)以根据新的电力流动方向进行操作。例如,TMN控制器可以复位TMN并加载控制代码,以生成根据新的电力流动方向的操作所用的合适的TMN控制信号。TMN可能需要调整设定点(例如,阻抗值、阻抗调整步长大小、和/或保护方案),以适应新方向上的电力传输、或者为新方向上的电力上升作准备、或者这两者。例如,V2G模式下的电力流动与在G2V模式下相比通常更低,例如,由于GA侧谐振器线圈和VA侧谐振器线圈之间的不对称以及/或者对电池的放电约束。因此,代替G2V模式,TMN和/或逆变器-整流器设定点对于在V2G模式下工作时可能不同。
[0172] 从装置(例如,从装置的逆变控制器)可以根据新的操作特性来控制逆变器-整流器操作(1714)。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,从而在从装置是发射器时作为逆变器工作,并且在从装置是接收器时作为整流器工作。以下参考图18和图19来更详细地说明具体的逆变器和整流器操作。
[0173] 从装置向主装置发送表示其重新配置状态的回复(1716)。在从装置表示其重新配置仍在进行中或停止时,主装置等待和/或重新发送指示1708。通过主装置等待从装置已完成更新其操作特性这一确认,处理1700可以提供更安全和更稳健的操作。例如,这可以防止在将不匹配的特性指派给从装置或主装置的情况下电力流动开始或反转。在从装置表示其重新配置完成时,主装置重新配置以在与其当前操作相反的电力流动方向上工作(1718)。例如,如果主装置正作为发射器工作,主装置将重新配置为作为接收器工作。如果主装置正作为接收器工作,主装置将重新配置为作为发射器工作。例如,主装置的双向管理器通过例如确保逆变器-整流器的操作、切换开关以断开负载/电源(视情况而定)、拨动旁路开关以耗散从装置内的残余电流、或者它们的组合,可以协调从装置内的控制器操作,以关闭当前方向上的电力流动。
[0174] 主装置根据新的流动方向来指派新的操作特性(1720)。例如,主装置的双向管理器向主装置内的各个控制器指派新的操作特性,以适应电力流动的新方向。双向(电力)管理器可以通过拨动标记位(以下更详细地所述的TMN_SIDE)以表示作为发射器/逆变器的操作或作为接收器/逆变器的操作,来指派新的操作特性。
[0175] 响应于新的操作特性指派,各主装置控制器可以重新配置各自的操作。例如,控制器可以加载控制算法(例如,软件代码块)以根据新的电力流动方向进行操作。例如,TMN控制器可以复位TMN并加载控制代码,以生成根据新的电力流动方向的操作所用的合适的TMN控制信号。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输、或者为新方向上的电力上升作准备、或者这两者。
[0176] 主装置(例如,主装置的逆变器控制器)可以根据新的操作特性来控制逆变器-整流器的操作(1722)。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,从而在从装置是发射器时作为逆变器工作,并且在从装置是接收器时作为整流器工作。在一些实现中,主装置中的TMN控制器可以根据新的操作特性来控制TMN。例如,主装置上的TMN控制器可以加载适当的控制算法以生成TMN调整信号,从而在第一方向上作为负载耦合TMN或者在第二方向上作为电源耦合TMN工作。
[0177] 图18描述示例性逆变器-整流器1602的示意图1800、以及示出逆变器-整流器在逆变器操作模式下的操作的时序图1802。示意图1800示出相移全桥逆变器。逆变桥电路采用有源开关元件Q1、Q2、Q3和Q4,其例如可以是MOSFET、晶体管、FET、IGBT等。
[0178] 时序图1802示出开关Q1、Q2、Q3和Q4的驱动信号模式。这些开关分组成两个支线:支线A(Q1,Q3)和支线B(Q2,Q4)。各支线中的相应开关由各个PWM控制信号交替地切换成接通和断开。针对各栅极驱动信号G1、G2、G3和G4,示出开启时间和关闭时间。所示的死区时间td是同一支线的两个栅极驱动器都关闭时。在时间段Ts内,针对各驱动信号,关闭时间可以大于开启时间。
[0179] 在支线A(Q1和Q3)和支线B(Q2和Q4)之间的延迟时间tps在以度为单位表示时,被称为相移,并且是用于调整源自作为逆变器工作时的逆变器-整流器的整体电力的方式。在启动时,来自逆变器-整流器端子VA和VB的输出电力VAB(t)可以具有11%的占空比(支线相移角θps=20度)。在最大电力下,VAB(t)可以处于100%的占空比(支线相位θps=180度)。通过调整支线APWM信号和支线B PWM信号之间的延迟时间tPS来控制总电力输出。
[0180] 尽管示出了全桥逆变器,但在一些实现中,逆变器-整流器开关可以以半桥结构布置。在一些实现中,逆变器-整流器可以实现零电压切换操作,以确保这些开关在逆变器-整流器两端的电压为零或接近零时工作。
[0181] 图19描述示例性逆变器-整流器的示意图1900、以及示出逆变器-整流器1602在整流器操作模式下的操作的时序图1902。图19示出利用如图18所示的相同开关的同步整流器操作。在时序图1902中示出与各个开关(Q1、Q2、Q3、Q4)相对应的栅极驱动信号(G1、G2、G3、G4)。尽管示出零电流切换操作,但零电压切换(ZVS)自然跟随该操作,并且可用在一些实现中。然而,在图中未示出在有源整流模式下的ZVS切换。
[0182] 同步整流器可以接收I3s电流的零交叉(在图16中示出为I3d或I3s),并且如时序图1902所示创建同步整流(零电流切换)的定时。在整流器模式中,逆变器-整流器1602通过将相应对的开关(Q1/Q4和Q2/Q3)交替地切换成接通来将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176)可以从电流或相位传感器(诸如图1C、图1D、图5A和图6A所示的相位传感器142或电流传感器150等)接收I3d或I3s电流和/或相位测量。开关Q1、Q2、Q3和Q4可以在向着逆变器-整流器1602的输入的零电流(或接近零电流)处断开,并且在操作下一对开关(例如,Q1和Q4或Q2和Q3)之前,可以允许适当的时间延迟td经过。这可以防止开关内的电力损失。在一些实现中,系统可以根据需要调整时间延迟。
[0183] 在一些实现中,在启动期间,逆变器-整流器不开始切换,直到所测量的输入电力超过确保I3电流的持续导通的阈值为止。阈值例如可以在2kW和4kW之间、以及/或者目标电力的20~40%之间。在低于阈值输入电力值的低电力操作期间,输入AC信号可能含噪声,这可能导致过零检测不准确并且可能引起大的瞬态而造成不精确切换。例如,用于生成PWM同步的I3电流可能是间断的和含噪声的,这导致不准确的过零检测并可能引起大的瞬态或甚至电力级的破坏性短路。作为代替,在通过经由开关的体二极管的导通使得电力低于阈值时,可以无源地进行整流。在这些实现中,高于阈值输入电力值而进行的切换操作可被视为有源整流模式,并且低于阈值输入电力值的体二极管导通可被视为无源整流模式。
[0184] 图20描述根据本发明的实现可以执行的示例性保护操作2000的流程图。例如,示例操作2000例如可以通过本文所公开的示例无线电力传输装置(例如,1600a、1600b)来实现。例如,操作2000可以由无线电力传输装置的控制电路执行。例如,操作2000可以由诸如图22A所示的逻辑电路等的逆变器-整流器控制器和逆变器保护电路来进行。在一些实现中,操作2000可以以与图20所示的顺序不同的顺序执行。此外,将参考图20~图22B来说明保护操作2000。
[0185] 图21是示出故障感测电路的布置的双向无线电力传输装置的图2100。图2100示出在无线电力传输装置中测量以下所述的各种故障信号的位置。所示的故障信号包括OV_CMD、VOUT_I、VOUT_V、OVP、WIFI_FLT和TMN_FLT。图22A是双向无线电力传输装置的示例性保护逻辑的框图2200,并且图22B示出与图22A所示的示例性保护逻辑相关联的逻辑真值表。
[0186] 在图22A中,逻辑电路2210评价作为逆变器的操作特性期间的故障,并且逻辑电路2212评价作为整流器的操作特性期间的故障。逻辑电路2220能够进行特定于整流器操作特性的特定保护操作。所示的保护逻辑是示例性的,并且可以简化或进一步扩展,并且可以以硬件或软件实现。逻辑可以是高态有效或低态有效,并且可以适当地否定以前逻辑的输出。
[0187] 逻辑电路2210评价包括DESAT_flg、UVLO_flg、WIFI_FLT、TMN_FLT和OC_FLT的各种系统故障。DESAT_flg和UVLO_flg是在一些实现中用来表示整流器-逆变器开关的适当操作的标志。例如,这两者可以表示IGBT开关中的去饱和状况。WIFI_FLT表示发生了WiFi故障。例如,如果在一个无线电力传输装置(例如,接收器)中发生故障,则WIFI_FLT可以将故障通信至另一装置(例如,发射器),以允许该装置执行适当操作以维护系统整体的安全。以上论述了TMN_FLT,并且TMN_FLT表示在TMN处发生了故障(例如,TMN过电流和/或欠电流故障)。
OC_FLT表示在逆变器-整流器处发生了过电流故障。逻辑电路2220通常评价与逻辑电路
2210相同的故障,但也可以包括附加的故障信号:OV_FLT。OV_FLT可以表示无线电力装置处的过电压故障。例如,如以下所论述的,在作为整流器工作时,OV_FLT可以用作负载断开故障的指示。
[0188] 控制电路检测故障状况(2002)。例如,控制电路接收图21、图22A和图22B所示的故障信号其中之一。例如,图22B的真值表2示出生成逆变器启用信号(INV_ENBL)的逻辑组合。在INV_ENBL信号高时,PWM信号通过图22A的NAND门2202。然而,如果检测到真值表2中的任何故障(例如,故障信号变低),则INV_ENBL信号被禁用(低),这表示存在故障状态。
[0189] 控制电路识别无线电力传输装置的操作特性和硬件配置(2004)。例如,基于无线电力传输装置的操作特性和硬件配置来执行控制电路将进行的特定保护动作。如以上所论述的,操作特性可以由诸如图22A所示的TIM_SIDE标志等的标志以及图22B的真值表表示。TIM_SIDE标志表示无线电力传输装置正作为接收器还是发射器工作。参考真值表1和表4,TMN_SIDE的值对应于在值为0时的INV的操作特性(例如,作为逆变器和发射器的操作)和在值为1时的REC的操作特性(例如,作为整流器和接收器的操作特性)。硬件配置是指表示控制电路是否正控制作为GA侧装置(例如,电网连接系统)或VA侧装置(例如,装置连接系统)所配置的无线电力传输装置的标志。硬件配置向控制电路表示基于硬件的操作配置和限制可以执行哪些保护动作。例如,GA侧谐振器和TMN可以是以与VA侧谐振器和TMN不同的方式配置的。因此,GA侧谐振器和TMN与VA侧组件相比可以具有不同的(例如,通常更高的)操作极限,并且可能需要不同的保护动作。参考真值表1和真值表4,INVREC_SIDE的值表示:在该值为0时,无线电力传输装置被配置为GA侧装置,并且在该值为1时,无线电力传输装置被配置为VA侧装置。
[0190] 控制电路基于所识别的操作特性和硬件配置来识别用于保护无线电力传输装置免于故障状况的保护操作(2006)。控制电路根据保护操作来控制无线电力传输装置的操作(2008)。例如,如真值表1所示,如果无线电力传输装置正作为逆变器(例如,电力发射器)工作(TMN_SIDE=0)、并且被配置为GA或VA(INVREC_SIDE=0或1),则在发生使INV_ENBL禁用的任何故障的情况下,针对逆变器-整流器的PWM控制信号将被覆盖并且强制为零,由此使逆变器-整流器关闭。另外,可以使IMN 103的组件短路以耗散谐振器线圈中的残余电流。例如,可以使图16的开关SW1 1608闭合以耗散任何残余的谐振器电流。在一些实现中,如果无线电力传输装置的硬件配置表示该装置被配置为GA侧装置并且操作特性是逆变器(电力发射器),则保护操作可以进一步包括接入被配置为耗散来自逆变器-整流器的过剩电力的电阻器。例如,控制电路可以使开关SW2 1610闭合以通过图16所示的电阻器R1 1612耗散来自电源1604的过剩电力。在一些实现中,可以仅针对特定故障类型接入电阻器。例如,如果该装置被配置为GA并正作为逆变器工作,则可以针对过电流故障接入电阻器。如果该装置被配置为GA并正作为整流器工作,则可以针对过电压故障接入电阻器。
[0191] 如果操作特性表示无线电力传输装置正作为整流器(电力接收器)工作(例如,TMN_SIDE=1)、并且发生故障(例如,如真值表1中的INV_ENBL变低所示),则控制电路可以通过将PWM控制信号覆盖来使逆变器-整流器关闭。在一些实现中,控制电路还可以通过例如闭合图16的开关SW1 1608来使匹配网络的组件短路,以耗散谐振器线圈中的残余电流。
[0192] 如真值表1和4所示,如果操作特性表示无线电力传输装置正作为整流器(电力接收器)工作(例如,TMN_SIDE=1)、并且在故障发生时(例如,如由REC_FLTS变高所示)硬件配置为VA(INVREC_SIDE=1),则控制电路可以通过将PWM控制信号覆盖以使逆变器-整流器的AC侧短路来使逆变器-整流器关闭(例如,栅极驱动信号G3、G4=1)。例如,图23示出描述逆变器-整流器在被指派了整流器操作特性时响应于负载断开而进行的操作的一系列图2300。图2300示出在存在电网断开的情况下并网逆变器的切换、或者在存在电池断开的情况下(在电池是负载的情况下)车辆逆变器的切换。在图2302中,逆变器-整流器正作为整流器正常工作。在图2304中,发生负载断开,这使得经由电容器Cdc布线发送电流。输出电容器(去耦电容器Cdc)如上文所述作为过电压/负载断开传感器工作,但应当理解,可以采用其它感测部件。如以上所论述的,在检测到负载断开并且识别出逆变器-整流器正作为整流器工作并且具有作为VA的硬件配置时,控制电路通过接通晶体管Q3和Q4来使逆变器的AC侧短路,并且通过断开晶体管Q1和Q2来使DC侧开路(图2306)。
[0193] 在一些实现中,如以上参考图14所论述的,响应于在作为整流器(电力接收器)的操作期间的VA侧故障(诸如负载断开等)而使逆变器-整流器的AC侧短路,这通过在GA侧装置发起过电流和/或过电压瞬态而导致在关联的GA装置侧上发生相应故障。以这种方式发起GA侧关闭与使故障代码通过通信链路相比,可以提供更快的系统范围故障响应。例如,通信链路失败或经历缓慢连接(例如,增加的噪声或误码)的情况。
[0194] 在一些实现中,REC_FLTS的断定还使得对OC_CMD信号进行断定。该信号驱动图21中的开关2102,该开关接入以辅助电力耗散。
[0195] 在一些实现中,在电网断开的情况下(例如,在硬件配置为GA时),控制电路可以通过断开所有的晶体管Q1~Q4来使逆变器关闭。该信号还可以直接驱动使阻抗匹配网络的组件短路的开关,诸如图16的SW1 1608等。
[0196] 在一些实现中,无线电力传输装置可以包括负载断开传感器。例如,可以通过逆变器-整流器在作为整流器工作时的输出(负载侧)的过电压或欠电流状态来检测负载断开。例如,作为接收器工作的VA侧装置可以通过接收过电压故障、欠电流故障或这两者来检测负载断开。作为响应,VA侧装置中的控制和保护电路可以通过使两个或更多个整流器保护开关(例如,图21的Q3和Q4)短路来使逆变器-整流器关闭。各个保护开关也可以连接至二极管以包括体二极管。VA侧装置中的控制和保护电路可以使连接至TMN的保护开关短路以使TMN短路(并保护TMN)。使逆变器-整流器短路可能导致在GA侧装置上产生相应的过电流暂态。响应于过电流故障,(作为发射器工作的)GA侧装置可以使其逆变器-整流器关闭并使其TMN短路。对负载断开事件的电流和电压响应在以上参考图14进行了更详细的说明。
[0197] 参考图16,在一些实现中,谐振器线圈L1s可被设计成在负载断开状况下适应更高的电流。然而,在过剩的线圈电流/电压可能在线圈L1s处引起灭弧或加热的实现中,诸如使并行TMN元件(诸如C2等)短路和/或接入电阻器(诸如R1等)等的方法可能是重要的。
[0198] 在一些实现中,通信链路(例如,WiFi链路)可用于保护系统免于故障。例如,如果发生负载断开,则接收器可以经由通信链路向发射器通知故障。在低电力操作期间,如上所述的接收器的关闭操作可能不会在发射器中引起足够大的瞬态电流,从而产生相应的过电流故障。因此,通过通信链路进行通信的故障可用于触发发射器的保护动作。例如,接收器侧在检测到故障(诸如负载断开(过电压)等)时,将故障信息经由WiFi或其它带外通信通信到发射器侧,从而要求源侧逆变器关闭。同时,直到发射器侧逆变器关闭为止,诸如接入电阻器R1以及/或者使TMN和/或IMN的组件短路等的接收器侧的保护机制可以允许减少线圈电流。
[0199] 在一些实现中,在检测到过电压状况(例如,由于负载断开)时,在检测到在输出电容器中V(v_bus+)上升时,可以接入与负载并联的电阻器R1,以及/或者可以通过控制器使与负载并联的电容器C2短路。接入并联电阻器R1可以允许一些或所有电流在电阻器中循环,并且使电容器C2短路可以减少负载侧线圈上的过剩线圈电流。这可以确保系统安全,直到可以从负载侧向源侧通信包含与故障有关的信息的错误消息即可。该错误信息可以包括要求源极侧逆变器关闭,或者错误消息可以由源侧逆变器解释为用以断开的命令。在一些实现中(例如,对于11kW系统而言),可以根据系统的电力额定值和通信信道延迟(从负载侧到源侧)时间和/或源侧关闭电源所需的时间来对电阻器R1调整大小。
[0200] 在一些实现中,可以通过整流器的输出处的欠电压故障来检测负载短路故障。例如,在整流器输出端处输出电压下降时,作为接收器工作的VA侧装置(例如,作为整流器工作的逆变器-整流器)可以检测负载短路状况。作为响应,VA侧装置的控制和保护电路可以使连接至VA侧装置的TMN的保护开关短路。这可能导致在作为发射器工作的GA侧装置中发生相应的电流瞬态。作为响应,GA侧装置上的控制和保护电路可以检测过电流状况。作为响应,GA侧装置上的控制和保护电路可以使连接至GA侧装置上的TMN的保护开关短路。
[0201] 在本发明中,诸如电容器、电感器、电阻器等的某些电路或系统组件被称为电路“组件”或“元件”。本发明还将这些组件或元件的串联或并联组合称为元件、网络、拓扑和电路等。然而,更一般地,在这里描述单个组件或组件的特定网络的情况下,应当理解,替代实施例可以包括元件的网络和/或替代网络等。
[0202] 如这里所使用的,术语“直接连接”或“直接地连接”是指两个元件之间的直接连接,其中元件之间未连接有介于中间的有源元件。术语“电气地连接”或“电气连接”是指两个元件之间的电气连接,其中元件被连接为使得元件具有公共电位。另外,第一组件和第二组件的端子之间的连接意味着在该第一组件和该端子之间存在不经过第二组件的路径。
[0203] 如这里所使用的,在涉及电路或系统组件时,术语“连接”用于描述一个或多个组件之间的、信息或信号可从一个组件传递至另一组件所经由的适当的、有线的或无线的、直接的或间接的连接。此外,术语“连接”在用来指代电气电路组件或电气电路时,除非另外陈述,否则通常指代“电气连接”。
[0204] 本说明书所述的主题和操作的实现可以在数字电子电路中、或者在(包括本说明书所公开的结构及其结构等同物的)计算机软件、固件或硬件中、或者在它们中的一个或多个的组合中实现。本说明书所述的主题的实现可以使用编码在计算机存储介质上以由数据处理设备执行或者控制数据处理设备的操作的一个或多个计算机程序、即计算机程序指令的一个或多个模块来实现。可选地或附加地,可以将程序指令编码在人工生成的传播信号(例如为了对传输至适当的接收器设备的信息进行编码所生成的机器生成电、光或电磁信号)上,以由数据处理设备执行。计算机存储介质可以是或者可以包括于计算机可读存储装置、计算机可读存储板、随机或串行存取存储器阵列或装置、或者它们中的一个或多个的组合。此外,尽管计算机存储介质不是传播信号,但计算机存储介质可以是在人工生成的传播信号中编码的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质还可以是或者包括于一个或多个单独的物理组件或介质(例如,多个CD、盘或其它存储装置)内。
[0205] 本说明书所描述的操作可被实现为由数据处理设备对一个或多个可读存储装置上所存储的或者从其它源接收到的数据进行的操作。
[0206] 术语“数据处理设备”包括用于处理数据的所有类型的设备、装置和机器,包括例如可编程处理器、计算机、片上系统、或者多个可编程处理器、多个计算机、多个片上系统、或者前述的组合。该设备可以包括专用逻辑电路,例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。除硬件外,该设备还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码,例如构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时环境、虚拟机或它们中的一个或多个的组合的代码。设备和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础架构,诸如web服务、分布式计算基础架构和网格计算基础架构等。
[0207] 可以以包括编译语言或解释语言、声明语言或过程语言的编程语言的任何形式来编写计算机程序(还称为程序、软件、软件应用程序、脚本或代码),并且可以以包括适合用在计算环境中的组件、子例程、对象或其它单元作为单机程序或作为模块的任何形式来运用该计算机程序。计算机程序可以但并非必须与文件系统中的文件相对应。可以将程序存储于如下文件中:保持其它程序或数据的文件的一部分(例如,在标记语言文档中存储的一个或多个脚本)、关注程序专用的单个文件、或者多个协同文件(例如,存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)。可以使计算机程序在位于一个站点或分布在多个站点之间并且经由通信网络互连的一个计算机或多个计算机上执行。
[0208] 本说明书中描述的过程和逻辑流程可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器进行,以通过对输入数据进行操作并生成输出来进行动作。过程和逻辑流程也可以由例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)的专用逻辑电路实现,并且设备也可被实现为该专用逻辑电路。
[0209] 适合计算机程序的执行的处理器例如包括通用微处理器和专用微处理器这两者、以及任意种类的数字计算机的任一个或多个处理器。通常,处理器将从只读存储器随机存取存储器或者这两者接收指令和数据。计算机的元件包括用于根据指令进行动作的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器装置。通常,计算机还将包括例如磁盘、磁光盘或光盘的用于存储数据的一个或多个大容量存储装置,或者在操作上连接以与该一个或多个大容量存储装置进行数据的接收或传送或者接收和传送这两者。然而,计算机并非必须具有这些装置。此外,计算机可以嵌入例如以下等的无线电力发射器或接收器或无线被充电或被供电装置等的另一装置中:车辆、移动电话个人数字助理(PDA)、移动音频或视频播放器、游戏控制台、或全球定位系统(GPS)接收器,上述仅为其中一些例子。适合存储计算机程序指令和数据的装置包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器装置,例如包含以下:例如EPROM、EEPROM和闪速存储器装置的半导体存储器装置;例如内部硬盘或可移除盘的磁盘;磁光盘;以及CD-ROM盘和DVD-ROM盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路来补充或者并入专用逻辑电路内。
[0210] 尽管本说明书包含许多具体实现细节,但这些不应当被解释为针对本发明或可能要求保护的任何实现的范围的限制,而是作为对特定实现特有的特征的说明。本说明书在分开实现的情况下所描述的特定特征还可以在单一实现中进行组合。相反,在单一实现的情况下所描述的各种特征还可以在多个实现中单独或以任意适当的子组合来实现。此外,尽管以上可能将特征描述为在特定组合中起作用并且甚至最初的权利要求也如此,但在一些情况下,可以从要求保护的组合中实施来自该组合的一个或多个特征,并且要求保护的组合可以针对子组合或者子组合的变形
[0211] 同样,尽管按特定顺序在附图中示出了这些操作,但这不应当被理解为为了实现期望结果就需按所示特定顺序或顺次进行这些操作、或者进行所有例示操作。在特定情形下,多任务和并行处理可能是有利的。此外,以上所述的实现中的各种系统组件的分离不应当被理解为所有实现中均需要这些分离,并且应当理解,所述的程序组件和系统通常可以集成到单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。
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