CN116995824A

CN116995824A - 无线充电装置

Info

Publication number: CN116995824A
Application number: CN202310998430.6A
Authority: CN
Inventors: 西瓦巴兰·莫汉; 索马库马尔·拉马钱德拉帕尼克尔; 阿伦·库马尔·拉古纳坦; 拉金德拉·奈克; 阿德南·库图卜丁·博霍里
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Intellectual Property Licensing Co ltd
Priority date: 2017-04-14
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2023-11-03
Also published as: WO2018190986A1; CN110495072A; CN110495072B; US20230268775A1; US11641134B2; US20200059121A1

Abstract

一种无线充电装置，包括被配置为产生直流(DC)电压信号的电源(106)。此外，无线充电装置包括驱动器单元(108)，其被配置为接收DC电压信号并将DC电压信号转换为第一交流(AC)电压信号。此外，无线充电装置包括发送单元(110)，发送单元(110)包括谐振电容器(114)和谐振线圈(116)，发送单元(110)耦接到驱动器单元(108)，其中，发送单元(110)被配置为接收和发送第一AC电压信号。此外，无线充电装置包括控制单元(112)，被配置为如果接收器装置(104)位于距发送单元(110)预定距离内，则基于谐振电容器(114)两端的电容电压和谐振线圈(116)两端的电感电压中的至少一个的变化来检测接收器装置(104)。

Description

无线充电装置

本申请是发明名称为“无线充电装置和用于检测接收器装置的方法”、申请日为2018年3月19日、申请号为201880024788.6的PCT国际申请进中国国家阶段申请的分案申请，PCT国际申请的国际申请号为PCT/US2018/023060、PCT国际申请进入国家阶段日为2019年10月12日。

技术领域

本发明的实施例总体上涉及电力系统，并且更具体地涉及无线充电装置和用于检测接收器装置的方法。

背景技术

通常，电力传输系统用于将电力从电源传输到一个或多个接收器装置，例如移动装置、生物医学装置、便携式消费装置、电动车辆和混合动力车辆。电力传输系统是基于接触的电力传输系统或无线电力传输系统。在基于接触的电力传输系统内，互连线用于将电力从电源传输到接收器装置。这种互连线可能在一段时间内损坏或腐蚀。此外，基于接触的电力传输系统的互连线增加了系统的总重量。因此，希望无线电力传输系统将电力从电源传输到接收器装置。

典型地，在传统的电力传输系统中，充电装置用于将从电源接收的输入功率转换为可转移功率，该可转移功率被发送以对接收器装置中的一个或多个电池充电。然而，即使接收器装置不存在，充电装置也会连续地发送功率。这种功率发送导致功率损耗并影响充电装置的效率。

因此，需要一种增强的无线充电装置和用于检测接收器装置的方法。

发明内容

根据本发明的一个实施例，公开了一种无线充电装置。该无线充电装置包括被配置为产生直流(DC)电压信号的电源。此外，该无线充电装置包括驱动器单元，其耦接到电源且被配置为接收DC电压信号并将DC电压信号转换为第一交流(AC)电压信号。此外，无线充电装置包括发送单元，发送单元包括谐振电容器和谐振线圈，该发送单元耦接到驱动器单元，其中，发送单元被配置为接收和发送第一AC电压信号。此外，无线充电装置包括控制单元，其耦接到发送单元，并且被配置为如果接收器装置位于距发送单元预定距离内，则基于谐振电容器两端的电容电压和谐振线圈两端的电感电压中的至少一个的变化来检测接收器装置。

根据本发明的另一实施例，公开了一种用于检测接收器装置的方法。该方法包括通过电源产生DC电压信号。此外，该方法包括通过驱动器单元将DC电压信号转换为第一AC电压信号。此外，该方法包括由发送单元发送第一AC电压信号。此外，该方法包括如果接收器装置位于距发送单元预定距离内，则由控制单元基于发送单元的谐振电容器两端的电容电压和发送单元的谐振线圈两端的电感电压中的至少一个的变化来检测接收器装置。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相同的字符代表相同的部件，其中：

图1是根据本发明实施例的无线电力传输系统的框图；

图2是根据本发明实施例的无线电力传输系统的详细示意图；

图3是示出根据本发明实施例的用于检测接收器装置的方法的流程图；以及

图4是根据本发明实施例的第一AC电压信号和第二AC电压信号的图形表示。

具体实施方式

如下文将详细描述的，公开了用于对一个或多个接收器装置进行充电的系统和方法的各种实施例。特别地，本文公开的系统和方法的实施例在向接收器装置发送功率之前检测接收器装置。此外，本文公开的系统和方法检测接收器装置相对于无线充电装置的失配。

除非另外定义，否则本文使用的技术和科学术语具有与本说明书所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。本文所用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一种要素与另一种要素区分开。本文中术语“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等效物以及附加项目。术语“连接”和“耦接”不限于物理或机械连接或耦接，并且可以包括直接或间接的电连接或耦接。此外，术语“电路(circuit)”和“电路(circuitry)”以及“控制单元”可以包括单个组件或多个组件，它们或者是有源的和/或无源的，并且连接或否则耦接在一起以提供所描述的功能。另外，本文使用的术语操作耦接包括有线耦接、无线耦接、电耦接、磁耦接、无线电通信、基于软件的通信或其组合。

图1是根据本发明实施例的无线电力传输系统100的图示。无线电力传输系统100包括无线充电装置102和接收器装置104。接收器装置104可以包括移动装置、生物医学装置、便携式消费装置等。在某些其他实施例中，无线充电装置102可以包括电力传输装置，例如电源组、充电垫等。为了便于理解，图1中仅示出了一个接收器装置104。在其他实施例中，无线电力传输系统100可以包括与无线频率标准中的一者兼容的多个接收器装置。在一个示例中，无线频率标准包括电力事务联盟(PMA)标准、无线充电联盟(Air Fuel Alliance)标准、无线规划和协调(WPC)标准等。

无线充电装置102包括电源106、驱动器单元108、发送单元110和控制单元112。电源106被配置为向驱动器单元108提供具有DC电压信号118的输入功率。在一些实施例中，输入功率可以在从大约0.1瓦特到200瓦特的范围内。DC电压信号的幅度在从大约300伏特到约350伏特的范围内。应注意，电源106可以定位在无线充电装置102内或无线充电装置102外部。在一个实施例中，电源106可以包括AC子源(未示出)和AC/DC转换器(未示出)。此外，AC/DC转换器被配置为从AC子源接收AC电压信号，并将AC电压信号转换为DC电压信号118。此外，AC/DC转换器将转换后的DC电压信号118发送到驱动器单元108。

驱动器单元108电耦接到电源106、发送单元110和控制单元112。驱动器单元108被配置为从电源106接收具有DC电压信号118的输入功率。此外，驱动器单元108被配置为将DC电压信号118转换为第一AC电压信号120或第二AC电压信号122。第一AC电压信号120也称之为用于检测系统100中的接收器装置104的低功率信号。在一个实施例中，第一AC电压信号120包括具有在标称输入功率的大约1％到大约5％的范围内的值的第一功率。类似地，第二AC电压信号122也称之为高功率信号，其用于向负载126(例如接收器装置104中的一个或多个电池)供电。在一个实施例中，第二AC电压信号122包括具有在标称输入功率的大约50％到大约100％的范围内的值的第二功率。在一个实施例中，当无线充电装置102在睡眠模式或低功率模式中操作时，产生第一AC电压信号120。类似地，当无线充电装置102在正常模式或电力传输模式下操作时，产生第二AC电压信号122。第二AC电压信号122的第二功率值大于第一AC电压信号120的第一功率值。

发送单元110被配置为发送从驱动器单元108接收的第一AC电压信号120或第二AC电压信号122。在示例性实施例中，发送单元110包括谐振电容器114和谐振线圈116，谐振线圈116以预定频率谐振以将第一AC电压信号120或第二AC电压信号122发送到接收器装置104。

在传统的电力传输系统中，充电装置用于将从电源接收的输入功率转换为可转移功率，该可转移功率经被发送以对接收器装置中的一个或多个电池充电。然而，即使系统中不存在接收器装置，充电装置也会连续地发送功率。结果，存在功率损耗并且影响充电装置的效率。此外，大幅地增加电力传输系统的维护成本。

为了克服与传统系统相关的上述问题或缺点，示例性无线充电装置102包括被配置为检测接收器装置104的控制单元112。特别地，当发送第一AC电压信号120时，控制单元112测量谐振电容器114两端的电压降和谐振线圈116两端的电压降。这里需要注意的是，谐振电容器114两端的电压降也称为“电容电压”，并且谐振线圈116两端的电压降也称为“电感电压”。控制单元112基于电容电压和电感电压中的至少一个的变化来检测接收器装置104。更具体地，如果存在接收器装置104，则接收器装置104中的接收器线圈124从无线充电装置102接收第一AC电压信号120。结果，发送单元110的电容电压和电感电压显著改变。在一个实施例中，电容电压和电感电压可以从预定电压值改变大约50％。在一些实施例中，电容电压从预定电压值增加50％，而电感电压从预定电压值减少50％。电容电压或电感电压的这种变化由控制单元112测量以检测接收器装置104的存在。在一个实施例中，控制单元112可以测量两个电压(例如电容电压和电感电压)的变化，以确认接收器装置104的存在。可以注意到，电压的变化可以称之为相应电压的幅度、相位或频率的变化。即使接收器装置104位于距充电装置102预定距离处，无线充电装置102也能够检测接收器装置104。在一些实施例中，该预定距离可以在从大约5mm至500mm的范围内。在检测到接收器装置104时，控制单元112驱动驱动器单元108以将第二AC电压信号122发送到检测到的接收器装置104，用于对诸如一个或多个电池的负载126充电。参考图2更详细地解释检测接收器装置104的方面。

通过使用示例性无线充电装置102，可以在检测到接收器装置104之后无线地发送输入功率，这又减少了无线电力传输系统100中的功率损耗并且提高了无线充电装置102的效率。

参照图2，示出了根据本发明实施例的无线电力传输系统100的示意图。无线电力传输系统100包括无线充电装置102，其能够磁耦接到接收器装置104以执行到接收器装置104的无线电力传输。无线充电装置102包括电源106、驱动器单元108、发送单元110、控制单元112、第一电压传感器202和第二电压传感器204。

驱动器单元108包括开关206的第一支路和开关208的第二支路，其被布置为在驱动器单元108的第一端子210和第二端子212之间形成桥电路。基于从控制单元112接收的控制信号来激活或去激活开关206的第一支路和开关208的第二支路，以产生第一AC电压信号120或第二AC电压信号122。特别地，如果从控制单元112接收到第一控制信号214，则驱动器单元108将DC电压信号118转换为具有低功率的第一AC电压信号120，以检测接收器装置104的存在。更具体地，驱动器单元108将DC电压信号118转换为第一AC电压信号120，第一AC电压信号120具有在预定时间窗口内在预定时间间隔产生的脉冲，使得第一AC电压信号120的平均功率小于或等于阈值功率值。第一AC电压信号中的平均功率称之为“第一功率值”。在一个示例中，阈值功率值可以在标称输入功率的大约1％到大约5％的范围内。在另一示例中，预定时间间隔可以在1秒的预定时间窗口的大约5毫秒到大约15毫秒的范围内。可以注意到，在图4中描述了具有预定时间间隔的脉冲的第一AC电压信号120。

以类似的方式，如果从控制单元112接收到第二控制信号216，则驱动器单元108将DC电压信号118转换为具有高功率的第二AC电压信号122，以对接收器装置104中的一个或多个电池126充电。更具体地，驱动器单元108将DC电压信号118转换为具有连续脉冲的第二AC电压信号122，使得第二AC电压信号中的平均功率近似等于标称输入功率。第二AC电压信号的平均功率称之为“第二功率值”。该第二功率值大于第一功率值。具有连续脉冲的第二AC电压信号如图4所示。

发送单元110包括电耦接到驱动器单元108的第二端子212的谐振线圈116和谐振电容器114。谐振线圈116和谐振电容器114以预定频率谐振，以将第一AC电压信号120或第二AC电压信号122发送到接收器装置104。可以注意到，预定频率也可以称之为“谐振频率”。

当驱动器单元108驱动谐振线圈116以发送第一AC电压信号120或第二AC电压信号122时，谐振电容器114和谐振线圈116两端的电压下降。谐振电容器114两端的电压降也称之为电容电压，并且谐振线圈116两端的电压降称之为电感电压。

在所示实施例中，第一电压传感器202耦接在谐振电容器114两端，并被配置为测量谐振电容器114两端的电容电压。第一电压传感器202将测量的电容电压发送到控制单元112。以类似的方式，第二电压传感器204耦接在谐振线圈116两端，并被配置为测量谐振线圈116两端的电感电压。第二电压传感器204将测量的电感电压发送到控制单元112。

在操作期间，控制单元112将第一控制信号214发送到驱动器单元108以产生第一AC电压信号120。此外，驱动器单元108经由发送单元110发送所产生的第一AC电压信号120。当经由发送单元110发送第一AC电压信号120时，第一电压传感器202测量电容电压并将其发送到控制单元112。类似地，第二电压传感器204测量电感电压并将其发送到控制单元112。

此外，控制单元112基于电容电压和电感电压的变化来检测接收器装置104。特别地，如果接收器装置104位于距无线充电装置102预定距离内，则接收器装置104的接收器线圈124从无线充电装置102接收第一AC电压信号120。结果，谐振电容器114和谐振线圈116的特性显著改变。在一个实施例中，谐振电容器114的特性包括谐振电容器114的阻抗，并且谐振线圈116的特性包括谐振线圈116的阻抗。在一个示例中，充电装置102与接收器装置104之间的互感可导致特性(例如，谐振电容器114和谐振线圈116的阻抗)显著改变。谐振电容器114和谐振线圈116的特性的这种改变使得电容电压和电感电压基本上从初始或预定电压值改变。在一个实施例中，控制单元112确定电容电压的峰值电压值或均方根(RMS)电压值以检测电容电压的变化。类似地，控制单元112确定电感电压的峰值电压值或均方根(RMS)电压值以检测电感电压的变化。可以注意到，电压的变化可以称之为相应电压的幅度、相位或频率的变化。

控制单元112验证电容电压或电感电压的变化是否大于阈值电压值。如果电容电压或电感电压的变化大于阈值电压值，则控制单元112检测接收器装置104的存在。在一个示例中，控制单元112可以验证电容电压和电感电压的变化是否大于阈值电压值。如果电容电压和电感电压的变化大于阈值电压值，则控制单元112检测接收器装置104的存在。通过验证这两个电压(电容电压和电感电压)，控制单元112可以提高可检测性，并且还可以确认接收器装置104的存在。

在另一个实施例中，控制单元112可以计算电容电压与电感电压的比率。此外，控制单元112验证电容电压与电感电压的比率是否大于阈值电压比率值。如果电容电压与电感电压的比率大于阈值电压比率值，则控制单元112检测到存在接收器装置104。在一个实施例中，控制单元112检测到接收器装置104在距充电装置102的预定距离内。

当检测到接收器装置104时，控制单元112将第二控制信号216发送到驱动器单元108以将DC电压信号118转换为第二AC电压信号122。此外，转换后的第二AC电压信号122经由发送单元110的谐振线圈116发送到检测到的接收器装置104。接收器装置104的接收器线圈124用于从谐振线圈116接收第二AC电压信号122。此外，处理所接收的第二AC电压信号122并将其发送到负载126(例如，接收器装置104中的一个或多个电池)。在一个示例中，第二AC电压信号122可以被处理和/或被转换为负载DC电压信号。负载DC电压信号用于对接收器装置104中的一个或多个电池126充电。在一个实施例中，当发送第二AC电压信号122时，控制单元112被配置为基于谐振电容器114的电容电压和谐振线圈116的电感电压来确定接收器装置104的充电状态(SoC)。在一个示例中，控制单元112确定谐振电容器114的电容电压与谐振线圈116的电感电压的比率。此外，控制单元112基于谐振电容器114的电容电压与谐振线圈116的电感电压的比率来确定接收器装置的充电状态(SoC)。如果接收器装置104的充电状态大于阈值充电值，则控制单元112可以停止第二AC电压信号122的发送。

在一个实施例中，如果接收器装置104不在距发送单元110的预定距离内，则控制单元112可以停止发送第二AC电压信号122。特别地，当发送第二AC电压信号122时，控制单元112确定谐振电容器114两端的电容电压和谐振线圈116两端的电感电压。此外，如果接收器装置104不在距发送单元110的预定距离内，则电容电压和电感电压的变化减小到低于或等于阈值电压值。控制单元112使用电容电压和电感电压的这种变化来确定接收器装置104不在距发送单元110的预定距离内。此外，如果电容电压和电感电压中的至少一个的变化小于或等于阈值电压值，则控制单元112驱动驱动器单元108以停止第二AC电压信号122的发送。

在一个实施例中，控制单元112被配置为基于所测量的电容电压和电感电压来检测接收器装置104相对于无线充电装置102的失配。更具体地，控制单元112测量谐振电容器114的电容电压和谐振线圈116的电感电压。如果电容电压或电感电压的变化大于预定失配值，则控制单元112确认接收器装置104相对于无线充电装置102失配。在一个实施例中，控制单元112可以检验两个电压(例如电容电压和电感电压)的变化以确认接收器装置104相对于无线充电装置102的失配。此外，控制单元112可以向无线充电装置102的用户指示检测到的失配。在一个实施例中，控制单元112可以使用诸如发光二极管(LED)的一个或多个光单元和/或诸如蜂鸣器的音频单元来向用户指示接收器装置104的失配。

参考图3，描述了说明根据本发明实施例的用于检测接收器装置的方法300的流程图。为了便于理解，参考图1和图2的组件来描述方法300。在步骤302处，从电源产生DC电压信号。特别地，电源向驱动器单元提供具有DC电压信号的输入功率。电源可以是电源组、电池或能量存储模块。在另一示例中，电源可以包括AC子源和AC/DC转换器，以向驱动器单元提供DC电压信号。

随后，在步骤304处，将DC电压信号转换为第一AC电压信号。无线充电装置的驱动器单元从控制单元接收第一控制信号。作为响应，驱动器单元将DC电压信号转换为第一AC电压信号。在一个实施例中，第一AC电压信号包括在预定时间窗口中产生预定时间间隔的脉冲，使得第一AC电压信号的平均功率小于阈值功率值。

在步骤306处，无线充电装置的发送单元发送第一AC电压信号。特别地，发送单元包括电耦接到驱动器单元的谐振线圈和谐振电容器。谐振线圈和谐振电容器以预定频率谐振以发送第一AC电压信号。当发送第一AC电压信号时，谐振电容器和谐振线圈两端的电压下降。谐振电容器两端的电压降称为电容电压，并且谐振线圈两端的电压降称为电感电压。

在步骤308处，基于发送单元的谐振电容器两端的电容电压和发送单元的谐振线圈两端的电感电压中的至少一个的变化来检测接收器装置。特别地，如果接收器装置位于距发送单元预定距离内，则接收器装置的接收器线圈从发送单元接收第一AC电压信号。结果，谐振电容器和谐振线圈的特性大幅改变。在一个实施例中，谐振电容器和谐振线圈的特性包括阻抗。谐振电容器和谐振线圈的特性的改变使得电容电压和电感电压基本上从初始或预定电压值改变。如果电容电压或电感电压的变化大于阈值电压值，则控制单元检测接收器装置的存在。在一个实施例中，控制单元112可以测量两个电压(例如电容电压和电感电压)的变化，以确认接收器装置104的存在。在另一个实施例中，如果电容电压与电感电压的比率大于阈值电压比率值，则控制单元检测接收器装置的存在。

图4示出了根据本发明实施例的第一AC电压信号120和第二AC电压信号122的图形表示400。Y轴402表示第一AC电压信号120和第二AC电压信号122的幅度。类似地，第一X轴404表示第一AC电压信号120的时间段，并且第二X轴406表示第二AC电压信号122的时间段。

如图4所示，第一AC电压信号120包括在预定时间窗口412内在预定时间间隔410产生的脉冲408，使得第一AC电压信号120的平均功率小于或等于阈值功率值。在一个示例中，预定时间间隔410可以是大约1秒的预定时间窗口412的大约10毫秒。可以注意到，在每个时间窗口412中重复发送这些脉冲408，直到检测到接收器装置104。此外，第二AC电压信号122包括在预定时间窗口412内连续产生的脉冲414。这些脉冲414用于发送用于对接收器装置104充电的功率。

根据本文讨论的示例性实施例，示例性系统和方法便于检测接收器装置的存在。特别地，本文公开的系统和方法允许诸如电源组的充电装置仅在检测到接收器装置的存在之后才发送功率。结果，减少了功率损耗并且提高了充电装置的效率。此外，示例性系统和方法有助于减少电磁干扰(EMI)，并且从而满足监管标准。此外，该系统和方法便于检测接收器装置相对于无线充电装置的失配。

虽然本文仅示出和描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。

Claims

1.一种无线充电装置(102)，包括：

电源(106)，被配置为产生直流DC电压信号；

驱动器单元(108)，耦接到所述电源(106)并且被配置为接收DC电压信号并且将所述DC电压信号转换为第一交流AC电压信号；

发送单元(110)，包括谐振电容器(114)和谐振线圈(116)，所述发送单元(110)耦接到驱动器单元(108)，其中，所述发送单元(110)被配置为接收和发送第一AC电压信号；以及

控制单元(112)，耦接到所述发送单元(110)，并且被配置为如果接收器装置(104)位于距所述发送单元(110)预定距离内，则基于所述谐振电容器(114)两端的电容电压和所述谐振线圈(116)两端的电感电压中的至少一个的变化来检测所述接收器装置(104)。

2.根据权利要求1所述的无线充电装置(102)，还包括：

第一电压传感器(202)，耦接在所述谐振电容器(114)两端，并且被配置为测量所述谐振电容器(114)两端的电容电压，并将所述电容电压发送到所述控制单元(112)；以及

第二电压传感器(204)，耦接在所述谐振线圈(116)两端，并且被配置为测量所述谐振线圈(116)两端的电感电压并且将所述电感电压发送至所述控制单元(112)。

3.根据权利要求2所述的无线充电装置(102)，其中，所述控制单元(112)被配置为如果所述电容电压和所述电感电压中的至少一个的变化大于阈值电压值，则检测所述接收器装置(104)。

4.根据权利要求2所述的无线充电装置(102)，其中，所述控制单元(112)被配置为如果所述电容电压与所述电感电压的比率大于阈值电压比率值，则检测所述接收器装置(104)。

5.根据权利要求2所述的无线充电装置(102)，其中，所述控制单元(112)被配置为驱动所述驱动器单元(108)发送具有第一功率的所述第一AC电压信号，直到检测到所述接收器装置(104)。

6.根据权利要求2所述的无线充电装置(102)，其中，所述控制单元(112)被配置为基于所述电容电压和所述电感电压中的至少一个来检测所述接收器装置(104)相对于所述无线充电装置(102)的失配。

7.根据权利要求3所述的无线充电装置(102)，其中，所述控制单元(112)被配置为在检测到所述接收器装置(104)之后驱动所述驱动器单元(108)发送具有第二功率的第二AC电压信号。

8.根据权利要求7所述的无线充电装置(102)，其中，所述控制单元(112)被配置为当所述第二AC电压信号被发送到所述接收器装置(104)时，基于所述谐振电容器(114)的所述电容电压和所述谐振线圈(116)的所述电感电压来确定所述接收器装置(104)的充电状态SoC。

9.根据权利要求8所述的无线充电装置(102)，其中，所述控制单元(112)被配置为如果所述接收器装置(104)的所述充电状态SoC大于阈值充电值，则停止所述第二AC电压信号的发送。

10.根据权利要求7所述的无线充电装置(102)，其中，所述控制单元(112)被配置为如果所述接收器装置(104)不在距所述发送单元(110)的所述预定距离内，则停止所述第二AC电压信号的发送。