响应于控制器电路状态控制无线功率传输的方法、电路和制品与流程

本发明涉及功率系统的领域，并且更具体地涉及无线功率传输。

背景技术：

已经针对各种不同的应用开发了无线功率传输系统，这些应用包括用于车辆、移动电子装置、工具等等的电池充电应用。这些系统可以使用磁耦合谐振电路来传递能量。这些无线功率传输系统的示例在美国专利号8,531,059和美国专利申请公开号2013/0249479中描述。

无线功率传输系统的控制的示例在于2014年7月3日申请的名称为wirelesspowertransfersystemsusingloadfeedback的美国专利申请序号14/323,436中描述(律师案号为：9060-346)。

于2013年12月30日申请的名称为methods,circuitsandarticlesofmanufactureforconfiguringdcoutputfiltercircuits的美国专利申请序号14/143,505(律师案号为：9060-334)描述了具有发射器的无线功率传输系统，所述发射器包括从ac电源接收功率的整流器、从由整流器产生的dc输出生成较高频ac输出电压的逆变器电路以及耦连至逆变器电路的输出的第一谐振电路。接收器包括第二谐振电路，该第二谐振电路包括线圈和整流器电路，线圈被配置成紧邻第一谐振电路的线圈设置，整流器电路从由第二谐振电路产生的ac输出产生dc输出。

技术实现要素：

根据本发明的实施例可以提供用于响应于控制器电路的状态控制无线功率传输的方法、电路和制品。根据这些实施例，无线功率传输电路可以包括被配置成耦合至电源的输入端口、具有耦合至所述输入端口的端口的交流激励电路、耦合至所述交流激励电路的谐振电路和被配置成操作所述交流激励电路的控制器电路。所述无线功率传输电路可以操作以感应地传输来自谐振电路的功率，并且所述控制器电路可以被配置成响应于指示的无线功率传输的效率的变化，改变所述交流激励电路的操作频率，并改变所述谐振电路的配置。

附图说明

图1是根据本发明在一些实施例中的无线功率传输设备的框图。

图2是根据本发明在一些实施例中耦合到包括于图1中所示的无线功率传输设备中的发射器谐振电路的变换器电路的框图。

图3是根据本发明在一些实施例中具有可选择配置的谐振电路的示意图示。

图4是图解说明根据本发明在一些实施例中包括于图1中所示的无线功率传输设备中的控制器电路的操作的状态图。

图5是图解说明根据本发明在一些实施例中用来调制图2的变换器电路的控制信号的占空比的指定操作范围的图。

图6是图解说明根据本发明在一些实施例中由图1的无线功率传输设备在由图4的控制器电路提供的不同的状态操作所遵循的不同的功率模式曲线的图形。

具体实施方式

现在参照附图描述本发明主题的特定示例性实施例。不过，本发明的主题可以以许多不同的形式体现，不应当解读为局限于本文中列出的实施例；而是，提供这些实施例，使得本公开是全面、完整的，将向本领域技术人员全面传达本发明主题的范围。在附图中，相同的附图标记指相同的元件。要理解，当提到一个元件“连接至”或“耦连至”另一元件时，可以是直接地连接至或耦连至另一元件，或者可以存在中间元件。如本文中使用的术语“和/或”包括一个或多个关联的所列项目的任何和全部组合。

本文中使用的术语只出于描述特定实施例的目的，不旨在限制本发明的主题。如本文中使用的单数形式“一”和“所述”旨在也包括复数形式，除非明确指示为其它。还要理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时，指所陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或附加。

除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括科技术语)具有与本发明的主题所属的领域的技术人员通常理解的含义相同的含义。还要理解，术语(诸如在通用字典中定义的那些术语)应当解读为具有与在本说明书和相关领域的背景中的含义一致的含义，不以理想化或过于正式的含义解读，除非在本文中明确地如此定义。

如本文中描述的，根据本发明在一些实施例中，可以响应于指示的无线功率传输的效率相对无线功率传输的指定的效率的变化，通过改变ac激励电路(诸如变换器电路)的操作频率并改变由激励电路驱动的谐振电路的配置，提供无线功率传输。例如，响应于给定的输入电压，可以指定无线功率传输电路将特定的功率传送至负载。

无线功率还应当以指定的效率(诸如在一些应用中超过96％)传输至负载。然而，当发射器和接收器线圈之间的间隔变化或负载变化时，无线功率传输效率可能降低。本发明的发明人认识到，当存在无线功率传输的效率已经改变的指示时，控制器电路可以改变变换器电路的操作频率，以及改变谐振电路的配置，以便提高无线功率传输的效率。

根据本发明在一些实施例中，无线功率传输效率可以由用于变换器电路的控制信号的占空比指示。作为响应，控制器电路可以改变变换器电路的操作频率，并改变发射器和接收器谐振电路(用来在线圈的间隙两端感应传输功率的电路)的配置，使得两个电路的谐振频率更好地匹配。例如，包括于接收器部分中的接收器谐振电路的配置可以被改变以匹配发射器谐振电路。

图1是根据本发明在一些实施例中的无线功率传输设备100的框图，无线功率传输设备100包括发射器部分105和接收器部件110。根据图1，发射器部分105从输入通过间隙无线地将功率传输至驱动负载的接收器部分110。可以规定无线功率传输设备100以特定的输出电压将特定的功率传送至负载。例如，根据本发明在一些实施例中，可以规定无线功率传输设备100以超过大约96％的效率将6kw、400伏传送至一系列负载，其中，输入电压大约为720伏。相应地，在宽范围的操作中，无线功率传输设备100应当以指定的效率传送功率。

如图1中还示出的，发射器部分105包括整流器电路115，整流器电路115变换ac输入电压，以在变换器电路120的输入处提供dc电压。变换器电路120将dc电压变换成ac激励，ac激励用来将功率感应传输至接收器部分110。

要理解，尽管图1示出变换器电路120将dc电压变换成ac激励，但可以使用其它类型的电路。例如，变换器电路120可以是提供ac激励(诸如ac电流)的任何电路，使得功率可以感应传输至接收器部分110。例如，ac激励电路，诸如在美国专利申请号14/323,436中描述的可以用作变换器电路120。

ac激励被提供至发射器谐振电路125以用于无线功率传输。具体地，发射器谐振电路125在隔开发射器和接收器部分105、110的线圈的间隙两端传输功率，发射器和接收器部分105、110都被配置成以或接近相同的谐振频率操作。

要理解，变换器电路120和发射器谐振电路125能够响应于控制器电路140、脉宽调制驱动器电路145和回路控制电路150操作。操作中，控制器电路140提供控制信号以特定的操作频率操作变换器电路120，从而保持与发射器谐振电路125的谐振。例如，根据本发明在一些实施例中，由脉宽调制驱动器电路145提供的变换器控制信号具有大约40khz的操作频率。而且，发射器谐振电路125被配置成包括相互耦合的部件，使得电路125的谐振频率也大约等于40khz。

还如图1中所示，由发射器谐振电路125传输的无线功率由包括于接收器部分110中的接收器谐振电路130接收。要理解，操作中，控制器电路140还能够维持接收器谐振电路130的配置，以具有与由发射器谐振电路125提供的相同的谐振频率。接收器谐振电路130将ac信号提供至整流器电路135，整流器电路135驱动连接至负载的输出。

仍参照图1，在无线功率传输设备100的操作期间，例如如果在发射器和接收器部分105、110中的线圈之间的间隔或对准变化，或者如果负载的特性变化，则传输的效率可能降低。例如，根据本发明在一些实施例中，如果发射器部分105中的线圈移动离开接收器部分110中的线圈，从而降低发射器谐振电路125和接收器谐振电路130之间的耦合系数，无线功率传输的效率可能降低。还有，发射器谐振电路125和接收器谐振电路130之间的对准还可能变化，从而导致效率的降低。还有，如果由无线功率传输驱动的负载的特性变化，则无线功率传输的效率也可能变化。例如，如果负载是电池，则电池的输入阻抗可能随着电池接近其全电荷而变化，这可能由传输效率的降低反映。

根据图1，无线功率传输的效率可以由与负载关联的参数指示。例如，如图1中所示，输出电压vout和输出电流iout可以反馈回回路控制电路150，回路控制电路150还可以接收输入的特性，诸如输入电压vin和输入电流iin。这些参数可以指示无线功率传输的效率。根据本发明在又一些实施例中，可以使用其它指示，测量无线功率传输的效率。

当输出参数，诸如无线功率传输的输出电压vout下降时，回路控制电路150可以控制脉宽调制驱动器电路145以改变送到变换器电路120的变换器控制信号的占空比。改变变换器控制信号的占空比可能增大“导通时间(ontime)”的量，在该时间中，变换器电路120将ac激励提供至发射器谐振电路125，以将功率感应传输至负载。然而，如果变换器控制信号的占空比改变到变换器电路120的指定的操作范围之外，则无线功率传输的效率可能降低到不可接受。

本发明的发明人认识到，控制电路140可以响应于无线功率传输的效率的降低，改变送到变换器电路120的控制信号的操作频率。还有，控制器电路140可以改变发射器谐振电路125的配置以具有基本上匹配变换器电路120的新操作频率的新谐振频率。例如，根据本发明在一些实施例中，控制器电路140可以将变换器控制信号的操作频率从20khz改变到40khz。控制器电路还可以选择发射器谐振电路125的不同配置，以将谐振频率从20khz改变到40khz，从而保持与40khz的新变换器电路的操作频率的谐振。还有，控制器电路140还能够提供接收器谐振电路130的相同的新谐振电路配置。因此，可以以40khz而不是20khz的新谐振频率执行无线功率传输，使得无线功率传输的效率可以朝指定的设备100的无线功率传输效率增大。

图2是图1中所示的变换器电路120的更详细的示意图。根据图2，脉宽调制驱动器电路145将变换器控制信号提供至以h桥拓扑排列的电子受控开关q1-q4中的每一个。如上文参照图1描述的，脉宽调制驱动器电路145在回路控制电路150和控制电路140的控制下，提供以选择的操作频率并具有特定的占空比的控制信号。如图2中还示出的，变换器电路120将ac激励iac提供至发射器谐振电路125。发射器谐振电路125还从控制器电路140接收谐振电路配置选择信号，保持与变换器的新选择的操作频率的谐振。

图3是根据本发明在一些实施例中图1中所示的发射器谐振电路125的更详细的示意图示。根据图3，发射器谐振电路125提供多个电容部件c以及多个电感部件l，每个可以具有关联的一组开关，使得发射器谐振电路125的配置可以由控制器电路140选择，以保持与变换器电路120的操作频率的谐振。例如，根据图3，发射器谐振电路125可以包括在默认配置中包括的电容器c1和电感器l1。还有，通过将开关s1和s2设置在适当位置，电容元件c2和c3可以被选择性增加到(或从其移除)发射器谐振电路125。

发射器谐振电路125还包括附加的电感部件l2和l3和关联的开关s3和s4，其可以设置在将l2和l3切入/切出发射器谐振电路125的适当位置。也可以由发射器谐振电路125提供其它类型的选择排列，诸如可以由控制器电路140提供的谐振电路配置选择信号控制的可变电容器和可变电感器。因此，在操作中，控制器电路140确定变换器控制信号的适当操作频率和发射器谐振电路125的匹配配置，以提高无线功率传输的效率。还有，图3中所示的相同类型的排列还可以提供至接收器谐振电路130，使得在无线功率传输期间，可以保持发射器谐振电路125和接收器谐振电路130之间的谐振。

图4是图解说明根据本发明在一些实施例中控制器电路140的操作的状态图。根据图4，控制器电路140可以在默认状态s1操作，其中，对变换器控制信号提供第一操作频率f1，第一配置c1提供至发射器谐振电路125。控制器电路140可以在变换器控制信号的占空比的指定操作范围上保持在状态s1的操作。尽管变换器控制信号的占空比在本文中用作无线功率传输的效率的指示，但也可以使用其它类型的指示。

如图4中所示，控制器电路140可以保持在状态s1，而占空比保持在指定的操作范围内。换言之，可以在落入图5中所示的指定操作范围内的变换器控制信号的一系列占空比上执行无线功率传输。然而，当占空比变化到指定的操作范围之外时，控制器电路140可以从第一状态s1过渡到第二状态s2，这包括改变变换器控制信号的操作频率和发射器谐振电路125的配置(以及接收器谐振电路130的配置)。具体地，如果当操作于状态s1时，占空比下降到低于较低阈值dlow，控制器电路可以过渡到第二状态s2。

要理解，控制器电路可以在第二状态s2操作，而占空比保持在指定的操作范围内。然而，当占空比再次过渡到指定的操作范围之外时，控制器电路可以进行另一状态改变。具体地，控制器电路140可以在占空比超过上阈值dhigh时过渡回第一状态s1，或者在占空比下降到低于下阈值dlow时，可以过渡到第三状态s3。

仍参照图4，控制器电路140可以保持在状态s3，同时占空比保持在指定的操作范围内。当占空比过渡到指定的操作范围外，超过图5中所示的任一阈值时，控制器电路140可以改变到第四状态s4，或者可以过渡回如图4中所示的第二状态s2。还有，一旦在第四状态s4，控制器电路可以保持在此，而占空比保持在指定的操作范围内，但如果占空比过渡到指定的操作范围外，超过下阈值dlow或高阈值dhigh，则可过渡回到第三状态s3。

尽管图4中示出四个状态，但可以使用任何数目的状态。还有，尽管示出的每个状态s1-s4的阈值是相同的，但要理解根据本发明在一些实施例中，每个状态中使用的阈值可以不同。

图6是与使用适当的部件配置的无线功率传输设备100的操作对应的一系列仿真的示例性功率曲线的图形表示。参照图6，功率曲线a对应于无线功率传输设备100的操作，发射器和接收器线圈之间的耦合系数为0.33，使得变换器电路120以20khz操作，发射器谐振电路125和接收器谐振电路130的配置都为20khz。由曲线a反映的操作说明无线功率传输出现在由输出功率w在额定负载rload反映的指定的效率内。当发射器和接收器线圈之间的间隙增大时，耦合比率降低到0.1，导致效率下降到低于在额定负载rload的指定效率。

作为响应，控制器电路140可以将变换器控制信号的操作频率改变到40khz，并将发射器谐振电路125和接收器谐振电路130的配置改变成每个具有大约40khz的谐振频率的配置，这由曲线c反映。变换器控制信号的频率改变到大约40khz响应于下降到低于下阈值dlow的占空比，同时尝试将功率曲线从功率曲线b降低回到耦合值为0.1的功率曲线a。如由曲线c示出的，功率曲线相对曲线b下降，说明在额定负载rload无线功率传输的效率的提高。还有，回路控制电路150能够修改变换器控制信号的占空比，以进一步将功率曲线降低到功率曲线d，回到在rload要求的输出电压/功率，尽管耦合比率仍保持在0.1。要理解，通过执行在一些实施例中示出的操作，由图6图示的无线功率传输设备100的效率提高大约9％。

如本文中描述的，根据本发明在一些实施例中，可以响应于指示的无线功率传输的效率相对无线功率传输的指定效率的变化，通过以下提供无线功率传输：改变ac激励电路(诸如变换器电路)的操作频率，并改变谐振电路的配置。例如，可以响应于给定的输入电压，指定无线功率传输电路以将特定的功率传送至负载。

无线功率还应当以指定的效率，诸如在一些应用中超过96％传输至负载。然而，当发射器和接收器线圈之间的间隙改变或负载改变时，无线传输效率可能降低。本发明的发明人认识到，当存在无线功率传输的效率已经改变的指示时，控制器电路可以改变变换器电路的操作频率，以及改变谐振电路的配置，以便提高无线功率传输的效率。

如本领域技术人员会认识到，在本文中可以在许多可专利类别或背景中的任何一个中图示和描述本公开的各方面，包括任何新的和有用的过程、机器、制造或物质成分或其任何新的和有用的改进。因此，本公开的各方面可以完全以硬件、完全以软件(包括固件、驻存软件、微代码等)或组合软件和硬件实现方式来实现，这些实现方式在本文中一般可以称作“电路”、“模块”、“部件”或“系统”。而且，本公开的各方面可以采用包括一个或多个计算机可读介质的计算机程序产品的形式，一个或多个计算机可读介质具有其上体现的计算机可读程序代码。

可以使用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不局限于电子、磁、光、电磁或半导体系统、设备或装置，或者前述的任何适当的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非详尽列表)可包括以下：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦可编程只读存储器(eprom或闪存)、具有中继器的适当的光纤、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、光存储装置、磁存储装置或前述的任何适当的组合。在本文档的背景下，计算机可读存储介质可以是可以包含或存储程序以由指令执行系统、设备或装置使用或与其关联的任何有形介质。

计算机可读信号介质可以包括其中体现了计算机可读介质代码的传播数据信号，例如以基带或作为载波的一部分。这种传播信号可以采用各种形式，包括但不限于电-磁、光或其任何适当组合。计算机可读信号介质可以是任何计算机可读介质，其不是计算机存储介质，并且能够传送、传播或传输程序以由指令执行系统、设备或装置使用或与其关联。可以使用任何适当的介质(包括但不限于无线、有线、光纤电缆、rf等或前述的任何适当组合)传送计算机可读信号介质上体现的程序代码。

可以以一个或多个编程语言的任何组合写用于执行本公开的各方面的操作的计算机程序代码，编程语言包括面向对象的编程语言，诸如java、scala、smalltalk、eiffel、jade、emerald、c++、c#、vb.net、python等等，传统程序编写语言，诸如“c”编程语言、visualbasic、fortran2003、perl、cobol2002、php、abap，动态编程语言，诸如python、ruby和groovy或其它编程语言。程序代码可以完全在用户的计算机上、部分在用户的计算机上、作为单独的软件包、部分地在用户的计算机上以及部分地在远程计算机上或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情形下，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(lan)或广域网(wan)连接至用户的计算机，或者可以建立与外部计算机的连接(例如通过互联网，使用互联网服务提供商))或在云计算环境中建立连接或作为服务(诸如软件即服务(saas))提供。

根据本公开的实施例，在本文中参照流程图图示和/或方法、电路和制品(包括计算机可读代码)的框图描述本公开的各方面。要理解，流程图图示和/或框图的每个块和流程图图示和/或框图中块的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供至通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理设备的处理器或控制器电路以产生机器，使得经由计算机或其它编程指令执行设备的处理器执行的指令创建用于实现在流程图和/或框图的一个或若干框图中指定的功能/动作。

这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，这些指令在执行时能够引导计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置以特定方式起使用，使得当存储在计算机可读介质上的指令产生包括指令的制品，指令在执行时使计算机执行在流程图和/或框图的一个或若干框图中指定的功能/动作。计算机程序指令还可以加载到计算机、其它可编程指令执行设备或其它装置上，以使得在计算机、其它可编程设备或其它装置上执行一系列操作步骤，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框图的一个或若干框图中指定的功能/动作。

在附图和说明书中，已经公开了本发明主题的示例性实施例。尽管使用特定的术语，但他们只是在通用和描述意义上使用的，不是出于限制目的，本发明主题的范围由所附权利要求定义。