使用ZVS的电动交通工具无线充电器输出保护的系统和方法与流程

本公开涉及一种用于电动交通工具电池的无线充电器输出保护方案，使用零电压切换(zvs)系统和方法。

背景

无线电力传输系统使电力能够从源无线地传输到负载。感应电力传输是非辐射或近场类型的无线电力传输。感应电力传输使用通过源的初级线圈(即，发射天线)的振荡电流来生成振荡磁近场，该振荡磁近场在负载的次级线圈(即，接收天线)中感应电流。源包括具有功率晶体管开关的电力转换器，该电力转换器以可控的时间切换以将源的电力转换成通过初级线圈的振荡电流。

执行感应电力传输以使用来自源的电力对负载(例如，电动交通工具的牵引电池)进行无线充电。在这样的无线电动交通工具充电系统中，源的发射天线嵌入在“充电”垫中，并且接收天线(和相关联的整流器)嵌入在交通工具的指定位置中。感应电力传输包含天线之间的感应耦合。为了使感应电力传输有效，天线之间的间隔必须在小的偏移容差内相对接近。

电动交通工具需要牵引电池的经常充电。在有线充电连接中，电动交通工具的车载充电器使用插入交通工具充电端口的电线连接到电动交通工具供电设备(evse)，例如充电站。车载充电器和evse之间的有线控制回路用于在将电线插入充电端口时，监控电池充电器输出。一旦检测到任何意外问题，控制回路可以立即关闭来自充电站的输出，以保护牵引电池免受损坏。在无线充电系统中，控制回路同样是无线的，依靠近场通信协议，如wifi、蓝牙等，以与电源通信。由于其性质，无线通信通常比有线连接慢。在充电错误的情况下，源可能对关闭响应相对较慢。这种延迟可能损坏昂贵的交通工具电池和大功率电子设备。

概述

本公开的一个或更多个实施方案涉及无线充电器输出保护系统，该无线充电器输出保护系统可以包括电力线、整流器、电力线传感器、开关和开关控制器。电力线可以传输接收天线中所感应的交流电流。整流器可以将来自电力线的交流电流整流成用于对交通工具电池充电的直流电力。电力线传感器可以构造成输出指示电力线电压的电压信号。开关可以连接到电力线，并且可以控制接收天线和整流器之间的电连接。开关控制器可以连接到电力线传感器、开关和监控电路。此外，开关控制器可以从监控电路接收指示充电错误的错误信号，并且可以响应于该错误信号，当从电力线传感器接收的电压信号指示零电压交叉点时，输出开关控制信号，以导致开关改变状态。

本公开的一个或更多个另外的实施方案涉及用于断开无线充电器输出的方法。无线充电器可以包括用于传输交流电力的电力线、用于将来自电力线的交流电力转换成直流电力的整流器、以及与电力线成感测关系的电力线传感器，电力线传感器用于输出指示电力线电压的信号。该方法可以包括：在开关控制器处从电池监控电路接收指示充电错误的错误信号；在开关控制器处接收指示电力线电压的电压信号；以及响应于错误信号，当电压信号指示零电压交叉点时，通过开关控制器将开关控制信号输出到连接到电力线的开关，使得开关改变状态并使电力线与交通工具电池断开。

本公开的一个或更多个另外的实施方案涉及一种用于关闭交通工具电池的无线充电的设备。该设备可以包括开关控制器，开关控制器构造成：从监控电路接收指示充电错误的错误信号；从电力线传感器接收指示电力线的电力线电压的电压信号；以及响应于错误信号，当电压信号指示零电压交叉点时，将开关控制信号输出到开关，使得开关改变状态并使电力线与交通工具电池断开。

附图说明

图1图示了感应电力传输系统的示意图，感应电力传输系统用于利用来自充电基座的电力对电动交通工具无线充电；

图2图示了感应电力传输系统的框图；

图3图示了根据本公开的一个实施方案的具有zvs控制器的交通工具侧的无线充电器的框图；

图4图示了充电系统的交通工具侧的各种电压波形的曲线图；

图5图示了曲线图，其示出了具有zvs控制的宽限期的电压波形；以及

图6图示了描述交通工具充电控制器的方法的操作的流程图。

详细描述

本文公开了本发明的详细的实施方案；然而，应理解的是，所公开的实施方案仅是可以以各种形式和可选的形式体现的本发明的示例。附图不一定是按比例的；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的特定的结构细节和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域中的技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。

现在参考图1，示出了感应电力传输系统10的示意图，感应电力传输系统10用于利用来自充电基座14的电力对电动交通工具12无线充电。充电基座14包括定位在地面中或结构的地板上的发射天线16。由于其物理构造，发射天线有时被称为基垫或垫。交通工具12包括安装到交通工具的下侧的接收天线18，其通常被称为交通工具垫。当交通工具12正确停放时，发射天线16和接收天线18以接近布置对齐。因此，充电基座14的电力可以从发射天线16传输到接收天线18，以用于对交通工具12充电。接收天线18连接到交通工具12的牵引电池或类似物。从充电基座14无线传输到交通工具12的电力用于对牵引电池充电。

图1中还示出了坐标系20。在坐标系20中，当交通工具12停放在发射天线16上方时，发射天线16和接收天线18沿z方向隔开。交通工具12(特别是接收天线18)可以相对于发射天线16沿x方向和y方向(即，相对于发射天线16定位在其中的地面或地板)位移。接收天线18在坐标方向的任一个方向上相对于发射天线16从预设的最佳对齐位置的位移降低了电力可以从发射天线无线传输到接收天线的效率。在这方面，接收天线18相对于发射天线16的位移改变了充电基座14的发电部件所经历的阻抗，该发电部件向发射天线16馈送电力。

现参考图2，并继续参考图1，图2示出了感应电力传输系统10的框图。如图2中所示，除了发射天线16之外，感应电力传输系统10的充电基座14包括ac(交流)电源22、ac/dc(交流/直流)整流器24、dc/ac电力转换器26和谐振网络28。电源22为整流器24提供交流电力。整流器24将交流电力整流为直流电力，并将直流电力提供给电力转换器26。电力转换器26将直流电力转换成交流电力并且将交流电力提供给谐振网络28。

发射天线16包括一个或更多个线圈(即，初级线圈30)。交通工具12的接收天线18包括一个或更多个线圈(即，次级线圈32)。当交通工具12正确停放时，初级线圈30和次级线圈32物理上布置为彼此紧邻(即，“松耦合”)。也就是说，当次级线圈处于初级线圈的耦合模式区域中时，次级线圈32与初级线圈30无线地耦合，提供互感m并且以与初级线圈大体相同的频率谐振。来自电力转换器26的交流电力通过谐振网络28并通过初级线圈30，并使初级线圈生成振荡磁近场。振荡磁近场在次级线圈32中感应电流。次级线圈32中的电流在交通工具侧生成交流电力。这样，在初级线圈30和次级线圈32之间发生感应耦合，用于从充电基座14到交通工具12的感应电力传输。

如图2中进一步所示，除了接收天线18之外，交通工具12还可以包括交通工具充电单元34。接收天线18和交通工具充电单元34一起可以称为无线充电器36。交通工具充电单元34将电力输送给交通工具12的负载，例如交通工具电池38(即，牵引电池)。

图3是图2中所图示的感应电力传输系统的交通工具侧的框图，更详细地图示了交通工具充电单元34。如所示出的，交通工具充电单元34可以在无线充电器输出40处连接到交通工具电池38。如前所描述，在接收天线18的次级线圈32中感应的电流在交通工具侧产生交流电力。交流电力沿电力线42输送到交通工具充电单元34。交通工具充电单元34可以包括整流器44，整流器44将交流电力整流成直流电力。来自整流器44的直流电力可以通过例如滤波器46供应给交通工具电池38。该直流电力在无线充电器输出40处对交通工具电池38充电。

电力线42可以包括用于从接收天线18接收正输出的正电力线导体42a和用于从接收天线接收负输出的负电力线导体42b。正电力线导体42a和负电力线导体42b一起将交流电力输送至整流器44。因此，在无线充电期间，正电力线导体42a可以接收正电力线导体电压vp+，并且负电力线导体42a可以接收负电力线导体电压vp-。正电力线导体电压vp+和负电力线导体电压vp-是180度异相的半正弦波(图4)。

交通工具充电单元34还可以包括与电力线42成感测关系(例如，连接)的电力线传感器48，用于检测电力线电压。例如，正电力线传感器48a可以与正电力线导体42a成感测关系，并且负电力线传感器48b可以与负电力线导体42b成感测关系。正电力线传感器48a可以检测正电力线导体电压vp+，并且负电力线传感器48b可以检测负电力线导体电压vp-。电力线传感器48还可以构造成输出指示电力线电压的电压信号。例如，正电力线传感器48a可以输出表示正电力线导体电压vp+的正电压信号v0+，并且负电力线传感器42b可以输出表示负电力线导体电压vp-的负电压信号v0-。

交通工具充电单元34还可以包括连接到电力线42的开关50，开关50构造成控制接收天线18和整流器44之间的电连接。继续参考图3，开关50可以包括一对开关，例如正开关50a和负开关50b。如所示出的，正开关50a可以在负电力线导体42b和接地52之间提供通/断连接。类似地，负开关50b可以在正电力线导体42a和接地52之间提供通/断连接。在正常充电操作期间，开关50a和开关50b可以打开，并且正电力线导体42a和负电力线导体42b将接收天线18连接到整流器44。可以通过闭合开关50a和开关50b并为电力线42中的电能提供至接地的直接路径来关闭输出到交通工具电池38的无线充电器输出40，从而有效地将整流器44与接收天线18断开。根据一个实施方案，每个开关50可以是igbt(绝缘栅双极晶体管)，但是也可以采用其它类型的开关，例如mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)。正开关50a和负开关50b可以由开关控制器54控制。开关控制器54可以是交通工具充电单元34的主控制器的一部分，或者可以是用于响应于在开关控制器54处接收的输入来控制开关50的状态(即打开/闭合)的专用控制器/控制电路。

如先前所描述，用于以有线充电连接来监控电池充电器输出的控制回路相对较快。因此，如果在有线充电期间出现任何意外问题，控制回路可以立即关闭充电站的输出，以保护电池免受损坏。在无线充电系统中，控制回路同样是无线的，依靠相对较慢的近场通信协议，如wifi、蓝牙等，以与交流电源22通信(图2)。在充电错误的情况下，通过关闭电源22，充电基座14响应可能相对较慢。这种延迟可能损坏昂贵的交通工具电池和大功率电子设备。开关控制器54可以允许无线充电器输出40在无线充电控制回路可以向充电基座14传送关闭消息之前，通过闭合开关50相对快速地关闭。

对于正常无线充电期间的意外问题，开关控制器54可以与监控电路56(例如，电池监控电路)通信，用于监控无线充电器输出40、交通工具电池38自身或类似物。因此，监控电路56可以连接在滤波器46和交通工具电池38之间，以监控无线充电器输出40。可选地，监控电路56可以连接到充电电路的其它部分，例如电力线，以监控电池38的充电。此外，监控电路56可以与车载网络(例如，can)通信，以接收指示充电错误或其它问题的消息，保证关闭无线充电器输出40。如所示出的，监控电路56可以嵌入到交通工具充电单元34中。然而，监控电路56可以是与开关控制器54通信的外部模块。如果监控电路56检测到充电错误，监控电路56可以向开关控制器54发送指示充电错误的错误信号ve。作为示例，充电错误可以指示以下状态中的一个或更多个：过电压、过电流、微处理器监视器错误、超温、车载网络通信错误、基本单元错误和无线通信错误。

响应于来自监控电路56的错误信号ve，开关控制器54可以输出开关控制信号，使开关50改变状态(例如，从打开到闭合)。如先前所描述的，这快速有效地关闭了无线充电器输出40，以保护交通工具电池38免受由于错误状态造成的损坏，而不必等待无线控制回路完成其到充电基座14的路径。为此，开关控制器54可以向正开关50a输出正开关控制信号vg+，使其响应于错误信号ve而改变状态(即闭合)。类似地，开关控制器54可以向负开关50b输出负开关控制信号vg-，使其响应于错误信号而改变状态(即闭合)。在igbt开关的情况下，可以在栅极处接收相应的开关控制信号，从而在集电极和发射极之间提供至接地的路径。

尽管可以控制开关50在任何时候接通/关断，但是在相应电力线导体仍然处于高电压时，接通(即，闭合)开关可能在集电极和发射极(对于igbt开关而言)之间导致高电压(例如，高达约850伏特的峰值)。进而，这可能导致非常高的di/dt瞬态电流，其可能会损坏开关，从而大大缩短其寿命。为了提高开关可靠性，并从而提高无线充电器输出保护系统的可靠性，可以采用零电压切换(zvs)控制方案来关闭无线充电器输出40。在zvs控制方案下，只有当电力线导体电压达到零电压(被称为零电压交叉点)时，开关50才可以接通(即，闭合)。zvs可以增加开关可靠性，同时允许来自接收天线18的能量被引流以保护交通工具电池38。

因此，开关控制器54可以构造成控制电力线导体42上的零电压切换。为了实现zvs控制，开关控制器54可以连接到正电力线传感器48a和负电力线传感器48b。根据一个实施方案，响应于错误信号ve，开关控制器54可以将负开关控制信号vg-输出到负开关50b，使得当表示来自正电力线传感器48a的正电力线导体电压vp+的正电压信号v0+指示零电压交叉点时，负开关50b改变状态(即，闭合)。类似地，进一步响应于错误信号ve，开关控制器54可以将正开关控制信号vg+输出到正开关50a，使得当表示来自负电力线传感器48b的负电力线导体电压vp-的负电压信号v0-指示零电压交叉点时，正开关50a改变状态(即，闭合)。

图4图示了绘制无线充电系统的交通工具侧的各种电压波形的一系列时序图。曲线400b和曲线400c分别图示了了正电力线电压vp+和正传感器电压v0+的波形。正传感器电压v0+可以与正电力线电压vp+大体上同相，因为正电力线传感器48a具有大部分的电阻分量。与正电力线电压vp+相比，正传感器电压v0+(因为它被用作开关控制器54的控制输入)可以具有小得多的幅度(例如，峰值约3v)。曲线400f和曲线400g分别图示了负电力线电压vp-和负传感器电压v0-的波形。负传感器电压v0-可以与负电力线电压vp-大体上同相，因为负电力线传感器48b具有大部分的电阻分量。与负电力线电压vp-相比，负传感器电压v0-(因为它也用作开关控制器54的控制输入)可以具有小得多的幅度。例如，电力线电压vp+和vp-可以都是约180度异相的半正弦波。因为传感器电压v0+和v0-分别与电力线电压vp+和vp-同相，所以它们同样是约180度的异相。

曲线400a图示了使用电力线电压由开关控制器54生成的组合时钟信号v时钟的波形。例如，开关控制器54可以产生两个单独的时钟信号410和时钟信号420，它们一起形成组合时钟信号v时钟。特别地，波形410可以表示从正电力线电压vp+由开关控制器生成的正时钟信号，并且波形412可以表示从负电力线vp-由开关控制器生成的负时钟信号。如曲线400a中所图示，除了时钟信号v时钟比对应的电力线电压稍窄外，作为方波，时钟信号v时钟分散地对应于电力线电压vp+和vp-。例如，在时刻ta，时钟信号412a可以具有由到来的(comingon)负电力线电压vp-触发的上升沿，如曲线400f中所图示。时钟信号412a可以在负电力线电压vp-跨过零之前不久在时刻ta’具有下降沿。在时刻tb，下一个时钟信号410b可以由开关控制器54产生，并且具有由到来的正电力线电压vp+触发的上升沿，如曲线400b中所图示。另外，负开关控制信号vg-可以由正时钟信号410的上升沿控制，而正开关控制信号vg+可以由负时钟信号412的上升沿控制。

曲线400e图示了通过开关控制器54从监控电路56接收的错误信号ve的波形。如结合图3所描述的，错误信号ve可以指示充电错误。例如，错误信号ve可以在时刻t1从低切换到高，指示检测到充电错误，并且无线充电器输出应当被关闭。在该示例中，t1可以发生在当产生正时钟信号410c的上升沿时的tc和t2之间。响应于错误信号ve，交通工具充电单元34可以使用近场通信协议经由无线模块(未示出)向充电基座14无线发送消息以停止充电。然而，如上面所讨论的，由于无线通信的性质，在交通工具充电单元34发送无线消息和充电基座14实际关闭之间可能存在相对较长的延迟。为了保护电池38在该延迟期间免于不需要的充电，交通工具充电单元34可以通过使用电力线开关50将电力线能量引流到接地来有效地断开接收天线18和交通工具侧上的整流器44之间的电力线。这以相对较小的延迟有效地关闭无线充电器输出40。

如图4中所示，当错误信号ve变高表示充电错误时，正电力线导体42a在t1处可能处于高电压。如上面所描述，在t1处接通负电力线开关50b以将电力从正电力线导体42a重新引导到接地可能对负电力线开关50b造成损坏。因此，如前所描述，可以采用zvs保护方案来激活电力线开关50。因此，开关控制器54可以等待直到t2，当正电力线电压vp+和对应的正传感器电压v0+达到零电压交叉点时，闭合(接通)负电力线开关50b，并为正电力线导体42a中的能量提供至接地的路径。如前所解释，这有效地将正电力线导体42a与整流器44断开。曲线400d示出了在t2处负开关控制信号vg-改变状态(例如，从低到高)，这进而导致负电力线开关50b改变状态(即，闭合)。

类似地，对于负电力线导体42b，开关控制器54可以等待半个时钟周期，直到t3，当负电力线电压vp-和对应的负传感器电压v0-达到由延迟电路(未示出)控制的零电压交叉点时，以闭合(接通)正电力线开关50a并为负电力线导体42b中的能量提供至接地的路径，从而有效地将负电力线导体42b与整流器44断开。因为正电力线导体电压vp+相对于接地已经关闭，负电力线导体电压vp-可能异常，并且不可以再用作时钟。因此，当负电力线电压vp-和对应的负传感器电压v0-达到零电压交叉点时，延迟电路可以用来闭合正电力线开关50a。因为负电力线电压vp-的频率是已知的，所以延迟电路可以被设计成延迟至t3直到负电力线电压vp-为零。

曲线400h示出了在t3处正开关控制信号vg+改变状态(例如，从低到高)，这进而导致正电力线开关50a改变状态(即，闭合)。因此，来自接收天线18的交流电力可以在其到达整流器44之前被引流，有效地关闭无线充电器输出40并保护交通工具电池38。根据一个实施方案，开关控制信号vg-和开关控制信号vg+，无论哪一个先发生，可以是时钟边沿触发的，并且仅可以在时钟信号v时钟的边沿改变状态。如所示出的，t2处于时钟信号v时钟的边沿，而t3被延迟了计算出的延迟时间。

图5示出了可选时序图，在该时序图中开关控制器54在输出负开关控制信号vg-时采用宽限期。图5中的曲线400c与图4中所示的曲线400c相同。曲线400d’是图4中所示的曲线400d的修改的型式。曲线400d’示出了t2两侧的宽限期θ。例如，当正电力线导体电压vp+和正传感器电压v0+在零伏特处跨过时，宽限期θ可以是t2的+/-5度。在该实施方案中，开关控制器可以在t2’输出负开关控制信号vg-。因此，只要负开关控制信号vg-改变状态的t2’在+/-宽限期θ内，电路操作可被视为零电压切换。尽管未示出，相同的宽限期θ也可以应用于正开关控制信号vg+，以改变状态。

图6是图示了用于断开无线充电器输出的过程600的流程图。在操作602处，监控电路56监控交通工具电池38的充电。在操作604处，监控电路56可以确定是否检测到充电错误。如果没有检测到这样的错误，则过程返回到操作602，并且监控电路42继续监控交通工具电池38的充电。如果检测到充电错误，则过程继续进行到操作606。作为示例，充电错误可以包括过电压、过流、微处理器监视器错误、超温、车载网络通信错误、基本单元错误和/或无线通信错误。

在操作606处，开关控制器54可以从监控电路56接收指示充电错误的错误信号ve。作为响应，在操作608处，开关控制器54可以确定从相应的电力线传感器48接收的电力线传感器电压v0+或v0-是否指示电力线导体电压vp+或vp-中的一个的零电压交叉点。如果没有，过程可以返回到操作608，并且开关控制器54可以等待直到首次传感器电压跨过零伏特。如果是，则过程继续行进到操作610。

在操作610处，当电力线传感器电压v0+或v0-指示零电压交叉点时，开关控制器54可以输出开关控制信号，使得连接到电力线的开关改变状态(例如，闭合)。例如，如果感测正电力线导体电压vp+的正电力线传感器48a的输出v0+指示正电力线导体电压vp+首先跨过零伏特时(即，在负电力线导体电压vp-之前)，开关控制器54可以导致负开关控制信号vg-到负电力线开关50b以改变状态。因此，负电力线开关50b可以在正电力线导体电压vp+的零电压交叉点期间改变状态(即，闭合)，以保护开关并提供至接地的路径以引流接收天线18中的能量。然后，该过程可以返回到操作608和操作610，以在负电力线导线电压vp-达到零电压交叉点时，类似地闭合正电力线开关50a。

可选地，如果感测负电力线导体电压vp-的负电力线传感器48b的输出v0+指示负电力线导体电压vp-首先跨过零伏特时(即，在正电力线导线电压vp+之前))，则开关控制器54可以导致正开关控制信号vg+到正电力线开关50a以改变状态。因此，正电力线开关50a可以在零电压交叉点期间改变状态(即，闭合)，以保护开关并提供至接地的路径以引流接收天线18中的能量。然后，该过程可以返回到操作608和操作610，以在正电力线导体电压vp+达到零电压交叉点时，类似地闭合负电力线开关50b。在重复操作608和操作610之后，该过程可以以操作612结束。

尽管上面描述了示例性的实施方案，但是其并不意图这些实施方案描述了本发明的所有可能的形式。而是，在说明书中使用的词是描述而不是限制的词，并且应理解，可做出各种变化而不偏离本发明的精神和范围。另外，各种实施的实施方案的特征可被组合以形成本发明的另外的实施方案。