本公开涉及一种电动交通工具电池充电保护系统。
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。感应电力传输涉及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。
理想地，交通工具的接收天线仅接收从充电垫中的发射天线传输的电力。实际上，电动交通工具的接收天线是lc谐振电路，如果信号频率接近接收天线的lc谐振频率，lc谐振电路可以接收来自任何感应电源的电力，并将其传输到牵引电池。来自杂散电源(straypowersource)的意外电力可能损坏牵引电池。交通工具侧的无线充电器中的许多控制电子设备仅在正常充电期间通过低电压电池(例如，12伏电池)来提供电力。因此，当从杂散电源接收到磁近场信号时，控制电子设备不能够断开无线充电器输出。此外，在正常无线充电期间，如果低电压电池以某种方式与无线充电器断开连接，并且控制电子设备失去电力，则充电器和源之间的无线通信也同样失去。缺少与电源的无线通信的情况下，充电操作的有效控制可能被放弃，潜在地损坏牵引电池。
概述
本公开的一个或更多个实施方案涉及交通工具充电单元，该交通工具充电单元具有无线充电器输出保护系统。交通工具充电单元可以包括电力线和整流器，电力线构造成传输在接收天线中所感应的交流电流，整流器构造成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流。交通工具充电单元还可以包括电力线开关、传感器电路、控制开关和监控电路。电力线开关可以连接到电力线并且构造成控制接收天线和整流器之间的电连接。传感器电路可以构造成检测电力线电压并使用电力线电压生成控制电压信号。监控电路可以通过控制开关选择性地连接到电力线开关。监控电路可以构造成响应于来自传感器电路的控制电压信号输出开关控制信号，使电力线开关改变状态。
根据实施方案，控制开关可以是mosfet。此外，电力线开关可以是绝缘栅双极晶体管(igbt)，绝缘栅双极晶体管具有选择性地连接到监控电路的栅极。
监控电路可以构造成在由充电基座在接收天线中所感应的电流引起的对交通工具电池的正常无线充电期间，被从传感器电路的控制电压信号通过接收天线来提供电力。控制开关可以构造成在交通工具电池的正常无线充电期间正常打开，并且阻止来自监控电路的开关控制信号到达电力线开关。控制开关可以构造成在正常无线充电期间，当低电压电池与监控电路断开时闭合。监控电路还可以构造成将停用信号无线地传输到充电基座以关闭设置在充电基座中的交流电源。
控制开关可以构造成当监控电路处于睡眠模式时闭合。监控电路可以构造成当传感器电路检测到的电力线电压是通过由杂散电源在接收天线中感应的电流引起时，从传感器电路的控制电压信号接收电力。
电力线开关可以构造成在接收到开关控制信号时闭合。电力线可以包括正电力线导体和负电力线导体。传感器电路可以连接到正电力线导体和负电力线导体中的至少一个。电力线开关可以包括正电力线开关和负电力线开关，正电力线开关和负电力线开关各自连接到正电力线导体和负电力线导体中的一个。正电力线开关和负电力线开关均可以由来自监控电路的同一开关控制信号来控制。可选地，正电力线开关和负电力线开关可以由监控电路来单独地控制。
本公开的一个或更多个另外的实施方案涉及一种用于切断无线充电器输出的方法。该方法可以包括检测电力线上的杂散电压，杂散电压通过由杂散电源在电力线中感应的交流电流生成；将电力线上的杂散电压转换成控制电压信号；使用控制电压信号为监控电路提供电力；和响应于从控制电压信号接收电力，通过监控电路将开关控制信号输出到电力线开关，使电力线开关闭合并且将在电力线中感应的交流电流转移到接地。
电力线可以连接到整流器，以用于在正常无线充电期间将交流电流整流成用于对交通工具电池充电的直流电流。通过监控电路将开关控制信号输出至电力线开关的步骤可以包括：将开关控制信号传输到连接到正电力线导体的负电力线开关，使负电力线开关闭合；以及将开关控制信号输出到连接到负电力线导体的正电力线开关，使正电力线开关闭合。
本公开的一个或更多个另外的实施方案涉及一种用于切断无线充电器输出的方法。该方法可以包括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流，该交流电流通过来自充电基座中的交流电源的发射天线中的电流在接收天线中被感应而得；使用来自电力线的电流在传感器电路处生成控制电压信号；在监控电路处检测来自低电压电池的电力失去；响应于检测到来自低电压电池的电力失去，将监控电路连接到电力线开关；和响应于从控制电压信号接收电力，通过监控电路将开关控制信号输出到电力线开关，使电力线开关闭合并且将电力线中的电流转移到接地。
该方法还可以包括响应于检测到来自低电压电池的电力失去，通过监控电路将无线停用信号传输至充电基座，以关闭设置在充电基座中的交流电源。将监控电路连接到电力线开关的步骤可以包括响应于检测到来自低电压电池的电力失去，闭合电力线开关和监控电路之间的控制开关。通过监控电路将开关控制信号输出至电力线开关的步骤可以包括：将开关控制信号传输到连接到正电力线导体的负电力线开关，使负电力线开关闭合；以及将开关控制信号输出到连接到负电力线导体的正电力线开关，使正电力线开关闭合。
附图说明
图1示出了用于利用来自充电基座的电力对电动交通工具无线充电的感应电力传输系统的示意图；
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交通工具充电单元的交通工具侧的无线充电器的框图；
图4图示了根据本公开的一个实施方案的无线充电系统的电力线电压和开关控制信号的电压波形的曲线图；
图5图示了根据本公开的另一个实施方案的无线充电系统的交通工具侧的各种电压波形的曲线图；
图6图示了描述根据本公开的一个实施方案的交通工具充电单元的方法的操作的流程图；以及
图7图示了描述根据本公开的另一个实施方案的交通工具充电单元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16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的电力用于在正常(即，预期的)无线充电期间对牵引电池/交通该工具电池充电。
然而，当交通工具12停放并且不期望正常的无线充电时，接收天线18仍然可以从除充电基座14的发射天线16之外的源接收电磁功率。如图1中所图示，位于交通工具12附近的杂散电源20(即，不需要的电源)可能发射电磁信号21。如果来自杂散电源20的电磁信号21的频率接近接收天线18的谐振频率，则它可能将不需要的电力传输到接收天线18。从杂散电源20无线传输的意外电力可能损坏牵引电池。作为示例，杂散电源20可以是大功率逆变器、闪电、不被设计为对交通工具12充电的另一无线充电器、和/或具有可发射电磁信号的电子部件的任何装置。
现在参考图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包括交流电源22、交流/直流整流器24、直流/交流电力转换器26和谐振网络28。交流电源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32处于初级线圈30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30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30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42b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-是近似180度异相的半正弦波。
交通工具充电单元34还可以包括与电力线42连接的传感器电路48，用于检测电力线电压。例如，传感器电路48可以连接到正电力线导体42a和负电力线导体42b中的至少一个，以感测接收天线输出电压。因此，传感器电路48可以检测由接收天线18输出的正电力线导体电压vp+和负电力线导体电压vp-中的一个或两个。传感器电路48还可以构造成使用在电力线42上感测的接收天线输出电压来生成低电压输出，称为控制电压信号v低。例如，传感器电路48可以构造成将正电力线导体电压vp+或负电力线导体电压vp-转换成控制电压信号v低。
交通工具充电单元34还可以包括连接到电力线42的电力线开关50，电力线开关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，电力线开关50可以包括一对电力线开关，例如正电力线开关50a和负电力线开关50b。如所示出的，正电力线开关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，负电力线开关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，电力线开关50a和电力线开关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。可以通过闭合电力线开关50a和电力线开关50b并为电力线42中的电能提供至接地的直接路径来关停输出到交通工具电池38的无线充电器输出40(v输出)，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，每个电力线开关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)。正电力线开关50a和负电力线开关50b可以使用控制电压信号v低通过监控电路54来控制。监控电路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监控电路54处接收的输入来控制电力线开关50的状态(即，打开/闭合)的专用控制器/控制电路。
在正常无线充电操作期间，监控电路54可以经由传感器电路从接收天线18接收电力。交通工具充电单元34的其它控制部件可以从交通工具12的低电压电池56(例如，12伏铅酸电池)接收电力。在这种正常的无线充电操作期间，交通工具充电单元34可以经由诸如wifi、蓝牙等近场通信协议与充电基座14通信，包括发送无线通信信号以激活/停用交流电源22。当不执行正常无线充电时，交通工具充电单元34的控制部件可以进入睡眠模式，并且不从低电压电池56接收电力。
监控电路54可以经由控制开关58选择性地连接到电力线开关50。控制开关58可以由低电压电池56控制。当低电压电池56“接通”(即，v电池为高电平)时，控制开关58可以在正常无线充电期间打开(即，关断)，将监控电路54与电力线开关50断开(即，开关50a和开关50b关断或打开)。在没有低电压电池56的情况下，控制开关58可以被强制闭合。例如，当低电压电池56“关断”(v电池＝0)时(例如，当正常无线充电没有发生时，或者当监控电路在正常无线充电期间失去与低电压电池56的连接时)，控制开关58可以闭合(即，接通)，从而将监控电路54连接到电力线开关50。在任一种情况下，传感器电路48可以为监控电路54提供控制电压信号v低。在某些情况下，控制电压信号v低可用于在没有低电压电池56的情况下控制电力线开关50。根据实施方案，控制开关58可以是mosfet。
如前所描述，接收天线18可以从不需的源(例如，杂散电源20)接收电磁信号21。在这种情况下，由于不需要的电磁场在接收天线18中感应的交流电流可以通过电力线42被整流并充电到交通工具电池38中，这可能对电池和高功率电子设备造成损坏。为了避免损坏，可以通过闭合电力线开关50a和50b并为电力线42中的电能提供至接地的直接路径来关停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。
因此，如果发生不需要的充电事件，传感器电路48可以检测由杂散电源20生成的电力线电压，并将该电力线电压转换成可以供应给监控电路54的低电压输出(即，控制电压信号v低)。因此，在控制开关58闭合的情况下，电力线42中的不需要的电能可用于为监控电路54提供电力，使得监控电路54可传递开关控制信号vg，从而闭合电力线开关50并关停无线充电器输出40。当控制电压信号v低达到电压阈值时，可以触发开关控制信号vg。可选地，在igbt开关的情况下，开关控制信号vg可以跟踪控制电压信号v低，并在栅极电压超过igbt开关阈值时使电力线开关50闭合，从而在集电极和发射极之间提供至接地的路径。这可以快速有效地关停无线充电器输出40，以保护交通工具电池38免受由接收天线18生成的不需要的交流电流导致的损坏。监控电路54可以使用同一开关控制信号vg来控制正电力线开关50a和负电力线开关50b。可选地，监控电路54可以将不同的开关控制信号输出到正电力线开关50a和负电力线开关50b，以单独地控制它们。
如前所描述，在正常无线充电操作期间，监控电路54可以经由传感器电路48的控制电压信号v低从接收天线18接收电力。如果在正常充电操作期间，低电压电池56与交通工具充电单元34断开，则交通工具充电单元34可能不能够与充电基座14通信以停止充电操作。没有无线通信，可能失去对充电操作的适当控制，潜在地对交通工具电池38造成损坏。为了防止这种情况发生，监控电路54还可以构造成响应于失去低电压电池56而接通(闭合)电力线开关50，以为电力线42中的电能提供至接地的路径，有效地将整流器44与接收天线18断开。当低电压电池56在正常无线充电期间失去时，控制开关58闭合，允许由传感器电路48使用电力线电压生成的控制电压信号v低经由监控电路54控制电力线开关50。即，在控制开关58闭合的情况下，监控电路54可以将开关控制信号vg传递给电力线开关50，使它们闭合。监控电路54还可以将无线停用信号传输至充电基座14，指令充电基座14关停交流电源22。
图4示出了时序图，该时序图描绘了当交通工具充电单元34从杂散电源20接收电力时，无线充电系统的各种电压波形的示例。曲线400a示出了当无线充电器没有实施对交通工具电池38充电时，低电压电池电压v电池的波形。如所示出的，低电压电池电压是零伏特。因此，控制开关58可以接通(即，闭合)。
曲线400b图示了穿插在一起(interposedtogether)的正电力线电压vp+和负电力线电压vp-的波形。实线表示正电力线电压vp+，而虚线表示负电力线电压vp-。在时刻t1，接收天线18可以从发射天线16以外的源，例如杂散电源20接收电磁信号21并开始在电力线42上生成电流。例如，负电力线电压vp-可以在t1处出现在的负电力线导体42b上。传感器电路48可以检测负电力线电压vp-并使用电力线电压生成控制电压信号v低。来自传感器电路48的控制电压信号v低可以为监控电路54提供电力。
如曲线400c中所图示，响应于接收到控制电压信号v低，监控电路54可以在t1附近开始生成开关控制信号vg。注意，在t1，开关控制信号vg可能低于电力线开关50的阈值电压vth，并因此不能够闭合电力线开关50来有效地将电力线42与整流器44断开。开关控制信号vg的电压可以继续上升，同时杂散电源20在接收天线18中继续感应不需要的电流。在时刻t2，开关控制信号vg可以足够强足以闭合电力线开关50(例如，超过igbt栅极处的阈值电压vth)。随着电力线开关闭合，电力线导体42在t2附近接地。因此，交通工具电池38可以有效地与接收天线18断开，并从而防止来自杂散电源20的不需要的电力。曲线400d示出了无线充电器输出40处的输出电压v输出。由于杂散电压出现在电力线42上，输出电压v输出可以上升，直到t2(当交通工具电池38与接收天线18有效地断开时)。
图5图示了根据本公开的另一实施方案的绘制无线充电系统的交通工具侧的各种电压波形的时序图。曲线500a图示了当交通工具电池38在正常充电操作下充电时，穿插在一起的正电力线电压vp+和负电力线电压vp-的波形。实线表示正电力线电压vp+，而虚线表示负电力线电压vp-。例如，电力线电压vp+和vp-可以都是约180度异相的半正弦波。曲线500b图示了低电压电池电压v电池的波形。在正常操作期间，低电压电池56(在图3中)为交通工具充电单元34供应低电压电池电压v电池以为控制电子设备提供电力。如时刻t3处所示，低电压电池电压v电池可以下降到表示低电压电池56与交通工具充电单元34断开的约零伏特。由于已经从低电压电池56失去了电力供应，交通工具充电单元34不能够与充电基座14通信。为了在这种情况发生时保护交通工具电池38，监控电路54可以还构造成通过闭合电力线开关50来关断无线充电器输出40。例如，当来自低电压电池56的电力失去时，车载电源(未示出)可以保持其输出电压持续一段时间(例如，约50毫秒)。在该时间期间，交通工具充电单元34可以将无线通信传输至充电基座14，指令交流电源22停止输送电力。一旦车载电源电压下降到零，控制开关58可以接通(即，闭合)，允许监控电路54响应于来自传感器电路48的控制电压信号v低来控制电力线开关50。基于控制电压信号，监控电路54可以将开关控制信号vg输出至电力线开关50，如曲线500c中所图示的，以闭合(接通)开关，有效地将电力线42接地。因此，接收天线18中感应的电流可以通过电力线开关50转移到接地52。
图6是示出当检测到杂散电力时，用于切断无线充电器输出的过程600的流程图。在操作602处，交通工具充电单元34的传感器电路48可以检测由杂散电源20在电力线中感应的交流电流生成的电力线42上的不需要的电压。当交通工具充电单元34处于睡眠模式时(即，交通工具电池38没有被有意地充电)，可以检测来自杂散电源20的不需要的电压。在操作604处，传感器电路48可以将电力线42上不需要的电压转换成低电压输出(即，控制电压信号v低)。如在操作606处提供的，控制电压信号v低可以供应至监控电路54以为监控电路54提供电力。在操作608处，监控电路54可以响应于从控制电压信号v低接收电力，将开关控制信号vg输出至电力线开关50。例如，监控电路54可以将开关控制信号vg输出到连接到正电力线导体42a的负电力线开关50b和连接到负电力线导体42b的正电力线开关50a。开关控制信号vg可以使电力线开关50闭合并将电力线42中感应的交流电流转移到接地，有效地关停无线充电器输出40。
图7是图示了过程700的流程图，过程700用于在正常无线充电期间，当低电压电池56与交通工具充电单元34断开时，切断无线充电器输出40。在正常无线充电期间，充电基座14中的交流电源22可以为发射天线16提供电流，以用于在接收天线18中感应交流电流，交流电流然后被提供给电力线42。在操作702处，电力线42中的交流电流可以被整流成直流电流，以用于对交通工具电池38充电。在操作704处，传感器电路48可以使用来自电力线42的电流生成控制电压信号v低。在正常无线充电期间，电力线开关50和监控电路54之间的控制开关58可以打开，阻断来自监控电路54的开关控制信号vg。交通工具充电单元34可能需要来自低电压电池56的电力以控制充电操作。在操作706处，交通工具充电单元34可以检测来自低电压电池56的电力失去。如在操作708处提供的，在检测到低电压电池56的失去时，控制开关58可以闭合，并且监控电路54可以使用控制电压信号v低来控制电力线开关50。此外，在操作710处，交通工具充电单元34(例如，监控电路54)可以向充电基座14传输无线停用信号以关停充电基座中的交流电源22。
在操作712处，监控电路54可以响应于从控制电压信号v低接收电力，将开关控制信号vg输出至电力线开关50。例如，监控电路54可以将开关控制信号vg输出到连接到正电力线导体42a的负电力线开关50b和连接到负电力线导体42b的正电力线开关50a。开关控制信号vg可以使电力线开关闭合并将电力线42中感应的交流电流转移到接地，有效地关停无线充电器输出40。
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。