具有广义谐波电流的无线电力传输的制作方法

本公开涉及经由无线电力传输进行的电池充电。

背景技术：

汽车电气化的提高增加了对支持汽车电气化的可用充电站的需求。这种充电站可以提供插电(有线)或无线选项。

技术实现要素：

一种无线充电装置具有初级侧电路，所述初级侧电路包括电压源、开关和被布置成与次级线圈耦合的初级线圈，并且被配置成在从初级线圈向次级线圈传输电力时形成串联谐振转换器。所述无线充电装置还包括控制器，所述控制器被配置成选择性地启动所述开关以引起所述传输，使得对于每个基波周期，一对连续的有效谐振周期具有相同的极性。

一种无线充电器具有初级侧电路，所述初级侧电路包括开关和被布置成与次级线圈耦合的初级线圈，并且被配置成在传输电力时形成串联谐振转换器。无线充电装置还包括控制器，所述控制器被配置成选择性地启动开关以引起传输，使得对于每个基波周期，谐振周期的总数量与有效谐振周期总数量的商具有非整数值。

一种无线充电器具有初级侧电路，所述初级侧电路包括开关和被布置成与次级线圈耦合的初级线圈，并且被配置成在传输电力时形成串联谐振转换器。所述无线充电器还包括控制器，所述控制器被配置成选择性地启动开关以引起传输，使得对于每个基波周期，谐振周期的总数量与有效谐振周期的总数量的商具有大于一的整数值，并且有效谐振周期的总数大于一。

附图说明

图1是无线电力传输系统的示意图。

图2a是图1的开关元件的启动时序的曲线图。

图2b是根据图2a的启动时序，由开关元件的操作产生的图1的vab和ip对时间的曲线图。

图2c是根据图2a的启动时序，由开关元件的操作产生的图1的vo对时间的曲线图。

图3a是比较用于经由基波电流进行电力传输的图1的vab和ip的波形的曲线图。

图3b和图3c是比较分别经由第三阶固定谐波电流和第五阶固定谐波电流进行电力传输的图1的vab和ip的波形的曲线图。

图4a和图4b是比较用于经由3x广义谐波电流进行电力传输的图1的vab和ip的波形的曲线图。

图5a到图5e是比较用于经由2x广义谐波电流进行电力传输的图1的vab和ip的波形的曲线图。

图6a和图6b是比较用于经由1.5x广义谐波电流进行电力传输的图1的vab和ip的波形的曲线图。

图7a是图1的开关元件的启动时序的另一曲线图。

图7b是根据图7a的启动时序，由开关元件的操作产生的图1的vab和ip对时间的曲线图。

图7c是根据图7a的启动时序由开关元件的操作产生的图1的is对时间的曲线图。

图7d是根据图7a的启动时序，由开关元件的操作产生的图1的vo对时间的曲线图。

具体实施方式

本文中描述了本公开的各种实施例。然而，所公开的实施例仅仅是示例性的，并且其他实施例可以采取未明确示出或描述的各种和替代形式。这些附图不一定按比例绘制；某些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域普通技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任何一个附图示出和描述的各种特征可以与一个或多个其他附图中示出的特征进行组合以产生未明确示出或描述的实施例。所示出的特征的组合提供用于典型应用的代表性实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和修改可被期望用于特定应用或实现方式。

无线电力传输是用于电动车辆(ev)和插电式混合动力电动车辆(phev)充电的便利且可能的自主装置。图1示出了具有串联谐振转换器(src)架构的典型无线电力传输电路10。无线电力传输电路10包括初级侧12和次级侧14。初级侧12包括电压源16、开关元件18a-18d、电容器20和初级线圈21。初级线圈21被表示为初级侧漏电感22、磁化电感24和绕组26。初级侧12还包括控制器27。电压源16和开关元件18a-18d是并联的。电容器20和初级侧漏电感22是串联的。并且磁化电感24和绕组26是并联的。控制器27控制开关元件18a-18d的操作。

次级侧14包括次级线圈28。次级线圈28由绕组29和次级侧漏电感30表示。次级侧14还包括电容器32、形成整流器的二极管34、电容器36和电阻器38。绕组29、次级侧漏电感30和电容器32是串联的。并且二极管34、电容器36和电阻器38是并联的。如本领域普通技术人员显而易见的，初级线圈21和次级线圈28形成变压器40。

图2a-2c示出了无线电力传输电路10的典型操作。本文中，vin是电压源16的电压，vab是开关元件18a-18d的输出端的电压，ip是初级线圈21的电流，且vo是电阻器38两端的电压。图2a详述了控制器27用于产生图2b的交变方波vab和在电阻器38两端产生的通常恒定输出vo的开关方案。控制器27交替地启动开关元件18a、18d和开关元件18b、18c。也就是说，当开关元件18a、18d接通时，开关元件18b、18c断开，反之亦然。因此，图2a-2c示出了经由基波电流的无线电力传输。

可能希望以高谐振频率操作无线电力传输电路10，以减小无源元件的尺寸和成本。对于具有较高电力水平(例如，若干千瓦特)的ev/phev充电器，高电流igbt而不是mosfet通常用作开关元件18a-18d(其可以仅操作高达约20khz)。因此，谐振/工作频率通常受到电力器件的限制。

一些人建议经由奇数阶谐波电流(例如，第三、第五、第七等)进行无线电力传输。与经由如图2a-2c中所示的基波电流进行的电力传输相比，此技术的系统谐振/操作频率比电力装置开关频率高q倍(其中q等于谐波阶)。因此，它具有较高的谐振频率，以减小无源元件的尺寸和成本，同时实现相对较低的开关频率。此外，可以通过选择不同阶谐波同时使软开关保持在全操作区域来实现负载调节和输入电压调节。图3a-3c示出了经由基波电流进行的电力传输与经由第三谐波电流和第五谐波电流进行的电力传输相比的比较。

由于src电路的谐波选择特性，不同电压模式下的谐振电流频率将保持不变。因此，通过重新布置具有有效电压输出(vab＝+vdc或-vdc)的有效谐振周期的位置和数量，我们提出了使用除了参考图3a-3c所讨论的固定奇数阶谐波电流之外的谐波电流来实现无线电力传输的额外的非预期方式。

由于本文中的谐波概念不同于常规谐波概念，因此我们将广义谐波阶x定义为谐振周期的总数除以一个基波周期上的有效谐振周期的总数。同样，有效谐振周期意味着具有有效电压输出的谐振周期。

图4a和图4b示出了通过相对于固定奇数阶谐波实现方式重新布置有效电压周期的位置，进行具有不同实现方式的3x广义谐波阶的无线电力传输。在图4a中，一个基波周期由六个谐振周期和两个相反极性的有效谐振周期组成。有效谐振周期彼此邻近。在图4b中，一个基波周期由十八个谐振周期和六个有效谐振周期(两组三个)组成。在每个组中，有效谐振周期再次彼此邻近但不是必须的。所有这种实现方式都具有相同的电力传输和相同的输出电压。

类似地，通过重新布置有效电压周期的位置和数量，不同的广义谐波阶是可能的。n大于或等于1的任何nx广义谐波阶都是可能的。n值越小，用于电力传输的有效电压状态越多，这将导致更多的传输电力、更少的周期电流以及更高的效率。预期的广义谐波阶提供了更大的灵活性，其可用于负载调节和电压调节，同时使软开关保持在全操作区域。

图5a-5e示出了通过相对于固定奇数阶谐波实现方式重新布置有效电压周期的位置，具有不同实现方式的2x广义谐波阶的无线电力传输。在图5a中，一个基波周期由四个谐振周期和两个相反极性的有效谐振周期组成。有效谐振周期彼此邻近。在图5b中，一个基波周期由六个谐振周期和三个有效谐振周期组成。这三个有效谐振周期中的两个彼此邻近并且具有相反的极性。在图5c中，一个基波周期由六个谐振周期和三个有效谐振周期组成。这三个有效谐振周期彼此邻近并且具有交变极性。在图5d中，一个基波周期由六个谐振周期和三个有效谐振周期组成。类似于图5b，三个有效谐振周期中的两个彼此邻近且具有相反的极性。然而，与图5b不同，邻近的相反极性的有效谐振周期发生在第三有效谐振周期之前。这三个有效谐振周期彼此邻近并且具有交变极性。在图5e中，一个基波周期由八个谐振周期和四个有效谐振周期组成。有效谐振周期彼此邻近并且具有交变极性。所有这种实现方式都具有相同的电力传输和相同的输出电压。与图2b的基波电流的结果相比，较少的电力传输到次级侧14，从而导致较低的vo。

图6a和图6b示出了通过相对于固定奇数阶谐波实现方式重新布置有效电压周期的位置，具有不同实现方式的1.5x广义谐波阶的无线电力传输。在图6a中，一个基波周期由六个谐振周期和四个有效谐振周期组成。有效谐振周期在邻近的两对中具有相反的极性。在图6b中，一个基波周期由六个谐振周期和四个有效谐振周期组成。有效谐振周期彼此邻近并且具有交变极性。所有这种实现方式都具有相同的电力传输和相同的输出电压。

值得注意的是，与基波阶和固定奇数阶谐波电力传输不同，某些实现方式具有相同极性的连续有效谐振周期。例如，图5b的前两个有效谐振周期具有相同的极性。图6a的第二有效谐振周期和第三有效谐振周期也是如此。

图7a-7d示出了用于产生图5a的2x广义谐波阶的无线电力传输电路10的操作。同样，vin是电压源16的电压，vab是开关元件18a-18d的输出端的电压，ip是初级线圈21的电流，且vo是电阻器38两端的电压。此外，is是次级线圈28的电流。图7a详述了控制器27用于产生图7b的新方波vab，图7c的交流电流is以及图7d的电阻器38两端产生的大致恒定输出vo的开关方案。

在一个基波周期的第一个四等分和第二个四等分期间，控制器27命令开关元件18a、18b断开并且开关元件18c、18d接通。在第三个四等分期间，控制器27命令开关元件18a接通，开关元件18c断开，并且使开关元件18b、18d保持在当前状态。在第四个四等分期间，控制器27命令开关元件18a、18d断开并命令开关元件18b、18c接通。从上面的示例中，经由本文中设想的广义谐波阶进行无线电力传输的类似开关方案是显而易见的。

用于src架构的常规频率调制可能牺牲软开关以实现负载调节或输入电压调节。然而，在本文中经由广义谐波阶的无线电力传输的情况下，经由选择适当的谐波来实现负载调节和输入电压调节，同时维持软开关。因此，src开关在全操作区域中损耗几乎为零。

所公开的过程、方法、逻辑或策略可以交付给处理装置、控制器或计算机和/或由处理装置、控制器或计算机实现，处理装置、控制器或计算机可以包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，过程、方法、逻辑或策略可以以多种形式存储为可由控制器或计算机执行的数据和指令，包括但不限于永久存储在各种类型的制造品上的信息，这些制造品可以包括永久不可写存储介质(诸如rom装置)，以及可替换地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、cd、ram装置以及其他磁介质和光介质)上的信息。过程、方法、逻辑或策略也可以在软件可执行对象中实现。替代地，它们可全部或部分地使用合适的硬件部件来体现，诸如专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、状态机、控制器或其他硬件部件或装置，或硬件、软件和固件部件的组合。

本说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应理解，在不脱离本公开和权利要求的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。例如，图1的src架构可以根据操作和封装要求采取各种形式。在车辆充电的背景下，初级侧12和控制器27可以形成充电站的一部分。并且次级侧14可以由车辆承载。同样如之前所提到的，图4a-6b的广义谐波阶不是穷尽性的。例如，2.5x广义谐波阶是可能的。这种阶可以具有10个谐振周期和4个有效谐振周期的基波周期。其他也是可以想到的，等等

如前所述，各种实施例的特征可被组合以形成可能未明确描述或示出的另外的实施例。虽然各种实施例可能已经被描述为相对于其他实施例或现有技术实现方式在一个或多个期望的特性方面提供了优点或者是优选的，但是本领域的普通技术人员认识到，可能损害一个或多个特征或特性以实现期望的总体系统属性，这取决于具体应用和实现方式。这些属性包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、适用性、重量、可制造性、组装方便性等。因此，对于一个或多个特性而言，被描述为不如其他实施例或现有技术实现方式所期望的实施例不在本公开的范围之外，并且对于特定应用而言可能是期望的。