用于无线电能传输系统的品质因素确定设备和方法与流程

1.本发明涉及品质因素确定设备和方法，特别的，涉及一种用于无线电能传输系统的品质因素确定设备和方法。


背景技术：

2.随着技术的进步，无线电能传输已经成为移动终端，例如移动电话、平板电脑、数码相机、mp3播放器和/或其他类似终端的用于提供电能或对电池充电的有效和方便的机制。一个无线电能传输系统典型地包括一原边侧发射器以及一副边侧接收器。所述原边侧发射器与所述侧级侧接收器通过磁耦合进行磁性耦合连接。所述磁耦合可实现为一具有形成在原边侧发射器的原边侧线圈以及一形成于所述副边侧接收器中的副边侧线圈的松耦合变压器。
3.所述原边侧发射器可包括一功率转换单元，例如包括一功率转换器的原边侧。所述功率转换单元与一电源耦合且能够将电能转换为无线电能信号。所述副边侧接收器可通过所述松耦合变压器接收所述无线电能信号，并将接收到的无线电能信号转换为适合负载的电能。
4.在一无线电能传输系统中，电能传输通常发生在所述原边侧发射器和所述副边侧接收器之间。如果有外部物体位于所述原边侧发射器以及所述侧级侧接收器之间或者靠近所述原边侧发射器以及所述副边侧接收器，将产生不必要的能量损耗，从而降低所述无线电能传输系统的电能传输效率。而由于电能传输效率已经变得更加重要，有需要去提供一简单且可靠地侦测外部物体的侦测装置和方法，以在各种工作条件下提供快速以及准确的解决方案。


技术实现要素：

5.本技术的实施例提供一用于无线电能传输系统的功率因子确定设备，解决或避免上述以及其他问题，以及实现相应的技术效果。
6.根据一实施例，一种方法包括：向包括第一线圈和电容器的谐振回路施加包括电压阶跃的激励；将具有谐振衰减包络的阻尼正弦波形与预定阈值电压进行比较，并检测所述阻尼正弦波形的值等于预定阈值电压时的最后时刻；基于从所述最后时刻导出的多个参数计算所述谐振回路的品质因素；以及基于所述品质因素确定是否有外部物体磁耦合至所述第一线圈。
7.根据另一实施例，一种方法包括：将直流电压源连接至无线电能传输系统的功率级，将所述直流电压源与功率级断开，其中，在断开所述直流电压源之后，在无线电能传输系统的谐振回路中产生阻尼正弦波形；检测阻尼正弦波形的值等于预定阈值电压时的最后时刻；并基于从所述最后时刻导出的多个参数计算所述谐振回路的品质因素。
8.根据又一个实施例，一种设备包括：功率转换装置，耦合至包括串联连接的电容和第一线圈的谐振回路；以及控制器，用于为通过所述功率转换装置向所述电容和所述第一
线圈施加激励，检测具有谐振衰减包络的信号，将所述信号与预定阈值电压进行比较，并检测所述信号的值等于预定阈值电压时的最后时刻，其中，所述控制器被配置根据所述最后时刻确定品质因素。
9.前述内容已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解的本技术随后的详细描述。在下文中将描述形成本技术的权利要求的主题的附加特征和优点。本领域技术人员应该理解，所公开的概念和特定实施例可以容易地用作为通过修改或设计其他结构或过程的基础，来实现本技术的相同目的。本领域技术人员还应该认识到，这样的等同构造不脱离所附权利要求书中阐述的本公开的精神和范围。
附图说明
10.为了更好地理解本技术的技术方案以及效果，现在结合说明书描述以及以下的附图来作为参考，其中：
11.图1示出了本技术的各种实施例中的无线电能传输系统的框图；
12.图2示出了本技术的的各种实施例的图1所示的无线电能传输系统的示意图；
13.图3示出了本技术的各种实施例的用于将激励施加到图1所示的无线电能传输系统的谐振回路的设备；
14.图4示出了本技术的各种实施例的用于将激励施加到无线电能传输系统的谐振回路的设备的示意图；
15.图5示出了本技术的各种实施例的具有谐振衰减包络的信号；以及
16.图6示出了本技术的各种实施例的用于计算图1所示的无线电能传输系统的品质因素的方法的流程图。除非另外指出，不同附图中的相应数字和符号通常指代相应的部分。所述附图的绘制是用于清楚地示出各种实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。
具体实施方式
18.下面详细讨论本技术优选实施例的制造和使用。然而，应当理解，本公开提供了许多可应用的发明构思，其可以在各种各样的特定上下文中体现。所讨论的特定实施例仅说明制造和使用本技术的特定方式，并且不限制本技术的范围。
19.本技术，即用于无线电能传输系统的品质因素确定装置将在特定上下文中针对优选实施例进行阐述。但是，本发明也可以应用于各种电能系统中。在下文中，将参考附图详细解释各种实施例。
20.图1示出了本技术的各种实施例中的无线电能传输系统的框图。所述无线电能传输系统100包括级联在输入电源102和负载114之间的功率转换器104以及无线电能传输装置101。所述无线电能传输装置101包括发射器110以及接收器120。如图1所示，所述发射器110包括级联连接的发射器电路107以及发射器线圈l1。所述发射器电路107的输入与所述功率转换器104的输出耦接。所述接收器120包括级联连接的接收器线圈l2以及整流器112。所述整流器112的输出与所述负载114耦接。
21.当所述接收器120靠近所述发射器110放置时，所述发射器110通过磁场与所述接收器120磁性耦合。所述为所述发射器110的一部分的发射器线圈l1与所述为所述接收器
120的一部分的接收器线圈，形成一松耦合变压器115。由此，电能能够从所述发射器110传输至所述接收器120。
22.在一些实施例中，所述发射器110可位于一充电板内。所述发射器线圈放置于所述充电板的上表面的下方。所述接收器120可嵌入一移动电话内。当所述移动电话靠近所述充电板放置时，所述发射器线圈与所述接收器线圈之间的磁耦合将会被建立。换句话说，通过所述发射器110与所述接收器120之间发生的电能传输，所述发射器线圈与所述接收器线圈可形成一松耦合变压器。所述发射器线圈l1和所述接收器线圈l2之间的耦合强度可被量化为耦合系数k。在一些实施例中，k的范围为大约0.05至大约0.9。
23.在一些实施例中，在所述发射器线圈l1和所述接收器线圈l2建立磁性耦合连接后，所述发射器110与所述接收器120可形成一个电能系统，通过所述电能系统，来自输入电源102的电能可被无线传输至所述负载114。
24.所述输入电源102可为一用于将市电电压转换为直流(direct-current,dc)电压的电源适配器。在另一些实施例中，所述输入电源102可为可再生电源，例如为太阳能电池板。进一步的，所述输入电源102还可以为能量存储装置，例如，可充电电池，燃料电池和/或其他类似的能量存储装置。
25.所述负载114可表示与所述接收器120耦接的移动装置(例如，一移动电话)所消耗的电能，在另一些实施例中，所述负载114可指的是与所述接收器120的输出耦接的一个可充电电池和/或多个串联或并联的可充电电池。
26.根据一些实施例中，所述发射器电路107可包括一全桥功能转换器的多个原边侧开关。所述全桥也可以称为h-桥。在另一些实施例中，所述发射器电路107可包括其他类型的转换器的多个原边侧开关，例如包括半桥转换器、推挽式转换器等的多个原边侧开关。所述发射器电路107的更具体的配置将在下面结合图2进行描述。
27.应当注意的是，以上描述的转换器仅仅是一些例子。本领域技术人员可以了解的是其他合适的功率转换器，例如基于e类拓扑的功率转换器(例如e类放大器)，也可以选择被使用。
28.所述发射器电路107可进一步包括谐振电容。所述谐振电容以及发射器线圈的磁感可形成一谐振回路。根据设计需求以及不同的应用，所述谐振回路可进一步包括谐振电感。在一些实施例中，所述谐振电感可使用外部电感来实现。在另一些实施例中，所述谐振电感可使用连接线来实现。
29.所述接收器120包括所述接收器线圈l2，所述接收器线圈l2在所述接收器120靠近所述发射器110放置后，与所述发射器线圈l2磁性耦合。由此，电能可被传输至所述接收器线圈，并进一步通过所述整流器112传输至所述负载114。所述接收器120可包括次级谐振电容。
30.所述整流器112将从接收器线圈l2接收的交流极性波形转换为单极性波形。在一些实施例中，所述整流器112可为包括四个开关的同步整流器。在另一些实施例中，所述整流器112包括全波二极管桥以及输出电容。
31.进一步的，所述同步整流器可有任意的可控器件形成，例如可为金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)器件，双极结型晶体管(bjt)器件，超结型晶体管(sjt)器件，绝缘栅双极型晶体管(igbt)器件，基于氮化镓(gan)的功率器件等。所述整流器112的具体结构
将在下面结合图2进行说明。
32.所述功率转换器104耦接于所述输入电源102与所述无线功率传输装置101的输入之间。根据设计需要以及不同的应用，所述功率转换器104可包括多种不同的配置。在一些实施例中，所述功率转换器104可为非隔离式功率转换器，例如降压转换器。在一些实施例中，所述功率转换器104可为线性稳压器。在一些实施例中，所述功率转换器104可为隔离式功率转换器，例如为正向转换器。
33.上述的所述功率转换器的实现方式仅仅是举例，其并不应当用来限制权利要求的范围。本领域技术人员能够了解到其他变型、替代和修改方案。进一步额，根据不同的应用以及设计需要，所述功率转换器104可为所述无线电能传输系统100中的可选择的元件。换句话说，所述输入电源102可与所述发射器电路107直接连接，而无需所述功率转换器104。
34.图2示出了本技术的的各种实施例的图1所示的无线电能传输系统的示意图。如图2所示，所述无线电能传输装置101包括级联连接的发射器电路107、谐振电容cp、松耦合变压器115、谐振电容cs以及整流器112。所述松耦合变压器115由所述发射器线圈l1以及所述接收器线圈l2构成。所述发射器电路107可被实现为如图2所示的全桥。遍及本技术说明书，图2所示的全桥可选的也可称为功率级。
35.所述全桥107包括四个开关元件，即s1、s2、s3和s4。如图2所示，所述开关元件s1和s2串联于一输入电压线vin以及地之间。所述输入电压线vin连接至如图1所示的功率转换器104的输出。类似的，所述开关元件s3和s4串联于所述输入电压线vin以及地之间。所述开关元件s1和s2的公共节点通过所述谐振电容cp耦接至所述发射器线圈l1的第一输入端。所述开关元件s3和s4的公共节点耦接至所述发射器线圈l1的第二输入端。
36.根据一些实施例，所述开关元件s1、s2、s3和s4被实现为单个mosfet或多个并联连接的mosfet，或它们的任何组合等。根据可选的实施例，所述开关元件(例如，开关s1)可以是绝缘栅双极型晶体管(igbt)器件。在另一些实施例中，主开关可以是任何可控开关，例如集成栅极换向晶闸管(igct)器件，栅极关断晶闸管(gto)器件，可控硅(scr)器件，结栅场效应晶体管(jfet)器件，mos控制晶闸管(mct)器件，基于氮化镓(gan)的功率器件等。
37.应当注意，尽管整个说明书中的示例是基于全桥转换器(例如，图2所示的全桥107)，但是图2所示的发射器电路107的实施方式可以具有许多变型，替代，和修改方案。例如，可替代地采用半桥转换器，推挽转换器，基于e类的功率转换器(例如，e类放大器)。此外，在一些应用中，当发射器线圈l1与接收器线圈l2紧密耦合时，可以形成电感器-电感器-电容器(llc)谐振转换器。
38.总而言之，这里示出的全桥107仅限于用于清楚地示出各种实施例的发明方面的目的。本发明不限于任何特定的电源拓扑。
39.应该进一步注意的是，尽管图2示出了四个开关s1-s4，但是本技术的各种实施例可以包括其他变型，修改和替代方案。例如，全桥107的每个开关还可以并联一个单独的电容。这种单独的电容有助于更好地控制全桥107的谐振过程的时序。
40.所述接收器线圈l2的输出通过所述谐振电容cs、所述整流器112以及电容co耦接至负载rl，所述整流器112将从接收线圈l2的输出接收到的交流极性波形转换为单极性波形。所述电容器co用于减少噪音并提供稳定的输出电压。所述谐振电容cs有助于实现所述无线电能传输系统的软开关。
41.在一些实施例中，所述整流器112可为同步整流器。所述整流器112包括四个开关元件s5、s6、s7以及s8。如图2所示，所述开关元件s5和s6串联于所述整流器112的输出端与地之间。类似的，所述开关元件s7和s8串联于所述整流器112的输出端与地之间。如图2所示，所述开关元件s5和s6的公共节点与所述接收器线圈l2的第一端连接。所述开关元件s7和s8的公共节点通过所述谐振电容cs与所述接收器线圈l2的第二端连接。
42.根据一些实施例，所述开关元件s5，s6，s7和s8被实现为单个mosfet，或多个并联连接的mosfet或它们的任何组合等。
43.图3示出了本技术的各种实施例的用于将激励施加到图1所示的无线电能传输系统的谐振回路的设备。所述设备包括控制器302、功率级304、偏置电压源306、电容cp以及第一线圈l1。在一些实施例中，所述功率级304可被实现为如图2所示的全桥转换器。所述偏置电压源306为用于提供直流(dc)电压的直流电源。所述直流电源用于产生施加至由所述电容cp以及所述第一线圈l1构成的谐振回路的激励。
44.如图3所示，所述功率级304通过所述电容cp与所述第一线圈l1耦接。所述控制器302与所述功率级304以及所述偏置电压源306耦接。如图3所示，所述控制器用于从所述功率级304接收各种操作参数，以及产生用于控制所述功率级304以及所述偏置电压源306的多个操作命令。
45.在运行中，外部物体(例如，硬币)可以磁性地耦合至所述第一线圈l1。为了可靠地运行无线电能传输系统，控制器302可以配置偏置电压源306和功率级304，使得将激励(例如，电压阶跃)施加到由cp和l1形成的谐振回路。对所述谐振回路施加激励的过程将在下面参照图4进行详细描述。响应于所述激励，在所述谐振回路中产生具有阻尼正弦波形的信号。所述控制器302检测该信号(例如，检测l1两端的电压)。基于检测到的信号，采用算法来计算谐振回路的品质因素。下面将参照图5详细描述用于计算谐振回路的品质因素的算法。基于所述品质因素，所述控制器302能够确定是否有外部物体磁耦合至所述第一线圈l1。
46.应该注意的是，图3所示的系统架构基于功率发送器(ptx)。图3所示的系统体系结构仅是示例，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化，替代和修改方案。例如，上述外部物体检测方法可以适用于其他无线电能传输系统，例如反向无线充电系统，在反向无线充电系统中，将移动电话的电能接收器配置为电能发射器。
47.图4示出了本技术的各种实施例的用于将激励施加到无线电能传输系统的谐振回路的设备的示意图。所述偏置电压源306用于产生预定的直流电压v
dc
。所述偏置电压源306的输出通过如图4所示的开关s0与所述功率级304耦接。
48.所述控制器302(如图3所示)配置偏置电压源306和开关s0，使得激励施加到由cp和l1形成的谐振回路。所述激励通过两个步骤施加到谐振回路。在第一步中，如虚线框402所示，开关s0被接通/导通。接通开关s0后，将v
dc
施加到谐振回路。响应所述v
dc
，电流从偏置电压源306(v
dc
)通过cp，l1和s4流到地。在第二步中，如虚线框404所示，开关s0被断开。在开关s0断开之后，所述谐振回路的两个端子接地。电流在由s2，cp，l1和s4形成的导电回路中流动。通过接通和断开所述开关s0，电压阶跃(从v
dc
到零)被施加到谐振回路的输入。响应该电压阶跃，在谐振回路中产生具有谐振衰减包络的信号。所述信号可用于计算谐振回路的品质因素。所述具有谐振衰减包络的信号将在下面参考图5进行讨论。
49.图5示出了本技术的各种实施例的具有谐振衰减包络的信号。在激励(例如，电压
阶跃)被施加至由线圈l1以及电容cp构成的谐振回路之后，所述线圈l1两端的电压具有阻尼正弦波形。所述阻尼正弦波形具有如图5所示的谐振衰减包络、
50.应当注意，图5所示的电压信号仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域的技术人员将认识到，线圈两端的电压信号仅仅是产生具有谐振衰减包络的阻尼正弦波形的一种方式，可以采用其他和替代的实施例方法。例如，信号可以是流过谐振回路的电流。所述电流具有谐振衰减包络。
51.如图5所示，t2为一最后时刻，在该时刻，所述阻尼正弦波形的值等于预定阈值电压vth。通过合适的传感器，可以测量得到t2。如图5所示，t1为是与阻尼正弦波形的峰值相对应的时间点。峰值y1是与t2相邻的最靠近t2的峰值。如图5所示，t1和t2处于阻尼正弦波形的同一个周期。
52.如图5所示，所述时刻t1可表示为:t1＝n
×
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
53.在公式(1)中,t为阻尼正弦波形的周期。t可以通过合适的传感器测量得到。n是整数。在如图5所示的示例中，n等于4。
54.所述峰值y1可表示为:
55.在公式(2)中，vth为预设阈值电压。t为所述阻尼正弦波形的周期。如图5所示，t4和t5之间的时间等于半个周期。所述y1的值可通过解析所述公式(2)得到。
56.需要注意的是，t2和t3可关于所述t1对称。所述t2和t1的差值(t2-t1)等于所述t1和所述t3的差值(t1-t3)。
57.根据所述阻尼正弦波形，所述峰值y1还可被表示为:
58.在公式(3)中，v
dc
为偏置电压源的电压。τ为阻尼正弦波形的时间常数。所述时间常数用于指示指数函数衰减的速度。
59.所述公式(3)可简化为：
60.所述公式(4)可进一步表示为：
61.根据时间常数的定义，τ可被表示为:
62.在公式(6)中，l为所述谐振回路的等效电感。r为所述谐振回路的等效电阻。通过将公式(6)代入公式(5)中，所述公式(5)可被进一步表示为如下的公式：
63.所述谐振回路的品质因素可被表示为如下的公式:
64.在公式(8)中，f是阻尼正弦波形的频率。在一些实施例中，所述阻尼正弦波形的频率等于100khz(千赫兹)。通过将公式(7)代入公式(8)中，所述谐振回路的品质因素可被表示为如下的公式：
65.在公式(9)中，t1可通过公式(1)得到。在另一方面，y1可以通过解析公式(2)得到。v
dc
为所述偏置电压源的电压。通过所述公式(9)，所述品质因素q可以被精确地计算得到。
66.在运行中，外部物体可以通过线圈l1磁性地耦合到谐振回路。外部物体可能会影响l和r的值。更具体地说，外部物体可能会降低线圈的电感并增加等效串联阻抗。这样的改变可能导致谐振回路的品质因素降低。由此，所述品质因素q的值可以指示是否有外部物体已经磁耦合至所述线圈l1。
67.在运行中，所述控制器302配置所述偏置电压源，以使得所述偏置电压源306通过所述功率级304施加激励至所述谐振回路。响应所述激励，所述谐振回路中将产生具有阻尼谐振波形的信号。根据设计需要，所述信号可为所述谐振回路的线圈两端的电压。在另一些实施例中，所述信号也可以为流过所述谐振回路的电流。
68.一合适的设备被配置为记录具有阻尼正弦波形的信号的起点(图5中的v
dc
和t0)。所述控制器被配置为提供预定阈值电压(vth)。合适的定时测量传感器被配置为测量阻尼正弦波形的谐振周期(t)。可以采用传感器来测量所述谐振回路的线圈两端的电压。所述控制器302接收测量的电压。使用一种算法来分析测得的电压(例如，图5中所示的电压波形)。所述控制器302被配置为记录阻尼正弦波形的电压等于预定阈值电压vth时的最后时刻(t2)。如公式(1)和(2)所示，所述算法能够获取t1和y1的值。所述起始点(v
dc
和t0)为已被记录的。在具有t1，y1，t0和v
dc
之后，可以通过求解公式(9)来确定品质因素q。此外，基于品质因素q的值，该算法可以进一步确定是否有外部物体已经磁耦合至线圈l。
69.使用以上讨论的算法的一个有利特征是，当品质因素较低时，该算法倾向于具有良好的准确性。例如，当外部物体磁性地耦合到线圈l时，品质因素从高品质因素值(例如，从大约50至大约60)下降到低品质因素值(例如，大约30)。在如此低的品质因素值下，常规品质因数算法的测量容差在约-4％至约4％的范围内。相反，本技术的上述品质因素算法的测量容差在大约-1％至大约1％的范围内。
70.图6示出了本技术的各种实施例的用于计算图1所示的无线电能传输系统的品质因素的方法的流程图。图6所示的流程图仅是示例，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化，替代和修改方案。例如，可以添加，移除，替换，重新排布和重复图6所示的各个步骤。
71.无线电能传输系统(例如，图1所示的无线电能传输系统)包括发射器和接收器。所述发射器包括功率级，谐振电容和发射器线圈。所述发射器线圈可替代地被称为第一线圈。所述接收器包括接收器线圈和整流器。所述接收器线圈可替代地被称为第二线圈。所述发送器线圈磁耦合至所述接收器线圈。在一些实施例中，所述发射器可以是充电板。所述接收
器可以是手机。为了检测外部物体，基于以下步骤计算无线电能传输系统的品质因素。
72.在步骤602，向包括第一线圈和电容的谐振回路施加包括电压阶跃的激励。所述激励通过两个步骤施加至谐振回路。第一步，通过接通开关而将偏置电压源连接到谐振回路，电流从偏置电压源通过谐振回路流向地。在第二步中，通过断开开关将偏置电压源与谐振回路断开，电流在由谐振回路和功率级的两个下桥臂开关形成的导电环路中流动；在断开开关之后，发射器线圈两端的电压具有阻尼正弦波形(例如，图5中所示的阻尼正弦波形)。
73.在步骤604，将阻尼正弦波形与预定阈值电压进行比较。合适的传感器被配置为检测所述阻尼正弦波形的值等于预定阈值电压时的最后时刻(例如，图5中的t2)。
74.在步骤606，基于从最后时刻导出的多个参数(例如，图5中的t1和y1)来计算谐振回路的品质因素。如以上关于图5所讨论的，t2是最后时刻。基于t2，可以从等式(1)计算t1。基于t1，t2和预定阈值电压vth，可以从等式(2)计算出y1。基于t1和y1，可以根据公式(9)计算谐振回路的品质因素。
75.在步骤608中，控制器被配置为基于谐振回路的品质因素来确定是否有外部物体磁耦合至发射器线圈。在一些实施例中，所述谐振回路的品质因素的降低可以指示有外部物体磁性耦合到所述发射器线圈。
76.尽管已经详细描述了本技术的实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在此进行各种改变，替换和变更。
77.此外，本技术的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域的普通技术人员将从本公开的公开内容中容易地理解的是，目前存在或以后将要开发的，执行基本相同功能的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤，可以使用与本技术相关的实施例所描述的实施例或与本文描述的相应实施例基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在将这样的过程，机器，制造，物质组成，手段，方法或步骤包括在它们的范围内。