用于感应电力传输的双侧控制的制作方法
【专利摘要】一种用于双侧控制的设备，该设备包括测量IPT系统104的电压和电流的测量模块202。该电压包括输出电压和/或输入电压，并且该电流包括输出电流和/或输入电流。该输出电压和该输出电流是在IPT系统104的输出处测得的，并且该输入电压和该输入电流是在IPT系统104的输入处测得的。该设备包括确定IPT系统104的最大效率的最大效率模块204。该最大效率模块使用IPT系统104的参数来迭代至最大效率。该设备包括调整IPT系统104中的一个或多个参数使之与由最大效率模块204计算出的该最大效率相一致的调整模块206。
【专利说明】用于感应电力传输的双侧控制
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求保护并且由Hunter Wu等人于2012年I月23日提交的标题为“WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM AND METHODS” 的美国临时专利申请第 61/589，599 号的权益，上述申请出于全部目的通过引用合并到本文中。将由Hunter Wu等人于2013年I月23日提交的标题为“SWITCH WEAR LEVELING”的美国专利申请第13/748，074号以及由Hunter Wu 等人于 2013 年 I 月 23 日提交的标题为“WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM”的美国临时专利申请第13/748，269号出于全部目的通过引用合并到本文中。
【技术领域】
[0003]本发明涉及对开关电力供应的控制，并且更具体地涉及对感应电力传输(“IPT”)系统中的开关电力供应的控制。
【发明内容】
[0004]一种用于双侧控制的设备，该设备包括测量IPT系统的电压和电流的测量模块。该电压包括输出电压和/或输入电压，并且该电流包括输出电流和/或输入电流。该输出电压和该输出电流是在该IPT系统的输出处测得的，并且该输入电压和该输入电流是在该IPT系统的输入处测得的。该设备包括确定该IPT系统的最大效率的最大效率模块。该最大效率模块使用该IPT系统的参数来迭代至最大效率。该设备包括调整该IPT系统中的一个或多个参数使之与由该最大效率模块计算出的该最大效率相一致的调整模块。
[0005]在一个实施方式中，该IPT系统包括第一级和第二级，该第一级无线地传送能量，并且该第二级接收无线地传输的能量并且控制经由输出母线向一个或多个负载的能量传输。输出电压和输出电流是在该输出母线上测得的。在另一实施方式中，该第一级包括LCL负载谐振转换器，并且该第二级包括次级谐振电路、次级整流电路和/或次级去耦电路。在另一实施方式中，至少一个负载包括能量存储装置。
[0006]在一个实施方式中，由调整模块调整了的一个或多个参数包括调整第二级的占空比的占空比基准和/或调整第一级的导通角的导通角基准。在又一实施方式中，调整占空比基准的和/或导通角基准的调整模块是外控制环的部分，其中，第一级包括基于导通角基准控制导通角的第一级内环并且第一级内环比外环控制更快地控制导通角，并且/或者第二级包括基于占空比基准控制占空比的第二级内环并且第二级内环比外环控制更快地控制占空比。
[0007]在一个实施方式中，最大效率模块通过使用一个或多个变量进行迭代来确定最大效率。该一个或多个变量包括:第一级的导通角，第二级的占空比，间隙的尺寸，其中IPT系统跨该间隙无线地传输电力，初级接收器垫和次级接收器垫的失准，其中IPT系统从初级接收器垫向次级接收器垫无线地传输电力，被传输至该一个或多个负载的电力和/或品质因数。
[0008]在一个实施方式中，该最大效率模块通过针对测得的电压和电流确定至少第一级和第二级的效率来确定最大效率。在另一实施方式中，最大效率模块确定最大效率，其中IPT系统的效率计算为η = nri.ncl.nr2.nb2.nc2o其中，n是ipt系统效率，L1是在无电压降的情况下的第一级的效率；L1是在无线性电阻损耗的情况下的第一级的效率，nr2是第二级的次级谐振电路的效率，nb2是在无电压降的情况下的第二级的次级整流电路和次级去耦电路的效率，并且L2是在有线性电阻损耗的情况下的第二级的次级整流电路和次级去耦电路的效率。
[0009]在另一实施方式中，其中，第一级包括LCL负载谐振转换器，并且次级去耦电路包括次级升压转换器，并且其中，被计算为:
【权利要求】
1.一种设备，包括: 测量模块，所述测量模块测量感应电力传输(“IPT”)系统的电压和电流，所述电压包括输出电压和输入电压中的一个或多个，所述电流包括输出电流和输入电流中的一个或多个，所述输出电压和所述输出电流是在所述IPT系统的输出处测得的，所述输入电压和所述输入电流是在所述IPT系统的输入处测得的； 最大效率模块，所述最大效率模块确定所述IPT系统的最大效率，所述最大效率模块使用所述IPT系统的参数来迭代至最大效率；以及 调整模块，所述调整模块调整所述IPT系统中的一个或多个参数使之与由所述最大效率模块计算出的所述最大效率相一致。
2.根据权利要求O所述的设备，其中，所述IPT系统包括第一级和第二级，其中，所述第一级无线地传送能量，并且所述第二级接收无线地传输的能量并且控制经由输出母线向一个或多个负载的能量传输，其中，所述输出电压和所述输出电流是在所述输出母线上测得的。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一级包括LCL负载谐振转换器，并且所述第二级包括次级谐振电路、次级整流电路和次级去耦电路中的一个或多个。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，至少一个负载包括能量存储装置。
5.根据权利要求2所述的设备，其中，由所述调整模块调整了的所述一个或多个参数包括调整所述第二级的占空比的占空比基准和调整所述第一级的导通角的导通角基准中的一个或多个。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，调整所述占空比基准和所述导通角基准中的一个或多个的所述调整模块包括外控制环，其中，以下中的一个或多个: 所述第一级包括基于所述导通角基准控制导通角的第一级内环，所述第一级内环比外环控制更快地控制导通角；以及 所述第二级包括基于所述占空比基准控制占空比的第二级内环，所述第二级内环比所述外环控制更快地控制占空比。
7.根据权利要求2所述的设备，其中，所述最大效率模块通过使用一个或多个变量进行迭代来确定所述最大效率，所述一个或多个变量包括: 所述第一级的导通角； 所述第二级的占空比； 间隙的尺寸，所述IPT系统跨所述间隙无线地传输电力； 初级接收器垫和次级接收器垫的失准，所述IPT系统从所述初级接收器垫向所述次级接收器垫无线地传输电力； 被传输至所述一个或多个负载的电力；以及 品质因数。
8.根据权利要求2所述的设备，其中，所述最大效率模块通过针对测得的电压和电流确定至少所述第一级和所述第二级的效率来确定所述最大效率。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述最大效率模块确定所述最大效率，其中所述IPT系统的效率被计算为:
rI — rIrl* rI cl * rI r2 * 11- b2 * Π。，其中， η是IPT系统效率； nrl是在无电压降的情况下的所述第一级的效率； n cl是在无线性电阻损耗的情况下的第一级的效率； nr2是所述第二级的次级谐振电路的效率； nb2是在无电压降的情况下的所述第二级的次级整流电路和次级去耦电路的效率；并且 打。2是在有线性电阻损耗的情况下的所述第二级的所述次级整流电路和所述次级去耦电路的效率。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一级包括LCL负载谐振转换器，并且所述次级去耦电路包括次级升压转换器，并且其中，被计算为:
I
R11 + RbMzCf ((Λ? + Re(Zr)) + (-L1 + l?n(2r))) 1 fRe(Zr) 其中， Rli是初级接收器垫的等价串联电阻(“ESR”)，所述IPT系统从所述初级接收器垫向次级接收器垫无线地传输电力； Rb是所述第一级的所述LCL负载谐振转换器的桥电感器的ESR与在所述LCL负载谐振转换器的半周期期间接通的开关装置的线性接通电阻；ω是所述IPT系统的工作频率； C1是所述LCL负载谐振电路的并联调谐电容器的电容； Re(Zr)是所述第二级在所述第一级上的反射电阻； AL1是归因于间隙的尺寸大小的所述初级接收器垫电感的改变，所述IPT系统跨所述间隙无线地传输电力；并且 Im(Zr)是所述第二级在所述第一级上的反射电抗。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一级包括LCL负载谐振转换器，并且所述次级去耦电路包括次级升压转换器，并且其中，Zr被计算为:
Zr = Re (Zr)+j*Im (Zr) 其中 一、謹2 Q2^
— -...................._.................-.'2—
L.2.eq I + Qlva 并且 ,、ωΜ2 (Q2v \ 其中 M是所述IPT系统的所述初级接收器垫与所述次级接收器垫之间的互感； L2eq是在有串联调谐的情况下的等价次级接收器垫电感； Q2v是所述次级谐振电路的电压品质因数；并且 α是所述次级谐振电路的归一化去调谐电容比，所述归一化去调谐电容比被定义为:
c2是所述次级谐振电路的并联调谐电容器的电容；并且 Δ C2是归因于所述次级接收器垫的自感的变化的次级调谐电容的等价改变。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，M被计算为:
Vout是在所述输出母线上测得的输出电压； 1ut是在所述输出母线上测得的输出电流； O是所述第一级的导通角；并且 D是所述第二级的所述次级升压转换器的占空比。
13.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一级包括LCL负载谐振转换器，并且所述次级去耦电路包括次级升压转换器，并且其中，Hca被计算为:
其中 Vhs m是所述第一级的开关装置的电压降部分； ω是所述IPT系统的工作频率； Lb是所述LCL负载谐振转换器的桥电感； Pout是由所述IPT系统传输的输出功率；并且 Re(Zr)是所述第二级在所述第一级上的反射电阻。
14.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一级包括LCL负载谐振转换器，并且所述次级去耦电路包括次级升压转换器，并且其中，L2被计算为:
其中 ω是所述IPT系统的工作频率； C2是所述第二级的所述次级谐振电路的并联调谐电容器的电容；Rl2是次级接收器垫的ESR，所述IPT系统从初级接收器垫向所述次级接收器垫无线地传输电力； Q2v是所述次级谐振电路的电压品质因数；并且 α是所述次级谐振电路的归一化去调谐电容比，所述归一化去调谐电容比被定义为
Vout是在所述输出母线上测得的输出电压； 1ut是在所述输出母线上测得的输出电流； L2eq是在有串联调谐的情况下的等价次级接收器垫电感； D是所述第二级的所述次级升压转换器的占空比；并且 Δ C2是归因于所述次级接收器垫的自感的变化的次级调谐电容的等价改变。
15.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一级包括LCL负载谐振转换器，并且所述次级去耦电路包括次级升压转换器，并且其中，Hb2被计算为:
其中 ω是所述IPT系统的工作频率； C2是所述第二级的所述次级谐振电路的并联调谐电容器的电容； RLdc是DC电感器的ESR与在所述LCL负载谐振转换器的半周期期间接通的开关装置的线性接通电阻； Rbd_on是所述第二级的次级升压转换器的二极管的线性电阻；并且 Q2v是所述次级谐振电路的电压品质因数， 其中
L2eq是在有串联调谐的情况下的等价次级接收器垫电感； Vout是在所述输出母线上测得的输出电压；1ut是在所述输出母线上测得的输出电流；并且 D是所述第二级的所述次级升压转换器的占空比。
16.根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一级包括LCL负载谐振转换器，并且所述次级去耦电路包括次级升压转换器，并且其中，L2被计算为:
其中 Vrd on是所述第二级的所述次级整流电路的二极管的电压降部分； Vbd on是所述第二级的所述次级升压转换器的二极管的电压降部分； D是所述第二级的所述次级升压转换器的占空比；并且 Vout是所述第二级的所述次级谐振电路的DC输出电压。
17.—种系统,包括: 第一级，所述第一级包括初级接收器垫； 第二级，所述第二级包括次级接收器垫； 输出电力母线，其中，所述第一级从所述初级接收器垫无线地传送能量，并且所述第二级将无线地传输的能量接收于所述次级接收器垫中，所述第二级控制经由所述输出母线向一个或多个负载的能量传输，所述第一级、所述第二级和所述输出电力母线构成感应电力传输(“IPT”)系统的至少一部分； 测量模块，所述测量模块测量电压和电流，所述电压和电流是在所述输出母线和至所述IPT系统的输入中的一个或多个上测得的； 最大效率模块，所述最大效率模块确定所述IPT系统的最大效率，所述最大效率模块使用所述IPT系统的参数来迭代至最大效率；以及 调整模块，所述调整模块调整所述IPT系统中的一个或多个参数使之与由所述最大效率模块计算出的所述最大效率相一致。
18.根据权利要求17所述的系统，还包括能量存储装置，所述能量存储装置包括所述一个或多个负载中的负载。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述能量存储装置向车辆提供电力，所述第二级和所述能量存储装置位于所述车辆上，当所述次级接收器垫与所述初级接收器垫至少部分地对准时，所述车辆从所述第一级无线地接收电力。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一级包括整流器级，所述整流器级对作为输入电力连接至所述第一级的交流(“AC”)电压进行整流。
21.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一级包括LCL负载谐振转换器，并且所述第二级包括次级谐振电路、次级整流电路和次级升压转换器，并且其中，所述最大效率模块确定所述最大效率，其中所述IPT系统的效率被计算为:
rI — rIrl* rI cl * rI r2 * 11- b2 * Π。，其中，
η是IPT系统效率； nrl是在无电压降的情况下的所述第一级的效率； n cl是在无线性电阻损耗的情况下的第一级的效率； nr2是所述第二级的次级谐振电路的效率； nb2是在无电压降的情况下的所述第二级的所述次级整流电路和所述次级升压转换器的效率；并且 打。2是在有线性电阻损耗的情况下的所述第二级的所述次级整流电路和所述次级升压转换器的效率。
22.—种方法,包括: 测量感应电力传输(“IPT”)系统的电压和电流，所述电压包括输出电压和输入电压中的一个或多个，所述电流包括输出电流和输入电流中的一个或多个，所述输出电压和所述输出电压是在所述IPT系统的输出处测得的，所述输入电压和所述输入电流是在所述IPT系统的输入处测得的； 通过使用所述IPT系统的参数来迭代至最大效率来确定所述IPT系统的最大效率；以及 调整所述IPT系统中的一个或多个参数使之与计算出的所述最大效率相一致。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述IPT系统包括第一级和第二级，其中，所述第一级无线地传送能量，并且所述第二级接收无线地传输的能量并且控制经由输出母线向一个或多个负载的能量传输，其中，所述第一级包括LCL负载谐振转换器，并且所述第二级包括次级谐振电路、次级整流电路和次级去耦电路中的一个或多个，并且其中，至少一个负载包括能量存储装置。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，调整所述一个或多个参数包括调整占空比基准和导通角基准中的一个或多个，所述占空比基准调整所述第二级的占空比，所述导通角基准调整所述第一级的导通角，并且其中，调整所述占空比基准和所述导通角基准中的一个或多个包括外控制环，其中，以下中的一个或多个: 所述第一级包括基于所述导通角基准控制导通角的第一级内环，所述第一级内环比外环控制更快地控制导通角；以及 所述第二级包括基于所述占空比基准控制占空比的第二级内环，所述第二级内环比所述外环控制更快地控制占空比。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，确定所述最大效率包括通过使用一个或多个变量进行迭代来确定所述最大效率，所述一个或多个变量包括: 所述第一级的导通角； 所述第二级的占空比； 间隙的尺寸，所述IPT系统跨所述间隙无线地传输电力； 初级接收器垫和次级接收器垫的失准，所述IPT系统从所述初级接收器垫向所述次级接收器垫无线地传输电力； 被传输至所述一个或多个负载的电力；以及 品质因数。
【文档编号】H01F38/14GK104205263SQ201380015846
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年1月23日 优先权日:2012年1月23日
【发明者】亨特·吴, 基利·西利, 阿伦·吉尔克里斯特 申请人:犹他州立大学