用于双向感应电能传输系统的负载控制的制作方法
【专利摘要】一种在感应电能传输（IPT）系统的初级侧功率转换器（1）中使用的控制方法。对从初级侧到一个或更多个次级拾波侧器的功率传输进行监测，并且与被监测的功率传输和初级侧功率转换器的功率容量之间的差值成比例地改变该初级侧功率转换器（1）的工作频率。能够通过该拾波器或每个拾波器（2）对频率变化进行感测以调节该功率传输并防止出现过载。
【专利说明】用于双向感应电能传输系统的负载控制
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于平衡感应电能传输(inductive power transfer, IPT)系统中的负载的方法和装置。本发明特别适合于双向多拾波器(pick-up)IPT系统，但还可以用于单向和/或单拾波器系统。
【背景技术】
[0002]在多种应用中熟知并使用感应电能传输(IPT)系统。IPT技术提供高效率(典型地，85%至90%)并且能够在恶劣的环境中工作而不受污物和水分的影响。
[0003]典型的IPT系统由三个主要的组件组成:AC电源；电耦合到该电源的初级导电通路、线圈、或衬垫；以及至少一个电隔离拾波器，在使用中，该拾波器感应地与初级绕组耦合以向负载供电。经常认为电源和初级绕组包括该IPT系统的初级侧，并且这个或这些拾波器以及相关的一个或更多个负载包括该系统的次级侧。
[0004]传统上，电源将电耦合到供电网络(一般称为“电网”)并且用于对该初级绕组进行供电，以从电网向这个或这些负载进行非接触单向功率传输。来自交流电或电网电源的转换器对该初级绕组进行供电以在初级绕组中产生高频AC电流，接着在初级绕组周围引起生成连续变化的磁场。通过气隙与初级绕组分离的所述或每个拾波器包括线圈，根据法拉第感应定律，通过不断变化的磁通量流过该线圈在该线圈内产生电压，从而实现非接触功率传输。
[0005]通常情况下，初级侧上用作逆变器的转换器和拾波侧上的简单开关模式调节器足以控制单向IPT系统中的功率流，因为仅控制初级侧电源功率。
[0006]双向IPT系统对如电动车辆(EV)和车辆到电网(V2G)系统的应用而言是理想的，例如，为了平衡电网上的负载的目的，在这些应用中，“非接触”双向功率传输是令人希望的。
[0007]然而，与单向系统相比，必须使用更加先进的控制策略来调节双向IPT系统的功率流。
[0008]与单向IPT系统相反，双向IPT系统的初级侧和拾波侧必须被配置成用于用作源或汇点。因此，根据功率流的方向，系统的两侧上都需要完全相同或相似的转换器拓扑结构以促进AC-DC或DC-AC功率转换。
[0009]对于任意给定功率水平，为了最小化转换器的VA额定值，通常为初级侧和拾波侧的线圈电感提供并联或串联补偿。因此，双向IPT系统为更高阶的谐振网络，并且需要更加先进和鲁棒的控制。
[0010]通常使用专用的控制器，通过转换器产生的电压的相对相位或者幅值控制来对功率流的量和方向进行控制。然而，鲁棒性机制是必不可少的，以保证在不超过其功率额定值的情况下通过供电侧满足来自一侧的功率需求。
[0011]并联补偿的IPT系统中使用的转换器自然地起到电流源的作用。在这种系统中，将纯源化侧的操作限制到其最大或额定功率水平一直是个挑战，尤其是当拾波侧需求超过纯源化转换器的功率处理容量时。最明显的例子出现在当两侧之间的磁性耦合增加或者采集到将由单个初级转换器供应变化的功率需求，如在充电隔间(charging bay)处给电动车辆(EV)充电的情况下。此外，对于任何给定的输入功率，多个拾波器之间的功率传送的共享和优先排列也能视为是一个挑战。
[0012]检测过多功率需求量时，能够通过较少初级线圈或降低轨道电流来限制初级侧供给的功率。但本策略将不适合多拾波器IPT系统，因为其将功率传送分让于其他拾波器。此夕卜，使用较低轨道电流的单拾波器IPT系统在相对高品质因数下操作，产生更多的循环能量并且使得系统更容易受到组件公差的影响。
[0013]一种替代解决方案是在初级侧和该或每个拾波器之间使用专用的无线通信接口。然后通过无线接口能够将初级的最大功率容量中继到多个拾波器，这要求必须限制功率进量。然而，就组件数量和复杂性而言，这种无线接口显然很昂贵，因为其需要额外的硬件和软件。
[0014]因此本发明的一个目标是提供一种方法和/或装置，该方法和/或装置克服或改善现有技术的一个或更多个问题或者至少为公众提供了一个有用的选择。
[0015]本发明的进一步的目标将从以下说明中而变得明显。
【发明内容】
[0016]在第一方面，可以广义上认为本发明在于一种在具有一个初级侧和一个次级侧的感应电能传输(IPT)系统中使用的负载控制方法，其中，该方法包括以下步骤:
[0017]在初级侧感测初级侧和次级侧之间的功率传输；
[0018]相对于一个调谐频率，与功率传输和初级侧的功率容量之间的差值成比例地改变初级侧的转换器的工作频率；
[0019]在次级侧感测工作频率的所述改变；以及
[0020]在次级侧，与该工作频率的所述改变成比例地调节所述功率传输，以便不超过初级侧的功率容量。
[0021]优选地，改变工作频率的步骤包括在多个增量阶跃中改变工作频率。
[0022]优选地，改变工作频率的步骤包括周期性地改变工作频率。
[0023]优选地，保持所述工作频率持续所述周期性变化的一个整周期。
[0024]可替代地，保持所述工作频率持续每个周期的一部分，并且该步骤进一步涉及在每个周期的剩余部分恢复到调谐频率。
[0025]优选地，调谐频率为将初级侧和次级侧的谐振电路调谐到的一个频率。
[0026]优选地，调谐频率在IOkHz和IOOkHz之间。
[0027]优选地，工作频率在调谐频率的预定范围内变化。
[0028]优选地，该预定范围基本上为± IkHz或者一个相似的范围以最小化转换器的VA
额定值。
[0029]在第二方面，可以广义上认为本发明在于一种在感应电能传输(IPT)系统的初级侧功率转换器中使用的控制方法，该方法包括以下步骤:
[0030]对初级侧功率转换器与一个或更多个IPT拾波器之间的功率传输进行感测，在使用中，该初级侧功率转换器可以与该一个或更多个IPT拾波器感应耦合；以及[0031]相对于一个调谐频率，与所述功率传输和初级侧功率转换器的功率容量之间的差值成比例地改变初级侧功率转换器的频率，其中可以通过该拾波器或每个拾波器对所述改变进行感测以调节所述功率传输。
[0032]优选地，改变工作频率的步骤包括在多个增量阶跃中改变工作频率。
[0033]优选地，改变工作频率的步骤包括周期性地改变工作频率。
[0034]优选地，改变工作频率的步骤包括保持该工作频率持续每个周期的一部分，并且在每个周期的剩余部分恢复到调谐频率。
[0035]优选地，调谐频率为将初级侧和次级侧的谐振电路调谐到的一个频率。
[0036]优选地，该方法包括对功率传输进行连续监测。
[0037]可替代地，该方法包括对功率传输进行周期性监测的步骤。
[0038]优选地，该方法包括在调谐频率的预定范围内改变工作频率的步骤。
[0039]优选地，该方法进一步包括对初级侧功率转换器进行调节以保持恒定的轨道电流的步骤。
[0040]优选地，对初级侧功率转换器进行调节的步骤包括对初级转换器的占空比进行控制。
[0041]在第三方面，可以广义上认为本发明在于一种在感应电能传输(IPT)系统的拾波器中使用的控制方法，该方法包括以下步骤:
[0042]对IPT系统的初级侧的交变电流的工作频率的变化进行感测，在使用中，该拾波器与初级侧感应地耦合；以及
[0043]与调谐频率的所述变化成比例地对拾波器与负载之间的功率传输进行调节以不超过初级侧的功率容量，其中，在使用中，拾波器可以与负载电耦合。
[0044]优选地，该方法进一步包括以下步骤:
[0045]确定工作频率与调谐频率之间的差值；以及
[0046]与所述差值成比例地调节功率传输。
[0047]优选地，对功率传输进行调节的步骤包括控制拾波转换器的占空比。
[0048]优选地，该方法进一步包括使转换器的频率与工作频率匹配的步骤，其中，交变电流连续地保持工作频率。
[0049]可替代地，该方法可以包括使转换器的频率与调谐频率匹配的步骤，其中，交变电流在工作频率与调谐频率之间交替变化。
[0050]在第四方面，可以广义上认为本发明在于一种感应电能传输初级侧功率转换器，该转换器包括感测装置，其对初级侧功率转换器与一个或更多个IPT拾波器之间的功率传输进行感测，在使用中，该初级侧功率转换器可以感应地与该一个或更多个IPT拾波器耦合；和
[0051]控制装置，用于相对于调谐频率，与所述功率传输和初级侧功率转换器的功率容量之间的差值成比例地改变初级侧功率转换器的工作频率，其中可以通过所述拾波器或每个拾波器对所述改变进行感测以对所述功率传输进行调节。
[0052]优选地，该控制装置改变工作频率包括改变工作频率增量阶跃。
[0053]优选地，该控制装置周期性地改变工作频率。
[0054]优选地，该控制装置保持工作频率持续每个周期的一部分，并且在每个周期的剩余部分恢复到调谐频率。
[0055]优选地，调谐频率为将该初级侧和次级侧的谐振电路调谐到的频率。
[0056]优选地，该控制装置对功率传输进行连续监测。
[0057]可替代地，该控制装置对功率传输进行周期性的监测。
[0058]优选地，该控制装置在调谐频率的预定范围内改变工作频率。
[0059]在第五方面，可以广义上认为本发明在于一种感应电能传输(IPT)系统拾波器,该拾波器被适配成执行本发明的第三方面的方法。
[0060]在第六方面，可以广义上认为本发明在于一种感应电能传输(IPT)系统,该系统被适配成执行本发明的第一方面的方法，或者包括本发明的第四方面的初级侧功率转换器和本发明的第五方面的至少一个拾波器。
[0061]本发明的进一步的方面(其应被考虑在所有新颖方面)将从以下说明中变得明显。【专利附图】
【附图说明】
[0062]现在将参照附图通过示例来描述本发明的多个实施例，其中:
[0063]图1为根据现有技术的双向IPT系统的示意图；
[0064]图2为本发明的功率vs频率特性图；
[0065]图3根据本发明图示了下垂控制器(droop controller)的操作图,其中的情形:Ca)拾波需求量超过初级侧的功率额定值；以及(b)初级侧的功率额定值超过拾波需求量；
[0066]图4根据本发明的一个实施例示出了拾波控制器的框图；
[0067]图5示出了 IPT系统中实际功率、无功功率、视在功率vs频率的波形；
[0068]图6根据本发明的实施例示出了当拾波需求量在初级容量内时，原型IPT系统的初级和次级转换器的仿真波形(a)和实验波形(b)；
[0069]图7示出了当拾波需求量受到初级容量限制时，同一 IPT系统的初级和次级转换器的模拟波形(a)和实验波形(b)；
[0070]图8示出了同一 IPT系统的模拟功率和频率波形(a)和实验功率和频率波形(b)，其中，该系统在正向功率传输模式下操作；
[0071]图9示出了反向功率流期间相同系统的初级和次级转换器的实验波形；
[0072]图10示出了同一原型IPT系统的测量的功率和频率波形，其中，该系统在反向功率传输模式下操作；
[0073]图11是根据本发明的第二实施例的示例初级控制器的框图；
[0074]图12是根据本发明的第二实施例的示例次级控制器的框图；
[0075]图13根据本发明的第二实施例示出了示例IPT系统的功率和频率波形；以及
[0076]图14示出了相同示例IPT系统的初级和次级转换器波形。
【具体实施方式】
[0077]在整个说明中，不同实施例中相同的附图标记将用于指代相同特征。
[0078]本发明提供了一种方法和装置，该方法和装置使用IPT系统的功率-频率特性在任一方向上调节功率流。当拾波需求量超过初级电源的功率容量时，其允许初级转换器在最大功率水平下操作。根据本发明，在此被称为下垂控制，初级侧起到控制者的作用并且改变工作频率以中继与其功率容量有关的信息到该拾波器或每个拾波器。初级侧保证该系统一直在额定功率上的调谐频率或设计的频率下操作。在任何其他功率水平下，该系统在以调谐频率为中心的小频率范围内操作，而不影响系统的VA要求。每个拾波器按照下垂特性指定的初级频率从初级侧提取功率。
[0079]下垂控制概念同样可适用于在次级侧上具有单个或者多个拾波器的单向和双向IPT系统。其实施起来相对简单明了并且对如车辆到电网(V2G)和电网到车辆(G2V)的系统的EV应用特别有吸引力，其中，EV车队可以在充电隔间处充电或放电。
[0080]图1示出了现有技术的双向IPT系统，例如，如在标题“双向感应电能传输(B1-directional inductive power transfer)，，的国际专利
【发明者】乌达亚·库马拉·马达瓦拉, 杜乐帕·加雅娜丝·寺里马维萨那 申请人:奥克兰联合服务有限公司, 乌达亚·库马拉·马达瓦拉, 杜乐帕·加雅娜丝·寺里马维萨那