谐振频率补偿的制作方法

本发明涉及无线电力传递。更确切地说，但不排他性地，本发明涉及补偿电抗阻抗的变化的系统、设备和/或方法，例如，由于感应电力传递系统中的初级磁性耦合器与次级磁性耦合器之间的未对准引起的那些电抗阻抗。

背景技术：

无线或非接触电力传递，且更确切地说感应电力传递(ipt)技术目前广泛用于各种应用中。ipt系统一般包括初级电力转换器，所述初级电力转换器供应交流电以激励初级磁性耦合器(例如，可替代地称为线圈、导体或垫片)。初级电力转换器和初级磁性耦合器共同形成ipt系统的初级侧。系统的次级侧包括电耦合到次级转换器的次级磁性耦合器(例如，可替代地称为拾取器、线圈、导体或垫片)，所述次级转换器可以将电力供应到负载。为了改进电力传递效率，ipt系统的初级侧和次级侧一般各自进一步包括谐振电路，所述谐振电路被调谐至交流电的频率(或反之亦然)。工作频率通常取决于应用并且可以扩展至多兆赫兹范围。

初级磁性耦合器中的交流电产生变化的磁场，所述磁场的至少部分在ipt系统的操作期间穿过次级磁性耦合器，从而感应供应到次级转换器且因此供应到负载的电压。与传统的有线或紧密耦合的电源相比，ipt系统的主要优点是在不限制导线或固定机械耦合的情况下，系统的次级侧相对于初级侧可自由移动。此类系统因此适合于各种应用，包含例如为可穿戴计算机充电和供电的静态和动态电动车辆(ev)。

然而，由于初级线圈和次级线圈的相对运动产生的问题是线圈可能变成未对准。任何此运动或未对准引起线圈电感的变化，这会使谐振电路失谐。这进而会引起转换器电路呈现有高伏安(va)负载，从而产生增加的损耗、不稳定性以及减小的功率吞吐量。因此，可以采取措施来补偿磁性耦合器的电感变化，从而使ipt系统能够在调谐条件下操作。

过去已提出能够补偿由于未对准产生的ipt系统的性能损耗的各种电路拓扑和控制方法。这些技术中的大部分技术采用可变频率切换方案或可切换无功元件，以便补偿电感变化。之前的方法具有较少吸引力，主要因为电磁兼容性(emc)标准例如需要ipt系统在严格的频带内操作并且工作频率的变化可以产生电磁干扰(emi)相关的问题。另一方面，通常采用一系列电容器形式的可切换无功元件的使用成本高、体积大并且需要复杂的控制器，同时损害整个系统可靠性，所述电容器具有可以接通或断开补偿电路的开关。

技术实现要素：

本发明的目标

本发明的目标是提供一种克服或至少改善现有技术的一个或多个缺点(包含但不限于，上文概述的那些缺点)的用于操作的感应电力传递(ipt)系统和方法，或可替代地至少为公众或工业提供有用替代方案。

本发明的概述

在第一方面中，本发明可以被广泛地认为在于适用于与第二设备磁性耦合的无线电力传递设备，所述无线电力传递设备包括：

电力转换器，其与电源或负载电耦合或可耦合；

谐振电路，其与电力转换器电耦合并且包括用于与第二设备磁性耦合的磁性耦合器；以及

控制器，其与电力转换器相关联并且被配置成相对于第二设备改变电力转换器的操作的相对相位，改变所述相位以至少部分补偿谐振电路的谐振频率变化。

在一个实施例中，改变相对相位以控制谐振电路的电抗阻抗。

更确切地说，但非排他性地，改变相位以至少部分补偿磁性耦合器的电感变化。可替代地或另外，可以改变相位以至少部分补偿谐振电路的电容变化且更确切地说，至少部分补偿调谐电容器的降级。

在使用时，可以通过无线电力传递设备与第二设备之间的位移或对准的动态或静态变化引起磁性耦合器的电感变化。所述设备可以包括感应电力传递(ipt)系统的初级侧或次级侧。

优选地，改变相对相位以基本上补偿磁性耦合器的电感变化，从而保持单位功率因数。

优选地，控制器进一步被配置成改变电力转换器的占空比以控制且更优选地调节无线电力传递的量值。电力传递可以到达无线电力传递设备或从无线电力传递设备到第二无线电力传递设备，或反之亦然。

优选地，通过控制器控制电力转换器以产生具有可变占空比的三电平修改方波。更具体来说，控制器优选地使用相位调制控制电力转换器。

优选地，电力转换器包括可逆反相器/整流器以允许双向电力传递。

更具体来说，电力转换器优选地包括全桥配置中的四个开关，并且控制器操作成对的四个开关，其中每个对异相。优选地，每个开关对的占空比可以从0变化到50％以改变电力转换器的占空比。优选地，控制器通过改变每个开关对传导的相角来改变转换器的占空比。

或者，电力转换器可以包括半桥式转换器或推挽式转换器。

优选地，谐振电路包括电感器-电容器-电感器(lcl)网络。

或者，谐振电路可以包括串联调谐的电感器-电容器(lc)谐振网络或推挽式并联谐振转换器(pprc)。

在第二方面中，本发明可以被广泛地认为在于用于控制与第二无线电力传递设备磁性耦合或可耦合的第一无线电力传递设备的方法，所述方法包括：

相对于第二无线电力传递设备改变第一无线电力传递设备的操作的相对相位来控制电抗阻抗以至少部分补偿谐振电路的谐振频率变化。

在一个实施例中，所述方法包含检测第一无线电力传递设备的电感或电感变化。

优选地，所述方法包括至少部分补偿磁性耦合器的电感变化，以及更优选地基本上补偿磁性耦合器的电感变化以保持单位功率因数。

优选地，所述方法进一步包括改变第一无线电力传递设备的占空比以控制与第二无线电力传递设备的电力传递的量值。电力传递可以到达或来自第二无线电力传递。

在第三方面中，本发明可以被广泛地认为在于无线电力传递系统，其包括：

根据本发明的第一方面的第一无线电力传递设备；以及

第二无线电力传递，其与第一无线电力传递设备磁性耦合或可耦合。

无线电力传递系统可以是单向或双向的。更具体来说，系统可以被配置成：

将电力仅从第一无线电力传递设备传递到第二无线电力传递设备；或

将电力仅从第二无线电力传递设备传递到第二无线电力传递；或

在第一无线电力传递设备与第二无线电力传递设备之间的任何方向上传递电力。

优选地，第二无线电力传递设备还包括根据本发明的第一方面的无线电力传递设备，其中控制器被配置成相对于第一无线电力传递设备改变电力转换器的操作的相对相位。或者，然而，第二无线电力传递设备不一定包括控制器，所述控制器与电力转换器相关联并且被配置成相对于第一设备改变电力转换器的操作的相对相位。

优选地，第一和第二无线电力传递设备各自包括双向电力转换器以及具体而言可逆整流器/反相器，以允许双向电力传递。

或者，第二无线电力传递设备可以包括无源二极管桥式整流器。

在第四方面中，本发明可以被广泛地认为在于无线电力传递系统，其包括：

初级无线电力传递设备，其包括：

初级电力转换器，其与电源或负载电耦合或可耦合；

初级谐振电路，其与初级电力转换器电耦合且包括初级磁性耦合器；以及

初级控制器，其与初级电力转换器相关联以控制其操作；以及

次级无线电力传递设备，其包括：

次级谐振电路，其包括用于与初级磁性耦合器磁性耦合的次级磁性耦合器；

次级电力转换器，其与次级电力转换器电耦合并且与电源或负载耦合或可耦合；以及

次级控制器，其与次级电力转换器相关联以控制所述次级电力转换器的操作，

其中初级和次级控制器中的至少一个可用于改变初级无线电力传递设备与次级无线电力传递设备之间的相对相角以至少部分补偿初级和次级谐振电路中的至少一个的谐振频率变化。

在第五方面中，本发明可以被广泛地认为在于用于控制包括初级和次级无线电力传递设备的无线电力传递系统的方法，所述方法包括：

检测初级和次级无线电力传递设备中的至少一个的磁性耦合器的电感或电感变化；以及

改变初级和次级无线电力传递设备的操作的相对相位来控制电抗阻抗以至少部分补偿初级和次级无线电力传递设备中的至少一个的至少一个的耦合器谐振频率变化。

优选地，所述方法包括至少部分补偿初级和次级磁性耦合器中的至少一个的电感变化，以及更优选地基本上补偿初级和次级磁性耦合器中的至少一个的电感变化以保持单位功率因数和/或改进效率。

优选地，所述方法进一步包括改变初级和次级无线电力传递设备中的至少一个的占空比以控制其间的电力传递的量值。

在另一方面中，本发明提供适用于与第二设备磁性耦合的无线电力传递设备，所述无线电力传递设备包括：

电力转换器，其与电源或负载电耦合或可耦合；

谐振电路，其与电力转换器电耦合并且包括用于与第二设备磁性耦合的磁性耦合器；以及

控制器，其与电力转换器相关联并且被配置成相对于第二设备改变电力转换器的操作的相对相位，改变所述相位以至少部分补偿电抗阻抗的变化。

在另一方面中，本发明提供用于控制与第二无线电力传递设备磁性耦合或可耦合的第一无线电力传递设备的方法，所述方法包括：

相对于第二无线电力传递设备改变第一无线电力传递的操作的相对相位来控制电抗阻抗以至少部分补偿由第一无线电力传递设备的转换器发现的电抗阻抗的变化。

在所有本发明的新颖方面中应考虑到的本发明的另外方面将从以下描述中变得显而易见。

附图说明

现将参考图式借助于实例描述本发明的多个实施例，在图式中：

图1是根据本发明的感应电力传递(ipt)系统的第一实施例的示意图；

图2说明根据图1的实施例的实例初级和次级电压波形；

图3是图1的系统的等效电路模型；

图4是适合用于图1的系统中的根据本发明的可能控制器的框图；

图5示出补偿的和未补偿的(a)输入阻抗和(b)角两者与频率的曲线；

图6示出图1的实施例的(a)未补偿的和(b)补偿的电压和电流波形；

图7是具有和不具有本发明所提供的补偿的图1的实施例的系统效率的曲线；

图8示出根据本发明的ipt系统的替代实施例的(a)未补偿的和(b)补偿的电压和电流波形；以及

图9示出本发明的又一实施例的(a)未补偿的和(b)补偿的电压和电流波形。

具体实施方式

本发明包括无线电力传递设备和系统以及用于控制无线电力传递设备和系统的方法。在描述中相同的参考标号将始终用于指代不同实施例中的相同的特征。

图1示意性地说明基本上通过第wo2010/062198号国际专利公开案揭示的双向感应电力传递(ipt)系统100，所述国际专利公开案的内容全部并入本文中。实例ipt系统包括初级侧110和次级侧120，在此实例中，每个基本上电学上相同。初级侧包括控制初级转换器112的操作的初级控制器111，所述初级转换器包括全桥电路配置中的四个开关。初级转换器耦合到初级电源/汇点vin和谐振电路113。在此实例中，谐振电路113包括由串联电感器lpi、调谐电容器cpt和初级磁性耦合器lpt组成的调谐电感器-电容器-电感器(lcl)电路。

ipt系统111的次级侧120类似地包括次级控制器121、次级转换器122和lcl谐振电路123，所述lcl谐振电路包括次级磁性耦合器lst。分别用互电感m以及电压源vpt和vst表示初级磁性耦合器lpt与次级磁性耦合器lst之间的磁性或电感耦合。

如wo2010/062198中所揭示，初级控制器111优选地以固定频率ft(优选地等于谐振电路113的所设计谐振频率)驱动成对的初级转换器112的开关以产生电压波形vpi，如在图2中借助于实例示出。在此实例中，电压波形包括三电平修改方波。初级转换器112(在这种情况下，充当反相器)中的每一对开关保持接通的相角可以变化(在0°与180°之间)，由此确定转换器的占空比以控制供应到初级磁性耦合器lpt的交流电ipi的量值。类似地，次级转换器122(在这种情况下，充当整流器)中的每一对开关保持接通的相角可以变化(在0°与180°之间)，由此确定转换器的占空比

仍参考图1和图2，类似于初级转换器112，次级转换器122由拾取/次级控制器121控制以产生具有可控制占空比的次级电压波形vsi。跨越初级磁性耦合器lpt与拾取磁性耦合器lst之间的气隙发生无线电力传递，所述初级磁性耦合器lpt和拾取磁性耦合器lst通过互电感m彼此松散耦合。

当电力从系统的初级侧传递到次级侧时，次级转换器122充当整流器。然而，如在此实例中，本发明的至少一些实施例能够在初级侧与次级侧之间的任何方向上传递电力。在此双向实施例中，初级转换器112和次级转换器122由此优选地各自包括有源可逆整流器/反相器。如在整个说明书中使用的术语“转换器”因此预期涵盖整流器(无论无源还是有源)，反相器或可逆反相器/整流器，其合适的选择取决于应用。

可以改变相对相角θ和/或转换器相角以控制在ipt系统的初级侧与次级侧之间的电力流的量值和方向(例如，取决于与次级侧耦合的负载的电力需求)。通常，对于单位功率因数操作，相对相角θ可以固定或以±90°调节，同时通过改变转换器相角来控制电力传递的量值。或者，可以改变所有三个相角θ、以控制电力流的量值和方向。

然而，根据本发明，改变相对相角θ以控制补偿电抗阻抗，以便补偿电抗的任何变化且由此保持初级磁性耦合器lpt和次级磁性耦合器lst两者的调谐。由于独立于所施加的补偿量来调节次级输出功率vout以保持调谐条件。

为了进一步解释本发明的理论和操作，下文展示图1的ipt系统的数学分析。

图1中所示的实例ipt系统在初级侧和次级侧两者上采用相同的电子装置，每一者包括被调谐成vpi的基频ft的全桥转换器和lcl谐振网络，如通过等式(1)给出。

为了简化分析，可以用等效正弦电压源表示由初级转换器112产生的电压vpi，所述等效正弦电压源具有频率ft和相量域量值，如通过等式(2)给出。

类似地，通过等式(3)在相量域中给出由次级转换器产生的电压。

在稳态下，通过等式(4)给出由于电流ipt而在次级磁性耦合器lst中感应的电压vsr。

vsr＝jωmipt(4)

类似地，可以通过等式(5)表示由于lst中的电流ist而反射回lpt或在lpt中感应的电压vpr。

vpr＝jωmist(5)

在等式(1)中的调谐条件下，因此可以如通过等式(6)至(9)给出导出电流ipi、ipt、isi和ist，。

因此可以用图3中所示的等效电路模型表示图1的ipt系统，其中分别用复阻抗zpr、zsr表示感应电压源vpr、vsr。使用等式(2)至(9)，可以如等式(10)和(11)给出导出复阻抗zpr和zsr。

如从等式(10)和(11)中显而易见，zpr和zsr两者包括电阻分量(分别rpr、rsr)和电抗分量(分别xpr、xsr)。zpr和zsr中的电阻分量表示在系统的初级侧与次级侧之间传递的真实电力。可以通过和θ控制rpr和rsr的量值以调节如先前所论述的电力流的量和方向。电抗分量xpr和xsr未有助于真实电力流。在现有技术的ipt系统中，通过用±90°的固定相对相位差θ操作ipt系统来清除电抗分量。

根据本发明，电抗分量xpr、xsr实际上用于补偿初级和/或次级谐振电路的谐振频率变化。例如，可以通过初级磁性耦合器lpt与次级磁性耦合器lst之间的位移或对准的静态或动态变化引起初级磁性耦合器lpt与次级磁性耦合器lst的电感变化。

控制ipt系统的初级侧和次级侧中的每一者中的转换器相位或占空比以调节阻抗zpr、zsr的电阻分量rpr、rsr的量值且因此调节电力传递，然而控制相对相位差θ来调节电抗分量xpr、xsr的量值，以抵消电抗阻抗的变化。电抗阻抗的此类变化可以影响谐振补偿网络的谐振频率且由此阻止有效电力传递。电抗阻抗的变化可以归因于各种不同因素，包含但不限于：可能由于磁性耦合器的未对准引起的初级和/或次级磁性耦合器lpt、lst的电感变化；在一个或磁性耦合器附近外来(磁导性)物体的存在；组件公差的变化，例如，电容器随时间的降级。

因此，可以通过相角和θ独立地控制电力传递的量值和方向以及补偿量。例如，如果初级磁性耦合器lpt和次级磁性耦合器lst的电感减小超过其调谐值(即，选择用于将谐振电路调谐到工作频率ft的值)，则控制θ以引入与初级磁性耦合器lpt和次级磁性耦合器lst串联的额外电感电抗以抵消磁性耦合器的电感减小。同时，可以改变转换器相角以将电力传递的量值和方向控制在所希望水平。或者，还可以按需要改变和θ的组合以满足所需功率吞吐量以及补偿任何垫片未对准。

可以通过在ipt系统的初级或次级/拾取侧中的任一者或两者上的控制器实现所提出的补偿，所述控制器检测调谐变化并且控制和θ中的一个或多个以便缓解这些变化。

在图4中借助于实例示出根据本发明的一个实施例的合适的次级控制器。在此实例中，使用次级电压vsi和电流isi的测量值评估次级磁性耦合器lst的电感变化。所述评估可以包括通过例如将电压vsi和电流isi(如图所示)相乘计算功率p。所述评估随后与0.5比较以产生误差信号。值0.5是在θ设定成实现用于所示实例控制器的最小va的情况下预期的值。然而，如果例如目标是最大化电力传递，则可以使用替代值。误差信号形成控制算法(在这种情况下，比例-积分控制器pi)的输入。控制器pi的输出驱动压控振荡器vco以获得补偿系统变化所需的相角θ。使用此移相以及参考功率水平pref来产生控制转换器122的操作的驱动信号。在次级电流与初级相有关时，在次级电压与电流相乘时考虑初级ipt设备的相位。

控制器111、121可以仅在硬件、软件或其组合中实施。控制器因此可以包括微控制器，所述微控制器与电压和电流传感器通信地耦合并且被编程为执行如本文中借助于实例描述的本发明的方法。数字电子装置和/或嵌入系统领域的技术人员已知本发明所需的电子电路设计和编程技术。

在图5至7中示出根据图1至4的实例实施例的来自模拟ipt系统的波形。模拟系统包括调谐至40khz的lcl谐振电路。图5示出通过初级转换器发现的补偿的50和未补偿的51(a)输入阻抗和(b)相角θ两者对用于已引入初级磁性耦合器lpt和次级磁性耦合器lst两者的20％电感变化的情形的频率f的曲线。实际上，磁性耦合器的电感的此变化可以归因于其间的位移或对准的变化。

理想地，通过初级转换器发现的阻抗应仅仅是工作频率下的电阻负载以在单位功率因数下操作系统。通过实线说明的结果指示不含任何补偿的系统行为，而虚线中的结果表示当通过改变相对相角θ补偿磁性耦合器电感lpt、lst的变化时的系统行为。

在不具有补偿的情况下，磁性耦合器电感lpt、lst的变化导致阻抗曲线向左移位，从而迫使谐振频率达到约38khz。在初级和次级转换器继续在40khz的所设计频率下操作时系统变得失谐，而由于磁性耦合器电感lpt、lst的变化，lcl网络的谐振频率已经移位到38khz。

根据本发明的方法、设备和系统，如通过图5中的虚线阻抗曲线所示，将相对相角θ从90°变化到80°可将初级lcl谐振电路113和次级lcl谐振电路123的谐振频率恢复到40khz的原始值或朝向40khz的原始值恢复初级lcl谐振电路113和次级lcl谐振电路123的谐振频率，并且与其它情况相比，允许系统在单位功率因数下或至少更接近单位功率因数操作。

分别在图6(a)和图6(b)中描绘从根据本发明的具有和不具有补偿的模拟ipt系统获得的电压和电流波形vpi、ipi。如从图6(a)中显而易见，电流ipi滞后于电压vpi，指示系统在不含本发明的补偿的失谐条件下操作。此外，可以观察到由初级转换器112供应的瞬时功率具有指示低于单位功率因数的操作的负部分。然而，参考图6(b)的补偿波形，可以观察到电压vpi和电流ipi同相且系统在单位功率因数下操作。

图7中示出在具有和不具有本发明的所提出补偿的情况下模拟系统的效率对磁性耦合器电感。可以观察到，补偿技术在广范围的初级和次级磁性耦合器电感lpt、lst内显著改进ipt系统的效率。

本发明的以上实例实施例包括在初级侧和次级侧两者上具有全桥有源可逆整流器/反相器和lcl谐振电路的双向ipt系统，然而，本发明不限于此配置。在其它实施例中，ipt系统可以包括单向(即，被配置成在从初级侧到次级侧的单个方向上传递电力)系统、替代的有源或无源转换器(例如，半桥式或推挽式转换器)或无源(二极管桥)整流器，和/或替代的谐振电路拓扑。

在根据本发明的ipt系统的一些实施例中，具体来说单向实施例中，次级转换器可以包括无源二极管桥式整流器并且出于成本或复杂性原因省略次级控制器。无源整流器限制补偿电抗阻抗的量值的可控性，但是补偿阻抗在一定程序上仍可以在损害次级侧的输出处的负载调节的情况下由初级控制器和次级转换器控制器。

在又一实施例中，谐振电路可以包括例如串联调谐的lc谐振网络或推挽式并联谐振转换器(pprc)。分别在图8和9中示出这些实施例中的每一个的模拟波形。图8(a)和8(b)分别示出用于串联调谐的lc谐振网络实施例的未补偿的和补偿的电压vpi、电流ipi以及瞬时功率波形。图9(a)和9(b)类似地示出用于基于pprc的实施例的相应未补偿的和补偿的电压vpi和电流ipi波形。在两种情况下，可以观察到，本发明的补偿将电压vpi和电流ipi波形恢复到基本上彼此同相，从而产生改进的功率因数且促进零电压切换(zvs)。

在其它实施例中，可以不需要输出电压或电流的调节，并且控制器由此不一定被配置成改变电力转换器的占空比。

在又一实施例中，可以改变初级侧与次级侧之间的相对相角以至少部分控制真实电力传递的量值。这可以涉及控制电力传递的量值与补偿初级和/或次级谐振电路的谐振频率变化之间的折衷。合适平衡将取决于应用。

以上变化仅描述为非限制性实例。可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下进行进一步修改或变化。

尽管已经借助于实例并且参考其可能实施例描述了本发明，但是应理解在不脱离本发明的范围的情况下可以进行实例的修改或改良。本发明还可以被广义地认为在于个别地或共同地在本申请案的说明书中参考或指示的部件、元件以及特征，在于所述部件、元件或特征中的两个或更多个的任何或所有组合。此外，当已经参考具有已知等效物的本发明的特定组件或整体时，那么此类等效物如同个别地阐述一样并入本文中。

从前文中将发现，提供一种有效地补偿由初级和次级磁性耦合器的位移或对准变化产生的电感变化的无线电力传递设备、系统和方法。补偿引起无线电力传递的功率因数和效率的改进。在不改变开关频率或添加可切换电抗元件的情况下以及在至少一些实施例中，在损害负载/输出调节的情况下，可以实现此优点。

除非上下文另有明确要求，否则在整个描述中，“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等词应以与独有或详尽的意义相反的包含性的意义来进行解释，即作为“包含但不限于”来进行解释。

在整个说明书中的现有技术的任何论述不应被视作承认此类现有技术是广泛已知的或构成所述领域中的公共常识的一部分。