具有无线控制系统的无线电池充电器的制作方法

相关申请交叉引用

本申请要求2015年4月30日提交的美国专利申请no.14/700,682的权益，该专利申请在此通过引用整体结合于此。

本发明涉及无线电池充电器，具体涉及具有将电池充电数据从电池无线传输到充电器以控制电池充电进程的控制系统的无线电池充电器。

本发明的

背景技术：

已知无线电力传递系统(诸如用于无线充电的那些系统)包含第一线圈结构，下文称为源线圈，该第一线圈结构包括被配置成将来自电力供应的交流电能转换成磁场以及经由磁场将磁能传递到间隔开的第二线圈结构(下文称为捕获线圈)的已调谐谐振电路。捕获线圈还包括被配置用于接收磁场并将磁场转换成电能的已调谐谐振电路，该电能被供应至电负载，诸如电池组或电机。这种无线能量传递系统可被用于对能量存储设备(诸如电动车辆或混合电动车辆的电池组)充电。在这种系统中，源线圈可位于车辆下方的表面(例如车库的地板或停车场的表面)上或者可被嵌入到该表面中并且捕获线圈可被置于车辆底面。

由捕获线圈供应的电力的电流和电压是由电源向源线圈供应的电力的电压决定的。包含捕获线圈电压和电流的反馈的控制系统可被用于控制由电力供应器供应的电力的电压。为了维持在电源和捕获线圈之间的无线连接，通常无线车辆充电系统的操作已主要依赖于反馈环，该反馈环通过无线通信信道(一般符合电气和电子工程师协会(ieee)规范802.11(通常称为“wi—fi”)的无线信道)操作。无线通信导致数据反馈中的“采样”效果。无线信道也引入高度可变延迟(超出采样的延迟)和需要数据重传的封包丢失(另一个延迟来源)。这个延迟的效果(和它对控制环的不稳定影响)限制了闭环控制的可能控制带宽。控制系统则不会足够快地响应系统中的干扰来确保可靠的操作。

背景技术部分中所讨论的主题不应当只因为它在背景技术部分中提到而被假定为现有技术。类似地，背景技术部分中提到的或与背景技术部分的主题相关联的问题不应被假定为在现有技术中已经在先认识到。背景技术部分中的主题仅仅表示不同的方法，它们本身也可能是发明。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，提供了被配置成对能量存储设备进行无线充电的充电系统。该充电系统包括配置成提供具有期望频率下的交流输出电流和交流输出电压的电功率的电力供应器。系统还包括被配置成基于输出电流确定输出电流值(io)的输出电流传感器和被配置成基于输出电压确定输出电压值(vo)的输出电压传感器。系统进一步包括源线圈，该源线圈与电力供应器电通信并被配置成产生交变磁场。源线圈与暴露至交变磁场的捕获线圈磁耦合，由此感应捕获线圈来捕获来自磁场的电功率。整流器与捕获线圈和电池电耦合，并被配置成将来自捕获线圈的被捕获的电功率整流成具有直流的或恒定的电压的直流电(dc)。系统附加地包括被配置成确定表示待由整流器供应给电池的期望直流电流的电流命令值(ic)的电池控制器。系统还包括被配置成基于直流电流确定直流电流值(id)的直流电流传感器和被配置成基于直流电压确定直流电压值(vd)的直流电压传感器。包括在系统中的发射器被配置成以发射速率无线地向接收器发射采样的电流命令值(ics)，采样的直流电压值(vds)，和采样的直流电流值(ids)。采样的电流命令值(ics)，采样的直流电压值(vds)，和直流电流值(ids)是分别从电流命令值(ic)，直流电压值(vd)和直流电流值(id)采样的。系统附加地包括与接收器和电力供应器电通信的充电控制器。充电控制器被配置成基于输出电流值(io)、输出电压值(vo)、采样电流命令值(ics)、采样直流电压值(vds)和采样直流电流值(ids)确定电压命令值(vc)。电力供应器被配置成基于由充电控制器确定的电压命令值(vc)调节输出电压值(vo)。由充电控制器确定电压命令值(vc)的速率大于发射器的发射速率。

根据一个特定实施例，充电控制器基于采样电流命令值(ics)与预测电流值(ip)之间的差根据拉普拉斯变换公式：vc＝(ics–ip)*(kp2+ki2/s)确定电压命令值(vc)。kp1和kp2的值是比例常数(proportionalconstant)，且ki1和ki2的值是积分常数(integralconstant)。预测电流值(ip)是根据自适应模型公式：ip＝((k1*vo*io)-k0)/vds确定的。在这个示例性实施例中，k0的值是常数。k1的值是根据拉普拉斯变换公式：k1＝(ids–ip)*(kp1+ki1/s)确定的。kp1的值可以是零。

根据这个示例性实施例，电压命令值由充电控制器每20毫秒至少确定一次并且发射速率大约是每100毫秒一次。预测电流值由充电控制器每100毫秒确定不多于一次。

采样电流命令值，采样直流电压值和采样直流电流值可被发射器以发射速率周期性地发射。采样电流命令值，采样直流电压值和采样直流电流值的发射可被发射器延时。

根据另一个实施例，提供了操作被配置成对能量存储设备进行无线充电的充电系统的方法。充电系统具有配置成提供具有期望频率下的交流输出电流和交流输出电压的电功率的电力供应器。系统包括与电力供应器电通信并被配置成生成交变磁场的源线圈和被配置成与所述源线圈磁耦合的捕获线圈，藉此感应捕获线圈捕获电功率。此系统进一步包括与捕获线圈和电池电耦合并被配置成提供具有直流电压和直流电流的被捕获电功率的整流器。此系统还具有与电力供应器电通信并被配置成调节交流输出电压的充电控制器。所述方法包括提供被配置成基于输出电流确定输出电流值的输出电流传感器和提供被配置成基于输出电压确定输出电压值的输出电压传感器的步骤。所述方法还包括提供被配置成确定电流命令值的电池控制器和提供被配置成基于直流电流确定直流电流值的直流电流传感器，和提供被配置成鵆基于直流电压确定直流电压值的直流电压传感器的步骤。所述方法进一步包括下列步骤：对电流命令值，直流电压值和直流电流值进行采样，提供被配置成以发射速率发射采样电流命令值，采样直流电压值和采样直流电流值的发射器和提供被配置成从发射器无线地接收采样电流命令值，采样直流电压值和采样直流电流值的接收器。所述方法附加地包括经由充电控制器，基于输出电流值、输出电压值、采样电流命令值、采样直流电压值和采样直流电流值确定电压命令值的步骤。由充电控制器确定电压命令值的速率大于发射器的发射速率。所述方法进一步包括基于电压命令值调节电力供应器的输出电压值的步骤。

附图说明

现在将参考各个附图作为示例来描述本发明，其中：

图1是根据一个实施例的无线电力传递系统的示意图；

图2是根据一个实施例的图1的无线电力传递系统的图示侧视图；

图3是根据一个实施例的比较使用多种k0值的图1的无线电力传递系统的输入功率和输出功率的图表；以及

图4是根据另一个实施例的控制无线电力传递系统的方法的流程图。

本发明的具体说明

本文中呈现的无线电力传递系统在反馈环中包含自适应模型来帮助预测将由捕获线圈向电负载供应的电流并相应地调节由电力供应器供应的电力的输出电压。这允许闭环控制的控制带宽被增加。例如，电力供应器的输出电压可以每20毫秒被调节而捕获线圈的电流和电压数据可以每100毫秒被更新。

图1示出了无线电力传递系统10(下文称为系统10)的非限制性示例。在这个示例中，系统10充当被配置成对能量存储设备(例如电动车辆或混合电动车辆14中的电池12)进行无线充电的充电系统。

系统10包括连接到电源18(在此示例中，在240vac下在50-60hz下向电力供应器16提供电力的公用事业干线(utilitymain))的电力供应器16。电力供应器16向反相器17供应直流(dc)电压，该反相器产生10千赫兹(khz)到450khz的频率范围内的交流(ac)电压用以在源线圈20和捕获线圈22之间提供磁耦合。可基于来自外部设备(例如控制器)的输入信号调节电力供应器16的输出电压(vo)。在一些应用中，还可控制从电力供应器16输出的电力的频率以改善源线圈20和捕获线圈22之间的磁耦合。

电力供应器16与电源18电连接。如在本文中使用的，电连接意味着电力供应器16通过线导体连接到电源18(例如公用事业干线)。由电力供应器16供应给源线圈20的交流电力使源线圈20产生磁场24。捕获线圈22被放置在此磁场24内并且磁场24在捕获线圈22中感应交流电流，由此将磁场24内的磁能转换为电能。为了向电池12供应由捕获线圈22捕获到的电力，系统10包括整流器26和滤波器26以将来自捕获线圈22的交流电流转换成可被用于对电池12充电的非时变电流和电压，下文称为直流电流和直流电压。如在图2示出的，捕获线圈22位于车辆14的底面28上，并且源线圈20位于车辆14下方并与之分开的表面30(例如停车场或车库的地板)上。

现在回到图1，系统10包括多个电压和电流传感器。一对传感器包括被配置成基于电力供应器16的输出电流确定输出电流值(io)的输出电流传感器32和被配置成基于电力供应器16的输出电压确定输出电压值(vo)的输出电压传感器34。输出电流传感器32和输出电压传感器34一起测量向反相器17供应的dc电功率，且该dc电功率预测实际走向电池12的功率。测量由反相器17ac输出的交流电压的“真实功率”是非常困难的，因为存在将需要被确定的真实功率和无功功率(正在源/捕获线圈系统20,22中循环的能量)两者。测量供应给反相器17的dc功率容易得多也更精确。所以输出电压值(vo)和输出电流值(io)是dc值并且供应至反相器17的功率是输出电压值(vo)和输出电流值(io)的积(其中输出电压值(vo)将保持相当恒定并且输出电流值(io)则可以仅是平均值)。

另一对传感器包括被配置成基于被整流器26输出的直流电流确定直流电流值(id)的直流电流传感器36和被配置成基于被整流器26输出的直流电压确定直流电压值(vd)的直流电压传感器38。这些电流和电压传感器的设计、构建和实现对于本领域技术人员而言是公知的。

如图1所示，系统10还包括一对控制器。电池控制器40被设置在车辆14内并与电池12电连接并且监测电池电压，并且基于需要由整流器26供应以便有效地对电池12充电的电流确定电流命令值(ic)。电池控制器40包括中央处理单元(未示出)，其可以是微处理器、专用集成电路(asic)，或者可由分立的逻辑和时序电路(未示出)建立。对电池控制器40进行编程的软件指令可被存储在非易失性(nv)存储设备(未示出)中。nv存储设备可被包含在微处理器或asic中或者它可以是单独的设备。可使用的nv存储器的类型的非限制性示例包括电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、掩模只读存储器(rom)和闪存。电池控制器40还包括有线收发机(未示出)，例如控制器局域网(can)收发机，用于允许电池控制器40与车辆14内的其他设备建立电通信。

另一个控制器是充电控制器42，该充电控制器与电力供应器16电通信并被配置成基于输出电流值(io)、输出电压值(vo)、电流命令值(ic)、直流电压值(vd)和直流电流值(id)确定电压命令值(vc)。电力供应器16被配置成基于电压命令值(vc)调节输出电压值(vo)。

充电控制器42包括中央处理单元(未示出)，其可以是微处理器、专用集成电路(asic)，或者可由分立的逻辑和时序电路(未示出)建立。对充电控制器42进行编程以确定电压命令值(vc)的软件指令可被存储在非易失性(nv)存储设备(未示出)中。nv存储设备可被包含在微处理器或asic中或者它可以是单独的设备。可使用的nv存储器的类型的非限制性示例包括电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、掩模只读存储器(rom)和闪存。充电控制器42还包括有线收发机(未示出)，例如控制器局域网(can)收发机，用于允许电池控制器42与电力供应器16和其他设备建立电通信。电压命令值(vc)可从充电控制器42数字地传输到电力供应器16。替代地，表示电压命令值(vc)的模拟电压可由充电控制器42产生并传输到电力供应器16。

图1和2显示系统10进一步包括发射器44以及接收器46，该发射器44被设置在车辆14内，该接收器46位于车辆14的远程且与发射器44无线地连接。发射器44包括有线收发机(未示出)，例如控制器局域网(can)收发机，用于允许发射器44与电池控制器40建立电通信。发射器44还与直流电流传感器36电通信，并被配置成接收来自直流电流传感器36的直流电流值(id)。发射器44进一步与直流电压传感器38电通信，并被配置成接收来自直流电压传感器38的直流电压值(vd)。相似地，接收器46包含有线收发机(未示出)，例如控制器局域网(can)收发机，用于允许发射器44与充电控制器42建立电通信。

发射器44被配置成周期性地从电池控制器40传输电流命令值(ics)，从直流电压传感器38传输直流电压值(vds)，以及从直流电流传感器36传输直流电流值(ids)。如在本文中使用的，“周期性地传输的”可意味着以定期的时间间隔传输的或以不定期的时间间隔传输的。周期性传输创建由接收器46接收的采样的电流命令值(ics)，采样的直流电压值(vds)，以及采样的直流电流值(ids)。这些采样值中的每一个然后经由互连接收器46和充电控制器42的收发机从接收器46被引导至充电控制器42。传输速率是每时间单元值(ics，vds，ids)从发射器44被发送到接收器46的次数，例如在每100毫秒发送一次值的情况下是10/秒。当值以不定期的时间间隔传输时，这可以是平均速率。

电压命令值(vc)被调节用以控制供应给电池12的电流的直流电流值(id)。电池12的充电状态是直流电压值(vd)的主要决定因素。增加供应给反相器17的电力的输出电压值(vo)使更多的电流流入电池12中。因此为了调整直流电流值(id)，系统10基本地控制电压命令值(vc)。在不属于任何特定的操作理论的情况下，这是有用的，因为源/捕获线圈系统20,22有相当高的阻抗(实际是电抗)。因此，对电池12的输出阻抗不是像在电力供应器中典型的那样实在是低。有很多的电压“下垂”，因为由电池14从整流器/滤波器26汲取更多的电流(id)。

根据示例性实施例，采样的电流命令值(ics)、采样的直流电压值(vds)和采样的直流电流值(ids)从发射器44发送至接收器46每100毫秒不多于一次。充电控制器42基于写为拉普拉斯(laplace)变换的以下公式：vc＝ie*(kp2+ki2/s)计算电压命令值(vc)，其中电流误差的值(ie)是采样的电流命令值(ics)和预测的电流值(ip)之间的差。电压命令值(vc)的计算可通过使用比例积分(pi)控制器实施。ie的值通过成比例的缩放因子kp2缩放并且与由积分缩放因子ki2缩放的ie的积分相加来确定电压命令值。在这个示例性实施例中，充电控制器42按50/秒地或每20毫秒地计算电压命令值并且向电力供应器16发送包含电压命令值的命令来调节输出电压值(vo)。kp2和ki2的值可基于电力供应器16的响应时间以及源线圈20和捕获线圈22之间的电力传递的效率并可被实验上确定。在该示例性实施例中，kp2的值为零。

预测的电流值(ip)也由充电控制器42计算并且是基于以下自适应模型公式：ip＝((k1*vo*io)-k0)/vds，其中vo是由输出电压传感器34确定的电力供应器16的输出电压值，io是由输出电流传感器32确定的电力供应器16的输出电流值，且vds是由发射器44发送到接收器46的采样直流电压值(vds)。k0的值是常数偏移值，它是低功率操作下的主要适应校正项。k1是高功率操作下的主要适应校正项。k1是由充电控制器42基于写为拉普拉斯变换的公式k1＝(ids–ip-1)*(kp1+ki1/s)计算的，其中由发射器44发送到接收器46的采样直流电流值ids与预测电流值的先前计算值(ip-1)之间的差是由成比例的缩放因子kp1缩放并被加至由积分缩放因子ki1缩放的ids与ip-1的此差。k1的值的计算可通过使用比例积分(pi)控制器实施。在这个示例性实施例中，充电控制器42按10/秒地或每100毫秒地计算预测电流值和缩放因子k1。

系统10的充电控制器42的启动序列的非限制性示例如下：

·设置用于计算保持模式中的电压命令值(vc)和缩放因子k1的积分器并初始化至典型的启动值。

·初始化电压命令值(vc)来将输出电压值(vo)调节到低启动值。

·使电压命令值(vc)斜升以在计算电压命令值(vc)时经由超控(override)积分器来使预测电流值(ip)与电流命令值(ic)相等。这可通过超控电流命令值(ic)完成。

·启用用于计算电压命令值(vc)的积分器，从而建立“本地”电压控制器48，即不依赖于从远程电池控制器40或直流电流传感器36和直流电压传感器38传输的值。

·启用用于计算k1的值的积分器，从而建立自适应控制器50。

因此，系统10在系统10的源线圈20侧提供“高带宽”电压控制器48，被称作这样是因为电压命令值(vc)每20毫秒被计算一次。电力供应器16的功率输出被用作捕获线圈22输出功率的主要预测器并在系统10的源线圈20侧被调整。系统10进一步提供跨无线链路操作的“低带宽”自适应控制器50，被称作这样是因为预测的电流值(ip)和积分因子k1的值每100毫秒被计算一次并由无线链路的传输速率也大约每100毫秒一次限制。对积分因子k1的值的较慢的预测变化减少预测电流值(ip)的长期误差。在不属于任何特定的操作理论的情况下，系统10容忍采样电流命令值(ics)，采样直流电压值(vds)，以及采样直流电流值(ids)和由于自适应控制器50的低带宽造成的跨无线链路的传输延迟。

控制系统10的所有关键信息可以在无线链路的接收器侧获得。对系统10的适当控制需要来自无线链路的两侧的信息，例如输出电流值(io)，输出电压值(vo)和电流命令值(ic)，直流电压值(vd)，直流电流值(id)。系统10确保控制参数的一致集合，例如捕获线圈侧多半是输入/输出值。

图3示出使用不同的k0值时来自电力供应器的输入功率与从整流器/滤波器到电池的输出功率的示例比较。

图4示出操作被配置成对能量存储设备进行无线充电的充电系统10的方法100的非限制性示例，该充电系统10具有被配置成为具有期望频率下的交流输出电流和交流输出电压的电功率提供来源(source)的电力供应器16，与电力供应器16电通信并被配置成生成交变磁场24的源线圈20，被配置成与所述源线圈20磁耦合的捕获线圈22，由此感应捕获线圈22来捕获电功率，与捕获线圈22和电池12电耦合并被配置成提供具有直流电压和直流电流的被捕获电功率的整流器26，以及与电力供应器16电通信并被配置成调节交流输出电压的充电控制器42。方法100包括以下步骤。

步骤110，“提供输出输出电流值的输出电流传感器，输出输出电压值的输出电压传感器，输出直流电流值的直流电流传感器和输出直流电压值的直流电压传感器”，包括提供被配置成基于输出电流确定输出电流值(io)的输出电流传感器32，提供被配置成基于输出电压确定输出电压值(vo)的输出电压传感器34，提供被配置成基于直流电流确定直流电流值(id)的直流电流传感器36，以及提供被配置成基于直流电压确定直流电压值(vd)的直流电压传感器38。

步骤112，“提供输出电流命令值的电池控制器”，包括提供被配置成确定电流命令值(ic)的电池控制器40。

步骤114，“对电流命令值、直流电压值和直流电流值进行采样”，包括对电流命令值(ic)、直流电压值(vd)和直流电流值(id)的值进行采样。

步骤116，“提供被配置成发送和接收采样值的发射器和接收器”，包括提供被配置成以发射速率发射采样电流命令值(ics)，采样直流电压值(vds)，和采样直流电流值(ids)的发射器44，以及提供被配置成无线地接收来自发射器44的采样电流命令值(ics)，采样直流电压值(vds)和采样直流电流值(ids)的接收器46。

步骤118，“将采样值从发射器发射到接收器”，包括将采样电流命令值(ics)，采样直流电压值(vds)和采样直流电流值(ids)从发射器44发射到接收器46。发射速率大约是每100毫秒一次。采样电流命令值(ics)，采样直流电压值(vds)和采样直流电流值(ids)被发射器44以发射速率周期性地发射。采样电流命令值(ics)，采样直流电压值(vds)和采样直流电流值(ids)的传输被发射器44延时。

步骤120，“基于输出电流值、输出电压值、采样电流命令值、采样直流电压值和采样直流电流值确定电压命令值”，包括经由充电控制器42，基于输出电流值(io)、输出电压值(vo)、采样电流命令值(ics)、采样直流电压值(vds)和采样直流电流值(ids)确定电压命令值(vc)。由充电控制器42确定电压命令值(vc)的速率大于发射器44的发射速率。充电控制器42基于采样电流命令值(ics)与预测电流值(ip)之间的差根据拉普拉斯变换公式vc＝(ics–ip)*(kp2+ki2/s)确定电压命令值(vc)，其中kp1和kp2的值是比例常数，且ki1和ki2的值是积分常数。预测电流值(ip)是根据自适应模型公式：ip＝((k1*vo*io)-k0)/vds确定的，并且其中k0的值是常数。k1的值是经由充电控制器42根据拉普拉斯变换公式：k1＝(ids–ip-1)*(kp1+ki1/s)确定的。电压命令值(vc)由充电控制器42每20毫秒至少确定一次。预测电流值(ip)由充电控制器42每100毫秒确定不多于一次。

步骤122，“基于电压命令值调节电力供应器的输出电压值”，包括基于电压命令值(vc)调节电力供应器16的输出电压值(vo)。

因此，提供了无线充电系统10和控制这样的系统10的方法100。系统10和方法100提供下列优势：提供无线地接收控制参数(例如来自系统10的远程部分的电流命令值、直流电压值和直流电流值)的充电控制器42，同时以比控制参数被无线地接收的速率更高的速率调节电力供应器16的输出电压。这通过使用预测电流命令信号值的充电控制器42所执行的自适应控制模型完成。此系统10和方法100能够补偿来自系统10的远程部分的控制参数的采样和延迟。

尽管本文中包含的示例已涉及使用无线充电系统10对电动车辆14中的电池12进行充电，但本文所述的系统10和方法100可应用于任何其他无线电力传递以用于对电池或其他能量存储设备进行充电，例如对便携式电子设备(例如蜂窝电话或平板电脑)中的电池进行无线充电。另外，系统10不限于本文列出的计算速率，传输速率，和/或具体控制公式。

尽管已经根据本发明的优选实施例描述了本发明，但是并不限制于此，而是仅在所附的权利要求书所阐述的范围内为限。此外，术语第一、第二等的使用不表示任何的重要顺序，相反术语第一、第二等被用来将一个要素与另一要素区别开来。此外，术语一、一个等的使用不表示对量的限制，而是表示所引述项的至少一个的存在。