用于感應(yīng)電力傳輸?shù)碾p側(cè)控制的制作方法
【專利摘要】一種用于雙側(cè)控制的設(shè)備，該設(shè)備包括測量IPT系統(tǒng)104的電壓和電流的測量模塊202。該電壓包括輸出電壓和/或輸入電壓，并且該電流包括輸出電流和/或輸入電流。該輸出電壓和該輸出電流是在IPT系統(tǒng)104的輸出處測得的，并且該輸入電壓和該輸入電流是在IPT系統(tǒng)104的輸入處測得的。該設(shè)備包括確定IPT系統(tǒng)104的最大效率的最大效率模塊204。該最大效率模塊使用IPT系統(tǒng)104的參數(shù)來迭代至最大效率。該設(shè)備包括調(diào)整IPT系統(tǒng)104中的一個或多個參數(shù)使之與由最大效率模塊204計算出的該最大效率相一致的調(diào)整模塊206。
【專利說明】用于感應(yīng)電力傳輸?shù)碾p側(cè)控制
[0001]對相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求保護(hù)并且由Hunter Wu等人于2012年I月23日提交的標(biāo)題為“WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM AND METHODS” 的美國臨時專利申請第 61/589，599 號的權(quán)益，上述申請出于全部目的通過引用合并到本文中。將由Hunter Wu等人于2013年I月23日提交的標(biāo)題為“SWITCH WEAR LEVELING”的美國專利申請第13/748，074號以及由Hunter Wu 等人于 2013 年 I 月 23 日提交的標(biāo)題為“WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM”的美國臨時專利申請第13/748，269號出于全部目的通過引用合并到本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及對開關(guān)電力供應(yīng)的控制，并且更具體地涉及對感應(yīng)電力傳輸(“IPT”)系統(tǒng)中的開關(guān)電力供應(yīng)的控制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]一種用于雙側(cè)控制的設(shè)備，該設(shè)備包括測量IPT系統(tǒng)的電壓和電流的測量模塊。該電壓包括輸出電壓和/或輸入電壓，并且該電流包括輸出電流和/或輸入電流。該輸出電壓和該輸出電流是在該IPT系統(tǒng)的輸出處測得的，并且該輸入電壓和該輸入電流是在該IPT系統(tǒng)的輸入處測得的。該設(shè)備包括確定該IPT系統(tǒng)的最大效率的最大效率模塊。該最大效率模塊使用該IPT系統(tǒng)的參數(shù)來迭代至最大效率。該設(shè)備包括調(diào)整該IPT系統(tǒng)中的一個或多個參數(shù)使之與由該最大效率模塊計算出的該最大效率相一致的調(diào)整模塊。
[0005]在一個實施方式中，該IPT系統(tǒng)包括第一級和第二級，該第一級無線地傳送能量，并且該第二級接收無線地傳輸?shù)哪芰坎⑶铱刂平?jīng)由輸出母線向一個或多個負(fù)載的能量傳輸。輸出電壓和輸出電流是在該輸出母線上測得的。在另一實施方式中，該第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且該第二級包括次級諧振電路、次級整流電路和/或次級去耦電路。在另一實施方式中，至少一個負(fù)載包括能量存儲裝置。
[0006]在一個實施方式中，由調(diào)整模塊調(diào)整了的一個或多個參數(shù)包括調(diào)整第二級的占空比的占空比基準(zhǔn)和/或調(diào)整第一級的導(dǎo)通角的導(dǎo)通角基準(zhǔn)。在又一實施方式中，調(diào)整占空比基準(zhǔn)的和/或?qū)ń腔鶞?zhǔn)的調(diào)整模塊是外控制環(huán)的部分，其中，第一級包括基于導(dǎo)通角基準(zhǔn)控制導(dǎo)通角的第一級內(nèi)環(huán)并且第一級內(nèi)環(huán)比外環(huán)控制更快地控制導(dǎo)通角，并且/或者第二級包括基于占空比基準(zhǔn)控制占空比的第二級內(nèi)環(huán)并且第二級內(nèi)環(huán)比外環(huán)控制更快地控制占空比。
[0007]在一個實施方式中，最大效率模塊通過使用一個或多個變量進(jìn)行迭代來確定最大效率。該一個或多個變量包括:第一級的導(dǎo)通角，第二級的占空比，間隙的尺寸，其中IPT系統(tǒng)跨該間隙無線地傳輸電力，初級接收器墊和次級接收器墊的失準(zhǔn)，其中IPT系統(tǒng)從初級接收器墊向次級接收器墊無線地傳輸電力，被傳輸至該一個或多個負(fù)載的電力和/或品質(zhì)因數(shù)。
[0008]在一個實施方式中，該最大效率模塊通過針對測得的電壓和電流確定至少第一級和第二級的效率來確定最大效率。在另一實施方式中，最大效率模塊確定最大效率，其中IPT系統(tǒng)的效率計算為η = nri.ncl.nr2.nb2.nc2o其中，n是ipt系統(tǒng)效率，L1是在無電壓降的情況下的第一級的效率；L1是在無線性電阻損耗的情況下的第一級的效率，nr2是第二級的次級諧振電路的效率，nb2是在無電壓降的情況下的第二級的次級整流電路和次級去耦電路的效率，并且L2是在有線性電阻損耗的情況下的第二級的次級整流電路和次級去耦電路的效率。
[0009]在另一實施方式中，其中，第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且次級去耦電路包括次級升壓轉(zhuǎn)換器，并且其中，被計算為:

【權(quán)利要求】
1.一種設(shè)備，包括: 測量模塊，所述測量模塊測量感應(yīng)電力傳輸(“IPT”)系統(tǒng)的電壓和電流，所述電壓包括輸出電壓和輸入電壓中的一個或多個，所述電流包括輸出電流和輸入電流中的一個或多個，所述輸出電壓和所述輸出電流是在所述IPT系統(tǒng)的輸出處測得的，所述輸入電壓和所述輸入電流是在所述IPT系統(tǒng)的輸入處測得的； 最大效率模塊，所述最大效率模塊確定所述IPT系統(tǒng)的最大效率，所述最大效率模塊使用所述IPT系統(tǒng)的參數(shù)來迭代至最大效率；以及 調(diào)整模塊，所述調(diào)整模塊調(diào)整所述IPT系統(tǒng)中的一個或多個參數(shù)使之與由所述最大效率模塊計算出的所述最大效率相一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求O所述的設(shè)備，其中，所述IPT系統(tǒng)包括第一級和第二級，其中，所述第一級無線地傳送能量，并且所述第二級接收無線地傳輸?shù)哪芰坎⑶铱刂平?jīng)由輸出母線向一個或多個負(fù)載的能量傳輸，其中，所述輸出電壓和所述輸出電流是在所述輸出母線上測得的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且所述第二級包括次級諧振電路、次級整流電路和次級去耦電路中的一個或多個。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，至少一個負(fù)載包括能量存儲裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，由所述調(diào)整模塊調(diào)整了的所述一個或多個參數(shù)包括調(diào)整所述第二級的占空比的占空比基準(zhǔn)和調(diào)整所述第一級的導(dǎo)通角的導(dǎo)通角基準(zhǔn)中的一個或多個。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，調(diào)整所述占空比基準(zhǔn)和所述導(dǎo)通角基準(zhǔn)中的一個或多個的所述調(diào)整模塊包括外控制環(huán)，其中，以下中的一個或多個: 所述第一級包括基于所述導(dǎo)通角基準(zhǔn)控制導(dǎo)通角的第一級內(nèi)環(huán)，所述第一級內(nèi)環(huán)比外環(huán)控制更快地控制導(dǎo)通角；以及 所述第二級包括基于所述占空比基準(zhǔn)控制占空比的第二級內(nèi)環(huán)，所述第二級內(nèi)環(huán)比所述外環(huán)控制更快地控制占空比。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述最大效率模塊通過使用一個或多個變量進(jìn)行迭代來確定所述最大效率，所述一個或多個變量包括: 所述第一級的導(dǎo)通角； 所述第二級的占空比； 間隙的尺寸，所述IPT系統(tǒng)跨所述間隙無線地傳輸電力； 初級接收器墊和次級接收器墊的失準(zhǔn)，所述IPT系統(tǒng)從所述初級接收器墊向所述次級接收器墊無線地傳輸電力； 被傳輸至所述一個或多個負(fù)載的電力；以及 品質(zhì)因數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述最大效率模塊通過針對測得的電壓和電流確定至少所述第一級和所述第二級的效率來確定所述最大效率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述最大效率模塊確定所述最大效率，其中所述IPT系統(tǒng)的效率被計算為:
rI — rIrl* rI cl * rI r2 * 11- b2 * Π。，其中， η是IPT系統(tǒng)效率； nrl是在無電壓降的情況下的所述第一級的效率； n cl是在無線性電阻損耗的情況下的第一級的效率； nr2是所述第二級的次級諧振電路的效率； nb2是在無電壓降的情況下的所述第二級的次級整流電路和次級去耦電路的效率；并且 打。2是在有線性電阻損耗的情況下的所述第二級的所述次級整流電路和所述次級去耦電路的效率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，所述第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且所述次級去耦電路包括次級升壓轉(zhuǎn)換器，并且其中，被計算為:
I
R11 + RbMzCf ((Λ? + Re(Zr)) + (-L1 + l?n(2r))) 1 fRe(Zr) 其中， Rli是初級接收器墊的等價串聯(lián)電阻(“ESR”)，所述IPT系統(tǒng)從所述初級接收器墊向次級接收器墊無線地傳輸電力； Rb是所述第一級的所述LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器的橋電感器的ESR與在所述LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器的半周期期間接通的開關(guān)裝置的線性接通電阻；ω是所述IPT系統(tǒng)的工作頻率； C1是所述LCL負(fù)載諧振電路的并聯(lián)調(diào)諧電容器的電容； Re(Zr)是所述第二級在所述第一級上的反射電阻； AL1是歸因于間隙的尺寸大小的所述初級接收器墊電感的改變，所述IPT系統(tǒng)跨所述間隙無線地傳輸電力；并且 Im(Zr)是所述第二級在所述第一級上的反射電抗。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，所述第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且所述次級去耦電路包括次級升壓轉(zhuǎn)換器，并且其中，Zr被計算為:
Zr = Re (Zr)+j*Im (Zr) 其中 一、謹(jǐn)2 Q2^

— -...................._.................-.'2—
L.2.eq I + Qlva 并且 ,、ωΜ2 (Q2v \ 其中 M是所述IPT系統(tǒng)的所述初級接收器墊與所述次級接收器墊之間的互感； L2eq是在有串聯(lián)調(diào)諧的情況下的等價次級接收器墊電感； Q2v是所述次級諧振電路的電壓品質(zhì)因數(shù)；并且 α是所述次級諧振電路的歸一化去調(diào)諧電容比，所述歸一化去調(diào)諧電容比被定義為:
c2是所述次級諧振電路的并聯(lián)調(diào)諧電容器的電容；并且 Δ C2是歸因于所述次級接收器墊的自感的變化的次級調(diào)諧電容的等價改變。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，M被計算為:
Vout是在所述輸出母線上測得的輸出電壓； 1ut是在所述輸出母線上測得的輸出電流； O是所述第一級的導(dǎo)通角；并且 D是所述第二級的所述次級升壓轉(zhuǎn)換器的占空比。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，所述第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且所述次級去耦電路包括次級升壓轉(zhuǎn)換器，并且其中，Hca被計算為:
其中 Vhs m是所述第一級的開關(guān)裝置的電壓降部分； ω是所述IPT系統(tǒng)的工作頻率； Lb是所述LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器的橋電感； Pout是由所述IPT系統(tǒng)傳輸?shù)妮敵龉β?；并? Re(Zr)是所述第二級在所述第一級上的反射電阻。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，所述第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且所述次級去耦電路包括次級升壓轉(zhuǎn)換器，并且其中，L2被計算為:
其中 ω是所述IPT系統(tǒng)的工作頻率； C2是所述第二級的所述次級諧振電路的并聯(lián)調(diào)諧電容器的電容；Rl2是次級接收器墊的ESR，所述IPT系統(tǒng)從初級接收器墊向所述次級接收器墊無線地傳輸電力； Q2v是所述次級諧振電路的電壓品質(zhì)因數(shù)；并且 α是所述次級諧振電路的歸一化去調(diào)諧電容比，所述歸一化去調(diào)諧電容比被定義為
Vout是在所述輸出母線上測得的輸出電壓； 1ut是在所述輸出母線上測得的輸出電流； L2eq是在有串聯(lián)調(diào)諧的情況下的等價次級接收器墊電感； D是所述第二級的所述次級升壓轉(zhuǎn)換器的占空比；并且 Δ C2是歸因于所述次級接收器墊的自感的變化的次級調(diào)諧電容的等價改變。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，所述第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且所述次級去耦電路包括次級升壓轉(zhuǎn)換器，并且其中，Hb2被計算為:
其中 ω是所述IPT系統(tǒng)的工作頻率； C2是所述第二級的所述次級諧振電路的并聯(lián)調(diào)諧電容器的電容； RLdc是DC電感器的ESR與在所述LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器的半周期期間接通的開關(guān)裝置的線性接通電阻； Rbd_on是所述第二級的次級升壓轉(zhuǎn)換器的二極管的線性電阻；并且 Q2v是所述次級諧振電路的電壓品質(zhì)因數(shù)， 其中
L2eq是在有串聯(lián)調(diào)諧的情況下的等價次級接收器墊電感； Vout是在所述輸出母線上測得的輸出電壓；1ut是在所述輸出母線上測得的輸出電流；并且 D是所述第二級的所述次級升壓轉(zhuǎn)換器的占空比。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中，所述第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且所述次級去耦電路包括次級升壓轉(zhuǎn)換器，并且其中，L2被計算為:
其中 Vrd on是所述第二級的所述次級整流電路的二極管的電壓降部分； Vbd on是所述第二級的所述次級升壓轉(zhuǎn)換器的二極管的電壓降部分； D是所述第二級的所述次級升壓轉(zhuǎn)換器的占空比；并且 Vout是所述第二級的所述次級諧振電路的DC輸出電壓。
17.—種系統(tǒng),包括: 第一級，所述第一級包括初級接收器墊； 第二級，所述第二級包括次級接收器墊； 輸出電力母線，其中，所述第一級從所述初級接收器墊無線地傳送能量，并且所述第二級將無線地傳輸?shù)哪芰拷邮沼谒龃渭壗邮掌鲏|中，所述第二級控制經(jīng)由所述輸出母線向一個或多個負(fù)載的能量傳輸，所述第一級、所述第二級和所述輸出電力母線構(gòu)成感應(yīng)電力傳輸(“IPT”)系統(tǒng)的至少一部分； 測量模塊，所述測量模塊測量電壓和電流，所述電壓和電流是在所述輸出母線和至所述IPT系統(tǒng)的輸入中的一個或多個上測得的； 最大效率模塊，所述最大效率模塊確定所述IPT系統(tǒng)的最大效率，所述最大效率模塊使用所述IPT系統(tǒng)的參數(shù)來迭代至最大效率；以及 調(diào)整模塊，所述調(diào)整模塊調(diào)整所述IPT系統(tǒng)中的一個或多個參數(shù)使之與由所述最大效率模塊計算出的所述最大效率相一致。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，還包括能量存儲裝置，所述能量存儲裝置包括所述一個或多個負(fù)載中的負(fù)載。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述能量存儲裝置向車輛提供電力，所述第二級和所述能量存儲裝置位于所述車輛上，當(dāng)所述次級接收器墊與所述初級接收器墊至少部分地對準(zhǔn)時，所述車輛從所述第一級無線地接收電力。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述第一級包括整流器級，所述整流器級對作為輸入電力連接至所述第一級的交流(“AC”)電壓進(jìn)行整流。
21.根據(jù)權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且所述第二級包括次級諧振電路、次級整流電路和次級升壓轉(zhuǎn)換器，并且其中，所述最大效率模塊確定所述最大效率，其中所述IPT系統(tǒng)的效率被計算為:
rI — rIrl* rI cl * rI r2 * 11- b2 * Π。，其中，
η是IPT系統(tǒng)效率； nrl是在無電壓降的情況下的所述第一級的效率； n cl是在無線性電阻損耗的情況下的第一級的效率； nr2是所述第二級的次級諧振電路的效率； nb2是在無電壓降的情況下的所述第二級的所述次級整流電路和所述次級升壓轉(zhuǎn)換器的效率；并且 打。2是在有線性電阻損耗的情況下的所述第二級的所述次級整流電路和所述次級升壓轉(zhuǎn)換器的效率。
22.—種方法,包括: 測量感應(yīng)電力傳輸(“IPT”)系統(tǒng)的電壓和電流，所述電壓包括輸出電壓和輸入電壓中的一個或多個，所述電流包括輸出電流和輸入電流中的一個或多個，所述輸出電壓和所述輸出電壓是在所述IPT系統(tǒng)的輸出處測得的，所述輸入電壓和所述輸入電流是在所述IPT系統(tǒng)的輸入處測得的； 通過使用所述IPT系統(tǒng)的參數(shù)來迭代至最大效率來確定所述IPT系統(tǒng)的最大效率；以及 調(diào)整所述IPT系統(tǒng)中的一個或多個參數(shù)使之與計算出的所述最大效率相一致。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述IPT系統(tǒng)包括第一級和第二級，其中，所述第一級無線地傳送能量，并且所述第二級接收無線地傳輸?shù)哪芰坎⑶铱刂平?jīng)由輸出母線向一個或多個負(fù)載的能量傳輸，其中，所述第一級包括LCL負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器，并且所述第二級包括次級諧振電路、次級整流電路和次級去耦電路中的一個或多個，并且其中，至少一個負(fù)載包括能量存儲裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，調(diào)整所述一個或多個參數(shù)包括調(diào)整占空比基準(zhǔn)和導(dǎo)通角基準(zhǔn)中的一個或多個，所述占空比基準(zhǔn)調(diào)整所述第二級的占空比，所述導(dǎo)通角基準(zhǔn)調(diào)整所述第一級的導(dǎo)通角，并且其中，調(diào)整所述占空比基準(zhǔn)和所述導(dǎo)通角基準(zhǔn)中的一個或多個包括外控制環(huán)，其中，以下中的一個或多個: 所述第一級包括基于所述導(dǎo)通角基準(zhǔn)控制導(dǎo)通角的第一級內(nèi)環(huán)，所述第一級內(nèi)環(huán)比外環(huán)控制更快地控制導(dǎo)通角；以及 所述第二級包括基于所述占空比基準(zhǔn)控制占空比的第二級內(nèi)環(huán)，所述第二級內(nèi)環(huán)比所述外環(huán)控制更快地控制占空比。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，確定所述最大效率包括通過使用一個或多個變量進(jìn)行迭代來確定所述最大效率，所述一個或多個變量包括: 所述第一級的導(dǎo)通角； 所述第二級的占空比； 間隙的尺寸，所述IPT系統(tǒng)跨所述間隙無線地傳輸電力； 初級接收器墊和次級接收器墊的失準(zhǔn)，所述IPT系統(tǒng)從所述初級接收器墊向所述次級接收器墊無線地傳輸電力； 被傳輸至所述一個或多個負(fù)載的電力；以及 品質(zhì)因數(shù)。
【文檔編號】H01F38/14GK104205263SQ201380015846
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月23日
【發(fā)明者】亨特·吳, 基利·西利, 阿倫·吉爾克里斯特 申請人:猶他州立大學(xué)