用于雙向感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的負(fù)載控制的制作方法
【專利摘要】一種在感應(yīng)電能傳輸（IPT）系統(tǒng)的初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器（1）中使用的控制方法。對從初級側(cè)到一個或更多個次級拾波側(cè)器的功率傳輸進(jìn)行監(jiān)測，并且與被監(jiān)測的功率傳輸和初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器的功率容量之間的差值成比例地改變該初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器（1）的工作頻率。能夠通過該拾波器或每個拾波器（2）對頻率變化進(jìn)行感測以調(diào)節(jié)該功率傳輸并防止出現(xiàn)過載。
【專利說明】用于雙向感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的負(fù)載控制
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于平衡感應(yīng)電能傳輸(inductive power transfer, IPT)系統(tǒng)中的負(fù)載的方法和裝置。本發(fā)明特別適合于雙向多拾波器(pick-up)IPT系統(tǒng)，但還可以用于單向和/或單拾波器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在多種應(yīng)用中熟知并使用感應(yīng)電能傳輸(IPT)系統(tǒng)。IPT技術(shù)提供高效率(典型地，85%至90%)并且能夠在惡劣的環(huán)境中工作而不受污物和水分的影響。
[0003]典型的IPT系統(tǒng)由三個主要的組件組成:AC電源；電耦合到該電源的初級導(dǎo)電通路、線圈、或襯墊；以及至少一個電隔離拾波器，在使用中，該拾波器感應(yīng)地與初級繞組耦合以向負(fù)載供電。經(jīng)常認(rèn)為電源和初級繞組包括該IPT系統(tǒng)的初級側(cè)，并且這個或這些拾波器以及相關(guān)的一個或更多個負(fù)載包括該系統(tǒng)的次級側(cè)。
[0004]傳統(tǒng)上，電源將電耦合到供電網(wǎng)絡(luò)(一般稱為“電網(wǎng)”)并且用于對該初級繞組進(jìn)行供電，以從電網(wǎng)向這個或這些負(fù)載進(jìn)行非接觸單向功率傳輸。來自交流電或電網(wǎng)電源的轉(zhuǎn)換器對該初級繞組進(jìn)行供電以在初級繞組中產(chǎn)生高頻AC電流，接著在初級繞組周圍引起生成連續(xù)變化的磁場。通過氣隙與初級繞組分離的所述或每個拾波器包括線圈，根據(jù)法拉第感應(yīng)定律，通過不斷變化的磁通量流過該線圈在該線圈內(nèi)產(chǎn)生電壓，從而實現(xiàn)非接觸功率傳輸。
[0005]通常情況下，初級側(cè)上用作逆變器的轉(zhuǎn)換器和拾波側(cè)上的簡單開關(guān)模式調(diào)節(jié)器足以控制單向IPT系統(tǒng)中的功率流，因為僅控制初級側(cè)電源功率。
[0006]雙向IPT系統(tǒng)對如電動車輛(EV)和車輛到電網(wǎng)(V2G)系統(tǒng)的應(yīng)用而言是理想的，例如，為了平衡電網(wǎng)上的負(fù)載的目的，在這些應(yīng)用中，“非接觸”雙向功率傳輸是令人希望的。
[0007]然而，與單向系統(tǒng)相比，必須使用更加先進(jìn)的控制策略來調(diào)節(jié)雙向IPT系統(tǒng)的功率流。
[0008]與單向IPT系統(tǒng)相反，雙向IPT系統(tǒng)的初級側(cè)和拾波側(cè)必須被配置成用于用作源或匯點。因此，根據(jù)功率流的方向，系統(tǒng)的兩側(cè)上都需要完全相同或相似的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以促進(jìn)AC-DC或DC-AC功率轉(zhuǎn)換。
[0009]對于任意給定功率水平，為了最小化轉(zhuǎn)換器的VA額定值，通常為初級側(cè)和拾波側(cè)的線圈電感提供并聯(lián)或串聯(lián)補(bǔ)償。因此，雙向IPT系統(tǒng)為更高階的諧振網(wǎng)絡(luò)，并且需要更加先進(jìn)和魯棒的控制。
[0010]通常使用專用的控制器，通過轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電壓的相對相位或者幅值控制來對功率流的量和方向進(jìn)行控制。然而，魯棒性機(jī)制是必不可少的，以保證在不超過其功率額定值的情況下通過供電側(cè)滿足來自一側(cè)的功率需求。
[0011]并聯(lián)補(bǔ)償?shù)腎PT系統(tǒng)中使用的轉(zhuǎn)換器自然地起到電流源的作用。在這種系統(tǒng)中，將純源化側(cè)的操作限制到其最大或額定功率水平一直是個挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)拾波側(cè)需求超過純源化轉(zhuǎn)換器的功率處理容量時。最明顯的例子出現(xiàn)在當(dāng)兩側(cè)之間的磁性耦合增加或者采集到將由單個初級轉(zhuǎn)換器供應(yīng)變化的功率需求，如在充電隔間(charging bay)處給電動車輛(EV)充電的情況下。此外，對于任何給定的輸入功率，多個拾波器之間的功率傳送的共享和優(yōu)先排列也能視為是一個挑戰(zhàn)。
[0012]檢測過多功率需求量時，能夠通過較少初級線圈或降低軌道電流來限制初級側(cè)供給的功率。但本策略將不適合多拾波器IPT系統(tǒng)，因為其將功率傳送分讓于其他拾波器。此夕卜，使用較低軌道電流的單拾波器IPT系統(tǒng)在相對高品質(zhì)因數(shù)下操作，產(chǎn)生更多的循環(huán)能量并且使得系統(tǒng)更容易受到組件公差的影響。
[0013]一種替代解決方案是在初級側(cè)和該或每個拾波器之間使用專用的無線通信接口。然后通過無線接口能夠?qū)⒊跫壍淖畲蠊β嗜萘恐欣^到多個拾波器，這要求必須限制功率進(jìn)量。然而，就組件數(shù)量和復(fù)雜性而言，這種無線接口顯然很昂貴，因為其需要額外的硬件和軟件。
[0014]因此本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供一種方法和/或裝置，該方法和/或裝置克服或改善現(xiàn)有技術(shù)的一個或更多個問題或者至少為公眾提供了一個有用的選擇。
[0015]本發(fā)明的進(jìn)一步的目標(biāo)將從以下說明中而變得明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]在第一方面，可以廣義上認(rèn)為本發(fā)明在于一種在具有一個初級側(cè)和一個次級側(cè)的感應(yīng)電能傳輸(IPT)系統(tǒng)中使用的負(fù)載控制方法，其中，該方法包括以下步驟:
[0017]在初級側(cè)感測初級側(cè)和次級側(cè)之間的功率傳輸；
[0018]相對于一個調(diào)諧頻率，與功率傳輸和初級側(cè)的功率容量之間的差值成比例地改變初級側(cè)的轉(zhuǎn)換器的工作頻率；
[0019]在次級側(cè)感測工作頻率的所述改變；以及
[0020]在次級側(cè)，與該工作頻率的所述改變成比例地調(diào)節(jié)所述功率傳輸，以便不超過初級側(cè)的功率容量。
[0021]優(yōu)選地，改變工作頻率的步驟包括在多個增量階躍中改變工作頻率。
[0022]優(yōu)選地，改變工作頻率的步驟包括周期性地改變工作頻率。
[0023]優(yōu)選地，保持所述工作頻率持續(xù)所述周期性變化的一個整周期。
[0024]可替代地，保持所述工作頻率持續(xù)每個周期的一部分，并且該步驟進(jìn)一步涉及在每個周期的剩余部分恢復(fù)到調(diào)諧頻率。
[0025]優(yōu)選地，調(diào)諧頻率為將初級側(cè)和次級側(cè)的諧振電路調(diào)諧到的一個頻率。
[0026]優(yōu)選地，調(diào)諧頻率在IOkHz和IOOkHz之間。
[0027]優(yōu)選地，工作頻率在調(diào)諧頻率的預(yù)定范圍內(nèi)變化。
[0028]優(yōu)選地，該預(yù)定范圍基本上為± IkHz或者一個相似的范圍以最小化轉(zhuǎn)換器的VA
額定值。
[0029]在第二方面，可以廣義上認(rèn)為本發(fā)明在于一種在感應(yīng)電能傳輸(IPT)系統(tǒng)的初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器中使用的控制方法，該方法包括以下步驟:
[0030]對初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器與一個或更多個IPT拾波器之間的功率傳輸進(jìn)行感測，在使用中，該初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器可以與該一個或更多個IPT拾波器感應(yīng)耦合；以及[0031]相對于一個調(diào)諧頻率，與所述功率傳輸和初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器的功率容量之間的差值成比例地改變初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器的頻率，其中可以通過該拾波器或每個拾波器對所述改變進(jìn)行感測以調(diào)節(jié)所述功率傳輸。
[0032]優(yōu)選地，改變工作頻率的步驟包括在多個增量階躍中改變工作頻率。
[0033]優(yōu)選地，改變工作頻率的步驟包括周期性地改變工作頻率。
[0034]優(yōu)選地，改變工作頻率的步驟包括保持該工作頻率持續(xù)每個周期的一部分，并且在每個周期的剩余部分恢復(fù)到調(diào)諧頻率。
[0035]優(yōu)選地，調(diào)諧頻率為將初級側(cè)和次級側(cè)的諧振電路調(diào)諧到的一個頻率。
[0036]優(yōu)選地，該方法包括對功率傳輸進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。
[0037]可替代地，該方法包括對功率傳輸進(jìn)行周期性監(jiān)測的步驟。
[0038]優(yōu)選地，該方法包括在調(diào)諧頻率的預(yù)定范圍內(nèi)改變工作頻率的步驟。
[0039]優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括對初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持恒定的軌道電流的步驟。
[0040]優(yōu)選地，對初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)的步驟包括對初級轉(zhuǎn)換器的占空比進(jìn)行控制。
[0041]在第三方面，可以廣義上認(rèn)為本發(fā)明在于一種在感應(yīng)電能傳輸(IPT)系統(tǒng)的拾波器中使用的控制方法，該方法包括以下步驟:
[0042]對IPT系統(tǒng)的初級側(cè)的交變電流的工作頻率的變化進(jìn)行感測，在使用中，該拾波器與初級側(cè)感應(yīng)地耦合；以及
[0043]與調(diào)諧頻率的所述變化成比例地對拾波器與負(fù)載之間的功率傳輸進(jìn)行調(diào)節(jié)以不超過初級側(cè)的功率容量，其中，在使用中，拾波器可以與負(fù)載電耦合。
[0044]優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括以下步驟:
[0045]確定工作頻率與調(diào)諧頻率之間的差值；以及
[0046]與所述差值成比例地調(diào)節(jié)功率傳輸。
[0047]優(yōu)選地，對功率傳輸進(jìn)行調(diào)節(jié)的步驟包括控制拾波轉(zhuǎn)換器的占空比。
[0048]優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括使轉(zhuǎn)換器的頻率與工作頻率匹配的步驟，其中，交變電流連續(xù)地保持工作頻率。
[0049]可替代地，該方法可以包括使轉(zhuǎn)換器的頻率與調(diào)諧頻率匹配的步驟，其中，交變電流在工作頻率與調(diào)諧頻率之間交替變化。
[0050]在第四方面，可以廣義上認(rèn)為本發(fā)明在于一種感應(yīng)電能傳輸初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器包括感測裝置，其對初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器與一個或更多個IPT拾波器之間的功率傳輸進(jìn)行感測，在使用中，該初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器可以感應(yīng)地與該一個或更多個IPT拾波器耦合；和
[0051]控制裝置，用于相對于調(diào)諧頻率，與所述功率傳輸和初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器的功率容量之間的差值成比例地改變初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器的工作頻率，其中可以通過所述拾波器或每個拾波器對所述改變進(jìn)行感測以對所述功率傳輸進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0052]優(yōu)選地，該控制裝置改變工作頻率包括改變工作頻率增量階躍。
[0053]優(yōu)選地，該控制裝置周期性地改變工作頻率。
[0054]優(yōu)選地，該控制裝置保持工作頻率持續(xù)每個周期的一部分，并且在每個周期的剩余部分恢復(fù)到調(diào)諧頻率。
[0055]優(yōu)選地，調(diào)諧頻率為將該初級側(cè)和次級側(cè)的諧振電路調(diào)諧到的頻率。
[0056]優(yōu)選地，該控制裝置對功率傳輸進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。
[0057]可替代地，該控制裝置對功率傳輸進(jìn)行周期性的監(jiān)測。
[0058]優(yōu)選地，該控制裝置在調(diào)諧頻率的預(yù)定范圍內(nèi)改變工作頻率。
[0059]在第五方面，可以廣義上認(rèn)為本發(fā)明在于一種感應(yīng)電能傳輸(IPT)系統(tǒng)拾波器,該拾波器被適配成執(zhí)行本發(fā)明的第三方面的方法。
[0060]在第六方面，可以廣義上認(rèn)為本發(fā)明在于一種感應(yīng)電能傳輸(IPT)系統(tǒng),該系統(tǒng)被適配成執(zhí)行本發(fā)明的第一方面的方法，或者包括本發(fā)明的第四方面的初級側(cè)功率轉(zhuǎn)換器和本發(fā)明的第五方面的至少一個拾波器。
[0061]本發(fā)明的進(jìn)一步的方面(其應(yīng)被考慮在所有新穎方面)將從以下說明中變得明顯?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0062]現(xiàn)在將參照附圖通過示例來描述本發(fā)明的多個實施例，其中:
[0063]圖1為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的雙向IPT系統(tǒng)的示意圖；
[0064]圖2為本發(fā)明的功率vs頻率特性圖；
[0065]圖3根據(jù)本發(fā)明圖示了下垂控制器(droop controller)的操作圖,其中的情形:Ca)拾波需求量超過初級側(cè)的功率額定值；以及(b)初級側(cè)的功率額定值超過拾波需求量；
[0066]圖4根據(jù)本發(fā)明的一個實施例示出了拾波控制器的框圖；
[0067]圖5示出了 IPT系統(tǒng)中實際功率、無功功率、視在功率vs頻率的波形；
[0068]圖6根據(jù)本發(fā)明的實施例示出了當(dāng)拾波需求量在初級容量內(nèi)時，原型IPT系統(tǒng)的初級和次級轉(zhuǎn)換器的仿真波形(a)和實驗波形(b)；
[0069]圖7示出了當(dāng)拾波需求量受到初級容量限制時，同一 IPT系統(tǒng)的初級和次級轉(zhuǎn)換器的模擬波形(a)和實驗波形(b)；
[0070]圖8示出了同一 IPT系統(tǒng)的模擬功率和頻率波形(a)和實驗功率和頻率波形(b)，其中，該系統(tǒng)在正向功率傳輸模式下操作；
[0071]圖9示出了反向功率流期間相同系統(tǒng)的初級和次級轉(zhuǎn)換器的實驗波形；
[0072]圖10示出了同一原型IPT系統(tǒng)的測量的功率和頻率波形，其中，該系統(tǒng)在反向功率傳輸模式下操作；
[0073]圖11是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的示例初級控制器的框圖；
[0074]圖12是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的示例次級控制器的框圖；
[0075]圖13根據(jù)本發(fā)明的第二實施例示出了示例IPT系統(tǒng)的功率和頻率波形；以及
[0076]圖14示出了相同示例IPT系統(tǒng)的初級和次級轉(zhuǎn)換器波形。
【具體實施方式】
[0077]在整個說明中，不同實施例中相同的附圖標(biāo)記將用于指代相同特征。
[0078]本發(fā)明提供了一種方法和裝置，該方法和裝置使用IPT系統(tǒng)的功率-頻率特性在任一方向上調(diào)節(jié)功率流。當(dāng)拾波需求量超過初級電源的功率容量時，其允許初級轉(zhuǎn)換器在最大功率水平下操作。根據(jù)本發(fā)明，在此被稱為下垂控制，初級側(cè)起到控制者的作用并且改變工作頻率以中繼與其功率容量有關(guān)的信息到該拾波器或每個拾波器。初級側(cè)保證該系統(tǒng)一直在額定功率上的調(diào)諧頻率或設(shè)計的頻率下操作。在任何其他功率水平下，該系統(tǒng)在以調(diào)諧頻率為中心的小頻率范圍內(nèi)操作，而不影響系統(tǒng)的VA要求。每個拾波器按照下垂特性指定的初級頻率從初級側(cè)提取功率。
[0079]下垂控制概念同樣可適用于在次級側(cè)上具有單個或者多個拾波器的單向和雙向IPT系統(tǒng)。其實施起來相對簡單明了并且對如車輛到電網(wǎng)(V2G)和電網(wǎng)到車輛(G2V)的系統(tǒng)的EV應(yīng)用特別有吸引力，其中，EV車隊可以在充電隔間處充電或放電。
[0080]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的雙向IPT系統(tǒng)，例如，如在標(biāo)題“雙向感應(yīng)電能傳輸(B1-directional inductive power transfer)，，的國際專利
【發(fā)明者】烏達(dá)亞·庫馬拉·馬達(dá)瓦拉, 杜樂帕·加雅娜絲·寺里馬維薩那 申請人:奧克蘭聯(lián)合服務(wù)有限公司, 烏達(dá)亞·庫馬拉·馬達(dá)瓦拉, 杜樂帕·加雅娜絲·寺里馬維薩那