用于感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的var控制的制作方法
【專利摘要】本文公開了一種感應(yīng)功率傳輸(IPT)補償電路和方法，用于在選擇的操作頻率下將受控電抗反射到初級導(dǎo)體、通過使用中與初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連的一個或多個其它拾取器補償反射到初級導(dǎo)體的電抗性負載。補償電路包括：耦連到諧振電路并可操作于將容抗反射到初級導(dǎo)體的第一開關(guān)裝置；耦連到諧振電路并可操作于將感抗反射到初級導(dǎo)體的第二開關(guān)裝置；以及控制裝置，所述控制裝置適于控制第一和第二開關(guān)裝置的操作，以分別地補償初級導(dǎo)體中的感抗和容抗。
【專利說明】用于感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的VAR控制

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及感應(yīng)功率傳輸(IPT)系統(tǒng)。更具體地，本發(fā)明涉及控制IPT系統(tǒng)中的無功功率，以補償反射到系統(tǒng)的導(dǎo)電軌道上的不期望的無功功率(或VAR)。

【背景技術(shù)】
[0002]感應(yīng)功率傳輸(IPT)系統(tǒng)廣泛用于工業(yè)和其它行業(yè)，以在AC電源和使用中與由AC電源供電的初級導(dǎo)電通路或軌道感應(yīng)耦連的IPT拾取器之間無線傳輸功率。IPT拾取電路處理交流電(AC)以向負載提供電力。
[0003]這種系統(tǒng)的示例由國際專利公布N0.WO 2010/030195和N0.WO 2011/046453公開，兩個專利的內(nèi)容通過引用被并入本文。
[0004]例如，國際專利公布N0.WO 2010/030195公開了一種并聯(lián)調(diào)諧IPT拾取器(pick-up)，包括一起形成諧振電路的并聯(lián)拾取線圈和調(diào)諧電容器以及控制器，所述控制器改變拾取線圈感生的電壓和調(diào)諧電容器的電壓之間的相位角，從而向拾取器的輸出提供受控AC電源。
[0005]國際專利公布N0.WO 2011/046453公開了一種串聯(lián)調(diào)諧IPT拾取器，包括串聯(lián)的拾取線圈和調(diào)諧電容器以及控制器，所述控制器適于控制拾取線圈電感器的電流，從而改變拾取線圈開路電壓和拾取線圈的電感器電流之間的相位角。
[0006]本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到由N0.WO 2010/030195和N0.WO 2011/046453公開的拾取器的相位角的不同導(dǎo)致在軌道上反射電容性負載。
[0007]其它拾取控制器，諸如在國際專利公布N0.WO 2012/030238中描述的電路可能使電感性負載反射到軌道。
[0008]上述的拾取電路拓撲結(jié)構(gòu)和其反射的負載示于圖1-4中。根據(jù)期望操作，這些電路通常用來向AC或DC負載提供受控AC共振。在這種電路中，目的是向負載提供受控的有功功率，隨之發(fā)生的是在操作中電壓-安培無功(VAR)負載被反射回軌道，這被認為是不期望的但是卻是此控制技術(shù)的必要方面。由于反射的電抗性負載不是恒定的(隨輸出負載上的控制動作而變化)，因此不能被輕易避免，因此，不能使用無源補償來簡單去除。
[0009]如圖1(b),2(b),3(c)和4(c)所示，VAR的幅值可以象汲取的功率那樣顯著。因此，在高度耦合負載或者在有使用現(xiàn)有技術(shù)的控制器操作的許多弱耦合負載(諸如在照明設(shè)備中)的應(yīng)用中，所有這些VAR的加入可能是顯著的，在系統(tǒng)設(shè)計時不能減少。
[0010]在任何IPT系統(tǒng)中，不期望的VAR必須被控制或在系統(tǒng)設(shè)計時進行考慮。在諧振電源的輸出使用LCL網(wǎng)絡(luò)拓撲的固定頻率的系統(tǒng)中，每個無功分量被仔細選擇，并調(diào)諧成在設(shè)計的電源操作頻率下共振。因此，反射到軌道上的任何容抗或感抗會不期望地使軌道中的交流電的頻率失調(diào)。所加入的電感會表現(xiàn)為電源逆變器橋上的電容性負載，而任何電容性負載會表現(xiàn)為電感性的。如在Kissin M., Huang C，Covic G.A.和Boys J.T所著的 “Detect1n of the tuned point of a fixed frequency LCL resonant powersupply，，(IEEE Trans.Power Electronics Society, 24，n0.4，pp.1140-1143，2009 年 4 月)中描述的，大多數(shù)控制器對這種失調(diào)敏感，在不過度規(guī)定電源的設(shè)計的情況下最多可以處理軌道中10%左右的變化，但認為標準負載具有恒定的反射VAR，能夠使系統(tǒng)被配置成確保橋只經(jīng)歷電感性負載。對于使用現(xiàn)有技術(shù)的控制器的照明系統(tǒng)，或者對于由不是完美對準的高度耦合的動態(tài)負載產(chǎn)生失調(diào)的電動汽車(EV)應(yīng)用，例如，無源補償可能是不夠的，可能需要有源補償。
[0011 ] 因此，在期望的VAR變化緩慢發(fā)生或存在顯著長時間的應(yīng)用中，例如由于電容器的惡化(例如由于老化和溫度)、發(fā)射器和接收器襯墊的不期望對齊(例如在EV無線充電應(yīng)用中)或者使用串聯(lián)調(diào)諧拾取器而不是并聯(lián)調(diào)諧拾取器以給負載供電，則緩慢的補償機制(諸如使用開關(guān)電容器)可以用作一種補償手段。然而，在其它應(yīng)用中(諸如在運動車輛的照明控制或功率控制中)，VAR變化可能同樣是顯著的而且快速變化的，使得緩慢補償手段不能在所需的時間中起作用，可能造成過早的電源停機。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此，本發(fā)明的目的是提供一種產(chǎn)生反射回初級導(dǎo)體上的受控VAR以補償在操作中可能快速變化的不期望的VAR的設(shè)備和/或方法，或者替代性地，至少給公眾提供已知的設(shè)備或方法的有用替代。
[0013]通過下面的描述，本發(fā)明進一步的目的將變得顯然。
[0014]在第一方面，本發(fā)明可以寬泛上認為包括一種使用感應(yīng)耦連到IPT系統(tǒng)的初級導(dǎo)電通路的補償裝置的感應(yīng)功率傳輸(IPT)中的VAR補償?shù)姆椒?，其中，所述方法包?控制所述補償裝置以補償由初級電源經(jīng)歷的電抗，所述初級電源使所述初級導(dǎo)電通路通電，同時從所述初級電源汲取最小功率。
[0015]優(yōu)選地，所述方法包括步驟:對于從所述初級電源汲取的功率的范圍，確定反射電抗的范圍。
[0016]優(yōu)選地，所述方法進一步包括:重新調(diào)諧所述初級導(dǎo)電通路，以使所述補償裝置進入反射阻抗的范圍內(nèi)。
[0017]優(yōu)選地，重新調(diào)諧所述初級導(dǎo)電通路的步驟包括:使與初級導(dǎo)體串聯(lián)的電容器耦連或去耦連，或者遞增所述初級電源的頻率。
[0018]優(yōu)選地，所述方法進一步包括:感測由所述初級電源經(jīng)歷的電抗，以及根據(jù)所感測的電抗控制所述補償裝置。
[0019]優(yōu)選地，所述方法進一步包括步驟:在改變由所述補償裝置提供的電抗的幅值之前,檢測感測的電抗何時達到第一閾值。
[0020]在第二方面，本發(fā)明可以寬泛上認為包括一種用于控制感應(yīng)功率傳輸(IPT)系統(tǒng)的初級導(dǎo)體的電抗的方法，所述方法包括:
[0021]感測所述初級導(dǎo)體中的可變電抗；以及
[0022]根據(jù)所感測的電抗，控制與所述初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連的諧振電路關(guān)聯(lián)的第一電抗性元件，以反射改善所述初級導(dǎo)體的電抗的受控補償電抗。
[0023]優(yōu)選地，所述方法進一步包括步驟:在操作所述IPT系統(tǒng)之前選擇性激活無源補償裝置，以改善初級導(dǎo)體中的基本上恒定分量的電抗，從而最小化所述受控補償電抗。
[0024]優(yōu)選地，選擇性激活無源補償裝置的步驟包括:將電容器與所述初級導(dǎo)體串聯(lián)提供，或者遞增給所述初級導(dǎo)體供電的電源的頻率。
[0025]優(yōu)選地，所述第一電抗性元件操作于反射容抗，以改善所述初級導(dǎo)體中的感抗。
[0026]替代性地，所述第一電抗性元件可以操作于反射感抗，以改善所述初級導(dǎo)體中的容抗。
[0027]優(yōu)選地，所述第一電抗性元件包括選擇為在所述IPT系統(tǒng)的操作頻率下與串聯(lián)電感器諧振的電容器，從而使與所述初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連的諧振電路的感應(yīng)拾取器短路。
[0028]替代性地，所述第一電抗性元件可以包括電容器，所述電容器選擇為是可控的，以具有大約在所述IPT系統(tǒng)的操作頻率的頻率范圍內(nèi)與串聯(lián)電感器諧振的有效電容。更具體地，所述電容器可以選擇為是可控的，以具有范圍從零到在所述操作頻率下與所述串聯(lián)電感器諧振的至少兩倍電容的有效電容。
[0029]優(yōu)選地，所述第二方面的方法進一步包括步驟:根據(jù)所感測的電抗，控制與所述諧振電路關(guān)聯(lián)的第二電抗性元件，其中，所述第一電抗性元件操作于反射容抗，以改善所述初級導(dǎo)體的感抗，以及所述第二電抗性元件操作于反射感抗以改善所述初級導(dǎo)體的容抗。
[0030]優(yōu)選地，使所述初級導(dǎo)體向容抗偏置的步驟，從而使所述第二電抗性元件優(yōu)先于所述第一電抗性元件是主導(dǎo)性或者排他性地操作，以最小化諧波。
[0031]在第三方面，本發(fā)明寬泛上可以認為包括一種用于在選擇的操作頻率下將受控電抗反射到初級導(dǎo)體的感應(yīng)功率傳輸(IPT)補償電路,所述電路包括:
[0032]諧振電路，所述諧振電路包括拾取線圈和調(diào)諧電容器，用于在使用中與初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連；
[0033]可控電抗性元件，所述可控電抗性元件耦連到所述諧振電路，并操作于將補償電抗反射到所述初級導(dǎo)體；以及
[0034]控制裝置，所述控制裝置操作于控制所述可控電抗性元件，以補償所感測的電抗，從而改善所述初級導(dǎo)體中的電抗。
[0035]優(yōu)選地，所述補償電路進一步包括用于感測所述初級導(dǎo)體中的電抗的感測裝置。
[0036]優(yōu)選地，所述可控電抗性元件包括與電感器串聯(lián)的可控電容器，以及所述可控電容器和串聯(lián)電感器選擇為使得所述可控電容器可以被控制以選擇性反射感抗和容抗。
[0037]替代性地，所述可控電抗性元件操作于反射基本上為感抗和容抗之一，以及所述補償電路進一步包括第二可控電抗性元件，所述第二可控電抗性元件操作于反射基本上為感抗和容抗中的另一個。
[0038]在第四方面，本發(fā)明寬泛上可以認為包括一種用于在選擇的操作頻率下將受控電抗反射到初級導(dǎo)體的感應(yīng)功率傳輸(IPT)補償電路,所述電路包括:
[0039]諧振電路，所述諧振電路包括拾取線圈和調(diào)諧電容器，用于在使用中與初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連；
[0040]第一開關(guān)裝置，所述第一開關(guān)裝置耦連到所述諧振電路，并操作于將容抗反射到所述初級導(dǎo)體；
[0041]第二開關(guān)裝置，所述第二開關(guān)裝置耦連到所述諧振電路，并操作于將感抗反射到所述初級導(dǎo)體；以及
[0042]控制裝置，所述控制裝置適于控制所述第一和第二開關(guān)裝置的操作，以分別補償所述初級導(dǎo)體中的感抗和容抗。
[0043]優(yōu)選地，所述控制裝置包括用于感測所述初級導(dǎo)體中的電抗的感測裝置。
[0044]優(yōu)選地，所述第一開關(guān)裝置被配置成選擇性改變所述拾取器線圈的開路電壓和所述拾取器線圈的電流之間的相位角。
[0045]優(yōu)選地，所述第一開關(guān)裝置被配置成通過在選擇的時間周期中維持基本上恒定的調(diào)諧電容器電壓來改變所述相位角。
[0046]優(yōu)選地，所述第一開關(guān)裝置被配置成在所述選擇的時間周期中將所述調(diào)諧電容器電壓鉗制在基本上零伏。
[0047]優(yōu)選地，所述IPT補償電路進一步包括第二諧振電路，所述第二諧振電路包括多個調(diào)諧為在所述選擇的操作頻率或其附近諧振的附加的電抗性元件，以及所述第二開關(guān)裝置被配置成選擇性去耦連所述多個附加的電抗性元件之一。
[0048]優(yōu)選地，所述第一和第二開關(guān)裝置各自包括AC開關(guān)。
[0049]優(yōu)選地，所述拾取線圈和所述調(diào)諧電容器是并聯(lián)提供的。
[0050]優(yōu)選地，所述第一開關(guān)裝置與所述諧振電路并聯(lián)地提供。
[0051]優(yōu)選地，所述第二諧振電路的附加的電抗性元件包括與所述拾取線圈和調(diào)諧電容器并聯(lián)地一起提供的串聯(lián)電感器和電容器，以及所述第二開關(guān)裝置操作于選擇性去耦連所述附加的電容器。
[0052]優(yōu)選地，所述調(diào)諧電容器選擇為在所選擇的操作頻率下與所述拾取線圈和附加的電感器的組合阻抗諧振。
[0053]優(yōu)選地，所述拾取線圈和調(diào)諧電容器是串聯(lián)提供的。
[0054]優(yōu)選地，所述第一開關(guān)裝置與所述諧振電路串聯(lián)地提供。
[0055]優(yōu)選地，所述第二諧振電路的附加的電抗性元件包括與所述拾取線圈和調(diào)諧電容器串聯(lián)地一起提供的并聯(lián)電感器和電容器，以及所述第二開關(guān)裝置操作于選擇性去耦連所述附加電抗器。
[0056]優(yōu)選地，所述調(diào)諧電容器選擇為在選擇的操作頻率下與所述拾取線圈和所述附加電容器諧振。
[0057]在第五方面，本發(fā)明寬泛上可以認為包括一種感應(yīng)功率傳輸(IPT)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括電耦連到初級導(dǎo)體的電源以及根據(jù)本發(fā)明的第三或第四方面的補償電路，所述補償電路在使用時與所述初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連。
[0058]優(yōu)選地，所述電源和/或初級導(dǎo)體操作于重新調(diào)諧所述初級導(dǎo)電通路，以基本上改善恒定的或緩慢變化的電抗。
[0059]優(yōu)選地，所述補償電路的輸出電耦連到所述電源的DC總線。
[0060]在第六方面，本發(fā)明寬泛上可以認為包括一種用于控制感應(yīng)功率傳輸(IPT)補償電路的方法，所述補償電路包括形成第一諧振電路的拾取線圈和調(diào)諧電容器，所述方法包括步驟:
[0061]感測初級導(dǎo)體中的容抗或感抗，在使用中，所述補償電路與所述初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連；
[0062]選擇性操作所述補償電路的第一開關(guān)裝置，以將容抗反射到所述初級導(dǎo)體，從而補償感測的感抗；以及
[0063]選擇性操作所述補償電路的第二開關(guān)裝置，以將感抗反射到所述初級導(dǎo)體，從而補償感測的容抗。
[0064]優(yōu)選地，選擇性操作所述第一開關(guān)裝置的步驟包括:改變所述補償電路的拾取線圈的開路電壓和拾取線圈的電流之間的相位角。
[0065]優(yōu)選地，選擇性操作所述第一開關(guān)裝置的步驟包括鉗制所述IPT補償電路的諧振電路中的電流。
[0066]優(yōu)選地，選擇性操作所述第二開關(guān)裝置的步驟包括選擇性去耦連形成第二諧振電路的多個附加的電抗性元件之一。
[0067]在第七方面，本發(fā)明寬泛上可以認為包括一種用于與IPT系統(tǒng)的初級導(dǎo)電通路耦連的感應(yīng)功率傳輸(IPT)補償電路，所述電路包括接收由所述IPT系統(tǒng)的初級電源經(jīng)歷的電抗性負載的指示的裝置以及控制裝置，所述控制裝置控制所述補償裝置以補償電抗，同時從所述初級電源汲取最小功率。
[0068]在第八方面，本發(fā)明寬泛上可以認為包括一種感應(yīng)功率傳輸(IPT)諧振器，所述諧振器操作于將功率傳輸?shù)酱渭塈PT諧振器，以形成具有額定調(diào)諧狀態(tài)和所述調(diào)諧狀態(tài)內(nèi)的公差的IPT系統(tǒng)，其中，所述初級諧振器電路的調(diào)諧是可調(diào)節(jié)的，使得所述次級IPT諧振器的調(diào)諧范圍能夠?qū)⑺鯥PT系統(tǒng)的調(diào)諧狀態(tài)調(diào)節(jié)到所述系統(tǒng)的額定調(diào)諧狀態(tài)或所述額定狀態(tài)的公差內(nèi)。
[0069]優(yōu)選地，所述初級電路包括一個或多個可控電抗組件和/或操作于遞增所述系統(tǒng)的頻率以便調(diào)節(jié)所述初級諧振器的調(diào)諧的一個或多個組件。
[0070]在第九方面，本發(fā)明寬泛上可以認為包括一種感應(yīng)功率傳輸(IPT)電源，所述電源用于耦連到初級導(dǎo)體以將功率感應(yīng)供應(yīng)到補償電路和一個或多個其它拾取電路，所述電源包括從所述補償電路的輸出接收功率的DC總線。
[0071]在第十方面，本發(fā)明寬泛上可以認為包括一種感應(yīng)功率傳輸(IPT)電源，所述電源用于耦連到初級導(dǎo)體以將功率感應(yīng)供應(yīng)到補償電路和一個或多個其它拾取電路，所述電源包括感測裝置，所述感測裝置感測電抗性負載并將所感測的電抗性負載傳送到所述補償電路。
[0072]通過以下描述，本發(fā)明的進一步的方面將變得顯然，這些方面應(yīng)當(dāng)在所有其新穎性方面來考慮。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0073]現(xiàn)在參照附圖通過示例來描述本發(fā)明的多個實施例，其中:
[0074]圖1(a)是已知的可以由本發(fā)明使用的并聯(lián)調(diào)諧IPT拾取電路拓撲的電路圖，以及(b)是圖1(a)電路的標準化反射負載的圖表；
[0075]圖2(a)是已知的可以由本發(fā)明使用的串聯(lián)調(diào)諧IPT拾取電路拓撲的電路圖，以及(b)是圖2(a)電路的標準化反射負載的圖表；
[0076]圖3(a)是具有附加諧振回路的并聯(lián)-調(diào)諧IPT拾取電路的電路圖；(b)是圖3(a)的電路的等效基本模型的電路圖；以及(c)是使用圖3(b)的基本模型的基于&選擇的圖3(a)電路的標準化反射負載的圖表；
[0077]圖4(a)是具有附加諧振回路的串聯(lián)-調(diào)諧IPT拾取電路的電路圖；(b)是圖4(a)電路的等效基本模型的電路圖；(C)是圖4(a)電路的標準化反射負載的圖表；以及(d)是用于評估圖4(a)的電路的反射VAR的電路的圖示；
[0078]圖5提供在Q = 2.3和K。= I時，圖4 (a)電路的標準化反射負載的(a)測量值和(b)仿真值的比較；
[0079]圖6是根據(jù)本發(fā)明的并聯(lián)調(diào)諧IPT補償電路的電路圖；
[0080]圖7是根據(jù)本發(fā)明的串聯(lián)調(diào)諧IPT補償電路的電路圖；
[0081]圖8是根據(jù)本發(fā)明的包括IPT補償電路的IPT系統(tǒng)的圖；以及
[0082]圖9是本發(fā)明的補償電路的另一實施例的標準化電抗性和電阻性負載的圖表。

【具體實施方式】
[0083]在描述中，相同的附圖標記用來指示不同實施例中的相同特征。
[0084]在許多IPT系統(tǒng)中，(初級導(dǎo)體和拾取電路的電感線圈之間的)氣隙是穩(wěn)定的，系統(tǒng)的調(diào)諧是基本不變的，使得VAR負載可以預(yù)計是相當(dāng)恒定的。但是在其它IPT系統(tǒng)中，諸如道路系統(tǒng)(將功率感應(yīng)地供應(yīng)到移動和/或靜止車輛)中，并不是這種情況。實際負載可能變化，除系統(tǒng)被完美地調(diào)諧之外會引起VAR的輕微變化，但是氣隙可能在寬范圍內(nèi)變化，這種變化會引起VAR需求的大的變化。此外，各自的“充電襯墊”(功率發(fā)射器和接收器，或者初級導(dǎo)體和拾取線圈)總是不能完美地對齊的，使得需要補償VAR的變化。地面上的襯墊和車輛上的襯墊可能不是由相同的制造商制造的，可能是不同地調(diào)諧的-串聯(lián)對并聯(lián)或者反之亦然-使得可能還有不能預(yù)計的偏置VAR負載。系統(tǒng)還可能在地面襯墊上具有一些外來金屬，這必定會引起誤差但不可能預(yù)計誤差有多大。在所有這些情況下，VAR負載不可能被預(yù)先設(shè)置成校正值，因此需要有不管系統(tǒng)所處狀態(tài)如何均能正確地調(diào)諧系統(tǒng)的VAR負載控制器。如果加上所有的誤差，則可能所需的VAR校正可能是與偏離頻率高達7.5%的系統(tǒng)相對應(yīng)的I O-15 %的量級。
[0085]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選監(jiān)控初級電源橋的電流，以確定初級電源逆變器開關(guān)距離其設(shè)計極限有多接近地操作。此反饋用來激活與初級電源的輸出感應(yīng)耦合(優(yōu)選與主軌道電感串聯(lián))的補償裝置。這種補償裝置優(yōu)選包括慢速和快速開關(guān)的補償元件的組合。諸如開關(guān)電容器(在圖中沒有顯示)的慢速開關(guān)或無源補償(操作中，在初級電路之中或之外通常不能被輕易地開關(guān))或在操作之前對電源的頻率進行小的變化可以用來補償基本上恒定且已知的、或緩慢變化的失調(diào)的、或很大失調(diào)的系統(tǒng)，但組合上，根據(jù)本發(fā)明還提供有源快速變化的補償電路(通常是較小的幅值)，以提供需要時的一些進一步的補償裝置。無源或緩慢開關(guān)的補償因此提供改善初級導(dǎo)體中的大多數(shù)任何電抗所需的“粗的”補償，而快速動作的補償提供“精細”控制，并用來在出現(xiàn)可變電抗時進行改善。因此，在一個實施例中，本發(fā)明涉及調(diào)諧或準備初級布置，使得在系統(tǒng)操作中通常由初級電源經(jīng)歷所需的額定電抗。選擇額定電抗使得耦連到初級的一個或多個補償電路(將在本文中進一步描述)可以用來給初級提供有效范圍的反射電抗，以補償不期望的否則可能由初級電源經(jīng)歷的VAR。理想情況是初級被調(diào)諧，使得電源沒有經(jīng)歷電抗性負載。然而，實際上，通常期望初級電源的逆變橋經(jīng)歷一點電感性負載，而不是電容負載以用于高效操作。因此，在調(diào)諧初級導(dǎo)體布置中，用戶可以增加組件或另外設(shè)計系統(tǒng)的初級側(cè)，使得在操作中，初級電源極不可能經(jīng)歷電容性負載。這種方法的缺點是在系統(tǒng)的電抗性負載變化不確定的一些應(yīng)用中，可能需要進一步的粗調(diào)。用于提供這種調(diào)節(jié)的裝置將在下面進一步論述。這種調(diào)節(jié)可以由控制系統(tǒng)執(zhí)行或者人工執(zhí)行。在一個實施例中，如果這種調(diào)節(jié)被檢測為是需要的，則系統(tǒng)斷電，以便于切入(或切出)例如電容。
[0086]在一個示例中，本發(fā)明允許通過提供可控操作用于從由系統(tǒng)或其它因素供應(yīng)的負載中去掉電抗的變化的耦合補償裝置，來精細調(diào)節(jié)由初級電源經(jīng)歷的電抗。
[0087]而且，根據(jù)要使用的(若干)耦合補償電路的性質(zhì)，初級襯墊或軌道的電抗可以偏置，或反之亦然。在一個示例中，初級可以設(shè)置有附加偏置，初級補償電路可以操作以補償在不需要時的附加偏置電感。例如，補償裝置可以用來提供可控的反射補償電容，以補償初級襯墊或軌道布置的電感偏置。在額定負載條件下，補償裝置供應(yīng)具有處于所選控制范圍中間的額定“偏置”的反射電容。當(dāng)經(jīng)歷附加電容性負載時，補償裝置相應(yīng)地將反射電容的幅值降低到低于該偏置。類似地，如果初級經(jīng)歷附加電感性負載，則補償裝置增大反射電容的幅值以進行補償。
[0088]類似地，如果系統(tǒng)為電容性偏置一開始存在于初級襯墊或軌道，則可以使用被設(shè)計成向初級襯墊或軌道提供可控范圍的反射電感的補償裝置。
[0089]而且，從本文檔的公開可以看出，可以提供補償裝置，補償裝置在額定條件下向初級供應(yīng)一點或不供應(yīng)反射電抗，即，裝置可能沒有偏置，因為它可以根據(jù)有效補償所需，選擇性向系統(tǒng)的初級側(cè)反射容抗和感抗。
[0090]在本發(fā)明的一個實施例中，控制設(shè)備和方法包括在對反射回初級的電抗執(zhí)行變化之前，提供必須達到或超過的一個或多個閾值。在一個示例中，由初級電源經(jīng)歷的電抗必須在補償裝置提供反射電抗與偏置或額定值的變化之前，達到或超過第一閾值。類似地，一旦補償裝置操作以提供超過偏置值的反射電抗，則在控制系統(tǒng)再次改變所施加的反射電抗的幅值之前，由初級電源經(jīng)歷的電感的變化可能需要達到第二閾值。此實施例因此可以提供一定程度的磁滯現(xiàn)象，以確保系統(tǒng)具有期望的穩(wěn)定性，以及通過防止初級電抗的恒定變化(因此可能是不需要的)來提高效率。
[0091]各種策略可以用來執(zhí)行上文提到的初級的粗調(diào)，以確保根據(jù)本發(fā)明的耦合補償裝置在有效的控制范圍內(nèi)操作。在一個示例中，分立組件(諸如電容器)例如可以與初級襯墊或軌道連接(例如串聯(lián))，以達到由初級電源經(jīng)歷的所需額定電抗。在另一示例中，可以改變其它系統(tǒng)參數(shù)，諸如遞增改變初級電源的頻率。在此示例中，系統(tǒng)仍在固定頻率條件下操作?？梢赃M行遞增改變(在此文獻中為了方便稱作調(diào)節(jié))，使得額定操作頻率更好地適合于所需的負載，因此更好地將(若干)耦合補償裝置設(shè)置到最有效地從初級汲取功率的位置。在一個示例中，取決于系統(tǒng)，頻率的遞增改變可以是例如操作頻率的1%到5%。
[0092]圖1(a)和2(a)的已知并聯(lián)和串聯(lián)拓撲的標準化反射阻抗的特征分別示于圖1 (b)和2(b)中，負載決定的品質(zhì)因素Q2取不同值。電阻和電抗分量用因素Zt被標準化，這里:
[0093]Zt = ω M2/L2 (I)
[0094]這里，L2是次級線圈的電感，M是軌道和L2之間的互感，ω是IPT系統(tǒng)的操作頻率。因數(shù)Zt是耦合電路傳遞回軌道中的傳遞阻抗，它是磁耦合和功率傳遞能力的直接度量。對于每個Q2值，為零的相位延遲Φ繪制為圖2(b)的半圓的右手側(cè)的點。當(dāng)Φ增大時，阻抗點沿著半圓朝左手側(cè)移動。在阻抗值被去標準化，代入等式(2)和(3)后，源于初級電源的有功和無功功率可以被容易地確定。
[0095]P = Re(Zr)I12 (2)
[0096]VAR = Im(Zr)I12 (3)
[0097]當(dāng)φ為零時，只有電阻性負載反射回軌道，有功功率由電源供應(yīng)以驅(qū)動拾取器。當(dāng)相位角Φ增大到降低拾取器的輸出功率時，有功和電容性負載在初級軌道上反射，電源必須發(fā)出有功功率和電容性VAR。當(dāng)Φ朝180°增大時，無功和電阻性負載降低到零。對于圖1(b)中所示的并聯(lián)拓撲，反射阻抗非常類似于串聯(lián)拓撲，唯一區(qū)別是初始阻抗在-1的標準值時偏置。
[0098]對于圖3(a)和4(a)的改進電路，可以使用圖3 (b)和4(b)中所示的簡化電路來進行類似分析，對于如圖3(c)和4(c)中所示的這些電路中的每個電路產(chǎn)生類似的標準反射阻抗。結(jié)果與K。和1^的值無關(guān)，這里&表示圖3電路中電感器LdP L3的比率，類似地，Kc表示圖4電路中電容器C2和C3的比率。如圖所示，圖3和4的改進電路產(chǎn)生基本上相同的電抗性的而不是電容性的反射VAR。
[0099]從上文討論的阻抗曲線和此文獻的其它地方可知，對于由反射的補償電抗提供的好處，通過補償裝置從初級汲取有功功率是有成本的。為了減小本發(fā)明的補償電路從初級導(dǎo)體汲取的功率，同時反射最大電抗，需要分別朝圖l(b)、2(b)、3(c)、4(c)的圖表的左手側(cè)操作補償電路，其中，可以用電阻性負載的最小增大來產(chǎn)生相對顯著的電抗性負載。即，補償電路優(yōu)選操作于拋物線形的額定電抗性負載相對于額定電阻負載的曲線圖的基本上線性的區(qū)域或者具有最大斜率或梯度的拋物線區(qū)域。例如，可以優(yōu)選在斜率對于感抗不小于大約I和/或?qū)τ谌菘共淮笥诖蠹s負I的區(qū)域操作補償電路。由補償電路產(chǎn)生的負載因此應(yīng)當(dāng)主要是電抗性的而不是電阻性的，以便用電阻性負載的相對小的改變來改變電抗性負載。
[0100]因此，如上文討論的，在IPT系統(tǒng)開始操作之前，由于失調(diào)造成的初級導(dǎo)體中的預(yù)期電抗優(yōu)選被無源補償大大改善。這降低了有源快速變化的補償電路必須產(chǎn)生的受控VAR的量，減小了由于電阻性負載和開關(guān)損耗的由補償電路汲取的功率。因此，在一個實施例中，本發(fā)明包括對于所獲得的反射電抗的幅值或幅值范圍，確定由補償裝置汲取的功率的幅值或幅值范圍，以及設(shè)計和/或操作補償裝置以為裝置從初級汲取的最少功率提供有效的反射電抗。以此方式，所述方法涉及控制補償裝置，以補償初級導(dǎo)電通路中的電抗，同時從初級電源汲取最小功率。
[0101]如通過圖5(a)和(b)的示例顯示，他們將測量的和仿真的標準反射負載相比，反射負載在實際電路中可以通過用固定電流在其操作頻率下驅(qū)動軌道而被容易地測量。具有與其感應(yīng)耦連的圖1(a)、2 (a)、3 (a)或4(a)中任一拾取電路的任何軌道部分可以被調(diào)諧(這里使用C1)，電壓和電流及他們的相對相位角可以在此軌道部分的兩端測量。此結(jié)果與已知電路參數(shù)的預(yù)期結(jié)果的比較在圖5(a)的測量值和圖5(b)的預(yù)測值之間顯示圖5中的極好的一致。
[0102]在有限的情況下，可以使用圖1-4的電抗拾取電路來控制整個IPT系統(tǒng)的調(diào)諧方面。對于需要將這些電路作為次級照明控制器的照明應(yīng)用，不同的拾取電路拓撲可以在單獨的拾取器中使用，以獲得期望結(jié)果，從而使反射的電抗被有效地彼此抵消。例如，在一個照明住宅中可以分組成兩個半功率的燈(例如兩個500W的燈，而不是一個1000W的燈)，其中的第一個由圖1(a)的電路驅(qū)動，第二個由圖3(a)所示的電路驅(qū)動。在操作中，如果兩個拾取的延遲角保持基本上相同，則兩個燈可以從接通狀態(tài)完全變成截止狀態(tài)，以產(chǎn)生所需的光(功率)輸出，同時反射到軌道的VAR會有效抵消。即，第一拾取電路的容抗會被第二拾取電路的感抗抵消。不過，每個這種拾取器的控制器的目的仍是調(diào)節(jié)輸出功率。而且，這種布置并不總是實用的和/或?qū)е掳ㄊ叭【€圈、電容器、電感器、開關(guān)和/或二極管的組件的不必要的重復(fù)。
[0103]當(dāng)總體操作IPT系統(tǒng)時，本發(fā)明可以用來產(chǎn)生反射回軌道的受控反射VAR，以便去掉由電源經(jīng)歷的不期望的VAR。本發(fā)明的某些實施例用新的拓撲提供快速動作的拾取控制器，使得通過單個補償電路使電容性或電感性VAR負載反射回軌道，從而補償由也與電源感應(yīng)耦連的一個或多個拾取電路反射的電感性或電容性負載。由補償電路產(chǎn)生的VAR的水平可以通過調(diào)節(jié)控制器的延遲角Φ或電路的品質(zhì)因素Q來調(diào)節(jié)。對于給定的延遲角，當(dāng)所產(chǎn)生的VAR必然地隨著Q快速增大時，更大的延遲角需要有更多的功率從軌道汲取，根據(jù)本發(fā)明的控制器優(yōu)選設(shè)計為用適當(dāng)大的Q(通常小于10，但在不偏離本發(fā)明的范圍下，可以使用任何適當(dāng)?shù)腝值)來操作，其只需要有限的延遲角，從而降低汲取的標準功率。舉一個示例，對于Q為10，只要延遲角是小的，與汲取功率相比可以產(chǎn)生三到四倍的VAR。
[0104]通過示例將在下文描述兩個可能的補償電路拓撲，使得本發(fā)明的概念能被清楚地理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員會認識到在不偏離本發(fā)明的范圍下，可以替代使用不同的組件布置。
[0105]并聯(lián)調(diào)諧IPT拾取
[0106]根據(jù)本發(fā)明的快速動作的IPT補償電路的第一示例示于圖6中。
[0107]補償電路包括拾取線圈或電感器L2,電感器L2在使用中松耦合到在VLF到LF范圍(對于中到高功率的應(yīng)用通常為10-140kHz)內(nèi)的頻率下操作的IPT初級導(dǎo)體(諸如軌道，未顯示)。調(diào)諧電容器C2與拾取電感并聯(lián)提供，由其形成諧振電路。包括電容器C3和電感器L3的附加串聯(lián)電抗性元件一起與拾取電感器L2和調(diào)諧電容器C2并聯(lián)地提供，形成第二諧振電路，第二諧振電路調(diào)諧為在軌道頻率下諧振。
[0108]如下文描述的，通過并聯(lián)調(diào)諧電容器C2和電感器L3，拾取電感器L2被調(diào)諧為在軌道頻率下諧振，使得當(dāng)L2諧振時，功率從初級導(dǎo)體傳遞到補償電路。
[0109]為了將DC輸出供應(yīng)到負載，補償電路優(yōu)選還包括與調(diào)諧電容器C2并聯(lián)的整流器，以及由電感器Ldc和電容器Cdc組成的輸出濾波器。
[0110]第一開關(guān)裝置或AC開關(guān)在圖示的實施例中包括如圖示排列的MOSFET開關(guān)S1和S2以及二極管D1和D2,第一開關(guān)裝置或AC開關(guān)與拾取電感器L2和調(diào)諧電容器C2并聯(lián)地提供。
[0111]在功率從初級導(dǎo)體傳遞到拾取線圈和與其耦連的負載時，第一 AC開關(guān)保持在開路(即非導(dǎo)電)狀態(tài)。然而，第一 AC開關(guān)可以操作于選擇性中斷電路的動作，使得相位角Φ強制為不同值，這是自然會出現(xiàn)的，如在W02010/030195中進一步詳細描述的。如圖1(b)所示，當(dāng)相位角改變時，傳遞的功率可以從零(當(dāng)開關(guān)完全接通時)增大到最大值(在開關(guān)完全關(guān)斷時)。與此結(jié)合，初級電路上設(shè)置的電抗性負載一開始是電容性的，此容抗在半功率點時增大到最大值，然后當(dāng)開關(guān)變成完全打開時降低。如下文描述的，在此動作中，第二開關(guān)裝置或AC開關(guān)必須保持在短路。
[0112]包括電容器C3和L3的附加串聯(lián)電抗性兀件一起與拾取電感器L2、調(diào)諧電容器C2和第一 AC開關(guān)并聯(lián)提供。第二開關(guān)裝置或AC開關(guān)在圖示的實施例中包括如圖排列的MOSFET開關(guān)S3和S4以及二極管D3和D4,第二開關(guān)裝置或AC開關(guān)與附加電容器C3并聯(lián)提供以選擇性旁路或去耦連電容器。在功率從初級導(dǎo)體傳遞到拾取線圈和與其耦連的負載時，第二 AC開關(guān)保持在短路(即導(dǎo)電的)狀態(tài)，旁路附加的電容器C3。
[0113]如果第一 AC開關(guān)保持開路，第二 AC開關(guān)也是開路，則L3和C3會諧振，在拾取電感器L2兩端形成短路。如果此有效短路出現(xiàn)，則傳遞到負載的功率也是零，如圖3(c)所示。如果圖6中的調(diào)諧電容器C2選擇為使它與L2和L3的組合并聯(lián)阻抗在軌道頻率下諧振，則可以觀察到如果第一 AC開關(guān)開路，第二 AC開關(guān)短路，則由并聯(lián)諧振回路(拾取電感器L2和調(diào)諧電容器C2)經(jīng)歷的L3、C3和AC開關(guān)的組合電抗將簡化為Xu(即L3的電抗)。因此，傳送到負載的功率會是最大值，原因是C2、L2和L3的組合并聯(lián)阻抗在軌道頻率下諧振。因此，只要第一 AC開關(guān)打開，則當(dāng)?shù)诙?AC開關(guān)處于操作(即短路)狀態(tài)時，功率供應(yīng)給負載，當(dāng)?shù)诙?AC開關(guān)處于不操作(即開路)狀態(tài)時，初級導(dǎo)體不傳送功率，所以功率不供應(yīng)給負載，或者至少基本上降低或阻止將功率供應(yīng)給負載(即輸出)。
[0114]因此可以使用在每半個周期鉗制諧振電流的方法選擇性操作第二 AC開關(guān)以中斷電路的動作(如國際專利公開N0.W02012/030238中描述的)，從而改變電容器C3的有效電抗，如圖3(b)中所示。此動作改變了相鄰的電感器-電容器對仏3和(:3)的阻抗，使所傳遞的功率還有反射回初級的VAR負載產(chǎn)生變化，如圖3 (c)中所示的。
[0115]第一和第二 AC開關(guān)都打開時，沒有功率傳遞，反射的VAR負載是電容性的(標準值為-1)。當(dāng)?shù)诙?AC開關(guān)在諧振周期的增大的時間量閉合時，功率傳遞和VAR負載顯示為增大。只要補償電路的Q足夠大(優(yōu)選大于2)，則此VAR負載變成電感性的(如圖所示)，并且在全諧振周期中當(dāng)?shù)诙_關(guān)變成完全閉合時此VAR負載最終降低回到-1。
[0116]當(dāng)使用圖6的補償電路時，可以優(yōu)選故意使初級導(dǎo)體的調(diào)諧偏置，以默認具有容抗，從而使補償電路的第二 AC開關(guān)優(yōu)先于第一 AC開關(guān)是主導(dǎo)地或排他地操作，以最小化諧波。
[0117]串聯(lián)調(diào)諧IPT拾取
[0118]根據(jù)本發(fā)明的IPT補償電路的第二示例示于圖7中，其組合了圖2(a)和4(a)的串聯(lián)調(diào)諧電路的各方面。
[0119]補償電路包括拾取線圈或電感器L2，其與電容器Q2p并聯(lián)時，形成有效電感L2，在拾取器所耦連的軌道的操作頻率下，L2稍微更小(例如，L2 = 0.9L2)。通過根據(jù)下文進一步描述的與有效拾取電感器L2串聯(lián)提供的調(diào)諧電容器(:2(由其形成諧振電路)和附加電容器C3,此等效電感被調(diào)諧為在軌道頻率下諧振，使得當(dāng)L2諧振時，功率從初級導(dǎo)體傳遞到補償電路。
[0120]為了將DC輸出供應(yīng)給負載，補償電路優(yōu)選還包括整流器和濾波電容器CDC。因為這是串聯(lián)調(diào)諧系統(tǒng)，所以不需要DC電感器。
[0121]包括開關(guān)S1和S2以及二極管D1和D2的第一 AC開關(guān)串聯(lián)提供于調(diào)諧電容器C2和輸出整流器之間。如在WO 2011/046453中進一步詳細描述的，這些開關(guān)被操作以通過基本上防止在選擇的時間段中電流在諧振電路中流動來改變拾取線圈的開路電壓和拾取線圈的電感器電流之間的相位。
[0122]包括電容器C3和等效電感器L3(包括L3和Cup的并聯(lián)組合)的附加并聯(lián)電抗性元件一起串聯(lián)提供于輸出整流器和拾取電感器L2之間，形成第二諧振電路。包括開關(guān)S3和S4、二極管D3和D4的第二 AC開關(guān)與等效電感器L3串聯(lián)提供，使得第二 AC開關(guān)操作于去耦連附加電感器L3。S卩，串聯(lián)電感器L3和第二 AC開關(guān)一起與附加電容器C3并聯(lián)提供。
[0123]電容器Clj2p和Cup用作有效的吸收電容器，以在第一或第二 AC開關(guān)打開時提供電流通道。
[0124]假設(shè)有效電感器L3選擇為與C3在軌道頻率下諧振。當(dāng)?shù)谝缓偷诙?AC開關(guān)接通時(即閉合或?qū)щ姇r)，電容器C3和電感器L3在軌道頻率下形成并聯(lián)諧振電路，一起對電路的剩余部分表現(xiàn)為開路，因此，將傳送給負載的功率降低為零?，F(xiàn)在假設(shè)電容器(:2選擇為使得當(dāng)它與電容器C3和有效拾取電感器L2串聯(lián)時在軌道頻率下諧振。當(dāng)?shù)谝?AC開關(guān)接通，第二 AC開關(guān)關(guān)斷時(即打開或不導(dǎo)電)，有效電感器L3與電路的剩余部分去耦連，因為C2、C3和有效拾取電感器L2在軌道頻率下諧振，傳送到負載的功率是最大值。因此，在此實施例中，當(dāng)?shù)谝?AC開關(guān)閉合，第二 AC開關(guān)處于非操作(即打開)狀態(tài)時，功率供應(yīng)到負載。當(dāng)?shù)谝?AC開關(guān)打開或者第二 AC開關(guān)處于操作(即閉合)狀態(tài)時，初級導(dǎo)體不傳遞功率，所以功率不供應(yīng)給負載，或者至少基本上降低或阻止功率供應(yīng)給負載(即輸出)。
[0125]為了將圖7的串聯(lián)調(diào)諧IPT拾取操作為適當(dāng)?shù)腣AR控制器，期望操作任一 AC開關(guān)接近到零功率傳遞狀態(tài)，此時，所產(chǎn)生的VAR與有功功率的比率是最大值，如圖2(b)和圖4(c)所示。
[0126]如果第一 AC開關(guān)閉合，第二 AC開關(guān)一開始也閉合，則如上文解釋的，從軌道中不汲取功率，VAR反射回軌道。如果在諧振波形的每半個周期的增大的時間段中第二 AC開關(guān)打開(在國際專利申請N0.WO 2012/030238中有更加詳細的描述)，則只要第二 AC開關(guān)打開的時間段是小的，由于此操作帶來的初級軌道上經(jīng)歷的VAR負載會是電感性的，明顯比汲取的功率更大(如圖4(c)所示)。
[0127]如果第二 AC開關(guān)打開，第一 AC開關(guān)一開始打開，則如上文解釋的，不產(chǎn)生功率或VAR。如果第一 AC開關(guān)在諧振波形的每半個周期的增大的時間段中閉合，則如WO2011/046453描述的，并且如圖2(b)所示，只要第一AC開關(guān)閉合的時間段是小的，則軌道上的VAR負載會越來越是電容性的，明顯大于汲取的功率。
[0128]由于電感器中的電流不中斷，需要最小保護，所以圖6的補償電路通常優(yōu)于圖7的補償電路。
[0129]其它實施例
[0130]在本發(fā)明的其它實施例中，拾取電路可以只包括例如如圖l(a)、2(a)、3(a)或4(a)所示的單個可控電抗性元件(即用來選擇性短路電容器或電感器的單個AC開關(guān))，其中，預(yù)計需要快速動作的補償電路來僅補償初級導(dǎo)體中的容抗或感抗中的一個，例如初級可以提供有或者另外具有如本文獻之前討論的電感性或電容性偏置。補償電路因此與現(xiàn)有技術(shù)的拾取電路的不同之處在于補償電路包括控制器，所述控制器適于感測初級導(dǎo)體中的電抗、控制電抗性元件以產(chǎn)生相當(dāng)?shù)碾娍剐载撦d來改善初級導(dǎo)體中的電抗，而不是只調(diào)節(jié)拾取器的輸出功率以供應(yīng)與其耦連的負載。
[0131]在具有單個可控電抗性元件的補償電路可行時，圖1(a)和3(a)的并聯(lián)調(diào)諧電路通常是優(yōu)選的，因為在控制動作下他們不會中斷電感器電流。更具體地，圖3(a)的電路可能是優(yōu)選的，原因是它呈現(xiàn)較低的總諧波失真(THD)。
[0132]具有單個可控電抗性元件的并聯(lián)調(diào)諧IPT拾取
[0133]在又一實施例中，圖3(a)的電路實際上可以被控制以根據(jù)需要選擇性將感抗或容抗反射到初級導(dǎo)體，盡管在任一方向具有較小的VAR控制范圍。這可以通過選擇組件來實現(xiàn)，使得附加的電抗性組件L3和C3 (通過AC開關(guān)改變)的組合動作在不同的范圍變化。
[0134]更具體地，如果附加電感器L3較小，或者C3大于期望的，當(dāng)AC開關(guān)關(guān)閉時，由附加的電感器和電容器形成的諧振電路不在操作頻率下調(diào)諧，拾取電感器L3是不短路的。AC開關(guān)因此可以用來控制電容器C3，以通過期望的控制范圍中間的操作點，其中，有效的C3與L3在操作頻率下諧振，使拾取電感器L2短路。通過調(diào)節(jié)AC開關(guān)的動作，C3的有效值可以在任一方向上移動，以將感抗或容抗反射到初級導(dǎo)體。例如，組件是優(yōu)選選擇的，AC開關(guān)被控制，以產(chǎn)生范圍從零到附加電容器C3與附加電感器L3在操作頻率下諧振的電容的兩倍的有效電容。
[0135]本質(zhì)上，這會使圖3(a)的電路偏置，以能夠掃過電容性和電感性范圍，使得不再需要圖6電路的第一 AC開關(guān)。
[0136]根據(jù)此實施例的電路的仿真標準化反射阻抗的圖表示于圖9中，示出了所述電路可以根據(jù)需要用來反射感抗或容抗。
[0137]可以看出，補償裝置電路的組件值可以選擇為允許掃過電容性范圍和電感性范圍的這種方法不局限于圖3，而是可以用適當(dāng)設(shè)計或重新配置本文中公開的其它電路(例如圖1、2和4)來實現(xiàn)。
[0138]
[0139]通過前面描述，顯然本發(fā)明的電路優(yōu)選地包括一些形式的控制器或控制裝置以自動地操作第一和/或第二 AC開關(guān)。第一和第二 AC開關(guān)的操作優(yōu)選基于反饋，該反饋可以包括例如從干線電源汲取的功率、初級導(dǎo)體中的電流和/或電源的逆變橋中的電流。補償電路或者，更具體地，控制裝置因此優(yōu)選包括用于獲取控制策略所需的反饋的傳感器或傳感裝置，具體是感測初級導(dǎo)體中的電抗。替代性地，IPT系統(tǒng)的初級側(cè)或者更具體地是電源可以包括用于感測電抗性負載以及將此反饋傳送給補償電路的傳感器?？刂破鲀?yōu)選允許一些磁滯現(xiàn)象，以例如避免不需要地在第一和第二 AC開關(guān)的操作之間進行切換。
[0140]執(zhí)行本文中描述的方法的適當(dāng)?shù)目刂蒲b置的設(shè)計和實現(xiàn)在控制系統(tǒng)工程領(lǐng)域的技術(shù)人員的能力范圍之內(nèi)，因此在本文中不詳細描述。例如，控制裝置可以適于感測初級導(dǎo)體中的電壓和電流之間的相位角，以及操作第一和第二 AC開關(guān)以消除或至少改善相位角和所產(chǎn)生的無功功率。
[0141]控制裝置可以實現(xiàn)為純的基于硬件的控制器，包括一個或多個可以包括分立電子組件或集成電路(包括運算放大器和邏輯裝置)的組件。替代性地或者另外，控制裝置可以使用可配置或可編程硬件組件(諸如可編程邏輯器件PLD或現(xiàn)場可編程門陣列FPGA)至少部分地實現(xiàn)為基于軟件的控制器或處理器，所述處理器可以包括微控制器或通用個人計算機(PC)，微控制器或通用個人計算機(PC)執(zhí)行被編程為控制第一和第二開關(guān)以及執(zhí)行本文中描述的方法的軟件。
[0142]不過，優(yōu)選地，本發(fā)明可使用前述的組件的組合實現(xiàn)為嵌入式系統(tǒng)。
[0143]系統(tǒng)設(shè)計
[0144]從圖6和7的電路汲取的VAR和功率的實際幅值取決于次級電路的Q，并隨著次級電路的Q增長。
[0145]電路的操作Q可以在系統(tǒng)設(shè)計時定義。因此圖6的電路是并聯(lián)調(diào)諧VAR控制器，在操作過程中，開關(guān)的動作不會中斷電感器電流，因此在實際操作中更易于操作和逐步升高到高功率。結(jié)果，其更易于構(gòu)造，并優(yōu)選用于高功率應(yīng)用。
[0146]舉一個示例，對于圖6的電路，調(diào)諧的AC電壓(在整流器的輸入)和與初級耦連的開路電壓的比率限定最大操作Q。
[0147]包括耦合到IPT電源的圖6或7中任一個的補償電路(或本文中討論的其它電路)的IPT系統(tǒng)通過圖8的示例顯示。給負載供電的一個或多個拾取電路(諸如照明設(shè)備或電動汽車，由負載A表示)在使用中可以與初級軌道電感器L1感應(yīng)耦合。如上文討論的，補償電路將補償由那些拾取電路反射的不期望的VAR。補償電路的操作是基于來自電源的反饋控制的，反饋可以從電源中的感測裝置無線地(例如，通過射頻通信)或者通過有線連接(由于補償電路可以與電源集成在一起或者基本上鄰近電源地提供)傳送。
[0148]補償電路整流器的輸出可以在點A和B電耦連到逆變器的DC總線，給初級軌道供電。如果干線整流器的輸出的DC電容器很大，則此DC總線電壓是額定恒定的，結(jié)果使圖6的整流器的輸入的最大調(diào)諧AC電壓固定。因此，電路的最大操作Q也固定。在操作中，由VAR控制器從軌道汲取的功率因此自然流到電源的DC總線電容器中，但逆變橋損耗由于附加的所需功率會稍微增加。因此，VAR控制器中的AC開關(guān)應(yīng)當(dāng)只操作于其完全控制范圍的0-10%或0-5% (取決于可用控制的分辨率)，以此附加損耗為代價產(chǎn)生三到四倍的VAR。
[0149]替代性地或者另外，來自補償電路的功率輸出可以用來向與其電耦連的負載供電。
[0150]應(yīng)思
[0151]本發(fā)明的補償電路的應(yīng)用可以包括但不限于EV系統(tǒng)，其中，當(dāng)初級電源和導(dǎo)體設(shè)計成用于并聯(lián)調(diào)諧次級系統(tǒng)時，由于使用的串聯(lián)調(diào)諧次級系統(tǒng)(即電動汽車中的拾取器)，初級軌道的電感可以變化(或反之亦然)。在這種情況下，假若通過通信或其它裝置知道次級系統(tǒng)(例如，如EV充電標準可能要求的)，則可以通過將電容器切換成與初級導(dǎo)體串聯(lián)或者調(diào)節(jié)電源的頻率來首先激活“粗”補償，以在操作之前粗略地補償初級。
[0152]其它示例性應(yīng)用可以包括材料處理系統(tǒng)(具有多個次級耦合系統(tǒng))，其中，全體負載表現(xiàn)為與軌道上的單個大的VAR變型、消費裝置(諸如移動蜂窩電話或膝上計算機)的低功率充電系統(tǒng)或次級動作產(chǎn)生去調(diào)諧VAR的照明應(yīng)用類似。
[0153]從前面描述可以看出，提供了補償電路、IPT電源、IPT系統(tǒng)和/或VAR控制方法，他們能夠?qū)崿F(xiàn)選擇性將容抗和/或感抗反射到初級導(dǎo)體以分別補償系統(tǒng)中的可變感抗或容抗(或VAR)。結(jié)果，初級導(dǎo)體中的AC電流的失調(diào)被最小化，可以減少組件額定需求。
[0154]除非上下文明確要求為相反，否則在說明書中，詞語“包括”等應(yīng)解讀為包括的含義，與排他或排他性含義相反，即，是“包括但不限于”的含義。
[0155]盡管通過示例并參照可能的實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解在不偏離本發(fā)明的范圍下可以對其進行修改或改進。本發(fā)明還可以寬泛上認為包括在本申請的說明書中單獨或一起引用或提到的零件、元件和特征，兩個或多個所述零件、元件和特征的任何或所有組合。而且，在提到具有已知等同物的本發(fā)明的特定組件或整體時，則這種等同物如同單獨列出的一樣包括于本文中。
[0156]在說明書中對現(xiàn)有技術(shù)的任何討論決不認為是對此現(xiàn)有技術(shù)是廣為人知的或形成領(lǐng)域中公知常識的一部分的承認。
【權(quán)利要求】
1.一種在感應(yīng)功率傳輸(IPT)系統(tǒng)中使用感應(yīng)耦連到IPT系統(tǒng)初級導(dǎo)電通路的補償裝置的VAR補償方法，其中，所述方法包括:控制所述補償裝置以補償由給所述初級導(dǎo)電通路提供電力的初級電源經(jīng)歷的電抗，同時從所述初級電源汲取最小功率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括步驟:對于從所述初級電源汲取的功率范圍，確定反射電抗的范圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進一步包括:重新調(diào)諧所述初級導(dǎo)電通路，以使所述補償裝置進入反射阻抗的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，重新調(diào)諧所述初級導(dǎo)電通路的步驟包括:使與初級導(dǎo)體串聯(lián)的電容器耦連或去耦連，或者遞增所述初級電源的頻率。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的方法，進一步包括:感測由所述初級電源經(jīng)歷的電抗，以及根據(jù)所感測的電抗控制所述補償裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，進一步包括步驟:在改變由所述補償裝置提供的電抗的幅值之前，檢測感測的電抗何時達到第一閾值。
7.一種用于控制感應(yīng)功率傳輸(IPT)系統(tǒng)的初級導(dǎo)體中的電抗的方法，所述方法包括: 感測所述初級導(dǎo)體中的可變電抗；以及 根據(jù)所感測的電抗，控制與所述初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連的諧振電路關(guān)聯(lián)的第一電抗性元件，以反射改善所述初級導(dǎo)體中的電抗的受控補償電抗。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括步驟:在操作所述IPT系統(tǒng)之前選擇性激活無源補償裝置，以改善所述初級導(dǎo)體中的基本上恒定的電抗分量，從而最小化所述受控補償電抗。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，選擇性激活無源補償裝置的步驟包括:將電容器與所述初級導(dǎo)體串聯(lián)耦連，或者調(diào)節(jié)給所述初級導(dǎo)體供電的電源的頻率。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任何一項所述的方法，其中，所述第一電抗性元件可操作于反射容抗，以改善所述初級導(dǎo)體中的感抗。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任何一項所述的方法，其中，所述第一電抗性元件可操作于反射感抗，以改善所述初級導(dǎo)體中的容抗。
12.根據(jù)權(quán)利要求7或權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述第一電抗性元件包括電容器，所述電容器選擇為在所述IPT系統(tǒng)的操作頻率下與串聯(lián)電感器諧振，從而使得與所述初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連的諧振電路的感應(yīng)拾取器短路。
13.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任何一項所述的方法，其中，所述第一電抗性元件包括電容器，所述電容器選擇為可控制用于具有在所述IPT系統(tǒng)的操作頻率附近的頻率范圍內(nèi)與串聯(lián)電感器諧振的有效電容。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述電容器選擇為可控制用于具有范圍從零到在所述操作頻率下與所述串聯(lián)電感器諧振的至少兩倍電容的有效電容。
15.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任何一項所述的方法，進一步包括步驟:根據(jù)所感測的電抗，控制與所述諧振電路關(guān)聯(lián)的第二電抗性元件，其中，所述第一電抗性元件可操作于反射容抗，以改善所述初級導(dǎo)體中的感抗，以及所述第二電抗性元件可操作于反射感抗，以改善所述初級導(dǎo)體中的容抗。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進一步包括步驟:使所述初級導(dǎo)體向容抗偏置，從而使所述第二電抗性元件優(yōu)先于所述第一電抗性元件是主導(dǎo)性或者排他性地操作，以最小化諧波。
17.一種用于在選擇的操作頻率下將受控電抗反射到初級導(dǎo)體的感應(yīng)功率傳輸(IPT)補償電路，所述電路包括: 諧振電路，所述諧振電路包括拾取線圈和調(diào)諧電容器，用于在使用中與所述初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連； 可控電抗性元件，所述可控電抗性元件耦連到所述諧振電路，并可操作于將補償電抗反射到所述初級導(dǎo)體；以及 控制裝置，所述控制裝置可操作于控制所述可控電抗性元件，以補償所述初級導(dǎo)體中的感測電抗，從而改善所述初級導(dǎo)體中的電抗。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的IPT補償電路，其中，所述可控電抗性元件包括與電感器串聯(lián)的可控電容器，以及所述可控電容器和串聯(lián)電感器被選擇為使得所述可控電容器可以被控制以選擇性反射感抗和容抗。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的IPT補償電路，其中，所述可控電抗性元件可操作于反射基本上為感抗和容抗之一，以及所述補償電路進一步包括第二可控電抗性元件，所述第二可控電抗性元件可操作于反射基本上為感抗和容抗中的另一個。
20.一種用于在選擇的操作頻率下將受控電抗反射到初級導(dǎo)體的感應(yīng)功率傳輸(IPT)補償電路，所述電路包括: 諧振電路，所述諧振電路包括拾取線圈和調(diào)諧電容器，用于在使用中與所述初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連； 第一開關(guān)裝置，所述第一開關(guān)裝置耦連到所述諧振電路，并可操作于將容抗反射到所述初級導(dǎo)體； 第二開關(guān)裝置，所述第二開關(guān)裝置耦連到所述諧振電路，并可操作于將感抗反射到所述初級導(dǎo)體；以及 控制裝置，所述控制裝置適于控制所述第一和第二開關(guān)裝置的操作，以分別補償所述初級導(dǎo)體中的感抗和容抗。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的IPT補償電路，其中，所述控制裝置包括用于感測所述初級導(dǎo)體中的電抗的感測裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或權(quán)利要求21所述的IPT補償電路，其中，所述第一開關(guān)裝置被配置成選擇性改變所述拾取器線圈的開路電壓和所述拾取器線圈的電流之間的相位角。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的IPT補償電路，其中，所述第一開關(guān)裝置被配置成通過在選擇的時間段中維持基本上恒定的調(diào)諧電容器電壓來改變所述相位角。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的IPT補償電路，其中，所述第一開關(guān)裝置被配置成在所述選擇的時間段中將所述調(diào)諧電容器電壓鉗制在基本上零伏。
25.根據(jù)權(quán)利要求20至24中任何一項所述的IPT補償電路，其中，所述IPT補償電路進一步包括第二諧振電路，所述第二諧振電路包括被調(diào)諧為在所述選擇的操作頻率或該頻率附近諧振的多個附加電抗性元件，以及所述第二開關(guān)裝置被配置成選擇性去耦連所述多個附加電抗性元件之一。
26.根據(jù)權(quán)利要求20至25中任何一項所述的IPT補償電路，其中，所述第一和第二開關(guān)裝置各自包括AC開關(guān)。
27.根據(jù)權(quán)利要求20至26中任何一項所述的IPT補償電路，其中，所述拾取線圈和調(diào)諧電容器是并聯(lián)提供的。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的IPT補償電路，其中，所述第一開關(guān)裝置與所述諧振電路并聯(lián)地提供。
29.根據(jù)直接或間接地從屬于權(quán)利要求25的權(quán)利要求27或權(quán)利要求28所述的IPT補償電路，其中，所述第二諧振電路的附加電抗性元件包括與所述拾取線圈和調(diào)諧電容器并聯(lián)地一起提供的串聯(lián)電感器和電容器，以及所述第二開關(guān)裝置可操作于選擇性去耦連所述附加電容器。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的IPT補償電路，其中，所述調(diào)諧電容器選擇為在所選擇的操作頻率下與所述拾取線圈和附加電感器的組合阻抗諧振。
31.根據(jù)權(quán)利要求20至26中任何一項所述的IPT補償電路，其中，所述拾取線圈和調(diào)諧電容器是串聯(lián)提供的。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的IPT補償電路，其中，所述第一開關(guān)裝置與所述諧振電路串聯(lián)地提供。
33.根據(jù)直接或間接地從屬于權(quán)利要求6的權(quán)利要求31或權(quán)利要求32所述的IPT補償電路，其中，所述第二諧振電路的附加電抗性元件包括與所述拾取線圈和調(diào)諧電容器串聯(lián)地一起提供的并聯(lián)電感器和電容器，以及所述第二開關(guān)裝置可操作于選擇性去耦連所述附加電感器。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的IPT補償電路，其中，所述調(diào)諧電容器選擇為在選擇的操作頻率下與所述拾取線圈和所述附加電容器諧振。
35.一種感應(yīng)功率傳輸(IPT)系統(tǒng)，包括電耦連到初級導(dǎo)體的電源以及根據(jù)權(quán)利要求17至34中任何一項所述的補償電路，所述補償電路在使用時與所述初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的IPT系統(tǒng)，其中，所述電源和/或初級導(dǎo)體可操作于重新調(diào)諧所述初級導(dǎo)電通路，以基本上改善恒定的或緩慢變化的電抗。
37.根據(jù)權(quán)利要求35或權(quán)利要求36所述的IPT系統(tǒng)，其中，所述補償電路的輸出電耦連到所述電源的DC總線。
38.一種用于控制感應(yīng)功率傳輸(IPT)補償電路的方法，所述補償電路包括形成第一諧振電路的拾取線圈和調(diào)諧電容器，所述方法包括步驟: 感測初級導(dǎo)體中的容抗或感抗，在使用中，所述補償電路與所述初級導(dǎo)體感應(yīng)耦連； 選擇性操作所述補償電路的第一開關(guān)裝置，以將容抗反射到所述初級導(dǎo)體，補償感測的感抗；以及 選擇性操作所述補償電路的第二開關(guān)裝置，以將感抗反射到所述初級導(dǎo)體，補償感測的容抗。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中，選擇性操作所述第一開關(guān)裝置的步驟包括:改變所述補償電路的拾取線圈的開路電壓和拾取線圈的電流之間的相位角。
40.根據(jù)權(quán)利要求38或權(quán)利要求39所述的方法，其中，選擇性操作所述第一開關(guān)裝置的步驟包括:鉗制所述IPT補償電路的諧振電路中的電流。
41.根據(jù)權(quán)利要求38至40中的任何一項所述的方法，其中，選擇性操作所述第二開關(guān)裝置的步驟包括:選擇性去耦連形成第二諧振電路的多個附加電抗性元件之一。
42.一種用于與IPT系統(tǒng)的初級導(dǎo)電通路耦連的感應(yīng)功率傳輸(IPT)補償電路，所述電路包括接收由所述IPT系統(tǒng)的初級電源經(jīng)歷的電感性負載的指示的裝置以及控制裝置，所述控制裝置控制所述補償裝置以補償所述電抗，同時從所述初級電源汲取最小功率。
43.一種初級感應(yīng)功率傳輸(IPT)諧振器，所述諧振器可操作于將功率傳輸?shù)酱渭塈PT諧振器，以形成具有額定調(diào)諧狀態(tài)和所述調(diào)諧狀態(tài)內(nèi)的公差的IPT系統(tǒng)，其中，所述初級諧振器電路的調(diào)諧是可調(diào)節(jié)的，使得所述次級IPT諧振器的調(diào)諧范圍能夠?qū)⑺鯥PT系統(tǒng)的調(diào)諧狀態(tài)調(diào)節(jié)到所述系統(tǒng)的額定調(diào)諧狀態(tài)或所述額定狀態(tài)的公差內(nèi)。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的初級IPT諧振器，其中，所述初級電路包括一個或多個可控電抗性組件和/或可操作于遞增所述系統(tǒng)的頻率以便調(diào)節(jié)所述初級諧振器的調(diào)諧的一個或多個組件。
45.一種感應(yīng)功率傳輸(IPT)電源，所述電源用于耦連到初級導(dǎo)體以將功率感應(yīng)供應(yīng)到補償電路和一個或多個其它拾取電路，所述電源包括從所述補償電路的輸出接收功率的DC總線。
46.一種感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)(IPT)電源，所述電源用于耦連到初級導(dǎo)體以將功率感應(yīng)供應(yīng)到補償電路和一個或多個其它拾取電路，所述電源包括感測裝置，所述感測裝置感測電抗性負載并將所感測的電抗性負載傳送到所述補償電路。
【文檔編號】H01F38/14GK104396109SQ201380017845
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月2日
【發(fā)明者】J·E·I·詹姆斯, G·A·考維克, J·T·博伊斯 申請人:奧克蘭聯(lián)合服務(wù)有限公司