本發(fā)明涉及無(wú)線電力傳遞。更確切地說(shuō)，但不排他性地，本發(fā)明涉及補(bǔ)償電抗阻抗的變化的系統(tǒng)、設(shè)備和/或方法，例如，由于感應(yīng)電力傳遞系統(tǒng)中的初級(jí)磁性耦合器與次級(jí)磁性耦合器之間的未對(duì)準(zhǔn)引起的那些電抗阻抗。

背景技術(shù)：

無(wú)線或非接觸電力傳遞，且更確切地說(shuō)感應(yīng)電力傳遞(ipt)技術(shù)目前廣泛用于各種應(yīng)用中。ipt系統(tǒng)一般包括初級(jí)電力轉(zhuǎn)換器，所述初級(jí)電力轉(zhuǎn)換器供應(yīng)交流電以激勵(lì)初級(jí)磁性耦合器(例如，可替代地稱為線圈、導(dǎo)體或墊片)。初級(jí)電力轉(zhuǎn)換器和初級(jí)磁性耦合器共同形成ipt系統(tǒng)的初級(jí)側(cè)。系統(tǒng)的次級(jí)側(cè)包括電耦合到次級(jí)轉(zhuǎn)換器的次級(jí)磁性耦合器(例如，可替代地稱為拾取器、線圈、導(dǎo)體或墊片)，所述次級(jí)轉(zhuǎn)換器可以將電力供應(yīng)到負(fù)載。為了改進(jìn)電力傳遞效率，ipt系統(tǒng)的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)一般各自進(jìn)一步包括諧振電路，所述諧振電路被調(diào)諧至交流電的頻率(或反之亦然)。工作頻率通常取決于應(yīng)用并且可以擴(kuò)展至多兆赫茲范圍。

初級(jí)磁性耦合器中的交流電產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，所述磁場(chǎng)的至少部分在ipt系統(tǒng)的操作期間穿過(guò)次級(jí)磁性耦合器，從而感應(yīng)供應(yīng)到次級(jí)轉(zhuǎn)換器且因此供應(yīng)到負(fù)載的電壓。與傳統(tǒng)的有線或緊密耦合的電源相比，ipt系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是在不限制導(dǎo)線或固定機(jī)械耦合的情況下，系統(tǒng)的次級(jí)側(cè)相對(duì)于初級(jí)側(cè)可自由移動(dòng)。此類系統(tǒng)因此適合于各種應(yīng)用，包含例如為可穿戴計(jì)算機(jī)充電和供電的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電動(dòng)車輛(ev)。

然而，由于初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的問(wèn)題是線圈可能變成未對(duì)準(zhǔn)。任何此運(yùn)動(dòng)或未對(duì)準(zhǔn)引起線圈電感的變化，這會(huì)使諧振電路失諧。這進(jìn)而會(huì)引起轉(zhuǎn)換器電路呈現(xiàn)有高伏安(va)負(fù)載，從而產(chǎn)生增加的損耗、不穩(wěn)定性以及減小的功率吞吐量。因此，可以采取措施來(lái)補(bǔ)償磁性耦合器的電感變化，從而使ipt系統(tǒng)能夠在調(diào)諧條件下操作。

過(guò)去已提出能夠補(bǔ)償由于未對(duì)準(zhǔn)產(chǎn)生的ipt系統(tǒng)的性能損耗的各種電路拓?fù)浜涂刂品椒?。這些技術(shù)中的大部分技術(shù)采用可變頻率切換方案或可切換無(wú)功元件，以便補(bǔ)償電感變化。之前的方法具有較少吸引力，主要因?yàn)殡姶偶嫒菪?emc)標(biāo)準(zhǔn)例如需要ipt系統(tǒng)在嚴(yán)格的頻帶內(nèi)操作并且工作頻率的變化可以產(chǎn)生電磁干擾(emi)相關(guān)的問(wèn)題。另一方面，通常采用一系列電容器形式的可切換無(wú)功元件的使用成本高、體積大并且需要復(fù)雜的控制器，同時(shí)損害整個(gè)系統(tǒng)可靠性，所述電容器具有可以接通或斷開補(bǔ)償電路的開關(guān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目標(biāo)

本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種克服或至少改善現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)(包含但不限于，上文概述的那些缺點(diǎn))的用于操作的感應(yīng)電力傳遞(ipt)系統(tǒng)和方法，或可替代地至少為公眾或工業(yè)提供有用替代方案。

本發(fā)明的概述

在第一方面中，本發(fā)明可以被廣泛地認(rèn)為在于適用于與第二設(shè)備磁性耦合的無(wú)線電力傳遞設(shè)備，所述無(wú)線電力傳遞設(shè)備包括：

電力轉(zhuǎn)換器，其與電源或負(fù)載電耦合或可耦合；

諧振電路，其與電力轉(zhuǎn)換器電耦合并且包括用于與第二設(shè)備磁性耦合的磁性耦合器；以及

控制器，其與電力轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)并且被配置成相對(duì)于第二設(shè)備改變電力轉(zhuǎn)換器的操作的相對(duì)相位，改變所述相位以至少部分補(bǔ)償諧振電路的諧振頻率變化。

在一個(gè)實(shí)施例中，改變相對(duì)相位以控制諧振電路的電抗阻抗。

更確切地說(shuō)，但非排他性地，改變相位以至少部分補(bǔ)償磁性耦合器的電感變化?？商娲鼗蛄硗?，可以改變相位以至少部分補(bǔ)償諧振電路的電容變化且更確切地說(shuō)，至少部分補(bǔ)償調(diào)諧電容器的降級(jí)。

在使用時(shí)，可以通過(guò)無(wú)線電力傳遞設(shè)備與第二設(shè)備之間的位移或?qū)?zhǔn)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)變化引起磁性耦合器的電感變化。所述設(shè)備可以包括感應(yīng)電力傳遞(ipt)系統(tǒng)的初級(jí)側(cè)或次級(jí)側(cè)。

優(yōu)選地，改變相對(duì)相位以基本上補(bǔ)償磁性耦合器的電感變化，從而保持單位功率因數(shù)。

優(yōu)選地，控制器進(jìn)一步被配置成改變電力轉(zhuǎn)換器的占空比以控制且更優(yōu)選地調(diào)節(jié)無(wú)線電力傳遞的量值。電力傳遞可以到達(dá)無(wú)線電力傳遞設(shè)備或從無(wú)線電力傳遞設(shè)備到第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備，或反之亦然。

優(yōu)選地，通過(guò)控制器控制電力轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生具有可變占空比的三電平修改方波。更具體來(lái)說(shuō)，控制器優(yōu)選地使用相位調(diào)制控制電力轉(zhuǎn)換器。

優(yōu)選地，電力轉(zhuǎn)換器包括可逆反相器/整流器以允許雙向電力傳遞。

更具體來(lái)說(shuō)，電力轉(zhuǎn)換器優(yōu)選地包括全橋配置中的四個(gè)開關(guān)，并且控制器操作成對(duì)的四個(gè)開關(guān)，其中每個(gè)對(duì)異相。優(yōu)選地，每個(gè)開關(guān)對(duì)的占空比可以從0變化到50％以改變電力轉(zhuǎn)換器的占空比。優(yōu)選地，控制器通過(guò)改變每個(gè)開關(guān)對(duì)傳導(dǎo)的相角來(lái)改變轉(zhuǎn)換器的占空比。

或者，電力轉(zhuǎn)換器可以包括半橋式轉(zhuǎn)換器或推挽式轉(zhuǎn)換器。

優(yōu)選地，諧振電路包括電感器-電容器-電感器(lcl)網(wǎng)絡(luò)。

或者，諧振電路可以包括串聯(lián)調(diào)諧的電感器-電容器(lc)諧振網(wǎng)絡(luò)或推挽式并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(pprc)。

在第二方面中，本發(fā)明可以被廣泛地認(rèn)為在于用于控制與第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備磁性耦合或可耦合的第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備的方法，所述方法包括：

相對(duì)于第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備改變第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備的操作的相對(duì)相位來(lái)控制電抗阻抗以至少部分補(bǔ)償諧振電路的諧振頻率變化。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包含檢測(cè)第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備的電感或電感變化。

優(yōu)選地，所述方法包括至少部分補(bǔ)償磁性耦合器的電感變化，以及更優(yōu)選地基本上補(bǔ)償磁性耦合器的電感變化以保持單位功率因數(shù)。

優(yōu)選地，所述方法進(jìn)一步包括改變第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備的占空比以控制與第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備的電力傳遞的量值。電力傳遞可以到達(dá)或來(lái)自第二無(wú)線電力傳遞。

在第三方面中，本發(fā)明可以被廣泛地認(rèn)為在于無(wú)線電力傳遞系統(tǒng)，其包括：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面的第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備；以及

第二無(wú)線電力傳遞，其與第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備磁性耦合或可耦合。

無(wú)線電力傳遞系統(tǒng)可以是單向或雙向的。更具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)可以被配置成：

將電力僅從第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備傳遞到第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備；或

將電力僅從第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備傳遞到第二無(wú)線電力傳遞；或

在第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備與第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備之間的任何方向上傳遞電力。

優(yōu)選地，第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備還包括根據(jù)本發(fā)明的第一方面的無(wú)線電力傳遞設(shè)備，其中控制器被配置成相對(duì)于第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備改變電力轉(zhuǎn)換器的操作的相對(duì)相位?；蛘?，然而，第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備不一定包括控制器，所述控制器與電力轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)并且被配置成相對(duì)于第一設(shè)備改變電力轉(zhuǎn)換器的操作的相對(duì)相位。

優(yōu)選地，第一和第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備各自包括雙向電力轉(zhuǎn)換器以及具體而言可逆整流器/反相器，以允許雙向電力傳遞。

或者，第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備可以包括無(wú)源二極管橋式整流器。

在第四方面中，本發(fā)明可以被廣泛地認(rèn)為在于無(wú)線電力傳遞系統(tǒng)，其包括：

初級(jí)無(wú)線電力傳遞設(shè)備，其包括：

初級(jí)電力轉(zhuǎn)換器，其與電源或負(fù)載電耦合或可耦合；

初級(jí)諧振電路，其與初級(jí)電力轉(zhuǎn)換器電耦合且包括初級(jí)磁性耦合器；以及

初級(jí)控制器，其與初級(jí)電力轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)以控制其操作；以及

次級(jí)無(wú)線電力傳遞設(shè)備，其包括：

次級(jí)諧振電路，其包括用于與初級(jí)磁性耦合器磁性耦合的次級(jí)磁性耦合器；

次級(jí)電力轉(zhuǎn)換器，其與次級(jí)電力轉(zhuǎn)換器電耦合并且與電源或負(fù)載耦合或可耦合；以及

次級(jí)控制器，其與次級(jí)電力轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)以控制所述次級(jí)電力轉(zhuǎn)換器的操作，

其中初級(jí)和次級(jí)控制器中的至少一個(gè)可用于改變初級(jí)無(wú)線電力傳遞設(shè)備與次級(jí)無(wú)線電力傳遞設(shè)備之間的相對(duì)相角以至少部分補(bǔ)償初級(jí)和次級(jí)諧振電路中的至少一個(gè)的諧振頻率變化。

在第五方面中，本發(fā)明可以被廣泛地認(rèn)為在于用于控制包括初級(jí)和次級(jí)無(wú)線電力傳遞設(shè)備的無(wú)線電力傳遞系統(tǒng)的方法，所述方法包括：

檢測(cè)初級(jí)和次級(jí)無(wú)線電力傳遞設(shè)備中的至少一個(gè)的磁性耦合器的電感或電感變化；以及

改變初級(jí)和次級(jí)無(wú)線電力傳遞設(shè)備的操作的相對(duì)相位來(lái)控制電抗阻抗以至少部分補(bǔ)償初級(jí)和次級(jí)無(wú)線電力傳遞設(shè)備中的至少一個(gè)的至少一個(gè)的耦合器諧振頻率變化。

優(yōu)選地，所述方法包括至少部分補(bǔ)償初級(jí)和次級(jí)磁性耦合器中的至少一個(gè)的電感變化，以及更優(yōu)選地基本上補(bǔ)償初級(jí)和次級(jí)磁性耦合器中的至少一個(gè)的電感變化以保持單位功率因數(shù)和/或改進(jìn)效率。

優(yōu)選地，所述方法進(jìn)一步包括改變初級(jí)和次級(jí)無(wú)線電力傳遞設(shè)備中的至少一個(gè)的占空比以控制其間的電力傳遞的量值。

在另一方面中，本發(fā)明提供適用于與第二設(shè)備磁性耦合的無(wú)線電力傳遞設(shè)備，所述無(wú)線電力傳遞設(shè)備包括：

電力轉(zhuǎn)換器，其與電源或負(fù)載電耦合或可耦合；

諧振電路，其與電力轉(zhuǎn)換器電耦合并且包括用于與第二設(shè)備磁性耦合的磁性耦合器；以及

控制器，其與電力轉(zhuǎn)換器相關(guān)聯(lián)并且被配置成相對(duì)于第二設(shè)備改變電力轉(zhuǎn)換器的操作的相對(duì)相位，改變所述相位以至少部分補(bǔ)償電抗阻抗的變化。

在另一方面中，本發(fā)明提供用于控制與第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備磁性耦合或可耦合的第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備的方法，所述方法包括：

相對(duì)于第二無(wú)線電力傳遞設(shè)備改變第一無(wú)線電力傳遞的操作的相對(duì)相位來(lái)控制電抗阻抗以至少部分補(bǔ)償由第一無(wú)線電力傳遞設(shè)備的轉(zhuǎn)換器發(fā)現(xiàn)的電抗阻抗的變化。

在所有本發(fā)明的新穎方面中應(yīng)考慮到的本發(fā)明的另外方面將從以下描述中變得顯而易見(jiàn)。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)將參考圖式借助于實(shí)例描述本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，在圖式中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的感應(yīng)電力傳遞(ipt)系統(tǒng)的第一實(shí)施例的示意圖；

圖2說(shuō)明根據(jù)圖1的實(shí)施例的實(shí)例初級(jí)和次級(jí)電壓波形；

圖3是圖1的系統(tǒng)的等效電路模型；

圖4是適合用于圖1的系統(tǒng)中的根據(jù)本發(fā)明的可能控制器的框圖；

圖5示出補(bǔ)償?shù)暮臀囱a(bǔ)償?shù)?a)輸入阻抗和(b)角兩者與頻率的曲線；

圖6示出圖1的實(shí)施例的(a)未補(bǔ)償?shù)暮?b)補(bǔ)償?shù)碾妷汉碗娏鞑ㄐ危?/p>

圖7是具有和不具有本發(fā)明所提供的補(bǔ)償?shù)膱D1的實(shí)施例的系統(tǒng)效率的曲線；

圖8示出根據(jù)本發(fā)明的ipt系統(tǒng)的替代實(shí)施例的(a)未補(bǔ)償?shù)暮?b)補(bǔ)償?shù)碾妷汉碗娏鞑ㄐ?；以?/p>

圖9示出本發(fā)明的又一實(shí)施例的(a)未補(bǔ)償?shù)暮?b)補(bǔ)償?shù)碾妷汉碗娏鞑ㄐ巍?/p>

具體實(shí)施方式

本發(fā)明包括無(wú)線電力傳遞設(shè)備和系統(tǒng)以及用于控制無(wú)線電力傳遞設(shè)備和系統(tǒng)的方法。在描述中相同的參考標(biāo)號(hào)將始終用于指代不同實(shí)施例中的相同的特征。

圖1示意性地說(shuō)明基本上通過(guò)第wo2010/062198號(hào)國(guó)際專利公開案揭示的雙向感應(yīng)電力傳遞(ipt)系統(tǒng)100，所述國(guó)際專利公開案的內(nèi)容全部并入本文中。實(shí)例ipt系統(tǒng)包括初級(jí)側(cè)110和次級(jí)側(cè)120，在此實(shí)例中，每個(gè)基本上電學(xué)上相同。初級(jí)側(cè)包括控制初級(jí)轉(zhuǎn)換器112的操作的初級(jí)控制器111，所述初級(jí)轉(zhuǎn)換器包括全橋電路配置中的四個(gè)開關(guān)。初級(jí)轉(zhuǎn)換器耦合到初級(jí)電源/匯點(diǎn)vin和諧振電路113。在此實(shí)例中，諧振電路113包括由串聯(lián)電感器lpi、調(diào)諧電容器cpt和初級(jí)磁性耦合器lpt組成的調(diào)諧電感器-電容器-電感器(lcl)電路。

ipt系統(tǒng)111的次級(jí)側(cè)120類似地包括次級(jí)控制器121、次級(jí)轉(zhuǎn)換器122和lcl諧振電路123，所述lcl諧振電路包括次級(jí)磁性耦合器lst。分別用互電感m以及電壓源vpt和vst表示初級(jí)磁性耦合器lpt與次級(jí)磁性耦合器lst之間的磁性或電感耦合。

如wo2010/062198中所揭示，初級(jí)控制器111優(yōu)選地以固定頻率ft(優(yōu)選地等于諧振電路113的所設(shè)計(jì)諧振頻率)驅(qū)動(dòng)成對(duì)的初級(jí)轉(zhuǎn)換器112的開關(guān)以產(chǎn)生電壓波形vpi，如在圖2中借助于實(shí)例示出。在此實(shí)例中，電壓波形包括三電平修改方波。初級(jí)轉(zhuǎn)換器112(在這種情況下，充當(dāng)反相器)中的每一對(duì)開關(guān)保持接通的相角可以變化(在0°與180°之間)，由此確定轉(zhuǎn)換器的占空比以控制供應(yīng)到初級(jí)磁性耦合器lpt的交流電ipi的量值。類似地，次級(jí)轉(zhuǎn)換器122(在這種情況下，充當(dāng)整流器)中的每一對(duì)開關(guān)保持接通的相角可以變化(在0°與180°之間)，由此確定轉(zhuǎn)換器的占空比

仍參考圖1和圖2，類似于初級(jí)轉(zhuǎn)換器112，次級(jí)轉(zhuǎn)換器122由拾取/次級(jí)控制器121控制以產(chǎn)生具有可控制占空比的次級(jí)電壓波形vsi。跨越初級(jí)磁性耦合器lpt與拾取磁性耦合器lst之間的氣隙發(fā)生無(wú)線電力傳遞，所述初級(jí)磁性耦合器lpt和拾取磁性耦合器lst通過(guò)互電感m彼此松散耦合。

當(dāng)電力從系統(tǒng)的初級(jí)側(cè)傳遞到次級(jí)側(cè)時(shí)，次級(jí)轉(zhuǎn)換器122充當(dāng)整流器。然而，如在此實(shí)例中，本發(fā)明的至少一些實(shí)施例能夠在初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的任何方向上傳遞電力。在此雙向?qū)嵤├?，初?jí)轉(zhuǎn)換器112和次級(jí)轉(zhuǎn)換器122由此優(yōu)選地各自包括有源可逆整流器/反相器。如在整個(gè)說(shuō)明書中使用的術(shù)語(yǔ)“轉(zhuǎn)換器”因此預(yù)期涵蓋整流器(無(wú)論無(wú)源還是有源)，反相器或可逆反相器/整流器，其合適的選擇取決于應(yīng)用。

可以改變相對(duì)相角θ和/或轉(zhuǎn)換器相角以控制在ipt系統(tǒng)的初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的電力流的量值和方向(例如，取決于與次級(jí)側(cè)耦合的負(fù)載的電力需求)。通常，對(duì)于單位功率因數(shù)操作，相對(duì)相角θ可以固定或以±90°調(diào)節(jié)，同時(shí)通過(guò)改變轉(zhuǎn)換器相角來(lái)控制電力傳遞的量值?；蛘撸梢愿淖兯腥齻€(gè)相角θ、以控制電力流的量值和方向。

然而，根據(jù)本發(fā)明，改變相對(duì)相角θ以控制補(bǔ)償電抗阻抗，以便補(bǔ)償電抗的任何變化且由此保持初級(jí)磁性耦合器lpt和次級(jí)磁性耦合器lst兩者的調(diào)諧。由于獨(dú)立于所施加的補(bǔ)償量來(lái)調(diào)節(jié)次級(jí)輸出功率vout以保持調(diào)諧條件。

為了進(jìn)一步解釋本發(fā)明的理論和操作，下文展示圖1的ipt系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析。

圖1中所示的實(shí)例ipt系統(tǒng)在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)兩者上采用相同的電子裝置，每一者包括被調(diào)諧成vpi的基頻ft的全橋轉(zhuǎn)換器和lcl諧振網(wǎng)絡(luò)，如通過(guò)等式(1)給出。

為了簡(jiǎn)化分析，可以用等效正弦電壓源表示由初級(jí)轉(zhuǎn)換器112產(chǎn)生的電壓vpi，所述等效正弦電壓源具有頻率ft和相量域量值，如通過(guò)等式(2)給出。

類似地，通過(guò)等式(3)在相量域中給出由次級(jí)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電壓。

在穩(wěn)態(tài)下，通過(guò)等式(4)給出由于電流ipt而在次級(jí)磁性耦合器lst中感應(yīng)的電壓vsr。

vsr＝j(luò)ωmipt(4)

類似地，可以通過(guò)等式(5)表示由于lst中的電流ist而反射回lpt或在lpt中感應(yīng)的電壓vpr。

vpr＝j(luò)ωmist(5)

在等式(1)中的調(diào)諧條件下，因此可以如通過(guò)等式(6)至(9)給出導(dǎo)出電流ipi、ipt、isi和ist，。

因此可以用圖3中所示的等效電路模型表示圖1的ipt系統(tǒng)，其中分別用復(fù)阻抗zpr、zsr表示感應(yīng)電壓源vpr、vsr。使用等式(2)至(9)，可以如等式(10)和(11)給出導(dǎo)出復(fù)阻抗zpr和zsr。

如從等式(10)和(11)中顯而易見(jiàn)，zpr和zsr兩者包括電阻分量(分別rpr、rsr)和電抗分量(分別xpr、xsr)。zpr和zsr中的電阻分量表示在系統(tǒng)的初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間傳遞的真實(shí)電力?？梢酝ㄟ^(guò)和θ控制rpr和rsr的量值以調(diào)節(jié)如先前所論述的電力流的量和方向。電抗分量xpr和xsr未有助于真實(shí)電力流。在現(xiàn)有技術(shù)的ipt系統(tǒng)中，通過(guò)用±90°的固定相對(duì)相位差θ操作ipt系統(tǒng)來(lái)清除電抗分量。

根據(jù)本發(fā)明，電抗分量xpr、xsr實(shí)際上用于補(bǔ)償初級(jí)和/或次級(jí)諧振電路的諧振頻率變化。例如，可以通過(guò)初級(jí)磁性耦合器lpt與次級(jí)磁性耦合器lst之間的位移或?qū)?zhǔn)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)變化引起初級(jí)磁性耦合器lpt與次級(jí)磁性耦合器lst的電感變化。

控制ipt系統(tǒng)的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)中的每一者中的轉(zhuǎn)換器相位或占空比以調(diào)節(jié)阻抗zpr、zsr的電阻分量rpr、rsr的量值且因此調(diào)節(jié)電力傳遞，然而控制相對(duì)相位差θ來(lái)調(diào)節(jié)電抗分量xpr、xsr的量值，以抵消電抗阻抗的變化。電抗阻抗的此類變化可以影響諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率且由此阻止有效電力傳遞。電抗阻抗的變化可以歸因于各種不同因素，包含但不限于：可能由于磁性耦合器的未對(duì)準(zhǔn)引起的初級(jí)和/或次級(jí)磁性耦合器lpt、lst的電感變化；在一個(gè)或磁性耦合器附近外來(lái)(磁導(dǎo)性)物體的存在；組件公差的變化，例如，電容器隨時(shí)間的降級(jí)。

因此，可以通過(guò)相角和θ獨(dú)立地控制電力傳遞的量值和方向以及補(bǔ)償量。例如，如果初級(jí)磁性耦合器lpt和次級(jí)磁性耦合器lst的電感減小超過(guò)其調(diào)諧值(即，選擇用于將諧振電路調(diào)諧到工作頻率ft的值)，則控制θ以引入與初級(jí)磁性耦合器lpt和次級(jí)磁性耦合器lst串聯(lián)的額外電感電抗以抵消磁性耦合器的電感減小。同時(shí)，可以改變轉(zhuǎn)換器相角以將電力傳遞的量值和方向控制在所希望水平?；蛘?，還可以按需要改變和θ的組合以滿足所需功率吞吐量以及補(bǔ)償任何墊片未對(duì)準(zhǔn)。

可以通過(guò)在ipt系統(tǒng)的初級(jí)或次級(jí)/拾取側(cè)中的任一者或兩者上的控制器實(shí)現(xiàn)所提出的補(bǔ)償，所述控制器檢測(cè)調(diào)諧變化并且控制和θ中的一個(gè)或多個(gè)以便緩解這些變化。

在圖4中借助于實(shí)例示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的合適的次級(jí)控制器。在此實(shí)例中，使用次級(jí)電壓vsi和電流isi的測(cè)量值評(píng)估次級(jí)磁性耦合器lst的電感變化。所述評(píng)估可以包括通過(guò)例如將電壓vsi和電流isi(如圖所示)相乘計(jì)算功率p。所述評(píng)估隨后與0.5比較以產(chǎn)生誤差信號(hào)。值0.5是在θ設(shè)定成實(shí)現(xiàn)用于所示實(shí)例控制器的最小va的情況下預(yù)期的值。然而，如果例如目標(biāo)是最大化電力傳遞，則可以使用替代值。誤差信號(hào)形成控制算法(在這種情況下，比例-積分控制器pi)的輸入?？刂破鱬i的輸出驅(qū)動(dòng)壓控振蕩器vco以獲得補(bǔ)償系統(tǒng)變化所需的相角θ。使用此移相以及參考功率水平pref來(lái)產(chǎn)生控制轉(zhuǎn)換器122的操作的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在次級(jí)電流與初級(jí)相有關(guān)時(shí)，在次級(jí)電壓與電流相乘時(shí)考慮初級(jí)ipt設(shè)備的相位。

控制器111、121可以僅在硬件、軟件或其組合中實(shí)施?？刂破饕虼丝梢园ㄎ⒖刂破?，所述微控制器與電壓和電流傳感器通信地耦合并且被編程為執(zhí)行如本文中借助于實(shí)例描述的本發(fā)明的方法。數(shù)字電子裝置和/或嵌入系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)人員已知本發(fā)明所需的電子電路設(shè)計(jì)和編程技術(shù)。

在圖5至7中示出根據(jù)圖1至4的實(shí)例實(shí)施例的來(lái)自模擬ipt系統(tǒng)的波形。模擬系統(tǒng)包括調(diào)諧至40khz的lcl諧振電路。圖5示出通過(guò)初級(jí)轉(zhuǎn)換器發(fā)現(xiàn)的補(bǔ)償?shù)?0和未補(bǔ)償?shù)?1(a)輸入阻抗和(b)相角θ兩者對(duì)用于已引入初級(jí)磁性耦合器lpt和次級(jí)磁性耦合器lst兩者的20％電感變化的情形的頻率f的曲線。實(shí)際上，磁性耦合器的電感的此變化可以歸因于其間的位移或?qū)?zhǔn)的變化。

理想地，通過(guò)初級(jí)轉(zhuǎn)換器發(fā)現(xiàn)的阻抗應(yīng)僅僅是工作頻率下的電阻負(fù)載以在單位功率因數(shù)下操作系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)線說(shuō)明的結(jié)果指示不含任何補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)行為，而虛線中的結(jié)果表示當(dāng)通過(guò)改變相對(duì)相角θ補(bǔ)償磁性耦合器電感l(wèi)pt、lst的變化時(shí)的系統(tǒng)行為。

在不具有補(bǔ)償?shù)那闆r下，磁性耦合器電感l(wèi)pt、lst的變化導(dǎo)致阻抗曲線向左移位，從而迫使諧振頻率達(dá)到約38khz。在初級(jí)和次級(jí)轉(zhuǎn)換器繼續(xù)在40khz的所設(shè)計(jì)頻率下操作時(shí)系統(tǒng)變得失諧，而由于磁性耦合器電感l(wèi)pt、lst的變化，lcl網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率已經(jīng)移位到38khz。

根據(jù)本發(fā)明的方法、設(shè)備和系統(tǒng)，如通過(guò)圖5中的虛線阻抗曲線所示，將相對(duì)相角θ從90°變化到80°可將初級(jí)lcl諧振電路113和次級(jí)lcl諧振電路123的諧振頻率恢復(fù)到40khz的原始值或朝向40khz的原始值恢復(fù)初級(jí)lcl諧振電路113和次級(jí)lcl諧振電路123的諧振頻率，并且與其它情況相比，允許系統(tǒng)在單位功率因數(shù)下或至少更接近單位功率因數(shù)操作。

分別在圖6(a)和圖6(b)中描繪從根據(jù)本發(fā)明的具有和不具有補(bǔ)償?shù)哪Mipt系統(tǒng)獲得的電壓和電流波形vpi、ipi。如從圖6(a)中顯而易見(jiàn)，電流ipi滯后于電壓vpi，指示系統(tǒng)在不含本發(fā)明的補(bǔ)償?shù)氖еC條件下操作。此外，可以觀察到由初級(jí)轉(zhuǎn)換器112供應(yīng)的瞬時(shí)功率具有指示低于單位功率因數(shù)的操作的負(fù)部分。然而，參考圖6(b)的補(bǔ)償波形，可以觀察到電壓vpi和電流ipi同相且系統(tǒng)在單位功率因數(shù)下操作。

圖7中示出在具有和不具有本發(fā)明的所提出補(bǔ)償?shù)那闆r下模擬系統(tǒng)的效率對(duì)磁性耦合器電感?？梢杂^察到，補(bǔ)償技術(shù)在廣范圍的初級(jí)和次級(jí)磁性耦合器電感l(wèi)pt、lst內(nèi)顯著改進(jìn)ipt系統(tǒng)的效率。

本發(fā)明的以上實(shí)例實(shí)施例包括在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)兩者上具有全橋有源可逆整流器/反相器和lcl諧振電路的雙向ipt系統(tǒng)，然而，本發(fā)明不限于此配置。在其它實(shí)施例中，ipt系統(tǒng)可以包括單向(即，被配置成在從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的單個(gè)方向上傳遞電力)系統(tǒng)、替代的有源或無(wú)源轉(zhuǎn)換器(例如，半橋式或推挽式轉(zhuǎn)換器)或無(wú)源(二極管橋)整流器，和/或替代的諧振電路拓?fù)洹?/p>

在根據(jù)本發(fā)明的ipt系統(tǒng)的一些實(shí)施例中，具體來(lái)說(shuō)單向?qū)嵤├校渭?jí)轉(zhuǎn)換器可以包括無(wú)源二極管橋式整流器并且出于成本或復(fù)雜性原因省略次級(jí)控制器。無(wú)源整流器限制補(bǔ)償電抗阻抗的量值的可控性，但是補(bǔ)償阻抗在一定程序上仍可以在損害次級(jí)側(cè)的輸出處的負(fù)載調(diào)節(jié)的情況下由初級(jí)控制器和次級(jí)轉(zhuǎn)換器控制器。

在又一實(shí)施例中，諧振電路可以包括例如串聯(lián)調(diào)諧的lc諧振網(wǎng)絡(luò)或推挽式并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器(pprc)。分別在圖8和9中示出這些實(shí)施例中的每一個(gè)的模擬波形。圖8(a)和8(b)分別示出用于串聯(lián)調(diào)諧的lc諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)施例的未補(bǔ)償?shù)暮脱a(bǔ)償?shù)碾妷簐pi、電流ipi以及瞬時(shí)功率波形。圖9(a)和9(b)類似地示出用于基于pprc的實(shí)施例的相應(yīng)未補(bǔ)償?shù)暮脱a(bǔ)償?shù)碾妷簐pi和電流ipi波形。在兩種情況下，可以觀察到，本發(fā)明的補(bǔ)償將電壓vpi和電流ipi波形恢復(fù)到基本上彼此同相，從而產(chǎn)生改進(jìn)的功率因數(shù)且促進(jìn)零電壓切換(zvs)。

在其它實(shí)施例中，可以不需要輸出電壓或電流的調(diào)節(jié)，并且控制器由此不一定被配置成改變電力轉(zhuǎn)換器的占空比。

在又一實(shí)施例中，可以改變初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的相對(duì)相角以至少部分控制真實(shí)電力傳遞的量值。這可以涉及控制電力傳遞的量值與補(bǔ)償初級(jí)和/或次級(jí)諧振電路的諧振頻率變化之間的折衷。合適平衡將取決于應(yīng)用。

以上變化僅描述為非限制性實(shí)例?？梢栽诓幻撾x本發(fā)明的精神或范圍的情況下進(jìn)行進(jìn)一步修改或變化。

盡管已經(jīng)借助于實(shí)例并且參考其可能實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以進(jìn)行實(shí)例的修改或改良。本發(fā)明還可以被廣義地認(rèn)為在于個(gè)別地或共同地在本申請(qǐng)案的說(shuō)明書中參考或指示的部件、元件以及特征，在于所述部件、元件或特征中的兩個(gè)或更多個(gè)的任何或所有組合。此外，當(dāng)已經(jīng)參考具有已知等效物的本發(fā)明的特定組件或整體時(shí)，那么此類等效物如同個(gè)別地闡述一樣并入本文中。

從前文中將發(fā)現(xiàn)，提供一種有效地補(bǔ)償由初級(jí)和次級(jí)磁性耦合器的位移或?qū)?zhǔn)變化產(chǎn)生的電感變化的無(wú)線電力傳遞設(shè)備、系統(tǒng)和方法。補(bǔ)償引起無(wú)線電力傳遞的功率因數(shù)和效率的改進(jìn)。在不改變開關(guān)頻率或添加可切換電抗元件的情況下以及在至少一些實(shí)施例中，在損害負(fù)載/輸出調(diào)節(jié)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)此優(yōu)點(diǎn)。

除非上下文另有明確要求，否則在整個(gè)描述中，“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等詞應(yīng)以與獨(dú)有或詳盡的意義相反的包含性的意義來(lái)進(jìn)行解釋，即作為“包含但不限于”來(lái)進(jìn)行解釋。

在整個(gè)說(shuō)明書中的現(xiàn)有技術(shù)的任何論述不應(yīng)被視作承認(rèn)此類現(xiàn)有技術(shù)是廣泛已知的或構(gòu)成所述領(lǐng)域中的公共常識(shí)的一部分。