Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ МОЩНОСТИ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к индуктивным системам беспроводной передачи мощности (WPT) и более конкретно к способам управления в системе беспроводной передачи энергии.

Уровень техники

Известно, что системы беспроводной передачи энергии используют индуктивную беспроводную передачу (WPT) мощности для передачи электрической энергии беспроводным образом. Индуктивная система WPT обычно включает в себя индуктивный источник питания, который использует первичную катушку для передачи энергии беспроводным способом в виде изменяющегося электромагнитного поля (передающая часть) и удаленное устройство, которое использует вторичную катушку для преобразования энергии электромагнитного поля в электрическую энергию (приемная часть). В таких системах для подстраивания рабочих параметров системы WPT во времени преимущественным является адаптивное управление WPT с целью повышения эффективности передачи мощности, и/или управления величиной передаваемой мощности, и/или избегания работы в некоторых режимах, которые могут быть неблагоприятными для системы передачи мощности, и/или других окружающих устройств, с учетом электромагнитной природы способа беспроводной передачи мощности.

Индуктивная система WPT состоит из двух частей: передающей (Tx) части и приемной (Rx) части. Tx-часть всегда включает в себя по меньшей мере одну Tx-индуктивность и схему для возбуждения тока в Tx-индуктивности. Rx-часть всегда включает в себя по меньшей мере одну Rx-индуктивность и выпрямительную схему. Tx-часть соединена с источником постоянного или переменного напряжения. Обычно необходимо реализовать возможности управления в системе беспроводной передачи мощности, чтобы регулировать передаваемую мощность в течение изменения входного напряжения, связи между Tx и Rx-частями, тока при нарастании нагрузки или других рабочих условий.

Для достижения возможности управления в системе WPT могут использоваться различные подходы. Эти подходы включают в себя использование управляемых преобразователей постоянного тока в постоянный ток внутри Tx- и Rx-частей, реализацию возможностей регулирования в схеме для возбуждения тока в Tx-индуктивности, применение методик адаптивного согласования.

Один широко известный подход регулирования тока в Tx-индуктивности состоит в присоединении Tx-индуктивности к инвертирующей схеме как составной части резонансного контура и изменении частоты переключения. Резонансный контур может представлять собой последовательный, либо параллельный резонансный колебательный контур, либо более сложное сочетание индуктивностей и конденсаторов. В данном подходе зависимость частоты от характеристик резонансного контура используется для регулирования тока в Tx-индуктивности. Данный подход используется в нескольких конструкциях передатчиков мощности в стандарте Консорциума по беспроводному питанию (Wireless Power Consortium), “System Description. Wireless Power Transfer. Volume I: Low Power. Part 1: Interface Definition. Version 1.1.2. June 2013” (далее [1]), а также описан в заявке на патент США US 20130082536 A1 (Taylor J.B., Moor C.J., Baarman D.W., Mollema S.A., Moes B.C., Kuyvenhoven N.W., Nibbelink M.J. System and method for improved control in wireless power supply systems, опубликована 04.04.2013) (далее [2]). Недостаток данного подхода состоит в изменяющейся частоте переключения. Обычно в системах WPT индуктивность Rx-индуктивности компенсируется посредством соответствующего конденсатора или схемы согласования для того, чтобы устранить фазовый сдвиг между индуцированным напряжением и током в Rx-индуктивности. Устранение данного фазового сдвига необходимо для максимизации эффективности передачи мощности. Индуктивность Rx-индуктивности может быть компенсирована посредством одного конденсатора или схемы согласования только на некоторой частоте. Если рабочая частота изменяется, то коэффициент полезного действия передачи мощности также будет изменяться. Поэтому предпочтительно использовать постоянную частоту переключения в инвертирующей схеме в системах WPT.

Другой широко известный подход регулирования тока в Tx-индуктивности заключается в изменении входного постоянного напряжения с использованием управляемого преобразователя постоянного тока в постоянный ток. Данный подход также используется в нескольких конструкциях передатчиков мощности в стандарте [1] и описан в заявке на патент [2]. Недостаток данного подхода состоит в необходимости отдельного преобразователя постоянного тока в постоянный ток с управляемым выходным напряжением перед схемой, возбуждающей ток в Tx-индуктивности. Данный преобразователь постоянного тока в постоянный ток снижает полную эффективность системы и повышает стоимость системы.

Еще один широко известный подход регулирования тока в Tx-индуктивности заключается в регулировании фазового сдвига в мостовой инвертирующей схеме. В данном подходе между включениями диагональных переключателей в мосте вводится управляемая задержка. Это в результате приводит к подаче нулевого напряжения в схему, соединенную с инвертором, в течение управляемой части периода переключения. Данный подход используется в конструкции B3 передатчика мощности в стандарте [1] и описан в заявке на патент [2]. Преимущество данного подхода состоит в функционировании на постоянной частоте переключения. Недостаток подхода состоит в том, что он применим только к мостовым инвертирующим схемам, тогда как мостовые инвертирующие схемы более дороги и более сложны по сравнению с полумостовыми инвертирующими схемами. Еще один недостаток данного подхода состоит в относительно высоких потерях на проводимость из-за тока свободного хода в течение задержки между интервалами проводимости.

Асимметричное управление коэффициентом заполнения было предложено в Imbertson P., Mohan N. Asymmetrical duty cycle permits zero switching loss in PWM circuits with no conduction loss penalty. IEEE Transactions on Industry Applications, 29(1). 1993 (далее [3]) для импульсных преобразователей мощности. Однако, по-видимому, данный подход по-прежнему не применяется для регулирования тока в Tx-индуктивности в системах WPT.

Принимая во внимание по меньшей мере некоторые из вышеупомянутых недостатков уровня техники, заявляемое изобретение направлено на способ управления в системе беспроводной передачи мощности (WPT), который подходит для систем WPT с двумя различными типами инвертирующих схем, а именно полумостовой и мостовой инвертирующими схемами. Варианты осуществления настоящего изобретения также направлены на системы WPT, в которых реализуется изобретенный способ.

Настоящее изобретение нацелено на реализацию возможностей регулирования в схеме, возбуждающей ток в Tx-индуктивности. Способ согласно изобретению по существу регулирует амплитуду тока в Tx-индуктивности и применим к полумостовой или мостовой инвертирующим схемам, возбуждающим ток в Tx-индуктивности.

Преимущества изобретенного способа управления в системах WPT по сравнению с предшествующим уровнем техники состоят в обеспечении системы WPT всеми следующими характеристиками. Прежде всего, как упомянуто выше, заявляемый способ может быть реализован в системе как с полумостовой, так и с мостовой инвертирующими схемами. Затем согласно способу по изобретению система функционирует с постоянной частотой переключения. Поэтому нет никакого влияния изменений частоты на коэффициент полезного действия системы WPT. Кроме того, системе WPT, в которой выполняется способ согласно изобретению, не требуется отдельный источник питания с управляемым выходным напряжением.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на регулирование амплитуды тока в Tx-индуктивности в системе беспроводной передачи мощности (WPT) с использованием асимметричного управления коэффициентами заполнения в инвертирующей схеме.

Передающая часть системы WPT, реализованной в соответствии с изобретением, включает в себя полумостовую или мостовую инвертирующую схему с постоянной частотой переключения и Tx-индуктивность, присоединенную к инвертирующей схеме одиночно или как составная часть резонансного контура, состоящего из индуктивностей и конденсаторов.

Примеры схем, в которых может быть реализовано изобретение, изображены на Фиг. 1-4.

Способ управления в системе WPT, реализованной в соответствии с изобретением, в частности подразумевает, что:

- переключатели в полумостовой схеме или диагональных парах переключателей мостовой схемы включаются попеременно;

- рабочие циклы переключателей в полумостовой схеме или рабочие циклы диагональных пар переключателей в мостовой схеме являются управляемыми и могут не быть одинаковыми;

- управление амплитудой тока в Tx-индуктивности осуществляется посредством разности между вышеупомянутыми рабочими циклами.

В одном аспекте заявляемое изобретение относится к системе для беспроводной передачи мощности, причем система содержит: передающую индуктивность; приемную индуктивность, пространственно разделенную с передающей индуктивностью; полумостовую инвертирующую схему с постоянной частотой переключения для возбуждения тока в передающей индуктивности; при этом упомянутая полумостовая инвертирующая схема содержит по меньшей мере два переключателя, причем переключатели выполнены с возможностью попеременного включения, при этом система выполнена с возможностью управления амплитудой тока в упомянутой передающей индуктивности посредством изменения разности между временами в состоянии включения упомянутых переключателей.

В другом аспекте заявляемое изобретение относится к системе для беспроводной передачи мощности, содержащей: передающую индуктивность; приемную индуктивность, пространственно разделенную с передающей индуктивностью; мостовую инвертирующую схему с постоянной частотой переключения для возбуждения тока в упомянутой передающей индуктивности; причем упомянутая мостовая инвертирующая схема содержит по меньшей мере две пары переключателей, при этом диагональные пары переключателей упомянутой мостовой инвертирующей схемы выполнены с возможностью попеременного включения, при этом система выполнена с возможностью управления амплитудой тока в упомянутой передающей индуктивности посредством изменения разности между временами в состоянии включения упомянутых диагональных пар переключателей.

В другом аспекте заявляемое изобретение относится к способу управления в индуктивной системе для беспроводной передачи мощности, при этом упомянутая система содержит полумостовую инвертирующую схему с постоянной частотой переключения и индуктивность, присоединенную к инвертирующей схеме одиночно или как составная часть резонансного контура, состоящего из индуктивностей и конденсаторов, при этом способ содержит этапы, на которых: попеременно включают переключатели в упомянутой инвертирующей схеме; изменяют разность между коэффициентами заполнения упомянутых переключателей для регулирования амплитуды тока в передающей мощность индуктивности.

В еще одном аспекте заявляемое изобретение направлено на способ управления в индуктивной системе для беспроводной передачи мощности, при этом упомянутая система содержит мостовую инвертирующую схему с постоянной частотой переключения и индуктивность, присоединенную к инвертирующей схеме одиночно или как составная часть резонансного контура, состоящего из индуктивностей и конденсаторов, при этом упомянутый способ содержит этапы, на которых: попеременно включают диагональные пары переключателей упомянутой инвертирующей схемы; изменяют разность между рабочими циклами упомянутых диагональных пар переключателей для регулирования амплитуды тока в передающей мощность индуктивности.

В вариантах осуществления заявляемого изобретения система дополнительно содержит по меньшей мере один драйвер затвора для управления переключателями. Переключатели могут быть реализованы, в частности, в виде переключателей типа полевого транзистора со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET). Контроллер может быть соединен с драйвером затвора для приведения в действие драйвера затвора для управления переключателями. Контроллер может принимать любую подходящую форму, в частности он может быть логическим контроллером, процессором, микроконтроллером и т.п.

Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что заявляемое изобретение может принимать форму других конкретных вариантов осуществления без отступления от общей сущности и объема заявляемого изобретения, варианты осуществления которого могут быть предусмотрены специалистами в уровне техники после прочтения и понимания подробного описания заявляемого изобретения, приведенного ниже.

Краткое описание чертежей

Теперь заявляемое изобретение будет описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, составленные без соблюдения формальных требований. Следует отметить, что ни чертежи, ни подробное описание не предназначены для ограничения или определения или идентификации объема заявляемого изобретения, который определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения. На чертежах одни и те же ссылочные позиции используются для обозначения одних и тех же или подобных элементов.

Варианты реализации и варианты осуществления заявляемого изобретения изображены посредством сопроводительных чертежей, на которых:

На Фиг. 1-4 схематично изображены варианты осуществления схемы, в которой может быть реализовано изобретение.

На Фиг. 5 схематично изображена примерная схема, в которой был реализован изобретенный способ.

Фиг. 6 является таблицей, изображающей различные значения системы в двух случаях с различными входными напряжениями и изображающей управление системой WPT посредством разности коэффициентов заполнения переключателей.

Осуществление изобретения

Вышеупомянутые признаки, этапы, элементы и/или преимущества заявляемого изобретения и принцип их достижения станут более очевидными и ясными из последующего описания вариантов осуществления заявляемого изобретения совместно с сопроводительными чертежами. Описание вариантов осуществления и сопроводительных чертежей предназначено только для изображения примерных вариантов осуществления заявляемого изобретения и не должно рассматриваться в качестве накладывающего ограничения на его объем.

Система беспроводной передачи мощности (WPT), в которой может быть реализован изобретенный способ управления, в различных вариантах осуществления заявляемого изобретения может принимать форму системы с полумостовой инвертирующей схемой или мостовой инвертирующей схемой с постоянной частотой переключения. На Фиг. 1-4 система состоит в целом из источника 1 напряжения, переключателей (обозначаемых индивидуально в качестве S₁, S₂, S₃, S₄ при применении), передающей (Tx) индуктивности 3, конденсатора 4, приемной (Rx) индуктивности 5, нагрузки 7. Приемная (Rx) часть системы, рассматриваемая в целом, для простоты обозначена ссылочной позицией 6. Следует отметить, что приемная часть для простоты изображена обобщенным образом, поскольку изобретательский замысел сосредоточен по существу в передающей (Tx) части системы, в которой реализуются главные признаки заявляемого изобретения. Каждая из Фиг. 1-4 сопровождается временной диаграммой, на которой схематично изображается принцип действия асимметричного управления коэффициентами заполнения в каждом из вариантов осуществления, изображенных на Фиг. 1-4.

В способе управления системой WPT согласно заявляемому изобретению переключатели в полумостовой схеме или диагональные пары переключателей в мостовой схеме включаются попеременно, то есть внутри одного периода времени (который, в качестве примера, может обозначаться в качестве «1»), оба из переключателей (либо диагональных пар переключателей) функционируют по существу поочередно, то есть когда один переключатель или пара переключателей находятся в состоянии «включен», другой находится в состоянии «выключен» и наоборот, внутри упомянутого периода времени. Отношение времени в состоянии «включен» соответствующего переключателя или пары переключателей к периоду переключения может быть охарактеризовано по существу как «коэффициент заполнения», причем упомянутый коэффициент заполнения может быть задан в качестве доли (или процента) от всего периода времени, в течение которой сигнал является активным (то есть переключатель по существу находится в состоянии «включен»), D=T/P×100%, где D является коэффициентом заполнения, T является периодом времени, в течение которого упомянутый переключатель находится в состоянии «включен», и P является полным периодом времени. Следует отметить, что рабочие циклы переключателей в полумостовой схеме или рабочие циклы диагональных пар переключателей в мостовой схеме являются управляемыми и могут быть не одинаковыми. В частности, согласно заявляемому изобретению, когда один переключатель инвертора функционирует при рабочем цикле D, другой переключатель функционирует при рабочем цикле 1-D, если пренебречь временем простоя. Амплитуда тока в Tx-индуктивности зависит от рабочего цикла D. Если D=0, то амплитуда тока в Tx-индуктивности является нулевой, и мощность не может быть передана в нагрузку. Если D=50%, то амплитуда тока в Tx-индуктивности максимальна, и в нагрузку может быть передана максимальная мощность. Таким образом, управление амплитудой тока в Tx-индуктивности осуществляется по существу посредством разности между вышеупомянутыми коэффициентами заполнения.

Как показано на Фиг. 1, согласно одному варианту осуществления схема системы беспроводной передачи (WPT) мощности содержит пару переключателей S₁ и S₂, которые выполнены с возможностью попеременного функционирования, то есть эти переключатели имеют рабочие циклы D и 1-D, соответственно. На данном чертеже переключатель S₁ является питающим переключателем, а переключатель S₂ является заземляющим переключателем. Эти рабочие циклы изображены на временной диаграмме 8, которая сопровождает графическое представление схемы.

На Фиг. 2 изображен другой пример схемы, которая отличается от схемы на Фиг. 1 в размещении конденсатора 4 и переключателей S₁ и S₂, соответственно, в том, что переключатель S₁ является заземляющим переключателем, а переключатель S₂ является питающим переключателем. Снова, в данном варианте осуществления переключатели функционируют попеременно, то есть имеют рабочие циклы D и 1-D, соответственно, как изображено на временной диаграмме 8.

На Фиг. 3 изображен другой вариант осуществления схемы, в которой присутствуют два конденсатора 4 вместо одного конденсатора 4 в вариантах осуществления на Фиг. 1 и 2. Функционирование переключателей S₁ и S₂ может быть охарактеризовано по существу таким же, что и в предыдущих вариантах осуществления, то есть с рабочими циклами D и 1-D, соответственно.

На Фиг. 4 изображен вариант осуществления системы беспроводной передачи мощности (WPT) согласно изобретению, которая содержит мостовую инверторную схему по сравнению с полумостовыми схемами, используемыми в вариантах осуществления, изображенных на Фиг. 1-3. В данном варианте осуществления присутствуют четыре переключателя S₁, S₂, S₃, S₄. Эти четыре переключателя составляют две диагональных пары переключателей, которые выполнены с возможностью попеременного включения.

Во всех вариантах осуществления система выполнена с возможностью управления величиной энергии, запасенной в упомянутой передающей индуктивности, посредством разности между временами в состоянии включения упомянутых переключателей или упомянутых диагональных пар переключателей, в зависимости от того, реализуется ли в системе полумостовая инверторная схема или мостовая инверторная схема. При рассмотрении в целом, система содержит инвертирующую схему с постоянной частотой переключения и индуктивность, соединенную с инвертирующей схемой отдельно или внутри резонансного контура, состоящего из индуктивностей и конденсаторов. В последнем случае амплитуда постоянного тока может быть преимущественно увеличена в индуктивности, а протекание постоянного тока через индуктивность может быть заблокировано.

Во всех вариантах осуществления заявляемой системы и соответствующего способа управления существенным является использование переключателей для регулирования амплитуды тока в передающей индуктивности, таким образом управление системой беспроводной передачи мощности осуществляется оптимально посредством переключения упомянутых переключателей или диагональных пар переключателей по попеременному принципу, посредством изменения разности между временами в состоянии включения упомянутых переключателей или диагональных пар переключателей, то есть изменения коэффициентов заполнения упомянутых переключателей. Амплитуда тока в Tx-индуктивности зависит от рабочего цикла D. Если D=0, то амплитуда тока в Tx-индуктивности является нулевой и в нагрузку не может быть передана мощность. Если D=50%, то амплитуда тока в Tx-индуктивности является максимальной и в нагрузку может быть передана максимальная мощность. Таким образом, управление амплитудой тока в Tx-индуктивности осуществляется по существу посредством разности между вышеупомянутыми рабочими циклами.

Для этого переключатели могут быть предпочтительно реализованы в виде переключателей типа полевого транзистора со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET), в частности в виде мощных МОП-транзисторов, которые характеризуются, в частности, низким сопротивлением в открытом состоянии и способностью пропускания большого тока. Различные типы переключателей на полевых транзисторах (FET) или другие виды переключателей (например, нитрид-галлиевые FET, другие типы FET, биполярные транзисторы (IGBT) с изолированным затвором или биполярные плоскостные транзисторы (BJT) могут также подходить для некоторых вариантов осуществления заявляемой системы, а также и способа.

Управление переключателями во всех вариантах осуществления заявляемого изобретения осуществляется посредством драйвера затвора, например объединенного драйвера затвора для верхнего и нижнего плеч с независимыми выходами для верхнего и нижнего плеч.

Драйвер затвора может содержать логический вход, который предпочтительно является совместимым со стандартными выходами CMOS (комплементарного металлооксидного полупроводника) или LSTTL (маломощной транзисторно-транзисторной логической схемы с диодами Шотки), таким образом возбудитель затвора может быть соединен с контроллером, таким как контроллер с программируемой логикой (PLC) или микроконтроллер и т.п.

Во всех вариантах осуществления система может быть преимущественно выполнена с возможностью функционирования в режиме переключения при нулевом напряжении (ZVS). Режим ZVS может характеризоваться нулевым напряжением между стоком и истоком переключателя в момент включения переключателя. В случае функционирования в режиме ZVS могут быть значительно уменьшены потери на переключениях в системе.

Возможность осуществления изобретения и достижения вышеописанных преимуществ была проверена на примерной схеме, изображенной на Фиг.5, в которой был реализован заявляемый способ. Примерная схема была реализована в качестве полумостовой инверторной схемы, подобной варианту осуществления, изображенному на Фиг.1. Переключатели S₁ и S₂ были МОП-транзисторами FQPF10N60C, управляемыми драйвером затвора IR2101. FQPF10N60C является N-канальным мощным полевым транзистором, работающим в режиме насыщения который преимущественно имеет низкое сопротивление в открытом состоянии, что снижает рассеивание энергии внутри МОП-транзистора, и способность пропускания большого тока. Логические сигналы на входах возбудителя затвора брались от генератора сигналов. Частота переключения обоих переключателей была постоянной, 140 кГц. Система была проверена при двух различных входных переменных напряжениях: 154 В и 252 В. Когда входное переменное напряжение составляло 154 В, рабочие циклы обоих переключателей S₁ и S₂ составляли 42%. Когда входное переменное напряжение составляло 252 В, рабочий цикл переключателя S₁ составлял 17%, а рабочий цикл переключателя S₂ составлял 67%.

Выходное постоянное напряжение в Rx-части составляло 66,5 В в обоих случаях. Переданная мощность составляла 73 Вт в первом случае и 75 Вт во втором случае. Измеренная эффективность передачи мощности в обоих случаях составляла более 90%. Измеренные параметры, соответствующие обоим входным напряжениям, сведены в таблице на Фиг. 6.

Вышеприведенное описание вариантов осуществления было приведено для иллюстрации примерных вариантов осуществления заявляемого изобретения и принципов их реализации, а не с целью ограничения или определения объема заявляемого изобретения каким-либо образом. После прочтения и понимания вышеупомянутого описания совместно с сопровождающими чертежами специалисту в данной области техники могут стать очевидными другие модификации, изменения и/или эквивалентные замещения. Предусматривается, что все такие модификации, изменения и/или эквивалентные замещения в изобретении, раскрываемом в данном документе, входят в объем настоящего изобретения, который определяется только пунктами прилагаемой формулы изобретения и их эквивалентами.

Промышленная применимость

Предложенный способ следует использовать для создания систем WPT с переменной нагрузкой и/или изменяющимся входным напряжением и/или изменяющейся связью между Tx- и Rx-частями.

Перечень ссылочных позиций

1 - источник напряжения,

3 - Tx-индуктивность,

4 - конденсатор,

5 - Rx-индуктивность,

6 - Rx-часть системы (исключая Rx-индуктивность),

7 - нагрузка,

8 - временная диаграмма, изображающая управление асимметричным рабочим циклом,

S₁, S₂, S₃, S₄ - переключатели.