用于标识无线充电系统中的线圈未对准/互耦的快速方法技术方案

提供了用于确定无线功率充电系统的发射器线圈和接收器线圈（具有或不具有中间中继谐振器线圈）之间的未对准和互耦的方法和装置。可以在不使用来自接收器电路的任何直接测量的情况下进行确定。技术涉及以相等或不同的输入电压/电流在若干个频率处激励无线功率充电系统的发射器线圈，使得等效电路方程的数量至少等于方程中的未知项的数量。该方法仅使用发射器线圈的输入电压和输入电流的知识。这意味着发射器和接收器线圈之间的互感或磁耦合系数可以基于从发射器电路所获得的信息来确定，并且不存在针对来自接收器电路的任何无线通信或者接收器电路的直接测量的需要。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于标识无线充电系统中的线圈未对准/互耦的快速方法
本专利技术大体上涉及用于在不使用来自接收器线圈的直接测量的情况下标识无线充电系统中的发射器和接收器线圈的线圈未对准（misalignment）和互耦的快速方法。
技术介绍
虽然无线功率（power）在一个世纪前由尼古拉·特斯拉（NicolaTesla）率先开发，但其仅在过去的二十年中才得到商业应用的大量关注。针对其的一个原因是出现的功率电子技术的可用性，其提供了利用高频开关以高速处理电功率的技术手段，因而充当用于无线功率传输的使能（enabling）技术。通常，无线功率传输系统至少包括发射器模块（包括发射器电路和发射器线圈）和至少一个接收器模块（包括接收器线圈和接收器电路）。特斯拉在他的研究中指出，使用具有谐振的磁耦合可以实现最优的效率。这种由特斯拉发源的磁谐振概念已经被JohnBoys教授用于他的用于移动机器人的感应式功率传输研究中（自1990年代起）以及被RonHui教授用于他的用于便携式电子产品的平面无线充电平台中（自2000年代起）。由无线充电联盟启动的世界上第一个无线功率标准“Qi”已经将近场磁耦合和谐振电路并入到用于一些产品的无线充电的基本技术中。在最近的研究中，一个主要的话题涉及发射器线圈和接收器线圈之间的未对准。这个问题特别与电动车辆的无线充电相关，尽管必须强调的是，这个问题与许多其他的无线充电应用相关。对于诸如移动电话之类的便携式电子设备，Qi标准采用了由RonHui教授提出的多层线圈阵列结构，使得目标设备（其中嵌入有其接收线圈）可以放置在充电表面上的任何地方。这种特征被称为“自由定位”。但对于电动车辆，发射器线圈通常放在地面之下，而接收器线圈位于车辆内部。由于每次将车辆停放在确切的位置中并不容易，所以发射器和接收器线圈之间的未对准已经成为具有挑战性的问题。当这两个线圈中的一个在地面之下时，驾驶员可能很难在视觉上对准它们。一些情况下，对准也受停放位置所限制。一些研究者已经提出了使用无线通信系统来从接收器电路向发射器电路提供反馈信息以便优化对准并因此优化控制。这种解决方案在Onar等人的“OakRidgeNationalLaboratoryWirelessPowerTransferDevelopmentforSustainableCampusInitiative”，2013IEEETransportationElectrificationConferenceandExpo（ITEC）2013年第1至8页和N.Y.Kim等人的“Adaptivefrequencywithpower-leveltrackingsystemforefficientmagneticresonancewirelesspowertransfer”，Electron.Lett.，第42卷，第8号，第452-454页，2012年4月12日中报告。然而，附加的无线通信模块增加了系统的成本和整体复杂性。本专利技术人先前已经率先开发了一种技术，该技术可以在不使用用于将输出信息反馈回到发射器侧上的控制器的任何无线或有线通信电路的情况下监视接收器电路的输出条件。该技术在S.Y.R.Hui、D.Lin、J.Yin和C.K.Lee的“MethodsforParameterIdentification,LoadMonitoringandOutputPowerControlinWirelessPowerTransferSystems”，2013年8月6日提交的美国临时专利申请61/862,627（“'627申请”）；和2014年8月6日提交的PCT专利申请PCT/CN2014/083775（“Hui'775PCT申请”）中公开，所述申请以其整体通过引用并入本文。在Hui'775PCT申请中，提出了用于（1）标识系统参数，（2）监视负载条件和（3）基于发射器电路中的输入电压和输入电流的使用来生成输出控制的方法。Hui'775PCT申请的方法不使用接收器电路的任何直接测量或接收器侧上的负载。该技术涉及两个主要过程。第一过程使用智能或进化算法（诸如遗传算法或粒子群算法或其变体）来确定系统参数。在完成了该第一过程并标识了参数之后，系统模型可以被开发。在第二过程中，具有从第一过程获得的已知系统参数（除负载阻抗之外）的系统矩阵方程可以被重新布置，并用于利用输入电压和输入电流的一个测量来计算负载阻抗。作为结果，可以计算所有的所需信息，诸如接收器电路的负载功率、输出电压和输出功率等。该概念的框图在图1中示出。在该先前的专利申请中，第一过程通常花费相当长的时间（用数十分钟，如果使用快速处理器的话）来确定包括耦合绕组之间的互感项的系统参数。如果可以改进Hui'775PCT申请的方法使得可以显著地缩短计算时间，则将是有利的。
技术实现思路
本专利技术涉及用于计算无线充电中的线圈未对准的方法和装置，其中计算必要的系统参数（即，线圈之间的互感）所花费的时间很大地减少（例如到少于一分钟），并且更特别地涉及用于电动车辆的无线充电中的线圈未对准的快速计算。所提出的方法可以在与图1所示的相同的电路结构中实现；但是可以消除在系统参数标识的第一过程中的智能或进化算法的使用。与使用进化算法（其通常需要数十分钟来确定系统参数）不同，该提出的方法可以在非常短的时间内（用秒，而不是数十分钟）确定互感项。在本专利技术中，提出了标识用于电动车辆无线充电的系统参数的方法。由于（1）线圈未对准和（2）线圈距离的不确定性仅与互耦线圈的互感值相关并且与线圈谐振器中的电容无关，所以本专利技术聚焦于以快速的方式估计这些互感项的方法。假设自感项和谐振电容项从制造商是已知的。仅互感项和负载阻抗项是未知的。对于停车（EV充电应用），由于仅互感将被改变，所以所提出的新方法可以非常快速地（以秒）生成足够数量的方程来解决未知的系统参数。本专利技术执行以下步骤来获得发射器侧处的参数以用于向接收器线圈提供最佳效率：（1）在许多不同频率处激励功率系统以取得用于足够数量的方程的更多测量以便针对未知值进行求解。（2）使用所生成的用于未知系统参数（即互感值）的方程来求解系统矩阵方程。当方程的数量等于或大于未知参数的数量时，可以针对未知参数在数学上求解方程。如果针对电动车辆（EV）需要恒定功率，则无线功率传输（WPT）系统可以使用不同的电压幅度而不是不同的激励频率来生成所需数量的方程。一旦标识了系统参数，则WPT系统可以选择适当的操作频率和输入电压/电流，以使用在Hui'775PCT申请中所公开的相同方法以其最佳效率操作。附图说明可以参考附图通过优选实施例的以下详细描述来更全面地理解本专利技术，其中：图1是不将来自接收器的反馈用于控制目的的具有未知系统参数的无线功率传输系统的框图；图2是现有技术2线圈无线功率传输系统的框图；图3是现有技术3线圈无线功率传输系统的框图；图4是典型的电池充电简档（profile）；图5是根据本专利技术的具有ac/dc和dc/dc转换器的2线圈EV无线充电系统的框图；图6是根据本专利技术的具有ac/dc和dc/dc转换器的3线圈EV无线充电系统的框图；图7是根据本专利技术的n线圈无线功率传输系统的框图；图8是根据本专利技术的不将来自接收器的反馈用于控制目的的具有ac/dc和dc本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于确定互感项的快速方法，所述互感项表示无线功率充电系统中的至少发射器线圈与磁耦合的接收器线圈之间的未对准和距离，所述无线功率充电系统具有接收输入电压和电流并且在所述发射器线圈中生成电磁场的发射器和具有所述接收器线圈的接收器，所述接收器从所述电磁场接收功率并使用其对负载电池进行充电，所述方法包括以下步骤：在不同条件下激励所述无线功率充电系统的所述发射器线圈并测量响应，以便提供足够的等效电路系统方程以至少与系统方程中的未知数的数量相匹配，使得至少包括所述互感项和负载阻抗或负载功率的未知数可在具有所述发射器线圈的输入电压和输入电流的知识而没有来自所述接收器线圈的反馈的情况下计算；求解所述系统方程；和基于所求解的系统方程来优化所述无线功率充电系统。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定互感项的快速方法，所述互感项表示无线功率充电系统中的至少发射器线圈与磁耦合的接收器线圈之间的未对准和距离，所述无线功率充电系统具有接收输入电压和电流并且在所述发射器线圈中生成电磁场的发射器和具有所述接收器线圈的接收器，所述接收器从所述电磁场接收功率并使用其对负载电池进行充电，所述方法包括以下步骤：在不同条件下激励所述无线功率充电系统的所述发射器线圈并测量响应，以便提供足够的等效电路系统方程以至少与系统方程中的未知数的数量相匹配，使得至少包括所述互感项和负载阻抗或负载功率的未知数可在具有所述发射器线圈的输入电压和输入电流的知识而没有来自所述接收器线圈的反馈的情况下计算；求解所述系统方程；和基于所求解的系统方程来优化所述无线功率充电系统。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述不同条件是所述发射器线圈在其处被激励的不同频率。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述不同条件是不同的输入电压/电流。4.根据权利要求2所述的方法，其中所述发射器线圈的激励在所述发射器线圈和所述接收器线圈的经调谐谐振的谐振频率附近的若干个频率处，以在所述谐振频率处或附近操作以引起最优或接近最优的能量效率。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述无线功率充电系统还包括在所述发射器线圈和所述接收器线圈之间的至少一个中继线圈，所述中继线圈从所述发射器线圈接收电磁场并将其发送到所述接收器线圈。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述发射器线圈的激励在所述发射器线圈、所述中继线圈和所述接收器线圈的经调谐谐振的谐振频率附近的若干个频率处，以在所述谐振频率处或附近操作以引起最优或接近最优的能量效率。7.根据权利要求2所述的方法，其中所述频率的最小数量等于或大于未知数的数量，并且所述未知数至少包括所述线圈之间的互感项以及负载功率或负载阻抗。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述频率的数量大于使方程的数量与所述未知数的数量相匹配所需的最小数量；并且还包括使用最小二乘算法来实现针对参数的良好精度的步骤。9.根据权利要求3所述的方法，其中所述负载在短时间段期间是恒定电阻型或恒定功率型，并且使用不同的电压/电流幅度来激励所述发射器以便生成所有的所需数量的方程或者所需数量的方程中的一些。10.根据权利要求1所述的方法，其中一旦确定所述互感项和所述负载阻抗或负载功率，则优化的步骤涉及选择适当的操作频率和输入电压/电流以使所述无线功率充电系统在最大效率点处操作并与充电功率需求相匹配。11.根据权利要求1所述的方法，还包括在恒定功率模式下操作所述负载的步骤，并且其中一旦确定所述互感项和所述负载功率，则优化的步骤涉及选择最优或接近最优的操作频率，然后仅改变输入电压来找到最大效率操作点，并且使所述系统即使负载功率在小范围内缓慢改变也保持在所述最...

【专利技术属性】
技术研发人员：林德焱，许树源，
申请(专利权)人：香港大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81