CN109104884A - 感应功率传输控制 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于一种用于检测感应功率传输系统(10；34)中的操作状态并且改进对感应功率传输系统(10；34)的控制的更有效的解决方案。根据本发明，通过测量(S10)感应功率传输系统(10；34)的初级侧的至少一个电变量来检测感应功率传输系统的次级侧的操作状态，所述至少一个电变量与感应功率传输系统(10；34)的次级侧的操作状态动态关联。然后在感应功率传输系统(10；34)的初级侧随时间对所述至少一个电变量进行分析。这使得能够检测感应功率传输系统(10；34)的次级侧的操作状态的变化。本发明还涉及使用根据本发明的检测方法的控制方法及相关控制器设备(70)。

Description

感应功率传输控制
技术领域
本发明涉及感应功率传输控制，并且尤其涉及检测感应功率传输系统的次级侧的操作状态的方法、使用根据本发明的检测方法的控制方法以及使用根据本发明的控制方法的控制器。
背景技术
通常，感应功率传输系统相对于传导功率传输系统具有很多优点。例如，对于电动车辆，其意味着不再需要插入电缆。
图1示出了如现有技术已知的感应功率传输系统100的示意图。
如图1所示，感应功率传输系统100在发送侧包括DC/AC转换器102、发送侧控制器104、发送侧补偿电容器106、以及串联连接到发送侧补偿电容器106的发送器线圈108。发送侧补偿电容器106和发送器线圈108的串联连接被连接到DC/AC转换器104的输出侧。
如图1所示，感应功率传输系统100在接收侧包括串联连接到接收侧补偿电容器112的接收器线圈110。接收器线圈110和接收侧补偿电容器112的串联连接被连接到在接收侧控制器116的控制下操作的AC/DC转换器114的输入侧。与接收器线圈110和接收侧补偿电容器112的串联连接并联地连接有短路保护开关118。在AC/DC转换器114的输出端处连接有负载120。针对负载120的连接，可以设置用于控制输送到负载120的功率电平的DC/DC转换器(图1中未示出)。
如图1所示，可以从接收侧向发送侧建立无线通信链路122，以便在接收侧与发送侧之间交换控制数据和/或测量数据。
可操作地，DC/AC转换器102接收DC输入信号并且将其转换成发送侧AC信号。发送侧AC信号被输出至发送侧补偿电容器106和发送器线圈108的串联连接，以便生成振荡磁场。发送侧控制器104测量发送侧AC信号的特性，并且可选地测量DC输入信号，以便控制DC/AC转换器102。更详细地，发送侧控制器104控制DC/AC转换器102，使得所生成的磁场以发送侧补偿电容器106和发送器线圈108的串联连接的谐振频率振荡。
可操作地，接收器线圈110在被放置在由发送器线圈108产生的磁场中时通过感应耦合接收由发送器线圈108发送的能量。所述感应耦合导致生成接收侧AC信号。在发送侧控制器116的控制下，AC/DC转换器114将接收侧AC信号转换成然后被转发到负载120的负载侧DC信号。
可操作地，接收侧控制器116测量接收侧AC信号，并且可选地测量负载侧DC信号，以便控制输送到负载120的功率。而且，接收侧控制器116检测接收侧处的错误状态，以便致动短路保护开关118。可操作地，可以通过无线通信链路122发送测量数据和控制数据，以改善控制并且通知发送侧关于接收侧的故障状态。
通常，在感应功率传输系统中，发送侧与接收侧之间没有直接硬件连接。然而，在接收侧上出现错误的情况下，必要的是尽快实现对错误状态的响应，以减少或停止来自发送侧的功率传输。
而且，如果开路错误发生在接收侧，则接收侧AC信号将增大至可能破坏感应功率传输系统中的组件或可能甚至危险的水平。当前，该问题通过检测接收侧的过压并且通过使用短路保护开关118使由接收器线圈110和接收侧补偿电容器112构成的次级谐振电路短路来解决。可选地，错误必须经由无线通信链路122传送到发送侧，以停止功率传输。该短路保护开关118可以使用专用开关或有条件时使用AC/DC转换器114中的两个高边或两个低边有源开关来实现。
然而，从接收侧向发送侧传送错误可能太慢。存在由于模数转换、对信号的处理以及由于无线通信链路122引起的发送延迟而增加的多个延迟。
而且，虽然在接收侧通过短路保护开关118进行的主动短路增加了一定安全等级，然而可能的是短路电流增大至硬件组件的额定值以上。同样，使用短路保护开关118导致增加的成本和复杂度。
发明内容
鉴于上述内容，本发明的目的是提供一种用于检测感应功率传输系统中的操作状态以便改进对感应功率传输系统的控制的更有效的解决方案。
根据本发明的第一方面，该目的通过一种检测感应功率传输系统的次级侧的操作状态的方法来实现。
根据本发明的第一方面的方法包括以下步骤：测量感应功率传输系统的初级侧的至少一个电变量，所述至少一个电变量与感应功率传输系统的次级侧的操作状态动态关联。
根据本发明的第一方面的方法还包括以下步骤：在感应功率传输系统的初级侧随时间对所述至少一个电变量执行第一分析，以检测感应功率传输系统的次级侧的操作状态的变化。
根据本发明，所述第一分析可执行用于在不使用在感应功率传输系统的次级侧可测量的测量数据的情况下检测次级侧的操作状态。
根据本发明的第二方面，上述目的通过一种控制感应功率传输系统的方法来实现。
控制感应功率传输系统的方法包括以下步骤：使用根据本发明的第一方面的、检测感应功率传输系统的次级侧的操作状态的方法来检测感应功率传输系统的次级侧的操作状态。
控制感应功率传输系统的操作的方法还包括以下步骤：响应于所检测到的感应功率传输系统的次级侧的操作状态来控制感应功率传输系统的操作。
根据本发明的第三方面，上述目的通过一种使用根据本发明的第二方面的、控制感应功率传输系统的方法的控制器来实现。
附图说明
在下文中，将参照附图来说明本发明的不同方面和示例，在附图中：
图1示出了如现有技术已知的感应功率传输系统的示意电路图；
图2示出了根据本发明的第一示例性实施方式的感应功率传输系统的示意电路图；
图3示出了图2所示的感应功率传输系统的变压器的等效电路图；
图4示出了根据本发明的第二示例性实施方式的感应功率传输系统的示意电路图；
图5示出了根据本发明的第三示例性实施方式的、用于检测感应功率传输系统的次级侧的操作状态的检测设备的示意图；
图6示出了根据本发明的第四示例性实施方式的、图5所示的检测设备的操作的流程图；
图7示出了根据本发明的第五示例性实施方式的、图5所示的检测设备的操作的进一步详细流程图；
图7a示出了与电变量及其由阈值反映的最大可允许幅度的变化相关的不同操作状态；
图7b示出了所检测到的电变量的变化率独立于所检测到的变量的幅度并由此可以独立于幅度进行检测；
图8示出了根据本发明对感应功率传输系统的初级侧的至少一个电变量进行采样和测量的另外的方面；
图9示出了自感和互感根据发送器线圈与接收器线圈之间的垂直间隔的变化；
图10示出了在恒定次级侧电压下，所感应的初级电流根据发送器线圈与接收器线圈之间的垂直间隔的变化；
图11示出了根据根据本发明的感应功率传输系统的第一操作状态的示意图和相关等效电路图；
图12示出了根据根据本发明的感应功率传输系统的第二操作状态的示意图和相关等效电路图；
图13(a)示出了根据图11所例示的感应功率传输系统的第一操作状态或根据图12所示的感应功率传输系统的第二操作状态的初级侧高频电流和初级侧高频电压；
图13(b)示出了根据图11所例示的感应功率传输系统的第一操作状态或根据图12所示的感应功率传输系统的第二操作状态的次级侧高频电流和次级侧高频电压；
图14示出了根据根据本发明的感应功率传输系统的第三操作状态的示意图和相关等效电路图；
图15(a)示出了根据图14所例示的感应功率传输系统的第三操作状态的初级侧高频电流和初级侧高频电压；
图15(b)示出了根据图14所例示的感应功率传输系统的第三操作状态的次级侧高频电流和次级侧高频电压；
图16示出了根据根据本发明的感应功率传输系统的第四操作状态的示意图和相关等效电路图；
图17(a)示出了根据图16所例示的感应功率传输系统的第四操作状态的初级侧高频电流、初级侧高频电压以及初级侧功率；
图17(b)示出了根据图16所例示的感应功率传输系统的第四操作状态的次级侧高频电流和次级侧高频电压；
图18示出了用于根据本发明的第六示例性实施方式的感应功率传输系统的控制器的示意电路图；
图19示出了如图18所示的根据本发明的第六示例性实施方式的控制器的操作的流程图；以及
图20示出了如图18所示的根据本发明的第六示例性实施方式的控制器的操作的进一步详细流程图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细说明本发明。这里，应理解，这种说明仅与本发明的示例有关，而不对如权利要求所限定的本发明的范围形成约束。至于对具体电路组件进行参照，这被认为是基础功能的示例，使得只要实现相同功能，电路组件显然是可交换的。
这里所描述的本发明使用在感应功率传输系统的发送侧(在下文中也被称为初级侧)可用的测量信号来检测感应功率传输系统的接收侧(在下文中也被称为次级侧)的操作状态，例如，高阻抗状态和低阻抗状态。
根据本发明，感应功率传输系统可以在不强制使用在次级侧可测量的测量数据的情况下对操作状态(例如，次级侧的错误)进行响应。不需要无线通信链路或专用短路保护开关。整体操作状态可以以低成本且高效的方式通过使用在初级侧上可用的电信号来固有地进行检测。
图2示出了根据本发明的第一示例性实施方式的感应功率传输系统10的示意图。
如图2所示，感应功率传输系统10在初级侧具有发送单元12。该发送单元12包括初级侧DC/AC转换器14、初级侧控制器16、初级侧补偿电容器18、以及串联连接到初级侧补偿电容器18的发送器线圈20。初级侧补偿电容器18和发送器线圈20的串联连接被连接到初级侧DC/AC转换器14的输出侧。
可操作地，初级侧DC/AC转换器14接收初级侧dc(直流)电压U1,dc和初级侧直流电流I1,dc作为输入，并且将它们转换成初级侧高频电压U1,hf和初级侧高频电流I1,hf。该初级侧高频电压U1,hf和初级侧高频电流I1,hf然后被供应至初级侧补偿电容器18和发送器线圈20的串联连接，以便生成振荡磁场。
可操作地，初级侧控制器16测量初级侧高频电流I1,hf并且可选地测量初级侧高频电压U1,hf、初级侧直流电流I1,dc和/或初级侧dc电压U1,dc。初级侧控制器16处理测量结果，以便控制初级侧DC/AC转换器14。初级侧DC/AC转换器将初级侧高频电压U1,hf和初级侧高频电流I1,hf供应至初级侧补偿电容器18和发送器线圈20的串联连接。初级侧控制器16的控制使得由发送器线圈20生成的磁场以初级侧补偿电容器18和发送器线圈20的串联连接的谐振频率振荡。
如图2所示，感应功率传输系统10还具有与发送单元12分离的至少一个接收单元22。
如图2所示，接收单元22包括串联连接到次级侧补偿电容器26的接收器线圈24。接收单元22还包括次级侧AC/DC转换器28。在次级侧AC/DC转换器28的输入侧连接有接收器线圈24和次级侧补偿电容器26的串联连接。在次级侧转换器28的输出侧连接有负载30。接收单元22包括控制次级侧AC/DC转换器28的次级侧控制器32。
可操作地，接收器线圈24在被放置在由发送器线圈20产生的磁场中时通过感应耦合接收由发送器线圈20发送的能量。感应耦合导致生成次级侧高频电压U2,hf和次级侧高频电流I2,hf。
可操作地，次级侧AC/DC转换器28在次级侧控制器32的控制下将次级侧高频电压U2,hf和次级侧高频电流I2,hf转换成次级侧dc电压U2,dc和次级侧直流电流I2,dc。
可操作地，次级侧控制器32可选地测量次级侧高频电流I2,hf并且可选地测量次级侧高频电压U2,hf、次级侧直流电流I2,dc和/或次级侧dc电压U2,dc。次级侧控制器32对测量结果进行处理，以便控制次级侧AC/DC转换器28。次级侧AC/DC转换器28例如直接或经由DC/DC转换器(图2中未示出)将次级侧dc电压U2,dc和次级侧直流电流I2,dc供应至负载30。
如图2所示，根据本发明，在初级侧与次级侧之间设置无线通信链路或设置专用短路保护开关并不是强制的。
通常，根据本发明的第一示例性实施方式，初级侧控制器16通过随时间对在初级侧上可用的、与次级侧的操作状态动态关联的电信号进行固有分析来检测次级侧的操作状态。
例如，由于感应耦合，次级侧的操作状态发生变化将导致初级侧高频电压U1,hf和/或初级侧高频电流I1,hf的瞬态特性。
而且，根据第一示例性实施方式，初级侧控制器16响应于所检测到的操作状态来控制感应功率传输系统10。更详细地，初级侧控制器控制例如初级侧dc电压U1,dc、初级侧直流电流I1,dc、初级侧高频电压U1,hf和/或初级侧高频电流I1,hf，使得感应功率传输系统的次级侧在感应功率传输系统的次级侧出现预定操作状态时进入安全状态。
在更一般的意义上，根据本发明，感应功率传输系统的次级侧的操作状态涉及从常规操作状态到非常规操作状态的变化。而且，在更一般的意义上，第二非常规操作状态是感应功率传输系统的次级侧的开路状态或短路状态。非常规操作状态的其它示例例如是次级侧的过流、过温、高阻抗状态和/或低阻抗状态。
图3示出了使用串联-串联补偿的、由感应功率传输系统10中的发送器线圈20和接收器线圈24构成的变压器的等效电路图。
如图3所示，L1s和L2s’表示变压器的漏电感，并且Lm是变压器的互感。发送器线圈20的电感是L1＝L1s+Lm，并且接收器线圈24的电感是L2＝L2s′+Lm。如果初级侧补偿电容器18和次级侧补偿电容器26的尺寸被设定成分别补偿发送器线圈20的自电感和接收器线圈24的自电感，则以如下谐振频率来操作感应功率传输系统10：
并且次级侧表现为具有如下大小的电流源：
如果出现开路错误，则次级侧高频电压U2,hf将增大至可能破坏组件甚至危险的水平。
更一般地，根据发送器线圈20和接收器线圈24的补偿策略和频率，相对于发送器线圈20和接收器线圈24的谐振频率来驱动它们，被输送到次级侧的功率表现为电压源、电流源或两者的混合。在等效电压源的情况下，次级侧上的安全状态是开路。在电流源的情况下，安全状态是短路。
通常，根据本发明的第一示例性实施方式的初级侧控制器16控制感应功率传输系统10的初级侧的操作，使得次级侧在次级侧出现错误状态时进入安全状态，而不在初级侧与次级侧之间进行控制数据和/或测量数据的交换。
图4示出了根据本发明的第二示例性实施方式的感应功率传输系统34的示意电路图。
在根据本发明的第二示例性实施方式的感应功率传输系统34使用与根据本发明的第一示例性实施方式的感应功率传输系统10相同的电路组件的情况下，它们使用相同的附图标记来参照，并且这里将不重复相关结构和功能的说明。
如图4所示，根据本发明的第二示例性实施方式的感应功率传输系统34包括用于在初级侧与次级侧之间(反之亦然)交换测量数据和/或控制数据的无线传输链路36。
如图4所示，根据本发明的第二示例性实施方式的感应功率传输系统34在次级侧还包括短路保护开关38。该短路保护开关38与由接收器线圈24和次级侧补偿电容器26构成的串联谐振电路并联地连接到次级侧AC/DC转换器28的输入端。
在下文中，将参照图6至图17说明对根据本发明的第一和第二示例性实施方式的感应功率传输系统10、34的次级侧的操作状态的分析的另外方面。
这里，应注意，下文中关于对操作状态的分析给出的说明同等地适用于根据本发明的第一和第二示例性实施方式的感应功率传输系统10和34。
图5示出了根据本发明的第三示例性实施方式的、用于检测感应功率传输系统10、34的次级侧的操作状态的检测设备40的示意图。
如图5所示，检测设备40包括至少一个接口42，例如，无线电接口。接口42例如与感应功率传输系统10、34的次级侧控制器或与感应功率传输系统10、34的外部控制站的无线信息交换。在某些情况下，接口12还可以用于与外部系统(例如，在物流中心中操作的监督系统)交换信息。
如图5所示，检测设备40包括联接到接口42的至少一个处理器44以及联接到所述至少一个处理器44的存储器46。该存储器46可以包括只读存储器ROM(例如，闪存ROM)、随机存取存储器RAM(例如，动态RAM DRAM或静态RAM SRAM)、大容量储存器(例如，硬盘或固态盘)等。存储器46还包括指令，例如，为了实现稍后描述的检测设备40的功能而要由至少一个处理器44执行的适当配置的程序代码。该功能在下文中将被称为模块。注意，这些模块不表示检测设备40的各个硬件元件，而是表示在至少一个处理器44执行适当配置的程序代码时生成的功能。
如图5所示，存储器46可以包括用于实现检测模块48、分析模块50以及可选的阈值模块52的适当配置的程序代码。而且，存储器46中的适当配置的程序代码还可以实现用于实施各种控制功能的控制模块，例如用于控制检测设备40，以便建立和/或维持相关功能和到外部的连接等。
为了观察感应功率传输系统10、34的次级侧的操作状态，图6示出了根据本发明的第四示例性实施方式的、图5所示的检测设备的操作的流程图。
如图6所示，可操作地，检测模块48(与处理器44协作)执行步骤S10：测量感应功率传输系统10、34的初级侧的至少一个电变量，所述至少一个电变量与感应功率传输系统10、34的次级侧的操作状态动态关联。
如图6所示，可操作地，分析模块50(与处理器44协作)执行步骤S12：实现在感应功率传输系统10、34的初级侧随时间对所述至少一个电变量进行第一分析，以便在不使用在感应功率传输系统10、34的次级侧可测量的测量数据的情况下检测感应功率传输系统10、34的次级侧的操作状态。
图7示出了图5所示的检测设备40的操作的进一步详细流程图。
如图7所示，可操作地，图5所示的检测设备执行步骤S10和S12，以便检测感应功率传输系统的初级侧的至少一个电变量并且执行相关的第一分析。
如图7所示，可操作地，次级侧控制器32执行步骤S14：随时间测量感应功率传输系统34的次级侧的至少一个电变量，以便生成与感应功率传输系统34的次级侧的操作状态相关的次级侧测量数据。
如图7所示，可操作地，次级侧控制器32执行步骤S16：通过无线传输链路36将所生成的次级侧测量数据从感应功率传输系统34的次级侧传送至感应功率传输系统34的初级侧。
如图7所示，可操作地，初级侧控制器16执行步骤S18：结合用于感应功率传输系统34的次级侧的操作状态的更准确的和/或加速的检测的第一分析来实现在感应功率传输系统34的初级侧随时间对所传送的次级侧测量数据进行第二分析。
应注意，根据本发明，第一分析的执行和第二分析的执行还可以分配给并联的初级侧控制器16和次级侧控制器32，以实现并行分析过程。还一变型将是借助次级侧控制器32通过在次级侧的解耦控制从初级侧补充感应功率传输系统34的控制(例如，在次级侧出现错误状态时致动短路保护开关38)。
而且，如图7所示的步骤S10至S18的特定顺序将被认为仅是示例，并且应理解，该顺序的任何修改也被本发明的范围覆盖。
在下文中，将说明为了改进功率传输系统的控制而对感应功率传输系统中的操作状态进行检测的更详细方面。
图7a示出了与电变量及其由阈值反映的最大可允许幅度的变化相关的不同操作状态。
如图7a所示，根据本发明，可以考虑至少一个电变量的变化率，而不是考虑所述至少一个电变量的实际值。
图7a通过非约束性示例情况例示了该特征的含义。如图7a的上部所示，存在与电变量的变化幅度及其由阈值Th1反映的最大可允许幅度有关的三种操作情况(I)至(III)：
(I)幅度保持恒定并且低于阈值Th1；
(II)幅度随时间变化但保持低于阈值Th1；以及
(III)幅度随时间变化并且超过阈值Th1。
这里，图7a示出了：对于情况(I)和(II)，未超过阈值Th1，其中，对于情况(III)，在时间段T1逝去之后最终超过阈值Th1。
图7a的下部示出了针对不同情况的变化率。对于情况(I)，幅度不变，而对于情况(II)，变化率保持在上限Th2与下限Th3之间。而且，对于情况(III)，幅度的增大太高，并且幅度的变化率超过上限Th2。
如图7a的下部所示，可立即获得变化率超过其相关阈值的信息，而没有直到所考虑的电气值的实际幅度超过阈值Th1的时间段T1的延迟。这一点的原因是变化率与所考虑的电气值的幅度的微分有关，而不是与电气值的幅度有关。
因此，在考虑电气值的变化率时，本发明实现了对感应功率传输系统的次级侧的操作状态的加速检测的技术效果。
图7b例示了考虑电气值的变化率的另一影响。
图7b示出了所检测到的电变量的变化率独立于所考虑电变量的幅度并因此可以独立于幅度进行检测。如图7b所示，虽然在情况(III)中，幅度高于情况(IV)，然而，情况(III)中的实际变化率低于情况(IV)中的变化率。
从图7b应清楚的是，根据本发明，可以使用固定阈值方案。因此，不管实际幅度如何，都可以将针对情况(III)或(IV)的变化率与针对感应功率传输系统的次级侧的特定操作状态的指示设置过一次并且在操作期间不需要进行修改的同一阈值Th2进行比较。这导致便于功率传输系统的次级侧的操作状态的检测过程。
总之且如参照图7a和图7b说明的，本发明可以通过对感应功率传输系统的次级侧的操作状态的改进检测提高安全等级，而同时降低系统实现的成本。
图8示出了根据本发明对感应功率传输系统的初级侧的至少一个电变量进行采样和测量的另外的方面。
如图8所示，根据本发明，检测模块48(与处理器协作)通过确定至少一个电变量和/或基于至少一个电变量的值的样本值56在感应功率传输系统的初级侧随时间测量至少一个电变量54。
而且，如图8所示，分析模块50(与处理器44协作)使用样本值56和预定阈值方案对至少一个电变量和/或基于至少一个电变量的值执行第一分析。
如图8(a)所示，根据本发明，所述至少一个电变量不限于任何特定电气特性，并且可以被选择为单个电变量或来自一个组的电变量的组合，该组包括：
●初级侧电流和/或基于初级侧电流的至少一个第一值；
●初级侧电流的变化率和/或基于初级侧电流的变化率的至少一个第二值；
●被供应到感应功率传输系统的初级侧的电力和/或基于被供应到感应功率传输系统的初级侧的电力的至少一个第三值，例如，基于被输送到初级侧线圈的功率的信号(I1,hf*U1,hf)或基于被输送到初级侧DC/AC转换器的功率的信号(I1,dc*U1,dc)；
●被供应到感应功率传输系统的初级侧的电力的变化率和/或基于被供应到感应功率传输系统的初级侧的电力的变化率的至少一个第四值；
●初级侧电压与初级侧电流之间的相位差和/或基于初级侧电压与初级侧电流之间的相位差的至少一个第五值；
●初级侧电流与初级侧电压之间的相位差的变化率和/或基于初级侧电流与初级侧电压之间的相位差的变化率的至少一个第六值；
●感应功率传输系统的初级侧的谐振频率和/或基于感应功率传输系统的初级侧的谐振频率的至少一个第七值。
这里，应注意，如以上根据本发明例示的基于电变量的值不限于任何形式，并且可以是电变量的峰值、电变量的rms(均方根)值、或由电变量的函数运算导出的任何其它合适值。
如图8(b)至图8(d)所示，根据本发明，提供了以下要说明的使用不同阈值方案执行第一分析的多种方法。
通常，根据本发明，阈值方案包括是固定阈值、自适应阈值或固定阈值和自适应阈值的组合的阈值中的至少一个。
如图8(b)所示，执行对至少一个电变量的第一分析的第一选项是使用不随时间改变的固定阈值。
如图8(b)所示，根据第一分析的第一选项，设置第一阈值58，并且第一阈值58与至少一个电变量或相关值的样本值中的样本值的上升沿交点用来检测感应功率传输系统10、34的次级侧的第一操作状态，例如，感应功率传输系统10、34的次级侧的开路状态。
如图8(b)所示，根据第一分析的第二选项，设置第二阈值60，并且第二阈值与至少一个电变量或相关值的样本值中的峰值的下降沿交点用来检测感应功率传输系统10、34的次级侧的第二操作状态，例如，感应功率传输系统10、34的次级侧的短路状态。
如图8(c)所示，根据第一分析的第三选项，所述至少一个电变量是初级侧电流。第一分析的第三选项包括对初级侧电流进行采样的步骤和使用阈值方案分析初级侧电流的样本值的绝对值I1hf_abs(k)的步骤,该阈值方案根据下式分成第一下限阈值I1low(k)和第二上限阈值I1high(k)：
I1low(k)＜I1hf_abs(k)＜I1high(k)
I1low(k)＝gmU2,hf(k)-a(k)
I1high(k)＝gmU2,hf(k)+b(k)
其中，
是跨导，f0是感应功率传输系统10、34的初级侧的谐振频率，并且L12是互感或跨导的代表值；并且
U2,hf(k)是感应功率传输系统的次级侧高频电压；
a(k)是关于gmU2,hf(k)的用于观察感应功率传输系统的次级侧的常规操作的下界；并且
b(k)是关于gmU2,hf(k)的用于观察感应功率传输系统的次级侧的常规操作的上界。
如图8(c)所示，根据第一分析的第三选项，a(k)和b(k)的值随时间恒定。这便于感应功率传输系统10、34的次级侧的操作状态的检测过程。
如图8(d)所示，根据第一分析的第四选项，a(k)和b(k)的值随时间自适应。
根据本发明，a(k)和b(k)的值可以例如根据要测量的信号的当前状态(例如，幅度、频率、信号标志等)而是自适应的。
通常，a(k)和b(k)的值应通过提供足够的容错来反映用于快速检测感应功率传输系统10、34的次级侧的操作状态的变化的小值与大到足以避免故障检测的值之间的平衡。
而且，a(k)和b(k)的值的自适应设置允许维持用于检测操作状态的相对容差，而不管要测量的信号的幅度变化或从其导出用于检测的相关值如何。
如图8(c)和图8(d)所示，根据第三和第四选项，在第一分析中，在初级侧电流的样本值的绝对值I1hf_abs(k)在第一预定时间T1段期间低于第一下限阈值I1low(k)时检测到感应功率传输系统10、34的次级侧的短路状态。
如图8(c)和图8(d)所示，根据第三和第四选项，在第一分析中，在初级侧电流的样本值的绝对值I1hf_abs(k)在第二预定时间T2段期间高于第二上限阈值I1high(k)时检测到感应功率传输系统10、34的次级侧的开路状态。
图9示出了自感和互感根据发送器线圈与接收器线圈之间的垂直间隔的变化。
如图9所示，互感L12随着发送器线圈20与接收器线圈24之间的垂直间隔增大而减小。而且，跨导gm与互感L12成反比。这是a(k)和b(k)的值的自适应设置的基础。
如上所述，下限阈值I1low(k)且由此a(k)的值触对发感应功率传输系统10、34的次级侧的短路操作状态的检测。
同样，上限阈值I1high(k)且由此b(k)的值触发对感应功率传输系统10、34的次级侧的开路操作状态的检测。
是互感L12的变化或等效地跨导的变化确定初级侧电流的变化特性以及值a(k)和b(k)的自适应。
图10示出了在恒定次级侧电压下，所感应的初级电流根据发送器线圈与接收器线圈之间的垂直间隔的变化。
如图10所示，因为互感L12随着垂直间隔增大而减小并且因为跨导gm与互感L12成反比，所以感应的初级侧电流随着垂直间隔增大而增大。
如上所述，针对错误检测的容差范围可以是自适应的。因此，根据本发明，初级侧电流的幅度的减小暗示与发送器线圈20与接收器线圈24之间的垂直间隔的减小一致，a(k)和b(k)的值减小。而且，初级侧电流的幅度的增大暗示与发送器线圈20与接收器线圈24之间的垂直间隔的增大一致，a(k)和b(k)的值增大。
图11示出了根据根据本发明的感应功率传输系统的第一操作状态的示意图和相关等效电路图。
如图11(a)所示，第一操作状态与次级侧AC/DC转换器28和接收器线圈24的断开相关。
如图11(a)所示，第一操作状态可以通过断开插入次级侧AC/DC转换器28和接收器线圈24的可能断开位置处的第一模型开关62来表示。
如图11(a)所示，如果第一操作状态实现，那么短路保护开关38可能不再保护接收器线圈24免于过压。
如图11(b)所示，根据模拟第一操作状态的等效电路，次级侧AC/DC转换器28和接收器线圈24的断开导致仅从初级侧看到的电感负载并因此导致相移。此外，并联支路不承载电流，使得I2,hf＝0应用，并且如从初级侧看到的阻抗上升。
图12示出了根据根据本发明的感应功率传输系统的第二操作状态的示意图和相关等效电路图。
如图12(a)所示，第二操作状态与次级侧AC/DC转换器28与短路保护开关38的断开相关。
如图12(a)所示，第二操作状态可以通过断开插入次级侧AC/DC转换器28和短路保护开关38的可能断开位置处的第二模型开关64来表示。如果第二操作状态实现，那么短路保护开关38可以仍然保护接收器线圈24免于过压。
如图12(b)所示，模拟第二操作状态的等效电路与模拟第一操作状态的等效电路类似，因此，如上给出的类似说明来应用。
如图12所示，如果通过断开第二模型开关64表示的开路发生，则该第二操作状态可以被次级侧控制器32检测到，并且可以闭合短路保护开关38。初级侧控制器16然后可以检测第二开路状态或通过闭合短路保护开关触发的接下来的短路状态二者之一或这两者。
图13(a)示出了根据图11所例示的感应功率传输系统的第一操作状态或根据图12所示的感应功率传输系统的第二操作状态的初级侧高频电流I1,hf和初级侧高频电压U1,hf。
如图13(a)所示，当在时间t＝0时在次级侧进入第一操作状态或第二操作状态时，初级侧高频电流I1,hf增大并且改变相位。从初级侧DC/AC转换器14供应初级侧高频电压U1,hf，因此该电压不变。
图13(b)示出了根据图11所例示的感应功率传输系统的第一操作状态或根据图12所示的感应功率传输系统的第二操作状态的次级侧高频电流I2,hf和次级侧高频电压U2,hf。
如图13(b)所示，次级侧高频电压U2,hf根据初级侧高频电流I1,hf的变化而增大。次级侧高频电流I2,hf降为零。
图14示出了根据根据本发明的感应功率传输系统的第三操作状态的示意图和相关等效电路图。
如图14(a)所示，第三操作状态与次级侧AC/DC转换器28与负载30的断开相关。
如图14(a)所示，第三操作状态可以通过断开插入次级侧AC/DC转换器28和负载30的可能断开位置处的第三模型开关66来表示。如果第三操作状态实现，那么短路保护开关38可以仍然保护接收器线圈24免于过压。如图14(a)所示，在次级侧AC/DC转换器28的输出端，仍然存在可以由电容器68模拟的电容行为。
如图14(b)所示，模拟第三操作状态的等效电路与模拟第一操作状态或第二操作状态的等效电路相当。然而，因为断开是在次级侧AC/DC转换器28的输出侧处，所以从次级侧AC/DC转换器28的输入侧看，仍然存在必须添加到如图14(b)所示的等效电路中的输入电阻Zi。这里，输入电阻Zi的值由次级侧AC/DC转换器28的传输特性和电容器68的电容来确定。
图15(a)示出了根据图14所例示的感应功率传输系统的第三操作状态的初级侧高频电流I1,hf和初级侧高频电压U1,hf。
如图15(a)所示，在初级侧，初级侧高频电流I1,hf增大并且改变相位。与第一操作状态相比，初级侧高频电流I1,hf的增大由于具有阻抗Zi的另外的并联支路而减小。从初级侧DC/AC转换器14供应初级侧高频电压U1,hf，因此该电压不变。
图15(b)示出了根据图14所例示的感应功率传输系统的第三操作状态的次级侧高频电流I2,hf和次级侧高频电压U2,hf。
如图15(b)所示，在次级侧，次级侧高频电流I2,hf的幅度在次级侧高频电压U2,hf增大时不会显著改变。这里，次级侧高频电压U2,hf的增大由于对次级侧的dc链路充电而可能变慢。这导致感应功率传输系统的初级侧的初级侧高频电流I1,hf增大。
图16示出了根据根据本发明的感应功率传输系统的第四操作状态的示意图和相关等效电路图。
如图16(a)所示，第四操作状态可以通过闭合插入在次级侧AC/DC转换器28的输入端的可能短路位置处的第四模型开关68来表示。
如图16(b)所示，模拟第四操作状态的等效电路仅包括电抗组件。次级侧高频电压U2,hf的值为零。次级侧高频电流I2,hf与初级侧高频电压U1,hf之间的相移将接近值90°。而且，被供应到感应功率传输系统的有效功率具有为零的值。
图17(a)示出了根据图16所例示的感应功率传输系统的第四操作状态在时间t＝0时的初级侧高频电流I1,hf、初级侧高频电压U1,hf以及初级侧功率P1_fil。
如图17(a)所示，初级侧高频电压U1,hf由初级侧DC/AC转换器14恒定地供应。初级侧高频电流I1,hf相对于初级侧高频电压U1,hf改变相位，并且减小幅度。因此，也减小在初级侧处供应的功率P1_fil。
图17(b)示出了根据图16所例示的感应功率传输系统的第四操作状态的次级侧高频电流I2,hf和次级侧高频电压U2,hf。
如图17(b)所示，次级侧高频电压U2,hf由于短路操作状态而为零。次级侧高频电流I2,hf由于如图16(b)所示的等效电路中的次级支路的串联谐振特性而振荡。
图18示出了用于根据本发明的第六示例性实施方式的感应功率传输系统10、34的控制器设备70的示意电路图。
如图18所示，控制器设备70包括至少一个接口72，例如，无线电接口。接口72例如与感应功率传输系统10、34中的远程控制器或与感应功率传输系统10、34的外部控制站进行无线信息交换。在某些情况下，接口72还可以用于与外部系统(例如，维护系统)进行信息交换。
如图18所示，控制器设备70包括联接到接口72的至少一个处理器74以及联接到所述至少一个处理器74的存储器76。存储器76可以包括只读存储器ROM(例如，闪存ROM)、随机存取存储器RAM(例如，动态RAM DRAM或静态RAM SRAM)、大容量储存器(例如，硬盘或固态盘)等。存储器76还包括指令，例如，为了实现稍后描述的控制器设备70的功能而将由至少一个处理器74执行的适当配置的程序代码。该功能在下文中将被称为模块。注意，这些模块不表示控制器设备70的各个硬件元件，而是表示在至少一个处理器74执行适当配置的程序代码时生成的功能。
如图18所示，存储器76可以包括实现检测模块78和控制模块80的适当配置的程序代码。
图19示出了如图18所示的根据本发明的第六示例性实施方式的控制器设备70的操作的流程图。
如图19所示，可操作地，检测模块78(与处理器74协作)执行步骤S20：如上所述，根据本发明检测感应功率传输系统10、34的初级侧的操作状态。
如图19所示，可操作地，控制模块80(与处理器74协作)执行步骤S22：响应于感应功率传输系统10、34的初级侧的检测到的操作状态控制感应功率传输系统的操作。
而且，可操作地，控制模块80(与处理器74协作)可以响应于感应功率传输系统10、34的次级侧的检测到的操作状态执行对感应功率传输系统10、34的控制。
图20示出了如图18所示的根据本发明的第六示例性实施方式的控制器设备70的操作的进一步详细流程图。
根据本发明的第六示例性实施方式，感应功率传输系统10、34包括初级侧DC/AC转换器14，该转换器用于将直流输入信号转换成高频初级侧电流Ihf,1和高频初级侧电压Uhf,1，并且用于检测次级侧的操作状态的至少一个电变量是高频初级侧电流Ihf,1。
如图20所示，可操作地，检测模块78(与处理器74协作)执行步骤S24：控制相对于初级侧高频电压Uhf,1具有相移的初级侧高频电流Ihf,1的采样过程。
如图20所述，可操作地，检测模块78(与处理器74协作)执行步骤S26：通过使用阈值方案来分析高频初级侧电流I1,hf的样本值的绝对值I1hf_abs(k),该阈值方案根据下式由第一下限阈值I1low(k)、第二上限阈值I1high(k)以及第三最大阈值I1max来设置：
I1low(k)＜I1hf_abs(k)＜I1high(k)＜I1max
I1low(k)＝gmU2,hf(k)-c(k)
I1high(k)＝gmU2,hf(k)+d(k)
其中，
是跨导，f0是感应功率传输系统的初级侧的谐振频率，并且L12是互感或跨导的代表值；
c(k)是关于gmU2,hf(k)的用于观察感应功率传输系统10、34的次级侧的常规操作的下界；并且
d(k)是关于gmU2,hf(k)的用于观察感应功率传输系统10、34的次级侧的常规操作的上界。
如图20所示，可操作地，检测模块78(与处理器74协作)执行步骤S28：在高频初级侧电流I1,hf的样本值的绝对值I1hf_abs(k)在第一预定时间段期间低于第一下限阈值I1low(k)时检测感应功率传输系统10、34的次级侧的短路状态。然后，可操作地，控制模块80(与处理器74协作)执行步骤S30：降低感应功率传输系统10、34的初级侧的电力供应，以便保护感应功率传输系统10、34中的硬件电路。
如图20所示，可操作地，检测模块78(与处理器74协作)执行步骤S32：在高频初级侧电流的样本值的绝对值I1hf_abs(k)在第二预定时间段期间高于第二上限阈值I1high(k)时检测感应功率传输系统10、34的次级侧的开路状态。然后，可操作地，控制模块80(与处理器74协作)执行步骤S34：限制初级侧电流的峰值，以便保护感应功率传输系统10、34中的硬件电路。可选地，控制模块80(与处理器74协作)还可以减小被供应到感应功率传输系统34的功率。
如图20所示，可操作地，控制模块80(与处理器74协作)执行步骤S38：在高频初级侧电流I1,hf的样本值的绝对值I1hf_abs(k)在第三预定时间段期间超过第三最大阈值I1max时，中断感应功率传输系统10、34的操作，以便保护感应功率传输系统10、34中的硬件电路。
如图20所示，可操作地，控制模块80(与处理器74协作)执行步骤S40：根据感应功率传输系统10、34的时变跨导以自适应方式控制第一下限阈值I1low(k)和第二上限阈值I1high(k)。
如图20所示，控制器设备70为了连续控制感应功率传输系统而重复步骤S24至S40。
总之，本发明向感应功率传输系统添加额外的安全等级并且支持对感应功率传输系统的次级侧的操作状态(例如，错误状态)的瞬时检测。根据本发明，可以以非常快速的方式检测次级侧的这种操作状态。
该额外的安全等级可以用于降低系统实现的成本，例如，次级侧的额外短路保护开关的成本。另外，本发明避免出现感应功率传输系统的次级侧的短路操作状态，该该状态的出现可能由于切换期间的EMI问题以及通信和控制信道的相关干扰而在切换时刻导致非常高的电流和/或电压。
虽然上面已经参照附图和图形描述了本发明，但应注意，显然本发明在不偏离本发明的范围和精神的情况下也可以使用其变型和修改来实现，这些变型和修改将是显而易见的并且可以由本领域技术人员容易地实现。例如，上述功能可以在软件、硬件或其组合中实现。
因此，并非旨在将所附权利要求的范围限于这里阐述的描述，而是权利要求应被解释为包含主导本发明的可呈现新颖性的所有特征，包括将被本发明所属领域的技术人员视为本发明的等同物的所有特征。

Claims (20)

1.一种检测感应功率传输系统(10；34)的次级侧的操作状态的方法，该方法包括以下步骤：
测量(S10)所述感应功率传输系统(10；34)的初级侧的至少一个电变量，所述至少一个电变量与所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的所述操作状态动态关联；以及
在所述感应功率传输系统的所述初级侧随时间对所述至少一个电变量执行第一分析，以在不使用在所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧可测量的测量数据的情况下检测所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的所述操作状态。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法包括以下步骤：
确定所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧的所述至少一个电变量的变化率；以及
通过使用至少一个阈值分析所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧的所述至少一个变量的所述变化率来执行所述第一分析。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个阈值是固定阈值。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧采样的电变量与第一阈值(58)的上升沿交点用于检测所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的开路状态。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，在所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧采样的电变量与第二阈值(60)的下降沿交点用于检测所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的短路状态。
6.根据权利要求2至5中的一项所述的方法，其中，所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧的所述至少一个电变量的所述变化率被选择为以下各项中的单个值或组合：
所述初级侧电流的变化率和/或基于所述初级侧电流的所述变化率的至少一个值；
被供应到所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧的电力的变化率和/或基于被供应到所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧的所述电力的所述变化率的至少一个值；以及
所述初级侧电流与所述初级侧电压之间的相位差的变化率和/或基于所述初级侧电流与所述初级侧电压之间的所述相位差的所述变化率的至少一个值。
7.根据权利要求1至6中的一项所述的方法，该方法包括以下步骤：
测量(S14)所述感应功率传输系统(10、34)的所述次级侧的至少一个电变量，以生成与所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的所述操作状态相关的测量数据；
将所生成的测量数据从所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧传送(S16)至所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧；
结合用于检测所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的所述操作状态的所述第一分析，在所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧随时间对所传送的测量数据执行(S18)第二分析。
8.根据权利要求1至7中的一项所述的方法，其中，所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的所述操作状态涉及从常规操作状态到非常规操作状态的变化。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二非常规操作状态是所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的开路状态或短路状态。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧随时间测量所述至少一个电变量的步骤包括：
确定所述至少一个电变量和/或基于所述至少一个电变量的值的样本值；以及
使用所述样本值和预定的阈值方案来分析所述至少一个电变量和/或基于所述至少一个电变量的所述值；其中，
所述阈值方案包括至少一个阈值，所述至少一个阈值是自适应阈值，或者是固定阈值和自适应阈值的组合。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，基于所述至少一个电变量的所述值是所述至少一个电变量的所述变化率。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述至少一个电变量是所述初级侧电流(I1,hf)，并且随时间测量至少一个电变量的步骤包括：
对所述初级侧电流(I1,hf)进行采样的步骤；以及
使用阈值方案分析所述初级侧电流(I1,hf)的样本值的绝对值I1hf_abs(k)的步骤，所述阈值方案根据下列公式分成第一下限阈值I1low(k)和第二上限阈值I1high(k)：
I1low(k)<I1hf_abs(k)<I1high(k)
I1low(k)＝gmU2,hf(k)-a(k)
I1high(k)＝gmU2,hf(k)+b(k)
其中，
是跨导，f0是所述感应功率传输系统的所述初级侧的谐振频率，并且L12是互感或所述跨导的代表值；并且
U2,hf(k)是所述感应功率传输系统(10；34)的次级侧高频电压；
a(k)是关于gmU2,hf(k)的用于观察所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的常规操作的下界；并且
b(k)是关于gmU2,hf(k)的用于观察所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的常规操作的上界。
13.根据权利要求12所述的方法，该方法包括以下步骤：
当所述初级侧电流(I1,hf)的所述样本值的绝对值I1hf_abs(k)在第一预定时间段期间低于所述第一下限阈值I1low(k)时检测所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的所述短路状态；和/或
当所述初级侧电流(I1,hf)的所述样本值的所述绝对值I1hf_abs(k)在第二预定时间段期间高于所述第二上限阈值I1high(k)时检测所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的所述开路状态。
14.一种控制感应功率传输系统(10；34)的方法，该方法包括以下步骤：
根据权利要求1至13中的一项检测(S24、S26)感应功率传输系统(10；34)的次级侧的操作状态；
响应于所检测到的所述感应功率传输系统(10；34)的操作状态控制(S28-S40)所述感应功率传输系统(10；34)的操作。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧包括逆变器(14)，所述逆变器(14)用于将直流输入信号(I1,dc、U1,dc)转换成高频初级侧电流(I1,hf)和高频初级侧电压(U1,hf)，并且其中，用于检测所述次级侧的所述操作状态的所述至少一个电变量是所述高频初级侧电流(I1,hf)，所述方法包括以下步骤：
对相对于所述高频初级侧电压(U1,hf)具有相移的所述高频初级侧电流(I1,hf)进行采样。
16.根据权利要求15所述的方法，该方法包括以下步骤：
通过使用阈值方案来分析所述高频初级侧电流(I1,hf)的样本值的绝对值I1hf_abs(k)，所述阈值方案根据下列公式通过第一下限阈值I1low(k)、第二上限阈值I1high(k)以及第三最大阈值I1max来设置：
I1low(k)<I1hf_abs(k)<I1high(k)<I1max
I1low(k)＝gmU2,hf(k)-c(k)
I1high(k)＝gmU2,hf(k)+d(k)
其中，
是跨导，f0是所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧的谐振频率，并且L12是互感或所述跨导的代表值；
c(k)是关于gmU2,hf(k)的用于观察所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的常规操作的下界；并且
d(k)是关于gmU2,hf(k)的用于观察所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的常规操作的上界；
所述方法还包括以下步骤：
当所述高频初级侧电流(I1,hf)的所述样本值的绝对值I1hf_abs(k)在第一预定时间段期间低于所述第一下限阈值I1low(k)时，检测(S28)所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的所述短路状态；以及
限制或减少(S30)所述感应功率传输系统(10；34)的所述初级侧的电力供应，以保护所述感应功率传输系统(10；34)中的硬件电路。
17.根据权利要求16所述的方法，该方法还包括以下步骤：
当所述高频初级侧电流(I1,hf)的所述样本值的绝对值I1hf_abs(k)在第二预定时间段期间高于所述第二上限阈值I1high(k)时，检测(S32)所述感应功率传输系统(10；34)的所述次级侧的所述开路状态；以及
限制或减小(S34)所述初级侧电流的峰值，以保护所述感应功率传输系统(10；34)中的硬件电路。
18.根据权利要求16或17所述的方法，该方法包括以下步骤：
当所述高频初级侧电流(I1,hf)的所述样本值的所述绝对值I1hf_abs(k)在第三预定时间段期间超过所述第三最大阈值I1max时，中断(S38)所述感应功率传输系统(10；34)的所述操作，以保护所述感应功率传输系统(10；34)中的硬件电路。
19.根据权利要求16至18中的一项所述的方法，该方法包括以下步骤：
根据所述感应功率传输系统(10；34)的时变跨导以自适应方式控制(S40)所述第一下限阈值I1low(k)和所述第二上限阈值I1high(k)。
20.一种用于控制感应功率传输系统(10；34)的控制器设备(70)，所述控制器包括用于建立输入输出功能的至少一个接口(72)、至少一个处理器、以及存储要由所述至少一个处理器(74)执行的指令的存储器(76)，借此，所述控制器设备(70)：
根据权利要求1至13中的一项检测所述感应功率传输系统(10；34)中的操作状态；
根据权利要求14至19中的一项，响应于所检测到的所述感应功率传输系统(10；34)中的操作状态控制所述感应功率传输系统(10；34)的操作。
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