CN110571940A - 无线电力发送设备和电力传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线电力发送设备和电力传输系统。在执行规定的第一时段的电力控制和频率控制中，当输出电力的大小没有在电力控制中收敛并且输出电力的频率没有在频率控制中收敛(S11和S14中的“否”)时，电源ECU(250)停止频率控制(S16)并且仅执行规定的第二时段的电力控制(S17)。当在经过第二时段之后输出电力的大小已收敛(S18中的“是”)时，电源ECU(250)确定频率控制的条件是不适当的。当在经过第二时段之后输出电力的大小没有收敛(S18中的“否”)时，电源ECU(250)确定电力控制的条件是不适当的。

Description

无线电力发送设备和电力传输系统
相关申请的交叉引用
该非临时申请基于2018年5月18日向日本专利局提交的日本专利申请No.2018-095961，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及无线电力发送设备和电力传输系统，并且具体地涉及用于控制被配置为将电力无线地发送到电力接收设备的无线电力发送设备中的逆变器的技术。
背景技术
已知被配置为将电力从电力发送设备无线地转移到电力接收设备的电力传输系统(参见，例如，日本专利公开No.2013-154815、日本专利公开No.2013-146154、日本专利公开No.2013-146148、日本专利公开号2013-110822、日本专利公开No.2013-126327和日本专利公开No.2017-5865)。日本专利公开No.2017-5865公开了通过调节从被提供在电力发送设备中的逆变器输出的电压的占空比来控制发送电力的大小到目标电力，并通过调节用于逆变器的驱动频率来控制逆变器的接通电流。
发明内容
日本专利公开No.2017-5865中描述的无线电力发送设备无线地向电力接收设备发送电力，同时其调节从逆变器输出的电压的占空比和用于逆变器的驱动频率。在这种电力发送设备中，来自逆变器的输出电力(以及因此的发送电力)趋于不稳定。例如，当来自逆变器的输出电力的大小和频率中的至少一个不收敛时，发送电力变得不稳定。当发送电力不稳定时，它可能会过度变高。因此，当如上所述发送电力不稳定的状态在电力发送设备中继续时，确定在诊断确定中的电力发送设备中已经发生异常情况并且暂停电力发送。
然而，如果能够识别出使发送电力不稳定的因素，则可以通过去除该因素能够稳定发送电力使得电力发送能够继续。例如，当发送电力由于控制条件而变得不稳定时，通过改变控制条件能够稳定发送电力。
本公开是为了解决这样的问题而提出的，其目的是在发送电力变得不稳定时识别不稳定发送电力的因素，同时用于收敛电力的大小的电力控制和用于收敛电力的频率的频率控制都是在无线电力发送设备中执行。
本公开中的无线电力发送设备包括被配置为向电力接收设备无线地发送电力的电力发送器、被配置为以规定的频率发电并且将所产生的电力输出到电力发送器的逆变器、被配置为检测电力损耗的损耗检测器以及被配置为控制来自逆变器的电力输出的控制器(下面也称为“输出电力”)。控制器被配置为执行电力控制以将输出电力的大小收敛到目标电力，以及执行频率控制以将输出电力的频率收敛到最佳频率，在该最佳频率处由损耗检测器检测到的电力损耗被最小化。
控制器被配置为当在规定的第一时段执行的电力控制和频率控制中输出电力的大小不收敛并且输出电力的频率不收敛时停止频率控制并且仅执行规定的第二时段的电力控制，当在经过第二时段之后输出电力的大小收敛时确定频率控制的条件是不适当的，并且当在经过第二时段之后输出电力的大小不收敛时确定电力控制的条件是不适当的。
根据本公开的电力传输系统包括电力发送设备和电力接收设备，该电力接收设备被配置为从电力发送设备无线地接收电力。包括上述特征的根据本公开的无线电力发送设备被提供作为电力发送设备。
当在执行电力控制和频率控制的同时发送电力不稳定时，电力控制和频率控制中的至少一个的条件很可能是不适当的。然而，当输出电力的大小和频率都没有收敛时，人们不知道哪个控制条件是不适当的。在上面的无线电力发送设备和电力传输系统中，通过停止频率控制来创建仅执行电力控制的状态。然后，当输出电力的大小收敛时，频率控制的条件被确定为不适当，并且当输出电力的大小不收敛时，电力控制的条件被确定为不适当。作为该确定的结果，识别出不稳定发送电力的因素(即，其中控制条件是不适当的)。
当在上面的确定中能够将电力控制和频率控制中的一个的控制条件识别为不适当时，能够容易地确定另一个中的控制条件是否适当。例如，当在将被确定为不适当的控制条件改变为适当的条件之后通过再次执行电力控制和频率控制发送电力被稳定时，另一个中的控制条件是适当的，并且当发送电力仍然不稳定时，另一个中的控制条件是不适当的。
在针对第一时段执行的电力控制和频率控制中，控制器可以被配置为当输出电力的大小在电力控制中收敛并且输出电力的频率不在频率控制中收敛时确定频率控制的条件是不适当的，并且当输出电力的频率在频率控制中收敛并且输出电力的大小不在电力控制中收敛时确定电力控制的条件是不适当的。根据这样的配置，当输出电力的大小和频率中的仅一个也不收敛时，能够识别不稳定的发送电力的因素。
当电力控制的条件被确定为不适当时，控制器可以被配置为降低电力控制中的控制增益。当由于不适当的电力控制条件而使发送电力变得不稳定时，电力控制中的操作的电力变化的灵敏度很可能过高。因此，通过降低电力控制中的控制增益，很可能设置适当的条件(或条件更接近适当的条件)。
控制器可以包括下面将描述的第一发生器、提取器、乘法器、计算器和第二发生器。第一发生器产生指示用于振荡输出电力的频率的第一频率操作量的波形的振荡信号。提取器从前面描述的损耗检测器循环检测的电力损耗的波形中提取高频分量。乘法器获得由损耗变化量乘以第一频率操作量得到的乘法值，该损耗变化量由高频分量表示，第一频率操作量由振荡信号表示。计算器计算用于使乘法值更接近0的第二频率操作量。第二发生器通过使用规定的参考频率、第二频率操作量和振荡信号产生针对逆变器的驱动信号。
从控制精确度和稳定性以及成本的观点来看，上述配置特别优选作为用于控制器执行频率控制的配置。
当如前所述的确定频率控制的条件是不适当的时，控制器可以被配置为扩展振荡信号的振荡周期。当由于频率控制的不适当的条件而使发送电力变得不稳定时，电力变化对频率控制中的操作的灵敏度很可能过高。因此，通过扩展振荡输出电力频率的振荡信号的振荡周期，很有可能设置适当的条件(或条件更接近适当的条件)。
在无线电力发送设备中，电力发送器可以包括谐振电路，其包括电力发送线圈。逆变器可以包括由来自控制器的驱动信号驱动的开关元件和与开关元件并联连接的续流二极管。损耗检测器可以被配置为通过使用流过电力发送线圈的电流、流过逆变器的电流以及表示在来自逆变器的输出电压上升时来自逆变器的输出电流的接通电流来检测电力损耗。使用这种损耗检测器，能够高精度且适当地检测无线电力发送设备中的电力损耗。
当结合附图，通过以下本公开的详细描述，本公开的前述和其他目的、特征、方面和优点将变得更加明显。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的电力传输系统的整体配置的示意图；
图2是示出图1中所示的电力传输系统的电力发送器和电力接收器的电路配置的一个示例的示意图；
图3是示出图1中所示的逆变器的电路配置的一个示例的示意图；
图4是示出图1所示的逆变器的切换波形，输出电压的波形和输出电流的波形的示意图；
图5是表示在来自图1所示的逆变器的输出电力的大小恒定的情况下，电力发送设备的电力损耗和来自逆变器的输出频率之间的关系的一个示例的示意图；
图6是根据本公开的实施例的无线电力发送设备中的电力控制和频率控制的控制框图；
图7是示出由图6所示的振荡信号发生器产生的振荡信号的一个示例的示意图；
图8是用于说明根据本公开的实施例的由无线电力发送设备的控制器进行的诊断确定的流程图；
图9是用于说明基于图8中的诊断确定的结果的处理的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本公开的实施例。附图中相同或相应的元件具有分配的相同的附图标记，并且不再重复其描述。
图1是根据本公开的实施例的电力传输系统的整体配置的示意图。参考图1，电力传输系统包括电力发送设备10和电力接收设备20。例如，电力接收设备20被安装在能够利用从电力发送设备10供应并且存储在其中的电力行进的车辆上。尽管在该实施例中采用谐振方案作为无线电力传输方案，但是可以采用另一种方案(电磁感应方案等)。
电力发送设备10包括电力因数校正(PFC)电路210、逆变器220、滤波器电路230和电力发送器240。电力发送设备10进一步包括电源电子控制单元(ECU)250、通信设备260、电压传感器270以及电流传感器272和274。
PFC电路210能够对从AC电源100(例如，系统电源)接收的交流(AC)电力进行整流和升压，并将所得到的电力提供给逆变器220，以及能够通过使输入电流更正弦来校正电力因数。PFC电路210能够采用各种已知的PFC电路。代替PFC电路210，可以采用没有电力因数校正功能的整流器。
逆变器220被配置为将来自PFC电路210的输入电力(更具体地，直流(DC)电力)转换为规定频率的AC电力并且将AC电力输出到电力发送器240。来自逆变器220的输出电力通过滤波器电路230提供给电力发送器240。在实施例中，逆变器220是电压源逆变器(例如，图3中所示的单相全桥电路，之后将对其进行描述)。逆变器220被配置为在规定的频率范围(下面也简称为“输出频率范围”)内改变输出电力的频率(下面也简称为“输出频率”)。实现逆变器220的每个开关元件根据来自电源ECU 250的驱动信号进行控制。来自逆变器220的输出频率根据由驱动信号(下面也被称为“驱动频率”)指示的开关频率而变化。逆变器220的驱动频率与来自逆变器220的输出频率匹配，因此与电力发送频率(发送电力的频率)匹配。尽管之后将描述细节，但是也根据来自电源ECU 250的驱动信号来控制来自逆变器220的输出电压的占空比。然后，来自逆变器220的输出电力的大小根据来自逆变器220的输出电压的占空比变化。来自逆变器220的输出电压的占空比被定义为正(或负)电压输出时间段与输出电压的波形(矩形波)的周期的比率(见将在后面描述的图4)。
电压传感器270检测来自逆变器220的输出电压Vo，并将其检测值输出到电源ECU250。电流传感器272检测来自逆变器220的输出电流Iinv，并将其检测值输出到电源ECU250。电源ECU 250能够基于来自电压传感器270和电流传感器272的检测值检测来自逆变器220的输出电力。
滤波器电路230抑制从逆变器220产生的谐波噪声。滤波器电路230由，例如，包括电感器和电容器的LC滤波器实现。
电力发送器240通过滤波器电路230从逆变器220接收输出电力(AC电力)，并且通过在电力发送器240周围产生的磁场将电力无线地发送到电力接收设备20的电力接收器310。电力发送器240包括谐振电路(例如，将在后面描述的图2所示的串联谐振电路)。电流传感器274检测流到电力发送器240的电流Is，并将其检测值输出到电源ECU 250。
电源ECU 250包括作为处理器的中央处理单元(CPU)、存储设备和输入和输出缓冲器(均未示出)。存储设备包括作为工作存储器的随机存取存储器(RAM)和用于保存的存储(例如，只读存储器(ROM)和可重写非易失性存储器)。电源ECU 250具有定时器功能。定时器功能能够由硬件和软件执行。电源ECU 250通过存储在存储设备中的程序的CPU的执行来执行各种类型的控制。不限于通过软件处理，各种类型的控制也能够由专用硬件(电子电路)处理。根据该实施例的电源ECU 250对应于根据本公开的“控制器”的一个示例。
通信设备260被配置为与电力接收设备20的通信设备370无线通信。通信设备260将信息发送到电力接收设备20或者从电力接收设备20接收信息(例如，将在后面描述的目标电力)。
电力接收设备20包括电力接收器310、滤波器电路320、整流电路330、继电器电路340和电力存储设备350。电力接收设备20进一步包括充电ECU360、通信设备370、电压传感器380和电流传感器382。
电力接收器310包括用于从电力发送器240无线接收电力的谐振电路(例如，后面将描述的图2中所示的串联谐振电路)。电力接收器310通过滤波器电路320将接收的电力输出到整流电路330。
滤波器电路320被配置为抑制在电力接收器310的电力接收期间产生的谐波噪声。滤波器电路320由，例如包括电感器和电容器的LC滤波器实现。整流电路330对由电力接收器310接收的AC电力进行整流，并将整流的AC电力输出到电力存储设备350。整流电路330包括平滑电容器和整流器。
继电器电路340被设置在整流电路330和电力存储设备350之间。继电器电路340由充电ECU 360进行开/关控制并且当电力存储设备350通过电力发送设备10充电时被接通(设置为导通状态)。
电力存储设备350是可再充电的DC电源，并且例如，由诸如锂离子电池或镍金属氢化物电池的二次电池实现。电力存储设备350存储从整流电路330输出的电力。存储在电力存储设备350中的电力被提供给，例如未示出的负载驱动设备。电双层电容器也能够用作电力存储设备350。
电压传感器380检测来自整流电路330的输出电压(接收电力电压)并将其检测值输出到充电ECU 360。电流传感器382检测来自整流电路330的输出电流(接收电力电流)并将其检测值输出到充电ECU360。能够基于来自电压传感器380和电流传感器382的检测值来检测由电力接收器310接收的电力(即，用于电力存储设备350的充电电力)。
充电ECU360包括作为处理器的CPU、存储设备和输入和输出缓冲器(均未示出)，并且从各种传感器接收信号并控制电力接收设备20中的各种类型的设备。不限于通过软件处理，各种类型的控制也能够由专用硬件(电子电路)处理。
通信设备370被配置为无线通信。电力接收设备20的通信设备370与电力发送设备10的通信设备260之间的无线通信允许电源ECU250和充电ECU 360之间的信息交换。
图1中所示的电力发送器240和电力接收器310中的每一个包括谐振电路并且被设计为以发送电力的频率谐振。图2是示出电力发送器240和电力接收器310的电路配置的一个示例的示意图。
参考图2，电力发送器240包括串联连接的线圈242(电力发送线圈)和电容器244(即，串联谐振LC电路)。表示电力发送器240中的谐振电路的谐振强度的Q因子优选地不小于100。
电力接收器310包括串联连接的线圈312(电力接收线圈)和电容器314(即，串联谐振LC电路)。电力接收器310中的谐振电路的Q因子也优选地不小于100。
图3是示出图1中所示的逆变器220的电路配置的一个示例的示意图。参考图3，逆变器220包括多个开关元件Q1至Q4和多个续流二极管D1至D4。开关元件Q1至Q4均由诸如IGBT、双极晶体管、MOSFET或GTO的电力半导体开关元件实现。续流二极管D1至D4分别并联(更具体地，反并联)连接到开关元件Q1至Q4。PFC电路210(图1)连接到DC侧的端子T1和T2，并且滤波器电路230(图1)连接到AC侧的端子T3和T4。
从PFC电路210输出的DC电压被施加在端子T1和T2上。在图3中，V1表示该DC电压的大小。开关元件Q1至Q4由来自电源ECU250的驱动信号驱动。通过开关元件Q1至Q4的开关操作，输出电压Vo被施加在端子T3和T4上，使得输出电流Iinv流动(图3中所示的具有箭头的方向被定义为正方向)。图3示出了开关元件Q1和Q4接通并且开关元件Q2和Q3由示例的方式关断，并且此时的输出电压Vo基本上为V1(正值)。
图4是示出逆变器220的切换的波形和输出电压Vo和输出电流Iinv的每个的波形的示意图。下面将参照图4和图3，通过从时刻t4到t8的一个周期的示例来描述逆变器220的操作。
当在时刻t4处，开关元件Q1从OFF(关)切换到ON(开)并且开关元件Q3从ON切换到OFF而开关元件Q2和Q4分别为OFF和ON时，每个开关元件被设置为图3所示的状态，并且来自逆变器220的输出电压Vo从0上升到V1(正值)。
此后，随着在时刻t5到t8处如下所示每个开关元件的状态变化，输出电压Vo也变化。当在时刻t5处，开关元件Q2从OFF切换到ON并且开关元件Q4从ON切换到OFF时，输出电压Vo达到0。当在时刻t6处，开关元件Q1从ON切换到OFF并且开关元件Q3从OFF切换到ON时，输出电压Vo达到-V1(负值)。当在时刻t7处，开关元件Q2从ON切换到OFF并且开关元件Q4从OFF切换到ON时，输出电压Vo再次达到0。
在时刻t4之后的一个周期的时刻t8处，开关元件Q1从OFF切换为ON，开关元件Q3从ON切换为OFF。因此，每个开关元件被设置为与时刻t4的状态相同的状态，并且输出电压Vo从0上升到V1(正值)。
图4示出了输出电压Vo的占空比被设置为0.25的示例。在一个周期(t4到t8)中，正电压输出时间段(t4到t5)的比例是1/4(＝0.25)。在一个周期(t4到t8)中，负电压输出时间段(t6到t7)的比例也是1/4(＝0.25)。当输出电压Vo的占空比较高时，输出电压Vo在一个周期中为正(V1)和负(-V1)的时间段较长。因此，当输出电压Vo的占空比较高时，来自逆变器220的输出电力较高。
通过改变开关元件Q1和Q3的切换定时和开关元件Q2和Q4的切换定时，输出电压Vo的占空比能够变化。例如，通过相对于图4所示的状态提前开关元件Q2和Q4的切换定时，输出电压Vo的占空比能够低于0.25(最小值为0)。替代地，通过相对于图4所示的状态延迟开关元件Q2和Q4的切换定时，输出电压Vo的占空比能够高于0.25(最大值为0.5)。
通过调节输出电压Vo的占空比，能够改变来自逆变器220的输出电力的大小并因此改变发送电力(提供给电力发送器240的电力)。定性地，来自逆变器220的输出电力能够通过增加占空比来增加，并且能够通过减小占空比来减小。因此，电源ECU 250能够通过调节输出电压Vo的占空比来使来自逆变器220的输出电力的大小更接近目标电力。
输出电压Vo上升时(时刻t4、t8)的输出电流Iinv的瞬时值对应于接通电流It。接通电流It表示在来自逆变器220的输出电压上升时来自逆变器220的输出电流。接通电流It的值根据从PFC电路210提供给逆变器220的电压(V1)和逆变器220的驱动频率(开关频率)而变化。
传导损耗和开关损耗定义了电力发送设备10中的主要电力损耗。开关损耗指在开关操作(接通和关断)时引起的电力损耗。在电力发送设备10中，由于在实现逆变器220的开关元件接通时产生的接通电流It引起的电力损耗表示占支配地位的开关损耗。传导损耗指由传导引起的电力损耗。在电力发送设备10中，由于来自线圈242(电力发送线圈)和逆变器220的传导而导致的发热引起的电力损耗表示占支配地位的传导损耗。
例如，图4示出了正接通电流It流动的示例。当正接通电流It流动时，电流(即，恢复电流)流过与开关元件Q3并联连接的续流二极管D3(参见图3)。当恢复电流流过续流二极管D3时，续流二极管D3中的发热增加并且逆变器220中的电力损耗增加。当接通电流It不高于0时，没有恢复电流流过续流二极管D3，并且抑制了逆变器220中的电力损耗。由于接通电流It根据逆变器220的驱动频率而变化，因此电源ECU 250能够通过调节逆变器220的驱动频率来控制接通电流It。
尽管后面将描述细节，但是电源ECU 250在该实施例中检测电力发送设备10中的电力损耗。更具体地，由于接通电流It引起的电力损耗、由于流过线圈242的电流引起的电力损耗和由于流过逆变器220的电流引起的电力损耗的总和被检测为电力发送设备10中的电力损耗。
电力发送设备10中的电力损耗根据逆变器220的驱动频率而变化，并且因此通过来自逆变器220的输出频率而变化。图5是示出在逆变器220的输出电力的大小恒定的情况下，电力发送设备10中的电力损耗和来自逆变器220的输出频率之间的关系的一个示例的示意图。在图5中，fa和fb分别表示逆变器220的输出频率范围内的下限和上限频率。即，fa到fb对应于逆变器220的输出频率范围。
参照图5，用向下突出的曲线k示出了来自逆变器220的输出频率(横坐标)与电力发送设备10(纵坐标)中的电力损耗之间的关系。在当来自逆变器220的输出频率达到最佳频率fx(下面也简称为“fx”)时，电力发送设备10中的电力损耗被最小化(相对最小值Lx)。
在曲线k的极值(fx)处，曲线k的倾斜度为0。在低于fx的低频侧的区域中，曲线k的倾斜度为负，并且随着来自逆变器220的输出频率更接近fx，曲线k的倾斜度更接近于0。在高于fx的高频侧的区域中，曲线k的倾斜度为正，并且随着来自逆变器220的输出频率更接近fx，曲线k的倾斜度更接近于0。因此，曲线k的倾斜度表示来自逆变器220的输出频率与fx之间的位置关系。
在该实施例中，电源ECU 250执行用于控制来自逆变器220的输出电力的大小的电力控制和用于控制来自逆变器220的输出频率的频率控制。在电力控制中，通过调节来自逆变器220的输出电压的占空比将来自逆变器220的输出电力的大小收敛到目标电力。AC电力的大小能够，例如通过有效值表示。在频率控制中，通过在来自逆变器220的输出频率变化的同时搜索最佳频率，来自逆变器220的输出频率收敛到最佳频率。
由于电力发送设备10在从电力发送设备10到电力接收设备20的电力传输期间同时执行电力控制和频率控制，通过在来自逆变器220的输出电力的大小保持在规定值(目标电力)的同时改变逆变器220的输出频率范围内的输出频率能够搜索最佳频率(最小化电力损耗的频率的极值)(下面也被称为“极值搜索”)。在电力损耗低的最佳频率处的电力传输改进了整个电力传输系统中的能量效率(可恢复能量与输入能量的比率)。
图6是电源ECU 250中的电力控制和频率控制的控制框图。参考图6，电源ECU 250包括执行电力控制的电力控制器400、执行频率控制的频率控制器500和产生针对逆变器220的驱动信号的驱动信号发生器600。
电力控制器400包括减法器410和控制电路420。减法器410从表示发送电力的目标值的目标电力中减去来自逆变器220的输出电力(下面称为“输出电力Ps”)的检测值并且输出计算的值(即，目标电力和输出电力Ps之间的差值)到控制电路420。输出电力Ps，例如基于来自图1中所示的电压传感器270和电流传感器272的检测值来计算。例如，基于电力接收设备20的电力接收条件在电力接收设备20中产生目标电力并且从电力接收设备20将目标电力发送到电力发送设备10。
控制电路420基于目标电力和输出电力Ps之间的差产生针对来自逆变器220的输出电压的占空比命令值，并将产生的占空比命令值输出到驱动信号发生器600。控制电路420，例如通过利用目标电力和被接收作为输入的输出电力Ps(从减法器410输出)之间的差值执行比例积分控制(PI控制)，计算用于使差值接近于0的操作的量，并将计算的操作的量设置为占空比命令值。因此，执行到目标电力的输出电力Ps的反馈控制。PI控制中的控制增益能够根据诊断确定的结果变化，这将在后面描述(见图8和9)。
频率控制器500包括损耗检测器510、高通滤波器(HPF)520、振荡信号发生器530、乘法器540、控制电路550以及加法器560和570。
损耗检测器510检测基于接通电流It(下面也简称为“It”)的电力发送设备10中的电力损耗(下面也简称为“电力损耗”)、流到电力发送器240的电流Is(下面也简称为“Is”)和来自逆变器220的输出电流Iinv(下面也简称为“Iinv”)。检测的电力损耗是由于接通电流It引起的电力损耗、由于流过线圈242的电流引起的电力损耗以及由于流过逆变器220的电流引起的电力损耗的和。接通电流It被表示为当电压传感器270(图1)感测到输出电压Vo的上升时，由电流传感器272(图1)检测的值(瞬时值)。流到电力发送器240的电流Is对应于流过线圈242并由电流传感器274(图1)检测的电流。来自逆变器220的输出电流Iinv对应于流过逆变器220并由电流传感器272检测的电流。
表示It、Is、Iinv和电力损耗之中的关系的信息(下面被称为“损耗检测信息”)能够被用于检测电力损耗。损耗检测器510能够通过参考预先存储在电源ECU 250的存储设备中的损耗检测信息，基于It、Is和Iinv找到电力损耗。损耗检测信息可以由地图、表格、表达式和模型中的任何加以表示。损耗检测信息可以是地图、表格、表达式和模型中的两个或更多的组合。
损耗检测器510以规定的周期重复检测电力损耗。当循环检测到电力损耗时，产生电力损耗的波形Lv1。损耗检测器510将产生的电力损耗的波形Lv1输出到HPF 520。电力损耗的检测的周期取决于电力接收设备20的电力接收的条件可以是固定的或可变的。
HPF 520从电力损耗的波形Lv1中提取高频分量Lv2(例如，通过从电力损耗的波形Lv1中去除DC分量而获得的信号)，并将提取的分量输出到乘法器540。HPF 520被配置为基本上不衰减高于截止频率的高频分量，而是选择性地减小等于或低于截止频率的低频分量。利用这样的HPF 520，可以提取等于或高于电力损耗的波形Lv1的规定的频率(截止频率)的分量(高频分量)。根据实施例的HPF 520对应于根据本公开的“提取器”的一个示例。
振荡信号发生器530产生指示用于振荡来自逆变器220的输出频率的频率操作量(下面称为“第一频率操作量”)的波形的振荡信号Sv，并将振荡信号输出到乘法器540和加法器560中的每一个。在频率控制期间，来自逆变器220的输出频率由振荡信号Sv稳定地振荡。尽管后面将描述细节，但是由振荡信号Sv表示的第一频率操作量通过加法器560和570被加到逆变器220的驱动频率f。因此来自逆变器220的输出频率振荡。由于表示与这种振荡有关的电力损耗中的变化量的信号(乘法值Ms)被输入到控制电路550，控制电路550能够知道来自逆变器220的输出频率与最佳频率之间的位置关系并产生信号用于将操作频率从逆变器220移动到最佳频率。
当振荡信号Sv的幅度过大时，由于来自逆变器220的输出频率的振荡的影响，来自逆变器220的输出电力可能是脉动的。理想地使振荡信号Sv的振幅小到达到这种脉动的抑制的这种程度。振荡信号Sv的幅度取决于来自逆变器220的输出电力的状态(例如，脉动的程度)可以是固定的或可变的。振荡信号Sv的周期(下面也称为“振荡周期”)能够根据诊断确定的结果而变化，这将在后面描述(见图8和图9)。根据该实施例的振荡信号发生器530对应于根据本公开的“第一发生器”的一个示例。
图7是示出振荡信号Sv的一个示例的示意图。在图7中，纵坐标表示第一频率操作量，并且横坐标表示时间。参考图7，振荡信号Sv是连续脉冲信号，并且在规定的振荡周期T中重复低电平(脉冲关断)和高电平(脉冲接通)。对于振荡信号Sv，在脉冲关断期间的频率操作量(在低电平处)被标记为f1，并且在脉冲接通期间的频率操作量(在高电平处)被标记为f2。f1和f2能够被设置为任何值。f1和f2中的一个可以被设置为0。振荡信号Sv的幅度Δf对应于f1和f2之间的差(绝对值)。振荡周期T对应于脉冲宽度Ta和脉冲间隔Tb的和。脉冲宽度Ta和脉冲间隔Tb可以彼此相同或不同。
再次参考图6，乘法器540将从振荡信号发生器530输入的振荡信号Sv乘以从HPF520输入的高频分量Lv2。高频分量Lv2表示当由从振荡信号发生器530产生的振荡信号Sv振荡来自逆变器220的输出频率时电力损耗的变化量(下面称为“损耗变化量”)。由高频分量Lv2表示的损耗变化量对应于电力损耗的微分系数(例如，图5中所示的曲线k的倾斜度)。
乘法器540产生从由高频分量Lv2表示的损耗变化量乘以由振荡信号Sv表示的第一频率操作量的乘法得到的乘法值Ms，并将乘法值输出到控制电路550。乘法值Ms表示当针对逆变器220的驱动频率f振荡时的电力损耗的变化量。
控制电路550基于从乘法器540输入的乘法值Ms计算用于使乘法值Ms接近0的频率操作量(以下称为“第二频率操作量”)。乘法值Ms更接近0意味着来自逆变器220的输出频率更接近最佳频率。第二频率操作量对应于用于将输出频率从逆变器220移动到最佳频率的操作量。控制电路550，例如通过执行具有作为输入被接收的乘法值Ms(来自乘法器540的输出)的积分控制(I控制)来计算使乘法值Ms更接近0的操作量，并且设置计算的操作量作为第二频率操作量。根据实施例的控制电路550对应于根据本公开的“计算器”的一个示例。
加法器560将从振荡信号发生器530输入的振荡信号Sv加到从控制电路550输入的第二频率操作量，并将计算的值输出到加法器570。加法器570通过将规定的参考频率加到来自加法器560的输入信号(更具体地，由振荡信号Sv和第二频率操作量的相加产生的值)上来获得针对逆变器220的驱动频率f。然后，由加法器570产生的驱动频率f被输出到驱动信号发生器600。逆变器220的启动时的驱动频率(下面称为“启动频率”)能够被采用作为参考频率。尽管能够设置任何启动频率，但是当在规范等下定义的频带在81.4kHz至90.0kHz的范围内时，启动频率优选地被设置为81.4kHz或90.0kHz。
驱动信号发生器600基于从电力控制器400输入的占空比命令值和从频率控制器500输入的驱动频率f，产生针对逆变器220的驱动信号(例如，如图4所示的针对开关元件Q1至Q4的驱动信号)。当逆变器220由驱动信号发生器600产生的驱动信号驱动时，来自逆变器220的输出电压Vo的占空比达到与占空比命令值对应的值，并且来自逆变器220的输出频率达到与驱动频率f对应的值。根据该实施例的驱动信号发生器600对应于根据本公开的“第二发生器”的一个示例。
在电力控制中，重复执行通过减法器410的差的计算、通过控制电路420的操作量(占空比命令值)的计算以及通过驱动信号发生器600的驱动信号的产生，并且逆变器220由基于通过控制电路420计算的占空比命令值产生的驱动信号驱动。因此控制来自逆变器220的输出电力的大小以收敛到目标电力。
在频率控制中，重复执行通过HPF 520的高频分量Lv2的提取、通过乘法器540的乘法值Ms的计算、通过控制电路550的第二频率操作量的计算以及通过驱动信号发生器600的驱动信号的产生，并且逆变器220由基于通过控制电路550计算的第二频率操作量产生的驱动信号驱动。因此执行前面描述的极值搜索，并且控制来自逆变器220的输出频率以收敛到最佳频率。
例如，当发出电力发送请求时，电源ECU 250开始极值搜索。例如，当完成电力发送的准备时，发出电力发送请求。用于电力发送的准备的示例包括电力发送设备10和电力接收设备20之间的调准。在极值搜索期间，电力发送设备10同时执行电力控制和频率控制。由在这种控制下产生的驱动信号驱动的逆变器220的输出电力被提供给电力发送器240。因此，执行从电力发送设备10的电力发送器240到电力接收设备20的电力接收器310的无线电力传输。
当来自逆变器220的输出电力的大小和频率中的至少一个不收敛在电力控制和频率控制中时，发送电力变得不稳定。当发送电力变得不稳定时，它可能过度变高。因此，当发送电力不稳定的状态持续时，可以确定在电力发送设备10中已经发生异常情况并且可以暂停向电力接收设备20的电力发送。然而，如果能够识别使发送电力不稳定的因素，则能够通过去除该因素来稳定发送电力，使得能够继续进行电力发送。
在根据该实施例的电力发送设备10中，电源ECU 250在规定的第一时段执行电力控制和频率控制，并且当在第一时段过去后来自逆变器220的输出电力的大小不在电力控制中收敛并且输出频率不在频率控制中收敛时，频率控制停止。此后，电源ECU 250对于规定的第二时段仅执行电力控制和频率控制中的电力控制。当输出电力的大小在第二时段过去之后收敛时，电源ECU确定频率控制的条件是不适当的，并且当在第二时段过去之后输出电力的大小没有收敛时，电源ECU确定电力控制的条件是不适当的。作为该确定的结果，识别出不稳定的发送电力的因素(即，其中条件是不适当的的控制)。在该实施例中，从电力控制和频率控制下的极值搜索开始到经过规定的时间段(对应于第一时段的长度的时段)的时段对应于第一时段。从经过第一时段之后的频率控制停止和仅电力控制的开始到经过规定时段(对应于第二时段的长度的时段)的时段对应于第二时段。第一时段和第二时段能够独立地被设置为任何长度。第一时段和第二时段在长度方面可以彼此相等或不同。下面参考图8将详细描述上述确定(更具体地，诊断确定)。
图8是用于说明由电源ECU 250进行的诊断确定的流程图。电源ECU 250的存储设备存储用于诊断的标志F。通过图8中的处理为标志F设置0到4的任何值。电源ECU 250或用户能够基于标志F的值知道电力发送设备10的状态。
图8中的S11至S19和S21至S25中的每一个表示包括在图8中的处理中的每个步骤。图8中的处理在经过第一时段的定时(即，在电力控制和频率控制下极值搜索的开始后经过规定的时间段之后的定时)处执行。
参考图8，电源ECU 250确定来自逆变器220的输出频率是否已收敛(S11)。例如，能够基于从S11中的处理开始到经过规定的时间段期间(下面也称为“收敛确定时段”)的变化量的大小来确定收敛。例如，当在收敛确定时段期间来自逆变器220的输出频率的变化量(例如，在收敛确定时段期间的最小值和最大值之间的差)足够小时，输出频率被确定为已收敛。通过实验预先找到的规定阈值能够被用于确定变化量是否足够小。例如，当变化量等于或小于阈值时，输出频率被确定为已收敛，并且当变化量超过阈值时，操作频率被确定为没有收敛。不受这样的限制，已知各种方法作为确定收敛的方法，并且能够采用任何方法。
当在S11中确定频率已收敛时(S11中的“是”)，电源ECU 250确定来自逆变器220的输出电力的大小是否已收敛(S12)。例如，能够基于S11中的变化量的大小来确定收敛。已知各种方法作为确定收敛的方法，并且能够采用任何方法。这也适用于后面将描述的S14和S18。
当在S12中确定电力的大小已收敛时(S12中的“是”)，发送电力被确定为稳定，并且电源ECU 250在S21中将标志F设置为0。当在S12中确定电力的大小没有收敛时(S12中的“否”)，电源ECU250在S13中停止电力控制和频率控制。因此，停止逆变器220的驱动并且因此停止从电力发送设备10到电力接收设备20的电力发送。此后，电源ECU 250在S22中将标志F设置为1。标志F的值被设置为1指示电力控制的条件是不适当的。
当在S11中确定频率未收敛时(S11中的“否”)，电源ECU 250确定来自逆变器220的输出电力的大小是否已收敛(S14)。当确定电力的大小已收敛时(S14中的“是”)，电源ECU250在S15中停止频率控制。例如，电源ECU 250停止振荡信号发生器530和控制电路550的操作，并且具有输出到驱动信号发生器600作为逆变器220的驱动频率f的参考频率(例如，启动频率)。因此，逆变器220的驱动频率f被设置为恒定值(参考频率)。此后，电源ECU 250在S23中将标志F设置为2。标志F的值被设置为2指示频率控制的条件是不适当的。
当在S14中确定电力的大小没有收敛时(S14中的“否”)，电源ECU 250在S16中停止频率控制，如在S15中。此后，在S17中，电源ECU 250在规定的时间段(对应于第二时段的长度的时段)仅执行电力控制和频率控制的电力控制。在从电力控制的开始起经过第二时段之后，电源ECU 250在S18中再次确定来自逆变器220的输出电力的大小是否已收敛。
当在S18中确定电力的大小已收敛时(S18中的“是”)，电源ECU 250在S24中将标志F设置为3。标志F的值被设置为3指示频率控制的条件是不适当的。
当在S18中确定电力的大小没有收敛时(S18中的“否”)，电源ECU 250通过停止电力控制器400的操作来在S19中停止电力控制。因此，停止逆变器220的驱动并因此停止从电力发送设备10到电力接收设备20的电力发送。此后，电源ECU 250在S25中将标志F设置为4。标志F的值被设置为4指示电力控制的条件是不适当的。
现在将参照图9描述在上述诊断确定之后由电源ECU 250执行的处理。图9是用于说明基于图8中的诊断确定的结果的处理的流程图。
图9中的S31至S34、S41至S44和S50至S54中的每一个表示包括在图9中的处理的每个步骤。图9中的处理在图8中的处理结束之后执行。
参考图9，在S31至S34中，确定在图8的处理中已为标志F设置了0至4中的哪一个值。由于标志F能够采用的值是0、1、2、3和4中的任何一个，所以0、1、2和3都不被设置为标志F的值意味着标志F的值被设置为4。
当标志F的值被设置为0时(S31中的“是”)，确定电源ECU 250的极值搜索已正常完成(S50)。标志F的值被设置为0意味着来自逆变器220的输出电力的大小和频率都已收敛(即，发送电力稳定)(参见图8)。
当标志F的值被设置为1时(S31中的“否”和S32中的“是”)，电源ECU 250在电力控制(S41)中减小控制增益(例如，通过控制电路420的PI控制中的比例增益)。在电源ECU 250在S41中改变电力控制的条件(控制增益)之后，它重新开始电力控制和频率控制(S51)。因此，启动逆变器220的驱动并因此启动从电力发送设备10到电力接收设备20的电力发送。极值搜索也被启动。标志F的值被设置为1意味着当在第一时段执行电力控制和频率控制时，电力的频率已在频率控制中收敛，而电力的大小没有在电力控制中收敛(参见图8)。
当标志F的值被设置为2时(S31和S32中的“否”和S33中的“是”)，电源ECU 250扩展由振荡信号发生器530产生的振荡信号Sv(图7)的振荡周期T(S42)。电源ECU 250，例如通过扩展脉冲宽度Ta和脉冲间隔Tb来扩展振荡周期T。不受此限制，可以通过仅延伸脉冲宽度Ta和脉冲间隔Tb中的一个来扩展振荡周期T。在电源ECU 250在S42中改变频率控制的条件(振荡周期T)之后，它再次启动振荡信号发生器530和控制电路550并重新开始频率控制(S52)。因此，执行电力控制和频率控制两者并且启动极值搜索。标志F的值被设置为2意味着当在第一时段执行电力控制和频率控制时，电力的大小已在电力控制中收敛，而电力的频率在频率控制中没有收敛(参见图8)。
当标志F的值被设置为3时(S31至S33中的“否”和S34中的“是”)，电源ECU 250如在S42和S52中执行S43和S53。具体地，在S43中扩展振荡信号Sv的振荡周期T，并且在S53中重新开始频率控制。然后，启动极值搜索。振荡周期T的扩展程度(振荡周期T应该扩展多长时间)在S42和S43之间可以相同或不同。标志F的值被设置为3意味着当来自逆变器220的输出电力的大小和频率都没有收敛时通过停止频率控制，电力的大小已收敛(参见图8)。
当标志F的值被设置为4时(在S31至S34的全部中为否)，电源ECU 250如在S41和S51中执行S44和S54。具体地，在S44中降低电力控制中的控制增益(例如，比例增益)，并且在S54中重新开始电力控制和频率控制。然后，启动极值搜索。控制增益的降低程度(控制增益应该降低多少)在S41和S44之间可以相同或不同。标志F的值被设置为4意味着当来自逆变器220的输出电力的大小和频率都没有收敛时即使通过停止频率控制，电力的大小也没有收敛(参见图8)。
通过图9中的S51至S54的处理启动极值搜索。在从极值搜索的开始起经过第一时段之后，再次启动图8中的处理。基本上，重复执行图8中的处理和图9中的处理，直到在图9中的S50中确定极值搜索正常完成。当发送电力不稳定时，通过图8中的处理因此识别因素，并且通过图9中的处理执行用于去除因素(更具体地，控制条件的改变)的处理。因此，能够在发送电力稳定的情况下继续进行电力发送。
由于电力传输系统中的某种异常情况，发送电力也可能变得不稳定。因此，当满足规定的暂停条件时，可以退出上述循环处理(重复图8中的处理和图9中的处理)，并且可以暂停电力发送。例如，当图9的处理(S41至S44)中的控制条件的改变次数超过规定的次数时，可以满足暂停条件。规定的次数被定义为用于感测异常状态的阈值，并且，例如，可以设置能够在正常条件下获取的上限值。当满足暂停条件时，可以通知用户异常情况。
在该实施例中，为标志F设置图8中的S22和S25之间不同的值(1和4)，使得电力控制中的控制增益的降低量能够在当如图8的S12中(图9中的S41)做出为否的确定时执行的处理和当如图8的S18中(图9中的S44)做出为否的确定时执行的处理之间变化(例如，S44中的增益降低量大于S41中的)。不受这样的限制，当在S41和S44中执行相同的处理时，可以为标志F设置在图8中的S22和S25中的相同的值。
在该实施例中，为标志F设置图8中的S23和S24之间不同的值(2和3)，使得频率控制中振荡周期T的扩展能够在当如图8的S14中(图9中的S42)做出为是的确定时执行的处理和当如图8的S18中(图9中的S43)做出为是的确定时执行的处理之间变化(例如，S43中的振荡周期T的扩展大于S42)。不受这样的限制，当在S42和S43中执行相同的处理时，可以为标志F设置在图8中的S23和S24中的相同的值。
在该实施例中，在图8的处理中识别出不稳定发送电力的因子之后，自动执行用于去除该因子的处理(图9中的处理)。不受这样的限制，电源ECU 250可以执行处理直到标志F的设置(图8中的处理)并且此后的处理可以留给用户。
用于在无线电力发送设备中执行电力控制和频率控制的配置不限于图6中所示的配置，而能够被适当地修改。例如，可以在乘法器540和控制电路550之间提供低通滤波器。控制电路550可以执行PI控制而不是I控制。
尽管已经描述了本公开的实施例，但应当理解的是，本文公开的实施例在每个方面都是说明性的而非限制性的。本公开的范围由权利要求的项限定，并且旨在包括在与权利要求的项等同的范围和含义内的任何修改。

Claims (7)

1.一种无线电力发送设备，包括：
电力发送器，所述电力发送器被配置为将电力无线地发送到电力接收设备；
逆变器，所述逆变器被配置为：以规定的频率产生电力，并且将所产生的电力输出到所述电力发送器；
损耗检测器，所述损耗检测器被配置为检测电力损耗；以及
控制器，所述控制器被配置为控制来自所述逆变器的输出电力，
所述控制器被配置为执行：
用于将所述输出电力的大小收敛到目标电力的电力控制；以及
用于将所述输出电力的频率收敛到最佳频率的频率控制，在所述最佳频率处由所述损耗检测器检测到的电力损耗被最小化；
所述控制器被配置为：
当在规定的第一时段所执行的所述电力控制和所述频率控制中所述输出电力的大小没有收敛并且所述输出电力的频率没有收敛时，停止所述频率控制并且在规定的第二时段仅执行所述电力控制；
当在经过所述第二时段之后所述输出电力的大小收敛时，将所述频率控制的条件确定为是不适当的；以及
当在经过所述第二时段之后所述输出电力的大小没有收敛时，将所述电力控制的条件确定为是不适当的。
2.根据权利要求1所述的无线电力发送设备，其中，
在所述第一时段所执行的所述电力控制和所述频率控制中，所述控制器被配置为：
当所述输出电力的大小在所述电力控制中收敛并且所述输出电力的所述频率在所述频率控制中没有收敛时，将所述频率控制的条件确定为是不适当的；以及
当所述输出电力的所述频率在所述频率控制中收敛并且所述输出电力的大小在所述电力控制中没有收敛时，将所述电力控制的条件确定为是不适当的。
3.根据权利要求1或2所述的无线电力发送设备，其中，
当所述电力控制的条件被确定为不适当时，所述控制器被配置为降低在所述电力控制中的控制增益。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的无线电力发送设备，其中，
所述控制器包括：
第一发生器，所述第一发生器被配置为产生振荡信号，所述振荡信号指示用于振荡所述输出电力的频率的第一频率操作量的波形；
提取器，所述提取器被配置为从由所述损耗检测器周期性地检测到的电力损耗的波形来提取高频分量；
乘法器，所述乘法器被配置为获得从将损耗变化量乘以所述第一频率操作量的乘法得到的乘法值，所述损耗变化量是由所述高频分量表示，所述第一频率操作量是由所述振荡信号表示；
计算器，所述计算器被配置为计算用于使所述乘法值更接近0的第二频率操作量；以及
第二发生器，所述发生器被配置为，通过使用规定的参考频率、所述第二频率操作量、以及所述振荡信号来产生针对所述逆变器的驱动信号。
5.根据权利要求4所述的无线电力发送设备，其中，
当所述频率控制的条件被确定为不适当时，所述控制器被配置为扩展所述振荡信号的振荡周期。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的无线电力发送设备，其中，
所述电力发送器包括谐振电路，所述谐振电路包括电力发送线圈；
所述逆变器包括：由来自所述控制器的驱动信号驱动的开关元件，以及与所述开关元件并联连接的续流二极管；以及
所述损耗检测器被配置为：通过使用流过所述电力发送线圈的电流、流过所述逆变器的电流、以及表示在来自所述逆变器的输出电压的上升时的来自所述逆变器的输出电流的接通电流，来检测所述电力损耗。
7.一种电力传输系统，包括：
电力发送设备；以及
电力接收设备，所述电力接收设备被配置为从所述电力发送设备无线地接收电力；
所述电力发送设备包括：
电力发送器，所述电力发送器被配置为向所述电力接收设备无线地发送电力；
逆变器，所述逆变器被配置为：以规定的频率产生电力，并且将所产生的电力输出到所述电力发送器；
损耗检测器，所述损耗检测器被配置为检测电力损耗；以及
控制器，所述控制器被配置为控制来自所述逆变器的输出电力；
所述控制器被配置为执行：
用于将所述输出电力的大小收敛到目标电力的电力控制；以及
用于将所述输出电力的频率收敛到最佳频率的频率控制，在所述最佳频率处由所述损耗检测器检测到的电力损耗被最小化；
所述控制器被配置为：
当在规定的第一时段所执行的所述电力控制和所述频率控制中所述输出电力的大小没有收敛并且所述输出电力的频率没有收敛时，停止所述频率控制并且在规定的第二时段仅执行所述电力控制；
当在经过所述第二时段之后所述输出电力的大小收敛时，将所述频率控制的条件确定为是不适当的；以及
当在经过所述第二时段之后所述输出电力的大小没有收敛时，将所述电力控制的条件确定为是不适当的。
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