CN112105792A - 井下充电系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种包括初级侧和次级侧的井下充电系统。该初级侧包括布置成从具有源频率的电源接收电力的电力发送线圈并且该次级侧5包括布置成向负载输送电力的电力接收线圈。该电力发送线圈和该电力接收线圈进一步布置成使得它们电感耦合。初级侧和/或次级侧包括至少一个可调谐元件，所述至少一个可调谐元件连接至位于与可调谐元件相同的一侧上的线圈。该系统还包括至少一个控制器，该控制器配置为能控制可调谐元件的10阻抗，使得能考虑电力传输而优化可调谐元件和位于可调谐元件的同一侧上的线圈的阻抗。

Description

井下充电系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于为布置在金属井管结构的外侧的电力接收单元充电的井下充电系统。本发明还涉及一种用于根据本发明的井下充电系统的控制器的方法。

背景技术

当具有安装用于在井下测量金属井管结构的外部的状态或性质的传感器时，测得的数据被无线发送至地面。具有至传感器的有线连接将对井管结构强加重大改变，从而导致完井系统的显著弱化，这伴随着形成例如井喷或类似不受控的事件的风险。

这些传感器将不得不自主地操作，因为在井下更换电源或检修传感器实际上是不可能的。此外，使这些传感器或其他仪器能随时间推移地起作用是非常难的，因为电池电源在井下是非常有限的，这是因为，电池无法在不迅速劣化的情况下而耐受高的温度和压力。

解决这种问题的一个方案被同一申请人在EP 3 101 220A1中提出。这里描述了用于为金属井管结构外侧的设备进行无线充电的井下完井系统。该系统通过使在金属井管结构外侧的装置的一个电力接收线圈与布置在位于金属井管结构的内部的工具中的电力发送线圈平行地或相符地布置而工作。

现有技术的一个问题是，至接收线圈的电力传输效率将极大地取决于环境因素。井下设备的温度将引起电子设备的频率漂移，该频率还将受到不同种类的周围介质例如气体、土壤类型或不同浓度的盐水的影响。

从以上内容可理解，存在改进的空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的井下充电系统，其相对于现有技术进行了改进，并且消除了或至少减轻了上述一些缺点。更具体地，本发明的目的是提供一种井下充电系统，其能够优化电力传输并且能够自动补偿温度变化和制造公差。通过所附独立权利要求中阐述的技术以及与之相关的从属权利要求中限定的优选实施例来实现这些目的。

在第一方面，提供了一种井下充电系统。该充电系统包括可调谐元件和控制器，该控制器配置为能将可调谐元件(结合相关联的感应线圈)的阻抗与电源的源频率匹配。该井下充电系统是有利的，因为它允许谐振频率的自动调谐以便优化井下的电力传输。

从下面的描述中将变得显而易见的上述目的以及众多的其它目的、优点和特征由根据本发明的方案来实现，即通过用于为布置在金属井管结构的外侧的电力接收单元充电的井下充电系统来实现，该井下充电系统包括初级侧和次级侧，其中，初级侧包括布置成从具有源频率的电源接收电力的电力发送线圈并且该次级侧包括布置成向负载输送电力的电力接收线圈，该电力发送线圈和该电力接收线圈布置成使得它们电感耦合，并且初级侧和/或次级侧包括至少一个可调谐元件，所述至少一个可调谐元件具有阻抗并且连接至位于与可调谐元件相同的一侧上的线圈，其中，充电系统还包括至少一个控制器，该控制器配置为能控制可调谐元件的阻抗，使得能考虑电力传输而优化位于可调谐元件的同一侧上的线圈和可调谐元件的阻抗。该实施例的一个益处是它允许井下充电系统在改变系统参数的情况下有效地工作。如果例如线圈的电感或电源的频率被改变，则可相应地调整可调谐元件。此外，以上提出的解决方案提供了非常有效和方便的调谐，尤其是对于井下作业而言。由于谐振频率可能随温度而变化，因此即使谐振频率发生变化，也可通过调整阻抗来使源频率匹配。因此，不需要扫频。

更进一步，与可调谐阻抗元件结合固定频率信号源相比，扫频通常将需要宽带可调谐信号源，这是昂贵且复杂的设备。

与阻抗调谐相关联的另一个优点是，可以将频率设置为与无线传输的最佳水平相对应的固定值，然后调谐阻抗以获得在固定频率下的谐振。这也是有利的，因为频率是众所周知的，从而确保了系统的可预测性。

在一些实施例中，源频率可以非常低，基本上对应于直流(DC)。

此外，井下充电系统还可包括一个或多个传感器。传感器可配置为能将传感器数据传输至控制器，并且控制器可配置成能基于传感器数据来控制可调谐元件的阻抗。至少这是有利的，因为它允许基于传感器数据自动控制充电系统。

此外，该一个或多个传感器可包括环境传感器，该环境传感器配置成能测量与和该系统相关的环境条件有关的传感器数据。

通过使该一个或多个传感器包括环境传感器，可以进一步扩展井下充电系统。例如，这允许在例如改变环境条件如导致谐振频率偏移的温度的情况下进行自动控制和补偿。

此外，该一个或多个传感器可包括电压传感器、电流传感器或电力/功率传感器，其配置为能测量与和系统相关的环境条件有关的传感器数据。该实施例的一个优点在于，它使得能够进行系统反馈以优化井下充电系统的实际效率。

此外，初级侧还可包括控制接收块，并且次级侧还可包括控制发送块，其中，所述控制接收块和控制发送块一起形成配置为能在初级侧与次级侧之间传输控制数据和/或传感器数据的链路。当需要在初级侧和次级侧之间传输传感器数据或控制命令时，这很有用。

此外，可在控制接收块和控制发送块之间形成链路，该链路可以是感应接口。感应接口的一个益处是，它比例如电磁接口更可靠并且更简单。

另外，控制器可布置在初级侧或次级侧，并且所述一个或多个传感器可布置在相对的那侧。该实施例的一个益处是仅一个控制器可用于与初级侧和/或次级侧上的传感器通信。

可调谐电源可以是可调谐的，并且一个或多个传感器可配置为能测量与线圈之一或全部线圈的饱和有关的传感器数据，并且控制器可配置为能控制电源的功率以避免饱和。该解决方案的一个益处是线圈不会饱和，并且可优化充电系统的效率和线圈尺寸。

此外，电源的源频率可以是可调谐的，并且控制器可配置为能调谐源频率，使得它与线圈和可调谐元件的谐振频率匹配。该实施例的一个好处是它提供了进一步的调谐可能性，并使得能够在更宽的带宽上进行调谐。

可调谐元件可以是可调谐电容器。这是有用的，因为受控电容将有效地与线圈建立LC谐振电路。

此外，源频率可为50kHz至500kHz，并且优选地为100kHz至200kHz。这是有益的，因为这些频率在例如线圈尺寸、磁通量的吸收、线圈损耗等之间提供了良好的折衷。

本发明还涉及一种井下系统，该井下系统包括布置在井孔中的金属井管结构、配置为能布置在金属井管结构内部的井下工具、以及电力接收单元，该电力接收单元布置在金属井管结构的外侧以使得电力能借助感应而从井下工具传输到电力接收单元，其中，电力接收单元包括前述充电系统的所述次级侧，而井下工具包括所述初级侧。

本发明还涉及一种用于如上所述的井下充电系统的控制器的方法，该控制器构造成控制连接到线圈的至少一个可调谐元件的阻抗。充电系统包括初级侧和次级侧。初级侧包括电力发送线圈，该电力发送线圈布置成从具有源频率的电源接收电力。在一些实施例中，源频率可以非常低，基本上对应于DC。次级侧包括布置为将电力输送到负载的电力接收线圈。该方法包括以下步骤：首先计算可调谐元件的期望阻抗，以使LC谐振电路的阻抗使其谐振频率处于期望的发送频率。然后更新可调谐元件的阻抗，以使可调谐元件的阻抗处于期望的阻抗。该方法是有利的，因为它允许谐振频率的自动调谐以便优化井下充电系统的电力传输。

控制器可与包括在充电系统中的一个或多个传感器通信。该方法在计算步骤之前还包括从一个或多个传感器获取传感器数据的步骤。这是有益的，因为当控制可调谐元件的阻抗时，它允许控制器使用传感器数据。

最后，获取另外的传感器数据的步骤还包括将获取的传感器数据与可调谐元件的当前阻抗一起存储。计算步骤还包括将历史传感器数据及其关联的阻抗值与当前的传感器数据及其关联的阻抗进行比较，以确定是否应增大或减小可调谐元件的阻抗。该实施例的一个优点是，它在阻抗的控制中引入了全反馈，并且可能有更先进的控制方法，例如，P调节器、PI调节器、PID调节器。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的实施例，这些附图示出了如何将本发明构思简化为实践的非限制性示例。

图1a示出了具有井下工具的井下系统的局部剖视图；

图1b显示了位于储层井孔中的井下系统，其用于向井管结构外侧的设备充电；

图1c是根据一个实施例的井下充电系统的示意图；

图2a-c是井下充电系统的电力发送块的示意图；

图3是根据一个实施例的构成井下充电系统的一部分的可调谐元件的示意图；

图4是井下充电系统的电力接收块的示意图；

图5是井下充电系统的电力检测块的示意图；

图6-9是根据不同实施例的井下充电系统的示意图；

图10是井下充电系统的示意图；以及

图11a-b是根据不同实施例的用于井下充电系统的方法的示意图。

在下文中，将参考附图更充分地描述某些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于在此阐述的实施例。而是，通过示例的方式提供了这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明的范围(如在所附权利要求中限定的)充分传达给本领域技术人员。

具体实施方式

图1a示出了包括井下工具10的井下系统1，该井下工具插入到井管结构20中。该井管结构20被布置用于从储层30生产含烃流体。

井下工具10设置有电子设备以如将在下方说明中解释的那样地形成充电系统100的一部分，并且特别地，以形成充电系统100的初级侧105。

井下系统1还包括电力接收单元40，该电力接收单元布置在金属井管结构20的外侧以便能借助感应而将电力从井下工具10传输至电力接收单元40。因此，电力接收单元40包括电子设备，用于形成供电系统100的次级侧107。

在图1b中进一步详细地示出了供电系统100的一部分。如能看到的，该电力接收单元40布置在该金属井管结构20的外侧，并且该电力接收单元40包括感应线圈410，该感应线圈形成为充电系统100的次级侧107的一部分。井下完井系统1还包括耗电装置44，该耗电装置例如包括传感器45，该传感器布置在井管结构20的外侧并且配置成能从电力接收单元40接收电力。如能在图1b中看到的，耗电装置44和电力接收单元40可布置在围绕井管结构20的套筒50中。

典型地，耗电装置44包括井下传感器45或能监测井下状态或者例如能发送数据的另一部件。该传感器可例如配置成能测量井的特性，如压力、温度、流体含量、或流体流量。该传感器可不具有电池并且其可仅经由电力接收单元40供电，从而该传感器仅在井下工具10处于电力接收单元40附近以对传感器供电时才执行测量。

参见图1c，示出了井下充电系统100的一个实施例的框图。供电系统100包括初级侧105和次级侧107。初级侧105包括电力发送块110、控制块或控制器130、和控制接收块150。次级侧107包括电力接收块120、电力检测块140、和控制发送块160。在下述说明中，参考了控制块130以及控制器130。因此，应意识到，这些术语可互换使用，简单说，示意性描述的“控制块”的所有功能均能借助于控制器130实现。

电力发送块110布置成通过电力传输接口190而将电力感应地传输至次级侧107的电力接收块120。电力发送块110受到控制块130的控制，该控制块从该控制接收块150接收输入信号。控制接收块150通过控制传输接口195从次级侧107的控制发送块160接收信号。电力检测块140被连接以在电力接收块120与控制发送块160之间形成链路。电力发送块110由电源170供电并且电力接收块120在一侧上终止于负载180。

再次参见图1a-b，井下工具10配置成形成初级侧105，而电力接收单元40配置成形成次级侧107。

井下充电系统100将电力从初级侧105上的电源170传输至次级侧107上的负载180并且传输是借助感应耦合进行的，该感应耦合在图1c中示出为电力传输接口190。感应耦合借助于分别包含在电力发送块110中和电力接收块120中的线圈之间的耦合实现。这将在下文中进一步描述。由电力接收块120接收到的电力通过电力检测块140评估。已评估的接收到的电力通过控制发送块160传输回控制接收块150。控制接收块150将已评估的接收到的电力传输至控制块130并且该控制块利用该已评估的接收到的电力来控制电力发送块110。

现将参考图2a、2b和2c更详细地解释包含在电力发送块中的电力发送线圈210的布置。该公开内容涉及电力发送线圈210，但这不应被视为是限制，因为该公开内容同样适用于井下充电系统100的其他部件中的线圈。这将通过下述的示例性实施例来进一步阐述。在图2a中，电力发送线圈210布置为单个的理想元件，该单个的理想元件具有根据等式1的初级阻抗Z_P。

等式1 Z_P＝jωL_PTx

在等式1中，L_PTx是电力发送线圈210的以亨利(H)为单位的电感，并且ω是如在等式2中所描述的、根据源的频率f(以赫兹，Hz为单位)计算出的角频率。

等式2 ω＝2πf

在图2a的布置中，初级阻抗将随频率线性增大。在图2b中，引入了初级侧理想电容器220并且阻抗Z_P可根据等式3计算出。

等式3

在等式3中，C_P是初级侧电容器220的以法拉(F)为单位的电容。等式3是二次函数并且在谐振处具有最大值，该谐振在满足等式4的条件时发生。

等式4

在等式4中，ω₀是谐振处的角频率并且f₀是谐振频率。在谐振处，Z_P两侧的电压将最大(欧姆定律)并且因此线圈的磁通量的绝对值(法拉第定律)将会最大。有关法拉第定律的细节是本领域内公知的并且对于井下充电系统100的实施而言不是必需的，知道该定律的效应已足够，即(绝对的)感应磁通量将在线圈的谐振频率下最大。

由于电力发送块110的电力发送线圈210不是理想的并且将存在因杂散电容、杂散电感和电阻导致的寄生效应，式1中的关系与电力发送块110无关。这意味着，电力发送块110将具有谐振频率，该谐振频率将使引入电力发送线圈210中的磁通量最大化，并因此使可用于电力传输接口190的电力最大化。将充电系统设计为在其谐振频率下工作将是期望的并且应被作为目标。这意味着使电源170在源频率f_S下操作与电力发送块f₀的谐振频率是一样的。为了在井下恶劣的环境中实现这一目标，需要制定一种自适应解决方案，因为例如温度和压力将导致寄生阻抗和源频率f_S以不受控的方式变换。

通过在电力发送块110中引入具有可调谐阻抗的可调谐元件230，可以调谐谐振频率f₀，使得其跟踪优化的系统阻抗。在图2c中，示出引入了与电力发送线圈210并联的可调谐元件230。本领域技术人员在阅读本公开之后将理解，串联地引入可调谐电容器也是可行的选择，尽管这会因电容器的等效串联电阻通常相对高而增加电力发送块110的电阻损耗。具有包含在电力发送块110中的可调谐元件230将允许通过调谐可调谐元件230来控制电力发送块110的谐振频率。这使得可以确保谐振频率f₀跟踪源频率f_S，并且最大磁通量可用于电力传输接口190。

上面参考图2a-c给出的公开内容已经假定在电力发送块110中没有电阻损耗。本领域技术人员可以容易地将这些等式和计算改为也包括电阻分量和效应。可以这样的方式进行设计：将电阻损耗保持在最小，从而保持电力发送块110的Q值高，从而使带宽低。然而，在可调谐元件230的粒度与低电阻损耗成本之间存在折中，这是由于可调谐电容器230上的阶跃(step)过大会带来无法调谐谐振频率f₀从而无法跟踪源频率f_S的风险。

作为可调谐元件230的替代或与可调谐元件230结合地，也可以调谐源频率f_S。与可调谐元件的成本相比，该可调谐源的成本可能更不具有成本效益，但选择调谐该源频率f_S也是可行的。

可调谐元件230可以是适合于控制电力发送块的谐振频率f₀的任何种类的可调谐元件230。参考图3，示出该可调谐元件230的一个实施例为具有合适值的N个并联电容器C₁-C_N的阵列，其布置有N个单独的开关S₁-S_N。每个电容器的电容通常可根据等式5设置，其中，N在1到N的范围内，从而允许以C₁的步长(step size)对电容进行线性控制。

等式5 C_n＝C₁·2^(n-1)

可调谐电容器的这些和类似的布置在本领域中是已知的。使用不同种类开关(例如MEMS、CMOS等)的设备可具有多种控制接口例如SPI、并行接口、模拟接口等，并且技术人员在阅读了本公开之后将理解，可以使用任何种类的可调谐电容。

返回图1c，现在清楚的是，电力发送块110使最大磁通量可用于电力传输接口190。电力传输接口190将电力耦合到电力接收块120，并且该耦合将是电感性的，即，电力接收块120将包括如图4所示的电力接收线圈410。电力接收线圈410将被通过电力传输接口190传送的磁通量激励，并且将在电力接收线圈410两侧产生电压。电力传输接口190可以包括任何材料或介质，并且本领域技术人员将知道如何确定电力传输接口190的尺寸，并且本领域技术人员理解电力接收线圈410和电力发送线圈210之间的距离应保持尽可能短。

图4示出了电力接收块120的一个实施例的块示意图。电力接收块120包括电力接收线圈410、整流电路420、可选的大容量电容器430和电力调节装置440。电感耦合架构的次级侧107在本领域中是众所周知的，并且将不对不同块的细节进行全面描述。在实现例如电力调节装置440方面可用的不同选择如LDO或BUCK、和/或升压转换器对本领域技术人员是众所周知的。应该提到的是，电力接收块120也可以与参考初级侧105描述的方式相似的方式布置成包括次级侧107和可调谐元件230。

参考图5，将描述电力检测块140。电力检测块140连接到电力接收块120并且包括至少一个传感器510、电力感测控制器520和通信接口530。电力检测块140布置成评估由电力接收块120接收的电力。可以以多种方式进行评估，例如通过测量在电力接收线圈410两侧的感应电压、在整流电路420的输入处可得的电力、在大容量电容器430两侧的整流电压、传送到电力调节装置440或从电力调节装置440传送的电流或从包括在电力调节装置440中的控制信号传送的电流。取决于在哪里评估电力，将使用不同类型的传感器510或传感器510的组合，例如电力传感器、电流传感器或电压传感器并且本领域技术人员将知道在何处使用哪种传感器。电力感测控制器520可以通过处理机构来实现，该处理机构例如为微处理器、MCU、DSP、任何合适的ASIC或IC、以及必要的外围设备例如易失存储器和/或非易失存储器、电源管理(单元)等。通信接口530布置为与控制发送块160接口/接合并且以控制发送块160能通过控制传输接口195进行通信的格式至少封装/打包所评估的电力。通信接口530和/或传感器510可被包括在电力感测控制器520中，并且通信接口530也可被实现为由电力感测控制器520执行的软件代码。

电力感测控制器520对来自传感器510的数据进行处理的需求将极大地取决于充电系统的分布。如果许多处理是由电力感测控制器520完成，则控制块130的复杂性可以降低，或者相反。尽管所述讨论已关于电力检测块140的电力评估进行，但该块可包括更多并且所有数据可包括在来自通信接口530的数据中。电力检测块140可包括用于测量充电电路的温度的传感器510并且可与次级侧107上的负载180通信，使得负载可以请求例如增加或减少电力。也可以是关于例如电池的dV/dt或dT/dt在次级侧107上更改和通过控制传输接口195反馈的信息。

控制发送块160布置为通过控制传输接口195将从通信接口530接收的数据传输到控制接收块150。控制发送块160紧密地链接到控制传输接口195和控制接收块150两者，因为这三个块可被解释为包括控制通信系统或被控制通信系统所包括。取决于为实施而选择的控制传输接口195，将相应地设计控制通信系统。控制通信系统可以通过类似于例如RFID的感应数据链路来实现。还可以将其实现为直接电磁无线通信(例如蓝牙、WiFi、ANT+、Z-Wave、IEEE802.15.4等)，或者实现为间接的，其中控制传输接口195包括核心网络和后端，控制发送块160可利用任何蜂窝技术或低功耗WAN例如Sigfox、LoRa等在该后端处进行通信。

由控制接收块150通过控制传输接口195接收的数据被传输至控制块130。控制块130包括电力控制器，该电力控制器可被实现为以下的任何一种或其组合：微处理器、MCU、DSP、任何合适的ASIC或IC、以及必要的外围设备例如易失存储器和/或非易失存储器、电源管理(单元)等。电力控制器布置为评估从控制接收块150接收的数据，并确定要传输至电力发送块110的合适的控制命令。控制命令可包括配置为改变可调谐元件230的阻抗的设置或命令。该改变可以是增大或减小，这取决于例如与先前对电力的评估相比，传输给负载180的已评估的电力的正或负变化。自然地，控制块130可配置为布置成使得一组先前的阻抗值与被传输至负载180的它们各自的已评估的电力一起被存储。可存在与存储的值中的每个相关联的可配置的有效性定时器并且控制块130可布置成重置或去除由于有效性定时器的失效/终止而被认为过时/废弃的值。许多其他因素可能会使存储的值过时，例如温度变化，湿度变化等。

在图6中，示出了井下充电系统100的另一实施例。与先前描述的实施例相比，差异之一是控制传输接口195是双向的，初级侧105和次级侧107上的块与块之间的通信也是如此。并非所有通信都必须是双向的，但这取决于所实施的控制算法。可以将控制块130替换为初级控制块610，并且可以将电力检测块140替换为次级控制块630。将控制接收块150和控制发送块160各自均替换为控制TRx块620，该控制TRx块能通过控制传输接口195发送和接收信息。使控制传输呈双向接口的形式能够例如在初级控制块610和次级控制块630之间实现数据的完整交换。在该实施例中，初级控制块610和次级控制块630都可包括例如类似于参照图5描述的电力检测块140的电力评估装置。这样的布置可允许控制初级侧105上的一个可调谐元件230和次级侧107上的一个可调谐元件230。这将使得能够将电力发送线圈210和电力接收线圈410均调谐至谐振。这种布置使得可以用按比例缩小的版本来可选地替换初级控制块610或者优选地次级控制块630，因为它们中只有一个需要跟踪例如控制算法、历史数据等。

参考图7，在一个实施例中，电力接收块120可布置有可调谐元件230(参见图2c)。为了有效地控制它，可能必须在次级侧上实现控制块130。该实施例将使得能够将电力接收线圈410调谐至谐振，而无需控制传输接口、控制接收块、和控制发送块。先前参考图1描述的解决方案的益处在于，井下充电系统可包括众多传感器并且传感器的成本将增加并且优化单个初级侧105可能更有意义。

在图8中示出了另一实施例，其中，电力发送线圈也可布置有可调谐元件。为了有效地对此进行控制，在该实施例中，控制块130被实现在初级侧105上。该实施例将使得能够将电力发送线圈210调谐到谐振，而无需控制传输接口、控制接收块、和控制发送块。

参考图9，示出了另一实施例，其在初级侧105和次级侧107上均包括电力检测块140和控制块130。该实施例可允许在初级侧105和次级侧107上的谐振调谐。

与图7至图9的实施例相比，参照图1和图6描述的实施例(具有控制传输接口195的实施例)的益处在于井下环境可被提供众多传感器并且传感器的成本将增加，因此优化单个初级侧可能更有意义。此外，如果例如电池在次级侧上被充电，则电池和充电数据可通过控制传输接口195进行通信，因此例如允许对更复杂的电池化学组成进行充电、优化充电并延长电池寿命。在没有控制传输接口的实施例中，自然可以评估充电状态，但是充电状态可能不那么准确、快速或节能。

具有可从井下充电系统100控制的电源170可以实现进一步的优化机会。如前所述，一个机会是调谐电源170的频率f_S，但是另一种选择是例如调整电源170的功率。通过调整电源170的功率，将能够在负载180充满电或几乎充满电时降低电源170的功率。除此之外，可控制电源170的功率，从而避免电力发送线圈210和/或电力接收线圈410的饱和。

本领域技术人员将认识到，在井下充电系统100内，测量什么、在哪里测量以及信息如何分享的布置是多种多样的。

参考图10，示出了井下充电系统100的优选实施例。井下充电系统100包括初级侧105和次级侧107，其中，初级侧105包括连接至电力发送线圈210的可调谐元件230，其中，电力发送线圈布置成从电源接收电力。该源布置成以源频率f_S输送电力，并且波形可以是任何波形，但是优选是正弦波形。次级侧107包括电力接收线圈410，该电力接收线圈布置成将接收到的电力输送到负载。可调谐元件230的阻抗由控制器130(在若干图中由控制块130表示)控制，并且阻抗被调谐为使得电力发送线圈210和可调谐元件230的谐振频率与源频率f_S相同或接近源频率f_S。

上面描述的实施例描绘了该可调谐元件230位于初级侧105上，但将可调谐元件230放置在次级侧107上是微小的改变。在该实施例中，控制器130将基于已知参数来进行调谐，已知参数例如为源频率f_S和控制器所连接至的线圈的电感。这些参数可以与例如等式4连用以计算可调谐元件230的阻抗值。

从前面的实施例可以看出，充电系统100可以进一步发展为包括一个或多个传感器。这些传感器可以是不仅适于测量与传输给负载的电力有关的显式参数(例如为电压探头、电流探头、电力检测器等)而且还适于测量与充电系统的漂移和传播/扩散有关的参数(例如为温度传感器、压力传感器、湿度传感器或其他环境传感器)的任何种类的合适的传感器。这些传感器配置为将传感器数据传输至控制器，并且控制器可配置为在确定要配置的可调谐元件的阻抗值时使用传感器数据。

下面介绍的是不同的方法，可由一个或多个控制器130控制一个或多个可调谐元件230来执行。每个可调谐元件230连接到具有电感(L)的线圈，并且井下充电系统100配备有在源频率f_S下工作的电源170。该一个或多个控制器适合与井下充电系统100一起使用。

在第一实施例中，参考图11a，控制器130的调谐基于系统参数，例如，线圈的电感(L)和源频率f_S。这些参数用于与例如等式4连用来计算1110可调谐元件230的阻抗值。在已经计算了期望的阻抗值之后，用所期望的阻抗值更新1120可调谐元件。

在第二实施例中，参考图11b，井下充电系统100被进一步布置成包括一个或多个传感器，例如一个或多个温度传感器、压力传感器、电压探头、电流探头或电力检测器。在该实施例中，控制器130可始于从一个或多个传感器获取1130传感器数据，然后，使用该传感器数据(可选地与系统参数结合)来计算1110可调谐元件230的期望阻抗值。已经计算出阻抗值后，用期望的阻抗值更新1120可调谐元件230。

在又一个实施例中，仍参考图11b，传感器中的一个是布置为评估与传输至负载180的电力相关的度量的传感器，例如以适当方式布置的电压探头、电流探头或电力检测器。控制器可进一步布置有内部反馈，该内部反馈允许根据传输至负载180的电力来控制阻抗。这可通过具有以下步骤来实现：获取1130传感器数据、进一步包括将获自传感器的电流值连同可调谐元件230的当前阻抗值一起进行存储。计算步骤1110可进一步包括将历史传感器数据及其关联的阻抗值与当前传感器数据及其关联的阻抗进行比较以确定例如是否应增大或减小可调谐元件230的阻抗以及应增大或减小到多少量。

源频率f_S已被描述为正弦频率。本领域技术人员将认识到，本文公开的教导还适用于由开关控制的直流(DC)源。在这种情况下，例如开关速度、占空比、频率等可用于控制和优化电力传输。这可以单独完成或与先前公开的其他实施例结合完成。

与具有或没有反馈的控制系统相关的方法在本领域中是众所周知的。为此，将不详细地公开与如何设计控制器130以便能例如尽可能快地调谐谐振频率有关的进一步的细节。

Claims (15)

1.一种用于为布置在金属井管结构外侧的电力接收单元充电的井下充电系统(100)，该井下充电系统包括初级侧(105)和次级侧(107)，其中，

该初级侧(105)包括布置成从具有源频率(f_S)的电源(170)接收电力的电力发送线圈(210)并且该次级侧包括布置成向负载(180)输送电力的电力接收线圈(410)；

该电力发送线圈(210)和该电力接收线圈(410)还布置成使得它们电感耦合，和

该初级侧(105)和/或该次级侧(107)包括至少一个可调谐元件(230)，该至少一个可调谐元件具有阻抗并且连接至位于与该可调谐元件(230)相同的一侧上的线圈(210、410)，其中，所述系统(100)还包括至少一个控制器(130)，该至少一个控制器配置为能控制该可调谐元件(230)的阻抗，使得能考虑电力传输而优化位于该可调谐元件(230)的同一侧上的该线圈(210、410)和该可调谐元件(230)的阻抗。

2.根据权利要求1所述的井下充电系统(100)，还包括一个或多个传感器(510)，所述一个或多个传感器(510)配置为能将传感器数据传输至所述控制器(130)，其中，所述控制器(130)配置为能基于所述传感器数据控制所述可调谐元件(230)的阻抗。

3.根据权利要求2所述的井下充电系统(100)，其中，所述一个或多个传感器(510)包括环境传感器，所述环境传感器配置成测量与和所述系统(100)相关的环境条件有关的传感器数据。

4.根据权利要求2或3所述的井下充电系统(100)，其中，所述一个或多个传感器(510)包括配置为测量与输送至所述负载(180)的电力有关的传感器数据的电压传感器、电流传感器或功率传感器。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的井下充电系统(100)，其中，所述初级侧(105)还包括控制接收块(150)，所述次级侧(107)还包括控制发送块(160)，其中，所述控制接收块(150)和所述控制发送块(160)一起形成配置为在所述初级侧(105)与所述次级侧(107)之间传输控制数据和/或传感器数据的链路。

6.根据权利要求5所述的井下充电系统(100)，其中，在所述控制接收块(150)与所述控制发送块(160)之间形成的所述链路是感应接口。

7.根据权利要求5或6所述的井下充电系统(100)，其中，所述控制器(130)布置在所述初级侧(105)或布置在所述次级侧(107)，所述一个或多个传感器布置在相对侧。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的井下充电系统(100)，其中，所述电源(170)是可调谐的，其中，一个或多个传感器(510)配置为能测量与所述线圈(210、410)之一或全部线圈(210、410)的饱和有关的传感器数据，其中，所述控制器(130)配置为能控制所述电源(170)的功率以避免饱和。

9.根据前述权利要求中任一项所述的井下充电系统(100)，其中，所述电源(170)的源频率(f_S)是可调谐的，其中，所述控制器(130)配置为能调谐所述源频率(f_S)，从而使其与所述线圈(210、410)和所述可调谐元件(230)的谐振频率匹配。

10.根据前述权利要求中任一项所述的井下充电系统(100)，其中，所述可调谐元件(230)是可调谐电容器。

11.根据前述权利要求中任一项所述的井下充电系统(100)，其中，所述源频率(f_S)为50kHz至500kHz，并且优选地为100kHz至200kHz。

12.一种井下系统，包括：

-布置在井孔中的金属井管结构(20)；

-配置成布置在该金属井管结构的内部的井下工具(10)；以及

-电力接收单元(40)，其布置在该金属井管结构的外侧，从而能借助感应而将电力从所述井下工具传输至所述电力接收单元，

其中，所述电力接收单元包括根据前述权利要求中任一项所述的充电系统(100)的次级侧(107)，并且所述井下工具包括所述初级侧(105)。

13.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的井下充电系统(100)的控制器(130)的方法，所述控制器配置为能控制连接至线圈(210、410)的至少一个可调谐元件(230)的阻抗，所述充电系统(100)包括初级侧(105)和次级侧(107)，其中，所述初级侧(105)包括布置成从具有源频率(f_S)的电源(170)接收电力的电力发送线圈(210)并且该次级侧(107)包括布置成向负载(180)输送电力的电力接收线圈(410)，该方法包括：

-计算(1110)该可调谐元件(230)的期望的阻抗，使得能考虑电力传输而优化所述线圈(210、410)和所述可调谐元件(230)的阻抗；以及

-更新(1120)该可调谐元件(230)的阻抗，使得该可调谐元件(230)的阻抗处于期望的阻抗。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述控制器(130)与包括在所述充电系统(100)中的一个或多个传感器(510)通信，所述方法在计算(1120)步骤之前还包括从一个或多个传感器获取(1130)传感器数据。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，获取(1130)传感器数据进一步包括将获取的传感器数据与所述可调谐元件的当前阻抗一起存储，所述计算(1120)步骤进一步包括将历史传感器数据及其相关联的阻抗值与当前的传感器数据及其相关联的阻抗进行比较，以确定是否应增大或减小所述可调谐元件(230)的阻抗。

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