CN114915037A - 用于操作用于无线传输能量的设备的方法、设备和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作设备的方法，其中设备包括：整流器，逆变器，其中所述方法包括下列步骤：将由逆变器所输出的电实际功率控制成可预定义电目标功率，其中脉宽调制驱动信号的频率和占空比用作控制的操纵变量，其中执行下列步骤：a)设置起始频率，b)按照这样的方式来设置起始占空比：目标功率未达到，c)在所设置的起始频率和所设置的起始占空比的情况下测量由逆变器所输出的电实际功率，d)选择小于或等于目标功率的调整目标功率，e)计算在计算上对应调整目标功率的占空比，f)设置所计算占空比，g)测量由逆变器所输出的电实际功率，以及h)在增加调整目标功率的情况下重复进行步骤d)至g)，直到目标功率与实际功率之间的偏差下降到低于预定义阈值。

Description

用于操作用于无线传输能量的设备的方法、设备和系统
技术领域
本发明涉及一种用于操作用于借助于电感耦合在用电装置（electricalconsumer）的方向上无线传输能量的设备的方法、设备和系统。
背景技术
本发明基于如下目的：提供一种用于操作用于借助于电感耦合在用电装置的方向上无线传输能量的设备的方法、实现尽可能可靠和灵活的操作的系统和设备。
发明内容
该方法用于操作用于借助于电感耦合(又称作无线功率传输WPT)在用电装置的方向上无线传输能量的设备的方法。关于有关WPT的原理，还应当参照相关技术文献。优选地，按照WPC(无线充电联盟)Ki(无绳厨房)方法来操作该设备。
用于借助于电感耦合在用电装置的方向上无线传输能量的设备又能够称作发射器，而用电装置能够称作接收器。
该设备包括常规单相或多相整流器，其用于从特定正弦功率供应系统电压来生成DC电压。
该设备包括从DC电压所馈电的逆变器。逆变器能够是例如半桥逆变器或全桥逆变器。逆变器配置成生成特别采取脉宽调制驱动电压形式的脉宽调制驱动信号。
该设备包括借助于逆变器或者其脉宽调制驱动信号所驱动的常规线圈或发射器线圈，并且配置成生成交变磁场以用于传输能量的目的。
该方法包括下列步骤。
由逆变器所输出的电实际功率被控制成可预定义电目标功率，其中脉宽调制驱动信号的频率和占空比用作控制的操纵变量。在具有半桥的逆变器的情况下，在这种情况下，借助于逆变器所生成的脉宽调制驱动信号的占空比指定脉冲时长与周期时长的比率，所述信号组成脉冲的周期序列。占空比被指定为尺寸数（dimension number）的比率数，其中值范围为0至1或者0至100%。在具有全桥的逆变器的情况下，占空比例如能够表示借助于关联桥支路所生成的两个矩形波形信号的相位角，并且取0°与360°之间的值。
对于向目标功率的调整，例如从0 W的实际功率开始，执行下列步骤。
在步骤a)中，首先设置脉宽调制驱动信号的起始频率。
在步骤b)中，按照这样方式来设置脉宽调制驱动信号的起始占空比：目标功率明显未达到（undershot）。这样的起始占空比能够通过实验和/或以计算方式来确定，例如其中15%的占空比对许多情况组成按照上述标准的适当起始值。能够根据目标功率来选择起始占空比。目标功率越高，则能够选择的起始占空比也越高。
步骤c)涉及在所设置的起始频率和所设置的起始占空比的情况下测量由逆变器所输出的电实际功率。能够例如通过电压和电流测量以及测量变量的适当计算来常规确定由逆变器所输出的功率。对于其余部分，在这方面同样应当参照相关技术文献。
步骤d)涉及选择小于或等于目标功率的调整目标功率。优选地，先前测量的电实际功率与接下来调整目标功率之间的差被选择为不过大。作为示例，初始调整目标功率大体上能够对应目标功率或者先前测量的实际功率的可预定或预定比例，例如对应先前测量的实际功率的±80%。
在步骤e)中，计算脉宽调制驱动信号的占空比，其在计算上对应调整目标功率。
在步骤f)中，设置所计算占空比。
步骤g)涉及在所设置的频率和所设置的占空比的情况下确定由逆变器所输出的电实际功率。
步骤h)涉及在连续增加调整目标功率的情况下重复进行步骤d)至g)，直到目标功率与所建立的实际功率之间的偏差下降到低于预定义阈值。该阈值能够按照绝对或相对项来预先定义，并且能够是例如30瓦特或者目标功率的2%，仅列举示范数值。
调整目标功率中的增加能够按照这样的方式来选择：重复次数被限制到3次重复，特别是2次重复，特别是1次重复。
按照本发明的方法允许实际功率到目标功率的极快速调整，并且限制可能引起消耗装置中的过电压的过冲。此外，按照本发明的方法仅针对与传输路径的真实行为有关的知识施加小要求。
在实施例中，在步骤e)中，基于在先前步骤f)中所计算的占空比、在先前步骤g)中所测量的实际功率以及当前或瞬时调整目标功率来计算在计算上对应调整目标功率的占空比。
下面通过示例的方式来描述占空比的计算。
下式成立：
P ~ U2*cos2φ 对于Re(Z) = 常数。
项φ表示电流与电压之间的相位角。对于接近谐振频率的频率，cos φ≈ 1。对于恒定工作频率，cos φ可被估计为常数，并且因此可像下列计算中的项Re(Z)一样被忽略。
U_DC = U_N * sin(П*DC) 其中DC = 0 ... 50%
在这种情况下，DC表示占空比。U_N表示借助于整流器所整流的正弦功率供应系统电压的均方根值。U_DC表示借助于逆变器对给定占空比DC所生成的脉宽调制驱动电压的均方根值。
对计算假定控制级无关的线性和时间不变阻抗Z。两个步骤之间的操作频率必须是相同的，因为Z(f)相对于频率变化通常非线性地表现。如果预计操作频率在一个步骤之后被改变，则在允许所述的计算公式再次被应用之前，首先再次必需选择初始占空比并且对新频率测量新功率。
此后，在先前步骤e)中所计算的占空比被指定为DC_old。在先前步骤g)中所测量的实际功率被指定为P_old。在先前步骤中所设置的频率被指定为f_old。当前或瞬时步骤d)的所选调整目标功率被指定为P_new。将被计算的占空比被指定为DC_new。借助于逆变器在先前步骤中所生成的脉宽调制驱动电压的均方根值被指定为U_DC_old。借助于逆变器在当前步骤中所生成的脉宽调制驱动电压的均方根值被指定为U_DC_new。
优选地，P_new被选择成最大处于P_old的2.5倍或2倍之间，以便将因Z(f)的实部的非线性度(幅度、温度、高次谐波振荡的份额（share）、开关延迟等)引起的误差保持在可接受限度之内。P_new与P_old的比率能够被选择为对每个后续重复越来越小。
下式成立：
Figure RE-827199DEST_PATH_IMAGE001
对于Z(f_new)=Z(f_old)成立
Figure RE-160092DEST_PATH_IMAGE002
对于f_old = f_new并且U_N = 常数
最后能够通过应用反函数arc sine对DC_new求解上述公式。
在实施例中，步骤d)至g)的(特别是第一次)重复的调整目标功率被限制为在先前步骤d)中所选的调整目标功率的2.5倍，特别是2倍。相应地，第一次所选的调整目标功率(即，在步骤d)至g)的重复之前所选的调整目标功率）能够被限制为在步骤c)中所测量的电实际功率的2.5倍，特别是2倍。
在实施例中，一旦目标功率与实际功率之间的偏差下降到低于预定义阈值，就改变频率和占空比，其中目标功率在理论上保持为相同，直到建立满足优化标准的由频率和占空比所形成的操作点。
在实施例中，优化标准是逆变器的最小电功率损耗。
在实施例中，在半桥逆变器的情况下，满足优化标准的操作点具有大于40%的占空比，特别具有接近50%的占空比。在全桥逆变器的情况下，满足优化标准的操作点具有全桥的两个桥支路之间>150°、特别是接近180°的相位角。在具有多个逆变器的实施例中，相对于公共操作频率的同步能够组成优化标准。
在实施例中，起始频率基于由用电装置传递给设备的数据。接收器的线圈直径的幅值、其额定功率或者能够用于系统表征的另外的数据允许设备例如估计传递函数P(f)并且选择适当起始频率f_0连同目标功率。
在实施例中，在步骤g)中，除了实际功率之外还确定关断逆变器的半导体开关时的至少一个开关电流，其中如果开关电流超过电容极限值，则增加对于步骤d)至g)的后续重复的频率。在这种情况下，电容性意味着在相对于开关的并联二极管的符号变化之后强制电流，使得下一个开关能够不再按照无电流方式被接通。开关电流越大，则损耗越大。如果对于给定占空比的开关电流过高，则这指示所选的操作频率过低。
按照本发明的设备用于借助于电感耦合在用电装置的方向上无线传输能量，并且配置用于执行上述方法。
该设备包括：整流器，其用于从功率供应系统电压来生成DC电压；逆变器，其从DC电压馈电；线圈，其借助于逆变器驱动，借助于所述线圈，交变磁场是可生成的，以用于传输能量的目的；以及控制单元，其配置成按照这样方式来驱动逆变器：执行上述方法。
在实施例中，设备是感应炉（induction hob）的组成部分。
按照本发明的系统包括用于借助于电感耦合在用电装置的方向上无线传输能量的上述设备以及用电装置。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明，其中：
图1高度示意地示出一种系统，该系统包括用于借助于电感耦合在用电装置的方向上无线传输能量的设备以及借助于该设备所供应的用电装置，以及
图2示出示范传递函数，该传递函数表征借助于该设备经由频率在用电装置的方向上可传输的电功率，并且示意示出用于将由该设备所输出的电功率调整到设置电目标功率的按照本发明的步骤序列。
具体实施方式
图1高度示意地示出一种系统，该系统包括用于借助于电感耦合在用电装置200的方向上无线传输能量或电功率的设备100以及用电装置200。这种类型的系统大体上是已知的，并且又称作WPT系统。
设备100例如能够是感应炉的组成部分或者形成感应炉。
设备100包括常规整流器101，其用于从单相正弦功率供应系统电压UN来生成DC电压UG。整流器101能够实现为例如桥式整流器。
此外，设备100包括从DC电压UG所馈电的半桥逆变器102。逆变器102包括在整流器101的输出之间串行成环的两个半导体开关部件106和107。
此外，设备100包括借助于逆变器102所驱动的线圈103，借助于所述线圈，交变磁场是可生成的，以用于传输能量的目的。为此，逆变器102生成脉宽调制驱动信号AS，该脉宽调制驱动信号AS用于驱动线圈103或者包括线圈103的谐振电路104。
线圈103电感耦合到用电装置200的接收器线圈201，其中整流器202以及还有用电装置200的——未更特别详细图示——谐振电容器和另外的组件被连接在接收器线圈201的下游。对于其余部分，在这方面也应当参照相关技术文献。消耗装置200通常包括操作员控制部件，该操作员控制部件使操作模式能够被选择。取决于操作模式，目标功率被选择并且传输给设备。在配置阶段中，消耗装置的另外的系统参数能够被传递给设备。
此外，设备100包括在整流器101的输出之间串行成环的两个电容器108和109。线圈103被成环在半导体开关部件106和107的连接节点与电容器108和109的连接节点之间。对于其余部分，关于本身已知的这种拓扑结构，也应当参照相关技术文献。
此外，设备100包括例如采取常规微处理器形式的控制单元105，该控制单元105控制设备100的操作，如以下所述。
控制单元105将由逆变器102所输出的电实际功率控制成可预定义电目标功率，其中脉宽调制驱动信号AS的频率和占空比用作控制的操纵变量。在这方面也应当参照相关技术文献。
图2示出传递函数P(f)，其中传递函数P(f)表征在50%的占空比的情况下借助于设备100经由频率f在用电装置200的方向上可传输的电功率P。
下面描述按照本发明向目标功率的调整的过程。
在以下说明中，作为示例，朝其将要实行调整的目标功率被假定为1.5 kW。
此外，在以下说明中，用于无线传输能量的设备100称作发射器，而用电装置200称作接收器。相应地，设备或者发射器100的线圈103称作发射器线圈，而用电装置或接收器200的对应线圈201称作接收器线圈。
控制单元105或者其控制器在控制开始的时间不(尚未)知道传递函数P(f)。然而，意图是要借助于适当设置驱动信号AS的频率和占空比，按照少量控制步骤实行朝所要求目标功率的调整。在当前情况下，对于朝目标功率的调整只要求3个步骤，其中效率优化步骤也可跟随，其中功率保持为恒定。
发射器100由于其安装状况而知道耦合范围，并且基于已知额定和目标功率并且还基于接收器线圈201的大小，能够大致估计什么操作频率f通常引起预期功率。
在第一步骤序列S1中，选择起始频率f_0，该起始频率f_0通常略低于最佳频率，以便使功率储备保持为可用。在当前情况下，例如，28 KHz的频率被选择作为起始频率f_0。通过监测逆变器102的开关电流，有可能使不正确选择的起始频率f_0被识别，并且然后以不同方式来选择。
因此，在第一步骤序列S1中，以这样的方式来设置28 kHz的脉宽调制驱动信号AS的起始频率f_0并且设置起始占空比DC_1：所产生实际功率明显小于目标功率。作为示例，能够设置15%的起始占空比DC_1。目标功率越小，则应当选择的起始占空比DC_1越小。
第一步骤序列S1随后涉及在所设置的起始频率f_0和所设置的起始占空比DC_1的情况下测量由逆变器102所输出的电实际功率。在当前情况下，所测量的实际功率为500 W。
在后续步骤序列S2中，然后选择1250 W的调整目标功率，该调整目标功率接近1500 W的目标功率，但是略低于后者。1250 W的调整目标功率相当于先前测量的实际功率的2.5倍。
在步骤序列S2中，占空比DC2然后被计算和设置，所述给定线性度将引起1250 W的所选调整目标功率，即，在计算上对应调整目标功率——预先假定（presupposed）的线性度。在当前情况下，这个占空比DC2为25%。
步骤序列S2然后涉及在所设置的频率f_0和所设置的占空比DC_2的情况下再次测量由逆变器102所输出的电实际功率。由于非线性度，测量功率不是1250 W，而是仅1150 W。
在后续步骤序列S3中，选择1500 W的调整目标功率，该调整目标功率对应1500 W的目标功率。能够排除由于1500 W的所选调整目标功率引起的功率输出的不允许过冲，因为两个步骤之间的功率中的变化预计受到限制，并且在1250 W与1500 W之间的其余功率范围之内可预先假定充分线性度。
在步骤序列S3中，占空比DC3然后被计算和设置，所述给定线性度将引起1500 W的所选调整目标功率，即，在计算上对应调整目标功率——预先假定的线性度。在当前情况下，占空比DC3为32%。
步骤序列S3然后涉及在所设置的频率f_0和所设置的占空比DC_3的情况下测量由逆变器102所输出的电实际功率。在当前情况下，所测量的实际功率对应目标功率。
因此，随后从具有频率f_0和占空比DC_3的驱动信号AS的操作点开始，在多个步骤序列S4至Sn中接近具有频率f_op1和50%的占空比DC_op1的驱动信号AS的操作点，其中在每种情况下，逐步增加频率f并且适配占空比DC。
在恒定占空比DC的情况下的变量dP/df表明传递函数P(f)对频率f如何进展，使得例如有可能识别传递函数P(f)的峰的左侧的最小数或频率。

Claims (10)

1.一种用于操作用于借助于电感耦合在用电装置(200)的方向上无线传输能量的设备(100)的方法，其中所述设备包括：
- 整流器(101)，其用于从功率供应系统电压(UN)来生成DC电压(UG)，
- 逆变器(102)，其从所述DC电压(UG)馈电，并且配置成生成脉宽调制驱动信号(AS)，以及
- 借助于所述脉宽调制驱动信号(AS)所驱动的线圈(103)，借助于所述线圈，交变磁场是可生成的，以用于传输所述能量的目的，
其中所述方法包括下列步骤：
- 将由所述逆变器(102)所输出的电实际功率控制成可预定义电目标功率，其中所述脉宽调制驱动信号(AS)的频率和占空比用作控制的操纵变量，
- 其中执行下列步骤，以用于向所述目标功率的调整的目的：
a) 设置起始频率(f_0)，
b) 按照这样的方式来设置起始占空比(DC_1)：所述目标功率未达到，
c) 在所设置的所述起始频率(f_0)和所设置的所述起始占空比(DC_1)的情况下测量由所述逆变器(102)所输出的电实际功率，
d) 选择小于或等于所述目标功率的调整目标功率，
e) 计算在计算上对应所述调整目标功率的占空比(DC_2)，
f) 设置所计算占空比(DC_2)，
g) 在所设置的所述频率(f_0)和所设置的所述占空比(DC_2)的情况下测量由所述逆变器(102)所输出的电实际功率，以及
h) 在增加调整目标功率的情况下重复进行步骤d)至g)，直到所述目标功率与所述电实际功率之间的偏差下降到低于预定义阈值，
- 其中在步骤e)中，基于在先前步骤f)中所计算的所述占空比(DC_2)、在先前步骤g)中所测量的所述实际功率以及所述调整目标功率来计算在计算上对应所述调整目标功率的所述占空比(DC_3)。
2.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中
- 对于步骤d)至g)的重复的所述调整目标功率被限制为在先前步骤d)中所选的所述调整目标功率的2.5倍，特别是2倍。
3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中
- 一旦所述目标功率与所述实际功率之间的所述偏差下降到低于所述预定义阈值，就改变所述频率和所述占空比，其中所述目标功率保持为相同，直到建立满足优化标准的由频率(f_op1)和占空比所形成的操作点。
4.如权利要求3所述的方法，其中
- 所述优化标准是所述逆变器(102)的最小电功率损耗。
5.如权利要求4所述的方法，其中
- 在半桥逆变器(102)的情况下，满足所述优化标准的所述操作点具有大于40%的占空比，特别具有接近50%的占空比。
6.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中
- 所述起始频率(f_0)基于由所述用电装置(200)传递给所述设备(100)的数据。
7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中
- 在步骤g)中，除了所述实际功率之外还确定关断所述逆变器(102)的半导体开关(106，107)时的至少一个开关电流，其中如果所述开关电流超过特定电容极限值，则增加对于步骤d)至g)的后续重复的所述频率。
8.一种用于借助于电感耦合在用电装置(200)的方向上无线传输能量的设备(100)，所述设备配置用于执行如前述权利要求中的任一项所述的方法，包括：
- 整流器(101)，其用于从功率供应系统电压(UN)来生成DC电压(UG)，
- 逆变器(102)，其从所述DC电压(UG)馈电，
- 借助于所述逆变器(102)所驱动的线圈(103)，借助于所述线圈，交变磁场是可生成的，以用于传输所述能量的目的，以及
- 控制单元(105)，其配置成按照这样的方式来驱动所述逆变器(102)：执行如前述权利要求中的任一项所述的方法。
9.如权利要求8所述的设备，其中
- 所述设备(100)是感应炉的组成部分。
10.一种系统，包括：
- 如权利要求8或9所述的用于借助于电感耦合在用电装置(200)的方向上无线传输能量的设备(100)，以及
- 用电装置(200)。
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