CN115995889A - 用于操作Ki系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于操作具有用于借助于电感耦合向耗电设备无线传输能量的装置和耗电设备的系统的方法，其中装置具有：整流器，逆变器，设计成生成脉宽调制的激活信号，功率线圈，由脉宽调制的激活信号激活，通信装置，与耗电设备交换数据，以及调节器，设计成将由逆变器输出的功率调节到预定的设定点，以及其中耗电设备具有：开关装置，用于改变耗电设备的负载阻抗，以及通信装置，与装置交换数据，其中方法包括如下步骤：以这样的方式使装置的操作和耗电设备的操作同步，使得在耗电设备的负载阻抗改变期间，脉宽调制的激活信号的转变频率和/或转变占空比以这样的方式设置，使得在耗电设备中感应的电压和/或电流不超过规定阈值和/或降到规定阈值以下。

Description

用于操作Ki系统的方法

技术领域

本发明的目的是提供一种用于操作系统的方法，该系统具有用于借助于电感耦合向耗电设备无线传输能量的装置，并且具有耗电设备和对应的系统，其使得系统能够最可靠地操作，特别是在耗电设备的负载阻抗改变的情况下。

发明内容

该方法用于操作一个系统，该系统具有用于借助于电感耦合（也称为无线功率传递WPT）向耗电设备无线传输能量的装置和耗电设备。关于WPT的基本原理，也可以参考相关的技术文献。该系统优选地根据WPC（无线充电联盟）Ki（无线厨房（Cordless Kitchen））方法操作。借助于电感耦合向耗电设备无线传输能量的装置也可以称为传送器，而耗电设备可以称为接收器。

该装置具有常规的单相或多相整流器，它们用于（特别是从正弦线路电压）生成DC电压。

该装置具有从DC电压供电的逆变器。逆变器可以是例如半桥逆变器或全桥逆变器。逆变器被设计成生成具有可调频率和/或占空比的脉宽调制的激活信号。

该装置具有常规功率线圈或传送器线圈，它们由逆变器控制并且被设计成生成交变磁场来传送能量。为此目的，逆变器生成激活信号，特别是周期性激活信号，特别是以激活电压的形式，并且激活信号激活或施加到功率线圈或包括功率线圈的振荡器电路。激活信号通常具有取决于功率设定点或与功率设定点匹配的操作点。这里的操作点特别是指激活信号的一个或多个属性，例如激活信号的幅度、占空比和/或频率。

该装置具有设计成与耗电设备双向交换数据的通信装置。

该装置还具有调节器，该调节器被设计成将从逆变器输出的功率调节到预定的（功率）设定点。例如，激活信号的频率和/或占空比可以被用作调节器或调节系统的操纵变量。

耗电设备具有用于改变耗电设备的负载阻抗的开关装置。耗电设备的负载阻抗可能由于耗电设备上的可接通/切断的电负载而非常快速地改变。这种可切换的电负载可以例如直接用感应的AC电压和/或在整流器之后操作。

耗电设备具有被设计成与该装置双向交换数据的通信装置。

根据本发明，以这样的方式装置的操作和耗电设备的操作彼此同步，使得在耗电设备的负载阻抗改变之前或期间，脉宽调制的激活信号的转变频率和/或转变占空比以这样的方式设置，使得在耗电设备中感应的电压和/或电流不超过规定阈值和/或降到规定阈值以下。

在一个实施例中，当耗电设备的负载阻抗改变时，调节器被禁用。

在一个实施例中，所述转变频率和/或所述转变占空比以这样的方式设置，使得在所述耗电设备中感应的电压保持小于或等于所述耗电设备的标称电压，不管所述耗电设备的所述负载阻抗如何。例如，标称电压可以是230 V或110 V。

在一个实施例中，对于≤0.45的装置与耗电设备之间的耦合系数，转变频率被设置为≥40 kHz，而对于>0.45到0.8的装置与耗电设备之间的耦合系数，转变频率被设置为≥50 kHz。可选地，占空比可以从例如50%降低到更低的值，以便在任何情况下，甚至在特殊情况下，都感应低于额定电压的电压。关于耦合系数的定义，应当参考相关的技术文献。

备选地，转变频率被设置为零Hz，即逆变器被暂时禁用或切断。

在一个实施例中，该方法包括以下步骤：a）将数据从所述耗电设备传送到所述装置，其中所述数据指示所述耗电设备需要/计划改变其电负载阻抗，b）此后，将数据从所述装置传送到所述耗电设备，其中所述数据指示所述耗电设备的数据已经被所述装置接收，并且禁用调节器以及调整所述转变频率和/或所述转变占空比，c）此后，改变所述耗电设备的所述负载阻抗并将数据从所述耗电设备传送到所述装置，其中所述数据指示所述耗电设备已经改变了其负载阻抗，以及d）此后，激活调节器并且将由所述逆变器输出的电功率调节到固定设定点。

在一个实施例中，在步骤a）中从所述耗电设备传送到装置的数据附加地包括期望设定点，其中在步骤d）中取决于所述期望设定点来设置所述固定设定点，特别是等于所述期望设定点。

在一个实施例中，在步骤a）中从耗电设备传送到装置的数据包含附加信息或标识负载改变后的负载阻抗的值。该值将例如与期望设定点无关的电阻或负载阻抗描述为例如作为接收器质量Q_PRx。

在一个实施例中，在所述线路电压的过零点（zero crossing）附近的时间范围内，在耗电设备和装置之间传送数据。

根据本发明的系统具有上述装置和上述耗电设备，它们被设计成实行根据本发明的方法。

在以下解释中，借助于电感耦合向耗电设备无线传输能量的装置也可以称为传送器，而耗电设备可以称为接收器。

本发明特别地用于向以符合Ki标准的厨房电器形式的无线接收器供应能量。本发明使得能够快速、同步地切换接收器中的负载阻抗和传送器中的功率，而对接收器中的感应负载电压几乎没有影响，同时可靠地避免了由于来自相对侧的相应确认而引起的过电压。正常情况下，只必需中断或限制针对线路电压的一个半波的功率供应。

Ki规范意在支持具有多个负载元件的装置，诸如具有一个或两个可切换加热电阻的所谓的吹风机，以及设计成在吹风机操作时持续循环空气的风扇。

如果负载阻抗由于负载元件被接通或切断而改变，则这影响功率传输并且传输函数P（f）改变。

如果传送器工作在频率为f_op_1的操作点，并且占空比DC_op_1使标称功率P_soll_1与负载电压U_Last_1r匹配，那么在很多情况下，当通过切断部分负载阻抗来增加负载阻抗时，在接收器中感应的电压会突然增加到更高或临界电压值。接收器中的电压增加特别重要，尤其是在过压非常高且发生闪络的情况下。另一方面，当通过接通部分负载阻抗来降低负载阻抗时，在接收器中感应的电压崩溃。

接收器的负载阻抗也能随机地或者以计划外的方式改变，例如在马达的情况下，如果所要求的扭矩（例如作为切割食物的结果）而改变。负载阻抗中的这些改变不是本发明的目的，因为接收器原则上不能知道这种改变何时以及以何种方式发生。然而，这些改变通常发生缓慢，并且因此不如负载阻抗的突然切换那么重要。

当接收器中不同负载的计划切换发生时，接收器能提前通知传送器关于负载阻抗即将发生改变。负载阻抗的改变会对传送器中功率传输的操作点具有相关影响。

例如，如果负载之一是马达，其速度正常由用户通过听觉感知，则努力确保并联连接的（一个或多个）负载上的电压在切换期间尽可能小地改变。

应不惜一切代价避免在接收器中感应过压，因为可能的闪络也能够造成安全风险。

由于根据本发明在线路电压的预定数量的线路半波中，例如在通告的数据传输之后的第四线路半波中，预先通告了负载改变或负载阻抗中的改变，传送器可以保持其旧的功率设定点恒定，直到当负载阻抗被接收器切换时的线路半波为止。例如，在具有所通告的切换操作的线路半波中，传送器中的调节被中断，并且激活信号的操作频率被切换到高频，和/或激活信号的占空比被切换到低值，和/或功率供应被中断。

例如，当预先通告负载改变时，接收器发送指示其未来负载的特性值，例如Q_PRx，以及传送器调节器的未来功率设定值。传送器将确认它已经在下一个或下一个数据传输时间间隔之一中接收到通告，并且它将在预定的后续功率传递时间间隔中中断调节。通过传送器的确认，接收器现在可以准备其负载改变。如果在接收器中使用低成本继电器来切换负载，则必须考虑致动和释放延迟以及它们的容差，这就是为什么对于50或60Hz操作，切换应该优选地发生在下下一个功率传递时间间隔。没有来自传送器的确认，接收器不必实行负载改变。成功切换其负载后，接收器向传送器确认切换的实现。确认负载切换后，传送器可以调节到新的设定点。

从传送器的角度来看，接收器质量Q_PRx与接收器的谐振频率一起充分表征了功率传输的有效负载阻抗R_L：

其有接收器谐振频率f_s、接收器电感L_s和负载电阻或负载阻抗R_L。

本发明的一个基本特征是接收器中负载（阻抗）的同步切换，这允许传递函数从而还有操作点以相关的方式随着传送器中调节的调整而改变，其中突然的负载改变由接收器通告。突然的负载改变可以在通告后的若干（例如4个）线路半波实行。传送器可以在数据传输时间间隔内，例如下一个，即通告后的2个线路半波，确认负载改变。在接收到传送器确认后，接收器可以接通或切断负载，优选在下下一个线路半波中。接收器然后可以确认成功切换，优选地在下一个线路半波中，使得传送器能继续其在新操作点的调节。

在功率传输可以在确认负载的成功切换之后通过利用调整的调节参数调节到设定点而重新开始之前，直到直接在负载改变之前的线路半波之前，传送器以第一负载的设定点操作，在切换线路半波中或直到来自接收器的确认，它以预定的、非临界操作点（例如在具有高操作频率和/或低占空比或中断的功率传输的操作点）没有调节地操作。

附图说明

在下文中参考附图详细描述本发明。在附图中：

图1示出了一个系统的电路框图，该系统具有用于无线传输能量的装置和关联的耗电设备，

图2示出了用于改变图1中所示耗电设备的负载阻抗的开关装置的高度示意性电路图，以及

图3示出了根据本发明的方法的时域序列。

具体实施方式

图1示出了系统的电路框图，该系统具有用于借助于电感耦合向耗电设备200无线传输能量的装置100，以及借助于装置100供电的耗电设备200。

装置100具有整流器108，用于从AC电压网络300的常规单相线路电压U_N生成DC电压U_S。

装置100还具有逆变器102，逆变器具有开关部件109和110，逆变器从DC电压U_S馈电，并且被设计成生成脉宽调制的激活信号A_S。

装置100还具有电容器104、105，电容器在整流器108的输出端子或电源电压U_S之间串联成回路。

装置100还具有借助于脉宽调制的激活信号A_S激活的功率线圈101，其中电容器104、105和功率线圈101以这样的方式互连，使得它们形成振荡器电路103。为此目的，功率线圈101的一个端子电连接到逆变器102的半导体开关部件109、110的连接节点，而功率线圈101的另一端子电连接到电容器104、105的连接节点。

不言而喻，所示的逆变器和振荡器电路拓扑只是示例。在本发明的上下文中，例如，可以使用具有全桥的逆变器，并且可以使用以其它方式互连的串联或并联振荡器电路等。

借助于功率线圈101生成交变磁场来传送能量。

装置100还具有耦合到通信线圈112的通信装置111。通信装置111连同通信线圈112用于与耗电设备200的双向数据交换。

装置100还具有调节器116，该调节器被设计成将由逆变器102输出的功率调节到预定设定点，其中激活信号A_S的频率和/或占空比被用作操纵变量。

耗电设备200具有功率线圈201和下游无源LC谐振电路202。

耗电设备200还具有用于改变耗电设备200的负载阻抗的开关装置203。元件204和205被示为可以被接通或切断的负载的示例。

图2示出了开关装置203及其周围装置的高度示意性电路图。开关装置203具有开关部件211、212、213和214，开关部件由用于改变负载阻抗的逻辑单元215激活。开关部件211和212开关电阻性负载204a或204b，电阻性负载直接从LC谐振电路202提供高频电压。开关部件213开关电感性负载205b，并且开关部件214开关电动马达205a。具有下游电容器210的可选整流器209对LC谐振电路202的高频输出电压进行整流，其中如此整流的电压被用于供给电动马达205a和电感性负载205b。

耗电设备200还具有耦合到通信线圈207的通信装置206。通信装置206连同通信线圈207用于与装置100的双向数据交换。

耗电设备200还具有控制耗电设备200的操作的控制装置208。控制装置208具有到开关装置203和通信装置206的数据连接。除此之外，控制装置208还通过开关装置203的适当激活以及与装置100的通信来控制负载阻抗的同步改变。

根据本发明，以这样的方式使装置100的操作和耗电设备200的操作同步，使得在耗电设备200的负载阻抗改变期间，脉宽调制的激活信号A_S的转变频率和/或转变占空比以这样的方式设置，使得在耗电设备200中生成或感应的电压U_1不超过600 V的规定阈值。

下面参考图3详细描述根据本发明的系统操作。

图3首先示出了作为整流线路半波的序列的电源电压U_S的时域波形，标记为“A”。图3还示出了负载阻抗的时域波形，标记为“B”。图3还示出了负载电压U_1的RMS值，标记为“C”。最后，图3示出了调节器116的设定点的时域波形，标记为“D”，其描述了要由逆变器102输出的功率。

在前三个线路半波期间，功率传输时间间隔LZI期间的功率设定点是1500瓦。得到230 V的负载电压U_1的RMS值。如果必要，在线路电压U_N的过零点附近的数据传输时间间隔DZI期间进行数据传输。

在时间t1，耗电设备200向装置100发送数据，其中该数据指示耗电设备200计划改变其电负载阻抗。

在时间t2，装置100向耗电设备200发送数据，其中该数据指示来自耗电设备200的数据已经被装置100接收到，并且装置100将如意图的那样支持负载阻抗的改变。

在时间t3的线路半波之后，装置100去激活其调节器116，并且以这样的方式调整转变频率和/或转变占空比，使得电压U_1的RMS值总是小于230 V的阈值，不管负载阻抗如何。

在时间t4，耗电设备200改变其负载阻抗。

在时间t5，耗电设备200向装置100传送数据，其中该数据指示耗电设备200已经改变了其负载阻抗。

从时间t6，装置100基于50瓦的功率设定点激活其调节器116，这完成了负载阻抗改变。

Claims (10)

1.一种用于操作系统的方法，所述系统具有用于借助于电感耦合向耗电设备（200）无线传输能量的装置（100）和耗电设备（200），

-其中，所述装置（100）具有：

-整流器（108），用于从线路电压（U_N）生成DC电压（U_S），

-逆变器（102），其从所述DC电压（U_S）馈电，并被设计成生成脉宽调制的激活信号（A_S），

-功率线圈（101），由所述脉宽调制的激活信号（A_S）激活，借助于所述功率线圈能生成交变磁场以传送能量，

-通信装置（111），其被设计成与所述耗电设备（200）双向交换数据，以及

-调节器（116），其被设计成将由所述逆变器（102）输出的功率调节到预定的设定点，以及

-其中，所述耗电设备（200）具有：

-开关装置（203），用于改变所述耗电设备（200）的负载阻抗，以及

-通信装置（206），被设计成与所述装置（100）双向交换数据，

其中所述方法包括如下步骤：

-以这样的方式使所述装置（100）的操作和所述耗电设备（200）的操作同步，使得在所述耗电设备（200）的负载阻抗改变期间，所述脉宽调制的激活信号（A_S）的转变频率和/或转变占空比以这样的方式设置，使得在所述耗电设备（200）中感应的电压（U_1）和/或电流不超过规定阈值和/或降到规定阈值以下。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

-当所述耗电设备（200）的所述负载阻抗改变时，所述调节器（116）被禁用。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-所述转变频率和/或所述转变占空比以这样的方式设置，使得在所述耗电设备（200）中感应的电压（U1）保持小于或等于所述耗电设备（200）的标称电压，不管所述耗电设备（200）的所述负载阻抗如何。

4. 如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-对于≤0.45的所述装置（100）与所述耗电设备（200）之间的耦合系数，所述转变频率被设置为≥40 kHz，并且

-对于>0.45的所述装置（100）与所述耗电设备（200）之间的耦合系数，所述转变频率被设置为≥50 kHz。

5.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，

-所述转变频率为零赫兹。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于以下步骤：

a）将数据从所述耗电设备（200）传送到所述装置（100），其中，所述数据指示所述耗电设备（200）计划改变其电负载阻抗，

b）此后，将数据从所述装置（100）传送到所述耗电设备（100），其中，所述数据指示所述耗电设备（200）的数据已经被所述装置（100）接收，并且调整所述转变频率和/或所述转变占空比，

c）此后，改变所述耗电设备（200）的所述负载阻抗并将数据从所述耗电设备（200）传送到所述装置（100），其中，所述数据指示所述耗电设备（200）已经改变了其负载阻抗，并且

d）此后，将由所述逆变器（102）输出的电功率调节到固定设定点。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，

-在步骤a）中，从所述耗电设备（200）传送到所述装置（100）的数据附加地包括期望设定点，其中，在步骤d）中，取决于所述期望设定点来设置所述固定设定点，特别是等于所述期望设定点。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，

-在步骤a）中，从所述耗电设备（200）传送到所述装置（100）的所述数据包括标识未来负载阻抗的附加信息。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

-在所述线路电压的过零点附近的时间范围内，在所述耗电设备（200）和所述装置（100）之间传送数据。

10. 一种系统（1），包括：

-用于借助于电感耦合向耗电设备（200）无线传输能量的装置（100）；以及

-耗电设备（200），

-其中，所述装置（100）具有：

-整流器（108），用于从线路电压（U_N）生成DC电压（U_S），

-逆变器（102），其从所述DC电压（U_S）馈电，并被设计成生成脉宽调制的激活信号（A_S），

-功率线圈（101），由所述脉宽调制的激活信号（A_S）激活，借助于所述功率线圈能生成交变磁场以传送能量，

-通信装置（111），其被设计成与所述耗电设备（200）双向交换数据，以及

-调节器（116），其被设计成将由所述逆变器（102）输出的功率调节到预定的设定点，以及

-其中，所述耗电设备（200）具有：

-开关装置（203），用于改变所述耗电设备（200）的负载阻抗，以及

-通信装置（206），被设计成与所述装置（100）双向交换数据，

-其中，所述装置（100）和所述耗电设备被设计成实行如前述权利要求中任一项所述的方法。

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