DE112015006497T5

DE112015006497T5 - Senderseitige steuerung eines drahtlosleistungsübertragungssystems ohne verwendung von transformatorkopplungsinformationen oder drahtlosrückkopplung

Info

Publication number: DE112015006497T5
Application number: DE112015006497.4T
Authority: DE
Inventors: Wenxing Zhong; Shu Yuen Hui
Original assignee: University of Hong Kong HKU
Current assignee: University of Hong Kong HKU
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2018-01-25
Also published as: US20180294672A1; US10305331B2; CN108141055A; CN108141055B; WO2016172916A1

Abstract

Drahtlos-Leistungsübertragungssysteme und Verfahren werden angegeben. Kein Drahtloskommunikationssystem ist erforderlich für Rückkopplung von Ausgangsinformationen von der Empfängerseite zu der Senderseite. Kenntnisse über die gegenseitige Kopplung oder Gegeninduktion zwischen der Senderseite und der Empfängerseite sind ebenfalls nicht erforderlich. Ein System kann einen Zwischenkondensator in der Empfängerschaltung als Stromflussindikator und Hysterese Ein/Aus Schaltvorgänge eines Entkopplungs-Leistungsschalters in der Empfängerschaltung besitzen, um die Gleichspannung des Zwischenkondensators (zur Spannungssteuerung) und des Laststroms (zur Stromsteuerung) auf einen Nennwert innerhalb eines engen Toleranzbands zu regeln. Die Einschalt- und Ausschaltzeiten des Entkopplungsschalters in der Empfängerschaltung können in der Senderschaltung aus beispielsweise der Primärwicklungsstromstärke oder -Spannung erfasst werden. Dies kann dazu verwendet werden, um dem Leistungsbedarf in der Empfängerschaltung dynamisch zu entsprechen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Systeme der induktiven Leistungsübertragung (IPT) oder Drahtlos-Leistungsübertragung (WPT) haben jüngst eine hohe Aufmerksamkeit unter Forschern und in Wirtschaftskreisen erfahren. Jüngste Forschungsgebiete haben sich auf mehrere Haupteinsatzbereiche konzentriert, einschließlich dem Drahtlos-Laden von Unterhaltungselektronik, Elektro-Fahrzeugen, mobilen Robotern, und medizinischen Implantaten. WPT-Systeme werden beispielsweise in Special Issue, Wireless Power Transmission, Technology & Applications, Proceedings of the IEEE, Juni 2013, Vol. 101, Nr. 6, erläutert.
Aus dem Stand der Technik bekannte WPT-Anwendungen erfordern Kenntnisse über die Gegenkopplung (k) oder Gegeninduktion (M) zwischen der Sender(Tx)-Spule und der Empfänger(Rx)-Spule, um den Stromfluss von der Tx-Seite zur Rx-Seite zu steuern bzw. zu regeln. Beispielsweise können für das Drahtlos-Laden von Elektrofahrzeugen und tragbarer Unterhaltungselektronik die Relativpositionen der Tx-Spule und der Rx-Spule typischerweise nicht exakt ortsfest sein. Das Wesen eines WPT-Systems macht es erforderlich, dass die Empfängerschaltung von der Senderschaltung physisch getrennt wird. Um eine gute Stromregelung in der Empfängerschaltung zu haben, wird manchmal eine Rückkopplung erforderlich. Wie in diesem technischen Gebiet üblich, bezieht sich eine primäre Steuerung auf die Verwendung der Senderschaltung zur Steuerung des Stromflusses in der Empfängerschaltung. Weil die Tx und Rx-Schaltungen physisch voneinander getrennt sind, erfordert die Primärsteuerung einen Kanal, um auf der Empfängerseite Informationen zur Rückkopplungssteuerung zu erhalten.
In Vorrichtungen verwandter Technik lassen sich primäre Steuerungs- bzw. Regelungsverfahren für WPT-Systeme in die folgenden Gruppen unterteilen: (i) Verwendung einer primärseitigen Steuerung, die Drahtloskommunikationssysteme erfordert, um von der Empfängerschaltung erhaltene Informationen für einen geschlossenen Regelkreis zurück an die Senderschaltung zu führen; oder (ii) Verwendung einer primärseitigen (Sender)-Steuerung, die Informationen über die Gegenkopplung (k) oder Gegeninduktion (M) zwischen den Tx und Rx-Spulen erfordert.
Beispiele des ersten Typs des primären Steuerungsverfahrens umfassen jene von Si et al. (Proc. 2nd IEEE Conf. Ind. Electron. Appl., 2007, pp. 235–239), Malpas et al. (IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., vol. 2, no. 1, pp. 22–29, Mar. 2008), Li et al. (International Power Electronics Conference, 2010, pp: 1050–1055), Kim et al. (Electron. Lett., Vol.48, No.8, pp. 452–454, 12 April 2012), and Miller et al. (IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, Vol. 3, No.1, March 2015, pp: 147–162). 1 zeigt ein Schaltungsschema einer primären Steuerung eines Drahtlos-Leistungsübertragungssystems unter Verwendung eines Drahtlos-Kommunikationssystems für Rückkopplungszwecke (Miller et al. supra.).
Beispiele des zweiten Typs des primären Steuerungsverfahrens umfassen jene von Thrimawithana et al. (IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), 2010, 14–17 March, 2010, pp: 661–666), Zaheer et al. (IEEE-EMBS International Conference on Biomedical and Health Infomatics (BHI 2012), Hong King and Shenzhen, China, 2–7 Jan. 2012, pp: 174–179), Hui et al. U.S. Patent Application Serial No. 61/862,627 , Aug. 6, 2013), Trivino-Cabrera et al. (IEEE International Electric Vehicle Conference (IEVC) 2014, Florence, Italy, 17–19 Dec. 2014, pp: 1–5), and Yin et al. (IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 30, Issue 3, 2015, pp: 1657–1667). Allgemein nutzen solche systeme entweder einen vorgegebenen Wert von M oder schätzen den Wert von M, so dass die Ausgangsspannung aus Informationen berechnet werden kann, die auf der primären bzw. Senderseite verfügbar sind.
WPT-Systeme können einen Entkopplungsschalter in der Empfängerschaltung verwenden. Solche Entkopplungsschalter wurden üblicherweise dazu verwendet, eine spezifische Last von dem Sendersystem zu entkoppeln.
2A zeigt ein Schaltungsschema einer typischen Schaltung, die einen Nebenschluss-Entkopplungsschalter S beinhaltet. Sie beinhaltet eine Senderschaltung, die eine Sender (Primär) Wicklung mit einer Eigeninduktivität L₁ treibt, die magnetisch an die Empfänger (Sekundär) Wicklung L₂ gekoppelt ist. Die Sekundärschaltung beinhaltet einen LC-Resonanzkreis umfassend L₂ und C₂. Der Nebenschlussentkopplungsschalter kann ebenfalls auf die Sekundärschaltung mit einer Reihen-Resonanz LC-Schaltung angewendet werden, die durch die in reihe geschalteten L₂ und C₂, die in 2B dargestellt sind, gebildet wird. Ein solche Reihenresonanz-ausgeglichene Schaltung mit einem Nebenschluss-Entkopplungsschalter wurde von Boys et al. ( US Patent Nr. 7,279,850 ) berichtet. Auf Grundlage der Schaltungstheorie kann die Ersatzimpedanz der Last in der Empfänger(Sekundär)-Schaltung auf der Primärseite nicht reflektiert werden. Für das in 2B gezeigte Beispiel handelt es sich bei dem Entkopplungsschalter um einen „Nebenschluss“-Schalter, weil er einen „Kurzschluss“ an dem Ausgang des Dioden-Gleichrichters in der Empfänger(Sekundär)-Schaltung verursachen kann. Wenn dieser Nebenschluss-schalter geschlossen ist, wird der Sekundärstrom zur Masse der Sekundärschaltung kurzgeschlossen und die Last wird von dem Stromfluss von der Primärschaltung durch die Diode D entkoppelt (also isoliert), welche sich in einem Sperrzustand befindet. Somit wird die reflektierte Impedanz der Last R_L zur Primärseite sehr groß, wenn der Nebenschluss-Entkopplungsschalter geschlossen ist.
Chan et al. (IEEE Transactions on Circuits and Systems – I, Vol. 59, No.8, August, 2012, pp: 1805–1814) haben eine andere Art von Entkopplungsschalter beschrieben. Der Schalter ist von einem „Reihen“-Typ, der in der Ladeschutzschaltung aufgenommen ist (3A). Dieser „Reihen“ Schalter Ms wird dazu verwendet, die Batterie vor Zuständen einer Überspannung oder übermäßigen Stromstärke zu schützen (3B). Unter normalen Bedingungen ist dieser Reihenschalter Ms eingeschaltet, wodurch die Batterielast mit der gleichgerichteten (DC) Gleichspannung Vs in der Sekundärschaltung verbunden wird. Wenn die Batteriespannung Vb eine bestimmte obere Schwellspannung übersteigt, wird MS durch die Steuerung der „Spannungsschutzschaltung“ ausgeschaltet, um einen Zustand übermäßiger Spannung zu vermeiden. Ms wird eingeschaltet, wenn Vb auf einen unteren Schwellspannungspegel abfällt. Ms wird ausgeschaltet, wenn der Ladestrom einen bestimmten maximalen Pegel durch die Steuerung der „Stromschutzschaltung“ (3B) übersteigt.
Sowohl im Fall des „Nebenschluss“-Schalters als auch im Falls des „Reihen“-Schalters werden die Schaltvorgänge (also Ein- und Auszustände des Entkopplungsschalters) die reflektierte Impedanz auf der Primärseite beeinträchtigen. Wenn beispielsweise der Nebenschluss-Entkopplungsschalter S (siehe z.B. 2A und 2B) geschlossen ist, wird der Ausgang des Gleichrichters in der Sekundärschaltung „kurzgeschlossen“, und die Last wird von der Sekundärschaltung isoliert. Folglich wird sich die reflektierte Impedanz der Last zur Primärseite ändern, was zu einer entsprechenden Änderung in der Stromstärke und/oder der Spannung der Primärwicklung führt. Wenn der Reihenentkopplungsschalter (vgl. bspw. 3B) hingegen offen ist, wird die Last von der Sekundärseite elektrisch isoliert. Die reflektierte Lastimpedanz zur Primärseite wird sich ändern, wodurch eine Änderung in der Stromstärke und/oder Spannung der Primärwicklung bewirkt wird.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung stellt Drahtlos-Leistungsübertragungssystem bzw. WPT-Systeme und Verfahren bereit, die eine primärseitige (Sender)-seitige Steuerung durchführen, die kein Drahtloskommunikationssystem (z.B. Funkfrequenz (RF) System) zwischen der Primärseite und der Sekundär(Empfänger)-Seite (z.B. für eine Rückkopplung) benötigen. Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung erfordern ebenfalls keine Kenntnis des Gegeninduktion- oder Kopplungsfaktors zwischen den Primär- und Sekundärseiten.
In einer Ausführungsform kann ein WPT-System umfassen: eine Senderschaltung, aufweisend eine Senderwicklung; und eine Empfängerschaltung, aufweisend eine Empfängerwicklung, einen Zwischenkondensator, und einen Entkopplungsschalter. Leistung wird mittels magnetischer Kopplung eines magnetischen Flusses zwischen der Senderwicklung und der Empfängerwicklung drahtlos übertragen. Das System kann senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung implementieren, ohne Informationen über eine Gegeninduktion zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung und ohne eine Drahtlos-Kommunikationsschaltung zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung, die eine Rückkopplung (z.B. eine oder mehr Rückkopplungs-Steuersignale) bereitstellt, zu verwenden. Für den Spannungssteuermodus kann die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung mithilfe einer Spannung des Zwischenkondensators als Indikator für die Stromflusssteuerung implementiert sein. Der Entkopplungsschalter kann als Steuermechanismus verwendet werden, um die Spannung des Zwischenkondensators auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln. Für den Stromstärken-Steuermodus kann der Entkopplungsschalter als Steuermechanismus verwendet werden, um den Ausgangsstrom zu der Last der Empfängerschaltung auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln.
In einer anderen Ausführungsform kann ein WPT-Steuerungsverfahren ein WPT-System steuern, welches aufweist: eine Senderschaltung aufweisend eine Senderwicklung; eine Empfängerschaltung aufweisend eine Empfängerwicklung, einen Zwischenkondensator, und einen Entkopplungsschalter. Das Verfahren kann umfassen: Drahtloses Übertragen von Leistung durch magnetische Kopplung eines magnetischen Flusses zwischen der Senderwicklung und der Empfängerwicklung; und Implementieren einer senderseitigen Eingangsleistungs-Steuerung und einer empfängerseitigen Ausgangsleistungs-Steuerung, ohne Informationen über die Gegeninduktion zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung zu nutzen, und ohne eine Drahtloskommunikationsschaltung zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung, welche eine Rückkopplung (z.B. ein oder mehr Rückkopplungs-Steuersignale) bereitstellt. Für den Spannungssteuermodus kann die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung mithilfe einer Spannung des Zwischenkondensators als Indikator für die Energieflusssteuerung implementiert sein. Der Entkopplungsschalter kann als Steuerungsmechanismus verwendet werden, um die Spannung des Zwischenkondensators auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln. Für den Stromstärken-Steuermodus kann der Entkopplungsschalter als Steuermechanismus verwendet werden, um den Ausgangsstrom zu der Last der Empfängerschaltung auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein Schaltungsschema einer Primärsteuerung eines Drahtlos-Leistungsübertragungssystems unter Verwendung eines Drahtloskommunikationssystems für Rückkopplungszwecke.
2A zeigt eine Ersatzschaltung für ein Induktions-Leistungsübertragungssystem mit einem Entkopplungsschalter S in der Sekundärschaltung, der eine parallele LC-Ausgleichsschaltung beinhaltet.
2B zeigt eine Ersatzschaltung einer Sekundärschaltung, beinhaltend einen Nebenschluss-Entkopplungsschalter und eine Reihenresonanz LC Ausgleichsschaltung.
3A zeigt ein Schaltungsschema einer Drahtlos-Leistungsübertragungssystems mit einer Ladungsschutzschaltung.
3B zeigt ein Schaltungsschema, das die Nutzung eines Reihenschalters Ms in einer Ladeschutzschaltung darstellt, um die Batterie in Zuständen einer Überspannung oder übermäßigen Stromstärke zu entkoppeln.
4 zeigt ein Schaltungsschema der Struktur eines Zwei-Spulen Drahtlos-Leistungsübertragungssystems bzw. WPT-Systems, das eine Konstantstrom-Steuerung einsetzt.
5 zeigt ein Schaltungsschema eines WPT-Systems, bei dem ein direktionaler Schalter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
6 zeigt ein Schaltungsschema eines WPT-Systems, bei dem ein bidirektionaler Schalter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
7 zeigt ein Schaltungsschema eines WPT-Systems, bei dem ein Vollbrücken-Synchrongleichrichter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
8 zeigt ein Schaltungsschema einer Hysterese-Ausgangsleistung-Regelschleife für die Sekundärseite des WPT-Systems aus 5.
9 zeigt Wellenformen der Kondensatorspannung, des Gate-Signals für den Entkopplungsschalter, und den Primärstrom in der Zeitdomäne.
10 zeigt einen Steuerblock (oben) und ein Schaltungsdiagramm (unten) für einen primärseitigen Vollbrücken-Inverter, der ein Phasenverschiebungs-Steuerungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendet.
11 zeigt eine Regelschleife für den primären Wechselrichter, der ein Frequenzsteuerungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchführt.
12 zeigt eine Regelschleife für einen primärseitigen Gleichspannungswandler, um die Eingangsgleichspannung eines Wechselrichters zu regeln; der Wechselrichter kann mit einer konstanten Frequent arbeiten.
13 zeigt ein Bild einer Spule in einem WPT-System gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt ein Bild eines WPT-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 zeigt Simulationsergebnisse des Stroms in einem primärseitigen Resonator und der Ausgangsspannung, wenn das quadratische Mittel der Sender-Ausgangsspannung 5 V beträgt.
16 zeigt eine sekundärseitige Ausgangs-Gleichspannung eines Systems in der Startphase.
17 zeigt eine Ausgangsspannung eines Systems in einem betriebsbereiten Zustand.
18 zeigt eine finale Ausgangsspannung, die an einem Resonator der Primärspule angelegt wird.
19 zeigt ein WPT-System, bei dem eine Hysterese-Stromsteuerung in der Sekundärschaltung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
20 zeigt eine Wellenform des Laststroms im Hysterese-Stromsteuerungsmodus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In vielen Drahtlos-Leistungsübertragungsanwendungen bzw. WPT-Anwendungen besteht Bedarf an einem einfachen, primärseitigen Steuerungsverfahren, das von der genauen Kenntnis der Gegeninduktion zwischen den Sender (Tx; Primär) und Empfänger(Rx, Sekundär)-spulen unabhängig ist und das keine Drahtlos- bzw. Funk(RF)-Kommunikationssysteme zwischen Tx und Rx-Schaltungen benötigt. Wenn beispielsweise ein Elektrofahrzeug über einem Drahtlos-Ladesystem am Boden geparkt wird, variiert die Gegeninduktion zwischen der Tx-Spule (ortsgebunden am Boden) und der Rx-Spule (bewegbar mit dem Fahrzeug) von einer Parkposition zur nächsten. Ein weiteres Beispiel ist das Laden eines Mobiltelefons auf einem Drahtlos-Lade-Pad. Wenn ein Mobiltelefon auf einer Ladefläche platziert wird, ist es möglich, dass die Gegeninduktion zwischen den Tx- und Rx-Spulen nicht jedes Mal gleich ist.
Die Schaltvorgänge eines Entkopplungsschalters in der Sekundärseite eines WPT-Systems können die reflektierte Impedanz zur Primärseite beeinflussen, und derartige Schaltvorgänge können plötzliche Veränderungen in den Beträgen der Stromstärke und der Spannung in der Primärwicklung bewirken. Jedoch gibt es keine systematische Theorie und Verfahren dahingehend, wie diese zwei Stücke von Informationen für einen geschlossenen Regelkreis auf der Primärseite zu nutzen sind, ohne das Gegeninduktions-Informationen und ein Funk-Kommunikationssystem erforderlich sind, welche die Lastinformationen rückkoppeln können. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise im Hinblick auf einen Spannungssteuerungsmodus und einen Stromsteuerungsmodus verwirklicht werden. Diese Steuerungsmodi können entweder einzeln oder zusammen verwendet werden, in Abhängigkeit vom Einsatzbereich. Sowohl der Spannungssteuerungsmodus als auch der Stromsteuerungsmodus werden hier beschrieben.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen WPT-Systeme und Verfahren, die eine primärseitige Eingangsleistungs-Steuerung und/oder eine sekundärseitige Hysterese-Ausgangsleistungs-Steuerung einsetzen. Es wird weder eine Kenntnis einer Gegeninduktion benötigt, noch ein Funk-Kommunikationssystem zum Rückkoppeln der Lastbedingungen an die Primärseite. Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung können die Nutzung von einem oder mehr der folgenden Elemente beinhalten: (1) die Spannung eines Zwischenkondensators in der Sekundärschaltung als Indikator für eine Leistungs-/Energieübertragung; (ii) eine Hysterese-Steuerung eines Entkopplungsschalters, um den Zwischenkondensator zu „laden“ und zu „entladen“, um die Kondensatorspannung innerhalb des oberen und unteren Toleranzbands eines Nennspannungspegels zu regeln; und (iii) die Ladezeit und Entladezeit, die in der Primärschaltung als Rückkopplungsvariablen zur Steuerung der Eingangsleistung der Primarschaltung für einen geschlossenen Regelkreis des WPT-Systems erfasst werden. Beispielsweise können alle drei der Elemente kombiniert und zusammen verwendet werden.
Der Zwischenkondensator kann ein Kondensator sein, der einen Leistungs- bzw. Strompuffer zwischen der durch die Sekundärwicklung aufgenommenen Leistung zur Last bereitstellt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung benötigen keine präzisen Informationen über die Gegeninduktion zwischen den Tx und Rx-Spulen und benötigen kein Funk-Kommunikationssystem zwischen den Tx und Rx-Schaltungen.
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung können auf eine Reihe von Stromrichtern, die gemeinhin in einer Senderschaltung eines WPT-Systems eingesetzt werden, angewendet werden. Beispiele solcher Wandler umfassen: einen Wechselrichter (Gleichstrom-Wechselstrom), auch als Power Inverter bezeichnet, der eine Phasenverschiebungs-Steuerung einsetzt (bei der die Regelgröße für die Eingangsleistungssteuerung die Phasenverschiebung des Wechselrichters ist); einen Wechselrichter, der eine Frequenzsteuerung einsetzt (bei der die Regelgröße für die Eingangsenergiesteuerung die Frequenz der Ausgangswechselspannung des Wechselrichters ist); und einen Zwei-Stufen-Stromrichter, beispielsweise einen AC/DC/AC Stromrichter oder einen DC/AC/DC Stromrichter, mit variabler Spannungssteuerung am DC Zwischenspannungskreis (wo die Eingangsleistungssteuerung durch Steuerung der Ausgangsgleichspannung der ersten Leistungsstufe durchgeführt wird).
4 zeigt ein Schaltungsschema der Struktur des Zwei-Spulen-WPT-Systems, welches eine Konstantstrom-Steuerung durchführt. Die Sekundärschaltung dieses WPT-Systems beinhaltet eine Reihenresonanz-Ausgleichsschaltung einschließlich L₂ und C₂. Unter Bezugnahme auf 4, falls die Last R_L auf der Sekundärseite an der Primärseite reflektiert wird, wird der reflektierte Lastwiderstand R_reflected:
wobei
die Ersatzimpedanz in den Gleichrichter gesehen ist, R_p2 der Widerstand der Sekundärwicklung ist, ω die Winkelfrequenz ist und M die Gegeninduktion zwischen den Primär-(Tx) und Sekundär(Rx)-Wicklungen ist.
Gleichung (1) stellt wichtige Erkenntnisse hinsichtlich des Unterschieds zwischen der Verwendung eines Nebenschluss-Entkopplungsschalters und eines Reihenentkopplungsschalters bereit. Falls ein „Nebenschluss“- bzw. „Shunt“-Entkopplungsschalter für die Sekundärschaltung verwendet wird, mit einer Reihenresonanz L₂C₂ Ausgleichsschaltung (wie in 5 dargestellt), wird die reflektierte Impedanz der Sekundärschaltung zur Primärseite hin groß, wenn der Nebenschlussschalter geschlossen ist, um die Last elektrisch zu isolieren. Dies kann eine Verringerung der Stromstärke der Primärwicklung bewirken, was ein vorteilhaftes Merkmal darstellt (hinsichtlich hoher Energieeffizienz und geringer Strombelastung), nicht nur für Anwendungen mit geringen Leistungen, sondern auch für Anwendungen mit mittleren bis hohen Leistungen. Falls ein „Reihen“-Entkopplungsschalter für die Sekundärschaltung mit einer Reihenresonanz L₂C₂ Ausgleichsschaltung verwendet wird, wird die reflektierte Impedanz zur Primärseite hin klein, wenn der Reihenschalter offen ist, um die Last elektrisch zu isolieren. Dies kann einen Anstieg in der Stromstärke in der Primärwicklung bewirken, was vergleichsweise nachteilig sein kann. Deshalb wird in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Nebenschlussschalter verwendet. Es kann ebenfalls einfacher sein, eine Gate-Treiberschaltung für einen Nebenschlussschalter zu entwerfen, weil eine solche Gate-Treiberschaltung die gesamte Masse mit dem Nebenschluss-Schalter in der Sekundärschaltung teilen kann.
Die zu Sekundärseite (P_out) hin gelieferte Leistungsabgabe beträgt:
wobei i_p die Stromstärke in der Primär (Tx) Wicklung ist.
Falls die Leistungsverluste des Konverters und R_p2 verglichen mit der Leistungsabgabe vernachlässigbar sind, kann die abgegebene Leistung ausgedrückt werden als:
Die abgegebene Leistung kann hingegen ebenfalls ausgedrückt werden als
wobei V_out die Ausgangsgleichspannung der Sekundärschaltung ist.
Durch Kombination der Gleichungen (3) und (4) erhält man:
Ziehen der Quadratwurzel auf beiden Seiten der Gleichung (5) ergibt:
Gleichung (5) gibt an, für eine bekannte Winkelfrequenz ω Gegeninduktion M, dass die Ausgangsspannung V_out der Sekundärschaltung proportional zur Stromstärke i_p auf der Primärseite ist.
Gleichung (6) kann wie folgt umgeschrieben werden: V_out = ωλi_P (7) wobei
Für „stationäres“ Drahtlosladen (also keine dynamische Bewegung zwischen Tx und Rx-Spulen während des Ladezeitraums), kann die Gegeninduktion M als konstant betrachtet werden. In diesem Fall ist der Koeffizient λ in Gleichung (7) eine Konstante für jede Menge von relativen Orten der Tx und Rx-Spulen. Gleichung (7) stellt ein Verständnis dahingehend bereit, dass für eine gegebene Winkelfrequenz ω, V_out proportional zu i_p ist. Jedoch ist der Koeffizient λ eine Unbekannte, obgleich es sich um eine Konstante handelt. Für „dynamisches“ Drahtlosladen, bei dem sich die Empfängerspule gegenüber der Position der Senderspule während des Ladezeitraums bewegen kann, hängt der Koeffizient λ von der Zeit ab. Falls jedoch die elektrische Zeitkonstante der Regelschleife deutlich kleiner ist als die mechanische Zeitkonstante der Bewegung der Empfängerspule, verändert sich der Koeffizient λ während des Steuerungsvorgangs innerhalb eines Betriebszeitraums der Regelschleife nicht deutlich. Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung können vorteilhafterweise eine Steuerung bzw. Regelung bieten, die λ nicht berechnen muss. Derartige Steuerungssysteme und Verfahren können dann unabhängig von λ und M sein.
In bestimmten Ausführungsformen können Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung auf ein WPT-System mit einem Entkopplungsschalter und einem Kondensator in der Sekundärschaltung angewendet werden. 5 zeigt ein Schaltungsschema eines WPT-Systems, bei dem ein direktionaler Schalter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird; 6 zeigt ein Schaltungsschema eines WPT-Systems, bei dem ein bidirektionaler Schalter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und 7 zeigt ein Schaltungsschema eines WPT-Systems, bei dem ein synchroner Vollbrücken-Gleichrichter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Die Last in den 5 bis 7 wird als Ohm‘sche Last R_L dargestellt, um die Erläuterung zu vereinfachen. In der Praxis ist die Last nicht auf eine Ohm’sche Last beschränkt; bei der Last kann es sich um eine beliebige, geeignete aus dem Stand der Technik bekannte Last handeln, einschließlich, ohne hierauf beschränkt zu sein, eines Gleichspannungswandlers, der eine Batterie gesteuert durch einen Batterie-Lade-Controller auflädt. Der Zwischenkondensator C_O muss nicht unmittelbar mit einer rein Ohm’schen Last verbunden sein. Die Ohm’sche Last in den 5 bis 7 kann deshalb eine Teilschaltung darstellen, welche die tatsächliche physikalische elektrische Last speist.
In vielen Ausführungsformen kann ein Entkopplungsschalter beinhaltet sein. Bei dem Entkopplungsschalter handelt es sich bevorzugt um einen Nebenschluss-Entkopplungsschalter, obgleich stattdessen einen Reihen-Entkopplungsschalter verwendet werden kann. Für eine typische Last kann der Ersatzlastwiderstand reflektiert zur Primärseite allgemein als Wert innerhalb eines Bereichs von einem Minimalwert von R_L(min) bis zu einem sehr großen Wert dargestellt werden. Wenn der Nebenschlussentkopplungsschalter geschlossen ist (z.B. 5), wird die Ersatzsekundärlast Null. In diesem Fall kann die Ersatzsekundärlast (vergleiche Gleichung (1)) mit und ohne dass der Nebenschlussentkopplungsschalter ein- bzw. ausgeschaltet wird, auf einfache Weise aus der elektrischen Variable in der Primärschaltung erfasst werden, beispielsweise dem Betrag der Stromstärke oder Spannung der Primärwicklung. Beispielsweise kann die große, reflektierte Impedanz der Sekundärschaltung eine deutliche Verringerung in der Stromstärke auf der Primärseite bewirken, wenn der Nebenschlussschalter eingeschaltet ist, um die Last zu entkoppeln. Es kann deshalb einfach sein, den Ein/Aus-Zustand des Nebenschluss-Entkopplungsschalters von der Primärseite zu unterscheiden. Ein Reihen-Entkopplungsschalter, wie derjenige in 3B, würde hingegen einen Anstieg in der Stromstärke der Primärwicklung bewirken, wenn der Reihenschalter aktiviert wird, um die Last zu entkoppeln, und würde folglich die Systemenergieeffizienz verringern. Um die Energieeffizienz zu verbessern, falls ein Reihenentkopplungsschalter benötigt wird, kann eine parallele LC Ausgleichsschaltung vor dem Gleichrichter in der Sekundärschaltung verwendet werden. Die Sekundärschaltung in 3A, die keinen Resonanzkondensator aufweist, der mit der Sekundärwicklung (einschließlich Streuinduktivität Li2 in 3A) parallelgeschaltet ist, bietet keine hohe Energieeffizienz. In den 5 bis 7 kommt jeweils ein Nebenschluss-Entkopplungsschalter zu Einsatz.
Unter Bezugnahme auf 5 kann ein WPT-System einen Nebenschluss-Entkopplungsschalter zusammen mit einem Hysterese-Controller zur Regelung der Spannung über dem Zwischenkondensator C_O beinhalten. Weil der Schalter S auf der Gleichspannungsseite des Gleichrichters platziert ist, kann ein direktionaler Schalter verwendet werden. Auf der Senderseite kann ein primärseitiger Controller verwendet werden, um die Eingangsleistung zu steuern. Das System kann einen primärseitigen Controller zur Steuerung der Eingangsleistung und einen Hysterese-Controller zur Steuerung des Entkopplungsschalters beinhalten. Der Hysterese-Controller kann die Spannung über dem Zwischenkondensator in der Sekundärschaltung regulieren.
Unter Bezug auf 6 kann in einer Ausführungsform ein bidirektionaler Nebenkreis-Entkopplungsschalter verwendet werden und auf der Wechselstromseite eines Gleichrichters platziert sein. Ein solcher bidirektionaler Entkopplungsschalter kann zusammen mit einem Hysterese-Controller zur Regulierung des Kondensators verwendet werden. Das System kann daher einen primärseitigen Controller zur Eingangsleistungssteuerung und einen sekundärseitigen Hysterese-Controller zur Steuerung des Entkopplungsschalters beinhalten, um die Kondensatorspannung zu regulieren.
Unter Bezugnahme auf 7 kann in einer Ausführungsform ein synchroner Gleichrichter verwendet werden, um den Dioden-Gleichrichter zu ersetzen, um die Leitungsverluste des Dioden-Gleichrichters zu verringern. Bei normalem synchronem Gleichrichterbetrieb kann das Diagonalschalterpaar (also das Paar S1 und S3 und das andere Paar von S2 und S4) zusammen im gleichen Schaltzustand gesteuert werden. Die Schaltzustände der beiden Schalterpaare können in komplementärer Form gesteuert werden (also, wenn S1 und S3 eingeschaltet sind, sind S2 und S4 ausgeschaltet, um umgekehrt). Wenn die Last von der Sekundärwicklung entkoppelt oder isoliert werden muss, kann die Entkopplungsschaltfunktion durchgeführt werden, indem entweder das Schaltpaar S1 und S2 zusammen oder das Schaltpaar S3 und S4 zusammengeschlossen werden. Indem unter dieser Steuerung eines der Schaltpaare geschlossen wird, wird der Ausgang der Wechselstromschaltung kurzgeschlossen, weshalb die Last von der Sekundärwicklung isoliert oder entkoppelt wird. Die Entkopplungsschaltvorgänge des synchronen Gleichrichters können mit einem Hysterese-Controller in Zusammenhang stehen, welcher die Spannung des Zwischenkondensators C₀ reguliert.
In vielen Ausführungsformen können die primärseitige Steuerung und die sekundärseitige Hysterese Steuerung zusammenarbeiten. Unter nochmaliger Bezugnahme auf 5 kann der Hysterese-Controller die Spannung über dem Kondensator C₀ regeln. Die Spannung eines Kondensators kann als Leistungsübertragungsindikator verwendet werden. 8 zeigt ein Schaltungsschema einer Hysterese-Leistungsabgabe-Regelschleife für die Sekundärseite des WPT-Systems aus 5. Wenn man die Sekundärschaltung aus 5 zur Veranschaulichung in 8 heranzieht, lauten die dynamischen Gleichungen des Zwischenkondensators:
Die Gleichungen (8) und (9) zeigen, dass der Kondensatorstrom als Indikator für eine Leistungsübertragung verwendet werden kann. Wenn die Kondensatorspannung auf einen Nenn(Referenz)Wert Vo* innerhalb einer engen Toleranz durch die Hysterese Steuerung reguliert wird, falls der an den Kondensator (i₁) gelieferte Strom dem Laststrom (i₂) entspricht, wird der Kondensatorstrom (i_c) gemäß Gleichung (8) gleich Null. Falls es ein Ungleichgewicht zwischen i₁ und i₂ gibt, wird dieses in der Kondensatorspannung (Vo) gemäß Gleichung (9) reflektiert. Deshalb kann dem Lastbedarf durch die Stromversorgung automatisch entsprochen werden, indem eine sekundärseitige Hysterese-Steuerung verwendet wird, um sicherzustellen, dass Vo innerhalb eines engen Toleranzbands von Vo* liegt.
Wenn der Nebenschluss-Entkopplungsschalter S aus 8 eingeschaltet ist, ist i₁ = 0 und i_c = –i₂ gemäß Gleichung (8). Somit ist i_c negativ, weil i₂ positiv ist. Ein negatives i_c bedeutet, dass der Kondensator C₀ entladen wird, wenn der Nebenschluss-Entkopplungsschalter S eingeschaltet ist. 9 zeigt Wellenformen der Kondensatorspannung, des Gate-Signals für den Entkopplungsschalter, und der primärseitigen Stromstärke in der Zeitdomäne. Auf Grundlage von Gleichung (9) ist der Ausdruck dV0/dt negativ, was bedeutet, dass die Kondensatorspannung (Vo) nach unten abfällt, wie dies in dem Zeitdiagram in 9 dargestellt ist.
Wenn der Nebenschluss-Entkopplungsschalter S aus 8 ausgeschaltet ist, ist i₁ > 0, und i_c = i₁ – i₂. Da die primärseitige Steuerung entworfen ist, um eine ausreichende Leistung für die Last in der Sekundären bereitzustellen, gilt i₁ > i₂ unter Normalbetrieb. Wenn S ausgeschaltet ist, ist i_c positiv und dVo/dt ist positiv, was bedeutet, dass die Kondensatorspannung (Vo) nach oben ansteigt, wie in 9 dargestellt.
Die sekundärseitige Hysterese-Steuerung kann aus dem Lade- und Entladevorgang durch den Entkopplungsschalter in 9 verstanden werden. Wenn der Entkopplungsschalter S eingeschaltet ist, wird die Last von der Sekundärschaltung (Rx) elektrisch entkoppelt. Die reflektierte Impedanz der Last auf der Primärseite wird als große Impedanz auftauchen. Folglich wird die Stromstärke in der Primärwicklung (i_p) plötzlich abfallen, wie in 7 dargestellt, wenn S eingeschaltet wird. Wenn S wieder eingeschaltet wird, wird die reflektierte Impedanz der Last wieder vergleichsweise klein; deshalb wird i_p wieder auf den normalen Betrag ansteigen. Der Betrag von i_p in der Primärschaltung stellt die Informationen der Schaltzustände des Entkopplungsschalters S in der Sekundärschaltung bereit. Deshalb entsteht die Verbindung zwischen dem Betrieb zwischen der primärseitigen Eingangsleistungssteuerung und der sekundärseitigen Hysterese-Kondensatorspannungssteuerung. Obgleich Prinzipien der Erfindung unter Bezugnahme auf 5 erläutert wurden, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung können auf viele WPT-Systeme angewendet werden, einschließlich jenen in 6 und 7, die eine Entkopplungsschalterfunktion und einen Kondensator in der Sekundärschaltung haben, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Weil der Betrag der Stromstärke der Primärwicklung die Informationen des Schaltzustands des Entkopplungsschalters S enthält, kann die primärseitige Eingangsleistungssteuerung mit der sekundärseitigen Hysterese-Kondensatorspannungs-Steuerung koordiniert werden, indem der Betrag der Stromstärke der Primärwicklung (i_p) überwacht wird. Dies kann erfolgen, ohne jedwede Gegeninduktions-Informationen oder Funkkommunikationssysteme zwischen den Tx und Rx Schaltungen zu verwenden.
Die primärseitige Eingangsleistungssteuerung kann auf eine Reihe von Tx-Schaltungen angewendet werden, einschließlich, ohne hierauf beschränkt zu sein, Wechselrichtern mit Phasenverschiebungssteuerung, Wechselrichtern mit Frequenzsteuerung, AC/DC/AC-Richtern mit Steuerung in der Zwischenkreis-Gleichspannung. Die primärseitige Eingangsleistungssteuerung geht mit der Erfassung von zumindest einer elektrischen Variable in der Primärschaltung einher, etwa der Stromstärke oder der Spannung der Primär (Tx) Wicklung. Der Zeitpunkt des Ausschaltens des Nebenschluss-Entkopplungsschalters (oder der Zeitpunkt wenn der Betrag der Stromstärke oder Spannung der Primärwicklung plötzlich ansteigt) t_c1 und der Zeitpunkt des Einschaltens des Nebenschluss-Entkopplungsschalters (oder der Zeitpunkt, wenn der Betrag der Stromstärke oder Spannung der Primärwicklung plötzlich abfällt) t_c2 kann aus dem Betrag der Stromstärke (i_p) und/oder der Spannung (Vp) der Primärwicklung berechnet werden (vergleiche z.B. 9 und 15). Die Zeitdifferenz zwischen t_c2 und t_c1 kann aus der Ladezeit (t_c) des Zwischenkondensators Co berechnet werden. Eine solche Kondensator-Ladezeit t_c kann dann von der Ladezeitreferent t_{c_ref} subtrahiert werden, um ein Fehlersignal Δt zu erzeugen, welches wiederum an einen Kompensator oder Controller (beispielsweise einen Lead/Lag Regler oder Proportional/Integral-Regler) gespeist werden kann, um die Regelgröße der Senderschaltung zu variieren. Die Zeitpunkte t_c1 und t_c2 können regelmäßig abgetastet werden, so dass die Ladezeit t_c für die senderseitige Steuerung periodisch aktualisiert werden kann.
Wenn Δt > 0 ist, ist die Ladezeit kürzer als der Sollwert, und die Eingangsleistung sollte daher erhöht werden, um die Ladezeit zu verlängern. Im Falle eines Wechselrichters mit Phasenverschiebungssteuerung sollte die Phasenverschiebung des Inverters erhöht werden. Im Falle eines Wechselrichters mit Frequenzsteuerung sollte die Frequenz weiter von der Resonanzfrequenz erhöht werden, beispielsweise um die Eingangsleistung zu verringern. Im Falle eines AC/DC/AC-Wandlers sollte das Tastverhältnis verringert werden, um eine kleinere Zwischenkreis-Gleichspannung für den Inverter auszugeben.
Wenn Δt < 0 ist, ist die Ladezeit länger als der Sollwert, und die Eingangsleistung sollte deshalb erhöht werden, um die Ladezeit zu verkürzen. Die Regelgrößen des primärseitigen Stromrichters sollten gesteuert werden, um die Eingangsleistung auf der Primärseite zu erhöhen.
Falls der Stromrichter eine Phasenverschiebungssteuerung verwendet, ist die Variable der Phasenverschiebungswinkel. Der Phasenverschiebungswinkel (α) bezieht sich auf den Phasenwinkel zwischen den steigenden Flanken der Einschaltsignale des Diagonalschalterpaars von S1 und S3, wie in 10 dargestellt, die einen Steuerblock (oben) und ein Schaltungsdiagramm (unten) für einen primärseitigen Vollbrückengleichrichter zeigt, das ein Phasenverschiebungssteuerungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Im Falle eines Stromrichters mit Frequenzsteuerung ist die Variable die Betriebsfrequenz des Wechselrichters (11). Im Falle eines AC/DC/AC Richters mit einer Zwischenkreis-Gleichspannung, kann die Regelgröße die Gleichspannung im Zwischenkreis sein (12).
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geben Steuerschemata einer primärseitigen Eingangsleistungssteuerung und/oder einer sekundärseitigen Ausgangsleistungssteuerung an. Derartige Steuerschemata können in digitaler Form implementiert sein (z.B. mithilfe eines Microprozessors, Microcontrollers, und/oder eines digitalen Signalprozessors), in analoger Form (z.B. mithilfe analoger Elektronik), oder einer Kombination aus diesen verwirklicht werden. Die Steuerblockdiagramme der sekundärseitigen Hysterese-Steuerung (8) und jede der primärseitigen Eingangsleistungssteuerung (10 bis 12) veranschaulichen die grundlegenden Prinzipien der Erfindung, ohne Informationen über eine Gegeninduktion zu verwenden, und ohne Funkkommunikation zwischen den Sender- und Empfängerschaltungen. Diese werden lediglich zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt, und die Systeme und Verfahren der Erfindung können in vielen anderen Formen implementiert werden.
In vielen Ausführungsformen kann ein WPT-System eine Sender(Primär)-Schaltung mit einer Senderwicklung (z.B. einer Spule) und einer Empfänger(Sekundär)-Schaltung mit einer Empfängerwicklung (z.B. einer Spule) beinhalten, in dem Energie drahtlos mittels magnetischer Kopplung des AC magnetischen Flusses zwischen der Senderwicklung und der Empfängerwicklung übertragen wird, und in dem primärseitige Eingangsleistungssteuerung und sekundärseitige Ausgangsleistungssteuerung implementiert werden, ohne Informationen über die Gegeninduktion zu verwenden, ohne ein Funkkommunikationsschaltung zwischen den Sender- und Empfängerschaltungen für Rückkopplungszwecke zu verwenden, ohne oder einen dieser beiden Faktoren zu verwenden. Die sekundärseitige Ausgangsleistungssteuerung kann die Spannung eines Zwischenkondensators als Indikator für eine Energieflussteuerung und einen Entkopplungsschalter mit einem Steuermechanismus verwenden, um die Spannung des Zwischenkondensators, welcher mittelbar oder unmittelbar mit der Last verbunden sein kann, auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln. Die primärseitige Eingangsleistungssteuerung kann die Lade und Entladezeiten des Zwischenkondensators der Sekundärschaltung durch Erfassen von zumindest einer elektrischen Variable in der Primärschaltung erfassen und diese Lade- und Entladezeiten dazu verwenden, um ein Steuersignal für einen geschlossenen Regelkreis auf der Primärseite abzuleiten, um die Eingangsleistung dahingehend zu steuern, der Ausgangsleistung bzw. dem Lastbedarf auf der Sekundärseite dynamisch zu entsprechen. Die zumindest eine elektrische Variable kann z.B. der Betrag der Stromstärke der Primärwicklung, der Betrag der Spannung der Sekundärwicklung, oder beides sein, obgleich Ausführungsformen nicht hierauf beschränkt sind.
Im Spannungssteuerungsmodus kann, wie hier besprochen, die Spannung über dem Zwischenkondensator in der Sekundärschaltung geregelt werden. In vielen Anwendungen jedoch, beispielsweise der Laden einer Batterie, kann ein Stromstärkensteuerungsmodus verwendet werden, zumindest zu Beginn. Der Stromstärkensteuerungsmodus kann in manchen Fällen von einem Spannungssteuerungsmodus abgelöst werden (beispielsweise um eine Batterie zu Laden). In der vorliegenden Anmeldung können Ausführungsformen, die hinsichtlich eines Spannungssteuerungsmodus beschrieben werden, auf einfache Weise auf einen Stromstärkensteuerungsmodus erweitert werden. In manchen Ausführungsformen können in einem WPT-System bzw. WPT-Verfahren sowohl ein Spannungssteuerungsmodus als auch ein Stromstärkensteuerungsmodus zusammen verwendet werden.
19 zeigt ein WPT System, bei dem eine Hysterese-Stromstärkensteuerung in der Sekundärschaltung eingesetzt wird, und 20 zeigt eine Wellenform des Laststroms unter dem Hysterese-Stromstärkensteuerungsmodus. Unter Bezugnahme auf 19 wird ein Stromstärkensteuerungsmodus dargestellt, bei dem ein Hysterese-Controller dazu verwendet werden kann, den Schalter S (z.B. Nebenschluss-Entkopplungsschalter) anzusteuern, so dass die Stromstärke zur Last (i₀) auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz reguliert wird (beispielsweise eine enge Toleranz). Die Kondensatorladezeit (t_c), die oben für den Spannungssteuerungsmodus besprochen wurde, kann durch die Stromstärken-Anstiegszeit des Ausgangsstroms ersetzt werden, wie in 20 dargestellt. Sie Stromstärkensteuerungsfunktion kann vorteilhafterweise zum Laden einer Batterie verwendet werden, wobei es erforderlich sein kann, den Ladestrom auf einen bestimmten Maximalwert zu begrenzen, um die Batterie zu schützen. 20 zeigt einen typischen Ausgangslaststrom unter diesem Hysterese-Stromstärkensteuerungsmodus für eine sich ändernde Last wie etwa einer Batterie. Für das Laden einer Batterie kann der Stromsteuerungsmodus in den Spannungssteuerungsmodus umgeschaltet werden, wenn die Batteriespannung einen bestimmten Pegel erreicht hat (z.B. einen Pegel, der durch die Hersteller der Batterie vorgegeben wird).
Die sekundärseitige Ausgangsleistungssteuerung kann eine Hysterese-Steuerung verwenden, um die Zwischenkondensatorspannung für den Spannungssteuerungsmodus und den Laststrom für den Stromstärkensteuerungsmodus auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz (oder ein Hysterese-Band) zu steuern bzw. zu regeln. Die Sekundärseite kann zumindest einen Leistungsschalter als Entkopplungsschalter verwenden, um die Last periodisch davon zu entkoppeln bzw. zu isolieren, Leistung unmittelbar von der Sekundärwicklung aufzunehmen. Die Last kann in dem Zwischenkondensator gespeicherte Energie aufnehmen, wenn der Entkopplungsschalter aktiviert ist, wodurch der Kondensator in diesem Zeitraum entladen wird. Der Entkopplungsschalter kann ein Nebenschluss-Entkopplungsschalter oder ein Reihen-Entkopplungsschalter sein, jedoch wird ein Nebenschluss-Entkopplungsschalter bevorzugt, insbesondere, wenn er zusammen mit einer Sekundärschaltung mit einer Reihenresonanz-Ausgleichsschaltung verwendet wird (wie in den 5 bis 8 dargestellt).
Die primärseitige Eingangsleistungssteuerung ist nicht auf einen bestimmten Typ von leistungsbasierten Stromwandlern beschränkt, sondern kann auf eine Reihe von Stromrichteranordnungen angewendet werden, die als Sender (Primär) Schaltung verwendet werden können. Die primärseitige Steuerung kann zumindest eine Regelgröße verwenden, um die Eingangsleistung in der Senderschaltung zu steuern bzw. zu regeln. Die Regelgröße der Senderschaltung kann z.B. der Phasenverschiebungswinkel der Ausgangsspannung, die Frequenz der Ausgangsspannung, der Betrag der Ausgangsspannung, der Betrag der Ausgangsstromstärke, die Zwischenkreis-Gleichspannung, oder eine Kombination aus diesen sein, obgleich Ausführungsformen nicht hierauf beschränkt sind.
Die primärseitige Eingangsleistungssteuerung und die sekundärseitige Ausgangsleistungssteuerung können in analoger Form, digitaler Form, oder einer Kombination dieser beiden implementiert sein. In bestimmten Ausführungsformen kann die Spannungstoleranz der Hysterese-Steuerung eng sein.
Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung können z.B. für Drahtlosladen von Elektrofahrzeugen, medizinischen Implantaten, und tragbarer Unterhaltungselektronik verwendet werden, obgleich Ausführungsformen nicht hierauf beschränkt sind. Weil genaue Informationen über die Gegeninduktion zwischen der Senderspule und der Empfängerspule nicht erforderlich sind, kann die vorliegende Erfindung sowohl für stationäres Laden eingesetzt werden, bei der die Last ortsfest ist, als auch für dynamisches Laden verwendet werden, bei dem sich die Last bewegt.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet, ohne darauf beschränkt zu sein, die folgenden Ausführungsbeispiele.
Ausführungsform 1 WPT-System, aufweisend:
eine Senderschaltung, aufweisend eine Senderwicklung; und
eine Empfängerschaltung, aufweisend eine Empfängerwicklung, einen Zwischenkondensator, und einen Entkopplungsschalter,
wobei Energie mittels magnetischer Kopplung eines magnetischen Flusses zwischen
der Senderwicklung und der Empfängerwicklung drahtlos übertragen wird, und
wobei das System die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung implementiert, ohne Informationen über eine Gegeninduktion zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung und ohne eine Drahtlos-Kommunikationsschaltung zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung, die eine Rückkopplung bereitstellt, zu verwenden.
Ausführungsform 2 WPT-System nach Ausführungsform 1, wobei die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung mithilfe einer Spannung des Zwischenkondensators als Indikator für die Stromflusssteuerung implementiert ist, und wobei der Entkopplungsschalter als Steuermechanismus verwendet wird, um die Spannung des Zwischenkondensators auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln.
Ausführungsform 3 WPT-System nach Ausführungsform 1, wobei die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung mithilfe eines Ausgangsstroms an eine Last der Empfängerschaltung implementiert ist, und
wobei der Entkopplungsschalter als Steuermechanismus verwendet wird, um den Ausgangsstrom zu der Last der Empfängerschaltung auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln.
Ausführungsform 4 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 3, wobei der Zwischenkondensator unmittelbar mit einer Last verbunden ist.
Ausführungsform 5 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 3, wobei der Zwischenkondensator mittelbar mit einer Last verbunden ist.
Ausführungsform 6 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 5, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung Ladezeiten und Entladezeiten des Zwischenkondensators der Empfängerschaltung erfasst, indem zumindest eine elektrische Variable in der Senderschaltung erfasst wird.
Ausführungsform 7 WPT-System nach Ausführungsform 6, wobei die zumindest eine elektrische Variable in der Senderschaltung den Betrag einer Stromstärke der Senderwicklung, den Betrag einer Spannung der Senderwicklung, oder beide aufweist.
Ausführungsform 8 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 6 bis 7, wobei die erfassten Ladezeiten und Entladezeiten verwendet werden, um ein Steuersignal für einen geschlossenen Regelkreis auf der Senderseite abzuleiten, um die Eingangsleistung zu regeln.
Ausführungsform 9 WPT-System nach Ausführungsform 8, wobei die Eingangsleistung geregelt wird, um der Ausgangsleistung oder dem Lastbedarf auf der Empfängerseite dynamisch zu entsprechen.
Ausführungsform 10 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 9, wobei die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung eine Hysterese-Steuerung einsetzt, um die Spannung des Zwischenkondensators auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz oder eines Hysterese-Bands zu regeln.
Ausführungsform 11 WPT-System nach Ausführungsform 10, wobei die Toleranz der Hysterese-Steuerung eng ist.
Ausführungsform 12 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 11, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung eingerichtet ist, eine Last periodisch davon zu entkoppeln oder zu isolieren, Leistung unmittelbar von der Empfängerwicklung zu erhalten.
Ausführungsform 13 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 12, wobei eine Last, die mit der Empfängerschaltung verbunden ist, Energie aufnimmt, die in dem Zwischenkondensator gespeichert ist, wenn der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung aktiviert wird, wodurch der Zwischenkondensator entladen wird, wenn die Last die in dem Zwischenkondensator gespeicherte Energie aufnimmt.
Ausführungsform 14 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 13, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung ein Nebenschluss-Entkopplungsschalter ist.
Ausführungsform 15 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 13, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung ein Reihen-Entkopplungsschalter ist.
Ausführungsform 16 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 15, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung eine Regelgröße verwendet, um die Eingangsleistung an die Senderschaltung zu regeln.
Ausführungsform 17 WPT-System nach Ausführungsform 16, wobei die Regelgröße einen Phasenverschiebungswinkel einer Ausgangsspannung und/oder eine Frequenz der Ausgangsspannung und/oder den Betrag der Ausgangsspannung und/oder den Betrag einer Ausgangsstromstärke und/oder eine DC-Zwischenkreisspannung aufweist.
Ausführungsform 18 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 17, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in analoger Form, digitaler Form, oder einer Kombination dieser implementiert sind.
Ausführungsform 19 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 17, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in analoger Form implementiert sind.
Ausführungsform 20 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 17, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in digitaler Form implementiert sind.
Ausführungsform 21 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 17, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in einer Kombination aus analoger Form und digitaler Form implementiert sind.
Ausführungsform 22 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 21, wobei die Senderwicklung eine Senderspule ist.
Ausführungsform 23 WPT-System nach einer der Ausführungsformen 1 bis 22, wobei die Empfängerwicklung eine Empfängerspule ist.
Ausführungsform 24 WPT-Steuerungsverfahren für ein WPT-System aufweisend: eine Senderschaltung aufweisend eine Senderwicklung; eine Empfängerschaltung aufweisend eine Empfängerwicklung, einen Zwischenkondensator, und einen Entkopplungsschalter, wobei das Verfahren umfasst:
Drahtloses Übertragen von Energie mittels magnetischer Kopplung eines magnetischen Flusses zwischen der Senderwicklung und der Empfängerwicklung; und
Implementieren einer senderseitigen Eingangsleistungs-Steuerung und einer empfängerseitigen Ausgangsleistungs-Steuerung, ohne Informationen über die Gegeninduktion zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung zu nutzen und ohne eine Drahtloskommunikationsschaltung zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung, welche eine Rückkopplung bereitstellt.
Ausführungsform 25 WPT-Verfahren nach Ausführungsform 24, wobei die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung mithilfe einer Spannung des Zwischenkondensators als Indikator für eine Stromflusssteuerung implementiert wird, und
wobei der Entkopplungsschalter als Steuermechanismus verwendet wird, um die Spannung des Zwischenkondensators auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln.
Ausführungsform 26 WPT-Verfahren nach Ausführungsform 24, wobei die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung mithilfe eines Ausgangsstroms an eine Last der Empfängerschaltung implementiert wird, und
wobei der Entkopplungsschalter als Steuermechanismus verwendet wird, um den Ausgangsstrom an die Last der Empfängerschaltung auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln.
Ausführungsform 27 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 26, wobei der Zwischenkondensator unmittelbar mit einer Last verbunden ist.
Ausführungsform 28 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 26, wobei der Zwischenkondensator mittelbar mit einer Last verbunden ist.
Ausführungsform 29 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 28, wobei das Implementieren der senderseitigen Eingangsleistungs-Steuerung das Erfassen der Ladezeiten und Entladezeiten des Zwischenkondensators der Empfängerschaltung durch Erfassen von zumindest einer elektrischen Variable in der Senderschaltung umfasst.
Ausführungsform 30 WPT-Verfahren nach Ausführungsform 29, wobei die zumindest eine elektrische Variable in der Senderschaltung den Betrag einer Stromstärke der Senderwicklung, den Betrag einer Spannung der Senderwicklung, oder beide aufweist.
Ausführungsform 31 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 29 bis 30, wobei die erfassten Ladezeiten und Entladezeiten dazu verwendet werden, ein Steuersignal für einen geschlossenen Regelkreis auf der Senderseite abzuleiten, um die Eingangsleistung zu regeln.
Ausführungsform 32 WPT-Verfahren nach Ausführungsform 31, wobei die Eingangsleistung geregelt wird, um der Ausgangsleistung oder dem Lastbedarf auf der Empfängerseite zu entsprechen.
Ausführungsform 33 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 32, wobei das Implementieren der empfängerseitigen Ausgangsleistungs-Steuerung die Nutzung einer Hysterese-Steuerung umfasst, um die Spannung des Zwischenkondensators auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz oder eines Hysterese-Bands zu regeln.
Ausführungsform 34 WPT-Verfahren nach Ausführungsform 33, wobei die Toleranz der Hysterese-Steuerung eng ist.
Ausführungsform 35 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 34, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung eine Last periodisch davon entkoppelt oder isoliert, Leistung unmittelbar von der Empfängerwicklung aufzunehmen.
Ausführungsform 36 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 35, wobei eine Last, die mit der Empfängerschaltung verbunden ist, Energie aufnimmt, die in dem Zwischenkondensator gespeichert ist, wenn der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung aktiviert ist, wodurch der Zwischenkondensator entladen wird, wenn die Last die in dem Zwischenkondensator gespeicherte Energie aufnimmt.
Ausführungsform 37 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 36, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung ein Nebenschluss-Entkopplungsschalter ist.
Ausführungsform 38 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 36, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung ein Reihen-Entkopplungsschalter ist.
Ausführungsform 39 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 38, wobei das Implementieren der senderseitigen Eingangsleistungs-Steuerung das Nutzen einer Regelgröße umfasst, um die Eingangsleistung an die Senderschaltung zu regeln.
Ausführungsform 40 WPT-Verfahren nach Ausführungsform 39, wobei die Regelgröße einen Phasenverschiebungswinkel einer Ausgangsspannung und/oder eine Frequenz der Ausgangsspannung und/oder den Betrag der Ausgangsspannung und/oder den Betrag einer Ausgangsstromstärke und/oder eine DC-Zwischenkreisspannung aufweist.
Ausführungsform 41 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 40, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in analoger Form, digitaler Form, oder einer Kombination dieser implementiert wird.
Ausführungsform 42 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 40, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in analoger Form implementiert sind.
Ausführungsform 43 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 40, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in digitaler Form implementiert sind.
Ausführungsform 44 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 40, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in einer Kombination aus analoger Form und digitaler Form implementiert sind.
Ausführungsform 45 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 44, wobei die Senderwicklung eine Senderspule ist.
Ausführungsform 46 WPT-Verfahren nach einer der Ausführungsformen 24 bis 45, wobei die Empfängerwicklung eine Empfängerspule ist.
Ein tieferes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer vielen Vorteile ergibt sich aus den folgenden Beispielen, die beispielhaft angegeben sind. Die folgenden Beispiele sind beispielhaft für manche der Verfahren, Anwendungen, und Varianten der vorliegenden Erfindung. Sie sind selbstverständlich nicht dahingehend zu verstehen, die Erfindung zu beschränken. Zahlreiche Veränderungen und Modifikationen können bezüglich der Erfindung vorgenommen werden.
BEISPIEL 1

Ein WPT-System wurde gebaut, welches zwei identische Spulen des Typs verwendet, der in dem Bild in 13 dargestellt ist. 14 zeigt ein Bild der Struktur des Systems. Das System in 14 hatte einen Kopplungskoeffizienten von 0,44. Ein Wechselrichter mit Phasenverschiebungssteuerung wurde zur Überprüfung verwendet. Die Parameter des Systems sind in Tabelle 1 angegeben. Die Betriebsfrequenz des Richters in der Senderschaltung wurde auf 97,56 kHz eingestellt, was in etwa der Resonanzfrequenzen der beiden Resonatoren entspricht. Die Litze hat 24 Stränge je 40 AWG (0,08 mm Durchmesser), und eine Eisenplatte mit einer Dicke von 1 mm wurde zur Abschirmung des WPT-Systems verwendet. Die Nenn-Ausgangsgleichspannung in der Sekundärschaltung war auf 15 V eingestellt.

Parameter	Symbol	Wert
Innendurchmesser	d_i	21,7 mm
Spulenbreite	W_r	5,32 mm
Außendurchmesser	d_o	27,02 mm
Wicklungszahl pro Schicht	-	9
Anzahl der Schichten	-	2
Eigeninduktivität des Senders	L₁	25,78 µH
Eigeninduktivität des Empfängers	L₂	25,1 µH
Gegeninduktion	M₁₂	11,16 µH
Ausgleichskondensator des Senders	C₁	105,3 nF
Ausgleichskondensator des Empfängers	C₂	106,2 nF
Widerstand jeder Spule	R_P1 and R_P2	0,3 Ω

An dem System wurde eine Simulation durchgeführt. Ein Wechselrichter mit Phasenverschiebungssteuerung wurde für die Simulation eingesetzt, um so die Beziehung zwischen dem Schaltvorgang des Entkopplungsschalters, dem Betrag der Stromstärke der Primärwicklung, und den Lade/Entladezeiten des Zwischenkondensators in der Sekundärschaltung auszuwerten. Die Eingangsgleichspannung des Zwischenkondensators war anfangs auf 5 V eingestellt, und die Nenngleichspannung der Sekundärschaltung blieb bei 15 V.
15 zeigt die simulierte Wellenform der Stromstärke des Primärresonators und die Wellenform der Ausgangsspannung, wenn die DC Quellenspannung 5 V betrag. V_GS stellt die Gate-Source Spannung des N-Typ MOSFETs dar. Wenn V_GS hoch ist, ist der Entkopplungs-MOSFET eingeschaltet, um die Last zu entkoppeln. Die reflektierte Impedanz der Last auf der Primärseite steigt plötzlich an und somit wird der Betrag der Stromstärke in dem Primärresonator niedrig. Der Ausgangskondensator gibt eine Spannung von etwa 15,35 V bis 14,64 in diesem Intervall ab. Die Entladezeit betrug etwa 90 µs. Wenn der MOSFET aus ist, ist dies das Ladeintervall und der Zeitraum war etwa 140 µs. Unter Bezugnahme auf 15 können die Lade und Entladezeiten des Zwischenkondensators aus dem Betrag der Stromstärke oder Spannung der Primärwicklung berechnet werden. Deshalb können t_c1 und t_c2 für jeden Schaltzeitraum auf einfache Weise in der Primärschaltung überwacht werden.
BEISPIEL 2
Es wurden Experimente auf Grundlage des gleichen Systems wie bezüglich 1 beschrieben durchgeführt. Die DC Quellspannung betrug 6 V, und die Pulsweite der an dem Primärresonator angelegten Eingangsspannung (also die Ausgangsspannung des Inverters) war anfangs am größten (also 0,5 M des Schaltzeitraums, was 5125 µs entspricht). Es wurde das Verhalten des Systems unter Volllast bewertet (Last 50 Ohm). 16 zeigt die Wellenform der Ausgangsspannung beim Start. Die obere Spur in 16 zeigt die Ausgangsspannung der Sekundärschaltung mit einer Zeitskala von 50 ms/div. Die untere Spur in 16 ist eine hochvergrößerte Ansicht eines kleinen Fensters der oberen Spur, mit einer Zeitskala von 500 µs/div. Die Ladezeit betrug 230 µs nachdem die Ausgangsspannung den Sollwert von 15 V erreichte (mit einer Welligkeit von etwa +/–0,5 V), wie dies in der unteren Kurve zu erkennen ist. Nach etwa 90 ms wurde die Ladezeit auf etwa 1,09 ms verlängert, wie in 17 dargestellt. Die Entladezeit betrug etwa 170 µs für beide Fälle. 18 zeigt, dass die finale Pulsweite der Eingangsspannung etwa 2,96 µs betrug. Auf ähnliche Weise wurde eine andere Ergebnismenge erhalten und in den 15 bis 17 dargestellt, wenn der Lastwiderstand auf 100 Ω (also 50 % Last) gesetzt wurde. Die anfängliche Ladezeit betrug dann 150 µs, und die Ladezeit im Betriebszustand betrug 1,1 ms. Die Pulsweite der Eingangsspannung betrug 2,08 µs, wie in 17 dargestellt.
Es wird angemerkt, dass die hier beschriebenen Beispiele und Ausführungsformen lediglich beispielhaft sind und dass einem Fachmann im Lichte dieser Beispiele und Ausführungsformen verschiedene Modifikationen oder Änderungen naheliegen, die im Geist und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung enthalten sind.
Alle Patent, Patentanmeldungen, vorläufige Anmeldungen, und Veröffentlichungen, auf die hier Bezug genommen wird oder die hier zitiert werden (einschließlich jeder im Abschnitt „Referenzen“) sind in der vorliegenden Anmeldung durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen, einschließlich aller Figuren und Tabellen, bis zu dem Maß, dass sie nicht widersprüchlich zu den Lehren dieser Schrift sind.
REFERENZEN

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[6] D.J. Thrimawithana and U.K. Madawala, “A primary side controller for inductive power transfer systems”, IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT) 2010, 14–17 March, 2010, pp: 661–666
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[8] S. Y. R. Hui, D. Lin, J. Yin, and C. K. Lee, “Method for parameter identification, load monitoring and output power control of wireless power transfer systems,” U.S. Patent application, US 61/862,627 , Aug. 6, 2013.
[9] A. Trivino-Cabrera, M. Ochoa, D. Fernandez and J.A. Aguado, “Independent primary-side controller applied to wireless chargers for electric vehicles”, IEEE International Electric Vehicle Conference (IEVC) 2014, Florence, Italy, 17–19 Dec. 2014, pp: 1–5
[10] Yin J., Lin D., Lee C.K. and Hui S.Y.R., “A Systematic Approach for Load monitoring and output power control of wireless power transfer systems without any direct output measurement”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 30, Issue 3, 2015, pp: 1657–1667.
[11] T.S. Chan and C.L. Chen, “A primary side control method for wireless energy transmission system”, IEEE Transactions on Circuits and Systems – I, Vol. 59, No.8, August, 2012, pp: 1805–1814.
[12] John Boys and Grant Covic, “The Inductive Power Transfer Story at the University of Auckland”, IEEE Circuits and Systems Magazine, April, 2015.
[13] Special Issue: Wireless Power Transmission, Technology & Applications, Proceedings of the IEEE, June 2013, Vol. 101, No.6.
[14] U.S. Patent No. 7,279,850 .

Claims

Drahtlos-Leistungsübertragungs(WPT)-System, aufweisend: eine Senderschaltung, aufweisend eine Senderwicklung; und eine Empfängerschaltung, aufweisend eine Empfängerwicklung, einen Zwischenkondensator, und einen Entkopplungsschalter, wobei Energie mittels magnetischer Kopplung eines magnetischen Flusses zwischen der Senderwicklung und der Empfängerwicklung drahtlos übertragen wird, und wobei das System die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung implementiert, ohne Informationen über eine Gegeninduktion zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung zu verwenden und ohne eine Drahtlos-Kommunikationsschaltung zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung, die eine Rückkopplung bereitstellt.
WPT-System nach Anspruch 1, wobei die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung mithilfe einer Spannung des Zwischenkondensators als Indikator für die Stromflusssteuerung implementiert ist, und wobei der Entkopplungsschalter als Steuermechanismus verwendet wird, um die Spannung des Zwischenkondensators auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln.
WPT-System nach Anspruch 1, wobei die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung mithilfe eines Ausgangsstroms an eine Last der Empfängerschaltung implementiert ist, und wobei der Entkopplungsschalter als Steuermechanismus verwendet wird, um den Ausgangsstrom zu der Last der Empfängerschaltung auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Zwischenkondensator unmittelbar mit einer Last verbunden ist.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Zwischenkondensator mittelbar mit einer Last verbunden ist.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung Ladezeiten und Entladezeiten des Zwischenkondensators der Empfängerschaltung erfasst, indem zumindest eine elektrische Variable in der Senderschaltung erfasst wird.
WPT-System nach Anspruch 6, wobei die zumindest eine elektrische Variable in der Senderschaltung den Betrag einer Stromstärke der Senderwicklung, den Betrag einer Spannung der Senderwicklung, oder beide aufweist.
WPT-System nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei die erfassten Ladezeiten und Entladezeiten verwendet werden, um ein Steuersignal für einen geschlossenen Regelkreis auf der Senderseite abzuleiten, um die Eingangsleistung zu regeln.
WPT-System nach Anspruch 8, wobei die Eingangsleistung geregelt wird, um dynamisch der Ausgangsleistung oder dem Lastbedarf auf der Empfängerseite zu entsprechen.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung eine Hysterese-Steuerung einsetzt, um die Spannung des Zwischenkondensators auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz oder eines Hysterese-Bands zu regeln.
WPT-System nach Anspruch 10, wobei die Toleranz der Hysterese-Steuerung eng ist.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung eingerichtet ist, eine Last periodisch davon zu entkoppeln oder davon zu isolieren, Leistung unmittelbar von der Empfängerwicklung zu erhalten.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Last, die mit der Empfängerschaltung verbunden ist, Energie aufnimmt, die in dem Zwischenkondensator gespeichert ist, wenn der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung aktiviert wird, wodurch der Zwischenkondensator entladen wird, wenn die Last die in dem Zwischenkondensator gespeicherte Energie aufnimmt.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung ein Nebenschluss-Entkopplungsschalter ist.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung ein Reihen-Entkopplungsschalter ist.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung eine Regelgröße verwendet, um die Eingangsleistung an die Senderschaltung zu regeln.
WPT-System nach Anspruch 16, wobei die Regelgröße einen Phasenverschiebungswinkel einer Ausgangsspannung und/oder eine Frequenz der Ausgangsspannung und/oder den Betrag der Ausgangsspannung und/oder den Betrag einer Ausgangsstromstärke und/oder eine DC-Zwischenkreisspannung aufweist.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in analoger Form, digitaler Form, oder einer Kombination dieser implementiert sind.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in analoger Form implementiert sind.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in digitaler Form implementiert sind.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in einer Kombination aus analoger Form und digitaler Form implementiert sind.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Senderwicklung eine Senderspule ist.
WPT-System nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Empfängerwicklung eine Empfängerspule ist.
Steuerungsverfahren für Drahtlos-Leistungsübertragung (WPT) für ein WPT-System aufweisend: eine Senderschaltung aufweisend eine Senderwicklung; eine Empfängerschaltung aufweisend eine Empfängerwicklung, einen Zwischenkondensator, und einen Entkopplungsschalter, wobei das Verfahren umfasst: Drahtloses Übertragen von Energie mittels magnetischer Kopplung eines magnetischen Flusses zwischen der Senderwicklung und der Empfängerwicklung; und Implementieren einer senderseitigen Eingangsleistungs-Steuerung und einer empfängerseitigen Ausgangsleistungs-Steuerung, ohne Informationen über die Gegeninduktion zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung zu nutzen und ohne eine Drahtloskommunikationsschaltung zwischen der Senderschaltung und der Empfängerschaltung, welche eine Rückkopplung bereitstellt.
WPT-Verfahren nach Anspruch 24, wobei die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung mithilfe einer Spannung des Zwischenkondensators als Indikator für eine Stromflusssteuerung implementiert wird, und wobei der Entkopplungsschalter als Steuermechanismus verwendet wird, um die Spannung des Zwischenkondensators auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln.
WPT-Verfahren nach Anspruch 24, wobei die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung mithilfe eines Ausgangsstroms an eine Last der Empfängerschaltung implementiert wird, und wobei der Entkopplungsschalter als Steuermechanismus verwendet wird, um den Ausgangsstrom an die Last der Empfängerschaltung auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz zu regeln.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei der Zwischenkondensator unmittelbar mit einer Last verbunden ist.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, wobei der Zwischenkondensator mittelbar mit einer Last verbunden ist.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, wobei das Implementieren der senderseitigen Eingangsleistungs-Steuerung das Erfassen der Ladezeiten und Entladezeiten des Zwischenkondensators der Empfängerschaltung durch Erfassen von zumindest einer elektrischen Variablen in der Senderschaltung umfasst.
WPT-Verfahren nach Anspruch 29, wobei die zumindest eine elektrische Variable in der Senderschaltung den Betrag einer Stromstärke der Senderwicklung, den Betrag einer Spannung der Senderwicklung, oder beide aufweist.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 30, wobei die erfassten Ladezeiten und Entladezeiten dazu verwendet werden, ein Steuersignal für einen geschlossenen Regelkreis auf der Senderseite abzuleiten, um die Eingangsleistung zu regeln.
WPT-Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Eingangsleistung geregelt wird, um dynamisch der Ausgangsleistung oder dem Lastbedarf auf der Empfängerseite zu entsprechen.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 32, wobei das Implementieren der empfängerseitigen Ausgangsleistungs-Steuerung die Verwendung einer Hysterese-Steuerung umfasst, um die Spannung des Zwischenkondensators auf einen Nennwert innerhalb einer Toleranz oder einem Hysterese-Bands zu regeln.
WPT-Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Toleranz der Hysterese-Steuerung eng ist.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 34, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung eine Last periodisch davon entkoppelt oder isoliert, Leistung unmittelbar von der Empfängerwicklung aufzunehmen.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 35, wobei eine Last, die mit der Empfängerschaltung verbunden ist, Energie aufnimmt, die in dem Zwischenkondensator gespeichert ist, wenn der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung aktiviert ist, wodurch der Zwischenkondensator entladen wird, wenn die Last die in dem Zwischenkondensator gespeicherte Energie aufnimmt.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 36, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung ein Nebenschluss-Entkopplungsschalter ist.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 36, wobei der Entkopplungsschalter der Empfängerschaltung ein Reihen-Entkopplungsschalter ist.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 38, wobei das Implementieren der senderseitigen Eingangsleistungs-Steuerung die Verwendung einer Regelgröße umfasst, um die Eingangsleistung an die Senderschaltung zu regeln.
WPT-Verfahren nach Anspruch 39, wobei die Regelgröße einen Phasenverschiebungswinkel einer Ausgangsspannung und/oder eine Frequenz der Ausgangsspannung und/oder den Betrag der Ausgangsspannung und/oder den Betrag einer Ausgangsstromstärke und/oder eine DC-Zwischenkreisspannung aufweist.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 40, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in analoger Form, digitaler Form, oder einer Kombination dieser implementiert wird.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 40, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in analoger Form implementiert sind.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 40, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in digitaler Form implementiert sind.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 40, wobei die senderseitige Eingangsleistungs-Steuerung und die empfängerseitige Ausgangsleistungs-Steuerung in einer Kombination aus analoger Form und digitaler Form implementiert sind.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 44, wobei die Senderwicklung eine Senderspule ist.
WPT-Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 45, wobei die Empfängerwicklung eine Empfängerspule ist.