ES2678078B1 - Sistema y método para sintonizar receptores de transferencia inalámbrica de potencia. - Google Patents

Description

D E S C R I P C I O N

Sistema y metodo para sintonizar receptores de transferencia inalambrica de potencia

SECTOR DE LA TECNICA

La invencion se refiere a un aparato para la sintonla automatica de receptores en sistemas de transferencia inalambrica de potencia utilizando acoplamiento de resonancia magnetica, en el que un componente reactivo variable se emula por medio de un circuito conmutado de tipo girador conectado con el receptor del sistema inalambrico de transferencia de potencia para sintonizar el tanque resonante del receptor cuando esta desajustado en frecuencia.

La invencion tambien proporciona un metodo para controlar y sintonizar al menos uno de los parametros del circuito conmutado girador para asegurar que el sistema esta totalmente sintonizado.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

La transferencia inalambrica de energla (WPT) ha recibido atencion en las ultimas dos decadas como una forma fiable y robusta de transferir potencia inalambricamente para aplicaciones industriales y domesticas. La tecnologla WPT aprovecha el concepto de acoplamiento magnetico debil para transferir potencia a distancias medias.

La tecnologla WPT se ha extendido a una amplia gama de aplicaciones que cubre los rangos de baja potencia y alta potencia, tales como electronica de consumo, implantes biomedicos, redes de sensores inalambricos, carga de vehlculos electricos y otras numerosas aplicaciones.

Para permitir una transmision de potencia de largo alcance y eficiente entre las dos bobinas de acoplamiento magnetico debil que componen el sistema WPT, el transmisor y el receptor funcionan en resonancia comun a una sola frecuencia. En dicho sistema, las bobinas del transmisor y receptor se accionan en modo resonante conformando un tanque resonante en serie o en paralelo. La topologla resonante mas simple se basa en la conexion de un condensador ya sea en serie o en paralelo con las bobinas del transmisor y del receptor, mientras que la frecuencia de resonancia esta disenada para coincidir.

Sin embargo, es diflcil asegurar en todas las condiciones operativas una frecuencia de resonancia coincidente en el transmisor y el receptor debido a varios factores y escenarios tales como efectos de temperatura sobre las variaciones de componentes, tolerancia de componentes, variaciones de distancia e interferencia de objetos metalicos en la proximidad del sistema. La capacidad de transferencia de potencia y la eficiencia disminuyen como resultado de cualquier porcentaje de desajuste en frecuencia, ya sea en el lado del transmisor o del receptor. Los circuitos resonantes de alto factor de calidad son los preferidos para sistemas WPT de alta eficiencia y de gran distancia. Sin embargo, el problema de la falta de sintonla se convierte en desaflo ya que la capacidad de transferencia de energla podrla no ser fiable y el sistema puede perder funcionalidad. Para superar este problema se han introducido previamente varias tecnicas para la sintonla automatica de receptores WPT desafinados.

US 8183938B2 propuso una reactancia variable conectada en paralelo con el circuito resonante de transferencia inalambrica de potencia para controlar la frecuencia de resonancia aplicando una perturbacion clclica en el valor de la reactancia variable y percibiendo la perturbacion en la frecuencia de resonancia. En una propuesta de implementacion, se utiliza un inductor de nucleo saturable operando como inductor variable en el que la magnitud de inductancia se controla ajustando la corriente de polarizacion del inductor de nucleo saturable por medio de un metodo de sintonla.

US 9236771B2 revelo un aparato con una pluralidad de condensadores variables interconectados a traves de una pluralidad de conmutadores y acoplados entre el componente de transferencia de potencia y el controlador, en el que se usa un detector de relation de onda de tension permanente para medir el grado de falta de coincidencia y responder mediante una senal de control que es utilizada para polarizar el condensador variable. En una propuesta de implementacion, el condensador variable podrla ser un diodo varactor o condensador MEMS variable.

EXPLICACION DE LA INVENCION

El objetivo de esta invencion es abordar el problema del desajuste en frecuencia en receptores WPT resonantes de alta Q debido a variaciones ambientales y de parametros del sistema.

La invencion revela un aparato para emular elementos reactivos variables por medio de un circuito conmutado girador para ser conectados al tanque resonante de receptores WPT, que comprende:

- Una bobina receptora configurada para recibir energla de forma inalambrica desde un circuito transmisor, estando la bobina receptora configurada para resonar a una frecuencia resonante por un tanque resonante que comprende al menos un elemento reactivo

- Un circuito conmutado girador de potencia que tiene dos puertos, un puerto de entrada (primero) y un segundo puerto de salida (segundo), en el que un elemento reactivo esta conectado entre los terminales del segundo puerto del circuito conmutacion de girador de potencia y el primer puerto esta conectado al tanque resonante.

de manera que el circuito conmutado funciona como un girador con una conductancia de girado controlada, en el que el circuito conmutado girador se utiliza para sintetizar un elemento reactivo variable.

Segun una forma de realization de la invencion, dicho circuito conmutado girador de potencia se sintetiza mediante un convertidor de doble puente activo.

La estructura del circuito del aparato comprende una estructura compacta que incluye un convertidor de doble puente activo en el que el segundo puerto del convertidor de doble puente activo esta conectado a un condensador y el primer puerto esta conectado al tanque resonante.

La invencion tambien revela un metodo para sintonizar el receptor WPT, mediante la sintonla al menos de uno o mas parametros de circuito de la estructura de circuito conmutado girador, que comprende:

- Sintonla del valor del elemento reactivo sintetizado por medio de la sintonla de la conductancia de girado del circuito conmutado girador en base a una senal de control.

- Detection del desajuste o perdida de sintonla en el circuito receptor WPT y respuesta con una senal de control.

- Modification al menos de un parametro del circuito conmutado girador para modificar la conductancia de girado orientado a modificar la frecuencia de resonancia del receptor WPT.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La invention se describe en detalle a continuation a traves de un ejemplo no limitante y representativo y con referencia a los dibujos adjuntos, a saber:

FIG. 1 es un diagrama de bloques que ilustra el concepto en el cual un circuito conmutado girador sintonizable esta interconectado a un receptor WPT.

FIG. 2 es un ejemplo de la realization de acuerdo con la invencion, en el que se utiliza un convertidor de doble puente activo operando como circuito conmutado girador como se indica en la FIG. 1.

FIG. 3 muestra un ejemplo de realizacion, en el que el convertidor de doble puente activo esta conectado a un receptor WPT con un tanque de resonancia LCC.

FIG. 4 muestra un ejemplo de realizacion para el controlador en la FIG. 1, en la que se muestra un diagrama de bloques para la realizacion preferida que ilustra el controlador del metodo de sintonla.

FIG. 5 muestra las formas de onda del dominio del tiempo resultantes que se obtienen con el sistema de la FIG. 3.

FIG. 6 Ilustra formas de onda del dominio del tiempo obtenidas con el sistema de la FIG. 3 en respuesta a variaciones repentinas en los componentes del tanque resonante.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

La FIG. 1 ilustra una realizacion de un receptor paralelo RIC-WPT, que utiliza un tanque resonante en paralelo con la bobina receptora para resonar a la frecuencia del transmisor, y los principios inventivos de esta patente. La topologla compensada en paralelo se utiliza como ejemplo de realizacion, pero la invencion se puede aplicar a cualquier otra topologla de compensation WPT. En general, el tanque receptor tiene una configuration de la serie LC, o LC paralelo, o LCC, o LCL, en el que la inductancia primaria L corresponde a la inductancia de la bobina receptora del sistema inalambrico de transferencia de potencia.

La bobina de receptor de un sistema RIC-WPT esta habilitada para resonar a una frecuencia de funcionamiento espedfico mediante la conexion de la bobina, ya sea en serie o en paralelo con otros elementos reactivos [1], con el fin de mejorar la capacidad de transferencia de potencia a una distancia espedfica de rango medio y mejorar la eficiencia del sistema [2].

FIG. 2 ilustra la realizacion preferida de un receptor RIC-WPT compensado en paralelo que utiliza un convertidor de doble puente activo operado como un girador conmutado, de acuerdo con los principios de la invencion de esta patente. El convertidor de doble puente activo, en una estructura compacta, consigue el objetivo de sintonizar adaptativamente el receptor RIC-WPT por medio de la emulacion de un elemento reactivo variable. Se implementa de tal manera que la caracteristica de no reciprocidad de un girador se utiliza para emular un elemento reactivo en el puerto de entrada del girador mientras que el dual de este elemento reactivo esta conectado al puerto de salida. En este ejemplo de realizacion, el convertidor de doble puente activo se utiliza como un girador natural en modo conmutado [3], por lo que el puerto de entrada del convertidor de doble puente activo esta conectado en paralelo con el tanque resonante del receptor RIC-WPT para emular una inductancia variable, mientras que un condensador esta conectado al puerto de salida del doble puente activo. Recapitulando, el circuito conmutado girador de potencia es un convertidor de doble puente activo, configurado para sintetizar un elemento reactivo variable en el puerto de entrada, en el que el elemento reactivo sintetizado es el dual del elemento reactivo que esta conectado al puerto de salida.

La patente permite adoptar otras estructuras giradoras conmutadas compactas con la misma funcionalidad, pero una de doble puente activo se describe como un ejemplo de realizacion.

El concepto basico de la emulacion de inductancia que utiliza el girador de doble puente activo en la FIG. 2 puede explicarse en terminos del coeficiente de girado del circuito girador. La relacion de girado equivalente del doble puente activo puede ser formulada por la ecuacion 1, como sigue [3]:

Como puede verse en la ecuacion 1, el coeficiente de girado del convertidor de doble puente activo depende del desplazamiento de fase entre los dos puentes ^, la frecuencia de conmutacion del circuito fs y la inductancia de enlace L^dab. Si un condensador C^dab esta conectado a la salida del doble puente activo, la inductancia emulada puede ser formulada por la Ecuacion 2:

Como se puede ver en la ecuacion 2, se usa un convertidor de doble puente activo para emular una inductancia variable controlada electronicamente, Lem. Teniendo en cuenta que L^dab y C^dab son parametros fijos que estan disenados previamente, la inductancia variable emulada puede ser controlada por la frecuencia de conmutacion fs o por el desplazamiento de fase ^.

Consideremos un ejemplo de convertidor de puente activo dual que conmuta a /s=5MHz, y los parametros de circuito son L^dab=66 nH, C^dab=100 nF, entonces la inductancia emulada Lem se puede variar entre

para una variation de desplazamiento de fase entre

respectivamente. FIG. 3 ilustra un ejemplo de un receptor paralelo RIC-WPT que tiene una bobina receptora, una topologla de compensation CC y un girador de doble puente activo que emula una inductancia variable. De forma similar a la operation de un girador de doble puente activo en la FIG. 2, el girador de la FIG. 3 emula una inductancia variable, en el que la inductancia variable esta conectada en paralelo con el circuito resonante receptor. La inductancia emulada puede ser disenada como un elemento reactivo adicional que actua unicamente cuando el circuito resonante esta desajustado, o como un elemento reactivo elemental junto con la topologla de compensacion. En ambos casos, la inductancia emulada puede ser variada de forma adaptativa, por lo que la frecuencia de resonancia se sintoniza en consecuencia.

El metodo de sintonla de la presente invencion descrito aqul se ilustra en la FIG. 4. Las variables de entrada de control son el voltaje en circuito abierto Voc, que corresponde al voltaje inducido en la bobina receptora, y el voltaje de circuito resonante Vac que es el voltaje resonante aumentado. Es un conocimiento comun en la tecnica que cuando un tanque resonante paralelo esta completamente sintonizado, existe una diferencia de fase en cuadratura entre el voltaje de entrada y el voltaje aumentado, es decir, Vac retrasa Voc en 90° en condicion totalmente sintonizada. El metodo de sintonla de la FIG. 4 se beneficia de este hecho, en el que se muestra un analogo a un bucle de enganche de fase (PLL) como una realizacion preferida de esta invencion. El metodo de sintonla comprende un detector de fase (PD), un filtro paso bajo (LPF), un amplificador de error (EA), un compensador PI, un comparador y un modulador por desplazamiento de fase (PSM). En resumen, el controlador detecta el estado de sintonla del receptor de transferencia inalambrica de potencia detectando la fase relativa entre el voltaje inducido en la bobina y el voltaje resonante del tanque.

El metodo de sintonla de la FIG. 4 se puede explicar de la siguiente manera: el detector de fase recibe los voltajes detectados de V^oc y V^ac y emite una senal proporcional a la diferencia de fase en las mismas. A continuation, el LPF proporciona un voltaje continuo proporcional a la diferencia de fase V^intg, de modo que V^{n tg} se compara con un voltaje de referencia fija V^e representativo de una diferencia de fase de 90° entre V^oc y V^ac, y el comparador emite una senal de error V^err. Despues de eso, la senal de error V^err se compara con una senal de rampa V^mmP para realizar una modulation de desplazamiento de fase. El modulador de desplazamiento de fase proporciona dos senales PS1 y PS2 para actuar sobre los dos puentes del circuito de doble puente activo, en el que el desplazamiento de fase y entre PS1, PS2 alcanza el valor de estado estacionario que es necesario para realizar la inductancia emulada L^em que corresponde a un receptor totalmente sintonizado.

Considerese un receptor RIC-WPT paralelo con los siguientes parametros; f ^r = 300 KHz, f^DAB= 5 MHz, C^{d a b} = 100 nF, L^{d a b} = 66 nH, C^r= 260 nF, L^r= 5 pH, and Q^r= 15 y con la funcion de transferencia del compensador PI H^v(s) = K^p(s+W^z)/s con K^p=1.5 y W^z=418.9 Krad/s. La ventaja del metodo de sintonla de esta realizacion se ilustra en las formas de onda en el dominio del tiempo mostradas en la Fig. 5a, en la que se muestra el voltaje del tanque resonante V^ac y la salida del controlador V^con para el sistema al que se ha hecho referencia anteriormente. La figura 5b ilustra las mismas formas de onda en una version aumentada, mostrando el voltaje de circuito abierto V^oc de la bobina, la tension de control V^con con referencia a la tension de rampa V^ramp y la salida del modulador de fase PS1, PS2, en la que todas estas formas de onda corresponden al sistema en condition de estado estacionario completamente sintonizado.

Las ventajas del metodo de sintonla de esta realizacion en terminos de sintonla automatica se ilustran en la Fig. 6a en la que se ejerce un cambio de paso de -20% en el condensador C^r , seguido por un cambio de paso de 15% en la bobina receptora L^r.

Una version aumentada para la respuesta del sistema se ilustra en la FIG. 6b, en la que se muestra el voltaje del tanque resonante Vac y la salida del compensador PI Vcon.

Referencias:

[1] C. Wang, G. a Covic, and O. H. Stielau, "Power Transfer Capability and Bifurcation Phenomena of Loosely Coupled Inductive Power Transfer Systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 51, no. 1, pp. 148-157, 2004.

[2] B. L. Cannon, J. F. Hoburg, D. D. Stancil, and S. C. Goldstein, "Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means for Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 7, pp. 1819-1825, Jul. 2009.

[3] M. Ehsani, I. Husain, and M. O. Bilgic, "Power converters as natural gyrators,” IEEE Trans. Circuits Syst. I Fundam. Theory Appl., vol. 40, no. 12, pp. 946-949, 1993.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. - Un sistema para sintonizar el tanque resonante receptor de transmision inalambrica de potencia, que comprende:

- Una bobina receptora configurada para recibir energla de forma inalambrica desde un circuito transmisor, estando configurada la bobina receptora para resonar a una frecuencia resonante mediante un tanque resonante que comprende al menos un elemento reactivo; y

- Un tanque resonante configurado para resonar la bobina receptora a una frecuencia resonante especificada; y

- Un circuito conmutado girador de potencia que tiene dos puertos, un puerto de entrada y un puerto de salida, en el que un elemento reactivo esta conectado entre los terminales del puerto de salida del circuito conmutado girador de potencia y el puerto de entrada esta acoplado al tanque resonante; y

- Un controlador que esta configurado para detectar el estado de sintonla del receptor WPT y responder con senales de control,

de manera que el circuito conmutado funciona como un girador con una conductancia de girado controlada, en el que el circuito conmutado girador se utiliza para sintetizar un elemento reactivo variable.

2. - El sistema de la reivindicacion 1, en el que el circuito conmutado girador de potencia se utiliza para sintetizar un elemento reactivo variable, en el que al menos un parametro de circuito se modifica para modificar la conductancia de girado con objeto de modificar el valor del elemento reactivo variable, basado en senales de control.

3. - El sistema de la reivindicacion 1, en el que el circuito conmutado girador de potencia es un convertidor de doble puente activo, configurado para sintetizar un elemento reactivo variable en el puerto de entrada, en el que el elemento reactivo sintetizado es el dual del elemento reactivo que esta conectado al puerto de salida.

4. - La estructura de circuito de acuerdo con la reivindicacion 3, que comprende una estructura compacta que incluye un convertidor de doble puente activo en el que el puerto de salida del convertidor de doble puente activo esta conectado a un condensador y el puerto de entrada esta conectado al tanque resonante.

5. - El sistema de la revindication 1, en el que el tanque receptor tiene una configuration de la serie LC, o LC paralelo, o LCC, o LCL, en el que la inductancia primaria L corresponde a la inductancia de la bobina receptora del sistema inalambrico de transferencia de potencia.

6. - Un metodo para sintonizar el tanque resonante de la revindication 1, que comprende:

- sintetizar un elemento reactivo variable usando el girador conmutado de la revindication 1, en el que el puerto de salida del girador conmutado esta conectado a un elemento reactivo y el puerto de entrada del mismo esta conectado en serie o en paralelo con el tanque receptor,

- detectar el estado de sintonla del receptor de transferencia inalambrico de potencia y generar senales de control,

- modificar la conductancia de girado del girador conmutado en base a las senales de control,

- que el valor del elemento reactivo sintetizado se sintonice modificando la conductancia de girado del girador conmutado.

7. - Un metodo de la revindicación 6, en el que un controlador detecta el estado de sintonla del receptor de transferencia inalambrica de potencia detectando la fase relativa entre el voltaje inducido en la bobina y el voltaje resonante del tanque.

8. Metodo según la revindicación 6, en el que el controlador detecta el estado de sintonla del receptor de transferencia inalambrica de potencia y modifica el desplazamiento de fase o la frecuencia de conmutacion o ambos simultaneamente para el convertidor de doble puente activo, con objeto de modificar la conductancia de girado.

9.- Un metodo de la revindicación 8, en el que el controlador modifica la conductancia de girado del convertidor conmutado de doble puente activo para modificar el valor del elemento reactivo sintetizado con objeto de modificar la frecuencia de resonancia del tanque receptor.