IT202100031289A1 - Circuito monitor di risonanza per trasferimento induttivo di energia, e relativo sistema di trasferimento induttivo ottimizzato di energia elettrica - Google Patents
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Description
Circuito monitor di risonanza per trasferimento induttivo di energia, e relativo sistema di trasferimento induttivo ottimizzato di energia elettrica
La presente invenzione riguarda un circuito monitor di risonanza per trasferimento induttivo di energia, e relativo sistema di trasferimento induttivo ottimizzato di energia elettrica.
Stato della tecnica
Ad oggi diversi sistemi come cellulari, computer o veicoli elettrici sfruttano il trasferimento induttivo di energia elettrica (WPT, Wireless Power Transfer) per la loro ricarica o alimentazione. L?impiego di questa tecnologia permette non solo di eliminare cavi e batterie ma anche di realizzare connessioni laddove non sarebbero possibili, aumentando la mobilit? e la sicurezza dei dispositivi elettronici.
In generale, un sistema WPT ? composto da quattro elementi fondamentali: una sorgente elettrica, un trasmettitore, un ricevitore ed un carico. La sorgente elettrica fornisce energia al trasmettitore che genera un campo elettromagnetico variabile nel tempo e lo trasmette attraverso lo spazio al ricevitore. Il ricevitore estrae energia dal campo e la fornisce sotto forma di corrente continua al carico.
Nel campo del trasferimento induttivo di energia esistono diverse tecnologie che si differenziano per portata e frequenza di funzionamento, tra queste una delle pi? promettenti ? quella denominata ad ?accoppiamento induttivo risonante? (RIC, Resonant Inductive Coupling), secondo la Fig. 1.
In questa figura, ? mostrato uno schema circuitale esemplificativo di un dispositivo ad accoppiamento induttivo risonante 100 in cui nella parte sinistra possiamo trovare una SORGENTE DC che fornisce la tensione di alimentazione del sistema partendo da una sorgente di rete elettrica (non mostrata). Successivamente troviamo un INVERTER che genera un?onda quadra a frequenza regolabile e che ? composto usualmente da quattro transistor SW1-4 (generalmente MOSFET o IGBT, in figura sono mostrati MOSFET enhancement mode N-channel) su due rami paralleli SW1-SW3 e SW2-SW4. Infine segue una BOBINA TX di trasmissione costituita da un avvolgimento solenoidale L1 posto in serie ad una capacit? Cs1. La capacit? Cs1 ? connessa alla sorgente del transistor SW1 e al drain del transistor SW3, mentre l?altro terminale della bobina L1 ? connesso al drain del transistor SW4 e alla sorgente del transistor SW2.
Sulla destra invece possiamo trovare una BOBINA RX di ricezione costituita da un avvolgimento solenoidale L2 in serie ad una capacit? Cs2. Segue un RADDRIZZATORE realizzato con un circuito a ponte composto da quattro diodi DR1-4 su due rami paralleli DR1-DR3 e DR2-DR4. La capacit? Cs2 ? connessa all?anodo del diodo DR1/catodo del DR3 mentre l?altro terminale della bobina L2 ? connesso al catodo DR4/anodo DR2.
Successivamente troviamo una capacit? Co in parallelo ai due rami dei diodi nonch? un induttore Lo in serie, i quali formano un filtro passa basso CL per il segnale ricevuto proveniente dai due rami dei diodi. Infine troviamo un CARICO o BATTERIA che pu? essere rappresentato da un salto di tensione Vbatt.
Nei sistemi RIC l?energia ? scambiata attraverso un campo magnetico generato tra le bobine nei due circuiti risonanti, trasmittente e ricevente. Ogni circuito risonante ? caratterizzato da una specifica frequenza di risonanza Fr. In genere i due circuiti sono tarati per avere la stessa frequenza di risonanza in modo da accrescere l?accoppiamento e quindi il trasferimento di energia. L?importanza legata a questo tipo di dispositivi sta proprio nell?accoppiamento risonante che permette di trasferire lo stesso quantitativo di energia a distanze pi? grandi rispetto agli altri sistemi WPT.
Nei sistemi ad accoppiamento induttivo risonante l?efficienza dipende fortemente dalla frequenza di lavoro Fs dell?inverter. L?inverter ? una componente essenziale del trasmettitore che ha il compito di convertire la corrente continua generata dalla sorgete di energia in una corrente alternata e trasmetterla al circuito risonante trasmittente. Pi? la frequenza Fs ? vicina alla frequenza di risonanza Fr maggiore ? l?efficienza, mentre se Fs ? inferiore ad Fr l?efficienza ? bassa. ? importante sottolineare inoltre che la frequenza Fr ? soggetta a variazioni legate a diversi fattori non del tutto prevedibili (ad esempio temperature, tolleranze di lavorazione e deterioramento dei materiali, presenza di ostacoli), quindi si pone un problema di ottimizzazione legato alla taratura della frequenza di lavoro dell?inverter rispetto alla frequenza di risonanza.
Un altro problema presente nei dispositivi ad accoppiamento induttivo risonante ? dovuto alla variabilit? della resistenza equivalente del carico che riduce l?efficienza del sistema a seconda della tensione e della potenza erogati.
Scopo e oggetto dell?invenzione
Scopo della presente invenzione ? quello di fornire una tecnologia che risolva o almeno riduca parzialmente i problemi sopra menzionati, migliorando l?efficienza di trasferimento induttivo di corrente elettrica.
? oggetto della presente invenzione un circuito monitor di risonanza per l?ottimizzazione del trasferimento induttivo di energia nonch? un circuito di trasferimento induttivo che utilizza il monitor oggetto dell?invenzione, secondo le allegate rivendicazioni.
? ulteriore oggetto della presente invenzione un metodo di utilizzo del circuito di trasferimento induttivo oggetto dell?invenzione.
Il circuito monitor di risonanza infatti pu? lavorare in concomitanza con circuito di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato al fine di risolvere i problemi di efficienza legati alla variabilit? dei parametri del carico sopra menzionati.
Descrizione dettagliata di esempi di realizzazione dell?invenzione
Lista delle figure
L?invenzione verr? ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, con particolare riferimento ai disegni delle figure allegate, in cui:
- la Fig. 1 mostra uno schema circuitale esemplificativo che descrive un circuito ad accoppiamento induttivo risonante, secondo la tecnica nota;
- la Fig. 2 mostra uno schema circuitale di un monitor di risonanza, secondo una forma realizzativa dell?invenzione, che ricevendo in ingresso le forme di tensione e corrente erogate da un inverter restituisce in uscita un segnale che misura il ritardo di fase tra tensione e corrente;
- la Fig. 3 mostra un circuito di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato secondo una ulteriore forma realizzativa dell?invenzione, in cui sono fornite due configurazioni diverse per la resistenza equivalente del carico.
Si specifica qui che elementi di forme di realizzazione differenti possono essere combinati insieme per fornire ulteriori forme di realizzazione senza limiti rispettando il concetto tecnico dell?invenzione, come il tecnico medio del ramo intende senza problemi da quanto descritto.
La presente descrizione inoltre fa riferimento alla tecnica nota per la sua implementazione, riguardo alle caratteristiche di dettaglio non descritte, come ad esempio elementi di minore importanza usualmente utilizzati nella tecnica nota in soluzioni dello stesso tipo.
Quando si introduce un elemento si intende sempre che pu? essere ?almeno uno? o ?uno o pi??.
Quando si elenca una lista di elementi o di caratteristiche in questa descrizione si intende che il trovato secondo l?invenzione ?comprende? oppure alternativamente ?? composto di? tali elementi.
Quando si elencano delle caratteristiche nell?ambito di una stessa frase o lista puntata, una o pi? delle singole caratteristiche possono essere incluse nell?invenzione senza connessione con le altre caratteristiche della lista.
Forme di realizzazione
Facendo riferimento alla Fig. 2, una forma realizzativa del sistema monitor di risonanza 200 secondo l?invenzione pu? comprendere diversi elementi.
Partendo da sinistra, il circuito illustrato riceve in ingresso un segnale di intensit? di corrente alternata Is ed un segnale di tensione alternata Vs su due rami inizialmente separati. I segnali Is e Vs sono misurati a partire da sensori posti sull?uscita di un inverter come ad esempio quello di Fig. 1.
Il segnale Is sul primo ramo viene amplificato e isolato dal generatore GEN1. Il generatore GEN2 svolge lo stesso compito per il segnale Vs sul secondo ramo.
Successivamente la forma d?onda originaria del segnale Is viene convertita in un?onda quadra che ha valore nullo quando Is ? negativo e valore positivo quando Is ? positivo attraverso l?azione di una resistenza in serie R1, nonch? di una resistenza R2 e di un diodo Zener D1 che sono in parallelo.
La stessa funzione ? svolta resistenze R3, R4 e da un diodo Zener D2 disposti sul secondo ramo in maniera corrispondente agli elementi simili del primo ramo, per il segnale di tensione Vs.
I due segnali ai capi delle resistenze R2 ed R4 passano poi rispettivamente per i rivelatori di zero crossing COMP1 e COMP2 che ne rilevano il passaggio per lo zero e correggono eventuali deviazioni dal segnale ad onda quadra che si ? generato attraverso gli elementi precedenti, impostando allo stesso tempo anche i livelli del segnale in modo che siano processabili dai flip-flop successivi.
Questo blocco viene qui nominato ?convertitore ad onda quadra?. Sono noti in s? convertitori di segnali ad onda quadra, che possono essere realizzati in vario modo.
In seguito i segnali di uscita dai rivelatori COMP1 e COMP2 denominati rispettivamente IF e VF sono inviati in ingresso ad un primo flip-flop SR (set-reset) FF1 che restituisce in uscita un segnale massimo in tensione (ad esempio 5V) per la tensione Vs che diventa positiva e minimo (0 V) per la corrente Is che diventa positiva.
? presente un secondo flip-flop SR denominato FF2 che riceve invece i segnali IF e VF invertiti a seguito dell?azione delle porte NOT denominate NOT1 e NOT2, e restituisce in uscita un segnale massimo in tensione (ad esempio 5V) per la tensione Vs che diventa negativa e minimo (0 V) per la corrente Is che diventa negativa. I segnali in uscita dai flip-flop FF1 e FF2 vengono sommati attraverso una porta logica OR e filtrati tramite un circuito RC comprendente una resistenza Rf ed un condensatore Cf.
I flip-flop sono quelli generalmente noti. Il circuito RfCf passa-basso ha la funzione di restituire un segnale analogico a partire da quello impulsivo digitale dei flip-flop e della porta logica OR. Tale segnale impulsivo digitale ha una frequenza variabile e frequenze basse o molto basse garantiscono una stabilit? del segnale, che ? rappresentativo della posizione della frequenza di lavoro rispetto a quella di risonanza.
ResoSignal rappresenta il segnale in uscita dal circuito monitor di risonanza che misura il ritardo di fase tra Is e Vs. ResoSignal ? un segnale di tipo analogico che pu? assumere valori, ad esempio, tra 0 e 5V.
Se Is ? leggermente in ritardo rispetto a Vs (condizione ideale ai fini del trasferimento induttivo di energia), FF1 e FF2 si trovano in un massimo per un tempo brevissimo, quindi ResoSignal avr? un valore compreso tra 0 e 0.5V.
All?aumentare del ritardo di Is rispetto a Vs, aumenter? il valore di ResoSignal, che potrebbe raggiungere i 5V se Is fosse quasi completamente sfasata (quasi 180?) rispetto a Vs.
Se Is ? leggermente in anticipo rispetto a Vs (condizione da evitare ai fini del trasferimento induttivo di energia), FF1 e FF2 rimangono in un massimo per la maggior parte del tempo, quindi ResoSignal avr? un valore compreso tra 4.5 e 5V.
Sfruttando le caratteristiche del segnale ResoSignal, e riferendoci all?uso del circuito monitor di risonanza in associazione con quello di trasferimento di energia classico, il sistema complessivo pu? essere fatto funzionare nel seguente modo: all?avvio, si sceglie una frequenza di inverter Fs pi? alta della Fr (teorica o ipotizzabile), ad esempio pi? alta del 25% (in molte condizioni ? conveniente partire da una differenza di almeno il 10% o di almeno il 15% in quanto si stima quale sar? la frequenza di risonanza e quindi la retroazione pu? essere pi? rapida quanto pi? ci si pone vicini alla frequenza di risonanza). In tale caso specifico, per dare dei valori di esempio, la Is sar? molto in ritardo rispetto alla Vs e ResoSignal avr? un valore compreso tra 1 e 3V. In seguito si riduce la frequenza Fs progressivamente, in modo che il ritardo di Is si riduca.
Il controllo della frequenza Fs pu? essere realizzato con un controllore integrato o attraverso un dispositivo digitale, generalmente con un oscillatore. Sono tuttavia possibili varie architetture, come ad esempio un VCO ? Voltage Controller Oscillator; in generale si parler? di ?mezzi di regolazione?, non mostrati nelle figure).
Il valore di ResoSignal si ridurr? di conseguenza. Quando ResoSignal raggiunger? un valore prefissato (o ?soglia?), definito ottimale (ad esempio 0.25V), si agir? ancora sulla frequenza Fs per mentenere ResoSignal al di sotto del valore prefissato ottimale. In queste condizioni, si ha la certezza di far operare il sistema WPT vicino al suo punto di massima efficienza.
Il meccanismo di autoregolazione della frequenza Fs, basato sul valore di ResoSignal (metodo dell?invenzione), pu? essere implementato utilizzando un sistema di regolazione convenzionale. Ad esempio: un regolatore proporzionale-integrale (PI) che riceve come segnale di riferimento il valore ottimale (nell?esempio, di 0.25 V), e come segnale in retroazione il valore di ResoSignal.
Il vantaggio di questo circuito ? che permette di calibrare la frequenza Fs di lavoro dell?inverter con la frequenza di risonanza Fr, senza una conoscenza aprioristica di quest?ultima. In questo modo ? possibile migliorare l?efficienza dei sistemi ad accoppiamento induttivo risonante, risolvendo i problemi di ottimizzazione sopra menzionati.
Facendo ora riferimento alla Fig. 3, l?invenzione concerne ulteriormente un circuito di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato 300 comprendente diversi elementi. Sulla sinistra possiamo trovare uno schema circuitale trasmittente analogo a quello mostrato in Fig. 1. Sulla destra la parte ricevente ? stata modificata come segue: la capacit? di uscita Co mostrata in Fig. 1 ? stata suddivisa in due capacit? in serie, denominate Co1 e Co2.
Inoltre sono stati inseriti due interruttori comandati. Il primo interruttore comandato ? denominato SW1 ed ? connesso ad una estremit? al terminale della bobina RX non connesso alla capacit? Cs2 e all?altra estremit? ad un terminale tra i diodi DR2 e DR4. Il secondo interruttore comandato ? denominato SW2 ed ? connesso in entrata al terminale della bobina RX non connesso alla capacit? Cs2 e in uscita ad un terminale tra le capacit? Co1 e Co2.
Il circuito di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato, sempre in Fig. 3, consente di avere due modalit? di lavoro per la parte ricevente a seconda della potenza erogata al carico:
- Quando si chiude l?interruttore SW1 (mentre l?interruttore SW2 rimane aperto, configurazione ?A?), il circuito risultante ? un ponte raddrizzatore costituito dai quattro diodi DR1-4.
- Quando si chiude l?interruttore SW2 (mentre l?interruttore SW1 rimane aperto, configurazione ?B?), i diodi DR2 e DR4 vengono esclusi ed il circuito si trasforma in un rettificatore duplicatore di tensione.
Le resistenze equivalenti nelle due configurazioni sono diverse. La configurazione A presenta le migliori prestazioni quando il sistema di trasferimento di energia risonante opera ad alta potenza, mentre la configurazione B presenta migliori prestazioni quando il sistema di trasferimento di energia risonante opera a bassa potenza.
Un sistema di controllo dell?apparato pu? quindi scegliere la configurazione migliore in base al punto di lavoro (potenza) dell?apparato. Ogni volta che cambia configurazione, cambier? la frequenza di risonanza, ma grazie al circuito monitor di risonanza (Fig. 2) il sistema pu? riposizionarsi immediatamente alla frequenza ottimale di lavoro. Quindi i due circuiti illustrati secondo l?invenzione possono agire in maniera sinergica.
Due o pi? tra le parti (elementi, dispositivi, sistemi) sopra descritte possono essere associate liberamente e considerate come kit di parti secondo l?invenzione.
Vantaggi dell?invenzione
Dalla precedente descrizione ? evidente che il circuito monitor di risonanza permette di raggiungere gli scopi previsti migliorando l?efficienza delle tecnologie ad accoppiamento induttivo risonante attraverso una precisa calibrazione della frequenza di lavoro dell?inverter rispetto alla frequenza di risonanza del sistema.
Tale circuito monitor di risonanza pu? operare in concomitanza con un circuito di accoppiamento induttivo risonante classico oppure con il circuito di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato dell?invenzione, risolvendo gli ulteriori problemi sopra menzionati dovuti alla variabilit? della resistenza equivalente del carico.
In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma ? da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ci? uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.
Claims (7)
1. Circuito monitor di risonanza (200) con un primo ramo di ingresso per un segnale di intensit? di corrente (Is) e secondo ramo di ingresso per un segnale di tensione (Vs), in cui al primo ed al secondo ramo di ingresso sono connessi rispettivamente nell?ordine:
- un primo (GEN1) ed un secondo (GEN2) generatore controllato atti ad isolare e amplificare il segnale di intensit? di corrente (Is) ed il segnale di tensione (Vs) rispettivamente;
- un primo (R1,Dz1,R2) ed un secondo (R3,Dz2,R4) convertitore di forma d?onda da onda sinusoidale ad onda quadra;
- un primo (COMP1) ed un secondo (COMP2) rilevatore di zero crossing del segnale su detto ramo;
ed in cui la prima uscita (IF) e la seconda uscita (VF) rispettivamente del primo e del secondo ramo di ingresso sono connesse entrambe ad un primo ed un secondo ramo di elaborazione logica, dove:
- il primo ramo comprende un primo fip-flop set-reset (FF1);
- il secondo ramo comprende una prima (NOT1) ed una seconda (NOT2) porta logica NOT per dette prima (IF) e seconda (VF) uscita rispettivamente e di seguito un secondo flip-flop set-reset (FF2); in cui le uscite di detto primo (FF1) e detto secondo (FF2) flip-flop set-reset sono connesse in ingresso ad una porta logica OR (OR), la quale ? connessa in serie ad un filtro passa-basso (Rf, Cf) che fornisce in uscita un segnale di uscita (ResoSignal) del circuito monitor di risonanza.
2. Circuito monitor di risonanza (200) secondo la rivendicazione 1, in cui il primo ed il secondo convertitore di forma d?onda includono rispettivamente una prima (R1,R2) ed una seconda (R3,R4) coppia di resistenze nonch? un primo (Dz1) ed un secondo (Dz2) diodo Zener.
3. Circuito di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato (300) comprendente una parte trasmittente atta a generare e trasmettere un campo magnetico, in cui sono connessi nell?ordine:
- una sorgente DC (Vin) atta a fornire la tensione di alimentazione del circuito;
- un inverter (INVERTER);
- una bobina trasmittente (BOBINA TX) includente un induttore (L1) in serie ad una capacit? (Cs1); ed una parte ricevente atta a estrarre energia da detto campo magnetico ed erogarla ad un carico o batteria (Vbatt), in cui sono connessi nell?ordine:
- una bobina ricevente (BOBINA RX) includente un induttore (L2) in serie ad una capacit? di entrata (Cs2);
- un raddrizzatore (RADDRIZZATORE);
- un carico (Vbatt) connesso a valle di un filtro CL;
il circuito di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato (300) essendo caratterizzato dal fatto che: - ai capi della bobina di trasmissione (BOBINA TX) ? connesso il circuito monitor di risonanza (200) secondo la rivendicazione 1 o 2;
- sono forniti mezzi di regolazione dell?inverter in modo da regolare la sua frequenza di inverter Fs in funzione del segnale di uscita (ResoSignal) del circuito monitor di risonanza.
4. Circuito di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato secondo la rivendicazione 3, in cui il raddrizzatore della parte ricevente comprende un circuito a ponte composto da quattro diodi (DR1,DR2,DR3,DR4) su un primo (DR1,DR3) e un secondo (DR2,DR4) ramo, il primo ed il secondo ramo essendo paralleli, ed in cui al raddrizzatore ? connesso un filtro passa basso (Co1, Co2, Lo) includente due capacit? (Co1, Co2) in serie su un terzo ramo, il terzo ramo essendo in parallelo a detto primo e secondo ramo, ed un induttore (Lo) in serie tra detto terzo ramo e il carico (Vbatt),
ed in cui sono compresi i seguenti ulteriori elementi: - un primo interruttore (SW1) connesso tra il terminale della bobina di ricezione non connesso a detta capacit? di entrata e un terminale tra i diodi (DR2, DR4) di detto secondo ramo;
- un secondo interruttore (SW2) connesso tra il terminale della bobina di ricezione non connesso a detta capacit? di entrata e un terminale tra le due capacit? (Co1, Co2) in serie sul terzo ramo;
cos? da creare due configurazioni circuitali corrispondenti a detto primo interruttore chiuso e secondo interruttore aperto e viceversa.
5. Metodo di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato comprendente le seguenti fasi:
- fornire un circuito di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato (300) secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui l?inverter ha una frequenza di inverter Fs;
- pre-definire una frequenza di risonanza Fr della parte trasmittente e della parte ricevente;
- pre-definire un valore finale del segnale di uscita (ResoSignal) del circuito monitor di risonanza; - azionare detti mezzi di regolazione dell?inverter in modo da diminuire iterativamente la frequenza di inverter Fs fino ad avere un valore finale del segnale di uscita (ResoSignal) del circuito monitor di risonanza pari ad un valore minimo predeterminato;
- azionare mezzi di regolazione dell?inverter in funzione del segnale di uscita (ResoSignal) del circuito monitor di risonanza in modo tale da mantenerlo al di sotto di detto valore minimo predeterminato.
6. Metodo di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato secondo la rivendicazione 5, in cui detto un valore finale del segnale di uscita (ResoSignal) del circuito monitor di risonanza corrisponde ad una frequenza di inverter Fs pi? grande della frequenza di risonanza Fr almeno di una percentuale del 10 %.
7. Metodo di accoppiamento induttivo risonante ottimizzato secondo la rivendicazione 5, in cui detto un valore finale del segnale di uscita (ResoSignal) del circuito monitor di risonanza corrisponde ad una frequenza di inverter pi? grande della frequenza di risonanza Fr almeno di una percentuale del 15 %.
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