TW201740655A

TW201740655A - 非接觸供電系統與其控制方法

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Publication number: TW201740655A
Application number: TW105114010A
Authority: TW
Inventors: 黃世杰; 陳睿媛; 姜棓仁; 李韋華; 李宗勳
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2016-05-05
Filing date: 2016-05-05
Publication date: 2017-11-16

Abstract

本發明提出一種非接觸供電系統與控制方法。此系統包括移動裝置與供電裝置。移動裝置包括二次側感應線圈。供電裝置包括直流電源、開關電路、一次側感應線圈、電容與控制電路。開關電路是耦接在直流電源與一次側感應線圈之間，電容是耦接在開關電路與一次側感應線圈之間。控制電路用以取得電容與一次側感應線圈之間的多個電壓，並在這些電壓下降時增加開關電路的占空比，在電壓上升時減少開關電路的占空比。

Description

非接觸供電系統與其控制方法

本發明是有關於一種非接觸供電系統，且特別是有關於一種根據拾電端線圈與後級電路的等效阻抗映射至傳輸端線圈的互感耦合模型來控制開關占空比的非接觸供電系統與其控制方法。

近年來非接觸裝置之電力傳輸已逐漸推廣至各式移動設備應用，而隨著相關無線充電產品之規格訂定可知，非接觸電力傳輸裝置應用於移動設備之大功率車載電池能源充電時，必須依據不同移動設備容量，採用適當的傳遞功率以符合系統實際需求。然而伴隨著移動設備靜止停放位置與傳輸電力線圈間之準位偏移差異問題，功率損耗與轉換效率均已成為重要研究課題；尤其移動設備採以動態式移動充電時，充電時間與功率傳遞不勻等問題更需審慎留意。由此可知，非接觸裝置傳輸電力於移動設備應用時，必需兼具安全保護、大功率傳輸及低功率損耗。

本發明的實施例提出一種非接觸供電系統，包括移動裝置與供電裝置。移動裝置包括二次側感應線圈。供電裝置包括直流電源、開關電路、一次側感應線圈、電容與控制電路。開關電路是耦接至直流電源與一次側感應線圈之間，電容是耦接在開關電路與一次側感應線圈之間。控制電路用以取得電容與一次側感應線圈之間的多個電壓，並在這些電壓下降時增加開關電路的占空比，在電壓上升時減少開關電路的占空比。

在一些實施例中，開關電路包括第一開關與第二開關。第一開關的第一端耦接至直流電源的第一端，第二開關的第一端耦接至第一開關的第二端，第二開關的第二端耦接至直流電源的第二端。上述電容的第一端耦接至第一開關的第二端，電容的第二端耦接至一次側感應線圈。上述開關電路的占空比為第二開關的占空比。

在一些實施例中，控制電路還用以計算電壓的平均值，並判斷第二開關的占空比是否小於等於一預設占空比。若第二開關的占空比大於預設占空比且電壓的平均值上升，則控制電路將第二開關的占空比設定為預設占空比。若第二開關的占空比大於預設占空比且電壓的平均值下降，則控制電路執行一功率調變程序。若第二開關的占空比小於等於預設占空比且電壓的平均值上升，則控制電路固定第二開關的占空比不變。若第二開關的占空比小於等於預設占空比且電壓的平均值下降，則控制電路執行功率調變程序。

在一些實施例中，功率調變程序包括：判斷電壓的平均值是否大於一電壓預設值；若電壓的平均值大於電壓預設值，減少第二開關的占空比；若電壓的平均值小於電壓預設值，增加第二開關的占空比；以及若電壓的平均值等於電壓預設值，維持第二開關的占空比不變。

在一些實施例中，預設占空比為5%。

以另外一個觀點來說，本發明的實施例提出一種非接觸供電系統的控制方法。此非接觸供電系統包括移動裝置與供電裝置。移動裝置包括二次側感應線圈。供電裝置包括直流電源、開關電路、一次側感應線圈與電容。開關電路是耦接至直流電源與一次側感應線圈之間，電容是耦接在開關電路與一次側感應線圈之間。此控制方法包括：取得電容與一次側感應線圈之間的多個電壓；判斷電壓為下降或上升；在電壓下降時增加開關電路的占空比；以及電壓上升時減少開關電路的占空比。

在一些實施例中，上述的控制方法更包括：計算電壓的平均值；判斷第二開關的占空比是否小於等於一預設占空比；若第二開關的占空比大於預設占空比且電壓的平均值上升，將第二開關的占空比設定為預設占空比；若第二開關的占空比大於預設占空比且電壓的平均值下降，執行功率調變程序；若第二開關的占空比小於等於預設占空比且電壓的平均值上升，固定第二開關的占空比不變；以及若第二開關的占空比小於等於預設占空比且電壓的平均值下降，執行功率調變程序。

在本發明提出的非接觸供電系統與控制方法中，可以根據移動裝置與供電裝置之間的距離來決定傳輸的功率，也有保護機制來避免線圈損壞。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧非接觸供電系統

110‧‧‧移動裝置

120‧‧‧供電裝置

122‧‧‧控制電路

131~133‧‧‧換流器

L_a、L_b、L_c、L_sec‧‧‧線圈

duty1~duty3‧‧‧占空比

310‧‧‧直流電源

320‧‧‧開關驅動器

Q1~Q6‧‧‧開關

a、b、c、n‧‧‧節點

i_a、i_b、i_c、i_sec‧‧‧電流

C_a、C_b、C_c、C_sec‧‧‧電容

P₁、P₂、P₃‧‧‧感測點

V_dc、u_a、u_b、u_c、v_an、v_bn、v_cn、v_r‧‧‧電壓

v_s1~v_s6‧‧‧控制訊號

v_g1~v_g6‧‧‧脈衝寬度調變訊號

M‧‧‧互感值

401~409‧‧‧位置點

φ_a~φ_c‧‧‧磁通量

510、520‧‧‧交流源

Z_a、Z_sec、r_a、r_sec、R_eq‧‧‧阻抗

S701~S710、S801~S805、S901~S904‧‧‧步驟

[圖1]是根據一實施例繪示非接觸供電系統的示意圖。

[圖2A]至[圖2D]是根據一實施例繪示動態傳輸能量的示意圖。

[圖3]是根據一實施例繪示非接觸供電系統100的電路圖。

[圖4]是根據一實施例繪示在不同位置的動態充電示意圖。

[圖5]是根據一實施例繪示傳輸線圈與接收拾電線圈間互感耦合的等效電路圖。

[圖6]是根據一實施例繪示線圈L_a之電壓與電流曲線圖。

[圖7]是根據一實施例繪示非接觸供電系統的控制方法的流程圖。

[圖8]是根據一實施例繪示功率調變程序的流程圖。

[圖9]是根據一實施例繪示非接觸供電系統的控制方法的流程圖。

關於本文中所使用之『第一』、『第二』、...等，並非特別指次序或順位的意思，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。另外，關於本文中所使用之「耦接」，可指二個元件直接地或間接地作電性連接。也就是說，當以下描述「第一物件耦接至第二物件」時，第一物件與第二物件之間還可設置其他的物件。

圖1是根據一實施例繪示非接觸供電系統的示意圖。請參照圖1，非接觸供電系統100包括移動裝置110與供電裝置120。在此實施例中，移動裝置110可為任意適當的移動設備，例如為電動車，其中包含有二次側感應線圈L_sec。供電裝置120例如是埋設在道路之下或特定的軌道中，包含有控制電路122、換流器(inverter)131~133、以及一次側感應線圈L_a、L_b、L_c。換流器131~133是用以將直流電轉換為交流電，此交流電的能量可以藉由電磁感應的方式傳輸至移動裝置110。控制電路122可以控制換流器131~133中開關電路的占空比(duty cycle)以調整傳輸的功率大小，一般來說占空比越大時傳輸的功率越大。

當移動裝置110靠近對應的線圈時必須增加傳輸功率，而當移動裝置110遠離線圈時則需要減少傳輸功率。舉例來說，圖2A至圖2D是根據一實施例繪示動態傳輸能量的示意圖。在圖2A至圖2D中，占空比duty1、duty2、duty3分別對應至線圈L_a、L_b、L_c，導通時間越大代表傳輸功率相對較大。首先請參照圖2A，此時移動裝置110移動到線圈L_a的正上方，由於線圈L_a與線圈L_sec具有最大耦合關係，故占空比duty1具有最大導通時間以傳輸最大的功率。此時線圈L_sec並沒有靠近線圈L_b與線圈L_c，因此需執行線圈安全保護機制，以將占空比duty2、duty3的導通時間縮減到最小。以下會再詳細說明線圈安全保護機制。

接著請參照圖2B，此時線圈L_a與線圈L_sec間、線圈L_b與線圈L_sec存在相同的耦合關係，故占空比duty1將會降低導通時間，因而降低傳輸功率。另一方面，線圈L_b與線圈L_sec有較大的耦合關係，故占空比duty2將會增加導通時間而提升傳輸功率。又因此時線圈L_sec並沒有靠近線圈L_c，故執行線圈安全保護機制，將占空比duty3的導通時間縮減到最小。

接著請參照圖2C，此時線圈L_a與線圈L_sec僅存微小的耦合關係，故占空比duty1將會降低導通時間。而線圈L_b與線圈L_sec則偵測到較大耦合關係，故占空比duty2增加導通時間。同時因為沒有偵測到線圈L_sec靠近線圈L_c，故執行線圈安全保護機制，將占空比duty3的導通週期縮減到最小。

請參照圖2D，此時線圈L_a與線圈L_sec已無耦合關係，故將占空比duty1的導通時間縮減到最小設定值。此時線圈L_b與線圈L_sec間具有最大耦合關係，因此占空比 duty2即具有最大導通時間。另並沒有偵測到線圈L_sec靠近線圈L_c，故將占空比duty3的導通時間縮減到最小。以下將說明如何偵測線圈L_sec是否靠近線圈L_a、L_b、L_c。

圖3是根據一實施例繪示非接觸供電系統100的電路圖，請參照圖3。在此實施例中採用三相架構，但在其他實施例中也可採用單相架構或是多相架構，本發明並不在此限。在圖3的實施例中，直流電源310提供電壓V_dc。開關Q₁~Q₆例如為功率電晶體。開關Q₁、Q₂被稱為一個開關電路，開關Q₃、Q₄被稱為一個開關電路，而開關Q₅、Q₆被稱為一個開關電路。這三個開關電路都耦接至直流電源310，並且組成三相換流器以將直流電轉換為交流電。具體來說，開關Q₁、Q₃、Q₅(亦稱為第一開關)的第一端都耦接至直流電源310的第一端。開關Q₂、Q₄、Q₆(亦稱為第二開關)的第一端(分別對應至節點a、b、c)分別耦接至開關Q₁、Q₃、Q₅的第二端。開關Q₂、Q₄、Q₆的第二端(即節點n)則耦接至直流電源310的第二端。此外，電容C_a、C_b、C_c的第一端分別耦接至節點a、b、c，電容C_a、C_b、C_c的第二端分別耦接至一次側感應線圈L_a、L_b、L_c。

線圈L_a、L_b、L_c為傳輸端(Transmission side)線圈，線圈L_sec為拾電端線圈，線圈L_a、L_b、L_c與線圈L_sec之間具有互感值M。線圈L_a受控於節點a-n上的電壓v_an；線圈L_b受控於節點b-n上的電壓v_bn；線圈L_c受控於節點c-n上的電壓v_cn。線圈L_sec的後端可以連接移動裝置110的儲能元件、移動設備等。

電容C_a、C_b、C_c與線圈L_a、L_b、L_c之間具有感測點P₁、P₂、P₃，控制電路122用以偵測感測點P₁、P₂、P₃上的電壓u_a、u_b、u_c和電流i_a、i_b、i_c。控制電路122經過運算後會輸出控制訊號v_s1~v_s6給開關驅動器320。開關驅動器320可例如產生脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation，PWM)訊號v_g1~v_g6給驅動開關Q₁~Q₆，藉此調節三相換流器的輸出電壓v _an 、v _bn 、v _cn。在此另需說明的是，控制電路122係藉由拾電端線圈L_sec與後級電路之等效阻抗映射到傳輸端線圈L_a、L_b、L_c的互感耦合模型關係，藉此根據感測點P₁、P₂、P₃上的電壓與電流訊號即可偵測與計算出拾電端線圈L_sec在空間上的相對位置。以下將說明詳細計算內容。

圖4是根據一實施例繪示在不同位置的動態充電示意圖。在圖4圖僅繪示了一個供電裝置120，但在實作上可設置多個供電裝置120沿著道路或是軌道排列，這些供電裝置120可模組化且鋪設於道路下方，持續且有效地傳輸電力至移動裝置110內。請參照圖3與圖4，當控制電路122在接收到感測點P₁、P₂、P₃上的線圈電壓u_a、u_b、u_c與電流i_a、i_b、i_c訊號後，即可控制開關驅動器320來調整電壓v_an~v_cn之導通週期，因此線圈L_a~L_c將分別被獨立控制及提供相對應的感應磁通量φ_a~φ_c至移動裝置110，透過電磁感應線圈L_sec可輸出電壓v_r給移動設備，這樣不僅可使移動裝置110在軌道上充足地接收電源，且可確實有效減少無效功率損耗。舉例來說，當線圈L_sec處於位置點401時，控制電路122設定電壓v_an有最大的導通時間，並同時降低電壓v_bn、v_cn的導通時間。當線圈L_sec處於位置點402~405時，控制電路122將逐步增加電壓v_bn的導通時間，並同時降低電壓v_an的導通時間。當線圈L_sec處於位置點406~409時，控制電路122將逐步增加電壓v_cn的導通時間，並同時降低電壓v_bn的導通時間。

圖5是根據一實施例繪示傳輸線圈與接收拾電線圈間互感耦合的等效電路圖。由於線圈L_a~L_c是獨立運作，以下將以線圈L_a為例說明。請參照圖5，電容C_a可達到諧振補償效果。在輸入端等效來說具有輸入阻抗Z_a，電流i_a等於電壓v_an除以輸入阻抗Z_a。一次側線圈可等效地表示為電感L_a、阻抗r_a、與理想的交流源510，阻抗r_a為線圈的內部阻抗，交流源510上的電壓為-jωM．i _sec，ω即表示為系統操作角頻率。因此，一次側線圈上的電壓u_a應為電感L_a、阻抗r_a與交流源510上電壓的總和，但因內部阻抗r_a極小，故在此實施例中可忽略其效應。

另一方面，阻抗R_eq為移動裝置110上的等效負載阻抗。二次側線圈也可等效地表示為交流電源520、內部阻抗r_sec、與電感L_sec。電容C_sec則是耦接在電感L_sec與等效負載之間。電流i_sec等於交流源520上的電壓除以輸入阻抗Z_sec，而交流源520上的電壓為jωM．i _a。因此，一次側線圈上之電壓u_a可由以下方程式(1)表示。

在(1)式中之阻抗Z_a與阻抗Z_sec可分別表示為以下方程式(2)與(3)。

由上述說明可知，一側次線圈上的電壓u_a將會受到負載阻抗R_eq與互感值M影響。圖6是根據一實施例繪示線圈L_a之電壓與電流曲線圖。請參照圖3與圖6，如果移動裝置110正進行位置移動，互感值M會隨之變化，因此影響等效阻抗Z_a，導致電壓u_a變動。具體來說，當移動裝置110移動更為偏遠時，則互感值M相對變小，致使電壓u_a與電流i_a上昇。反之，當移動裝置110位置移動靠近供電裝置120時，則互感值M變大，電壓u_a與電流i_a因而降低。在此實施例中，當電壓u_a下降時，應增加開關Q₂的占空比，增加電壓v _an以穩定電壓u_a與電流i_a。當電壓u_a上升時則應減少開關Q₂的占空比，降低電壓v _an。如此一來，將有助於調節磁通量與傳輸功率，並可避免過大的電流i_a發生，這樣的作法具有防止線圈損壞、穩定輸出電壓、以及降低功率損耗等特點。以下將詳細說明控制電路122的操作流程。

圖7是根據一實施例繪示非接觸供電系統的控制方法的流程圖。以下以控制開關Q₂的占空比(表示為D_a)為例，對於開關Q4、Q6的控制則不再重複。請同時參照圖3與圖7，在步驟S701中，控制電路122取得多筆電壓u_a。在步驟S702中，控制電路122計算一段時間內電壓u_a的平均值，表示為電壓V_a,t，t代表時間。在步驟S703中，計算誤差值△V _a=V _a,t-V _a,t-1。在步驟S704中，判斷占空比D_a是否小於等於一個預設占空比，此預設占空比例如為5%，但本發明並不以此為限。不論步驟S704的結果為何，在步驟S705與步驟S706中都會判斷電壓的平均值是否上升(即誤差值△V _a是否大於0)，若電壓的平均值上升則表示移動裝置120正在離開供電裝置110；反之則是移動裝置120正在靠近供電裝置110。具體來說，如果占空比D_a大於預設占空比(步驟S704的結果為否)且電壓的平均值上升(步驟S706的結果為是)，則在步驟S709中控制電路122將占空比D_a設定為預設占空，接下來回到步驟S701。如果占空比D_a大於預設占空比(步驟S704的結果為否)且電壓的平均值下降(步驟S705的結果為否)，則在步驟S710中控制電路122執行一個功率調變程序，以下會再說明此程序。如果占空比D_a小於等於預設占空比(步驟S704的結果為是)且電壓的平均值上升(步驟S705的結果為是)，則在步驟S707中控制電路122會固定占空比D_a不變。如果占空比D_a小於等於預設占空比(步驟S704的結果為是)且電壓的平均值下降(步驟S706的結果為否)，則在步驟S708中控制電路122會執行功率調變程序。

值得注意的是，步驟S709所代表示是移動裝置120剛要離開剛要離開對應的線圈(例如為圖4中的位置401或位置405)，若占空比D_a太大會產生太大的電流i_a而損壞線圈，因此在此實施例中設定了一個線圈安全保護機制，馬上將占空比D_a設定為預設占空，如此一來可以避免線圈損壞。

圖8是根據一實施例繪示功率調變程序的流程圖。請參照圖8，功率調變程序包括了步驟S801~S805。在步驟S801中，判斷電壓的平均值V_a,t是否大於電壓預設值，此電壓預設值可透過實驗與統計來決定，本發明並不限制其數值為多少。如果電壓的平均值大於電壓預設值，則在步驟S802中減少占空比D_a。如果步驟S801的結果為否，在步驟S803中再判斷平均值V_a,t是否小於電壓預設值。如果平均值V_a,t小於電壓預設值，在步驟S804中增加占空比D_a。如果平均值V_a,t等於電壓預設值，在步驟S805中維持占空比D_a不變。在一些實施例中，在步驟S802與步驟S804中是漸進式地改變占空比D_a，例如一次改變少許的占空比D_a，而在圖8的流程結束之後可再回到圖7的步驟S701。

圖9是根據一實施例繪示非接觸供電系統的控制方法的流程圖。請參照圖9，在步驟S901中，取得電容與一次側感應線圈之間的多個電壓。在步驟S902中，判斷這些電壓為下降或上升。若這些電壓為上升，在步驟S903中，減少開關電路的占空比。若這些電壓為下降，在步驟S904中，增加開關電路的占空比。然而，圖9中各步驟已詳細說明如上，在此便不再贅述。值得注意的是，圖9中各步驟可以實作為多個程式碼或是電路，本發明並不在此限。此外，圖9的方法可以搭配以上實施例使用，也可以單獨使用。換言之，圖9的各步驟之間也可以加入其他的步驟。

綜由上述可知，本發明技術僅需擷取傳輸端線圈電壓與電流訊號，即可調整線圈的傳輸功率。此外，透過上述的線圈安全保護機制，可以避免線圈上產生高電壓即高電流。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S901~S904‧‧‧步驟

Claims

一種非接觸供電系統，包括：一移動裝置，包括一二次側感應線圈；一供電裝置，包括；一直流電源；一開關電路，耦接至該直流電源；一一次側感應線圈，耦接至該開關電路；一電容，耦接在該開關電路與該一次側感應線圈之間；以及一控制電路，用以取得該電容與該一次側感應線圈之間的多個電壓，並在該些電壓下降時增加該開關電路的一占空比，在該些電壓上升時減少該開關電路的該占空比。
如申請專利範圍第1項所述之非接觸供電系統，其中該開關電路包括：一第一開關，其第一端耦接至該直流電源的第一端；以及一第二開關，其第一端耦接至該第一開關的第二端，該第二開關的第二端耦接至該直流電源的第二端，其中該電容的第一端耦接至該第一開關的該第二端，該電容的第二端耦接至該一次側感應線圈，其中該開關電路的該占空比為該第二開關的一占空比。
如申請專利範圍第2項所述之非接觸供電系統，其中該控制電路還用以計算該些電壓的平均值，該控制電路判斷該第二開關的該占空比是否小於等於一預設占空比；若該第二開關的該占空比大於該預設占空比且該些電壓的該平均值上升，則該控制電路將該第二開關的該占空比設定為該預設占空比；若該第二開關的該占空比大於該預設占空比且該些電壓的該平均值下降，則該控制電路執行一功率調變程序；若該第二開關的該占空比小於等於該預設占空比且該些電壓的該平均值上升，則該控制電路固定該第二開關的該占空比不變；以及若該第二開關的該占空比小於等於該預設占空比且該些電壓的該平均值下降，則該控制電路執行該功率調變程序。
如申請專利範圍第3項所述之非接觸供電系統，其中該功率調變程序包括：判斷該些電壓的該平均值是否大於一電壓預設值；若該些電壓的該平均值大於該電壓預設值，減少該第二開關的該占空比；若該些電壓的該平均值小於該電壓預設值，增加該第二開關的該占空比；以及若該些電壓的該平均值等於該電壓預設值，維持該第二開關的該占空比不變。
如申請專利範圍第4項所述之非接觸供電系統，其中該預設占空比為5%。
一種非接觸供電系統的控制方法，其中該非接觸供電系統包括一移動裝置與一供電裝置，該移動裝置包括一二次側感應線圈，供電裝置包括一直流電源、一開關電路、一一次側感應線圈與一電容，該開關電路耦接至該直流電源與該一次側感應線圈之間，該電容耦接在該開關電路與該一次側感應線圈之間，該控制方法包括：取得該電容與該一次側感應線圈之間的多個電壓；判斷該些電壓為下降或上升；在該些電壓下降時增加該開關電路的一占空比；以及該些電壓上升時減少該開關電路的該占空比。
如申請專利範圍第6項所述之控制方法，其中該開關電路包括一第一開關與一第二開關，該第一開關的第一端耦接至該直流電源的第一端，該第二開關的第一端耦接至該第一開關的第二端，該第二開關的第二端耦接至該直流電源的第二端，其中該電容的第一端耦接至該第一開關的該第二端，該電容的第二端耦接至該一次側感應線圈，其中該開關電路的該占空比為該第二開關的一占空比。
如申請專利範圍第7項所述之控制方法，更包括：計算該些電壓的平均值；判斷該第二開關的該占空比是否小於等於一預設占空比；若該占空比大於該預設占空比且該些電壓的該平均值上升，將該第二開關的該占空比設定為該預設占空比；若該占空比大於該預設占空比且該些電壓的該平均值下降，執行一功率調變程序；若該占空比小於等於該預設占空比且該些電壓的該平均值上升，固定該第二開關的該占空比不變；以及若該占空比小於等於該預設占空比且該些電壓的該平均值下降，執行該功率調變程序。
如申請專利範圍第8項所述之控制方法，其中該功率調變程序包括：判斷該些電壓的該平均值是否大於一電壓預設值；若該些電壓的該平均值大於該電壓預設值，減少該第二開關的該占空比；若該些電壓的該平均值小於該電壓預設值，增加該第二開關的該占空比；以及若該些電壓的該平均值等於該電壓預設值，維持該第二開關的該占空比不變。
如申請專利範圍第9項所述之控制方法，其中該預設占空比為5%。