Идентификация нелинейной системы для оптимизации беспроводной передачи энергии

Идентификация нелинейной системы для оптимизации беспроводной передачи энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

[0001] В настоящей заявке заявлено преимущество по предварительной заявке США №61/738,786, поданной 18 декабря 2012, которая полностью включена в настоящую заявку посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Варианты реализации настоящего изобретения в целом относятся к беспроводной передаче энергии для систем зарядки и/или питания, таких, которые могут быть использованы помимо прочего в электрических транспортных средствах и переносных устройствах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] С возобновлением интереса к электромобилям наблюдается появление новых разработок в технологии изготовления батарей, быстрых способов зарядки и беспроводной передачи энергии в качестве удобного способа для подзарядки батарей. Способы беспроводной быстрой зарядки становятся все более соответствующими для экологически чистых электромобилей как способ увеличения дальности, ограниченной современной технологией изготовления батарей. Таким образом, батареи можно подзаряжать во время движения от катушек, встроенных в дорожное полотно, перед светофорами, в местах стоянки автомобилей во время совершения покупок или в ресторанах для автомобилистов.

[0004] Беспроводная передача энергии имеет длинную историю, начинающуюся, вероятно, с опытов Теслы. В настоящее время эта технология используется повсюду, например, в зубных щетках, сотовых телефонах, портативных компьютерах, и даже рассматривается в качестве альтернативного источника питания для общего использования в домах, например, для осветительных приборов, часов и т.п. В большей части случаев применения беспроводная передача энергии применяется для зарядки батарей, которые используют в качестве временного хранилища энергии между беспроводной системой для зарядки и устройством. С появлением усовершенствованных технологий изготовления батарей, таких как литий-ионные ячейки, стала возможной зарядка батареи намного быстрее, чем прежде с использованием беспроводных скоростных зарядных устройств. Для достижения полного признания эти беспроводные скоростные зарядные устройства должны быть эффективными и надежными, что является основной целью некоторых случаев применения, описанных в настоящей заявке.

[0005] Известны различные типы беспроводной передачи энергии. Настоящее изобретение основано на резонансной индуктивной зарядке (RIC), не смотря на то, что большая часть того, что описано выше также может быть применено к другим типам беспроводных способов зарядки. В резонансной индуктивной зарядке, как можно понять из названия, используется высокодобротные настроенные катушки и конденсаторы, и энергия передается от катушки к катушке посредством магнитных полей. Резонансная индуктивная зарядка отличается от способов дальнего поля, включающих, например, СВЧ поля, которые требуют использования сложных электронных схем, и способов ближнего поля, которые действуют только в пределах части длины волны при использовании резонансной индуктивной зарядки. В случае резонансной индуктивной зарядки выяснилось, что между катушками может быть передано значительно большее количество энергии на расстояниях, превышающих несколько диаметров катушки. Использование магнитного поля вместо распространяющегося в радиальном направлении электромагнитного поле также представляет уменьшенный потенциальный вред для здоровья человека.

[0006] Общий тип катушек, используемых для резонансной индуктивной зарядки, имеет форму диска с одиночной спиральной намоткой, выполненной в плоскости. На фиг. 1 показана типичная схема резонансной индуктивной зарядки, на которой катушки L1 и L2 являются передающей и приемной катушками соответственно, изготовленными в форме дисковой катушки. Поскольку такая конструкция подобна трансформатору, электрические характеристики катушек могут быть описаны параметрами, такими как сопротивление катушек, самоиндукция и взаимная индукция. Взаимная индукция определяет какая часть поля, генерируемого одной катушкой, пересекает другую катушку (катушки), что в значительной степени зависит от геометрия, с которой катушки ориентированы относительно друг друга, включая расстояние и ориентацию. При уменьшении связи передается меньше энергии, в то время как потери мощности на омический нагрев остаются теми же самыми или увеличиваются, и, следовательно, уменьшается эффективность.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] В общем, согласно одному аспекту по меньшей мере одно из изобретений представляет способ обнаружения, находится ли приемная катушка рядом с передающей катушкой в системе для беспроводной передачи энергии (WPTS). Способ включает этапы, согласно которым: подают псевдослучайный сигнал на передающую катушку, во время подачи псевдослучайного сигнала на передающую катушку регистрируют один или большее количество сигналов, выработанных в системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал, путем использования одного или большего количества зарегистрированных сигналов генерируют модель динамической системы для отдельного аспекта системы для беспроводной передачи энергии и используют сгенерированную модель динамической системы в сочетании с сохраненными обучающими данными для определения, находится ли объект, имеющий характеристики, отличающие указанный объект как приемную катушку, рядом с передающей катушкой.

[0008] Другие варианты реализации содержат один или большее количество следующих признаков. Способ также включает, если приемная катушка определена как находящаяся рядом с передающей катушкой, инициирование беспроводной передачи энергии посредством передающей катушки в приемную катушку. Псевдослучайный сигнал является псевдослучайным сигналом напряжения и/или является достаточно сильным для стимулирования нелинейности в приемной системе, соединенной с приемной катушкой. Один или большее количество сигналов содержат сигнал тока передающей катушки и, возможно, сигнал напряжения передающей катушки. Использование сгенерированной модели динамической системы включает сравнение информации, содержащейся в сгенерированной модели динамической системы, с выведенной опытным путем сохраненной информацией, которая указывает на присутствие рядом приемной катушки. Генерирование модели динамической системы включает использование идентификации системы для согласования выбранной модели с данными, выведенными из одного или большего количества зарегистрированных сигналов. Выбранной моделью является винеровская система, и/или выбранная модель имеет динамическую линейную часть и статическую нелинейную часть. Моделью динамической системы является функция импеданса передающей катушки или функция переданной энергии для передающей катушки. Использование сгенерированной модели динамической системы включает разложение модели динамической системы на базисные функции для генерирования набора параметров базисной функции и использование указанного набора параметров базисной функции для определения, находится ли приемная катушка рядом с передающей катушкой. Псевдослучайным сигналом является сигнал, выбранный из сигнала гауссовского белого шума и псевдослучайной двоичной последовательности (PRBS). Сгенерированная модель динамической системы содержит представление временной области или представление частотной области.

[0009] Другие варианты реализации содержат один или большее количество следующих признаков. Сохраненные обучающие данные представлены сохраненной фильтр-функцией, причем использование сгенерированной модели динамической системы в сочетании с сохраненными обучающими данными включает обработку сгенерированной модели динамической системы для генерирования выходного сигнала, при этом выходной сигнал указывает, находится ли объект, имеющий характеристики, распознаваемые из сохраненных обучающих данных как приемная катушка, рядом с передающей катушкой, и причем обработка модели динамической системы включает применение сохраненной фильтр-функции. Генерирование модели динамической системы включает вычисление частотного спектра из одного или большего количества зарегистрированных сигналов. Сгенерированная модель динамической системы представляет собой импедансный спектр для передающей катушки. Фильтр-функция является нелинейной фильтр-функцией. Нелинейная фильтр-функция выведена из измерений, выполненных на испытательной системе, содержащей испытательную передающую катушку и испытательную приемную катушку, расположенные на различных разделяющих расстояниях друг от друга. Способ также включает, если приемная катушка определена как находящаяся рядом с передающей катушкой, инициирование беспроводной передачи энергии посредством передающей катушки в обнаруженную приемную катушку.

[0010] В общем, согласно еще одному другому аспекту по меньшей мере одно изобретение представляет систему для беспроводной передачи энергии. Система для беспроводной передачи энергии содержит: передающую катушку; схему передатчика энергии, соединенную с передающей катушкой; схему датчика, соединенную с передающей катушкой; и электронное управляющее устройство для управления схемой передатчика энергии и схемой датчика, причем указанное электронное управляющее устройство содержит запоминающее устройство для сохранения обучающих данных и процессорную систему, запрограммированную для: вызова подачи схемой передатчика энергии псевдослучайного сигнала на передающую катушку; во время подачи псевдослучайного сигнала на передающую катушку - вызова регистрации схемой датчика одного или большего количества сигналов, выработанных в указанной системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал; путем использования одного или большего количества зарегистрированных сигналов - генерирования модели динамической системы для отдельного аспекта системы для беспроводной передачи энергии; и использования сгенерированной модели динамической системы в сочетании с указанными сохраненными обучающими данными для определения, находится ли объект, имеющий характеристики, отличающие указанный объект как приемную катушку, рядом с передающей катушкой.

[0011] Другие варианты реализации настоящего изобретения содержат один или большее количество следующих признаков. Один или большее количество сигналов содержат сигнал тока и сигнал напряжения передающей катушки.

[0012] Сохраненные обучающие данные представлены сохраненной фильтр-функцией, и процессорная система запрограммирована для использования сгенерированной модели динамической системы в сочетании с сохраненными обучающими данными путем обработки сгенерированной модели динамической системы для генерирования выходного сигнала, при этом выходной сигнал указывает, находится ли объект, имеющий характеристики, распознаваемые из сохраненных обучающих данных как приемная катушка, рядом с передающей катушкой, и обработки сгенерированной модели динамической системы включает применение фильтр-функции. Процессорная система запрограммирована для генерирования модели динамической системы путем вычисления частотного спектра из одного или большего количества зарегистрированных сигналов. Сгенерированной моделью динамической системы является импедансный спектр для передающей катушки.

В общем, согласно еще одному аспекту, по меньшей мере одно изобретение представляет способ поиска рабочей частоты для возбуждающего сигнала для передающей катушки в системе для беспроводной передачи энергии (WPTS). Способ включает: подачу псевдослучайного сигнала на передающую катушку; во время подачи псевдослучайного сигнала на передающую катушку регистрируют один или более сигналов, выработанных в системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал; путем использования одного или большего количества зарегистрированных сигналов - генерируют модель динамической системы для отдельного аспекта системы для беспроводной передачи энергии; и проводят поиск оптимальной частоты для возбуждающего сигнала, причем проведение поиска включает повторяющееся использование сгенерированной модели динамической системы для моделирования реакции в ответ на возбуждающий сигнал во время изменения рабочей частоты возбуждающего сигнала до тех пор, пока не будет найдена оптимальная частота.

Другие варианты реализации содержат один или большее количество следующих признаков. Проведение поиска включает: вычисление выходной мощности на основании смоделированной реакции; использование вычисленной выходной мощности в качестве целевой функции; и проведение поиска путем использования целевой функции. Проведение поиска также включает задание рабочей частоты возбуждающего сигнала, равной оптимальной частоте. Псевдослучайный сигнал является псевдослучайным сигналом напряжения. Один или большее количество сигналов содержат сигнал тока передающей катушки, или они содержат как сигнал тока, так и сигнал напряжения передающей катушки. Генерирование представления передаточной функции включает использование идентификации системы или идентификации нелинейной системы для согласования модели с данными, выведенными из одного или большего количества зарегистрированных сигналов. Выбранная модель является винеровской системой или имеет динамическую линейную часть и статическую нелинейную часть. Сгенерированная модель динамической системы содержит представление временной области или представление частотной области.

В общем, согласно еще одному другому аспекту по меньшей мере одно из изобретений представляет систему для беспроводной передачи энергии. Система для беспроводной передачи энергии содержит: передающую катушку; схему передатчика энергии, соединенную с передающей катушкой; схему датчика, соединенную с передающей катушкой; и электронное управляющее устройство для управления схемой передатчика энергии и схемой датчика, причем указанное электронное управляющее устройство содержит запоминающее устройство для сохранения обучающих данных и процессорную систему, запрограммированную для: вызова подачи схемой передатчика энергии псевдослучайного сигнала на передающую катушку; во время подачи псевдослучайного сигнала на передающую катушку - вызова регистрации схемой датчика одного или большего количества сигналов, выработанных в указанной системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал; путем использования одного или большего количества зарегистрированных сигналов - генерирования модели динамической системы для отдельного аспекта системы для беспроводной передачи энергии; и проведения поиска оптимальной частоты для возбуждающего сигнала, при этом проведение поиска с повторением включает использование сгенерированной модели динамической системы для моделирования реакции на возбуждающий сигнал во время изменения рабочей частоты возбуждающего сигнала до тех пор, пока не будет найдена оптимальная частота.

В общем, согласно другому аспекту по меньшей мере одно из изобретений представляет способ поиска рабочей частоты для возбуждающего сигнала для передающей катушки в системе для беспроводной передачи энергии (WPTS). Способ включает: подачу псевдослучайного сигнала на передающую катушку; во время подачи псевдослучайного сигнала на передающую катушку - регистрируют сигнал, выработанный в системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал; и обрабатывают зарегистрированный сигнал для генерирования выходного сигнала, причем выходной сигнал идентифицирует рабочую частоту, предназначенную для использования для возбуждающего сигнала, при этом обработка зарегистрированного сигнала включает применение нелинейной фильтр-функции.

Другие варианты реализации содержат одну или большее количество следующих особенностей. Нелинейная фильтр-функция была выведена из измерений, выполненных на испытательной системе, содержащей испытательную передающую катушку и испытательную приемную катушку, расположенных на различных разделяющих расстояниях друг от друга. Регистрация сигнала, выработанного в системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал, включает регистрацию сигнала, выработанного передающей катушкой.

В общем, согласно еще одному аспекту по меньшей мере одно из изобретений представляет систему для беспроводной передачи энергии (WPTS). Система для беспроводной передачи энергии содержит: передающую катушку; схему передатчика энергии, соединенную с передающей катушкой; схему датчика, соединенную с передающей катушкой; и электронное управляющее устройство для управления схемой передатчика энергии и схемой датчика, причем указанное электронное управляющее устройство содержит запоминающее устройство для сохранения нелинейной фильтр-функции и процессорную систему, запрограммированную для: вызова подачи схемой передатчика энергии псевдослучайного сигнала на передающую катушку; во время подачи псевдослучайного сигнала на передающую катушку - вызова регистрации схемой датчика одного или большего количества сигналов, выработанных в указанной системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал; и обработки зарегистрированного сигнала для генерирования выходного сигнала, причем выходной сигнал идентифицирует рабочую частоту, которая будет использована для возбуждающего сигнала, при этом обработка зарегистрированного сигнала включает применение нелинейной фильтр-функции.

Другие варианты реализации содержат один или большее количество следующих признаков. Нелинейная фильтр-функция была выведена из измерений, выполненных в испытательной системе, содержащей испытательную передающую катушку и испытательную приемную катушку, расположенные на различных разделяющих расстояниях друг от друга. Регистрация сигнала, выработанного в системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал, включает регистрацию сигнала, выработанного передающей катушкой.

В общем, согласно еще одному аспекту по меньшей мере одно из изобретений представляет систему для беспроводной передачи энергии (WPTS). Система для беспроводной передачи энергии содержит: передающую катушку; схему передатчика энергии, соединенную с передающей катушкой; схему датчика, соединенную с передающей катушкой; и электронное управляющее устройство для управления схемой передатчика энергии и схемой датчика, причем указанное электронное управляющее устройство содержит запоминающее устройство для сохранения обучающих данных и процессорную систему, запрограммированную для: вызова подачи передатчиком энергии псевдослучайного сигнала на передающую катушку; во время подачи псевдослучайного сигнала на передающую катушку - вызова регистрации схемой датчика одного или большего количества сигналов, выработанных в указанной системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал; и обработки зарегистрированного сигнала для генерирования выходного сигнала, причем выходной сигнал идентифицирует рабочую частоту, предназначенную для использования для возбуждающего сигнала, при этом обработка зарегистрированного сигнала включает применение нелинейной фильтр-функции.

Другие варианты реализации содержат одну или большее количество следующих особенностей. Нелинейная фильтр-функция была выведена из измерений, выполненных в испытательной системе, содержащей испытательную передающую катушку и испытательную приемную катушку, расположенные на различных разделяющих расстояниях друг от друга. Сигнал, выработанный в системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал, является сигналом, выработанным передающей катушкой.

В общем, согласно еще одному аспекту по меньшей мере одно из изобретений представляет способ идентификации волновой формы для возбуждающего сигнала для передающей катушки в системе для беспроводной передачи энергии (WPTS). Способ включает: подачу псевдослучайного сигнала на передающую катушку; во время подачи псевдослучайного сигнала на передающую катушку регистрируют один или более сигналов, выработанных в системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал; путем использования одного или большего количества зарегистрированных сигналов - генерируют модель динамической системы для отдельного аспекта системы для беспроводной передачи энергии; и проведение поиска оптимальной волновой формы для возбуждающего сигнала, причем проведение поиска с повторением включает использование сгенерированной модели динамической системы для моделирования реакции на возбуждающий сигнал во время изменения волновой формы возбуждающего сигнала до тех пор, пока не будет найдена оптимальная волновая форма.

Другие варианты реализации содержат одну или большее количество следующих особенностей. Проведение поиска дополнительно включает: вычисление выходной мощности из смоделированной реакции; использование вычисленной выходной мощности в качестве целевой функции; и проведение поиска путем использования целевой функции. Один или большее количество сигналов, выработанных в системе для беспроводной передачи энергии, содержат сигнал, выработанный передающей катушкой в ответ на поданный псевдослучайный сигнал.

В общем, согласно другому аспекту по меньшей мере одно из изобретений представляет систему для беспроводной передачи энергии. Система беспроводной передачи энергии содержит: передающую катушку; схему передатчика энергии, соединенную с передающей катушкой; схему датчика, соединенную с передающей катушкой; электронное управляющее устройство для управления схемой передатчика энергии и схемой датчика, причем указанное электронное управляющее устройство содержит запоминающее устройство для сохранения нелинейной фильтр-функции и процессорную систему, запрограммированную для: вызова подачи передатчиком энергии псевдослучайного сигнала на передающую катушку; во время подачи псевдослучайного сигнала на передающую катушку - вызова регистрации схемой датчика одного или большего количества сигналов, выработанных в указанной системе для беспроводной передачи энергии в ответ на поданный псевдослучайный сигнал; использования одного или большего количества зарегистрированных сигналов для генерирования модели динамической системы для отдельного аспекта системы для беспроводной передачи энергии; и проведения поиска оптимальной волновой формы для возбуждающего сигнала путем повторяющегося использования сгенерированной модели динамической системы для моделирования реакции на возбуждающий сигнал во время изменения волновой формы возбуждающего сигнала до тех пор, пока не будет найдена оптимальная волновая форма.

[0013] Подробности одного или большего количества вариантов реализации настоящего изобретения показаны на сопроводительных чертежах и сформулированы в описании, приведенном ниже. Другие признаки, объекты и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из описания, чертежей и пунктов поданной формулы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0014] На фиг. 1 показана схема передачи электроэнергии с использованием передающей катушки L₁ и приемной катушки L₂.

[0015] На фиг. 2 показан типичный график электрического импеданса настроенной катушки в свободном пространстве и в связанном состоянии с соседней идентичной катушкой.

[0016] На фиг. 3 показаны импедансные спектры катушки передатчика для двух катушек, разнесенных друг от друга на различные расстояния.

[0017] На фиг. 4 показан спектр мощности катушки передатчика, соответствующий импедансным спектрам катушки, показанным на фиг. 3.

[0018] На фиг. 5 показана оптимальная частота для двух катушек в зависимости от разделительного расстояния между ними.

[0019] На фиг. 6 показана принципиальная схема винеровской системы.

[0020] На фиг. 7 показана принципиальная схема системы Гаммерштейна.

[0021] На фиг. 8 показана принципиальная схема системы для беспроводной передачи энергии, содержащей передающую и приемную катушки.

[0022] На фиг. 9 показана блок-схема алгоритма для предварительного обучения электронного управляющего устройства передатчика энергии в системе для беспроводной передачи энергии для обнаружения системы для беспроводного приема энергии.

[0023] На фиг. 10 показана блок-схема алгоритма, реализованного электронным управляющим устройством передатчика энергии для обнаружения присутствия системы для беспроводного приема энергии.

[0024] На фиг. 11 показана блок-схема алгоритма для создания нелинейного фильтра для использования в электронном управляющем устройстве передатчика энергии для обнаружения присутствия системы для беспроводного приема энергии.

[0025] На фиг. 12 показана блок-схема алгоритма, реализованного электронным управляющим устройством передатчика энергии для использования нелинейного фильтра, показанного на фиг. 11, для обнаружения присутствия системы для беспроводного приема энергии.

[0026] На фиг. 13 показана блок-схема алгоритма, реализованного электронным управляющим устройством передатчика энергии, для автоматического регулирования частоты сигнала для беспроводной передачи энергии.

[0027] На фиг. 14А показана блок-схема алгоритма для создания нелинейного фильтра для использования в электронном управляющем устройства передатчика энергии, для автоматического регулирования частоты сигнала для беспроводной передачи энергии.

[0028] На фиг. 14В показана блок-схема алгоритма, реализованного электронным управляющим устройством передатчика энергии для использования нелинейного фильтра, показанного на фиг. 14А, для автоматического регулирования частоты сигнала для беспроводной передачи энергии.

[0029] На фиг. 15 показана блок-схема алгоритма, реализованного по меньшей мере частично электронным управляющим устройством передатчика энергии, для регулирования волновой формы сигнала для беспроводной передачи энергии.

[0030] На фиг. 16А-16В показана блок-схема алгоритма для предварительного обучения электронного управляющего устройства передатчика энергии в системе для беспроводной передачи энергии для обнаружения инородных объектов.

[0031] На фиг. 17 показана блок-схема алгоритма, реализованного электронным управляющим устройством передатчика энергии, для обнаружения инородных объектов.

[0032] На фиг. 18А показана блок-схема алгоритма для создания нелинейного фильтра для использования в электронном управляющем устройстве передатчика энергии для обнаружения присутствия инородного объекта.

[0033] На фиг. 18В показана блок-схема алгоритма, реализованного электронным управляющим устройством передатчика энергии, для использования нелинейного фильтра, показанного на фиг. 18А, для обнаружения присутствия инородного объекта.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0034] Перед представлением подробностей различных вариантов реализации сначала будут описаны некоторые из проблем, которые решены этими вариантами реализации.

[0035] На фиг. 2 приведен типичный график электрического импеданса настроенной катушки, которая, например, может соответствовать передающей катушке в системе для беспроводной передачи энергии. Импеданс идеального конденсатора, включенного последовательно с катушкой индуктивности, имеет "нулевой" нуль на резонансной или собственной частоте, как показывает кривая С. Когда вторую настроенную катушку (катушку индуктивности и конденсатор, соединенные параллельно), называемую приемной катушкой, приводят в непосредственную близость к передающей катушке, импеданс на собственной частоте увеличивается в значительной степени, как показывает кривая А. Кривая, обозначенная как В, показывает импеданс системы с двумя катушками, когда приемная катушка также содержит резистивную нагрузку в своей цепи, на которой рассеивается электроэнергия, генерируемая во внешнем контуре. Нетрудно понять, что измерение импеданса, для которого требуется доступ только к двум клеммам передающей катушки, могло предоставить очень удобный инструмент для получения сведений о работе схемы.

[0036] Как показывает кривая на фиг. 2, знаменательно явление, происходящее, когда указанные две катушки приведены в непосредственную близость друг к другу, называется дроблением частоты. Когда передающая катушка и приемная катушка сближаются, могут наблюдаться две или большее количество частот при оптимальной передаче мощности локально в частотной области. Иными словами, наблюдаются два минимума, по одному на каждой стороне от собственной частоты. (Подробное описание этого явления приведено в: Alanson Р. Sample and Joshua R. Smith, Analysis, Experimental Results, and Range Adaptation of Magnetically Coupled Resonators for Wireless Power Transfer, 2010 IEEE; and Huang, X.L., et al., Resonant Frequency Splitting Analysis and Optimization of Wireless Power Transfer System, PIERS Proceedings, Russia, August 2012).

[0037] На фиг. 3 показан типичный график импеданса передающей катушки на различных расстояниях от приемной катушки. Поскольку катушки постепенно сближаются, пик импеданса на собственной частоте увеличивается, и эти две частоты, в которых минимумы импеданса наблюдаются с обеих сторон этого положения, все больше отдаляются по частоте друг от друга. На основании этих импедансных спектров могут быть вычислены энергетические спектры, указывающие, сколько энергии приходит в катушку. На фиг. 4 показаны соответствующие энергетические спектры. Как видно из чертежей, мощность является максимальной на двух частотах, расстояние между которыми все более уменьшается в зависимости от разнесения этих двух катушек вплоть до слияния двух пиков для всех практических целей при увеличенных разнесениях (слияния на собственной частоте системы).

[0038] На фиг. 5 представлены свойственные различным беспроводным системам оптимальные частоты, при которых происходит максимальная передача энергии, в зависимости от относительного разделительного расстояния между указанными двумя катушками с учетом диаметров катушек. Как показано на чертеже, если расстояние между катушками меньше чем примерно половина диаметра катушек, имеются две частоты, на которых наблюдается максимальная передача энергии. При фиксированной конфигурации легко выбрать оптимальную частоту генератора для передачи энергии. Однако в динамической ситуации, когда катушки перемещаются относительно друг друга, и расстояния между катушками является неизвестным, поддерживание оптимальной передачи энергии становится затруднительным.

[0039] Обычно, задача состоит в максимизации передачи электроэнергии в нагрузку. В лабораторных условиях могут быть присоединены измерительные выводы для измерения энергии, генерируемой схемой, в передатчике и измерения энергии, поступающей в нагрузку. Затем, путем использования качающейся частоты можно периодически измерять отношение принятой мощности к переданной мощности для обнаружения частоты, на которой происходит пиковая передача электроэнергии, и соответствующим образом регулировать частоту генератора. Обнаружение оптимальной частоты может быть выполнено с использованием некоторых алгоритмов, разработанных в теории оптимизации. Однако по причине дробления частоты и возможного существования двух локальных оптимальных частот, должны быть использованы способы, включающие стохастическую минимизацию. При нахождении оптимума оптимальная частота может быть отслежена в режиме реального времени с повышенной скоростью путем локальных поисков.

[0040] Однако, в реальных случаях применениях, таких как автомобили, перемещающиеся относительно друг друга или над передающими катушками, отсутствует возможность непосредственного измерения энергии, рассеянной в нагрузке. Автоматическая настройка частоты может быть достигнута посредством направленных ответвителей, расположенных, например, между передающей и приемной катушками, для измерения падающей и отраженной энергии (см. Sample и Smith). Другой способ может включать беспроводную передачу необходимых измерений, таких как измерение электрического тока в нагрузке, напряжения и мощности, от приемника к передатчику. Это может быть осуществлено путем передачи модулированного сигнала от приемной катушки на передающую катушку с использованием различных частотных диапазонов, на которые не влияет передача энергии. Согласно другому варианту реализации могут быть использованы другие способы передачи информации назад к передатчику, такие как оптические или акустические сигналы. Для передачи таких сигналов в катушки для передачи энергии могут быть встроены вспомогательные катушки.

[0041] Как показали Sample и Smith, способ моделирования может быть использован для определения зависимости переданной энергии от положения и ориентации катушек. В этом случае датчики положения, которые регистрируют расстояние между этими двумя катушками и их ориентацию, могут быть использованы для идентифицирования оптимальной частоту при передаче энергии.

[0042] Система для передачи электроэнергии, показанная на фиг. 1, содержит несколько нелинейных элементов, таких как выпрямители и вторичный преобразователь. Если бы система была линейной, для быстрой идентификации системы и извлечения из нее оптимальных параметров могли бы использоваться некоторые способы, описанные в инженерно-технической литературе. Однако, если такие способы использовались бы для выяснения, каким образом указанные возмущения в переданном сигнале будут влиять на сигнал, наблюдаемый в нагрузке, они, вероятно, оказались бы безрезультатными или дали неточные результаты из-за присутствия в цепи твердотельных нелинейных элементов, таких как выпрямительные диоды.

[0043] Также выяснилось, что передача увеличенной электроэнергии может быть достигнута с использованием несинусоидальной переходной волновой формы. Такая форма имеет конкретное преимущество, поскольку для минимизации потерь мощности в электронике используются элементы переключения мощности или мощные полевые транзисторы (FET), которые вместо синусоидальных сигналов генерируют сигналы в форме импульсов или ступеней. Такие мощные элементы или транзисторы содержат интегрированные биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и полевые транзисторы с гексагональными р-областями (HEXFET®), причем биполярные транзисторы с изолированным затвором обычно выполнены с возможностью переключения при повышенных напряжениях, а полевые транзисторы с гексагональными р-областями выполнены с возможностью переключения на повышенных частотах, например, на частотах до десятков МГц.

[0044] Создание систематического способа определения оптимальной формы такого сигнала в режиме реального времени при перемещении и вращении катушек относительно друг друга, представляет собой одну из задач, достигнутых способами, описанными ниже.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ СИСТЕМЫ

[0045] По меньшей мере в некоторых из вариантов реализации, описанных в настоящей заявке, используется идентификация нелинейной системы для достижения результатов, которые достигнуты. Таким образом, перед обсуждением подробностей различных вариантов реализации сначала будет представлен краткий обзор идентификации нелинейной системы.

[0046] Как известно из теоремы Фреше, любая стационарная по времени нелинейная динамическая система с конечной памятью может быть представлена с произвольной точностью рядами Вольтерра конечного порядка для всех входных сигналов, которые являются квадратично интегрируемыми в конечном интервале. Ряд Вольтерра подобен ряду Тейлора, за исключением того, что он может учитывать эффекты "памяти" устройств, таких как конденсаторы и катушки индуктивности. Ряд Вольтерра, который представляет собой функциональное расширение динамического нелинейного стационарного по времени оператора, является бесконечной суммой многомерных сверточных интегралов следующей формы:

.

[0047] С рядом Вольтерра тесно связан ряд Винера. В ряду Винера члены ортогонализированы для чисто случайного входного сигнала белого шума и легко идентифицируются с использованием, например, способов взаимной корре