用于无线功率转移系统中的参数辨识、负载监控和输出功率控制的方法

摘要

公开了一种用于辨识包括n个线圈的无线功率转移（WPT）系统中的阻抗相关参数的方法。所述方法包括：基于测量的输入阻抗组通过应用演化算法以求解最佳解来确定阻抗相关参数的最佳值。其中，测量的输入阻抗组包括输入阻抗向量（

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求于2013年8月6日提交的标题为“MethodsforParameter Identification,LoadMonitoringandOutputPowerControlforWirelessPower TransferSystems”的美国临时专利申请序号61/862,627的优先权，其全部内容通过引用 被并入本文。

技术领域

本申请涉及用于无线功率转移系统的输出功率的控制。

背景技术

基于两个环形谐振器的磁共振和近场耦合的无线功率转移在一个世纪前被 NicolaTesla报道。N.Tesla，美国专利1,119,732(1914年12月1日)，“Apparatusfor transmittingelectricalenergy”。由Tesla开拓的无线功率转移取决于能量转移机制可 以是辐射性的或者是非辐射性的。辐射功率可以由天线发射并且通过介质（诸如真空或空 气）以电磁波形式在长距离（即比天线的尺度大许多倍）上传播。然而，由于辐射功率发射的 全向性质，功率传输的能量效率非常低。非辐射性无线功率转移依赖于传导回路的近场磁 耦合，并且可以分类为短范围和中等范围应用。本文中，词语“中等范围应用”指电源和负载 之间的传输距离比线圈-谐振器的尺度要大的情况。

应当注意，无线功率转移在ac机器中已被广泛应用，这也是由Tesla开拓的。参见 RobertLomas的“Themanwhoinventedthetwentiethcentury–NikolaTesla– ForgottenGeniusofElectricity,”Headline(1999),ISBN0747262659，pp.146。 使用笼感应机器作为示例，能量从励磁定子绕组跨气隙转移到转子笼。经由耦合绕组的能 量转移是电机器中使用的基本原理。因此，无线功率系统可以通过用于磁耦合电路的电路 理论在数学上描述。

无线功率转移自从1960年代已是用于医学植入的经皮能量系统的活跃研究课题。 参见J.C.Schuder,H.E.Stephenson和J.F.Townsend的“Highlevel electromagneticenergytransferthroughaclosedchestwall,”IREInt.Conv. Rec.,pt.9,vol.9,pp.119-126,(1961)；W.H.Ko,S.P.Liang和C.D.F.Fung的 “Designofrf-poweredcoilsforimplantinstruments,”Med.Biol.Eng. Comput.,vol.15,pp.634-640,(1977);E.Hochmair的“Systemoptimizationfor improvedacuracyintranscutaneoussignalandpowertransmission”,IEEE Trans.BiomedicalEngineering,vol.BME-31,no.2,pp.177-186,(1984年2月); B.Choi,J.Nho,H.Cha,T.Ahn和S.Choi的“Designandimplementationoflow- profilecontactlessbatterychargerusingplanarprintedcircuitboard windingsasenergytransferdevice,”IEEETrans.IndustrialElectronics,vol. 51,no.1,pp.140-147,(2004年2月)；以及Y.Jang和M.M.Jovanovic的“A contactlesselectricalenergytransmissionsystemforportable-telephone batterychargers”,IEEETrans.IndustrialElectronics,vol.50,no.3,pp. 520–527,(2003年6月)。

该研究自从1970年代也涉及感应加热器。参见W.G.Hurley和J.Kassakian的 “Inductionheatingofcircularferromagneticplates”,IEEETrans.Magnetics, vol.15,no.4,pp.1174-1181,(1979年7月)。对于现代的短范围应用，感应功率转移 （IPT）系统自从1990年代已吸引了很多关注。A.W.Green和J.T.Boys的“10kHz inductivelycoupledpowertransfer-conceptandcontrol,”Proc.ICPE-VSD, (1994),pp.694–699；J.T.Boys,G.A.Covic和A.W.Green的“Stabilityandcontrol ofinductivelycoupledpowertransfersystems”,Proc.ElectricPower Applications,(2000),vol.147,no.1,pp.37–43；J.T.Boys,A.P.Hu和G.A. Covic的“CriticalQanalysisofacurrent-fedresonantconverterforICPT applications,”ElectronicsLetters,vol.36,no.17,pp.1440–1442,(2000)； G.A.J.Elliott,G.A.Covic,D.Kacprzak和J.T.Boys的“ANewConcept: AsymmetricalPick-UpsforInductivelyCoupledPowerTransferMonorail Systems,”IEEETrans.Magnetics,vol.42,no.10,pp.3389–3391,(2006)；以及 M.L.G.Kissin,J.T.Boys和G.A.Covic的“InterphaseMutualInductancein PolyphaseInductivePowerTransferSystems,”IEEETrans.Industrial Electronics,vol.56,no.7,pp.2393–2400,(2009)。用于便携式设备诸如移动电话 的无线充电系统自从2000年代已吸引很多关注。B.Choi,J.Nho,H.Cha,T.Ahn和S. Choi的“Designandimplementationoflow-profilecontactlessbatterycharger usingplanarprintedcircuitboardwindingsasenergytransferdevice,”IEEE Trans.IndustrialElectronics,vol.51,no.1,pp.140-147,(2004年2月);Y. Jang和M.M.Jovanovic的“Acontactlesselectricalenergytransmissionsystem forportable-telephonebatterychargers,”IEEETrans.IndustrialElectronics, vol.50,no.3,pp.520–527,(2003年6月);C.-G.Kim,D.H.Seo,J.S.You,J. H.Park和B.H.Cho的“Designofacontactlessbatterychargerforcellular phone,”IEEETrans.IndustrialElectronics,vol.48,no.6,pp.1238-1247, (2001年12月);S.Y.R.Hui和W.C.Ho的“Anewgenerationofuniversal contactlessbatterychargingplatformforportableConsumerElectronic equipment,”IEEETrans.PowerElectronics,vol.20,no.3,pp.620–627,(2005 年5月);X.Liu和S.Y.R.Hui的"SimulationStudyandExperimentalVerification ofaContactlessBatteryChargingPlatformwithLocalizedChargingFeatures,” IEEETrans.PowerElectronics,vol.22,no.6,pp.2202–2210,(2007年11月);以 及S.Y.R.Hui的“PlanarInductiveBatteryChargingSystem”,美国专利7,576,514, 2009。通过由现在包括全世界超过135个公司的无线功率联盟（WirelessPower Consortium）发布“Qi”标准，用于便携式电子装置的无线充电技术已达到商品化阶段。参见 无线功率联盟网站，在以下可获得：http://www.wirelesspowerconsortium.com。

针对便携式电子产品的通过无线功率联盟的世界第一个无线功率标准Qi的发布 已加速无线功率转移的研发活动。最近无线功率研究活动集中在短范围应用和中等范围应 用两者上。通常，无线功率转移系统（WPTS）可以分类为2-线圈系统、4-线圈系统、具有中继 谐振器的系统和无线功率多米诺谐振器（domino-resonator）系统的系统。S.Y.R.Hui, W.X.Zhong和C.K.Lee的“Acriticalreviewonrecentprogressofmid-range wirelesspowertransfer,”IEEETransactionsonPowerElectronics(出版中)。

目前，大量的研究集中在改进无线功率转移系统的性能，以便增加转移距离、改进 效率、以及扩宽操作频率。所有这些目的基于在一件事上：已知的无线功率转移系统，其中 我们知道系统的拓扑结构，组件的所有参数，负载的特征，每个线圈的位置和方向。如果这 样，容易找到最大效率操作点或最大功率转移点，或用于其它目的的最佳操作点。最大困难 是如何找到给定系统的所有参数的精确值，因为作为极其高阶的系统，参数的预测值和真 实值之间的稍微不同可能导致给定操作点处的完全不同的性能，并且这些参数中的一些不 能够以容易的方式来精确测量。

另一方面，即使我们知道WPT系统的所有参数，负载可能是动态的并且将在任何时 间处变化。为了总是在最佳点操作系统，要求实时地监控负载的阻抗。以前，报道有研究团 队使用无线通信方法将负载条件作为反馈信息传输到输入功率控制器。N.Y.Kim,K.Y. Kim,J.Choi和C.W.Kim的“Adaptivefrequencywithpower-leveltrackingsystem forefficientmagneticresonancewirelesspowertransfer,”Electronics Letters,Vol.48,No.8,(2012年4月),page(s):452–454。这是需要无线通信系统 的传统方法，其可能增加这样总体系统的成本。此外，报道的方法不涉及任何系统参数辨 识。

发明内容

本公开内容涉及用于在从负载侧不使用任何有线或无线通信系统用于反馈控制 的情况下，辨识系统参数和监控无线功率转移系统的负载（包括控制无线功率转移系统的 负载的功率）的方法。

根据公开内容的第一方面，提供了用于辨识包括n个线圈的无线功率转移（WPT）系统 中的阻抗相关参数的方法，包括：基于测量的输入阻抗组通过应用演化算法以求解最佳解来确 定阻抗相关参数的最佳值。其中，测量的输入阻抗组包括输入阻抗向量=，向量()中的每个输入阻抗在不同频率f_k,(k=1,2,…m)下测量；以及阻抗相关参数 包括d_ll+1和C_i，d_ll+1表示第l个线圈和l+1线圈(l=1,2,…n-1)之间的距离，C_i表示连接 到第i个线圈(i=1,2,…n)的电容器的电容。

根据本公开内容的第二方面，提供了用于监控包括n个线圈的无线功率转移（WPT） 系统中的负载Z_L的方法，包括：感测n个线圈的传输器线圈的输入电压U₁和输入电流I₁；基于 感测的输入电压U₁和感测的输入电流I₁，确定测量的输入阻抗组；根据本公开内容的第一方 面的方法，辨识阻抗相关参数；以及只基于感测的输入电压U₁、感测的输入电流I₁和辨识的 阻抗相关参数来确定负载。

根据本公开内容的第三方面，提供了用于控制包括n个线圈的无线功率转移（WPT） 系统中的输出功率的方法，包括：（a）感测所述n个线圈的传输器线圈的输入电压U₁和输入 电流I₁；（b）确定WPT系统中的阻抗相关参数是否已知，其中，阻抗相关参数包括d_ll+1和C_i， d_ll+1表示第l个线圈和l+1线圈(l=1,2,…n-1)之间的距离，C_i表示连接到第i个线圈 (i=1,2,…n)的电容器的电容：（b.1）如果确定步骤的结果为是，则所述方法还包括：基 于感测的输入电压U₁、感测的输入电流I₁和已知的阻抗相关参数，根据本公开内容的第二方 面的方法，估计WPT系统的负载Z_L、WPT系统的输出电流I_n、负载Z_L的功率P_out、WPT系统的输出 电压U_o和WPT系统的效率；（b.2）如果确定步骤的结果为否，则所述方法还包括：基于感测 的输入电压U₁和感测的输入电流I₁确定测量的输入阻抗组，根据本公开内容的第一方面的 方法之一辨述WPT系统中的阻抗相关参数，基于感测的输入电压U₁、感测的输入电流I₁和辨 识的阻抗相关参数，根据本公开内容的第二方面的方法，估计WPT系统的负载Z_L，WPT系统的 输出电流I_n、负载Z_L的功率P_out、WPT系统的输出电压U_o和WPT系统的效率；（c）基于步骤 （b.1）或（b.2）中估计的参数生成反馈信息；以及（d）基于生成的反馈信息，控制传输器线圈 的操作。

附图说明

从公开内容的示意性实施例的以下详细描述和绘图，本公开内容的前述和其它特 征将更容易明显，其中，除非另外指定，否则相同的附图标记贯穿各种附图指的是相同的部 分，并且在附图中：

图1是用于无线功率转移的n环系统的示意图；

图2（a）和2（b）分别是用于针对3-线圈多米诺系统的表1中的线圈布置1号和2号的输入 阻抗的实验和仿真结果的图形；

图3（a）和3（b）分别是用于针对3-线圈多米诺系统的表1中的线圈布置3号和4号的输入 阻抗的实验和仿真结果的图形；

图4（a）和4（b）分别是用于针对8-线圈多米诺系统的表2中的线圈布置1号和2号的输入 阻抗的实验和仿真结果的图形；

图5（a）和5（b）分别是用于针对8-线圈多米诺系统的表2中的线圈布置3号和4号的输入 阻抗的实验和仿真结果的图形；

图6是在负载与谐振电容器并联连接的情况下的所加载的谐振器的示意图，；

图7是对于具有已知系统参数的WPTS的控制系统的示意图；以及

图8是对于具有未知系统参数的WPTS的控制系统的示意图。

具体实施方式

本公开内容的一个方面集中在无线功率转移系统的参数辨识上。

对于具有n-线圈的多米诺无线功率转移系统，如图1所示，如果我们假设L_i是第i 个线圈的自感，并且M_ij是第i个线圈和第j个线圈之间的互感，则系统可以使用等式（1）描 述。注意，在图1中，负载电阻器以下面公式与最后线圈-谐振器串联连接。但该公开内容的 原理还可以应用到负载跨最后LC谐振器的电容器连接的情况。

　　（1）。

A.参数辨识

如果知道等式（1）的矩阵中的所有参数，则我们可以计算针对沿着频率轴的每个频率 的系统的输入阻抗，即我们可以得到在不同频率下的阻抗值组：Z_f1,Z_f2,…Z_fm，其中，f_i是不同频率中的一个，Z_fi是f_i下的输入阻抗。则我们得到等式（2）：

　　（2）

由于在我们的多米诺系统中的线圈彼此相同并且自感可以被准确地计算，所以我们可 以将L₁到L_n，以及线圈电阻R₁到R_n视为恒定值。同时，我们可以将互感M₁₂,M₂₃,M_(n-1)n视为每 个线圈对之间的距离d₁₂,d₂₃,…,d_(n-1)n的函数。则等式（2）可以用如下的等式（3）代替：

　　（3）

对于特定系统，输入阻抗组可以在实验上容易测量。

遗传算法（GA）方法被用来借助在不同频率下的测量的输入阻抗组，寻找d₁₂,d₂₃,…,d_(n-1)n，C₁,C₂,…,C_(n-1),C_n和R_load的最佳值，GA可以被用来获得针对以下 最佳问题的最佳解：

　　（4）

其中，和是测量的输入阻抗的幅值和角度值，而和是输入阻抗的仿真幅 值和角度值。

在针对通过使用演化算法来辨识用于无线功率转移系统的参数的本公开内容的 代表示例中，使用3-线圈多米诺系统和8-线圈多米诺系统。对于每个多米诺系统来说，不同 的线圈距离和不同的负载电阻被用来检验该方法是否可用于不同条件。不同的实验条件列 于表1和表2中。仿真结果列于表3和表4中。

表1针对3-线圈多米诺系统的实验结果

。

表2针对8-线圈多米诺系统的实验结果

。

表3针对3-线圈多米诺系统的仿真结果

。

表4针对8-线圈多米诺系统的仿真结果

。

图2和图3是针对3-线圈多米诺系统的实验和仿真输入阻抗比较。图4和图5是针对 8-线圈多米诺系统的实验和仿真输入阻抗比较。在这些图中还绘制了仿真效率。具体地，图 2（a）和2（b）从针对3-线圈多米诺系统的表1中的实验分别示出线圈参数1号和2号的实验和 仿真输入阻抗比较。图3（a）和3（b）从针对3-线圈多米诺系统的表1中的实验分别示出线圈 参数3号和4号的实验和仿真输入阻抗比较。图4（a）和4（b）从针对8-线圈多米诺系统的表2 中的实验分别示出线圈参数1号和2号的实验和仿真输入阻抗比较。最后，图5（a）和5（b）从 针对8-线圈多米诺系统的表2中的实验分别示出线圈参数3号和4号的实验和仿真输入阻抗 比较。

B.无直接输出信息反馈的负载监控

本公开内容的另一方面集中在用于无线功率转移系统的负载监控上。

在等式（1）中，由于所有参数L₁到L_n、R₁到R_n、M₁₂,M₂₃,…,M_(n-1)n和C₁,C₂,…,C_n在 第一方面中被辨识，所以负载阻抗R_l是阻止系统仿真找到最佳操作点（诸如针对给定负载 的系统的最大功率转移或最大效率）的唯一阻碍。假设负载总是具有相同阻抗是不可能的。 因此，负载必须被连续地感测并且负载阻抗值必须被更新以计算新的操作频率，以便确保 系统总是在最佳点处操作。

求解该问题的容易方式涉及将等式（1）重写成等式（5）和等式组（6）及随后等式组 （7），其中，Z_ij是R₁到R_n,M₁₂,M₂₃,…,M_(n-1)n和C₁,C₂,…,C_n.,Z_L的函数，Z_L是给定频率下 的负载的阻抗。

　　（5）

　　（6）

　　（7）

等式组（7）可以矩阵形式重写成等式（8），

　　（8）

在等式（8）中，Z₁₁,Z₁₂,...Z_nn是频率和已知参数的函数，U₁和I₁是到传输器的输入电压 和输入电流向量并且可以被容易地测量，只有I₂,I₃,…,I_n,Z_LI_n是未知的。随后我们得到 矩阵的解，如等式（9）。

　　（9）

应注意，（9）中的逆矩阵具有唯一形式：

其中，最后列除了最后元素之外具有零元素。

通常，ac功率源来自由具有非常低的源电阻的dc电压源(U_dc)馈送的功率逆变器 （为dc-ac功率变换器）的输出。由该dc电压源递送的dc功率可以被认为是输入功率P_in。为了 求解（9），可以使用功率平衡等式，即可以如以下使用输入功率的标量关系：

　　　　（10）

其中，η_inv是功率逆变器的能量效率，I_dc是dc电压源的输出电流，是U₁和I₁之间的相 位角。如果这样的驱动电压不是正弦的，则U₁是传输器线圈的ac驱动电压的基本分量。

U₁和I₁的幅值可以被容易地测量，例如使用针对它们的按比例缩小信号的峰值检 测器。由于等式（10）的P_in、U₁和I₁的输入信息可以被确定，所以cos()和可以被确定。

　　　　（11）

该角度可以是超前的或滞后的，这可以通过将U₁和I₁的按比例缩小的波形与比较器中 的零电压参考比较来确定。用于U₁和I₁的比较器的电压上升沿可以用来确定I₁是超前还是 滞后U₁。

如果U₁用作旋转坐标的参考向量，则I₁可以在等式（9）中关于U₁以复数形式表示。 这是非常重要的一点，因为只需要知道等式（9）中的U₁和I₁的幅值和相位关系。这样的矩阵 等式现在可以被求解为复数等式组。不必须采样U₁和I₁的瞬时值，并且因此在该公开内容中 完全消除了快速采样和快速计算要求。例如，对于500kHz的操作频率，如果（9）中使用U₁和I₁的瞬时值，则U₁和I₁的采样频率必须比500kHz高。然而，如果只需要U₁和I₁的幅值（正如在以 前解释的一个优选方法中），采样速率可以非常低（例如1kHz）。因此，该方法极大地减小了 控制电子器件的采样频率、成本和复杂性。当然，如果快速计算控制器可用且经济，则U₁和I₁的采样值可以被用来求解（9）。在该情况下，不需要测量P_in，并且只需要测量U₁和I₁。

最后，Z_L的解为：

　　　　（12）

基于等式（9）和（10），负载功率可以从以下确定：

　　　　（13）

输出电压为：

U_o=Z_LI_n　　　　（14）

假设功率逆变器具有可忽略的功率损耗，则系统能量效率为：

　　　　或

　　　　（15）

其中，是U_in和I_in的之间的角度。

图6是所加载的谐振器的示意图，其中负载与谐振电容器并联连接。如果所加载的 谐振器具有跨谐振电容器连接的负载，如图6所示，则负载Z_L和并联电容器C_n被视为新的负 载Z_L^’，并且除了Z_nn和Z_L之外，所有等式都是相同的。则等式（5）将变成等式（5a），等式（9）将 变成等式（9a）。等式（12）将变成等式（12a）,

　　（5a）

　　（5b）

由于已知Z’_L是Z_L和C_n的并联阻抗，Z_L的解为：

　　（12a）。

总结在不使用直接反馈信息即只基于输入电压(U_in=U₁)和输入电流(I_in=I₁)的信 息的情况下用于负载监控的新程序，以下是程序：

1.使用标准耦合电路矩阵等式（5）以在数学上描述无线功率转移系统。

2.注意，只有U₁和I₁是已知的，将矩阵等式（5）重新排列成等式（8）的形式，其中，等式 （8）的右手侧的列向量包括I₂到I_n和Z_LI_n，其中，I₂是第二线圈中的电流，I_n是接收器线圈中 的电流，Z_L是负载阻抗。

3.随后创建等式（8）的逆矩阵并且获得形式为等式（9）的矩阵等式，其是在以前步骤 中提到的作为等式的对象的列向量。注意，等式（9）的右手侧上的列向量包括所有已知信 息，包括U₁,I₁和系统参数。该关键步骤确保可以确定等式（9）的左手侧的列向量中的任何 项。

4.确定等式（9）的左手侧上的列向量的最后两项。即，获得I_n和Z_LI_n。I_n项是负载电流 （即与I_out相同），Z_LI_n是接收器线圈的输出电压(U_out)。I_out和/或U_out可以用在图7和图8的控 制回路中。

5.负载阻抗Z_L可以通过等式（12）或（16）确定，并且输出功率P_out可以通过等式 （13）确定。

关于实际实现，存在至少两种可能的方法：

（A）使用P_in,U₁和I₁的幅值：

如果P_in,U₁和I₁波形的包络线的瞬时采样幅值用于所提出的方法，则可以使用比操 作频率低得多的采样速率和具有有限计算功率的低成本控制器。这是优选的方法，因为用 于系统的采样频率能够典型地与1kHz一样低。方法涉及以下步骤：

1）以比U₁和I₁的频率低得多的采样频率，采样和测量P_in的幅值，以及U₁和I₁的峰值或均 方根幅值。

2）使用等式（11）确定相位角。

3）用U₁作为旋转坐标的参考向量，随后以复数形式表示U₁和I₁（或者以极坐标形式或者 笛卡尔坐标形式）。

4）求解等式（9）的I_n(=I_out)和Z_LI_n，其中U₁和I₁作为复数。

5）使用等式（14）确定U_o，使用等式（12）确定Z_L，使用等式（13）确定P_out，以及（使用等式 （15））确定η。

6）随后使用计算的U_out,I_out,Z_L,P_out,和η，用于适当的控制器。

（B）使用U₁和I₁的瞬时采样值：

如果波形U₁和I₁的瞬时采样值用于所提出的方法，则需要比操作频率高很多的采样速 率和快速计算控制器。这是替代性方法并且在非常快的采样器和经济的快速控制器可用时 是适合的。替代性方法涉及以下步骤：

1）以比U₁和I₁的频率高得多的采样频率采样和测量U₁和I₁的瞬时值。

2）求解等式（9）的I_n(=I_out)和Z_LI_n的瞬时值。

3）使用等式（14）确定U_o，使用等式（12）确定Z_L，使用等式（13）确定P_out，以及（使用等式 （15））确定η。

4）随后使用计算的U_out,I_out,Z_L,P_out,和η，用于适当的控制器。

针对8-线圈多米诺系统的实验条件和计算的自感和互感列在表5到表9中。测量和 计算结果列在表9中。

表5针对8-线圈多米诺系统的每个线圈的自感

。

表6针对8-线圈多米诺系统的每对线圈的互感

。

表7针对8-线圈多米诺系统的每个线圈的铜电阻

。

表8针对8-线圈多米诺系统的每个串联电容器的电容

。

表9计算阻抗和实验阻抗的比较

。

C.无直接输出信息反馈的输出功率控制

本公开内容可以应用在两个不同的情况中。在第一个情况中，系统参数，即所有的线圈 电阻、电感和电容以及线圈之间的互感是已知的。在该情况下，可测量的输入电流、输入电 压和可选的输入功率被用来导出必要的变量（U_o,I_o,Z_L,P_out和效率）以基于等式（5）和 （12）馈送到控制回路中。因此，这可以在不使用来自输出（负载）侧的任何直接测量信息或 反馈下来完成。从实现公开内容的方法导出的变量足够准确来控制系统，就像变量是从输 出直接测量的那样。

在第二个情况中，系统参数不是已知的。这些未知的参数基于等式（1）到（4）和充 当估计系统参数诸如阻抗和电容值的智能算法（诸如遗传算法），仅由可测量的输入电流和 输入电压（来自第一线圈）导出。一旦这些值被准确地估计，则它们随后被用于根据这些值 为已知的第一个情况的方法中的值。

（1）假设WPTS的系统参数是已知的

如果WPTS的系统参数是已知的，则可以使用B部分中描述的方法。现在计算的U_out,P_L, I_n和Z_L的值在不使用直接测量的输出信息的情况下提供关于输出功率控制的信息。通过控 制输入侧上的驱动线圈的操作频率或输入电流，V_o,P_L或I_n和Z_L的动态更新的值可以用于 输出功率控制。

控制系统的一个示例示于图6中。基于可测量的输入电压(U_in)和输入电流(I_in)， 本公开内容的方法能够实现像变量估计器那样来确定信息。由变量估计器导出的信息包括 但不限于输出负载阻抗(Z_L)、输出电压(U_out)、输出电流(I_out)、输出功率(P_out)和系统效率 (η)。这些变量可以被用来如特定应用中所需地来适配任何控制目标。应当注意，估计效率 的反馈对于无线功率转移系统是特别有用的，因为用于最大化总体系统效率的最佳频率可 以是取决于负载的。因此，控制信号可以包括输入电压和/或输入电流的幅值和频率两者。

本公开内容的主要特征是使用无线功率转移的第一或传输器线圈的可测量输入 变量（即输入电压和输入电流）用于输出负载监控和输出功率控制，而不使用来自接收器线 圈中的输出负载的任何直接测量。照此，无线功率转移系统包括2个或更多线圈。

参照图7，假定无线功率转移系统的参数是已知的，即所有线圈电阻、电感和电容 以及线圈之间的互感是给定的。如果有源源是dc源60，则具有输出滤波器的逆变器62被用 来生成具有可控制频率和幅值的正弦电压用于驱动第一线圈（传输器线圈63）。因此，输入 功率通过给传输器线圈加电来提供，并且这样的功率将被无线传输到最后（接收器）线圈65 用于给负载67供电。因为根据公开内容，对输出负载的测量待估计；只能够依赖输入电压和 输入电流输出用于功率控制。注意在图7的布置中，输出负载可以与最后LC谐振器串联或者 跨最后LC谐振器的电容器并联连接。

图7中的传感器模块64表示使用电压和电流传感器用于获得这样的输入电压U_in和 输入电流I_in。等式（9）-（15）在估计器模块66中实现。注意，这些等式只要求输入电压和输入 电流。估计器模块66可以是被编程以执行等式（9）-（15）的微处理器，或执行相同功能的硬 件装置，诸如可编程门阵列或专用集成电路（ASIC）。

在图7电路的运行中，估计器66用U_in,I_in（已知的）测量值来求解等式（9），以便获 得I₂到I_n和Z_LI_in。随后，估计器生成变量Z_L,U_o,I_o,P_o和η，如以下：

（i）Z_L，来自等式（12）

（ii）P_o，来自等式（13）

（iii）U_o，来自等式（14）

（iv）I_o=I_n，已从等式（9）获得

（v）η，来自等式（15）。

这些变成估计器66的输出。

前四个变量（i）-（iv）是计算的输出信息，在不使用任何直接输出测量的情况下获 得。与能量效率一起，它们以高采样速率（通常受处理器的速度限制）连续计算来提供用于 控制和反馈信息的瞬时输出信息。这样的计算值可以被馈送到任何控制方案中，以满足无 线功率转移系统的特定控制目标。基于所选的控制方案，例如控制目标68，功率逆变器62被 操作从而它生成处于可控制频率和幅值的适当正弦电压，以根据控制目标来满足负载67的 输出功率需求。

（2）假设WPTS的参数是未知的

如果系统参数不是已知的，则需要在以上A部分和B部分两者中描述的方法，并且控制 模块如图8中所示。具体地，额外的系统参数辨识模块70包括在该控制中。这里，输入电压和 电流还被用来以如在A部分中解释的实时方式来确定系统参数。结果，输入电压和输入电流 被用来（i）动态地估计系统参数，和（ii）提供用于控制系统的控制变量。因此，单元70使用 输入电压U_in和电流I_in来生成系统参数，即所有的线圈电阻、电感和电容以及线圈之间的互 感。这是使用等式（1）-（4）和智能算法（遗传算法）完成的，以确定等式（1）中的系统矩阵中 的系统参数。该方法只要求输入电压和电流信息。

作为替代方式，代替使用输入电压和电流，可选地使用输入功率P_in。这以虚线显示 于图8中。如果使用P_in，则方法可以容易地对输入电压和输入电流波形的包络线用低采样速 率实现（不需要快速采样输入电压和电流波形的瞬时值）。这提供在计算功率方面的显著节 约。

一旦确定了系统参数，则基于输入电压和电流或者基于输入功率，系统参数辨识 单元70向WPTS模型提供参数，像图7中的估计器66，使用如以上对图7解释的等式（5）-（12） 确定变量Z_L,U_o,I_o,P_o和η。这些变量施加到补偿器/控制器72，补偿器/控制器72部分以 与图7中的控制目标68相同的方式起作用。然而，在图8中，示出如在单独的单元74中执行的 频率和幅值补偿，单独的单元74的输出控制逆变器62。

应当注意，输出负载可以与最后LC谐振器串联连接或跨最后LC谐振器的电容器并 联连接。

总得来说，图7示出根据本公开内容的使用在B部分（针对已知的系统参数）中描述 的负载监控和功率控制方法的电路。图8要求A部分中的参数辨识方法和B部分中的负载监 控与功率控制，其用于其中系统参数是未知的或动态变化的情况。

提出的方法学可以应用于宽范围的无线功率应用，诸如在无线充电垫上正在充电 的便携式电子产品和基于中继谐振器的WPT系统或多米诺谐振器系统（当线圈的数目超过 两个时）的无线功率转移和医学植入的负载控制（当线圈的数目减小到2个，即传输器线圈 和接收器线圈）。因此，所提出的方法学可以应用于具有2个或更多个线圈的任何WPT系统。

在本说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等表示连同实施例 描述的具体特点、结构或特征包括在公开内容的至少一个实施例中。这样的短语在说明书 中的各个地方的出现不一定指相同的实施例。此外，任何公开内容或本文中公开的其任何 实施例的任何元素或限制可以与任何和/或所有其它元素或限制（单独地或者以任何组合） 或任何其它公开内容或本文中公开的其实施例组合，并且所有这些组合被认为在公开内容 的范围内，而不限制于此。

应当理解本文中描述的示例和实施例只出于示意目的，并且将建议本领域技术人 员据此进行各种修改或变化且这些修改和变化包括在该申请的精神和范围内。

尽管在本文中使用各种方法和系统已描述和示出了某些示例性技术，但本领域技 术人员应当理解在不偏离所要求保护的主题下，可以进行各种其它的修改并且可以用等同 物代替。此外，在不偏离本文中描述的中心思想下，可以做出许多修改以使具体情况适应所 要求保护主题的教导。因此，意图是要求保护的主题不限制于公开的具体示例，而是这样的 要求保护的主题还可以包括落入所附权利要求和其等同物的范围内的所有实现方式。