模块化感应电力传递电力供应器及操作方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及无线电力传递，且更具体来说，涉及与到远程系统(例如，包含电池的车辆)的无线电力传递相关的装置、系统及方法。更确切地说，本发明涉及电力供应器拓扑。
【背景技术】
[0002]已经引入了包含从例如电池等能量存储装置接收的电导出的运动动力的远程系统，例如车辆。举例来说，混合动力电动车辆包含机载充电器，所述机载充电器使用来自车辆制动及传统马达的电力给车辆充电。纯电动车辆一般从其它来源接收电来给电池充电。通常提议通过例如家用或商用AC供应源等某种类型的有线交流电(AC)给电池电动车辆(电动车辆)充电。有线充电连接需要物理上连接到电力供应器的电缆或其它类似连接器。电缆和类似连接器有时可能不方便或笨重，且具有其它缺点。能够在自由空间中(例如，经由无线场)传送电力以用于给电动车辆充电的无线充电系统可以克服有线充电解决方案的一些缺陷。因此，需要有效及安全地传递无线电力的系统及方法。
【发明内容】
[0003]无线电力系统与典型有线线频率电力系统相比较以相对较高频率及较高功率电平操作。结果，用于建构无线电力供应器或发射器的组件经受高应力水平。一个此类组件为用于发射器的逆变器级中的开关。许多无线电力发射器使用IGBT作为建构供应器的逆变器级的开关，但可使用MOSFET。IGBT通常是归因于其在高电流、高电压、高频应用中操作的能力而选择的。尽管有很大的成本，但现代高性能IGBT的装置等级仍是无线电力传递应用中的限制因素。另外，切换逆变器的每一支腿中的多个平行IGBT证明是困难的，且软切换拓扑会更改如由供应器所见的负载的阻抗。此外，传统供应器设计中的组件如果失效，那么无线电力传递便会停止。因此，本发明涉及一种可以用于无线电力发射器中且允许多个模块的并联的电力供应器拓扑，所述每一模块经受减小的负载，同时维持调谐及性能，且增加无线电力发射器的强健性。
[0004]在所附权利要求书的范围内的系统、方法及装置的各种实施方案各自具有若干方面，其中的单个方面并不单独负责本文所描述的所要属性。在不限制所附权利要求书的范围的情况下，本文描述一些显要特征。
[0005]在附图及以下描述中阐述本说明书中描述的标的物的一或多个实施方案的细节。其它特征、方面及优点将从描述、图式及权利要求书变得显而易见。应注意，以下各图的相对尺寸可能未按比例绘制。
[0006]本发明的一个方面提供一种无线电力发射器，其包括:导电结构，其经配置以产生场；及多个电路，其以可操作方式连接到导电结构且由多个源驱动以向导电结构提供实质上恒定电流。
[0007]本发明的另一方面提供一种无线地发射功率的方法，其包括:经由多个源提供导电结构中的实质上恒定电流；经由导电结构产生磁场；及以可操作方式将所述多个源中的至少一个源与导电结构断开连接。
[0008]本发明的又一方面提供一种无线电力发射器，其包括用于提供电力的装置；用于产生磁场的装置；及用于将用于提供电力的装置连接到用于产生磁场的装置的装置，用于连接的装置包括用于将发射器调谐到谐振频率的装置，用于连接的装置进一步包括用于提供在用于产生磁场的装置中的实质上恒定电流的装置。
【附图说明】
[0009]图1为示范性无线电力传递系统的功能框图。
[0010]图2为可用于图1的无线电力传递系统中的示范性无线电力发射器的功能框图。
[0011]图3为可用于图1的无线电力传递系统中的示范性无线电力接收器的功能框图。
[0012]图4为具有LCL谐振电路负载的无线电力发射器的简化电路示意图。
[0013]图5A为示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
[0014]图5B为其中电路的一部分断开连接的图5A中的无线电力发射器的简化电路示意图。
[0015]图6为包含用以隔离模块化供应器的变压器的示范性无线电力发射器的简化电路不意图。
[0016]图7为具有冗余模块的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
[0017]图8为表明跨模块的不均衡分配的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
[0018]图9为展示替代控制器布置的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
[0019]图10为指示示范性断开连接点的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
[0020]图11为展示安置于示范性电动车辆中的可更换的非接触式电池的功能框图。
[0021]图12为用于给电动车辆充电的示范性无线电力传递系统的图。
[0022]图13为用于沿道路向电动车辆供电的示范性无线电力传递系统的图。
[0023]图14为展示可用于给电动车辆无线充电的示范性频率的频谱的图表。
[0024]图15为无线地发射电力的示范性方法的流程图。
[0025]图16为示范性无线电力发射器的功能框图。
[0026]图式中说明的各种特征可能未按比例绘制。因此，为了清晰起见，可能任意扩大或减小各种特征的尺寸。另外，图式中的一些图式可能并未描绘给定系统、方法或装置的所有组件。最后，可在整个说明书和图式中使用相同的参考标号指代相同的特征。
【具体实施方式】
[0027]下文结合附图阐述的详细描述既定作为对本发明的示范性实施例的描述，且并不希望表示可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述所使用的术语“示范性”意指“充当实例、例子或说明”，且未必应解释为比其它示范性实施例优选或有利。所述详细描述出于提供对本发明的示范性实施例的透彻理解的目的而包括特定细节。在一些情况下，以框图形式展示一些装置。
[0028]以无线方式传送电力可指代将与电场、磁场、电磁场或其它者相关联的任何形式的能量从发射器传递到接收器，而不使用物理电导体(例如，电力可通过自由空间来传递)。输出到无线场(例如，磁场)中的电力可由“接收线圈”接收、俘获或耦合以实现电力传送。
[0029]图1为示范性无线电力传递系统100的功能框图。将输入电力102提供到无线电力发射器110，所述无线电力发射器将输入电力102转换成用以驱动发射电路的适当形式，所述发射电路产生用于提供能量传递的场108。发射电路可包含导电结构105及电容器116。导电结构105可产生时变磁场108。接收电路可包含导电结构107及电容器121。导电结构107经由磁场108的能量耦合到导电结构105以引发由无线电力接收器120整流及滤波的电压。如本文所使用的术语“导电结构”可为环路、线圈、天线或其它结构。与发射器相关联的导电结构产生用于将能量无线地输送到与接收器相关联的导电结构的磁场。相反，与接收器相关联的导电结构从由与无线电力发射器相关联的导电结构产生的磁场接收能量。所得输出可用于由耦合到输出电力130的装置(未图示)存储或消耗。导电结构105及导电结构107两者分开某一距离。导电结构105及导电结构107经调谐以在系统的操作频率处谐振，从而优化电力传递的效率。在导电结构107的谐振频率及导电结构105的谐振频率极接近时，导电结构105与导电结构107之间的发射损耗在导电结构107位于磁场108的大部分通量线在导电结构107附近通过或穿过所述导电结构的区中时最小。
[0030]导电结构105及导电结构107可根据与其相关联的应用及装置来设定大小。通过将导电结构105的场的能量中的大部分耦合到导电结构107 (而非以电磁波将大部分能量传播到远场)而发生有效能量传递。当处于此近场中时，可在导电结构105与导电结构107之间发展出耦合模式。在导电结构105及导电结构107周围的可发生此近场耦合的区域在本文中可被称作耦合模式区。
[0031]如图1中所示，无线电力发射器110可接收在50/60HZ处的公用电力102，且将其转换成在操作频率处的交流电(AC)以驱动导电结构105。无线电力发射器110可包含将公用AC电力转换成脉动DC的整流器111。对于例如电动车辆充电器等大负载，功率因数校正电路112可用以避免公用网格中的过量电流流动，且对在50/60HZ处的公用电力102进行滤波。脉动DC可由大能量存储元件113滤波成恒定DC。DC接着可由逆变器电路114转换成方波且由滤波器115滤波成正弦波。此输出接着可连接到发射电路的导电结构105。在导电结构105中流动的AC电流可产生时变磁场108。如所述，发射电路可包含用以在操作频率处谐振的导电结构105及电容器116，从而产生导电结构105与导电结构107之间的改进磁耦合。
[0032]接收电路中的导电结构107经由磁场108耦合到导电结构105且产生AC电力，所述AC电力连接到无线电力接收器120。电容器121及导电结构107可形成在操作频率处的谐振电路，从而产生在导电结构105与导电结构107之间的更佳磁