提高非自调谐无线电能传输系统的效率的制作方法
【专利说明】提高非自调谐无线电能传输系统的效率
[0001] 本发明涉及无线电能传输系统，该系统也被称作感应电能传输（IPT)系统。
[0002] 发明背景
[0003] 感应电能传输（IPT)系统是熟知的。图1 一般地显示了一种该系统的示例。现有 技术中也对该系统进行了全面描述，例如包括专利号为5293308的美国专利。
[0004]最近IPT系统已经用于电动汽车电池充电应用。IPT用于电动汽车电池充电的一 个显著优点是它能够容忍初级磁结构与次级（本文档也将其称作拾取）装置的磁结构之间 的偏差。如图1所示，IPT充电器通常包括开关电源，例如谐振转换器，其电力由公用电网提 供，并反过来为初级感应器提供交流电，初级感应器可包括导轨或诸如衬垫形式的磁结构。 由初级衬垫提供的变化的磁场被一个或多个次级磁结构所截断，这些次级磁结构通常包括 另外的衬垫或线圈，由图1中的电感L2表示。接收到的电能由拾取装置中的谐振网络和功 率控制器调整，然后提供给被充电的电力负载，如电池。
[0005]拾取装置（L2)上的亚铁磁性材料和线圈相对于初级衬垫（LI)的物理运动或位移 必定会引起衬垫之间磁親合的变化，还会导致衬垫自感的变化。另外，IPT系统中调谐的变 化会因为其它因素而变化，例如元件容差和随时间的变化（例如调谐电容器老化），磁结构 中铁氧体的破损等等。因此，在没有采用自调谐电路的情况下，不可能在指定的电能传输区 域中给定的活动范围内将初级和次级充电衬垫始终准确地调谐。在固定频率初级侧电流控 制系统中，这会在供电电源中产生额外的无功负载。只要导轨电流可以被调节在理想的大 小，该负载不会影响拾取器的电能传输能力。但是，失谐的谐振网络会在系统中产生额外的 无功负载，该负载通常会导致系统的损耗，包括供电电源和额外的开关传导损耗、以及磁耦 合装置中的损耗。因此，构建的系统如果能够最小化失谐导致的无功负载将很有优势。
[0006] 目标
[0007]本发明的目标是提供IPT系统和IPT系统的装置和方法以及装置设计，其至少一 定程度上克服已有技术的一个或多个缺点、或至少提供有用的备选方案。
[0008] 发明概述
[0009]因此，在某一方面，本发明宽泛地包括了无线电能传输初级网络和/或次级网络， 其中一个或多个元件的选择依赖于初级和/或次级谐振网络的调谐变化、和/或初级网络 和次级网络之间的耦合变化。
[0010] 在一个实施例中，选择一个或多个元件用于最小化初级电源的无功负载。
[0011] 在另一个实施例中，选择一个或多个元件用于最小化初级电源的位移功率因子。
[0012] 在另一个实施例中，选择一个或多个元件用于最小化次级和初级网络中的电流。 优选地初级电源的负载在标称的负载范围内是电感性的。
[0013]在另一方面，本发明宽泛地提供无线电能传输初级谐振网络，其包括：
[0014]初级线圈，其通电后以提供磁场；
[0015]至少一个无功调谐元件，选择该元件用于限制为初级谐振网络供电的电源的无功 负载，无功调谐元件的选择依赖于初级谐振网络的电感或电容的给定变化以及次级谐振网 络的电感和电容的给定变化，其中次级谐振网络与初级谐振网络耦合。
[0016] 无功调谐元件的选择可依赖于初级和次级谐振网络间耦合的给定变化。
[0017] 可选择无功调谐元件用于限制电源的无功负载。
[0018] 可选择无功调谐元件用于限制功率因子。
[0019] 在一个实施例中，调谐元件包含初级线圈。
[0020] 电感或电容的给定变化可由次级谐振网络的拾取线圈相对于初级线圈的相对移 动或位移引起。
[0021] 耦合的给定变化可由次级谐振网络的拾取线圈相对于初级线圈的相对移动或位 移引起。
[0022] 在另一方面，本发明宽泛地提供无线电能传输次级谐振网络，其包括：
[0023] 拾取线圈，其能够从初级谐振网络产生的变化磁场中接收能量；
[0024] 至少一个无功调谐元件，选择该元件用于限制为初级谐振网络供电的电源的无功 负载，该无功调谐元件的选择依赖于次级谐振网络的电感或电容的给定变化以及初级谐振 网络的电感和电容的给定变化，其中初级谐振网络与次级谐振网络耦合。
[0025] 无功调谐元件的选择可依赖于初级和次级谐振网络之间的耦合的给定变化。
[0026] 可选择无功调谐元件用于限制电源上无功负载的变化。
[0027] 可选择无功调谐元件用于限制功率因子。
[0028] 调谐元件可包含拾取线圈。
[0029] 在一个实施例中，电感和电容的给定变化由拾取线圈相对于初级谐振网络的初级 线圈的相对移动造成。
[0030] 在一个实施例中，耦合的给定变化是由拾取线圈相对于初级谐振网络的初级线圈 的相对移动或位移造成。
[0031] 在另一方面，本发明宽泛地提供用于无线电能传输的装置，其包括：
[0032] 初级谐振网络，
[0033] 次级谐振网络，其与初级谐振网络耦合，
[0034] 其中该无线电能传输系统具有系统工作频率，并且初级谐振网络和次级谐振网络 的一个或两个具有与系统工作频率不同的固有谐振工作频率；并且其中初级谐振网络的固 有谐振工作频率的选择依赖于初级谐振网络的电感或电容的给定变化以及次级谐振网络 的电感或电容的给定变化。
[0035] 在一个实施例中，初级谐振网络的固有谐振工作频率的选择依赖于初级和次级谐 振网络间耦合的给定变化。
[0036] 在一个实施例中，选择初级谐振网络的固有谐振工作频率用于限制初级谐振网络 工作频率的变化。
[0037] 在另一个方面，本发明广义地包含用于设计无线电能传输初级网络和/或供电电 源和/或拾取器的方法，其包括根据初级和/或次级谐振网络的调谐变化以及初级网络和 次级网络之间的耦合变化选择一个或多个元件。
[0038] 在一个实施例中，选择一个或多个元件用于最小化电源的无功负载。
[0039] 在另一个实施例中，选择一个或多个元件用于最小化初级电源的位移功率因子。
[0040] 在另一个实施例中，选择一个或多个元件用于最小化初级网络中的电流。优选地 初级电源的负载在标称的负载范围内是电感性的。
[0041] 在另一个实施例中，选择一个或多个元件用于最小化次级网络中的电流。优选地， 初级电源逆变器的负载在标称的负载范围内是电感性的。
[0042] 在另一方面，本发明宽泛地提供了一种无线电能传输初级谐振网络，其中选择该 网络的标称电感，使得在初级网络的磁结构和拾取设备的磁结构之间相对运动的限定范围 内最小化网络的总无功负载的变化。
[0043] 在一个实施例中，选择标称电感使得网络的输入阻抗不是电容性的。
[0044] 在一个实施例中，选择标称电感使得网络的输入阻抗是电感性的。优选地保持输 入阻抗对系统工作参数是电感性的。
[0045] 在另一个方面，本发明宽泛地提供一种无线电能传输拾取器，其中选择该拾取器 的标称电感，使得在初级网络的磁结构和拾取设备的磁结构之间相对运动的限定范围内， 最小化使用中拾取器从其接收电能的初级谐振网络的总的无功负载的变化。
[0046] 在另一个方面，本发明提供了用于无线电能传输的装置，其中选择初级谐振网络 的标称电感和拾取器的标称电感，使得在初级网络的磁结构和拾取器的磁结构之间相对运 动的限定范围内，最小化使用中拾取器从其接收电能的初级谐振网络的总的无功负载的变 化。
[0047] 在另一个方面，本发明提供了一种设计无线电能初级谐振网络的方法，其包括选 择网络的标称电感，使得在初级网络的磁结构和拾取设备的磁结构之间相对运动的限定范 围内将该网络的总无功负载的变化最小化。
[0048] 在另一个方面，本发明提供了一种设计无线电能传输拾取器的方法，包括选择拾 取器的标称电感，使得在初级网络的磁结构和拾取设备的磁结构之间相对运动的限定范围 内，将使用中拾取器从其接收电能的初级谐振网络的总的无功负载的变化最小。
[0049] 在另一个方面，本发明提供了一种设计无线电能传输装置的方法，包括步骤：选择 初级谐振网络的标称电感和拾取器的标称电感，使得在初级网络的磁结构和拾取器的磁结 构之间相对运动的限定范围内，最小化使用者拾取器从其接收电能的初级谐振网络的总的 无功负载的变化。
[0050] 耦合变化可以是无功负载的变化，无功负载表现为电感性或电容性。
[0051] 失谐或调谐变化可以是无功负载的失谐或变化，其中无功负载表现为电感性或电 容性。
[0052] 以下一个或多个因素可导致耦合变化：
[0053] -个或多个拾取设备相对于导轨或集总初级结构的物理位置的改变；
[0054] 使用不同的拾取磁结构；
[0055] 元件或磁性的改变，例如损坏的铁素体。
[0056] 以下一个或多个因素可导致失谐或调谐的变化：
[0057] 元件容差；
[0058] 生产容差；
[0059] 元件退化或其它变化。
[0060] 在进一步的方面，本发明宽泛地包括任意新颖的特征、或方法步骤、或本文揭示的 特征或方法步骤的任何新颖组合。
[0061] 应该在其所有新颖的方面考虑的本发明进一步的方面将通过以下的描述变得显 而易见。
【附图说明】
[0062] 一个或多个实施例将参照附图在后文进一步描述，其中：
[0063] 图1是一个已知IPT系统的示意图；
[0064] 图2是普通无线电池充电系统的基本结构的电路图，通过举例提及该系统以便参 考下面进一步的【附图说明】本发明。
[0065] 图3a是用于串联调谐和LCL调谐拾取器的全桥二级管整流器的等效AC电阻负 载，该全桥二级管整流器具有电容输出滤波器。
[0066] 图3b是用于并联调谐拾取器的全桥二级管整流器的等效AC电阻负载，该全桥二 级管整流器具有电感输出滤波器。
[0067] 图4是失谐的串联调谐拾取器的概念图。在该图中，L2。和AL2都与Li親合。
[0068] 图5是失谐的并联调谐拾取器的概念图。
[0069] 图6是初级LCL网络负载模型的概念图。
[0070] 图7是显示对于不同Q2。值随拾取调谐网络变化的导轨电流变化的图。
[0071] 图8a至图8c是显示用于根据本发明的IPT系统或IPT系统元件的各种设计过程 的流程图。
[0072]图9是显示了在拾取输出端具有等效AC电阻负载的1. 2千瓦电池充电系统的结 构的图。
[0073]图10是各个位置的概念图，在位置A最大耦合，在位置B最小耦合，其为耦合的初 级
[0074] 图Ila至图Ilf显示了 700毫米环形充电衬垫在z轴方向为100毫米和150毫米、 X方向变化的测量。
[0075] 图Ila和Ilb显示了当（a)z= 100毫米和（b)z= 150毫米、X(毫米）变化时， 双线衬垫在与其磁耦合的衬垫开路和短路情况下测量到的电感值。
[0076] 图Ilc和d显示了当（c