感应式电能传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种感应式电能传输系统。笼统地讲，本申请涉及最大负载效率的直 流感应式电能传输。
【背景技术】
[0002] 不含磁芯的感应式电能传输（IPT)是由尼古拉·特斯拉于大约100年前[1]首 先提出、用于远距离无线电供应的理论。自从那时起，低功率、紧密耦合的无线充电方法已 经用于医疗电源植入[2]，同时通过充电垫充电的手提设备的无线电源现在也可用于商品
[3] 。尽管如此，中距离（例如，10厘米）的无线电能传输（WPT)应用近来颇受关注，例如， 通过谐振电感耦合[4] _[7]来为电动汽车充电。
[0003] 对于众多工业和商业应用来说，感应式电能传输系统必须达到一个高的端到端的 效率L才能使用，需要在亚米级的距离内传输数百瓦特，否则将不能采用。达到较好连接 效果的几种方法分别由几个研究小组研究。第一便是在相对较低的频率（数万赫兹）下工 作，其中用场整形技术能很容易地接通高效驱动电路且能增加系统的耦合系数k;例如，采 用超导材料[8]和铁素体磁芯[6]。在[6]中，用20千赫的绞合线圈来传输2千瓦IOcm距 离的电能。操作频率由线圈驱动器的处理能力决定，其限制卸载Q-因素至290的最大值线 圈。场整形技术通常占用有效容量，要求重质材料，采用昂贵的制造技术并需要精密的线圈 排列。这些措施使得场整形方法在很多场合不适用，例如尺寸、重量和系统的成本都是限制 因素。
[0004] 第二种方法靠特殊线圈尺寸能传输的最大电能的最佳频率传输能量，其中卸载Q 是最大化的且能补偿低耦合系数。以往，这种方法被认为效率不高，因为低的驱动效率（因 其半导体亏损）直接降低感应式电能传输系统端到端的效率。科斯等[9]给出了类似的 示例，其使用9. 9兆赫的考毕兹振荡器驱动来实现端到端的效率仅为15%，而传输效率为 50%〇
[0005] 这种方法的其它尝试证实是成功的，使用商用现成品或技术（COTS)设备驱动和 匹配所述发射线圈的频率大约为3兆赫及传输效率Tl transfCT= 95 %的阻抗，同时减少由使 用螺旋表面引起的线圈损失[10]。
[0006] 最高的端到端效率η%由当前市场可用的商业感应式电能传输系统来实现。在距 离小于30厘米时已经达到端到端的效率n ee= 90%，但对于比较重的系统（30-40公斤） 这一应用领域采用塑性铁磁材料。相反，在[11]中采用频率追踪系统和无铁磁材料，其中 直流负载效率的计算估计值是n d。lciad= 70%。这里给出的驱动效率的描述不是很清楚，因 其基于商用现成品或技术COT为50欧姆的系统并增加发射线圈和接收线圈。重点是再次 给出控制线圈和传输效率，而不是直流-负载效率。其它有趣的尝试增加了端到端的效率， 如[12]、[13]所示，其中端到端效率Tl Ji到大于60%或与该值接近。
[0007] 本发明，至少目前的优选实施例，是为了提供一种在缺乏场整形技术的条件下的 高效、低成本的感应式电能传输的有效解决方案，其适用于轻量系统。具有发射线圈-接收 线圈尺寸不同的系统，代表更实际的系统，其中接收器的尺寸通常受到应用限制。此系统应 该能够达到低耦合因素下的较高效率，因为其接收线圈的尺寸较小。此外，该系统应该在不 能总达到整齐地排列的情况下达到较高的效率（例如，电动车或无线传感器充电）。
【发明内容】
[0008] 根据本发明提供的感应式电能传输系统，包括一个发射线圈和一个与该发射线圈 有一定间距的接收线圈，该感应式电能传输系统还包括一个发射电路，该发射电路包括所 述发射线圈，该感应式电能传输系统还包括一个接收电路，该接收电路包括所述接收线圈。 所述发射电路是包括第一感应器和串联在电力供应终端之间的晶体管的E级放大器。所 述晶体管的设置是用来控制第一频率。此外，所述发射电路还包括第一发射电容，该第一 发射电容与串联在所述第一感应器和电力供应终端之间的晶体管并联，所述发射电路还包 括初级储能电路，该初级储能电路与所述第一发射电容并联，所述初级储能电路包括发射 线圈和第二发射电容，该第二发射电容并联或串联于所述发射线圈，所述初级储能电路还 包括第三发射电容，该第三发射电容与第一发射电容和初级储能电路之间的第一感应器串 联。在优选的实施例中，第二发射电容的电容量可以选择，例如，初级储能电路的谐振频率 比第一频率大。这样的话，所述初级储能电路处于半共振状态以便所述初级储能电路保持 一定的感抗。所述第一频率与所述初级储能电路的谐振频率之比率通常在〇. 5-0. 9的范围 内，优选的是〇. 7-0. 9。所述第二发射电容的容量能选择，以便所述初级储能电路的谐振频 率比所述第一频率低。例如，所述第一频率与所述初级储能电路的谐振频率的比值可能在 1. 1-1. 5的数值范围内。在本发明的实施例中，所述第一频率与所述初级储能电路的谐振频 率之间的比值的数值范围为0. 5-1. 5。
[0009] 在一个优选的设置中，所述接收电路包括谐振频率，同时，所述发射电路的配置能 够改变所述第一频率，以便达到初级储能电路的期望阻抗值。
[0010] 有利的是，所述发射线圈和/或所述接收线圈是空芯的。这提供了轻量级的设计。 在本发明的一个实施例中，所述发射线圈和/或所述接收线圈具有至少5cm的直径，优选的 是至少10cm。在本发明的实施例中，所述发射线圈和接收线圈之间的间距在使用时是至少 15cm〇
[0011] 所述晶体管通常是金属氧化物半导体场效应管。所述第一频率可以是至少80千 赫，优选的是至少1兆赫。在所述发射线圈和所述接收线圈之间传递的电能至少是1瓦，优 选的是至少10瓦。
[0012] 在一个实施例中，所述接收回路包括E级整流器。所述接收电路可以包括第一接 收电容，使用时，该第一接收电容与负载并联，还有次级储能电路与所述第一接收电容并 联。所述次级储能电路可以包括接收线圈和第二接收电容，该第二接收电容并联或串联于 所述接收线圈。次级储能电路和第一接收电容之间可以设置第一二极管。所述第二接收 电容的电容量可以选择，以便所述次级储能电路的谐振频率与所述第一频率不同，其中所 述次级储能电路半共振操作并保持一定的反应阻抗。这样，接收线圈就能单独提供E级整 流器必须的阻抗。所述第一频率与所述次级储能电路的谐振频率的比值的典型数值范围是 0. 2-3。例如，所述第一频率与所述次级储能电路的谐振频率的比值也可以在0. 2-0. 9或 1. 1-3的范围内。在接收电路上仅有的感应器可以是接收线圈。
[0013] 所述接收电路可以包括至少一个与所述第一二极管并联的第二二极管。这样所述 二极管的结电容可以在不限制额外的电容器的操作电压的情况下为E级整流器提供必要 的电容量。因此，与二极管并联的电容量可以由二极管的结电容提供。所述二极管可以是 碳化硅二极管、氮化镓二极管或其它宽的带隙的材料。
[0014] 本发明扩展了感应式电能传输系统的接收电路。本发明扩展了感应式电能传输系 统的发射电路。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图进一步描述本发明的具体实施例，其中： 图1所示为感应式电能传输系统的架构图； 图2所示为距离和横向偏移量测量的实验装置示意图； 图3所示为角度偏差测量装置的实验装置示意图； 图4显示了空间上完全对齐线圈的情况下有一定间隔的线圈的耦合系数测量值； 图5显示了在横向空间偏移一定距离，例如偏移30cm时，线圈的耦合系数测量值； 图6显示了发射线圈在一定的角度偏差，例如偏差距离为30cm时的耦合系数测量值； 图7显示了接收线圈在一定的角度偏差，例如偏差距离为30cm时的耦合系数测量值； 图8示出了根据本发明的一个实施例co d< ω。"的半共振E级拓扑结构图； 图9示出了相对于漏源电压为230V的E级金属氧化物半导体场效应管的ω/〇^"值 的模拟的C1^值； 图10示出了相对于时间t的半共振E级驱动器的模拟漏源电压（用于模拟电路仿真 的微机系列通用电路分析程序PSpice); 图11示出了完全对齐的感应式电能传输测试值，其中D = 30cm ; 图12示出了相对于间距30cm及Pd。= 90w的感应式电能传输系统的漏源极电压； 图13展示了调谐间距为30cm时相对于固定时钟频率调谐有一定间距的直流-负载效 率的测量值； 图14显示了相对于时钟调谐频率有一定间距的直流-负载效率的测量值； 图15显示了间距为30cm时相对于固定时钟频率调谐有一定横向偏移的线圈的直 流-负载效率的测量值； 图16显示了仅具有时钟频率调谐的横向偏移线圈的直流-负载效率的测量值； 图17显示了相对于固定时钟调谐频率具有30cm间距的发射线圈的直流-负载效率的 测量值； 图18显示了相对于时钟调谐频率具有错位角的发射线圈的直流-负载效率的测量 值； 图19显示了相对于固定时钟调谐频率具有30cm间距并具有一定阻抗的接收线圈的直 流-负载效率的测量值； 图20显示了具有时钟调谐频率错位的接收线圈的直流-负载效率的测量值； 图21是本发明一实施例的E级接收线路的示意图； 图22是根据本发明的又一实施例的E级接收线路的示意图； 图23是根据本发明的另一实施例的E级接收线路的示意图；
【具体实施方式】
[0016] 能够传输数十至数百瓦特电能的感应式电能传输系统已被报道将近十年。这些工 作大部分集中在优化线路效率，且并未估计驱动器的效率。E级放大器被确定为感应式电能 传输应用的理想的驱动器，但是其电能处理能力在数十兆赫，这是关键制约因素，因为荷载 和感应器的电感特性由谐振电感系统限制。所述驱动器的频率限制了线圈的卸载因素 Q及 连接效率。对于合适的驱动器，在低的兆赫区域，铜线圈的卸载系数Q能够超过1000,并实 现高成本效益高Q因素的线圈装配。此处描述的系统缓解了用直流-负载效率大于77%、6 兆赫横跨30cm的间距时采用现有的高效感应式电能传输系统传输能量的场整形技术使用 时的不便与高昂成本。相信这也是感应式电能传输系统在未引入限制性耦合因素增强技术 的情况下能达到的最高直流-负载效率。
[0017] 如图1所示，基本的感应式电能传输系统架构包括数个模块。所述架构包括直流 电源供应模块（PSUs)、线圈驱动器（例如，时钟发生器和功率放大器（PA)具有一阻抗匹配 网络）、与接收线圈（RX)具有一定间距（从线圈中心之间测量的值）的发射线圈（TX)，还可 以选择性地包括整流器/稳压器和负载。为了全部表征完整的系统，从交流电源到负载的 所有在建模块的端到端效率η %可以设定为η %= n &PSU n ^lciad，其中效率术语如图1所 示。在图1中，η dc load driver transfer? driver clock amp7 dc