具有输出倍流器的感应式电能传输拾波电路的制作方法
【专利摘要】一种感应式电能传输(IPT)拾波电路，具有耦合至谐振电路(L1、C1)并用于整流从所述谐振电路接收的AC电流的全波整流器(D1?D4)。提供一对电感器(L2、L3)，其被设置用于将所述整流器耦合至所述拾波电路的输出端(VLoad)，并交替地存储电能和释放电能至所述输出端。
【专利说明】
具有输出倍流器的感应式电能传输拾波电路
技术领域
[0001]本发明涉及一种无线电力传输拾波电路。更具体而言，本发明涉及一种用于选择性提高感应式电能传输(IPT)拾波电路输出电流的电路。
【背景技术】
[0002]在感应式电能传输(IPT)系统中，电能通过由交流(AC)电源(电源和轨道一起形成IPT系统的原边)供电的初级导体(视其形式和/或应用不同，也被称为导电通路、垫片、或轨道)以及一个或多个拾波电路(形成系统的副边)之间的相互感应而无线传输，其中拾波电路与轨道感应耦合并电性耦合至负载以向负载供电。
[0003]虽然IPT系统表面上和变压器有相似之处，但两者有一些关键性的不同。具体而言，变压器用于步升或步降AC电压和/或使两电路电流隔离，而IPT系统的目的则是用于无线或非接触式地传输电能。和传统紧密耦合的铁芯变压器(其耦合系数等于(或接近)1，即，k=l)不同，IPT系统通常是松散地耦合，因此具有较小的耦合系数(例如，通常为k〈0.5)，且在使用中，如果不在物理上约束拾波电路保持与初级导体的固定对准，耦合系数也会动态变化。为了优化非接触式或无线电力传输的效率，IPT系统的初级电源和次级拾波电路被调谐至相同的谐振频率。所述谐振频率通常在例如10到40kHz之间。
[0004]因此，IPT系统的拾波电路通常包括调谐电路或谐振电路，其至少包括拾波线圈和调谐电容器。两种典型的拾波拓扑结构为串联调谐拾波以及并联调谐拾波，在串联调谐拾波中，调谐电容器与拾波线圈串联设置，而在更为常见的并联调谐拾波中，调谐电容器与拾波线圈并联设置。
[0005]当使用合适频率的AC电流对初级导体进行通电时，与初级导体感应耦合的拾波线圈中产生感应电压。为了达到最优的效率，对谐振电路进行调谐使其以AC电流的频率谐振。
[0006]在许多情况下，拾波需要向负载提供DC电流，且拾波电路中通常设置有整流器以对谐振电路中的AC电流进行整流。
[0007]图1所示为现有技术中简单的并联调谐IPT拾波电路的一个例子。所述拾波电路与初级轨道导体/电感器Lt感应耦合，其中初级轨道导体/电感器Lt在拾波线圈L1中感应出电压。调谐电容器C1与所述拾波线圈并联设置，并与拾波线圈形成谐振电路。包括二极管D1-D4的桥式整流器对谐振电路中的AC电流进行整流，且通过DC电感器或扼流圈Ldc向输出端提供DC电压，其中DC电感器或扼流圈Ldc用于平滑整流后的输出电流。在所阐述的例子中，所述拾波电路耦合至1—所代表的负载。所述负载例如可包括电池。
[0008]例如图1所示的现有技术中的并联调谐拾波电路的一个潜在缺点是，其对于给定的AC轨道电流及感应耦合具有恒定的输出电流。在现有技术的并联调谐IPT拾波拓扑中，在给定的耦合下，拾波的输出电流根本上被拾波线圈的短路电流所限制。这限制了给定电压下的输出功率，且使得对低电压高电流负载的供电变得困难而低效。也难以设计出能够以恒定的输出功率来应对各种不同输出电压的高效拾波。如果需要更高的电流，则必须提高轨道电流或通过减少例如拾波中谐振电路的匝数来降低拾波线圈的电感。
[0009]发明目的
[0010]因此本发明的一个目的在于提供一种IPT拾波电路，用于克服或至少改善现有技术中的一个或多个缺点，或者至少为公众提供一种有用的选择。
[0011]本发明的另一个目的在于提供一种IPT拾波电路或一种IPT拾波电路的操作方法，其可提供更大的输出电流。
[0012]本发明进一步的目的将通过下文的描述而变得明显。
【发明内容】
[0013]相应的，在一个方面，可广义上认为本发明在于一种感应式电能传输(IPT)拾波电路，包括:
[0014]谐振电路，包括感应拾波线圈和并联调谐电容器；
[0015]全波整流器，耦合至所述谐振电路并用于整流从所述谐振电路接收到的AC电流；以及
[0016]—对电感器，其中各电感器被设置用于将所述整流器耦合至所述拾波电路的输出端，并交替地存储电能和释放电能至所述输出端。
[0017]优选地，所述一对电感器以如下方式设置:所述一对电感器中的第一电感器在所述AC电流的正周期存储电能而在负周期释放电能至所述输出端，所述一对电感器中的第二电感器在所述AC电流的所述负周期存储电能而在所述正周期释放电能至所述输出端。
[0018]优选地，所述电感器的电能输入经过脉冲调制，而所述电感器的电能输出通常是基本上连续的。
[0019]优选地，所述一对电感器分别由所述全波整流器的相应的半波进行馈电。
[0020]优选地，所述一对电感器中的各电感器和所述整流器的二极管串联设置。
[0021 ]优选地，所述全波整流器包括二极管桥式整流器，其中所述电感器分别串联耦合于所述二极管桥式整流器的相应的共阴极二极管和所述拾波电路的所述输出端之间。
[0022]作为替代，所述全波整流器可包括一对二极管，其中所述一对二极管的各阳极分别与所述输出端耦合，所述一对二极管中每个二极管各自的阴极同时与所述谐振电路和所述一对电感器中相应的电感器親合。
[0023]优选地，所述拾波电路的输出电流等于通过所述一对电感器的电流之和。
[0024]优选地，所述拾波电路还包括模式开关，其可选择性地操作以重新配置所述电路，其中所述电感器并联耦合于所述整流器和所述拾波电路的所述输出端之间。术语“模式开关，，不限于一个开关，而是可包括复数个开关。
[0025]优选地，所述模式开关选择性地由控制器操作以控制输出电流。
[0026]优选地，所述拾波电路在所述第一模式下的所述输出电流基本上是所述第二模式下的两倍。
[0027]优选地，所述一对电感器中的每个电感器包括一对端子，其中所述一对电感器中的相应端子在所述第二模式下分别直接耦合。
[0028]优选地，在第一模式下，所述一对电感器以如下方式设置:所述一对电感器中的第一电感器在所述AC电流的正周期存储电能而在负周期释放电能至所述输出端，所述一对电感器中的第二电感器在所述AC电流的所述负周期存储电能而在所述正周期释放电能至所述输出端。
[0029]优选地，在第二模式下，所述一对电感器在所述AC电流的正周期和负周期同时用作扼流圈以平滑所述整流后的AC电流。
[0030 ]优选地，所述模式开关包括双向开关。
[0031]优选地，所述谐振电路还包括与所述拾波线圈串联的附加电容器，其中所述谐振电路为部分串联调谐。
[0032]优选地，所述拾波电路还包括功率控制开关，其可操作以将所述输出端与所述整流器和/或谐振电路解耦。更具体而言，所述功率控制开关优选地与所述输出端并联设置。
[0033]优选地，所述拾波电路还包括与所述谐振电路并联的解耦开关，用于选择性地将所述整流器与所述谐振电路解耦。
[0034]优选地，所述解耦开关包括AC开关，其选择性地由控制器操作以将所述整流器与所述谐振电路解耦。
[0035]优选地，所述拾波电路包括复数个子电路，其中各子电路均与公共输出端耦合，每个子电路包括如本发明第一方面所述的谐振电路，全波整流器，以及一对电感器。
[0036]优选地，每个子电路包括模式开关和解耦开关，其中所述模式开关和解耦开关相对于至少一个其它子电路的模式开关和解耦开关被选择性地独立操作。
[0037]优选地，每个子电路的所述模式开关和解耦开关被选择性地独立操作以控制输出电流。
[0038]优选地，控制所述输出电流以维持预先确定的最小输出电流。
[0039]优选地，所述IPT电路还包括控制器，用于控制所述模式开关和/或解耦开关的操作。所述控制器可包括微控制器，其耦合至输出电流传感器并被编程用于例如操作所述开关以维持预先设定的最小输出电流。
[0040]在第二方面，可广义上认为本发明在于一种包括至少一个子电路的感应式电能传输(IPT)拾波，所述子电路包括:
[0041]谐振电路，包括感应拾波线圈和调谐电容器；
[0042]整流器，包括至少两个耦合至所述谐振电路并用于整流从所述谐振电路接收到的AC电流的二极管；
[0043]—对电感器，其中每个电感器包括与所述整流器耦合的第一端子以及与所述拾波的输出端耦合的第二端子;以及
[0044]模式开关，其可操作以选择所述电路的运行模式，其中所述一对电感器中每个电感器的所述第一端子在第一模式下分别与所述至少两个二极管中相应的二极管的阴极耦合，在第二模式下与两个阴极均耦合。
[0045]优选地，所述子电路在所述第一模式下的输出电流基本上是所述第二模式下的两倍。
[0046]优选地，所述模式开关可操作以直接耦合所述一对电感器的各第一端子。所述模式开关优选地包括AC或双向开关。
[0047]优选地，所述子电路还包括解耦开关，其可操作以将所述谐振电路与所述整流器解耦。
[0048]优选地，所述拾波包括复数个子电路，各子电路均与公共输出端耦合。
[0049]优选地，每个子电路的所述模式开关和/或解耦开关可独立操作。
[0050]优选地，所述拾波还包括控制器，其与所述或每个模式开关和/或解耦开关相关联，且可操作以至少部分基于所述拾波的输出电流控制所述开关。
[0051]在第三方面，可广义上认为本发明在于一种感应式电能传输(IPT)系统，包括:
[0052]原边，包括耦合至初级导体的交流(AC)电源；以及
[0053]副边，包括至少一个如本发明第一或第二方面所述的IPT拾波电路，用于和所述原边进行无线电力传输。
[0054]在第四方面，可广义上认为本发明在于一种用于控制感应式电能传输(IPT)拾波电路输出电流的方法，所述方法包括如下步骤:
[0055]感测所述IPT电路的输出电流;以及
[0056]至少部分基于所述感测到的输出电流，选择性地运行模式开关以在第一模式和第二模式之间重新配置所述电路，其中所述IPT电路在所述第一模式下的所述输出电流基本上是所述第二模式下的两倍。
[0057]优选地，所述IPT电路包括谐振电路、全波整流器、模式开关以及一对电感器。
[0058]优选地，所述操作所述模式开关的步骤重新配置了所述电路拓扑，其中在第一模式下，所述一对电感器中的各电感器被设置用于在所述谐振电路的各正周期和负周期互补且交替地存储和释放电能，而在第二模式下，所述一对电感器在所述正周期和负周期同时用作扼流圈以平滑所述整流后的AC电流。
[0059]优选地，所述IPT电路包括与公共输出端耦合或可耦合于公共输出端的复数个子电路，每个子电路包括谐振电路、解耦开关、全波整流器、模式开关以及一对电感器。
[0060]优选地，所述方法还包括以下步骤:至少部分基于所述感测到的输出电流，选择性地且独立地操作所述复数个解耦开关以选择性地将相应的谐振电路分别与所述输出端解親。
[0061]本发明其他方面(应该在其所有新颖性方面考虑这些方面)将通过下面的描述变得明显。
【附图说明】
[0062]现结合附图举例说明本发明的若干实施例，其中:
[0063]图1为现有技术中并联调谐拾波电路的示意图；
[0064]图2为根据本发明第一实施例的并联调谐IPT拾波电路的示意图；
[0065]图3为根据本发明第二实施例的并联调谐IPT拾波电路的示意图；
[0066]图4为根据本发明第三实施例的并联调谐IPT拾波电路的示意图；
[0067]图5为根据本发明第四实施例的并联调谐IPT拾波电路的示意图；
[0068]图6为根据本发明第五实施例的拾波电路的示意图；
[0069]图7为根据本发明第六实施例的拾波电路的示意图；
[0070]图8为本发明第六实施例中模式开关对子电路电流的影响的图示说明；
[0071]图9为本发明第六实施例中的八个可能的运行模式的图示说明；以及
[0072]图10为根据本发明的拾波电路的框图。
【具体实施方式】
[0073]在整个描述中，为了方便起见，相似元件符号用于在相同和/或不同的实施例中指代相似特征。然而，使用相同的元件符号并不看作是要求所述一个或多个实施例中的相应元件必须相同。
[0074]首先参见图2，图2所示是根据本发明的并联调谐IPT拾波电路的第一实施例。和图1所示的现有技术的电路一样，本发明实施例包括拾波线圈L1和并联调谐电容器&的谐振电路。所述谐振电路耦合至全波整流器，其中所述全波整流器采用由二极管01_04构成的二极管桥式整流器的形式。二极管D1、D4在此被称为“共阴极”二极管，因为在已知的桥接配置中，它们的阴极端子通常互相耦合(且耦合至输出端)。类似地，二极管D2、D3被称为共阳极二极管。
[0075]二极管D1-D4不必都相同。具体而言，由于二极管D1、D4持续导通但二极管D2、D3实际上具有50%的占空比，可以选择这些二极管对使各自的导通和开关损耗最小化。虽然本实施例和其他实施例显示的是利用四个二极管进行全波整流，所属领域的技术人员将理解，也可以使用两个二极管。在其他实施例中，可用选择性地由控制器控制的开关来代替二极管D2、D3或所有二极管D1-D4,以提供动态整流。
[0076]本发明和图1所示电路的区别在于:DC电感器Ldc被一对电感器L2、L3所代替。本实施例中各电感器L2、L3的一个端子耦合至各自对应的共阴极桥式整流器二极管D^D4的阴极，电感器L2、L3的另一个端子共同耦合至所述拾波电路的输出端(表示为负载Vuiad)，而不是将所述DC电感器Ldc的一个端子耦合至两个共阴极二极管的阴极。
[0077]在使用中，拾波线圈1^与电感器Lt所表示的初级导体感应耦合(为了清楚起见，省略了所述IPT系统的原边的剩余部分)。当所述初级导体Lt由交流电供电时，产生变化的磁场。一部分磁场通过拾波线圈U，在拾波线圈1^中感应出在所述谐振电路中产生交流电的电压。为了达到最佳效率，优选地，选择使所述拾波线圈1^和调谐电容器C1以经过导体Lt的交流电的频率谐振(反之亦然)。
[0078]为了向DC负载供电，由所述全波整流器对所述谐振电路的交流电进行整流。
[0079]根据本发明，优选地，电流在所述谐振电路的交流电的正周期和负周期均连续流经电感器L2、L3。即，在正常运行状态下，所述二极管D^D4总是正向偏压，且每个二极管的平均电流为输出电流Iuiad的一半。二极管D2、D3分别仅在所述谐振电路中的交流电的负周期或正周期导通(即，二极管D2、D3分别具有互补的50%占空比)。
[0080]因此，电感器L2、L3均持续地向所述负载Vuiad供电。在正周期中，本发明中流经所述电感器1^的电流也使得所述电感器储存磁场中的能量，而所存储的能量在负周期中释放至所述负载。类似地，电感器L3在负周期储存能量，而所存储的能量在正周期中释放至所述负载。因而所述电感器能量输入为经过脉冲调制的，而能量输出通常为基本上连续的。因此提供至所述负载的电流Iuiad为经过电感器的电流Iu、IL2之和。在理想电路中，本发明因而使提供至所述拾波电路的输出端的电流增加一倍。然而在实践中，由于例如损耗或不理想的元件选择，电流不一定精确地相对于所述拾波线圈的短路电流增加一倍。因此，“倍流器”等术语用于在广义上指代所述电感器L2、L3，其交替地存储和释放电能以提高提供至所述输出端/负载的电流。优选地，所述电流基本上或者大致上增加一倍，但实践中，在不背离本发明精神或范围的情况下增加的程度可能更小。
[0081 ]图3阐述了本发明的第二实施例。本附图中省略了初级导体Lt，因为初级导体Lt不是拾波电路的组成部分，而是一个完整的IPT系统的原边的组成部分，其中本发明可为所述IPT系统的一部分。
[0082]图3的拾波电路是针对图2的修改，其中图3的拾波电路进一步包括模式开关S1，其可操作以直接耦合二极管D^D4的阴极以及电感器L2、L3的相应端子。
[0083]当模式开关5:断开或非导通时，可以理解的是，图3中的电路采用和图2中的电路相同的方式运行，在此称为倍流或第一运行模式。而当所述模式开关S1闭合或导通时，电路拓扑被重新配置为标准或第二运行模式，其中电感器L2、L3并联设置从而有效形成仅对输出电流1^<!进行平滑的单一 DC电感器或扼流圈，尽管所述单一 DC电感器或扼流圈的有效电感小于单个L2SL3的电感。除了具有并联的电感器之外，该标准模式下的所述电路的运行和图1所示类似。
[0084]所述模式开关S1可为机械操作或人工操作的开关，但更优选地为具有例如一对背对背串联的MOSFET晶体管的电控双向开关。初始状态下，所述模式开关可闭合以便所述拾波电路运行于正常模式，当负载需要更大的电流时，所述模式开关自动断开以在倍流模式下运行，因此可被认为是电“变速杆”。
[0085]所述模式开关S1有效地使输出电压范围扩大一倍，其中所述拾波电路在所述输出电压范围下能够为原边受控系统中给定的轨道电流变化范围提供全功率。
[0086]在本发明实施例的变化形式中，所述模式开关可包括多个开关以用其它的方式重新配置所述拾波电路的拓扑，使其从倍流运行模式转换为标准运行模式。例如，在标准模式下，所述一对电感器中的一个电感器L2SL3可被配置为将整流器耦合至输出端，而所述一对电感器中的另一个电感器完全切出电路。在另一个可能的例子中，所述一对电感器L2、L3均可以被切出电路，并将另外的DC电感器切进电路。
[0087]在本发明又一个实施例中，所述谐振电路可部分与附加的调谐电容器(:2串联调谐，其中所述调谐电容器&与拾波线圈1^串联设置，如图4所示。本实施例的拾波电路能够为更大范围的输出要求(即不同的电池要求)提供服务，并能够对应于每个范围进行优化。
[0088]在本发明其它的实施例中，所述拾波电路可进一步包括功率控制电路以提供所述拾波电路的输出功率的副边控制，并再次为更大范围的输出要求提供服务。所述功率控制电路可包括功率控制开关&，如图5中例举所示。本实施例中的功率控制开关52与输出端并联设置，且可操作以选择性地将负载Vuiad与所述谐振电路解耦。优选地，所述功率控制开关S2由闭环反馈控制电路(为清楚起见，在附图中省略)自动操作，以调整所述拾波电路的输出端。所述反馈控制电路可通过例如脉宽调制(PWM)对开关进行操作，以维持所需要的输出电压。如图所示，可增加二极管他以防止所述负载通过功率控制开关S2放电。
[0089]所述功率控制电路提供的副边控制使所述拾波电路的输出端在通过初级导体Lt的轨道电流不需要任何变化情况下就得以控制。因而多个拾波电路可以和单个初级电源感应耦合。在其它IPT系统中，所述副边控制可以补充拾波输出端的原边控制。
[0090]图6所示为根据本发明的IPT拾波电路的另一个实施例。在本实施例中，省略了二极管D1、D4 ο省略该些二极管可以减少拾波电路中的传导损耗。
[0091]感应式电能传输系统通常用于对装置的电池或其它电压源进行无线或非接触式充电，而不用于为电阻负载供电，其中所述电池在所述装置离开充电板时向负载供电，而当装置回到充电板时由集成拾波电路对所述电池进行无线充电。这种装置的例子可包括:电动牙刷、移动电话、自动导引车(AGV)，电动客车等。在这些情况下，所述负载1。^可包括电池或其它电压源。
[0092]在图2至5所示的本发明前述实施例中，二极管D^D4防止电压源Vuiad被所述拾波电路短路。由于省略了该些二极管，本实施例包括AC解耦开关S3作为替代，所述AC解耦开关S3被选择性地操作用于一旦负载被充电就将所述谐振电路与负载解耦，以防止将负载短路。优选地，所述AC开关S3由控制器(为清楚起见，在附图中省略)主动控制。
[0093]所述AC开关S3与所述谐振电路并联设置。所述AC开关S3在附图中用一个开关符号表示，但在实践中可包括一对背对背串联的MOSFET开关，由此所述AC开关可操作以选择性地阻断或导通任一方向的电流。
[0094]虽然图4至6中的示例实施例均包括前述实施例中所选择的特征，这些实施例的所述模式开关、部分串联调谐、副边功率控制、以及AC解耦开关特征可以相互独立地设置。本发明其它实施例可包括该四个特征的任意组合或选择。
[0095]本发明的每个前述示例实施例显示具有单个拾波线圈U。在本发明的其他实施例中，所述拾波电路可包括复数个拾波线圈和关联的子电路。考虑到在应用中拾波和初级导体之间有限的错位，通常可提供一对大致上正交的线圈，其中例如国际专利公开号WO2007/126321所公开的那样，所述拾波是可移动的。
[0096]图7所示为根据本发明的拾波电路，其包括一对与公共输出端负载1。^耦合的拾波线圈U，其中每个拾波线圈L1为与上述拾波电路类似的一对相同拾波子电路的组成部分。在其他实施例中，拾波电路不一定要相同。
[0097]本示例中的两个拾波子电路如前文所述分别包括并联调谐电容器C1JC解耦开关S3、包括二极管Dl至D4的桥式整流器、模式开关Si以及一对电感器L2、L3。
[0098]如上所述，所述模式开有助于电路拓扑的动态重配置，以满足输出电流的要求。对于任何给定的对准(或耦合系数k)，通过断开模式开关可以使输出电流大致上增加一倍(或者，若模式开关已经断开，则通过将其闭合可以使输出电流减半)。
[0099]模式开关提供的操作上的灵活性在本发明包括复数个拾波线圈和子电路的实施例中尤为有利。在这样的实施例中，总输出电流ILoad为来自于各子电路的输出电流Isub之和。参见图8，图7所示的电路中的两个模式开能够分别选择性地独立断开以针对任意给定的对准将子电路的输出电流Isub大致上增加一倍。从附图中可以明显看出，如WO 2007/126321中所揭示的那样，考虑到有限的错位，本示例中的拾波线圈大致上正交排列，由此至少一个拾波线圈将会中断初级导体中的交流电所产生的磁场。
[0100]优选地，本发明的所述复数个模式开关S1相互独立运行，以维持所需要的总输出电流。也就是说，例如第一子电路可在倍流器激活状态(模式开关断开)下运行，同时第二子电路在倍流器非激活状态(模式开关闭合)下运行。
[0101]作为替代，或附加地，可以独立地操作各子电路的AC解耦开关S3以选择性地将所关联的拾波线圈L1与输出端解耦，由此任意数量的复数个子电路可在任何给定的时间点进行操作，提供对输出电流的进一步控制。
[0102]通过对两个拾波线圈L1以及模式开关SjPAC开关S3进行独立的控制，共有八种不同的可能的电路配置，如图9所示。这些配置包括图8所示的针对单个拾波线圈的四种不同配置，加上其各种组合。因此可以通过控制开关来尝试并维持所需要的或预先确定的最小输出电流。
[0103]在其他实施例中，本发明的拾波电路可包括三个或三个以上拾波线圈L1。通过复数个解耦和模式开关的选择性操作，这样的拾波电路可能允许更多不同的操作模式。
[0104]图10提供了根据本发明的一种拾波电路的框图，包括谐振电路101(包括拾波线圈L1和调谐电容器Cd、整流器103(至少包括图2至7的示例实施例中的二极管D2、D3)、倍流器105(包括电感器L2、L3)以及负载107(或者至少用于耦合至负载的连接端子)，且可选地包括解耦开关102 (包括AC开关S3)、模式选择器104 (包括模式开关S1)、功率控制106 (包括功率控制开关S2)，以及控制器108。
[0105]所述控制器108与所述解耦开关102、模式选择器104和/或功率控制106耦合，从而传输控制信号109以对上述的模块进行操作。特别地，所述控制器108优选地选择合适的运行模式并相应控制解耦开关102和模式选择器。因此所述控制器108可接收一个或多个输入或反馈信号110以帮助选择最合适的模式。所述反馈信号110例如可包括代表子电路输出电流I sub或总输出电流ILciad的信号。
[0106]通过阅读本发明的以上描述，电气工程领域的技术人员有能力设计和实现合适的控制器108。
[0107]所述控制器108能够以多种方式实现。所述控制器可实现为纯基于硬件且由一个或多个元件组成的控制器，所述一个或多个元件例如可以包括分立式电子元件和/或包括运算放大器和逻辑器件的模拟或数字集成电路。作为替代，或附加地，控制装置可至少部分实现为基于软件且采用诸如可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)等嵌入式可重构或可编程硬件元件的系统，或者更优选地实现为可包括执行嵌入式软件的微控制器的处理器，其中所述嵌入式软件被编程以用于实现系统并执行本发明在此所描述的方法。然而，更为常见的情况是，本发明将实现为使用上述元件之组合的嵌入式系统。
[0108]在一个示例实施例中，所述控制器108包括微控制器，所述微控制器耦合至输出电流传感器且被编程用于执行闭环反馈比例-积分-微分(PID)控制算法以通过控制模式、解耦和/或功率控制开关来维持预先确定的最小输出电流。
[0109]—旦被编程以执行依照来自实现本发明方法的程序软件的指令的特定功能，这些PLD和/或处理器实际上变成了针对本发明方法的专用计算机。对此所需的技术为计算机系统领域的技术人员所熟知。
[0110]为了方便和清楚起见，图10所示为单个控制器108控制各解耦开关102、模式选择器104以及功率控制106。然而，可替代地，在不违背本发明范围的情况下，可由分离的和/或独立的控制器来控制所述拾波电路的每个元件。
[0111]由上可见，提供了一种IPT拾波电路，其在各种实施例中尤其适合用于对低压高电流负载供电；可被配置用于针对给定的轨道电流变化范围在更大的电压范围下传输电能；和/或可为更大范围内的输出要求提供服务并针对每个范围进行优化。相比于已知方案，本发明可针对给定的拾波设计以恒定的功率水平提供更高的输出电压，并提供一个附加的变量以优化整体设计。本发明也可减少整流器中的二极管损耗。
[0112]除非上下文明确要求，在整个描述中，“包括”等字眼应解释为与排他的或穷举的含义相反的包含的含义，也就是“包括，但不限于”的含义。
[0113]尽管本发明是参考本发明可能的实施例而举例描述的，但是应该理解的是，可以在不脱离本发明范围的前提下对本发明作出修改或改进。本发明也可广义地讲由本申请说明书中所参照和指示的零件、元件及特征单独或共同构成，由所述零件、元件或特征的任两个或多个的任意或全部组合构成。进一步的，上文已经提到了具有已知等同物的本发明的具体部件或整体，因此，在这里引入这样的等同物，视为已经分别描述过。
[0114]贯穿整个说明书的现有技术的任何讨论不应当被认为是承认该现有技术广泛已知或构成本领域的公知常识的一部分。
【主权项】
1.一种感应式电能传输(I PT)拾波电路，包括: 谐振电路，包括感应拾波线圈和并联调谐电容器； 全波整流器，耦合至所述谐振电路并用于整流从所述谐振电路接收到的AC电流；以及 一对电感器，其中各电感器被设置用于将所述整流器耦合至所述拾波电路的输出端，并交替地存储电能和释放电能至所述输出端。2.根据权利要求1所述的IPT拾波电路，其中所述电感器以如下方式设置:所述一对电感器中的第一电感器在所述AC电流的正周期存储电能而在负周期释放电能至所述输出端，所述一对电感器中的第二电感器在所述AC电流的所述负周期存储电能而在所述正周期释放电能至所述输出端。3.根据权利要求1或2所述的IPT拾波电路，其中所述电感器的电能输入经过脉冲调制，而所述电感器的电能输出通常是基本上连续的。4.根据上述权利要求中的任意一项所述的IPT拾波电路，其中所述全波整流器包括二极管桥式整流器，其中所述电感器分别串联耦合于所述二极管桥式整流器的相应的共阴极二极管和所述拾波电路的所述输出端之间。5.根据权利要求1至3中任意一项所述的IPT拾波电路，所述全波整流器可包括一对二极管，其中所述一对二极管的各阳极分别与所述输出端耦合，所述一对二极管中每个二极管各自的阴极同时与所述谐振电路和所述一对电感器中相应的电感器耦合。6.根据上述权利要求中的任意一项所述的IPT拾波电路，其中所述拾波电路还包括模式开关，其可选择性地操作以将所述电路由第一模式重新配置为第二模式，其中所述电感器并联耦合于所述整流器和所述拾波电路的所述输出端之间。7.根据权利要求6所述的IPT拾波电路，其中所述第一模式下的所述拾波电路的所述输出电流大于所述第二模式下的所述拾波电路的所述输出电流。8.根据权利要求6或7所述的IPT拾波电路，其中在第二模式下，所述一对电感器在所述AC电流的正周期和负周期同时用作扼流圈以平滑所述整流后的AC电流。9.根据上述权利要求中的任意一项所述的IPT拾波电路，其中所述谐振电路还包括与所述拾波线圈串联的附加电容器，其中所述谐振电路为部分串联调谐。10.根据上述权利要求中的任意一项所述的IPT拾波电路，所述拾波电路还包括功率控制开关，其可操作以将所述输出端与所述整流器和/或谐振电路解耦。11.根据上述权利要求中的任意一项所述的IPT拾波电路，所述拾波电路还包括与所述谐振电路并联的解耦开关，用于选择性地将所述整流器与所述谐振电路解耦。12.一种感应式电能传输(IPT)拾波电路，包括复数个子电路，其中各子电路均与公共输出端耦合，每个子电路包括如上述权利要求中的任意一项所述的IPT拾波电路。13.一种感应式电能传输(I PT)拾波，包括至少一个拾波电路，所述拾波电路包括: 谐振电路，包括感应拾波线圈和调谐电容器； 整流器，包括至少两个耦合至所述谐振电路并用于整流从所述谐振电路接收到的AC电流的二极管； 一对电感器，其中每个电感器包括与所述整流器親合的第一端子以及与所述拾波的输出端耦合的第二端子;以及 模式开关，其可操作以选择所述电路的运行模式，其中所述一对电感器中每个电感器的所述第一端子在第一模式下分别与所述至少两个二极管中相应二极管的阴极耦合，在第二模式下与两个阴极均耦合。14.根据权利要求13所述的IPT拾波，所述电路在所述第一模式下的输出电流基本上是所述第二模式下的两倍。15.根据权利要求13或14所述的IPT拾波，其中所述电路还包括解耦开关，其可操作以将所述谐振电路与所述整流器解耦。16.根据权利要求13至15中的任意一项所述的IPT拾波，控制器与所述或每个模式开关和/或解耦开关相关联，且可操作以至少部分基于所述拾波的输出电流控制所述开关。17.根据权利要求13至16中的任意一项所述的IPT拾波，其中所述I PT电路包括子电路。18.根据权利要求17所述的IPT拾波，其中所述拾波包括复数个子电路，各子电路均与公共输出端親合。19.根据权利要求18所述的IPT拾波，其中各子电路的所述模式开关和/或解耦开关可独立操作。20.—种用于控制感应式电能传输(IPT)拾波电路输出电流的方法，所述方法包括如下步骤: 感测所述IPT电路的输出电流；以及 至少部分基于所述感测到的输出电流，选择性地运行模式开关以在第一模式和第二模式之间重新配置所述电路，其中所述IPT电路在所述第一模式下的所述输出电流基本上是所述第二模式下的两倍。21.—种实质上如本文所述的I PT拾波，拾波电路，或用于控制I PT拾波电路的方法。
【文档编号】H02J50/12GK106063081SQ201480074090
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年12月19日
【发明人】约翰·塔尔博特·博伊斯, 尼古拉斯·阿索尔·基林
【申请人】奥克兰联合服务有限公司, 约翰·塔尔博特·博伊斯, 尼古拉斯·阿索尔·基林