用于生成可调整阻抗的方法和设备的制作方法

用于生成可调整阻抗的方法和设备的制作方法
【专利摘要】一种用于调整电抗的方法包括可调整电抗发生器，其包括接收输入正弦波形并输出保持所施加的正弦波形的频率和相位的方波的比较器。使用从比较器接收方波作为控制信号并输出保持所施加的正弦电压波形的频率和相位的方波的电力开关电路、调整由电力开关电路输出的方波的振幅的可调整电源以及控制可调整电源的输出水平的振幅检测器来生成电抗调整。电力开关电路的输出在被转换成正弦波时提供可调整电抗的效应。
【专利说明】用于生成可调整阻抗的方法和设备
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2012年5月11日提交的美国临时专利申请No. 61/645, 850的优先权。 本申请的内容通过引用被结合到本文中。

【技术领域】
[0003] 本专利申请涉及借助于谐振感应进行的电能传输。更具体地，其描述了一种用于 产生高效谐振感应功率传输所需的可调整电抗的方法和设备。

【背景技术】
[0004] 感应功率传输跨越许多行业和市场具有许多重要的应用。图1示出了谐振感应功 率传输系统的概念表示。在图1中，向空隙变压器的初级电感器100施加交流电能源。变 压器初级电感器100与变压器次级电感器102之间的磁耦合将主机侧能量的一定比例传输 到变压器次要电感器102,其与初级电感器100相距一定距离。初级电感器磁场、初级电感 器电流以及次级电感器电流是成比例的。施加于初级电感器100的谐振增加初级侧电感器 电流，产生磁通量、次级电感器电流和从初级传输至次级的功率的相应增加。
[0005] 来自初级电感器100的磁通量向次级电感器102的绕组中感生电压。最大次级电 流和因此的最大功率传输在次级电感器绕组也谐振时发生。结果是由两个磁耦合谐振电路 组成的两极谐振电路。谐振电路可以与如图1中所示地并联地接线的电感器和电容器并联 谐振，或者它们被串联接线且是串联谐振的。此外，初级和次级侧谐振不需要共享同一形 式。
[0006] 高效的谐振感应无线功率传输依赖于在初级源电感器和次级负载电感器两者中 保持高度的谐振。然而，变压器初级和次级谐振频率受到许多因素的影响，包括制造变差、 部件公差、初级-次级间隔距离、轴向对准、温度及其他因素。高效的谐振感应无线功率传 输因此需要连续的自主调整以便保持所需的高度谐振。
[0007] 例如，当向交通工具提供感应（或无线）功率源时，例行地遭遇这些变化，并且对 于电动车或要求外部功率源的其他交通工具的制造商而言提出关键的问题。期望的是，开 发一种用于对交通工具充电的系统，其解决这些问题，使得初级电感器绕组可位于水平表 面上或其中且可将次级电感器绕组可附着于交通工具的底部以用于电功率到交通工具的 高效无线传输。本发明解决了本领域中的这些需要。


【发明内容】

[0008] 满足本领域中的上述需要的可调整电抗发生器和关联方法包括比较器接收输入 正弦波形并输出方波，该方波保持所施加的正弦波形的频率和相位。使用从比较器接收方 波作为控制信号并输出保持所施加的正弦电压波形的频率和相位的较高功率方波的功率 开关电路、调整由功率开关电路输出的方波的振幅的可调整电源以及控制可调整电源的输 出水平的振幅检测器来生成电抗调整。功率开关电路的输出在被转换成正弦波时提供可调 整电抗的效应。
[0009] 在示例性实施例中，功率开关电路包括具有两个功率开关器件的半桥电路、全桥 配置、回扫配置、具有单端或推挽驱动配置的谐振回路、单端或双端前向转换器配置或这些 一般配置的其他功率开关或功率转换电路拓扑结构。可调整电源还包括受控电压源、受控 电流源或开关模式电源。在示例性实施例中，用戴维宁（Thevenin)阻抗和LC谐振空芯传 输变压器将振幅检测器的振幅调整输出转换成正弦信号。
[0010] 根据本发明的可调整谐振电抗发生器的实际实施例包括具有初级侧谐振LC电路 和次级侧谐振LC电路的谐振空隙传输变压器、通过第一隔直流电容器和第一戴维宁电感 器向初级侧谐振LC电路的总和节点提供第一高功率方波的功率发生部、通过第二隔直流 电容器和第二戴维宁电感器向初级侧谐振LC电路的总和节点提供第二高功率方波的电抗 发生部以及被连接到次级侧谐振LC电路的整流器-滤波器负载电路。优选地，第一高功 率方波与第二高功率方波之间的相位和振幅差向初级侧谐振LC电路的总和节点中产生电 流，该初级侧谐振LC电路提供通过调整第一和第二高功率方波的相位和/或量值来调整的 有效阻抗。
[0011] 在示例性实施例中，电抗发生部包括电压比较器、逆变器和功率半导体开关的半 桥对，所述电压比较器对初级侧谐振LC电路的总和节点处的电压波形进行采样并在初级 侧谐振LC电路的总和节点处输出电压的方波通断表示，所述逆变器被连接到电压比较器 的输出端，所述功率半导体开关的半桥对分别被连接到电压比较器的输出端和逆变器的输 出端。如上所述，功率开关电路还可包括全桥配置、回扫配置、具有单端或推挽驱动配置的 谐振回路、单端或双端前向转换器配置或这些一般配置的其他功率开关或功率转换电路拓 扑结构。功率半导体开关可以是场效应晶体管、双极晶体管、绝缘栅双极晶体管、真空管和 /或光导开关。
[0012] 在示例性实施例中，第二高功率方波的量值由向功率半导体开关的第二半桥对提 供电力的可控电源设定。可控电源可以是具有与初级侧谐振LC电路的总和节点处的电压 波形的振幅成比例的输出电压的受控电压源、具有与初级侧谐振LC电路的总和节点处的 电压波形的振幅成比例的输出电流的受控电流源、具有与初级侧谐振LC电路的总和节点 处的电流波形的振幅成比例的输出电压的受控电压源或具有与初级侧谐振LC电路的总和 节点处的电流波形的振幅成比例的输出电流的受控电流源。在可控电源的每个实施例中， 电源的输出与初级侧谐振LC电路的总和节点处的波形的振幅的比例优选地为1A1-G)，其 中，G是电抗发生部的增益。替换地，电源可向功率半导体开关的第二半桥对提供固定输出 电力，但是该电路还包括脉宽调制器，该脉宽调制器对功率半导体开关的第二半桥对的输 出进行调制以调整电抗发生部的增益。
[0013] 根据以下详细描述，本发明的这些及其他实施例对于本领域的技术人员而言将是 显而易见的。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 图1示出了现有技术谐振感应功率传输系统的概念表示。
[0015] 图2A示出了根据本发明的实施例的常规米勒阻抗发生器且图2B示出了示例性电 子电抗发生器。
[0016] 图3示出了可调整电抗发生器的示例性实施例。
[0017] 图4A-4D描述了根据本发明的各种实施例的用于四个正规放大器类型中的每一 个的替换电抗发生器配置。

【具体实施方式】
[0018] 将描述供在对电力交通工具充电时使用的本发明的示例性实施例，但本领域的技 术人员将认识到的是本文提供的教导可用来对其他电力系统供电。在示例性实施例中，初 级绕组可位于水平表面上或其中，并且可将次级线圈附着于交通工具的底部。本领域的技 术人员将认识到此类应用在实践中遇到包括下面所述那些的问题。
[0019] 由于例如人进入到交通工具内部、乘客进入或外出、向交通工具施加或从其去除 负荷、由于大型交通工具的移动而引起的人行道（pavement)中的振动、狂风对交通工具的 影响、积聚在交通工具上的雪和冰、雪和冰在道路表面上的积聚、交通工具悬架随时间推移 的退化以及促使交通工具移动的其他实例而引起的次级和/或初级绕组（z轴平移）改变 了初级和次级绕组之间的间隔距离。
[0020]X轴（例如，前后）和y轴（例如，左右）维度中的任一者或两者中的平移位移或 移动导致次级和初级绕组的非同心对准。这可包括由于例如次级绕组在初级绕组上面的不 适当或不精确定位以及交通工具运动而引起的平移未对准。
[0021] 当初级线圈被安装到交通工具的底层且交通工具本身未平行于初级线圈被放置 在其上面或其中的人行道表面而完美地平面定位时，可看到初级和次级绕组之间的平面未 对准。在这种情况下，初级和次级线圈将针对谐振而失调且必须基于交通工具放置的单个 实例所特有的遭遇条件而进行修正。当交通工具移动且再次地相对于同一初级线圈定位或 者另一初级线圈位于新位置上时，平面对准将几乎一定是不完美的。在每种情况下，根据本 发明的实施例，可相应地调整系统的谐振。
[0022] 类似地，在被就位时，初级线圈和次级线圈可能由于作用于交通工具上的外力而 落在精确对准之外。这些力可组合地作用而改变次级线圈相对于初级线圈在x、y和/或z 轴中的位置，并且可以看到结果可由于平移位移而采取某种形式的未对准。这可在倾斜或 平面未对准和/或垂直或平移运动或位移中看到。
[0023] 可将上述位移视为离散长期位移或短期移动或视为振荡运动。机械位移或运动干 扰谐振感应功率传输，导致降低的功率传输效率并引起系统故障、关闭或者甚至系统损坏 的可能性。为此，自动谐振调整或补偿可以是本发明的示例性实施例的一部分。
[0024] 此外，由于许多交通工具具有复杂的悬架系统，并且由于可将感应功率部件安装 在交通工具的弹簧底盘上，所以可以预期不可预测、复杂且高度可变的振动运动。为此，本 发明的实施例可对将干扰已调谐谐振感应变压器的交通工具运动的最宽可能范围进行响 应且能够快速地进行所需调整以有效地消除振动和移动的有害效应。
[0025] 初级和次级电感器连同其关联谐振部件一起形成复杂且相互作用的二阶谐振网 络。任何网络部件或参数的更改、偏差或变化可导致小于最佳性能。可以高度的可重复性 制造电气部件，但是所需的高度制造精度招致不期望的开发和制造成本。因此，在本发明的 示例性实施例中期望吸收或以其他方式补偿制造可变性的能力。
[0026] 此外，由于用于交通工具（以及用于非交通工具应用）的感应电力系统的广泛市 场采用将基于由不同制造商生产的初级和次级电感器之间的互操作性，所以本发明的实施 例可适应在由多个公司和代理设计、制造和安装的系统之间产生的系统变化。在此类实施 例中，可能要求由任何一个公司设计和制造的任何初级侧电感器和关联部件在任何次级侧 电感器和关联次级侧部件由任何其他制造商制造的情况下自动地和/或无瑕疵地运行。即 使根据国际标准而统一，此类"失配"感应电力系统也将面对显著的互操作性调整。可以促 使这些单元高效地工作的仅仅是通过活动且自动化再调谐。
[0027] 固定的出厂预置调谐可能不太可能实现且不太可能在面对上文所讨论的制造和 对准变化时保持高效操作所需的调谐精度。此外，交通工具所承受的正常操作误用、激烈运 动、震动、冲击以及在操作期间遭遇的外部应力甚至意味着最初足够的固定调谐系统在交 通工具的服务寿命期间将需要频繁的维护、修理和重新对准。为此，并且尤其是考虑到可操 作性标准的复合问题，本发明的示例性实施例包括在每次再充电事件之前的谐振确认和可 能的谐振再调整以及在再充电操作期间的必要时的连续谐振监视和再调整。制造年份期间 的递增的改善可导致不能预测的线圈设计中的可变性。自动再调谐提供了确保传统电感器 用新设计和最近制造电感器继续进行操作的手段。
[0028] 在本发明的又一实施例中，使不同几何结构的电感器进行互操作是有可能的。这 在初级线圈与次级线圈相比较大或具有不同形态时可能需要。例如，卵形初级线圈将需要 用各种尺寸和形状的次级线圈进行操作。再次地，可能需要自动谐振调整以建立并保持谐 振。
[0029] 在本发明的实施例中，环境温度变化也可影响谐振调谐并要求调整。预期环境操 作温度可由于地理位置、季节、日间时、天气、风、太阳暴露或包括充电交通工具阴影的阴影 广泛地变化。次级线圈和关联电子装置进一步经受交通工具热发射，其可能很好地支配其 他热效应。此外，不能忽视充电期间的大的环境温度变化，并且不能将交通工具侧温度假设 为与底面安装初级侧线圈的温度相同或遵循该温度。线圈谐振可由于线圈本身的热膨胀和 热收缩、关联电子部件、尤其是调谐电容器的温度灵敏度、关联铁氧体材料的磁导率变化以 及由于交通工具轮胎和悬架部件的温度灵敏度所引发的线圈间隔距离变化而随温度而变。
[0030] 在又一实施例中，本发明提供了使得电感器的初级-次级系统很容易适用于移动 交通工具的动态充电的电子调谐手段。在移动交通工具的情况下，次级电感器被固定于交 通工具。促使移动的交通工具在多个独立初级电感器的线性阵列上面通过，其中每个初 级电感器被自动排序器排序以便以从而随着交通工具在顶上通过而将功率耦合到次级交 通工具电感器达短时间间隔的方式通电且然后断电。很明显，在这种情况下，针对每个初 级-次级线圈组合而仅仅瞬时地实现最佳的x、y、z和平行平面对准条件。在所有其他时间， 必须以自主方式来实施动态谐振调谐以随着次级线圈重复地接近、实现且然后脱离对准而 保持系统谐振和无线功率传输效率。用重叠或紧密间隔的地面固定线圈，多个线圈可能用 连续变化有功和无功功率-时间轨迹同时地被激励，从而产生动态移动虚拟初级线圈的效 果，其在存在上述所有未对准条件和谐振干扰影响的情况下保持与移动交通工具的系统谐 振和无线功率传输效率。
[0031] 此外，本发明使得能够实施功率传输的非常高效的双向操作，其中，功率可以在交 通工具与板外设备之间的任一方向上流动。在电力交通工具的许多可想应用中，可能期望 使用存储在交通工具电池、电容器或其他储能设备内的能量来操作板外设备或补充配电 网。虽然初级和次级电感器的布置和设计是反向的且该系统在存在板外负载的情况下必须 仍保持谐振，该板外负载很可能呈现出对有功和无功功率两者的未知且变化的要求。
[0032] 在非交通工具无线功率传输应用中可能存在要求交通工具安装无线功率系统中 的主动和自动谐振控制的以上因素中的一个或多个且其很有可能伴随着需要自动化检测 和修正的其他应用和状况特定干扰因素。
[0033] 另外，在补偿上述因素中的所述一个或多个时，本发明的示例性实施例可满足以 下性能准则中的一个或多个：
[0034] 自动化再调谐发生的手段必须是近实时的且在功率传输时段期间是连续的。
[0035] 用来实现再调谐的技术不能过于巨大或体积很大。
[0036] 用来实现再调谐的技术不应需要大型电源以进行操作或显著地降低系统的功率 传输效率。
[0037] 用来实现再调谐的技术不应引起或产生使感应无线功率传输性能的其他方面退 化的副效应。
[0038] 用来实现此再调谐的技术应被紧密地集成到部件的电子系统中以降低整体系统 复杂性、降低成本并改善维护人员的能力以对有故障的感应电力系统实行补救。
[0039] 用来实现再调谐的技术应代表制备感应电力系统的成本的仅一小部分。
[0040] 根据本发明的实施例，允许负载侧（次级）电感器电路谐振根据上述因素中的一 个或多个而变化。可通过将负载电感器谐振电路电压波形的相位与负载谐振电路电流波形 的相位相比较来确定负载电感器谐振错误极性和量值。从次级侧至初级侧的无线通信链路 可指示次级侧谐振错误的量值和极性，并且初级侧微控制器然后可调整初级电感器激励的 频率直至实现次级谐振为止，如同相的次级侧电压和电流波形所指示的。
[0041] 这样，调整系统操作频率，使得固定调谐次级谐振器始终在其谐振频率下操作。然 后，可通过初级侧电感器及关联谐振和阻抗匹配部件的调整或其他操纵而在新调整的操作 频率下建立初级侧谐振。然后仍是初级侧电感器和关联谐振部件的调整，使得其在次级侧 谐振操作频率下也是谐振的。此类谐振调整可通过机械性或电气地将各种电抗（诸如，例 如电容）切换到或切换出电路直至实现谐振为止来完成。示例性实施例依赖于N个开关和 N个电容器，后者是根据二进制1 一2- 4一8序列而选择的，其允许有来自N个被切换电抗 的2N个均匀间隔电抗值。替换地，可以根据需要而将多个电感器切换到或切换出电路，或 者可以根据需要而对电感器分接头进行开关选择。
[0042] 谐振无线功率传输要求在使用实际数目的开关和无功部件的被切换电抗方法的 情况下可能不可能的高精确度。用实际数目的开关实现的调整粒度可能过大。
[0043] 另一实现实施例可使用诸如变容二极管（电压可变电容器）之类的电可变电抗、 或者电流可变电感，其中放置在次级控制线圈中的可变dc偏置电流更改铁磁芯的磁导率、 从而更改电感。
[0044] 然而，变容二极管可能不能处理超过几毫瓦的功率水平且不能容易地提供大的电 容值。同样地，电流可变电感器是大的、繁重的，并且还可能不能处理大的功率水平，因为dc偏置电流通过使磁芯材料的操作点朝着饱和移动、从而减小电感器电流和功率额定值而起 作用。
[0045] 然而，根据本发明的实施例，利用米勒效应的替换谐振调整方法克服了上文所讨 论的实施例的调整粒度和功率水平限制。考虑图2A，其示出了包括具有增益G和反馈阻抗Z204的常规理想电压放大器202的米勒电抗发生器200。分别地用E#PIT来指示到此网 络的输入电压和电流。
[0046] 跨阻抗Z的电压由放大器电压增益G设定，其进而影响输入端子电流IT。然后由 下式给出跨放大器输入端子的有效阻抗：

【权利要求】
1. 一种可调整电抗发生器，包括： 比较器，所述比较器接收输入正弦波形并输出保持所施加的正弦波形的频率和相位的 方波； 电力开关电路，所述电力开关电路接收所述方波作为控制信号，所述电力开关电路输 出保持所施加的正弦电压波形的频率和相位的较高功率方波； 可调整电源，所述可调整电源调整由所述电力开关电路输出的所述方波的振幅； 振幅检测器，所述振幅检测器控制所述可调整电源的输出水平；以及 用于将所述电力开关电路的所述输出转换成正弦曲线并将已转换的输出提供为可调 整电抗的装置。
2. 根据权利要求1所述的可调整电抗发生器，其中，所述电力开关电路包括半桥电路， 所述半桥电路包括两个电力开关器件。
3. 根据权利要求1所述的可调整电抗发生器，其中，所述电力开关电路包括全桥配置、 回扫配置、具有单端或推挽驱动配置的谐振回路、或单端或双端前向转换器配置。
4. 根据权利要求1所述的可调整电抗发生器，其中，所述可调整电源包括受控电压源 或受控电流源。
5. 根据权利要求1所述的可调整电抗发生器，其中，所述可调整电源包括开关模式电 源。
6. 根据权利要求1所述的可调整电抗发生器，其中，所述转换装置包括戴维宁阻抗和 LC谐振空芯传输变压器。
7. -种可调整电抗发生器，包括： 谐振空隙传输变压器，所述谐振空隙传输变压器具有初级侧谐振LC电路和次级侧谐 振LC电路； 功率发生部，所述功率发生部通过第一隔直流电容器和第一戴维宁电感器来向所述初 级侧谐振LC电路的总和节点提供第一高功率方波； 电抗发生部，所述电抗发生部通过第二隔直流电容器和第二戴维宁电感器向所述初级 侧谐振LC电路的总和节点提供第二高功率方波，其中，所述第一高功率方波与所述第二高 功率方波之间的相位和振幅差向所述初级侧谐振LC电路的总和节点中产生电流，所述初 级侧谐振LC电路提供通过调整第一高功率方波和第二高功率方波的相位和/或量值来调 整的有效阻抗；以及 整流器滤波器负载电路，所述整流器滤波器负载电路被连接到所述次级侧谐振LC电 路。
8. 根据权利要求7所述的可调整电抗发生器，其中，所述电抗发生部包括电压比较器、 逆变器和功率半导体开关的半桥对，所述电压比较器对所述初级侧谐振LC电路的所述总 和节点处的电压波形进行采样并在所述初级侧谐振LC电路的所述总和节点处输出所述电 压的方波通断表示，所述逆变器被连接到所述电压比较器的输出端，所述功率半导体开关 的半桥对分别被连接到所述电压比较器的输出端和所述逆变器的输出端。
9. 根据权利要求8所述的可调整电抗发生器，其中，所述功率半导体开关包括场效应 晶体管、双极晶体管、绝缘栅双极晶体管、真空管和/或光传导开关。
10. 根据权利要求8所述的可调整电抗发生器，其中，所述第二高功率方波的所述量值 由可控电源设定，所述可控电源向功率半导体开关的所述第二半桥对提供电力。
11. 根据权利要求10所述的可调整电抗发生器，其中，所述可控电源包括受控电压源， 所述受控电压源具有与所述初级侧谐振LC电路的所述总和节点处的电压波形的所述振幅 成比例的输出电压。
12. 根据权利要求11所述的可调整电抗发生器，其中，所述电源的所述输出电压与所 述初级侧谐振LC电路的所述总和节点处的电压波形的所述振幅的比例是1A1-G)，其中，G 是所述电抗发生部的增益。
13. 根据权利要求10所述的可调整电抗发生器，其中，所述可控电源包括受控电流源， 所述受控电流源具有与所述初级侧谐振LC电路的所述总和节点处的电压波形的所述振幅 成比例的输出电流。
14. 根据权利要求11所述的可调整电抗发生器，其中，所述电源的所述输出电流与所 述初级侧谐振LC电路的所述总和节点处的电压波形的所述振幅的比例是1A1-G)，其中，G 是所述电抗发生部的增益。
15. 根据权利要求10所述的可调整电抗发生器，其中，所述可控电源包括受控电压源， 所述受控电压源具有与所述初级侧谐振LC电路的所述总和节点处的电流波形的所述振幅 成比例的输出电压。
16. 根据权利要求15所述的可调整电抗发生器，其中，所述电源的所述输出电压与所 述初级侧谐振LC电路的所述总和节点处的电流波形的所述振幅的比例是1A1-G)，其中，G 是所述电抗发生部的增益。
17. 根据权利要求10所述的可调整电抗发生器，其中，所述可控电源包括受控电流源， 所述受控电流源具有与所述初级侧谐振LC电路的所述总和节点处的电流波形的所述振幅 成比例的输出电流。
18. 根据权利要求17所述的可调整电抗发生器，其中，所述电源的所述输出电流与所 述初级侧谐振LC电路的所述总和节点处的电流波形的所述振幅的比例是1A1-G)，其中，G 是所述电抗发生部的增益。
19. 根据权利要求8所述的可调整电抗发生器，其中，所述第二高功率方波的所述量值 由电源和脉宽调制器设定，所述电源向功率半导体开关的所述半桥对提供固定输出功率， 所述脉宽调制器对功率半导体开关的半桥对的输出进行调制以调整所述电抗发生部的增 益。
20. -种调整可调整电抗发生器的电抗的方法，包括： 从输入正弦电压波形生成保持所施加的正弦电压波形的频率和相位的方波； 将所述方波作为控制信号施加于电力开关电路，由此所述电力开关电路输出保持所施 加的正弦电压波形的频率和相位的较高功率方波； 将由所述电力开关电路输出的所述方波的振幅调整至期望水平；以及 将振幅调整后的方波输出转换成正弦信号并且将已转换的输出提供为可调整电抗。
【文档编号】H01F38/14GK104508768SQ201380032535
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年5月10日 优先权日:2012年5月11日
【发明者】布鲁斯·理查德·朗, 安德鲁·S·达加, 丹尼尔·S·哈克曼 申请人:动量动力学公司