无线电力发射器、无线电力发射系统和用于驱动无线电力发射系统的方法与流程

无线电力发射器和无线电力发射系统可以用于朝向设备传输电力而无需物理连接。例如，诸如移动通信设备的手持设备或汽车可以经由这种发射器和发射系统被提供以电力。

无线电力发射系统的固有问题是相对于电力接收器的电力发射器的通常不可再生布置。例如，如果利用电力发射器将电力发射到具有电力接收器的汽车，则横向和水平距离以及定向上的偏离实际上是不可避免的。然而，发射器和接收器之间的距离的偏离会引起发射系统的电感的改变，并且改变了发射系统和接收器系统之间的磁耦合，从而导致增加的电流损失和降低的效率。

从us2012/0025623a1中可以知道感应电力接收器。从wo2009/114671a1中可以知道感应电源系统。

然而，仍然存在对具有减少的电流损失和提高的效率以及改进的可靠性但不需要附加的空间并且具有可易于执行的控制系统的电力发射器和电力发射系统的需要。此外，存在对支持互操作性即在多个不同环境中的不同电力发射器与不同电力接收器的协作以及发射器和接收器之间的相对布置的系统的需要。

为此，提供了根据独立权利要求1的无线电力发射器、无线电力发射系统、以及用于驱动无线电力发射系统的方法。从属权利要求提供了优选和实施例。

无线电力发射器包括逆变器、阻抗电路、具有第一发射线圈和第二发射线圈的电感电路。此外，无线电力发射器包括开关电路。阻抗电路和电感电路建立谐振电路。逆变器向谐振电路提供ac电力。开关电路可以将第一发射线圈和/或第二发射线圈耦合到阻抗电路，以改变谐振电路的谐振频率并将ac电力的频率保持在规定范围内。

无线电力发射器的逆变器被用作电力源。逆变器从外部电路环境接收电力。从环境接收的电力可以是被提供例如50hz或60hz的常规频率的电力。需要满足的规范可以是将逆变器的工作频率限制到可以包括81到90khz之间的频率的特定频率范围。逆变器可以包括h桥电路，用于将低频（例如dc电力）的电力变换为上述频率范围的电力。用于生成ac电力的h桥电路是工作频率被改变以将频率维持在上述频率范围内的元件。

电感电路可以包括另外的发射线圈。电感电路的发射线圈可以是不同类型的。例如，第一和第二发射线圈以及可能另外的发射线圈中的每一个可以是单螺旋型线圈或双螺旋型线圈。双螺旋型线圈包括一个接一个地布置的两个线圈段。双螺旋型线圈的两个线圈段可以串联电连接并一起工作，以使耦合磁场具有优选的形状，即，在不希望的位置处具有降低的场强。

因此，电感电路的发射线圈可以选自单螺旋线圈和双螺旋型线圈。

已经发现，电力发射器和无线电力接收器之间的距离的变化或无线电力接收器相对于无线电力发射器的定向的变化不仅会导致降低的电力传输效率而且会导致谐振电路的谐振频率的改变。虽然发射效率的降低通常是不希望的但如果效率没有降低太多也是可接受的，使逆变器的工作频率移出上述频率范围的频率变化可能不是可接受的。上述无线电力发射器具有将工作频率保持在上述允许频率范围内的能力（因为发射器具有至少两个发射线圈）和改变谐振电路的谐振频率的能力。开关电路可以将第一发射线圈耦合到阻抗电路，从而产生具有第一谐振频率的谐振电路。此外，开关电路可以将第二发射线圈而不是第一发射线圈耦合到阻抗电路，以提供具有第二谐振频率的谐振电路。第二谐振频率可以与第一谐振频率不同。如果发现向两个线圈提供ac电力的逆变器的工作频率不能将工作频率保持在允许的频率范围内，则作为代替可以使用相应的其他发射线圈来将工作频率移向允许的频率范围。此外，如果第一发射线圈和第二发射线圈具有不同的几何形状，例如内径和外径，则可以通过改变开关的位置来改变发射系统和接收器系统之间的磁耦合。

因此，利用本无线电力发射器，提供谐振电路，其允许改变谐振频率以便符合频率需求或修改耦合因子以改进整体效率。

开关电路可以提供其中仅第一发射线圈电连接到阻抗电路的工作模式。此外，开关电路可以提供其中仅第二发射线圈电连接到阻抗电路的工作模式。无线电力发射器可以包括另外的发射线圈，并且对于每个发射线圈，开关电路可以提供其中相应的发射线圈排他地连接到阻抗电路以获得具有最佳谐振频率和磁耦合因子的谐振电路的操作模式。

然而，可以以这样的方式提供开关电路，即：它同时将两个或更多个发射线圈连接到阻抗电路。然后，工作模式的数量也大大增加。

阻抗电路包括阻抗元件，阻抗元件可以从一个或多个电容元件和/或从一个或多个电感元件或从包括电容和电感电路元件的网络中选择。可以选择阻抗电路的电路元件，使得它们的阻抗与电感电路的有效发射线圈一起建立具有适当谐振频率的谐振电路。

开关电路可以将第一发射线圈与第二发射线圈并联或串联耦合。

发射线圈或一组发射线圈可以并联或串联电连接到另一发射线圈或另一组发射线圈的事实进一步增加了当存在若干个发射线圈时的不同工作模式的大量数量。

开关电路可以将一个发射线圈耦合到阻抗电路，而相应的另一发射线圈与阻抗电路分离。例如，如果第一发射线圈电连接到阻抗电路，则第二发射线圈（以及相应的其他发射线圈（如果存在的话））与阻抗电路去耦合。

从电感电路的发射线圈中选择的仅一个发射线圈是谐振电路的一部分的工作模式是优选的，因为减小了不同有效发射线圈之间的电磁相互作用。

开关电路可以包括第一开关和第二开关，并且第一发射线圈和第二发射线圈中的每一个耦合在第一开关和第二开关之间。

这种开关电路可以使第一开关电连接到第一发射线圈的第一电极、第二发射线圈的第一电极和阻抗电路的一个端口。开关电路还可以具有第二开关，该第二开关电连接到第一发射线圈的第二电极、第二发射线圈的第二电极以及阻抗电路的第二端口。第一开关可以选择性地将阻抗电路的第一端口连接到第一发射线圈的第一电极或第二发射线圈的第一电极。另外，第二开关可以将阻抗电路的第二端口电连接到第一发射线圈的第二电极或第二发射线圈的第二电极。当然，如果无线电力发射器具有多于两个发射线圈，则相应的开关可以包括一个公共端子和多于两个可选择的端子。公共端子连接到端口，如果阻抗电路。可选择的端子连接到相应的发射线圈。相应的开关可以将公共端子连接到可选择的端子中的任何一个。

此外，开关电路可以包括另外的开关，以在不同的发射线圈之间建立电连接，以提供其中多于一个发射线圈有效的工作模式。

阻抗电路可以包括第一电容元件和第二电容元件。两个电容元件分别耦合到第一开关和第二开关。

特别地，第一电容元件可以电连接在阻抗电路的第一端口和逆变器之间。第二电容元件可以电连接在阻抗电路的第二端口和逆变器之间。然后，无线电力发射器可以提供其中第一发射线圈或第二发射线圈在两个电容元件之间串联电连接的工作模式。

如果无线电力发射器包括多于两个发射线圈，则对于每个发射线圈，开关电路可以包括一种工作模式，其中相应的发射线圈串联电连接在第一电容元件和第二电容元件之间。

因此，无线电力发射器可以在开关电路中具有第一和第二开关以及在阻抗电路中具有第一和第二电容器，同时在电感电路中具有两个或多个发射线圈。开关电路可以将第一发射线圈串联电连接在第一电容元件和第二电容元件之间，或将第二发射线圈串联电连接在第一电容元件和第二电容元件之间。

由于发射线圈需要相对于对应的无线电力接收器对准和布置，所以用于集成发射线圈的空间被限制，因为所有发射线圈应位于相似的位置处以高效地作用在接收器上。因此，尽管更多数量的发射线圈允许大量数量的不同工作模式，但是也不能任意选择发射线圈的数量。本发明人的详细分析具有如下的结果，即：在其中存在发射器到接收器距离或对准角度的足够大偏离的情况下，包括仅两个发射线圈的无线电力发射器已经允许限制到优选频率范围。

阻抗电路可以电连接在开关电路和逆变器之间。开关电路电连接在电感电路和阻抗电路之间。

因此，开关电路和阻抗电路电连接在包括发射线圈的电感电路和逆变器之间。经由开关电路，阻抗电路的元件和电感电路的元件（特别是发射线圈）建立谐振频率可以响应于情况而容易偏移的谐振电路。

无线电力发射器可以包括控制电路，该控制电路具有ic芯片，该ic芯片电耦合到开关电路。此外，无线电力发射器可以包括用于监控中央电力发射参数的电路元件，所述参数诸如施加到电感电路的电压、提供给电感电路的电流、发射信号和反射信号之间的相位角、以及当然还有诸如工作频率之类的频率。无线电力发射器可以在控制回路中具有监控电路和ic电路，以自适应地将工作频率移回到允许的频率范围内。

第一和第二发射线圈可以同心地缠绕。特别地，两个线圈可以同心地缠绕在基本相同的平面中。用于发射线圈绕组的线圈绕组的起点或终点可以位于与发射线圈的起点或终点不同的位置处。

如以上已经陈述的，用于布置发射线圈的空间受限制，并且同心绕组允许没有大大偏离常规电力发射线圈的直径尺寸的几何尺寸。

特别是，发射线圈的绕组可能是交错的。

第一发射线圈的匝数可以大于第二发射线圈的匝数。

如果第一发射线圈的绕组数大于第二发射线圈的绕组数，并且如果使用相同类型的发射线圈的导线，则第一发射线圈通常将具有更大的电感。

如果发射线圈排他地耦合到阻抗电路并且排他地以工作模式驱动，则具有不同电感的不同发射线圈是优选的。如果工作模式与多于一个有效发射线圈一起利用，那么相等的电感（提供简单的控制算法）或接下来的更大的电感在值方面加倍的电感可以优选作为具有电感值2⁰l0、2¹l0、2²l0、2³l⁰、……的发射线圈，允许以简单的方式等距覆盖电感范围。

第一和/或第二发射线圈的导线可以是绞合线。在绞合线中，单独地彼此隔离的多个隔离导线股被组合以减少由趋肤效应引起的损失。

无线电力发射器可以进一步包括具有铁氧体材料的片。该铁氧体片可以布置在包括第一发射线圈和第二发射线圈的线圈层下方。

该铁氧体片可以用于形成由发射器发射的磁场的形状。为了获得高发射效率，磁场应朝向接收器，该接收器可以布置在无线电力发射器的下方或上方。如果接收器布置在发射器上方，则优选地，在发射器下方的方向上发射的磁场量减少到最小。因此，铁氧体片可以通过防止在离接收器太远的位置处的磁场分布来帮助提高发射器的效率。

此外，无线电力发射器可以具有包括电介质材料的电介质片。电介质片可以布置在线圈层和铁氧体片之间，如果存在的话。

电介质片使发射线圈与铁氧体片的材料绝缘。

铁氧体片可以包括铁氧体棒或由铁氧体棒组成。

电感电路可以具有包括金属的金属片。金属片可以布置在铁氧体片下方。

金属片可以包括铝。

此外，无线电力发射器可以具有包括电介质材料的附加电介质片。附加电介质片可以布置在铁氧体片和金属片之间。

无线电力发射系统包括如上所述的无线电力发射器。此外，发射系统包括具有接收线圈的无线电力接收器。即使接收线圈和电感电路的发射线圈没有相对于彼此完美地布置，接收线圈也可以接收电力。

当然，无线电力接收器还可以包括整流器，其整流由接收器线圈接收的电能并提供可以用于对电池充电的dc电力。

发射器的电感电路的发射线圈和电力接收器的接收线圈可以选自单螺旋线圈和双螺旋型线圈。然后，由于发射器和接收器可以与单螺旋线圈和/或双螺旋型线圈一起工作，所以互操作性得以改进。

这种电力发射器、接收器和发射系统可以用于传输用于对移动通信系统或汽车充电的功率水平或其之间的功率水平的电力。因此，功率水平可以在1w至10kw的范围内。

由于改进的互操作性，发射器和接收器不必来自同一制造商或来自同一制造日期。可切换线圈可以在发射器侧和接收器侧上。所得的灵活性使得可以从更现代的发射器向较旧的接收器提供电力，反之亦然。

无线电力接收器还可以包括铁氧体片、金属片和第一和/或第二电介质片。无线电力发射器的铁氧体片可以具有矩形形状以及600mm的长度和500mm的宽度。接收器的铁氧体片也可以具有矩形形状以及300mm的长度和290mm的宽度。

第一发射线圈可以具有15匝。第二发射线圈可以具有14匝。第一发射线圈的电感可以在180到190μh之间的范围内。第二发射线圈的电感可以在150μh到156μh之间的范围内。上述无线电力发射系统可以在允许的频率范围内工作，例如在sae频率范围内，其中在发射和接收线圈之间的距离超过150mm时电力效率为90％。

一种用于驱动无线电力发射系统的方法，包括以下步骤：

-从发射线圈中选择一个发射线圈，

-将所选的发射线圈耦合到阻抗电路，

-发射第一量的电力，

-确定从电压、电流、相位角、谐振频率中选择的至少一个发射参数，

-将所选的发射线圈与阻抗电路去耦合，

-将第一发射线圈和耦合到第一发射线圈的第二发射线圈串联耦合到阻抗电路，

-发射第二量的电力，

-确定从电压、电流、相位角、谐振频率中选择的至少一个发射参数，

-利用具有从传输的电力、发射效率和工作频率中选择的较好发射参数的发射线圈来发射大于第一量和第二量的量的电力。

例如，如果选择电流用于监控，则基于电流来控制工作频率。

在附图中示出了基本操作原理和示意性等效电路图以及非限制性实施例。

特别是，

图1示出逆变器、阻抗电路、开关电路和电感电路的可能布置。

图2示出无线电力发射系统的基本电路元件的等效电路块。

图3示出具有两个发射线圈、两个开关和两个阻抗元件的一个实施例的等效电路图。

图4示出包括发射器的片和线圈的层的可能布置。

图5示出接收器的片和线圈的层的可能布置。

图6示意出无线电力发射系统中的失准的固有问题。

图7示出另一失准的系统，其中发射器具有附加的电介质层。

图8示出符合频率需求的可能的频率偏移。

图9示出双螺旋型线圈的段的可能布置。

图1示出了无线电力发射器wpt的基本结构，其包括逆变器inv、阻抗电路z、开关电路swc和电感电路inc。逆变器inv从外部电路环境接收电力并提供将被发射到接收器的电力。逆变器inv以可以为约85khz的工作频率提供电力。电力被发射到阻抗电路z。开关电路swc将电感电路inc电连接到阻抗电路z。电感电路inc包括第一发射线圈tc1和第二发射线圈tc2。电感电路可以包括图1中未示出的另外的发射线圈。发射线圈可以同心地缠绕。电感inc电路的发射线圈和阻抗电路z中的电路元件建立谐振电路，从逆变器inv向其提供ac电力。逆变器inv控制ac电力的工作频率。由于电感电路inc具有至少两个发射线圈，并且由于开关电路swc包括将阻抗电路z连接到电感电路inc的不同电感的切换可能性，所以可以操控谐振电路的谐振频率。逆变器inv响应于谐振电路的谐振频率的改变来操控工作频率，但是当改变太大时，逆变器inv不能在允许的频率范围内操控工作频率。因此，为了减少来自发射器的环境的影响，开关电路swc改变发射线圈。作为结果，工作频率符合频率需求。

图2示出了无线电力发射系统wpts的基本电路元件。该系统具有无线电力发射器wpt和无线电力接收器wpr。发射器wpt的电感电路inc的发射线圈生成磁场m，该磁场m由包括接收线圈的电感电路inc接收。可以通过整流器rect将所接收的电力转换为dc电力。可以利用dc电力来为电池充电。

图3示出了其中电感电路inc包括两个发射线圈tc1、tc2的可能的实施例。每个发射线圈具有第一电极和第二电极。发射线圈同心地缠绕并且布置在基本相同的平面中，从而允许具有小垂直尺寸的组件。开关电路swc包括第一开关sw1和第二开关sw2。阻抗电路z具有第一电容元件ce1和第二电容元件ce2。两个电容元件耦合到逆变器inv，以接收以约85khz的频率的ac电力。开关电路swc允许两种模式。在第一工作模式下，第一开关将第一电容元件ce1电连接到第一发射线圈tc1的第一电极。同时，第二开关sw2将第二电容元件ce2电连接到第一发射线圈tc1的第二电极。利用第一发射线圈tc1作为天线将ac电力转换成磁场能量。该工作模式在图3中有效。在另一种可能的工作模式下，第一开关sw1将把第一电容元件ce1电连接到第二发射线圈tc2的第一电极。同时，第二开关sw2将第二电容元件ce2电连接到第二发射线圈tc2的第二电极。因此，两种工作模式在所使用的发射线圈中不同。两个发射线圈tc1、tc2具有不同的匝数和不同的电感。通过具有选择两个发射线圈tc1、tc2中的一个的选项，可以获得高程度的发射效率，同时不离开允许的频率范围，尽管变化的外部环境影响谐振电路的谐振频率。

图4示出了向发射线圈的顶视图，该发射线圈包括线圈层cl、铁氧体层fl和金属层ml（图4的顶部），并且穿过发射线圈的横截面示出了一个在另一个之上布置的相同的层（图4的底部）。线圈层cl包括可以同心缠绕的至少两个发射线圈。在线圈层cl和金属层ml之间布置铁氧体层fl来以使得仅少量的磁场置于无线电力接收器将不被预期的位置中的方式成形磁场的密度。

图5示出了接收器线圈的对应构造，包括线圈层cl、铁氧体层fl和金属层ml。铁氧体层fl布置在线圈层cl和金属层ml之间。线圈层cl将要布置在发射器的线圈层上方，以改进发射效率。通过主要限制通过无线电力接收器的线圈层cl的磁场及其通量，接收器线圈的铁氧体层fl改进了发射效率。

图6示出了无线电力传输的基本固有问题，即接收器（顶部）相对于发射器（底部）的定向的可能失准。这种非完美的对准将导致工作频率的强烈频率偏移。然而，凭借不同工作模式的切换能力和现实，即使在与完美对准有相当强的偏离时，也可以维持在允许的频率范围内的高电力发射效率。

图7示出了另一个失准的系统，其中电力发射器的天线模块具有布置在线圈层cl和铁氧体层fl之间的另外的电介质层dl。可以在铁氧体层fl和金属层ml之间布置附加的电介质层（图7中未示出）。

图8示出了上述提议的无线电力发射器的有效性：箭头指示允许频率范围(81khz至90khz)的限制。离地净高gc（即发射器和接收器之间的距离）针对100mm到200mm之间的若干种失准配置而变化。y方向上的偏移量选择为0或100mm。x方向上的偏移量选择为75或0mm。对于六个所示几何形状中的每一个，图底部处相邻布置被呈现。操控工作频率以使规定的电力被发射。例如：如果离地净高为100mm且接收器和发射器水平对准，则在第一种工作模式下，工作频率约为89.5khz，并且在第二种工作模式下，另一工作频率为97.5khz。然后，可以选择第一工作模式，并且所得的工作频率在允许的频率范围内。

如果离地净高为200mm，则y方向上的偏移量为100mm，并且x方向上的偏移量为75mm（最后的线圈），则第一工作模式的工作频率低于允许的限制。然而，第二工作模式的工作频率在允许的限制内。对于接收器相对于发射器的呈现的对准中的每一种，可以找到符合允许的频率范围的工作模式，尽管排他地利用了仅两个发射线圈。

图9示出了双螺旋型线圈的元件的可能布置。双螺旋型线圈是用于发射线圈tc的可能的线圈类型。双螺旋型线圈型的发射线圈tc具有第一线圈段tca和第二线圈段tcb。两个线圈段tca、tcb电连接，优选地串联连接。相反，图3中所示的两个发射线圈tc1、tc2是单螺旋型的线圈。

无线电力发射器、无线发射系统和用于驱动这种系统的方法不限于上述和图中所示的设备和电路。还包括包含例如电感电路中的另外的电感或电容元件、另外的发射线圈、另外的开关、或用于自适应地控制工作频率的附加组件的另外的电路元件的发射器和系统。对应地，还包括包含例如用于测试另外的发射线圈配置的另外的步骤的用于驱动这种系统的方法。

附图标记的列表

ce1：第一电容元件

ce2：第二电容元件

cl：线圈层

dl：电介质层

fl：铁氧体层

gc：离地净高/发射器和接收器之间的距离

inc：电感电路

inv：逆变器

m：磁场

ml：金属层

rect：整流器

sw1：第一开关

sw2：第二开关

swc：开关电路

tc：发射线圈

tc1：第一发射线圈

tc2：第二发射线圈

tca：双螺旋型线圈的第一段

tcb：双螺旋型线圈的第二段

wpr：无线电力接收器

wpt：无线电力发射器

wpts：无线电力发射系统

z：阻抗电路。