功率传输和漏通量控制的制作方法

本发明涉及使得能够在显著气隙上实现无线功率传输的感应功率传输(ipt)磁结构、电路和系统。
背景技术：
：ipt系统的重要方面是在使用中进行磁耦合以使得能够传输功率的磁结构的设计。磁结构内的形状、大小和材料决定了初级结构与次级结构之间的磁耦合以及由ipt系统生成的漏磁通量。对于ipt系统，磁耦合直接影响功率传输能力。漏磁通量是对ipt系统的功率传输没有贡献的磁通量。在缺少仔细的系统设计的情况下，人或周围物体可能暴露于漏通量，因此已经制定了指南来控制潜在的暴露。根据icnirp指南，来自ipt系统的漏磁通量不应超过27ut。磁结构对功率传输能力和漏磁通量的影响在电动车辆(ev)充电的环境下放大，其中不保证次级与初级完全对准。磁耦合结构可以采取很多不同形式，并且可以具备用于耦合(不论是生成还是接收)磁通量的一个或多个线圈。在很多应用中，其中一个应用是ev充电，磁耦合结构可以被提供为相对扁平模块，有时被称为衬垫。设置在系统的初级侧上的结构在本文中被称为ipt或无线初级耦合设备、或初级衬垫、或接地衬垫(对于ev充电应用)。设置在系统的次级侧上(例如设置在ev中、接收功率以用于ev操作的目的和/或对设置在车辆中的电池充电)的磁结构被称为次级耦合设备、或车辆衬垫、或次级衬垫。读者将理解，尽管本文涉及诸如ev系统等一些具体应用，但所披露的主题也总体上适用于ipt或无线功率传输系统。磁耦合结构的一种形式是具有单个“圆形”、椭圆形或多边形线圈的衬垫，诸如国际专利公布号w02008140333中所披露。此类结构或拓扑在本文中被称为圆形衬垫或cp。国际专利公布wo2011016737和wo2012018269中描述了一种用于ipt系统的磁耦合结构。这使用两个相互解耦线圈，并且可以被视作双极磁结构拓扑。为了方便起见，诸如wo2011016737和wo2012018269中披露的那些双极磁拓扑在本文中被称为双极衬垫或bpp。国际专利公布号wo2013122483中已经提出一种用于ipt系统的磁耦合结构，其由三个或更多个部分重叠的线圈组成。这三个部分重叠的线圈彼此相互解耦。为便于参考，这种结构在本文中被称为三极衬垫(tpp)。给tpp中的相互解耦线圈中的任一者供能会在相邻线圈中感应可忽略不计的电流，因此同一tpp内的这三个线圈可以被视作彼此独立。通过利用这三个tpp线圈的独立性，tpp线圈可以由三个单独电源驱动，其中每个电源可以独立地将驱动电流设置在任何幅度或相位而不影响相邻线圈中的驱动电流。如上文所述，仍然需要降低适用于tpp结构但总体上也适用于ipt磁耦合结构的漏通量。此外，存在另一磁耦合结构可以导致bpp与tpp结构中的线圈之间产生一定的互耦合，并且这对有效系统操作来说可能是个问题。这些问题以及有效功率传输的问题在磁耦合结构未对准的情况下会加重。技术实现要素：在一个方面，提供一种用于无线功率传输的磁耦合结构，该磁耦合结构包括：多个扁平线圈，每个线圈包括多匝导电材料；每个线圈具有另一线圈重叠的重叠部分，以及非重叠部分；这些重叠部分经过选择以使得这些线圈之间存在最小互耦合；并且其中，该重叠部分中的多个匝在其之间具有比该非重叠部分中的那些匝更大的相对间隔。在另一方面，提供一种用于无线功率传输的磁耦合结构，该磁耦合结构包括：多个扁平线圈，每个线圈包括多匝导电材料；每个线圈具有另一线圈重叠的重叠部分，以及非重叠部分；这些重叠部分经过选择以使得这些线圈之间存在最小互耦合；并且其中，该非重叠部分中的多个匝在其之间具有比该重叠部分中的那些匝更小的相对间隔。在一个实例中，该多个扁平线圈设置在第一层中，并且可透磁材料设置在第二层中。在一个实例中，该可透材料可以被布置成使得由线圈生成或接收的磁通量主要背离该线圈的非重叠部分。优选地，该磁通量在使用中主要存在于该结构的中心区域中并且围绕该重叠部分延伸。在一个实例中，该可透材料延伸超出每个线圈。该可透材料的第一区域设置在该非重叠部分的外部，并且该可透材料的第二区域设置在该重叠部分的外部。该第二区域的面积大于该第一区域的面积。该非重叠部分中的相邻匝之间的间隔可以改变。只有该非重叠部分的子区域在其之间可以具有比该重叠部分中的那些匝更小的相对间隔。在一个实例中，在该非重叠部分的最靠近该耦合结构的端部或边缘的部分中，相邻匝或丝彼此相对更紧密地间隔。在另一方面，提供一种确定用于无线功率传输的磁耦合结构的线圈之间的互耦合的方法，该方法包括：给通量耦合结构的第一线圈供能；检测该通量耦合结构的第二线圈从该第一线圈的供能感应的电压或电流；使用检测到的电压或电流来确定该第一线圈与该第二线圈之间的互耦合。该方法可以进一步包括：检测该通量耦合结构的第三线圈从该第一线圈的供能感应的电压或电流；使用检测到的电压或电流来量化该第一线圈与该第三线圈之间的互耦合。该方法可以进一步包括：给该第二线圈供能；以及检测该通量耦合结构的第三线圈从该第一线圈的供能感应的电压或电流；使用检测到的电压或电流来量化该第二线圈与该第三线圈之间的互耦合。在另一方面，提供一种无线功率传输的方法，该方法包括以下步骤：给通量耦合结构的第一线圈供能；检测该通量耦合结构的第二线圈从该第一线圈的供能感应的电压或电流；使用检测到的电压或电流来确定该第一线圈与该第二线圈之间的互耦合；依赖于确定的互耦合来给该第一线圈和/或该第二线圈供能，以提供用于无线功率传输的磁场。在另一方面，提供一种用于控制初级ipt电路的方法，该方法包括以下步骤：以第一相位角将第一电流供应到该初级电路的第一线圈；检测由次级电路从该第一电流接收到的功率；确定有效耦合因数，以及；使用该有效耦合因数来确定给定的次级功率需求的最小初级电源。该方法可以包括以下步骤：递增或递减该第一电流和/或该第一相位角，直到该有效耦合因数被最大化。该方法可以包括以下步骤：以第二相位角将第二电流供应到该初级电路的第二线圈；检测由次级电路从该第二电流接收到的功率，以及；确定该有效耦合因数。该方法可以包括以下步骤：递增或递减该第二电流和/或该第二相位角，直到该有效耦合因数被最大化。在另一方面，提供一种用于控制初级ipt电路的方法，该方法包括以下步骤：针对次级磁耦合结构相对于与该初级电路相关联的初级磁耦合结构的多个不同相对位置来确定最佳或近似最佳有效耦合因数；检测该次级磁耦合结构相对于该初级磁耦合结构的位置，以及；依赖于检测到的位置的所确定有效耦合因数来控制初级电源。该初级磁耦合结构可以包括多个线圈。在一个实例中，该多个线圈具有最小互耦合。在另一方面，提供一种用于控制具有多线圈初级磁耦合结构的初级ipt电路的方法，该方法包括以下步骤：相对于该初级磁耦合结构与次级磁耦合结构之间的未对准来确定耦合因数的变化；依赖于该耦合结构的相对对准来给该初级磁耦合结构的一个或多个线圈供能，以使耦合最大化。该方法可以用来针对给定的未对准使功率传输最大化。该方法可以包括以极化方式给初级磁耦合结构中的线圈供能。该方法可以包括以非极化方式给初级磁耦合结构中的线圈供能。在另一方面，提供一种用于控制具有多线圈初级磁耦合结构的初级ipx电路的方法，该方法包括以下步骤：检测次级磁耦合结构相对于初级磁耦合结构之间的未对准；依赖于检测到的未对准，以极化或非极化方式给该初级耦合结构的一个或多个线圈供能。该方法可以包括相对于初级磁耦合结构与次级磁耦合结构之间的未对准来确定耦合因数的变化。一旦已知该变化，该方法就可以包括依赖于耦合结构的相对对准来给初级磁耦合结构的一个或多个线圈供能，以使耦合最大化。在另一方面，提供一种用于控制具有初级磁耦合结构和次级磁耦合结构的ipt系统的方法，该方法包括：在该次级磁耦合结构的va极限处或附近操作该次级磁耦合结构，以便降低该初级磁耦合结构的va需求。以这样的方式操作该次级磁耦合结构以降低或最小化该初级磁耦合结构的va需求减少了如果初级va需求增加则将产生的漏通量。该方法可以包括监测该次级磁耦合结构的热负载条件，以及在该次级磁耦合结构的最大热负载条件下或附近操作该次级磁耦合结构。在另一方面，提供一种用于控制具有初级磁耦合结构和次级磁耦合结构的ipt系统的方法，该方法包括：调整该次级磁耦合结构的q因数，以将该次级磁耦合结构维持在该次级磁耦合结构的最大热负载条件处或附近。在另一方面，提供一种ipt电路控制器，其可操作以执行上述方法中的任一者。本发明可以包括本文所披露的任何特征或特征的组合。本发明的进一步方面将从以下描述中变得明显。附图说明现在将参照附图描述实施例或实例，在附图中：图1示出了高级ipt系统，其中初级线圈由ac电源驱动。次级具有由于给负载供电的磁耦合而感应的电流。图2示出了图1的高级双线圈ipt系统，描绘了在次级中感应的(a)开路电压和(b)短路电流。图3示出了典型双线圈ipt系统，包括并联调谐的初级和次级的磁损耗。图4示出了具有三个并联调谐初级和单个并联调谐次级的四线圈ipt系统，包括线圈中的磁损耗。图5是示出了用于驱动电流来获得具有三个相互解耦初级线圈的ipt系统的最高可能有效耦合因数的优化过程的流程图。图6是示出了放置在离散化区内的次级衬垫移位的图。每个区具有针对最高有效耦合因数的存储在控制器中的驱动电流的预设幅度和相位。图7示出了展示高级ipt系统的电路图，其中初级线圈由ac电源驱动。次级具有由于给负载供电的磁耦合而感应的电流。图8是cp的透视图。图9是bpp的透视图。图10是tpp的透视图。图11是tpp的图解平面图。图12是图11的正视图。图13(a)是cp的图解平面和正视图。图13(b)是bpp的图解平面和正视图。图13(c)是tpp的图解平面和正视图。图14是在道路上的车辆上使用的ipt系统的图解正视图。图15(a)是ddp的图解正视图和平面图。图15(b)是bpp的图解平面图和正视图。图16示出了系统的模拟耦合因数的曲线，其中沿着x轴在y＝100mm处没有额外的ev和接地屏蔽。具体实施方式参考图1，感应功率传输(ipt)系统1通过利用ac电源4给初级线圈lp供能来通过气隙2传输功率，该ac电源生成被次级线圈ls获取的交变磁场。在图1中，ip和is是初级线圈电流和次级线圈电流，lp和ls是初级线圈和次级线圈，mps是初级线圈与次级线圈之间的相互距离，并且rl是表示由次级电路供应的负载的电阻器。实际上，初级具有控制器5，该控制控制电源和/或电路的其他方面以便按功率传输所需的方式来给lp供能。控制器5可操作以执行本说明书中描述的初级ipt电路控制方法。类似地，通常存在次级电路控制器6，该控制器可以调节和/或控制由次级接收的功率和/或递送到负载的功率。次级控制器6可操作以执行本说明书中描述的相关次级电路控制方法，包括监测次级磁耦合结构的热状态。ipt系统的基本等式取决于分别在图2(a)和图2(b)中示出的开路电压voc和短路电流isc。v输入和ip是对初级电感器lp的输入电压和电流。ip感生图2(a)中voc的和图2(b)中的isc，这可以表达为：voc＝jwmpsip(1)从(1)和(2)中可以发现未补偿的功率输出su：p和s下标分别表示初级和次级，并且w是操作角频率。mps指代初级线圈lp与次级线圈ls之间的互耦合。直接影响ipt系统的功率传输能力的因素之一是线圈lp和ls的磁结构，该磁结构决定了初级电路与次级电路之间的磁耦合。初级与次级之间的互耦合指示由初级生成的磁场中有多少被次级获取。已经提出很多不同类型的磁结构，以通过改变线圈的数量或形状来增加初级与次级之间的互耦合。初级线圈与次级线圈之间的耦合因数可以表达为：图3中示出了具有并联调谐的初级和次级的典型双线圈ipt系统。电路包括初级电感器rp和次级电感器rs中的磁损耗。假定稳态条件，其中与每个磁结构相关联的任何可透磁材料(诸如铁氧体)没有饱和，通过应用基尔霍夫电压定律可以发现图3所示的双线圈ipt系统的以下等式：vp＝(jwlp+rp)ip+jwmpsis(4)假定调谐是理想的并且操作频率保持恒定，初级调谐电容器cp和次级调谐电容器cs的值由决定。并联调谐的次级电路的q因数可以表达为qs＝rl/wls。根据(4)和(5)，可以用矩阵形式示出电路的操作：根据(6)，可以导出初级线圈和次级线圈上的电压、电流和va、功率输出以及磁效率的一些有用等式，如下所示：vap＝|vpip|(11)vas＝|vsis|(12)p输出＝vsir(13)vp是初级电感器上的电压，包括考虑到初级中的磁损耗和来自次级的反射阻抗。ip是初级电感器中的驱动电流。vap和vas分别是初级线圈和次级线圈中的va，并且ir是至负载rl的电流。(7)至(14)中示出的等式可以容易针对串联调谐系统进行修改。然而，为了简洁和清晰，这些实例中仅论述并联调谐系统。具有两个、三个或更多个初级线圈的ipt系统可以进行相同的数学运算。作为实例，将考虑具有三个初级线圈和一个次级线圈的系统，如图4所示。该系统将以矩阵形式来表达。根据该矩阵，发现用于初级线圈和次级线圈的电压、电流和va的描述系统的有用等式。vap＝vap1+vap2+vap3＝|vp1ip1|+|vp2ip2|+|vp3ip3|(21)下标数字附属于p和s，以区分存在于初级和次级中的多个线圈。使用(10)和(12)至(14)中示出的用于双线圈系统的相同等式来发现图4中示出的这个三线圈初级对单线圈次级ipt系统的vas和ηmag。假定初级衬垫与次级衬垫之间的气隙或对准没有变化，通过次级线圈的电流is1是由初级线圈中的每一者对次级线圈之间的互耦合加权的三个初级电流ip1、ip2和ip3的函数。通过次级线圈的电流is1可以被视作来自每个初级衬垫的贡献使用叠加的总和。(16)至(18)中的等式使得vp1、vp2或vp3和随后地ip1、ip2或ip3中的每一者彼此相互依赖。如果对驱动电流中的一者作出任何改变，那么这将改变其他两个驱动电流的幅度和相位。在不考虑其他驱动电流的幅度和相位的情况下，一个驱动电流无法设定到某一幅度或相位。这三个初级线圈之间的互耦合(mp1p2、mp1p3和mp2p3)改变每个驱动电流对另一驱动电流的影响程度。这三个初级线圈之间的互耦合的任何增加都会增加(21)中示出的vap，这将需要电源电子部件更努力地驱动初级线圈。等式(16)至(21)考虑到ip1、ip2与ip3之间的任何相位差。根据(16)至(18)，将发现由mp1p2、mp1p3和mp2p3给出的这三个初级线圈之间的互耦合的任何变化对(14)中示出的系统的磁效率没有影响，因为磁效率只考虑有效功率。对于具有任何数量的线圈的任何相互解耦的次级衬垫，诸如具有单个线圈的cp或具有两个相互解耦线圈的bpp，每个次级线圈可以被视作独立的。通过每次考虑系统中的一个次级线圈，等式(16)至(21)可以应用于任何相互解耦的次级衬垫，诸如本文中研究的bpp。测量具有多个线圈的ipt系统的磁耦合的一种方式是测量有效耦合因数k有效，它是具有多个线圈的初级与次级之间的磁耦合的测量。对于诸如bpp或tpp等具有多个线圈的系统，k有效是有用的，因为只需要考虑一个数字而不是系统中的线圈之间的所有耦合因数。为了发现具有多个初级线圈和次级线圈的系统的有效耦合因数，针对所有线圈将系统中的线圈对su和vap的贡献合计起来，然后代入(23)中。k有效是从(1)至(3)中导出的并且没有考虑到线圈中的损耗。例如，图4中示出的具有三个初级线圈和单个次级线圈的系统的k有效(其中表达为：在以上表达式中，p和s分别表示初级线圈和次级线圈的数量，其中在这个实例中，p＝3且s＝1。vap1、vap2和vap3是初级线圈1、2和3的va。su11、su21和su31是次级线圈中的因初级线圈中的每一者而引起的未补偿功率。一般来说，ipt系统需要将某一电平的su传输到次级以给负载供电，因此对于较小vap，具有可以实现更高k有效的磁结构的ipt系统将能够传输所需的su。如上文论述，同一衬垫中的线圈之间的互耦合(诸如三线圈初级衬垫中的mp1p2、mp1p3和mp2p3)影响电压的幅度和相位并且随后影响其他线圈中的电流。如果通过调整线圈中的部分重叠(如下文进一步描述)来使初级线圈中的这些互耦合在bpp和tpp中可忽略不计，那么(16)至(18)可以简化为：等式(25)至(27)被表达为初级电路的驱动电流、阻抗以及反射阻抗的函数。通过从等式中消除互耦合来降低初级线圈电压的幅度和相位对其他驱动电流的依赖性。类似于(16)至(18)所示，当初级线圈之间的互耦合降低时，驱动初级线圈所需的va减少。(25)至(27)显示出尽管当tpp是独立的时tpp初级线圈有可能理想地相互解耦，但当将次级衬垫引入系统中时，初级线圈之间因反射阻抗而产生一些互耦合。如果可以确保初级线圈的驱动电流之间的影响甚至在反射阻抗的情况下都足够小，那么初级线圈可以由具有任何幅度或相位的电流驱动，而不会影响tpp中的相邻线圈中的其他驱动电流。只要确保气隙足够大，次级衬垫对tpp初级的相互解耦的影响就保持相对较小。考虑到对于tpp初级而言，可以独立地调整初级线圈中的每一者中的驱动电流，可以通过控制至线圈中的每一者的驱动电流的幅度和相位来改变来自tpp初级的所生成的磁场的形状。可以使用控制器来控制tpp中的驱动电流以使所生成的磁场成形，以便发现导致最高k有效的最佳磁场形状。图5中示出了优化具有三个相互解耦初级线圈的结构(诸如tpp)的驱动电流的方法的示例流程图。图5中呈现的电流控制流程图假定线圈中的电感和系统中的所有线圈之间的耦合因数是已知的并且驱动电流彼此独立。控制器扫过这三个驱动电流的幅度和相位的所有可能组合并且存储具有满足次级的su要求的最高k有效的组合。因此，控制器以第一线圈的第一相位角和电流开始、增加相位角和电流中的一者或两者、检测所传输的功率、并且计算变化是否导致改进的k有效。对每个线圈重复这些步骤，直到实现最大k有效。从控制器发现的驱动电流的幅度和相位的组合中，选择需要最低vap的相位和电流的组合来驱动初级线圈，该组合就是导致最高k有效的驱动电流。图5中的初始条件包括根据部件的额定值(诸如包括线圈的利兹线的最大额定值)来设置驱动电流的最小和最大幅度和相位，以及设置幅度和相位的增量步长大小i步长和θ步长，以调整计算的复杂性。将看出，该通用方法不仅适用于具有三个初级线圈的系统，而且适用于具有两个或更多个初级线圈的系统。如果系统改变次级的任何气隙、未对准或类型，那么控制器将必须使用相同过程来重新计算驱动电流的最佳幅度和相位。为了让控制器适当地起作用，气隙和未对准需要由系统界定，以确保初级线圈可以始终将所需的su传输到次级，即使在以最大额定电流驱动这三个初级线圈的最坏情况下也是如此。出于实践目的，如果次级的移位离散化到如图6所示的多个移位‘区’中，那么控制器的计算和控制动作将最小化，而不是不断地重新计算最佳幅度和相位，因为在次级移位时，线圈之间的耦合因数不断地改变。例如，图6中示出了在x和y方向两者上移位的次级衬垫，并且突出了次级衬垫经过的区1至5。如果已知初级衬垫和次级衬垫的气隙和类型，那么有可能针对所有的可能移位区来预先计算出最佳幅度和相位并存储在控制器中，使得控制器将只需要查找最佳驱动电流。尽管图6中仅呈现总共调查25个移位区，但如果对驱动电流的更精细控制有需要，则可以使移位区更小。尽管上文提及的bpp和tpp结构被设计成具有线圈之间的最小互耦合，但可能会例如因为存在次级或其他磁结构而出现一些耦合。在没有故意地将初级线圈设计成相互解耦的情况下，互耦合程度可能会在使用不止一个初级线圈时存在。当初级线圈中的一个被供能时，相邻初级线圈会因为初级线圈之间的互耦合而获取能量。一般来说，从其他初级线圈获取的能量对初级线圈中的电流不利，使得电源必须更努力地运作以便在线圈中维持相同水平的供能。当供能不仅依赖于初级线圈本身，而且还依赖于从其他初级线圈获取的能量时，对初级线圈的供能的控制也变得困难。通过使用诸如本文所述的bpp和tpp结构等磁结构来使初级线圈相互解耦，初级线圈的供能变得独立于其他初级线圈，使得每个初级线圈可以利用不同幅度和相位的电流来供能。只要确保了初级线圈之间的相互解耦，不论移位或气隙如何，通过操纵初级线圈中的电流的幅度和相位，初级线圈就可以生成能够被次级最佳地获取的磁场。实际上，不可能实现初级线圈之间的理想相互解耦，因为ipt系统中次级的引入或移位会影响由初级生成的磁场，进而改变初级线圈之间的互耦合。诸如部件随时间推移的劣化或制造中的缺陷等其他因素也将促成初级线圈之间的互耦合的变化。由于上述因素而引起的初级线圈中的互耦合的变化通常足够小，使得仍可以假定独立地控制初级两个或更多个线圈的供能。然而，初级线圈之间的互耦合的增加会导致从其他初级线圈获取的能量，这会影响供能电流的幅度和相位。取决于来自被供能的初级线圈的感应电流的方向，所获取的能量可以增强或弱化由初级线圈生成的磁场，从而影响功率传输。初级线圈中的供能可以增加或减少以补偿初级线圈中的互耦合的变化，以便维持到负载的恒定功率传输。为了补偿初级线圈中的互耦合变化，需要对互耦合的变化进行量化。一种用于测量初级线圈之间的互耦合的方法是一个接一个地向初级线圈供能，然后测量在其他初级线圈中感应的电压和电流。图7中示出了一个初级线圈被供能以测量另一初级线圈上的电压和电流的实例。在图7中，初级线圈1和2由lp1和lp2给出，并且两个初级线圈具有互感mp1p2。当互感不为零时，由lp1对lp2感应电压和电流，该电压和电流分别由vp2和ip2给出。尽管在这个实例中使用双线圈结构(即，bpp)，但显然，该补偿方法可以用于tpp结果，或者具有三个以上相互解耦线圈的结构。通过使用感应电压和电流，可以发现电路对于初级2的附加反射阻抗。反射阻抗随后可以用来将初级线圈之间的互耦合量化。使用这种方法，不论次级的移位如何都可以发现初级线圈之间的确切互耦合，因此可以调整线圈中的每一者中的供能以维持恒定或所需的功率传输。现在参考图8至图13描述新磁结构的实例。这些结构可以用在贯穿本说明书描述的系统中。图8示出了cp磁结构的实际实施例的实例。图13(a)示出了图8结构的图解平面图和侧视图，并且使用对应的附图标记。图8和图13(a)的结构具有布置在可透磁材料层22上方的层中的线圈20。在这个实例中，线圈20是扁平的并且缠绕成螺旋。线圈的单独匝可以紧邻彼此设置或设置在彼此的顶部上，但在这个实例中，这些匝稍微展开，使得相邻的单独匝彼此稍微分开或间隔开。已经发现，诸如图8所示的展开布置是有利的，因为可以选择间隔距离，使得不会有显著的通量从稍微分开的匝中逃逸，并且因此线圈的内周边24与外周边26之间存在更大的总间隔。因此，由线圈在被供能时产生的场在线圈下面的可透材料22中跨过更大距离，并且因此在与可透材料22相对的侧上也以更大拱形延伸超出该结构。结果就是可以发生有效磁耦合的距离扩大，因此可以在磁耦合结构之间的更大间隔距离上无线地传输功率。我们已经发现，相邻匝之间的间隔距离可以高达线圈导体的1个直径、或线圈导体直径的1.5倍、或在线圈导体直径的1倍与2倍之间。可透材料22可以包括铁氧体。可透层22的许多不同物理布置是可能的。在一个实例中，材料可以被提供为板。在另一布置中，该层由离散可透材料片形成，并且可以是不连续的，例如以在从内周边24到外周边26的方向上延伸的细长条带来提供。磁屏蔽28可以设置在可透层22的与线圈20相对的侧上。在一个实例中，屏蔽28由铝构造而成。图9示出了bpp磁结构的实际实施例的实例。图13(b)示出了图9结构的图解平面图和侧视图，并且使用对应的附图标记。图9和图13(b)的结构具有布置在可透磁材料层32上方的层中的两个线圈30。同样地，可以提供磁屏蔽33。在这个实例中，线圈30都是扁平的并且每一者缠绕成螺旋。如上文所述，线圈基本上是解耦的，即，它们具有最小互耦合。这通过使线圈重叠来实现，如下文将参考tpp结构进一步描述。每个线圈的一部分34与另一线圈重叠。重叠的量被布置成实现线圈之间的解耦。每个线圈的重叠部分34具有每个线圈的彼此展开或分开的相邻匝，如上文关于图8和图13(a)实例所述。每个线圈的剩余未重叠部分的一部分36具有紧紧地聚集在一起的相邻匝，以便彼此紧邻或在彼此的顶部上。部分36位于bpp结构的端部处。使重叠部分34中的匝展开的效果提供从每个线圈的中心38到衬垫结构的另一侧上的可透材料(即，到另一线圈的中心38所在的侧)的高拱形通量或场。相反地，每一端处的聚集匝36产生低拱形通量，该低拱形通量通过小边际端带40返回到可透材料。因此，在结构的端部处的通量受到约束，这使漏通量最小化。结果就是由绕组的供能形成的主要磁通量路径是从中心38到结构的另一侧上的可透材料的高拱形通量。将看出，由于线圈相互解耦，因此它们基本上或完全独立地操作，所以结构的操作的集体效果由每个单独线圈的贡献的叠加决定。图10示出了tpp磁结构的实际实施例的实例。图11、图12和图13(c)示出了图10结构的图解平面图和侧视图，并且使用对应的附图标记。这些图的结构具有布置在可透磁材料层44的上方的层中的三个线圈41至43，该层可以是连续或不连续的，如上文所述。同样地，可以提供磁屏蔽45。在这个实例中，线圈41至43是扁平的并且每一者缠绕成螺旋。尽管结构的整体形状是圆形的，但将理解，可以提供不同的形状，并且线圈41至43可以采用与所示那些不同的形状。如上文所述，线圈41至43以一定方式重叠，使得它们基本上解耦，即，它们具有最小互耦合。在tpp中，这三个线圈41至43的部分重叠决定了它们之间的相互解耦。当tpp中的一个线圈被供能时，相邻线圈具有从线圈的部分重叠部分感应的emf和在相反方向上从该线圈的其余部分感应的emf。例如，如果图11中的线圈41被供能并且在线圈43中感应emf，那么线圈41的与线圈43重叠的阴影部分46将在相反方向上对线圈41的其余部分感应emf。这三个线圈通过适当地调整线圈之间的重叠来实现相互解耦，使得在相邻线圈中感应的净emf尽可能接近于零。每个线圈的一部分46与另一线圈重叠。每个线圈的重叠部分具有每个线圈的彼此展开或分开的相邻匝，如上文关于图8和图9实例所述。每个线圈的剩余未重叠部分的一部分47具有紧紧地聚集在一起的相邻匝，以便彼此紧邻或在彼此的顶部上。部分47位于tpp结构的边缘附近。使重叠部分46中的匝展开的效果提供从每个线圈的中心48到超出线圈的衬垫结构的剩余区域中的可透材料(即，到包括其他线圈的中心38的区域)的高拱形通量或场。为进一步解释，由于线圈相互解耦，因此每个线圈43操作起来就像其他两个线圈不存在一样。因此，由线圈41产生的场例如主要从线圈41的中心区域38延伸到超出线圈41的边界的可透材料，即，包括且在其他线圈的中心区域38之间的区域。相反地，在结构的边缘部分处的聚集匝47产生低拱形通量，该低拱形通量通过可透材料的相对小边际边缘带50返回到可透材料。因此，在结构的外周边处的通量受到约束，这使漏通量最小化。结果就是由绕组的供能形成的主要磁通量路径是在结构的中心区域中的高拱形通量。如上文所述，线圈基本上或完全独立地操作，因此结构的操作的集体效果由每个单独线圈的贡献的叠加决定。上文在图8至图13中论述的磁结构可以共同操作地用于功率传输，或者可以与其他结构一起使用。具体地，在与其他磁结构未对准的情况下，多线圈解耦结构也可以为功率传输提供有效耦合。图13中的非数字标号标识了在实际实施例或测试设置中可以使用的各种尺寸。下表1以mm为单位提供两个不同cp和bpp衬垫大小(cp1和cp2、bpp1和bpp2)和一个tpp衬垫大小的指示性尺寸。表1衬垫大小中的每一者的标记的值标记cp1cp2bpp1bpp2tppcu1350450280356600cu244444cu3969629837396cu4--886cu5--484832fe1350450280356670fe244444fe3--450576-al144444ol--507496a111111现在将在多线圈初级磁结构的背景下考虑未对准。图14以竖直截面示出了未对准衬垫的图。尽管这个实例涉及接地初级衬垫或次级车辆衬垫，但将理解，未对准问题在很多其他应用和背景下都可能出现，其中这种情形只是一个实例。图14(a)示出了沿着x轴截取的截面，并且图14(b)示出了沿着y轴截取的截面。图15(a)和图15(b)中分别示出了次级衬垫和初级衬垫的衬垫结构。图15中示出了实际系统的物理尺寸，并且下表2中示出了模拟系统的测量结果。表2本研究中使用的bpp和ddp衬垫的尺寸(以mm为单位)在这个实例中，将bpp用作具有两个重叠的相互解耦线圈61和62的初级衬垫60。提供可透磁层64和磁屏蔽65。次级70包括具有如国际专利公布wo2010090539中所披露的结构的双d衬垫(dpp)70。ddp具有线圈72、可透材料层74、以及包括车辆的部分的屏蔽76。bpp用来耦合到两个可用的不匹配且未对准ddp线圈中的一者。初级bpp的大小被确定成具有六个四丝绕组的700×520mm，并且次级ddp具有2匝或7匝的340×260mm的尺寸。线圈(由黄色和淡蓝色区域指示)由铜制成，这个实例中的铁氧体(由深灰色区域表示)包括epcosn87铁氧体，并且屏蔽(包括铝)由浅灰色区域示出。如上文所述，bpp的优点中的一个是它能够单独地给每个线圈供能。这允许简单地通过分别异相地或同相地驱动每个线圈来生成极化或非极化磁场。初级中的线圈也完全独立，并且在不影响另一线圈的调谐或操作的情况下，任一线圈都可以关闭(或断开连接)。如果由于次级衬垫位置，它与次级衬垫之间的耦合因数较低(k<0:01)。也可以在不同相位下用不同的非零电流给每个线圈供能。选择初级衬垫大小以在对准位置与正或负未对准(75，100)之间的完全可能的移位范围上实现适当的耦合曲线。由于bpp中的线圈可以独立地操作，因此只选择次级衬垫附近的最近线圈进行供能的情形被称为单线圈操作，而两个线圈都被供能(在任何相位下)的情形在这里被描述为双线圈操作。本说明书调查了改变bpp的操作对漏磁通和功率输出的影响。由于ipt衬垫的对称性质，在负x方向上的移动等效于在正x方向上的那些移动，并且沿着y轴的移动也可以这样说，因此只需要分析一个象限。耦合因数也独立于并联绕组匝(丝)的数量和衬垫的操作频率。然而，铜的布局和体积、结合铁磁和屏蔽材料的存在和位置、以及初级和次级的相对位置将影响该耦合因数。对于以下描述，初级bpp中的线圈61和62被标记为线圈1或2(图14)。次级ddp中的dd线圈72可以被视作单线圈，称为线圈3。因此，耦合因数k13表示初级bpp中的线圈1与次级ddp之间的耦合，k23是线圈2与3之间的耦合，并且k12,3表示在两个初级线圈被供能并且各自耦合va到次级衬垫时的有效耦合。还作出每车辆单个初级衬垫的假设，以便简化实例。不同的操作条件可以实现在任何给定的位置将相同的未补偿功率从初级bpp传输到次级ddp。这可以通过比较可以从bpp递送到ddp的未补偿va而最佳地描述为：其中va1和va2分别是bpp中的线圈1或线圈2的va。这个等式表明，在次级衬垫未对准时，可以用不同的va来驱动bpp中的每个初级线圈以递送相同的psu。然而，如图16所示，k13和k23沿着中心轴线成镜像。这意味着，除了某些位置(诸如沿着中心轴线和在y处大约加或减175mm)之外，一个线圈将比另一线圈更加耦合到次级。因此，有可能通过基于次级线圈拓扑和它的相对位置以调整每个线圈中的电流或相位来发现每个线圈需要递送到次级的va的量之间的平衡，以便实现所需功率传输的需要psu。这是可能的，因为bpp通常由从公共dc总线操作的两个单独谐振逆变器驱动。在次级是极化结构(类似于ddp)的情况下，当初级衬垫与次级衬垫合理地适当对准时，最常见的操作是基于次级的需求而异相地但在相同电流幅度下驱动两个bpp线圈。然而，在严重未对准下，优选仅在一个线圈被供能的情况下进行操作。如果使用非极化次级(诸如正方形或圆形衬垫)，那么当次级充分适当地对准时，通常在相同电流幅度下同相地驱动两个初级线圈。随后同样地，在严重未对准下，可以只使用一个线圈。当两个bpp线圈同样地无论同相还是异相操作时，它们基本上分别被配置成ddp或正方形衬垫。当它们像这样一起操作时，每个线圈上的va也类似，并且唯一差别是由次级(由于它的未对准)呈现给每一者的反射阻抗的轻微变化引起的。因此，在实践中可以通过同相或异相地物理连接两个独立的线圈来评估双线圈操作。随后可以使用一个逆变器通过单个调谐网络来驱动两个线圈，以确定实际有效耦合因数曲线。被称为k12，3，p和k12，3，np(对于极化或非极化场生成)的这两个新耦合曲线可以使用模拟或测量的k13和k23来计算，如下：这个等式假设初级衬垫中的线圈1和2两者都具有彼此之间的近零互耦合，在正常操作下就是这种情况。耦合因数k13和k23具有与它们相关联的相位，这意味着如果线圈1和2在次级衬垫中生成相反的电流，那么基于电流(其依赖于位置)的相对幅度，总耦合因数k12，3可能较低。图16中示出了针对将ddp用作次级的情况，在每个极端操作模式下的耦合因数曲线。正如预期，这示出了大部分的移位区域，期望在单个线圈或极化模式下操作。非极化模式显示出优异耦合因数的唯一区域是在x为大致正或负(150至200)mm之间。当x＝正或负200mm时可以显示出这种情况，其中k12，3，p低于k13和k23两者。等式中的“正或负”因数考虑到两个线圈的相位激励，使得如果它们同相地驱动(这对于对准的极化次级来说不是理想的)，则减去两个耦合。否则，如果异相地驱动线圈，则加上它们。实际上，由于使用两个逆变器来独立地驱动每个线圈，因此到次级的功率传输速率可以改变，从而使得但能够在所示的四个耦合曲线的极端条件内的任何地方出现到次级的有效耦合，尽管只存在k13和k23。然而，出于本说明书的目的，将评估bpp在极端条件下的操作(作为具有公共电流的双线圈或在单电流模式下)。在通过公共电流但具有0或180度的相位操作bpp初级线圈的情况下，场形状和到次级的耦合基本上与正方形衬垫或ddp初级相同，并且未补偿功率可以描述为：其中va12确切地表示两个初级衬垫线圈1和2的组合va，就好像它们连接在一起并且通过公共i1进行供能一样。对于单线圈操作，可以使用先前的等式，但在这种情况下，va1或va2为零，因为一个线圈被关闭，然而，还重要的是应注意，在这个操作下，由于每个线圈的最大铜和铁氧体额定值，与双线圈操作相比，bpp的最大va也有效地减少一半。由于单线圈或双线圈操作中的初级电感和耦合的变化，对于两种情况，需要不同的初级电流来耦合恒定的次级psu。例如，在(0,100)位置处，k13,s,p＝0:168并且k12,3,s＝0:234，因此k12,3＝k13＝1:39。此外，现有的初级bpp线圈在双线圈操作中各自具有25uh的电感，总初级电感为50uh。因此，与双线圈系统相比，初级电流需要高出2:78倍，以便耦合相同的psu。在初级衬垫的电路品质因数q1和衬垫品质因数ql改变时，电流这样增加将改变衬垫中的磁损耗分布。在初级衬垫拓扑从极化场形状变成非极化场形状时，漏通量也将改变。因此，一种用于控制具有多线圈初级磁耦合结构的初级ipt电路的方法可以包括：相对于初级磁耦合结构与次级磁耦合结构之间的未对准来确定耦合因数的变化；以及依赖于耦合结构的相对对准来给初级磁耦合结构的一个或多个线圈供能，以使耦合最大化。该方法可以用来针对给定的未对准使功率传输最大化。该方法可以包括以极化方式给初级磁耦合结构中的线圈供能。该方法可以包括以非极化方式给初级磁耦合结构中的线圈供能。另一方法包括：检测次级磁耦合结构相对于初级磁耦合结构之间的未对准；以及依赖于检测到的未对准，以极化或非极化方式给初级耦合结构的一个或多个线圈供能。该方法可以包括相对于初级磁耦合结构与次级磁耦合结构之间的未对准来确定耦合因数的变化。一旦已知该变化，该方法就可以包括依赖于耦合结构的相对对准来给初级磁耦合结构的一个或多个线圈供能，以使耦合最大化。漏通量密度是指人在ipt系统中可以暴露的磁通量密度的rms幅度。由于当车辆在充电时人不可能在车辆的正下方，因此关注的区域往往更远，在这种情况下，距次级衬垫的中心约800mm。出于比较目的选择这个测量点，使得可以相对彼此公正地测量ipt系统。这个平面上的最大漏通量的实际位置和幅度将随衬垫拓扑、大小、操作和未对准而改变。对于具有固定功率输出、处于恒定次级电路品质因数的的ipt系统而言，假如在将多丝衬垫与单丝衬垫进行比较时每根线的位置基本上相同并且每个绕组中的平均电流相同，漏通量密度独立于绕组技术。这是因为六匝四丝衬垫将需要24匝单丝衬垫的四倍电流来将相同的va递送到次级衬垫。诸如部件灵敏度以及最大操作电压和电流等实际限制会限制ipt系统可以操作的频率。为了确定在递送功率时次级的操作对漏通量的影响，在初级衬垫中的恒定i1下进行各种模式，并且随后增加次级电流(i线圈)以表示q2的增加，这实际上是负载的增加。i1固定在27：69a，以便具有与实际测量相当的结果。在q2从0升高到10时，i线圈对于串联调谐次级系统而言不同。模拟的结果在表3中呈现并且表明漏通量xln，12，3和xln，13没有相对于q2显著地增加。在双线圈操作中尤其是这样，从而表明由于初级衬垫和次级衬垫中的通量生成线圈相对靠近测量点，大多数的漏通量是由具有未对准的不匹配ipt系统的初级衬垫产生。因此，在q2达到10时，与通量贡献相当于增加2.4％的次级衬垫相比，初级衬垫对漏通量贡献更大。表3在(-250，100)mm的最不对准位置，对于固定的i1＝27.69a，在q2变化时沿着x轴在800mm处的模拟漏通量然而，当初级衬垫只使用一个线圈在这个未对准位置传递功率(其为具有到次级衬垫的最高耦合的线圈)时，鉴于最靠近测量点的暴露初级线圈被关闭，q2和因此i线圈对漏通量的影响更明显。在次级q2从0增加到10时，总漏通量就小得多但增长30％。总之，这个评估表明，在未对准条件下，测量到的泄漏被双线圈操作中的初级衬垫所生成的漏通量淹没，并且次级泄漏较低。因此，在低va下操作次级是不合期望的，因为它迫使初级va更高，从而加重损耗和泄漏。这在下文进一步论述。表3还示出了当初级bpp在单线圈模式下操作时，与双线圈操作相比(当应用相同i1时)，它将va减半。尽管如此，在单线圈模式下存在于初级衬垫与次级衬垫之间的较高耦合因数不仅导致相同电路q2的输出功率更高，而且漏通量更低。如果期望尝试并增加初级衬垫大小以增加系统对移动的容忍度，那么这将使漏通量测量点移动得更靠近主通量路径，使得暴露可能更高。然而，如果耦合因数增加，那么可以使用较低初级电流来递送期望的功率。这个权衡需要在实践中仔细评估以便发现最佳设计。表3中所示的实际验证示出了在q2(和因此va2)增加时，整体系统的效率也增加。这是因为对于给定的p输出，va1降低，从而使得损耗能够适当地转移并且突出次级调节器的需要。在输出电流不受控制的情况下，更高的次级电路q2将导致i1和因此q1显著降低，并且因此次级磁性元件中的增加磁损耗被初级磁性元件中的较低损耗抵消。然而，在需要次级整流和控制以维持稳定输出电流的情况下，更高的q2s也将增加次级系统的额外损耗。这些结果表明，对于给定的功率电平，漏通量随q2增加而降低。结果还表明，如果q2足够大，那么调谐拓扑对由不匹配的ipt系统产生的漏通量产生较小显著影响。在实践中，因此可以通过在次级磁耦合结构的va极限处或附近操作次级磁耦合结构来控制ipt系统，以便降低初级磁耦合结构的va需求。以这样的方式操作该次级磁耦合结构以降低或最小化该初级磁耦合结构的va需求减少了如果初级va需求增加则将产生的漏通量。操作方法可以包括监测次级磁耦合结构的热负载条件，以及在次级磁耦合结构的最大热负载条件下或附近操作次级磁耦合结构。替代性地，控制方法可以在于调整次级磁耦合结构的q因数以将次级磁耦合结构维持在次级磁耦合结构的最大热负载条件下或附近。上文论述的用于在次级的热极限处或附近操作次级以最小化漏通量的方法总体上适用于ipt系统并且不限于多线圈结构。当前第1页12