用于双线圈装置的主电力供应调谐网络及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及无线电力传输，并且更具体地涉及将无线电力传输关联到远程系统(例如，包括电池的车辆)的装置、系统和方法。更具体地，本发明涉及一种电力供应拓扑，其允许来自电源的单个驱动信号激发一或多个传导结构。
【背景技术】
[0002]已经引入了远程系统，例如车辆，包含来源于从储能装置(例如，电池)接收的电力的运动动力。例如，混合动力电动车辆包含车载充电器，所述车载充电器使用来自车辆制动和传统发动机的电能对车辆进行充电。完全电动的车辆通常从其它源接收用于电池充电的电力。电池电动车辆(电动车辆)经常提出要通过某种类型的有线交流电(AC)，例如通过家用或商用的AC电源充电。有线充电连接器需要在物理上连接到电力供应器的电缆或其它类似的连接器。电缆和类似的连接器有时是不方便或笨重的，且具有其它缺点。无线充电系统能够在自由空间中(例如，经由无线场)传输用于电动车辆充电的电能，它可以克服某些有线充电方案的缺陷。因此，需要一种能有效和安全地传输无线功率的系统和方法。
【发明内容】
[0003]在无线电力传输系统中，初级传输线圈和次级接收线圈的相对定位可以极大地影响从发射器传送到接收器的电力传输效率以及功率量。一种可变定位问题的方案包括通过采用发射器为一个以上的线圈供电产生磁场。这可以覆盖更大的物理区域，且允许对发射线圈定位并供电以“形成”所产生的磁场供电以及改变场强来增加接收线圈所示的磁通量。为了完全控制多个线圈发射器，调整通过线圈驱动的电流的大小以及线圈之间的电流的相对相位的能力规定了单个电源(例如，逆变器桥)和调谐网络的使用。然而，由于部件的数目和数量，多个源和调谐网络增加了发射器的物理尺寸和金钱成本。每个源、调谐网络，以及其它电路必须额定用于发射器的全功率。进一步，多个源增加了发射器的控制复杂度。因此，本发明涉及一种调谐网络，其可以选择性地将单个驱动信号从源投送到初级线圈。调谐网络可以经重新配置以在发射器的操作期间选择性地激发或禁用初级线圈。
[0004]在所附权利要求的范围内的系统、方法和装置的各种实施方式各自具有若干方面，其中任何单个方面均不仅仅负责在此所述的所需属性。在不限制所附权利要求范围的情况下，在此描述了某些显著特征。
[0005]在本说明书中描述的主题的一或多个实施方案的细节在附图和以下说明书中阐述。其它特征、方面和优点将根据说明书、附图以及权利要求书变得显而易见。注意，附图的相对尺寸可能未按比例绘制。
[0006]本发明的一方面提供一种无线电力发射器。传输器包括第一传导结构，第一传导结构经配置以产生第一场。发射器进一步包括第二传导结构，第二传导结构与第一传导结构串联且经配置以产生第二场。发射器进一步包括源，所述源经配置以产生驱动信号。发射器进一步包括电路，所述电路经配置以选择性地将驱动信号投送到第一传导结构或第二传导结构或者投送到第一传导结构和第二传导结构两者，且进一步经配置以维持通过驱动信号驱动的第一传导结构和第二传导结构中的一者或两者的调谐。
[0007]本发明的另一个方面提供一种以无线方式发射电力的方法。所述方法包括通过源产生驱动信号。所述方法包括在电力传输期间动态地投送驱动信号以实现以下之一:激发第一传导结构以产生第一场；激发第二传导结构以产生第二场；或者激发串联的第一传导结构和第二传导结构以产生第三场。
[0008]本发明的又一个方面提供一种无线电力发射器。发射器包括用于产生驱动信号的装置。发射器进一步包括用于在电力传输期间动态地投送驱动信号的装置以实现以下之一:激发第一产生装置以产生第一场；激发第二产生装置以产生第二场；或者激发第一产生装置和第二产生装置以产生第三场。
【附图说明】
[0009]图1是示范性无线电力传输系统的功能性框图。
[0010]图2是可以在图1所示的无线电力传输系统中使用的示范性无线电力发射器的功能性框图。
[0011 ]图3是可以图1所示的无线电力传输系统中使用的示范性无线电力接收器的功能性框图。
[0012]图4是具有LCL谐振电路的无线电力发射器的简化电路示意图。
[0013]图5A是具有分流开关拓扑的无线电力发射器的一个实施例的简化电路示意图。
[0014]图5B_f5D是具有分流开关拓扑的无线电力发射器的简化电路示意图，分流开关拓扑经配置以驱动传导结构中的一者或两者。
[0015]图6是图5C所示的电路的等效电路的示意图。
[0016]图7A-7D是图5B所示的电路模拟的电压电流波形。
[0017]图7E-7H是图5C所示的电路模拟的电压电流波形。
[0018]图71描述了比较来自图5B和5C所示的配置的模拟结果的两个电流波形。
[0019]图8A是具有串联开关拓扑的无线电力发射器的一个实施例的简化电路示意图。
[0020]图8B-8D是具有串联开关拓扑的无线电力发射器的简化电路示意图，串联开关拓扑经配置以驱动传导结构中的一者或两者。
[0021]图9A和9B是图8C所示的电路的等效电路示意图。
[0022]图10A-10D是图8B所示的电路模拟的电压电流波形。
[0023]图10E-10H是图8C所示的电路模拟的电压电流波形。
[0024]图11是示出了设置在示范性电动车辆中的可更换的非接触式电池的功能性框图。
[0025]图12是用于电动车辆充电的一个示范性无线电力传输系统的示意图。
[0026]图13是示出了可用于为电动车辆无线充电的示范性频率的频谱的图表。
[0027]图14是以无线方式发射电力的示范性方法的流程图。
[0028]图15是示范性无线电力发射器的功能性框图。
[0029]附图所说明的各种特征可能未按比例绘制。因此，各种特征的尺寸为了清楚起见可以任意放大或缩小。另外，一些附图可以不描绘给定系统、方法或装置的所有组件。最后，在整个说明书和附图中可以使用类似的附图标记来表示相同的特征。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图的详细描述仅是对本发明的示范性实施例的说明，而非旨在表示可以实施本发明仅有的实施例。贯穿本说明书使用的术语“示范性”意谓“作为实例、示例，或说明”，不应解释为优于或胜过其它示范性实施例。【具体实施方式】包含具体的细节，以便全面理解本发明的示范性实施例。在一些示例中，一些装置示出为框图形式。
[0031]以无线方式传输功率可以指传输与电场、磁场、电磁场、或从发射器到接收器而不使用物理电导体(例如，可以通过自由空间传输功率)的其它方式相关的任何形式的能量。输出到无线场(例如，磁场)的功率可以通过接收线圈接收、俘获，或者耦合以实现电力传输。
[0032]图1是示范性无线电力传输系统100的功能性框图。输入功率102提供给无线电力发射器110，无线电力发射器110将输入功率102转换为适合驱动发射电路的形式，产生用于提供能量传输的场108。发射电路可以包含传导结构105和电容器116。传导结构105可以经配置以响应于交流电的励磁产生随时间变化的磁场108。接收电路可以包含传导结构107和电容器121。传导结构107经由磁场108的能量耦合到传导结构105以诱导电压，所述电压通过无线电力接收器120整流和滤波。本文所使用的术语“传导结构”可以是环形、线圈、天线或其它结构。与发射器相关联的传导结构产生磁场，用于以无线方式将能量传送到与接收器相关联的传导结构。相反，与接收器相关联的传导结构接收来自磁场的能量，磁场从无线电力发射器相关联的传导结构相关联的传导结构产生。所得到的输出可用于输出功率130耦合的装置(未示出)进行存储或消耗。传导结构105与传导结构107相隔一段距离。传导结构105和传导结构107调谐成以系统的操作频率谐振，从而优化电力传输的效率。当传导结构107的谐振频率和传导结构105的谐振频率非常接近，传导结构105与传导结构107之间的传输损耗最小，此时传导结构107位于磁场108的通量线的大部分在传导结构107附近通过或通过传导结构107的区域中。
[0033]传导结构105和传导结构107可根据与之相关联的应用和装置而设置尺寸。通过将传导结构105的场的能量的大部分耦合到传导结构107而不是将能量的大部分以电磁波的形式传播到远场，可发生高效的能量传输。当在这种近场中时，可以在传导结构105和传导结构107之间形成耦合模式。在传导结构105和传导结构107周围的可以发生这种近场耦合的区域在本文可以称为耦合模式区域。
[0034]如图1所示，无线电力发射器110可以接收50/60HZ的公用电力102并将其转化为操作频率的交流电(AC)来驱动传导结构105。无线电力发射器110可以包含整流器111，整流器111将公用AC电力转换为脉动DC。对于较大的负载，例如，电动车辆充电器，功率因数校正电路112可以用于避免公用电网中的过大电流且滤波50/60HZ的公用电力102。脉动DC可以通过大储能元件113滤波为恒定DC。然后可以通过逆变器电路114将DC转换为方波，且通滤波波器115滤波为正弦波。此输出然后可连接到发射电路的传导结构105。传导结构105中流动的AC电流可以产生随时间变化的磁场108。如上所述，发射电路可以包含传导结构105和电容器116以在操作频率谐振，产生传导结构105与传导结构107之间的改善的磁耦合。
[0035]接收电路中的传导结构107经由磁场108耦合到传导结构105并产生AC电力，AC电力连接到无线电力接收器120。电容器121和传导结构107可形成处于操作频率的谐振电路，从而产生传导结构105与传导结构107之间更好的磁耦合。AC电力通过整流器122转换为脉动DC。可以包含储能装置123以将脉动DC平滑为恒定DC。可以包含开关式电力供应器124以将电压调整为对于经由输出功率130为电池(未示出)充电来说适当的值。无线电力发射器110和无线电力接收器120可以通过调制磁场108通信或在单独的通信信道132 (例如，蓝牙，ZigBee、蜂窝、NFC等)上通信。
[0036]正如所述的，在传导结构105与传导结构107之间有匹配的或接近匹配的谐振且在这个频率下由无线电力发射器I1驱动期间发生传导结构105和传导结构107之间的高效能量传输。然而，即使当传导结构105和传导结构107之间的谐振不匹配，能量也可以传输，虽然效率可能受到影响。通过将来自传导结构105的近场的能量耦合到传导结构107，在传导结构107所属的邻域中，建立这种近场而不是将从来自传导结构105的能量传播到自由空间，发