用于非接触式功率交换的系统和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明的实施例一般涉及功率传递系统，以及更具体地，涉及用于非接触式功率交换的系统。
[0002]功率传递系统用于将功率从一个对象传送到另一个对象。基于传送功率的方法，功率传递系统可以被分类成在传送器和接收器之间使用物理连接来传送功率的功率传递系统和非接触式功率交换的系统，在非接触式功率交换的系统中，在传送器和接收器之间没有物理连接。
[0003]非接触式功率交换的系统可以利用用于无线地传送功率的各种方法。一种此类方法可以包含电感耦合系统，该电感耦合系统还可以包含传送器线圈和接收器线圈。在这种方法中，传送器线圈和接收器线圈两者可以被电感耦合到各自的变压器绕组以及可以基于电感耦合传送功率。
[0004]在一种可替代方法中，可以使用用于非接触式功率交换的基于谐振器的系统。一种此类基于谐振器的系统可以包含三线圈系统。三线圈系统可以包含:传送器线圈、接收器线圈和用于增强在传送器线圈和接收器线圈之间的谐振耦合的谐振器。在另一种方法中，多个谐振器也可以用于非接触式功率交换。
[0005]尽管所有上述方法使用非接触式介质来交换功率，但是没有一种方法提供使用具有不同规范的传送器线圈和/或接收器线圈的灵活性。在诸如EV充电的某些应用中，传送器线圈或充电站可能具有可能与车辆中的接收器线圈不兼容的一个规范集。在传送器线圈和接收器线圈之间的此类不兼容问题可能造成对消费者的不希望的约束，需要使用改进的系统来解决该不希望的约束。
【发明内容】
[0006]简略地，依照一个实施例，提供了非接触式功率传递系统。该非接触式功率传递系统包含:被配置为用于非接触式功率交换的第一功率交换线圈，操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈，以及操作地耦合到开关元件的控制器。控制器被配置为控制开关元件的开关操作以主动地控制在功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以匹配第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够非接触式交换功率。
[0007]在另一个实施例中，提供了用于非接触式功率交换的系统。该系统包含非接触式功率传递系统，该非接触式功率传递系统包含被配置为用于非接触式功率交换的第一功率交换线圈，操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈，以及操作地耦合到开关元件的控制器。控制器被配置为控制开关元件的开关操作以主动地控制在功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以匹配第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够非接触式交换功率。该系统还包含:第二功率交换线圈，其操作地耦合到非接触式功率传递系统以及被配置为经由磁场与第一功率交换线圈来交换功率。
[0008]在又一个实施例中，提供了一种用于非接触式功率交换的方法。该方法包含:操作地耦合具有第一阻抗的第一功率交换线圈和具有第二阻抗的第二功率交换线圈。该方法还包含:将第一功率交换线圈操作地耦合到功率配偶线圈。该方法还包含:主动地控制在功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以将第一功率交换线圈的第一阻抗修改为匹配第二功率交换线圈的第二阻抗以及使得在第一功率交换线圈和第二功率交换线圈之间能够非接触式交换功率。
[0009]提供了以下技术方案:
1.一种非接触式功率传递系统，包括:
被配置为用于非接触式功率交换的第一功率交换线圈；
操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈；以及
操作地耦合到所述开关元件的控制器，其中所述控制器被配置为控制所述开关元件的开关操作以主动地控制在所述功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以匹配所述第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够非接触式交换功率。
[0010]2.技术方案1所述的非接触式功率传递系统，其中所述第一功率交换线圈在第一操作频率处进行操作，以及所述功率配偶线圈在第二频率处进行操作，其中所述第一频率不同于所述第二频率。
[0011]3.技术方案1所述的非接触式功率传递系统，还包括第二功率交换线圈，其被配置为用于与所述第一功率交换线圈进行非接触式功率交换。
[0012]4.技术方案3所述的非接触式功率传递系统，其中所述第一功率交换线圈被配置为接收来自所述第二功率交换线圈的功率或将功率传送给所述第二功率交换线圈。
[0013]5.技术方案1所述的非接触式功率传递系统，还包括操作地耦合到所述第一功率交换线圈、所述第二功率交换线圈或所述功率配偶线圈的用于聚焦磁场的场聚焦元件。
[0014]6.技术方案5所述的非接触式功率传递系统，其中所述场聚焦元件包括至少一个谐振器，以及其中所述至少一个谐振器被配置为使得在所述第一功率交换线圈与第二功率交换线圈之间能够双向传递功率和数据信号。
[0015]7.技术方案6所述的非接触式功率传递系统，其中所述至少一个谐振器包括被布置成阵列的多个谐振器，以及所述多个谐振器朝向所述第一功率交换线圈或第二功率交换线圈的方向聚焦所述多个谐振器的所产生的磁场。
[0016]8.技术方案7所述的非接触式功率传递系统，其中所述多个谐振器被配置为在两个或更多不同谐振频率处同时操作以使得在所述第一功率交换线圈与所述第二功率交换线圈之间能够双向传递功率和数据信号。
[0017]9.技术方案1所述的非接触式功率传递系统，还包括多个第一功率交换线圈和多个功率配偶线圈，其中第一功率交换线圈中的每个第一功率交换线圈操作地耦合到对应的功率配偶线圈，以及功率配偶线圈中的每个功率配偶线圈的开关单元被个体地控制以选择性地使得能够来自一个或多个第一功率交换线圈的功率传递。
[0018]10.技术方案1所述的非接触式功率传递系统，其中所述开关元件包括:绝缘栅门极晶体管(IGBT)、半导体控制整流器(SCR)、金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)，或机械开关。
[0019]11.一种用于非接触式功率交换的系统，包括:
非接触式功率传递系统，包括:
被配置为用于非接触式功率交换的第一功率交换线圈； 操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈；以及
操作地耦合到所述开关元件的控制器，其中所述控制器被配置为控制所述开关元件的开关操作以主动地控制在所述功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以匹配所述第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够功率交换；以及
第二功率交换线圈，其操作地耦合到所述非接触式功率传递系统以及被配置为用于经由磁场与所述第一功率交换线圈进行非接触式功率交换。
[0020]12.技术方案11所述的系统，其中所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈被配置为在第一频率处进行操作，以及所述功率配偶线圈被配置为在第二处进行操作，其中所述第一频率不同于所述第二频率。
[0021]13.技术方案11所述的系统，还包括被布置在所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间的场聚焦元件，其中所述场聚焦元件被配置为在所述第一功率交换线圈或所述第二功率交换线圈的方向中聚焦磁场。
[0022]14.技术方案13所述的系统，其中所述场聚焦元件包括至少一个谐振器，所述至少一个谐振器被配置为使得在所述第一功率交换线圈与所述第二功率交换线圈之间能够双向传递功率和数据。
[0023]15.技术方案14所述的系统，其中所述至少一个谐振器包括被布置成阵列的多个谐振器，以及其中所述多个谐振器在所述第一功率交换线圈或所述第二功率交换线圈的方向中聚焦所述多个谐振器的所产生的磁场。
[0024]16.技术方案15所述的系统，其中所述多个谐振器被配置为在两个或更多不同谐振频率处同时操作以使得在所述第一功率交换线圈与所述第二功率交换线圈之间能够双向传递功率和数据信号。
[0025]17.技术方案11所述的系统，还包括多个第一功率交换线圈和多个功率配偶线圈，其中第一功率交换线圈中的每个第一功率交换线圈操作地耦合到对应的功率配偶线圈，以及功率配偶线圈中的每个功率配偶线圈的开关单元被个体地控制以选择性地使得能够来自一个或多个第一功率交换线圈的功率传递。
[0026]18.一种用于非接