[发明专利]提高非自调谐无线电能传输系统的效率

说明书

用于无线电能传输的初级谐振网络具有能够被供电以产生磁场的初级线圈；和无功元件，选择该无功元件用于限制向初级谐振网络供电的电源的无功负载。无功元件的选择依赖于初级谐振网络的电感或电容的给定变化以及次级谐振网络的电感或电容的给定变化，其中初级谐振网络与次级调谐网络耦合。

本发明涉及无线电能传输系统，该系统也被称作感应电能传输(IPT)系统。

发明背景

感应电能传输(IPT)系统是熟知的。图1一般地显示了一种该系统的示例。现有技术中也对该系统进行了全面描述，例如包括专利号为5293308的美国专利。

最近IPT系统已经用于电动汽车电池充电应用。IPT用于电动汽车电池充电的一个显著优点是它能够容忍初级磁结构与次级(本文档也将其称作拾取)装置的磁结构之间的偏差。如图1所示，IPT充电器通常包括开关电源，例如谐振转换器，其电力由公用电网提供，并反过来为初级感应器提供交流电，初级感应器可包括导轨或诸如衬垫形式的磁结构。由初级衬垫提供的变化的磁场被一个或多个次级磁结构所截断，这些次级磁结构通常包括另外的衬垫或线圈，由图1中的电感L2表示。接收到的电能由拾取装置中的谐振网络和功率控制器调整，然后提供给被充电的电力负载，如电池。

拾取装置(L2)上的亚铁磁性材料和线圈相对于初级衬垫(L1)的物理运动或位移必定会引起衬垫之间磁耦合的变化，还会导致衬垫自感的变化。另外，IPT系统中调谐的变化会因为其它因素而变化，例如元件容差和随时间的变化(例如调谐电容器老化)，磁结构中铁氧体的破损等等。因此，在没有采用自调谐电路的情况下，不可能在指定的电能传输区域中给定的活动范围内将初级和次级充电衬垫始终准确地调谐。在固定频率初级侧电流控制系统中，这会在供电电源中产生额外的无功负载。只要导轨电流可以被调节在理想的大小，该负载不会影响拾取器的电能传输能力。但是，失谐的谐振网络会在系统中产生额外的无功负载，该负载通常会导致系统的损耗，包括供电电源和额外的开关传导损耗、以及磁耦合装置中的损耗。因此，构建的系统如果能够最小化失谐导致的无功负载将很有优势。

目标

本发明的目标是提供IPT系统和IPT系统的装置和方法以及装置设计，其至少一定程度上克服已有技术的一个或多个缺点、或至少提供有用的备选方案。

发明概述

因此，在某一方面，本发明宽泛地包括了无线电能传输初级网络和/或次级网络，其中一个或多个元件的选择依赖于初级和/或次级谐振网络的调谐变化、和/或初级网络和次级网络之间的耦合变化。

在一个实施例中，选择一个或多个元件用于最小化初级电源的无功负载。

在另一个实施例中，选择一个或多个元件用于最小化初级电源的位移功率因子。

在另一个实施例中，选择一个或多个元件用于最小化次级和初级网络中的电流。优选地初级电源的负载在标称的负载范围内是电感性的。

在另一方面，本发明宽泛地提供无线电能传输初级谐振网络，其包括：

初级线圈，其通电后以提供磁场；

至少一个无功调谐元件，选择该元件用于限制为初级谐振网络供电的电源的无功负载，无功调谐元件的选择依赖于初级谐振网络的电感或电容的给定变化以及次级谐振网络的电感和电容的给定变化，其中次级谐振网络与初级谐振网络耦合。

无功调谐元件的选择可依赖于初级和次级谐振网络间耦合的给定变化。

可选择无功调谐元件用于限制电源的无功负载。

可选择无功调谐元件用于限制功率因子。

在一个实施例中，调谐元件包含初级线圈。

电感或电容的给定变化可由次级谐振网络的拾取线圈相对于初级线圈的相对移动或位移引起。