[发明专利]感应电能传输系统的一次轨道拓扑结构

说明书

本申请公开了一种多相IPT一次轨道导体布置结构，包括第一相导体和第二相导体，所述导体被排列成基本上在一个平面内以便彼此重叠，并被排列成使得在所述相导体之间存在基本平衡的互耦合。

本申请是于2013年1月18日提交的题为“感应电能传输系统的一次轨道拓扑结构”的发明专利申请201180035293.1的分案申请。

技术领域

本发明涉及感应电能传输(IPT)系统。本发明具体涉及多相IPT系统。

背景技术

IPT使用变化的磁场将电能通过气隙耦合到负载，而无物理接触。气隙存在于一次导体和一个或多个拾取装置之间，所述一次导体诸如导电材料的细长环路(在本文中通常称作轨道(track))，所述一个或多个拾取装置具有二次线圈，二次线圈从与轨道关联的磁场接收电能。系统性能不受潮湿或肮脏环境的影响，由于部件是完全隔离的，在这些条件下没有安全风险。与传统的插头或电刷和棒接触型的方法(如用在电车和电动汽车上的方法)不同，IPT是可靠的，免维修的。IPT目前用在很多工业应用中，如材料处理和集成电路制造。系统容量在1W-200kW之间变化，可以用来给机器人、自动导引车(AGV)、电子装置、娱乐旅客捷运系统、汽车和电动车(EV)提供电能和再充电。IPT系统可分成两个不同的类型：分布式系统和集中系统，所述分布式系统由一个或多个可移动负载组成，所述可移动负载可设置在轨道上的任何地方，所述集中系统只允许在定义的位置传输电能。

分布式系统特别适用于道路动力电动汽车(RPEV)应用，但实际的大规模RPEV系统至今还不可行。这是由于无导引EV要求大的水平冗余(～700mm)和离地净高(150-200mm)。在此文献中提出的轨道拓扑结构通过允许以最小增加系统成本获得提高的水平冗余，提供了相比以前设计的明显改进。本领域技术人员将认识到此文献提到本发明在EV背景下应用，但本发明适用于许多其它的IPT系统应用。

EV有助于降低对化石燃料的依赖，降低温室气体的排放及污染物的排放。因此，自从20世纪90年代以来EV的研究事业一直在增长，但市场渗透一直很低，原因是EV不如传统的车辆那样有成本效益。目前的EV市场是由从燃烧发动机获得能量的混合车辆主导的，但是，最近引入了插电式EV(PHEV)，使用来自电网的能量来减轻汽油消耗。为了使EV被广泛使用，要求在电池寿命和成本及与电网的连接上有大的改进。后者允许在每次旅行之后随机充电，而不是该天结束时的长时间充电。结果，通过降低放电深度，电池损耗被明显降低，由于需要更小的电池，EV具有更低的成本。使EV比汽油车辆更加有成本效益的优选解决方案是通过道路对EV供电和再充电。应当指出的是，用于此种动态充电系统的基础设施可以是相对小的，原因是在州际高速公路上行驶占道路英里数的1％，但占所有车辆行驶英里数的22％。行驶英里数的50％连接到动态充电系统的EV与传统的车辆是一样是有成本效益的，不会产生额外的汽油成本。

IPT系统包括三个主要部件，在图1中示出了单相系统的部件。电源产生正弦电流(对于中功率到高功率系统，通常在10-100kHz频率范围内)，它在感应一次导电通路或轨道中驱动电流(I₁)。并联补偿电容器C₁允许轨道电流I₁共振，从而增加轨道附近的磁场强度。对于给定负载，这使电源的VA额定值最小化。轨道和二次接收装置充当松散耦合的变压器，使得通过相对大的气隙进行电能传输，其中来自轨道的电能以感应方式传输到轨道和二次接收装置。接收器通常被称为IPT拾取器(PU)，具有电感L₂，使用C₂以轨道电流的频率被调谐共振。这补偿了相对大的PU泄露电感。C₂两端的电压被整流，开关模式的控制器使得谐振回路在定义的品质因数Q下工作，以提升功率传输和提供可用DC输出。IPT系统的功率输出(P_out)由PU的开路电压(V_oc)和短路电流(I_sc)以及PU电路的品质因数确定，如(1)中所示。