CN103038979A - Icpt系统、部件和设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过围绕发射和/或接收线圈设置金属外壳以及在发射和/或接收电路的设计中补偿金属对象的作用来去除感应耦合电能传输系统中的金属对象的效应的方法。当引发一些性能损耗时，该设计减少了由于工作环境中的不同金属影响引起的可变性。也公开了电能发射器和接收器以及包括电能发射器和电能接收器的系统。

Description

ICPT系统、部件和设计方法
技术领域
本发明涉及设计感应耦合电能传输（ICPT）系统的电能发射器和接收器的方法，以及由这些方法产生的发射器、接收器和系统。
背景技术
非接触供电系统定义
非接触供电系统包括非接触电能发射器和一个或多个非接触电能接收器，其中该非接触电能发射器包括利用来自电源的交流电供电的导通路径。这些非接触电能接收器邻接该导通路径，但是与该导通路径电流隔离。非接触电能接收器包括拾波线圈，在该拾波线圈中，由通过导电路径生成的交流磁场感应电压，并且经由电能调节来给电负载供电。拾波线圈通常通过使用调谐电容器被调谐，以增加系统的电能传输能力。
传统的耦合设计缺点
ICPT系统一般地具有称为轨道的导通元件，该导通元件利用来自高频变换器的交流电被供电；这被称为电能发射器。一个或多个次级设备（其可被称为电能接收器）邻接轨道，但是与该轨道电流隔离地设置。电能接收器具有拾波线圈，在该拾波线圈中，由与轨道相关联的交流磁场感应电压，并且电能接收器给诸如电池或电子设备供电。拾波线圈通常通过使用调谐电容器被调谐，以增加电能接收器的电能传输能力。
现有ICPT系统的问题在于当系统被用在金属环境中时对轨道和拾波耦合的设计。ICPT系统需要调谐轨道和拾波线圈来匹配系统频率，以优化系统的电能传输能力。该调谐可以是被动的（也就是单独地通过无功分量选择来完成）或主动的（也就是通过分量选择和进一步使用无功元件的补偿来调谐）。
当轨道和拾波线圈被放置在金属环境中时，这些轨道和拾波线圈的有效电感和调谐电容要求维持最大电能传输变化。如果系统被主动地调谐并且变化在系统的主动调谐带宽之内，则这可以被补偿。被主动调谐的系统的缺点是它们要求附加的无功元件，这些附加的无功元件可以根据调谐带宽和所要求的功率定额而是相当大的。
被动调谐的系统可以针对改变被补偿，然而补偿水平取决于被机械周边干扰的磁场水平，这可以在系统工作期间改变。
现有技术的ICPT系统的当前状态一般而言被紧密耦合（也就是＞＞60%），并且通过在附近引入金属对象而被影响。由于该紧密耦合要求，这些系统具有非常有限的范围和失配公差，这也要求复杂的机械安装（参见：http://www.vahleinc.com/contactless_power_supply.html和US 2007/0188284）。
会值得期望的是提供如下设计的ICPT系统、部件和方法：该设计减少这些问题或至少给公众提供有用的选择。
发明内容
根据一个示例性实施例，提供有一种设计感应耦合电能传输系统的电能发射器的方法，其包括如下步骤：
a.确定具有相关联的金属外壳的发射线圈的电感；以及
b.基于在步骤a中所确定的电感来设计该发射线圈的发射器电路。
根据另一示例性实施例，提供有一种设计用于感应耦合电能传输系统的电能接收器的方法，该感应耦合电能传输系统包括电能发射器和电能接收器，其中该方法包括以下步骤：
a.确定具有相关联的金属外壳的接收线圈的电感；以及
b.基于发射器的谐振频率和在步骤a中所确定的电感来设计接收器电路。
根据另一示例性实施例，提供有一种用于感应耦合电能传输系统的电能发射器，该电能发射器包括：
a.具有相关联的金属外壳的发射线圈；以及
b.用于该发射线圈的发射器电路，其中考虑相关联的金属外壳的作用，该发射器电路被设计用于操作发射线圈。
根据另一示例性实施例，提供有一种用于感应耦合电能传输系统的电能接收器，该电能接收器包括：
a.具有相关联的金属外壳的接收线圈；以及
b.用于该接收线圈的接收电路，其中考虑到相关联的金属外壳的作用，该接收电路被设计用于操作接收线圈。
也提供有一种感应耦合电能传输系统，该感应耦合电能传输系统包括这样的电能发射器和/或接收器。
附图说明
被并入和构成本说明书的部分的附图图示了本发明的实施例，并且与本发明的在上面给出的一般描述和下面给出的实施例的详细描述一起用来解释本发明的原理。
图1示出了感应耦合电能传输系统的一般性示意图；
图2示出了金属外壳中的发射线圈的透视顶视图；以及
图3示出了图2中所示的发射线圈的透视后视图。
具体实施方式
本说明书描述了可以被用于ICPT系统的耦合设计（调谐轨道和拾波线圈）的设计方法。当该系统要被用在金属环境中时，该方法是特别合适的。
根据本发明，通过当在相关联的金属外壳之内时确定相关联的线圈的电感并且接着基于当在相关联的（多个）外壳之内时所确定的（多个）线圈的电感来设计发射器和/或接收器电路来设计感应耦合电能传输系统的电能发射器和/或电能接收器。
参照图1，示出了感应耦合电能传输系统的一般性示意图，该感应耦合电能传输系统包括电能发射器电路1，该电能发射器电路1驱动发射线圈2和接收线圈3并且供给被接收到接收器电路4的电能，其中接收线圈3被感性地耦合到发射线圈2。当很多发射器和接收器电路技术会被使用时，使用跟着有升压变换器的推挽级的发射器电路和使用降压变换器的接收器电路已被发现是有效的，其中升压变换器与发射线圈2并行调谐，降压变换器被串行调谐。
图2和图3示出了在附近具有金属外壳6和具有端子7的发射线圈5。在这种情况下，尽管简单的圆柱形的或仅部分封闭的外壳会被使用，但是金属外壳6是具有端板8的金属圆柱体的形式。该外壳可以由铝、铜或其他合适的金属来形成。发射线圈5可以是提供良好的形状因子的螺旋线圈或集合线圈，该集合线圈提供更好的方向性和更小的干扰，但具有更高的分布（profile）。
发射线圈5被设计来具有线圈电感值，该线圈电感值基于如下内容被确定：
i.针对该系统的最优电压和电流容量；
ii.在所要求的距离处的发射线圈与接收线圈之间的耦合效率；以及
iii.应用的空间约束。
在金属外壳6之内的发射线圈5的阻抗被测量并且被用来计算被要求来生成发射线圈中的正确频率的容性补偿。发射器电路可以被设计来以谐振频率工作，或者发射器电路可以被设计来以非谐振频率工作。发射器电路可以被设计来以便具有促进对电能传输的控制的传输功能。
接收线圈可以是与图2和图3中所示的发射线圈相同的形状。一旦在其相关联的金属外壳之内的接收线圈的电感被确定，接收器电路就基于电能发射器的谐振频率和所确定的接收线圈的电感被设计。该电路可被设计来谐振工作，或者该电路可被设计来工作在围绕电能发射器的谐振频率的频率范围之上，以便控制电能传输。
设计方法例子
在下面示出了陈列根据一个实施例的非限制性示例性设计过程的表格：
Figure BDA00002599925900041
Figure BDA00002599925900051
Figure BDA00002599925900061
其中：
Lt是未被屏蔽的发射线圈的电感
Lts是被屏蔽的发射线圈的电感
Cts是与形成被调谐的电路的发射线圈并联的电容
Ft是电能发射器的标称工作频率
Lrs是接收线圈的电感（在这种情况下，其与Lts相同）
Crs是接收电路的被调谐的电路的电容
所公开的设计方法消除了来自金属周边的作用，因为耦合本身被设计在金属外壳中并且该设计包括针对金属环境调谐该系统。这个方法与直观感觉不相符，因为该方法通过引入金属外壳而引入了性能损耗。然而，当招致一些性能损耗时，该设计消除了由于在工作环境中的不同的金属影响而引起的可变性。
当实施具有多个耦合线圈的并行IPT系统时，这个方法也结合铁氧体材料来应用，所述耦合线圈需要与相邻的线圈解耦并且与预期的拾波线圈相耦合。
虽然本发明已通过对其实施方案的描述被说明，并且虽然这些实施方案已被详细描述，但是申请人的意图并不是将所附的权利要求的范围局限或以任何方式限制到这样的细节。附加的优点和修改对于本领域技术人员而言将是容易出现的。因此，在其较宽的方面的本发明并不限于所示的和所描述的特定细节、代表性的设备和方法以及说明性的例子。因此，可在不偏离申请人的一般性发明构思的精神或范围的情况下进行偏离。

Claims (38)

1.一种设计感应耦合电能传输系统的电能发射器的方法，其包括以下步骤：
a.确定具有相关联的金属外壳的发射线圈的电感；以及
b.基于在步骤a中所确定的电感来设计该发射线圈的发射器电路。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，电能发射器被设计来以谐振频率工作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，电能发射器被设计来以不同于谐振频率的频率工作。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，电能发射器的传输功能被选择来促进对电能发射器的电能传输的控制。
5.根据任一上述权利要求所述的方法，其中，发射线圈一般是圆柱形的，并且金属外壳包括围绕发射线圈的外围的环。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，金属外壳在发射线圈的一个端部处包括金属端板。
7.根据上述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中，发射线圈是螺旋线圈。
8.根据权利要求1至6中的任一权利要求所述的方法，其中，发射线圈是集合线圈。
9.根据上述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中，发射器电路包括升压变换器。
10.一种设计感应耦合电能传输系统的电能接收器的方法，该感应耦合电能传输系统包括电能发射器和电能接收器，其中该方法包括以下步骤：
a.确定具有相关联的金属外壳的接收线圈的电感；以及
b.基于发射器的谐振频率和在步骤a中所确定的电感来设计接收器电路。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，电能发射器根据权利要求1至9中的任一权利要求所述的方法来设计。
12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，电能接收器被设计来以电能发射器的谐振频率工作。
13.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，电能接收器被设计来在电能发射器的谐振频率周围的频率范围上工作，以便控制电能传输。
14.根据权利要求10至13中的任一权利要求所述的方法，其中，接收线圈一般是圆柱形的，并且金属外壳包括围绕接收线圈的外围的环。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，金属外壳在接收线圈的一个端部处包括金属端板。
16.根据权利要求10至15中的任一权利要求所述的方法，其中，接收线圈是螺旋线圈。
17.根据权利要求10至15中的任一权利要求所述的方法，其中，接收线圈是集合线圈。
18.根据上述权利要求中的任一权利要求所述的方法，其中，接收电路包括降压变换器。
19.一种用于感应耦合电能传输系统的电能发射器，其包括：
a.具有相关联的金属外壳的发射线圈；以及
b.用于发射线圈的发射器电路，其中考虑到相关联的金属外壳的作用，发射器电路被设计用于操作发射线圈。
20.根据权利要求19所述的电能发射器，其中，发射器电路被设计来当驱动发射线圈时以谐振频率工作。
21.根据权利要求19所述的电能发射器，其中，发射器电路被设计来当驱动发射线圈时以不同于谐振频率的频率工作。
22.根据权利要求21所述的电能发射器，其中，电能发射器的传输功能被选择来促进对电能发射器的电能传输的控制。
23.根据权利要求19至22中的任一权利要求所述的电能发射器，其中，发射线圈一般是圆柱形的，并且金属外壳包括围绕发射线圈的外围的环。
24.根据权利要求23所述的电能发射器，其中，金属外壳在发射线圈的一个端部处包括金属端板。
25.根据权利要求19至24中的任一权利要求所述的电能发射器，其中，发射线圈是螺旋线圈。
26.根据权利要求19至24中的任一权利要求所述的电能发射器，其中，发射线圈是集合线圈。
27.一种用于感应耦合电能传输系统的电能接收器，其包括：
a.具有相关联的金属外壳的接收线圈；以及
b.用于接收线圈的接收电路，其中考虑到相关联的金属外壳的作用，接收电路被设计用于操作接收线圈。
28.根据权利要求27所述的电能接收器，其中，电能发射器根据权利要求10至18中的任一权利要求的方法来设计。
29.根据权利要求27或权利要求28所述的电能接收器，其中，电能接收器被设计来以电能发射器的谐振频率工作。
30.根据权利要求27或权利要求28所述的电能接收器，其中，电能接收器的工作频率能够在电能发射器的谐振频率周围的频率范围上被调节，以便控制电能传输。
31.根据权利要求27至30中的任一权利要求所述的电能接收器，其中，接收线圈一般是圆柱形的，并且金属外壳包括围绕接收线圈的外围的环。
32.根据权利要求31所述的电能接收器，其中，金属外壳在接收线圈的一个端部处包括金属端板。
33.根据权利要求27至32中的任一权利要求所述的电能接收器，其中，接收线圈是螺旋线圈。
34.根据权利要求27至32中的任一权利要求所述的电能接收器，其中，接收线圈是集合线圈。
35.根据上述权利要求中的任一权利要求所述的电能接收器，其中，接收电路包括降压变换器。
36.一种系统，其包括根据权利要求19至26中的任一权利要求所述的电能发射器和根据权利要求27至35中的任一权利要求所述的电能接收器。
37.根据上述权利要求中的任一权利要求所述的方法、电能发射器、电能接收器或系统，其中，金属外壳由铝形成。
38.根据权利要求1至36中的任一权利要求所述的方法、电能发射器、电能接收器或系统，其中，金属外壳由铜形成。
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