CN104037950A - 共振器和无线功率传送装置 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及共振器和无线功率传送装置。在一个实施例中，共振器包括磁芯、缠绕在磁芯周围的绕组和寄生环路元件。寄生环路元件被布置为与通过流过绕组的电流产生的磁场互链接。在寄生环路元件中，磁链量被调整。

Description

共振器和无线功率传送装置

技术领域

在这里描述的实施例大体上涉及共振器和无线功率传送装置。

背景技术

被配置为以非接触的方式通过功率传送线圈和功率接收线圈之间的互感来无线传送电力的无线功率传送系统是已知的。在无线功率传送系统中，由于线圈之间的距离和线圈的不对准，存在自感值改变、共振频率改变且电力传送效率劣化的问题。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种共振器，该共振器包括：磁芯；缠绕在磁芯周围的绕组；以及寄生环路元件，被布置为与通过流过绕组的电流产生的磁场互链接，并且在寄生环路元件中磁链量被调整。

根据本公开的另一方面，提供了一种无线功率传送装置，该无线功率传送装置包括：共振器，通过互感关于功率接收装置无线传送来自高频率电源的功率；通信单元，与功率接收装置通信功率传送状态或功率接收状态；以及控制单元，检测传送功率，并基于检测结果或接收的通信单元的信息来控制传送功率。其中，共振器包含：包含磁芯和缠绕在磁芯周围的绕组的线圈，以及被布置为与在线圈中产生的磁场互链接的寄生环路元件。控制单元基于线圈的电感值或共振器的共振频率的波动来调整寄生环路元件的磁链量。

附图说明

图1是根据本示例性实施例的功率传送装置的示意性配置图；

图2是根据本示例性实施例的共振器的透视图；

图3是在其上布置寄生环路元件的线圈的等同电路图；

图4是在其上布置寄生环路元件的线圈的等同电路图；

图5A和图5B是示出磁场分布的例子的示图；

图6是示出寄生环路元件的布置例子的示图；

图7是示出寄生环路元件的布置位置与电感值的变化之间的关系的示图；

图8是根据变更例的共振器的透视图；

图9是根据变更例的共振器的侧示图；

图10是根据本示例性实施例的功率接收装置的示意性配置图。

具体实施方式

在一个实施例中，共振器包含磁芯、缠绕在磁芯周围的绕组和寄生环路元件。寄生环路元件被布置为与通过流过绕组的电流产生的磁场互链接。在寄生环路元件中，磁链的量被调整。

现在将参照附图解释实施例。

图1示出根据本示例性实施例的功率传送装置的示意性配置。功率传送装置1包含共振器10、高频率电源电路20、控制单元30和通信单元40。功率传送装置1通过共振器10与功率接收装置（未示出）的共振器之间的互耦合向功率接收装置传送电力。并且，例如，功率传送装置1可包含被配置为监视功率传送装置1的加热的温度传感器、被配置为通过电磁波雷达和超声波雷达监视外物的传感器和用于检测功率接收装置的共振器的位置的诸如RFID的传感器。

共振器10具有线圈12、电容器14和寄生环路元件16。电容器14可以是寄生电容器。将在后面描述寄生环路元件16。共振器10具有预定共振频率（＝ω₀）。共振频率（＝ω₀）由线圈12的电感（＝L₁）和电容器14的电容（＝C₁）确定。

高频率电源电路20向共振器10供给AC功率。可通过导线或者以无线的方式供给AC功率。

通信单元40可与功率接收装置的通信单元（未示出）通信，并接收功率接收装置的需要的功率量和功率接收状态，或者传送功率传送装置1的功率传送状态。

控制单元30具有传送功率监视单元32、共振频率监视单元34、寄生环路控制单元36和耦合系数监视单元38。传送功率监视单元32具有用于检测功率传送电流、电压和电力的安培计、电压计等。控制单元30基于由传送功率监视单元32检测的功率传送电流、电压和电力或者通过通信单元40接收的功率接收装置的功率接收电流、电压和电力来控制高频率电源电路20的输出。

共振频率监视单元34确定共振器10是否处于共振条件中。例如，在串联连接电容器和线圈的串联共振电路中，阻抗在共振频率处最小化，并且电流最大化。出于这种原因，通过扫描高频率电源电路20的输出频率，共振器10的输入端的电流值被最大化的频率可被确定为共振频率。共振频率监视单元34基于共振器10的输入端的电流值的变化来确定共振器10是否处于共振条件中。

耦合系数监视单元38计算共振器10与功率接收装置的共振器之间的耦合系数。例如，耦合系数监视单元38测量功率接收装置侧的输出端开路时的线圈12的电感值L_open和功率接收装置侧的输出端短路时的线圈12的电感值L_short，并通过使用下式1计算耦合系数k。

[式1] $k=\sqrt{1-\frac{L_{\mathrm{short}}}{L_{\mathrm{open}}}}$

寄生环路控制单元36基于传送功率监视单元32、共振频率监视单元34和耦合系数监视单元38的监视结果和通过通信单元40接收的功率接收装置的功率接收状态来控制寄生环路元件16，使得共振器10的共振频率（共振条件）、电感值或LC积变为希望的值。以下将描述寄生环路元件16的控制。

图2是包含于共振器10中的线圈12和寄生环路元件16的透视图。如图2所示，线圈12包含磁芯12A和缠绕在磁芯12A周围的绕组部分12B。作为磁芯12A，例如，可使用铁氧体。并且，作为绕组部分12B和寄生环路元件16，例如，可使用铜线。

寄生环路元件16是布置于线圈12的附近和磁芯12A的表面上的以环形形成的寄生元件。例如，如图2所示，寄生环路元件16被布置于磁芯12A的周边部分中和绕组部分12B的附近。寄生环路元件16包含未示出的开关，当开关被接通时，形成环路，并且，当开关断开时，环路打开。即，通过接通/断开开关，环路打开和闭合。寄生环路控制单元36（参见图1）控制开关的接通-断开。开关可以是机械开关，或者可以是诸如半导体开关的电气开关。

例如，未示出的功率接收装置包含被配置为通过功率接收装置与功率传送装置1的共振器10之间的互感接收电力的功率接收侧共振器、被配置为将通过功率接收侧共振器接收的AC功率转换成DC功率的整流器、被配置为基于负载的操作电压升高和/或降低电压的降压-升压（buck-boost）电路、被配置为控制功率接收装置的各部分的控制单元、以及通信单元。通信单元可与功率传送装置1的通信单元40通信，并且传送功率接收装置的功率接收状态或者接收功率传送装置1的功率传送状态。

功率接收侧共振器包含线圈和电容器，并具有与功率传送装置1的共振器10相近的共振频率（＝ω₀）。共振频率（＝ω₀）由功率接收侧共振器的线圈的电感（＝L₂）和电容器的电容（＝C₂）确定。即，存在C₂L₂＝C₁L₁的关系。功率接收侧线圈通过具有互耦合的耦合从功率传送侧线圈12接收AC功率。

功率接收侧共振器可通过布线向整流器供给AC功率，并可以无线的方式供给AC功率。来自功率接收侧共振器的AC功率可在降低-升压电路中被升压和降压之后与整流器连接，并且可在通过整流器被转换成DC功率之后在DC/DC转换器中被升压和降压。

被供给来自整流器或降压-升压电路的DC功率的负载是负载电路或电池，并且立即消耗供给的DC功率或者对其充电。

下面，将描述通过如图2所示的那样放置寄生环路元件16获得的线圈12的自感值的变化。

图3示出其上布置寄生环路元件16的线圈12的等同电路。这里，线圈12的自感值被假定为L₁，并且，寄生环路元件16的自感值被假定为L_L。另外，通过磁耦合线圈12和寄生环路元件16产生的互感被假定为M。

当布置寄生环路元件16时，线圈12的阻抗Z由下式2表达。

[式2] $Z=\mathrm{j\ω}(L_1-M)+\frac{\mathrm{j\ωM}(L_L-M)}{L_L}=\mathrm{j\ω}{L}_1-\frac{{\mathrm{j\ωM}}^2}{L_L}$

并且，在下式3中表达M。符号k是线圈12与寄生环路元件16之间的耦合系数。

[式3] $M=k\sqrt{L_1{L}_L}$

从式2和式3，在下式4中表达Z。

[式4]z=jω(L₁-k²L_L]

因此，在下式5中表达考虑寄生环路元件16的线圈12的自感值。

[式5]L₁-k²L_L

从式5可以理解，通过打开和闭合寄生环路元件16的环路，线圈12的自感值改变。并且，可以理解，如果耦合系数k增加，那么能够增加线圈12的自感值的变化量。

另外，当流过寄生环路元件16的电流较大时，在寄生环路元件16和开关中产生损失，并且，效率劣化。因此，优选减少流过寄生环路元件16的电流。

如图4所示，假定流过线圈12的电流是I₁且流过寄生环路元件16的电流为I_L，则下式6～9成立。

[式6]jωMI₀=jω(L_L-M)I_L

[式7]jωM(I₁-I_L)＝jω(L_L-M)I_L

[式8]MI_l=L_LI_L

[式9] $I_L=\frac{M}{L_L}{I}_1$

流过寄生环路元件16的电流I_L为流过线圈12的电流I₁的M/L_L倍。因此，当L_L增加时，能够减少流过寄生环路元件16的电流，例如，当寄生环路元件16的绕组的数量被假定为N圈时，与一圈的情况相比，流动的电流可减少到1/N。

图5A是不存在寄生环路元件16时即通过断开开关来打开环路时的磁场分布的例子。并且，图5B是存在寄生环路元件16即通过接通开关来闭合环路时的磁场分布的例子。为了便于描述，在图5B中寄生环路元件16被示为处于线圈12之上。

如图5B所示，通过放置寄生环路元件16使得泄漏通量互链接，磁场在寄生环路元件16内被抵消。因此，线圈12的泄漏电感值（自感值）减小。

例如，当线圈12和功率接收侧线圈200处于预定的位置时，寄生环路元件16的环路通过断开开关保持打开。并且，当线圈12和功率接收侧线圈200相互接近或者相互位移、电感值增加并且共振频率改变时，通过接通开关闭合寄生环路元件16的环路。因此，能够减小线圈12的自感值并保持共振条件。

另外，寄生环路控制单元36可基于由共振频率监视单元34监视的共振频率的偏离（共振条件的变化）来执行寄生环路元件16的打开和闭合控制，并且，寄生环路控制单元36可通过单独地准备耦合系数和电感值的表并从耦合系数监视单元38的监视结果检测电感值的波动来执行寄生环路元件16的打开和闭合控制。

以这种方式，根据本示例性实施例，通过切换寄生环路元件16的打开和闭合以调整寄生环路元件16的磁链的量，能够改变线圈12的自感值。因此，当共振频率（共振条件）由于传送和接收线圈之间的距离或其间的不对准而波动时，能够通过改变线圈12的电感值保持共振条件，由此抑制传送效率的劣化。

在上述的示例性实施例中，虽然被配置为切换寄生环路元件16的环路的打开和闭合的开关被设置以通过接通和断开开关调整磁链的量，但可通过设置寄生环路元件16以使其能够在磁芯12A的表面上移动并通过改变寄生环路元件16的位置来调整磁链的量。例如，当寄生环路元件16被布置于图6所示的位置P1～P6处时，电感值的变化量如图7所示。由于通量集中于磁芯12A的周边部分中和绕组的附近，因此可以理解，接近绕组部分12B的位置具有比远离绕组部分12B的位置大的电感值变化量。并且，可以理解，接近磁芯12A的周边部分的位置具有比远离磁芯12A的周边部分的位置大的电感值变化量。

因此，例如，通过设置寄生环路元件16的移动机构，寄生环路元件16被设定为可在位置P1、P2和P3处移动。即，寄生环路元件16被设定为可沿绕组部分12B在磁芯12A的中心部分与周边部分（侧部）之间移动。寄生环路控制单元36能够通过基于共振频率等的偏离改变寄生环路元件16的位置以改变电感值来保持共振条件。

类似地，寄生环路元件16可被设定为可在位置P4、P5和P6处移动。即，寄生环路元件16可被设定为可沿磁芯12A的周边部分在磁芯12A的中心部分与角部之间移动。

作为替代方案，包含用于切换环路的打开和闭合的开关的多个寄生环路元件16可被设置在磁芯12A的表面上，使得寄生环路控制单元36可控制寄生环路元件16中的每一个的打开和闭合。

多个寄生环路元件16可具有相同的尺寸或者可具有不同的尺寸。通过增加寄生环路元件16的尺寸，能够增加电感值的变化量。

并且，如图8所示，寄生环路元件16可在绕组部分12B的附近被布置于磁芯12A的表面上，以与磁芯12A的表面垂直，并且，寄生环路元件16可围绕磁芯12A的表面的垂直线旋转。磁链的量通过寄生环路元件16的旋转角而改变，并且，可通过改变电感值保持共振条件。例如，可通过使用未示出的电动机执行寄生环路元件16的旋转。

并且，如图9所示，可相对于磁芯12A的表面斜着布置寄生环路元件16，并且，寄生环路元件16的倾角（在寄生环路元件16与磁芯12A的表面之间形成的角度）可改变。磁链的量通过寄生环路元件16的倾角而改变，并且，可通过改变电感值保持共振条件。例如，可通过使用电动机（未示出）调整寄生环路元件16的倾角。

在图8和图9所示的配置中，通过在磁芯12A的周边部分中或接近绕组部分12B的位置处旋转或倾斜寄生环路元件16，与在远离绕组部分12B和磁芯12A的周边部分的位置处旋转或倾斜寄生环路元件116相比，能够增加磁链量的变化。并且，当寄生环路元件16在磁芯12A的表面上被布置于接近磁芯12A的位置处时，与被布置于远离磁芯12A的位置处相比，能够增加磁链量的变化。

在上述的实施例中，虽然描述了在功率传送装置1的共振器10中设置寄生环路元件16的例子，但如图10所示，可在功率接收装置100的共振器110中设置寄生环路元件116。功率接收装置100包含共振器110、负载120、控制单元130和通信单元140。通过共振器110与功率传送装置1的共振器10（参见图1）之间的互耦合，功率从功率传送装置1被传送到功率接收装置100。

共振器110具有线圈112、电容器114和寄生环路元件116。电容器114可以是寄生电容器。负载120被供给来自共振器110的功率。

通信单元140能够与功率传送装置1的通信单元40（参见图1）通信，并接收功率传送装置1的传送状态或者传送功率接收装置100的接收状态或需要的功率量。

控制单元130具有功率接收监视单元132、共振频率监视单元134和寄生环路控制单元136。功率接收监视单元132具有用于检测接收的电流、电压和功率的电压计、安培计等。共振频率监视单元134基于共振器110的输出端的电流值的变化来确定共振器110是否处于共振条件。

寄生环路控制单元136基于功率接收监视单元132和共振频率监视单元134的监视状态和通过通信单元140接收的功率传送装置1的功率传送状态来控制寄生环路元件116，使得共振器110的共振频率（共振条件）、电感值或LC积是希望的值。控制寄生环路元件116的方法与上述的控制寄生环路元件16的方法类似。

通过调整寄生环路元件116的磁链的量，能够改变线圈112的自感值。因此，当共振频率（共振条件）由于传送和接收线圈之间的距离及其间的不对准而波动时，能够通过改变线圈112的电感值保持共振条件，由此抑制传送效率的劣化。

在上述的实施例中，虽然描述了通过开关的接通/断开打开或闭合环路、元件旋转或者倾角改变的寄生环路元件16、116，但不打开和闭合环路的固定的寄生环路元件可被布置于磁芯的附近。

虽然描述了某些实施例，但这些实施例仅是作为例子给出的，并且不意图限制本发明的范围。事实上，可通过各种其它的形式体现在这里描述的新颖的方法和系统；并且，在不背离本发明的精神的情况下，可进行在这里描述的方法和系统的各种省略、替代和形式的变化。所附权利要求和它们的等价物意图覆盖将落入本发明的范围和精神内的这样的形式或修改。

Claims (18)

1.一种共振器，包括：

磁芯；

缠绕在磁芯周围的绕组；以及

寄生环路元件，被布置为与通过流过绕组的电流产生的磁场互链接，并且在寄生环路元件中磁链量被调整。

2.根据权利要求1所述的共振器，还包括开关，所述开关切换寄生环路元件的环路的打开和闭合。

3.根据权利要求1所述的共振器，其中，寄生环路元件被布置于磁芯的表面上，并且关于磁芯的表面的垂直线旋转。

4.根据权利要求1所述的共振器，其中，寄生环路元件相对于磁芯的表面被斜着布置，并且，相对于所述表面的倾角是可变的。

5.根据权利要求1所述的共振器，其中，

多个寄生环路元件被布置于磁芯的表面上，以及

寄生环路元件中的每一个具有切换环路的打开和闭合的开关。

6.根据权利要求5所述的共振器，其中，所述多个寄生环路元件包含具有第一尺寸的寄生环路元件和具有与第一尺寸不同的第二尺寸的寄生环路元件。

7.根据权利要求1所述的共振器，其中，寄生环路元件在磁芯的表面上移动。

8.根据权利要求7所述的共振器，其中，寄生环路元件沿绕组在磁芯的中心部分与侧部之间移动。

9.根据权利要求7所述的共振器，其中，寄生环路元件沿磁芯的周边部分移动。

10.一种无线功率传送装置，包括：

共振器，通过互感关于功率接收装置无线传送来自高频率电源的功率；

通信单元，与功率接收装置通信功率传送状态或功率接收状态；以及

控制单元，检测传送功率，并基于检测结果或接收的通信单元的信息来控制传送功率，

其中，共振器包含：

包含磁芯和缠绕在磁芯周围的绕组的线圈，以及

被布置为与在线圈中产生的磁场互链接的寄生环路元件，以及

控制单元基于线圈的电感值或共振器的共振频率的波动来调整寄生环路元件的磁链量。

11.根据权利要求10所述的装置，还包括：

开关，所述开关切换寄生环路元件的环路的打开和闭合，

其中，控制单元控制所述开关的接通断开。

12.根据权利要求10所述的装置，其中，

寄生环路元件被布置于磁芯的表面上，以及

控制单元使寄生环路元件围绕磁芯的表面的垂直线旋转。

13.根据权利要求10所述的装置，其中，

寄生环路元件相对于磁芯的表面被斜着布置，以及

控制单元控制相对于所述表面的倾角。

14.根据权利要求10所述的装置，其中，

多个寄生环路元件被设置，

寄生环路元件中的每一个具有切换环路的打开和闭合的开关，以及

控制单元控制每个开关的接通断开。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述多个寄生环路元件包含具有第一尺寸的寄生环路元件和具有与第一尺寸不同的第二尺寸的寄生环路元件。

16.根据权利要求10所述的装置，其中，

寄生环路元件被设置为能够在磁芯的表面上移动，以及

控制单元控制寄生环路元件的位置。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，寄生环路元件沿绕组在磁芯的中心部分与侧部之间移动。

18.根据权利要求16所述的装置，其中，寄生环路元件沿磁芯的周边部分移动。