CN105164889A - 功率传输系统 - Google Patents

Abstract

功率传输系统，包括用于从载送交变源电流的电缆电感地方式拾取功率的传输拾取电路。该功率传输系统包括第一电路，其包括用于提供到电缆的电感耦合的变压器的次级绕组和被并联连接到变压器的第一电容模块。传输拾取电路还包括被并联连接到第一电路的第二电路，并且包括第二电感模块和用以向负载传输功率的装置，该装置与第二电感模块串联。

Description

功率传输系统

技术领域

本发明涉及一种功率传输系统，其包括用于从载送交变源电流的电缆电感地拾取功率的传输拾取电路。

背景技术

US8,093,758描述了用于电感耦合功率传输(ICPT)的功率传输系统。其描述了具有被从包括谐振转换器的电源供应交变电流的初级导电路径的电路。其还描述了使用变压器将次级电路电感耦合到第一电路。该次级电路包括绕组和电容器，由此电容器被并联连接到绕组。绕组形成电感元件。负载与电感元件和电容器并联。受控短接开关被用来将拾取器电路解耦并从而调节到初级导电路径的阻抗。在没有短路的情况下，次级电路将谐振。受控短接开关与电感电容器和电感元件并联。由于受控短接开关引起大的传导损耗并允许有初级路径中的电流的频率变化，所以US8,093,758描述了与电感元件和电容器并联的可变电感器或可变电容器的使用。所述功率传输系统包括传感装置，其用以感测负载的条件；以及控制装置，其用以通过改变次级电路的有效电容或电感而响应于由传感装置感测到的负载条件选择性地对次级电路进行调谐和解调以根据所感测的负载条件来控制功率到次级电路的传输。控制装置包括两个开关，其具有适合于控制从而变得可变的流过电感器或电容器的电流的驱动器。该传感装置感测谐振电路中的电压的相位。控制装置适合于驱动开关装置以在电压过零之后预定时间段将可变电感器连接到次级电路或者可变电容器从次级电路断开连接。从而，控制装置改变可变电感或可变电容器，使得当负载小且不需要通过次级电路传输高功率时，谐振频率被解调远离谐振(跟踪频率)。次级电路随着负载增加且要求高功率传输而被朝着跟踪频率调谐，以满足来自增加的负载的需求。

如在US8,093,758中描述的功率传输系统的缺点是需要相对昂贵的控制器且必须感测到负载的输出电压。此外，开关在进行开关时在拾取电路中和因此的初级路径上引起噪声。此噪声可能干扰被耦合到电缆的其它拾取器的功能，或者可能要求电源在交变电流不受影响且保持如预定的一样方面针对此噪声是稳健的。

发明内容

本发明的目的是改善这些问题中的一个或多个或者至少提供一种替换功率传输系统。

用根据本发明的实施例的功率传输系统来达到该目的，所述功率传输系统包括用于从载送交变源电流的电缆电感地拾取功率的传输拾取电路，其包括

—第一电路，其包括用于提供到电缆的电感耦合的变压器的次级绕组和被并联连接到变压器的第一电容模块；

其特征在于

所述传输拾取电路包括

—第二电路，其被并联连接到第一电路并包括第二电感模块和用以向负载传输功率的装置，该装置与第二电感模块串联。

次级绕组、第一电容模块、第二电感模块、所述装置和在存在负载时一起形成传输拾取电路。传输拾取电路是谐振电路，即可以根据交变源电流的频率而谐振的电路。

第二电感模块、第一电容模块和变压器的次级绕组一起形成用于在电缆的方向上的噪声的低通滤波器。因此来自负载或所述装置的噪声被滤波。因此，电缆上的交变源电流的源不必是非常稳健的，并且被耦合到电缆的其它电感耦合功率传输拾取电路可以最佳地运行。

优选地，交变源电流以电缆频率进行交变且第一电路在电缆频率以下的第一谐振频率周围的第一频率范围内具有第一谐振，并且功率传输系统被布置成使得当在使用中时第二电路形成无穷高阻抗，变压器在电缆频率不饱和。

次级绕组可以被建模为理想变压器绕组和与理想变压器绕组并联的磁化电感。理想变压器绕组具有零阻抗，即理想变压器的电感、电阻和电容是零。

在传输拾取电路中，第二电路与第一电路并联。通过将第二电路与第一电路并联地放置，第二电路的阻抗与第一电路的阻抗并联。因此当第二电路的阻抗与第一电路的阻抗相比是高的时，第一电路的性质变成主导的。此外，如果第二电路在使用期间形成无穷高阻抗，则第二电路有效地不起作用。

在实际中，电路的谐振峰值不必具有无穷小的宽度，但是在一定频率范围内具有谐振。在本实施例中，第一频率范围在第一谐振频率周围，在第一谐振频率谐振达到最大值。第一谐振频率在电缆频率以下，这意味着在电缆频率谐振并未处于其最大值。

另外，变压器具有有限的最大功率传输，在其以上变压器饱和。因此，至少在饱和频率范围之上，传输拾取电路将促使变压器饱和。因此，当在实际中第二电路在电缆频率形成无穷负载时，传输拾取电路将从电缆拾取比在变压器将饱和时更少的能量。换言之，存在传输拾取电路从电缆的解耦。

此解耦在多个情况下可以是有利的。由于第二电路包括用以向负载传输功率的装置，所以第二电路的阻抗取决于负载的阻抗(并且因此也取决于负载的存在)。此外，第二电路的电阻随着负载电阻的上升而上升。当第二电路仅由于负载的存在而闭合时(即当其在不存在负载的情况下打开时)，第二电路的电阻在没有负载被连接时达到最大值。关断负载可具有相同的效果。与第二电路的高阻抗解耦相组合，这意味着在负载的高阻抗下且尤其是当没有负载被连接时存在解耦。这例如意味着当不存在负载时或者当负载被关断时存在相对低的功率损耗，并且事实上在这种情况下期望的是功率损耗是最小的。

为了实现此解耦，不要求控制器。由于不要求控制器，所以功率传输拾取器是相对廉价且可靠的。替代地，根据负载本身的阻抗而用传输拾取电路的不同谐振性质来实现解耦方面的差异。

本发明人认识到由于变压器的磁感与电感模块的磁感分离，所以其与其中负载在并未与第二电感模块串联的情况下将与第一电路并联的情况相比，可以有利地具有用以增加第一谐振频率与电缆频率之间的差的更大自由度而不损害向负载传输功率的能力。

在优选实施例中，第二电路包括与第二电感模块串联且与所述装置并联地布置的第二电容模块，其中，第二电容模块和第二电感模块被布置成用于当在实际中负载阻抗无穷高时在第二谐振频率周围的第二频率范围内具有第二谐振，并且其中，第二谐振被布置成使得传输拾取电路的阻抗当在实际中负载无穷高时低于电缆频率下的第一电路的阻抗。

通过在第二电路中具有电容模块，即使有负载的无穷高阻抗，第二电路也在传输拾取电路中起作用。此外，第二电路具有第二谐振。由于第二电路具有与第二电感模块串联的第二电容模块，所以第二电路的阻抗在谐振时是低的，在第二谐振频率下具有最小值。由于第二电路与第一电路并联，所以第二电路的低阻抗促使传输拾取电路的阻抗是低的。

由于在本实施例中传输拾取电路具有低于第一电路的阻抗，所以当在使用中负载形成无穷高的阻抗时，从电缆拾取的功率在电缆频率下进一步减少。

当负载的阻抗降低时，在电缆频率下，负载相对于第二电容模块而言变得更加主导，所以有效地减小了串联谐振。这使得可以向负载传输功率。在其中负载阻抗接近于零的情况下，第二电容模块被完全绕过，并且在有或没有第二电容模块的情况下的电路的性质变成相等的。

优选地，在电缆频率下，当在实际中负载阻抗无穷高时，第二电路的阻抗低于第一电路的阻抗。

由于第二电路的阻抗低于第一电路的阻抗，所以传输拾取电路的阻抗显著地减小。

在优选实施例中，优选地，所述装置包括被布置成从整流器的输出侧对负载进行供电的整流器和被连接到被布置成与负载并联的整流器的输出侧的电容储蓄器模块。

由于所述装置与第二电容模块并联且被布置成从整流器的输出侧对负载进行供应，所以增加的负载电阻仍导致第二电路的电阻增加。

由于电容储蓄器模块与负载并联且在整流器后面，所以存在用于负载的能量的储蓄器，使得可存在于电压和电流中的整流器的输出侧的脉动被消除。

优选地，所述装置包括被布置成与负载和电容储蓄器模块串联的第三电感模块。

电容储蓄器模块当在整流器的输出侧的交变电压达到阈值值时加载。因此，其在整流器的输出侧的交变电压的顶点处加载。此加载特性可干扰谐振传输拾取电路的谐振。第三电感模块的电感的优点是谐振电路被相对均匀地加载，并且次级谐振电路受到较少的干扰。

优选地，一种用于提供交变源电流的源，其中，该源被布置成改变电缆频率。

由于该源可以改变电缆频率，所以可以改变电缆上的功率传输拾取的阻抗以适应被耦合到电缆的电感耦合功率传输拾取的数目。并且，可以使用频率之间的开关作为用于被耦合到电缆的电感耦合功率传输拾取的信号。

现在将仅以示例的方式参考附图来描述本发明的实施例，在所述附图中相应的符号指示相应部分。

附图说明

图1描绘了根据本发明的电感耦合功率传输系统，

图2a描绘了图1的电感耦合功率传输系统的电路表示，

图2b描绘了图1的电感耦合功率传输系统的电路表示，

图3描绘了当在图2b的传输拾取电路中负载处于额定值时的在不同频率下从电缆拾取的功率，

图4描绘了当在图2b的传输拾取电路中负载处于额定值时的在不同频率下的最大初级变压器电压，

图5描绘了在具有作为到图2b的传输拾取电路的负载的非常高的阻抗的情况下在不同频率下从电缆拾取的功率，

图6描绘了在具有作为到图2b的传输拾取电路的负载的非常高的阻抗的情况下的不同频率下的最大初级变压器电压，

图7描绘了图1的电感耦合功率传输系统的电路表示，

图8描绘了当在图7的传输拾取电路中负载处于额定值时的在不同频率下从电缆拾取的功率，

图9描绘了当在图7的传输拾取电路中负载处于额定值时的在不同频率下的最大初级变压器电压，

图10描绘了在具有作为到图7的传输拾取电路的负载的非常高的阻抗的情况下在不同频率下从电缆拾取的功率，

图11描绘了在具有作为到图7的传输拾取电路的负载的非常高的阻抗的情况下在不同频率下的在初级变压器电压以上的最大电压，

图12描绘了图1的电感耦合功率传输系统的替换细节。

具体实施方式

在传输电路中没有电容模块的示例

在根据本发明的实施例的示例中，电源(1)被布置成用电流源来向电缆(2)供应交变电流。这在图1中示出。包括铁氧体元件(4)的功率传输拾取器(3)被接近于电缆放置(图2a和图2b)。功率传输拾取器还包括围绕铁氧体元件(4)的次级绕组(17)。铁氧体元件(4)形成变压器的芯并至少部分地在次级绕组内。功率传输拾取器(3)被放置成使得在电缆(2)与功率传输拾取器(3)之间存在电感耦合。

图2a示出了功率传输拾取器(3)的电路图。功率传输拾取器(3)还包括第一电容模块(7)。第一电容模块(7)被并联地连接到次级绕组(17)，并且第一电容模块与次级绕组的组合形成第一电路(8)。

出于使用电路图来解释本发明的目的，可以将次级绕组建模为理想变压器的次级部分(5)和与理想变压器的次级部分(5)并联的第一电感模块(6)。第一电感模块(6)表示变压器的磁化电感。图2b示出了使用此模型的功率传输拾取器的电路图。该功率传输拾取器还包括与第一电路(8)并联连接的第二电路(9)。第二电路(9)包括第二电感模块(10)。

在图2a和图2b中，示出了具有经由与第二电感模块(10)串联的连接装置(16)被连接到第二电路(9)的负载的电路图。该连接装置(16)由用于插头的一对插座形成。

负载是可开关灯泡。该灯泡被根据需要接通和关断，这意味着负载改变。灯泡是电阻性的。当灯泡关断时，灯泡的电阻无穷高。当灯泡开启时，电阻具有额定值。负载被通过插头连接到所述装置。这促进灯泡的快速且容易的交换。

第一电路和第二电路一起形成谐振的传输拾取电路。为了解释本发明和用于传输拾取电路中的部件的值的选择，将描述多个不同情况。

第一电容模块(7)具有电容Cp，其具有约64nF的值。第二电感模块(10)是具有820uH的电感Ls的线圈。第一电感模块(6)具有1944uH的值Lp，即变压器的次级绕组具有1944uH的电感。

选择这些值是为了布置传输拾取电路的谐振频率(ftransferpick-up)在负载短路(即具有零阻抗)时接近于26kHz的电缆频率。因此使用下式来选择该值

$f_{transferpick-up}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{L_p{L}_s}{L_p+L_s}{C}_p}}$

如技术人员将认识到的，并非所有值都可容易地用于电容器、线圈和变压器，使得谐振频率(f_{transferpick-up})可少许偏离准确的电缆频率。在本示例中，不容易获得具有64nF的电容值的电容器(即作为默认不生产具有此值的电容器)。

因此，第一电容模块(7)包括具有作为默认值的值56nF和8.2nF的被并联连接的两个电容器。另外，在电容器、线圈和变压器上通常存在大的生产公差。例如，由于生产公差，电容器的值以50％、10％、5％或1％改变，并且线圈的电感可以20％或10％改变。此外，谐振在其中谐振处于最大值的频率周围的频率范围内发生。

在这种情况下，根据部件的额定值的组合谐振频率具有约26.197kHz的值，即其距离电缆频率小于一个百分比。

交变电流由电源(1)的电流源供应。在图3中针对一定范围的频率示出了被传输到负载的功率(负载功率)。图3显示负载功率对于所选值而言处于或接近于最大值。

上述值针对其中负载在使用期间具有诸如预定的值即具有额定值的情况被选择的。在这种情况下其为约61Ω。

然而，用于Lp、Ls和Cp的值是通过忽视额定负载而选择的。这对设计其中负载的阻抗并未(精确地)已知的电路有用。当设计传输拾取器时，可以通过改变Cp、或Lp或Ls的值使用用于灯泡的阻抗值来布置峰值的最大值(其处于传输拾取电路的谐振频率下)尽可能接近于电缆频率。这是通过根据下式对用于传输拾取电路的复阻抗的等式求解以针对某个负载阻抗(Zload)具有零虚部而完成的

其中，Z用来指示阻抗，并且用来指示虚部。

图4示出了针对与图3相同的情况下的作为电缆频率的函数的最大初级变压器电压(在图中称为Vpeak)。最大初级变压器电压是在功率传输拾取器处的电缆所经历的最大电压降。该电压降由于电流是交变电流而随时间推移而改变。由于交变电流是由电流源供应的，所以电缆所经历的电压降对应于从电缆拾取的功率。

在负载具有无穷高阻抗的情况下，由功率传输电路拾取的功率在电缆中的交变电流的不同频率下达到峰值。在图5中，示出了其中负载具有非常高的阻抗的情况。当负载具有非常高的阻抗时从电缆拾取的功率的性质(behaviour)近似当负载具有无穷阻抗时的性质。图6示出了针对这种情况的最大初级变压器电压。

初级变压器电压被变压器的芯(4)限制于5.0V。由于芯(4)是由铁氧体制成的，所以其在约0.3至0.5泰斯拉的通量密度下饱和。通量密度由下式确定

$B_{max}=\frac{U_{max}}{2{\mathrm{\πfNA}}_e}$

其中，Umax是变压器上的峰值电压，Ae是芯的有效横截面，N是绕组的数目且是f频率。

如果负载具有无穷高阻抗，则第二电路也具有无穷高阻抗，并且有效地，第二电路与谐振传输拾取电路的性质无关。传输拾取电路的谐振由第一电路确定，该第一电路具有在约15kHz的频率下具有最大值的谐振。为了与功率传输电路中的其它谐振频率区别开，此谐振频率还将被称为第一谐振频率。

第一谐振频率(f_first)、第一电感模块的磁化电感和第一电容模块的电容之间的关系由下式给出

$f_{first}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_p{C}_p}}.$

此公式还被用来选择用于第一电感模块的磁化电感和第一电容模块的电容的值。

在此第一谐振频率下，芯(4)是饱和的。由于芯是饱和的，所以由功率传输拾取器拾取的功率是有限的，并且最大初级变压器电压是有限的。

如从上文给出的频率以及从图3和5或图4和6的比较显而易见的，包括具有额定阻抗的负载的传输拾取电路(将第一电路(8)与第二电路(9)组合的电路)的谐振频率比第一谐振频率更接近于电缆频率。

在传输电路中具有电容模块的示例

在根据本发明的优选实施例的示例中，功率传输电路如上所述，但是第二电路另外包括与用于向负载传输功率的装置(16)并联的第二电容模块(11)。第二电容模块(11)还与第二电感模块(10)串联。第二电容模块(11)具有用于电容的值Cs。当没有负载被连接到装置(16)并被单独地从传输拾取电路的其余部分分开时，第二电路具有在由下式确定的第二谐振频率(fsecond)下具有最大值(即最小阻抗)的谐振

$f_{\sec ond}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_s{C}_s}}$

在本示例中，额定值Cs是44nF，导致约26,496kHz的用于第二电路的第二谐振频率(fsecond)的值。虽然此偏离电缆频率小于2％，但可以使用容易可用的部件。第二电容模块(11)包括具有值22nF和22nF的并联连接的两个电容器，其是容易可用部件。技术人员将认识到在本发明的其它示例中，可以在第二电容模块中使用单个容易可用电容器。

图8示出了用于其中负载具有标称阻抗的情况的针对不同电缆频率的用于本实施例的被传输到负载的功率。如在早先的示例中一样，此额定负载阻抗为约61Ω。

应将此图8与图3相比较以便比较有和没有第二电容模块的情况。根据比较，对于技术人员而言显而易见的是具有第二电容模块(11)的传输拾取电路的性质与没有第二电容模块(11)的传输拾取电路的性质相当。

另外，图9示出了用于第二电容模块(11)的电容的此值的最大初级变压器电压。应将此图9与图4相比较以便比较有和没有第二电容模块的情况。根据比较，对于技术人员而言显而易见的是具有第二电容模块(11)的传输拾取电路的性质与没有第二电容模块(11)的传输拾取电路的性质相当。在图10和11中示出了第二电容模块(11)的存在的优点。

图11示出了负载非常高时的传输拾取电路的性质。该性质近似其中负载不存在(即具有无穷阻抗)的情况。在这种情况下，所示的是作为电缆频率的函数的最大初级变压器电压的形式的性质。在这里，如在没有次级电容模块(11)的情况中一样，最大初级变压器电压在芯(4)在一定频率范围内但不是在电缆频率下饱和时削波。如上文所讨论的，第二电路在电缆频率下具有第二谐振频率(即其偏离这么多，从而允许使用在市场上可用的具有默认值的部件)。由于第二电路是串联电路，所以第二电路在第二谐振频率下形成短路(与第一电路并联)。该电缆频率并不精确地是第二谐振频率，但是在该电缆频率下，第二电路的阻抗仍是低的。第二电容模块的优点是在26kHz的电缆频率下，传输拾取电路形成比第一电路将有的更低的到电缆的阻抗。在本示例中，甚至最大初级变压器电压也是可忽略的，因为第二电路的阻抗非常低且比第一电路的阻抗低得多。这对应于从电缆拾取的功率在图10中的26kHz的电缆频率下是可忽略的。这意味着由于第二电容模块(11)的存在且用用此电缆频率下的第一电感模块、第二电感模块、第一电容模块和第二电容模块的值，如果不存在被连接到功率传输拾取器的负载(或者如果负载被关断)，则不存在从电缆(2)拾取的功率，并且功率传输拾取器(3)将不影响其被耦合到的电感耦合功率传输系统。

类似于图11，图10示出了作为当不存在以被作为电缆频率的函数传输到负载的功率的形式的负载时的性质的近似的负载非常高时的传输拾取电路的性质。传输拾取电路现在具有第三谐振频率，其在电缆频率以上。

具有整流器的示例

在另一实施例(图12)中，第一电容模块(7)包括被相互并联连接的两个电容器(71、72)，其中，一个电容器(71)具有33nF的值且另一电容器(72)具有100nF的值。

在本实施例中，次级电容模块(11)还包括被相互并联连接的两个电容器(111、112)。一个电容器(111)具有4.7nF的值且另一电容器具有56nF的值。

次级绕组的磁化电感(Cp)具有847uH的值，并且第二电感模块的电感具有1000uH的值。

用这些值，传输拾取电路被布置成当电缆频率在20与21kHz之间切换时从电缆拾取功率。这意味着电缆频率在20kHz至21kHz的电缆频率范围内，21kHz是频率上限。负载、在本示例中为LED灯的预定阻抗是220Ω。传输拾取电路的谐振频率在电缆频率范围内。当具有预定阻抗的负载被连接时，谐振频率也在电缆频率范围内。

功率传输拾取电路还包括整流器电路(13)。该整流器被布置成在其输出端侧提供单向(但仍变化的)电压。

在输出侧，存在47μF的电容器(14)。负载(12)被并联连接到电容器。电容器(14)和负载(12)两者与820μΗ的电感器(15)串联都被连接到整流器(13)。

虽然已描述了本发明的特定实施例，但本领域的技术人员将认识到的是可除如所述的那样之外地实施本发明，但是仍根据本发明的教导。例如，功率传输系统可以包括多于一个的功率传输拾取器并向诸如开关式电源、电阻器和LED灯之类的不同性质的负载组合供应功率。负载也可以是传感器。该传感器还可以经由功率传输拾取器向被连接到电缆(2)的其它部件进行通信。

另外，第二电感模块可包括一个或多个线圈。此外，该整流器可以是半波整流器。并且，第二谐振频率可偏离电缆频率，使得当负载具有无穷阻抗时，第二电路的阻抗比第一电路的阻抗小至少10、20、50或100倍。

Claims (7)

1.一种功率传输系统，包括用于从载送交变源电流的电缆电感地拾取功率的传输拾取电路，包括

—第一电路，包括用于提供到电缆的电感耦合的变压器的次级绕组和被并联连接到变压器的第一电容模块；

其特征在于

所述传输拾取电路包括

—第二电路，被并联连接到第一电路并包括第二电感模块和用以向负载传输功率的装置，该装置与第二电感模块串联。

2.根据权利要求1所述的功率传输系统，其中

—所述交变源电流以电缆频率进行交变；并且其中

所述第一电路在电缆频率以下的第一谐振频率周围的第一频率范围内具有第一谐振，并且功率传输系统被布置成使得当在使用中时第二电路形成无限高阻抗，变压器在电缆频率不饱和。

3.根据权利要求2所述的功率传输系统，其中

—所述第二电路具有与第二电感模块串联且与所述装置并联地布置的第二电容模块，并且其中

—所述第二电容模块和所述第二电感模块被布置成用于当在实际中负载阻抗无穷高时在第二谐振频率周围的第二频率范围内具有第二谐振，并且其中，所述第二谐振被布置成使得当在在实际中负载阻抗无穷高时传输拾取电路的阻抗在电缆频率低于第一电路的阻抗。

4.根据权利要求3所述的功率传输系统，其中，在电缆频率，当在实际中负载阻抗无穷高时，第二电路的阻抗低于第一电路的阻抗。

5.根据权利要求3或4所述的功率传输系统，其中，所述装置包括被布置成从整流器的输出侧对负载供电的整流器和被布置成与负载并联的被连接到整流器的输出侧的电容储蓄器模块。

6.根据权利要求5所述的功率传输系统，其中，所述装置包括被布置成与负载和电容储蓄器模块串联的第三电感模块。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的功率传输系统，包括用于提供交变源电流的源，其中，所述源被布置成改变电缆频率。