CN105375647A - 用于非接触式功率交换的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了非接触式功率传递系统。该非接触式功率传递系统包含：被配置为交换功率的第一功率交换线圈，操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈，以及操作地耦合到开关元件的控制器。控制器被配置为控制开关元件的开关操作以主动地控制在功率配偶线圈中的电流以匹配第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够功率交换。

Description

用于非接触式功率交换的系统和方法

背景技术

本发明的实施例一般涉及功率传递系统，以及更具体地，涉及用于非接触式功率交换的系统。

功率传递系统用于将功率从一个对象传送到另一个对象。基于传送功率的方法，功率传递系统可以被分类成在传送器和接收器之间使用物理连接来传送功率的功率传递系统和非接触式功率交换的系统，在非接触式功率交换的系统中，在传送器和接收器之间没有物理连接。

非接触式功率交换的系统可以利用用于无线地传送功率的各种方法。一种此类方法可以包含电感耦合系统，该电感耦合系统还可以包含传送器线圈和接收器线圈。在这种方法中，传送器线圈和接收器线圈两者可以被电感耦合到各自的变压器绕组以及可以基于电感耦合传送功率。

在一种可替代方法中，可以使用用于非接触式功率交换的基于谐振器的系统。一种此类基于谐振器的系统可以包含三线圈系统。三线圈系统可以包含：传送器线圈、接收器线圈和用于增强在传送器线圈和接收器线圈之间的谐振耦合的谐振器。在另一种方法中，多个谐振器也可以用于非接触式功率交换。

尽管所有上述方法使用非接触式介质来交换功率，但是没有一种方法提供使用具有不同规范的传送器线圈和/或接收器线圈的灵活性。在诸如EV充电的某些应用中，传送器线圈或充电站可能具有可能与车辆中的接收器线圈不兼容的一个规范集。在传送器线圈和接收器线圈之间的此类不兼容问题可能造成对消费者的不希望的约束，需要使用改进的系统来解决该不希望的约束。

发明内容

简略地，依照一个实施例，提供了非接触式功率传递系统。该非接触式功率传递系统包含：被配置为用于非接触式功率交换的第一功率交换线圈，操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈，以及操作地耦合到开关元件的控制器。控制器被配置为控制开关元件的开关操作以主动地控制在功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以匹配第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够非接触式交换功率。

在另一个实施例中，提供了用于非接触式功率交换的系统。该系统包含非接触式功率传递系统，该非接触式功率传递系统包含被配置为用于非接触式功率交换的第一功率交换线圈，操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈，以及操作地耦合到开关元件的控制器。控制器被配置为控制开关元件的开关操作以主动地控制在功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以匹配第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够非接触式交换功率。该系统还包含：第二功率交换线圈，其操作地耦合到非接触式功率传递系统以及被配置为经由磁场与第一功率交换线圈来交换功率。

在又一个实施例中，提供了一种用于非接触式功率交换的方法。该方法包含：操作地耦合具有第一阻抗的第一功率交换线圈和具有第二阻抗的第二功率交换线圈。该方法还包含：将第一功率交换线圈操作地耦合到功率配偶线圈。该方法还包含：主动地控制在功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以将第一功率交换线圈的第一阻抗修改为匹配第二功率交换线圈的第二阻抗以及使得在第一功率交换线圈和第二功率交换线圈之间能够非接触式交换功率。

提供了以下技术方案：

1.一种非接触式功率传递系统，包括：

被配置为用于非接触式功率交换的第一功率交换线圈；

操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈；以及

操作地耦合到所述开关元件的控制器，其中所述控制器被配置为控制所述开关元件的开关操作以主动地控制在所述功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以匹配所述第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够非接触式交换功率。

2.技术方案1所述的非接触式功率传递系统，其中所述第一功率交换线圈在第一操作频率处进行操作，以及所述功率配偶线圈在第二频率处进行操作，其中所述第一频率不同于所述第二频率。

3.技术方案1所述的非接触式功率传递系统，还包括第二功率交换线圈，其被配置为用于与所述第一功率交换线圈进行非接触式功率交换。

4.技术方案3所述的非接触式功率传递系统，其中所述第一功率交换线圈被配置为接收来自所述第二功率交换线圈的功率或将功率传送给所述第二功率交换线圈。

5.技术方案1所述的非接触式功率传递系统，还包括操作地耦合到所述第一功率交换线圈、所述第二功率交换线圈或所述功率配偶线圈的用于聚焦磁场的场聚焦元件。

6.技术方案5所述的非接触式功率传递系统，其中所述场聚焦元件包括至少一个谐振器，以及其中所述至少一个谐振器被配置为使得在所述第一功率交换线圈与第二功率交换线圈之间能够双向传递功率和数据信号。

7.技术方案6所述的非接触式功率传递系统，其中所述至少一个谐振器包括被布置成阵列的多个谐振器，以及所述多个谐振器朝向所述第一功率交换线圈或第二功率交换线圈的方向聚焦所述多个谐振器的所产生的磁场。

8.技术方案7所述的非接触式功率传递系统，其中所述多个谐振器被配置为在两个或更多不同谐振频率处同时操作以使得在所述第一功率交换线圈与所述第二功率交换线圈之间能够双向传递功率和数据信号。

9.技术方案1所述的非接触式功率传递系统，还包括多个第一功率交换线圈和多个功率配偶线圈，其中第一功率交换线圈中的每个第一功率交换线圈操作地耦合到对应的功率配偶线圈，以及功率配偶线圈中的每个功率配偶线圈的开关单元被个体地控制以选择性地使得能够来自一个或多个第一功率交换线圈的功率传递。

10.技术方案1所述的非接触式功率传递系统，其中所述开关元件包括：绝缘栅门极晶体管（IGBT）、半导体控制整流器（SCR）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），或机械开关。

11.一种用于非接触式功率交换的系统，包括：

非接触式功率传递系统，包括：

被配置为用于非接触式功率交换的第一功率交换线圈；

操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈；以及

操作地耦合到所述开关元件的控制器，其中所述控制器被配置为控制所述开关元件的开关操作以主动地控制在所述功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以匹配所述第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够功率交换；以及

第二功率交换线圈，其操作地耦合到所述非接触式功率传递系统以及被配置为用于经由磁场与所述第一功率交换线圈进行非接触式功率交换。

12.技术方案11所述的系统，其中所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈被配置为在第一频率处进行操作，以及所述功率配偶线圈被配置为在第二处进行操作，其中所述第一频率不同于所述第二频率。

13.技术方案11所述的系统，还包括被布置在所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间的场聚焦元件，其中所述场聚焦元件被配置为在所述第一功率交换线圈或所述第二功率交换线圈的方向中聚焦磁场。

14.技术方案13所述的系统，其中所述场聚焦元件包括至少一个谐振器，所述至少一个谐振器被配置为使得在所述第一功率交换线圈与所述第二功率交换线圈之间能够双向传递功率和数据。

15.技术方案14所述的系统，其中所述至少一个谐振器包括被布置成阵列的多个谐振器，以及其中所述多个谐振器在所述第一功率交换线圈或所述第二功率交换线圈的方向中聚焦所述多个谐振器的所产生的磁场。

16.技术方案15所述的系统，其中所述多个谐振器被配置为在两个或更多不同谐振频率处同时操作以使得在所述第一功率交换线圈与所述第二功率交换线圈之间能够双向传递功率和数据信号。

17.技术方案11所述的系统，还包括多个第一功率交换线圈和多个功率配偶线圈，其中第一功率交换线圈中的每个第一功率交换线圈操作地耦合到对应的功率配偶线圈，以及功率配偶线圈中的每个功率配偶线圈的开关单元被个体地控制以选择性地使得能够来自一个或多个第一功率交换线圈的功率传递。

18.一种用于非接触式功率交换的方法，包括：

操作地耦合具有第一阻抗的第一功率交换线圈和具有第二阻抗的第二功率交换线圈；

将功率配偶线圈操作地耦合到所述第一功率交换线圈；以及

主动地控制在所述功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以修改所述第一功率交换线圈的所述第一阻抗以匹配所述第二功率交换线圈的所述第二阻抗以及使得在所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间能够非接触式交换功率。

19.技术方案18所述的方法，其中主动地控制在所述功率配偶线圈中的电流的幅值和相位包括在所述第一功率交换线圈、所述第二功率交换线圈和所述功率配偶线圈之间执行频率扫描，其中执行所述频率扫描确定操作地耦合到所述功率配偶线圈的开关单元的占空比以将所述第一阻抗修改为匹配所述第二功率交换线圈的所述第二阻抗，以及使得在所述第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间能够非接触式交换功率

20.技术方案18所述的方法，还包括提供多个第一功率交换线圈和多个功率配偶线圈，其中第一功率交换线圈中的每个第一功率交换线圈操作地耦合到对应的功率配偶线圈，其中在功率配偶线圈中的每个功率配偶线圈中的电流可以个体地被控制以使所述一个或多个第一功率交换线圈的所述第一阻抗匹配所述第二功率交换线圈的所述第二阻抗，以使得在所述一个或多个第一功率交换线圈和所述第二功率交换线圈之间能够非接触式交换功率。

附图说明

当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将更好地被理解，在附图中，贯穿于附图，相同的字符表示相同的部分，其中：

图1是依照本发明的实施例的非接触式功率传递系统的示意图。

图2是依照本发明的实施例的包含图1的非接触式功率传递系统的非接触式功率交换系统的示意图。

图3是依照本发明的实施例的具有包含操作地耦合到第一功率交换线圈的场聚焦元件的非接触式功率传递系统的非接触式功率交换系统的示意图。

图4是依照本发明的实施例的形成场聚焦元件的各种谐振器结构的示意图。

图5是依照本发明的实施例的被配置为形成场聚焦元件的示例谐振器阵列的示意图。

图6是依照本发明的实施例的用于图3的非接触式功率交换的系统的另一个实施例的示意图。

图7是依照本发明的实施例的用于图3的非接触式功率交换的系统的又一个实施例的示意图。

图8是依照本发明的实施例的包含多个第一功率交换线圈和多个功率配偶线圈的非接触式功率交换系统的示意图。

图9是依照本发明的实施例的包含非接触式功率交换系统的示例电动车辆充电系统的示意图。

图10是依照本发明的实施例的图9的电动车辆充电系统的可替代实施例的示意图。

图11是依照本发明的实施例的表示在用于非接触式功率交换的方法中所涉及的步骤的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例包含用于非接触式功率交换的系统和方法。该系统包含非接触式功率传递系统，该非接触式功率传递系统还包含被配置为用于非接触式功率交换的第一功率交换线圈，操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈，以及操作地耦合到开关元件的控制器。该控制器被配置为控制开关元件的开关操作以主动地控制在功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以匹配第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够非接触式交换功率。该系统还包含：第二功率交换线圈，其操作地耦合到非接触式功率传递系统以及被配置为经由磁场与第一功率交换线圈进行非接触式功率交换。

除非以其他方式限定，否则本文中使用的技术和科学术语具有由本公开所属于的技术领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。如本文中使用的词语“第一”，“第二”以及诸如此类不表示任何顺序，数量，或重要性，而是相反用于使一个元素区分另一个元素。此外，词语“一个”和“一种”不表示数量的限制，而是相反表示存在所引用的项目中的至少一个项目。词语“或”意味的是包含性的以及意味着所列出的项目中的一个、一些或所有项目。在本文中的“包含”、“包括”或“具有”及其变型的使用意味的是涵盖其后所列出的项目及其等同以及另外的项目。特别地，除非以其他方式指示，否则词语“耦合”包含谐振耦合，谐振耦合被定义为在两个或多个谐振器之间的耦合，使得当在特定频率处被激励时，它们能够交换功率。词语“交换”和“传递”可以在说明书中可替换地使用以及传达相同的含义。除非以其他方式指定，否则词语“交换”可以被定义为用于本说明书的目的的非接触式功率交换。

图1是依照本发明的实施例的非接触式功率传递系统100的示意图。非接触式功率传递系统100包含被配置为交换功率的第一功率交换线圈110。第一功率交换线圈110操作地耦合到负载120，该负载120从第一功率交换线圈110接收功率。第一功率交换线圈110磁耦合到功率配偶线圈130。功率配偶线圈130操作地耦合到开关元件140。在一个实施例中，开关元件140可以包含：绝缘栅门极晶体管（IGBT）、半导体控制整流器（SCR）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），或机械开关。开关元件140用于改变在功率配偶线圈130中的电流的幅值和相位以用于匹配第一功率交换线圈110的阻抗。为此，开关元件140操作地耦合到控制器150，控制器150控制开关元件140的开关操作。控制器150主动地控制在功率配偶线圈130中的电流的幅值和相位以匹配第一功率交换线圈110的阻抗，其进一步使得能够功率交换。在本说明书中随后论述通过控制器150来主动控制电流的幅值和相位的进一步细节。在下文中，词语“主动控制”可以被定义为使用外部的门脉冲使开关元件140在导通状态和非导通状态之间进行转换的控制方案。可以由控制器150将此类外部的门脉冲提供给开关元件140以用于改变在功率配偶线圈130中的电流的幅值和相位以及用于匹配第一功率交换线圈110的阻抗。

参照图2，非接触式功率传递系统100可以操作地耦合到第二功率交换线圈160以形成对于如图2中描绘的非接触式功率交换的系统200。第二功率交换线圈160操作地耦合到线圈电容器170以及可以包含由电阻器180所描绘的内部电阻。在非接触式功率传递系统100中的第一功率交换线圈110经由磁场190与第二功率交换线圈160交换功率。在示例性实施例中，第二功率交换线圈160可以被配置为作为传送器线圈进行操作，而第一功率交换线圈110可以被配置为作为接收器线圈进行操作。然而，基于系统要求，在不同的实施例中，第一功率交换线圈110或第二功率交换线圈160中的任何一个可以被配置为作为传送器线圈或接收器线圈来进行操作。在一些实施例中，功率交换线圈110和160可以同时担当传送器和接收器以允许同时双向功率交换。例如，可以在系统200中在传送器端210来提供非接触式功率传递系统100。在此类配置中，第一功率交换线圈110可以将功率传送给第二功率交换线圈160。类似地，可以在系统200中在接收器端220来提供非接触式功率传递系统100，以及第一功率交换线圈110可以被配置为接收来自第二功率交换线圈160的功率。在一个实施例中，场聚焦元件（图3）可以被添加到用于非接触式功率交换的系统200以增强在第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160之间的耦合。在另一个实施例中，可以将一个或多个中继谐振器（未示出）添加到用于非接触式功率交换的系统200以增加在第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160之间的预定距离（图3）。在一些实施例中，用于非接触式功率交换的系统200可以包含：场聚焦元件、一个或多个中继谐振器，或它们的组合。在另一个实施例中，可以将场聚焦元件、一个或多个中继谐振器，或它们两者放置在传送器端210处、接收器端220处或它们的组合处。出于更好的理解，论述在用于交换功率的系统200中在接收器端220处提供非接触式功率传递系统100的实施例。

在一个特定的实施例中，以及继续参照图2，第二功率交换线圈160可以电耦合到电源230，以及第一功率交换线圈110可以电耦合到负载120。在示例实施例中，负载120可以包含能量储存设备。第二功率交换线圈160接收来自电源230的功率并且将该功率转变成磁场190。经由磁场190将该功率传送给非接触式功率传递系统100。如上所述，非接触式功率传递系统100包含：功率配偶线圈130以匹配第一功率交换线圈110的阻抗以使得在第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160之间能够交换功率。在一个实施例中，第一功率交换线圈110可以在第一操作频率处进行操作，以及功率配偶线圈130可以在第二操作频率处进行操作，其中第一操作频率不同于第二操作频率。

首先，在操作期间，非接触式功率传递系统100和第二功率交换线圈160被放置在预定距离240内，使得在第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160之间的距离不超过预定距离240。可以注意的是，第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160可能彼此不兼容，以及可能不能交换功率。由于第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160的不同规范，因此可以观察到在第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160之间的此类不兼容性。在一个实施例中，规范可以包含：第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160的操作频率，在第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160的线圈设计中的差别，第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160的阻抗，或可能影响在两个功率交换线圈之间的磁耦合的任何其它参数。因此，为了克服在第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160之间的不兼容性，由控制器150来主动地控制在功率配偶线圈130中的电流的幅值和相位以使第一功率交换线圈110的阻抗与第二功率交换线圈160的阻抗匹配。

为此，控制器150执行频率扫描以识别可以使得在第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160之间能够交换功率的开关元件140的占空比。在一个实施例中，可以基于使用预定占空比的命中和试验（hitandtrial）方法，来执行频率扫描。在另一实施例中，开关元件140的预定占空比可以被储存在控制器的存储器（未示出）中。预定的占空比可以表示开关元件140的不同的操作频率，其进而表示功率配偶线圈130的操作频率。功率配偶线圈130的不同的操作频率导致第一功率交换线圈110的不同阻抗，第一功率交换线圈110的不同阻抗可以与当前可以使用的不同的第二功率交换线圈配置的阻抗匹配。在一个实施例中，可以在预定义的时间间隔处在控制器150中更新第二功率交换线圈配置，以提供具有最大数量的不同的第二功率交换线圈配置的兼容性和互操作性。

尽管执行频率扫描，但是控制器150实施每个占空比以基于该占空比来向开关元件140提供门脉冲。门脉冲式使得开关元件140能够在导通状态和非导通状态之间转换。此类转换主动地控制在功率配偶线圈130中的电流的幅值和相位。因此，因为功率配偶线圈130磁耦合到第一功率交换线圈110，所以在电流中的幅值和相位的变化导致在第一功率交换线圈110的阻抗中的改变。在第一功率交换线圈110的阻抗中的这种改变用于匹配第二功率交换线圈160的阻抗。

此外，由于如上所述在预定距离240内的第二功率交换线圈160的放置，因此当第一功率交换线圈110的阻抗与第二功率交换线圈160匹配时，第二功率交换线圈160磁耦合到第一功率交换线圈110，以及功率交换可以开始。控制器150使用这个原理以识别使第一功率交换线圈110的阻抗与第二功率交换线圈160的阻抗匹配的占空比。在一个实施例中，控制器150可以获得来自第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160的功率交换数据（未示出）以确定由控制器150实施的占空比是否使第一功率交换线圈110的阻抗与第二功率交换线圈160的阻抗匹配。类似地，控制器150实施每个占空比直到控制器150识别使第一功率交换线圈110的阻抗与第二功率交换线圈160的阻抗匹配的占空比。在一个实施例中，控制器150可以顺序地或随机地实施每个占空比。此外，在识别了使第一功率交换线圈110的阻抗与第二功率交换线圈160匹配的占空比时，控制器150继续使用相同的占空比直到完成功率交换。在另一个实施例中，控制器150可以在交换功率时，基于在正在被交换的功率，或在用于非接触式功率交换的系统200中的一个或多个线圈的温度中的改变，来修改所识别的占空比，以维持最优的效率和功率传递能力。

图3是依照本发明的实施例的具有包含操作地耦合到第一功率交换线圈110的场聚焦元件270的非接触式功率传递系统260的非接触式功率交换系统250的示意图。场聚焦元件270增强在第一功率交换线圈110与第二功率交换线圈160之间的磁耦合。在一个实施例中，场聚焦元件270可以被放置在第一功率交换线圈110与第二功率交换线圈160之间。在另一个实施例中，场聚焦元件270可以聚焦由第二功率交换线圈160传送给第一功率交换线圈110的磁场190，或从第一功率交换线圈110传送到第二功率交换线圈160上的磁场190。在特定实施例中，场聚焦元件270可以包含至少一个谐振器，以及该至少一个谐振器可以被配置为使得在第一功率交换线圈110与第二功率交换线圈160之间能够双向传递功率和数据信号。

图4描绘了可以形成在图3的非接触式功率传递系统260中的场聚焦元件270的至少一个谐振器的各种结构。在一个实施例中，场聚焦元件270可以包含单个环路线圈280。在另一个实施例中，场聚焦元件270可以包含诸如在开口环结构290、盘旋结构300、瑞士卷（Swiss-roll）结构310或螺旋线圈320中的多个匝数。通过场聚焦元件270的大小和自谐振频率来确定对于特定应用的结构的选择。

返回参照图3，在一个实施例中，场聚焦元件270的端272、274（图4）可以耦合到形成如在图3中所表示的电容性负载线圈的场聚焦电容器330。当激励时，此类电容性负载线圈放大从第二功率交换线圈160接收的磁场190，以及将所放大的磁场（未示出）传送给第一功率交换线圈110。

在另一个实施例中，可以使场聚焦元件270的端272、274断开，以及场聚焦电容器330可以不耦合到场聚焦元件270的端272、274。在此类实施例中，场聚焦元件270表现为自谐振线圈，以及当在场聚焦元件270的谐振频率处来激励第二功率交换线圈时，可以在场聚焦元件270的端272、274之间在场聚焦元件270内形成驻波电流分布。驻波电流分布可以导致在场聚焦元件270附近的非均匀磁场分布。此类非均匀磁场分布可以被配置为在任何希望的方向中对磁场190进行聚焦，诸如在这个示例中在第一功率交换线圈110的方向中。当在谐振频率处操作时，甚至场聚焦元件270的小激励也产生沿着场聚焦元件270的长度的大幅值的电流分布。非均匀分布的大电流幅值可以导致在第一功率交换线圈110的方向中的放大的和聚焦的磁场，该放大的和聚焦的磁场导致更高效的功率传递。在2014年3月18日发布的共同受让的的美国专利8674550中描述了场聚焦元件270的操作的更多细节，通过整体引用将该专利并入本文。

此外，图5描绘了场聚焦元件270的示例实施例的示意图，该场聚焦元件270可以包含被布置成阵列350的多个谐振器340，以及该多个谐振器340朝向第一功率交换线圈110或第二功率交换线圈160的方向来聚焦多个谐振器340的所产生的磁场。更具体地，被布置成阵列350的多个谐振器340被配置为作为单个单元进行操作，其中通过在期望方向中相长干涉（相加）以获得磁场聚焦以及在剩余空间中相消干涉（彼此抵消），由在阵列350中的多个谐振器340的各自磁场来建立所产生的磁场（未示出）。尽管示出了一种形式的阵列350，但是可以有能够使用多个谐振器340来实现的各种其它形式的阵列。在特定的实施例中，其它形式的阵列可以包含二维阵列或三维阵列。可以基于系统250的配置，将所产生的磁场传送给第一功率交换线圈110或第二功率交换线圈160。此外，在特定的实施例中，多个谐振器340可以被配置为在两个或更多不同谐振频率处同时操作以使得在第一功率交换线圈110和第二功率交换线圈160之间能够同时双向功率和数据信号传递。

继续参照图3，除了使第一功率交换线圈110的阻抗与第二功率交换线圈160的阻抗匹配之外，功率配偶线圈130还可以补偿在从相对于第二功率交换线圈160的非接触式功率传递系统260的任何未对准所造成的相位中的改变、在第一功率交换线圈110处的负载120中的改变、由于老化和环境影响（诸如泥、冰水的沉积）在诸如第一功率交换线圈110、第二功率交换线圈160、功率配偶线圈130和场聚焦元件270的电感和电容的特性中的漂移。如本文中使用的，词语“未对准”意味着在第二功率交换线圈（例如，第二功率交换线圈160）和非接触式功率传递系统（例如，非接触式功率传递系统260）之间的任何角度偏差。注意地，场聚焦元件270、第一功率交换线圈110和功率配偶线圈130以相对固定的方位彼此耦合以及形成非接触式功率传递系统260。在系统250中的任何未对准将是在非接触式功率传递系统260和第二功率交换线圈160之间，以及不应当被解释为在非接触式功率传递系统260的个体组件之间的未对准。在示例性实施例中，第一功率交换线圈110可以操作地耦合在场聚焦元件270和功率配偶线圈130之间。在一个实施例中，功率配偶线圈130和场聚焦元件270每个可以在相对于彼此的不同谐振频率处进行操作。在另一个实施例中，功率配偶线圈130的谐振频率高于场聚焦元件270的谐振频率。这向非接触式功率传递系统260提供了电容电抗，以及补偿在系统250中的滞后功率因数。在一个实施例中，功率配偶线圈130在第一功率交换线圈110的两倍频率处进行操作。在另一个实施例中，功率配偶线圈130的谐振频率低于场聚焦元件270的谐振频率。这向非接触式功率传递系统260提供了电感电抗，以及补偿在系统250中的超前功率因数。在一个示例实施例中，场聚焦元件270的谐振频率等于第二功率交换线圈160的谐振频率，以及因此，通过延伸，功率配偶线圈130的谐振频率不同于第二功率交换线圈160的谐振频率。

在操作期间，功率配偶线圈130表现为电容器，这是因为与场聚焦元件270相比相对高的谐振频率，以及向系统250提供增加系统250的效率和功率传递能力的电容电抗。系统250的效率取决于系统250的输入功率因数，以及通过增加系统250的输入功率因数来增强系统250的效率。由功率配偶线圈130提供的电容电抗导致阻抗匹配以及减少由系统250吸取的用于将功率传送给负载120的电流，以及因此改进了系统250的输入功率因数，导致增强的效率。

此外，由功率配偶线圈130提供的电容电抗通过增加系统250的功率输出，来增加系统250的功率传递能力。在负载120处的功率输出取决于系统250的总反射阻抗。由功率配偶线圈130提供的电容电抗减少总的反射阻抗，这进而增加系统250的功率传递能力。由于系统250的增强的效率和功率传递能力，因此第二功率交换线圈160和非接触式功率传递系统260可以说是在彼此之间具有增强的耦合。

图6是依照本发明的实施例的用于图3的非接触式功率交换的系统的另一个实施例400的示意图。在这个实施例中，系统400包含非接触式功率传递系统410和第二功率交换线圈420。非接触式功率传递系统410包含：第一集成线圈430和第一功率交换线圈440。第一集成线圈430包含：电彼此耦合的场聚焦元件和功率配偶线圈。场聚焦元件和功率配偶线圈共享公共电容器450，该公共电容器450一般具有比在图3中使用的电容器的电容高的电容。当与图3的系统相比时，公共电容器的方法有助于减少成本和损耗。此外，第一集成线圈430还包含：操作地耦合到公共电容器450的开关单元460。开关单元460操作地耦合到控制器470。第二功率交换线圈420生成来自从电源490接收的功率的磁场480，以及将磁场480传送给非接触式功率传递系统410。可以从图3的系统的上述描述来参考系统的操作的进一步细节。

图7是依照本发明的实施例的用于图3的非接触式功率交换的系统的又一个实施例500的示意图。本实施例500包含非接触式功率传递系统510和第二功率交换线圈520。非接触式功率传递系统510包含：第二集成线圈530。第二集成线圈530包含：彼此电耦合以形成第二集成线圈530的场聚焦元件、功率配偶线圈和第一功率交换线圈，其中功率配偶线圈电耦合到在场聚焦元件和第一功率交换线圈之间的场聚焦元件。此外，第二集成线圈530还包含：操作地耦合到公共电容器550的开关单元540。开关单元540还耦合到控制器560，控制器560控制开关单元的开关操作以主动地控制在第二集成线圈530中的电流的幅值和相位。一般地，通过确定在由第一功率交换线圈所接收的功率和第一功率交换线圈的总的内部损耗之间的差来计算在第一功率交换线圈的输出（未示出）处的功率。总的内部损耗的一种此类成分可以包含自电感损耗。在本实施例中，与常规系统（未示出）相比，通过由功率配偶线圈提供的导致在耦合到第二集成线圈530的负载570处的更高功率的电容电抗来抵消自电感损耗。此外，本实施例使得第二集成线圈530能够共享一个电容器，建立在第一功率交换线圈和场聚焦元件之间的谐振，使第一功率交换线圈的阻抗和第二功率交换线圈的阻抗匹配，以及减少在第一功率交换线圈中的自电感损耗。可以从图3的系统上述描述来参考系统的操作的进一步细节。

图8是依照本发明的实施例的包含多个第一功率交换线圈610和多个功率配偶线圈620的非接触式功率交换系统600的示意图。多个第一功率交换线圈610中的每一个第一功率交换线圈操作地耦合到对应的功率配偶线圈620。此外，多个开关单元630可以操作地耦合到多个功率配偶线圈620。多个功率配偶线圈可以操作地耦合到控制器640，以及控制器640可以个体地控制多个开关单元630以选择性地使得在一个或多个第一功率交换线圈610和一个或多个第二功率交换线圈650之间能够功率交换。例如，系统600可以包含由标记612-618表示的四个第一功率交换线圈。四个第一功率交换线圈612-618中的每一个第一功率交换线圈可以个体地耦合到四个对应的功率配偶线圈622-628。四个功率配偶线圈612-618中的每一个功率配偶线圈可以包含可以操作地耦合到控制器640的对应的开关单元632-638。出于说明的目的，表示了仅一个第二功率交换线圈650，然而多个第二功率交换线圈650也可以用于与一个或多个第一功率交换线圈610同时交换功率。

在操作期间，在将第二功率交换线圈650放置离多个第一功率交换线圈610的预定距离660内时，控制器640检测存在第二功率交换线圈650并且选择可能需要使得能够与第二功率交换线圈650交互功率的一个或多个对应的第一功率交换线圈614、616。在一个实施例中，在用于非接触式功率交换的系统600中存在或缺少第二功率交换线圈650期间，控制器640可以基于确定在多个第一功率交换线圈的阻抗中的变化的负载检测算法，来检测第二功率交换线圈650的存在。随后，控制器640控制对应的功率配偶线圈624、626的开关单元634、636以主动地控制在对应的功率配偶线圈624、626中的电流的幅值和相位。在对应的功率配偶线圈624、626中的电流的幅值和相位的主动控制使由控制器640选择的仅一个或多个选择的第一功率交换线圈614、616的阻抗与第二功率交换线圈650匹配。这使得在一个或多个选择的第一功率交换线圈614、616与第二功率交换线圈650之间能够功率交换。

图9是依照本发明的实施例的包含用于对电动车辆720充电的非接触式功率传递系统710和充电站730的示例电动车辆充电系统700的示意图，该非接触式功率传递系统710电耦合到电动车720，该充电站730电耦合到第二功率交换线圈740。非接触式功率交换系统710还包含第一功率交换线圈（图1）、功率配偶线圈（图1）和控制器（图1），其中第一功率交换线圈可以具有第一阻抗。此外，充电站730电耦合到电源750和第二功率交互线圈740，其中第二功率交互线圈740可以具有第二阻抗。充电站730还包含指定的停车区域760，第二功率交互线圈740被放置在该指定的停车区域760内。

在示例性的对电动车辆720充电工作中，可以将电动车辆720停放在指定的停车区域760中，使得在非接触式功率传递系统710和第二功率交换线圈740之间的距离在预定距离内。然而，在非接触式功率传递系统710中的第一功率交换线圈的第一阻抗可能不同于第二功率交换线圈740的第二阻抗，这可能导致不兼容的问题。因此，在非接触式功率传递系统710中的功率配偶线圈可以将第一功率交换线圈的第一阻抗修改为匹配第二功率交换线圈740的第二阻抗。为此，在非接触式功率传递系统710中的控制器确定操作地耦合到功率配偶线圈的开关单元的占空比以及基于所确定的占空比来控制开关单元的开关操作。此外，通过控制开关单元的开关操作，控制器主动地控制在功率配偶线圈中的电流的幅值和相位，这进而将第一功率交换线圈的第一阻抗修改为与第二功率交换线圈740的第二阻抗匹配。

在使第一功率交换线圈的第一阻抗匹配第二功率交换线圈740的第二阻抗时，第二功率交换线圈740通过向第一功率交换线圈传送磁场770来开始功率交换。从由第二功率交换线圈740从电源750接收的功率来生成磁场770。第一功率交换线圈接收磁场770以及将磁场770转变为功率，该功率进一步被传送给电耦合到非接触式功率传递系统710的能量储存设备780。在一个实施例中，能量储存设备780可以包含电池，该电池可以用于操作电动车辆720。在另一个实施例中，第一功率交换线圈可以与第二功率交换线圈740同时交换数据。在一个实施例中，该数据可以包含充电数据。

在一个实施例中，场聚焦元件（图3）还可以被放置在第一功率交换线圈和第二功率交换线圈740之间。在一个实施例中，场聚焦元件可以被放置在电动车辆720中或被放置在充电站730中，而不管非接触式功率传递系统710的位置。场聚焦元件可以接收来自第二功率交换线圈740的磁场770以及可以将所接收的磁场聚焦在第一功率交换线圈的方向中或反之亦然以进一步增强在非接触式功率传递系统710和第二功率交换线圈740之间的功率交换的效率。在示例实施例中，场聚焦单元使得能够同时双向交换功率、数据或两者。

图10是依照本发明的实施例的图9的电动车辆充电系统的可替代实施例800的示意图。在这个实施例中，非接触式功率传递系统710可以被放置在指定的停车区域760中，以及在非接触式功率传递系统710中的第一功率交换线圈可以电耦合到在充电站730中的电源750。此外，第二功率交换线圈740可以被放置在电动车辆720中，以及可以电耦合到能量储存设备780。然而，电动车辆充电系统的操作可以相对于在图9中论述的操作，保持不变。另外，第二功率交换线圈740还可以经由磁场770与充电站730同时交换与能量储存设备780有关的数据。在一个实施例中，该数据可以包含充电数据。

图11是依照本发明的实施例的表示在用于非接触式功率交换的方法900中所涉及的步骤的流程图。方法900包含：在步骤910中，操作地耦合具有第一阻抗的第一功率交换线圈和具有第二阻抗的第二功率交换线圈。此外，在步骤920中，可以将第一功率交换线圈操作地耦合到功率配偶线圈。方法900还包含：在步骤930中，主动地控制在功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以将第一功率交换线圈的第一阻抗修改为匹配第二功率交换线圈的第二阻抗以使得在第一功率交换线圈和第二功率交换线圈之间能够功率交换。在一个实施例中，可以在第一功率交换线圈、第二功率交换线圈和功率配偶线圈之间执行频率扫描。频率扫描确定开关单元的占空比以将第一阻抗修改为匹配第二功率交换线圈的第二阻抗，以及使得在第一功率交换线圈和第二功率交换线圈之间能够功率交换。在另一个实施例中，可以提供多个第一功率交换线圈和多个功率配偶线圈。第一功率交换线圈中的每个第一功率交换线圈可以操作地耦合到对应的功率配偶线圈，其中在功率配偶线圈中的每个功率配偶线圈中的电流可以个体地被控制以使一个或多个第一功率交换线圈的阻抗与第二功率交换线圈的第二阻抗匹配，以使得在一个或多个第一功率交换线圈和第二功率交换线圈之间能够功率交换。

将理解的是，技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的可交换性，以及所公开的各种特征，以及对于每个特征的其它已知的等同物，可以由本领域的普通技术人员依照本公开的原理来混合和匹配以构建另外的系统和技术。因此，将理解的是，当落入本发明的真实精神内时，所附权利要求书旨在覆盖所有此类修改和改变。

尽管在本文中已经说明和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域的技术人员将想到许多修改和改变。因此，将理解的是，当落入本发明的真实精神内时，所附权利要求书旨在覆盖所有此类修改和改变。

Claims (10)

1.一种非接触式功率传递系统，包括：

被配置为用于非接触式功率交换的第一功率交换线圈；

操作地耦合到开关元件的功率配偶线圈；以及

操作地耦合到所述开关元件的控制器，其中所述控制器被配置为控制所述开关元件的开关操作以主动地控制在所述功率配偶线圈中的电流的幅值和相位以匹配所述第一功率交换线圈的阻抗以及使得能够非接触式交换功率。

2.权利要求1所述的非接触式功率传递系统，其中所述第一功率交换线圈在第一操作频率处进行操作，以及所述功率配偶线圈在第二频率处进行操作，其中所述第一频率不同于所述第二频率。

3.权利要求1所述的非接触式功率传递系统，还包括第二功率交换线圈，其被配置为用于与所述第一功率交换线圈进行非接触式功率交换。

4.权利要求3所述的非接触式功率传递系统，其中所述第一功率交换线圈被配置为接收来自所述第二功率交换线圈的功率或将功率传送给所述第二功率交换线圈。

5.权利要求1所述的非接触式功率传递系统，还包括操作地耦合到所述第一功率交换线圈、所述第二功率交换线圈或所述功率配偶线圈的用于聚焦磁场的场聚焦元件。

6.权利要求5所述的非接触式功率传递系统，其中所述场聚焦元件包括至少一个谐振器，以及其中所述至少一个谐振器被配置为使得在所述第一功率交换线圈与第二功率交换线圈之间能够双向传递功率和数据信号。

7.权利要求6所述的非接触式功率传递系统，其中所述至少一个谐振器包括被布置成阵列的多个谐振器，以及所述多个谐振器朝向所述第一功率交换线圈或第二功率交换线圈的方向聚焦所述多个谐振器的所产生的磁场。

8.权利要求7所述的非接触式功率传递系统，其中所述多个谐振器被配置为在两个或更多不同谐振频率处同时操作以使得在所述第一功率交换线圈与所述第二功率交换线圈之间能够双向传递功率和数据信号。

9.权利要求1所述的非接触式功率传递系统，还包括多个第一功率交换线圈和多个功率配偶线圈，其中第一功率交换线圈中的每个第一功率交换线圈操作地耦合到对应的功率配偶线圈，以及功率配偶线圈中的每个功率配偶线圈的开关单元被个体地控制以选择性地使得能够来自一个或多个第一功率交换线圈的功率传递。

10.权利要求1所述的非接触式功率传递系统，其中所述开关元件包括：绝缘栅门极晶体管（IGBT）、半导体控制整流器（SCR）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），或机械开关。