CN105720695A - 感应式无线电力传输系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种感应式无线电力传输系统。一种无线电力传输系统，包括：线圈组件，所述线圈组件包括位于铁氧体垫的同侧上的一对分隔开的感应线圈；开关网络。所述开关网络响应于相应的感应线圈组件配置的指示，选择性地以两极模式或三极模式操作所述线圈。

Description

感应式无线电力传输系统
技术领域
这里描述的是无线电力传输系统。
背景技术
感应式无线电力传输(wirelesspowertransfer，WPT)利用两个磁场耦合单元(初级线圈和次级线圈)之间的磁耦合。WPT系统可被用于为电动车辆(EV)以及移动装置、医疗装置等充电。在一些示例中，次级线圈或者接收线圈可使用螺线管型绕组拓扑结构(topology)。在其它示例中，次级线圈可使用圆型绕组拓扑结构。
发明内容
一种无线电力传输方法，包括：响应于表明次级线圈组件具有两极配置的指示，控制在一对初级线圈的每个线圈中的电流流动，以使在所述初级线圈中的电流流动的方向相反，其中，所述一对初级线圈被分隔开且位于铁氧体垫的同侧上；响应于表明所述次级线圈具有三极配置的指示，控制在所述初级线圈的每个线圈中的电流流动，以使在所述初级线圈中的电流流动的方向相同。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：请求所述次级线圈组件指示出所述次级线圈组件是具有两极配置还是三极配置。
一种无线电力传输系统，具有：线圈组件，所述线圈组件包括位于铁氧体垫的同侧上的一对分隔开的感应线圈；开关网络，被配置为：响应于相应的感应线圈组件配置的指示，选择性地以两极模式或三极模式操作所述线圈。
一种车辆包括牵引电池和次级线圈组件，所述次级线圈组件可操作地布置为与牵引电池连接，并被配置为从对应的初级线圈组件接收电力。所述次级线圈组件包括铁氧体垫和一对次级感应线圈，所述一对次级感应线圈被分隔开且位于所述铁氧体垫上。所述车辆还包括控制器，所述控制器被配置为将指示针对所述次级线圈组件的两极配置或三极配置的数据发送至对应的初级线圈组件。
根据本发明的一个实施例，其中，所述控制器还被配置为：响应于所述次级线圈组件和所述对应的初级线圈组件之间的错位的指示，使所述次级感应线圈中的一个线圈短接。
根据本发明的一个实施例，其中，所述次级线圈组件还包括：调谐网络和整流器，所述调谐网络和所述整流器被布置为与所述次级感应线圈的每个线圈连接，以使在所述次级感应线圈的每个线圈中的电流彼此独立地被调谐和整流。
根据本发明的一个实施例，其中，所述次级线圈组件还包括整流器，所述整流器被配置为将AC电力转换为DC电力来为牵引电池充电。
附图说明
图1是无线电力传输系统的示意视图；
图2、图3、图5、图9、图11和图16是初级线圈组件的示意透视图；
图4和图6分别是用于两极配置和三极配置的初级线圈组件和次级线圈组件的截面侧视图；
图7、图8、图12和图14是初级线圈组件和次级线圈组件的透视图；
图10是图9的初级线圈组件的截面侧视图；
图13和图15分别是用于两极配置和三极配置的初级线圈组件和次级线圈组件的截面侧视图；
图17是图12和图14的初级线圈组件的一部分的截面侧视图；
图18是无线电力传输系统的框图；
图19、图20和图22是用于无线电力传输系统的线圈组合网络的框图；
图21a至图21f是用于图18的系统的线圈布置的示意图。
具体实施方式
根据需要，在此描述本发明的具体实施例；然而，应理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可以以各种可替代形式实现。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式采用本发明的代表性基础。
用于电动车辆的WPT可在公共充电站中实现。这些充电站可被安装在停车位、公共停车场等以使能够对电动车辆频繁充电，从而提高电动车辆的可行驶里程和可用性。WPT系统中的磁场耦合单元的主要部件是载流导线的单圈或多圈绕组、铁氧体块、非磁性高导电屏蔽金属板和塑料包装。绕组和磁芯拓扑结构设计连同电流激励一起确定由耦合单元产生的磁场分布。当前的无线电力传输系统可由具有相同绕组拓扑结构但不同尺寸的耦合器组成以使车辆容纳包装限制。在一些示例中，线圈可使用产生分布于耦合器的相对两侧的一对磁极的绕组拓扑结构(线性两极磁通分布)。这种类型的两极拓扑结构的示例是螺线管型绕组拓扑结构。在其它示例中，线圈可产生一个中心磁极(centralpole)和围绕着耦合器外围的一个分布磁极(圆型两极磁通分布)，例如，圆型绕组拓扑结构或者框架耦合器(framecoupler)。由于这些线圈拓扑结构的磁极位置是不同的，因此具有圆型接收线圈的车辆不能通过产生线性两极磁通分布的线圈来进行有效的充电。这里公开的是既可产生线性两极磁通分布又可产生线性三极磁通分布的绕组拓扑结构。提出的线圈的两极磁通产生操作可支持螺线管型线圈(并还支持其它类似的线圈拓扑结构)，而提出的线圈的三极磁通产生操作可支持圆型线圈(以及其它三极磁通分布产生线圈)。提出的线圈可被用作初级线圈或次级线圈。
在汽车领域中，不同的汽车制造商可在其车辆内实现不同的系统。例如，一些系统可实现使用中心磁极用于无线电力传输的圆型次级线圈。另一些系统可实现在车辆对称轴上没有磁极的螺线管型次级线圈。次级线圈组件中的这种差异可造成难以实现充电站的互操作性，和/或需要在车辆和初级垫(primarypad)之间的偏置条件，所述偏置条件可能给停车带来问题。
这里描述的是可允许充电站有效且高效地对具有两极配置或者三极配置的车辆进行无线充电的无线电力传输系统。这些无线电力传输系统可被配置为将电力从初级线圈组件无线传输至次级线圈组件。线圈组件可包括两个线圈，其中，两个线圈限定了它们之间的中心距。当次级线圈组件是两极配置或者三极配置时，中心距可被优化以用于高效的电力传输。
图1是示出车辆115内的初级线圈组件105和次级线圈组件110的示例性无线电力传输系统100。初级线圈组件105可连接至外部电源120。车辆115可包括可再充电电池125和用于与电池125通信的充电控制器135。充电控制器135可连接至整流器130。整流器130可将次级线圈组件110的交流电流(AC)转换为直流电流(DC)。然后，整流器130可将电流从次级线圈组件110传输至电池125，来为电池125充电。下面更详细地描述初级线圈105和次级线圈110。每个线圈组件可包括至少一个线圈。初级线圈组件105的线圈可耦合至次级线圈组件110的次级线圈。随着电流流经初级线圈，从初级线圈释放的能量可在次级线圈被接收，所述能量进而用于为电池充电。
图2是示例性的初级线圈组件105。初级线圈组件105可包括底板(backingplate)140、铁氧体垫145和螺旋型绕组150。底板140可由铝或其它一些非磁性高导电材料构成，以建立对磁场的屏蔽并帮助将磁场朝着对侧线圈引导。铁氧体垫145可包括多个铁氧体垫。铁氧体垫145连同底板140可通过将磁场朝着次级线圈组件110引导来帮助引导磁通量增强耦合。
螺旋型线圈150可包括被布置在铁氧体垫145顶部的铜绕组线圈。线圈150可在每个线圈的中心形成限定线圈开口155的连续环型形状。如图2所示，线圈150可形成圆型，或者可具有形成四边型的直边。线圈150可由铜线组成，通常是利兹线。随着电流供应至线圈150，可在初级线圈组件105和次级线圈组件110之间产生磁场。
图3示出了流经线圈150的示例性的电流流动。在这个示例中，电流以相反方向在线圈150中流动(在一个线圈中是顺时针方向，在另一个线圈中是逆时针方向)。随着电流流经初级线圈组件105的线圈150，能量可通过磁场传输至次级线圈组件110。如果次级线圈组件110支持两极配置，则在次级线圈组件110的线圈中电流可同样以相反方向流动。
图4示出了当电流如上所述地以相反方向流动时的针对两极配置的对应磁通分布。如示出的，在这个示例中获得两极磁通分布。
图5示出了图2的初级线圈组件105的另一实施方式，其中，线圈150中的电流以相同方向流动(在这个示例中都是顺时针方向)。然而在其它示例中，电流流动可以是逆时针方向。这种配置可产生三极磁通分布。
图6示出了针对三极配置的对应磁通分布，其中，磁通量分布在初级线圈组件105和次级线圈组件110之间的一个中心磁极和两个边缘磁极(edgepole)处。
图7示出了在图2的初级线圈组件105上方的示例性次级线圈组件110。次级线圈组件110可包括具有被螺线管型线圈185缠绕(wrap)的次级铁氧体垫180。尽管未示出，但是次级线圈组件110还可包括底板。
图8示出了在图2的初级线圈组件105上方的具有圆型线圈190的另一示例性次级线圈组件110。在这个示例中，次级线圈组件110可包括次级圆型线圈190。线圈190可被布置在铁氧体垫180上。尽管未示出，但是次级线圈组件110还可包括底板。
图9示出了具有长度L和宽度W的附加尺寸的图2的初级线圈组件105。图10示出了包括两个圆型线圈150的初级线圈组件105的截面图，其中，每个圆型线圈150具有内部部分205和外部部分210。内部部分205和外部部分210之间的线圈开口155可具有开口宽度A。内部部分205可具有内部部分宽度B，并且两个平行线圈150之间的距离可表示为中心距C。
A、B、C、L和W的尺寸可与WPT系统100的互操作性相关。例如，可优化尺寸，使得初级线圈组件105可操作为用于两极系统和三极系统的耦合器。线性两极配置的最佳性能可能需要中心距C为小的值。线性三极配置的最佳性能可能需要中心距C为大的值。针对每种配置的优化可造成在C的理想值之间进行折衷。例如，C可以是铁氧体垫145的长度L的至少5％，例如，大约至少10％。这种优化可允许实现两极配置和三极配置二者。
图11是具有两个螺线管型线圈170的另一个示例性初级线圈组件105。线圈170可以是铜绕组，但与图2的绕组不同，线圈170可形成螺线管型结构，该螺线管型结构具有缠绕着铁氧体垫145的连续绕组，而不是布置在垫145顶部上的螺旋型绕组。线圈170可围绕着垫145延伸并横跨垫145。如图2和图11所示，两个线圈150、两个线圈170可隔开中心距C。
图12示出了类似于图11的初级线圈组件105以及螺线管型次级线圈组件110。图12示出了流经线圈170的示例性的电流流动。在这个示例中，电流以相对于中心距C的相同的方向流动。随着电流传输通过初级线圈组件105的线圈170，能量可通过磁场被传输至次级线圈组件110。如果次级线圈组件110包括两极配置，则电流可以以相对于中心距C的相同的方向流动。即，如图12所示，两处电流可彼此平行地延伸。针对这种配置的示例性的磁通分布在图13中被示出。
图14示出了类似于图11的初级线圈组件105以及圆型次级线圈组件110。在这个示例中，电流在每个线圈170中以相反的方向流动。如图15所示，这种配置可产生三极磁通分布。
图16示出了具有长度L和宽度W的附加尺寸的图11的初级线圈组件105。图17示出了包括两个螺线管型线圈170的初级线圈组件105的截面图，每个螺线管型线圈170具有以中心距C隔开的宽度B。如以上解释的，A、B、C、L和W的尺寸可与WPT系统100的互操作性相关。线性三极配置的最佳性能可能需要中心距C为大的值。针对每种配置的优化可造成在C的理想值之间进行折衷。例如，C可以是L的大约10％。这种优化可允许实现针对初级线圈组件105的螺线管型线圈170的两极配置和三极配置二者。
初级线圈组件105可从次级线圈组件110接收命令。该命令可包括次级线圈组件110的配置(例如两极配置或三极配置)的指示。初级线圈组件105可通过命令电流以合适的方向流经每个线圈来响应命令。在下面描述关于图19的线圈组合网络260。
通过切换初级线圈150、170中的一个线圈的电流流动方向，初级线圈组件105可被配置为有效地向在两极配置或者三极配置中的次级线圈组件110传输电力。因此，初级线圈组件105在两极配置和三极配置之间是可互操作的。类似地，次级线圈组件110可被配置为在两极配置和三极配置中有效地操作，以与具有多种磁极配置的初级线圈组件105耦合。
如这里解释的，虽然将图2和图3中的线圈组件105特定参考为初级线圈组件，但图2和图3中的线圈组件还可操作为次级线圈组件110。如下面针对图19所描述的，当图2和图3中的线圈组件被用作初级线圈组件时，线圈组合网络260可被用于初级线圈组件。类似于图20中示出的，当图2和图3中的线圈组件被用作次级线圈组件110时，线圈组合网络305可被用于次级线圈组件110。虽然对初级组件105和次级组件110做出了特定参考，但每个组件可操作为其它组件。另外地或可选地，图22中示出的DC组合网络可被用于次级组件110。
图18示出了具有电源120、初级电力单元225、初级控制器单元235、次级电力单元230、次级控制器单元240和电池125的WPT系统100的框图。在这个示例中，如图19和20所示，初级控制器单元235和次级控制器单元240可包括处理器和存储器，用于执行指令和将指令提供至初级线圈组合网络和次级线圈组合网络。这些指令可被配置为控制线圈电流流动以及初级电力单元225和次级电力单元230中的线圈的配置，以根据初级耦合器组件105和次级耦合器组件110的组合和错位(misalignment)来支持两极磁通分布或三极磁通分布。
初级线圈组件105和次级线圈组件110可进行互相通信。在一个示例中，可通过射频或其它无线通信协议促进通信。初级线圈组件105可将指示初级线圈组件105的线圈配置类型的消息发送至次级线圈组件110。即，初级线圈组件105可指示初级组件105是具有两极配置还是具有三极配置(是具有螺线管型布置还是具有圆型布置)。根据初级线圈组件105的配置，次级线圈组件的线圈组合网络305可配置次级线圈，使得次级线圈布置与初级线圈布置匹配。在另一个示例中，次级线圈组件110可将指示线圈配置类型的消息发送至初级线圈组件105等。作为用于在初级线圈组件105和次级线圈组件110之间通信的可选方式，初级单元225或次级单元230可在低电力下在两极模式或三极模式之间扫描(sweep)，以寻找最合适的操作模式。
图19示出了初级电力单元225中的线圈组合网络260的细节。连接至电源120的电力电子块250可包括用于将低频AC电力转换为较高频的AC电力的电力电子电路。调谐网络255可包括用于与初级线圈150、170产生共振的无源电组件。调谐网络255还可以是线圈组合网络260的一部分。可使用有源电力电子器件和/或其它无源器件来实现线圈组合网络260。在这种情况下，组合网络260可实现限定在一个输入端口和两个输出端口处的电压和电流之间的关系的3端口网络性能的任意期望的设置。
次级电力单元内的线圈组合网络的细节在图20中被示出。调谐网络310可包括用于与次级线圈产生共振的无源电组件。调谐网络310还可以是线圈组合网络305的一部分或者处于线圈组合网络305之前。可使用有源电力电子器件和/或其它无源器件来实现线圈组合网络305。在这种情况下，组合网络305可实现限定在两个输入端口和一个输出端口处的电压和电流之间的关系的3端口网络性能的任意期望的设置。在图20中，整流器315可在调谐网络310之后，以将高频AC电力转换为DC电力来为电池充电。
图21和22示出了无源线圈组合网络的详细实施方式。图21a至21f示出了用于在AC电路中组合线圈的多种线圈布置。线圈可被配置为多种布置，包括同相并联、反相并联、同相串联和反相串联(分别见图21a至21d)。可根据被选择用于电力电子块的操作的补偿和控制方法来将线圈实现为串联或并联的配置。一种配置(例如，串联或并联)可根据用于WPT系统100的电力电子和调谐方法通过另一种配置来选择。然而，同相和异相的配置可在充电事件开始时的操作期间适应性地被选择，以激发两极磁通模式或三极磁通模式。在识别初级组件105和次级组件110之间的大错位的情况下，一个线圈可能短路。这些布置的示例在图21e至21f中被示出。AC组合网络可被用于初级电力单元225或次级电力单元235。
图22示出了用于在WPT系统100的DC电路中组合线圈的另一个示例性的线圈组合网络系统400。在这个示例中，系统400可包括用于每个线圈的整流器415和调谐网络410。系统400还可包括在每个线圈中的开关425。开关425可用于在识别大错位的情况下将各自的线圈短接。可选择的开关可在调谐网络410之前或之后，和/或与调谐网络410合并。在这个示例中，线圈中的电流分开进行整流并在整流后进行组合。由于这种方法需要整流，因此这种配置可适用于次级电力单元。
这里描述的计算装置通常包括计算机可执行指令，在所述计算装置中，所述指令可由诸如上面列出的一个或更多个计算装置执行。可通过使用各种编程语言和/技术产生的计算机程序来编译或解释计算机可执行指令，所述编程语言和/或技术包括但不限于：JavaTM、C、C++、VisualBasic、JavaScript、Perl等中的一个或它们的组合。一般而言，处理器(例如，微处理器)从存储器、计算机可读介质等接收指令并执行这些指令，从而执行一个或更多个处理，所述一个或更多个处理包括在此描述的处理中的一个或更多个。可使用各种计算机可读介质存储和传输这种指令以及其它数据。
对于在此描述的处理、系统、方法、启示等，应理解的是，虽然这种处理的步骤等已被描述为根据特定排列的顺序发生，但是可利用与在此描述的顺序不同的顺序执行所描述的步骤来实施这种处理。还应理解的是，可同时执行特定步骤，可添加其它步骤，或者，可省略在此描述的特定步骤。换言之，在此对处理的描述被提供用于示出特定实施例的目的，而不应以任何方式被解释为是为了限制权利要求。
虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述本发明的所有可能形式。而是，说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制，并且应理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。此外，可将各种实现的实施例的特征进行组合以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (9)

1.一种无线电力传输系统，包括：
线圈组件，包括位于铁氧体垫的同侧上的一对分隔开的感应线圈；
开关网络，被配置为：响应于相应的感应线圈组件配置的指示，选择性地以两极模式或三极模式操作所述线圈。
2.如权利要求1所述的系统，其中，选择性地以两极模式或三极模式操作所述线圈的操作包括：控制流经所述线圈中的每个线圈的电流的流动方向。
3.如权利要求2所述的系统，其中，在所述三极模式下，流经所述线圈的电流的流动方向是相同的。
4.如权利要求2所述的系统，其中，在所述两极模式下，流经所述线圈的电流的流动方向是相反的。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述线圈的最靠近的外层外围之间的距离是所述铁氧体垫的长度的至少百分之五。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述距离是所述长度的至少百分之十。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述线圈是初级线圈。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述线圈是次级线圈。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述开关网络还被配置为：响应于线圈错位的指示，使所述线圈组件的线圈短接。
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