CN107852029B - 无线电力传输 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电容式无线电力传输(WPT)架构，用于提供动态(即，在运动中)和/或静态的电力传输。在各种实施方式中，例如，该电容式WPT架构可以实现高效率的高电力传输水平，同时将边缘电场强度维持于可接受的安全界限内。在一种实施方式中，例如，多模块电容式无线电力传输系统提供了电容式充电系统，例如，用于(但不限于)向电动车辆(EV)充电。在另一种实施方式中，提供了电容式无线电力传输模块。例如，该模块包括适应于经由逆变器耦合至电源的多个第一耦合板；适应于耦合至负载并且耦合至多个第一耦合板以用于接收无线电力的多个第二耦合板以及适应于提供无功补偿和增益的匹配网络。

Description

无线电力传输
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年5月4日提交的美国临时申请No.62/156,870的权益，该申请No.62/156,870通过引文方式全文(包括所有附录)并入本文，如同完全在本文中阐述。
技术领域
本公开涉及电容式无线电力传输系统和方法。
背景技术
目前，大多数近场(即，非辐射)无线电力传输(WPT)系统都是电感式的，并且依赖于线圈之间的磁耦合来跨越气隙传输能量。这些电感式WPT系统将昂贵的铁氧体磁芯用于磁通引导和屏蔽。为了限制铁氧体材料内的高频损耗，这些系统的工作频率典型地被限制于100千赫以下，因而导致了对于功率传输密度有所妥协的大线圈。
对于电感式WPT系统的一种有吸引力的替代方案是电容式WPT系统，电容式WPT系统使用电耦合的金属板对进行电力传输。每组非接触的板对形成一个电容器，该电容器在受到交流电源激励并且得到适当补偿时可以无线传输电力。电容式WPT相对于电感式WPT的一个优点是，它不需要用于磁通引导的铁氧体。这可以大大地降低系统的成本和重量，同时还允许高频工作以实现较高的电力传输密度。另外，由于电场在空间上固有地比磁场更好地被约束，因而电容式WPT系统会产生少得多的EMI。电容式WPT系统还可以跨越金属屏障来传输电力。尽管存在这些好处，但在电容式WPT系统中要以高效率实现高的电力传输水平仍存在独特的设计挑战。
在电容式WPT系统中实现有效且高效的电力传输的一些挑战包括低耦合电容，以及在耦合板附近的高电场强度。低耦合电容使得必须设计合适的增益和补偿网络。高的边缘电场强度方面的挑战会在电容式WPT系统部署于需要考虑人和动物的安全性的环境中时构成潜在的安全隐患。
发明内容
本发明提供了用于提供动态(即，在运动中)和/或静态的电力传输的电容式无线电力传输(WPT)架构。在各种实施方式中，例如，电容式WPT架构可以以高效率实现高电力传输水平，同时将边缘电场强度维持于可接受的安全界限内。
在一种实施方式中，例如，多模块电容式无线电力传输系统提供了电容式充电系统，用于例如但不限于给电动车辆(EV)充电。在特定的EV应用中，例如，多模块方法使用车辆上(例如，车底)的与未布置在车辆上的相应板电容耦合的多个导电板。例如，非车载板可以位于道路、车库(例如，位于车库的地板、墙壁、天花板之上或之内或者在车库的地板、墙壁或天花板上悬挂、升起或突起)、停车位或适应于与EV上的板电容耦合的其它位置之内或之上。尽管本文所讨论的许多实施方式描述了各种EV充电系统，但是本公开并不限定于这些特定的应用。本领域技术人员应当很容易意识到，电容式无线电力传输系统同样可适用于其它应用，诸如但不限于火车、公共汽车、越野车、自动车辆；农场、工业及制造设备和机器人；炉灶及其它家用电器；便携式、手持式及移动式设备；计算机设备；生物医学植入物、RFID标签、智能卡、集成电路；发电机、电动机和照明设备；无人机、飞机、直升机、航天器和卫星。
在一些实施方式中，与现有技术的电感式WPT解决方案相比，电容式无线电力传输系统可以提供更低的损耗、更高的电力传输密度和/或显著降低的成本。
各种实施方式包括下列特征中的一项或多项：(1)利用使用近场相控阵场聚焦概念、设计用于场消除的分布式板的电容式能量传输；(2)适应于补偿电容接口的电抗并提供电压或电流增益的多个匹配网络，以及(3)在ISM频段(例如，6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz等)内工作的高效的逆变器和整流器。在一种实施方式中，例如，可以提供使用超高效的射频功率转换和场聚焦的、目标为大于90％的效率及50kW/m2的电力传输密度的、1kW 12cm的气隙电容式WPT系统。
在一种实施方式中，例如，提供了多模块电容式无线电力传输系统。该系统包括第一电容式无线电力传输模块，该第一电容式无线电力传输模块包括适应于接收处于工作频率的具有第一相位的电压或电流的多个第一模块第一耦合板，以及适应于耦合至多个第一模块第一耦合板以用于接收无线电力的多个第一模块第二耦合板。该系统还包括第二电容式无线电力传输模块，该第二电容式无线电力传输模块包括适应于接收处于工作频率的具有与第一相位不同的第二相位的电压或电流的多个第二模块第一耦合板，以及适应于耦合至多个第二模块第一耦合板以用于接收无线电力的多个第二模块第二耦合板。
在另一种实施方式中，提供了电容式无线电力传输模块。该模块包括适应于经由逆变器耦合至电源的多个第一耦合板；适应于耦合至负载并且耦合至多个第一耦合板以用于接收无线电力的多个第二耦合板；以及匹配网络。匹配网络适应于在逆变器与多个第一耦合板以及多个第二耦合板与负载中的至少一对的两者之间提供无功补偿和增益。匹配网络包括无功匹配网络和变压器，无功匹配网络包括至少两个无功构件。
在又一种实施方式中，提供了用于提供电容式无线电力传输的方法。该方法包括：提供适应于耦合至电源的多个第一耦合板，并且提供适应于耦合至多个第一耦合板以用于接收无线电力的多个第二耦合板。该方法还在多个第一耦合板之间提供无功补偿和增益。提供无功补偿和增益的操作包括提供适应于在逆变器与多个第一耦合板以及多个第二耦合板与负载中的至少一对的两者之间提供无功补偿和增益的匹配网络。匹配网络包括无功匹配网络和变压器，无功匹配网络包括至少两个无功构件。
本领域技术人员通过阅读下面的描述和权利要求并审阅附图将会清楚本发明的前述及其它方面、特征、细节、效用和优点。
附图说明
图1是多模块电容式无线电力传输系统的示例实施方式的示意图。
图2是具有三维(3D)显示的电容式耦合板的多模块电容式无线电力传输系统的示例实施方式的示意图。
图3示出了使用Ansys HFSS有限元行业标准软件进行的仿真的示例结果，用于比较以下两种示例情形的场降区(field reduction zone)内的电场强度：具有一个模块的第一情形以及具有四个模块的第二情形。
图4示出了另一个有限元仿真的结果，用于证明在模块的数量从1增加到8时场降区内的电场强度降低至1/5以下。
图5示出了图1的电容式无线电力传输系统的示意图，用于明确示出相邻板之间的寄生电容。
图6示出了图5的电容式无线电力传输系统的示意图，其中电容式无线电力传输系统具有耦合于相邻的耦合板之间以调除(tune out)相邻板之间的寄生电容的分流无功网络。
图7示出了图5的电容式无线电力传输系统的示意图，其中电容式无线电力传输系统具有被用来实现相邻板之间的分流无功网络以调除相邻板之间的寄生电容的的电感器。
图8示出了多模块电容式无线电力传输系统的一个模块的示例架构的示意图，其中多模块电容式无线电力传输系统包括用于提供电压或电流增益和无功补偿的一个或多个匹配网络。
图9示出了可以用于电容式无线传输模块中的示例匹配网络实施方式。
图10示出了电容式无线传输模块的示例实施方式的示意图，其中电容式无线传输模块包括在模块初级侧的包含多个L段(L-section)级的多级匹配网络以及在模块次级侧的包括多个L段级的多级匹配网络。
图11示出了电容式无线传输模块中的多级匹配网络的另一种实施方式，其中每个电感器被分成两个——一个连接于正向通路内，一个连接于返回通路内。
图12示出了具有多级L段匹配网络的电容式无线传输模块的另一种示例实施方式，其中L段级的电感器被分成两个——一个连接于正向通路内，一个连接于返回通路内——并且彼此磁耦合。
图13示出了具有多级匹配网络的电容式无线电力传输模块的又一种示例实施方式，其中多级网络包括多个L段级和多个变压器级。
图14示出了包括全桥逆变器和全桥整流器的示例电容式无线电力传输模块的示意图。
图15示出了电容式无线电力传输模块的另一个示例的示意图，其中逆变器利用阻抗控制网络来整合(combine)电力。
图16示出了电容式无线电力传输模块的又一个示例的示意图，其中整流器利用电阻压缩网络来分流电力。
图17示出了电阻压缩网络的输入阻抗的窄的范围变化，即使负载在宽的范围内变化。
图18示出了在电动车充电应用中所采用的多模块电容式无线电力传输系统的一种示例实施方式。
具体实施方式
在各种实施方式中，提供了多模块电容式无线电力传输(WPT)架构，该架构使用多个移相电容式无线电力传输模块，从而在降低一个或多个周边区域或地区内的边缘场强的同时实现对象之间的有效电力传输。例如，在一些实施方式中，多模块电容式WPT架构使用相移来降低边缘电场，以便为了人类和动物的安全而将周围区域或地区内的场强维持于由国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)或电气电子工程师学会(IEEE)设定的预先确定的规定界限内。发表于Health Physics(健康物理学)74(4):494-522(1998)的ICNIRPGuidelines For Limiting Exposure to Time-Varying Electric,Magnetic andElectromagnetic Fields(up to 300GHz)(ICNIRP关于限制暴露于时变电场、磁场和电磁场(达300GHz)的指南)以及IEEE Standard for Safety Levels with Respect to HumanExposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields,3kHz to 300GHZ(IEEE关于人体暴露于3kHz-300GHZ射频电磁场的安全等级标准)(IEEE Std C95.1–2005)各自通用引用的方式全文并入本文，如同在本文中完全阐述一样。例如，可以通过独立控制不同模块的相对相位来降低安全临界区内的场强，使得由这些区域内的相邻模块产生的场具有相互抵消的效果。该多模块电容式无线电力传输架构还通过在多模块电容式WPT架构的一个或多个个体模块中使用匹配网络、逆变器和/或整流器来保持有效的电力传输。
图1示出了多模块电容式无线电力传输系统5的示例架构的示意图。在图1所示的实施方式中，电容式无线电力传输系统5接收来自电源12的电力，并且提供无线电力传输来为负载8供电。例如，电源可以包括与图1所示的逆变器和/或匹配网络耦合的任意类型的交流或直流电源。例如，电源可以包括通过交流/直流转换器与逆变器和/或匹配网络耦合的交流电源，如交流电网电源。同样，直流电源可以包括经由逆变器和/或匹配网络与电容式无线电力传输系统5耦合的任何直流电源。
负载还可以包括任何交流或直流负载。例如，无线电力传输系统5可以以无线方式经由整流器和/或匹配网络向直流电池负载提供电池充电电压或电流。其中也包括可以使用任何直流或交流负载的其它实施方式。
在图1的实施方式中，例如，多个初级导电板10经由例如图1所示的逆变器和/或匹配网络16耦合至电源12。初级导电板10适应于与布置在设备(例如，车辆或其它电池供电的设备)上的次级导电板20电容耦合。电容板20进而经由例如一个或多个整流器和/或匹配网络24耦合至负载22(例如，电池或其它负载)。
在一种实施方式中，初级耦合板10被设置于充电位置，在该充电位置处，负载22(例如，电池供电的设备)可以经由布置在负载22(例如，电池供电的设备)上的或与负载22耦合的次级耦合板20动态地(即，在移动时)和/或静态地(即，在静止时)耦合至充电板10。在电动车辆(EV)或混合动力车辆的实施方式中，充电位置可以包括例如道路、车库、停车位，或者车辆可能位于的且适应于以电容方式接收传输自电源的电力或者向电源提供电力的任何其它位置。
尽管本文所描述的各种实施方式可以针对特定的方向(例如，从电源向电池充电)来描述电力传输，但是本文所描述的系统和方法可以提供单向(在任一方向上，例如从电源向电池充电或者从电池向另一个系统提供电力)或双向的电力传输。
图2示出了用于诸如图1所示的系统的多模块电容式无线电力传输系统30的示例三维示意图。当该系统的相邻模块相对于彼此适当地相移时，由相邻板(例如，板46和54)产生的电场彼此相反，从而引起在一个或多个电容式无线电力传输区34之外的一个或多个区域32内的场消除或降低。
在图2所示的特定示例中，例如，电容式无线传输系统30包括第一电容式无线传输模块36、相邻的第二电容式无线传输模块38和相邻的第三电容式无线传输系统模块39。第一电容式无线传输模块36由电源40(例如，直流或交流电源)馈送，并且包括以频率fs工作的逆变器和整流器，其中该电源40可以是其后有交流/直流整流器的线频交流电源的输出或电池的输出。相邻的第二无线传输模块38和第三无线传输模块39由同一电源馈送，并且每个均包括以相同的频率fs工作的逆变器和整流器。第二和第三模块的逆变器和整流器在相对于其它模块的逆变器和整流器的相移下工作。在具有n个这样的模块的多模块系统中，每个模块的逆变器和整流器在n个这样的相移下工作，其中该相移可以通过控制逆变器的开关时序来独立地生成。当被适当地选择时，这些相移会导致由相邻模块的耦合板产生的场在空间上方向相反，从而导致板周围的区域内的净场消除或降低。
第一电容式无线传输模块36包括第一对充电板44、46，以及第一对耦合板48、50。第一对充电板44、46和耦合板48、50提供从电压源40到负载52的电力传输。
第二电容式无线传输模块38包括第二对充电板54、56，以及第二对耦合板58、60。第二对充电板54、56和耦合板58、60提供从第二电压源42到负载52的电力传输。
第三电容式无线传输模块39包括第三对充电板62、64，以及第三对耦合板66、68。第三对充电板62、64和耦合板66、68也提供从电压源40到负载52的电力传输。
尽管图1和2示出了多模块电容式无线电力传输系统的三个模块，但是多模块电容式无线电力传输系统可以包括任意数量的模块(例如一个、两个或更多个)，而不是仅限定于图1和2的示例中所示的三个模块。
相邻的电容式无线传输模块的电力电子构件(逆变器和整流器)可以在它们之间的任意相移(0至180度)下工作。例如，相邻模块之间的180度的相位差可提供模块的相邻板之间的最大场消除。
全波电磁分析可以被用来确定在多模块电容式无线电力传输系统内所使用的模块的数量以及耦合板的相对位置的场消除效果。作为示例，图3示出了使用Ansys HFSS有限元行业标准软件进行的仿真的结果，比较(1)两对板和(2)八对板这两种情形的电场分布和数值，其中每个板被驱动为相对其相邻板的相差为180°。在本示例中，总的板面积保持恒定，在这种情况下(2×20cm×40cm)，假定在车辆或其它设备内的形状因子将得以保持。在第一示例中，以1kW的功率来驱动板，并且输入电抗是阻抗匹配的。对于第二种情形，该1kW在板激励之间平均划分并且每个板单独地进行阻抗匹配，因为端部的板将会具有与中间板不同的电抗。在本示例中，最初可以从相对于50-Ω端口的全波仿真中找到阻抗。通过这种方式，整个1kW在每种情形中均被输送到车载板上的匹配负载。该示例示出了交替异相板情形的电场降低，但是模块化电力电子器件允许由逆变器开关的数字控制提供的任意相位分布。
图4示出了另一种仿真的结果，证明随着相邻的异相(相移为180度)板对的数量增加，场降区内的电场强度的降低也会增大。例如，使用相邻板交替地成180度相移的8个模块(具有8对板)会引起场降区内的场强降低至1/5以下，同时跨耦合板传输相同量的电力。
相邻板之间的可提供场消除和聚焦的相对定相(phasing)可以通过主动控制图1和2所示的个体模块内的逆变器的相对相位来实现。由于例如图2的实施方式所示的电源转换架构的整流器可以主动控制，因而附加的控制手柄可用于板的定相。
相邻模块之间的相移越大(即，越接近于180°)，周围区域内的场降低就越大。但是，较大的相移还会加剧相邻板之间的寄生电容的影响。例如，图5示出了图1的电容式无线电力传输系统的示意图，其中相邻板之间的寄生电容被明确指出。尽管图5示出了两个相邻的电容式无线传输模块的寄生电容，但是这些寄生电容70、72存在于所有模块之间。
图5所示的寄生电容可能对耦合板之间的电力传输产生不利影响。在许多应用(诸如大气隙EV充电)中，寄生电容可能显著大于耦合电容，导致瞬时功率的大部分通过寄生电容器往复传输回到电源。可以通过连接同一侧的相邻耦合板之间的分流无功网络74、76来减轻这种作用，如图6所示。这些分流无功网络在模块的工作频率处呈现出电感性阻抗jXp，这会降低或消除寄生电容器的电容性阻抗。在一种实施方式中，例如，这些分流无功网络可以导致在相邻耦合板之间的寄生通路内的理论上可无限大的(并且实际上非常大的)有效阻抗，从而有效地防止任何电力被引导通过该寄生通路。在一种实施方式中，例如，分流电抗性网络的电感性阻抗由下式给出：Xp＝1/(2πfsCp)，其中Cp是寄生电容，并且fs是模块的工作频率。
在特定的实施方式中，电感器78、79可以被用来实现同一侧的相邻板之间的分流无功网络以调除这些板之间的寄生电容(如图7所示)。在该实施方式中，调谐电感由下式给出：Lp＝1/((2πfs)2Cp)，其中Cp是寄生电容，并且fs是模块的工作频率。在其它实施方式中，串联或并联的LC电路也可以被用来实现分流无功网络。
在多模块电容式无线电力传输架构的一些实施方式中，可能期望的是以小于180度的相移操作相邻的模块。在板没有布置成像图2的配置那样的矩形网格的实施方式中，小于180度的相移可能会导致最佳的场消除效果。非180度的相移还可以针对除矩形以外的板几何形状/外形提供最佳场消除。而且，非180度的相移会降低前面所讨论的寄生电容的影响，从而简化所需的分流无功调谐网络的设计。
在一些实施方式中，多模块电容式无线电力传输系统中的输出功率可以这样控制：(1)突发模式(burst-mode)控制，即，通过按照比它们的开关频率低得多的频率来导通和关断模块的逆变器和整流器；或者(2)逆变器-整流器相移控制，即，通过改变每个个体模块的逆变器和整流器之间的相移。当使用特定类型的逆变器和整流器时，其它输出功率控制技术(包括但不限于PWM和相移PWM)也是可能的。例如，当使用全桥逆变器和/或全桥整流器时，还可以通过改变逆变器的支路之间的相移或整流器的支路之间的相移来控制输出功率，或者通过改变个体支路的占空比来控制输出功率。
图18示出了车辆电池充电无线电力传输系统的一种示例实施方式。在该特定实施方式中，例如，车辆电池充电无线电力传输系统包括多个第一耦合垫，安装于诸如车库地板、车库墙壁、停车位车道或者可能与车辆相邻的其它区域。多个第一耦合垫耦合至一个或多个逆变器，从而向多个第一耦合垫提供电压或电流信号。
进而，当车辆被布置于邻近该多个第一耦合垫时，多个第一耦合垫适应于无线耦合至(永久地或临时地)布置在车辆上的多个第二耦合垫。多个第二耦合垫进而经由一个或多个整流器耦合至车辆的一个或多个电池。因而，经由逆变器提供到多个第一耦合垫的电力被无线传输到与车辆耦合的多个第二耦合垫，并且经由一个或多个整流器向车辆的一个或多个电池提供电力。
图8示出了多模块电容式无线电力传输系统的一个模块的示例架构的示意图，包括用于提供电压或电流增益和无功补偿的一个或多个匹配网络。在图8的实施方式中，例如，电容式无线传输模块包括经由第一匹配网络84馈送第一对耦合板86的逆变器82(例如，高频逆变器)。第二对耦合板88与第一对耦合板86耦合，并且经由第二匹配网络96连接至负载94。尽管在图8所示的实施方式中，电容式无线传输模块包括两个匹配网络，但是其它实施方式可以只包括布置于传输板的初级侧或次级侧中的任一侧的一个匹配网络。
在图8所示的特定架构中，例如，高频逆变器将直流输入电压转换成高频交流电压vs，该高频交流电压vs被馈送到能提升电压的匹配网络中。这会在耦合板的初级侧产生高电压vsp，从而允许以低电流进行高电力传输，因而产生相对低的板电压和边缘场。电压增益匹配网络还会部分补偿耦合板的电容性电抗。耦合板之后是可使电流在输出处回升到所需的水平的第二匹配网络。该电流增益网络还提供对板电抗的剩余补偿。
图9示出了可以用于电容式无线传输模块中的示例匹配网络实施方式。在这种实施方式中，匹配网络包括与模块的耦合板串联地添加的一个或多个电感器。适当取值的电感器可以被用来以给定的频率抵消电容器的电抗。在图9所示的电容式无线电力传输模块的示例实施方式中，串联的两个电感器共同抵消或补偿耦合板的电容性电抗，从而允许有效的电力传输。尽管图9示出了与模块的耦合板串联布置的两个电感器，但是匹配网络可以使用单个电感器或两个以上的电感器来实现。
图10示出了电容式无线传输模块的示例实施方式的示意图，其中电容式无线传输模块包括在模块初级侧的包含多个L段级的多级匹配网络，以及在模块次级侧的包括多个L段级的多级匹配网络。包括电感器和分流电容器的多个L段无功匹配网络级中的一个通过例如虚线框示出。其它L段无功匹配网络级可以包括两个或更多个无功构件(例如，电感器或电容器)的任意组合和布置，诸如但不限于电感器和电容器(LC)、只有电感器以及只有电容器。初级侧的多级匹配网络提供电压增益以及对耦合板的电容性电抗的补偿。次级侧的多级匹配网络提供电流增益以及对耦合板的电容性电抗的剩余补偿。图11示出了在电容式无线传输模块内的多级匹配网络的另一种实施方式，其中每个电感器被分成两个——一个连接于正向通路内，一个连接于返回通路内。
图12示出了具有多级L段匹配网络的电容式无线传输模块的另一种示例实施方式，其中L段级的电感器被分成两个——一个在正向通路内，一个在返回通路内——并且彼此磁耦合。与非耦合的情形相比，以此方式耦合电感器可使所实现的电感翻倍，因此需要较小的电感器来实现所需的电感。这提高了可实现的电感器的品质因数，并因此提高了系统效率。
图13示出了具有多级匹配网络的电容式无线电力传输模块的又一种实施方式，其中多级网络包括多个L段级和多个变压器级。在初级侧的变压器提供电压增益(匝数比大于1)，而在次级侧的变压器提供电流增益(匝数比小于1)。变压器可以被布置在模块的初级侧和次级侧的中间级和终端级。使用变压器来提供一部分电压和电流增益可降低对L段级的增益要求，这潜在地有利于其尺寸和效率。对于更多的性能优势，这种实施方式中的电感器也可以如同前文所描述的那样进行耦合。
示于图8至13的电容式无线电力传输模块中的逆变器和整流器存在许多可能的实施方式。在一种实施方式中，例如，可以使用全桥逆变器和全桥整流器，如图14所示。但是，可以使用任何其它类型的逆变器，包括但不限于其它D类逆变器(例如，半桥逆变器)以及DE类、E类、F类、E/F类、Phi类或Phi2类逆变器中的任一种。除了任意电压源逆变器外，还可以使用任何电流源或Z源逆变器。同样，可以使用任意整流器实施方式，包括但不限于D类(例如，全桥或半桥整流器)、倍流器、E类、F类、E/F类、Phi类、Phi2类和Z源整流器等。还存在许多方式来控制这些逆变器和整流器，并且这些控制方法都可以用于电容式无线电力传输模块中。
在许多电容式无线电力传输应用中，输入DC电压可能未经调节，并且可能在宽的范围内变化。在这样的应用中，图8的电容式无线电力传输模块的逆变器可以使用阻抗控制网络在宽的输入电压变化范围内维持高效率。电容式无线电力传输模块的这样的实施方式示于图15中。图15的实施方式具有馈送阻抗控制网络的两个半桥逆变器。阻抗控制网络包括与两个逆变器的输出连接的两个电抗罐(reactive tanks)，实现相等但相反的电抗，+jXS和–jXS。这两个逆变器按照它们之间特定的相移来工作，该相移被控制为使得在两个逆变器的输出处呈现的阻抗在输入电压的变化范围内保持为接近阻性，从而促成零电压开关(ZVS)和近零电流开关(ZCS)。这可确保逆变器和电容式无线电力传输模块在输入电压的宽的变化范围内保持高效率。
在许多电容式无线电力传输应用中，向模块的逆变器呈现的阻抗也可能由于耦合板间的耦合的变化而变化，这种耦合变化可能出现于例如动态充电应用中。使用阻抗控制网络的逆变器还可以被用来在这样的应用中保持高效率。
在许多电容式无线电力传输应用中，负载可以在宽的范围内变化。例如，在EV充电应用中，对于不同的电动车辆，车辆电池电压可能会不同。在这样的应用中，图8的电容式无线电力传输模块的整流器可以使用电阻压缩网络在宽的负载变化范围内保持高效率。电容式无线电力传输模块的这种实施方式示于图16中。图16的实施方式具有馈送两个半桥整流器的电阻压缩网络。即使在电容式无线传输模块的负载在宽的范围内变化时，在电阻压缩网络的输入处呈现的阻抗也仅在窄的范围内变化。这种效果示于图17中。图17表明，即使负载在10:1的范围内变化，在RCN的输入处呈现的阻抗的变化范围也被限定于2:1的范围内。由于RCN的这种电阻压缩效果，向电容式无线电力传输模块呈现的有效负载在窄的范围内变化，从而允许在输出功率水平的宽的变化范围内保持高效率。
在A.Kumar、S.Pervaiz、C.K.Chang、S.Korhummel、Z.Popovic和K.K.Afridi的“Investigation of Power Transfer Density Enhancement in Large Air-GapCapacitive Wireless Power Transfer Systems”(Proceedings of the IEEE WirelessPower Transfer Conference(WPTC),Boulder,CO,May,2015)中描述了具有场消除的多模块电容式WPT架构的各种示例实施方式，包括使用分流电感器来调除相邻板之间的寄生电容，该文通过引用的方式全文并入本文，如同完全在本文中阐述一样。在C.K.Chang、G.G.DaSilva、A.Kumar、S.Pervaiz和K.K.Afridi的“30W Capacitive Wireless Power TransferSystem with5.8pF Coupling Capacitance”(Proceedings of the IEEE Wireless PowerTransfer Conference(WPTC),Boulder,CO,May,2015)中描述了其它示例实施方式，诸如，具有L段匹配网络和变压器的单个模块，在该单个模块中L段网络的电容器使用变压器的寄生绕组电容来实现，该文通过引用的方式全文并入本文，如同完全在本文中阐述一样。
尽管以上已经通过一定程度的细节描述了实施方式，但是在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本领域技术人员可以对所公开的实施例进行许多修改。所有方向性用语(例如，上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针和逆时针)仅用于标识目的，以帮助读者理解本发明，而并不产生限制，尤其是对于位置、取向或者本发明的使用。关于接合的用语(例如，附接、耦合、连接等)应当作广泛的理解，并且可以包括在连接元件之间的中间部件以及元件间的相对移动。因此，关于接合的用语并不一定可推断出两个元件直接连接以及彼此之间成固定关系。即以上的描述所包括的或者附图所示出的所有题材均应当被理解为只是说明性的，而不是限制性的。在不脱离所附权利要求书所界定的本发明的精神的情况下，可以对细节或结构进行改变。

Claims (37)

1.一种多模块电容式无线电力传输系统，包括：
第一电容式无线电力传输模块，所述第一电容式无线电力传输模块包括适应于接收处于工作频率、具有第一相位的电压或电流的多个第一模块第一耦合板，以及适应于耦合至所述多个第一模块第一耦合板以用于接收无线电力的多个第一模块第二耦合板，其中，所述多个第一模块第一耦合板和所述多个第一模块第二耦合板限定第一电容式无线电力传输区；以及
第二电容式无线电力传输模块，所述第二电容式无线电力传输模块包括适应于接收处于工作频率、具有与所述第一相位不同的第二相位的电压或电流的多个第二模块第一耦合板，以及适应于耦合至所述多个第二模块第一耦合板以用于接收无线电力的多个第二模块第二耦合板，其中，所述多个第二模块第一耦合板和所述多个第二模块第二耦合板限定第二电容式无线电力传输区；以及
其中，不同的所述第一相位和所述第二相位适应于彼此相反以提供在所述第一电容式无线电力传输区和所述第二电容式无线电力传输区之外的一个或多个场降区中的场消除或降低。
2.根据权利要求1所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述第一电容式无线电力传输模块包括第一逆变器，所述第一逆变器提供处于所述工作频率、处于所述第一相位的电压或电流。
3.根据权利要求2所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中，所述第二电容式无线电力传输模块包括第二逆变器，所述第二逆变器提供处于所述工作频率、处于所述第二相位的电压或电流。
4.根据权利要求1所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述第一模块第一耦合板中的至少一个第一模块第一耦合板以及所述第二模块第一耦合板中的至少一个第二模块第一耦合板被布置为彼此相邻。
5.根据权利要求4所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述第一模块第一耦合板中的所述至少一个第一模块第一耦合板以及所述第二模块第一耦合板中的所述至少一个第二模块第一耦合板适应于产生具有不同相位的电场。
6.根据权利要求5所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中，不同相位至少部分地相互抵消，在至少一个场降区内至少部分地相互抵消，和/或在包括低于预定场强的场降低的至少一个场降区内至少部分地相互抵消。
7.根据权利要求6所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述预定场强包括由IEEE Std C95.1和ICNIRP关于限制暴露于高达300GHz的时变电场、磁场和电磁场的指南中的至少一个定义的安全场强。
8.根据权利要求1所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述第一相位和所述第二相位的相位差为180度。
9.根据权利要求1所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中无功网络被布置于所述第一模块第一耦合板中的至少一个第一模块第一耦合板与所述第二模块第一耦合板中的至少一个第二模块第一耦合板之间。
10.根据权利要求9所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述无功网络包括至少一个电感器，所述至少一个电感器被选择用于补偿或消除在所述第一模块第一耦合板中的所述至少一个第一模块第一耦合板与所述第二模块第一耦合板中的所述至少一个第二模块第一耦合板之间的寄生电容。
11.根据权利要求10所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述至少一个电感器具有为1/(Cpωs 2)的电感，其中Cp表示所述寄生电容，并且ωs表示角工作频率，其中ωs等于2πfs，并且fs是所述工作频率。
12.根据权利要求1所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述工作频率是固定频率。
13.根据权利要求12所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述固定频率在工业、科学和医疗ISM频段内。
14.根据权利要求13所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述ISM频段的频率包括选自组的至少一个频率，所述组包括：6.78MHz、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz、433.92MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz、24.125GHz、61.25GHz、122.5GHz和245GHz。
15.根据权利要求1所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述系统包括：电源和负载，
其中所述第一电容式无线电力传输模块包括与所述电源耦合的第一逆变器，并且适应于向所述第一模块第一耦合板提供处于所述工作频率、处于所述第一相位的电压或电流，并且所述第二电容式无线电力传输模块包括与所述电源耦合的第二逆变器，并且适应于向所述第二模块第一耦合板提供处于所述工作频率、处于所述第二相位的电压或电流，并且
其中所述负载耦合至所述第一模块第二耦合板和所述第二模块第二耦合板。
16.根据权利要求1所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述第一模块第一耦合板适应于经由逆变器耦合至电源，所述第一模块第二耦合板适应于耦合至负载并且耦合至第一模块多个第一耦合板以用于接收无线电力，其中所述第一电容式无线电力传输模块包括匹配网络，所述匹配网络适应于在所述逆变器与所述第一模块多个第一耦合板之间以及在第一模块多个第二耦合板与所述负载之间中的至少一个提供无功补偿和增益，并且所述匹配网络包括无功匹配网络和变压器。
17.根据权利要求16所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述无功匹配网络包括L段无功匹配网络。
18.根据权利要求1所述的多模块电容式无线电力传输系统，包括：
所述多个第一模块第一耦合板适应于经由逆变器耦合至电源；
所述多个第一模块第二耦合板还适应于耦合至负载；以及
所述第一电容式无线电力传输模块还包括匹配网络，所述匹配网络适应于在以下中的至少一组之间提供无功补偿和增益：
所述逆变器与所述多个第一模块第一耦合板，以及
所述多个第一模块第二耦合板与所述负载，
其中所述匹配网络包括无功匹配网络和变压器，其中所述无功匹配网络包括至少两个无功构件。
19.根据权利要求1所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中：
所述多个第一模块第一耦合板适应于经由逆变器耦合至电源；
所述多个第一模块第二耦合板还适应于耦合至负载；
所述第一电容式无线电力传输模块还包括匹配网络，所述匹配网络包括无功匹配网络和变压器，所述无功匹配网络包括至少两个无功构件；以及
所述匹配网络适应于在所述逆变器与所述多个第一模块第一耦合板之间以及在所述多个第一模块第二耦合板与所述负载之间提供无功补偿和增益。
20.根据权利要求18或19所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述匹配网络包括补偿电感器、分流电容器和变压器。
21.根据权利要求20所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述补偿电感器耦合至所述变压器的初级线圈，并且适应于进一步耦合至所述逆变器或所述负载，和/或所述分流电容器包括所述变压器的寄生绕组电容。
22.根据权利要求18或19所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述匹配网络包括组中的至少一个，所述组包括：
多个L段级；
多个变压器；
包括三个无功构件：两个无功构件串联，并且一个无功构件处于分流位置，代替所述无功匹配网络；以及
至少两个磁耦合的电感器。
23.根据权利要求18所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述多个第一模块第二耦合板适应于耦合至电池。
24.根据权利要求23所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述电池是电动车辆和/或混合动力电动车辆的电池。
25.根据权利要求18所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述多个第一模块第一耦合板适应于耦合至由电源供电的逆变器，其中所述电源包括组中的至少一种，所述组包括：直流电源、交流电源、电池和交流电网。
26.根据权利要求18所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述多模块电容式无线电力传输系统是单向的或双向的。
27.根据权利要求1、18或26所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述多模块电容式无线电力传输系统适应于以组中的至少一种情况工作，所述组包括：
以至少150kHz的频率工作；
以固定频率工作；
以ISM频段内的固定频率工作；
在突发模式通/断控制下工作；
在逆变器与整流器之间存在相移的情况下工作；
在逆变器的支路之间存在相移和/或整流器的支路之间存在相移的情况下工作；以及
在脉宽调制PWM占空比控制下工作。
28.根据权利要求1或18所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述多模块电容式无线电力传输系统适应于在脉宽调制PWM占空比控制下工作。
29.根据权利要求18所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述逆变器包括布置于电源与所述多个第一模块第一耦合板之间的多个逆变器。
30.根据权利要求29所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述多个逆变器使用阻抗控制网络来整合电力。
31.根据权利要求18所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中整流器包括布置于所述多个第一模块第二耦合板与所述负载之间的多个整流器。
32.根据权利要求31所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述多个整流器利用电阻压缩网络来分流电力。
33.根据权利要求18所述的多模块电容式无线电力传输系统，其中所述逆变器包括布置于电源与所述多个第一模块第一耦合板之间的多个逆变器，并且整流器包括布置于所述多个第一模块第二耦合板与所述负载之间的多个整流器。
34.一种用于提供电容式无线电力传输的方法，所述方法包括：
提供第一电容式无线电力传输模块，所述第一电容式无线电力传输模块包括：
多个第一模块第一耦合板，所述多个第一模块第一耦合板适应于耦合至电源并且接收处于工作频率、具有第一相位的电压或电流；
多个第一模块第二耦合板，所述多个第一模块第二耦合板适应于耦合至所述多个第一模块第一耦合板以用于接收无线电力，其中，所述多个第一模块第一耦合板和所述多个第一模块第二耦合板限定第一电容式无线电力传输区；以及
在所述多个第一模块第一耦合板之间提供无功补偿和增益，其中提供无功补偿和增益的操作包括提供匹配网络，所述匹配网络适应于在以下中的至少一组之间提供无功补偿和增益：
逆变器与所述多个第一模块第一耦合板，以及
所述多个第一模块第二耦合板与负载，
其中所述匹配网络包括无功匹配网络和变压器，所述无功匹配网络包括至少两个无功构件；并且
提供第二电容式无线电力传输模块，所述第二电容式无线电力传输模块包括多个第二模块第一耦合板和多个第二模块第二耦合板，所述多个第二模块第一耦合板适应于接收处于工作频率、具有与所述第一相位不同的第二相位的电压或电流，所述多个第二模块第二耦合板适应于耦合至所述多个第二模块第一耦合板以用于接收无线电力，其中，所述多个第二模块第一耦合板和所述多个第二模块第二耦合板限定第二电容式无线电力传输区；以及
其中，不同的所述第一相位和所述第二相位适应于彼此相反以提供在所述第一电容式无线电力传输区和所述第二电容式无线电力传输区之外的一个或多个场降区中的场消除或降低。
35.根据权利要求34所述的方法，其中提供无功补偿和增益的操作包括在所述逆变器与所述多个第一模块第一耦合板之间以及在所述多个第一模块第二耦合板与所述负载之间提供无功补偿和增益。
36.根据权利要求34或35所述的方法，其中所述匹配网络包括补偿电感器、分流电容器和变压器。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述补偿电感器耦合至所述变压器的初级线圈，并且适应于进一步耦合至所述逆变器或所述负载，和/或所述分流电容器包括所述变压器的寄生绕组电容。
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