CN108141063B

CN108141063B - 混合感应电力传输系统

Info

Publication number: CN108141063B
Application number: CN201680056256.1A
Authority: CN
Inventors: D·J·斯里马维塔纳; U·K·马达瓦拉; G·A·科维克; 赵雷
Original assignee: Auckland Uniservices Ltd
Current assignee: Auckland Uniservices Ltd
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2036-08-05
Also published as: WO2017023180A1; CN108141063A; US20210384770A1; US20180233953A1; US11043846B2

Abstract

一种感应电力传输系统(1)初级(20)或次级电路(21)，具有第一补偿网络(6、12)和第二补偿网络(7、13)。所述补偿网络各自具有与初级或次级磁通量耦合结构(8、9)的相对运动相关的不同的电力传输特性。电力传输特性使得其中一个补偿另一个以允许总体电力传输的平稳或恒定而与所述相对运动无关。

Description

混合感应电力传输系统

技术领域

本发明涉及用于无线传输电力的感应电力传输(IPT)系统。本发明特别涉及一种混合IPT系统，其具有适应电力传输特性变化的能力，例如具有改进的空间容限。

背景技术

感应电力传输(IPT)，也称为无线电力传输，正在被越来越多的人认可为在没有任何物理接触的情况下跨越空气间隙传输电力的优选技术，这是由于该技术提供的高效率、隔离、环境惰性和普遍便利性。迄今为止，IPT技术已被用于各种工业和商业应用，并且不断被用于需要诸如安全性、便利性和物理隔离等特性的新应用。大多数传统IPT应用需要单向电力流动。然而，对IPT的在一些诸如电动汽车(EV)等行业中的特定关注已经转向双向感应电力传输(BD-IPT)系统。BD-IPT技术通过实现能源的存储和取回来提高EV的利用率；被称为汽车到电网(V2G)的概念有助于缓解与间歇性可再生能源产生相关的问题。

为了通过最小化初级和次级(拾取)IPT电路中使用的转换器的伏安(VA)额定值来改善性能，传统的BD-IPT系统在初级电路和拾取电路中均使用补偿网络，其中是并联调谐的电感-电容-电感(LCL)网络或串联调谐的电容-电感(CL)网络。在EV充电应用中，初级磁性耦合器和拾取磁性耦合器之间的物理运动是不可避免的。物理位移的变化引起自感、漏电感和互感的变化。这些参数变化会使典型BD-IPT系统中使用的补偿网络失调，从而导致电力传输变化、附加损耗和操作不稳定。

尽管已经提出了许多改善空间不对准情况下的IPT系统性能的解决方案，但是这些方法需要复杂的控制方案和电路拓扑以在窄范围的位移上实现边际改进。这些系统和/或其控制器引入的复杂性和延迟降低了系统的可靠性。在某些情况下，用于调节输出的调制方案会降低效率，因为它会引入额外的转换损耗。

其他方法依赖于磁通量耦合器的优化，其中接近恒定的磁通密度保持在有限的水平位移范围内。例如，BD-IPT系统在空间未对准情况下的电力吞吐量和效率主要取决于初级电路和拾取电路中采用的补偿网络的类型。还提出了串联-并联-串联(SPS)补偿拓扑结构，其被认为能够在±30％的水平位移的窄范围内保持接近恒定的电力输出。专利公开WO2010090539、WO2011016737和WO2012018269描述了用于产生或接收磁场的磁耦合结构的设计适于改善磁耦合并由此改善电力的有效传递的系统。

发明目的

本发明的目的是提供一种混合式IPT系统，其克服或至少改善现有技术的一个或多个缺点，或者至少为公众提供有用的选择。

本发明的目的是提供一种IPT系统，其提供具有水平和/或垂直位移变化的电力传输，其克服或至少改善现有技术的一个或多个缺点，或者至少为公众提供有用的选择。

根据以下描述，本发明的其他目的将变得显而易见。

发明内容

在一个方面，提供了一种感应电力输送系统的初级装置或次级装置，装置包括：

第一补偿网络和第二补偿网络，用于向与磁通量耦合器相关联的至少一个线圈提供电力或从其接收电力；和

其中第一补偿网络和第二补偿网络各自具有不同的电力传输特性。

在另一方面，提供了一种用于包括磁通量耦合器的感应电力传输系统的电源装置或拾取器，装置包括：

第一补偿网络和第二补偿网络，用于为与磁通量耦合器磁性关联的至少一个线圈供电；和

使用由补偿网络产生的不同电力传输特性允许系统具有混合阻抗特性，其可以被利用以改善整体性能，例如在耦合器未对准的情况下。例如，如果第一补偿网络对电流具有负面效应，则可以由第二补偿网络引入正面效应。

在一个实施方式中，电力传输特性被用于维持所需的电力特性。

这允许IPT装置提供所需的(例如基本恒定的)电力特性，而不管系统的变化。

系统的变化可能包括，例如，水平或垂直距离波动(耦合器未对准)或视在阻抗或反射阻抗的变化、部件的老化或变化。

在一个实施方式中，磁通量耦合器是垫。

在一个实施方式中，电力传输特性的差异与距离相关。

在一个实施方式中，电力传输特性的差异与对准相关。

在一个实施方式中，电力传输特性的差异与在一定距离范围内传输的电力量相关。

在一个实施方式中，第一补偿网络的不同电力传输特性与第二补偿网络的特性互补。

在一个实施方式中，导致第一补偿网络的特性增加的改变基本上导致第二补偿网络的特性的减少。

在一个实施方式中，第一补偿网络和第二补偿网络具有不同的网络拓扑结构，适于引起电力传输特性的差异。

在一个实施方式中，第一补偿网络和第二补偿网络至少存在一个电路部件的差异。

在一个实施方式中，第一补偿网络和第二补偿网络分别具有第一拓扑结构和第二拓扑结构。

在一个实施方式中，至少一个电路部件影响补偿网络的谐振属性。

在一个实施方式中，第一补偿网络是串联调谐补偿网络，而第二补偿网络是并联调谐补偿网络。

在一个实施方式中，第一补偿网络是电感-电容-电感(LCL)电路，并且第二补偿网络是(电容-电感)CL电路。

在一个实施方式中，在使用中存在第一补偿网络和第二补偿网络之间的相对补偿相位差或相位调制。

在一个实施方式中，在使用中，在初级线圈和次级线圈之间存在相对线圈相位差或相位调制。

在一个实施方式中，相对相位差大致为180度。

在一个实施方式中，第一补偿网络的电力传输的改变至少部分地由第二补偿网络的电力传输的改变来补偿。

在一个实施方式中，电力传输特性包括阻抗或相位角或角频率。

在一个实施方式中，电力传输特性适合于为电力传输提供空间容限。

空间容限可以通过相位调制和/或角频率和/或初级侧和拾取侧上的转换器之间的相对相位角来控制。

在一个实施方式中，第一补偿网络和第二补偿网络与单个转换器电连接。

在一个实施方式中，第一补偿网络和第二补偿网络分别与第一转换器和第二转换器电连接。

在一个实施方式中，第一转换器和第二转换器由相同的电源驱动。

在一个实施方式中，第一补偿网络和第二补偿网络分别与单个线圈相关联。在一个实施方式中，线圈与磁通量耦合器磁性关联。

在一个实施方式中，第一补偿网络和第二补偿网络分别与第一线圈和第二线圈相关联，线圈与磁通量耦合器磁性关联。

在一个实施方式中，与磁通量耦合器关联的线圈适于基本上相互解耦。

在一个实施方式中，磁通量耦合器是双极垫或双D垫。

在一个实施方式中，装置包括多个补偿网络，用于为与磁通量耦合器磁性关联的至少一个线圈供电。

在一个实施方式中，磁通量耦合器是三相垫。

在进一步的方面中，可以广泛地说本发明在于包括电源和拾取器的IPT系统，其中电源在第一方面中。

在一个实施方式中，拾取器是如第一方面所述的拾取器。

另一方面，提供了一种控制IPT系统的初级或次级电路中的能量流的方法，方法包括：

将线圈磁耦合到另一个IPT初级或次级电路；

向具有随耦合而变化的第一电力传输特性的第一补偿网络供电；和

向具有第二电力传输特性的第二补偿网络供电以补偿第一补偿网络的电力传输特性。

在进一步的方面中，可以广泛地说本发明在于一种控制IPT系统的初级或次级电路中的能量流的方法，方法包括切换交流电以在第一补偿网络中感应地传输电力，切换交流电以在第二补偿网络中感应地传输电力，其中补偿网络的切换具有不同的电力传输特性。

在进一步的方面中，可以广泛地说本发明在于用IPT系统传输电力的方法，IPT系统包括电源，电源包括：第一补偿网络；和第二补偿网络；方法包括以下步骤：

将电力从电源传输到相关联的拾取器；和

其中第一补偿网络和第二补偿网络的相应电力传输特性适应于维持所需电力传输。

在一个实施方式中，方法包括允许电源和拾取器之间的相互耦合改变的步骤。

在一个实施方式中，第一补偿网络和第二补偿网络与至少一个转换器相关联。

在一个实施方式中，第一补偿网络和第二补偿网络分别与第一补偿网络和第二补偿网络相关联。

在一个实施方式中，所需电力传输基本恒定。

在一个实施方式中，通过改变电源和拾取器之间的水平和/或垂直距离来改变互相耦合。

在一个实施方式中，补偿网络具有不同的拓扑结构，以互补地适应互相耦合的变化。

在进一步的一方面中，可以广泛地说本发明在于用IPT系统接收电力的方法，IPT系统包括拾取器，拾取器包括：与第一补偿网络相关联的第一转换器；以及与第二补偿网络相关联的第二转换器；方法包括以下步骤：

从相关联的电源的拾取器的接收电力；和

在一个实施方式中，方法包括允许电源和拾取器之间的互相耦合改变的步骤。

在一个实施方式中，所需电力传输基本恒定。

在进一步的方面中，可以广泛地说本发明在于用于包括磁通量耦合器的感应电力传输系统的电源装置或拾取器，装置包括：第一补偿网络电路和第二补偿网络电路，用于为与磁通量耦合器磁性关联的至少一个线圈供电；并且其中第一谐振电路和第二谐振电路具有不同的拓扑结构。

在进一步的方面中，可以说本发明在于使用或适于被用于本文所述的任何一种或多种方法的混合式双向IPT系统中。

应考虑本发明的创新方面，本发明的进一步的方面将从以下描述中变得显而易见。

附图说明

现在将参考以下附图通过示例来描述本发明的多个实施方式。

图1是本发明的一个实施方式的IPT系统的结构图。

图2是在图1的一部分中使用的LCL双向IPT系统。

图3是图2的LCL双向IPT系统的等效电路模型。

图4是在图1的一部分中使用的CL双向IPT系统。

图5是图4的双向IPT系统的等效电路模型。

图6示出了本发明的一个实施方式中的初级和拾取装置的放置。

图7是互感随装置的位移而变化的实施方式的图。

图8示出了单独的系统和组合的系统的阻抗与电感的关系曲线。

图9示出了单独的系统和组合的系统的模拟电力变化曲线。

图10示出了单独的系统和组合的系统的模拟效率变化与位移变化的关系曲线。

图11是本发明的一个实施方式的IPT系统的结构图。

图12是本发明的一个实施方式的IPT系统的结构图。

具体实施方式

图1示出了本发明的第一实施方式，其中示出了一般标记为1的混合IPT系统。系统1能够维持基本上恒定的电力通过量，例如，在初级和次级磁耦合结构之间的水平和/或垂直相对位移的宽范围上。系统1由初级源或电源20和次级源或拾取器21组成。尽管在该示例中的系统1被示出为双向系统，但是这里讨论的补偿网络也可以用于单向系统以提供相同或相似的有利的电力传输特性。因此，尽管在系统1的初级侧和次级侧都示出了转换器，但是在其他实施方式中，次级侧可以具有整流器。

系统1包括磁耦合结构，其在本文中被称为磁通垫，用于控制和支持电源和拾波器(或初级和次级)之间的传输。磁通垫包括一个或多个线圈并且可以仅作为线圈绕组的支撑件或介质，包括例如混凝土或金属支撑件。可替代地，磁通垫可以包括各种屏蔽和磁通支撑层，例如铁氧体。从最广泛的意义上说，磁通垫或耦合器可以简单地指代线圈。尽管在附图中示出的具体示例中示出具有一个或两个线圈的磁性结构，但也可以使用具有三个或更多个线圈的结构。在本发明的一个实施方式中，系统通过具有不同电力传输特性的转换器或者，更特别地，补偿网络，来管理磁通垫之间的宽范围的位移。

这种电力传输特性的差异意味着，例如，第一补偿网络的电力传输特性的减少将优选地导致第二(或另外的)补偿网络的电力传输的增加。在另一个例子中，差异可能在于补偿网络以不同的方式响应供电电力的增加、初级和次级之间的互感变化、或者可用或需要电力更少的情况。

首先参照电源20，公共电源2利用与第一线圈8相关联的第一补偿网络6向第一转换器4供电。公共电源还用与第二线圈9相关联的第二补偿网络7向第二转换器5供电。在一些实施方式中，系统可以被修改为在第一转换器和第二转换器之间共享更多或更少数量的元件。例如，转换器4、5可以由分开的电源2操作或者可以供应公共线圈8、9。通过选择具有不同性质或电力传输特性的补偿网络6、7，可以向电源提供的电力引入更宽范围的容限。在图1的示例中，在第二转换器5上使用作为串联谐振补偿网络的C-L补偿网络7，并且在第一转换器4上使用作为并联谐振补偿网络的L-C补偿网络6。

在其他实施方式中，转换器或补偿网络的类型可以变化。例如，可以使用各种类型的并联或串联补偿网络，并且转换器结构可以是所示的半桥或全桥转换器，或者是替代的拓扑结构诸如推拉转换器或多电平转换器。尽管已经使用了术语补偿网络，但本领域技术人员将会理解，术语谐振电路、调谐电路或类似术语可以用于指代类似的布置。对于补偿网络使用不同的电路拓扑结构或布置增加了系统维持所需电力的附加灵活性。也就是说，第一网络拓扑的负面效应可以通过第二网络拓扑结构的正面效应来改善，反之亦然。特别是在补偿网络具有互相补充的电力传输性质或特性的情况下，即一个网络可部分或完全补偿另一个网络的效应。互补网络可能有不同的部件和/或不同的控制策略。

图1还示出了基本上类似于上述电源的拾取电路21。第一转换器14通过第一补偿网络12提供公共电源3，第一补偿网络12与第一线圈10相关联。公共电源3还利用第二补偿网络13从第二转换器15接收电力，第二补偿网络13与第二线圈11相关联。在一些实施方式中，系统可以被修改以在第一转换器和第二转换器之间共享更多或更少数量的元件。例如，转换器14、15可以向分开的电源3提供电力或者可以供应公共线圈10、11。通过选择具有不同性质或电力传输特性的补偿网络12、13，可以向电源提供的电力引入更宽范围的容限。在该实施方式的变型中，初级或次级中的仅一个可以使用所描述的系统，并且可以向单个线圈和补偿网络系统供电或者从单个线圈和补偿网络系统汲取电力。例如，电源可以是如所描述的两个转换器系统，但其可以向具有单个线圈的拾取器供电。单个线圈可以是具有成本效益的、高效的且体积小，但因多个补偿网络而保持灵活性。在实施方式中，转换器可以双向使用，即作为电源或拾取器使用。

图1显示了一个LCL BD-IPT(双向感应电力传输)6、12系统和一个CL BD-IPT 7、13系统，它们通过在初级和拾取电路二者中的共用DC 2、3总线组合在一起。LCL BD-IPT 6系统的电力吞吐量与磁通量耦合器之间的互感成正比，而CL系统7的电力吞吐量与互感成反比。因此，通过CL系统7的互感的变化，由LCL系统6上的未对准引起的互感的变化至少部分地被改善，并且优选地被减小到基本上为0。因此，图1所示的混合BD-IPT系统的电力吞吐量可以保持基本恒定。

图1示出了具有指示的电流和电压的电源或拾取装置的实施方式。所示出的混合系统的初级转换器和拾取转换器由转换器(例如，半桥或全桥转换器)组成并且转换器被控制以产生具有fT的基频的脉宽调制AC电压Vpi，n和Vsi，n。可替代地，可以在初级电源和拾取器两者中使用单个三桥转换器来导出这些AC电压。如在典型的BD-IPT系统中，LCL和CL补偿网络被调谐到基频fT。基频可能因应用、组件和/或电力水平而改变。在一些实施方式中，调谐频率fT在每个转换器中可以不同以减小系统之间的灵敏度或相互耦合。例如，谐振频率可以被带隙分开以减少交叉效应。在实施方式中，各个转换器和/或补偿网络的相位角和阻抗特性可以提供进一步的变量以调整系统的使用特性。例如，用户可以修改转换器之间的相位角，转换器驱动初级侧和次级侧之间的初级侧和/或相位角上的第一补偿网络和第二补偿网络。

初级侧转换器分别在初级绕组Lpt，1，8和Lpt，2，9中产生受控电流Ipt，1和Ipt，2。尽管在图1中，Lpt，1，8和Lpt，2，9被示出为单个磁通量耦合器或垫形式的两个单独线圈，但是这些可以是极化耦合器的两个线圈。例如，Lpt，1和Lpt，2可以由包括单个绕组的部分的两个线圈组成，例如WO2010090539中公开的极化耦合器(称为DD垫)。在另一个示例中，线圈可以被重叠以便它们之间具有最小或为零的相互耦合，例如WO2011016737和WO2012018269中公开的耦合器(被称为双极垫)。双极垫的使用具有特别的优点，即两个或更多个线圈的实质相互解耦导致转换器能够基本上独立地被控制，使得最小的交叉耦合存在。本发明的实施方式可以被结合到耦合器或线圈中，在耦合器或线圈中在一对或多个线圈之间基本上不存在相互耦合。在替代的实施方式中，通过控制线圈之间的相位差可以减小初级线圈或次级线圈之间的相互耦合。例如，如果第一转换器4的相位处于90度并且第二转换器5的相位处于-90度处，那么线圈之间的相互耦合的效应被显着减小，优选为减小到0。180度的相位差意味着相互耦合应导致基本上真实电力传输的传输，这会影响电力传输水平但不会增加损耗。然而，本领域技术人员将理解，相位角不需要是180度。在一些情况下，可以针对电路所需的电力特性调整补偿网络或初级和次级转换器之间的相位角。实际上，我们发现由于垫未对准而导致的交叉耦合的变化是很小的。

由Lpt，n产生的磁场在相应的次级绕组Lst，n上感应出电压Lst，n，电压Lst，n与Lpt，n磁耦合，实现跨Lpt，n和Lst，n之间的空气间隙传输电力。类似于Lpt，1，8和Lpt，2，9的构造，拾取线圈Lst，1，10和Lst，2，11可以是在典型的极化耦合器中的两个线圈。拾取(次级)电路可以通过几乎相同的电子设备实现，其中包括转换器、补偿电路和专用控制器。为简单起见，拾取侧的有效负载由电压源Vout表示。实际上，该电压源可以是用于存储或取回能量或其他能量源的EV的电池组。

可以描述在稳态条件下运行的所描述系统的数学模型。使用数学模型，可以测试所提出的系统的行为，例如在实际操作条件的范围下研究3.3kW混合BD-IPT系统。然后参考由于水平和垂直位移引起的自感、漏电感和互感变化来讨论提出将与本发明的系统一起使用的磁通量耦合器的细节。模拟结果显示了混合系统在宽范围的位移情况下保持恒定电力输出的能力。为了深入了解本发明的系统的操作，通过单独建模LCL和CL网络开发数学模型，然后将结果组合以获得混合系统的综合模型。在开发可替代的互补转换器系统时可遵循该过程。在这种情况下，单独的模型指示一些特性的相反行为应用两个转换器可能会实现均衡的性能。在所描述的情况下，模型表征了混合系统的稳定性和动力传输，并考虑到了耦合器之间的位移变化。

图2和图3示出了并联调谐电路，在这种情况下是LCL电路，以及可以在图1的系统1中实现的等效模型。假设图1中的混合系统采用四个全桥转换器来驱动补偿网络6、12，LCL-LCL网络连同其电力转换器在图2中示意性示出。驱动初级20和拾取21LCL网络的初级和拾取全桥转换器4、14被控制以产生电压Vpi，1和Vsi，1。所产生的电压的大小可以通过移动相位调制

和

以及给定的相对相位角θ1来控制。可以使用图3所示的电路模型在相量域中分析BD-IPT 1系统。忽略谐频，两个转换器在基频下产生的电压Vpi，1和Vsi，1可以由下式给出：

以及

其中

和

分别是施加到初级20和拾取21转换器的相位调制。

在初级和拾取绕组中感应的电压Vpr，1和Vsr，1可分别由下式给出：V_pr，1＝jωMI_st，1以及V_sr，1＝jωMI_pt，1。在给定的一组电路参数下，在初级和拾取绕组中流过的电流可以由下式给出，

其中；

和

和

和

类似地，由初级和拾取转换器4、14产生的电流可以由下式给出，

和

其中，

忽略电感器中的铜损耗，在并联调谐LCL BD-IPT系统的初级和拾取器之间传输的电力可以由下式

其中，

和

和

为了最小化初级和拾取转换器的VA额定值，两个LCL网络通常被调谐到Vpi，1的基频，

其中fT是Vpi，1和Vsi，1的基频。

在调谐条件下，LCL网络的稳态电力吞吐量由下式给出：

其中LCL子系统30的电力吞吐量与磁通量耦合器之间的互感成正比。

CL子系统

图4和图5分别示出了串联调谐电路31，在这种情况下分别是CL电路和等效模型。CL-CL网络与驱动该子系统31的两个全桥转换器5、15一起在图4中示出。全桥转换器5、15以与LCL-LCL系统类似的方式被控制成产生可变值电压Vpi，2和Vsi，2，并且它们之间的相对相移为θ₂。

该系统可以使用图5所示的电路模型进行分析，以获得由初级和拾取转换器产生的电流，如下式给出的：

和

其中相量域电压Vpi，2、Vsi，2、Vpr，2和Vsr，2由下式给出，

和

忽略电感器中的铜损耗，在串联调谐的BD-IPT系统31的初级20和拾取器21之间传输的电力可以由下式给出：

其中，

通常选择串联电容器来补偿线圈的磁化电感，如由下式给出的：

其中fT是Vpi和Vsi的基频。

在调谐点中的CL补偿网络的稳态电力传输等式由下式给出：

与LCL补偿相比，电力吞吐量与磁通量耦合器之间的互感成反比。

混合BD-IPT系统

由LCL和CL子系统组成的混合BD-IPT系统的电力吞吐量可以通过P_LCL和P_CL的矢量求和来获得。在调谐的条件下，假设θ₁是90°、θ₁是-90°以及

这可以简化为，

同样，电力可以在没有上述简化假设的情况下组合。这导致P_混合的等式更复杂，然而证明可以通过(补偿网络

或者转换器之间的)相位角的相位调制和频率来控制电力，以补偿磁电感M的变化。通过修改这些参数，可以将电力传输控制到所需的电力特性。在一个实施方式中，这可以是用于空间未对准的基本恒定的电力传输。在其他实施方式中，所需的电力特性可以具有倾斜的、弯曲的或变化的波形，例如以提供位置或其他信息。

图7至图10示出了组合的BD-IPT系统在拾取器的不同水平和垂直位移的情况下的效率、功率和稳定性，参考固定磁耦合器的模拟结果和如图6所示的实验设置。已经进行了模拟以模仿由车辆负载条件或平均驾驶员在充电站上停车引起的变化。在使用期间，相应线圈之间的空气间隙可能改变，线圈的对齐也可能改变。以前的工作还没有适于最小化垂直对齐。两个线圈(或线圈组)8、9、10、11之间的80-120mm的操作空气间隙以及160mm的最大水平未对准被认为是EV充电应用中的实际位移区域。每个系统的调谐位置61被选择为当拾取线圈直接在初级线圈上方100mm定向时的位置；用最大耦合的方向模拟汽车的平均高度。

图6示出了对于线圈Lpt1、Lpt2、Lst1和Lst2使用相同的DD型磁通量耦合器的混合IPT系统的实施方式的初级51和拾取器50。但是，如前所述，线圈Lpt1和Lpt2可以是极化耦合器(诸如双极性耦合器)中的两个线圈。同样，线圈Lst1和Lst2可以由偏振耦合器中的两个线圈组成。测量这些DD耦合器的电感以及它们之间的耦合系数并记录在固定初级耦合器上方的多个位移点(x，y，z坐标)处。

图7描述了作为距离的函数的互感的变化，表示耦合器或初级51和拾取器50之间的位移。互感系数60的变化意味着单个线圈拾取器将经历可用电力的变化，可用电力取决于其相对于电源位于何处。这是拾波器离开调谐点61或理想的位置的运动减小。从这些记录值可以看出，线圈的互感从最大耦合点(0，0，80)处的102μH变化到最小耦合位置(160，160，120)处的41μH，而对于相同的位移自感仅从186μH变为最大的209μH。在这种情况下的一个挑战是确保跨线圈位移提供稳定的电力。

表1示出了使用前一节中介绍的DD耦合器的混合3.3kW系统的实施方式的参数列表。该系统使用MATLAB SimulinkTM分段线性电路模拟器(PLECS)进行模拟。混合系统通过具有固定调制值

的开环控制器来实现，以在宽范围的位移中调节电力吞吐量。

表I.LCL和CL BD-IPT系统的参数

图8示出了对LCL、CL和本公开实施方式的阻抗的影响。拾取耦合器或线圈10、11相对于通常静止的初级耦合器8、9的位移的变化引入耦合器自感和互感的变化，其使每个单独的IPT系统1中采用的补偿网络失谐。相对设计调谐频率的偏差引起初级电源负载的剧烈变化，显着影响整个系统的稳定性，因此可能威胁半导体器件的使用寿命。初级转换器4、5在初级和拾取线圈或耦合器之间未对准的情况下看到的输入阻抗Zin的变化可能很大。图8示出了LCL子系统81的Zin大小的变化与Lpt成反比，而CL子系统82的Zin大小的波动或变化与Lpt成正比。

当使用混合系统的实施方式时，正比例性和反比例性相互操作。这就是当电感低时，LCL电路具有高阻抗，而CL电路具有低阻抗，并且当电感高时亦然。因此，由于计算显示了LCL和CL或串联和并联电路的组合，混合系统的组合输入阻抗83在本文考虑的位移范围内基本恒定。对于LCL84、CL85和混合系统86所示的阻抗Zin的角度反映了类似的效果。

图9显示了各个串联和并联子系统(在本例中为CL 31和LCL 30子系统)的输出电力与一系列距离范围内的混合BD-IPT系统之间的模拟关系。两个线圈之间80-120mm的操作空气间隙以及160mm的最大水平未对准在模拟中被认为是实际的位移区域。由于CL子系统的输出电力与耦合器之间的磁耦合成反比，所以输出电力随着两个耦合器之间的间隔增加而增加。相反，随着LCL子系统的间隔增加，观察到输出电力下降或减少，因为系统的电力吞吐量与磁耦合成正比。

然而，具有固定调制的混合系统1的输出电力在最高达100mm水平位移以及80mm至120mm垂直位移的额定值的约10％内保持恒定。因此，混合BD-IPT系统可以使初级和次级绕组8、9、10、11之间的空间位移的影响最小化。

图10显示了单个LCL 30和CL 31子系统以及混合系统1的模拟效率作为位移的函数。图10的实施方式显示，与在调谐位置处观察到的LCL系统的92.5％相比，CL子系统具有约94.5％的较高最大效率。当耦合器相对彼此移动时，两个子系统的效率都会下降。混合系统的效率略好于LCL子系统，但略低于CL子系统。可以实施反馈控制以进一步调节在水平位移100mm范围内的混合系统的输出电力。由于ZVS丢失，系统的效率也可能受到减少脉宽调制的影响。在替代的实施方式中，电力传输特性可以针对水平距离或垂直距离。在这种情况下，第一线圈8的目标可以是在基本上为零的位移处提供峰值电力，并且第二线圈9的目标可以是在非零位移处提供峰值电力。在一些实施方式中，可以通过改变控制参数来调整目标或所需的电力特性，例如，用于P_混合。

在本发明的实施方式中，电力传输特性的目标可以是改善(例如，通过降低)系统对初级和次级之间距离变化的敏感度。也就是说，线圈之间的距离通常影响线圈的相互耦合并且为了保持恒定的电力传输，必须改变转换器的性质或特性。如果通过具有距离变化的影响基本上互补的两个系统来自动校正距离，以至少部分地相互抵消，则这是有利的。这可能通过使用不同的拓扑结构来实现，例如这里解释的LCL和CL拓扑结构，其补偿网络中具有不同的电路部件(例如L和C)。

因此，混合BD-IPT系统已被示出能够在宽范围的水平和垂直位移上保持基本恒定的电力输出。包括并联调谐电感器-电容器-电感器补偿网络和串联调谐电容器-电感器补偿网络的3.3kW混合系统的性能已经用于展示本发明的实施方式。然而，应该理解的是，可以提供不同的电力传输特性的补偿网络不限于这些特定的布置或并联和串联布置。提出的混合BD-IPT系统的实施方式可以保持最高达100mm的水平位移和40mm的垂直位移的接近恒定的输出电力。本发明的混合系统能够保持高效率，因为它促进在宽范围的空间位移上进行零电压切换。

与多相系统一起使用解耦线圈以确保线圈之间的相互耦合或减少从中的损耗，这可能是有利的。例如，双极垫具有解耦以减少转换器之间的干扰的线圈。这些系统可以具有磁通垫和/或线圈，磁通垫和/或线圈被设计成与来自转换器之间的已知或近似的相位角的干扰或耦合一起操作。然而，任何数量的磁通垫将与本公开的实施方式一起使用，包括圆形垫和双D垫。

上面已经描述了关于在初级和/或次级上具有两个补偿网络的单相转换器的系统。然而，系统可以扩展到包括三相系统的多相系统。还应该理解的是，系统不限于一、二或三相网络(每个相也可以具有单个线圈或多个线圈)。向系统添加更多补偿网络(使用单独或共享线圈)可能有利于提供更多的变量或参数来帮助控制系统。

图11示出了本发明的一个替代的实施方式，其中单个线圈111关联到两个补偿网络6、7。线圈111可以是中心抽头线圈，但也可以是具有用于每个补偿网络的公共端子的单个线圈。该实施方式显示了初级和次级二者的类似设计，但这不是必需的。使用单个线圈可以减小线圈和磁通垫的尺寸和成本。

图12示出了具有以三相星形布置连接到单个转换器121的三个补偿网络的系统。CL 7和LCL 6补偿网络与混合补偿网络120组合。线圈122、123和124被示为单独的线圈，但是可以使用单个线圈。在本发明的实施方式中，线圈122-124中的一个或多个可以与包括被组合到的磁通垫相关联。磁通垫可以包括铁氧体或元件或装置(诸如铝)以形成或控制由线圈产生的场。拾取器可以使用一个系统，或者如图所示，可以使用具有单一补偿网络拾取器。

本发明的实施方式包括控制器装置113或设备113，用于控制在电源和拾取器之间传输的电力并控制切换元件或转换器系统。控制器装置可以包括包含微处理器或电子开关或逻辑系统的处理器装置。控制器可以在系统之间共享，或者系统可以使用单独的控制器。

可以广泛地说，本发明在于单独地或共同地以两个或更多个部分、元件或特征的任何或所有组合的方式在本申请的说明书中提及或指示的部分、元件和特征。此外，在已经提及具有已知等同物的本发明的具体部件或整体的情况下，这样的等同物如同单独阐述的那样并入本文。

除非上下文清楚地要求，否则在整个说明书中，词语“包括”、“包含”等应被解释为包含性的意义，而不是排他性或穷举性意义，也就是说，是“包括但不限于”的意义。

在整个说明书中对现有技术的任何讨论决不应该被认为是承认这样的现有技术是广泛已知的或者构成本领域公知常识的一部分。

Claims

1.一种感应电力输送IPT系统的初级或次级装置，所述装置包括：

第一补偿网络和第二补偿网络，用于向与磁通量耦合器相关联的至少一个线圈提供电力或从所述至少一个线圈接收电力；并且

其中所述第一补偿网络和所述第二补偿网络各自具有不同的互补的电力传输特性，

其中，当所述装置从磁耦合的磁通量耦合器接收电力或向所述磁耦合的磁通量耦合器提供电力时，

所述第一补偿网络的电力吞吐量与所述磁通量耦合器和所述磁耦合的磁通量耦合器之间的互感成正比，并且

所述第二补偿网络的电力吞吐量与所述磁通量耦合器和所述磁耦合的磁通量耦合器之间的互感成反比，以使得组合电力吞吐量跨所述磁通量耦合器相对于所述磁耦合的磁通量耦合器的空间位移的一范围保持基本恒定。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一补偿网络和所述第二补偿网络一起为所述装置提供所需的总体电力特性。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其中所述第一补偿网络的第一电力传输特性至少部分地补偿所述第二补偿网络的第二电力传输特性。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一补偿网络和所述第二补偿网络中的每一者的所述电力传输特性取决于所述磁通量耦合器相对于所述磁耦合的磁通量耦合器的距离或对准，其中所述装置从所述磁耦合的磁通量耦合器接收电力或向所述磁耦合的磁通量耦合器传输电力。

5.根据权利要求2所述的装置，其中所需的总体电力特性取决于所述磁通量耦合器相对于所述磁耦合的磁通量耦合器的距离或对准，其中所述装置从所述磁耦合的磁通量耦合器接收电力或向所述磁耦合的磁通量耦合器传输电力。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一补偿网络或所述第二补偿网络的所述电力传输特性进一步包括相位角或角频率中的一个或多个。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一补偿网络是串联调谐的补偿网络，并且所述第二补偿网络是并联调谐的补偿网络。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一补偿网络是电感-电容-电感LCL电路，并且所述第二补偿网络是电容-电感CL电路。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一补偿网络相对于所述第二补偿网络具有相位差或相位调制。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述第一补偿网络向第一线圈提供电力或从第一线圈接收电力，并且所述第二补偿网络向第二线圈提供电力或从第二线圈接收电力。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一线圈和所述第二线圈具有最小的相互磁耦合或没有相互磁耦合。

12.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述IPT系统包括双向IPT系统。

13.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述IPT系统包括次级IPT电路。

14.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述IPT系统包括初级IPT电路。

15.根据权利要求1或2所述的装置，其中组合输入阻抗跨所述磁通量耦合器相对于所述磁耦合的磁通量耦合器的空间位移的一范围保持基本恒定。

16.一种控制IPT系统的初级或次级电路中的能量流的方法，所述方法包括：

将初级电路中的线圈磁耦合到所述IPT系统的次级电路中，或将次级电路中的线圈磁耦合到所述IPT系统的初级电路；

向第一补偿网络供电，所述第一补偿网络具有随耦合而改变的第一电力传输特性；以及

向第二补偿网络供电，所述第二补偿网络具有为所述第一电力传输特性的互补的第二电力传输特性以补偿所述第一补偿网络的所述第一电力传输特性，

其中所述第一补偿网络的电力吞吐量与磁通量耦合之间的互感成正比，所述第二补偿网络的电力吞吐量与所述磁通量耦合之间的互感成反比，以使得组合电力吞吐量跨所述线圈和所述IPT系统的磁耦合的次级或初级电路的空间位置的一范围保持基本恒定。