CN108352248A - 使用多个螺线的匹配绕组的低电感垫绕组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线功率充电的装置，所述装置包括第一导体被布置成绕组图案且第一绕组围绕中心点208的第一充电线圈202，并且所述第一充电线圈202的每个连续绕组离所述中心点208的距离远于所述第一绕组和任何先前绕组。第二充电线圈204包括相对于所述第一充电线圈202缠绕的第二导体，其中所述第二充电线圈204的每个线圈被布置在所述第一充电线圈202的每个绕组之间。所述第一充电线圈202和所述第二充电线圈204被并联连接。铁氧体结构206被定位成与所述第一充电线圈202和所述第二充电线圈204相邻。

Description

使用多个螺线的匹配绕组的低电感垫绕组

技术领域

本申请要求Patrice Lethellier等人提交于2015年6月29日的名称为“LOWINDUCTANCE PAD WINDING USING A MATCHED WINDING OF MULTIPLE SPIRALS”的美国临时专利申请No.62/186,257的权益，该临时专利申请以引用方式并入本文以用于所有目的。

背景技术

无线功率传输提供优于有线功率传输的许多优点。许多设备和系统使用无线功率传输对电池充电、输送功率等，而不必使用连接器，连接器可能会随时间推移而出现故障。设备可能需要间歇功率传输例如以对电池充电，这种情况可受益于无线充电，以减轻与连接器故障、突破防水或抗水屏障等相关联的问题。

随着无线功率传输系统发展，功率电平已增加。常规的高功率无线功率传输系统可能需要相对较高的电压来充电。为了降低成本、电压危害等，需要减少电压需求的方法。

发明内容

本发明公开了一种用于无线功率传输的装置。该装置包括第一导体被布置成绕组图案且第一绕组围绕中心点的第一充电线圈，并且第一充电线圈的每个连续绕组离中心点的距离远于第一绕组和任何先前绕组。第二充电线圈包括相对于第一充电线圈缠绕的第二导体，其中第二充电线圈的每个线圈被布置在第一充电线圈的每个绕组之间。第一充电线圈和第二充电线圈被并联连接。铁氧体结构被定位成与第一充电线圈和第二充电线圈相邻。在一个实施方案中，每个充电线圈具有内部起始点。内部起始点具有充电线圈的第一绕组开始的位置，并且第一绕组比充电线圈的附加绕组更靠近中心点。每个充电线圈的充电线圈内部起始点是从中心点发出的相同半径。在另一个实施方案中，每个充电线圈的内部起始点围绕起始点圆间隔开且与其他充电线圈的内部起始点的距离相等，起始点圆以中心点为中心。在一个实施方案中，该装置包括附加充电线圈，并且该附加充电线圈包括相对于第一充电线圈、第二充电线圈和任何其他附加充电线圈缠绕的附加导体，并且附加线圈的每个绕组被布置在第一充电线圈和第二充电线圈及任何其他附加充电线圈的每个绕组之间，并且每个充电线圈包括内部起始点。内部起始点位于第一绕组开始的位置，并且第一绕组比充电线圈的附加绕组更靠近中心点。在该实施方案中，每个充电线圈的内部起始点是从中心点发出的相同半径，并且每个充电线圈的内部起始点围绕起始点圆间隔开且与其他充电线圈的内部起始点的距离相等。起始点圆以中心点为中心。在一个实施方案中，每个充电线圈被缠绕成使得在从中心点发出的特定径向，围绕最内绕组的每个连续绕组离先前绕组更远并且被定位成相对于与中心点垂直的线基本上为平面的。在另一个实施方案中，每个充电线圈的每个绕组被布置成基本上为平面的。在另一个实施方案中，每个充电线圈被布置成阿基米德螺线。在另一个实施方案中，每个充电线圈被布置成不规则螺线，其中该不规则螺线包括这样的绕组部分，这些部分在相对于中心点的半径方面有所不同，而非绕组的起始点与终止点之间的变化，以适应充电线圈的下一绕组的开始并且允许一个或多个附加充电线圈的绕组。在另外一个实施方案中，每个充电线圈被布置成基本上正方形形状和/或基本上D形。在一个实施方案中，铁氧体结构的表面的至少一部分为平面的，并且与相邻的第一充电线圈和第二充电线圈的至少一部分平行。在另一个实施方案中，与第一充电线圈和第二充电线圈相邻的铁氧体结构的侧面为平面的，并且第一充电线圈和第二充电线圈为平面的且与铁氧体结构的该侧面平行。在另一个实施方案中，该装置的充电线圈具有被定位成在第一平面中为平面的且被定位成与铁氧体结构的区段相邻的第一部分，并且充电线圈具有被定位成在第二平面中为平面的且被定位成与铁氧体结构的平面区段相邻的第二部分。第一平面和第二平面是不同平面。在另一个实施方案中，该装置包括被定位成与第一组充电线圈相邻的第二组充电线圈，其中第一组充电线圈和第二组充电线圈每一者的一部分被定位成相邻且被定位成基本上在第一平面中，并且被定位成远离第一组充电线圈和第二组充电线圈的相邻区段的第一组充电线圈和第二组充电线圈的部分被定位成基本上在第二平面中。在一个实施方案中，每个充电线圈的导体包括第一引线和第二引线。第一引线和第二引线包括从充电线圈的绕组延伸的每个充电线圈的导体的部分。充电线圈每一者的第一引线和第二引线的至少一部分按一定图案组合在一起，从而除充电线圈的绕组部分的电感之外还增加电感或者从充电线圈的绕组部分的电感减去电感。该图案被选择为调节充电线圈的电感的总量。在另一个实施方案中，第一引线的末端被连接且第二引线的末端被连接，使得充电线圈被并联连接。在另一个实施方案中，铁氧体结构包括被布置成远离中心点延伸的径向图案的多个铁氧体棒。用于无线功率传输的装置包括导体被布置成绕组图案且第一绕组围绕中心点的第一充电线圈，并且第一充电线圈的每个连续绕组离中心点的距离远于第一绕组和任何先前绕组。该装置包括一个或多个附加充电线圈，其中每个充电线圈包括相对于第一充电线圈缠绕的导体，其中附加充电线圈的每个线圈被布置在第一充电线圈的每个绕组之间。第一充电线圈和附加充电线圈被并联连接。每个充电线圈具有内部起始点，其中该内部起始点位于充电线圈的第一绕组开始的位置，并且第一绕组比充电线圈的附加绕组更靠近中心点。每个充电线圈的内部起始点被定位成从中心点发出的相同半径。每个充电线圈的内部起始点围绕起始点圆间隔开且与其他充电线圈的内部起始点的距离相等，并且起始点圆以中心点为中心。第一充电线圈和所述一个或多个附加充电线圈被并联连接，并且第一充电线圈和所述一个或多个附加充电线圈基本上为平面的。该装置包括被定位成与第一充电线圈和所述一个或多个附加充电线圈相邻的铁氧体结构。铁氧体结构的至少一个侧面为平面的，并且被定位成与第一充电线圈和所述一个或多个附加充电线圈相邻。

用于无线功率传输的系统包括第一导体被布置成绕组图案且第一绕组围绕中心点的第一充电线圈，并且第一充电线圈的每个连续绕组离中心点的距离远于第一绕组和任何先前绕组。该系统包括一个或多个附加充电线圈，其中每个充电线圈包括相对于第一充电线圈缠绕的导体，其中附加充电线圈的每个线圈被布置在第一充电线圈的每个绕组之间。第一充电线圈和附加充电线圈被并联连接。该系统包括被定位成与第一充电线圈和所述一个或多个附加充电线圈相邻的铁氧体结构，其中充电线圈和铁氧体结构是充电垫的一部分。该系统包括连接到充电垫并为充电垫提供功率的谐振转换器，或从充电垫接收功率并为负载调节功率的次级电路。在一个实施方案中，充电垫是初级充电垫的一部分并连接到谐振转换器，并且该系统包括第二充电垫。第二充电垫连接到次级电路。该系统包括储能设备和/或电机。储能设备和/或电机从次级电路接收功率。

附图说明

为了使本发明的优点易于理解，通过参考附图中所示的具体实施方案来更具体地说明上文简要描述的本发明。应理解这些附图仅示出了本发明的典型实施方案而不该视为对其范围的限制，通过使用附图将更为具体详尽地描述和阐明本发明，其中：

图1示出了示例性感应功率传输(“IPT”)充电系统的框图；

图2A是示出具有两个充电线圈和铁氧体结构的用于无线功率传输的装置的一个实施方案的示意性框图；

图2B是示出具有两个充电线圈和替代铁氧体结构设计的用于无线功率传输的装置的一个实施方案的示意性框图；

图3是示出具有呈正方形图案的两个充电线圈的用于无线功率传输的装置的一个实施方案的示意性框图；

图4是示出具有四个充电线圈的用于无线功率传输的装置的一个实施方案的示意性框图；

图5是示出具有两个充电线圈和接收器线圈的用于模拟无线功率传输的电路的一个实施方案的示意性框图；

图6A是对于1.25％漏电感而言百分比电流与无错误的比较的模拟结果的描绘并且品质因数被改变；

图6B是对于1.25％漏电感而言相位角的模拟结果的描绘并且品质因数被改变；

图7A是对于10％漏电感而言百分比电流与无错误的比较的模拟结果的描绘并且品质因数被改变；

图7B是对于10％漏电感而言相位角的模拟结果的描绘并且品质因数被改变；

图8A是示出具有两个充电线圈和铁氧体结构以及充电线圈的第一导体和第二导体的用于无线功率传输的装置的一个实施方案的示意性框图；

图8B是图8A的装置的第一导体和第二导体的具有第一极性的电源引线的横截面；

图8C是图8A的装置的第一导体和第二导体的具有第二极性的电源引线的横截面；

图9A是示出具有被布置成双D图案的两组充电线圈的用于无线功率传输的装置的一个实施方案的示意性框图的顶视图；

图9B是示出具有被布置成双D图案的两组充电线圈且铁氧体结构位于充电线圈下方的用于无线功率传输的装置的一个实施方案的示意性框图的侧视图；

图9C是示出具有被布置成双D图案的两组充电线圈且充电线圈的一部分位于铁氧体结构上方以及充电线圈的一部分位于铁氧体结构下方的用于无线功率传输的装置的一个实施方案的示意性框图的侧视图；以及

图9D是示出具有被布置成双D图案的两组充电线圈且充电线圈的一部分位于铁氧体结构上方以及充电线圈的一部分位于铁氧体结构和分裂铁氧体结构下方的用于无线功率传输的装置的一个实施方案的示意性框图的侧视图。

具体实施方式

在整个本说明书中所提到的“一个实施方案”、“实施方案”或类似语句意是指结合该实施方案所述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书中，短语“在一个实施方案中”、“在实施方案中”和类似语句的出现可(但不一定)全部指同一实施方案，但是指“一个或多个(但不是所有)实施方案”，除非另外明确地指出。术语“包括”、“包含”、“具有”及其变型形式是指“包括但不限于”，除非另外明确地指出。列举的项目的列表并非暗示任何或所有的项目互相排斥和/或互相包含，除非另外明确地指出。术语“一个”、“一种”和“该”也指“一个或多个”，除非另外明确地指出。

此外，本发明所述的特征、结构或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式结合。在以下的说明中，提供了许多具体细节，例如编程示例、软件模块、用户选择、网络事务处理、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等以便于彻底理解本发明的实施方案。然而，相关领域的技术人员应该认识到本发明可在没有一个或多个具体细节，或在用其他方法、元件、材料等的情况下实施。在其他情况下，众所周知的结构、材料或操作没有被详细地展示或描述，以避免使本发明各方面含混不清。

包括在本文中的示意性流程图通常阐述为为逻辑流程图。同样地，描述的顺序和标识的步骤表示所提供方法的一个实施方案。可设想与所述方法的一个或多个步骤或其部分在功能、逻辑或作用上等同的其他步骤和方法。另外，所用的格式和符号是用来解释方法的逻辑步骤，不应理解为对方法范围的限制。虽然在流程图中可使用各种箭头类型和线条类型，但是它们不应理解为是对该相应方法范围的限制。实际上，可使用一些箭头或其他连接头来表示方法的逻辑流程。例如，箭头可用来表示在所述方法所列举的步骤之间，未指定持续时间的等待或监控周期。另外，具体方法所进行的顺序可以严格遵循也可以不严格遵循所示的相应步骤的顺序。

图1示出了示例性感应功率传输(“IPT”)充电系统100的框图。图1的IPT充电系统100是可包括IPT系统102的系统100的一个实施方案，如下所述。在其他实施方案中，IPT系统102可用于充电以外的目的。IPT系统102包括第一级104、第二级106以及通过气隙108在第一级104与第二级106之间的无线功率传输。系统100包括负载110和电压源112。下面描述系统100的元件。

本文所述的IPT充电系统100可包括由电压源112(诸如来自公用电力网)供电的功率因数级114，诸如初级交流电(“AC”)至直流电(“DC”)功率因数级。在一些实施方案中，初级AC-DC转换器级可被配置成将电网级电压转换为DC电压116(诸如DC母线电压)，以用于初级调谐谐振转换器。具有低输出纹波的DC输出电压对于大纹波系统是优选的，以便防止无线感应功率传输系统中出现调幅信号，该调幅信号可导致效率降低并且需要附加的复杂性。

在一些实施方案中，AC-DC转换器中的有源功率因数校正(“PFC”)可有助于确保电网电压和电流在相位上接近。PFC可减少总电网电流需求，并且通常减少电网谐波。电网供电公司通常对附接的工业设备具有特定谐波要求。通常电网供电公司还会对供给表现出低功率因数的工业设备的电源收取额外费用。在本文所述的IPT充电系统100中，一个或多个合适的级可用于PFC。例如，可使用一个或多个商用现货(“COTS”)AC-DC高效功率因数校正转换器。电网电压源112可为宽泛范围的电压输入，包括例如单相240VAC、三相208VAC或三相480VAC。在另一个实施方案中，400VDC输出可用于该级，并且400VDC通常是用于单相240VAC电网输入的标称电网输入的有效输出。在美国，具有30A电路的单相240VAC电网电压(适用于5kW IPT系统)即使在不支持工业三相电压的地区也很普遍，并且该单相240VAC电网电压可与IPT系统100一起使用。对于IPT充电系统100，在一个实施方案中，第一级104包括由初级控制器120控制的LCL负载谐振转换器118，该初级控制器可接收来自LCL负载谐振转换器118的反馈信号并且可将控制信号发送至该LCL负载谐振转换器。初级控制器120可从用于位置检测的对准传感器122接收信息并且可使用无线通信124通信。LCL负载谐振转换器118耦合到初级接收器垫126，该初级接收器垫通过气隙108耦合到次级接收器垫128。次级接收器垫128连接到并联解耦拾波器，该并联解耦拾波器被示出为由次级解耦控制器132控制的次级电路130，该次级解耦控制器可接收反馈信号并且可将控制信号发送至次级电路130。次级解耦控制器132也可与用于位置检测的对准传感器136通信以便进行控制，并且可无线地通信134。次级电路130可连接到诸如电池138的负载110，并且可对电池138充电。电池138可向诸如电机控制器(未示出)的另一个负载提供功率。第二级106和负载110可位于车辆140中。IPT系统102的其他实施方案可包括用于其他目的的无线功率传输，例如用于诸如移动电话、电动剃刀、电动牙刷等消费电子设备的电池充电。本领域的技术人员将认识到用于无线功率传输的其他用途和其他IPT系统。图2A是示出具有两个充电线圈和铁氧体结构的用于无线功率传输的装置200的一个实施方案的示意性框图。装置200包括下文所述的第一充电线圈202、第二充电线圈204和铁氧体结构206。装置200包括第一导体被布置成绕组图案且第一绕组围绕中心点208的第一充电线圈202，并且第一充电线圈的每个连续绕组离中心点208的距离远于第一绕组和任何先前绕组。装置200还包括具有相对于第一充电线圈202缠绕的第二导体的第二充电线圈204，其中第二充电线圈204的每个线圈被布置在第一充电线圈202的每个绕组之间。第一充电线圈202和第二充电线圈204被并联连接。为了清楚起见并未示出第一充电线圈202和第二充电线圈204的并联连接。通常来自充电线圈202,204的引线被连接，使得充电线圈202,204被并联连接。虽然图2中描绘了两个充电线圈202,204，但可包括下文所述的附加充电线圈。有利地，通过将充电线圈分裂成两个充电线圈202,204并将充电线圈202,204并联连接，相对于非分裂设计降低了电感。更低的电感需要更低的电压来驱动充电线圈202,204，因此向次级接收器垫128输送相同量的功率时初级接收器垫126上的电压需求更少。更低的电压进而可允许设计者消除变压器、具有更低电压额定值的用户部件等。充电线圈202,204各自包括通常被绝缘的导体。该绝缘通常被额定用于预期电压(包括尖峰、瞬变等)。该绝缘避免导体彼此接触以及与其他接地或未接地结构接触。该绝缘可包括清漆、热塑性塑料、尼龙、交联聚乙烯、橡胶以及本领域已知的其他绝缘材料。这些导体可为实心或绞合的，并且可为柔性或实心的。在一个实施方案中，这些导体是李兹线以减少集肤效应。李兹线可包括每股被绝缘的许多股线。本领域的技术人员将认识到适用于无线充电的其他线类型、绝缘等。装置200还包括被定位成与第一充电线圈202和第二充电线圈204相邻的铁氧体结构206。铁氧体结构206在一个实施方案中包括被定位成与充电线圈202,204相邻的平面表面。通常，装置200是充电垫(诸如初级接收器垫126或次级接收器垫128)的一部分，并且铁氧体结构206被设计成增强充电线圈202,204上方的磁场以改善与另一个接收器垫(例如，126、128)的耦合。铁氧体结构206被描绘为圆形且在铁氧体结构206的中心具有开口，但本领域的技术人员将认识到其他设计可用于铁氧体结构。如本文所用，“铁氧体结构”包括这样的材料的任何结构：该材料可被磁化，或可用于变压器，诸如由图1的初级接收器垫126、次级接收器垫128和气隙108形成的松散耦合的变压器，其中经过充电线圈(例如，202、204)的电流感应出磁场。铁氧体可包括氧化铁、赤铁矿、磁铁矿、其他金属的氧化物或其他铁磁材料。例如，图2B是示出具有两个充电线圈和替代铁氧体结构设计的用于无线功率传输的装置201的一个实施方案的示意性框图。图2B的装置201中所描绘的铁氧体结构206包括被布置成径向辐条设计的铁氧体棒。图2B中所描绘的铁氧体结构设计已成功用于车辆的无线充电。在一个实施方案中，每个充电线圈202,204具有内部起始点。图2A中示出了第一充电线圈202的内部起始点210和第二充电线圈204的内部起始点212。充电线圈(例如，202)的内部起始点(例如，210)位于充电线圈202的第一绕组开始的位置。第一绕组比充电线圈202的附加绕组更靠近中心点208。每个充电线圈的充电线圈内部起始点是从中心点208发出的相同半径，以给充电线圈202,204带来对称性。例如，第一充电线圈202的内部起始点210可具有从中心点208发出的半径214，并且第二充电线圈204的内部起始点212也具有从中心点208发出的相同半径214。通过将内部起始点210,212定位在从中心点208发出的相同半径214，充电线圈202,204可被构造成关于中心点208对称，这可有助于形成类似或相同电感的充电线圈。在另一个实施方案中，每个充电线圈的内部起始点围绕起始点圆216间隔开且与其他充电线圈的内部起始点的距离相等。起始点圆216以中心点208为中心，并且在一个实施方案中，具有与充电线圈202,204的内部起始点210,212相同的半径214的半径214。例如，在采用两个充电线圈(例如第一充电线圈202和第二充电线圈204)的情况下，内部起始点210,212围绕起始点圆216相隔180度。对于三个充电线圈而言，内部起始点可相隔120度，对于四个充电线圈而言，内部起始点可相隔90度，等等。

在一个实施方案中，每个充电线圈202,204被缠绕成使得在从中心点208发出的特定径向218，围绕最内绕组的每个连续绕组离先前绕组更远并且被定位成相对于与中心点208垂直的线基本上为平面的，因此该平面垂直于该线。例如，充电线圈208可如图2A、图2B、图3和图4中那样布置，其中充电线圈202、204等彼此紧邻布置在相同平面中，使得每个充电线圈202,204的每个绕组被布置成基本上为平面的。在另一个实施方案中，至少一些绕组被定位在不同平面中。例如，一些绕组可堆叠在绕组的顶部上并与铁氧体结构206相邻。当绕组处于不同平面中时，在一个实施方案中，充电线圈202,204各自具有不同平面中的相同绕组以保持对称性。在一个实施方案中，每个充电线圈202,204被布置成阿基米德螺线。阿基米德螺线(也称为算术螺线)由点的轨迹构成，这些点对应于点沿着以恒定角速度旋转的线以恒定速度远离中心点208的随时间推移的位置。在另一个实施方案中，每个充电线圈202,204被布置成不规则螺线。不规则螺线可包括这样的绕组部分，这些部分在相对于中心点208的半径方面有所不同，而非绕组的起始点与终止点之间的变化，以适应充电线圈的下一绕组的开始并且允许一个或多个附加充电线圈的绕组。图3是不规则螺线的示例。图3是示出具有呈正方形图案的两个充电线圈302,304的用于无线功率传输的装置300的一个实施方案的示意性框图。也可使用其他不规则螺线，诸如D形图案。本领域的技术人员将认识到包括多个并联连接的充电线圈的其他设计。如上所述，其他设计可包括多于两个充电线圈。图4是示出具有四个充电线圈402,404,406,408的用于无线功率传输的装置400的一个实施方案的示意性框图。其他设计可包括三个充电线圈、五个充电线圈或更多。

应当注意，多线圈设计可包括非整数的匝数，因为充电线圈(例如，202)的终止点可在相对于内部起始点(例如，210)的任何地方。如果采用一个充电线圈的线圈设计具有11匝，则在线圈设计具有两个充电线圈(例如，202,204)时，每个充电线圈可具有5.5匝。另外，对于双充电线圈设计而言，每个充电线圈的自感大致比采用单充电线圈的设计的自感小四倍。通过将单充电线圈设计与双充电线圈设计进行比较，由此以方程式(1)表示自感的关系。

然而，这两个分裂螺线充电线圈相互耦合，并且耦合系数通常非常高并接近1，于是这两个充电线圈(例如，202,204)之间的互感几乎与自感相同。因此，如果这两个充电线圈202,204使用相同的相位电流激励，则等效自感为：

如果这两个线圈被并联连接(Leq||Leq)，则所产生的电感大致是初始值的4倍。对于N个分裂线圈而言，新垫电感减少N2。使用这种分裂阿基米德螺线的独特方法时，充电线圈的自感几乎相同。这是有利的，因为如果存在失配(例如，图5的L1与L2之间)，则在存在从次级垫到初级垫的反射负载的情况下，该失配可造成充电线圈中电流异相。从而，这两个分裂线圈之间可存在真实功率传输，这是非理想的，因为分裂充电线圈之间的电流或所产生的功率是无益的。图5是示出具有两个充电线圈和接收器线圈的用于模拟无线功率传输的电路500的一个实施方案的示意性框图。电路500包括互感L1、L2和L3。L1与第一充电线圈202相关联，L2与第二充电线圈相关联，并且L3是次级接收器垫的一部分。第一充电线圈202包括为L1的函数的漏电感L4，并且第二充电线圈包括也为L1的函数的漏电感L5。第一充电线圈和第二充电线圈各自包括表示寄生线圈电阻的电阻R2和R3。次级接收器垫包括负载电阻器R1和电容器C1，其中R1、L3和C1形成谐振次级电路。分裂充电线圈设计的一个考虑因素是分裂初级充电线圈与次级充电线圈之间的耦合是否存在任何失衡，尤其是充电线圈之间是否存在失准，并且由于分裂技术的原因，这两个阿基米德螺线的中心不完全匹配。图6A中示出了图5的线圈L1与L2之间的10％耦合变化k的研究比较。图6A中的垂直轴是百分比电流失配与无错误的比较，其中无错误被表示为零，并且Q2沿着水平轴绘制。图6B在垂直轴上具有图5中的电路500的电流的相位角，并且Q2变化位于水平轴上。标记为Q2的水平轴是次级电路的品质因数，其对应于向负载R1提供的功率的量。当Q2增加时，更多的功率被传输到次级电路和负载。虽然Q2被示出为增加到10，但通常Q2将更低且通常小于5。可从图6A看出，当在图5的电路500中增加Q2时，与初始归一化的数据相比，这两个充电线圈之间的电流百分比失配更高。因此，次级电路上的谐振电路中的品质因数Q2越高，电流失配就越糟。另外，电流iL1和iL2两者都增加，与归一化的值相比，这并不理想。还应当注意，如图6B所示的充电线圈之间的相位也非常显著，这意味着这两个线圈在向彼此传输功率。当iL1与iL2之间的相位差增加到90度时，更多的电流在第一充电线圈和第二充电线圈之间传输。图7A与图6A相同，不同的是漏电感被更改为10％。图7B描绘了对于与图7A相同的模拟而言图7A中的电流的相位角。在实践中，每个垫中的漏电感明显有助于减少初级电路上的充电线圈之间的电流失配。如果漏电感增加到10％，则iL1与iL2之间的电流失配几乎减少到可忽略的量，如图7A和图7B所示。在实践中，可遇到约25％的漏电感。从而，图6A、图6B、图7A和图7B的模拟说明了控制线圈之间的漏电感有助于减少电流失衡。提出了另一种控制第一充电线圈202和第二充电线圈204的漏电感的方法。图8A是示出具有两个充电线圈202,204和铁氧体结构206以及充电线圈202,204的第一导体和第二导体的用于无线功率传输的装置800的一个实施方案的示意性框图。包括充电线圈202,204的第一导体和第二导体的电源引线802通常延伸到第一级104的其他部件，例如如果第一级104包括LCL负载谐振转换器拓扑，则延伸到LCL负载谐振转换器118的其他元件。图8B是图8A的装置800的第一导体和第二导体的具有第一极性的电源引线的横截面。图8C是图8A的装置800的第一导体和第二导体的具有第二极性的电源引线的横截面。在图8B和图8C中，第一充电线圈202的第一导体被显示在顶部，并且第二充电线圈204的第二导体被示出在底部。“+”号指示在一个方向上的电流，并且“-“号指示在相反方向上的电流。

控制电源引线802的电感可用于调节充电线圈202,204的电感。图8B示出了有助于消除电源引线802的电感的第一导体和第二导体的构型，并且图8C示出了将增加电源引线802的电感的构型。可根据情况使用这两种构型。例如，电源引线802的一部分可如图8A所示的那样组合，并且一部分可如图8B所示的那样组合。在任何设计中，引入额外电感通常是非理想的，因为这会降低等效初级垫与次级垫之间的总体耦合，然而引入一些漏电感是有利的，如可以参照图5、图6A、图6B、图7A和图7B从上文看出。从而，在实际设计期间可使用折衷方案。测试装置(未示出)诸如图2B中所描绘的装置201按这样的方式构造，其中测试装置的铁氧体结构在设计上与图2B的装置201的铁氧体结构206类似，但具有比图2B中所描绘的更多的铁氧体棒。次级接收器垫(例如，128)被构造成具有连接到次级电路(例如，130)和负载(例如，110)的单个线圈。针对次级接收器垫128的各种位置进行测量。使用LCR计在23.4千赫(“kHz”)和Ls-Rs设置下测量开路电感和短路电感。在测试结果中，第一充电线圈202由“A”表示，第二充电线圈204由“B”表示，并且次级接收器垫128用“S”表示。在第二充电线圈204和次级接收器垫128为开路时测量第一充电线圈202的电感，由此确定自感LA。在第一充电线圈202和次级接收器垫128为开路时测量第二充电线圈204的电感，由此确定自感LB。在第二充电线圈204被短接且不存在次级接收器垫128时，在第一充电线圈202上测量互感LAB。在次级接收器垫128短路且第二充电线圈204开路的情况下，在第一充电线圈202上测量互感LAS。在次级接收器垫128短路且第一充电线圈202开路的情况下，在第二充电线圈204上测量互感LBS。在第一充电线圈202和第二充电线圈204短路的情况下，在次级接收器垫128上测量互感LS1。在第一充电线圈202和第二充电线圈204开路的情况下，在次级接收器垫LS2上测量自感LS2。结果示于表1中。“Z”是气隙108的高度，并且“X”和“Y”是次级接收器垫128相对于具有第一充电线圈202和第二充电线圈204的固定初级接收器垫126的水平变化。进而由所测量的自感和互感计算耦合系数。“kAS”是第一充电线圈202与次级接收器垫128之间的耦合系数，并且“kBS”是第二充电线圈204与次级接收器垫128之间的耦合系数。“k2”是次级接收器垫128与第一充电线圈202和第二充电线圈204的组合电感之间的耦合系数。

根据表1，

X	Y	Z	kAS	kBS	k2
						0	0	6.21	0.315	0.318	0.340
0	6	6.21	0.251	0.246	0.267
						6	0	6.21	0.255	0.254	0.266
4.25	4.25	6.21	0.260	0.256	0.276
						0	0	8.21	0.239	0.233	0.256
0	4	8.21	0.231	0.219	0.231
						4	0	8.21	0.221	0.227	0.234
2.75	2.75	8.21	0.224	0.207	0.240
						0	0	7.21	0.278	0.273	0.294
0	5	7.21	0.239	0.240	0.258
						5	0	7.21	0.233	0.237	0.252
2.75	2.75	7.21	0.241	0.237	0.259

表1

具有第一充电线圈和第二充电线圈的初级接收器垫126与次级接收器垫128之间的耦合的失配远小于10％。在实践中，在X/Y平面中的所有失准条件之中，已发现在最大失准时，耦合为约5％。在实践中，还已发现这两个初级充电线圈202,204之间的耦合为约0.75，这意味着真实系统上的漏电感更可能为约25％。即使当将图8C中的电感消除方案用于30英尺的电源引线802时，情况也是如此。

当在全功率下且在次级电路上的最大输出功率时的最坏情况失准条件下对测试系统通电时，所观察到的初级电流的失配小于5％。这对于实际垫系统可忽略不计。从而，通过使用该技术，将谐振级的驱动电压降低了一半并消除了昂贵的变压器，而未给整体系统带来太多负面效应。

使用并联接线的分裂充电线圈的一个其他优点是每个初级分裂充电线圈可由模块化H桥或其他转换器级通电，并且可堆叠。这将需要使转换器级同步，但该系统将具有N+1冗余度的高操作可用性，这意味着如果N级之中的一个转换器级出现故障(例如，作为H桥转换器级)，则该系统可继续使用N-1级操作，或者对于N+1级和N级运行而言，如果一个级出现故障，则备用级可自动接管。分裂充电线圈设计也可用于其他充电线圈构型。图9A是示出具有被布置成双D图案的两组充电线圈904的用于无线功率传输的装置900的一个实施方案的示意性框图的顶视图。应当注意，虽然图9A的装置900被布置为双D，但也可使用其他图案，诸如如图3中所描绘的两个正方形图案、如图2A和图2B中所描绘的两个圆形图案等。装置900包括基于充电线圈904如何布置而定制的铁氧体结构206。例如，充电线圈904可如图9B所示的那样布置，该图是示出具有被布置成双D图案的两组充电线圈904且铁氧体结构206位于充电线圈904下方的用于无线功率传输的装置901的一个实施方案的示意性框图的侧视图。在该实施方案中，铁氧体结构206的表面为平面的并形成第一平面906且与相邻的充电线圈904平行。在该实施方案中，图9A可为装置900的顶视图，并且图9B可为装置901的侧视图，装置900,901是相同的。在该实施方案中，铁氧体结构206可为铁氧体实心件，或可具有替代设计。图9C是示出具有被布置成双D图案的两组充电线圈904且充电线圈904的部分908位于铁氧体结构206上方以及充电线圈904的部分910位于铁氧体结构206下方的用于无线功率传输的装置902的一个实施方案的示意性框图的侧视图。在该实施方案中，图9A可为装置900的顶视图，并且图9C可为装置902的侧视图，装置900,902是相同的。在该实施方案中，铁氧体结构206可为铁氧体实心件，或可具有替代设计。铁氧体结构206被描绘得较厚，仅仅是为了示出充电线圈904可如何布置且从铁氧体结构206的顶部缠绕到底部。在该实施方案中，装置900,902的充电线圈904包括被定位成在第一平面906中为平面的且被定位成与铁氧体结构206的区段相邻的第一部分908，并且充电线圈904包括被定位成在第二平面912中为平面的且被定位成与铁氧体结构206的平面区段相邻的第二部分910，其中第一平面906和第二平面912是不同平面。铁氧体结构206可包括用于充电线圈904的开口以通向第二平面912。

图9D是示出具有被布置成双D图案的两组充电线圈904且充电线圈904的部分908位于铁氧体结构914上方以及充电线圈904的部分910位于铁氧体结构914和分裂铁氧体结构914下方的用于无线功率传输的装置903的一个实施方案的示意性框图的侧视图。在该实施方案中，图9A可为装置900的顶视图，并且图9D可为装置903的侧视图，装置900,903是相同的。在该实施方案中，铁氧体结构206可为分裂的，如图9D中所描绘。在该实施方案中，装置900,902的充电线圈904包括被定位成在第一平面906中为平面的且被定位成与铁氧体结构206的区段相邻的第一部分908，并且充电线圈904包括被定位成在第二平面912中为平面的且被定位成与铁氧体结构206的平面区段相邻的第二部分910，其中第一平面906和第二平面912是不同平面。

另外在图9A,图9C和图9A,图9D的实施方案中，第二组充电线圈被定位成与第一组充电线圈相邻，其中第一组充电线圈和第二组充电线圈904每一者的一部分被定位成彼此相邻且被定位成基本上在第一平面906中，并且被定位成远离第一组充电线圈和第二组充电线圈904的相邻区段的第一组充电线圈和第二组充电线圈的部分被定位成基本上在第二平面912中。

图9A的实施方案是有利的，因为与如图2A或图2B所示的设计相比，让两组充电线圈904相邻定位可增加充电线圈904上方的磁场高度。铁氧体结构206,914的中心中的两组充电线圈904的部分908引起充电线圈904上方增强的磁场。远离铁氧体结构206,914的中心的充电线圈904的部分910不大合乎需要，因此将部分910置于铁氧体结构206,914下方且远离中心中的部分908有助于避免这些部分910磁性干扰中心中的充电线圈904的部分908上方的磁场。然而，与如图9B中所描绘的设计相比，图9C的设计增加了充电垫装置902的厚度。图9D的装置903的分裂铁氧体结构914可薄于图9C的装置902，这是所需的。虽然图9A描绘了用于充电线圈904的铁氧体结构206中的开口，但可使用其他铁氧体结构设计。例如，充电线圈904可缠绕在铁氧体结构206,914的边缘周围，或铁氧体结构206,914可由铁氧体棒构造而成。本领域的技术人员将认识到其他铁氧体结构设计。

在不脱离本发明精神或本质特性的情况下，本发明可以其他具体方式体现。无论从哪个方面来看，都应将所述实施方案视为仅为例示性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书指明而非上述说明内容指明。落入权利要求等同物的意义和范围内的所有变化都包括在其范围内。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

第一充电线圈，所述第一充电线圈包括被布置成绕组图案的第一导体且第一绕组围绕中心点，并且所述第一充电线圈的每个连续绕组离所述中心点的距离远于所述第一绕组和任何先前绕组；

第二充电线圈，所述第二充电线圈包括相对于所述第一充电线圈缠绕的第二导体，其中所述第二充电线圈的每个线圈被布置在所述第一充电线圈的每个绕组之间，其中所述第一充电线圈和所述第二充电线圈被并联连接；以及铁氧体结构，所述铁氧体结构被定位成与所述第一充电线圈和所述第二充电线圈相邻。

2.根据权利要求1所述的装置，其中每个充电线圈包括内部起始点，所述内部起始点包括充电线圈的第一绕组开始的位置，所述第一绕组比所述充电线圈的附加绕组更靠近所述中心点，其中每个充电线圈的充电线圈的所述内部起始点是从所述中心点发出的相同半径。

3.根据权利要求1所述的装置，其中每个充电线圈包括内部起始点，所述内部起始点包括第一绕组开始的位置，所述第一绕组比所述充电线圈的附加绕组更靠近所述中心点，其中每个充电线圈的所述内部起始点围绕起始点圆间隔开且与其他充电线圈的所述内部起始点的距离相等，所述起始点圆以所述中心点为中心。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括附加充电线圈，所述附加充电线圈包括相对于所述第一充电线圈、所述第二充电线圈和任何其他附加充电线圈缠绕的附加导体，其中附加线圈的每个绕组被布置在所述第一充电线圈和所述第二充电线圈及任何其他附加充电线圈的每个绕组之间。

5.根据权利要求4所述的装置，其中每个充电线圈包括内部起始点，所述内部起始点包括第一绕组开始的位置，所述第一绕组比所述充电线圈的附加绕组更靠近所述中心点，其中每个充电线圈的所述内部起始点是从所述中心点发出的相同半径，并且其中每个充电线圈的所述内部起始点围绕起始点圆间隔开且与其他充电线圈的所述内部起始点的距离相等，所述起始点圆以所述中心点为中心。

6.根据权利要求1所述的装置，其中每个充电线圈被缠绕成使得在从所述中心点发出的特定径向，围绕最内绕组的每个连续绕组离所述先前绕组更远并且被定位成相对于与所述中心点垂直的线基本上为平面的。

7.根据权利要求6所述的装置，其中每个充电线圈的每个绕组被布置成基本上为平面的。

8.根据权利要求6所述的装置，其中每个充电线圈被布置成阿基米德螺线。

9.根据权利要求6所述的装置，其中每个充电线圈被布置成不规则螺线，其中所述不规则螺线包括这样的绕组部分，所述部分在相对于所述中心点的半径方面有所不同，而非绕组的起始点与终止点之间的变化，以适应所述充电线圈的下一绕组的开始并且允许一个或多个附加充电线圈的绕组。

10.根据权利要求9所述的装置，其中每个充电线圈被布置成基本上正方形形状和基本上D形中的一种或多种。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述铁氧体结构的表面的至少一部分为平面的，并且与相邻的所述第一充电线圈和所述第二充电线圈的至少一部分平行。

12.根据权利要求11所述的装置，其中与所述第一充电线圈和所述第二充电线圈相邻的所述铁氧体结构的侧面为平面的，并且所述第一充电线圈和所述第二充电线圈为平面的且与所述铁氧体结构的所述侧面平行。

13.根据权利要求11所述的装置，其中所述装置的充电线圈包括被定位成在第一平面中为平面的且被定位成与所述铁氧体结构的区段相邻的第一部分，并且所述充电线圈包括被定位成在第二平面中为平面的且被定位成与所述铁氧体结构的平面区段相邻的第二部分，其中所述第一平面和所述第二平面是不同平面。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述充电线圈包括第一组充电线圈并且还包括被定位成与所述第一组充电线圈相邻的第二组充电线圈，其中所述第一组充电线圈和所述第二组充电线圈每一者的一部分被定位成相邻且被定位成基本上在所述第一平面中，并且被定位成远离所述第一组充电线圈和所述第二组充电线圈的所述相邻区段的所述第一组充电线圈和所述第二组充电线圈的部分被定位成基本上在所述第二平面中。

15.根据权利要求1所述的装置，其中每个充电线圈的所述导体包括第一引线和第二引线，所述第一引线和所述第二引线包括从所述充电线圈的绕组延伸的每个充电线圈的所述导体的部分，其中所述充电线圈每一者的所述第一引线和所述第二引线的至少一部分按一定图案组合在一起，从而实现以下一种情况：

除所述充电线圈的绕组部分的电感之外还增加电感；以及

从所述充电线圈的绕组部分的所述电感减去电感，

其中所述图案被选择为调节所述充电线圈的电感的总量。

16.根据权利要求1所述的装置，其中每个充电线圈的所述导体包括第一引线和第二引线，所述第一引线和所述第二引线包括从所述充电线圈的绕组延伸的每个充电线圈的所述导体的部分，其中所述第一引线的末端被连接且所述第二引线的末端被连接，使得所述充电线圈被并联连接。

17.根据权利要求1所述的装置，其中所述铁氧体结构包括被布置成远离所述中心点延伸的径向图案的多个铁氧体棒。

18.一种装置，包括：

第一充电线圈，所述第一充电线圈包括被布置成绕组图案的导体且第一绕组围绕中心点，并且所述第一充电线圈的每个连续绕组离所述中心点的距离远于所述第一绕组和任何先前绕组；

一个或多个附加充电线圈，每个充电线圈包括相对于所述第一充电线圈缠绕的导体，其中附加充电线圈的每个线圈被布置在所述第一充电线圈的每个绕组之间，其中所述第一充电线圈和所述附加充电线圈被并联连接，

其中每个充电线圈包括内部起始点，所述内部起始点包括充电线圈的第一绕组开始的位置，所述第一绕组比所述充电线圈的附加绕组更靠近所述中心点，每个充电线圈的所述内部起始点被定位成从所述中心点发出的相同半径，

其中每个充电线圈的所述内部起始点围绕起始点圆间隔开且与其他充电线圈的所述内部起始点的距离相等，所述起始点圆以所述中心点为中心，其中所述第一充电线圈和所述一个或多个附加充电线圈被并联连接，其中所述第一充电线圈和所述一个或多个附加充电线圈基本上为平面的；以及铁氧体结构，所述铁氧体结构被定位成与所述第一充电线圈和所述一个或多个附加充电线圈相邻，所述铁氧体结构的至少一个侧面为平面的，并且被定位成与所述第一充电线圈和所述一个或多个附加充电线圈相邻。

19.一种系统，包括：

第一充电线圈，所述第一充电线圈包括被布置成绕组图案的第一导体且第一绕组围绕中心点，并且所述第一充电线圈的每个连续绕组离所述中心点的距离远于所述第一绕组和任何先前绕组；

一个或多个附加充电线圈，每个充电线圈包括相对于所述第一充电线圈缠绕的导体，其中附加充电线圈的每个线圈被布置在所述第一充电线圈的每个绕组之间，其中所述第一充电线圈和所述附加充电线圈被并联连接；

铁氧体结构，所述铁氧体结构被定位成与所述第一充电线圈和所述一个或多个附加充电线圈相邻，所述充电线圈和所述铁氧体结构包括充电垫；以及

以下一者：谐振转换器，所述谐振转换器连接到所述充电垫并为所述充电垫提供功率；和次级电路，所述次级电路从所述充电垫接收功率并为负载调节所述功率。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述充电垫包括初级充电垫并连接到所述谐振转换器，并且还包括：

第二充电垫，所述第二充电垫连接到所述次级电路；以及

储能设备和电机中的一者或多者，所述储能设备和所述电机从所述次级电路接收功率。