CN110224476B

CN110224476B - 无线高功率传输

Info

Publication number: CN110224476B
Application number: CN201910150708.8A
Authority: CN
Inventors: U.里希特; H.恩吉恩德
Original assignee: Delta Electronics Thailand PCL
Current assignee: Delta Electronics Thailand PCL
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2024-03-01
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: US20190267842A1; EP3534494A1; EP3534494B1; CN110224476A; US10855112B2

Abstract

本发明涉及无线高功率传输。在用于跨气隙将功率从初级侧无线传输到次级侧的系统中，次级侧包括两个并联谐振电路（27），每个谐振电路包括具有谐振电感器（28）和谐振电容器（29）的串联连接的两个并联谐振路径。整流器（21）连接到每个谐振路径的输出，以用于将谐振路径的AC输出（12'）转换成DC输出（13'）。整流器（21）的输出并联连接以将AC输出功率（13）提供给诸如电池等的负载。每个谐振路径还包括串联连接的对称电感，以改善谐振路径之间的电流共享并减少谐振路径中的较高次谐波部分。为了平衡通量，在本发明的优选实施例中，每个谐振电路27包括缠绕在与该谐振路径的谐振电感器28相同的磁芯上的对称绕组（30），其中所有对称绕组（3）并联连接以确保最优的通量共享。

Description

无线高功率传输

技术领域

本发明涉及一种用于通过感应耦合跨气隙将功率从初级侧无线传输到次级侧的无线功率传输装置，其中初级侧包括用于将输入功率转换为AC初级输出功率的输入级和用于接收AC初级输出功率并感应出磁场的初级谐振器，并且其中次级侧包括用于将通过磁场接收的功率转换为AC次级输出功率的次级谐振器和用于将AC次级输出功率转换为DC次级输出功率的输出级。本发明还涉及用于这样的无线功率传输装置的次级侧和用于跨气隙将功率从初级侧无线传输到次级侧的方法。

背景技术

电能用于许多不同的应用中。为了对不永久连接到电功率源的电驱动的设备、物品或物体供电，这样的设备、物品或物体通常配备有一个或多个电池，其用于存储能量以在这样的设备、物品或物体未连接到功率源时对其供电。示例是诸如蜂窝电话、PDA（个人数字助理）等的移动设备、诸如汽车、卡车、摩托车、火车、船只、轮船、飞机、直升机等的机动载具（vehicle）、还有诸如叉车、AGV（自动导引车）、清洁机器、电梯等的工业载具、或用于提升、移位或运输任何种类的货物的电操作装备。所有这些设备、物品或物体通常包括电池以用于操作它。

本发明涉及操作这样的电负载和/或对其电池充电。虽然铅酸电池曾经通常用于存储功率以用于操作这样的电负载，但锂离子电池现在通常用于此目的。原因之一是它们可以以高得多的c速率充电。铅酸电池可以以约0.1c至0.2c的c速率充电。这意味着600 Ah的铅酸电池可以以约60安至120安的电流充电，并且将需要约5至10小时。锂离子电池可以以高达1c的c速率充电，因此600 Ah锂离子电池可以利用高达600安的电流充电，这使充电时间缩短至约1小时。此外，锂离子电池可以间或充电而不会对电池造成损坏，所述损坏将在铅酸电池的情况下当在仅少量的几分钟内应用多次短充电循环时发生。

然而，利用锂离子电池的高充电电流可能导致基于有线的充电器有关的问题，其中充电电流经由电缆连接从功率源馈送到电池，其中电缆通过连接器连接到源和/或电池。高充电电流将需要具有大铜直径的充电电缆和重载连接器。因此，充电电缆难以操纵并且连接器将快速耗损。在间或充电的情况下，这样的连接器将在几周内耗损。

为了克服充电电缆有关的问题，这样的电池的充电通常是通过无线功率传输来完成的。在功率通过感应耦合无线传输的情况下，这样的无线功率传输系统被称为感应功率传输（IPT）系统。这样的IPT系统确实与松散耦合的电感器一起工作。

使用无线功率传输的另一个原因是增强这样的设备的可用性和用户友好性，例如与蜂窝电话相关，其中用户仅必须将电话安置在充电站顶部上而不是通过电缆将电话连接到充电器。

然而，用于操作或充电电负载的高电流可能引起进一步的问题。用于较高电流（诸如例如600A（安））的电导体通常是有损耗的，并且高AC电流的整流可能是低效的。

文档WO2017/156499A1（Wireless Advanced Vehicle Electrification公司）公开了这样一种无线功率传输系统，其中来自外部功率源的功率被感应地传输到载具并在载具内转换以对其电池充电。在一些示例中，提供两个并联布置的初级感应垫（pad）和两个并联布置的次级感应垫，以便增强充电设备的灵活性。然而，这样的感应垫布置可能导致不相等功率共享的更高概率，这是不合期望的。可以通过提供更多的初级和次级感应垫并将它们布置成使得磁通量在感应垫之间共享来减少这样的不相等功率共享。然而，这将导致更大且更昂贵的无线功率传输系统。

发明内容

本发明的目的是创建一种与最初提到的技术领域相关的无线功率传输装置，其使得能够实现高效的高功率传输。本发明的另一个目的是创建用于这样的无线功率传输装置的次级侧，并且本发明的另外的目的是提供一种用于跨气隙将功率从初级侧无线传输到次级侧的方法。

本发明的解决方案由权利要求1的特征规定。在用于通过感应耦合跨气隙将功率从初级侧无线传输到次级侧的无线功率传输装置中，初级侧包括用于将输入功率转换为AC初级输出功率的输入级和用于接收AC初级输出功率并感应出磁场的初级谐振器。次级侧包括用于将通过磁场接收的功率转换为AC次级输出功率的次级谐振器和用于将AC次级输出功率转换为DC次级输出功率的输出级。

根据本发明，次级谐振器包括次级磁芯结构和并联连接的至少两个次级谐振电路，其中每个次级谐振电路包括具有串联连接的谐振电感器和谐振电容器的谐振路径，并且其中谐振电感器包括包含该次级谐振电路的磁通量的缠绕在次级磁芯结构的部分上的绕组。因此，不同的次级谐振电路的谐振电感器的绕组缠绕在次级磁芯结构的不同部分上。此外，每个谐振路径包括与该谐振路径的谐振电感器和谐振电容器串联连接的对称电感。

这样的对称电感改善了次级谐振电路的谐振路径之间的功率共享，并且避免了或至少减少了次级谐振电路中的不需要的谐波电流。

通过将次级侧分成两个或更多个次级谐振电路，通过磁场接收的功率也被分成对应数量的部分，这些部分是或多或少相等的功率部分。这降低了每个次级谐振电路要操纵的功率，这相应地减少了在每个次级谐振电路中流动的电流。由于较低的电流，系统的总体效率得到改善。

本发明可以被用于不同的应用中，其中能量必须无线地传输到诸如例如电动马达、一个或多个电池等的负载。传输到负载的功率可以用于直接操作诸如例如电动马达的负载，或者其可以用于对另一个能量存储设备的电池充电以供以后使用。本发明可以例如应用于将功率传输到电子移动设备，诸如用于数据、语音或视频通信的比如蜂窝电话、计算机等、PDA（个人数字助理）、导航设备、移动音乐播放器、电筒等的设备。然而，这样的移动设备确实具有至少与诸如对电动载具的电池充电的其他应用相比的低能耗使用。由于本发明在具有较高能量消耗的应用中特别有用，所以本发明优选应用在其中必须将较高功率传输到负载的应用中，诸如例如以用于对诸如汽车、货车、卡车、摩托车的机动载具、轨道或铁路载具、船只、轮船或诸如飞机或旋翼机的飞机、还有诸如叉车、托盘搬运车、AGV（自动导引车）、清洁机器、电梯、升降机等的工业载具以及诸如起重机、叉车或托盘搬运车的叉或千斤顶等的用于提升、移位或运输任何种类的货物的电操作装备的电池进行充电。这样的装备可以是静止的，但通常安装在载具上以将装备移动到需要它的地方以及移动货物。

谐振路径中的任何寄生电感L_par导致次级侧中的不需要的谐振。在本发明的实施例中，在具有三个次级谐振电路和按每个次级谐振电路的两个谐振路径的次级谐振器的情况下，这些不需要的谐振的频率例如由下式给出：

，

其中C2是次级谐振器的总电容。为了减小L_par的影响，L_par必须变得非常小或甚至零，这实际上都是不可能的，或者L_par必须被选择成使得合成的（resulting）不需要的频率f_unwanted被安置成使得减少其影响。

因此，通过向每个谐振路径添加这样的对称电感，改变了不需要的频率f_unwanted。

这样的对称电感优选地包括缠绕在不是次级磁芯结构的部分而可以与其磁性连接的附加磁芯元件上的线圈。以这样的方式，每个对称电感是独立的电感器，因此不发生单个谐振路径之间的通量共享。这导致具有当例如整流器连接到谐振路径并在其输出上电流耦合时需要的电流源特性的次级谐振电路。

每个次级谐振电路可以包括具有谐振电感器和谐振电容器的串联连接的单个谐振路径。

在本发明的优选实施例中，每个次级谐振电路确切地包括两个谐振路径，其中每个谐振路径包括谐振电感器和谐振电容器的串联连接。以这样的方式，通过气隙传输并由次级谐振器拾取的功率可以分成甚至更多的分支，使得要由每个谐振路径操纵的功率部分甚至进一步减小，这再次改善了系统的效率。在每个次级谐振电路具有两个谐振路径的这样的实施例中，两个谐振路径的谐振电感器通常可以缠绕在次级磁芯结构的不同部分上。然而，为了实现在谐振路径之间的甚至更相等的功率共享，两个谐振路径的谐振电感器优选地缠绕在次级磁芯结构的相同部分上。

然而，本发明还可以被实现为使得每个次级谐振电路包括三个或更多个谐振路径，每个谐振路径具有谐振电感器和谐振电容器的串联连接。谐振路径的数量可以取决于特定应用。

谐振路径的对称电感可以布置在谐振路径内与电感器和电容器串联的任何地方，但是优选地布置在该谐振路径的谐振电感器和谐振电容器之间。

此外，谐振路径的谐振电容器可以包括在谐振路径内与谐振电感器和对称电感串联的任何地方提供的单个电容。但是在优选实施例中，谐振路径的谐振电容器布置在输出级连接到的谐振电路的输出处。并且甚至更优选的是，谐振电容器被分成两个分离电容器，其中每个分离电容器布置在该谐振路径的不同输出端子处。应注意，每个电容器和/或每个分离电容器可以被视为电容，其可以包括串联和/或并联连接的一个或多个电容器，以便产生期望的或所需的电容。

一方面，应使对称电感L_sym尽可能小，但另一方面，它对从整流器到整流器的合成干扰谐振频率f₁的影响越强，合成的不需要的谐振频率就变得越低。

已经发现，在针对给定的对称电感L_sym的从整流器到整流器的合成干扰谐振频率f₁尽可能远离系统的工作谐振频率的任何谐波的情况下，实现了最佳的高频抑制。因此，对称电感L_sym优选地被选择成使得f₁位于次级谐振器的谐振频率的两个相邻谐波的中间。

例如，L_sym可以被选择成使得f₁位于次级谐振器的谐振频率的第一和第二谐波之间。然而，在这样的情况下，L_sym将必须被选择成相当大。合成的不需要的频率f₁应越高，可以选择越小的L_sym。L_sym的最佳选择也可以取决于特定应用。

作为良好的折衷，已经发现L_sym优选地被选择成使得合成的不需要的频率f₁位于2次和3次谐波之间的中间。术语“在中间”在这一点上意味着在对数标度上，使得f₁具有到2次和3次谐波相等的距离。并且要注意的是，f₁不必确切地位于两个相邻谐波的中间。

例如，一种次级侧，其中次级谐振器包括三个次级谐振电路并且其中每个次级谐振器包括具有分离谐振电容器的两个谐振路径，次级谐振器包括并联的六个谐振电感和十二个分离谐振电容器，谐振路径的每个输出端子处一个。因此，输出级包括六个整流器，其中每个整流器连接到不同谐振路径的两个输出端子。

在这样的次级谐振器中，给定的对称电感L_sym的情况下的从整流器到整流器的合成干扰谐振频率f₁被给出为

要注意的是，在这样的情况下，L_sym表示在每个谐振路径中提供的单个对称电感器的电感。

并且到整流器的电流的谐振工作频率f₀被给出为

其中L2是并联谐振路径的所有谐振电感的总电感。在该示例中，L2是谐振路径的六个并联次级电感器的合成电感。

现在，为了使f₁位于次级谐振器的谐振频率的2次和3次谐波的中间，f₁必须被选择为

因为此时f₁在对数标度上具有到次级谐振器的谐振频率的2次和3次谐波相等的距离。

为了找到L_sym的值，我们只需将L_sym表达为L2的函数，这导致

因此，在具有三个次级谐振电路的次级谐振器中，其中每个次级谐振电路包括具有分离谐振电容器的两个谐振路径，对称电感L_sym优选地被选择成在1.1 * L2和1.5 * L2之间，其中L2是并联的谐振路径的所有谐振电感的总电感。更优选地，对称电感L_sym被选择成在1.15 * L2和1.3 * L2之间，并且最优选的是对称电感L_sym的值等于1.2 * L2。

在本发明的优选实施例中，每个次级谐振电路包括包含与该次级谐振电路的谐振电感器的绕组相同的磁通量的缠绕在次级磁芯结构的部分上的对称绕组。并且为了平衡至少两个次级谐振电路内的磁通量，对称绕组并联连接。

因此，次级谐振器的总通量Phi_tot被分成单个次级谐振电路的通量Phi₁，Phi₂，...，Phi_x，其中x是次级谐振电路的数量。或者换句话说，单个次级谐振电路的通量Phi₁，Phi₂，...，Phi_x加起来为次级谐振器的总通量Phi_tot：

。

在没有对称绕组的情况下，由于变化的参数，诸如不相等的气隙、线圈长度、组件变化等，通量Phi₁，Phi₂，...，Phi_n可能不确切相等。它们在量值和相位方面可能略有不同。这样的不相等的功率共享可能导致不同的组件加热和组件应力，并且甚至可能导致系统的低效和缩短的寿命。

使对称绕组并联迫使通量Phi₁，Phi₂，...，Phi_x相等：

其中Phi_n是每个单个次级谐振电路的通量。因此，次级谐振电路在量值和相位方面均匀地共享总通量或公共通量Phi_tot。因此，每个谐振路径的每个谐振电感器生成相同的电压。

因此，提供对称绕组确保由次级谐振器拾取的磁通量在所有次级谐振电路之间均匀地共享，使得不仅磁通量而且每个次级谐振电路中的合成功率流相等。因此，所有次级谐振电路的输出功率例如输出电流也相等。

在本发明的另一个优选实施例中，次级谐振电路的对称绕组缠绕在次级磁芯结构的与该特定次级谐振电路的谐振路径的谐振电感器的绕组相同的部分上。

通常，可以将特定谐振电路的对称绕组布置在次级磁芯结构的与谐振路径的谐振电感器的绕组不同的芯部分上，只要通过该芯部分的磁通量表示或对应于通过包括谐振电感器的绕组的部分的磁通量。但是，为了实现更好的通量和功率共享，对称绕组优选地缠绕在次级磁芯结构的与该次级谐振电路的谐振路径的谐振电感器的绕组相同的部分上。

并且在具有两个谐振路径的实施例中，对称绕组不仅缠绕在与谐振电感器的绕组相同的部分上，而且优选地缠绕在两个谐振电感器的两个绕组之间。然而，将也可以将对称绕组布置在两个谐振电感器绕组附近但不在两个谐振电感器绕组之间的相同芯部分上，但是在它们之间布置对称绕组导致对称布置，从而导致改善的通量和功率共享。

在本发明的优选实施例中，谐振电感器的绕组和对称绕组缠绕在其上的次级谐振电路的次级磁芯结构的部分被并联地布置，并且它们通过一侧上的第一磁轭（yoke）芯元件和另一侧上的第二磁轭芯元件磁性连接。因此，次级磁芯结构优选地具有梯状形状，其中磁轭芯元件形成梯状芯结构的轨道，并且部分形成梯状芯结构的梯级（rung）。由此，可以使用任何类型的合适的芯元件来构建次级芯结构，诸如E芯元件、C或U芯元件、I芯元件或任何其他合适类型的芯元件。次级芯结构也可以使用具有期望的梯状形状的单个即单件式芯元件来构建。

在本发明的另一个优选实施例中，输出级包括用于每个谐振路径的整流器，其中每个整流器连接到不同谐振路径的输出。因此，整流器连接到每个谐振路径的输出，并适配成接收其谐振路径的AC输出，并在其输出处提供对应的DC输出功率。

然而，每个整流器也可以在其输入或其输出处包括另外的功率级，诸如例如DC/DC转换器或其他转换器或逆变器，以提供对于特定应用所需或适合的输出功率。

在本发明的另一个优选实施例中，整流器的次级并联连接，以在输出级的输出处提供DC次级输出功率。再次，整流器的并联DC输出可以（取决于特定应用）例如由DC/DC转换器进一步处理，或者DC次级输出功率可以在将输出提供给负载之前被转换为AC输出输出功率。

初级谐振器可以包括一个、两个或更多个初级谐振电路，其根据特定应用的要求而串联或并联连接。优选地，初级谐振器包括并联连接的两个初级谐振电路，其中每个初级谐振电路包括串联连接的谐振电感器和谐振电容器。再次，要注意，谐振电感器以及谐振电容器可以分别分成若干个电感器或电容器。

初级谐振器可以如本领域中已知的那样被选择成使得提供由特定应用所要求的AC初级输出功率。然而，优选地，初级谐振器包括磁芯结构，其中每个初级谐振电路的谐振电感器包括O形初级线圈，并且其中所有初级线圈布置在磁芯结构的同一侧上。

用于磁芯结构的磁芯优选地包括片状的通常为矩形的磁芯，诸如铁氧体板。并且术语O形在这一点上仅意味着线圈绕线圈的中间区域中的开放区域缠绕。因此，线圈的单匝不必是圆形的，而可以具有椭圆形、D形或甚至矩形或任何其他合适的形状，只要它们都被缠绕以在它们的中间区域留下开放空间。线圈55还不必具有相同的形状，而也可以具有不同的形状。具有两个D形线圈的这样的磁芯结构例如在本领域中称为双D线圈布置。

如前所述，无线功率传输装置优选地被适配用于诸如例如汽车和/或工业载具以及电操作装备的电池之类的电池的无线充电。

无线功率传输装置的适配包括例如次级侧可以布置在这样的载具或装备中或处。并且它可以例如包括用于从要充电的电池的BMS（电池管理系统）或从要驱动的负载接收充电或驱动命令的通信部件。

为了对不包括BMS的电池充电，无线功率传输装置例如可以采用这样的BMS的功能。它可以例如包括具有用于要充电的电池的充电简档的数据存储，并且它可以包括用于测量电池参数（诸如电压、温度等）的传感器，以限定实际需要的充电电流。例如，它还可以包括用于向电池提供恰当量的电流以在电池达到某个电压的情况下使电池电压保持恒定的部件。

关于用于如本文所述的无线功率传输装置的次级侧的本发明的解决方案由权利要求14的特征规定。

根据本发明的次级侧包括次级谐振器以及输出级，如本文所述。并且次级侧优选地适配成布置在载具或装备中或处，如前所述。并且次级侧可以包括用于从要充电的电池的BMS（电池管理系统）或从要驱动的负载接收充电或驱动命令的通信部件。并且它还可以包括用于与如本文所述的无线功率传输装置的初级侧进行无线或有线通信的部件。

关于用于跨气隙将功率从初级侧无线传输到次级侧的方法的本发明的解决方案由权利要求15的特征规定。

一种用于跨气隙将功率从初级侧无线传输到次级侧的方法，包括以下步骤：通过输入级将输入功率转换为AC初级输出功率，通过初级谐振器接收AC初级输出功率并感应出用于无线功率传输的磁场，以及通过次级谐振器将通过磁场接收的功率转换为AC次级输出功率，并通过输出级将AC次级输出功率转换为DC次级输出功率。

根据本发明，将通过磁场接收的功率转换为AC次级输出功率并将AC次级输出功率转换为DC次级输出功率的步骤包括以下步骤：

- 通过并联连接的至少两个次级谐振电路将通过磁场接收的功率转换为多个AC次级输出功率部分，

- 将多个AC次级输出功率部分转换为多个DC次级输出功率部分，和

- 通过并联连接多个DC次级输出功率部分来组合它们以提供DC次级输出功率，

其中，

- 由次级谐振电路转换通过磁场接收的功率包括由具有谐振电容器和包括缠绕在磁芯元件上的绕组的谐振电感器的串联连接的谐振路径转换通过磁场接收的功率，并且

- 通过为每个次级谐振电路提供缠绕在与谐振电感器相同的磁芯元件上的对称绕组并且并联连接所有对称绕组来平衡次级谐振电路内的磁通量。

在本发明的优选实施例中，用于无线传输功率的方法还包括通过为每个谐振次级电路提供缠绕在与谐振电感器相同的磁芯元件上的对称绕组并且并联连接所有对称绕组来平衡次级谐振电路之间的磁通量的步骤。

应注意，本文描述的每个功能或物理单元不仅可以包括所提到的组件，还可以包括未提到或未示出的另外的组件。例如，用于控制无线功率传输装置的控制器还可以包括用于控制其他设备或功能的部分或模块。或者，初级和次级谐振电路还可以包括另外的组件，诸如例如电阻器。

其他有利的实施例和特征的组合从下面的详细描述和权利要求的全部内容中显现出来。

附图说明

用于解释实施例的附图示出了：

图1是根据本发明的无线功率传输装置的第一实施例的示意图，

图2是根据本发明的无线功率传输装置的另一实施例的示意图，

图3是用于在根据本发明的无线功率传输装置中使用的初级谐振器的示意图，

图4是用于在根据本发明的无线功率传输装置中使用的另一初级谐振器的示意图，

图5是用于在根据本发明的无线功率传输装置的初级谐振器中使用的初级芯结构的示意图，

图6是用于在根据本发明的无线功率传输装置中使用的次级谐振器的示意图，

图7是在俯视图中的用于在根据本发明的无线功率传输装置的次级谐振器中使用的次级芯结构的示意图，

图8是在侧视图中的图7的次级芯结构，

图9是在俯视图中的用于在根据本发明的无线功率传输装置的次级谐振器中使用的另一次级芯结构的示意图，

图10是在侧视图中的图9的次级芯结构，

图11是用于对叉车的牵引电池充电的根据本发明的无线功率传输装置的应用的示意图，

图12是对称电感器的实现的示意图，和

图13是根据本发明的无线功率传输装置的次级侧的另一实施例的示意图。

在附图中，相同的组件被给予相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出根据本发明的无线功率传输装置1的第一实施例的示意性表示。无线功率传输装置1包括初级侧2、次级侧3和控制器15。初级侧2包括用于将输入功率4转换为被馈送到初级谐振器6的AC初级输出功率7的输入级5。初级谐振器6感应出磁场9以跨气隙8无线传送功率。次级侧3包括次级谐振器10，其拾取磁场9并将通过磁场9接收的功率转换为AC次级输出12。输出级11连接到次级谐振器10，并且将AC次级输出12转换为DC次级输出13，DC次级输出13然后在无线功率传输装置1的输出处被提供作为输出功率14。

控制器15控制通过气隙8从初级侧2到次级侧3的功率传输，使得满足特定应用的要求。控制器15控制初级侧2例如以满足连接到输出级11的设备所需的特定输出功率14。此处，控制器从次级侧3接收某个输入信号16，并且基于该输入信号16生成控制信号17以控制初级侧2，使得感应出磁场9来满足无线功率传输装置1的输出处的所需功率。输入信号16例如可以是表示输出级11所输出的功率与用于输出级11的输出功率的设定值之间的功率差的信号。然而，输入信号16也可以仅是测量的值，诸如例如输出级11处的实际功率、电流或电压，其中控制器15从其计算出控制信号17。为了这样做，控制器15还知道用于功率、电流或电压的设定值，或者设定值被输入到控制器15。

输入级5例如包括用于将输入功率4转换为AC初级输出功率7的转换器装置。在AC输入功率4的情况下，转换器装置例如包括AC/DC级、DC链路和DC/AC逆变器。在这样的配置中，控制信号17例如包括通过提供用于切换逆变器的开关的控制信号17来控制输入级5的信号。

虽然控制器15被示出为单独的单元，但它也可以集成到图1中所示的任何单元中。它还可以分成控制无线功率传输装置1的频率和开关以及可能的另外的其他功能或甚至其他设备的功能的两个或更多个控制器单元。

图2示出了根据本发明的无线功率传输装置的另一实施例的示意图。

在初级侧上，无线功率传输装置包括逆变器25，逆变器25连接到初级谐振器，初级谐振器包括串联连接的电容器22和电感器23。为了感应出用于跨气隙8的功率传输的磁场，初级谐振器还包括初级芯结构24。电感器23例如包括缠绕在芯结构24的部分上的绕组，以产生朝向次级侧的磁场。

次级侧包括次级芯结构26和并联布置的两个次级谐振电路27。次级芯结构26是两个次级谐振电路27的部分。每个次级谐振电路27包括串联连接的谐振电感器28和谐振电容器29，其中谐振电感器28包括缠绕在次级芯结构26的部分上的绕组。次级谐振器的输出提供被馈送到整流器21的AC次级输出12'。全部整流器形成该无线功率传输装置的输出级。每个整流器21将AC次级输出12'转换为DC次级输出13'，DC次级输出13'然后通过并联连接整流器输出而被组合，以形成总体DC次级输出13，所述总体DC次级输出13形成输出级的输出。

每个次级谐振电路27还包括对称绕组30，该对称绕组30缠绕在次级芯结构26的与该谐振电路27的谐振电感器28的绕组相同的部分上。并且所有对称绕组30并联连接以平衡次级谐振电路27内感应出的磁通量。

图3示出了用于在根据本发明的无线功率传输装置中使用的初级谐振器36的示意图。初级谐振器36包括并联连接到输入级（未示出）的两个初级谐振电路37。每个初级谐振电路37包括电容和电感的串联电路，其中电容被分成两个电容器32，并且电感包括连接在两个电容器32之间的线圈33。线圈33包括缠绕在初级芯结构34上的至少一个绕组。

图4示出了用于在根据本发明的无线功率传输装置中使用的另一初级谐振器46的示意图。初级谐振器46包括并联连接到输入级（未示出）的两个初级谐振电路47。每个初级谐振电路47包括电容和电感的串联电路，其中电容被分成四个电容器42，并且电感包括两个线圈43。初级谐振电路47的电容器42和线圈43形成两个子电路，其中每个子电路包括连接在两个电容器42之间的线圈43。两个子电路串联连接以形成初级谐振电路47。线圈43包括缠绕在初级芯结构44上的至少一个绕组。

图5示出了用于在根据本发明的无线功率传输装置的初级谐振器中使用的初级芯结构54的示意图。该示例中的初级芯结构54包括大致矩形的铁氧体芯板56和布置在芯板56顶部上的两个初级线圈55。线圈55被缠绕成使得它们在芯板56的中间区域中彼此接触或者至少彼此靠近，并且使得线圈中的电流在该中间区域中沿相同的方向流动。以这样的方式，磁场线集中在该中间区域中，并且由该初级芯结构54感应出的合成磁场被定向成垂直于芯板56的方向。线圈55例如是O形线圈，如前所述。

铁氧体芯板56被示出为在每个方向上突出超过线圈55。然而，铁氧体芯板56可以做得更小，使得它不会在一些或甚至所有区域中突出超过线圈55。

图6示出了用于在根据本发明的无线功率传输装置中使用的次级谐振器60的示意图。次级谐振器60包括具有公共磁轭部分66''和三个绕组部分66'的次级芯结构66。此外，次级谐振器60包括并联布置的三个次级谐振电路67。

每个次级谐振电路67包括两个并联的谐振路径72，其中每个谐振路径72包括谐振电感器68和分成两个谐振分离电容器69的谐振电容器的串联电路，所述两个谐振分离电容器69布置在每个谐振路径72的两个输出端子处。每个谐振路径的输出被馈送到整流器61，整流器61将谐振路径的AC输出功率转换为DC输出功率。由于所有整流器的输出并联连接，所以将单个谐振路径的AC输出功率相加以产生总DC输出功率73。

次级芯结构66是所有三个次级谐振电路67的部分。每个谐振电感器68包括缠绕在次级芯结构66的绕组部分66'上的绕组，其中次级谐振电路67的两个谐振路径72的两个谐振电感器68的绕组缠绕在同一绕组部分66'上，并且其中不同次级谐振电路的谐振电感器68的绕组缠绕在不同的绕组部分66'上。

每个次级谐振电路67还包括对称绕组70，其中特定谐振电路67的对称绕组缠绕在与该特定谐振电路67的两个谐振电感器68的绕组相同的绕组部分66'上。所有对称绕组70并联连接以平衡次级谐振电路67内感应的磁通量。该示例中的每个对称绕组70包括绕对应的绕组部分66'缠绕的两匝。然而，对称绕组70可以包括另一匝数，只要每个对称绕组70具有与其他对称绕组70相同的匝数。

图6还示出了与每个谐振路径72的谐振电感器68和谐振电容器69串联包括在每个谐振路径72中的对称电感71。在该示例中，特定谐振路径72的对称电感71布置在该特定谐振路径72的谐振电感器68和两个谐振分离电容器69中的一个之间。

应注意，谐振路径的输出处的全部电容器69被选择成使得产生无线功率传输装置的特定应用中所需的总电容。可以通过提供并联和/或串联布置的单个电容器的任何合适组合来实现所需的容量。

图7和8示出了用于在具有三个次级谐振电路和按每个次级谐振电路的两个谐振路径的、根据本发明的无线功率传输装置的次级谐振器中使用的次级芯结构76的示例性实施例的示意图。次级芯结构76可以例如用在图6中所示的次级谐振器60中。图7在俯视图中示出了次级芯结构，并且图8在侧视图中示出了它。

次级芯结构76包括两个并联布置的磁轭芯元件77和三个绕组部分78，三个绕组部分78以一定距离彼此并联布置并且垂直于磁轭芯元件77布置。每个绕组部分78被示出为承载三个绕组。两个外绕组79是次级谐振电路67的两个谐振路径72的谐振电感器68的绕组，并且中间绕组80是该次级谐振电路67的对称绕组70。

如图8所示，两个磁轭芯元件77和三个绕组部分78确实具有或多或少方形横截面，其中绕组部分78的前端与磁轭芯元件77的内侧表面接触。

图9和10示出了用于在具有三个次级谐振电路和按每个次级谐振电路的两个谐振路径的、根据本发明的无线功率传输装置的次级谐振器中使用的次级芯结构86的另一示例性实施例的示意图。次级芯结构86可以例如用在图6中所示的次级谐振器60中。图9在俯视图中示出了次级芯结构，并且图10在侧视图中示出了它。

次级芯结构86与图7和8中所示的次级芯结构76非常相似。次级芯结构86还包括两个并联布置的磁轭芯元件87和三个绕组部分88，三个绕组部分88以一定距离彼此并联布置并且垂直于磁轭芯元件87布置。每个绕组部分88被示出为承载三个绕组。两个外绕组89是次级谐振电路67的两个谐振路径72的谐振电感器68的绕组，并且中间绕组90是该次级谐振电路67的对称绕组70。

与图7和8中所示的次级芯结构78的不同之处在于，芯元件确实具有不同的横截面并且以不同的方式彼此接触。如图10所示，两个磁轭芯元件87和三个绕组部分88确实具有矩形但相当平坦的横截面。因此，绕组部分78通过其下侧表面的端部区域与磁轭芯元件87的平坦的上侧接触。在该上下文中，术语“上”和“下”应理解为具有根据图9和10中的表示的含义。

绕组79、80、89、90也可以以与图7至10所示不同的方式布置。谐振电感器的两个外绕组79、89例如可以缠绕在绕组部分78、88上，使得它们直接位于彼此附近并尽可能多地覆盖绕组部分78、88。每个绕组部分78、88应可见得尽可能少。然后，中间绕组80、90即对称绕组缠绕在两个外绕组79、89的顶部上，以便进一步覆盖两个外绕组79、89之间的过渡区域。这样的线圈布置减少了场线，其不合期望地使磁芯留在绕组之间或者甚至在绕组的单匝之间。

图11示出了用于对叉车的牵引电池充电的根据本发明的无线功率传输装置的应用的示意图。

在该实施例中，充电装置的输入级被布置在壁箱95中，壁箱95安装在房屋92的墙壁上并连接到房屋92内的电源网络94。初级谐振器96安装在房屋92的另一墙壁91（例如房屋92中或附近的车库、简易车库、停放区域等的墙壁91）上。初级谐振器96也可以安装在与壁箱95相同的墙壁上，或者它可以部分地或完全地集成到墙壁91中，使得其将不需要或需要较少的墙壁91附近的额外空间。初级谐振器96通过固定电缆97连接到壁箱95。

叉车100包括充电装置的次级侧93。叉车100还包括具有BMS 105（电池管理系统）的电池98和两个电动马达102、103，其中电动马达102用于驱动叉车100，并且电动马达103用于驱动叉车100的升降机104。BMS 105管理流入电池98和通常还有流出电池98的能量。

为了向叉车100的电池98提供充电电流，次级侧93经由充电线99连接到电池98，并且次级侧93也通过信号线106连接到电池98 BMS 105。为了对电池98充电，BMS 105限定在特定时间点允许或需要的充电电流，并经由信号线106将该设定值提供给次级侧93。次级侧93例如测量提供给电池98的实际电流，将实际电流与设定电流进行比较，并从其计算出误差信号，该误差信号经由包括在次级侧93以及壁箱95中的无线收发器108所建立的无线通信链路107发送到壁箱95。然而，初级侧的无线收发器108也可以设置在初级谐振器96内。基于该电流设定值，控制器然后控制输入级，使得通过气隙8从初级谐振器96传输到次级侧93的功率导致与BMS 105的设定值相匹配的、经由充电线99提供给电池98的充电电流。

图12示出了对称电感器的实现的示意图。示出了用于缠绕对称电感器的线圈111的磁芯结构110。磁芯结构110包括具有中间腿和两个外腿的E形芯元件113。磁轭芯元件117还被布置成使得闭合E形芯元件113以形成8形芯。线圈111现在设置在E形芯元件113的中间腿上。磁轭芯元件117可以是如前所述的次级芯结构的磁轭芯元件，或者它也可以是附加的芯元件。因此，在诸如例如图6所示的具有三个谐振电路（每个谐振电路包括两个谐振路径）的次级谐振器中，设置六个E形芯元件113以实现六个对称电感器。因此，这些对称电感器中的每个都是独立的电感器，使得它们之间不发生通量共享。

图13示出了根据本发明的无线功率传输装置的次级侧的另一实施例的示意图。次级侧包括具有两个谐振路径122的次级谐振电路127。整流器131连接到每个谐振路径122。每个谐振路径122包括对称电感121、两个分离电容器119和两个谐振电感器。然而，在该实施例中，谐振路径122的谐振电感器通过布置在圆形次级芯元件116上的圆形绕组118实现。每个圆形绕组118被示出为包括仅一匝。然而，每个圆形绕组118也可以包括两匝或更多匝。并且圆形绕组118被示出为彼此靠近地布置在圆形次级芯元件116上。然而，圆形绕组118也可以设置在彼此的顶部上或以任何其他合适的方式设置。谐振电感器优选地通过缠绕圆形绕组118并将它们设置在次级芯元件116上以使得它们的合成电感彼此相等来实现。

在该实施例中，圆形次级芯元件116具有环状形状，其中圆形绕组118设置在圆形次级芯元件116的环形部分上。圆形次级芯元件116也可以被实现为圆盘，即在中心没有孔。圆形次级芯元件116例如是平坦的铁氧体环或盘。

在具有两个或更多个次级谐振电路的无线功率传输装置中，具有共同的圆形次级芯元件116的这样的次级侧布置具有以下优点：由圆形绕组118实现的谐振电感器也确实平衡了次级谐振电路之间的通量。因此，这些圆形绕组接管对称绕组的通量平衡功能，因此在这样的布置中不需要附加的对称绕组。

总之，应注意，本发明使得能够创建允许高功率的高效传输的无线功率传输装置、对应的次级侧、以及对应的用于无线功率传输的方法。

Claims

1.一种用于通过感应耦合跨气隙将功率从初级侧无线传输到次级侧的无线功率传输装置，其中

a)初级侧包括用于将输入功率转换为AC初级输出功率的输入级和用于接收AC初级输出功率并感应出磁场的初级谐振器，

b)次级侧包括用于将通过磁场接收的功率转换为AC次级输出功率的次级谐振器和用于将AC次级输出功率转换为DC次级输出功率的输出级，

其特征在于，次级谐振器包括次级磁芯结构和并联连接的至少两个次级谐振电路，其中c)每个次级谐振电路包括具有串联连接的谐振电感器和谐振电容器的谐振路径，

d)谐振电感器包括包含该次级谐振电路的磁通量的缠绕在次级磁芯结构的部分上的绕组，并且

e)每个谐振路径包括与该谐振路径的谐振电感器和谐振电容器串联连接的对称电感。

2.根据权利要求1所述的无线功率传输装置，其中每个次级谐振电路包括并联布置的两个谐振路径，其中次级谐振电路的两个谐振路径的谐振电感器缠绕在次级磁芯结构的同一部分上。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的无线功率传输装置，其中谐振路径的对称电感布置在该谐振路径的谐振电感器和谐振电容器之间，其中谐振电容器分成两个分离电容器，每个分离电容器被布置在该谐振路径的不同输出端子处。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的无线功率传输装置，其中对称电感被选择成使得次级谐振电路的谐振路径的不需要的谐振频率位于次级谐振器的谐振频率的两个相邻谐波的中间。

5.根据权利要求4所述的无线功率传输装置，其中次级谐振器包括三个次级谐振电路，每个次级谐振电路包括两个谐振路径，并且对称电感被选择成在1.1*L2和1.5*L2之间，其中L2是次级谐振器的合成电感。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的无线功率传输装置，其中每个次级谐振电路包括包含该次级谐振电路的相同磁通量的缠绕在次级磁芯结构的部分上的对称绕组，并且所有对称绕组并联连接以平衡至少两个次级谐振电路内的磁通量。

7.根据权利要求6所述的无线功率传输装置，其中次级谐振电路的对称绕组缠绕在该次级谐振电路的谐振路径的次级绕组之间的次级磁芯结构的所述部分上。

8.根据权利要求1至2中任一项所述的无线功率传输装置，其中次级谐振电路的次级磁芯结构的部分并联布置并且通过一侧上的第一磁轭芯元件和另一侧上的第二磁轭芯元件磁性连接。

9.根据权利要求1至2中任一项所述的无线功率传输装置，其中输出级包括用于每个谐振路径的整流器，其中每个整流器连接到不同谐振路径的输出。

10.根据权利要求9所述的无线功率传输装置，其中整流器的输出并联连接以提供DC次级输出功率。

11.根据权利要求1至2中任一项所述的无线功率传输装置，其中初级谐振器包括并联连接的两个初级谐振电路，其中每个初级谐振电路包括串联连接的谐振电感器和谐振电容器。

12.根据权利要求11所述的无线功率传输装置，其中初级谐振器包括磁芯结构，其中每个初级谐振电路的谐振电感器包括O形初级线圈，其中所有初级线圈被布置在磁芯结构的同一侧上。

13.根据权利要求1至2中任一项所述的无线功率传输装置，被适配用于对电池进行无线充电。

14.一种用于根据前述权利要求中任一项所述的无线功率传输装置的次级侧，包括所述次级谐振器以及所述输出级。

15.一种用于跨气隙将功率从初级侧无线传输到次级侧的方法，包括以下步骤：

a)通过输入级将输入功率转换为AC初级输出功率，通过初级谐振器接收AC初级输出功率并感应出用于无线功率传输的磁场，

b)通过次级谐振器将通过磁场接收的功率转换为AC次级输出功率，并通过输出级将AC次级输出功率转换为DC次级输出功率，

其特征在于，将通过磁场接收的功率转换为AC次级输出功率并将AC次级输出功率转换为DC次级输出功率的步骤包括以下步骤：

c)通过并联连接的至少两个次级谐振电路将通过磁场接收的功率转换为多个AC次级输出功率部分，

d)将多个AC次级输出功率部分转换为多个DC次级输出功率部分，和

e)通过并联连接多个DC次级输出功率部分来组合它们以提供DC次级输出功率，

其中，

f)由次级谐振电路转换通过磁场接收的功率包括由具有谐振电容器和包括缠绕在磁芯元件上的绕组的谐振电感器的串联连接的谐振路径转换通过磁场接收的功率，并且

g)通过为谐振路径提供与该谐振路径的谐振电感器和谐振电容器串联连接的对称电感来平衡谐振路径内的电流流动。

16.根据权利要求15所述的方法，包括通过为每个谐振次级电路提供缠绕在与谐振电感器相同的磁芯元件上的对称绕组并且并联连接所有对称绕组来平衡次级谐振电路之间的磁通量的步骤。