CN111512517B

CN111512517B - 动态发射线圈定位系统、无线功率传输系统以及定位发射线圈的方法

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Publication number: CN111512517B
Application number: CN201780096794.8A
Authority: CN
Inventors: N·延吉克; S·兹宾登; H·亨普希尔
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2017-11-13
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2037-11-13
Also published as: JP2021502793A; CN111512517A; DE112017008098T5; WO2019091580A1; US11462953B2; US20200366138A1

Abstract

提供了一种用于例如无线功率传输系统的动态发射线圈定位系统（TCPS）。该定位系统具有驱动单元（DU）、可移动平台（MP）、发射线圈（TXC）、逆变器（INV）和控制器（C）。控制器被提供用于经由驱动单元定位可移动平台以调整发射线圈的操作参数，例如磁耦合因子。

Description

动态发射线圈定位系统、无线功率传输系统以及定位发射线圈的方法

本发明涉及无线功率传输的领域，特别地涉及用于功率发射系统的发射线圈的定位系统。

电功率可以从发射器无线地传输到接收器。为此，发射器具有发射线圈，而接收器具有接收线圈。发射线圈以磁场的形式发出功率。接收线圈将磁功率转换成电功率。这样的系统可以用于向例如范围从智能手表到电动车辆的电池的多个不同设备供应功率。

然而，在无线功率传输系统中，多个不同的参数影响系统的操作。具体来说，系统的磁环境影响诸如操作频率、电压、电流和功率传输率之类的参数。此外，标准将允许值（例如操作频率）限制为确定的间隔。

影响操作的另一个因素是发射器和接收器相对于彼此的几何定向。具体地，在无线应用中，可能不针对每个功率传输过程准许完美的定向。

已知的功率传输系统提出接收器侧上的有源电路和/或阻抗匹配电路中的可变阻抗来对失准的系统进行补偿。例如，从US 2014/0217966A1中已知一种用于功率传输系统的对准系统，其将发射线圈带到可移动接收线圈的附近。

然而，已经发现，即使使用上述技术方案，功率传输系统也可能示出不想要的效果。

因此，想要的是即使在不利的条件下的针对传输功率的改进可能性。

为此，提供了动态发射线圈定位系统、功率传输系统和定位发射线圈的方法。从属权利要求提供了优选的实施例。

动态发射线圈定位系统包括驱动单元和可移动平台。可移动平台连接到驱动单元上。此外，定位系统包括发射线圈，其被安装到可移动平台并且被提供用于将电磁功率传输到接收线圈。此外，定位系统包括电连接到发射线圈的逆变器。另外，该系统包括电连接到逆变器和驱动单元的控制器。控制器被提供用于经由驱动单元定位可移动平台以调整发射线圈的操作参数。

在本动态发射线圈定位系统的上下文中，驱动单元包括用于移动可移动平台的机械部件。逆变器可以被提供用于将电功率发射到发射线圈，并且可以提供在允许的频率范围内的操作频率，例如大约85 kHz。然后，发射线圈发出具有定位系统的操作频率的频率的变化磁场。磁功率应当由接收线圈接收，应当向所述接收线圈提供电功率。

逆变器可以由外部功率源供电。接收线圈可以用于对电池再充电或直接向功率消耗电路提供功率。

控制器被提供用于控制驱动单元，特别地用于控制驱动单元将承载发射线圈的可移动平台带到的位置。控制器获得功率发射过程的操作参数，并且确定用于可移动平台的优选地相对于接收线圈的最优位置。

已经发现，尤其为逆变器的操作参数非常强烈地取决于操作参数，特别取决于功率传输系统的发射线圈之间的操作参数。通过利用驱动单元使发射线圈的位置动态可变，有可能改变操作参数，使得组件在安全区域内操作并且操作频率在限度内。例如，通过经由可移动平台移动发射线圈，直到功率传输过程及其参数在限定的限度内，可以增加或减少操作参数。

特别地，已经发现，如果操作参数的值本身具有最优值，则存在使得功率传输系统不能最优工作的操作参数。因此，如果确定操作参数具有非完美的操作参数值，则可以获得功率传输过程的优化。

因此，通过使操作参数失谐，可以获得改进的功率传输过程，可以符合功率发射标准，并且所有参数被限制在安全操作模式内。

驱动单元可以在一个或多个方向上执行可移动平台的位移（displacement）。方向可以选自横向方向和水平方向。水平方向表示垂直于Z轴的上/下运动。横向方向可以在用于描述可移动平台的移动方向的坐标系的X轴和Y轴所限定的水平面内。

发射线圈的操作参数可以是发射线圈和接收线圈之间的磁耦合因子。

磁耦合因子要根据等式（1）来限定：

这里，m是线圈对的互感。L₁是发射线圈的感应率（inductivity），并且L₂是接收线圈的感应率。

已经发现，当发射线圈和接收线圈之间的耦合因子太高或太低时，难以控制逆变器的操作频率、占空比、相位角和输入电压范围。此外，发现，可以通过相对于接收线圈移动发射线圈来获得改进的耦合因子。总之，发现，如果根据整个功率发射系统的行为来调谐耦合因子，则可以获得改进的功率传输操作，即使这意味着耦合因子本身可能被减小到基本上较小的值。特别地，对于某些条件，需要发射线圈和接收线圈之间的相对小的水平偏移，以确保表示电压电流滞后时间的功率因子处于安全条件。

优选的耦合因子的值可以在0.15至0.4之间。

优选的是，功率发射系统的操作频率在81.38 kHz至90 kHz之间。

可移动平台的可能位移在X方向和/或Y方向上可以在-32 mm至+32 mm之间的范围内。

通过将操作参数调整到对于整个系统最优的值，可以利用相对小的发射线圈和相对小的接收线圈，并且加到对于移动所需的附加面积的小发射线圈的大小仍然可以导致与常规发射线圈相比更小的面积消耗。

在XY平面中所需的总面积可以是大约2400 cm²，而常规发射线圈具有大约4000cm²的面积消耗。

驱动单元可以包括电气、气动或液压驱动系统。

然后，可移动平台可以分别通过电动引擎、气动和/或液压施动器（actor）来移动。马达和/或施动器可以是电动的（electrically powered）。

驱动单元可以被提供用于从控制器获得定位指令。控制器电连接到驱动单元和逆变器。因此，逆变器的操作参数可以被提供给控制器，以允许控制器确定可移动平台的最优位置。

对应地，可以提供驱动单元，以用于根据来自控制器的定位指令进行动作。

对应地，可以提供控制器，以用于基于从电流操作频率、电流-电压关系、电流值和电压值中选择的一个或多个参数来确定位置。

电流值和电压值可以是发射线圈的驱动电流的值或由逆变器提供的发射线圈的驱动电压的值。

动态发射线圈定位系统还可以包括在发射线圈下方的金属基底。此外，定位系统可以具有布置在发射线圈和金属基底之间的铁磁基板。另外，动态发射线圈定位系统可以具有在铁磁基板与发射线圈之间的电介质层。

发射线圈下方的金属基底由导电材料组成，诸如铜、铝或类似金属或包含铜和/或铝的合金。

优选的是，金属基底包括非铁金属。

发射线圈和金属基底之间的铁磁基板包括铁磁材料，例如铁氧体。

铁磁基板和发射线圈之间的电介质层包括绝缘材料，其建立线圈和铁磁板之间的绝缘层。

发射线圈可以选自圆形线圈、螺旋线圈、多线圈连接、极化线圈和非极化线圈。

在圆形线圈中，线圈的线材以圆的参数布置。在螺旋线圈中，线圈的线材具有螺旋的形状。线圈的不同位置具有到线圈中心的不同距离。多线圈连接包括两个或更多个线圈元件，这些线圈元件一起工作以建立电感系统。极化线圈包括两个或更多个挨着布置的线圈元件，其中线圈段被电连接成使得电流在特定时间在两个段中都顺时针流动或在两个段中都逆时针流动。非极化线圈是包括两个或更多个线圈段的线圈系统，这些线圈段以使得当电流在一个段中顺时针流动时电流在相邻段中逆时针流动的方式被电连接。

可以在无线功率传输系统中使用动态发射线圈定位系统。无线功率传输系统包括发射系统中的动态发射线圈定位系统。此外，无线功率传输系统包括具有接收线圈的接收系统，所述接收线圈被提供用于从发射线圈接收功率。

发射线圈和接收线圈可以具有基本相同的大小。

一种定位无线功率传输系统的发射线圈的方法包括以下步骤：

-确定操作参数，

-根据所述参数相对于接收线圈定位发射线圈。

这里，无线功率传输系统包括发射线圈和接收线圈。无线功率传输系统还可以包括匹配网络，例如与发射线圈和/或接收线圈相关联的匹配网络。

方法可以包括以下步骤中的一个或多个或所有，所述步骤选自：

i）将发射线圈移动到其中接收和发射线圈的中心竖直对准的位置。

ii）在可变频率系统中，以低功率的发射功率以最大频率开始并以受控方式降低频率。

iii）在每个频率处测量线圈电压和电流。

iv）降低频率，直到达到最低容许频率或者效率开始降低。

v）如果在达到最小频率之前效率已经降低，则增加频率直到效率达到最大；如果所有参数都是可接受的，则以最大水平传输功率。

vi）如果系统参数在最大效率下不可接受，或者如果达到最小频率，则停留在低功率处，而频率被改变到最大频率。

vii）在X方向上将发射线圈位移+8 mm，并且重复从i）到v）的序列。

viii）重复步骤vii），同时将发射线圈在X方向上位移-8 mm，在Y方向上位移+8mm，并且在Y方向上位移-8 mm。

ix）重复步骤iv）到viii），直到满足可接受的操作条件或直到X和Y偏移达到32mm。

对于固定频率系统，可能仅需要步骤vii）到ix）。

虽然在某些已知的无线功率传输系统中，仅可以通过降低功率率来获得有效的操作参数，但是本传输系统可以通过使发射线圈相对于接收线圈对准或失准来维持高功率率并且提供安全的操作参数。

除了用于定位可移动平台的控制器的电路之外，可以不需要另外的有源电子器件。尤其是在电源电路中，可以不需要另外的有源电子器件。发射线圈的位置的调整可以仅在X-Y平面中进行，而竖直位置保持不变。因此，获得了二维优化，其使得驱动算法更快且更稳定。

如果需要，操作参数的评估可以导致发射线圈的重新定位。

可以利用高频绞合线来缠绕发射线圈和/或接收线圈。

驱动单元的驱动机构和无线发射线圈可以定位在壳体内，其允许电磁能量的传输，同时向进入驱动的线圈提供机械保护。功率发射系统在发射线圈和接收线圈之间可以具有80 mm的距离。该距离可以在80 mm至250 mm之间变化。所传输的功率可以在1 kW至11kW之间的范围内。

线性马达可以在驱动单元中使用，以移动可移动平台。

线圈的线材（例如，绞合线）可以具有6 mm的厚度。铁氧体材料和线圈的绞合线之间的间隙可以在3 mm的范围内。铁磁片可以具有4.1 mm的厚度。铁磁片和金属板之间的间隙可以是大约10 mm。

可以在逆变器和发射线圈之间布置阻抗电路。此外，在接收器侧上的次级电路的负载和接收电路之间，也可以电连接阻抗电路。

发射侧上的阻抗电路可以包括并联连接的两个分支电路。每个分支电路包括八个电感元件。一个分支电路可以包括串联连接的电容器或电感器或者由串联连接的电容器或电感器组成。另一分支电路可以包括并联连接的电容器或由并联连接的电容器组成。电感可以在几百μH的范围内，例如在100μH至1000μH之间。电容可以在5 nF至150 nF的范围内。分支电路可以由单个电容器或由布置成矩阵的多个电容器构成。

在示意性附图中描述了优选实施例的工作原理、中心方面和细节。

在附图中：

图1示出发射线圈定位系统的基本构造；

图2示出无线功率传输系统的组件；

图3示出发射线圈下方的可能层构造；

图4示出壳体的使用；

图5示出阻抗电路的使用；

图6和7示出发射线圈的可能构造；

图8示出极化线圈的基本方面；

图9示出非极化线圈的布置。

图1示出了动态发射线圈定位系统TCPS的基本元件。该系统包括向发射线圈TXC提供电功率的逆变器INV。发射线圈TXC布置在可移动平台MP上。利用驱动单元DU，可移动平台可以在一个或两个水平方向和/或竖直方向上移动。在驱动单元DU和逆变器之间，电连接控制器C。

控制器可以从逆变器INV获得关于操作参数的信息，其指示功率发射过程的质量和/或对允许值的符合。为了例如通过符合诸如操作频率之类的强制值来改进功率传输过程，控制器C确定发射线圈TXC相对于接收线圈的优选位置。因此，通过对两个线圈的布置进行调整、对准、失准或失谐，可以提供安全操作，而不需要接收器侧处的有源电路。

图2示出了无线功率传输系统WPTS的基本元件。无线功率传输系统WPTS包括无线功率发射器WPT和无线功率接收器WPR。无线功率发射器WPT包括如图1中所示的发射线圈定位系统TCPS的元件和用于无线功率接收器的附加组件。无线功率接收器WPR至少包括接收线圈。

图3示出了在发射线圈TXC下方布置金属层ML的可能性。在发射线圈TXC和金属层ML下方，可以布置铁电层FEL。在铁电层FEL和发射线圈TXC之间，可以布置电介质层DL。

电介质层DL用作绝缘层以将发射线圈的线材与其环境电绝缘。铁电层有助于聚焦磁场，以向接收线圈提供最大场密度，并避免磁场在系统附近消散。

图4示出了使用壳体H来保护无线功率发射器的元件免受不想要的环境影响并且保护环境的元件免受驱动单元的机械运动的干扰。

图5示出了在逆变器INV和发射侧上的发射线圈TXC之间使用阻抗电路IC，并且在接收线圈RXC和接收器侧上的负载R之间使用阻抗电路IC。控制器C引起发射线圈TXC在方向D上的运动，以对诸如耦合因子之类的操作参数进行调谐或失谐，以获得良好的整体功率发射过程。

接收器侧上的负载可以是功率消耗器和/或有源电池。

图6示出了包括以螺旋方式缠绕的线材W的发射线圈TXC的可能构造。图6示出了如图7中所示的位置WA处的横截面，图7示出了针对发射线圈TXC的顶视图。

图7示出了典型尺寸的含义。D1主要是线圈布置的宽度，并且可以在线圈到线圈距离的1.0至2.0倍之间（例如1.4倍）的范围内。D2主要是线圈布置的长度，并且可以在线圈到线圈距离的1.0至2.0倍之间（例如1.4倍）的范围内。发射线圈可以包括N匝，其中1≤N≤15。例如，N可以是5。

发射线圈基本上是圆形线圈，其直径通常等于线圈之间的竖直距离的至少1.4倍。因此，发射线圈的外径可以在120mm至350mm之间。

接收线圈不应具有大于发射线圈的外径。发射线圈下方的铁磁层和铝层不应小于发射线圈直径。同样，接收器线圈上方的铁磁层和铝层不应小于接收器线圈直径。

图8示出了包括挨着布置的两个线圈段的非极化线圈。线圈段被电连接成使得电流的方向在两个不同的段中相反，而导致相反的磁场方向，从而导致线圈的降低的极化。

相比而言，图9示出极化线圈，其中线圈元件被电连接成使得线圈段中的电流的定向具有相同的方向，从而导致所得磁场的基本平行定向，以使得获得线圈的整体极化。

动态发射线圈定位系统、功率传输系统和用于驱动系统的方法不限于所示的细节和实施例。定位系统还可以包括附加电路和机械致动器，其用于确定操作参数以及用于对诸如耦合因子之类的操作参数进行调谐或失谐。

附图标记的列表

C控制器

D1、D2、D3距离

DL电介质层

DU驱动单元

FEL铁电层

H壳体

IC阻抗电路

INV逆变器

ML金属层

MP可移动平台

N匝数

D移动方向

RXC接收线圈

TXC发射线圈

TCPS发射线圈定位系统

W线材

WPR无线功率接收器

WPTS无线功率传输系统

WPT无线功率发射器。

Claims

1.一种定位无线功率传输系统的发射线圈的方法，所述系统包括所述发射线圈和接收线圈，所述方法包括如下步骤：

i)将发射线圈移动到其中接收和发射线圈的中心竖直对准的位置，

ii)在可变频率系统中，以低功率的发射功率以最大频率开始并以受控方式降低频率，

iii)在每个频率处测量线圈电压和电流，

iv)降低频率，直到达到最低容许频率或者效率开始降低，

v)如果在达到最小频率之前效率已经降低，则增加频率直到效率达到最大；如果所有参数都是可接受的，则以最大水平传输功率，

vi)如果系统参数在最大效率下不可接受，或者如果达到最小频率，则停留在低功率处，而频率被改变到最大频率，

vii)在X方向上将发射线圈位移+8mm，并且重复从i)到v)的序列，

viii)重复步骤vii)，同时将发射线圈在X方向上位移-8mm，在Y方向上位移+8mm，并且在Y方向上位移-8mm，

ix)重复步骤iv)到viii)，直到X和Y偏移达到32mm。

2.一种动态发射线圈定位系统，包括：

-驱动单元，

-可移动平台，连接到所述驱动单元，

-发射线圈，被安装到所述可移动平台并且被提供用于将电磁功率传输到接收线圈，

-逆变器，电连接到所述发射线圈，

-控制器，电连接到所述逆变器和所述驱动单元，

其中

-所述控制器被提供用于经由所述驱动单元定位所述可移动平台以调整所述发射线圈的操作参数，所述控制器被配置成执行根据权利要求1所述的方法的步骤。

3.根据权利要求2所述的动态发射线圈定位系统，其中，所述驱动单元可在一个或多个方向上执行所述可移动平台的位移，所述一个或多个方向选自横向方向和水平方向。

4.根据权利要求2或3所述的动态发射线圈定位系统，其中，所述发射线圈的操作参数是所述发射线圈与所述接收线圈之间的磁耦合因子。

5.根据权利要求2或3所述的动态发射线圈定位系统，其中，所述驱动单元包括电气、气动或液压驱动系统。

6.根据权利要求2或3所述的动态发射线圈定位系统，其中，所述驱动单元被提供用于从所述控制器获得定位指令。

7.根据权利要求2或3所述的动态发射线圈定位系统，其中，所述驱动单元被提供用于根据来自所述控制器的定位指令进行动作。

8.根据权利要求2或3所述的动态发射线圈定位系统，其中，所述控制器被提供用于基于从电流操作频率、电流-电压关系、电流值、电压值中选择的一个或多个参数来确定位置。

9.根据权利要求2或3所述的动态发射线圈定位系统，还包括：

-在所述发射线圈下方的金属基底，

-所述发射线圈与所述金属基底之间的铁磁板，

-所述铁磁板与所述发射线圈之间的电介质层。

10.根据权利要求2或3所述的动态发射线圈定位系统，其中，所述发射线圈选自圆形线圈、螺旋线圈、多线圈连接、极化线圈、非极化线圈。

11.一种无线功率传输系统，包括：

-发射系统，具有根据权利要求2至10中任一项所述的动态发射线圈定位系统，以及

-接收系统，具有被提供用于从所述发射线圈接收功率的接收线圈。

12.根据权利要求11所述的无线功率传输系统，其中，所述发射线圈和所述接收线圈具有相同的大小。