CN112912271A - 一种无线电力传输装置、方法和系统 - Google Patents

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松本广和
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Abstract

本发明描述了一种用于无线电力传输的无线电力传输系统、方法和装置。无线电力传输系统、方法和装置允许发射端和接收端进行自定位校正以使其对准，从而提高电力传输效率。每个发射端和接收端除了具有一个无线电力传输/接收线圈（交流线圈）外，还具有一个对准线圈（直流线圈）。当发射端和接收端各自的对准线圈用不同的磁极磁化时，它们互相吸引。发射端或接收端至少有一个安装在可移动机构上，该机构允许发射端或接收端随之移动以进行自校正定位。

Description

一种无线电力传输装置、方法和系统
技术领域
本发明涉及电力充电，特别是无线电力传输。
背景
近几年来，电动车(EV)的普及程度不断提高，预计到2025年将有4000万至7000万辆电动车上路。无线电力传输(WPT)系统在电动车中越来越受欢迎，主要是作为自动驾驶汽车的一种使能技术。预计到2035年将有8500万辆自动驾驶汽车投入使用，因此有必要建立一种无需驾驶人员干预的充电基础设施。当电动车停放时，无线电力传输系统能够在很短的时间内实现全自动充电，同时减少了对电池大小的要求。由于消除了电击和电缆跳闸的危险，无线电力传输系统也比有线充电系统安全得多。
然而，发射器和接收器之间不可避免的未对准降低了充电器的效率，这是应用无线电力传输系统的主要障碍。充电器效率降低的主要原因是由于线圈未对准，发射器和接收器线圈之间的互感减小。文献中已经提出了几种不同的线圈结构来提高未对准容差。然而，当未对准的距离接近线圈的尺寸时，即使这些结构也不能减轻效率的下降。因此，大型发射器线圈通常被用在无线电力传输系统中，但这在电动车的应用中是不现实的。
无线电力传输的研究主要集中在调节充电板与乘用电动车底盘之间的较大间隙，同时提高未对准容差。然而，由于电动车的设计限制和高昂的成本，迄今为止已经开发的现有系统都不切实际。
因此，仍然非常需要能够实现额外的、替代的和/或改进的无线电力传输的装置、方法和/或系统。
据本发明的一个方面，公开了一种用于给电动车(EV)电池充电的无线充电系统，该系统包括：支撑结构；可移动地与支撑结构连接的无线电力发射装置，该无线电力发射装置具有发射器交流(AC)线圈和发射器直流(DC)对准线圈；以及与无线电力发射装置连接的发射控制器，该发射控制器为直流对准线圈供电，以使交流发射器线圈与电动车无线电力接收装置对准，从而实现给电动车电池充电。
在上述系统的另一个方面，直流对准线圈将电力发射装置与电动车无线电力接收装置的接收器直流对准线圈对准。
在上述系统的另一个方面，发射控制器启动一个电流给发射器直流对准线圈，来磁化发射器直流对准线圈到一个与电动车接收器直流对准线圈次级极性相反的初级极性。
在上述系统的另一方面，在发射器直流对准线圈和接收器直流对准线圈之间产生磁力，该磁力使无线电力发射装置沿支撑结构在至少一个方向上移动，以对准发射器交流线圈和接收器交流线圈。
在上述系统的另一方面，当发射控制器确定无线电力发射装置的发射器交流线圈和电动车接收器交流线圈对准时，提供给交流发射器线圈的电力在交流接收器线圈中感应出电流来给电动车电池充电。
在上述系统的另一方面，当检测到电动车时，发射控制器启动电流供应给发射器直流对准线圈。
在以上系统的另一方面，电动车检测包括在发射控制器处无线接收从电动车接收器控制器发出的指令。
在以上系统的另一方面，当发射器直流对准线圈和接收器直流对准线圈对准时，给发射器直流对准线圈的电流供应停止。
在上述系统的另一方面，通过检测发射器交流线圈或接收器交流线圈中的扰动电流来确定发射器直流对准线圈和接收器直流对准线圈的对准。
在上述系统的另一方面，通过在一定频率范围内扫描扰动电流的扰动频率，来确定发射器交流线圈和接收器交流线圈之间的间隙距离。
在上述系统的另一方面，来自频率扫描的扰动电流的峰值确定了交流发射器线圈和接收器交流线圈之间的最小间隙分离。
在上述系统的另一方面，如果最小间隙分离大于一个阈值，发射控制器发出指示给控制器以移动车辆到更靠近无线电力传输装置的位置。
在以上系统的另一方面，发射器直流对准线圈和发射器交流线圈是相互垂直排列的。
在以上系统的另一方面，发射器交流线圈是螺旋型线圈、DD型线圈和螺线管型线圈中的任意一种。
在以上系统的另一方面，发射器直流对准线圈包含一个直流磁芯，交流发射器线圈包含一个交流磁芯。
在以上系统的另一方面，直流磁芯由钢制成。
在以上系统的另一方面，交流磁芯由铁氧体制成。
在以上系统的另一方面，发射器交流线圈由绞合线制成。
在以上系统的另一方面，发射器直流对准线圈由漆包线或铜导线制成。
在上述系统的另一方面，支撑结构可以是线性滑块、滚珠丝杠装置、滑轮和皮带装置，以及轮子和导向装置中的任意一种。
在以上系统的另一方面，支撑结构包括两个线性滑块，其被配置为允许在两个方向上移动。
在以上系统的另一方面，发射器交流线圈包括多个铁氧体棒。
在上述系统的另一方面，多个铁氧体棒具有不均等的间隔。
在以上系统的另一方面，无线电力发射装置还包含一个由连续铜片制成的铜屏蔽体。
在上述系统的另一方面，无线电力发射装置沿支撑结构水平移动。
根据本发明的另一方面，公开了一种用于为电动车(EV)电池充电的无线充电系统，该无线充电系统包括：一个安装在电动车上的无线电力接收装置，该无线电力接收器装置具有一个接收器交流(AC)线圈和一个接收器直流(DC)对准线圈，其与电动车电池相连接；以及一个连接到无线电力接收器装置的控制器，该控制器给接收器直流对准线圈供电，以使无线电力发射装置的发射器直流线圈与无线电力接收器对准。
在以上系统的另一方面中，无线电力发射装置的直流对准线圈通过发射器直流对准线圈和连接到电动车电池的接收器直流对准线圈的磁场水平移动。
在以上系统的另一方面，当直流接收器对准线圈与发射器直流对准线圈对准时，接收器交流线圈感应接收来自无线电力发射装置的发射器交流线圈的电力，以为电动车电池充电。
在上述系统的另一方面，接收器交流线圈可以从电动车电池给发射器交流线圈供电。
在上述系统的另一方面，控制器启动一个电流给发射器直流对准线圈，来磁化发射器直流对准线圈到一个与电动车接收器直流对准线圈次级极性相反的初级极性。
在以上系统的另一方面，控制器无线发送一个指令给无线电力发射装置以启动对准和给电动车电池充电。
在以上系统的另一方面，当发射器直流对准线圈和接收器直流对准线圈对准时，给接收器直流对准线圈和发射器直流对准线圈的电流供应停止。
在上述系统的另一方面，通过测量发射器交流线圈或接收器交流线圈中的扰动电流来判断发射器直流对准线圈和接收器直流对准线圈的对准。
在上述系统的另一方面，在一定频率范围内扫描扰动电流的扰动频率，来确定发射器交流线圈与接收器交流线圈之间的间隙距离。
在以上系统的另一方面，利用来自频率扫描的扰动电流的峰值电流来确定发射器交流线圈和接收器交流线圈之间的最小间隙分离。
在上述系统的另一方面，如果最小间隙分离大于阈值，提供一个指示给所述控制器以移动车辆到更靠近所述无线电力发射装置的位置。
在上述系统的另一方面，接收器直流对准线圈和接收器交流线圈是相互垂直排列的。
根据本发明的又一方面，公开了一种包括发射器侧和接收器侧的无线充电系统，用于根据上述各方面为电动车(EV)电池充电。
根据本发明的又一方面，公开了一种对电动车的电池(电动车)进行无线充电的方法，该方法包括：接收指示以开始对准无线电力发射装置的发射器直流对准线圈与连接到电动车的接收器直流对准线圈；向发射器直流对准线圈供应电流；检查发射器直流对准线圈与接收器直流对准线圈的对准；当对准被确认，向发射器交流线圈提供电流，以通过接收器交流线圈给电动车电池感应充电。
在以上方法的另一方面，检查发射器直流对准线圈与接收器直流对准线圈对准的方法包括检测发射器交流对准线圈的扰动电流的交流自感。
在以上方法的另一方面，该方法还包括在限定的频率范围内改变扰动电流的频率，以确定发射器直流对准线圈和接收器直流对准线圈之间的距离。
在上述方法的另一方面，当对准被验证时，停止向发射器直流对准线圈供电。直流对准线圈的供电在对准确认后停止。
在上述方法的另一方面，发射器直流对准线圈连接到构成无线电力发射装置的发射器交流线圈，其中该无线发射装置可沿支撑结构水平移动。
附图说明
结合附图，本发明更多的特点和优势将通过下述详细说明展现，其中：
图1(a)至(c)展示了三种常用无线电力传输线圈；
图2(a)和2(b)分别展示了以对准时的互感为单位归一化的螺旋型、DD型和螺线管型线圈的互感与x和z方向归一化的未对准距离之间的函数关系；
图3展示了无线电力传输系统的发射器和接收器；
图4(a)至(c)展示了发射和接收装置可能采用的对准部件；
图5展示了用于给电动车充电的无线电力传输系统和装置；
图6展示了用于给电动车电池充电的无线电力传输系统的概述；
图7A展示了无线电力传输系统的电气结构；
图7B展示了发射控制器和接受控制器的控制框图；
图8A展示了无线电力传输系统在汽车电池充电过程中自校正定位和无线电力传输操作；
图8B展示了位置校正控制顺序的时序图；
图9展示了不同水平未对准距离对应的交流线圈的模拟自感；
图10(a)展示了固定占空比vperturb,、iperturb和Ztank的典型波形；
图10(b)展示了PI控制的vperturb、调节的iperturb和所得的Ztank的典型波形；
图11展示了不同间隙距离对应的交流线圈的模拟自感；
图12(a)展示了较大Δy时PI控制的vperturb、iperturb、iperturb,pk和Ztank的典型波形；
图12(b)展示了Δy＝50mm时PI控制的vperturb、iperturb、iperturb,pk和Ztank的典型波形；
图13展示了一个由(a)一个次级电磁线圈、(b)一个安装在铁氧体棒间距不均等的电磁线圈内的螺线管型线圈和(c)一个安装在铁氧体棒间距均等的电磁线圈内的螺线管型线圈组成的无线电力传输装置；
图14A展示了hext＝25mm、Idc＝30A时模拟的电磁力Fmag，x与d之间的对应关系；
图14B展示了d＝8mm、Idc＝30A时模拟的电磁力Fmag，x与直流磁芯增大hext之间的对应关系；
图15A和15B分别展示了模拟的互感与(a)x方向未对准距离Δx及(b)间隙距离Δy之间的对应关系；
图16展示了归一化的螺旋型、DD型和螺线管型线圈的互感与z方向归一化的未对准距离之间的函数关系；
图17A和17B分别展示了不同的水平未对准距离Δx对应的模拟的系统效率，以及双线圈装置进行5kW无线电力传输时的损耗分类；
图18A和18B分别展示了未对准校正前，(a)Δx＝0mm和(b)Δx＝80mm时进行5kW无线电力传输时的模拟磁场；
图19A和19B分别展示了Idc＝30A时模拟的Fmag，x与Δx和Δz之间的对应关系；
图20展示了螺线管线圈的磁感应强度分布，螺线管边缘磁通密度的增加导致更高的磁芯损耗；
图21A和21B分别展示了(a)铁氧体棒间距10mm以及(b)铁氧体棒间距最佳时进行5kW无线电力传输时的模拟磁感应强度；
图22展示了进行5kW无线电力传输时的模拟涡流损耗与屏蔽体厚度之间的对应关系；
图23展示了(a)连续的铜片和(b)多片分离铜片的涡流分布；
图24展示了分别由(a)多片分离铜片，(b)薄铜带连接的多片分离铜片和(c)连续的铜片组成的屏蔽体进行5kW无线电力传输时的模拟电流密度分布；
图25展示了(a)充电器实验装置和(b)无线电力传输充电器功率电子电路板；
图26展示了实测的直流线圈电流波形；
图27展示了实测的磁力与x方向未对准距离Δx之间的对应关系；
图28展示了不同Idc对应的直流线圈位置；
图29展示了不同间隙距离Δy对应的直流线圈位置；
图30展示了不同竖直方向未对准距离Δz对应的直流线圈位置；
图31展示了实测的无线电力传输功率5kW时变换器的电流和电压波形；
图32展示了(a)无线电力传输功率5kW时的无线电力传输线圈系统，(b)发射器和(c)接收器MOSFETs的热像图；
图33展示了不同Vbat时实测的效率与Pbat之间的对应关系，最佳的Pbat通过手工调整Vbus实现；
图34展示了实测的效率与Δy之间的对应关系，最佳的Pbat通过手工调整Vbus实现；
图35展示了实测的效率与Δz之间的对应关系，最佳的Pbat通过手工调整Vbus实现；
图36展示了(a)作为对比例，进行3.7kW无线电力传输时间隔均等的铁氧体棒的实测波形，(b)尝试进行5kW无线电力传输后损坏的间隔均等铁氧体棒的图像；以及
图37展示了(a)进行3.7kW无线电力传输和(b)进行5kW无线电力传输时间隔不均等铁氧体棒的实测波形。
需要注意的是，在整个附图中，相似特征用相似的参考数字标识。
详细说明
本发明描述了无线电力传输装置、方法和系统。根据本发明，发射和接收装置被配置执行位置自校正以相互对准，从而提高功率传输效率。所述接收装置可以设置在电动车中，并且与车辆电池电连接以便为所述电池充电。本文所指的电动车可以是任何电动且可移动的东西(例如，包括但不限于自动车辆、无人机、机器人等)。所述发射装置可以作为车辆充电系统的一部分提供。发射和接收装置也可以作为套件的一部分提供。
如本文所述，除了具有无线电力发射/接收线圈(交流线圈)外，发射和接收装置还各自具有一个对准线圈(直流线圈)。所述发射和接收装置中至少有一个可移动地连接到支撑结构上，该支撑结构允许安装在其上的发射和接收装置沿该支撑结构移动，从而使其本身与所述发射或接收装置中的另一个对准。当发射和接收装置的直流对准线圈被不同的磁极磁化后，它们会互相吸引。这样，发射器或接收器装置，取决于哪一个安装在支撑结构上，或者如果它们都安装在支撑结构上，可以移动到另一个未对准装置前面。
在位置校正过程中，交流线圈用于检测未对准距离，以评估发射器和接收器装置是否对准。所述无线电力传输系统包括发射控制器，所述发射控制器可通过对所述交流发射线圈施加扰动来评估未对准情况。然后，发射控制器可以调整提供给直流对准线圈的直流电流，以促进对准。如果未对准距离过大而不能被所述发射装置的运动克服，所述发射控制器可向所述电动车接收器控制器发送通知，指示所述车辆移动。发射控制器也可以在对准完成后向接收器控制器发送通知。
完成位置自校正操作后，直流对准线圈的电流供应可能被停止，同时使用交流线圈进行无线电力传输。由于改进了对准，无线电力传输效率更高。此外，接收器控制器可以计算交流接收器线圈接收的电力，并将接收到的电力传递给发射控制器，以便发射控制器可以调整提供给交流传输线圈的交流电压的幅度/频率。
参照图1-37，举例描述实施例如下。
图1(a)至(c)展示了设置在接收器侧102和发射器侧104上的三种类型的无线电力传输线圈。图1(a)展示了螺旋型线圈106，图1(b)展示了DD型线圈108，图1(c)展示了螺线管型线圈110。图示铁氧体磁芯112作为线圈的背部磁轭。
螺旋型线圈106因其结构简单而在无线电力传输中广泛使用。DD型线圈108由两个并排排列的螺旋线圈组成。螺旋型和DD型线圈的磁链区域面向对面装置。螺线管型线圈110的磁链区域面向对面装置垂直面。
如前所述，在无线电力传输系统中，发射器线圈和接收器线圈未对准引起的电力传输能力和效率的降低是一个关键问题。其主要原因是发射线圈和接收线圈之间的互感随两者之间未对准距离的增大而减小。
图2(a)和2(b)分别展示了以对准时的互感为单位归一化的螺旋型、DD型和螺线管型线圈的互感与x和z方向未对准距离之间的函数关系。未对准距离的归一化以发射器和接收器的宽度为单位，发射器和接收器的宽度是相同的。在图2(a)和2(b)中，线202a和线202b分别代表螺旋型线圈的互感，线204a和线204b分别代表DD型线圈的互感，线206a和线206b分别代表螺线管型线圈的互感。
对于螺旋型线圈，以发射器和接收器的宽度为单位归一化后未对准距离约为0.7时，互感减小为零，这时无线电力传输无法实现。在这个距离上，虽然仍有磁通量穿过接收线圈，但方向相反的两种磁通量完全相互抵消。一定范围内，超过这个距离，互感会增大，但最终会减小到零。
螺线管型线圈互感在x方向上也有类似的变化趋势。但在z方向上，螺线管型的互感趋于逐渐减小，但不低于零。
DD型线圈在任何方向上的互感都不会低于零；特别是在z方向的特性，是通过改变穿过线圈的电流的方向来实现的，而改变多少视由未对准距离而定。
然而，这些结果表明，在x和z方向上，归一化未对准距离为1.0时，每种类型的线圈的互感都会降低到不足一半的水平；特别是，x方向上的未对准会导致更明显的减小。互感减小导致传输相同的电力需要更大的电流，传输效率降低，或者在更糟的情况下，传输功率出现不足。
在本文所述的无线电力传输系统和装置中，接收器和发射器除了具有用于无线电力传输的线圈外，还各有一个用于位置校正的对准线圈。而且发射器和接收器至少有一个被设置在支撑结构上，该支撑结构允许各自的接收器和发射器在一个或者多方向上移动。给直流对准线圈提供直流电，并用极性相反的磁极磁化它们后，磁力产生，该磁力使各自的接收器或发射器装置移动到另一个装置的前面。这样，本文所述的无线电力传输系统、方法和装置为发射器和接收器线圈之间的自校正定位做了准备。
图3展示了无线电力传输系统的发射器和接收器装置。发射器装置302和接收器装置304各有两个线圈：一个交流发射器/接收器线圈，用于在发射装置和接收装置之间进行无线电力传输；一个直流对准线圈，它使至少一个装置移动以进行位置自校正。值得注意的是，虽然交流线圈和直流线圈在图3中被描绘为一个固体物体，但实际这些都是具有许多绕组的线圈结构。所述无线电力发射/接收装置可以彼此基本对称，以便实现双向功率传输。
在图3所示的示例性发射装置和接收装置中，交流线圈包括交流轭。交流线圈的结构可以是任意的，可以是图1(a)至(c)中所描述的任意类型的线圈。在图3结构中，采用了螺线管型线圈。交流线圈可以用绞合线制成，交流磁芯可以用铁氧体制成，因为这些材料可以在高频运行时抑制损耗。绞合线能有效抑制高频电流引起的损耗。
直流线圈可由普通电线制成。直流线圈的电缆类型并不重要(由于运行频率较低)。漆包线比绞合线便宜得多，因此可用于直流线圈。铜线圈也可以作为直流线圈。直流磁芯可采用钢结构，由于钢的价格低廉，具有较高的机械强度和较高的磁场饱和度，这些都是直流磁芯材料所应具有的优越特性。
交流线圈可以安装在U型结构的直流轭内。这种直流轭可以作为交流线圈的外壳。直流磁芯和线圈可以用铜屏蔽，以防止交流磁通穿过它们，从而避免磁滞损耗。
发射器和接收器装置中至少有一个可移动地连接(例如直接或间接连接)在一个支撑结构上，诸如线性滑块(图3中未显示)。参照图5所示，该支撑结构允许各自的接收器或发射器装置移动，移动方向可以是一个或多个。例如，当发射装置和接收装置竖直安装(如图3所示，在Y方向上相隔一段距离)时，所述支撑结构可以允许在X和Z方向上移动。所述的装置也可以连接到允许在Y方向移动的支撑结构(例如通过弹簧)。
当两侧装置上直流线圈用不同磁极磁化时，直流线圈相互吸引，以便发射器和接收器装置对准。直流磁芯是磁通量的路径，它能产生一种力来进行对准。
图4(a)至(c)展示了可用于发射和接受装置的各对准部件。图4(a)至(c)中所示的一种构型可取代图3所示的直流线圈和直流磁芯。在发射器和接收器装置，或其中的任何一侧，都可以用如图4(b)所示的一组永磁体(PMs)代替直流线圈。这种具有永磁体的结构比具有直流线圈的结构薄。图4(a)的结构由磁芯、线圈和永磁体三部分组成，该结构的磁场由永磁体增强，并由线圈控制。无论是发射器装置还是接收器装置，都可以只使用图4(c)中的直流磁芯，虽然这种磁芯产生的电磁力最小，但它结构最简单、最轻便。但是，发射器装置或接收器装置中至少有一个应包含直流线圈，以实现或控制对准。
图5显示了用于给电动车510充电的无线电力传输系统和装置。如图5所示，该无线电力传输系统可以安装在电动车的前部或后部，这会形成由停车(例如由人类驾驶员或全自动车辆的计算机控制的电动车的运动)而不是电动车的悬挂系统产生的分离间隔。间隙越小磁耦合越好，而且可以使设计更紧凑。但是，图5中所描述的配置不限于这一种安装，其也可以安装在电动车510的底部。
无线电力传输系统由电力发射装置502，电力接收装置504和支撑结构506组成。例如，所述发射装置502和所述接收装置504可与图3中所示的装置相同。在图5所示的无线电力传输系统中，接收装置504安装在车辆510的后侧，并与车辆510的蓄电池或其他电力存储装置(如超级电容器)(未显示)连接，而发射装置502安装在支撑结构506上，该支撑结构安装在面向车辆后方的支架或墙壁上，并与电源连接(未显示)。在某些情况下，除了发射装置502安装在支撑结构506上之外，安装在车辆510上的接收装置504也可以安装在车辆510上的支撑结构上(未显示)。在某些情况下，接收装置504可能被安装在车辆的拖车悬挂支架上，这可能提供标准高度。接收器装置504和/或发射器装置是可拆卸的。一种用于为电动车电池充电的无线充电系统，包括电力发射装置502和支撑结构506。无线电力传输系统可安装在车主家中(即车库)、停车场、商业设施、工业设施、充电站等。
如图5所示，无线电力传输系统可以竖直安装(即发射器装置和接收器装置竖直安装)。与水平安装相比，例如接收装置504安装在车辆510的底部、发射装置502和可支撑结构506安装在地面，竖直安装可以缩小发射器装置和接收器装置之间的间隙。
如图5所示，发射装置和接收装置竖直安装时，可配置支撑结构506使发射装置502水平移动，并调整到与车辆510上的接收装置504对准，接收装置504的位置每次停车时都可能会不同。在这种情况下，线性滑块可用于支撑结构506。在不超出本披露范围的情况下，本领域的熟练技术人员也可设计如滚珠丝杠装置、滑轮和皮带装置，以及轮子和导向装置等替代图示的可支撑结构506。
当车辆510的车身高度由于承重而下降，或基于不同的车辆高度，接收装置504的竖直位置可能会发生变化。然而，由承重引起的竖直距离变化可能只有5cm-10cm，与水平位置的未对准距离相比要小得多。因此，发射器装置和接收器装置的线圈采用螺线管型电力传输线圈，在Z方向上该型线圈的容差可以克服未对准距离造成的影响(见图2(b))，使得系统无需额外的机构来处理竖直方向上的对准。
此外，支撑结构506可允许发射装置502向多个方向移动。例如，使用两个线性滑块，发射装置502就可以同时在X和Z方向移动。
图6显示了一种用于给电动车电池充电的无线传输电力系统的概况。图6所示的无线传输电力系统可以是双向的，其也可以用于从电动车向地面或其他设备供电。所述无线传输电力系统包括用于向电动车无线传输电力的系统，所述系统包括可移动地连接到支撑结构610的无线电力发射装置602。无线电力发射装置602包括一个交流发射器线圈604和一个发射器直流对准线圈606。该无线传输电力系统还包括发射控制器620。如图所示，发射控制器620包括中央处理单元、非暂态计算机可读存储器、非易失性存储器、通信模块和输入输出(I/O)接口。非暂态计算机可读存储器可以存储指令，在当CPU执行这些指令时，将配置发射控制器执行某些功能，例如参照图8A进一步描述的。
发射控制器与功率转换器630连接，例如通过I/O接口。图6中功率转换器630能够从干线632向/从发射器交流线圈604和发射器直流对准线圈606提供直流和交流电源。功率转换器630根据来自发射控制器620的控制指令进行供电。此外，电能发射装置上安装一个或多个测量装置608(例如传感器、电压表、电流表等)，其测量值提供给发射控制器620。以这种方式，发射控制器可以根据从测量装置608接收到的测量值来调整功率转换器630的控制，以优化功率传输。
图6中还描绘了接收来自无线电力发射系统电力(或将电动车的电力传输到无线电力发射装置602)的电动车650。该电动车包括电池660或其他电能储存装置(例如超级电容器)、与电池660电连接的无线电力接收装置652，以及电池660和无线电力接收装置652之间的功率转换器680。无线电力接收装置652包括接收器交流线圈654和接收器直流对准线圈656。所述电动车还包括接收器控制器670。如图所示，接收器控制器670包括中央处理单元、非暂态计算机可读存储器、非易失性存储器、通信模块和输入输出(I/O)接口。非暂态计算机可读存储器可以存储指令，在当CPU执行这些指令时，将配置发射控制器执行某些功能，例如参照图8A进一步描述的。一个或多个测量装置658可安装在无线电力接收装置652上，其测量值提供给接收器控制器670。以这种方式，接收控制器可以根据从测量设备658接收到的测量值计算无线电力接收装置652接收到的电力，并传递这一信息以促进优化功率传输。接收控制器670的I/O接口也可以接收来自电池管理系统(电池660)的测量读数，例如充电状态等。
此外，接收器控制器670配置为通过无线通信接口向发射控制器620发送指示，启动使用无线电力传输装置进行的充电操作，以启动充电。接收器控制器670配置为启动从电池660到接收器直流对准线圈656的直流电供应，以磁化接收器直流对准线圈656到一个与发射器直流对准线圈606初级极性相反的次级极性。发射控制器配置为从电源630启动直流电流，以磁化发射器直流对准线圈606到初级极性。发射控制器620还可以确定发射器直流对准线圈606和接收器直流对准线圈656是否对准(从而表明发射器交流线圈604和接收器交流线圈654是对准的，以实现最佳功率传输)。当确定发射器直流对准线圈606和接收器直流对准线圈656已对准时，发射控制器配置为启动一个从功率转换器630到无线电力发射线圈604的交流电，在发射器交流线圈604和接收器交流线圈654之间产生感应。无线电力接收线圈654中的感应交流电用于为电池660充电。
发射器和接收器控制器可以配置成彼此进行无线通信。例如，每个发射器和接收器控制器可能包含允许使用标准协议(如IEEE 802.11(Wi-FiTM),IEEE 802.15.1(BluetoothTM))和IEEE 802.15.4(ZigBeeTM)进行通信的通信接口。
图7显示了无线电力传输系统的电气结构。发射器和接收器可能有相同的结构，每个都有三条支路。其中一条支路用于向直流线圈供电，另外的用于交流线圈。发射器控制器620和接收器控制器670配置为控制开关(分别为M1-M6和M7-M12)。
图7所示的电气结构包含用于驱动交流线圈进行无线电力传输的全桥变换器和用于驱动直流线圈进行未对准校正的半桥变换器。例如，在发射器装置中，全桥逆变器将总线电压Vbus转换为占空比为50％的85kHz正方形波形。如图7A所示，串联(SS)补偿电容受其大小和形状因素影响，选择在85kHz谐振。在接收装置上，如图7A所示的全桥变换器充当同步整流器，为电动车电池提供电流。系统结构的对称特性允许双向的电能传输；在所提出的无线电力传输系统中允许车辆到电网(V2G)操作。越来越多的双向电动车充电器采用V2G操作。V2G操作允许电动车电池在用电高峰时间向电网传输电能，并提供电网支持功能。
图7B分别展示了发射器装置和接收器装置的控制框图。现场可编程逻辑门阵列(FPGA)执行主控制并为M1-M12生成开关信号。微控制器单元(MCU)管理指示是否执行位置校正或无线电力传输的模式，并通过通信接口与FPGA连接。MCU根据其它装置的数据，为FPGA控制器提供参考，并通过无线通信将从FPGA获得的数据传输给其它装置。
图8展示了无线电力传输系统在汽车电池充电过程中自校正定位和无线电力传输操作。当电动车停止/停放(802)时，接收器控制器会通过与发射器控制器进行无线通信表明电动车已准备好，以启动充电操作(804)。发射控制器初始化以准备充电(806)。
位置校正操作完成发射器装置与接收器装置对准。直流支路向直流线圈提供受控直流电流，以用不同磁极(808,810)磁化它们。为了确保在所有工作条件下都能进行未对准校正，直流线圈将启用足够长的时间以提供较弱的磁力。然而，选择启用直流线圈足够长时间的同时，会造成时间和能源的浪费，另外还在充电器的使用寿命内增加了元件应力。为了优化这个过程，可以采用实时阻抗检测技术。此外，把充电器放在电动车的前/后部，发射器和接收器间隙可以更小，无线电力传输效率更高。然而，间隙大小变化也更大，因为它高度依赖于车辆驾驶员。为了尽量减小分离间隙的变化，可以采用实时谐振频率跟踪方法。
为了最优地禁用直流线圈和减少对准时间，必须测算发射器和接收器之间的距离。发射器装置的交流支路向交流线圈提供小的交流电流，以根据感测电流和电压(812)测算未对准距离。发射装置的交流支路可以用多种技术测算未对准距离。
同时参照图7A和图7B，可以采用一种或多种下述技术测算未对准距离：
1)当开关M7-M10处于关闭状态(该操作由732b控制)时，发射器装置向初级线圈(发射器交流线圈)输入由732a控制的低电流脉冲，以在736a处测算输入阻抗。发射器控制器可以根据未对准距离和阻抗关系查找表734a(存储在存储器中)测算未对准距离。
2)当开关M7-M10处于关闭状态(该操作由732b控制)时，发射器装置向初级线圈(发射器交流线圈)输入由732a控制的大的交流电流，接收器在734b处测量传输功率。接收器控制器可以根据未对准距离和功率关系查找表734a(存储在存储器中)测算未对准距离，或者接收器控制器可以将测量到的功率传输给发射器控制器来测算未对准距离。
3)当开关M7和M8或开关M9和M10处于开启状态(该操作由732b控制)时，发射器装置向初级线圈(发射器交流线圈)输入由732a控制的低电流脉冲，以在736a处测算输入阻抗。发射器控制器可以根据未对准距离和阻抗关系查找表734a(存储在存储器中)测算未对准距离。
4)当开关M6和M7或开关M8和M9处于开启状态(该操作由732b控制)时，发射器装置向初级线圈(发射器线圈)输入由732a控制的低电流脉冲，接收器装置测量通过次级线圈(接收器线圈)的电流。接收器控制器可以根据未对准距离和次级线圈电流关系查找表734a(存储在存储器中)测算未对准距离。
另一种方法是测量谐振回路阻抗Ztank，其涉及交流线圈的串联电容C1和自电感。Ztank是关于充电板位置的函数，因为交流线圈自感系数L1随△x变化，如图9所示，它显示了交流线圈不同水平未对准距离时的模拟自电感。该方法扰动电压以调节电流，这样电压的占空比就成为谐振回路阻抗的衡量值。因此，可以通过观察占空比来优化自对准时间。
如图10(a)所示，Ztank可以通过向谐振回路施加小的扰动Vperturb近似计算。通过设定接近谐振频率fr的扰动频率fs，回路电流iperturb将呈正弦态，且其高次谐波将由于谐振回路的高Q而减弱。随着充电板开始对准，iperturb增加并当补偿电容C1与标称L1谐振时达到峰值。通过设定阈值ith，当iperturb＞ith时，可以认为充电板已对准，并及时终止直流线圈工作。然而，通过施加固定的Vperturb，iperturb在接近对准时由于Ztank的高Q而显著增加；这样，可以调节iperturb和设定Ztank阈值，Ztank阈值可以通过调整Vperturb测算。
为确定如何控制Vperturb，其有效值可以根据下式计算：
Figure GDA0002971238480000121
在扰动周期Ts上积分和平均Vperturb后，其有效值可以由下式给出：
Figure GDA0002971238480000122
根据等式(2)，vperturb,rms可以通过占空比D控制。甚至于，Ztank可以根据下式计算：
Figure GDA0002971238480000123
当发射板与接收板对准，由于L1的增加，相对于恒定的D，iperturb增大。因此，如图10(b)所示，PI控制器控制占空比D以调节iperturb。一旦Ztank降低到阈值Zth以下，对准完成，同时直流线圈工作停止。
该技术的一个重要方面是扰动频率fs的选择。一旦直流线圈启用，Ztank就会从容性阻抗转变为感性阻抗。如果fs≈fr，由于自电感的变化，D的阈值极限可能会比对准更早出现，这将产生一个明显的△x。为防止这种情况发生，fs<<fr，这将导致Ztank由于阻抗主要是容性的而单调下降，如图10(b)所示。这样，在D＜Dth条件下对准时间最小化，如果条件满足，对准即已实现。提出了一种基于阻抗的检测技术以优化不对准校正，高级控制器还使用谐振频率跟踪器以尽量减少间隙变化，具体如下所述。
为了实现直流线圈校正不对中，系统要求电动车停放的分离间隙大约为50mm。然而，驾驶员停车时间隙会变化，这样形成的磁力Fmag比较弱。对于较大的△x，如果磁力Fmag不足以克服线性滑块摩擦力Ffriction，以上提出的基于阻抗的检测技术将永远无法实现对准条件D＜Dth。因此，驾驶员必须减少停车间隙，以提高对准精度和效率。和Fmag一样，L1也随着间隙增大而减小，如图11所示，这导致了谐振频率fr的变化。
通过实时测算fr，驾驶员可以将分离间隔调整到更小。一种测算fr的方案是扫描扰动频率fs和测量iperturb。一旦iperturb＞ith，交流线圈的自感开始与补偿电容谐振且fs≈fr。这种方法的缺点是，iperturb峰值会依赖于L1变化，这可能会导致ith永远达不到或过早达到。因此，需要一种更稳定的方法来确定fr。
虽然iperturb的大小变化取决于自感，但iperturb会在fr处达到峰值，因为当ZL1抵消ZC1时，Ztank最小。如图12(a)所示，通过跟踪频率扫描过程中的iperturb峰值，可以确定谐振频率，而不用考虑在对准过程中L1的变化。测算出fr后，系统可利用fr最小化分离间隙。
如果在直流线圈操作后，由于磁力Fmag较弱，△x较大，L1<L1,nom转化成fr>fr,nom，如图12(b)所示。随着驾驶员调整电动车至间隙最小，L1会由于更强的耦合而增大，并且fr会接近它的标定值。通过在谐振频率上设定一个阈值fr,th，驾驶员可以精确测算间隙。一旦fr＝fr,th，基于阻抗的检测技术可以再次应用以减少x，因为对应更小的间隙，磁力Fmag更大。
根据上述，并再次参照图8，可以确定发射器和接收器是否对准(814)。控制器可以确定测算的发射器和接收器之间的距离是否小于阈值距离，以确定它们是否对准。如果发射器和接收器装置没有对准(否，在814)，则确定是否存在大的未对准间隙(820)，该间隙可以基于iac_pk检测器(816)和执行fac扫描(818)确定。特别是，频率fac扫描和检测到的峰值电流iac_pk可以指示线圈之间的间隙。如果有一个大的间隙(是，在820)，发射控制器发送车辆需要移动位置的消息给接收器控制器。如果没有大的间隙(否，在820)，则发射控制器继续执行直流电流控制(808)。在某些配置中，只有在发射器的直流对准线圈尽可能接近接收器的交流对准线圈后，才能进行频率扫描和峰值电流测定，在这种情况下，如果仍然没有实现充分的对准，则可能是发射器/接收器装置相距太远。
位置校正控制序列的时序图如图8A所示。该图表演示了分离间隙△y很大的情况，这就是为什么在最初的尝试中不能实现对准的原因。通过校正△y，可以进一步减小水平方向的未对准距离，从而获得更高效的无线电力传输。
在接收器装置上，根据从发射器装置接收到的信息，位置校正操作可以确定发射器和接收器装置是否对准(822)。接收器控制器确定是否有大的间隙(824)，如果有(是，在824)，汽车位置调整(826)。如果没有很大的间隙(否，在824)，接收器装置可以通过重复直流电流控制(810)继续重复位置校正操作，直到从发射器控制器接收到发射器和接收器装置已对准的肯定的指示。当发射器装置确定发射器和接收器装置已对准(是，在814)时，发射器控制器通过向接收器控制器发送通知将这一确定传递给接收器控制器。接收器控制器确定发射器和接收器装置是对准的(是，在822)。
一旦发射器装置和接收器装置对准，无线电力传输就开始了。直流对准线圈空闲，交流线圈开始从发射器装置向接收器装置传输电力。发射器装置中的交流线圈支路将作为逆变器工作，并向交流线圈提供高频功率。接收器装置中的交流线圈支路将作为整流器工作。逆向电力传输(例如，车辆对电网)可以通过交换这些支路的作用来实现。
除了整流接收器装置中交流电外，接收器控制器还与电池的电池管理系统(BMS)通信，该系统向接收器控制器发送指令以控制充电过程。电力输出数据可以发送到发射控制器，发射控制器调整干线电压以调整传输功率。一旦电池充满电，接收器通知发射器停止电力传输。
接收器装置进行功率计算(826)。功率计算可采用感应电压Vout和电流Iac_rx，由功率计算单元722b计算周期内的功率P，P＝(Vout×Iac_rx)的平均值。接收器控制器配置为将功率计算的结果发送给发射控制器。发射控制器据此进行功率控制(828)。所述功率控制模块包括为M1-M4产生开关信号，以使实际传输的功率跟随所需的参考功率水平。所述开关信号的生成可以基于所接收到的功率计算结果。在电力传输过程中，效率会被持续跟踪(通过比较发射电力和接收电力)；如果两者发生分歧(即：有什么地方出错了，例如在两个板之间出现了一个物体)，为了安全，系统可以在预定的延迟之后关闭并重启，或者简单地为系统发出一个警告。
接收器控制器判断汽车蓄电池是否充满电(830)。如果电池没有充满电(否，在830)，则继续进行无线电力传输并执行功率计算(826)。如果电池已充满电(是，在830)，接收器控制器通知发射控制器充电完成。发射控制器判断充电是否完成(832)。如果充电未完成(否，在832)，则发射控制器继续向接收器装置传输电能并执行功率控制(828)。如果充电完成(是，在832)，发射控制器停止向接收器装置传输电力，且变为空闲状态(834)。车辆可以离开输电系统(836)，也继续停放。
参照图8所述的操作只是举例说明，在不偏离本披露范围的情况下可以对这种方法进行修改。例如，发射器装置可以用接收器装置初始化充电操作，而不是反过来；接收器装置可以配置为判断是否对准而不是发射器装置；接收器装置反过来向发射装置提供电力等。
现在描述一个典型的无线电力传输系统的仿真和实验结果。
图13展示了一种无线电力传输装置，其由(a)次级电磁基线圈和(b)安装在所述电磁基线圈内的螺线管线圈组成。图13中的无线电力传输装置包括安装在支撑结构1320上的发射装置1302和接收装置1330。发射装置1302包括钢芯1304和铜绕组1306，如图13(a)所示。进一步如图13(b)所示，该发射装置进一步包括绞合线制成(例如)的功率发射线圈1308、铜屏蔽1310和多个铁氧体棒1312。
未对准校正是通过称之为直流线圈的电磁线圈进行的，其通过采用直流电流、在装置之间产生如图13(a)所示的磁力Fmag起作用。自对准能够做到，是因为发射板被可移动地安装在诸如可水平移动的低摩擦线性滑块之类的支撑结构上。如图13(b)所示，称之为交流线圈的功率传输线圈，一旦对准完成就开始进行无线电力传输。
图13所示的发射器装置和接收器装置的尺寸见表I。这些尺寸可以根据不同的功率等级或间隙距离进行设定。为了实现一个紧凑的设计，直流线圈作为交流线圈的结构外壳，两者互相垂直地集成在一起。这样设置的线圈方向会减弱流过直流磁芯的交流线圈磁感应强度。然而，在无线电力传输过程中，仍然存在交流线圈的漏磁，这将在直流磁芯中产生涡电流，也使能降低直流磁芯损耗、提高传输效率的屏蔽变得至关重要。
表I：双线圈充电板尺寸
Figure GDA0002971238480000151
直流线圈的磁芯是用低成本的碳钢制成的。直流线圈采用标准铜绕组，而不需要绞合线。当发射和接收装置对准时，由于磁耦合增强，磁力Fmag增大。然而，磁力Fmag矢量的方向从线性滑块移向接收器，这将导致磁力Fmag,x减小，如图13(a)所示，这直接有助于自对准。因此，为了实现宽范围的未对准校正，磁力Fmag,x必须足够大，以便能克服相当于发射装置宽度的未对准距离产生的线性滑块摩擦力，在本设计中发射装置宽度是200mm。
钢芯厚度d影响充电系统的成本和重量，其选择要能产生足够的Fmag,x，如图14A所示。当d≤4mm，磁力Fmag,x明显减小，而只有当d≥6mm，磁力Fmag,x略微增大。因此，d被选择为8毫米，以在大范围x内克服滑块摩擦力。更轻的磁芯产生更低的摩擦力和更低的无线电力传输过程中的磁芯损耗，但同时磁力Fmag也将随d减小而减小；这些都可以进行优化。
如图13B所示，为了进一步增大磁力Fmag，直流钢芯增加了高度hext。通过增加钢芯的表面积，两个线圈之间的磁链增大，这使给定idc条件下的磁力Fmag增大，如图14B所示。通过增加hext，从10mm到25mm，磁力Fmag,x从3.99N增大到5.04N，增大了26.3％。通过这种方式，磁力Fmag,x的增大是独立于d的，因此对直流磁芯质量的影响很小。
交流线圈包括铁氧体棒可以改善磁耦合，同时绞合线用于绕组可以减少集肤效应损耗。设计的铁氧体棒优化了无线电力传输线圈的电感和磁耦合。铁氧体棒被封装在一个定制的3D打印外壳内，这种外壳能够承受高温，同时保持轻量化。交流线圈的高度hsol由下式确定：
sol＝pad-2ext (1)
其中hpad＝210mm，hext＝25mm。铁氧体棒在交流线圈上间隔分布。标称交流线圈设计参数见表Ⅱ。由于充电板后置，分离间隙不受通常需要120mm的车辆悬挂的限制。标称分离间隙50mm是可行的，这样耦合系数k可达0.41，比传统的线圈设计增大了87.9％。
表Ⅱ：交流线圈设计参数
Figure GDA0002971238480000152
Figure GDA0002971238480000161
仿真的互感与水平未对准距离△x的对应关系如图15A所示。当△x≥20mm时，互感开始迅速减小。在△x＝100mm时，由于线圈的对称位置抵消了磁场，装置之间的磁耦合为零。然而，直流线圈的自对准确保了小△x，这导致了无线电力传输时的高互感。分离间隙对充电操作的影响更大，因为双线圈充电装置不能校正任何y。如图15B所示，互感几乎随分离间隙线性变化。但是，通过利用系统的后置，间隙可以由驾驶员直接调整，以保持所述的高互感。
由于所提出的充电器的一个可能应用是运输车辆，而电动车的有效载荷可能使减震器的压缩产生变化，这将使发射器和接收器板之间的产生竖直偏差z。考虑到直流线圈自校正了水平未对准x，交流线圈的结构是根据其对z的允差来选择的。仿真了图1所示的三种线圈结构，螺旋线圈、DD线圈和螺线管线圈，以比较它们的互感与竖直未对准距离的关系，如图16所示(DD型线圈用线1602表示，螺线管型线圈用线1604表示，螺旋型线圈用线1606表示)。基于图16，选择了螺线管线圈结构，因为它在竖直未对准距离增大150％时仍保持了18％的额定互感，竖直未对准距离按线圈宽度200mm进行了归一化。
研究了线圈系统在未对准校正和无线电力传输过程中的模拟磁场分布。为了防止磁场干扰，直流线圈和交流线圈在物理上是互相垂直的。这样做可以防止磁场在直流线圈钢芯中造成额外的磁芯损耗。在无线电力传输过程中，由于铜屏蔽，直流线圈的磁场几乎为零。
图17A显示了5kW无线电力传输过程中，模拟的效率与未对准距离△x的对应关系。通过使用有限元仿真工具提取线圈结构的集总单元模型，然后在PLECs运行一个包括非理想开关在内的电路级仿真来确定效率。利用有限元分析工具，还计算了包括如磁芯损耗和涡流损耗在内的磁场引起的损耗。当充电板完全对准时，最大效率达到了96.5％。该系统保持高效率直到x＝20mm。图17B显示了Vout＝400V、无线电力传输功率5kW时，双线圈充电板的损耗分类。由于使用螺线管线圈结构，屏蔽壳中的涡流损耗近似等于铁氧体磁芯中的涡流损耗。然而，如图15所示，螺线管线圈表现出的较好的竖直方向未对准允差对电动车有效载荷而言是十分重要的。
在x＝0和80mm两种情况下，无线电力传输功率5kW时的模拟磁场分布如图18所示。在x＝0时，磁场完全包含在线圈系统中，如图18(a)所示。当x＝80mm时，由于交流线圈之间的磁链减弱，磁场急剧增加到15mT，并且发射器电流从13.5Arms增加到59.1Arms。这与图17A中x＝80mm附近的效率急剧下降相对应。注意x＝100mm时的效率没有显示，因为此时所需的电流过大，无线电力传输无法实现。
所述充电器的运行不受由水平未对准引起的低效率运行条件的影响，因为只有在位置校正完成后才会开始进行无线电力传输。
图19A显示了模拟的x方向磁力Fmag，x与水平未对准距离间的相对关系。z＝0mm时，Fmag，x峰值在5N，能够克服从△x＝20mm到△x≥200mm时的摩擦力，其中200mm是本设计中线圈的宽度。同样，即使△z＝60mm，Fmag，x也能够克服x范围内的摩擦力。假设Idc＝30A，x＝200mm的最小自对准时间在△z＝0mm时为359ms，在△z＝60mm时为730ms，这远比直流线圈温度达到饱和的时间要短。因此，直流线圈绕组的厚度可以减小。竖直方向磁力Fmag，z与竖直偏移z间的相对关系如图19B所示。如果z非常大，直流线圈也可以通过使用附加的线性滑块和安装平衡块来解决z方向的竖直未对准问题。
为了获得与传统的车载有线充电器相当的充电时间，无线电力传输系统设计作为额定功率5kW的2级交流充电端口。但在相对较高的功率传输时，需要增加线圈的磁耦合以减小漏磁。为了实现这一点，螺线管线圈中使用了分离的铁氧体条，因为它们的低磁阻会引导通过铁氧体条的磁通从发射器流到接收器。由于铁磁材料成本较高，使用了最小量的铁氧体。定制的铁氧体条分布在螺线管线圈中，以分配磁通量。间距是必要的，否则强的磁感应强度会引起高的磁芯损耗，这会导致铁氧体棒的温度升高。为了了解铁氧体棒间距对电力传输的影响，需要对螺线管线圈中的磁感应强度B进行分析。图20展示了螺线管线圈的磁感应强度分布，螺线管线圈边缘磁通密度的增加导致了更高的磁芯损耗。
假设稳态正弦电流在无限长的直导线中流动，根据下式，在导线周围会产生稳态正弦磁通密度Bwire：
Figure GDA0002971238480000171
式中μ0为磁导率，I是通过导线的电流，r是距离导线的距离。
图20显示了螺线管线圈的磁感应强度分布。放置在线圈中心附近的铁氧体棒在前后两面与绞合线接触，使它们通过2×Bwire的磁感应强度。将位于螺线管线圈顶部的绞合线近似为一条直导线，放置在螺线管线圈边缘的铁氧体棒与绞合线的三面接触，形成了3×Bwire的磁感应强度。与靠近中间的铁氧体棒相比，更大的B导致边缘铁氧体棒的磁芯损耗也更大。大的磁芯损耗限制了最大传输功率，因为其导致的磁芯温度上升无法通过对流冷却方式降低。
一个潜在的解决方案是使用整块铁氧体而不是多条铁氧体，这样可以降低磁阻。这样分散了磁通量，使得螺线管边缘处B值降低，代价则是增加了铁氧体的体积和成本。另一种方法，可按照一些实施例使用，是在预期B值较高的螺线管边缘附近处使用间距不均匀的铁氧体棒。当铁氧体棒的间距变化时，对无线传输功率为5kW的交流线圈进行了电磁模拟，以确定其对磁感应强度分布的影响，如图21所示。如图21B所示，通过增加交流线圈边缘附近的铁氧体棒的密度，峰值磁感应强度从260mT降低到208.2mT，在不增加铁氧体材料总体积的情况下降低了20％。
虽然铁氧体棒增加了磁耦合，螺线管线圈结构仍然存在明显的漏磁，这将在直流磁芯中引起涡流，其造成的磁芯损耗根据下式计算：
Pv＝k·fa·Bb， (6)
其中Pv是单位体积的时间平均功率并以mW/cm3为单位，f是频率并以kHz为单位，k、b和a是基于材料的B-H曲线，根据经验确定的系数。为了减轻这种影响，在交流线圈和直流线圈之间放置了一个铜屏蔽，如图13(b)所示。虽然屏蔽减少了钢芯中的损耗，但屏蔽体中产生的涡流也导致了欧姆损耗。由于集肤效应，高频涡流主要在0.224mm穿透深度内循环，其计算方法如下：
Figure GDA0002971238480000181
其中δ是穿透深度，ρ是铜的电阻率，f是频率，μ是铜的磁导率。为了解释集肤效应，在模拟中改变屏蔽层厚度以减少涡流损耗，如图22所示。正如预期的那样，当屏蔽厚度接近穿透深度，在0.3mm以下时，涡流损耗Pe显著增加。选择屏蔽厚度0.5mm，在不显著增加充电板总质量的情况下，实现了49.3W的低涡流损耗。
为了优化铜屏蔽设计，比较了采用连续整片铜屏蔽与多片分离铜屏蔽的效果。由于钢芯是U型的，连续的铜片必须弯曲以完全地屏蔽钢芯磁漏。由于制造缺陷，当铜片弯曲覆盖钢芯的边角时，屏蔽和钢芯之间存在空气间隙，这会导致直流磁芯损耗。因此，另一种可选解决方案是制造一种多块分离铜片构成的屏蔽，这样就没有间隙。由于涡流在屏蔽体中产生，因此研究了由连续铜片和多块分离铜片组成的屏蔽体中涡流的分布情况。
如图23(a)所示，铜屏蔽体暴露在时变磁感应强度Bsolenoid中。根据法拉第电磁感应定律，产生如下式的反向电动势(EMF)E：
Figure GDA0002971238480000182
其中
Figure GDA0002971238480000183
是Bsolenoid在某一区域A内的磁通量。电动势产生循环涡流，涡流产生相反的磁感应强度。为了了解由多块分离铜片组成的屏蔽体的电流分布，连续铜片被分成三片，如图23(b)所示。通过这样做，涡流被限制在每个单独的铜片上，从而导致边界附近的电流密度增加。对于连续的铜片，由于涡流沿着铜片边缘循环，中心附近的涡流较小。因此，由多块铜片组成的屏蔽体引起的涡流损耗比由连续的铜片组成的屏蔽体引起的涡流损耗更大。
进行了电磁仿真，以观察铜屏蔽体中的电流密度分布，如图24所示。正如预期的那样，由于涡流被限制在每个铜片上，沿着铜片边界的电流密度显著增加，如图24(a)所示。为了减小涡流，用厚度88.9μm的铜带来电连接多个分离的铜片，这样使涡流在整个屏蔽体周围循环。
为了计算仿真中铜带的电阻，每一片屏蔽体都被连接到一条厚度88.9μm的铜带上。如图24(b)所示，铜带显著减小涡流，峰值电流密度从1.08×109A/m2降至8.13×108A/m2。这意味着涡流损耗从Pe＝238.4W减少到Pe＝69.6W，减少了71％。虽然铜带的确减少了涡流循环，但铜带的主要限制是其厚度远小于85kHz时的铜带穿透深度。因此，由于集肤效应，沿着边界的电流密度仍然相对较高，如图24(b)所示。
为了减轻这种影响，模拟了一个由连续的铜片组成的屏蔽体，以观察涡流密度，如图24(c)所示。连续铜片中的电流密度要小得多，如图24(c)所示，峰值为5.74x107A/m2，而在铜带屏蔽体中的电流密度为8.13x108A/m2。在图24(a)和(b)中，电流密度峰值出现在每个铜片的边界附近，而对于连续的铜片，电流密度峰值保持相对均匀，如图24(c)所示。这主要是由于在连续铜片的每个弯曲处有较厚的连接，从而降低了电流密度。在涡流损耗方面，Pe＝49.3W的连续铜片比Pe＝69.6W的铜带屏蔽效果好得多，降低了29％。
组装了一套由线圈系统和电力电子器件组成的充电器原型机，如图25(a)所示。测量了双线圈系统在不同参数条件下的效率和对准时间，如不同的分离间隙、竖直未对准，以及表征在其实际充电情况下的性能的电动车电池电压。
如图25(b)所示，转换器中的所有开关都采用带强制空气冷却的碳化硅(SiC)MOSFETs。无论是在发射器端还是接收器端，该系统也可以是液体或空气冷却。此外，其他的功率半导体技术，如硅和氮化镓，也是适合的。为了实现同步整流，交流线圈电流通过一个高带宽的霍尔效应电流传感器检测，该传感器的输出通过一个并行的10位模数转换器(ADC)进行采样。在现场可编程门阵列(FPGA)上实现的数字控制器，使用零交叉检测(ZCD)电路，在交流电流变换极性时对MOSFETs进行切换。
为了校正不对准，将施加电流脉冲来产生磁力。直流线圈电流采用平均电流模式控制(ACMC)进行调节，如图26所示。电池电压Vbat也会进行检测，以防止电动车电池过充。一个ZigbeeTM模块协调发射器和接收器之间的功率流动。
图27显示了Idc不同时直流线圈的磁力与△x之间的对应关系。测得直线导轨的静摩擦力和动摩擦力为0.76N。基于这个测得的摩擦力，当20mm<△x<240mm、Idc＝30A时，直流线圈的磁力可以克服这个摩擦力。该原型机能够校正△x＝240mm范围内的水平未对准，这个距离比装置的宽度大20％。
如图28所示，在对准过程中，使用240帧每秒(FPS)的摄像机测量了不同Idc下的无线电力传输板的位置。当Idc由20A增大1.5倍到30A时，对准时间从6.2s减少3.1倍到2s。在对准过程中，当Idc＝30A，同时充电板间未对准距离△x＝-11.5mm时，会出现超调。根据图17，该过冲不会降低效率，在△x<20mm范围内其保持相对恒定。
不同分离间隙Δy对应的位置校正过程如图29所示。对于小的分离间隙，由于在Δy＝50mm处磁力较大，在线圈超调、Δx＝-11.5mm情况下系统仍能很好对准。由于超调，当Δy增加到60mm时，对准时间从2s减少到1.75s，减少了12.5％。然而，当Δy由50mm增加到80mm时，磁力明显减小，使得对准时间由2s增加到2.5s，增加了25％，同时对准误差由Δx＝-11.5mm增加到Δx＝25mm。
自对准过程中不同竖直未对准距离Δz对应的直流线圈的位置也进行了测量，如图30所示。Δz＜25mm，也就是接近线圈宽度的12.5％的范围内，对准时间变化6.25％。由于Δz＝0mm处磁力较大，因此会产生轻微的超调，在理想条件下这也会导致对准时间略微增大。如果充电板调整到15mm以内即为完美对准，系统在高达Δz＝40mm时仍能校正水平未对准。除此之外，可以看到当Δz＝68mm时，对准时间增加了25％。当Δz＝68mm，装置将在较大的Δx处停止移动，可以看到Δx从5mm一直增加到78mm。
无线电力传输功率为5kW时变换器的电压和电流波形如图31所示。Vbus手动调整以实现所需的Pbat。系统效率，包括逆变器、整流器和线圈损耗，在无线电力传输功率为5kW时为90.1％。发射器和接收器交流线圈分别采用方波交流电压vac_tx和vac_rx。产生的正弦交流电流iac tx和iac rx表明SS补偿电容C1和C2与交流线圈谐振。
所提的无线电力传输充电器以5kW功率运行了3分钟，以判断其初步的热特性，如图32所示。铜屏蔽体似乎可以减轻直流钢芯中的磁芯损耗。如图32(a)所示，充电板的峰值温度为87.7℃，出现在接收器铜屏蔽体上。逆变器/整流器印制电路板利用装有风扇的散热器以强制空气冷却全桥变换器。这使发射器和接收器MOSFETs峰值温度分别只有47.6℃和49.7℃，如图32(b)和(c)所示。
如图33所示，测量了不同Vbat的效率。对于Pbat≥2.5kW，效率保持相对平稳，只有2％的变化。由于交流线圈之间的磁场连接需要较大的iac_tx，因此在低Pbat时效率会显著降低。
有了现代的停车传感器和车载摄像头，可以合理预期电动车应该能够停在距离发射板50mm的地方。然而，为了评估停车传感器的变化，测量了不同分离间隙对应的效率，如图34所示。效率随分离间隙线性下降，证明了通过将充电器放在电动车后部以最小化间隙的重要性。该充电器在额定功率Pbat条件下受间隙变化影响较小，在5kW时只有4.9％的下降，相比较在2kW时却有10.3％的下降，因此鼓励在高Pbat条件下充电。
考虑到这种充电器的一个可能应用是运输车辆，充电器板将不可避免地受到竖直未对准的影响，而这个竖直未对准取决于电动车的有效载荷。如图35所示，测量了不同Pout时与竖直未对准相对应的效率。当Δz≤36mm、大约是充电板宽度的18％时，效率变化只有1.4％，这表明对小的竖直未对准具有良好的容差。这与位置校正线圈的性能相关，其能容许的竖直未对准高达线圈宽度25％。然而，当Δz接近90mm、大约是充电板宽度的45％时，效率会显著降低。同时注意到，5kW时总的效率下降要小得多，为7.7％，相比在2kW时的降低为14.5％。
为了改变交流线圈铁氧体棒的间距，制造了两个定制的3D打印机外壳；一个如图13(c)所示间距为10mm，另一个如图13(b)所示间距不均。如图36(a)所示，均匀间隔的铁氧体棒首次在功率级为3.7kW的情况下成功运行。然而，均匀间隔铁氧体棒线圈在尝试进行5kW功率无线电力传输时失败，由此产生的铁氧体损伤如图36(b)所示。随着干线电压Vbus逐渐升高以实现更高的功率传输，均匀间隔的铁氧体棒不能进行功率超过4kW的无线电力传输。值得注意的是，铁氧体的可见损伤是在绞合线的正下方，如图36(b)所示。这验证了图21A中的仿真结果，在图21A中，观察到峰值B出现在顶部和底部铁氧体棒的交流绕组的下方。
非均匀间隔的铁氧体棒在功率级为3.7kW的情况下也成功运行，如图37(a)所示。然后无线电力传输功率增加到5kW，带有非均匀间隔铁氧体棒的线圈成功实现稳态运行，效率为90.1％，如图37(b)。
鉴于上述情况，本发明公开的无线电力传输系统、方法和装置能够自校正位置，并提高无线电力传输的效率。与其他类型的充电系统相比，如没有校准机制的传统的无线充电，以及使用机械臂的有线充电，高效的无线电力传输可通过更小、更轻、更具成本效益的系统/装置来实现，同时保持可扩展性。
表III比较了几种不同的充电方式，包括采用本披露所述的无线电力传输系统、方法和装置的竖直安装的无线充电，没有对准机构的传统无线充电，以及使用机械臂的有线充电。
表III-自主充电方式的比较
Figure GDA0002971238480000211
Figure GDA0002971238480000221
本领域的技术人员人员应能意识到，图中所示的系统和部件可能包括图纸中未显示的部件。为了使说明简单、清晰，图中的元素不一定是按比例缩放的，只是示意性的，元素结构也未作限制。对于本领域的技术人员来说，显然可以在不偏离本发明所述的范围的情况下进行一些变化和修改。

Claims (43)

1.一种用于电动车电池充电的无线充电系统，其包括：支撑结构，无线电力发射装置可移动地连接到所述支撑结构，所述无线电力发射装置具有一个发射器交流发射线圈和一个发射器直流对准线圈；以及一个与所述无线电力发射装置连接的发射控制器，所述发射控制器为所述直流对准线圈供电以对准所述交流发射线圈与一个安装在电动车无线电力接收装置，以为电动车电池充电。
2.权利要求1所述系统中，所述直流对准线圈对准所述电力发射装置与所述电动车无线电力接收装置上的一个接收器直流对准线圈。
3.权利要求1或2所述系统中，所述发射控制器启动一个电流到所述发射器直流对准线圈来磁化所述发射器直流对准线圈到一个与所述电动车接收器直流对准线圈次级极性相反的初级极性。
4.权利要求3所述系统中，所述发射器直流对准线圈与所述接收器直流对准线圈之间产生一个磁力，该磁力使所述无线电力发射装置沿所述支撑结构在至少一个方向上移动，以对准所述发射器交流线圈与所述接收器交流线圈。
5.任何权利要求1到4所述的系统中，当所述发射控制器确定所述发射装置的发射器交流线圈与所述电动车接收器交流线圈对准时，提供给所述交流发射线圈的电力在所述交流接收线圈中感应出电流来给所述电动车电池充电。
6.任何权利要求1到5所述的系统中，在检测到所述电动车后，所述发射控制器启动电流供应给所述发射器直流对准线圈。
7.任何权利要求1到6所述的系统中，对电动车的检测包括在所述发射控制器处无线接收从所述电动车的接收器控制器发出的指令。
8.任何权利要求1到7所述的系统中，当所述发射器直流对准线圈与所述接收器直流对准线圈对准时，给所述发射器直流对准线圈的电流供应停止。
9.任何权利要求1到8所述的系统中，通过检测所述发射器交流线圈或者接收器交流线圈中的扰动电流来判断所述发射器直流对准线圈与所述接收器直流对准线圈的对准。
10.权利要求9所述系统中，通过在一定频率范围内扫描所述扰动电流的扰动频率，来确定所述发射器交流线圈与接收器交流线圈之间的间隙距离。
11.权利要求10所述系统中，来自所述频率扫描的扰动电流的峰值确定所述发射器交流线圈与接收器交流线圈之间的最小间隙分离。
12.权利要求11所述系统中，如果所述最小间隙分离大于一个阈值，所述发射控制器发出指示给所述控制器以移动车辆到更靠近所述无线电力发射装置的位置。
13.任何权利要求1到12所述的系统中，所述发射器直流对准线圈和所述发射器交流线圈是相互垂直排列的。
14.任何权利要求1到13所述的系统中，所述发射器交流线圈为螺旋型线圈、DD型线圈和螺线管型线圈中的任意一种。
15.任何权利要求1到14所述的系统中，所述发射器直流对准线圈包括一个直流磁芯，所述发射器交流线圈包括一个交流磁芯。
16.权利要求15所述的系统中，直流磁芯由钢制成。
17.权利要求15所述的系统中，交流磁芯由铁氧体制成。
18.任何权利要求1到17所述的系统中，所述发射器交流线圈由绞合线制成。
19.任何权利要求1到18所述的系统中，所述发射器直流对准线圈由漆包线或铜导线制成。
20.任何权利要求1到19所述的系统中，所述支撑结构为线性滑块、滚珠丝杠装置、滑轮和皮带装置、轮子和导向装置中的任意一种。
21.任何权利要求1到20所述的系统中，所述支撑结构包含两个可以在2个方向上移动线性滑块。
22.任何权利要求1到21所述的系统中，所述发射器交流线圈包含多个铁氧体棒。
23.权利要求22所述的系统中，所述多个铁氧体棒具有不均等的间隔。
24.任何权利要求1到23所述的系统中，所述无线电力发射装置还包含一个由连续铜片制成的铜屏蔽体。
25.任何权利要求1到24所述的系统中，所述无线电力发射装置沿支撑结构在水平方向上移动。
26.一种用于电动车电池充电的无线充电系统，其包括：一个安装在电动车无线电力接收装置，所述无线电力接收装置具有一个接收器交流线圈和一个接收器直流对准线圈，其与电动车电池相连接；以及一个连接到所述无线电力接收装置的接收控制器，所述接收控制器给所述接收器直流对准线圈供电，以使一个无线电力发射装置的发射器直流线圈与所述无线电力接收器对准。
27.权利要求26所述的系统中，一个无线电力发射装置的直流对准线圈通过所述发射器直流对准线圈和所述连接到电动车电池的接收器直流对准线圈的磁场水平移动。
28.权利要求26或27所述的系统中，当所述接收器直流对准线圈与所述发射器直流对准线圈对准时，所述接收器交流线圈感应接受来自所述无线电力发射装置的一个发射器交流线圈的电力，以对所述电动车电池充电。
29.任何权利要求26到28所述的系统中，所述接收器交流线圈可以从所述电动车电池给所述发射器交流线圈提供电力。
30.任何权利要求26到29所述的系统中，所述控制器启动一个电流给所述发射器直流对准线圈，以磁化所述发射器直流对准线圈到一个与所述电动车接收器直流对准线圈次级极性相反的初级极性。
31.任何权利要求26到30所述的系统中，所述控制器无线发送一个指令给无线电力发射装置以启动对准和给电动车电池充电。
32.任何权利要求26到31所述的系统中，当所述发射器直流对准线圈与所述接收器直流对准线圈对准时，给所述接收器直流对准线圈和发射器直流对准线圈的电流供应停止。
33.任何权利要求26到32所述的系统中，通过检测一个在所述发射器交流线圈或所述接收器交流线圈中的扰动电流来判断所述发射器直流对准线圈与所述接收器直流对准线圈的对准。
34.权利要求33所述的系统中，在一定频率范围内扫描所述扰动电流的扰动频率，来确定所述发射器交流线圈与接收器交流线圈之间的间隙距离。
35.权利要求34所述的系统中，来自所述频率扫描的扰动电流的峰值确定所述发射器交流线圈与接收器交流线圈之间的最小间隙分离。
36.权利要求35所述系统中，如果所述最小间隙分离大于一个阈值，提供一个指示给所述控制器以移动车辆到更靠近所述无线电力发射装置的位置。
37.任何权利要求26到36所述的系统中，所述接收器直流对准线圈和所述接收器交流线圈是相互垂直排列的。
38.一种给电动车电池无线充电的方法，所述方法包括：接收一个指示以开始对准一个无线电力发射装置的发射器直流对中线圈与一个连接到电动车的接收器直流对准线圈；向发射器直流对准线圈提供电流；检查所述发射器直流对准线圈与接收器直流对准线圈；当对准被确认，向一个发射器交流线圈供应电流以通过一个接收器交流线圈给电动车电池感应充电。
39.权利要求38所述方法中，检查所述发射器直流对准线圈与接收器直流对准线圈对准的方法包括检测所述发射器交流对准线圈中的扰动电流的交流自感。
40.权利要求39所述方法进一步包括，在限定的频率范围内改变扰动电流的频率，以确定所述发射器直流对准线圈与接收器直流对准线圈之间的距离。
41.权利要求38所述方法中，所述发射器直流对准线圈的供电在对准确认后停止。
42.权利要求38所述方法中，所述发射器直流对准线圈连接到构成无线电力发射装置的发射器交流线圈，其中所述无线发射装置可沿支撑结构水平移动。
43.整套装置包含：权利要求1所述无线充电系统和权利要求26所述无线充电系统。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113793746A (zh) * 2021-09-30 2021-12-14 江南大学 一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构
CN114285187A (zh) * 2021-12-14 2022-04-05 苏州大学 线圈位置自动校准的工业机器人无线充电系统

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112721668B (zh) * 2020-12-29 2023-07-25 哈尔滨宇龙自动化有限公司 一种动态无线充电系统的位置自对准装置及其充电控制方法
US11387690B1 (en) * 2021-03-11 2022-07-12 Hong Kong Applied Science and Technology Research Institute Company, Limited Self-aligning wireless power transfer system that switches power current into aligning electromagnets
CN113113976A (zh) * 2021-05-24 2021-07-13 青岛大学 一种复合屏蔽层的应用

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110062914A1 (en) * 2009-09-16 2011-03-17 Samsung Electronics Co., Ltd. System and method for efficient wireless charging of a mobile terminal
CN103633697A (zh) * 2013-11-22 2014-03-12 北京航空航天大学 电磁感应式非接触充电系统及其对准方法
CN104949610A (zh) * 2014-03-24 2015-09-30 上海微电子装备有限公司 磁浮线缆台电机磁对准系统及其对准方法
US20150349571A1 (en) * 2014-05-28 2015-12-03 Apple Inc. Electromagnetic alignment of inductive coils
US20170136898A1 (en) * 2014-06-25 2017-05-18 Elix Wireless Charging Systems Inc. Methods and apparatus for automatic alignment of wireless power transfer systems
WO2017165549A1 (en) * 2016-03-22 2017-09-28 The University Of Georgia Research Foundation, Inc. Wireless charging of electric vehicles
CN107612157A (zh) * 2016-07-12 2018-01-19 电装国际美国公司 具有性能监视的车用无线电力传输系统及其监视方法
CN107914596A (zh) * 2017-12-15 2018-04-17 三峡大学 基于无线电能传输的电动汽车充电系统

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5498948A (en) * 1994-10-14 1996-03-12 Delco Electornics Self-aligning inductive charger
US5617003A (en) * 1995-03-24 1997-04-01 Kabushiki Kaisha Toyoda Jidoshokki Seisakusho Method and apparatus for charging a battery of an electric vehicle
EP0788212B1 (en) * 1996-01-30 2002-04-17 Sumitomo Wiring Systems, Ltd. Connection system and connection method for an electric automotive vehicle
DE102011077427A1 (de) * 2011-06-10 2012-12-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Ladevorrichtung und Ladeverfahren mit schwimmender Ladeeinheit

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110062914A1 (en) * 2009-09-16 2011-03-17 Samsung Electronics Co., Ltd. System and method for efficient wireless charging of a mobile terminal
CN103633697A (zh) * 2013-11-22 2014-03-12 北京航空航天大学 电磁感应式非接触充电系统及其对准方法
CN104949610A (zh) * 2014-03-24 2015-09-30 上海微电子装备有限公司 磁浮线缆台电机磁对准系统及其对准方法
US20150349571A1 (en) * 2014-05-28 2015-12-03 Apple Inc. Electromagnetic alignment of inductive coils
US20170136898A1 (en) * 2014-06-25 2017-05-18 Elix Wireless Charging Systems Inc. Methods and apparatus for automatic alignment of wireless power transfer systems
WO2017165549A1 (en) * 2016-03-22 2017-09-28 The University Of Georgia Research Foundation, Inc. Wireless charging of electric vehicles
CN107612157A (zh) * 2016-07-12 2018-01-19 电装国际美国公司 具有性能监视的车用无线电力传输系统及其监视方法
CN107914596A (zh) * 2017-12-15 2018-04-17 三峡大学 基于无线电能传输的电动汽车充电系统

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113793746A (zh) * 2021-09-30 2021-12-14 江南大学 一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构
CN113793746B (zh) * 2021-09-30 2023-07-18 江南大学 一种具有高偏移性能的十字螺线管磁耦合机构
CN114285187A (zh) * 2021-12-14 2022-04-05 苏州大学 线圈位置自动校准的工业机器人无线充电系统

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