CN116783812A - 感应电能传输发射器和系统 - Google Patents

Abstract

一种感应电能传输发射器，包括：多个用作电流源的并联子电路，每个子电路包括：一个或多个逆变器，以及配置为从逆变器输出提供电流源输出的调谐网络，其中并联子电路输出耦合使得它们各自的输出电流相加，并且发射器线圈子电路耦合到并联子电路的输出，其中每个并联子电路的逆变器输出可以与发射器线圈子电路耦合或去耦合。

Description

感应电能传输发射器和系统

技术领域

本发明涉及感应电能传输发射器以及感应电能传输系统和方法。

背景技术

感应电能传输是无需物理或有线连接的电能传输。典型的感应电能传输系统包括感应电能传输发射器或初级设备，它产生电磁场，用于跨空间传输电能到感应电能传输接收器或次级设备，从磁场中提取电能并将其提供给负载。典型的感应电能传输发射器由电源驱动，包括逆变器、初级调谐网络和初级线圈。典型的感应电能传输接收器包括次级线圈、次级调谐网络、整流器和负载。

该系统使用磁场将电力从初级线圈无线传输到次级线圈。通过在初级线圈输入交流电流来产生磁场。次级线圈置于初级线圈产生的磁场中时，会在其端子上产生交流电压，用于驱动或为连接的负载供电。感应电力传输可以消除电线和电池的使用，从而增加电子设备的移动性、便利性和安全性。

在本说明书中，参考了专利说明书、其他外部文件或其他信息来源，这通常是为了提供讨论本发明特征的上下文。除非另有明确说明，否则引用此类外部文件不应被解释为承认此类文件或此类信息来源在任何司法管辖区内都是现有技术，或构成本领域公知常识的一部分。

发明内容

本发明的至少一些优选实施例的目的是提供无线电力发射器和系统，和/或至少为公众提供有用的替代方案。

在一个方面，本发明可以说包括感应电能传输发射器，包括：多个并联子电路作为电流源，每个子电路包括：一个或多个逆变器，以及配置为提供电流源输出的调谐网络逆变器输出，其中并联子电路的输出耦合，因此它们各自的输出电流相加，以及发射器线圈子电路，耦合到并联子电路的输出，其中每个并联子电路的逆变器输出可以与发射器线圈子电路耦合或去耦合。

可选地，逆变器输出可以通过操作一个或多个开关与发射器线圈子电路耦合或去耦合。

可选地，通过操作逆变器中的开关，逆变器输出可以与发射器线圈子电路耦合或去耦合。

可选地，通过操作相应逆变器和调谐电路之间的一个或多个开关，逆变器输出可以与发射器线圈子电路耦合或去耦。

可选地，通过操作相应调谐电路和发射器线圈小电路之间的一个或多个开关，逆变器输出可以与发射器线圈子电路耦合或去耦合。

可选地，发射器线圈子电路包括串联调谐的发射器线圈和电容器。

可选地，发射器线圈子电路包括调谐发射器线圈和电容器。

可选地，发射器线圈子电路包括调谐发射器线圈和至少一个可变电容器和/或至少一个可变导体。

可选地，耦合或去耦合每个并联子电路的逆变器输出增加或减少提供给发射器线圈子电路的电流。

可选地，可以通过改变从一个或多个逆变器输出的电流的相位来调节提供给发射器线圈子电路的电流。

可选地，感应电能传输发射器还包括用于感测发射器线圈和接收器之间的k系数的电路，以及用于导通或关断一个或多个逆变器和/或改变一个或多个逆变器的电流输出相位的控制器逆变器向发射器线圈子电路提供电流，该子电路考虑了k系数和/或负载的变化。

可选地，当逆变器和/或并联电路断开连接时，剩余并联子电路的功率因数和/或阻抗和/或其他特性不改变。

在另一方面，可以说本发明包括用于向接收器提供期望功率的感应功率传输发射器，该接收器包括经由多个调谐电路耦合到发射器线圈的多个逆变器和监测发射器线圈之间的K系数的控制器以及接收器，其中控制器被配置成导通和/或关断逆变器以控制提供给发射器线圈的功率，使得在接收器处接收到期望的功率。

这里的实施例可以可选地还包括以下的一种或多种。

·控制器被配置成将输电线圈处所需的功率或电流作为输入。可选地，控制器被配置为基于电力传输线圈处所需的功率或电流来确定需要导通或关断多个并联子电路中的哪一个。可选地，控制器被配置为输出一个或多个控制信号，每个控制信号与多个并联子电路之一有关。

·多个初级电源电路被配置为被控制或导通/关断以便在功率传输线圈/天线处提供基本恒定的电流或功率输出。

·电力传输线圈/天线处的电流或功率输出可以通过导通或关断初级电源电路的不同组合和/或控制每个初级电源电路的相移来控制。

·控制初级电源电路以补偿K系数的变化或电力传输线圈/天线处的互感。

·电力传输线圈/天线处“k”系数的变化是由与次级线圈或无线接收器对准的变化引起的。

·每个初级电源电路被配置为提供输出电流。初级线圈处的电流是来自多个初级电源电路的所有输出电流的总和。可以控制每个逆变器的相移以改变初级电源电路的输出电流。

·每个逆变器被配置为通过控制一个或多个逆变器开关来控制或导通或关断。逆变器开关被配置为短路逆变器的输出。

·调谐或补偿网络还包括一个或多个隔直电容器，其被配置为减少可能由于关断一个或多个逆变器而形成的直流共模电流。调谐或补偿网络还包括一个或多个共模扼流圈，配置为最小化或抑制无线电力发射器中的AC共模电流。

定义、术语和短语

在本规范中，“高功率应用”是指具有高额定功率的应用(感应电能传输系统的)。例如，这种高额定功率可能约为10kW或更高。

在本规范中，“低功率应用”是指具有低额定功率的(感应功率传输系统的)应用。例如，这种低额定功率可能约为10kW或更低。

在本说明书中，提及“电动车辆的无线充电”涉及以适合工业/商业用途的足够大的规模对电动车辆进行无线充电。这与电动汽车的家用无线充电不同，后者可能与本说明书中描述的感应电能传输系统有不同的设计考虑，也可能没有不同的设计考虑。

在本说明书中，提及“感应电能传输”可以指代“无线充电”和“实时无线电力传输”。在如本领域技术人员所理解的技术上可行的情况下，对无线充电、感应充电或类似物的任何参考也可适用于实时无线电力传输。

术语“电容器”是本领域中众所周知的术语。然而，在本说明书中，“电容器”也可以指任何具有容抗的元件。“电容器”还可以指任何组件组合(其可以包括也可以不包括任何电容器)被布置成使得组件组合的净电抗是电容性的，并且因此可以被改造成电容器。

术语“电感器”是本领域中众所周知的术语。然而，在本说明书中，“电感器”也可以指任何具有感抗的元件。“电感器”还可以指任何组件组合(其可以包括也可以不包括任何电感器)被布置成使得组件组合的净电抗是电感性的，并且因此可以被改造成电感器。

尽管下文描述的感应电能传输系统可用于多种应用，但应注意感应电能传输系统(包括所描述的实施例和组成感应电能传输系统的子电路)已被设计成具有高功率应用，例如，包括在工业/商业环境(相对于家庭环境)中的电动汽车无线充电。这种设计应与仅具有较低功率应用(例如移动电话等电子设备的无线充电)的感应功率传输系统区分开来，即使电子电路在电路图上可能看起来相似。具有高功率应用的感应电能传输系统具有特定的设计考虑因素，这些考虑因素在设计具有低功率应用的感应电能传输系统时不适用。例如，具有大功率应用的感应电能传输系统将具有显着更大的散热和功率效率问题，至少在某些情况下不能使用本领域技术人员已知的技术充分解决这些问题。这些特定设计考虑因素中的一些(及其各自的解决方案)将在稍后的详细描述中讨论。

本说明书和指示性权利要求中使用的术语“包含”“至少部分地由...组成”。当解释本说明书和指示性独立权利要求中包括术语“包含”的每个陈述时，也可能存在不同于该术语或以该术语开头的特征。相关术语如“包含”和“包含”将以相同方式解释。

意在提及本文公开的数字范围(例如1至10)也包括提及该范围内的所有有理数(例如1、1.1、2、3、3.9、4、5、6、6.5、7、8、9和10)以及该范围内的任何有理数范围(例如，2至8、1.5至5.5和3.1至4.7)，因此，本文明确公开的所有范围的所有子范围特此明确披露。这些仅是具体意图的例子，所列举的最低值和最高值之间的所有可能的数值组合应被认为以类似方式在本申请中明确陈述。

本发明也可以广义地说包括在申请的说明书中单独或共同提及或指示的部分、元件和特征，以及任何两个或多个所述部分、元件或特征的任何或所有组合，并且其中本文提及的特定整数具有本发明相关领域中已知的等同物，此类已知等同物被视为并入本文，如同单独阐述一样。

附图说明

将仅通过示例并参考附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1是示出根据本发明实施例的感应电力传输系统的电路表示的框图；

图2是示出根据本发明实施例的感应电能传输发射器的电路表示的框图；

图3是示出根据本发明实施例的感应电能传输发射器的电路表示的框图；

图4a和4b是根据本发明实施例的用于感应电能传输发射器的逆变器的电路图；

图5a、5b和5c是电路和框图表示，示出了根据本发明的实施例用于关断感应功率传输发射器中的逆变器的配置；

图6a至6g是根据本发明的不同实施例的用于感应电能传输发射器的并行调谐网络的电路图；

图7是表示LCL调谐初级网络和感应电能传输发射器的电路和框图；

图8a至8e和9a至9d是图6a至6g的等效电路图，展示了它们的阻抗；

图10a是示出根据本发明实施例的感应电能传输发射器的电路表示的框图；

图10b是示出根据本发明实施例的感应电能传输发射器的电路表示的框图；

图11a、11b和11c是根据本发明实施例的用于感应电能传输发射器的共享调谐子电路的电路图；

图12是根据本发明的一个实施例的感应电能传输系统的示例实施例的图形表示，示出耦合系数k随着发射器和接收器之间的距离改变而改变；

图13是根据本发明的一个实施例的感应功率传输系统的示例实施例的图形表示，示出了随着发射器和接收器之间的距离改变而互感的变化；

图14是根据本发明的一个实施例的感应功率传输发射器的示例实施例的图形表示，示出了随着发射器和接收器之间的磁耦合改变而在功率传输线圈处提供的电流的变化；

图15示出了根据本发明实施例的感应电能传输发射器的示例实施例的不同图形表示；和

图16是示出根据本发明实施例的由感应电能传输发射器的控制器执行的控制过程的示例实施例的流程图。

具体实施方式

1、概述

在感应电能传输系统中，电能从发射器传输到接收器。然后，接收器通过感应电能传输为正在供电的设备提供电能。

在此类系统中需要传输标称的所需功率。如果接收器和发射器之间存在未对准(例如，接收器距离发射器太近和/或接收器未与发射器正确对齐)，则发射器提供的标称所需功率实际上可能不会传输到并由接收方接收。因此，希望控制发射器的功率以补偿接收器与发射器的未对准。本文所述的实施例通过导通/关断逆变器来实现对发射器处的功率的控制，逆变器形成发射器侧的功率传输系统的一部分。

2.感应电能传输系统的背景

所描述的实施例涉及用于感应电能传输系统的感应电能传输发射器2。图1中显示了示例感应电能传输系统。系统1包括感应电能传输发射器2(也称为“初级设备”、“发射器电路”、“发射器侧”、“发射器模块”)，它产生电磁用于跨空间传输电能到感应电能传输接收器3(也称为“次级设备”、“接收器电路”、“接收器侧”、“接收器模块”)的场，该接收器从电磁场提取电能并提供给该感应电能传输接收器3到负载。

参考图1所示的示例系统，感应电能传输发射器2由电源4驱动，并且包括至少一个逆变器5、初级调谐网络6和初级线圈7。感应电能传输接收器3包括次级线圈11、次级调谐网络10、整流器9和一个或多个负载8。

示例系统1使用初级线圈7处生成的磁场将电力从初级线圈7无线传输到次级线圈11。通过在初级线圈7处输入AC电流来创建磁场。次级线圈11，当放置在初级线圈产生的磁场中时，会在其端子上产生交流电压，用于驱动或为连接的负载8供电。

2.1动力传递与对准

诸如本发明旨在形成其一部分的感应功率传输系统允许在没有物理接触的情况下传输电能。感应电能传输系统应该能够运行以产生恒定的输出以在一个或多个负载处接收。例如，这可能是为了实现电动汽车无线充电等应用的良好用户体验。

在本实施例中，如将更详细地描述的，这涉及控制初级设备响应于次级设备中或次级设备处的变化从初级线圈提供的功率。例如，这样的变化可能涉及初级线圈和次级线圈之间的一定量的未对准，和/或连接到次级装置的一个或多个负载的变化。

当初级线圈和次级线圈正确对齐时，感应电能传输系统可以最佳地传输电能。对齐使得次级线圈位于初级线圈产生的电磁场的最强部分内。初级线圈和次级线圈之间的任何未对准都可能导致从初级设备到次级设备的功率传输不是最佳的。

未对准可以指发射器(主要)和接收器(次要)之间的距离不是最佳的和/或发射器和接收器之间的方向不正确。例如，初级线圈和次级线圈之间可能会发生未对准，例如，因为电动车辆可能根据其负载具有不同的离地间隙，或者停放可能具有挑战性，使得位于电动车辆中的次级线圈是每次给电动汽车充电时，都与初级线圈对齐。

初级线圈和次级线圈之间的未对准会导致初级线圈和次级线圈之间的磁耦合系数(k系数)发生变化。耦合系数k的变化随后会导致次级设备的功率发生变化。例如，次级线圈和输出的功率随着磁耦合值的增加而增加，例如，因为初级和次级线圈更好地对齐。

在其他示例中，使用不同类型的调谐，次级线圈处的功率可以随着耦合系数k(也称为“磁耦合因子”)增加而降低。通常，磁耦合系数(k系数)可以改变2倍或更多。例如，在无线电力车辆的情况下，k系数可以从例如初级线圈和次级线圈之间最远距离处的值0.15改变为初级线圈和次级线圈之间最近位置处的值0.3。

备选地，次级装置可以以不涉及线圈未对准但导致次级装置需要或汲取更多或更少功率的方式变化。在一个这样的示例情况中，连接到次级设备的一个或多个负载可以改变，这导致由一个或多个负载汲取的功率量也改变。因此，次级设备可能需要从初级设备汲取更多或更少的电力，以便响应于这种变化向一个或多个负载提供足够的电力。

在感应电能传输系统中，由次级装置提供的输出功率优选地保持恒定，以维持对一个或多个负载的供电。因此需要功率控制，以便在次级设备的输出端保持恒定功率。通常，这种功率控制在初级设备和次级设备上实施，例如以补偿耦合系数k的变化。

初级设备的功率控制通常需要向初级线圈提供电流，使得初级线圈提供的功率随着系统的变化而变化。例如，初级设备的功率控制可以采取控制提供给初级线圈的电流与次级线圈的耦合系数k变化相关的形式，使得这两个变量的乘积，即初级线圈接收的功率主设备的辅助设备基本保持不变。

例如，如果次级线圈远离初级线圈，则耦合系数k减小，因此初级设备向初级线圈提供更多电流以产生更多功率。这种功率的增加与耦合系数k的变化一致。因此，次级设备看不到耦合系数k变化的影响，因为来自初级线圈的功率增加抵消了耦合系数k的变化。

在典型的感应电能传输发射器中，可以通过改变逆变器的输出电压来改变电能传输线圈处的电流。逆变器输出电压与传输线圈电流之间的比率根据初级调谐拓扑而变化。例如，对于LCL调谐初级，该比率是LCL网络的特性阻抗。对于其他类型的调谐网络，比率可能不同并且推导起来更复杂。然而，实际上逆变器的输出电压存在下限。这是因为对于相同的功率水平，降低逆变器的输出电压会导致更高的逆变器输出电流和可能更高的开关电流，这不仅需要昂贵的逆变器开关，而且会产生过多的热量。这种传统的解决方案增加了系统成本并降低了系统可靠性。这个问题在更高的功率水平下变得更加严重。3.对未对准进行功率补偿的实施例的总体概述

本实施例涉及一种感应电能传输发射器，以及一种用于感应电能传输系统内的控制方法，例如在关于图1描述的示例实施例中概述的那些。

如上所述，本实施例提供感应电能传输发射器或初级设备，其能够响应于感应电能传输接收器处或感应电能传输接收器中的变化来控制初级线圈处的功率，这可能是由于k的变化引起的未对准和/或其他负载变化。这些实施例有助于维持恒定功率(或以其他方式控制功率)，即使由于未对准和/或其他负载变化导致k发生变化。实施例提供了一种安全有效地改变初级线圈电流的电路和控制方法，使得可以在具有低逆变器输出电流的初级侧补偿由于未对准或次级装置中的其他变化引起的耦合系数k的变化。

为此，本实施例提供了提供电流源而不是电压源的电路。电流源可以相加，并有选择地控制以控制所提供的总电流。可以控制该总电流以补偿k耦合系数的变化，从而使实际提供给负载的功率为所需功率。还描述了改变感应功率传输发射器的功率传输线圈处的电流的控制方法，使得耦合系数k发生较大变化(例如由于初级和次级线圈之间的未对准)或负载处的功率要求或连接到感应电能传输接收器的负载可以在感应电能传输发射器中通过改变由逆变器提供的输出电流来补偿，通过选择性地切换输入/输出电路的逆变器和/或使用相位控制或逆变器输出当前的。

在本实施例中，电力传输线圈处的电流是变化的，使得电流的任何变化用于补偿耦合系数k的变化或被供电的感应电力传输接收器的负载要求。结果，这两个变量的乘积，即感应式电能传输接收器接收到的电能，在很大程度上保持不变——也就是说，尽管k系数发生了变化，但仍然提供了所需的电能。因此，由感应电能传输发射器供电的感应电能传输接收器接收基本恒定水平的电能。因此，感应电能传输接收器看不到耦合系数k或输出端负载变化的影响。

参考图2，示出了一般实施例。感应电能传输发射器20包括多个并联子电路22和共享调谐子电路(也称为“发射器线圈子电路”)30的布置。共享调谐子电路30串联提供多个并联子电路22并联布置。串联布置通过将调谐电容器Cpi(32)与初级线圈Lpt(34)串联连接而形成。共享网络30不限于串联调谐拓扑。并行或LCL等其他调谐网络也可能适用——请参见下文所述的示例图10a。其他选项也是可能的。还可以在共享网络30中具有至少一个可变电容器和/或至少一个可变电感器，用于控制逆变器功率因数和/或调节发送到发射线圈34的电流/功率。可变组件可以连接在与发射线圈34串联或并联。

多个并联子电路22各自提供电流源。每个都包括一个或多个用于连接到电源24的输入、一个或多个逆变器26，每个逆变器都被配置为将直流(DC)电压源转换为交流(AC)电压输出，以及调谐网络28被配置为转换逆变器电压输出到电流源。这意味着不是从每个逆变器向共享子电路30提供电压输出，而是向共享子电路提供来自每个并联子电路22的电流源输出的总和。调谐电路还可以可选地补偿和/或最小化逆变器26的无功功率并且提供基本上真实的输出/阻抗。网络28的另一功能是确保当一个或多个逆变器关断时无功功率最小化。在一种选择中，调谐网络28是调谐网络，但这不是必需的。稍后将详细描述调谐网络28。

共享调谐子电路30包括至少一个电容器32和被配置为产生用于无线传输功率的场的功率传输线圈34。并联子电路22中的逆变器26和调谐网络28的并联布置在电力传输线圈34处提供进入串联调谐网络的电力。

由于并联子电路22相对于共享调谐子电路30的并联布置，电力传输线圈34处的电流(对于串联调谐传输线圈)是多个并联子电路22。如果30的调谐网络包含与传输线圈34并联的电容器(例如，并联或LCL调谐)，则传输线圈34处的电流是输出电流总和的一部分多个并联子电路22。这是因为部分电流流过并联电容器。共享调谐子电路30充当电流源(当所有调谐电路28都被LCL调谐时)，并且因此，来自并联子电路22的所有输出电流在共享调谐子电路30处相加。

使用并联布置，可以通过导通或关断多个并联子电路28中的逆变器26的不同组合来大步控制电力传输线圈34处的电流(无论共享子电路的调谐拓扑如何)电路30.)。可以使用多种不同的技术来导通和关断逆变器，这将在下面进一步讨论。在一些实施例中，可能需要共模扼流圈以在逆变器关断时抑制AC共模电流。

还可以控制每个逆变器26的相移，以便改变电力传输线圈34处的电流。每个逆变器的相移可以在大步长之间以非常精细的分辨率进行调整。这样，通过控制逆变器的相移以及导通或关断多个并联子电路中的各个逆变器，可以响应于任何变化以连续的方式控制输电线圈34处的电流该系统影响电力传输线圈34汲取的电力。

根据本实施例，简单地关断/导通逆变器并不是微不足道的。本实施例的布置允许比传统解决方案低25A至15A之间的关断电流，这使得能够显着降低感应功率传输发射器的开关损耗和传导损耗。在传统的感应功率传输系统中，高关断电流通常出现在发射器或初级中的所有逆变器中。在典型的感应功率传输系统中，由于逆变器输出电压小得多，所以会出现高开关电流。在本发明中，如将进一步讨论的，逆变器在关断时具有最小的或没有开关损耗，因为它的输出被短路并且没有开关。

在一个可能的一般实施例中，耦合系数k可以通过传感器和控制器36进行监控。当控制器确定k系数的变化需要一些补偿以维持在接收器处接收到的期望功率水平时，控制器导通/关断一个或多个逆变器以在发射器处提供所需的功率水平，从而导致接收到所需的功率水平。

4.可能的实施方式

现在将更详细地讨论可能实施例的感应电能传输发射器的每个组件。

4.1并联子电路

参考图2和图3，本发明涉及一种电路布置，其中共享调谐子电路30与多个并联子电路22串联布置，并联子电路22并联布置。这形成了感应电能传输发射器。

多个并联子电路22包括用于连接到电源24的一个或多个输入、一个或多个逆变器26，每个逆变器26均被配置为将直流(DC)电压源逆变为交流(AC)，以及调谐网络28配置为补偿和/或最小化逆变器26的无功功率并提供基本上真实的输出/阻抗。

作为并联子电路22相对于共享调谐子电路30的并联布置的结果，电力传输线圈34处的电流是多个并联子电路22的输出电流的总和。对于共享调谐子电路30中的其他形式的调谐拓扑，电力传输线圈34处的电流可以是多个并联子电路22的输出电流之和的一部分或更高。当所有调谐当电路28被LCL调谐时，来自并联子电路22的所有输出电流在共享调谐子电路30处相加。

每个并联子电路被配置为提供输出电流，该输出电流被提供给共享调谐子电路。在优选实施例中，每个并联子电路被配置为在接通时提供相同或基本相似的最大幅值的输出电流，但是应当理解，每个并联子电路可以被配置为提供具有不同的最大幅度。在优选实施例中，每个并联子电路被配置为在接通时提供相同或基本相似的最小量值的输出电流，但是应当理解，每个并联子电路可以被配置为提供具有不同的最小电流值。每个逆变器的最大和最小幅度之间的输出电流幅度被配置为通过改变连接到并联子电路的一个或多个逆变器的电源的相移或电压来控制。在这些实施例中，每个并联子电路提供的输出电流被配置为与另一个或多个并联子电路提供的输出电流同相，这些并联子电路被导通或正在向共享调谐子电路提供电流，但是应当理解，在替代实施例中，由一个或多个并联子电路提供的输出电流可能异相。

现在将讨论包括每个并联子电路的每个组件。

4.2电源连接

在该实施例中，每个并联子电路22包括一个或多个用于连接到电源24的输入。用于连接的电源可以是直流电压源，但在优选实施例中是单个直流电压源.一旦使用一个或多个输入连接，电源被配置为向并联子电路供电。电源可以具有可变电流和/或电压，但在优选实施例中，由连接的电源提供的电压和电流是固定的。

在一个实施例中，被配置为连接到并联子电路中的每一个的电源可以具有共享接地。此外，电源可以由具有共用接地的单个输入电源提供。在这样的实施例中，设想可以提供与并联子电路的数量相对应的多个功率因数校正(PFC)设备，其将输入电源分成多个DC电压源。然后将这些直流电压源中的每一个提供或连接到用于输入到每个并联子电路的连接作为电源。这些可以例如在300-1000V的电压之间，或者更优选地在500-800V之间。

在进一步的实施例中，每个电源可以被配置为关断以防止相应的并联子电路向电力传输线圈提供输出电流，而不是通过使相应的并联子电路的逆变器短路。电路(这将在前一节中讨论)。

4.3逆变器

仍然参照图2和图3，每个并联子电路22包括一个或多个逆变器26。每个逆变器26被配置为将输入直流(DC)电压源逆变为交流(AC)电压作为输出.输入直流电压源通过一个或多个输入提供以连接到电源24，逆变器26电连接到电源24。输出交流电源被提供给调谐网络28，调谐网络28电连接到一个或多个逆变器的输出。在优选实施例中，并联子电路22包括一个输入，用于连接电源24，电源24电连接到一个逆变器26。在替代实施例中，并联子电路可以包括一个输入，用于连接电源，电源24电连接到两个一个或多个逆变器，或两个或多个输入，用于连接到电连接到两个或多个逆变器的电源。

参考图4b，其中示出了逆变器26b的优选实施例。在该实施例中，每个并联子电路的每个逆变器是全桥逆变器26b。全桥逆变器26b连接到用于连接到电源24的输入，该电源24被配置为提供DC电源。全桥逆变器26b将直流电源逆变并在其输出端提供交流电压。

现在参考图4a，其中示出了逆变器26a的替代实施例。在该实施例中，每个并联子电路的每个逆变器是半桥逆变器26a。半桥或h桥逆变器26a连接到用于连接到电源24的输入，该电源24被配置为提供DC电源。半桥或h桥逆变器26a将DC电源逆变并在其输出端提供AC电压。或者，在每个并联子电路具有两个或更多逆变器的实施例中，一个或多个可以采用不同的形式，例如一个可以是全桥逆变器而一个可以是半桥。

设想在本发明中可以使用被配置为将直流(DC)电压源逆变成交流(AC)的任何形式的逆变器，并且逆变器的形式不旨在限制。逆变器的类型可能会有所不同，具体取决于感应电能传输发射器的预期用途。例如，图4b中所示的h桥逆变器可能更适合需要更高功率的应用，例如与电力相关的应用车辆充电。

在操作中，每个并联子电路逆变器可以被同步驱动，使得它们的输出具有基本相同的幅度并且基本同相。每个并联子电路逆变器也可以用不同的相移来驱动，使得它们的输出电压在幅度上不同但仍然基本同相。还可以异步驱动每个并联子电路逆变器，使得它们的输出电压在幅度和相位上都不同。然而，大的相位差可能导致逆变器之间循环无功功率，导致逆变器中不必要的损耗，这是不希望的。

由于本发明提供的并联布置，每个并联子电路的逆变器能够响应于电力传输线圈处所需的改变的电力输出(例如由于改变的K和/或负载)而被控制。通过控制逆变器的相移，可以将每个逆变器的电流输出精确地控制在最小值和最大值之间。每个并联子电路的逆变器也能够导通或关断，以便在共享调谐子电路处提供其电流输出。通过这种方式，电力传输线圈的电流和功率能够以类似于汽车变速箱的方式进行控制。

4.4调谐网络

现在返回参考图2和图3，每个并联子电路22包括调谐网络28。每个并联子电路22的调谐网络28被配置为提供来自相应逆变器的电流源输出。每个还可以补偿和/或最小化逆变器26的无功功率。

由于LCL的特性，LCL是28的首选网络，尽管这不是必需的——可以使用其他类型。更具体地说，当30和28(LCL)都调好时，每个逆变器都会看到一个很大的实阻抗，这有助于最大限度地减少逆变器损耗。LCL网络的另一个特点是当逆变器通过输出短路关断时，LCL网络确保：

1)所有剩余的逆变器仍然有很大的实际阻抗，并且

2)短路逆变器短路电流不宜过大。

此外，LCL电路还通过在谐波频率下在块1和2(参见图6a)中具有大阻抗并在块3中具有较小的电抗来抑制谐波电流。

现在参考图6a，示出了并行调谐网络结构28的优选实施例。本实施例是LCL型调谐网络。在本实施例中，LCL型调谐网络除了X-A块的阻抗外，还具有A块的阻抗，其结果近似等于正X，其中X为正浮点数。此外，块B的阻抗加上块X-B的阻抗大约等于正X。块-X的阻抗大约为-X。

图6b到6g显示了LCL类型网络的几种实际实现。LCL调谐网络的输出电流等于作为输入连接的逆变器的输出电压除以X。在这些示例中，X是LCL型调谐网络的特性阻抗。然而，应当注意，在备选实施例中，可以使用满足上述关于X的阻抗要求并且适合作为一个或多个并联子电路内的并联调谐网络的其他类型的调谐网络。

所提出的具有LCL型并联调谐网络的拓扑可以抑制提供给电力传输线圈的高次谐波电流。参考图6a，LCL型调谐网络通过在较高谐波频率处具有较大阻抗来工作，例如在包含块B和X-B以及电力传输线圈的路径中。LCL型调谐网络的这一方面尤其适用于高功率应用，例如电动汽车充电。此外，LCL还通过在谐波频率下在块1和2中具有大阻抗以及在块3中具有较小的电抗来抑制谐波电流。

在图6(以及推而广之，图6a至6d)中，分量4和5(Cb、Lb)之一或两者也可以是可变的。使它们可变不会改变电流源特性。

举例来说，在典型的无线电力传输系统中简要描述典型的LCL型并行调谐网络作为上下文。图7显示了一个传统的LCL调谐初级网络，其中Lpi和C_Lpi通过X的正组合电抗进行感性调谐，Cpt通过X的负阻抗进行调谐，Lpt和Cpi也通过正X进行感性调谐。LCL网络当次级电路被配置为将实质上的电阻性负载反射回初级线圈Lpt使得逆变器驱动实质上有功负载时，28被配置为补偿和/或最小化逆变器26的无功功率，这优化/最小化逆变器输出电流和逆变器损耗。在备选实施例中，设想能够使用为逆变器提供良好功率因数的其他类型的调谐网络。

本文所述的调谐电路有助于关断和导通逆变器。

当逆变器26开启时，逆变器和相应的调谐网络28导致更多电流流入共享子电路30。例如，LCL调谐网络表现为电流源，参见图8e。多个LCL调谐网络并联相当于并联多个电流源，所有电流之和流入共享子电路30。图8e说明了这样一个电路，三个并联的逆变器和调谐电路将电流馈入共享子电路30.

当关断时，调谐电路表现为开路，实际上从其余电路中移除了该并联子电路。这意味着其余逆变器的功率因数或特性(包括电流源特性)不受此关断动作的影响。此外，逆变器关断时调谐网络不输出电流，因此共享子电路中的电流减少。

LCL电路充当电流源的原因解释如下。

LCL调谐网络的一般形式如图8a所示。图8b通过将图8a的块1和2的阻抗组合到图8b的块1中，以及将图8a的块4和5的阻抗组合到图8b的块3中示出了它的简化版本。根据诺顿定理，我们可以将图8a中Vinv与block 1的串联转换为电流源与block 1的并联，如图8c所示，其中电流源的大小为Vinv/X。块1和块2的并联连接(由8c中的虚线框包围)形成具有无限大阻抗的开路。其等效阻抗可由公式1导出：

因此，可以移除块1和2，从而得到与块3串联的电流源，如8d所示。block 3的取值不影响电流源的大小，其目的是保证Vinv的功率因数接近1。

因此，如果我们通过短路输出端子来关断逆变器，则Vinv变为零，电流源的幅度也变为零。因此，该逆变器及其调谐网络不再向共享子电路30提供电流。使用草案中描述的其他方法关断逆变器基本上可以达到相同的结果；解耦的并联支路停止向共享子电路提供电流。

所描述的布置还可以提供1的功率因数。图9a显示了LCL网络的一般形式，图9b显示了LCL调谐网络的简化版本，通过将图9a的块1和2的阻抗组合到图9b，并将图9a的块4和5的阻抗组合到图9b的块3中。这里的正阻抗X表示电感元件，而X的负阻抗表示电容元件。

在图9c中，阻抗Z连接在端子B1和B2之间。Z表示共享子电路的阻抗。

数学推导表明输入阻抗Zc(跨端子A1和A2)为等式2：

Zc表示逆变器开启时的阻抗。

如果Z主要是电阻性的，则Zc也主要是电阻性的。因为Z在分母上，所以如果Z是容性的，则Zc变为感性的；如果Z是感性的，则Zc变为容性的。

可以看出，逆变器阻抗不仅取决于LCL调谐，还取决于共享子电路的等效阻抗Z。次级电路的反射阻抗构成Z的一部分。虽然可以将反射阻抗设计为在全功率下基本上是实数(以使Zc在全功率下基本上是实数)，但反射阻抗确实会向更具感性或容性的方向变化(取决于次级拓扑)在充电周期内随着功率水平的变化。这意味着如果系统在全功率下调谐(因此逆变器功率因数在这种操作条件下基本上是真实的)，LCL网络无法确保逆变器功率因数在所有其他操作条件下保持接近1。

本发明还适用于逆变器的阻抗不太真实的情况，因为用户可以处理功率因数问题。如果我们使用图5a中所示的第一种方法关断逆变器，则端子A1和A2会被逆变器开关短路，如图9d所示。因为它是图9c的镜像，所以也可以使用上面的等式计算端子B1和B2之间的阻抗，其中Z设置为大约0，这意味着Zd无限大，因此可以认为是开路。这有效地从电路的其余部分移除了LCL网络。因此并联子电路允许在不影响其余并联子电路的电流源特性的情况下关断逆变器。

使用图5b和5c中描述的方法关断一个逆变器可获得类似的结果。在图5b中，S1导通而不是逆变器开关短路逆变器的端子A1和A2。在图5c中，S1和S2被关断以移除LCL网络，这类似于第一种方法创建的开路条件。

开路/实际负载消除了其他逆变器的阻抗。如前所述，如图9d所示，通过短路其输出来关断逆变器会使阻抗Zd无限大；这相当于断开LCL调谐网络及其逆变器与系统其余部分的连接。

4.5共享调谐子电路

参考图2和图3，本发明涉及一种电路布置，其中共享调谐子电路30与多个并联子电路22串联布置，并联子电路22并联布置。这形成了感应电能传输发射器。串联调谐网络在所有并联逆变器和调谐网络之间共享。注意，如后所述，可以使用并行、LCL或其他拓扑。

共享调谐子电路30包括至少一个电容器32和被配置为产生用于无线传输功率的场的功率传输线圈34。并联子电路22中的逆变器26和调谐网络28的并联布置将电流提供到电力传输线圈34处的串联(或其他共享)调谐网络中。

在所示的实施例中，电容器32和电力传输线圈34的电感形成串联调谐子电路或网络，其用于调谐从运行的并联子电路的总和接收的电流。当操作时，电容器32和电力传输线圈34的总电抗在感应电力传输发射器20的操作频率处基本上等于零。在一些实施例中，电力传输线圈34的电感值可能由于未对准而略微变化，并且电容器32的电容值可能由于温度、电容器老化和电容器电压而略微变化。

4.6共享调谐子电路中的电容器

在图2和图3所示的实施例中，电力传输线圈的电容器和电感形成串联调谐子电路或网络，其用于调谐从操作并联子电路的总和接收的电流。一个或多个电容器与电力传输线圈串联布置。电容器和电力传输线圈的总电抗在感应电力传输发射器工作时的工作频率处基本上等于零。

图10a、10b和11a显示了共享调谐网络50的替代实施例。在该实施例中，电容器52与电力传输线圈54并联，因此与电力传输线圈的电感并联，形成并行调谐网络。在进一步的实施例中，如图11b和11c所示，至少一个部分串联调谐电容器56与共享调谐子电路50中的电力传输线圈54串联，连同与电力并联提供的电容器52传输线圈54.

在图10a、10b和11a至11c中示出了这些替代实施例的共享调谐子电路的特征类似于先前实施例中示出的原始实施例。

图2、3、10a、10b、11a、11b和11c只是LC调谐形式的一些示例。共享调谐子电路还可以具有其他多个L和C组合调谐形式，这也是本领域技术人员所理解的。

4.7输电线圈

如所描述的，电力传输线圈与一个或多个电容器一起设置在共享调谐子电路中。如将理解的，电力传输线圈被配置为生成用于将电力无线传输到感应电力传输接收器的场。电力传输线圈处的电流是来自多个并联子电路的所有输出电流的总和或一部分，这取决于共享的调谐拓扑。因此，能够通过控制由多个并联子电路中的每一个提供的电流来控制由电力传输线圈提供的电力。

如果多个并联子电路的输出电压保持基本恒定，则可以通过接通并联子电路的不同组合来大步控制输电线圈处的电流。例如，如果将N个由逆变器和LCL调谐网络组成的并联子电路并联，每个并联子电路的输出电压固定为电压Vb，则初级线圈电流为(N-M)*Vb/X代表串联调谐子电路，其中M是关断或短路的并联子电路的数量。因此，通过控制N-M，初级线圈电流可以逐步变化。

在这些步骤之间，每个运行中的逆变器的相移可用于改变电力传输线圈处的电流，以便线圈处的电力可以以连续的方式变化。通常，每个逆变器的相移可以以非常精细的分辨率进行调整。

4.8控制器和传感器确定K系数

结合传感器电路50提供控制器36以确定k系数，并相应地控制逆变器的切换

5.感应电能发射器的控制

如前所述，希望基于K系数将逆变器与发射器线圈耦合和/或去耦合，以将接收到的功率保持恒定/处于所需水平。

基于所公开的实施例，或者对所公开的实施例进行小的变化，可以通过多种方式实现这一点。这样做是可以的，因为调谐电路28实际上从每个逆变器创建电流源。这使得电流能够被控制，例如通过关断/导通逆变器和提供给共享电路的总和电流。此外，可以通过控制来自逆变器的输出的相位来实现更精细的调节，如下所述。

控制方面可能进一步包括控制器和传感器以监控k系数，然后相应地操作逆变器。或者，可以手动操作逆变器。

5.1通过导通/关断逆变器和/或控制相位进行功率控制

在该实施例中，每个逆变器也能够在它提供输出电流的情况下被导通，或者在不提供输出电流的情况下被关断。在一个实施例中，每个逆变器被配置为通过控制一个或多个逆变器开关来导通或关断。逆变器开关被配置为短路逆变器的输出。

并联子电路的逆变器可以使用多种不同的配置和方法关断或关断以停止其对电力传输线圈电流的贡献。图5a、5b和5c中显示了三个不同的示例配置和方法，并且将在下面更详细地解释。这些配置和方法并非意在限制，并且应当理解，可以使用这些配置和方法中的一个或多个或者另一种已知的配置和方法来导通和关断感应电能传输发射器中的逆变器。图5a、5b、5c显示了串联调谐电路，但它们也可以是并联、LCL或其他调谐电路。

第一个示例配置和方法如图5a所示。在这个示例性实施例中，逆变器26是全桥逆变器，并且通过使用顶部两个或底部两个逆变器开关将其输出端子A和B短路来关断。更具体地，这可以通过导通Sna和Snc并关断Snb和Snd，或者通过导通Snb和Snd并关断Sna和Snc来执行。

在一些实施例中，当以关于图5a所描述的方式关断逆变器时，DC共模电流可以在多个并联子电路的逆变器之间流动。在这些实施例中，一个或多个隔直流电容器可用于控制或限制该直流共模电流。在这样的实施例中，一个或多个隔直流电容器可以被添加到并联子电路的调谐网络。例如，在图6b至6g所示的调谐网络28的示例实施例中，在网络中提供DC阻塞电容器42以便控制可能形成的任何DC共模电流。隔直流电容器在直流工作时具有无限大的阻抗。

在进一步的实施例中，当一个逆变器以关于图5a描述的方式关断时，AC共模电流也可以在并联逆变器模块之间流动。在这样的实施例中，可以使用共模扼流圈来抑制该AC共模电流。

图6f示出了并联调谐网络28内共模扼流圈44的一个示例实现。在该示例实施例中，第一组电感器使用共模扼流圈44的差模电感实现。共模扼流圈44呈现在交流共模电流的路径中，电感式电能传输发射器的工作频率下的大交流阻抗。

图6g示出了并联调谐网络28内的共模扼流圈44的另一示例实施方式。在该示例实施方式中，第二组电感器使用共模扼流圈44的差模电感实现。应当理解，其他实施方式配合共模扼流圈也是可能的。

应当注意，图6a到6g示出了并行调谐网络28的示例实施例并且可能不一定示出调谐网络可能的所有不同实现。不管所使用的调谐网络如何，在关于图5a描述的这些实施例中，可能需要调谐网络中的隔直流电容器和共模扼流圈，以便在一个或多个逆变器关断时实现最佳共模抑制，因为关于图5a描述的。

通过以这种方式关断逆变器，LCL电路变为开路，并且负载变为真实。高阻抗被移除，因此不会影响其他子电路或它们提供的电流。

图5b中示出了用于关断或导通一个或多个逆变器的第二示例配置和方法。在该示例实施例中，AC开关40a被添加到点A和B之间的逆变器的输出。AC开关的示例包括固态继电器和两个串联连接的电子开关。可以通过关断逆变器开关Sna、Snb、Snc和Snd来关断逆变器，如之前关于第一示例配置和方法所描述的，并且附加地，或备选地通过接通AC开关40a。如图6a至6g中关于第一示例配置和方法所描述的并联调谐网络28的示例实施例也适用于用于关断和导通逆变器的该第二配置和方法。

通过以这种方式关断逆变器，LCL电路变为开路，并且负载变为真实。高阻抗被移除，因此不会影响其他子电路或它们提供的电流。

图5c中示出了用于关断或开启一个或多个逆变器的第三示例配置和方法。在这个示例性实施例中，可以通过关断逆变器开关Sna、Snb、Snc和Snd来关断逆变器，如之前关于第一示例配置和方法所描述的，并且附加地或备选地通过关断AC开关40b或40c，或者开关40b和40c。如图6a至6g中关于第一示例配置和方法所描述的并行调谐网络28的示例实施例也适用于该第三配置和用于关断和导通逆变器的方法。

上面描述的和关于图5a到5c的并联子电路中用于接通和关断逆变器的配置和方法的三个示例性实施例没有将电抗负载引入其他并联子电路逆变器，这些逆变器是接通的或以其他方式运行的，这优化了电力传输线圈接收到的并联子电路的总输出电流。在一些实施例中，当与感应电能传输接收器一起使用时，在逆变器已经被关断之后，由于来自感应电能传输接收器的反射阻抗，逆变器中可能仍然存在一些电流循环。

在关于图5a到5c描述的本发明的上述示例实施例中，逆变器在关断时具有最小的或没有开关损耗，因为它的输出被短路并且不进行切换。因此，结合本发明的并联布置，这允许比传统解决方案低25A至15A之间的关断电流，这使得能够显着降低感应功率传输发射器的开关损耗。在传统的感应功率传输系统中，高关断电流通常出现在发射器或初级中的所有逆变器中。在典型的感应功率传输系统中，由于逆变器输出电压小得多，所以会出现高开关电流。

5.2使用相移的功率控制

在优选实施例中，每个逆变器能够提供在最大幅度和最小幅度之间的输出电流。通过改变并联子电路的一个或多个逆变器的相移来控制最大和最小值之间的输出电流的大小。因此，可以控制每个并联子电路的相移，以改变主电源电路的输出电流。

5.3控制器和K监控

如图3和10b所示，在一些实施例中，感应电能传输发射器还包括控制器36。在这些实施例中，控制器36可操作地连接到多个并联子电路22中的每一个并且被配置为控制每个并联子电路22分开。控制器可以可操作地连接到每个并联子电路22的逆变器26并且可以被配置为单独地控制每个逆变器26。

在一些实施例中，控制器36还可以可操作地连接到共享调谐子电路，或更具体地连接到电力传输线圈，和/或可以具有在共享调谐子电路中提供的传感器。在这些实施例中，控制器36将与共享调谐子电路和/或电力传输线圈有关的一个或多个测量值或读数作为输入。

在一些实施例中，控制器可以备选地或附加地具有在感应电能传输发射器20外部的一个或多个传感器。例如，控制器36可以可操作地连接到一个或多个测量或估计磁耦合因子(k系数)在使用时感应电能传输发射器和感应电能传输接收器之间。例如，磁耦合系数(k系数)可以由控制器通过提供小电流并查看控制器或连接的传感器获得的拾取值来测量。

控制器可以附加地或替代地可操作地连接到感应电能传输接收器或次级装置中或处的一个或多个传感器，并且可以提供与感应电能传输接收器的一个或多个参数相关的读数或测量值。例如，控制器可以可操作地连接到传感器，该传感器获取感应功率传输接收器处的负载要求的读数。在这些实施例中，控制器被配置为将来自传感器的读数作为输入并将这些读数用于处理。备选地，可以在感应电能传输接收器中提供通信模块，其可操作以将与接收器的负载要求相关的任何相关读数或测量值传送到发射器的控制器。

图16显示了控制器执行的控制过程的示例流程图。在这个例子中，控制器在步骤100被配置为从任何源接收输入数据，这允许它确定需要提供给电力传输线圈的功率/电流，以便与本发明的感应电能传输发射器从感应电能传输发射器接收恒定量的电能。

一旦控制器在步骤100接收到相关数据作为输入，如上所述，控制器然后被配置为首先基于在步骤102接收到的输入来确定功率传输线圈处的功率要求。由控制器执行的功率确定计算功率传输线圈所需的功率，以便感应功率传输接收器接收恒定水平的功率。控制器被配置为基于输入测量中的一个或多个来计算输电线圈处的必需功率。在下面的部分中描述了这种确定和可能的读数的示例实施例。

一旦控制器在步骤102确定了电力传输线圈所需的功率水平，它就继续确定所需的并联子电路的配置或布置，以便在步骤102实现电力传输线圈所需的确定功率水平104.由于本发明提供的并联布置，每个并联子电路的逆变器能够被控制以满足输电线圈所需的功率输出，如控制器在步骤102基于接收到的输入所确定的那样.通过控制逆变器的相移，可以将每个逆变器的电流输出精确地控制在最小值和最大值之间。每个并联子电路的逆变器也能够导通或关断，以便在共享调谐子电路处提供其电流输出。通过这种方式，电力传输线圈的电流和功率能够以类似于汽车变速箱的方式进行控制。

基于接收到的输入和所确定的输电线圈所需的功率水平，控制器然后被配置为确定多个并联子电路中的哪个应该被导通以及哪个应该被关断，以及那些应该导通的，每个并联子电路需要什么样的相移。该确定使得并联子电路输出的总和等于或基本等于在步骤102确定的所需功率。

步骤102和104的确定可以由控制器实时执行，或者可以备选地周期性执行，例如每30秒执行一次。备选地，可以在感应功率传输发射器启动时、在它向功率传输线圈提供任何功率并且因此向功率传输接收器提供任何功率之前执行该确定。数据可以根据确定速率或以另一速率由控制器接收作为输入，例如，可以由控制器连续地、周期性地和/或在启动时接收。

然后控制器被配置为提供一个或多个控制信号作为输出，这些控制信号可操作以在步骤106控制由多个并联子电路中的每一个提供的电流量。例如，控制器可以提供一个控制信号作为输出基于所执行的功率确定，对多个并联子电路中的每一个进行供电。或者，控制器可以将一个或多个控制信号作为输出直接提供给并联子电路中的逆变器中的每一个。在这些实施例的任一个中，控制器可以被配置成将第一控制信号输出到并联子电路和/或相应的逆变器，该信号通知并联子电路和/或逆变器它应该被导通或关断。控制器还可以被配置为向并联子电路和/或相应的逆变器输出第二控制信号，该第二控制信号向并联子电路和/或导通或运行的逆变器发信号通知它应该以什么相移运行。在备选实施例中，控制器可以将单个控制信号作为输出提供给每个并联子电路和/或逆变器，无论它应该导通还是关断，并且还发出信号如果导通，它应该以什么相移运行。

控制器被配置为分别控制每个并联子电路以确保感应功率接收器或次级设备接收到的功率是恒定的。控制器被配置为以诸如先前描述的方法提供用于或以其他方式控制并联子电路或并联子电路内的电感器以关断或导通的控制信号。因此，控制器被配置为控制并联子电路是否向共享调谐子电路和电力传输线圈提供电流。

控制器还被配置为以诸如先前描述的方法提供用于或以其他方式控制并联子电路或并联子电路内的电感器的控制信号以在操作时控制电感器的相移。因此，控制器被配置成将并联子电路提供给共享调谐子电路和电力传输线圈的电流水平控制在最小值和最大值之间。

由于本发明提供的并联布置，因此控制器能够控制在电力传输线圈处提供的电流量。控制器能够通过导通或关断多个并联子电路中的逆变器的不同组合来大步控制该电流。控制器还能够通过控制每个并联子电路中的每个逆变器的相移来控制提供给电力传输线圈的电流。因此，控制器能够控制每个逆变器的相移，以非常精细的分辨率调整并联子电路的输出电流。通过控制逆变器的相移以及导通或关断各个逆变器，可以响应于由控制器确定的电力传输线圈处的功率要求以连续的方式控制电力传输线圈处的电流。

由于本发明提供的并联布置，每个并联子电路的逆变器能够响应于电力传输线圈所需的变化的电力输出而被控制，如控制器基于接收到的输入所确定的那样。通过控制逆变器的相移，可以将每个逆变器的电流输出精确地控制在最小值和最大值之间。每个并联子电路的逆变器也能够导通或关断，以便在共享调谐子电路处提供其电流输出。通过这种方式，电力传输线圈的电流和功率能够以类似于汽车变速箱的方式进行控制。

例如，在电力传输线圈处提供的最小电流将仅涉及并联子电路逆变器之一导通并处于相移，从而产生最小逆变器输出电压Vmin和最小电流Imin进入共享子电路电路30。如果子电路30串联调谐，Imin也流入传输线圈。如果子电路30包含与传输线圈并联的电容器(例如，并联或LCL调谐)，则Imin的一部分可能流入传输线圈。然后能够调整该逆变器的相移以产生最大逆变器幅值输出电压Vmax，其产生进入共享块30的最大电流Imax(可能由单个逆变器)。同样，调谐拓扑结构子电路30确定流入传输线圈的Imax的百分比。然后，能够开启第二并联子电路逆变器，其中第一和第二逆变器都以相同的相移操作，该相移在每个逆变器输出处产生一半的Vmax。这仍然会产生电流Imax进入共享块子电路30，并且由于块28外的电流组合到子电路30中的事实，相当于只有一个逆变器在Vmax上导通。然后两个逆变器的相移是能够被调整以进一步将每个逆变器的输出电压从Vmax/2增加到Vmax，这现在使流入共享子电路30的电流加倍到2*Imax。如果输电线圈需要更多功率，则可以导通第三个并联子电路逆变器，所有三个逆变器都以相同的相移运行，在每个逆变器输出端产生2*Vmax/3。因此，流入发射线圈的电流为2*Imax。每个逆变器输出电压可以同步增加到Vmax，最终将3*Imax注入传输线圈。通过这种方式增加逆变器，可以避免逆变器输出电压过低而导致逆变器电流过大和逆变器损耗。当减少并联逆变器的数量时，同样的逻辑也适用。

现在描述替代方案。以下段落中描述的方法与上述方法不同。以上描述了一种所有逆变器输出电压始终保持相同的方法。现在描述逆变器输出电压不同的方法。在输电线圈处提供的最小电流将涉及并联子电路逆变器中的一个(一个或多个)开启并处于最小相移输出幅度。然后能够使用相移增加该逆变器的相移直至最大幅度输出。然后，第二个并联子电路逆变器能够被开启并处于最小相移输出幅度，添加到第一个运行中的逆变器的输出。然后能够使用相移增加该第二操作逆变器的相移直至最大幅度输出。如果输电线圈需要更多功率，则能够以最小相移输出幅度开启第三个并联子电路逆变器，添加到第一和第二个运行逆变器的输出.依此类推，直到所有并联子电路都导通。并联子电路逆变器能够使用相移降低它们的输出幅度并且能够被关断以减少提供给电力传输线圈的电力。

5.4示例控制实施例

参考图12至15，描述了本发明的感应电能传输发射器的控制的示例实施例。该示例实施例中的感应电能传输发射器具有两个并联子电路，每个子电路包括连接到具有固定电压的DC电源的输入、全桥逆变器和LCL型并联调谐网络。

在此示例中，初级线圈和次级线圈之间的耦合系数k，如图12的图表所示，随着感应功率传输接收器从较远的位置移动到较近的位置，从0.25变为0.57(增加了2.28倍).随着线圈进一步分开，共享调谐子电路的互感从30.6uH变为12.39uH，变化了2.46倍，如图13所示。感应电能传输发射器需要电能传输线圈处的功率来在此范围内保持不变。

由于电感的变化，当耦合系数k高于0.44时，本发明的感应电能传输发射器通过短路相应逆变器的输出来关断第一个并联子电路，如图14所示。第二个并联子电路保持导通状态。与同时导通第一和第二并联子电路相比，关断第一并联子电路将电力传输线圈处的电流减少2倍。因此，逆变器输出相位不需要改变太多。

从图15中可以看出，在耦合系数k大于0.44时，第一并联子电路通过短路相应逆变器的输出端而关断，其输出电压为零。这样，第二个并联子电路的输出电压只需要在461V和700V之间变化即可。在该实施例中，由于短路条件和谐振回路中的电压，在关断的第一逆变器中仍然存在电流循环。

本发明的布置允许比传统解决方案低25A至15A之间的关断电流，这使得能够显着降低感应功率传输发射器的开关损耗。在传统的感应功率传输系统中，高关断电流通常出现在发射器或初级中的所有逆变器中。在典型的感应功率传输系统中，由于逆变器输出电压小得多，所以会出现高开关电流。在这个示例实施例中，第一并联子电路和逆变器在关断时具有最小的或没有开关损耗，因为它的输出被短路并且没有开关。

6.变化

本文所述的感应电能传输系统可用于多种应用，用于通过感应电能传输进行充电和/或实时供电。

本文所述的实施例可用于任何合适的感应电能传输系统以用于任何合适的最终用途。例如，实施例可以用在实施电荷存储装置(例如电池、超级电容器或类似物)的感应功率传输充电的系统中，例如用于车辆或其他电气设备。或者，例如，实施例可以用于通过感应电能传输实现实时供电的系统中。可能使用这些实施例的需要无线功率传输充电或实时供电的最终用途种类的非限制性示例包括：电动车辆、电动滑板车、电动自行车、机器人、制造设备、电荷存储设备(例如电池或超级电容器)或任何其他合适的电气系统/设备(“电气设备”)。所描述的实施例可以不受限制地用于工业、商业和/或家庭情况。所描述的实施例不仅限于高功率/高电流最终用途应用。

结合本文公开的示例描述的控制器和各种说明性逻辑块、模块、电路、元件和/或组件可以用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成处理器来实现或执行电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑组件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合，旨在执行此处描述的功能。通用处理器可以是微处理器，但在备选方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器、电路和/或状态机。处理器也可以实现为计算组件的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核心，或任何其他这样的配置。

结合本文所公开的示例描述的控制方法或算法可以直接体现在硬件中、处理器可执行的软件模块中或两者的组合中，以处理单元、编程指令或其他方向的形式，并且可能包含在单个设备中或分布在多个设备中。软件模块可以驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域已知的任何其他形式的存储介质中。存储介质可以耦合到处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。或者，存储介质可以集成到处理器中。

在不脱离本发明的情况下，图中所示的一个或多个组件和功能可以被重新布置和/或组合成单个组件或体现在几个组件中。在不脱离本发明的情况下，还可以添加额外的元素或组件。此外，此处描述的特征可以在软件、硬件中作为商业方法和/或其组合来实现。

在其各个方面，本发明可以体现在计算机实现的过程、机器(例如电子设备、或通用计算机或提供可以在其上执行计算机程序的平台的其他设备)、由以下人员执行的过程这些机器，或制造的物品。这样的物品可以包括计算机程序产品或数字信息产品，其中计算机可读存储介质包含存储在其上的计算机程序指令或计算机可读数据，以及创建和使用这些制造物品的过程和机器。

本发明的前述描述包括其优选形式。在不脱离本发明的范围的情况下可以对其进行修改。

7.优点

所提出的结构使流入共享子电路的电流和随后的传输线圈电流发生更大的变化，同时确保逆变器高效运行。较大的变化可用于补偿由于未对准或次级所需功率水平变化引起的k变化。

拟议的结构允许逆变器高效安全地关断，同时确保其余逆变器能够高效安全地运行。它通过使用LCL调谐网络来实现，该网络限制禁用逆变器的短路电流并且不会使谐振回路失谐，因此其余逆变器的逆变器电流是最佳的。

每个逆变器都有一个逆变器并将它们并联连接以馈入包含传输线圈的共享网络，这有利于在保持电路特性的同时实现电流控制。当逆变器和/或并联电路断开(关断)时，其余并联子电路的功率因数和/或阻抗和/或其他特性不会改变。

调谐公共电路对于使逆变器阻抗在很大程度上是真实的很重要。当逆变器关断时，保持逆变器阻抗在很大程度上是真实的也很重要。

使用相移进行微调很重要，因为它弥合了不同逆变器组合之间的差距。

Claims (13)

1.一种感应电能传输发射器，包括：

多个用作电流源的并联子电路，每个子电路包括：

一个或多个逆变器，以及

调谐网络配置为从逆变器输出提供电流源输出，

其中，并联子电路输出耦合在一起，因此它们各自的输出电流相加，并且

耦合到并联子电路的输出的发射器线圈子电路，

其中每个并联子电路的逆变器输出可以与发射器线圈子电路耦合或去耦合。

2.一种感应电能传输发射器，其中逆变器输出可以通过操作一个或多个开关与发射器线圈子电路耦合或去耦合。

3.根据权利要求2所述的感应电能传输发射器，其中通过操作逆变器中的开关，可以将逆变器输出与发射器线圈子电路耦合或去耦合。

4.根据权利要求2或3所述的感应电能传输发射器，其中通过操作相应逆变器和调谐电路之间的一个或多个开关，可以将逆变器输出与发射器线圈子电路耦合或去耦。

5.根据权利要求2、3或4所述的感应电能传输发射器，其中通过操作相应调谐电路和发射器线圈小电路之间的一个或多个开关，可以将逆变器输出与发射器线圈子电路耦合或去耦合。

6.根据任一前述权利要求所述的感应电能传输发射器，其中所述发射器线圈子电路包括串联调谐发射器线圈和电容器。

7.根据任一前述权利要求所述的感应电能传输发射器，其中所述发射器线圈子电路包括调谐发射器线圈和电容器。

8.根据任一前述权利要求所述的感应电能传输发射器，其中所述发射器线圈子电路包括调谐发射器线圈和至少一个可变电容器和/或至少一个可变导体。

9.根据任一前述权利要求所述的感应电能传输发射器，其中耦合或去耦合每个并联子电路的逆变器输出增加或减少提供给发射器线圈子电路的电流。

10.根据任一前述权利要求所述的感应电能传输发射器，其中提供给所述发射器线圈子电路的电流可以通过改变从一个或多个逆变器输出的电流的相位来调节。

11.根据前述权利要求中任一项所述的感应电能传输发射器，包括用于感测发射器线圈和接收器之间的k系数的电路，以及用于导通或关断一个或多个逆变器和/或改变电流相位的控制器来自一个或多个逆变器的输出以向发射器线圈子电路提供电流，该子电路考虑了k系数和/或负载的变化。

12.根据前述权利要求中任一项所述的感应电能传输发射器，其中当逆变器和/或并联电路断开连接时，其余并联子电路的功率因数和/或阻抗和/或其他特性不改变。

13.一种用于向接收器提供所需功率的感应电能传输发射器，包括经由多个调谐电路耦合到发射器线圈的多个逆变器和监测发射器线圈和接收器之间的K系数的控制器，其中控制器被配置导通和/或关断逆变器以控制提供给发射器线圈的功率，以便在接收器接收到所需的功率。