[发明专利]用于电池充电的无线电力传输

说明书

政府条款

本发明是在能源部授予的基金DE-EE0002720下利用政府支持完成的。政府享有本发明的一些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年5月14日递交的美国实用申请14/277,288的优先权，并且要求2013年5月15日递交的美国临时申请61/823,559的权益。上述申请的全部内容通过引用并入到本文中。

技术领域

本公开涉及用于电池充电的无线电力传输。

背景技术

人类对化石燃料的依赖、令人震惊的石油价格的上涨以及环保意识驱动了电动车辆(EV)的大力开发和部署。通过与电网连接可以对电动车辆的电池进行再充电。近来，为了对这样的电池充电，最常用的方式是在电池和充电器之间的导电连接；通过连接到电网的铜电缆来传输电力。然而导电连接存在许多缺点，诸如：(a)用户触电的风险，(b)火灾隐患，(c)短路以及(d)用户的不便。

与传统的传导式充电相反，对于电动车辆来说，无线充电是安全、便利以及自主的。因为与电网天然地隔离，所以无线充电器对用户来说是安全的。其经由大的间隙从发送线圈向安装在车辆上的接收线圈传输电力。无线充电可以在不造成由插头、连接器和电缆的捆扎引起的任何不便的情况下完成。因此，其成为一种自主充电系统。

当前的无线电力技术可以分为两种类型：(1)磁谐振以及(2)感应传输。使用无线电波的磁谐振经常工作在数百MHz至GHz级别的频率。这使得能够在更大的距离应用该方法。然而，该技术主要可在信号传输中使用；几乎不可能将该技术应用在电力应用中。使用约几MHz的频率范围的磁谐振通常具有低的耦合因数(0.1以下)。此外，在这个频率水平工作的磁谐振充电加剧了电磁兼容性(EMC)问题，并且还对与充电器一起使用的电力电子转换器提出了挑战。

已经在诸如电动剃须刀、移动电话、相机的电子产品和家庭电器中使用常规的感应传输；然而这些应用的工作范围限制在厘米范围内。使用近场磁谐振现象的感应电力传输是相对新颖的技术。该技术使用频率的中间范围，并且由于该技术可以在数分米到数米的范围有效地发送高电力，因此其对诸如用于电动车辆中的电池系统的无线电力充电器的电力应用来说具备吸引力。针对这样的感应传输系统，可以通过与外部电容器连接来适当地调谐谐振频率。然而，在这样的系统中，在谐振频率处发送线圈和电容器中的电压可以容易地达到数千伏特。该高电压阻碍了实用的感应电力传输，特别是针对高电力应用的场合尤其如此。

本部分提供了与本公开有关的背景信息，这些信息并不一定是现有技术。

发明内容

本部分提供了本公开的一般概要，而不是本公开全部范围或者其所有特征的广泛公开。

提供了一种用于高电力应用的无线电力传输系统。电力传输系统通常包括被配置成产生交变电磁场的充电单元以及被配置成从充电单元接收交变电磁场的接收单元。充电单元包括：电源；输入整流器；逆变器；以及发送线圈。发送线圈具有被分割成n个线圈段的螺旋角(spirangle)布置，其中电容器将相邻的线圈段互连。接收单元包括接收线圈和输出整流器。接收线圈也具有被分割成m个线圈段的螺旋角布置，其中电容器将与相邻的线圈段互连。

根据本文中提供的描述，其他的适用领域将变得明显。本发明内容中的这些描述和具体示例仅意在用于说明的目的，而并不意在限制本公开的范围。

附图说明

在本文中描述的附图仅用于所选择的实施例而非所有可能的实现方式的说明目的，并且不意在限制本公开的范围。

图1是示例无线电力传输系统的示意图；

图2是具有被分布式电容器所互连的线圈段的示例发送线圈的示意图；

图3A是描述了用于在无线电力传输系统中使用的示例线圈布置的顶视图；

图3B是描述了图3A中示出的示例线圈布置的侧视图；

图4A至图4C是具有不同尺寸的示例线圈布置的透视图；

图5A至图5C是具有不同形状的示例线圈布置的透视图；

图6A和图6B是示出了具有不同轮廓的线圈段中的涡流分布的示图；

图7A至图7C是被配置成减少涡流损耗的线圈布置的透视图、顶视图和侧视图；

图8A至图8D是具有多个层的线圈布置的透视图；

图9A和图9B是具有多个层的线圈布置的顶视图和侧视图；

图10是具有磁芯的示例线圈布置的透视图；