[发明专利]用于感应功率传输系统的磁结构的互操作性

说明书

感应功率传输设备具有第一磁耦合结构和第二磁耦合结构，所述两个结构适于生成和/或接收磁通，从而以感应方式传输功率，所述第一结构包括基本为圆形的线圈(3)，且所述第二磁结构包括与导磁磁芯(5)关联的至少两个线圈(6、7)的布置。

技术领域

本发明涉及感应功率传输(IPT)，并且与通常称作耦合器或衬垫(pad) 的磁结构有关，所述磁结构为了以非接触方式传输功率的目的生成并接收磁通。

背景技术

IPT系统提供电的和物理的隔离，以便能够在潮湿或肮脏的环境中安全操作，因此所述系统是可靠的和免维修的。这些特点连同便利性已经带来了IPT系统的大范围应用，诸如为消费电子、自动导引车和电动车(EV)供电。典型系统的功率传输等级从0.5W(瓦)到50kW(千瓦)不等，耦合器之间的气隙在 1-150毫米。由于不需要用户的干预，所以IPT是给EV充电的理想方法。混凝土或柏油可以铺在地面型耦合结构上，使得它与使用移动部件的其它任何系统不同，是极其耐用、防破坏的。EV的非接触充电通常是通过如在变压器中的线圈之间的互耦合以感应方式实现的，然而，由于固有的大的气隙，耦合系数(k) 通常大约0.01-0.5。

IPT系统可以松散地分成分布式或集中式拓扑结构；前者适合需要连续功率的应用，后者适合只需要在固定位置传输功率的情形。分布式系统包括排列成细长环(形成轨道)的初级线圈和一个或多个次级线圈，一个或多个次级线圈耦合到轨道的一小部分，向负荷提供功率。集中式系统基于分立的初级和次级线圈，功率可以只在线圈紧密地排列并具有足够的互耦合时传输。这些系统可以被进一步分解成紧密耦合或松散耦合的类型。紧密耦合系统以相对小的气隙操作，用户通常必须“插入”初级线圈。紧密耦合系统的一个例子是针对早期的电动车提出的“充电桨(charge paddle)”。松散耦合系统以大的气隙操作，不需要用户干预，这些系统是本说明书的主题。在对EV充电的背景下提供示例性实施例，假设车辆通常泊在已知的固定位置，例如停车场、出租车站和车库，松散耦合的集中式拓扑结构被认为是最适合的。本发明涉及领域的技术人员会认识到本发明与其它IPT应用有关。在此文档中，磁耦合结构指耦合器或功率垫(power pad)。由这些结构产生的基本磁通路径通常决定任何IPT系统的总成本和可行性。

EV制造商认为工作气隙为100-250毫米(mm)的2-7kW的功率等级是实用的，因此能够以125mm气隙供应7kW的耦合器设计对汽车来说认为是基本的。此外，系统需要以足够大的水平容限(通常超过100mm)传输全功率。对于道路供电型电动车(RPEV)，期望有更大的功率等级和更大间隔的甚至更大的区域。由于大规模部署静止充电和RPEV应用的趋势，可以工作在两种应用中的功率垫是期望的。还要求它们尽可能以绝对最小的材料使用，是电学高效的和成本高效的。这些要求使得EV充电对IPT来说是高难度的应用。

典型的集中式IPT系统包括三个主要组件：如图1所示的电源、功率耦合器(通常形式为衬垫/垫)和拾取(PU)控制器。电源产生LVF频率范围的正弦电流；对于本文中提到的例子通常是20kHz。这在感应发射器(Tx.)衬垫(L₁) 和其阻抗匹配的并联补偿电容器(C₁)之间引起谐振。此方法允许L₁中的无功电流(I₁)在发射器衬垫的附近产生相对高的磁通密度，从而提高特定开关额定值的功率传输。典型的IPT PU前端由包括L₂和C₂的并联谐振箱和开关模式控制器组成。箱两端的电压被整流，开关模式控制器使得它以定义的品质因数(Q) 操作，以提高功率传输，并提供有用的DC输出。由于并联补偿的电流限制特征，并联补偿通常用在电池充电应用中。调谐有效地提高了负荷两端的谐振电压 (QV_oc)，以匹配电池电压，而负荷电流被接收器(Rx.)衬垫的短路电流固定。如果接收器衬垫流出的电流在期望的容限范围内是足够的，则IPT系统只能够供应所需的功率。实践中，匝数比被调节以实现此目的。对于上文讨论的例子，“发射器”衬垫好比初级绕组，连接到PU或形成其一部分的“接收器”衬垫结构好比是次级绕组。然而，本发明还可应用于双向系统，即功率流的方向可以翻转的系统。