[发明专利]无线功率输送装置

说明书

一种用于电容感应式功率输送的无线功率输送设备，所述设备具有由导电部件隔开的初级和次级装置。所述初级装置具有至少两个传输器板，所述传输器板被配置成以电容方式与所述导电部件耦合，以感应电流并在所述导电部件中产生磁场。所述次级装置可连接到负载并具有接收线圈，所述接收线圈被配置成以感应方式与所述导电部件耦合。

技术领域

本发明涉及无线功率输送系统，并且具体地但非唯一地与使用感应或电容(无线)功率输送拓扑的系统相关。

具体地，尽管不是唯一地，本发明旨在提供一种改进的电路拓扑，其使得能够使用组合的电容和感应耦合来穿过导电表面以无线方式输送功率。另外，这种方法还减少了涡电流的影响和系统损耗，由此减小了系统大小和成本，并改进了能量密度和可靠性。

背景技术

无线功率输送(WPT)最初由特斯拉在1891年提出，其目的是使用近场电磁感应在不进行直接电连接的情况下输送功率。随着功率电子技术的发展，WPT技术因其灵活性、便利性和安全性方面的优点而被广泛研究并应用于许多领域，例如电动机、消费电子产品、医疗植入物和运输系统。

感应功率输送(IPT)和电容功率输送(CPT)分别是基于磁场耦合和电场耦合的两种最流行的WPT技术。大多数WPT系统具有不导电的功率输送通道，例如空气和绝缘材料。但在许多实际应用中，在初级电源和次级电负载之间通常存在金属屏障，例如用于通过金属后盖为移动电子装置充电，穿过金属船体为探鱼器供电，以及将功率输送到金属容器中。在这些应用中，功率通常通过直接连接或甚至通过钻孔以使驱动电缆穿过金属屏障来输送。然而，这种解决方案可能会导致水密性、结构和维护问题，因此希望在这些应用中实现无线功率输送。

尽管如此，现有的WPT电源不适于穿过导电屏障输送功率。IPT系统涉及金属屏障内部大的涡电流，这可能会导致高损耗和安全性问题，并且金属屏障会屏蔽功率流。类似地，对于具有两对耦合板的典型CPT系统，一些文献主张CPT系统可以穿过金属屏障输送功率。实际上，只要不完全屏蔽耦合电场，常规CPT系统就只能穿过金属屏障输送功率。当两个传输板都由金属屏障完全覆盖时，常规CPT系统无法穿过金属屏障输送功率，因为接收板附近的电场密度几乎相同且功率被阻挡。

本领域的研究人员已尝试通过减小金属屏障中的涡电流效应来改进IPT系统。本领域中的一些先前实施方案包含：

i.一种低工作频率为50Hz的大型感应功率输送系统，用于向在由金属壁覆盖的空间中工作的电传感器或装置供应功率；这种实施方案的结果显示，可以穿过1mm厚的不锈钢壁向LED供应3W的电功率，

ii.可以使用两个耦合线圈穿过钢管进行功率输送；这种实施方案的结果指示，在100Hz频率下实现10V的最大开路电磁力(EMF)，但未给出最终的功率输送容量，以及

iii.穿过厚度为20mm、直径为130mm的不锈钢磁盘输送功率的IPT系统；结果指示，对于传感器应用，在500Hz工作频率下实现几毫瓦的输出功率。

然而，上述方法的局限性可主要归因于低工作频率。此外，所有这些IPT系统在50Hz至500Hz电平的极低工作频率下运行，以减小涡电流损耗。增大这些系统的工作频率可能是昂贵的解决方案。由于低工作频率，传输线圈的大小必须相对较大以在拾波线圈上产生足够的EMF，否则输出功率将会极低。

本发明涉及通过提供一种改进的电路拓扑以解决先前开发的IPT系统中发现的一些缺点从而克服上文阐述的问题中的一个或多个。

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发明内容

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