[发明专利]功率转移系统及方法

说明书

一种用于将功率从电源转移至接收器的系统。

交叉引用

本专利申请要求于2019年3月12日提交的美国临时申请号62/817,159、于2019年11月12日提交的美国临时申请号62/934,309、于2019年12月6日提交的美国临时申请号62/944,645、于2020年1月2日提交的美国临时申请号62/956,479的权益，通过引用将其全部内容并入本文。

技术领域

本发明涉及功率传输器、接收器以及功率转移的系统及方法。

背景技术

在电感性功率转移(IPT)中，通常通过磁场在电线线圈之间转移功率。交流电(AC)通过传输器线圈驱动以产生振荡磁场。该磁场通过接收线圈，其中该磁场在该接收线圈中感应出交流电。该感应交流电可以直接驱动负载，或经整流为直流电(DC)，该直流电应用于驱动负载。为了实现高效率，传输器线圈及接收器线圈必须紧靠在一起。例如，常见的是传输器线圈和接收器线圈分离线圈直径的仅一部分(例如，在几厘米内)且所述线圈的轴紧密地对准。

在一些IPT系统中，采用谐振电感性耦合。谐振电感性耦合可以通过使用谐振电路来增加IPT的效率。与非谐振电感性耦合相比，谐振电感性耦合可以在更大距离处实现更高效率。在谐振电感性耦合中，通过两个谐振电路之间的磁场转移功率，一个谐振电路在传输器中且一个谐振电路在接收器中。两个电路经调谐以在相同谐振频率下谐振。

在一些IPT系统中，磁场在附近金属中产生涡流。这可能引起显著温度上升及火灾隐患。铁氧体板可以用来提供屏蔽且改进电感性耦合，但可能增加这种系统的成本。

电容性功率转移(CPT)使用电场以在两个电极(诸如金属板)之间传输功率。通常，在CPT系统中使用四个金属板来形成电容性耦合器。两个板用作功率传输器，且另两个板充当功率接收器，从而导致至少两个耦合电容器提供功率流回路。由传输器将交流电压施加至传输板。振荡电场感应接收板上的交流电位，这引起交流电在负载电路中流动。谐振也可以与电容性耦合一起使用以延伸功率转移的范围。

在CPT系统中，可以减少涡流损耗，且所使用板是低成本的且降低系统成本。然而，诸多系统的问题在于可以将高电压强加在所述板上。这种高电压可产生强电场，这导致至周围区域的显著场发射。

在CPT及IPT系统中还存在与电容性或电感性补偿网络相关联的问题。当前，CPT系统及IPT系统两者需要接收器与传输器之间的最小间距。此通常在初级侧及次级侧上的补偿网络中需要大电容器及电感器。这种大组件难以产生，且它们寄生电阻可以极大地降低系统效率。另外，这种补偿组件不直接参与功率转移程序。

仍期望具有更少组件和/或降低成本的无线功率传输器及接收器。仍期望减少对补偿网络的依赖性的无线功率传输器及接收器。仍期望具有更高效率的无线功率传输器及接收器。仍期望对它们之间的对准及间隔具有更灵活要求的无线功率传输器。

与消费性产品有关的功率转移领域变得越来越重要。在汽车领域，电线束已成为车辆的重要且昂贵的子系统。在当前十年，汽车线束市场预计将超过770亿美元。在着眼于内燃机车辆的汽油里程、这些车辆的碳排放及电动车辆里程的时代，这种线束的成本、重量及功率转移效率已成为车辆设计中的主要考虑项目。鉴于材料及组件占约57％的汽车制造成本，可以理解这种考虑。

虽然电池组技术稳步地改进以提供更高能量密度的电池组，但消费者对整合至车辆中的越来越多的辅助用户电子器件及电驱动系统的需求同时也增加。此对电池组，车辆的重量、成本及功率转移效率提出越来越高的需求。在1990年代，为汽车行业提议更高电压的电池组系统，部分是希望减轻线束重量。