專利名稱：感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)拾波電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT或IPT)系統(tǒng)。更具體地 說，本發(fā)明涉及消除對DC電感器需要的改進(jìn)的IPT拾波電路。
背景技術(shù)：
IPT系統(tǒng)對于許多工業(yè)應(yīng)用是公知的，并且在傳統(tǒng)方法不能滿意 地執(zhí)行例如打掃房間、搬家、材料處理以及電池充電方面具有特別的 優(yōu)點(diǎn)。
基本IPT系統(tǒng)包括三個主要部件，即電源、通常包括細(xì)長導(dǎo)電 路徑的初級軌道或線圏、以及能量以無接觸的方式從初級導(dǎo)電路徑轉(zhuǎn) 移到其上的一個或多個拾波器。在美國專利說明書第5293308號(Boys 等人)中描述了一種IPT系統(tǒng)的操作，其內(nèi)容通過參考結(jié)合于此。
圖l示出了典型的IPT系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，電源1借助電感LT 以恒定電流IT驅(qū)動細(xì)長"軌道"導(dǎo)體2。拾波電感器L通過來自截取 通量的軌道導(dǎo)體的部分通量在其內(nèi)感應(yīng)電壓。在輸入到切換模式控制 器電路5之前，利用拾波補(bǔ)償電路3使該感應(yīng)的電壓諧振并利用整流 器4使其整流，切換模式控制器電路5在輸出端6處產(chǎn)生供電外部負(fù) 載的DC輸出電壓。在大多數(shù)應(yīng)用中，拾波補(bǔ)償是在操作頻率下調(diào)諧 "的并聯(lián)電容器，并且切換模式控制器以美國專利說明書5293308中 描述的方式通過解耦拾波器來操作。在這些情況下，切換模式控制器 是上變換器并且到切換模式控制器的輸入是DC電感器以便整流器用 作簡單的扼流圏輸入濾波器。
如在圖2中更詳細(xì)地示出的那樣，這種并聯(lián)調(diào)諧的拾波控制器電 路應(yīng)用廣泛且耐用。電容器Q用于將拾波電感器"調(diào)諧到所需頻率。 DC電感器被引用為LDC，并且濾波電容器C。c設(shè)置在負(fù)載R兩端。開關(guān)s可以根據(jù)需要在大范圍的切換頻率下操作用來為特定應(yīng)用控制 從軌道到拾波線圏的功率通量。
在操作中，通過開關(guān)s控制從軌道得到的功率以匹配負(fù)載電阻器 R所需的功率。如果需要的輸出功率高，那么對于較高百分比的時間 S是"斷開"，并且如果需要的輸出功率低，那么對于較高百分比的 時間S是"接通"。以這種方式，控制從初級導(dǎo)電路徑到拾波電路的 功率轉(zhuǎn)移以使輸出電壓基本保持恒定，而同時負(fù)載可能變化。在實(shí)際
中，輸出電壓被調(diào)節(jié)在所需值的±10%的范圍內(nèi)。對于電壓的10%或 更高，開關(guān)完全接通，而對于電壓的10%或更低，開關(guān)完全斷開。 然而，在電路應(yīng)用中，存在很多缺點(diǎn)
1. 即使電路被完全調(diào)諧，在拾波線圈中流動的電流感應(yīng)返回到 軌道導(dǎo)體中的電壓，其不與軌道導(dǎo)體中的電流完全同相，使得電路在 軌道上并因此在電源上放置無功負(fù)載。
2. DC電感器中的DC電流從拾波電路得到諧波電流并且軌道 導(dǎo)體中的這些感應(yīng)的諧波電壓可能引起EMI/RFI,并且也降低了性 能。在許多情況下，這些諧波由于DC電感器中的斷續(xù)電流而引起并 且該事件導(dǎo)致功率明顯損失。因此需要大DC電感器來防止斷續(xù)電流。
3. 拾波電路中的無功功率對拾波電路中的部件產(chǎn)生應(yīng)力。
4. DC電感器物理上較大，并且是昂貴的部件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種克服或改良前述缺點(diǎn)中至少一個的
IPT拾波電路、系統(tǒng)或方法。
可選地，本發(fā)明的目的是提供一種至少為公眾提供有用選擇的
IPT拾波電路、系統(tǒng)或方法。
因此，在第一方面，本發(fā)明在于一種IPT拾波電路，其具有 諧振電路，其包括拾波電感器和與拾波電感器并聯(lián)的調(diào)諧電容； 控制裝置，用于控制向拾波電路的功率轉(zhuǎn)移；以及 功率調(diào)節(jié)阻抗，被選擇成提供諧振電路中所需的功率因數(shù)。優(yōu)選的是，所需的功率因數(shù)是整功率因數(shù)。
優(yōu)選的是，功率調(diào)節(jié)阻抗包括電感元件。在優(yōu)選的實(shí)施例中，電 感元件設(shè)置在諧振電路和整流器裝置之間。
優(yōu)選的是，電感元件具有選擇成與拾波電感器的電感基本相同幅 值的電感。調(diào)諧電容可以包括多于一個連接成提供倍流器的電容元 件。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，功率調(diào)節(jié)阻抗包括連接在電容元件中的兩個 的^^共端和整流器之間的電感元件。
優(yōu)選的是，功率調(diào)節(jié)阻抗包括連接在調(diào)諧電容和電感元件之間以 補(bǔ)償電路上的整流器裝置的無功負(fù)載的補(bǔ)償電容元件。補(bǔ)償電容元件 可以被選擇成具有抵消電路的超前功率因數(shù)的電容性電抗。
在另一方面，本發(fā)明在于一種IPT拾波電路，其具有: 諧振電路，其包括拾波電感器和與拾波電感器并聯(lián)的調(diào)諧電容； 整流器裝置，用于整流來自諧振電路的電流以將電流提供給負(fù) 載；以及
設(shè)置在諧振電路和整流器裝置之間的電感元件。
在另一方面，本發(fā)明在于一種IPT系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有初級導(dǎo)電 路徑和包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的拾波電路的拾波器。
還在另一方面，本發(fā)明在于一種調(diào)節(jié)在IPT系統(tǒng)拾波器中感應(yīng) 的功率的方法，該方法包括在拾波器中提供功率調(diào)節(jié)阻抗來為諧振電 路提供功率因數(shù)校正的步驟。
優(yōu)選的是，該方法包括在拾波器的諧振電路和整流器之間提供功 率調(diào)節(jié)阻抗的步驟。功率調(diào)節(jié)阻抗可以包括電感元件。
優(yōu)選的是，該方法包括在拾波器的諧振電路和電感之間提供補(bǔ)償 電容以補(bǔ)償電路上的整流器裝置的無功負(fù)載的步驟。
本發(fā)明也廣泛地包括文中所描述的任何新的特征或這些特征的組合。
本發(fā)明的其它方面將從以下描述中變得更顯而易見。


下面將參考附圖借助實(shí)例描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中 圖l是已知的IPT系統(tǒng)的示意性示圖； 圖2是已知的并聯(lián)調(diào)諧拾波電路的電路圖； 圖3是一種根據(jù)本發(fā)明新的并聯(lián)調(diào)諧拾波電路的電路圖； 圖4是用于模擬圖2的拾波電路的電路圖； 圖5和圖6是分別在圖4電路的諧振電路和負(fù)載中電流和電壓與 時間的曲線圖7是用于在沒有DC電感器的情況下模擬圖2的拾波電路的電
路圖8和圖9是分別在圖7電路的諧振電路和負(fù)載中電流和電壓與 時間的曲線圖IO是用于模擬圖3的拾波電路的電路圖11和12是分別在圖10電路的諧振電路和負(fù)載中電流和電壓 與時間的曲線圖13是用于模擬包括電流倍增器的圖3的拾波電路的電路圖14和15是分別在圖13電路的諧振電路和負(fù)載中電流和電壓 與時間的曲線圖16是為整功率因數(shù)所需的電容電抗補(bǔ)償?shù)那€圖；以及
圖17是用于根據(jù)本發(fā)明的整功率因數(shù)IPT拾波系統(tǒng)的電路圖。
具體實(shí)施例方式
在圖3示出的新的電路中，圖1的拾波補(bǔ)償電路包括并聯(lián)電容， 如前所述但也使用功率調(diào)節(jié)阻抗來提供所需的功率因數(shù)，并且沒有 DC電感器。如下所述，功率調(diào)節(jié)阻抗可以是單個電感部件或多個部 件。在圖3中，功率調(diào)節(jié)阻抗包括位于諧振電路和整流器之間的串聯(lián) 電感器L2。該電路的其余部分與圖2的電路相同。電感器L2被選擇 成具有與拾波線圏"的電感基本相同(最優(yōu)選的是完全相同)的電 感，并且如前所述準(zhǔn)確選擇調(diào)諧電容器C以將拾波電感調(diào)諧到諧振頻率。并不需要DC電感器LDc，這明顯節(jié)約了成本并節(jié)省了空間。
可以通過比較拾波器反射回到軌道電路上的負(fù)載進(jìn)行電路之間 的比較。下式給出了對于圖2的電路反射到初級軌道的理想阻抗
r丄2 8 Z2
這里，第一項(xiàng)是期望的項(xiàng)并且對應(yīng)于有效功率通量，而第二項(xiàng)是 無功功率通量并且用作解諧軌道電路。在這方面，解諧是恒定的并且
不受負(fù)載波動(即，R的變化)的影響但受M、軌道和拾波線圈之間 互感的變化的影響。在其中移動拾波器或拾波器相對于軌道可移動的 系統(tǒng)中，由于拾波器沿著軌道移動，因此這些變化總是隨著拾波器輕 孩￡地從一端彎曲到另 一端而發(fā)生。
借助圖3的電路，下式給出了理想的反射阻抗
現(xiàn)在看到反射阻抗是純阻性的-它在考慮有效功率但完全消除 了無功分量的情況下是相同的?？梢钥闯觯捎谡髌鞯牟煌瑒幼?， 等效電阻器在這兩個表達(dá)式之間略微變化。
如果沒有整流器和純阻性負(fù)載，則對于Zr的這些表達(dá)式是精確 的，但在有二極管整流器的情況下，損失了精度。借助圖2的原始電 路，在精度方面的損失可能難以補(bǔ)償，除了通過文中描述的新的電路 補(bǔ)償才可能。
測得的性能
現(xiàn)在提供用于四個條件的關(guān)于新的拾波結(jié)構(gòu)的性能的測量，與圖
2的舊電路相比其包括功率調(diào)節(jié)阻抗。在每種情況下，拾波線圏L
中的電流和感應(yīng)電壓作為一個曲線圖被示出，并且負(fù)載中的電流和電 壓作為另一曲線圖被示出。實(shí)際上，在拾波器操作的同時不能觀察感 應(yīng)電壓，因此，這里所有結(jié)果作為計算機(jī)模擬結(jié)果被示出。除了在其
中使用倍流器的最后一個電路(圖13)之外，這些電路全部用于額定 的相同功率。這些電路是
1."原始"電路(圖4)，其中，圖5共享拾波線圈中的電流
8和電壓，并且圖6示出了負(fù)載中的電流和電壓。
2. 沒有DC電感器的"原始"電路(圖7)，其中，圖8示出 了拾波線圏中的電流和電壓，并且圖9示出了負(fù)載中的電流和電壓。
3. 新的電路(圖10),同時圖11示出了拾波線圏中的電流和 電壓，并且圖12示出了負(fù)載中的電流和電壓。
4. 具有倍流器的新的電路(圖13)，同時圖14示出了拾波線 圏中的電流和電壓，并且圖15示出了負(fù)載中的電流和電壓。
這里，這些電路在無控制器的理想條件下被模擬測試，使得每個 電路在可以持續(xù)的最大功率下操作。所有電路在38.4kHz下操作，其 中負(fù)載電阻器R為20歐姆(Ohm)。感應(yīng)的拾波線圏電壓在所有情 況下^皮假定為3.0Vrms。
圖4至6示出了原始電路在感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流之間具有明顯的 滯后相移。當(dāng)移除DC電感器Lnc (圖7至9)時，該相移更嚴(yán)重并 且功率降低了 33%。該降低是由具有斷續(xù)整流器輸出電流的不良功率 因數(shù)引起的，這也易于產(chǎn)生諧波。
新的電路(圖IO至12)示出了具有在基本同相的拾波電感器中 的感應(yīng)電壓和電流以及接近類似整流的正弦波的負(fù)載電流的極好的 功率因數(shù)。由于具有和沒有DC電感器Loc的不同整流器的作用，該 輸出電壓低于圖4至6的電路中的輸出電壓。新的電路實(shí)際上示出了 由拾波電路上的二極管整流器的無功負(fù)載引起的稍微超前的功率因 數(shù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，電感器L2可以選擇或調(diào)整成提供期 望的功率因數(shù)，和/或另外的部件可以用作功率調(diào)節(jié)阻抗的一部分，例 如，與L2串聯(lián)的電容器可以用于補(bǔ)償超前功率因數(shù)。圖17示出了具 有包括的該補(bǔ)償電容器C3的完整電路。
當(dāng)補(bǔ)償電容器C3用于與L2串聯(lián)時，該電容器的值必須被標(biāo)準(zhǔn)化 選擇成L^d-L2部件的電抗，如注意的那樣這優(yōu)選是都具有相同的電 抗。圖16給出了作為標(biāo)準(zhǔn)化為拾波電感器L中的感應(yīng)電壓的輸出DC 電壓的函數(shù)的C3的電抗值。該曲線圖示出了與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相比的 計算機(jī)模擬值。例如，如果感應(yīng)的拾波電壓是3V rms并且所需的輸
9出電壓是6V DC，那么功率因數(shù)比是2，0。根據(jù)圖16，對于2.0的比 率，所需的校正是0.6并且對于串聯(lián)電容器所需的電抗是L廣C廣L2部 件的電抗的0.6倍。因此，對于Q所需的電抗是L2的電抗的0.6倍。 該校正使得功率調(diào)節(jié)阻抗完全抵消了如上所述的超前功率因數(shù)。
通過電流倍增器，諸如用于該實(shí)例的倍流器，輸出電流(參考圖 13至15)剛好是電路3的兩倍(圖IO至12)使得輸出電壓是相同負(fù) 載電阻器R的兩倍。可以通過分割調(diào)諧電容C(通過提供多個串聯(lián)電 容器，如圖17中的Q和C2，無論需要什么比率)以及在調(diào)諧電容器 的公共端和整流器之間連接電感器L2而相對容易地得到該倍增動作。 可以對圖2的電路使用相同的倍增操作但具有明顯的限制。
比較電路1和3的功率因數(shù)，對于電路l，在電流為360 mA處 輸入電壓是3V，并且在電流為0.195A處輸出電壓(每個二極管準(zhǔn)許 0.35V)為4.6伏，因此電路的功率因數(shù)是0.83。對于電路3，在電流 為0.155A處輸出電壓為3.8V，在電流為200mA處輸入電壓為3V， 得出的功率因數(shù)為0.98。這是非常明顯的改進(jìn)，其清楚示出了對控制 器的不同輸入電流。因此在這方面，可以期望新的電路比原始控制器 更明顯有效。
該新的電路易于制造并且提供比舊電路更好的靈活性。這更有效 并且具有較高的功率因數(shù)。該新的電路使用諸如具體值的AC電感器 L2之類的功率調(diào)節(jié)阻抗，與使用"大"DC電感器Loc的舊電路相比， 新的電感器更小且成本更低。在拾波控制器中使用由簡單電容器制成 的電流倍增器的能力也明顯改進(jìn)。該新的電路也具有的優(yōu)點(diǎn)是，無功 功率的減少和消除減少了對各部件的應(yīng)力。該電路具有的優(yōu)點(diǎn)是，具 有極好的功率因數(shù)和調(diào)諧特性的串聯(lián)調(diào)諧拾波器，但這里減少了諸如 諧振電容器之類的部件兩端的電壓。
在實(shí)際電路中，新技術(shù)也具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)。在圖2的電路中， 二極管整流器通過直接源自d的換向電流換向。因此，反向恢復(fù)電 流本質(zhì)上未受限制并且這些大電流的確引起明顯的射頻干擾(RFI)。 然而，在新的電路中，反向恢復(fù)電流源自L2,電流變化的換向di/dt
10比因此被更好地控制導(dǎo)致較低電流峰值和較少RFI。
在前述描述中參考具有已知等效物的本發(fā)明的具體部件或完整 部件，如果單獨(dú)闡述，那么在文中結(jié)合這些等效物。盡管已經(jīng)通過實(shí)
例并參考其可能的實(shí)施例描述本發(fā)明，但要理解，在不背離本發(fā)明的 范圍的情況下，可以對其進(jìn)行修改或改進(jìn)。
如果上下文中沒有明確要求相反的解釋，術(shù)語"包括"和諸如"包 括"的變型在該文檔中應(yīng)該被解釋為包含的意思。
貫穿說明書，現(xiàn)有技術(shù)的任何討論決不認(rèn)為承認(rèn)該現(xiàn)有技術(shù)為廣 泛已知的或該現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成本領(lǐng)域中通用知識的部分。
權(quán)利要求
1. 一種IPT拾波電路，具有諧振電路，其包括拾波電感器和與拾波電感器并聯(lián)的調(diào)諧電容；控制裝置，用于控制向拾波電路的功率轉(zhuǎn)移；以及功率調(diào)節(jié)阻抗，被選擇成提供諧振電路中所需的功率因數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的IPT拾波電路，其中，所需的功率因 數(shù)是整功率因數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的IPT拾波電路，其中，功率調(diào)節(jié) 阻抗包括電感元件。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的IPT拾波電路，其中，電感元件設(shè)置 在諧振電路和整流器裝置之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的IPT拾波電路，其中， 電感元件具有選擇成與拾波電感器的電感基本相同幅值的電感。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的IPT拾波電路，其中，調(diào) 諧電容包括多于一個連接成提供倍流器的電容元件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的IPT拾波電路，其中，功率調(diào)節(jié)阻抗 包括連接在電容元件中的兩個的公共端和整流器之間的電感元件。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的IPT拾波電路，其中，功 率調(diào)節(jié)阻抗包括連接在調(diào)諧電容和電感元件之間以補(bǔ)償電路上的整 流器裝置的無功負(fù)載的補(bǔ)償電容元件。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的IPT拾波電路，其中，補(bǔ)償電容元件 被選擇成具有抵消電路的超前功率因數(shù)的電容電抗。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的IPT拾波電路，其中， 整流器將電流提供給與負(fù)載并聯(lián)的濾波電容器。
11. 一種IPT拾波電路，具有諧振電路，其包括拾波電感器和與拾波電感器并聯(lián)的調(diào)諧電容； 整流器裝置，用于整流來自諧振電路的電流以將電流提供給負(fù) 載；以及設(shè)置在諧振電路和整流器裝置之間的電感元件。
12. —種基本如參考附圖3和10-17所示的實(shí)施例中任一個所述 的IPT拾波電路。
13. —種具有包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的拾波電路的 初級導(dǎo)電路徑和拾波器的IPT系統(tǒng)。
14. 一種調(diào)節(jié)在IPT系統(tǒng)拾波器中感應(yīng)的功率的方法，所述方 法包括在拾波器中提供功率調(diào)節(jié)阻抗來為諧振電路提供功率因數(shù)校 正的步驟。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括在拾波器的諧振電路和 整流器之間提供功率調(diào)節(jié)阻抗的步驟。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，功率調(diào)節(jié)阻抗包括電 感元件。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，還包括在拾波器的諧振電路 和電感之間提供補(bǔ)償電容以補(bǔ)償電路上的整流器裝置的無功負(fù)載的 步驟。
18. —種基本如參考附圖3和10-17所示的實(shí)施例中任一個所述 的IPT系統(tǒng)。
19. 一種調(diào)節(jié)在如參考附圖3和10-17所示的實(shí)施例中任一個所 述的IPT系統(tǒng)拾波器中感應(yīng)的功率的方法。
全文摘要
提供一種感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT或IPT)拾波電路，其包括設(shè)置在諧振電路和整流器裝置之間的電感元件L₂。不需要DC電感器。電感元件L₂被選擇成具有與拾波線圈L₁的電感基本相同的電感，從而減少或消除反射阻抗的無功分量。
文檔編號H02M7/00GK101490943SQ200780025904
公開日2009年7月22日 申請日期2007年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月30日
發(fā)明者J·T·博伊斯 申請人:奧克蘭聯(lián)合服務(wù)有限公司