用于電池充電的無線電力傳輸?shù)闹谱鞣椒?br>【專利說明】用于電池充電的無線電力傳輸
[0001]政府條款
[0002]本發(fā)明是在能源部授予的基金DE-EE0002720下利用政府支持完成的。政府享有本發(fā)明的一些權(quán)利。
[0003]相關(guān)申請的交叉引用
[0004]本申請要求2014年5月14日遞交的美國實用申請14/277,288的優(yōu)先權(quán)，并且要求2013年5月15日遞交的美國臨時申請61/823，559的權(quán)益。上述申請的全部內(nèi)容通過引用并入到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005]本公開涉及用于電池充電的無線電力傳輸。
【背景技術(shù)】
[0006]人類對化石燃料的依賴、令人震驚的石油價格的上漲以及環(huán)保意識驅(qū)動了電動車輛(EV)的大力開發(fā)和部署。通過與電網(wǎng)連接可以對電動車輛的電池進行再充電。近來，為了對這樣的電池充電，最常用的方式是在電池和充電器之間的導(dǎo)電連接；通過連接到電網(wǎng)的銅電纜來傳輸電力。然而導(dǎo)電連接存在許多缺點，諸如:(a)用戶觸電的風(fēng)險，(b)火災(zāi)隱患，(c)短路以及⑷用戶的不便。
[0007]與傳統(tǒng)的傳導(dǎo)式充電相反，對于電動車輛來說，無線充電是安全、便利以及自主的。因為與電網(wǎng)天然地隔離，所以無線充電器對用戶來說是安全的。其經(jīng)由大的間隙從發(fā)送線圈向安裝在車輛上的接收線圈傳輸電力。無線充電可以在不造成由插頭、連接器和電纜的捆扎引起的任何不便的情況下完成。因此，其成為一種自主充電系統(tǒng)。
[0008]當前的無線電力技術(shù)可以分為兩種類型:(1)磁諧振以及(2)感應(yīng)傳輸。使用無線電波的磁諧振經(jīng)常工作在數(shù)百MHz至GHz級別的頻率。這使得能夠在更大的距離應(yīng)用該方法。然而，該技術(shù)主要可在信號傳輸中使用；幾乎不可能將該技術(shù)應(yīng)用在電力應(yīng)用中。使用約幾MHz的頻率范圍的磁諧振通常具有低的耦合因數(shù)(0.1以下)。此外，在這個頻率水平工作的磁諧振充電加劇了電磁兼容性(EMC)問題，并且還對與充電器一起使用的電力電子轉(zhuǎn)換器提出了挑戰(zhàn)。
[0009]已經(jīng)在諸如電動剃須刀、移動電話、相機的電子產(chǎn)品和家庭電器中使用常規(guī)的感應(yīng)傳輸；然而這些應(yīng)用的工作范圍限制在厘米范圍內(nèi)。使用近場磁諧振現(xiàn)象的感應(yīng)電力傳輸是相對新穎的技術(shù)。該技術(shù)使用頻率的中間范圍，并且由于該技術(shù)可以在數(shù)分米到數(shù)米的范圍有效地發(fā)送高電力，因此其對諸如用于電動車輛中的電池系統(tǒng)的無線電力充電器的電力應(yīng)用來說具備吸引力。針對這樣的感應(yīng)傳輸系統(tǒng)，可以通過與外部電容器連接來適當?shù)卣{(diào)諧諧振頻率。然而，在這樣的系統(tǒng)中，在諧振頻率處發(fā)送線圈和電容器中的電壓可以容易地達到數(shù)千伏特。該高電壓阻礙了實用的感應(yīng)電力傳輸，特別是針對高電力應(yīng)用的場合尤其如此。
[0010]本部分提供了與本公開有關(guān)的背景信息，這些信息并不一定是現(xiàn)有技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本部分提供了本公開的一般概要，而不是本公開全部范圍或者其所有特征的廣泛公開。
[0012]提供了一種用于高電力應(yīng)用的無線電力傳輸系統(tǒng)。電力傳輸系統(tǒng)通常包括被配置成產(chǎn)生交變電磁場的充電單元以及被配置成從充電單元接收交變電磁場的接收單元。充電單元包括:電源；輸入整流器；逆變器；以及發(fā)送線圈。發(fā)送線圈具有被分割成η個線圈段的螺旋角(spirangle)布置，其中電容器將相鄰的線圈段互連。接收單元包括接收線圈和輸出整流器。接收線圈也具有被分割成m個線圈段的螺旋角布置，其中電容器將與相鄰的線圈段互連。
[0013]根據(jù)本文中提供的描述，其他的適用領(lǐng)域?qū)⒆兊妹黠@。本
【發(fā)明內(nèi)容】
中的這些描述和具體示例僅意在用于說明的目的，而并不意在限制本公開的范圍。
【附圖說明】
[0014]在本文中描述的附圖僅用于所選擇的實施例而非所有可能的實現(xiàn)方式的說明目的，并且不意在限制本公開的范圍。
[0015]圖1是示例無線電力傳輸系統(tǒng)的示意圖；
[0016]圖2是具有被分布式電容器所互連的線圈段的示例發(fā)送線圈的示意圖；
[0017]圖3A是描述了用于在無線電力傳輸系統(tǒng)中使用的示例線圈布置的頂視圖；
[0018]圖3B是描述了圖3A中示出的示例線圈布置的側(cè)視圖；
[0019]圖4A至圖4C是具有不同尺寸的示例線圈布置的透視圖；
[0020]圖5A至圖5C是具有不同形狀的示例線圈布置的透視圖；
[0021]圖6A和圖6B是示出了具有不同輪廓的線圈段中的渦流分布的示圖；
[0022]圖7A至圖7C是被配置成減少渦流損耗的線圈布置的透視圖、頂視圖和側(cè)視圖；
[0023]圖8A至圖8D是具有多個層的線圈布置的透視圖；
[0024]圖9A和圖9B是具有多個層的線圈布置的頂視圖和側(cè)視圖；
[0025]圖10是具有磁芯的示例線圈布置的透視圖；
[0026]圖11是描述了具有充電單元的無線電力傳輸系統(tǒng)的另一個實施例的示圖，其中，該充電單元配置有發(fā)送線圈的陣列；
[0027]圖12是描述了發(fā)送線圈的陣列的示例實施例的示圖；
[0028]圖13A至圖13C是進一步被配置成發(fā)送校準信號的接收單元的示圖；
[0029]圖14是描述了用于改進電力傳輸系統(tǒng)中的傳輸?shù)氖纠椒ǖ牧鞒虉D；
[0030]圖15是描述了充電側(cè)的用于處理校準信號的示例布置的示圖；
[0031]圖16是描述了用于檢測可能干擾電力傳輸?shù)膶ο蟮氖纠椒ǖ牧鞒虉D；
[0032]遍及附圖的若干示圖，相應(yīng)的參考標記表示相應(yīng)的部分。
【具體實施方式】
[0033]現(xiàn)在將參考附圖更全面地描述示例實施例。
[0034]圖1描述了示例無線電力傳輸系統(tǒng)10。無線電力傳輸系統(tǒng)10通常包括充電單元100和接收單元150。充電單元100被配置成產(chǎn)生交變電磁場；而接收單元150被配置成從充電單元接收交變電磁場。在一個實施例中，充電單元100被實現(xiàn)為放置在車庫中的板(pad)而接收單元150被耦接到電動車輛或者混合動力車輛的下側(cè)。電力傳輸系統(tǒng)10的其他應(yīng)用也落入到本公開的范圍之內(nèi)。
[0035]充電單元100包括電源110、整流器120、逆變器130以及發(fā)送線圈或者電路140。整流器120被配置成從電源110接收交流(AC)輸入信號，并將AC輸入轉(zhuǎn)換成直流(DC)電力。在一個實施例中，整流器120包括二極管橋122、輸入電感器124以及輸入電容器126。本公開構(gòu)思了整流器120的其他電路布置。
[0036]逆變器130被配置成從整流器120接收DC電力，并將DC電力轉(zhuǎn)換成期望諧振頻率的AC輸出信號。發(fā)送線圈140再從逆變器130接收AC輸出信號并產(chǎn)生交變電磁場。本公開也構(gòu)思了逆變器的各種電路布置。
[0037]該系統(tǒng)10的一個重要方面是以設(shè)計好的磁諧振頻率工作的充電單元100和接收單元150?？梢酝ㄟ^將發(fā)送線圈140與集總電容器(lumped capacitor) 142串聯(lián)連接并將接收線圈160與電容器162并聯(lián)連接來獲得該諧振頻率。其也可以通過其他方