模块化高效无线功率传输系统技术方案

一种装置，包括：沿着装置周边布置的多个线圈，每一线圈包括一个绕组，该绕组被配置为通过一个谐振电容耦合到一个功率变换器，且该线圈与所述谐振电容组成一个谐振器；一个磁耦合到所述多个线圈的联接磁芯；以及多个功率变换器。每个功率变换器耦合到所述多个线圈中的一个，且配置成使得流过所述线圈的绕组的电流具有与所述装置的其它绕组的电流相同的频率，且其相角大约等于线圈的空间角度，因此在所述装置周围的一个空间中形成一个旋转磁场。

Modular and efficient wireless power transmission system

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】模块化高效无线功率传输系统相关申请的交叉引用本申请涉及并要求于2017年9月17日提交的标题为“模块化高效无线功率传输系统”的美国临时专利申请第62/559，592号的优先权，该申请通过引用的方式并入本文。
本专利技术涉及功率变换和功率电子装置和系统，在具体实施例中，尤其涉及高效无线功率传输系统。
技术介绍
由于有更好的用户体验和对恶劣环境更好的耐受性，对于许多应用来说无线功率传输(WPT)是一门很有用的技术。尽管WPT的基本理论已存在多年，并且近年来WPT产品已经在一些应用中使用，实现低成本高效率的无线功率传输仍然是一个技术挑战。此外，WPT系统产生的EMI和噪声可能对电子设备形成干扰，在与其临近的环境里也可能对人体和其他动物形成危害，这是提高时WPT系统的功率需要特别关注的问题。因此，需要改进现有技术以设计具有良好性能的无线充电系统，目标包括以高效率，低磁辐射和低成本实现更大功率的WPT系统。
技术实现思路
通过本专利技术所提供的基于先进的谐振功率转换的WPT系统的改进优选实施例，上述和其他问题总体上可得以解决或避免，并且总体上实现了技术优势。根据本专利技术的一个实施例，一种装置包括：沿着装置周边布置的多个线圈，每一线圈包括一个绕组，该绕组被配置为通过一个谐振电容耦合到一个功率变换器，且该线圈与所述谐振电容组成一个谐振器；一个磁耦合到所述多个线圈的联接磁芯；以及多个功率变换器。每个功率变换器耦合到所述多个线圈中的一个，且配置成使得流过所述线圈的绕组的电流具有与所述装置的其它绕组的电流相同的频率，且其相角大约等于线圈的空间角度，因此在所述装置周围的一个空间中形成一个旋转磁场。根据本专利技术的另一个实施例，一种系统包括：有一个输入电压的一个输入端口；与所述输入端口耦合的第一功率变换器，其包括有多个第一功率开关的第一开关网络；有一个输出电压和一个输出电流的一个输出端口；与所述输出端口耦合的第二功率变换器，其包括有多个第二功率开关的第二开关网络；一个有多个谐振器的谐振功能块，每个谐振器包括一个谐振电容，其中所述多个谐振器的第一谐振器耦合到所述第一功率变换器，且所述多个谐振器的第二谐振器耦合到所述第二功率变换器；以及一个联接功能块，其包括一个开关器件并耦合到所述第一谐振器，其中所述联接功能块，所述第一谐振器和所述第二谐振器配置为使得本系统在所述谐振功能块被激活时运行在无线充电模式，在所述联接块被激时运行在有线充电模式。根据本专利技术的又一个实施例，一种方法包括：配置一个系统的一个输出端口使其具有一个输出电压和一个输出电流；提供多个第一谐振器，其中每个第一谐振器包括第一谐振电容和第一线圈，并且其中所述第一线圈沿着第一周边放置，且通过所述第一谐振电容所述第一线圈联接到多个第一功率变换器，其包括多个第一功率开关；提供多个第二谐振器，其中每个第二谐振器包括第二谐振电容和第二线圈，并且其中所述第二线圈沿着第二周边放置，且通过所述第二谐振电容所述第二线圈耦合到多个第二功率变换器，其包括多个第二功率开关；在所述第一线圈和所述第二线圈之间建立磁耦合；以及配置一个控制器以控制所述系统，以在一个运行模式下在所述第一线圈和所述第二线圈之间建立一个旋转磁场。前文已相当广泛地概括了本专利技术的特征和技术优点，以便于可以更好地理解下述本专利技术的详细内容。下文将描述本专利技术的附加特征和优点，其构成本专利技术权利要求的主题。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本专利技术相同目的的其他结构或过程的基础。本领域技术人员还应该认识到，此类等同构造并不脱离所附权利要求书所阐述的本专利技术的精神和范围。附图说明为了更完整地理解本专利技术及其优点，现在结合附图参考以下描述，其中：图1示出了一个谐振功率系统的框图；图2示出了一个WPT系统的框图；图3示出了一个根据本专利技术各个实施例的模块化WPT系统的框图；图4A示出了根据本专利技术各个实施例的一个WPT发送器的原理图；图4B示出了根据本专利技术各个实施例的另一个WPT发送器的原理图；图5示出了根据本专利技术各个实施例的一个WPT接收器的原理图；图6示出了根据本专利技术各个实施例的一个WPT和有线充电组合系统的框图；图7示出了根据本专利技术各个实施例的一个可切换电容；图8A示出了根据本专利技术各个实施例的一个用于WPT系统的线圈组件；图8B示出了根据本专利技术各个实施例的另一个用于WPT系统的线圈组件；图8C示出了根据本专利技术各个实施例的另一个用于WPT系统的线圈组件；图8D示出了根据本专利技术各个实施例的另一个用于WPT系统的线圈组件；图9A示出了根据本专利技术各个实施例的一个用于WPT系统的线圈组件的侧视图；图9B示出了根据本专利技术各个实施例的另一个用于WPT系统的线圈组件的侧视图；图10A示出了根据本专利技术各个实施例的一个用于WPT系统的多个绕组的布置图；图10B示出了根据本专利技术各个实施例的一个用于WPT系统的线圈组件；图11示出了根据本专利技术各个实施例的一个用于WPT系统的多个绕组的安排；图12A示出了根据本专利技术各个实施例的一个绕组的截面图；图12B示出了根据本专利技术各种实施例的一个绕组的截面图。图13示出了根据本专利技术各个实施例的一个有具有一个WPT发送器线圈组件和一个WPT接收器线圈组件的系统；图14A示出了根据本专利技术各个实施例的一个线圈组件与屏蔽环的俯视图；图14B示出了根据本专利技术各个实施例的一个线圈组件和屏蔽的顶视图；图15A示出了根据本专利技术各个实施例的一个模块化发送器的框图；图15B示出了根据本专利技术各个实施例的另一个模块化发送器的框图；图16示出了根据本专利技术各个实施例的一个模块化接收器的框图；图17示出了根据本专利技术各个实施例的一个WPT系统的控制框图；及图18示出了根据本专利技术各种实施例的另一个WPT系统的控制框图。除非另外指出，否则不同附图中的相应数字和符号通常指代相应的部分。为了清楚地示出各个实施例的相关方面而绘制附图，并且不一定按比例绘制。具体实施方式下文详细讨论当前的优选实施例的制造和使用。然而，应当理解，本专利技术提供了许多可于各种具体环境中实施的可应用的专利技术构思。所讨论的具体实施例仅仅是制造和使用本专利技术的示例性具体方式，并不限制本专利技术的范围。将结合特定环境下的优选实施例，即大功率WPT系统，描述本专利技术。然而，本专利技术还可以应用于各种其他系统，包括集成电路，功率变换器，电源，低功率无线电力系统，其任何组合等。下文中，将参考附图详细解释各种实施例。功率效率，电磁辐射，系统可靠性和系统成本一直是影响WPT技术设计和推广的关键因素。本申请公开了几种创新技术，可以在这些方面提供显著改善，下面每当适用时会以电动车辆(EV)的电池充电作为一个例子来说明。对于这样的大功率系统，通常将有线充电系统与WPT系统安置在相近位置。电能来源可以是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，包括：/n沿着装置周边布置的多个线圈，每一线圈包括一个绕组，其被配置为通过一个谐振电容耦合到一个功率变换器，且该线圈与所述谐振电容组成一个谐振器；/n一个磁耦合到所述多个线圈的联接磁芯；以及/n多个功率变换器，每个功率变换器耦合到所述多个线圈中的一个，且配置成使得流过所述线圈的绕组的电流具有与所述装置的其它绕组的电流相同的频率，且其相角大约等于线圈的空间角度，因此在所述装置周围的一个空间中形成一个旋转磁场。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170917 US 62/559,5921.一种装置，包括：
沿着装置周边布置的多个线圈，每一线圈包括一个绕组，其被配置为通过一个谐振电容耦合到一个功率变换器，且该线圈与所述谐振电容组成一个谐振器；
一个磁耦合到所述多个线圈的联接磁芯；以及
多个功率变换器，每个功率变换器耦合到所述多个线圈中的一个，且配置成使得流过所述线圈的绕组的电流具有与所述装置的其它绕组的电流相同的频率，且其相角大约等于线圈的空间角度，因此在所述装置周围的一个空间中形成一个旋转磁场。


2.如权利要求1所述的装置，其中，所述装置是一个无线功率传输系统的发送器或接收器。


3.如权利要求1所述的装置，其中所述多个功率变换器形成一个多相功率变换器。


4.如权利要求1所述的装置，其中所述绕组被置于所述联接磁芯附近并交错布置，以进一步提高所述绕组之间的磁耦合。


5.如权利要求1所述的装置，其中一个谐振电容是一个可切换电容或一个可变电容。


6.如权利要求5所述的装置，其中所述谐振电容的电容值被控制以平衡所述多个绕组的电流。


7.如权利要求5所述的装置，其中所述谐振电容的电容被调整以控制所述装置的一个电压或一个电流，或保护所述装置。


8.如权利要求1所述的装置，其中，在一个运行模式中，一些线圈被停用，并且绕组电流的相角根据活跃线圈的数量来调整。


9.如权利要求1所述的装置，其中所述功率变换器的开关频率被调整或跳频。


10.如权利要求1所述的装置，其中所述谐振器被耦合到一个有线充电联接功能块，所述谐振器和所述有线充电块配置为使得所述装置在有线充电模式或无线充电模式运行。


11.一种系统，包括：
有一个输入电压的一个输入端口；
与所述输入端口耦合的第一功率变换器，其包括有多个第一功率开关的第一开关网络；
有一个输出电压和一个输出电流的一个输出端口；
与所述输出端口耦合的第二功率变换器，其包括有多个第二功率开关的第二开关网络；
一个有多个谐振器的谐振功能块，每个谐振器包括一个谐振电容，其中所述多个谐振器的第一谐振器耦合到所述第一功率变换器，且所述多个谐振器的第二谐振器耦合到所述第二功率变换器；及
一个联接功能块，其包括一个开关器件并耦合到所述第一谐振器，其中所述联接功能块，所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛恒春，贾学忠，
申请(专利权)人：毛恒春，贾学忠，
类型：发明
国别省市：美国;US