感应电能传输系统的一次轨道拓扑结构技术方案

本申请公开了一种多相IPT一次轨道导体布置结构，包括第一相导体和第二相导体，所述导体被排列成基本上在一个平面内以便彼此重叠，并被排列成使得在所述相导体之间存在基本平衡的互耦合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】感应电能传输系统的一次轨道拓扑结构
本专利技术涉及感应电能传输（IPT）系统。本专利技术具体涉及多相IPT系统。
技术介绍
IPT使用变化的磁场将电能通过气隙耦合到负载，而无物理接触。气隙存在于一次导体和一个或多个拾取装置之间，所述一次导体诸如导电材料的细长环路（在本文中通常称作轨道（track）），所述一个或多个拾取装置具有二次线圈，二次线圈从与轨道关联的磁场接收电能。系统性能不受潮湿或肮脏环境的影响，由于部件是完全隔离的，在这些条件下没有安全风险。与传统的插头或电刷和棒接触型的方法（如用在电车和电动汽车上的方法）不同，IPT是可靠的，免维修的。IPT目前用在很多工业应用中，如材料处理和集成电路制造。系统容量在1W-200kW之间变化，可以用来给机器人、自动导引车（AGV）、电子装置、娱乐旅客捷运系统、汽车和电动车（EV）提供电能和再充电。IPT系统可分成两个不同的类型：分布式系统和集中系统，所述分布式系统由一个或多个可移动负载组成，所述可移动负载可设置在轨道上的任何地方，所述集中系统只允许在定义的位置传输电能。分布式系统特别适用于道路动力电动汽车（RPEV）应用，但实际的大规模RPEV系统至今还不可行。这是由于无导引EV要求大的水平冗余（~700mm）和离地净高（150-200mm）。在此文献中提出的轨道拓扑结构通过允许以最小增加系统成本获得提高的水平冗余，提供了相比以前设计的明显改进。本领域技术人员将认识到此文献提到本专利技术在EV背景下应用，但本专利技术适用于许多其它的IPT系统应用。EV有助于降低对化石燃料的依赖，降低温室气体的排放及污染物的排放。因此，自从20世纪90年代以来EV的研究事业一直在增长，但市场渗透一直很低，原因是EV不如传统的车辆那样有成本效益。目前的EV市场是由从燃烧发动机获得能量的混合车辆主导的，但是，最近引入了插电式EV（PHEV），使用来自电网的能量来减轻汽油消耗。为了使EV被广泛使用，要求在电池寿命和成本及与电网的连接上有大的改进。后者允许在每次旅行之后随机充电，而不是该天结束时的长时间充电。结果，通过降低放电深度，电池损耗被明显降低，由于需要更小的电池，EV具有更低的成本。使EV比汽油车辆更加有成本效益的优选解决方案是通过道路对EV供电和再充电。应当指出的是，用于此种动态充电系统的基础设施可以是相对小的，原因是在州际高速公路上行驶占道路英里数的1%，但占所有车辆行驶英里数的22%。行驶英里数的50%连接到动态充电系统的EV与传统的车辆是一样是有成本效益的，不会产生额外的汽油成本。IPT系统包括三个主要部件，在图1中示出了单相系统的部件。电源产生正弦电流（对于中功率到高功率系统，通常在10-100kHz频率范围内），它在感应一次导电通路或轨道中驱动电流（I1）。并联补偿电容器C1允许轨道电流I1共振，从而增加轨道附近的磁场强度。对于给定负载，这使电源的VA额定值最小化。轨道和二次接收装置充当松散耦合的变压器，使得通过相对大的气隙进行电能传输，其中来自轨道的电能以感应方式传输到轨道和二次接收装置。接收器通常被称为IPT拾取器（PU），具有电感L2，使用C2以轨道电流的频率被调谐共振。这补偿了相对大的PU泄露电感。C2两端的电压被整流，开关模式的控制器使得谐振回路在定义的品质因数Q下工作，以提升功率传输和提供可用DC输出。IPT系统的功率输出（Pout）由PU的开路电压（Voc）和短路电流（Isc）以及PU电路的品质因数确定，如（1）中所示。Psu是未补偿功率，ω是轨道电流I1的角频率，M是轨道和PU之间的互感。如（1）中所示，输出功率取决于电能供应(ωIl2)、磁耦合(M2/L2)和PU控制器(Q)。增大功率输出以及轨道和PU之间的间隔是极其期望的，但效率被工作频率（开关损耗）和系统的电流额定值（铜耗）限制。允许系统以高的Q工作提升了功率传输，但在实际应用中，由于部件的容量（VA）额定值和冗余，系统通常被设计成在4和6之间工作。由于这些限制，通过良好的磁性设计，可以获得最大的系统性能提升。以前已经建成了一个实验室的16kW样机的单相RPEV系统（见G.A.Covic,J.T.Boys,M.L.G.Kissin和H.G.Lu,"AThree-PhaseInductivePowerTransferSystemforRoadway-PoweredVehicles",IndustrialElectronics,IEEETransactionson,vol.54,no.6,pp.3370-3378,2007)。在该系统中轨道基本上是细长的螺旋形绕组，较长侧设置在相邻的车道上。结果，PU只暴露于由在一个方向流动的电流产生的磁通，跨越轨道的功率分布图中没有零，而在导体被并排设置的传统的单相轨道上的简单的PU会出现零。所述系统是在现代的铁氧体和电力电子部件被开发出来之前建成的，这反映在其性能上。轨道和PU之间的气隙由电子致动器控制为30毫米（mm），全部功率会被供应到距离轨道中心高达120mm的偏移。相对低的水平冗余使自动导引系统成为必要。已经建成了一个具有200mm气隙的5kW单相系统，并进行了测试，它在G.A.Elliott,J.T.Boys和A.W.Green,“Magneticallycoupledsystemsforpowertransfertoelectricvehicles,”inProceedingsInternationalConferenceonPowerElectronicsandDriveSystems,Singapore,1995,pp.797-801中公开。不过，水平冗余是60mm。值得注意的是，该系统在PU中没有使用铁氧体，这在安装于EV中时产生了重大问题。铁氧体确保了磁通保持在PU内，允许使用铝屏蔽，这对限定钢底座中的损失以及满足磁场暴露准则是必要的。G.Elliott、S.Raabe、G.Covic和J.Boys在"Multi-PhasePick-UpsforLargeLateralToleranceContactlessPowerTransferSystems,"IndustrialElectronics,IEEETransactionson,vol.PP，no.99,pp.1-1,2009讨论但未使用的提高单相轨道上的水平冗余的一个方法使用了包含6个偏置线圈的复杂的PU。当PU在轨道上水平地移动时，不同组的线圈被加电，因此提高了冗余。但是，由于线圈之间的互耦合使调谐有源线圈出现问题，这种方法不适合高功率系统。不用的并联调谐线圈需要被缩短，这样做会影响有源线圈的磁通路径，从而产生损耗。为了提高水平冗余，G.A.Covic、J.T.Boys、M.L.G.Kissin和H.G.Lu在"AThree-PhaseInductivePowerTransferSystemforRoadway-PoweredVehicles,"IndustrialElectronics,IEEETransactionson,vol.54,no.6,pp.3370-3378,2007中提出了一种如图2（a）所示的三相轨道拓扑结构。车辆沿轨道的长度Tx（其被称作x轴线）行驶。所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.05.19 NZ 585483;2010.08.25 NZ 5875671.一种多相IPT一次轨道导体设备，包括第一相导体和第二相导体，所述相导体被排列成基本上在一个平面内，并被排列成彼此重叠以使得在所述相导体之间存在最小互耦合。2.根据权利要求1所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，所述平面为矩形，所述矩形具有沿其纵向方向延伸的第一尺寸，每个相导体具有相对于所述纵向方向基本上横向地跨越所述平面延伸的横向部分，每个相导体将横向部分设置为基本上彼此平行并相互隔开一距离。3.根据权利要求2所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，相导体的横向部分之间的距离是根据拾取线圈设备的尺寸选择的，所述拾取线圈设备用来从所述多相IPT一次轨道导体设备接收电能。4.根据权利要求3所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，相导体的横向部分之间的距离为所述拾取线圈设备在所述纵向方向上的尺寸的0.2-0.5。5.根据权利要求3所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，相导体的横向部分之间的距离为所述拾取线圈设备在所述纵向方向上的尺寸的0.25-0.5。6.根据权利要求3-5中任一所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，所述拾取线圈设备包括以基本共面布置的两个基本扁平的线圈。7.根据权利要求6所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，所述拾取线圈设备包括第三线圈，所述第三线圈与所述两个基本共面的线圈重叠。8.根据权利要求3-5中任一所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，所述拾取线圈设备包括单个线圈。9.根据权利要求1所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，所述多相IPT一次轨道导体设备与渗磁构件有关。10.根据权利要求9所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，所述相导体只在所述渗磁构件的一侧上提供。11.根据权利要求10所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，所述渗磁构件包括多个铁氧体条。12.根据权利要求11所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，所述铁氧体条是细长的，并彼此隔开。13.根据权利要求1所述的多相IPT一次轨道导体设备，其中，所述多相IPT一次轨道导体设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·B·布德哈，G·A·考维克，J·T·博伊斯，M·L·卡森，
申请(专利权)人：奥克兰联合服务有限公司，
类型：
国别省市：