CN104838578B - 单独控制相位的多相感应电能传输*** - Google Patents

单独控制相位的多相感应电能传输*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多相感应电能传输(IPT)***，所述***包括：主电源，所述主电源包括多个主导线，该主导线可单独地有选择地运行，以提供或接收用于感应电能传输的磁场；以及至少一个拾电器，所述拾电器包括一个或多个拾电器导线，该一个或多个拾电器导线中的每个均可单独地有选择地运行，以与主导线磁耦合，从而控制在主电源和与各自拾电器耦合或可耦合的负载之间的电能传输。多相主电源可以用来向多个单相拾电器、一个或多个多相拾电器或它们的组合供电。还公开的是用于此***中的多相主转换器或多相次转换器。

Description

单独控制相位的多相感应电能传输***
技术领域
本发明涉及单向和双向感应电能传输(IPT)***两者，具体地涉及具有在主侧面和次侧面中的任何一个或两个上的多相绕组的IPT***。
背景技术
当前，消费者的要求更主要在于技术的安全性、可靠性、方便性、有效性和技术领域状态，而不只关注成本。因此，许多新技术正在实施，以满足不同应用的这些要求。绿色产品或电子产品可以视为这种理想的例子，它们旨在消除与使用矿物燃料有关的碳排放量的负面影响和相关的环境污染等。
在非常短的时间内，引入了许多绿色能源的规定，并在世界范围内投入了数十亿美元到与绿色能源有关的研究和开发项目中，用于寻找有效率的、具有成本效益的且可靠的绿色技术。在这些绿色能源技术中，使用可再生能源的分散式能源发电(DG)被视为在最小化碳排放量的同时满足能源要求的最佳解决方案之一。然而，尤其在基于风能和太阳能的装置中的DG***的最佳和有效的使用大大地受到它们的能源生产的随机性的影响。因此，需要大量且昂贵的存储***以最有效的方式来缓解这种不稳定性并满足要求。作为具有成本效益的存储***，使用电动汽车(EV)来存储并向电网供应能量的汽车-电网(V2G)概念正获得越来越大的普及，因为在“生活和移动”两者中汽车现在已经变成了必不可少的组成部分。
传统上，EV通过在公用电网与车辆之间的有线连接来充电。然而，无接触感应电能传输(IPT)技术的最近发展已使EV的无接触充电成为经济可行的解决方案。虽然比较于有线充电，EV的无接触充电仍然昂贵，但是其在可靠性、安全性和方便性方面具有优点。因此，作为充电EV的有效且高效的工具，无接触充电电动汽车正变得流行。
可以使用现有的单相双向IPT***和单相单向的IPT***(例如在WO2010/062198中所公开的那些)来使用一个IPT主电源充电和/放电多个EV。然而，这种现有技术的***不能够通电单主(充电)垫片/绕组/线圈/耦合器，所述单主(充电)垫片/绕组/线圈/耦合器串联连接并由一个主电源供电，以及被磁耦合到多个EV的拾电器垫片(绕组/线圈)，以根据要求使用选择性的充电和/或放电EV。EV的选择性充电可以通过使用专用的IPT***来获得，对于每个EV，所述专用的IPT***包括主电源以及与拾电器垫片磁耦合的主充电垫片，但是因为需要多***来对多个EV充电，因此这是昂贵的。相比之下，使用单IPT主电源的多个EV的选择性充电/放电的能力是有成本效益的，并提高了效率、可靠性和安全性，因为每个主垫片仅仅当对应的EV被充电或放电时才通电。从此能力获益的应用包括EV的在公共场所的集市进行充电以及移动EV的动态充电/放电。
可选择地，EV和类似负载的无线充电的效率可以通过使用多相IPT***来提高。然而，现有的三相IPT***通常利用三相主***但只有带有单垫片的单相拾电器***，和/或具有限制性的(如果存在)或次优的控制性、灵活性、通用性和综合效率的一个或多个缺点。
发明目的
本发明的目的是至少改进现有技术的一个或多个缺点，或至少向公众提供有用的替代品。
发明内容
在第一方面，本发明可以宽泛地说涉及一种多相感应电能传输(IPT)***，所述***包括：
主电源，所述主电源包括多个主导线，所述主导线可单独地有选择地运行，以提供或接收用于感应电能传输的磁场；以及
至少一个拾电器，所述拾电器包括一个或多个拾电器导线，所述一个或多个拾电器导线中的每个均可单独地有选择地运行，以与主导线磁耦合，从而控制在主电源和与各自拾电器耦合或可耦合的负载之间的电能传输。
优选地，多个主导线中的任何一个或多个有选择地运行，以提供所需要的磁场。
优选地，多个主导线中的每个均只有在负载由与各自主导线磁耦合的拾电器供电时才运行。
优选地，每个主导线均以360°/n异相地运行，其中n是主导线的数量。
可选择地，每个主导线均以360°/n异相地运行，其中n是运行主导线的数量。
优选地，主导线中的每个均单独地有选择地耦合到电源，以控制在各自主导线中的交流电。
优选地，主电源进一步包括多个开关对，每个开关对均有选择地将电源耦合到至少一个主导线，从而每个主导线通过一对开关对耦合到电源，并且开关对单独地受到控制，以控制在主导线中的每个中的交流电。
优选地，在主导线中的每个中的交流电通过控制在与其耦合的各自对的开关对之间的相角来受到控制。然而，用于控制交流电的任何其它的装置均可以可选择地使用，而不偏离本发明的范围。
优选地，***是双向的，电能可以从主电源有选择地传输到至少一个拾电器，或反之亦然。
优选地，在主电源与各自拾电器之间的电能传输通过控制相对于各自主导线中的交流电的在拾电器导线中的交流电的相角而受到控制。
可选择地，在主导线与拾电器导线中的各自交流电之间的相角可以以±90°被调节，在电源与负载之间的电能传输通过控制在主导线和/或拾电器导线中的交流电的强度而受到控制。
优选地，IPT***包括具有多个拾电器导线的拾电器，每个拾电器导线均与多个主导线中的一个磁耦合或可磁耦合，以接收来自主电源的多相电能。该***可以可选择地包括多个这种多相拾电器。
优选地，拾电器进一步包括多个开关对，每个开关对均有选择地将负载耦合到至少一个拾电器导线，从而每个拾电器导线均通过一对开关对耦合到负载，开关对单独地受到控制，以控制在拾电器导线中的每个与负载之间的电能传输。
优选地，在每个拾电器导线中的每个与负载之间的电能传输通过控制在与其耦合的各自对的开关对之间的相角而受到控制。
优选地，拾电器包括多个数量上与多个主导线相等的拾电器导线。
可选择地，IPT***包括一个或多个拾电器，每个拾电器均包括单拾电器导线，所述单拾电器导线与多个主导线中的任何一个磁耦合或可磁耦合。
优选地，主电源自动适于感应地供电给：
一个或多个包括多个拾电器导线的拾电器；和/或
每个均包括单拾电器导线的一个或多个拾电器。
在第二方面，本发明可以宽泛地说涉及多相感应电能传输(IPT)转换器，所述转换器包括多个导线，所述导线可单独地有选择地运行，以提供或接收用于感应电能传输的磁场。
优选地，每个导线以360°/n异相地运行，其中n是导线的数量。
可选择地，每个导线以360°/n异相地运行，其中n是运行导线的数量。
优选地，IPT转换器进一步包括多个开关对，每个所述开关对单独地有选择地将至少一个导线耦合到电源/功率耗散器，其中每个导线均通过一对开关对耦合到电源/功率耗散器，开关对是单独地可控制的，以控制导线中的每个中的交流电。
优选地，在导线中的每个中的交流电通过控制在与其耦合的各自对的开关对之间的相角而受到控制。
优选地，多个开关对包括与多个导线中的每个共用的开关对，以及每个耦合到多个导线中的每个并相对于共用开关对单独地受到控制的多个另外的开关对，以控制在对应导线中的电流。
优选地，多个开关对中的每个均将两个导线耦合到电源，开关对以与在其之间的相位滞后交错的方式运行。
优选地，多个导线中的每个均仅在与在使用中的IPT装置感应地耦合时才运行。IPT装置可以包括IPT电源或IPT拾电器。
优选地，IPT转换器包括三个导线和三个开关对，每个导线均以三角形或星形的结构耦合在一起。
优选地，导线中每个的通电均可以独立于其它而受到控制。
优选地，在导线中的每个中的电流和/或电压均可以单独地受到控制。
优选地，导线中的一个或多个在一个或多个其它导线保持不通电的同时可以通电。
优选地，每个导线均包括LCL补偿网络的一部分。
优选地，多个导线中的任何一个或多个均可以同时通电。
优选地，同时通电的导线的数量和组合基于与使用中的IPT装置感应地耦合的拾电器导线的数量而进行选择。
优选地，转换器包括IPT电源或IPT拾电器中的一个。
在第三方面，本发明宽泛地提供一种多相IPT主电源转换器，其具有：
第一和第二主导线装置，每个主导线装置均能够在由电源通电时提供磁场。
第一开关装置，所述第一开关装置可操作地连接到第一和第二主导线装置两者；
第二开关装置，所述第二开关装置可操作地连接到第一主导线装置；以及
第三开关装置，所述第三开关装置可操作地连接到第二主导线装置；从而第一和第二主导线装置可以相互独立地通电。
优选地，第一主导线装置通过控制第一和第二开关装置而通电。
优选地，第二主导线装置可以通过控制第一和第三开关装置而有选择地通电。
优选地，第一和第二主导线装置可以同时地通电。
优选地，第一和第二主导线装置中的一个的通电水平可以独立于其它受到控制。
优选地，每个开关装置均包括两个控制切换元件。
优选地，主导线装置包括主导线绕组或线路。
优选地，主导线装置进一步包括补偿网络。
优选地，第一主导线装置可以在第二导线装置保持不通电的同时通电。优选地，第二主导线装置可以在第一主导线装置保持不通电的同时通电。
优选地，在第一和/或第二主导线装置中的每个中的电流和/或电压可以单独地受到控制。
在第四方面，本发明宽泛地提供一种IPT***主转换器，其具有：
多个主导线装置，每个所述装置均能够在由电源通电时提供磁场。
多个开关装置，所述开关装置可操作地连接到所选择的主导线装置；
控制装置，所述控制装置控制开关装置，从而开关装置使每个主导线装置通电，以使每个切换装置相对于上次通电的主导线装置以预定的相位延迟运行。
优选地，该设置导致在主导线装置中产生电流，所述电流具有相对于彼此调节的相位。
优选地，在多个主导线装置之间的负载电流存在相同分配。
在第五方面，本发明宽泛地提供一种IPT次转换器，所述IPT次转换器包括多个拾电器绕组，所述拾电器绕组与在前述方面中的任何一个中所提出的主IPT转换器一起使用。
优选地，转换器包括开关装置，运行所述开关装置，以使拾电器可接收来自每个拾电器绕组的电流，从而每个切换装置相对于上次通电的主导线装置以预定的相位延迟运行，以控制从主转换器到次转换器的功率流。
在第六方面，本发明宽泛地由多相IPT***组成，所述多相IPT***包括多相主拾电器和多相拾电器，其中主拾电器和/或每个拾电器均具有：
多相转换器；
电耦合到多相转换器的多相导电路径、线圈或垫片(在此指的是主绕组或拾电器绕组)；以及
多相补偿网络。
优选地，主拾电器和每个拾电器均由它们的专用控制器所控制。
优选地，在每个单拾电器中的功率流均可以通过控制相对于在与拾电器绕组耦合的主绕组中的电流的相位和/强度的由拾电器转换器生成电压的相对相角和/或强度来受到控制。
优选地，多相主绕组与多相拾电器绕组磁耦合。
优选地，使用控制机构来控制双向功率流或单向功率流。
优选地，提供相位检测装置来检测在多相主转换器与每个拾电器的转换器之间的相位关系。
在第七方面，本发明可以宽泛地说涉及一种感应电能传输(IPT)电源，所述电源包括多个主导线，所述主导线可单独地有选择地运行，以提供或接收用于感应电能传输的磁场，其中电源自动地适于感应地将供电给包括多个拾电器导线的单拾电器以及每个均包括单拾电器导线的一个或多个拾电器。即，具有单拾电器导线的拾电器或多个拾电器导线可以与相同的电源一起使用。
在第八方面中，本发明可以宽泛地说涉及一种感应电能传输(IPT)电源，所述电源包括多个主导线，所述主导线可单独地有选择地运行，以向每个均包括至少一个拾电器导线的一个或多个拾电器提供用于感应电能传输的磁场，其中主导线异相地运行，相的数量基于与使用中的主导线感应地耦合的拾电器导线的数量来进行选择。
优选地，与主导线感应地耦合的拾电器导线的数量对应于用来向负载以及更具体地电动车辆充电的拾电器导线的数量。
本发明的其它方面通过以下描述将变得显而易见。
附图说明
现在参考附图来描述本发明的一个或多个实施例，其中：
图1是现有技术的单相双向IPT***的示意图，其中Vin可以来自市电或电池，而V0表示EV的电池的无源负载或有源负载。
图2分别显示例如图1中所示出的单相双向IPT***的输入纹波电流和输出纹波电流的曲线图；
图3(a)显示根据本发明的一个实施例的多相主IPT转换器，所述主IPT转换器以同步的模式运行，以向多个单相拾电器IPT转换器供电；
图3(b)显示根据本发明的另一实施例的多相主IPT转换器，所述多相主IPT转换器以交错的模式运行，以向多个单相拾电器IPT转换器供电；
图4(a)显示根据本发明的另一实施例的多相主IPT转换器向多相拾电器IPT转换器供电；
图4(b)显示仍然根据本发明的另一实施例的多相主IPT转换器向两个多相拾电器IPT转换器供电；
图5显示根据本发明的另一实施例的三相双向IPT***的拓扑；
图6(a)显示作为一例子的三相双向IPT***的另一拓扑；
图6(b)显示图6(a)的三相双向IPT***的拓扑的变型；
图7(a)显示用于分析图4(a)的电路拓扑的目的的单相等效电路；
图7(b)显示相对于各相位的时间的电压以及相位之间的线间电压，图示了适于与本发明一起使用的脉冲宽度调制(PWM)控制方案；
图7(c)通过引进标记和脉冲显示了线间电压的下降；
图7(d)显示用于主开关的控制结构的示意图的一个例子；
图7(e)显示用于拾电器的使用的控制结构的一个例子；
图8和9显示当向输出传送5KW时用于图4(a)的拓扑的主线电压和拾电器线电压以及主线路电流的曲线图；
图10和11显示当在主线圈电流与次线圈电流之间的相差减少时，用于图4(a)的三相拓扑的主线电压和拾电器线电压以及线路电流的曲线图；
图12和13显示用于本发明的例子的电源电流和波纹电流，在主线圈电流与次线圈电流之间具有90°的滞后相差；以及
图14和15显示当向负载传送5kW时的现有技术的单相***的主电压和拾电器电压。
具体实施方式
本文提出了一种新的多相IPT转换器，其是有效的，且相对于现有***在中等功率-大功率无接触电能传输应用中具有许多优点。所提出的可以传送单向电能或双向电能的***对于单EV的选择性充电/放电是理想的，但不限于此。
现有技术的典型单相双向IPT***在图1中示意地示出。如在典型的单向IPT***的情况，主电源1在主导电路径或线路Lpt中从电源Vin产生线路电流，所述主导电路径或线路Lpt磁耦合到次级或拾电器绕组Lst。拾电器电路2的输出可以连接到电动车辆或其它有源/无源负载，为了简便，其由图1中的DC电源Vout表示。主电路和拾电器电路使用几乎相同的电子产品来执行，以利于电源与车辆(或拾电器)之间的双向功率流，所述电子产品包括全桥转换器和调谐电感-电容-电感(LCL)电路。每个LCL电路均被调谐为由电源产生的线路频率，每个全桥转换器均以相同的线路频率、取决于功率流的方向而以逆向或整流的模式运行。在主转换器与拾电器全桥转换器之间的电压和相角确定如在所公开的国际专利申请WO2010/062198中所描述的功率流的大小和方向，所述专利申请的公开通过参考合并在本文中。
与模拟结果和实验结果一起对单相双向IPT***进行的综合分析在WO2010/062198中出现。图2中显示了当其向输出供应5kW时，5kW单相双向IPT***的输入电流和输出电流。很明显，此***的输入波纹电流和输出波纹电流两者均很大，影响到双向IPT***的功率吞吐能力。高波纹电流极大地增加了***的损耗，并可能导致EV的电池寿命的缩小。而且，当此***使用来通过单独主绕组向多个EV供电时，所有的主绕组均同时被通电，即使一些可能没有被使用。不使用的绕组的通电提高了待机损耗。另外，此***的主绕组电流非常大，进一步要求昂贵且笨重的线路电感器并降低了***的效率。
作为可替代方案，本发明在至少一个实施例中提供多相IPT***，所述IPT***产生非常低的输入波纹电流和输出波纹电流，并非常适于具有多个拾电器(EV和负载)的中等功率-大功率的单向或双向IPT应用。所提出的***包括有效机构，所述机构控制双向/单向IPT主转换器的各个主垫片/绕组的电流/电压，所述IPT主转换器电连接到多个主垫片/绕组。例子包括在公共充电集市处的EV的充电/放电以及移动EV的动态充电，这在目前仅仅可通过使用多个全桥主转换器来实现，每个全桥主转换器专用于每个主绕组或EV。这需要大量的高电压开关，极大地增加了此***的成本。而且，所提出的新的多相IPT***使布局可具有在主绕组与拾电器绕组之间的改进的磁耦合以及改进的空间公差或侧向公差。通过相对高的磁耦合，新***可以以较低的线路电流运行，而不降低功率吞吐量，这进一步提高了整体效率。
第一个例子：控制多个IPT主绕组的***
作为第一个例子，图3(a)和3(b)显示根据本发明的两个类似的实施例的IPT***。图3(a)中所显示的IPT***由主电源和n个主绕组(Lpt,1-Lpt,n)组成，其中所述主电源以半桥桥臂的形式由n+1个开关对(参考10，11，12…n)制成，所述主绕组(Lpt,1-Lpt,n)中的每个均使用LCL补偿网络(包括电感器Lpi,1-Lpi,n，电容器Cpt,1-Cpt,n以及主绕组Lpt,1-Lpt,n)进行补偿。这些主绕组中的每个均可以与单拾电器2磁耦合，每个所述单拾电器2均具有单拾电器绕组(Lst,1-Lst,n)。在此例子中，拾电器绕组中的每个均由其自己的控制器(15-17)所控制，所述控制器(15-17)可以是双向的或单向的控制器，并向其自己的负载供电。为了方便起见，不显示具体负载。替代地，负载由DC电源(Vout,1-Vout,n)表示。在此实施例中的主转换器的第一桥臂10共用于所有的主绕组(Lpt,1-Lpt,n)，并因此能够处理满载额定电流。主转换器的剩余桥臂(11,12…n)相对于第一桥臂10单独地受到控制，以通过将各自绕组与电源Vdc有选择地耦合而控制在对应主绕组中的电流。例如，在Lpt2主绕组中的电流可以通过相对于由开关Ta,1和Tb,1所形成的第一桥臂10控制由Ta,3和Tb,3形成的半桥桥臂12来受到控制。开关Ta,1，Tb,1，Ta,3和Tb,3可以使用脉冲宽度调制(PWM)而受到控制，以控制电压Vpi,2，从而维持主绕组Lpi2中的期望的电流。然而，相位控制被优先进行，以最小化该***的切换损耗和/或峰值电流，并通过相对于由开关Ta,1和Tb,1生成矩形波电压及时地延迟由开关Ta,3和Tb,3生成矩形波电压来执行。0°的相角对应于跨过Vpi的Vpi的短路，而180°的相角对应于应用的最大Vpi。Vpi。同样地，在半桥桥臂10与由Ta,1，Tb,1和Ta,n+1，Tb,n+1形成的n之间的相位可以受到控制，以调节在第n个主绕组Lpt,n中的电流。因此，在图3(a)中所示出的拓扑利于在使用多个绕组的IPT***的每个主绕组中的电流的全面单独的控制，而不需要用于每个主绕组的专用的全桥逆变器。这使不使用的主绕组维持不通电。其也使对电源的单独控制可用于每个主绕组。
优选地，为了最小化该***中的峰值电流，主绕组中的每个均相互异相地驱动。特别是，每个连续主绕组均优选地以360°/n异相地驱动。
本发明的主电源可以进一步适于自动地检测与主绕组中的每个大致地对齐的拾电器的存在，和/或检测由拾电器所供应的负载是否需要充电(或放电)，以使多个主绕组中的每个均只有在负载由与各自主绕组磁耦合的拾电器供电时才通电。这可以是例如通过感测在各自主绕组中的反映负载或通过无线通信获得。
当主绕组中的一个或多个无效时(即，保持不通电)，主电源可以重新配置在主绕组中每个中的电流之间的相角。例如，在具有三个有效主绕组的主电源中，相角通常是120°(360°/n)。然而，如果一个主绕组是无效的，则剩余的两个主绕组可以以180°相互异相地运行(即，360°/n，其中n是有效或通电绕组的数量)。
因此，主绕组中的任何一个或多个均以任何组合有选择地由电源通电，以向一个或多个拾电器供电，通电的绕组优选地以360°/n异相地驱动(其中，n是通电绕组的数量)，以最小化峰值电流。例如，如果两个主绕组被通电，则所选择的绕组可优选地以180°相互异相地驱动，如果三个主绕组被通电，则所选择的绕组优选地以120°异相地驱动。
图3(b)中显示本发明的可替代实施方式。此转换器由n个桥臂(20-n)制成的主电源和n个主绕组(Lpt,1-Lpt,n)组成，所述主绕组(Lpt,1-Lpt,n)使用LCL网络(电感器Lpi,1-Lpi,n，电容器Cpt,1-Cpt,n以及主绕组Lpt,1-Lpt,n)进行补偿。这些主绕组中的每个均可以与拾电器2磁耦合或感应地耦合，每个主绕组均包括单拾电器绕组(Lst,1-Lst,n,)。在此例子中的拾电器绕组中的每个均由其自己的控制器(例如，15，16，17)控制，所述控制器可以是双向控制器或单向控制器，并向其自己的负载(由Vout,1-Vout,n+1表示)供电。在此主电源中以半桥桥臂20-n的形式的开关对可以以交错的形式运行，其中每个桥臂(20，21，22…n)相对于在其上的一个以360°/n的相位滞后运行(并耦合到相同的主绕组)。例如，如果只存在三个桥臂20-22，则桥臂21可以在桥臂20后以120°的相位滞后运行。这样，所产生的主绕组电流的相位相互移动。此运行模式使主转换器可以基本较小的输入波纹电流和在桥臂之间的负载电流的相等分配运行。然而，由于半桥桥臂在两个主绕组之间分配，因此在每个主绕组之间的电流受到由其相邻半桥桥臂所生成的电压的影响。同样地，虽然此方法可单独地控制在单独主绕组中的电流，但是这些电流的可控制性相对于图3(a)中所示出的拓扑受到某些限制。例如，主绕组可以成对地但不可单独地通电。
第二个例子：多相主绕组和次级绕组
作为第二个例子，多个主绕组可以可选择地耦合到具有如图4(a)中所示出的多个拾电器绕组的拾电器。图4(a)显示参考图3(b)如以上所描述的具有多个主绕组的***。这些与具有多个拾电器绕组(Lst,1-Lst,n+1)的单拾电器感应地耦合，所述多个拾电器绕组(Lst,1-Lst,n+1)由单多相转换器25所控制。这种***例如可以用来向单个车充电，例如具有多个次线圈或拾电器线圈的公共汽车。
本发明在此应用中提高IPT***的功率处理能力，同时最小化耗损。n个主绕组使用在主转换器中的n个半桥桥臂来发动，所述半桥桥臂以参考图3(b)如上所述的交错方式运行。拾电器转换器25可以与主转换器相同。可选择地，主转换器和/或拾电器转换器可以采取对于图3(a)上述的主转换器的形式，其中不使用的主绕组/拾电器绕组可以维持不通电。
在拾电器转换器中的半桥桥臂的数量n相对于在主侧中的对应桥臂使用超前相角或滞后相角优选地被驱动，以控制在主绕组和拾电器绕组的之间的功率流。带有三个主绕组和三个拾电器绕组的这种***的运行在以下例子中详细地讨论。
虽然图4(a)显示与单个多相拾电器耦合的单个多相主绕组，但是根据本发明的IPT***可以可选择地包括多相主绕组，所述多相主绕组与多个多相拾电器感应地耦合或感应地可耦合，如在图4(b)中举例所示出。虽然没有在附图中示出，但是该多相主绕组还可以适于与单相拾电器和多相拾电器的组合感应地耦合。
第三个例子：三相双向IPT***
作为第三个例子，与带有单个三相拾电器的三相IPT***的模拟结果一起进行的数学分析显示，功率流的强度和方向可以通过与由三相转换器所产生的电压的相对相位或强度调制简单地受到控制。将所提出的三相IPT***的性能与传统的单相IPT***进行比较，结果显示，本发明的性能优越并且对于无接触的、双向的且快速充电的/放电的应用特别具有吸引力。虽然所参考的以下描述的例子涉及三相IPT***，但是本领域的技术人员应该了解，本发明通常适用于多相IPT***，即具有超过三相位的***。而且，该***可以构造和/或使用为单向***或双向***。
根据本发明的一个实施例的三相IPT***在图5中示意地显示。比较于仅仅由三相线路和单相拾电器组成的现有技术的三相IPT***，此拓扑使用三相线路和三相拾电器***，并可以较高的效率在主绕组与拾电器的之间进行单向或双向的电能传输。
如由图5所示，主绕组和拾电器的两者的平衡的三相三角形连接的LCL网络由包括采取半桥桥臂形式的三个开关对的三相转换器所驱动。在主LCL网络中的电感器Lpt1，Lpt2和Lpt3是三相主绕组，所述三相主绕组磁耦合到三相拾电器绕组Lst1，Lst2和Lst3。为了简化在前述部分中出现的分析，由M1，M2和M3分别地表示的在Lpt1-Lst1，Lpt2-Lst2与Lpt3-Lst3,之间的磁耦合假定是相等的。主侧AC电感器Lpi1，Lpi2和Lpi3以及拾电器侧AC电感器Lsi1，Lsi2和Lsi3被选择来分别地匹配于Lpt1，Lpt2和Lpt3以及Lst1，Lst2和Lst3。线路电感和拾电器电感以线路频率ft、分别地使用电容器Cpt1，Cpt2和Cpt3以及Cst1，Cst2和Cst3进行平行地补偿。主绕组和拾电器的LCL网络可以以图6(b)所示出的星形布置可选择地进行连接。然而，如果连接如图6(a)所示出的LCL网络是有利的，则其中AC电感器Lpi1-Lpi3和Lsi1-Lsi3在邻近相位之间分配。以此布置，两个AC电感器通过每个相位进行连接，因此每个相位的AC电感均只需要是对应线路/拾电器电感的值的一半。
通常被称为主导电路径或线路的三相主绕组可以是延长的导线布置或可以是集总***。采取延长布置的形式，导线(通常包括Lpt)可以设置在轨道或类似路径上或旁边，或设置在例如地板表面上或下。以这种布置，拾电器可以沿着轨道或地板表面移动，同时接收来自主导线的电能。如果使用集总***，则主路径可以采取例如一个或多个充电垫片的形式来设置。通常地，充电垫片设置在拾电器可以接收电能的单个位置处或一系列位置处。在此所讨论的其中使用三相***的例子中，设置了三相线路或充电垫片(包括三个主线圈)，该布置可以允许移动车辆的充电。
在整个说明书和权利要求书中所使用的术语“导线”和“导线装置”是为了包括主导线和/或拾电器导线的所有潜在的物理形式，所述主和/或拾电器导线提供或接收用于磁耦合或感应耦合的磁场，无论它们是“延长导线”或“线路”；或是“集总***”、“线圈”、“电感器”和“垫片”；或是通常使用在该磁场中以描述这种导线或耦合器的任何其它不同的术语。
此特别的三相IPT***的主转换器和拾电器三相转换器由两个单独的控制器的子***所控制。在一个实施例中，三相转换器的每个桥臂使用线路频率(ft)以50％工作期但以Vpi2滞后Vpi1120°和Vpi3超前Vpi1120°的方式进行的相移来运行。
所提出的三相***可以以多种方式受到控制。此***的输出功率/电压/电流可以通过控制在主转换器与拾电器三相转换器之间的电压强度或相对相角来调节。在此例子中，Vsi1，Vsi2和Vsi3的相位分别地相对于Vpi1，Vpi2和Vpi3的相位受到控制，同时维持强度恒定，以调节拾电器单元的输出功率/电压/电流，如在WO 2010/062198所示出的那样。相同的控制还可以通过控制在Ipt1(或者Ipt2或者Ipt3)与Ist1(或者Ist2或者Ist3)之间，在Ipt1(或者Ipt2或者Ipt3)与Vsi1(或者Vsi2或者Vsi3)之间等的相对相角来获得，其主要链接到Vpi1(或者Vpi2或者Vpi3)与Vsi1(或者Vsi2或者Vsi3)之间的相角差。如果给定单位功率因数，则可替代的控制方法将Vpi1与Vsi1之间的相位固定为±90度，并控制Vpi1-Vpi3或/和Vsi1-Vsi3两者中的一个/两者的强度，以调节功率/电压/电流。另外的选择是控制Vpi1-Vpi3和Vsi1-Vsi3的相对相位和强度两者。
存在许多可以用来进行电压调节的已知技术。在此呈现的例子使用简单的PWM方案来改变Vpi1-Vpi3和Vsi1-Vsi3的强度，以调节电流Ipt1-Ipt3和Ist1-Ist3，并因此调节输出功率/电压/电流。如图7(b)所图示的，最大线间电压在三相转换器的所有三个三相位以50％的工作期和以相位之间的120度相移来运行时才获得。线间电压可以通过引进这些信号的标记和脉冲而降低，如图7(c)图示的。
为了控制Vsi1(或者Vsi2或者Vsi3)相对于Vpi1(或者Vpi2或者Vpi3)的相位，在拾电器中需要感测装置或同步机构。这可以通过不同的方法获得，该方法中的一些在以下描述，
1、使用一个或多个感测绕组来感测由主绕组所生成的磁场。在实践中，由拾电器自身所生成的部分磁通量可能影响到此测量。这样，使用有源或无源去耦机构，以获得主通量矢量。有必要确定拾电器的三相位与主绕组的对齐。这可以在初始化过程中通过监视拾电器的电压来获得；
2、通过反射电压或感应电压来估算主转换器的相角；
3、通过短路电流来估算主转换器的相角；或
4、采用频率下垂技术，所述技术根据所设定的有功和无功功率要求来控制拾电器的工作频率。
可选择地，主绕组的相角可以通过任何已知的有线或无线通信手段来通信到拾电器。
可以用来控制主绕组的可能控制结构在图7(d)中图示，可以用在拾电器中的控制器显示在图7(e)中。如图7(c)中所图示的那样，由转换器桥臂所生成的电压的脉冲宽度可以被调制，以改变应用到主绕组的电压，并因此调节在主绕组中的每个中的线路电流。在所要求的线路电流(即，到图7(d)的主控制器的“参考”输入)与实际线路电流(即，“控制信号”输入)之间的错误通过例如所示出的比例积分调节器(PI)的控制器输入，控制器的输出被用来确定需要应用到主转换器的每个桥臂的调制。同样地，图7(e)的拾电器控制器通过将在参考功率电平与所测量的功率电平之间的错误通过PI调节器传送，并然后通过(相对于对应主转换器桥臂)确定待应用到拾电器转换器的桥臂上的脉冲宽度调制和相位延迟来调节输出功率。
对电子和嵌入式***工程的技术人员来说显而易见的是，主控制器和拾电器控制器可以由电子硬件、电子软件或它们的组合以及特别是控制***来执行。例如，在此所描述的和在图7(d)和7(e)中所图示的控制算法可以由被编程以执行所述方法的步骤的微处理器或类似技术装置整体地或部分地执行。一旦被编程以根据来自执行本发明的方法的程序软件的命令来执行特定功能，这种数字计算机***就特别对于本发明的方法有效地变成专用计算机。有必要用于此的编程技术对计算机和/或嵌入式***领域的技术人员来说是众所周知的。
所提出的具有平衡的LCL网络的三相IPT***可以通过表示具有图7(a)中所示出的单相等效电路的此***而被简化。而且，以下所表示的分析假定主电路和拾电器电路两者由具有大约以下强度的理想的正弦电压源来驱动：
用于此特定实施例(其它实施例可能具有不同的分量值)的等效电路的分量值由以下给出：
Lpt1＝Lpt2＝Lpt3＝Lpt (3)
Lpi1＝Lpi2＝Lpi3＝Lpt＝Lpi (4)
Lst1＝Lst2＝Lst3＝Lst (5)
Lsi1＝Lsi2＝Lsi3＝Lst＝Lsi (6)
M1＝M2＝M3＝M (7)
在主绕组和拾电器的中的LCL电路两者被调谐为线路频率(ft)，并因此(当完全地受到补偿时)为：
在线路电感器Lpt中流动的电流随后由以下给出：
由于在线路与拾电器之间存在磁耦合，因此电压在拾电器电感器中以Ipt被感应，Ipt可以被表示为：
Vsr＝jωM Ipt (10)
拾电器的输出电流由以下给出：
拾电器的输出功率可以由(1)，(2)和(11)计算：
其中，θ是相对于Vpl的Vsl的相位。
由方程式(12)，明显的是，当相角θ为±90°时发生最大电能传输。超前相角构成从拾电器到线路的电能传输，同时滞后相角使电能传输从线路到拾电器。因此，对于给定的输入电压和输出电压，在线路与拾电器之间的功率流的量和方向两者可以通过控制由三相转换器所生成的电压的强度或相角来调节。
模拟结果-稳态运行
适于对电动车辆充电的在图5中所显示的5kW三相IPT***已经在MATLABSimulinkTM中模拟，结果显示在以下。
该***的主侧由330V的电源供电，拾电器连接到表示EV的250V电池。该***的设计参数在以下表1中给出。
在图8中显示所提出的IPT***的主线路与拾电器的之间的模拟电压和电流。主拾电器的三个半桥以50％的工作期和以在它们之间的120°相移来运行，以在主线路电感器Lpt1-Lpt3中产生20kHz，50A的平衡三相电流。被视为“相位A”的三个主线间电压(Vpl1＝Vpi1-Vpi2)的仅仅一个在图8中显示。如附图所示，所得的最大线间电压由于在由三相转换器的三个半桥所生成的电压之间的30°的重叠而减少的商。线电压Vpl2和Vpl3与Vpl1相同，但相对于Vpl1相位相应地移动120°和240°。拾电器三相转换器也以类似的方式驱动，并相对于该主线路的对应相位具有90°的相移。这样，在拾电器电感器Lst1-Lst3中所得的电流滞后对应的主线路电流90°。在这种情况下并根据方程(12)，IPT***向输出负载提供5kW。由方程(9)所给出的主线路电流和拾电器线路电流两者独立于装载，并由电路参数所固定。然而，在实践中，线路电流在负载由于耗损和分量的公差而增加时减少。因此，线间电压需要调节，以维持恒定的线路电流。当将5kW传输给该输出时，此***的输入电流和输出电流在图9中图示。如图示所示，由所提出的三相IPT***所产生的输入波纹电流和输出波纹电流两者相对小，峰值电流在每个线路均异相地驱动时最小化。而且，可以观察到的是，波纹电流的频率是线路频率的三倍。这是所提出的三相***的主要优点之一，因为其提高了***效率同时消除了对滤波波纹的需要。
表1：单相IPT***和三相IPT***的参数
参数 单相 三相
Vin 330V 330V
Vout 250V 250V
耦合(k) 0.15 0.15
Lpi/Lpi1＝Lpi2＝Lpi3 18μH 40μH
Lpt/Lpt1＝Lpt2＝Lpt3 18μH 40μH
Cpt/Cpt1＝Cpt2＝Cpt3 3.5μF 1.6μF
Lsi/Lsi1＝Lsi2＝Lsi3 18μH 40μH
Lst/Lst1＝Lst2＝Lst3 18μH 40μH
Cst/Cst1＝Cst2＝Cst3 3.5μF 1.6μF
根据方程(12)，转换器的功率吞吐量可以通过改变主转换器与拾电器侧三相转换器之间的相对相角或通过改变线间电压来调节。在此例子中的IPT***的输出功率通过控制在主转换器与拾电器三相转换器之间的相角来调节。拾电器的功率吞吐量可以通过减少两个三相转换器之间的相差θ来减少。当θ减少到30°时，***的电压和电流在图10，11中显示。如图11所示，***的输出功率根据方程(12)减少至大约2.5kW。所减少的平均输入电流和输出电流还反映了***的功率吞吐量的减少。然而，如图10所示，主电流和拾电器线路电流基本维持恒定，但在对应的主电流与拾电器电流之间的相位滞后从90°减少到30°。
在主线路和拾电器的之间的功率流的方向可以通过驱动具有滞后相角的拾电器侧三相转换器来倒转。三相IPT***的拾电器相对于一次侧三相转换器以90°滞后相角驱动，模拟结果在图12和图13中显示。如图13所示，现在，拾电器将大约5kW传送到IPT***的主线路。结果，与图8相比较，现在，电流的方向倒转。
现有技术的三相***当其将5kW传送到负载时的主电压和拾电器电压在图14和图15中显示。如图14所示，与三相***相比较，单相***的主电流和拾电器线路电流非常大。三相***和单相***两者的主线路和拾电器的之间的耦合是相等的。然而，比较于单相***，三相***使用耦合到三个拾电器电感器线圈的三个主线路，并因此需要非常低的线路电流来传送5kW。而且，如图15所图示，单相***的输入波纹电流和输出波纹电流以由三相***所生成的波纹电流的大约两倍极大地更高。
当两个单元向输出提供5kW时，以下表II中提供了三相***与单相***之间的比较。从此比较可见，三相***的输入/输出波纹电流和线路电流两者极大地降低，因此确定了本发明的三相到三相实施例的优点。还可以看到的是，两个***利用大致相等数量的铁氧体，因为两个***的磁能(Li2)类似。另外，由单相***和三相***所使用的总补偿电容大致相同。
表II:单相IPT***与三相IIPT***之间的比较
参数 单相 三相
效率 81％ 85％
开关 8 12
补偿电容 7μF 9.6μF
主输入波纹电流 34A至-28A 6A至16A
拾电器输出波纹电流 20A至-40A -15A至-21A
主AC电感器Li2 21mJ 18mJ
拾电器AC电感器Li2 41mJ 41mJ
主线路电流 150Arms 57Arms
拾电器线路电流 110Arms 43(a)rms
主线路Li2 720mJ 780mJ
拾电器线路Li2 390mJ 444mJ
由以上可知，本发明提供相对于现有技术具有几个优点的几个多相双向IPT***和转换器。在至少一些实施方式中，本发明提供多相IPT电源，所述多相IPT电源独立地控制每个绕组，并在负载要求充电时，能够通过单独地通电每个主导线来以提高的效率向多个单线圈拾电器供电(或反之亦然)，而不需要用于每个主导线的专用全桥逆变器。在其它实施例中，本发明提供多相IPT***以及多相主转换器和多相次转换器，所述多相IPT***和转换器特别适于需要无线电能传输的高功率应用，同时也具有在不需要全桥逆变器下对每个绕组的单独控制。多相IPT***使用用于主绕组和拾电器的两者的多相电路拓扑，并能够通过沿着两个方向的松散磁耦合来传送电能并最小化峰值电流。结果显示所提出多相IPT***在性能上优于现有的IPT***，并对于例如需要快速充电的EV的高功率应用是理想的。
为了方便，通过参考从主线路到拾电器的输出的单向功率流而在整个说明书和权利要求书中均使用术语“电源”和“负载”。然而，由于***可以易于适用于使电能沿着两个方向中的任何一个方向流动的双向功率流，因此可以在这种情况下“负载”包括电源，“电源”可以将来自拾电器中的一个或多个的电能耗散。因此，“电源”和“负载”两者可以在双向IPT***的上下文中通常被描述为电源/电能耗散。然而，术语“电源/电能耗散”不被解释为限制双向IPT***。即，“电源/电能耗散”可以是电源或电能耗散中的任何一个或两个，但不必要是两个。
在权利要求书中所使用的术语“IPT转换器”指的是主IPT电源/主转换器或次转换器/拾电器转换器。这样，IPT转换器可以与另外的IPT装置单独耦合，所述IPT装置通常是电源或拾电器转换器中的另外一个。
除非上下文明确要求，否则，在整个说明书中，单词“包括(comprise)”和“包括(comprising)”等均以包含的意思来解释，而非排除的或穷尽的意思，也就是说，以“包括，但不限于”的意思。
虽然本发明通过举例并参考其可能的实施例来描述，但是应该理解的是，可以对其进行修改或改进，而不背离本发明的范围。本发明还可以宽泛地说涉及零件、元件和特征，所述零件、元件和特征以它们中的任何一个或所有组合，单独地或共同地在本申请的说明书中指出或指示。而且，当提及具有已知等效物的本发明的特定组件或整数，则这种等效物合并于此，如同单独地提出的。
在整个说明书中的现有技术的任何讨论均不能视为承认这种现有技术被广泛地已知，或形成本领域的公知常识的部分。

Claims (35)

1.一种多相感应电能传输(IPT)***，其包括：
主电源，所述主电源包括多个主导线，所述主导线可单独地有选择地运行，以提供或接收用于感应电能传输的磁场；以及
至少一个拾电器，所述拾电器包括一个或多个拾电器导线，所述一个或多个拾电器导线中的每个均可单独地有选择地运行，以与所述主导线磁耦合，从而控制在所述主电源和与各自拾电器耦合或可耦合的负载之间的电能传输。
2.根据权利要求1所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中所述多个主导线中的任何一个或多个均有选择地运行，以提供所需要的磁场。
3.根据权利要求1所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中所述多个主导线中的每个均只有在负载由与各自主导线磁耦合的拾电器供电时才运行。
4.根据权利要求1至3中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中每个所述主导线中均以360°/n异相地运行，其中n是所述主导线的数量。
5.根据权利要求3所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中每个所述主导线均以360°/n异相地运行，其中n是运行主导线的数量。
6.根据权利要求1至3中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中所述主导线中的每个均单独地有选择地耦合到电源，以控制在各自主导线中的交流电。
7.根据权利要求1至3中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中所述主电源进一步包括多个开关对，每个所述开关对均有选择地将电源耦合到至少一个主导线，从而每个主导线均通过一对开关对被耦合到所述电源，所述开关单独地受到控制，以控制所述主导线中的每个中的交流电。
8.根据权利要求7所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中在所述主导线中的每个的交流电通过控制在与其耦合的各自对的开关对之间的相角而受到控制。
9.根据权利要求1至3中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中所述***是双向的，电能可以从所述主电源有选择地传送到所述至少一个拾电器，或反之亦然。
10.根据权利要求1至3中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中在所述主电源与各自拾电器之间的电能传输通过控制相对于在各自主导线中的交流电的在所述拾电器导线中的交流电的相角而受到控制。
11.根据权利要求1至3中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中在所述主导线和所述拾电器导线中的各自交流电之间的相角以±90°进行调节，在所述电源与所述负载之间的电能传输通过控制在所述主导线和/或所述拾电器导线中的所述交流电的强度而受到控制。
12.根据权利要求1至3中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)***，其包括具有多个拾电器导线的拾电器，每个所述拾电器导线与所述多个主导线中的一个磁耦合或可磁耦合，以接收来自所述主电源的多相电能。
13.根据权利要求12所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中所述拾电器进一步包括多个开关对，每个所述开关对均有选择地将负载耦合到至少一个拾电器导线，从而每个拾电器导线均通过一对开关对耦合到所述负载，并且所述开关对单独地受到控制，以控制在所述拾电器导线中的每个与所述负载之间的电能传输。
14.根据权利要求13所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中在所述拾电器导线中的每个与所述负载之间的电能传输通过控制在与其耦合的各自对的开关对之间的相角而受到控制。
15.根据权利要求12所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中所述拾电器包括多个数量上与所述多个主导线相等的拾电器导线。
16.根据权利要求1至3中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)***，其包括一个或多个拾电器，每个所述拾电器均包括单拾电器导线，所述单拾电器导线与所述多个主导线中的任何一个磁耦合或可磁耦合。
17.根据权利要求1所述的多相感应电能传输(IPT)***，其中所述主电源自动适于感应地供电给：
一个或多个包括多个拾电器导线的拾电器；和/或
每个包括单拾电器导线的一个或多个拾电器。
18.一种多相感应电能传输(IPT)转换器，其包括多个导线，所述导线可单独地有选择地运行，以提供或接受用于感应电能传输的磁场。
19.根据权利要求18所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中每个所述导线均以360°/n异相地运行，其中n是导线的数量。
20.根据权利要求18所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中每个所述导线均以360°/n异相地运行，其中n是运行导线的数量。
21.根据权利要求18至20中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其进一步包括多个开关对，每个所述开关对均单独地有选择地将至少一个导线耦合到电源/功率耗散器，其中每个所述导线均通过一对所述开关对耦合到所述电源/功率耗散器，并且所述开关对是单独地可控制的，以控制在所述导线中的每个中的交流电。
22.根据权利要求21所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中在所述导线中的每个中的交流电通过控制在与其耦合的各自对的开关对之间的相角而受到控制。
23.根据权利要求21所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中所述多个开关对包括与所述多个导线中的每个共用的开关对，以及每个均耦合到所述多个导线中的每个并相对于所述共用开关对单独地受到控制的多个另外的开关对，以控制在对应导线中的电流。
24.根据权利要求21所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中所述多个开关对的每个均将两个导线耦合到所述电源，并且所述开关对以与在其之间的相位滞后交错的方式运行。
25.根据权利要求18至20中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中多个所述导线的每个均仅当与使用中的IPT装置感应地耦合时才运行。
26.根据权利要求21所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其包括三个导线和三个开关对，每个所述导线均以三角形或星形结构耦合在一起。
27.根据权利要求18至20中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中所述导线中的每个的通电均可以独立于其它而受到控制。
28.根据权利要求18至20中任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中在所述导线中的每个中的电流和/或电压均可以单独地受到控制。
29.根据权利要求18至20中的任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中一个或多个所述导线在一个或多个其它导线保持不通电的同时可以通电。
30.根据权利要求18至20中的任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中每个所述导线均包括LCL补偿网络的一部分。
31.根据权利要求18至20中的任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中所述多个导线中的任何一个或多个可以同时通电。
32.根据权利要求18至20中的任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中同时通电的导线的数量和组合基于与使用中的IPT装置感应地耦合的拾电器导线的数量而进行选择。
33.根据权利要求18至20中的任何一项所述的多相感应电能传输(IPT)转换器，其中所述转换器包括IPT电源或IPT拾电器中的一个。
34.一种感应电能传输(IPT)电源，其包括多个主导线，所述主导线可单独地有选择地运行，以提供或接收用于感应电能传输的磁场，其中所述电源自动地适于向包括多个拾电器导线的单拾电器以及每个均包括单拾电器导线的一个或多个拾电器感应地供电。
35.一种感应电能传输(IPT)电源，其包括多个主导线，所述主导线可单独地有选择地运行，以向每个均包括至少一个拾电器导线的一个或多个拾电器提供用于感应电能传输的磁场，其中所述主导线异相地运行，并且相位的数量基于与使用中的所述主导线感应地耦合的拾电器导线的数量而进行选择。
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