CN1813384B - 用于控制感耦电能传送系统的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种电能拾波器，用于具有谐振拾波电路的感耦电能传送(ICPT)系统。可以通过控制谐振电路中可变电抗的电感或电容，改变拾波电路的固有频率。检测由拾波电路供电的负载，以及控制可变电抗元件的有效电容或电感以便改变拾波电路的固有谐振频率，从而控制流入拾波器的电能以便满足负载所需的电能。

Description

用于控制感耦电能传送系统的方法和装置
技术领域
本发明涉及感耦电能传送(ICPT，Inductively Eoupled PowerTransfer)系统和用于这种系统的电能拾波器(power pick up)。
背景技术
已知ICPT电能系统(也称为非接触电源)在诸如物料搬运、照明和运输行业的应用中具有显著的优点。在使用这些电源有利的高和低电力系统中有许多应用。
ICPT系统具有被提供来自电源的交流电的主导电路径。与主路径相邻但与其电绝缘提供一个或多个辅助设备(可以被称为拾波器)。拾波器具有拾波线圈(pick up coil)，其中由与主路径相关的磁场感应电压，并向负载，诸如电马达、灯或例如传感器供电。通常使用调谐电容器来调谐拾波线圈以便增加到拾波器的电能传送。
现有ICPT系统的问题是当轻负载时，例如当通过拾波器给马达供电时以及当等待来自控制系统的命令时为空闲时，传送到拾波器的电能的控制。该控制问题的解决方案是在拾波线圈上使用短接开关以便当需要时去耦拾波器，从而防止电能从主导电路径流向拾波器。该方法在转让给Auckland UniServices Limited的US专利5,293,308的说明书中进行描述。然而，尽管该说明书解决轻负载拾波器的控制问题，但短接开关导致大的导电损耗，特别是在轻负载时，因为在轻负载条件下，几乎总是导电。
ICPT系统的另一问题是主路径中电流频率的变化。频移会导致主路径电流波动，这导致传送到拾波器的电能的控制问题。更重要的是，频移会显著地影响拾波器的调谐，特别是使用固定频率调谐的拾波器。这降低系统有效地传送电能的能力。频移能由许多因素引起。最明显的是负载变化，但电路参数变化也很显著。
补偿由负载变化引起的主导电路径中的频率变化的一种方法是提供多个单独电容器并将各单独电容器切换进主电源电路中或从其切换出。已经在近期出版的美国专利申请US2003/0210106中提出了该方法。这在高Q系统中有缺陷，因为要求许多电容器。同时，必须限制负载变化以便使系统功能有效。
另一方法是将更复杂的电源，诸如第三代(G3)电源用于主导电路径。这很昂贵并且这种电源不适合于小型化。
发明内容
本发明的目的是提供用于ICPT电源的控制方法或装置，将改进现有系统遇到的一个或多个缺陷，或将至少为公众提供有用的替换。
因此，在一个方面中，本发明提供一种ICPT拾波器，具有拾波谐振电路，包括用来从与主导电路径有关的磁场接收电能以便为负载供电的电容元件和电感元件、检测负载条件的检测部件、以及控制部件，通过根据所检测的负载条件来改变拾波电路的有效电容或电感以控制到拾波器的电能传送，响应由检测部件检测的负载，有选择地调谐或去谐拾波器。
控制部件可以包括电抗元件和允许电抗元件有选择地电连接到拾波电路的开关部件。控制部件最好用来控制开关部件以便改变电抗元件的视在电容或电感，从而调谐或去谐拾波电路。
可以提供相位检测部件，检测谐振电路中的电压或电流的相位，由此，控制部件可以根据所检测的相位，启用开关部件以便允许电抗元件电连接到谐振电路或从其断开。
电抗元件可以包括电感器，以及相位检测部件能检测谐振电路中的电压，以及开关控制部件用来开关第二开关部件，以便在检测的电压零交叉之后的预定时段，使电感器电连接到谐振电路或从谐振电路断开。
电抗元件可以另外包括电容器，以及相位检测部件能检测谐振电路中的电压，以及开关控制部件用来开关第二开关部件，以便在检测的电压零交叉之后的预定时段，使电容器电连接到谐振电路或从谐振电路断开。
最好提供频率检测部件，检测谐振电路的频率。这可以允许控制部件根据所检测的频率，启用开关部件以便允许电抗元件电连接到谐振电路或从其断开，从而改变谐振电路的固有谐振频率。
相位检测部件也可以检测谐振电路的频率。
控制部件可以根据所检测的频率，启用开关部件以允许电抗元件电连接到谐振电路或从其断开，从而改变谐振电路的固有谐振频率。
在电抗元件包括电感器的情况下，控制部件用来启用第二开关部件，以便在电压零交叉后的预定时段过去后，使电感器连接到谐振电路，并当电压再次到达基本上零时，允许第二开关部件被停用。控制部件能够在基本上0电度和基本上180电度之间，并最好在基本上90度和基本上150电度之间改变预定时段。
在电抗元件包括电容器的情况下，控制部件用来启用第二开关部件以便在电压零交叉后的预定时段过去后，使电容器从谐振电路断开。控制部件能在基本上0电度和基本上90电度之间改变预定时段。
在另一方面中，本发明提供一种ICPT系统，包括：
a.电源，包括谐振变换器，向IPCT系统的主导电路径提供交流电；
b.一个或多个辅助拾波器，每个拾波器具有拾波谐振电路，包括用来从与主导电路径有关的磁场接收电能以便为负载供电的电容元件和电感元件、检测负载条件的检测部件、以及控制部件，通过根据所检测的负载条件，改变拾波电路的有效电容或电感以控制到拾波器的电能传送，响应由检测部件检测的负载，有选择地调谐或去谐拾波器。
主导电路径包括一或多匝导电材料，以及可以在基本平面下提供。
主导电路径可以包括至少一个区域，在该至少一个区域四周，存在比该路径的一个或多个其他区域更大的磁场强度。该路径可以通过具有一个或多个集总电感或者一个或多个分布式电感来实现这一点。
在优选实施例中，与非晶磁性材料相邻安装主导电路径以便提供所需磁通量路径。
拾波器也可以包括与拾波线圈相邻的非晶磁性材料以便提供所需磁通量路径。
在另一方面中，本发明提供一种控制由ICPT拾波器获得的电能的方法，该方法包括检测拾波器的负载条件，以及根据所检测的负载条件，有选择地调谐或去谐拾波电路的步骤。
调谐或去谐拾波电路的步骤最好包括使拾波电路的谐振频率移向或移离调谐条件。这最好通过控制可变电容器或电感器来实现。
该方法可以包括检测谐振电路中的电流或电压的频率的步骤。然后可以将所检测的频率与谐振电路的标称频率进行比较，以及根据所检测的负载，倾向或远离标称频率进行调谐或去谐。
有选择地将电抗元件切换进谐振电路中或从其切换出，以便改变电抗元件的视在电感或电容，从而调谐或去谐谐振电路。
在优选实施例中，该方法包括：检测谐振电路中的电压或电流的相位，以及根据所检测的相位，有选择地使电抗元件连接到谐振电路或从其断开。在所检测的电压零交叉后的预定时段，使电抗元件电连接到谐振电路。
该方法可以包括检测谐振电路的频率，根据所检测的频率，启用开关部件以便使电抗元件电连接到谐振电路或从其断开，从而改变谐振电路的固有谐振频率。
将所检测的频率与标称频率进行比较以允许改变预定时段以便调谐谐振电路倾向或远离标称频率。
如果电抗元件包括电感器，那么，该方法可以包括启用开关部件以便在电压零交叉后的预定时段过去后，使电抗元件连接到谐振电路，以及当电压再次达到基本上零时，允许停用第二开关部件。最好从基本上0电度和基本上180电度之间的范围，以及更好，从基本上90电度和基本上150电度之间的范围选择预定时段。
如果电抗元件包括电容器，那么该方法可包括启用开关部件，以便在所检测的电压零交叉后的预定时段，使电抗元件从谐振电路电断开。最好从基本上0电度和基本上90电度之间的范围选择预定时段。
本发明也可以广泛地包括任何新的零件或在此公开的元件，或这些零件、特征或元件的任何新的组合。
附图说明
下面，将参考附图，描述本发明的实施例的一个或多个例子，其中：
图1是已知ICPT系统的基本结构的图，
图2是用于ICPT电源的包括可变电感器的拾波电路拓扑结构的图，
图3a-3c表示参考拾波线圈电压，图2的受控电感器的电流波形，
图4是相对于用于图2的受控电感器的延迟角，等效电感变化的曲线，
图5是用于ICPT电源的包括可变电容器的拾波电路拓扑结构的图，
图6是图5电路的简化电路图，
图7是相对于图6的电路的Q因子的等效电容的图，
图8a-8b表示与图5的受控可变电容器有关的电压和电流波形，
图9是包括ICPT系统的集总主导电路径的设备的透视图，
图10是用于ICPT系统的主导电路径的形式的图。
具体实施方式
参考图1，示出了ICPT电源(也称为非接触电源)系统的基本结构。该系统通常包括两个电绝缘部分。第一部分包括电源，诸如谐振变换器2，其具有输入4，用于连接到电能源，在该例子中，输入4可以连接到50赫兹市电电源。第一部分还包括主导电路径6，向其提供来自谐振变换器2的交流电。主导电路径6通常以拉长的“轨道”的形式，沿该轨道，放置一个或多个第二部分。在该例子中，变换器的主要功能是在轨道回路中，通过正弦波形，提供40kHz的约20安培有效值的标称恒定高频AC电流。
第二部分包括一个或多个拾波器8，每个包括通常以线圈10形式的拾波导电元件。拾波器还包括控制从轨道回路到拾波器的电能传送的控制器12。将电能提供给负载14。在该例子中，控制器12包括根据本发明，控制拾波电路的微型计算机，如下面所述。同时，在该例子中，负载14可以包括传感器，诸如快移传感器。这种传感器的一个例子是照相机，要求快速行进轨道回路6的长度以便为实现工业环境中的控制系统或处理提供信息。
由于主导电路径6和辅助拾波线圈10之间的相互磁耦合，在拾波线圈10中感应电动势。然后，该电压变为辅助电源的来源。由于与正常紧密耦合的变压器相比，磁耦合非常松散，感应电压通常不适合直接使用。如此，控制机制有必要以负载14所需的形式调节电能。在参考图1所述的快移传感器例子中，传感器所需的拾波器输出标称为24伏DC。在转让给Auckland UniServices Limited的US专利5,293,308(Boys)的说明书中描述了有关ICPT系统的操作和设计的更多信息。
根据本发明的一个实施例的拾波器拓扑结构的例子如图2所示。该实施例包括可变电感器。图2中的拓扑结构是并联调谐(paralleltuned)拾波器，即调谐电容器22与拾波线圈10并联连接。可变电感器40也与拾波线圈和调谐电容器并联连接。另外，能根据本发明，使用拾波线圈来提供可变电感。
在图2中，去谐元件包括电感40和两个开关42和(44)以及适当的驱动器(未示出)以便控制流过电抗元件的电压或电流。
已经发现例如能使用快速半导体开关，诸如MOSFET’s、IGBT’s、MCT’s或BJT’s，以在拾波电路中提供可变电感的方式来控制电感器。快速开关有必要具有高频(10-100KHz)，用在ICPT电源系统中。然而，这些开关是仅具有单向电流控制的DC开关。为适应交流电，可以使用两个这种DC开关，在图2中，用开关42和44表示。本领域的技术人员将意识到另一实施例能使用适当的单个开关，而不是两个开关。
开关42和44中的每一个分别具有相关的反并联二极管46和48，允许交流电感电流在两个方向上流动。因此，能控制电感器40以便根据负载的大小，有选择地调谐或去谐电路。在正常加载条件下，可以断开电感器以便再次调谐拾波电路来传送所需电能。
根据拾波谐振电路中的电流来控制开关42和44，以便相位控制电感器40。首先通过导通来控制开关42和44。这允许电感器电流根据所施加的电压的方向在一个方向上逐步增加。因此，基本上实现零电流开关(ZCS)接通。为了当断开时实现零电流开关，由使用环形变流器的检测部件(Green A.以及Boys J.T.，“10kHz inductivelycoupled power transfer-concept and control”，IEEE PowerElectronics and Variable Speed Drives Conference，Pub 399，pp.694-699，1994，其内容在此引入以供参考)，或其他高频电流传感器来检测电感器电流，以及仅当导通其反并联二极管时，才断开开关。用这种方式，不仅在零电流，而且在将近零电压条件(仅约1伏的二极管压降)下，开关每个开关42或44。因此，显著地降低开关损耗，以及在相控电感器中引入的导电损耗可以忽略不计。
因此，选择调谐电容器C来提供调谐到用于主导电路径的特定电源频率的拾波器。可通过开关42和44来控制相控电感器40的等效电感以便增加或减小调谐拾波电路的整体或有效电感，从而改变电路的谐振频率。用这种方式，当负载轻以及不需要通过拾波电路传送高电能时，可以远离谐振去谐拾波器(在轨道频率(track frequency))。类似地，当负载增加以及要求高电能传送以便满足增加负载的需要时，可以将拾波器调谐到轨道频率。能通过检测输出电压V0来简单地检测负载变化，因为如果未提供足够的电能，该电压将下降，如在Boys(US5,293,308)中所公开的。在将信息传递到门驱动控制器47之前，还使用检测部件45来检测Cs两端的谐振AC电压的相位。
已经发现通过使用拾波线圈10的电感大小的约5倍的电感器的相控电感器40，可以实现适当的控制范围。
参考图3a至3c，示出了参考拾波线圈输出电压Vo，用于电感器电流IL的典型电流波形。电感器电流的大小取决于开关启用相位延迟角。例如通过使用零交叉检测器来检测电压源Vo的相位。由Vo零交叉的检测，在下述例子中，测量用于开关启用的相位延迟角。当延迟角在0°和90°之间时，如图3a所示，电流是连续的，因此最大电流流过电感器。当延迟角在90°和180°之间时，电感器电流是断续的。在电感器中流动的基波电流IL1的大小随延迟角增加而降低。这如图3b和3c所示，其中，延迟角分别为120°和135°。基波电流IL1的大小通过下式确定：
I L 1 = V s πωL ( 2 π - 2 α + sin 2 α )
其中，π/2≤α≤π。
如果忽略谐波分量，相控电感器的等效电感将是：
L eq = V s ω I L 1 = π 2 π - 2 α + sin 2 α L
转到图4，示出了视在或等效电感与实际电感之比和延迟角之间的关系。当延迟角为90°时，受控电感器的等效电感等于其自感(即比率为1)。随相应增加延迟角，等效电感增加。
理论上，如果延迟角增加到180°或更高，电感器电流将为零，即，等效电感将无穷大。这是因为由于所施加的电压为负，有源开关将不能导电。实际上，当延迟角接近180°时，等效电感将非常急剧地增加。这使得不适合于实际控制器设计。同时，在高延迟角时，由于大的断续周期，与基波电流相比，谐波分量将变得更大。因此，上述等式随增加延迟角，在计算等效电感方面将变得更不精确。
因此，对于实际调节设计，已经发现通过控制相位延迟角在约90°和约150°之间，可以实现控制，因为已经发现延迟角超出150°基本上等效于断开电感器。在可变电感器电连接到电路的剩余部分之前，相角的控制提供每半个周期内的预定时段。
由此通过图2所示的电路来控制可变电感器，使得当延迟角为90°或更低时，电感器完全“导通”以及系统的频率处于可变范围的高端。这是因为电感器抵消了调谐电容器的一些电容，因此总的等效电容降低，导致更高谐振频率。相反，当延迟角接近或超出180°时，电感器被有效地断开，使得系统的操作频率处于可变范围的下端。如上所述，已经发现实际上，当延迟角接近或超出150°时，电感器被有效地断开，因此，在实际环境中，150°延迟有效地定义操作频率范围的另一端。在90°和180°(实际上90°至150°)延迟之间，平滑地控制电感，使得操作频率能稳定到其标称值。因此，当负载变化(以及影响频移的任何其他因素)开始影响频率时，可通过开关S1和S2(图2)来控制可变电感器以便改变延迟角，从而改变谐振电路的固有频率。用这种方式，能将拾波器调谐到主导电路径的频率，或当负载不需要时，如果有必要降低至拾波器的电能传送，去谐离开那个频率。在图2中示意性地表示控制机制，通过相位检测单元45(可以包括零交叉检测器)来检测谐振电路电压的零交叉和这种交叉的方向，或至少电压波形处于正还是负半周期。将该信息提供给开关控制单元47。零交叉检测还提供谐振电路的频率的测量。另外，这可以通过另一部件或通过单独的电路来测量。将该信息提供给控制单元47(可以包括微型处理器)，用于控制可变电感器L两端的开关(图2中的S1和S2)，以确保改变可变电感器的有效电感以便调谐或去谐拾波谐振电路的固有谐振频率倾向或远离系统的标称频率(即至主导电路径的电源的频率)。
可以通过简单地根据负载(例如通过监视输出电压Vo)来调谐或去谐拾波器的方式，来实现该控制策略。因此，能倾向或远离主导电路径操作的频率，动态地调谐或去谐拾波器。这表示主路径中的电流的频率对适当性能来说，不是与通过已知系统一样关键。无论轨道频率如何，如果要求获得到拾波器的最大电能传送(或在任何时间，由负载所需的电能传送)，那么本发明能调谐到那个频率。
本发明的另一优点是不需要在Boys说明书(US专利号5,293,308)中公开的已知拾波电路拓扑结构的短接开关和二极管。
与使用可变电感不同，如图5所示，可以使用可变电容。参考那一图，使用相同的标记来表示与上述相同或类似的电路元件。如所看到的，相对于图2的差异是使用可变电容50，而不是可变电感。与可变电感器控制类似，可变电容最好包括经两个开关元件，连接在调谐电容器22两端的电容器，尽管可以使用仅一个开关来实现简化的半波形控制。因此，可以控制开关以便控制可变电容器的等效电容，从而如参考图2所述，调谐或去谐拾波器。同样地，可以仅使用调谐电容器22来提供可变电容器。
如果使用与调谐电容器22并联排列的可变电容的电路(诸如图5所示的拓扑结构)，那么根据负载变化范围，可以将电容器22选择成约所需电容的一半，或总电容的任何其他百分比，以便提供以预定主电流频率的谐振。可变电容器也可以包括相同大小(即提供以预定主电流频率的谐振所需的电容的一半)的电容器。这允许提供适当范围的电容来允许合理控制。
在图6中阐述与图5所示的简化的等效电路，以及可以用来帮助下述理论分析。
理想地，对图6所示的简化模型，为维持输出电压Vo恒定，而不在稳定状态下使分路开关S短路，应根据下述公式去谐电容器：
C eq = C s ( 1 - 1 Q ( Q / k ) 2 - 1 ) · · · ( 1 )
其中，Cs是原始调谐电容(22)，Q (＝R/ωLs)是反映负载变化的品质因数，以及k是从开路电压VOC到输出电压Vo的实际所需升压因数，即k＝Vo/Voc。
从等式(1)，负载变化(关于Q)和调谐电容器(相对于初始调谐电容器)之间的关系如图7所示。
从图7，可以看出在去谐条件下，Q必须大于k，以便保持输出电压恒定。如果没有负载，Q将是无穷大。为了相对于负载变化，保持k(从而输出电压Vo)恒定，动态地调谐Ceq。通过下述公式来确定最小电容器：
C eq = lim Q → ∞ C s ( 1 - 1 Q ( Q / k ) 2 - 1 ) = C s ( 1 - 1 / k ) · · · ( 2 )
很显然所需升压因数k越大，所需的电容器调谐比将更小。这是因为当升压因数高时，电路变得对负载变化更敏感。期望这种属性，以便当开路电压能更低时，最小化电源拾波器大小。
图8a和8b表示受控可变电容器的典型电压和电流波形。参考图5，当两个开关S1和S2总是导通时，对应于当控制相角(相对于断开)为零电度的情形，电流将是90电度，导致两个电容器两端的总谐振电压如图8a所示。当相角被控制在0和90度之间时，将断开电容器Cv一定周期。例如，图8b表示对相角为约30度时的情形，用于门控信号的波形、Cv两端的电压(Vcv)、Cs两端的电压(Vcs)以及通过Cv的电流(icv)。当断开开关时，Cv两端的电压保持恒定，以及其电流为零。当将开关控制成导通时，其电压等于总的谐振电压，以及电流流过电容器Cv。在发生断开之前，相角提供可控预定时段。如果相角等于或超出90度，电容器基本上所有时间均为断开。因此，通过控制相角来控制电容器Cv的导电周期，使得有效电容在0和其最大值之间变化。
因此，如参考可变电感器所述，可以改变可变电容器的有效电容以便调谐或去谐拾波谐振电路的固有谐振频率倾向于或远离系统的标称频率(即，到主导电路径的电源的频率)。
已经提出了用于非接触电源应用的动态功率控制电路。通过将可变开关电容器或电感器引入ICPT电源系统的辅助谐振电路中来实现。
本发明允许改进的ICPT电源系统，因为根据本发明的拾波器可以结合已知(不良频率调节)主电源使用。此外，本发明提高了拾波器效率。
本发明有广泛应用，包括在不期望传统导电路径的环境中，将电能输送到各种负载，包括传感器。例子包括净化室中的生产设施、移动部件，诸如快移传感器(例如机器人、光学传感器)、电池充电或再充电、林业(例如传感器)、生物注入、水下(例如防水需求)、危险(例如爆炸环境)以及采矿环境(例如灯光、传感器)，其中传统的导电元件不安全、不方便或经受过度磨损。
作为另一例子，本发明可以用来无线地供电、充电或再充电台式部件，诸如移动计算设备和移动通信设备。能在鼠标垫中或在台面或工作面中或下提供根据本发明的主导电路径。可以在鼠标、移动电话或膝上型计算机中提供根据本发明的拾波器，以便能使用拾波器将电能传送到设备，用于操作该设备和/或用于使该设备中的电池充电。将主导电路径放在可以用来充电多个设备(例如鼠标和移动电话，以及可以是计算机)的环境中的问题在于，负载可根据给多少设备供电以及它们有多接近导电路径而相当大地改变。外部负载因素，诸如附近金属物体的放置也会产生相当大的负载变化。本发明通过允许提供能补偿负载变化以便允许实现所需性能的调谐的拾波器，来克服这些问题。
可以提供根据本发明的拾波单元，用于连接到各种设备，诸如移动电话、个人数字助理或笔记本或膝上型计算机。例如，可以用与个人数字助理接合的“叉簧”的形式来提供拾波单元，叉簧具有连接到个人数字助理或其他计算机上的充电端口的电连接器。类似地，可以在连接到膝上型计算机的基座，或另一设备，诸如蜂窝电话的基座的单位提供拾波器，并与相关设备的充电端口连接。用这种方式，拾波单元可以与现有的电子设备一起使用。另外，在制造期间，拾波单元可以直接包含在设备中。
最好与非晶磁性材料相邻提供用于每个拾波单元的拾波线圈。例如，在一个实施例中，拾波线圈可以包括导体，诸如缠绕在基本上平的铁氧体磁心的铜线。用这种方式，提供改良的磁通量路径以便在拾波线圈的附近引导磁通量，以及提高主导电路径和拾波线圈之间的耦合。另外，例如，通过非晶材料，诸如连接到该板的铁氧体磁心，线圈可以蚀刻为印刷电路板上的一个或多个轨道。除线圈外，实现拾波系统所需的电子部件可以在非常小的空间内提供，以便可以将拾波器物理和限制在相当小的单元中，用于包含在现有的电子设备，诸如上述那些内，或连接到这些设备上。
由于可以有选择地调谐或去谐拾波器的谐振或储能电路，本发明可以用松散或紧密耦合的系统实现。此外，可以提供无电池负载，或可以用来再充电电池。在一些应用，例如生物注入中，拾波器可以包括超级电容器，能通过拾波器充电或通电。
与ICPT系统有关，本发明可以用来从可以采用各种不同形式的主导电路径接收能量。例如，参考图9，示出了通常平面的外壳60，在其内放置导体62。如从该图所看到的，可以以导电材料的回路或线圈的形式提供导体36。在最佳实施例中，提供多匝导电材料以及导体连接电缆64在适当的位置引出该单元以便连接到包括变换器的电源上，如在上述实施例的一个或多个中所述。如果需要，电缆64可以端接在用于与电源有关的相应插座或插头电连接的插头或插座中。另外，尽管未示出，变换器可以在外壳内提供。因此，外壳可以包括外部导体，用于连接到市电交流电源，以及外壳内的变换器可以整流和过滤市电电源以便提供适当的DC源，然后，变换器在谐振电路两端开关以便为导体62提供所需AC电源。
在优选实施例中，衬垫60可以包括通常用于“点击”设备，诸如鼠标的衬垫，或能包括台面或类似表面的一部分。例如，外壳60可以提供为交通工具，诸如飞机、火车、汽车等等中的食物支架或工作面(诸如折叠食物支架)的一部分。外壳60也能是石座、温泉区、桑拿浴、浴室等等中的墙面砖(用于加热)或手巾架(用于干燥)的一部分。也能用于动物笼，以便向动物，诸如兔子、老鼠等等内的植入物供电。外壳的本体最好由非导电材料构成，但可以在部件的一个或多个部件中，或作为整体的部件中包括非晶磁性材料36。这些材料能提供适当的磁通量路径，以便辅助设备可以放在外壳60附近，最好在外壳的表面68上，以及可以由来自线圈62的相互感应供电。外壳60也可以在水下工作。
可以包括结合外壳60使用的辅助拾波设备的装置可以包括通常由一个或多个电池供电的各种设备，但也可以包括方便进行无绳操作的其他设备。这些设备可以包括“点击”设备(例如鼠标)、蜂窝电话设备、PDA、笔记本或膝上型计算机、电动牙刷、电动剃须刀等等。
这些设备可以包括可再充电干电池或干电池的电池，通过拾波线圈中从线圈62感应的电能再充电拾波器。另外，设备(例如鼠标)同样可以不需要电池，因为该设备仅用在线圈62附近。因此，可以使用电源来给电池和无电池拾波器供电。
此外，单元60可以另外或除导体62外，包括专用区域，用于放置将向其提供能源的设备。例如，可以在上表面68上具有各种标记以表示是否应当放置电能接收设备的单元60内提供一个或多个铁氧体磁心。可以形成或轮廓化(例如通过适当地模塑)上表面68以便接收或容纳电能接收设备。因此，本发明适用于松散和紧密耦合的系统两者。由本发明提供的拾波器允许该灵活性，因为由每个拾波器调节由于耦合强度的结果产生并影响主导电路径的电源频率的负载变化。
使用本发明具有多个不同设备可以位于外壳60上以便由线圈62供电的优点。增加电源上的负载的这些多个设备通常倾向于影响电源频率。然而，由本发明提供的动态储能电路意味着多个负载或负载变化不影响系统性能。
本领域的技术人员将期望外壳60内的主导电路径62可以采用各种不同形式。特别地，不需要如此的单独外壳。在一些情况下，例如所有要求的是在适当的表面，诸如台面的下侧中或上提供的导体62。同时，与具有排列为线圈的主导体(primary conductor)不同，多种不同结构是可能的。例如，导电路径可以蚀刻或印刷在适当的衬底，诸如印刷电路板上，以及导电路径可以排列成提供可以固定或移动的所需磁通量路径或多个所需磁通量路径。例如，可以将磁通量路径设计成衬垫“旋转”，使得拾波设备可以位于与导电路径32相邻的各个不同位置或方向上，并且仍接收足够的能量为所需负载供电。
转到图10，示出了用于ICPT电源的主导电路径的另一实施例。在该实施例中，主导电路径通常标记为70，以及由可以包括谐振变换器，诸如电流馈电推挽谐振变换器的电源72供电。
主导电路径70可以简单地包括导电材料回路。例如，该材料最好是多股导电材料，诸如铜线。然而，如图10所示，在拾波器相对于主导电路径70保持固定的应用中，最好修改主导电路径以便优化到那些拾波器的电能传送。使用主导电路径来为相对于该路径保持固定的拾波器供电的例子包括在船、游泳池或浴池、建筑物或交通工具中，使用ICPT系统。采用船的例子，在制造期间，可以在船中提供主导电路径。用这种方式，主导电路径保持物理和电绝缘以便不易损坏以及隐藏它以便它不干扰结构的外观。能将能量输送给船中或上固定的拾波设备，而不需要损害船结构的完整性。特别地，不需要穿透船体来安装部件，诸如深度或速度传感器。另外，可以在制造后，将主导电路径后安装到船上。
为便于从船上的主导电路径到拾波器的电能传送，可以在船结构四周的不同预定位置修改主导电路径。例如，在拾波器74(例如可以包括导航灯)的附近，可以在位置76加宽导电路径以便提供增加磁场的拉长或分布区，以便于到拾波器74的电能传送。类似地，在位置78，可以将一或多匝导电材料包括在主导体中(例如通过使主导体成圈)，以便到可需要更大能量需求，例如可以由拾波器80供电的仪器面板的拾波器的数据传送。因此，产生相对密集磁场强度的“热点”或区域。类似地，可以在主导电路径中的位置82处提供另外的“热点”，用于供电多于一个拾波器，诸如拾波器84和86。如果需要，例如，如能供电具有更大功率需求的拾波器92，诸如电池充电设备的区域88和90所示，可以提供多于一个“热点”。最后，能使用未修改的主导电路径的简单拉长区，诸如区域94来为具有低功率需求以及可需要相对于主导电路径移动的设备供电。例如，由拾波器96供电以及在船的桅杆上提供的导航灯的位置可能需要随时间改变，因此，可以在船的桅杆上提供主导体94的简单长度，因此，拾波器特性沿桅杆的相关位置是统一的。
本发明的另外的应用包括诸如用于生理研究或药物测试的植入的生物工程应用，防水应用、防爆应用、矿业(例如灯、传感器)、林业(例如传感器)、运动传感器应用(例如机器人、光学传感器)、加热系统(例如座位加热、手巾干燥)。
如上所述，可以使用本发明来给包括电池或无电池的拾波器供电。此外，拾波器可以包拓超级电容器，诸如储能设备，其能被非常快速地充电/放电，以及非常安全以及具有长寿命，几乎免维护。
本发明的优选特征可应用于本发明的所有方面，以及可以用在任何可能的组合中。例如，本领域的技术人员将期望受控可变电抗元件可以用在串联调谐拾波器或并联调谐拾波器中。同时，可变电抗元件可以包括拾波器线圈或其调谐电容器。
其中，词语“包括”、“具有”或“包含”用在本文献中，或这些词的变形，诸如由…组成或组成，这些打算在包括意义上解释，即表示“包括但不限于”，除非上下文清楚地表示相反。
其中，已经对特定部件或具有已知等效的本发明的整体进行了上面的描述引证，因此，在此包含这些等效，与单独地阐述一样。

Claims (54)

1. 一种ICPT拾波器，具有拾波谐振电路，包括用来从与主导电路径相关的磁场接收电能以便向负载供电的电容元件和电感元件、检测负载的条件的检测部件、以及控制部件，通过根据所检测的负载条件而改变拾波电路的有效电容或电感以控制到拾波器的电能传送，响应由检测部件检测的负载，有选择地调谐或去谐拾波器。
2. 如权利要求1所述的拾波器，其中，所述控制部件包括电抗元件和允许电抗元件有选择地电连接到拾波电路的开关部件。
3. 如权利要求2所述的拾波器，其中，所述控制部件用来控制开关部件以便改变电抗元件的视在电容或电感，从而调谐或去谐拾波电路。
4. 如权利要求1至3的任何一个所述的拾波器，其中，所述检测部件检测负载所需的电能。
5. 如权利要求2至4的任何一个所述的拾波器，包括相位检测部件，检测谐振电路中电压或电流的相位，由此，控制部件可以根据所检测的相位，启用开关部件以便允许电抗元件电连接到谐振电路或从其断开。
6. 如权利要求5所述的拾波器，其中，所述电抗元件包括电感器，相位检测部件检测谐振电路中的电压，以及开关控制部件用来在检测的电压零交叉之后的预定时段，开关所述开关部件以便使电感器电连接到谐振电路或从谐振电路断开。
7. 如权利要求4或权利要求5所述的拾波器，包括频率检测部件，检测谐振电路的频率，从而控制部件可以根据所检测的频率，启用开关部件以便允许电抗元件电连接到谐振电路或从其断开，从而改变谐振电路的固有谐振频率。
8. 如权利要求4或权利要求5所述的拾波器，其中，所述相位检测部件检测谐振电路的频率，从而控制部件可以根据所检测的频率，启用开关部件以便允许电抗元件电连接到谐振电路或从其断开，从而改变谐振电路的固有谐振频率。
9. 如权利要求6至8的任何一个所述的拾波器，其中，所述控制部件用来启用第二开关部件，以便在电压零交叉后的预定时段过去后，使电感器连接到谐振电路，以及允许当电压再次达到基本上零时，停用开关部件。
10. 如权利要求6至9的任何一个所述的拾波器，其中，所述控制部件能在基本上0电度和基本上180电度之间改变预定时段。
11. 如权利要求6至9的任何一个所述的拾波器，其中，所述控制部件能在基本上90电度和基本上150电度之间改变预定时段。
12. 如权利要求6至11的任何一个所述的拾波器，其中，所述电感器与谐振电路的调谐电容器并联连接。
13. 如权利要求6至12的任何一个所述的拾波器，其中，所述电感器具有两个端子，以及第二开关元件包括两个可控半导体开关元件，一个开关元件连接在每个端子和谐振电路之间。
14. 如权利要求13所述的拾波器，其中，每个开关元件具有连接在其两端的反并联二极管。
15. 如权利要求13或权利要求14所述的拾波器，其中，所述半导体开关元件包括IGBT、MOSFET、MCT、BJT或其他半导体器件。
16. 如权利要求3所述的拾波器，其中，所述电感器包括所述拾波线圈。
17. 如权利要求5所述的拾波器，其中，所述电抗元件包括电容器，相位检测部件检测谐振电路中的电压，以及开关控制部件用来开关该开关部件以便在检测电压零交叉后的预定时段，使电容器电连接到谐振电路或从其断开。
18. 如权利要求17所述的拾波器，包括频率检测部件，检测谐振电路的频率，从而控制部件可以根据所检测的频率，启用开关部件以便允许电抗元件电连接到谐振电路或从其断开，从而改变谐振电路的固有谐振频率。
19. 如权利要求17所述的拾波器，其中，所述相位检测部件检测谐振电路的频率，从而控制部件可以根据所检测的频率，启用开关部件以便允许电抗元件电连接到谐振电路或从其断开，从而改变谐振电路的固有谐振频率。
20. 如权利要求17至19的任何一个所述的拾波器，其中，所述控制部件用来启用开关部件以便在电压零交叉后的预定时段过去后，使电容器从谐振电路断开。
21. 如权利要求17至20的任何一个所述的拾波器，其中，所述控制部件能在基本上0电度和基本上90电度之间改变预定时段。
22. 如权利要求17至22的任何一个所述的拾波器，其中，所述电容器与谐振电路的调谐电容器并联连接。
23. 如权利要求23所述的拾波器，其中，所述电容器的电容基本上等于调谐电容器的电容。
24. 如权利要求17至24的任何一个所述的拾波器，其中，所述电容器具有两个端子，以及开关部件包括两个可控半导体开关元件，一个开关元件连接在每个端子和谐振电路之间。
25. 如权利要求25所述的拾波器，其中，每个开关元件具有连接在其两端的反并联二极管。
26. 如权利要求25或权利要求26所述的拾波器，其中，所述半导体开关元件包括IGBT、MOSFET或BJT。
27. 如权利要求17至21任何一个所述的拾波器，其中，所述可变电抗包括谐振电路的调谐电容器。
28. 一种ICPT系统，包括：
a.电源，包括谐振变换器，向IPCT系统的主导电路径提供交流电；
b.一个或多个辅助拾波器，每个拾波器具有拾波谐振电路，包括用来从与主导电路径相关的磁场接收电能以便向负载供电的电容元件和电感元件、检测负载条件的检测部件、以及控制部件，通过根据所检测的负载条件而改变拾波电路的有效电容或电感以控制到拾波器的电能传送，响应由检测部件检测的负载，有选择地调谐或去谐拾波器。
29. 如权利要求28所述的ICPT系统，其中，所述主导电路径包括一或多匝导电材料。
30. 如权利要求29所述的ICPT系统，其中，在基本平面下提供所述主导电路径。
31. 如权利要求28所述的ICPT系统，其中，所述主导电路径包括至少一个区域，在该至少一个区域四周，存在比该路径的一个或多个其他区域更大的磁场强度。
32. 如权利要求28所述的ICPT系统，其中，所述主导电路径包括一个或多个集总电感或一个或多个分布式电感。
33. 如权利要求28至32的任何一个所述的ICPT系统，其中，所述主导电路径安装成与非晶磁性材料相邻以便提供所需磁通量路径。
34. 如权利要求28至33的任何一个所述的ICPT系统，其中，所述拾波器包括与拾波线圈相邻的非晶磁性材料以便提供所需磁通量路径。
35. 如权利要求28至34的任何一个所述的ICPT系统，其中，所述拾波器是无电池的。
36. 如权利要求28至34的任何一个所述的ICPT系统，其中，所述拾波器包括超级电容器。
37. 一种控制由ICPT拾波器获得的电能的方法，该方法包括检测拾波器的负载条件，以及根据所检测的负载条件，有选择地调谐或去谐拾波电路的步骤。
38. 如权利要求37所述的方法，其中，调谐或去谐拾波电路的步骤包括使拾波电路的谐振频率移向或移离调谐条件。
39. 如权利要求37或权利要求38所述的方法，其中，调谐或去谐拾波电路的步骤包括控制可变电容器或电感器的步骤。
40. 如权利要求37至39的任何一个所述的方法，包括检测谐振电路中的电流或电压的频率的步骤。
41. 如权利要求40所述的方法，包括比较所检测的频率与谐振电路的标称频率以及根据所检测的负载，朝向或远离标称频率进行调谐或去谐的步骤。
42. 如权利要求37至41的任何一个所述的方法，包括有选择地将电抗元件切换进谐振电路中或从其切换出，以便修改电抗元件的视在电感或电容，从而调谐或去谐谐振电路。
43. 如权利要求42所述的方法，包括检测谐振电路中的电压或电流的相位以及根据所检测的相位，有选择地使电抗元件连接到谐振电路或从其断开。
44. 如权利要求43所述的方法，其中，检测电压的相位，以及在所检测的电压零交叉后的预定时段，使电抗元件电连接到谐振电路。
45. 如权利要求42至44的任何一个所述的方法，包括检测谐振电路的频率，根据所检测的频率，启用开关元件以便使电抗元件电连接到谐振电路或从其断开，从而修改谐振电路的固有谐振频率。
46. 如权利要求42至45的任何一个所述的方法，包括比较所检测的频率与标称频率，以及改变预定时段以调谐谐振电路朝向或远离标称频率。
47. 如权利要求42至46的任何一个所述的方法，包括在电压零交叉后的预定时段过去后，启用开关部件以便使电抗元件连接到谐振电路，以及允许当电压再次达到基本上零时，停用第二开关元件。
48. 如权利要求42至47的任何一个所述的方法，包括从基本上0电度和基本上180电度之间的范围选择预定时段。
49. 如权利要求42至47的任何一个所述的方法，包括从基本上90电度和基本上150电度之间的范围选择预定时段。
50. 如权利要求43所述的方法，包括检测电压的相位以及在所检测的电压零交叉后的预定时段，使电抗元件从谐振电路电断开。
51. 如权利要求50所述的方法，其中，电抗元件包括电容器，以及从基本上0电度和基本上90电度之间的范围选择预定时段。
52. 一种拾波器，基本上如参考附图中所述的实施例的任何一个所述。
53. 一种ICPT系统，基本上如参考附图中所述的实施例的任何一个所述。
54. 一种用于控制电能的方法，基本上如参考附图中所述的实施例的任何一个所述。
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