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。
本发明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。
背景技术：
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。
技术实现要素：
通过本发明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。
根据本发明的一个实施例，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。
根据本发明的另一个实施例，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。
根据本发明的又一个实施例，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发明的特征和技术优点，以便于可以更好地理解下述本发明的详细内容。下文将描述本发明的附加特征和优点，其构成本发明权利要求的主题。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发明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发明的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，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示出了一个根据本发明各个实施例的模块化wpt系统的框图；
图4a示出了根据本发明各个实施例的一个wpt发送器的原理图；
图4b示出了根据本发明各个实施例的另一个wpt发送器的原理图；
图5示出了根据本发明各个实施例的一个wpt接收器的原理图；
图6示出了根据本发明各个实施例的一个wpt和有线充电组合系统的框图；
图7示出了根据本发明各个实施例的一个可切换电容；
图8a示出了根据本发明各个实施例的一个用于wpt系统的线圈组件；
图8b示出了根据本发明各个实施例的另一个用于wpt系统的线圈组件；
图8c示出了根据本发明各个实施例的另一个用于wpt系统的线圈组件；
图8d示出了根据本发明各个实施例的另一个用于wpt系统的线圈组件；
图9a示出了根据本发明各个实施例的一个用于wpt系统的线圈组件的侧视图；
图9b示出了根据本发明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示出了根据本发明各个实施例的一个用于wpt系统的多个绕组的布置图；
图10b示出了根据本发明各个实施例的一个用于wpt系统的线圈组件；
图11示出了根据本发明各个实施例的一个用于wpt系统的多个绕组的安排；
图12a示出了根据本发明各个实施例的一个绕组的截面图；
图12b示出了根据本发明各种实施例的一个绕组的截面图。
图13示出了根据本发明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示出了根据本发明各个实施例的一个线圈组件与屏蔽环的俯视图；
图14b示出了根据本发明各个实施例的一个线圈组件和屏蔽的顶视图；
图15a示出了根据本发明各个实施例的一个模块化发送器的框图；
图15b示出了根据本发明各个实施例的另一个模块化发送器的框图；
图16示出了根据本发明各个实施例的一个模块化接收器的框图；
图17示出了根据本发明各个实施例的一个wpt系统的控制框图；及
图18示出了根据本发明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，本发明提供了许多可于各种具体环境中实施的可应用的发明构思。所讨论的具体实施例仅仅是制造和使用本发明的示例性具体方式，并不限制本发明的范围。
将结合特定环境下的优选实施例，即大功率wpt系统，描述本发明。然而，本发明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。电能来源可以是来自电网的交流电，也可以是来自太阳能电池板或电池等电源的直流电源，但是交流输入将作为主要的例子。图1示出了通常在有线充电系统中使用的谐振电源系统100。功率调节块102，通常是一个功率因数校正(pfc)变换器或其它类型的ac-dc变换器，被用在输入端将交流电源(vin)转换为直流电压vdc，然后一个高频(hf)逆变器104将其转换为高频交流电压波形。然后，这个高频电压被馈送到包括谐振电容c1和一个谐振电感网络的原边谐振回路，该谐振电感网络包括功率变压器t1的原边绕组107。t1的副边绕组108耦合到一个整流器109，再将t1两端的交流电压转换为直流输出电压vo。vo可加到各种负载电路，例如电池或下游功率变换器。功率控制通常被实现为hf逆变器104的频率控制，有时被配置为调节输出电压vo，有时被配置为调节提供给负载电路的输出电流。如果需要，也可以使用hf逆变器的占空比控制来做功率控制。通过适当选择谐振电容c1和谐振电感(包括t1的漏电感)的值，hf逆变器中的功率开关通常可以在软开关，例如零电压开关，的条件下工作。
图2示出了一个采用磁共振(mr)技术的典型的wpt系统200，其包括功率发送器(tx)201和功率接收器(rx)211。与图1类似，pfc变换器202将输入的交流电转换为直流电压vdc，然后vdc被转换为高频交流电压波形。在传统的mr技术中，谐振耦合链路没有功率控制能力，所以一般通过两级电路来产生高频交流电压：第一级是一个dc-dc变换器204，其将dc链路电压vdc转换成一个合适的直流电压206，以控制在rx211的输出端的功率；第二级是功率放大器207，将dc电压206转换成一个高频交流波形，通常是一个固定占空比的波形(对半桥或全桥拓扑而言，一般为50％)。然后，该高频电压被馈送到tx谐振器208，通常包括谐振电容和发送器线圈，有时也包括滤波器或阻抗电路以减少发射线圈电流的谐波含量或故意将一些谐波内容添加进去。这些电路形成一个功率发送器201。功率接收器211包括rx谐振器208(通常由rx谐振电容和rx线圈组成)和rx功率调节器210(通常是一个整流器)。当rx线圈放置在tx线圈附近(即在充电区域中)时，在这些线圈之间就会建立磁耦合，并且可以在它们之间传递能量。功率调节器210可以将rx谐振器中的交流电压的转换为适合负载电路的输出电压vo，通常是一个电容上的直流电压。输出电压vo可以供给各种负载电路，包括电池或下游功率变换器。当rx放置在tx附近时，rx线圈与tx线圈有磁耦合，并可以从tx线圈中吸收能量。功率控制通常实现为对tx中的dc-dc变换器的dc电压206的电压控制，该功率控制有时是调节输出电压vo，有时是调节提供给负载电路的输出电流。由于tx和rx在物理上是不同的单元，为了实现功率控制，可能需要提供tx和rx之间的通信通道。有时这种通信是通过带内通信进行的，该带内通信调制rx或tx中的频率或负载。有时此通信通过带外通信，如蓝牙或nfc(近场通信)信道进行。
对于大功率wpt应用，通常更希望使用模块化设计方法。在有线充电系统和无线充电系统之间共享尽可能多的电路也是更经济的方法。另外，采用模块化设计，也有希望通过进一步安排功率变换器，tx线圈，和/或rx线圈成各种模块，来提高系统性能并协调多模块之间的运行。以下讨论提出了可提高系统各个方面性能的创新技术。
图3示出了一个模块化的wpt系统，该系统可与有线充电系统兼容或集成在一起。其功率结构类似于图2所示系统，不同之处在于其中加入了多个功率总线。所有输入电源模块302的输入301(图3中标记为vin1至vinm)可以来自一个公共的电源，也可以来自几个单独的电源。m个输入变换器302的输出可以联接在一起形成一个直流链路总线vdc303，因此这些pfc变换器的功率可以加在一起。如果需要，可以在输入变换器中实现”功率或”(“oring”)功能和/或均流功能。可以在输入变换器的开关频率之间引入对称的相移实现同步，同步运行可以降低模块中的噪声和直流总线上电容的电流纹波。在轻负载下，某些输入模块可以关闭(即闲置)，以减少总功耗。此外，输入变换器可以有冗余设计和控制，如果其中一些发生故障，系统可以继续运行，从而大大提高了系统可靠性。n个发送器模块304，每一个可以有一个tx变换器305和tx谐振器306，被联接到直流母线303，并且被配置成产生一个磁场，并磁耦合到接收器模块307。这些发送器模块应被控制为使得由这些模块所产生的磁场在充电区域内大体平顺均匀，所以rx模块在充电区域内不论其具体位置都可以高效运行。图3示出了l个rx模块307，每个模块由rx谐振器308和rx功率调节器309(通常是整流器)组成。l个接收器的l个rx整流器307的输出被耦合在一起以形成输出总线vo。在一些实施例中，如果系统需要多输出，则一些接收器模块也可以产生不同的输出电压。如果这些tx线圈被配置为形成一个统一的磁场，发送器模块/线圈的数量可以与接收器模块/线圈的数量不同。就是说，m，l和n可以相等也可以不同。这给系统设计者更大的灵活性来优化系统设计，并使一个系统可能适用于具有不同功率水平和其他要求的各种接收器。
tx变换器305可以是单级逆变器，例如业内熟知的半桥，全桥或推挽逆变器，也可以组合为dc-dc变换器后接逆变器。逆变器可以以50％的占空比控制，并且所有逆变器的开关频率可以采用对称的相移来实现同步。功率发送器的tx线圈可以磁耦合在一起形成一个tx线圈组件。类似地，功率接收器的rx线圈可以磁耦合在一起形成一个rx线圈组件。可以通过tx和rx之间的通信信道来完成功率控制。功率控制可以实现为系统级的中央控制，即使用单个功率控制块310来控制所有tx变换器。另外，功率控制还可以实现为分布式控制配置，其中功率控制块310可以控制tx模块304的一部分或者甚至仅一个tx模块304，并且系统中可以有一个或多个功率控制块，在rx侧和tx侧之间有时有一个或多个通信通道。rx侧和tx侧之间的通信有时是通过带内通信，即调制rx或tx的频率或负载来实现。有时此通信是通过带外通信(例如蓝牙，wifi或nfc(近场通信))实现。功率控制也可以分布在一个系统的tx端和rx端之间。例如，输出电压/电流/功率可以在rx侧来控制，通过改变rx谐振器的谐振频率的谐振调制，或者控制rx整流器中的dc-dc功率变换器，来实现。与无功功率直接相关的tx变换器中的功率开关的软开关，可以通过tx谐振器中的谐振调制或电容切换或电流和电压控制在发送器侧控制。rx侧和tx侧之间的通信通道可用于协调tx侧和rx侧的控制动作，以优化系统性能，例如提高系统效率。
在轻负载下，一部分tx模块(tx1至txn)或rx模块(rx1至rxl)可以禁用或关闭，以减少总功耗。此外，可以控制这些功率模块实现冗余功能，因此，如果其中一些模块无法高效传输功率或无法正常工作，则系统可以继续与其余模块一起运行，因此系统的性能和可靠性得到了保证和明显改善。在tx模块之间，和/或rx模块之间，也可以实现均流功能。在输入级，发送级和接收级的每一级，功率控制都可以在模块级别实现，将系统并行处理为多个模块，或者可以将整个系统集中处理为一个多相系统，如前面所讨论的那样。
上面的许多电路和控制方法可以与有线充电系统共享，以节省总系统成本。例如，所有输入变换器，tx变换器以及rx整流器都可以与位置临近的有线充电系统共享。全部或部分谐振电容及功率变压器也可以与无线功率传输系统位置临近的有线充电(或电源)系统共享。
图4a示出了在发送器电路400a中共享零部件的一个例子。功率开关s1至s4构成全桥发送器变换器402，其输入401耦合至直流电压vdc，并且在点a和点b之间的输出端口产生一个高频电压。当然，也可以使用其它类型的功率拓扑，如半桥，多级，推挽和混合拓扑。c1和cx1构成一个谐振电容406，并且与发送器线圈lt一起构成一个tx谐振器403，其中c1和/或cx1(或它们的一部分)也可以用作有线充电系统中诸如llc功率变换器这样的谐振拓扑的谐振电容。c1也可以不是有线充电系统的一部分，甚至可能在实际的设计中没有这样的元件。cx1可以是当系统换到无线功率传输模式工作时切换过来的附加电容，当整个发送器中没有c1时也可以是所有的谐振电容。cx1可以是一个可变电容，其容值可以在较宽的范围内相对平稳地变化，也可以是一个可以通过控制选择但容值的变化范围有限且步长更大的可切换电容，从而可以在一定范围内选择或改变谐振器的谐振频率，以因应lt电感值的可能变化。图7中将示出一个可切换电容的实现例子并在后面进行描述。l1两端的电压可以耦合到有线充电系统去，用作共享端口405。作为一个替代方案，tx变换器的输出电压(开关桥中a点和b点间的电压)也可用作与有线充电系统耦合的共享端口405。也就是说，tx变换器402和它之前的电路，以及作为可选项的谐振电容606，都可以在无线充电系统和有线充电系统之间共享。这些共享的电路可以位于无线充电系统内或有线充电系统内部，或作为两者共享的单独子系统。
图4b示出了共享发送器400b中零部件的另一示例。与图4a所示的发送器400a相比，这里增加了功率变压器t1和电容c1。因为t1的漏感通常设计成比tx谐振线圈lt的电感低得多，电路400b发送器的运行相比以上所讨论的图4a所示的发送器400a没有显著改变，不过功率变压器t1按其匝比来升高或降低电压，且t1的漏感成为谐振谐振回路的谐振电感的一部分。这样的升降压有助于使谐振电容cx1及其内部的任何控制开关的电压值比较合理，从而可以更好地选择元器件，还可更容易地满足安全要求。实质上c1和cx1串联连接起一个谐振电容的作用。c1当其容值相对较小时可以起谐振电容的作用，当其容值很大(例如大于cx1的三倍以上时)也可以仅仅具有隔直功能。cx1和/或c1可以实现为可切换或可变电容。这样有线充电系统就可以通过t1的原边绕组404，或副边绕组409，或lt，或开关桥402的输出电压来耦合到wpt系统。即无线充电(无线功率传输)系统和有线充电系统之间可以共享tx变换器及其之前的电路，以及可选的元件c1，t1和/或cx1。这些共享的电路可以位于无线充电系统内部，或有线充电系统内部，或为共享的一个单独的子系统。
图5示出了一种无线充电和有线充电可以共享rx整流器的方法。这里，rx谐振器中的谐振电容可选地分为两个电容crt和crb，如果需要也可以用一个电容代替。crb和/或crt可以被实现为一个可切换电容或可变电容。接收器线圈lr和谐振电容crt和/或crb构成接收器(rx)谐振器502。当接收器500位于发送器的充电区，它就暴露于由发送器线圈产生的磁场中，能量就可以在接收器和发送器之间传输。在实际应用中可以设计合适的rx谐振器来优化这种能量传输。接收器调节器506被显示为包括二极管d1至d4的一个全桥整流器。电路506将从lr接收的能量转换成适合于负载的形式。当将其实现为整流器时，它可以在输出端口508上产生稳定的直流电压vo。正如业内熟知，其他开关器件(例如mosfet和igbt)可以在整流器中用作同步整流器件，或者其它的电路类型，如半桥整流器，ac-ac变换器，dc-dc变换器或其组合也可用来产生最适合于负载的输出。无线充电系统可以与有线充电系统耦合在rx的调节器506的输入端口505或lr两端，使得rx调节器及其后的电路，以及作为可选项接收器谐振电容，可以在无线充电系统和有线充电系统之间共享。这些共享的电路可以位于无线充电系统或有线充电系统内部，或作为两者共享的单独的子系统。
图6示出了结合图4b所示的发送器400b和图5所示的接收器500且集成了wpt系统(无线充电)和有线充电的一个充电系统600的框图。为了简洁起见，在输入侧省略了其他电路如pfc变换器。充电系统600既可以充当无线充电器又可以充当有线充电器，并且大多数组件在它们之间共享。里面有一个wpt谐振器功能块602，其包括一个tx谐振器403和可选的rx谐振器502，也有一个有线充电联接功能块604。通常，在一个时间只有一个子系统，无线充电器或有线充电器，在活跃运行(另一个处于备用或闲置状态)。在功能块602和604中可以有一个开关，以在其不工作时禁用这些功能块中的一个或两个。可替代地，一个可变电容的或可切换电容可以用作一个开关，因为其电容可以被设置为不同的值来建立不同的阻抗：一个很低的容值，以产生高阻抗，其阻止比较显著的电流流过，或一个很高的容值产生一个低阻抗电路，可以使大电流流过。例如，在图6中，当系统以wpt模式工作时，cw1可以设置为最低可能值，而当系统以有线充电模式工作时，谐振电容cx1和/或crr可以设置为最低可能值。可替代地，可以将诸如cx1或crr之类的谐振器中的谐振电容设置为最低值或最高值，从而当不需要传递功率时，该谐振器展现出高阻抗以禁用(闲置)该谐振器或降低该谐振器的功率传递能力。在其它实施方案中，在有线充电模式，谐振电容的电容(如cx1和/或crr)可以设置为一个合适的值，以便wpt路径里的谐振器可改善有线充电系统的性能，如帮助控制一个输出电压或电流。
一个可切换电容可以被配置为一个有电容和开关的网络，这些电容和开关布置成几个支路，图7示出了一个实现示例。一个可变电容的电容需要在一个较大的范围内平稳地变化(变化步长小，例如小于其全值的1％)，但可切换电容不同，可能只有几个分支，因此以相对较大的步长在有限的一组电容值(例如，不大于16个值)之间切换。为了减少每一个电容和/或开关的额定电压，一个可切换电容也可以被配置为多个串联的电容。在图7中，ct是上电容，可以是普通电容，也可以是可切换电容网络。下电容被示出为可切换电容网络705。cb0是可选的，它与几个开关-电容分支并联，作为例子图中示出3个分支。考虑到这些开关中的每个开关可以处于on或off状态，控制开关sx1至sx3有8种不同的组合，在这些不同的组合下这个可切换电容可以具有8个不同的等效电容值。这允许根据开关的控制信号来改变谐振电容的电容值。当使用更多数量的开关电容分支时，并且当这些分支中的可切换电容的电容可以按成倍增加关系布置时(即，一个电容的电容值大约是相邻分支中电容的电容值的两倍)，可切换电容的等效容值就可以以大致均匀且精细的步长在较宽的范围内变化，因此这个可切换电容就变成一个可变电容。物理上ct不必直接与下电容联接。例如，在图4a中ct可移到lt的另一侧而不影响系统的基本运行，且这样更对称的布置可以减少系统的emi。
系统里可配置一个切换机制，在一个时间点仅有一个子系统处于活跃运行状态。例如，如果系统打算在有线充电模式下工作，则不激活专用于无线充电的组件和子系统(例如，图4a中的l1或图4b中的l1和cx1)。类似地可以配置切换装置使系统工作在无线充电模式，其中专用于有线充电的组件和子系统处于未激活状态。请注意让一个谐振回路或一个谐振器的线圈进入闲置(未激活)状态也可以通过让耦合到它的功率变换器中的功率开关器件不作开关动作来实现，或让谐振电容的值非常小或非常大从而使谐振回路工作在远离谐振状态并呈现出高阻抗来达到。这可以通过控制一个可切换或可变电容来实现。
在模块化设计中，可以将多个tx线圈集成为一个tx磁性结构(例如成为一个tx线圈组件)，并且可以将这个磁性结构中的tx线圈磁耦合在一起。类似地，多个rx线圈可以集成到一个磁性结构中，例如成为一个rx线圈组件。线圈之间的磁耦合可以被用于加强该线圈组件附近的空间里的磁场。通过仔细设计和定位线圈并控制线圈中的电流，可以在发送器磁性结构附近形成平滑而强大的磁场，从而为预期的rx线圈提供良好的充电空间或充电区域，但在此充电空间之外可以显着降低磁场强度，以减少emi辐射和噪声，同时降低系统成本，尺寸和重量。通过这种方式，即使rx磁性结构和tx磁性结构之间存在错位也可以在rx线圈和tx线圈之间保持良好的磁耦合。实现这一点的一种方式是在充电空间形成一个旋转或运动的磁场，就像一个多相电机里面的旋转磁场或移动磁场一样。图8a至8d(统称图8)示出了在一个磁性结构中安排多个线圈的几个示例，可以是一个tx线圈组件或一个rx线圈组件。图8中的大箭头指示的是旋转磁场的方向。当然，磁场也可以配置为与大箭头相反的方向旋转。图9a和9b(统称为图9)给出一些侧视图，以突出线圈的一些细节。
在图8a所示的优先例中，线圈组件800包括标记为l1到l4的4个线圈，各由磁芯802及围绕它的绕组801组成。值得注意的是，线圈磁芯802是可选的，即一个线圈可以是空芯线圈(没有磁芯)。在一个磁性结构里面，这些线圈通常可以以对称并共面的方式布置，并通过联接磁芯806磁耦合在一起。联接磁芯806可以是一个或多个板状磁材，由磁性材料制成，如铁氧体，铁粉芯，硅钢，mpp或磁膜等。有时，联接磁芯也称为磁屏蔽。在该磁性结构的中心附近，可以有一个或多个中央磁芯c0803.有些中央磁芯可以绕制有绕组，与围绕外周边的4个线圈类似。这些线圈可以像在多相电机中那样对称布置，并且当具有正确相位移的电流流过它们时，可以在它们上方的空间中产生旋转或移动的磁场。旋转磁场相对较强的区域或空间可以用作充电区域或充电空间。这些绕组磁芯，联接磁芯和中央磁芯可以由铁氧体，硅钢片或其它合适的磁性材料制成。如图9a所示，两个磁芯之间可以有气隙，从而可以用气隙的长度来调整线圈之间的磁耦合。还可以合理安排气隙将磁性结构分成几块，如变成磁条或磁板，以简化制造过程和/或避免大铁芯中通常存在的有害的尺寸共振。气隙中可以填充非磁性和非金属材料，如胶或塑料，其有助于将不同的部件联接在一起，并且这样的填充材料可用于磁芯的冷却。这些绕组磁芯，联接磁芯与中央磁芯中的一些可以集成在一起，成为一个单一的磁芯组件。这些线圈也可以用其它方式布置。例如，它们也可以不对称或不共面。只要它们通过磁材耦合，就可以用这种耦合在wpt系统设计中体现出优势来。
图8b示出了线圈组件800的另一个实施例，其与图8a中所示类似，不同之处在于一个联接磁芯806由几个磁条组成，在中心区域808中没有磁芯也没有绕组。业内共知，当线圈对称布置且绕组中的电流也对称时(即具有相同的幅度和频率，相邻绕组之间的相移等于360/n，其中n为组件中线圈个数)，在线圈上方就会产生一个旋转磁场。中心区域808的磁场比较弱(即磁通密度低)，从而可以将诸如传感器那样的敏感电路放置在那附近。
图8a和8b示出的线圈是圆形的形状，但也可以使用其他形状的线圈。图8c示出了用三角形线圈来形成一个矩形或四方形充电区域的组件。图8d示出的组件具有混合形状的绕组，以形成圆形的充电区域，其中每个绕组的形状是一个混合图形，由一个三角形的一部分和一段圆弧组成。除了绕组形状不同并因此充电区域或空间形状也可不同外，图8c和8d中所示的线圈组件的运行类似于图8a所示示的线圈组件。在实际的系统中，可以根据系统的实际需求来设计线圈组件中的绕组形状以及线圈的数量和位置。
图9a和9b示出了图8中所示的线圈组件的侧视图。在图9a中，每个绕组901中都有磁芯902，且两个绕组w1和w3围绕绕组磁芯c1和c3。还有一个中央磁芯c0903。这些线圈通过气隙904及联接磁芯906耦合在一起。耦合到中央磁芯的气隙的长度可以与其他气隙不同。在图9b中，每个线圈都是空心绕组，并且没有中央磁芯。在实际设计中，是否在线圈中使用磁芯，是否具有气隙以及是否使用中央磁芯都是根据系统要求来决定的选项。
一个线圈组件中的多个绕组的可以交错放置，也可以类似于一个多相轴向磁通电机的定子绕组的方式放在一个磁芯的槽里面，如图10a和10b(统称为图10)所示。每个绕组可以有相同的设计，相同的形状和尺寸，线圈组件中的所有绕组可以以对称的方式布置，沿线圈组件的周边采用空间位移。一个绕组的一端或两端可以引出作为联接，并且每个联接可以通过一个谐振电容耦合到一个发送器的功率变换器或一个接收器的整流器，运行中可以产生接近正弦波形的电流送入该绕组。磁性结构的中心可以可选地有一个或多个中央磁芯，并且这些中央磁芯中的一些可以有绕组围绕。每个绕组可以有多匝，并且多个绕组也可以如常规交流电机中那样交错排列。图10a示出了三个相同的半圆形线圈，它们在空间中的位移为120。通常，如果沿线圈组件的周长排列n个线圈，则它们之间的空间位移应约为360°/n，以保持对称布置，这在电流具有相同的相移时帮助产生一个平滑的旋转磁场在其间流转。其它形状，诸如椭圆形，矩形或不规则形状，也可用于配置这些绕组，其数量和位移角也可以改变以更好地适应系统需要。图10b示出一个例子，图10a的三个绕组都放置在一个磁芯1006里，互相交错以进一步提高这些线圈之间的磁耦合。在图12a和图12b(统称为图12)中示出了将绕组的导体与磁芯耦合的示例。图12是图10b中沿直线a-a切割的侧视图。在图12a中示出了绕组在槽内布置的示例，槽中的绕组可以有多个导体，这些导体可以属于一个或多个绕组。与图9a的侧视图相比，齿部起到绕组磁芯902的作用，而铁芯的底部起到联接磁芯906的作用。在wpt系统中，rx和tx的设计都可以使用这样的磁性结构，并且如图12a所示，齿部可能没有齿尖，这样相邻的齿之间的距离相对较大，有助于tx线圈和rx线圈之间取得一个合理的磁耦合系数。图12a中的右图显示可以去除磁芯的齿部中的磁性材料，但是绕组仍然被布置成好像齿部仍然在那里，这就形成了空气齿结构。空气齿结构类似于图9b所示的线圈结构。图12b示出了一个空气齿结构的例子，可以以上下或并排的方式布置多个导体或绕组。
当一个rx磁性结构放置在tx线圈附近时，将在rx线圈和tx线圈之间建立磁耦合，因此可以在它们之间传递能量。rx和tx磁性结构之间的距离可以在几毫米到几百毫米的宽范围内变化。使用上面所讨论的线圈组件，一个磁性结构周围的磁场是由该结构里的绕组共同形成的，线圈的数量可能对该磁性结构周围的充电空间的磁场的直接影响非常小。这样，rx线圈的数量，形状和尺寸可能与系统中tx线圈的相应的值不一样，从而为系统设计提供了更大的自由度，尤其是当发送器用于与不同功率的不同接收器一起运行时。通常在许多应用中，如汽车充电站中，需要这样的系统。同样，在某个工作模式中，一些tx或rx谐振器可能会闲置(即相关线圈中的电流非常低或为零)，并且活跃的tx线圈(即有电流流动帮助在rx线圈和tx线圈之间建立磁场)的数量可能与活跃的rx线圈的数量不同。当将一个rx磁性结构放置在面向tx的临近区域时，其绕组将通过感应产生电压和/或电流。而且，由于绕组电流的频率通常较高，因此可以在比较远的距离上以良好的效率将大量功率和/或能量从tx传输到rx，或反向由rx传输到tx。当一个绕组或其相关联的变换器有故障时，或者当一个模块在轻负载状态下被故意关闭以减少功率损耗时，系统中活跃模块(包括活跃的功率变换器及活跃的线圈的线圈组件)的数量可以减少，并可以调整线圈组件中的线圈电流之间的相移仍然产生一个旋转磁场。这时充电区域的磁通分布可能不再均匀和对称，但系统可以继续运行，余下的绕组和变换器仍可以传输功率和能量到输出。这样可以显着提高wpt系统的可靠性和轻载效率。
一个槽中的导体可以属于同一绕组或不同绕组。图11示出一种绕组安排，在一个有12槽的结构中可以实现多匝绕组。每槽有两组或更多组的导体，而每组有一个绕组的一匝或多匝导体。每个绕组有一个正段和一个负端。在图11中，每槽有两组导体，有些槽中两组导体可属于同一绕组，另一些槽中可分属不同绕组。这些导体组在槽中可以并排放置，也可以上下放置。图11中形成了3个绕组(a，b和c)，绕组a以a 和a-为正段和负段，绕组b以b 和b-为正段和负段，绕组c以c 和c-为正段和负段。引线的一侧，a ，b 和c-，或者a-，b-和c-，可以联接在一起作为中心点，也可以将每个绕组的两端引出作为要联接的联接点与功率变换器和谐振电容耦合。可以用更多或更少的绕组来形成类似的布置，也可以将一些绕组串联或并联。这样，可以使用多相交流电机相似的技术来设置绕组，也可以将电机使用的绕组和磁芯技术用于wpt系统的线圈。然而，由于wpt系统中的每个绕组都与谐振电容耦合并在接近谐振模式下工作，因此绕组电流自然接近于正弦波形。在图11中，每个绕组都以部分槽开始和结束，当有对称相移(相位移)的正弦电流馈入这些绕组时，一个空间高次谐波含量低的平滑旋转磁场就可以在这个磁性结构上方的空间建立起来。
虽然在实施例中示出的是共面和对称的绕组安排，绕组或线圈的布置不必共面，也不必是对称的。tx或rx磁性结构可以布置成任何形状，例如圆形，矩形或不规则形状。
图13示出了一个邻近放置的tx线圈组件和rx线圈组件组成的系统，tx线圈和rx线圈之间有磁耦合。发送器(tx)线圈组件1305可具有tx磁芯1304附件放置的多个线圈1301，如前所述tx磁芯1304可包括联接磁芯和多个绕组磁芯。接收器(rx)线圈组件1310可有多个线圈1306在rx磁芯1309附近放置，如前所讨论其可以包括一个联接磁芯和多个绕组磁芯。发送器线圈的数量可以与接收器线圈的数量不同。当rx线圈组件(或rx)接近tx线圈组件(或tx)时，每个rx线圈将与每个tx线圈磁耦合，但是一个特定的tx线圈和某个特定的rx线圈之间的耦合强度会随着rx和tx的相对位置发生变化而变化。通过测量不同tx和rx线圈之间的磁耦合的相对强度，可以观察或感知rx和tx的相对位置，这样的信息可以被用来引导rx或tx到最佳充电位置，如果rx或tx可以移动的话。请注意，磁耦合强度可能不需要直接测量。例如，测量绕组上的或耦合到绕组的电路的电压信号可能是一个更好的选择。当tx感测到rx进入充电区域时，它可以依次向每个发送器线圈发送适当大小和频率的电流，rx可以测量每个rx线圈的电压或电流的信号，用其作为线圈中该rx磁芯磁场强度相关的一个标示，以通过所接收的rx信号的幅值获得磁耦合系数或磁耦合强度的指示信号。在具有n个发送器线圈和k个接收器线圈的系统中，耦合系数数据可以形成一个kxn或nxk的矩阵。通过分析这样的耦合矩阵，能够获得tx和rx的相对位置和角度的信息。在此过程中，人工智能(ai)和机器学习算法可用于整合大量仿真数据和测试数据(包括历史数据)，以获取更准确的信息。
由于无线功率传输取决于磁感应，因此充电区域中的金属物体可能会有过热的危险，并且可能会干扰功率传输。异物检测可用于保护wpt系统。一个很好的方法是使用适当的传感器。传感器可以放置在tx或rx中。如果一个金属物体在充电区域中，则该区域中的磁场将导致明显的电感变化或功率损耗变化，和/或金属物体中的温度变化。通过感测充电区域中的温度变化或相对温度，可以检测到潜在的危险和/或运行干扰。一种方法是使用具有宽感应角的阵列式红外(ir)传感器来监视充电区域的温度，并识别金属物体的位置。ai和机器学习可用于处理红外成像数据，并在此过程中结合测试，模拟和运行数据。检测充电区域中的金属物体的另一种方法是分析耦合矩阵。由于线圈在rx和tx中的对称排列，耦合矩阵单元的不规则性也可能表明相应区域中存在金属物体。当检测到金属物体或潜在的危险时，可以关闭整个wpt系统，或只是受到影响的tx模块(一个或多个)来进行保护，或者改为工作在一个功率减小的模式，以避免过度加热金属物体的危险。图13示出了可以将传感器1307放置在rx的中心区域中，和/或将tx传感器1302放置在tx的中心区域中，因为线圈组件的中心区域中的磁通密度可以较低，以便传感器可以可靠地运行。这样的传感器可以用于金属物体感测或其他目的。当然，tx或rx中可以使用多个传感器，或者tx或rx中也可以没有传感器。
wpt系统中的一个限制因素是充电区域外部的杂散磁场。采用上述模块化谐振器设计，磁场容易集中于邻近rx和tx线圈周围的空间里，充电空间之外杂散磁场的强度可以大大减少。也可以采用磁屏蔽来进一步减小杂散磁场。图14a和14b(统称为图14)示出了使用磁屏蔽的例子。在图14a中，可以在rx和rx周围放置圆柱形屏蔽体1403，并且圆柱体可以有多层(作为示例示出两层)：一层1404为高磁导率的磁性材料，以及一层1405为高导电性的金属材料。屏蔽体还可使用既可传导电流也可传导磁通的材料，例如硅钢片。利用这种封闭的屏蔽体，可以显著减小充电区域以外的杂散磁场。但是，屏蔽体也无需覆盖整个充电区域或形成封闭的形状。如图14b所示，可以放置屏蔽体来仅保护敏感区域。图14b示出了具有两个局部屏蔽体1403的示例。屏蔽体可以只是分隔充电区域和敏感区域的硅钢片或铝片，敏感区域可以是电子设备所在的地方，也可以是人在wpt系统运行期间可能进入的地方。
如果某些模块可以在低功率运行期间关闭，则选择运行的模块时可以考虑它们对敏感区域中杂散磁场的影响，并保持或多或少的对称运行。例如，在图14b中，如果要关闭(或停用)两个模块，则可以关闭模块1(与线圈l1关联)和模块3(与线圈l3关联)，因此线圈2和线圈4为仍然活跃的模块。线圈l2和线圈l4现在可以根据对称原则控制为导通极性相反的电流，所以它们产生的磁场在敏感区域a和b往往会彼此抵消，所以这些区域里杂散磁场的强度大大减少了。
图2和图3所示，在模块化系统wpt每个线圈可以耦合到一个专用的功率变换器(一个tx变换器或一个rx整流器)。然而，多个功率变换器也可被集成为一个多相变换器，如将在图15和图16所示。图15a和15b(统称为图15)显示了实施多相变换器的两个示例。在图15a中，有3个谐振器1503，每个由谐振电容ct和线圈lt组成，以及3个功率变换器1501。每个功率变换器1501作为多相变换器1508的一相。谐振电容可以被实现为可切换或可变电容。多个线圈可以磁耦合在一起形成一个线圈组件1507，与其关联的绕组的一端可以耦合在一起(到一个中心点)。如果绕组是对称设计和布置并对称控制的，则从平均意义上讲，在稳态运行中，tx或rx中所有绕组电流的总和应为零或接近零。中心点可以悬空，也可以耦合到一个电压稳定的点。在图15a中，中心点联接到了由两个串联的电容c1和c2组成的分压电路1502里。c1和c2之一也可以省略而不影响稳态运行。中心点也可以通过一个阻抗电路，如电感和/或电容，或一个开关网络，如半桥变换器，联接到一个直流电压(vo或vdc)的正端或负端。功率变换器可以全部是半桥变换器。当然，也可以使用更多的变换器或其他拓扑的变换器。图15b示出了具有n个全桥功率变换器1501和n个谐振器1503的系统，每个均由谐振电容ct和线圈lt组成。n个线圈可以磁耦合在一起以形成线圈组件1507。谐振器的两端联接到桥式变换器。图15中的发送器1500由发送器控制系统1504所控制。
可以用图15中所示的多相发送器的类似方法来实现多相接收器。图16示出了三相整流器系统的实施例，有3个rx谐振器1603，三个半桥式整流器1601，以及由两个电容c1和c2组成的分压电路1602。该分压电路是一个阻抗电路，也可以由其他阻抗电路代替。在整流器用了二极管，但是如行内众所周知，也可以用有源开关诸如igbt和mosfet来作同步整流器。每个谐振器由谐振电容cr和线圈lr组成。谐振电容可以被实现为可切换电容或可变电容。多个线圈可以磁耦合在一起以形成线圈组件1607，并且相关联的绕组的一端可以耦合在一起(到中心点)。如果线圈的绕组对称设计和布置并对称控制，则在平均状态下，稳态工作时rx中的所有绕组电流之和应为零或接近零。中心点可以悬空，也可以耦合到一个电压稳定的点。中心点可以耦合到由c1和c2组成的分压电路。那么，在稳态运行中，中心点为直流链路电压vdc的1/2。可以省略c1和c2之一而不影响稳态运行。中心点还可以通过一个阻抗电路(例如电感和/或电容)和开关网络(例如半桥整流器)联接到dc电压(vo或vdc)的负端或正端。接收器1600由rx控制系统1604控制，可以通过调节一个谐振电容的或各谐振电容的容值，控制包括控制rx的输出电压，功率或电流在内的接收器的输出值。
改变谐振电容的容值谐振器的电流也会改变，这样可基于改变电容值来实现不同谐振器，线圈，模块，功率变换器和/或整流器之间的电流平衡或热平衡。通过将tx和/或rx谐振器中的谐振电容的电容设置为其最小值，谐振器也可以被置于闲置模式。
由于充电空间中的磁场是由多个谐振器共同产生的，因此谐振器和功率变换器也可以共同控制。在稳态运行中，一个多线圈tx系统的绕组电流(线圈电流)应控制为在各相之间有对称的相移，且在每个活跃发送器线圈中的电流的幅值可被控制为相等以形成一个平衡的多相系统。由于线圈以对称的空间角度均匀地分布在空间中，因此每个线圈中的电流应具有与线圈的空间角相同的相角。这将在充电空间中产生一个平稳，均匀的旋转磁场。然而，由于系统中rx与tx之间可能位移，rx和/或tx的一个谐振器中的谐振电容可以被配置为与另一谐振器的谐振电容容值不同以实现这样的平衡运行。发送器里的功率开关可以50％的占空比来通断，以便可以在系统中实现这些开关的软开关(零电压开关或零电流开关)，以减少系统的功率损耗和噪声。可替代地，可以以移相控制的方式控制功率开关以实现软开关运行。用于多相变换器的50％占空比控制和移相控制在业界已广为人知。在过渡过程中，开关的占空比也可以调整，并且一相中上管和下管的开关可以以互补的或对称的方式开通和关闭，进行切换。开关的开关频率和占空比可以用于功率控制，还可以被控制为保持功率开关的软开关或满足其他系统功能。例如，可以在启动过程中逐渐增加占空比，以实现软启动。每个谐振电容可以被实现为可切换电容或可变电容。也可以调整tx模块中的谐振电容，以进行功率控制或实现模块中功率开关的软开关。rx模块中谐振电容的调整也可来找实现功率控制或模块中功率开关的软开关。谐振电容的电容调整还可用于故障保护，电压限制或电路隔离，因为一个电容的低电容值意味着高阻抗，可以用以限制流经它的电流。由于接收器和发送器的电路是对称的，因此在系统中rx和tx的角色可以互换。例如，可控制有同步整流器的接收器作为发送器运行。这也允许wpt系统实现双向功率传输。同样，可以使用类似于图4至6所示的方法，将大部分电路与有线充电系统共享。
在负载轻时，可以减少活跃tx模块的数量以提高系统效率。在模块减少的运行期间，绕组电流之间的相移可以根据模块的实际数量进行调整以保持对称性。例如，一个六模块系统可首先减小到三模块系统，双模块系统和单模块系统，同时仍保持一个对称的配置。
可用于无线充电的频率受到全球emc法规的限制。当前，wpt可以考虑几个频带的例子包括：6.78mhz，100-148khz，81-90khz，60khz和20khz。对于大功率应用，控制系统可以使用一个以上的频带进行功率控制，以充分利用频谱资源。多频带频率控制和电容切换可在功率控制中结合使用，以提供较宽的功率范围，同时将开关频率保持在允许的wpt频带内。模块数量也可以用于功率控制。通常，系统可以同时产生有功功率和无功功率。有功功率与输送到输出的功率有关，控制有功功率可以控制输出功率，输出电压或输出电流。无功功率与功率变换器中功率开关的软开关有关。一个好的控制策略应同时考虑有功功率控制和无功功率控制。在诸如wpt系统中使用的谐振器之类的谐振功率转换中，无功功率和有功功率均与开关频率，线圈的电感值以及谐振电容的电容值相关。因此，可以使用这几个变量的任何组合做有功功率或无功功率的控制。通常，动态地控制线圈的电感是困难或昂贵的，因此，我们将以频率控制和谐振电容切换的组合为例来说明wpt系统的控制。在这样的wpt系统可以具有三个独立的控制变量：开关频率，tx谐振电容和rx谐振电容。这些变量的任何一个都可以被用于控制有功功率或无功功率，因此一个特定应用中有设置最佳控制策略的自由度，可以在传输正确的有功功率来在系统的输出得到所需的电压/电流/功率的同时，在功率变换器的输出保持比较低的感性无功功率，从而使功率变换器的开关可以实现软开关(通常是零电压开关)。对于大功率应用，在正常运行中，也可能期望能够调整rx谐振电容，使得rx谐振器的谐振频率等于或接近开关频率，以便最大限度地减少tx线圈的电流以提高系统效率。控制策略的实施例可以包括：
1.对于频率范围较宽的频段(例如100-148khz或81-90khz)，可以将开关频率用作主要控制参数。如果需要，也可以将谐振电容值用作辅助控制参数。当开关频率达到频带的高限或低限值时，谐振电容可以切换到下一个值，以使频率回到限制的范围内。当达到最高电容值或最低电容值时，如果需要，可以将开关频率跳到相邻频带。
2.对于很窄的频带(如6.78mhz，60khz或20khz)，谐振电容可以被用作主要控制参数。当一个具有预先确定的电容值的可切换的电容用作谐振电容时，该谐振器可以被控制为其谐振电容在两个相邻的电容值之间定期或不定期地切换或跳转，例如可以采用pwm的方式，其中谐振器工作在某个电容值的相对时间(即占空比)可以被用作一个功率控制参数，或滞环控制的方式，其中每当输出达到一个限制值时谐振电容就被切换到另一个电容值。当谐振电容的电容达到其极限时，开关频率可跳到相邻频带。
3.tx可以被控制为以一个合适的频率定期从一个频带跳频到另一个频带(或产生零输出功率的关断模式)，这样的跳频的频率通常在从几百到几千赫兹的范围。在跳频模式下，可以将tx在一个频带中运行的的相对时间(占空比)用作功率控制。与传统的打嗝(burst)控制(功率开关可能会在一段时间内不进行切换)相比，功率开关始终处于切换状态，因此系统能够一直传输一些能量，让一些小型装置如传感器总是可以由磁场中的能量供电。
4.tx模块谐振电容的电容值和rx模块中的谐振电容的电容值可以同时用于功率控制，这样的控制可以在rx和tx之间通过通信系统进行协调。
5.发送器功率变换器的占空比也可以用作轻载下的控制措施。由于多相变换器的占空比控制还可以通过移相控制或各相上下管的互补控制来实现功率开关的软开关，因此系统中的功率损耗和噪声水平可以仍然很低，但绕组电流以及由此产生的磁场在偶次谐波频率下可能具有比较强的含量。但是，如果绕组电流相对较低，则偶次谐波电流的emi效应仍为可控。
例如，可将用于电动车辆应用的wpt系统设计为在正常运行下工作在81khz至90khz的范围内，将开关频率fsw用作主要控制参数。例如，当输出功率(电压或电流)比它的参考值高时，可以减小fsw以减少功率输出，而当输出功率低于其参考值时，可以增加fsw以增加输出功率。该fsw达到上限fswh(在这个例子里为90khz)，tx或rx中的谐振电容可以切换到的下一个较高的值，并且可以协调控制功率变换器的fsw和占空比与电容值的切换以使这个过渡过程平滑。该电容值达到上限值后，如果输出的功率仍然低于要求，则可以增加活跃模块的数量。如果所有模块都已在运行，并且控制系统仍要求更多的功率，则wpt系统已达到该频段的最大功率能力，无法在该频段支持更大的功率需求。系统可以进入更高的频段，也可以降低输出功率要求，以维持平稳的系统运行。在fsw达到下限值fswl(这个例子里为81khz)之后，tx或rx中的谐振电容可以切换到下一个较低的值，并且可以将fsw和功率变换器的占空比与电容切换配合以实现平滑过渡。当已经用到最低电容值之后，可以减少活跃模块的数量。如果模块数量已经减少到最少，并且输出功率仍高于要求，则wpt系统已在该频带内达到其最低输出功率，因此应进入下一个较低的频带，例如60khz。可以在此跳频过程中更改占空比和/或谐振电容，以限制系统中的电流和电压应力获得平稳过渡。在60khz频段，系统不能将开关频率用作主要控制参数，而可以使用谐振电容容值，功率变换器的输入电压或开关占空比作为主要控制参数。功率变换器可在打嗝(burst)模式下工作，以进一步降低输出功率，或者去更低频带，如在此情况下20khz，以降低功耗。模块的数量可用于管理功率输出并减少轻载运行期间的功率损耗。
图17示出了在一个宽频带的示例控制流程图，图18示出了在一个窄频带的示例控制流程图。这些图仅显示了基本逻辑，在实际使用中可以有许多改变。
功率控制可以在模块级或系统级进行，其将一个系统视为单个多相系统，并以一个模块为一相。请注意，tx中的相数可能与rx中的相数不同。
本申请给出了各种示例以说明本发明。在实现中可能会有不同的变体。例如，在附图中用了串联谐振回路作示例。并联谐振，串联-并联谐振，并联-串联谐振和多分支谐振都可以采用，并相应地在其中做频率调整和电容控制。
尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。
尽管上面主要依据wpt系统描述本发明的实施例及其优点，但是本技术可以用于其他功率转换系统中，例如功率变换器，电源和有线充电设备。
此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。如本领域的普通技术人员将从本发明的公开内容中容易地理解的是，根据本发明，可以使用目前存在或以后将要开发的，执行与本文描述的相应实施例基本功能相同或达到基本相同的效果的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。
1.一种装置，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。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述第一谐振器或所述第二谐振器由多个在空间上对称分布的线圈构成，其磁耦合到一个联接磁芯，并且每个线圈耦合到一个谐振电容，且其中所述线圈的电流被控制为在邻近所述线圈的一个空间中产生一个旋转磁场。
13.如权利要求11所述的系统，其中一个谐振电容的容值调整为停用所述谐振功能块。
14.一种方法，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；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。
15.如权利要求14所述的方法，还包括控制从所述第一功率变换器的开关频率，所述第一谐振器中一个谐振电容的容值和所述第二谐振器中一个谐振电容的容值中选择的至少两个变量，以调节所述输出端口上的电压或电流，同时保持一个第一功率开关的软开关。
16.如权利要求14所述的方法，其中，在一个运行模式下，活跃的第一线圈的数量与活跃的第二线圈的数量不同。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述第一线圈通过一个联接磁芯彼此磁耦合。
18.如权利要求14所述的方法，还包括配置所述控制器，使得一个谐振电容的容值在一个运行模式中在两个预定的值之间切换。
19.如权利要求14所述的方法，还包括感测每个第一线圈和每个第二线圈的磁耦合强度信号，以及使用所述磁耦合强度信息来引导第一线圈或第二线圈移动以在所述第一线圈和所述第二线圈之间建立更好的磁耦合。
20.如权利要求14所述的方法，还包括感测每个第一线圈和每个第二线圈之间的磁耦合强度信号，并且使用所述磁耦合强度信息来检测在所述第一线圈和所述第二线圈之间的空间中的金属物体。
技术总结