專利名稱：自適應(yīng)無線能量傳送系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
·
本發(fā)明大體上涉及無線電力傳送，且更具體來說涉及與對例如包含電池的車輛等遠程系統(tǒng)的無線電力傳送有關(guān)的裝置、系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
正開發(fā)使用在發(fā)射器與耦合到待充電的裝置的接收器之間的空中或無線電力發(fā)射的方法。此些方法大體上分成兩類。一類是基于發(fā)射天線與待充電的裝置上的接收天線之間的平面波輻射(也稱為遠場輻射)的耦合。接收天線收集輻射的電力并對其進行整流以用于為電池充電。此方法有以下缺點電力耦合隨天線之間的距離而迅速減少，使得超過合理距離(例如，小于I到2米)的充電變得困難。另外，由于發(fā)射系統(tǒng)輻射平面波，因此如果未經(jīng)由濾波進行適當(dāng)控制，則無意的輻射可干擾其它系統(tǒng)。其它無線能量發(fā)射技術(shù)方法是基于嵌入于(例如)“充電”墊或表面中的發(fā)射天線與嵌入于待充電的電子裝置中的接收天線(加上整流電路)之間的感應(yīng)耦合。此方法具有以下缺點發(fā)射天線與接收天線之間的間隔必須非常接近(例如，幾毫米以內(nèi))。雖然此方法確實具有在同一區(qū)域中同時為多個裝置充電的能力，但是此區(qū)域通常非常小，且要求用戶將裝置準(zhǔn)確地定位到特定區(qū)域。近些年來，已經(jīng)引入例如車輛等遠程系統(tǒng)，其包含來自電的運動力及用以提供所述電的電池。混合電動車輛包含車載充電器，其使用來自車輛制動及傳統(tǒng)馬達的能量為車輛充電。純電動的車輛必須從其它來源接收用于為電池充電的電。這些電動車輛常規(guī)上被建議通過例如家用或商用AC供應(yīng)源的某種類型的有線交流電(AC)來充電。由于在電力無線發(fā)射的過程中發(fā)生的損耗，無線電力傳送系統(tǒng)中效率非常重要。由于無線電力發(fā)射的效率通常低于有線傳送，所以在無線電力傳送環(huán)境中效率更加令人關(guān)注。因此，需要向電動車輛提供無線電力的方法及設(shè)備。電動車輛的無線充電系統(tǒng)可能需要發(fā)射及接收天線在某種程度內(nèi)對準(zhǔn)。發(fā)射及接收天線的距離及對準(zhǔn)差異會影響高效的發(fā)射。因此，在無線電力傳送系統(tǒng)中需要自適應(yīng)鏈路參數(shù)，以便改進電力傳送、效率及規(guī)章兼容性。

發(fā)明內(nèi)容
示范性實施例是針對在充電底座(CB)與例如電池電動車輛(BEV)等遠程系統(tǒng)之間的耦合模式區(qū)中使用磁性諧振來進行無線電力傳送。可以從CB向遠程系統(tǒng)及從遠程系統(tǒng)向CB進行無線電力傳送。可以采用負載自適應(yīng)及電力控制方法來調(diào)整在無線電力鏈路上傳送的電力量，同時保持傳送效率。在一個或一個以上不范性實施例中，可在至少第一模式與第二模式之間配置自適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器，以在發(fā)射模式中以一操作頻率從電力供應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換電力及向電力供應(yīng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換電力，并且在接收模式中進行相反轉(zhuǎn)換。充電底座天線經(jīng)配置以在接近操作頻率下諧振，并且可操作地耦合到可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器，且經(jīng)配置以將無線能量與遠程天線耦合。所述模式是可選擇的，以經(jīng)由充電底座天線與遠程天線之間的變化的耦合系數(shù)大體上維持可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器中的效率。一個或一個以上示范性實施例還包含用于執(zhí)行相同操作的方法。



圖I說明在BEV停泊在無線發(fā)射器附近時用于配備有無線接收器的例如BEV等遠程系統(tǒng)的無線充電系統(tǒng)。圖2是用于BEV的無線電力充電系統(tǒng)的簡化框圖。圖3是用于BEV的無線電力充電系統(tǒng)的更詳細的框圖，其說明用于發(fā)射天線及接收天線的通信鏈路、弓I導(dǎo)鏈路及對準(zhǔn)系統(tǒng)。圖4說明展示可用于BEV的無線充電的各種頻率的頻譜。圖5說明可用于BEV的無線充電的一些可能的頻率及發(fā)射距離。圖6展示安置在BEV中的可更換無接觸電池的簡化圖。圖7是無線電力天線及相對于電池的鐵氧體材料的放置的詳細圖。圖8是經(jīng)配備以無線地接收或發(fā)射電力的BEV中的電池系統(tǒng)的若干部分的簡化框圖。圖9說明根據(jù)本發(fā)明的實施例包括多個停泊空間及位于每一停泊空間內(nèi)的充電底座的停車場。圖IOA說明車輛可能遇到的可能需要底盤離地高度的各種障礙物。圖IOB說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的位于車輛底盤的下側(cè)的腔內(nèi)的無線電力天線。圖11說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的嵌入充電底座的幾種變化形式。圖12A到12C說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的位于包含無線電力天線的充電底座上的無線電力天線的車輛。圖13A及13B說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的機械裝置可調(diào)整無線電力天線的位置的在X及Y方向上的可能位置。圖14說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的可以通過可操作地耦合到驅(qū)動機構(gòu)的齒輪軸重新定位無線電力天線的另一機械解決方案。圖15說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的對于能量傳送的距離約束。圖16為根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的無線電力傳送系統(tǒng)的電路圖。圖17說明發(fā)射及接收環(huán)形天線，其展示相對于天線半徑的磁場強度。
圖18說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的可重新配置為全橋電力轉(zhuǎn)換及半橋的可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換。圖19A及19B說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的半橋電力轉(zhuǎn)換配置及全橋電力轉(zhuǎn)
換配置。圖20說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的無線電力傳送系統(tǒng)的無線電力傳送組件。圖21說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的用于搜集測量值的各種傳感器。圖22為根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的用于自適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換的方法的流程圖。
具體實施方式

希望下文結(jié)合附圖闡述的詳細描述作為對本發(fā)明的示范性實施例的描述，且并不希望表示可實踐本發(fā)明的僅有實施例。貫穿此描述所使用的術(shù)語“示范性”表示“充當(dāng)實例、例子或說明”，且未必應(yīng)解釋為比其它示范性實施例優(yōu)選或有利。所述詳細描述出于提供對本發(fā)明的示范性實施例的透徹理解的目的而包括特定細節(jié)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，可在無這些特定細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明的示范性實施例。在一些例子中，以框圖形式來展示眾所周知的結(jié)構(gòu)及裝置，以避免使本文中呈現(xiàn)的示范性實施例的新穎性模糊不清。術(shù)語“無線電力”在本文中用以指在不使用物理電磁導(dǎo)體的情況下從發(fā)射器發(fā)射到接收器的與電場、磁場、電磁場或其它場相關(guān)聯(lián)的任何形式的能量。此外，術(shù)語“無線充電”在本文中用于指向包含電化學(xué)單元的一個或一個以上電化學(xué)單元或系統(tǒng)提供無線電力以用于為電化學(xué)單元再充電的目的。術(shù)語“電池電動車輛”(BEV)在本文中用于指遠程系統(tǒng)，且其實例為包含(作為其機動能力的一部分)從一個或一個以上可再充電電化學(xué)單元得到的電力的車輛。作為非限制性實例，一些BEV可為混合電動車輛，其包含使用來自車輛減速及傳統(tǒng)馬達的電力來為車輛充電的車載充電器，其它BEV可以從電力汲取所有機動能力。涵蓋包含電子裝置等的其它“遠程系統(tǒng)”。本文中使用各種術(shù)語及縮寫，包含(但不限于)以下各者AC交流電
BEV電池電動車輛
CB充電底座
DC直流電
EV電動車輛
FDX全雙工
FET場效晶體管
G2V電網(wǎng)到車輛
HDX 半雙工
IGBT 絕緣柵極雙極晶體管
ISM工業(yè)科學(xué)及醫(yī)療
LF低頻
PWM 脈寬調(diào)制
r.m.s. 均方根
VLF超低頻
V2G 車輛到電網(wǎng)
ZSC零電流切換舉例來說且非限制，本文中描述呈電池電動車輛(BEV)形式的遠程系統(tǒng)。還涵蓋遠程系統(tǒng)的其它實例，包含能夠接收及傳送無線電力的各種電子裝置及類似裝置。圖I說明在BEV停泊在無線充電底座(CB) 103附近時用于例如BEV 102等具備無線充電功能的遠程系統(tǒng)的無線充電系統(tǒng)。在停車區(qū)域106中說明兩個車輛102，且所述兩個車輛停泊在對應(yīng)的CB 104上。本地分配中心108連接到電力干線，且經(jīng)配置以向作為CB104的一部分的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)112提供交流電(AC)或直流電(DC)供應(yīng)。CB 104還包含無線電力天線114，用于產(chǎn)生近磁場或從通過遠程天線產(chǎn)生的近磁場拾取能量。每一車輛包含電池、BEV電力轉(zhuǎn)換及充電系統(tǒng)116以及經(jīng)由近場與CB天線114交互的無線電力天線118。在一些示范性實施例中，簡單地通過駕駛員將車輛相對于CB天線114正確定位，BEV天線118可以與CB天線114對準(zhǔn)，且因此安置在近場區(qū)內(nèi)。在其它示范性實施例中，可給予駕駛員視覺反饋、聽覺反饋或其組合以確定何時車輛被正確放置以進行無線電力傳送。在又其它示范性實施例中，可通過自動導(dǎo)航系統(tǒng)來定位車輛，自動導(dǎo)航系統(tǒng)可以將車輛前后移動(例如，以之字形移動)，直到對準(zhǔn)誤差已達到可容許值為止。這個操作可由車輛自動且自主執(zhí)行，不需要駕駛員加以干涉或只需要駕駛員稍加干涉，前提是車輛配備有伺服方向盤、四周的超聲波傳感器及人工智能。在仍其它示范性實施例中，BEV天線118、CB天線114或其組合可包含用于將天線相對于彼此位移及移動以將其更加準(zhǔn)確地定向且在其之間形成更合意的近場耦合的裝置。 CB 104可位于許多位置中。作為非限制性實例，一些合適位置是車輛所有者的家的停車區(qū)域，在常規(guī)的基于石油的加油站之后模型化的為BEV無線充電保留的停車區(qū)域，以及例如購物中心及工作場所等其它位置處的停車場。這些BEV充電站可提供許多益處，例如·方便實際上無需駕駛員干涉及操縱即可自動執(zhí)行充電?！た煽靠蓻]有暴露的電觸點且沒有機械磨損。 安全可不需要操縱電纜及連接器，且可沒有可暴露于戶外環(huán)境中的濕氣及水的電纜、插頭或插座?！し乐蛊茐男袨椴遄㈦娎|及插頭可看不到，或者碰不到。·可用性如果BEV將被用作分布式儲存裝置以使電網(wǎng)穩(wěn)定。通過實現(xiàn)車輛到電網(wǎng)(V2G)能力的方便的對接到電網(wǎng)解決方案可以增加可用性?！っ烙^且無妨礙可沒有可妨礙車輛及/或行人的柱負載及電纜。作為V2G能力·的進一步解釋，無線電力發(fā)射及接收能力可以配置為互惠的，使得CB 104將電力傳送到BEV 102且BEV將電力傳送到CB 104。通過允許BEV用類似于太陽能電力系統(tǒng)可以連接到電網(wǎng)且將多余電力供應(yīng)到電網(wǎng)的方式的方式將電力貢獻給總分配系統(tǒng)，此能力對于電力分配穩(wěn)定性可為有用的。圖2是用于BEV的無線電力充電系統(tǒng)130的簡化框圖。本文中所述的示范性實施例使用形成諧振結(jié)構(gòu)的電容性加載的線環(huán)(即，多匝線圈)，所述諧振結(jié)構(gòu)能夠在一次結(jié)構(gòu)(發(fā)射器)及二次結(jié)構(gòu)(接收器)均被調(diào)諧到共同諧振頻率的情況下經(jīng)由近磁場將來自一次結(jié)構(gòu)的能量高效地耦合到二次結(jié)構(gòu)。所述方法也稱為“磁性耦合諧振”及“諧振感應(yīng)”。為了實現(xiàn)無線高功率傳送，一些示范性實施例可使用在20到60kHz范圍內(nèi)的頻率。此低頻耦合可允許非常高效的電力轉(zhuǎn)換，其可使用現(xiàn)有技術(shù)的固態(tài)裝置來實現(xiàn)。此外，與其它頻帶相比，與無線電系統(tǒng)的共存問題可更少。在圖2中，假設(shè)是對車輛進行能量傳送，常規(guī)電力供應(yīng)器132(其可為AC或DC)將電力供應(yīng)到CB電力轉(zhuǎn)換模塊134。CB電力轉(zhuǎn)換模塊134驅(qū)動CB天線136以發(fā)射所需的頻率信號。如果CB天線136及BEV天線138被調(diào)諧到大體上相同頻率，且足夠接近以處在來自發(fā)射天線的近場福射內(nèi)，則CB天線136及BEV天線138稱合,使得電力可被傳送到BEV天線138，且在BEV電力轉(zhuǎn)換模塊140中被提取。BEV電力轉(zhuǎn)換模塊140接著可為BEV電池142充電。根據(jù)一個實例，BEV電池可充當(dāng)用于所述裝置的遠程能量儲存系統(tǒng)。電源132、CB電力轉(zhuǎn)換模塊134及CB天線136構(gòu)成總體無線電力系統(tǒng)130的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分144，其可為固定的且位于如上所論述的多種位置。BEV電池142、BEV電力轉(zhuǎn)換模塊140及BEV天線138構(gòu)成無線電力子系統(tǒng)146，無線電力子系統(tǒng)146是車輛的一部分或電池組的一部分。在操作中，假設(shè)是對車輛或電池進行能量傳送，則從電力供應(yīng)器132提供輸入電力，使得CB天線136產(chǎn)生輻射場以用于提供能量傳送。BEV天線138耦合到輻射場且產(chǎn)生輸出電力以用于由車輛儲存或消耗。在示范性實施例中，CB天線136及BEV天線138根據(jù)互諧振關(guān)系而配置，且當(dāng)BEV天線138的諧振頻率及CB天線136的諧振頻率非常接近時，當(dāng)BEV天線138位于CB天線136的近場中時，CB與BEV無線電力子系統(tǒng)之間的發(fā)射損耗極小。如所述，通過將發(fā)射天線的近場中的大部分能量耦合到接收天線而非以電磁波形式將大部分能量傳播到遠場而發(fā)生高效的能量傳送。當(dāng)處于此近場中時，可在發(fā)射天線與接收天線之間形成耦合模式。天線周圍的可發(fā)生此近場耦合的區(qū)域在本文中稱為近場耦合模式區(qū)。CB及BEV電力轉(zhuǎn)換模塊兩者均可包含振蕩器、功率放大器、濾波器及匹配電路，用于與無線電力天線的高效耦合。所述振蕩器經(jīng)配置以產(chǎn)生所需的頻率，所述所需的頻率可響應(yīng)于調(diào)整信號來調(diào)整?？赏ㄟ^功率放大器響應(yīng)于控制信號而以一放大量來放大振蕩器信號。可包含濾波器與匹配電路以濾除諧波或其它非所要的頻率，且使電力轉(zhuǎn)換模塊的阻抗與無線電力天線匹配。CB及BEV電力轉(zhuǎn)換模塊還可包含整流器及切換電路以產(chǎn)生合適的電力輸出來為電池充電。示范性實施例中使用的BEV及CB天線可配置為“環(huán)形”天線，且更具體來說，配置為多匝環(huán)形天線，其在本文中也可稱為“磁性”天線。環(huán)形(例如，多匝環(huán)形)天線可經(jīng)配置以包含空氣芯或物理芯(例如，鐵氧體芯 )?？諝庑经h(huán)形天線可允許將其它組件放置于芯區(qū)域內(nèi)。包含鐵磁或鐵磁材料的物理芯天線可允許形成較強的電磁場及改進的耦合。如所述，在發(fā)射器與接收器之間的匹配或接近匹配的諧振期間，發(fā)生發(fā)射器與接收器之間的能量的高效傳送。然而，即使當(dāng)發(fā)射器與接收器之間的諧振不匹配時，也可以較低效率傳送能量。能量傳送通過將來自發(fā)射天線的近場的能量耦合到駐留于建立了此近場的鄰域中的接收天線而非將能量從發(fā)射天線傳播到自由空間中而發(fā)生。環(huán)形天線的諧振頻率是基于電感及電容。環(huán)形天線中的電感一般僅為由所述環(huán)產(chǎn)生的電感，而一般將電容添加到環(huán)形天線的電感以在所需的諧振頻率下產(chǎn)生諧振結(jié)構(gòu)。作為非限制性實例，可與天線串聯(lián)地添加電容器，以形成產(chǎn)生磁場的諧振電路。因此，對于較大直徑的環(huán)形天線來說，誘發(fā)諧振所需的電容的大小隨著環(huán)的直徑或電感增加而減小。應(yīng)進一步注意，電感也可取決于環(huán)形天線的匝數(shù)。此外，隨著環(huán)形天線的直徑增加，近場的高效能量傳送區(qū)域增加。當(dāng)然，其它諧振電路是可能的。作為另一非限制性實例，電容器可并聯(lián)放置于環(huán)形天線的兩個端子之間(即，并聯(lián)諧振電路)。本發(fā)明的示范性實施例包含在處在彼此的近場中的兩個天線之間耦合電力。如所述，近場為天線周圍的其中電磁場存在但可不傳播或輻射遠離所述天線的區(qū)域。近場耦合模式區(qū)通常限于接近天線的物理體積的體積(例如，在六分之一波長的半徑內(nèi))。在本發(fā)明的示范性實施例中，例如單匝及多匝環(huán)形天線的磁性類型天線用于發(fā)射及接收兩者，因為與電類型天線(例如，小型偶極天線)的電近場相比，磁性類型天線的實際實施例中的磁性近場振幅往往更高。這允許所述對天線之間的潛在較高耦合。依賴于實質(zhì)上磁性場的另一原因是其與環(huán)境中的非導(dǎo)電電介質(zhì)材料的低相互作用及安全問題。無線高功率發(fā)射的電天線可涉及極高的電壓。此外，還預(yù)期“電”天線(例如，偶極及單極)或磁性天線與電天線的組合。圖3是用于BEV的通用無線電力充電系統(tǒng)150的更詳細的框圖，其說明用于CB天線158及BEV天線160的通信鏈路152、引導(dǎo)鏈路154及對準(zhǔn)系統(tǒng)156。與圖2的示范性實施例一樣，且假設(shè)能量是朝BEV流動，在圖3中，CB電力轉(zhuǎn)換單元162從CB電力接口 164接收AC或DC電力，且在其諧振頻率下或接近其諧振頻率激勵CB天線158。BEV天線160當(dāng)處在近場耦合模式區(qū)中時，從近場耦合模式區(qū)接收能量以在諧振頻率下或接近諧振頻率振蕩。BEV電力轉(zhuǎn)換單元166將來自接收天線160的振蕩信號轉(zhuǎn)換成適合于為電池充電的電力信號。通用系統(tǒng)還可分別包含CB控制單元168及BEV控制單元170。CB通信單元168可包含與其它系統(tǒng)(未圖示)的通信接口，所述其它系統(tǒng)例如是計算機及電力分配中心。BEV控制單元170可包含與其它系統(tǒng)(未圖示)的通信接口，所述其它系統(tǒng)例如是車輛上的機載計算機、其它電池充電控制器、車輛內(nèi)的其它電子系統(tǒng)及遠程電子系統(tǒng)。CB及BEV通信單元180及182可包含用其單獨通信信道進行特定應(yīng)用的子系統(tǒng)或功能。這些通信信道可以是單獨的物理信道，或者僅是單獨的邏輯信道。作為非限制性實例，CB對準(zhǔn)單元172可以與BEV對準(zhǔn)單元174通信(例如，經(jīng)由CB及BEV通信單元180及182)，以提供用于將CB天線158與BEV天線160更緊密對準(zhǔn)(自主地或借助操作人員的輔助)的反饋機構(gòu)。類似地，CB引導(dǎo)單元176可以例如經(jīng)由CB及BEV通信單元180及182而與BEV引導(dǎo)單元178通信，以提供反饋機制來引導(dǎo)操作人員將CB天線158與BEV天線160對準(zhǔn)。此外，可能存在由CB通信單元180及BEV通信單元182支持的用于在CB與BEV之間傳達其它信息的單獨的通用通信信道152。此信息可包含關(guān)于EV特性、電池特性、充電狀態(tài)及CB與BEV兩者的電力能力的信息以及維護及診斷數(shù)據(jù)。這些通信信道可以是單獨的物理通信信道，例如藍牙、紫蜂、蜂窩等等。此外，可以不使用特定通信天線經(jīng)由無線電力鏈路來執(zhí)行某種通信。換句話說，通信天線與無線電力天線是相同的。因此，CB的一些示范性實施例可包含控制器(未圖示)，用于啟用無線電力路徑上的鍵控類型協(xié)議。通過用預(yù)定義的協(xié)議以預(yù)定義的時間間隔對發(fā)射功率電平進行鍵控(幅移鍵控)，接收器可以檢測來自發(fā)射器的串行通信。CB電力轉(zhuǎn)換模塊162可以包含負載感測電路(未圖示)，以用于檢測有效BEV接收器在CB天線158產(chǎn)生的近場附近的存在或不存在。舉例來說，負載感測電路監(jiān)視流動到功率放大器的電流，所述電流受有效接收器在由CB天線158產(chǎn)生的近場附近的存在或不存在影響。由控制器監(jiān) 視對功率放大器上的加載的改變的檢測，以用于確定是否啟用振蕩器來發(fā)射能量、與有效接收器通信，或其組合。BEV電路可包含切換電路(未圖示)，以用于將BEV天線160與BEV電力轉(zhuǎn)換單元166連接及斷開。將BEV天線斷開不但中止充電，而且改變CB發(fā)射器“看到”的“負載”，這可用于“遮蓋"BEV接收器以使發(fā)射器看不到。如果CB發(fā)射器包含負載感測電路，則可以檢測到負載改變。因此，CB具有用于確定BEV接收器何時存在于CB天線的近場中的機制。圖4說明展示可用于且適合于BEV的無線充電的各種頻率的頻譜。對于對BEV的無線高功率傳送的一些可能的頻率范圍包含3kHz到30kHz頻帶中的VLF, 30kHz到150kHz頻帶中的較低LF (對于ISM類應(yīng)用)(排除其中一些)、HF 6. 78MHz (ITU-RISM-頻帶 6. 765-6. 795MHz)'HF 13. 56MHz (ITU-R ISM 頻帶 13. 553-13. 567)及 HF27. 12MHz (ITU-RISM 頻帶 26. 957-27. 283)。圖5說明可在BEV的無線充電中有用的一些可能的頻率及發(fā)射距離。對于BEV無線充電可為有用的一些實例發(fā)射距離為大約30mm、大約75mm及大約150mm。一些示范性頻率可為VLF頻帶中的大約27kHz及LF頻帶中的大約135kHz。在確定恰好超過接收及發(fā)射天線的諧振特性及耦合模式區(qū)的合適頻率時，應(yīng)當(dāng)考慮到許多考慮事項。無線電力頻率可能會干擾用于其它應(yīng)用的頻率。作為非限制性實例，可能存在與電力線路頻率、可聽頻率及通信頻率的VLF/LF共存問題。對于VLF及LF共存可能是個問題的一些非限制性實例是用于無線電受控時鐘的頻率、用于LW AM廣播及其它無線電服務(wù)的頻率、與ISDN/ADSL及ISDN/xDSL通信信道的交叉耦合、電子車輛固定系統(tǒng)、RFID (射頻識別)系統(tǒng)、EAS (電子物品監(jiān)視)系統(tǒng)、現(xiàn)場尋呼、低電壓PLC系統(tǒng)、醫(yī)用植入物(心臟起搏器等等)、音頻系統(tǒng)及人類及動物可以感知到的聲音發(fā)射。對于HF頻率共存可能是個問題的一些非限制性實例是工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療(ISM)無線電頻帶，例如用于在連續(xù)能量傳送下處于FDX或HDX模式中的遠程控制應(yīng)用及RFID的
6.78MHz ;用于在連續(xù)能量傳送以及便攜式裝置無線電力下處于FDX或HDX模式中的RFID的13. 56MHz ;以及用于鐵路應(yīng)用(Eurobalise 27. 095MHz)、民用頻帶無線電及遠程控制(例如，模型、玩具、車庫門、計算機鼠標(biāo)等等)的27. 12MHz。圖6展示安置于電池電動車輛(BEV) 220中的可再充電及/或可更換電池的簡化圖。在此示范性實施例中，低電池位置對于電池單元222可為有用的，電池單元222集成無線電力接口 226，且可從嵌入于地面中的充電器接收電力。在圖6中，EV可再充電電池單元222容納在電池艙224中。電池單元222還提供無線電力接口 226，無線電力接口 226可集成整個BEV側(cè)無線電力子系統(tǒng)，包括諧振磁性天線、電力轉(zhuǎn)換及地面嵌入式充電底座(CB)與電動車輛(EV)電池之間的高效且安全的無線能量傳送所需要的其它控制及通信功能。以下方案可為有用的BEV天線與電池單元222的底側(cè)(車身)齊平集成，使得不存在突出部分且使得可以維持指定的地面到車身間隙。此配置可能要求電池單元中專用于無線電力子系統(tǒng)的一些空間。在一些示范性實施例中，CB天線及BEV天線固定在適當(dāng)位置中，且通過將BEV相 對于CB整體放置而使天線處在近場耦合區(qū)內(nèi)。然而，為了快速、高效且安全地執(zhí)行能量傳送，可能需要減小充電底座天線與BEV天線之間的距離以改進磁性耦合。因此，在一些示范性實施例中，CB天線及BEV天線可為可部署為可移動的，以使其更好地對準(zhǔn)。圖6中還說明了電池單元222，其提供無接觸電力及通信接口 226/228。圖7是環(huán)形天線及鐵氧體材料相對于電池的放置的更詳細圖。在各種示范性實施例中，電池單元包含作為無線電力接口的一部分的可部署及不可部署的BEV天線模塊240中的一者。為了防止磁場滲透到電池單元230中及滲透到車輛內(nèi)部，在電池單元與BEV天線模塊240之間可存在導(dǎo)電性屏蔽物232(例如，銅薄片)。此外，可以使用非導(dǎo)電性(例如，塑料)層233來保護導(dǎo)電性屏蔽物232。雖然在圖7中將塑料層233說明為線，但是塑料層233的寬度可小于、大約相同或大于導(dǎo)電銅層232的寬度。塑料外殼235用來保護線圈236及鐵氧體材料238免受環(huán)境影響(例如，機械損害、氧化等等)。塑料填充物234可用來將線圈236及鐵氧體238定位于外殼235內(nèi)。圖7展示了全鐵氧體嵌入的天線線圈236。線圈236本身可例如僅由絞合的李茲線制成。圖7還展示尺寸經(jīng)設(shè)計的鐵氧體板238 (即，鐵氧體背襯)以增強耦合且減少導(dǎo)電性屏蔽物232中的渦電流(熱量耗散)。線圈236可完全嵌入于非導(dǎo)電性非磁性(例如，塑料)材料234中。由于磁性耦合與鐵氧體磁滯損耗之間的折衷，總地來說，線圈236與鐵氧體板238之間可能存在間隔。此外，線圈236可在橫向X及/或Y方向上為可移動的。圖7具體說明其中天線(線圈)模塊240部署在向下Z方向上的示范性實施例。天線模塊240與電池單元230的物理分隔可對天線性能有正面影響。圖8是經(jīng)配備以接收無線電力的BEV中的電池系統(tǒng)250的若干部分的簡化框圖。此示范性實施例說明可在EV系統(tǒng)252、電池子系統(tǒng)254及到CB (未圖示)的無線充電接口之間使用的無線電力接口。電池子系統(tǒng)254用EV與電池子系統(tǒng)254之間的無線接口提供能量傳送與通信兩者，這實現(xiàn)完全無接觸的封閉且密封的電池子系統(tǒng)。所述接口可包含用于雙向(雙路)無線能量傳送、電力轉(zhuǎn)換、控制、電池管理及通信的功能性。雖然說明了電池與BEV之間的無接觸連接，但是也預(yù)期接觸連接。上文已解釋了充電器到電池通信接口 256及無線電力接口 258，且同樣應(yīng)注意，圖8展示了一般概念。在特定實施例中，無線電力天線260及通信天線可組合成單個天線。這也可應(yīng)用于電池到EV無線接口 262。電力轉(zhuǎn)換(LF/DC)單元264將從CB接收的無線電力轉(zhuǎn)換成DC信號以為EV電池266充電。電力轉(zhuǎn)換(DC/LF) 268將來自EV電池266的電力供應(yīng)到電池子系統(tǒng)254與EV系統(tǒng)252之間的無線電力接口 270。可包含電池管理單元272以管理EV電池充電、控制電力轉(zhuǎn)換單元(LF/DC及DC/LF)以及無線通信接口。在EV系統(tǒng)252中，無線電力天線274從天線276接收電力，且LF/DC電力轉(zhuǎn)換單元278可將DC信號供應(yīng)到超級電容器緩沖器280。在一些示范性實施例中，LF/DC電力轉(zhuǎn)換單元278可將DC信號直接供應(yīng)到EV電力供應(yīng)器接口 282。在其它示范性實施例中，無接觸接口可能無法提供車輛傳動(例如，在加速期間)需要的高電池峰值電流。為了減小源電阻且因此減小在EV電力供應(yīng)器端子處“看到”的EV能量儲存系統(tǒng)的峰值電力能力，可以使用額外的超級電容器緩沖器?？梢园珽V電系統(tǒng)控制單元284以管理電力轉(zhuǎn)換單元(LF/DC) 278的控制、超級電容器緩沖器280的充電以及到EV及電池子系統(tǒng)254的無線通 信接口 262。此外，應(yīng)注意，如上所述，V2G能力可適用于參看圖8所述且在圖8中說明的概念。
如下所述的本發(fā)明的示范性實施例是針對作為用于BEV的無線充電系統(tǒng)的一部分的無線電力天線的對準(zhǔn)(本文中也稱為“BEV無線充電系統(tǒng)”)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，充分的天線對準(zhǔn)可以用快速、高效且安全的方式實現(xiàn)例如位于停車空間內(nèi)的充電底座與BEV子系統(tǒng)之間的雙路(雙向)能量傳送。根據(jù)一個或一個以上示范性實施例，車輛引導(dǎo)系統(tǒng)可提供粗略的對準(zhǔn)，以用于將BEV充分地定位于停車空間內(nèi)，以使得CB天線與BEV天線能夠在特定誤差半徑內(nèi)對準(zhǔn)。此外，根據(jù)一個或一個以上其它示范性實施例，天線對準(zhǔn)系統(tǒng)可經(jīng)配置以在一個或一個以上方向上機械地調(diào)整CB天線、BEV天線或這兩者的位置，以實現(xiàn)天線在BEV無線充電系統(tǒng)內(nèi)的精細對準(zhǔn)。圖9說明包括多個停車空間907的停車場901。請注意，“停車空間”在本文中也可稱為“停車區(qū)域”。為了增強車輛無線充電系統(tǒng)的效率，BEV 905可沿著X方向(圖9中用箭頭902)及Y方向(圖9中用箭頭903繪示)來對準(zhǔn)，使得BEV 905內(nèi)的無線電力車輛底座904能夠與相關(guān)聯(lián)的停車空間907內(nèi)的無線電力充電底座906充分對準(zhǔn)。雖然將圖9中的停車空間907說明為具有單個充電底座906，但是本發(fā)明的實施例不受此限制。而是，預(yù)期可具有一個或一個以上充電底座的停車空間。此外，本發(fā)明的實施例適用于具有一個或一個以上停車空間的停車場，其中停車場內(nèi)的至少一個停車空間可包括充電底座。此外，引導(dǎo)系統(tǒng)(未圖示)可以用來輔助車輛操作人員將BEV定位于停車空間907中，使得BEV內(nèi)的車輛底座(例如，車輛底座904)能夠與充電底座906對準(zhǔn)。示范性引導(dǎo)系統(tǒng)可以包含基于電子的方法(例如，無線電定位、方向?qū)ふ以砑?或光學(xué)、準(zhǔn)光學(xué)及/或超聲波感測方法)或基于機械的方法(例如，車輪引導(dǎo)、追蹤或停止)，或其任何組合，以用于輔助BEV操作人員定位BEV以使得BEV內(nèi)的天線能夠與充電底座(例如，充電底座906)內(nèi)的充電天線充分對準(zhǔn)。圖IOA說明BEV 1010可能遇到的需要最小底盤離地高度的各種障礙物1005。障礙物1005可以在不同位置接觸BEV 1010的底盤的下側(cè)1015。當(dāng)無線電力天線(未圖示)位于BEV 1010的底盤的下側(cè)1015內(nèi)或附近時，無線電力天線可能會變得受損、未對準(zhǔn)，或者具有與障礙物1005接觸無線電力天線相關(guān)聯(lián)的其它問題。
圖IOB說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的BEV天線1020。為了保護BEV天線1020免與障礙物不合意地接觸，可能需要將BEV天線1020定位于BEV 1010的底盤的下側(cè)的空腔1012內(nèi)。充電底座可包含與CB天線可操作地耦合的電力轉(zhuǎn)換單元。充電底座可以進一步包含可用于對CB天線進行位置調(diào)整的其它機械或電子組件(例如，處理器)，如本文中將描述。充電底座的組件可以收容在充電底座內(nèi)，充電底座至少部分地嵌入在地表面下方，例如在停車場、車道或車庫中。圖11說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的至少部分地嵌入在地表面1105下方的充電底座1110。充電底座1110可包含一個或一個以上CB天線1115，以用于向與BEV相關(guān)聯(lián)的對應(yīng)BEV天線(未圖示)發(fā)射無線電力信號/從所述BEV天線接收無線電力信號。充電底座1110可從地面突出1101，這可在CB天線1115與BEV天線之間的距離可減小時改進耦合。突出1101的充電底座1110可能更便于接近以進行維護及修理。然而，突出1101的充電底座1110(例如)對于行人或者在除雪期間可為障礙?；蛘撸潆姷鬃?110可與地表面1105齊平1102。齊平1102的充電底座1110可以更便于接近以進行維護及修理，且不形成障礙；然而，CB天線1115與BEV天線之間的耦合可能與突出1101的充電底座1110相比有所減少。齊平1102的充電底座1110還可留下潛在問題，即地表面(例如，浙青)的邊緣潛在地更容易被水、冰及機械應(yīng)力腐蝕。或者，充電底座1110可完全位于地表面下方1103(例如，在浙青層1107下方)。此表面下1103的充電底座1110可更安全而不會受侵害(例如，破壞行為)，并且不形成障·礙；然而，耦合及進行維護及修理的可接近性可有所減少。圖12A到12C說明BEV 1210，其包含定位于充電底座1220上方的無線電力天線1215，充電底座1220還包含無線電力天線1225。如圖12A到12C中所示，BEV天線1210及CB天線1225在X及Y方向上對準(zhǔn)，并且在Z方向上分開距離1230。如圖12B所示，BEV天線1210及CB天線1225在X方向上未對準(zhǔn)達偏移距離1235，且在Z方向上分開距離1230?？赡苄枰獪p小距離1230及偏移距離1235，以便改進BEV天線1215與CB天線1225之間的耦合強度。減小距離1230及偏移距離1235可通過精細對準(zhǔn)調(diào)整系統(tǒng)進行。精細對準(zhǔn)調(diào)整系統(tǒng)可用于調(diào)整CB天線1225、BEV天線1215或其組合的物理位置，以便增加CB天線1225與BEV天線1215之間的耦合強度?？身憫?yīng)于檢測到BEV天線1215與CB天線1225之間的未對準(zhǔn)，來執(zhí)行對BEV天線1215與CB天線1225中的一者或兩者的位置的調(diào)整?？赏ㄟ^利用來自如上所述(例如針對與磁場檢測有關(guān)的方法)的車輛引導(dǎo)系統(tǒng)的信息來執(zhí)行確定未對準(zhǔn)。此外，可在確定相關(guān)聯(lián)的天線的未對準(zhǔn)時使用來自無線電力鏈路(例如，指示無線電力鏈路的性能的各種參數(shù))的信息。舉例來說，在未對準(zhǔn)檢測期間，無線電力鏈路可以在降低的功率電平下操作，且在已經(jīng)準(zhǔn)確地對準(zhǔn)了相關(guān)聯(lián)的天線之后，可以提聞功率電平。精細對準(zhǔn)調(diào)整系統(tǒng)可與路程對準(zhǔn)引導(dǎo)系統(tǒng)分開，或作為其補充。舉例來說，路程對準(zhǔn)引導(dǎo)系統(tǒng)可以將BEV引導(dǎo)到給定容限(S卩，誤差半徑)內(nèi)的位置，使得精細調(diào)整系統(tǒng)可校正BEV天線1215與CB天線1225之間的細微誤差。如圖12C中的BEV 1210的俯視圖所示，BEV天線1210與CB天線1225僅在X方向上未對準(zhǔn)。BEV天線1210與CB天線1220在Y方向上對準(zhǔn)。舉例來說，Y方向上的對準(zhǔn)僅可已通過BEV 1210使用其自身的牽引系統(tǒng)來實現(xiàn)，所述牽引系統(tǒng)可由本文中所述的引導(dǎo)系統(tǒng)加以輔助(例如，自動導(dǎo)航)，并且借助于所述牽引系統(tǒng)，BEV的馬達可能能夠順利且準(zhǔn)確地移動到目標(biāo)Y位置。在此情形下，X方向上可能仍然存在對準(zhǔn)誤差，但Y方向上不存在。消除對Y方向上的對準(zhǔn)調(diào)整的需要(例如，通過使用路程對準(zhǔn)引導(dǎo)系統(tǒng))還可減少BEV天線1215的空間需要，因為BEV天線1215可經(jīng)配置以僅在X方向上移動，BEV天線1215可容納在空腔中，且不是部署用于無線電力傳送。因此，消除對Y方向上的精細調(diào)整的需要可簡化BEV無線電力子系統(tǒng)。圖13A說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的機械裝置可調(diào)整BEV天線1415的位置的在X及Y方向上的可能位置。舉例來說，通過選擇機械裝置內(nèi)的角度對(α，β)，可以在半徑rmax內(nèi)實現(xiàn)X及Y方向上的任何位置。圖13B說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的位于BEV 1510的底側(cè)的空腔1512內(nèi)的BEV天線1515的機械解決方案。如圖13B所示，機械裝置1550可通過選擇適當(dāng)?shù)慕嵌葘?α , β)來在X及Y方向上調(diào)整BEV天線1515的位置。此外，機械裝置1550可通過將BEV 天線1515從BEV 1510的空腔1512降低來在Z方向上調(diào)整BEV天線1515的位置。機械裝置1550可以包含許多機械解決方案(包含電驅(qū)動機械設(shè)備及/或液壓設(shè)備)中的一者。雖然本文中未圖示，但是機械裝置可類似地用于在Χ、Υ或Z方向上或其任何組合上調(diào)整CB天線的位置。換句話說，可以用用于調(diào)整CB天線、BEV天線1515或這兩者的位置(視情況而定)的機械解決方案來實現(xiàn)精細對準(zhǔn)調(diào)整。圖14說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的另一機械解決方案，其中可通過可操作地耦合到驅(qū)動機構(gòu)1652的齒輪軸1650來重新定位BEV天線1615 (及/或CB天線)。在操作中，如果驅(qū)動機構(gòu)1652被致動，則可旋轉(zhuǎn)齒輪軸1650以延伸支撐部件1654以便在Z方向上降低BEV天線1615?？梢栽诟臒o線電力發(fā)射器所產(chǎn)生的電場的力線的電解決方案(例如，以電子方式切換的線圈陣列)的輔助下實現(xiàn)精細對準(zhǔn)調(diào)整?？梢允褂锰炀€的機械對準(zhǔn)與電對準(zhǔn)的組
口 οBEV天線可以沿著BEV的底盤下側(cè)定位。不是如先前所述將充電底座至少部分地嵌入到地表面下方，而是充電底座可經(jīng)配置為位于地表面上方的充電平臺。如果在地面中形成孔來用于充電底座是不合意的，則此配置作為車庫或車棚的改型解決方案可為合意的。充電平臺的配置還可提供靈活性，因為充電平臺可為可移動的，且能夠儲存在除車庫之外的位置中，或者被轉(zhuǎn)移到另一位置。充電底座(例如，充電平臺)可經(jīng)配置以自動移動(例如，作為自動化機械手)、被遠程控制(例如，經(jīng)由遙控單元)，或者通過用于控制移動充電平臺的其它方法移動。舉例來說，BEV (例如，通過其無線電力子系統(tǒng))可以請求充電，此時，充電底座可以在BEV下方自動移動，且對其自身進行定位以將CB無線電力天線與BEV天線對準(zhǔn)。通過如先前所述在一個或一個以上方向上調(diào)整BEV天線及CB天線的位置，可以實現(xiàn)進一步的精細對準(zhǔn)(如果有必要的話)。一旦充分對準(zhǔn)，充電底座便可在充電底座與BEV的無線電力子系統(tǒng)之間更高效地傳送無線電力。在完成充電之后，或在某一其它事件之后，充電底座可以返回到等待位置(待用模式)。因此，無線電力系統(tǒng)可以包含與充電底座及與BEV相關(guān)聯(lián)的另一裝置(例如，無線電力子系統(tǒng))的通信鏈路。充電底座可以進一步包含電纜管理，以便在充電過程之前及之后展開及卷繞連接電纜。BEV的無線電力充電系統(tǒng)可針對安全及安保問題進一步經(jīng)配置。舉例來說，當(dāng)無線電力BEV或CB天線無法縮回時(例如，由于損壞或障礙)，BEV可經(jīng)配置以在部署所述天線時固定。此固定可以保護無線電力充電系統(tǒng)免受進一步損壞。無線電力充電系統(tǒng)可進一步包含傳感器，其檢測無線電力BEV或CB天線的力阻。如果障礙物(石頭、碎屑、雪、動物等等)位于將限制天線移動的位置中，則檢測力阻可以保護無線電力BEV或CB天線及附隨的組件免受損壞。無線電力充電系統(tǒng)可進一步包含對BEV天線與CB天線之間的無線電力鏈路的連續(xù)監(jiān)視(例如，監(jiān)視電壓、電流、電力流等等)，且在檢測到無線電力鏈路中的異常的情況下減少所發(fā)射的電力，或者關(guān)閉電力。無線電力充電系統(tǒng)可進一步包含傳感器，所述傳感器經(jīng)配置以檢測天線附近人或動物的存在。此些傳感器可為合意 的，以便在人靠近無線電力天線的情況下讓處理器減少或終止無線電力發(fā)射。當(dāng)人在BEV下方執(zhí)行維護或其它修理工作時(特別是對于使用心臟起搏器或類似敏感且安全攸關(guān)的醫(yī)療裝置的人)，此動作可能是對長期暴露于電磁輻射的安全預(yù)防。本文中進一步描述無線能量發(fā)射原理。如上所述，無線能量傳送使用形成諧振結(jié)構(gòu)的電容性加載的線環(huán)(或多匝線圈)，所述線環(huán)可提供強耦合，因此能夠在一次結(jié)構(gòu)(發(fā)射器)及二次結(jié)構(gòu)(接收器)均被調(diào)諧到共同諧振頻率的情況下經(jīng)由近磁場將來自一次結(jié)構(gòu)的能量高效地傳送到二次結(jié)構(gòu)。還如所述，所述方法也可稱為“磁耦合諧振”或“諧振電感”。為了實現(xiàn)無線高功率傳送，在從20到60kHz范圍內(nèi)的頻率被認為是合意的，因為使用現(xiàn)有技術(shù)的固態(tài)裝置可以實現(xiàn)非常高效的電力轉(zhuǎn)換，且與其它頻帶相比，與無線電系統(tǒng)的共存問題可能更少。為了計算電力傳送，假設(shè)一種安裝在BEV上的天線線圈，其可以是圓盤形的(如上所述)，且可以水平移動(一般在x、y方向上)以便用于對準(zhǔn)目的以及垂直移動(z方向)。如本文中所述，BEV天線模塊一般可以收藏在車輛底部而不突出。當(dāng)停泊BEV以進行充電時，將天線線圈在z方向上取下，以便使到CB天線線圈(也可以是圓盤形(如上所述)而且嵌入地面中)的距離最小化。圖15說明根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的對于能量傳送的距離約束。最小距離d實現(xiàn)在規(guī)章約束下在最大效率及最大功率下的能量傳送。零距離(天線接觸)將是最優(yōu)的。然而，在需要穩(wěn)健、靈活且可靠的實際解決方案中，預(yù)期有一定的分離。此無法減小的距離將取決于若干厚度因素，例如(I)環(huán)境(灰塵、碎屑、雪的存在，主要是在戶外停車中)，說明為碎屑厚度1680 ； (2) CB天線線圈在地面中的嵌入(浙青下方、齊平、突出)，說明為浙青厚度1682 ; (3) CB及BEV天線模塊的外殼，說明為線圈厚度1684 ；CB的覆蓋物厚度1686及線圈厚度1688及BEV的覆蓋物厚度1690 ； (4)安全裕度厚度1692，需要其來吸收車輛懸掛系統(tǒng)的突發(fā)性垂直位移(震動)(例如，如果在部署B(yǎng)EV天線時很重的人坐在車上)等等，如圖15中說明。理想的情況時，系統(tǒng)根據(jù)實際狀況調(diào)適，目標(biāo)是使距離最小化，且因此使無線電力傳送的性能最大化。在此示范性自適應(yīng)系統(tǒng)中，CB與BEV天線線圈的分離可為可變的，從而如果要應(yīng)對最大功率、最大效率及規(guī)章順應(yīng)，則需要相應(yīng)地調(diào)適某些鏈路參數(shù)。下文中進一步描述此調(diào)適。圖16說明基 于一系列諧振感應(yīng)鏈路的根據(jù)示范性實施例的含有無線電力系統(tǒng)的元件的電路圖。假設(shè)電源及電力耗散器(負載)兩者分別為具有電壓Vsdc及Vuic的恒定電壓，這分別反映了電網(wǎng)及BEV電池的特性。應(yīng)分別在實際上零源電阻及零耗散器電阻的意義上理解恒定電壓。圖16的電路圖以及以下描述假設(shè)從CB側(cè)電源1702到BEV側(cè)耗散器1704的能量傳送。然而，這不應(yīng)當(dāng)排除相反方向上的能量傳送，例如為了車輛到電網(wǎng)(V2G)能量傳送的目的，前提是電力轉(zhuǎn)換支持相反的電力流動(雙向、四象限控制)。圖17說明分開距離d且在圖16中分別通過其電感L1及L2以及其隨距離而變的互耦合系數(shù)k(d)表示的CB天線線圈1706及BEV天線線圈1708。電容器C1及C2用于補償天線電感，因此實現(xiàn)所需頻率下的諧振。等效電阻Rrau及Rrab2表示天線線圈及反電抗電容器固有的損耗。圖17說明分開距離d且在圖16中分別通過其電感L1及L2以及其隨距離而變的互耦合系數(shù)k(d)表示的CB及BEV天線線圈。電容器C1及C2用于補償天線電感，因此實現(xiàn)所需頻率下的諧振。等效電阻Rwu及Rrab2表示天線線圈及反電抗電容器固有的損耗。圖17還指示由在無線電力系統(tǒng)附近的位置r處的所述對線圈產(chǎn)生的磁場向量H(r)。在圖16中說明的示范性實施例中，CB側(cè)電力轉(zhuǎn)換將DC電力轉(zhuǎn)換成所需頻率(操作頻率)下的AC電力，所述所需頻率優(yōu)選在VLF或LF范圍中，例如針對所關(guān)注的高功率應(yīng)用為從20kHz到60kHz。在下文中，此范圍中的任何頻率總體上稱為LF。然而，在另一實施例中，CB側(cè)電力轉(zhuǎn)換還可將標(biāo)準(zhǔn)干線頻率下的AC電力轉(zhuǎn)換成適合于無線電力的操作頻率下的AC電力。在又一示范性實施例中，CB側(cè)電力轉(zhuǎn)換可將未經(jīng)濾波的DC(例如，AC脈沖DC電力)轉(zhuǎn)換成操作頻率下的AC電力。在這后兩種實施例中，在操作頻率下產(chǎn)生的電力可以是非恒定的包絡(luò)。變換比率I =Ii1也可歸于CB電力轉(zhuǎn)換,且可定義為等式I Izii1=Vsdc = Vi其中Vsdc及V1分別表示DC輸入電壓及LF輸出處的基頻的r.m.s.電壓。BEV側(cè)電力轉(zhuǎn)換執(zhí)行將由BEV天線接收到的LF電力重新轉(zhuǎn)換回到DC電力的反向操作。對應(yīng)地，將變換比率n2:1歸于CB電力轉(zhuǎn)換，其可定義為等式2 n2: I=V2: Vldc其中V2及Vuic分別表示LF輸入處的基頻的r. m. s.電壓及DC輸出電壓。理論展示，如果CB及BEV天線兩者的諧振被調(diào)整到操作頻率，則電感性耦合的諧振鏈路的效率及功率達到最大值。這對于任何耦合系數(shù)0〈k(d)〈l都是有效的。實際上，如果目標(biāo)是零電流切換，則電力轉(zhuǎn)換可能需要系統(tǒng)稍微偏離諧振操作。這可通過天線電流中含有的諧波組件的相移來解釋。舉例來說，所述系統(tǒng)可以在諧振頻率的第一范圍內(nèi)操作。舉例來說，第一范圍可以是在諧振頻率的約+/-10kHz、約+/-5kHz或約+/-IkHz內(nèi)的范圍。其還展示，針對給定參數(shù)U、L2, H1及n2，存在最優(yōu)負載電阻Ruia _，其使電力轉(zhuǎn)換及諧振感應(yīng)鏈路中的損耗最小化，因而使端對端的效率最大化。端對端的效率可定乂為等式權(quán)利要求
1.一種充電底座，其包括 可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器，其可在第一模式與第二模式之間配置以在發(fā)射模式中轉(zhuǎn)換來自電力供應(yīng)系統(tǒng)的電力；以及 充電底座天線，其經(jīng)配置以諧振，并且可操作地耦合到所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器，且經(jīng)配置以向遠程天線傳送無線能量， 所述模式可基于所述充電底座天線與所述遠程天線之間的耦合系數(shù)的改變來選擇。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的充電底座，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器可基于所述充電底座天線與所述遠程天線之間的測量到的耦合系數(shù)在若干模式之間重新配置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充電底座，其中所述測量到的耦合系數(shù)是根據(jù)從耦合到所述遠程天線的裝置接收到的測量值來確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充電底座，其中如果所述耦合系數(shù)變得大于閾值，則所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器經(jīng)配置以在配置為全橋模式的所述第一模式中操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的充電底座，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器使所述無線能量的傳送速率相對于當(dāng)在半橋模式中操作時的所述速率增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的充電底座，其中所述電力轉(zhuǎn)換器使所述無線能量的傳送速率相對于當(dāng)在配置為半橋模式的所述第二模式中操作時的所述速率大致倍增。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的充電底座，其中如果所述耦合系數(shù)變得小于閾值，則所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器經(jīng)配置以在配置為半橋模式的所述第二模式中操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的充電底座，其中所述電力轉(zhuǎn)換器使所述無線能量的傳送速率相對于當(dāng)在配置為全橋模式的所述第一模式中操作時的所述速率減小。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的充電底座，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器基于所述充電底座天線與所述遠程天線之間的距離而被重新配置。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的充電底座，其進一步包括經(jīng)配置以用于在X、Y及Z方向中的至少一者上調(diào)整所述充電底座天線的位置的至少一個機械裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的充電底座，其進一步包括用以檢測其中對所述充電底座天線的位置的機械調(diào)整受到障礙物阻礙的狀態(tài)的傳感器。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的充電底座，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器經(jīng)配置以在操作頻率下轉(zhuǎn)換來自所述電力供應(yīng)系統(tǒng)的電力，且其中所述操作頻率在大約20kHz到大約60kHz的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的充電底座，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器及所述充電底座天線可經(jīng)配置以在發(fā)射模式及接收模式中的一者中操作。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的充電底座，其中所述電力供應(yīng)系統(tǒng)在到所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器的接口處提供大體上恒定的電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的充電底座，其中所述電力供應(yīng)系統(tǒng)與所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器之間的所述接口處的電力是AC電力、DC電力及未經(jīng)濾波的AC脈沖DC電力中的一者。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的充電底座，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器可在所述第一模式與第二模式之間配置，以在接收模式中在操作頻率下從電力供應(yīng)系統(tǒng)接收電力。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的充電底座，其進一步包括經(jīng)配置以從所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器接收指示耦合系數(shù)的度量的控制器，且其中所述控制器經(jīng)配置以基于所述接收到的信息來確定耦合系數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求I所述的充電底座，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器經(jīng)配置以在操作頻率下轉(zhuǎn)換來自所述電力供應(yīng)系統(tǒng)的電力，且其中所述充電底座天線經(jīng)配置以在所述操作頻率的第一范圍內(nèi)諧振。
19.一種遠程子系統(tǒng),其包括 可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器，其可在第一模式與第二模式之間配置以在接收模式中轉(zhuǎn)換來自遠程能量儲存系統(tǒng)的電力；以及 遠程天線，其經(jīng)配置以諧振，并且可操作地耦合到所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器，且經(jīng)配置以從充電底座天線接收無線能量， 所述模式可基于所述遠程天線與所述充電底座天線之間的耦合系數(shù)的改變來選擇。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器可基于所述充電底座天線與所述遠程天線之間的測量到的耦合系數(shù)重新配置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述測量到的耦合系數(shù)是根據(jù)從充電底座接收到的測量值來確定。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的遠程子系統(tǒng)，其中如果所述耦合系數(shù)變得大于閾值，則重新配置所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器以在配置為全橋模式的第一模式中操作。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器使所述無線能量的傳送速率相對于當(dāng)在配置為半橋模式的所述第二模式中操作時的所述速率增加。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的遠程子系統(tǒng)，其中如果所述耦合系數(shù)變得小于閾值，則重新配置所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器以在配置為半橋模式的所述第二模式中操作。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器使所述無線能量的傳送速率相對于當(dāng)在配置為全橋模式的所述第一模式中操作時的所述速率減小。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器可基于所述充電底座天線與所述遠程天線之間的距離而重新配置。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的遠程子系統(tǒng)，其進一步包括經(jīng)配置以用于在X、Y及Z方向中的至少一者上調(diào)整所述遠程天線的位置的至少一個機械裝置。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的遠程子系統(tǒng)，其進一步包括用以檢測其中對所述遠程天線的位置的機械調(diào)整受到任何障礙物阻礙的狀態(tài)的傳感器。
29.根據(jù)權(quán)利要求19所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述操作頻率在大約20kHz到大約60kHz的范圍內(nèi)。
30.根據(jù)權(quán)利要求19所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器及所述遠程天線可經(jīng)配置以在發(fā)射模式及接收模式中的一者中操作。
31.根據(jù)權(quán)利要求19所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述遠程能量儲存系統(tǒng)是電化學(xué)單元、超級電容器單元及動能儲存單元中的至少一者。
32.根據(jù)權(quán)利要求19所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述遠程能量儲存系統(tǒng)向所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器的接口提供大體上恒定的電壓。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器與所述遠程能量儲存系統(tǒng)之間的所述接口處的電力是AC電力、DC電力及未經(jīng)濾波的AC脈沖DC電力中的一者O
34.根據(jù)權(quán)利要求19所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器可在所述第一模式與第二模式之間配置，以在發(fā)射模式中在操作頻率下發(fā)射來自所述遠程能量儲存系統(tǒng)的電力。
35.根據(jù)權(quán)利要求19所述的遠程子系統(tǒng)，其進一步包括經(jīng)配置以從所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器接收指示耦合系數(shù)的信息的控制器，且其中所述控制器經(jīng)配置以基于所述接收到的信息來確定耦合系數(shù)。
36.根據(jù)權(quán)利要求19所述的遠程子系統(tǒng)，其中所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器經(jīng)配置以在操作頻率下接收來自所述遠程能量儲存系統(tǒng)的電力，且其中所述充電底座天線經(jīng)配置以在所述操作頻率的第一范圍內(nèi)諧振。
37.一種方法,其包括 通過可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器將來自電力供應(yīng)系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換成操作頻率下的電力以供傳送無線能量； 通過接近所述操作頻率諧振的發(fā)射天線產(chǎn)生電磁場，以將所述無線能量傳送到位于近場耦合模式區(qū)內(nèi)的接收天線，所述近場耦合模式區(qū)經(jīng)配置以可讓所述接收天線接近；以及 基于指示所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的耦合系數(shù)的度量，將所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器配置成第一操作模式或第二操作模式中的一者。
38.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中所述指示耦合系數(shù)的度量對應(yīng)于所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的距離。
39.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其進一步包括從所述無線電力的接收器接收用于確定所述測量到的耦合系數(shù)的測量值。
40.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中如果所述測量到的耦合系數(shù)變得大于閾值，則重新配置所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器以在配置為全橋模式的所述第一模式中操作。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的方法，其進一步包括使所述無線能量的傳送速率相對于在所述半橋模式中操作時的所述速率增加。
42.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其中如果所述測量到的耦合系數(shù)變得小于閾值，則重新配置所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器以在配置為全橋模式的所述第二模式中操作。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的方法，其進一步包括使所述無線能量的傳送速率相對于在所述全橋模式中操作時的所述速率減小。
44.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其進一步包括基于所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的距離重新配置所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器。
45.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其進一步包括在X、Y及Z方向中的至少一者上調(diào)整發(fā)射天線及所述接收天線中的至少一者的位置。
46.根據(jù)權(quán)利要求36所述的方法，其進一步包括檢測其中對所述發(fā)射天線及所述接收天線中的一者的位置的機械調(diào)整受到障礙物阻礙的狀態(tài)。
47.—種設(shè)備,其包括 用于通過可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器將來自電力供應(yīng)系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換成操作頻率下的電力以供傳送無線能量的裝置； 用于通過接近所述操作頻率諧振的發(fā)射天線產(chǎn)生電磁場以將所述無線能量傳送到位于近場耦合模式區(qū)內(nèi)的接收天線的裝置，所述近場耦合模式區(qū)經(jīng)配置以可讓所述接收天線接近；以及 用于基于指示所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的耦合系數(shù)的度量而將所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器配置成第一操作模式或第二操作模式中的一者的裝置。
48.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其中所述指示耦合系數(shù)的度量對應(yīng)于所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的距離。
49.根據(jù)權(quán)利要求46所述的設(shè)備，其中所述用于轉(zhuǎn)換電力的裝置包括所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器，所述用于產(chǎn)生電磁場的裝置包括天線，且所述用于配置所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器的裝置包括控制器。
50.—種方法,其包括 通過可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器將來自電力供應(yīng)系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換成操作頻率下的電力以供傳送無線能量； 通過接近所述操作頻率諧振的發(fā)射天線產(chǎn)生電磁場，以將所述無線能量傳送到位于近場耦合模式區(qū)內(nèi)的接收天線，所述近場耦合模式區(qū)經(jīng)配置以可讓所述接收天線接近；以及 基于所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的距離，將所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器配置成第一操作模式或第二操作模式中的一者。
51.—種設(shè)備,其包括 用于通過可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器將來自電力供應(yīng)系統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換成操作頻率下的電力以供傳送無線能量的裝置； 用于通過接近所述操作頻率諧振的發(fā)射天線產(chǎn)生電磁場以將所述無線能量傳送到位于近場耦合模式區(qū)內(nèi)的接收天線的裝置，所述近場耦合模式區(qū)經(jīng)配置以可讓所述接收天線接近；以及 用于基于所述發(fā)射天線與所述接收天線之間的距離而將所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器配置成第一操作模式或第二操作模式中的一者的裝置。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的設(shè)備，其中所述用于轉(zhuǎn)換電力的裝置包括所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器，所述用于產(chǎn)生電磁場的裝置包括天線，且所述用于配置所述可適應(yīng)電力轉(zhuǎn)換器的裝置包括控制器。
全文摘要
示范性實施例是針對在充電底座CB與例如電池電動車輛BEV等遠程系統(tǒng)之間的耦合模式區(qū)中使用磁性諧振來進行無線電力傳送。所述無線電力傳送可從所述CB向所述遠程系統(tǒng)進行及從所述遠程系統(tǒng)向所述CB進行?？刹捎秘撦d調(diào)適及電力控制方法來調(diào)整在無線電力鏈路上傳送的電力量，同時維持傳送效率。
文檔編號B60L11/18GK102947124SQ201180028942
公開日2013年2月27日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月19日
發(fā)明者漢斯彼得·威德默, 奈杰爾·P·庫克, 盧卡斯·西貝爾 申請人:高通股份有限公司