用于無線電力傳遞中的雙態(tài)阻抗轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及無線電力傳遞，且更具體來說，涉及與改變逆變器輸出電流與 逆變器橋接電壓的比率相關(guān)的裝置、系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 已引進(jìn)例如車輛的遠(yuǎn)程系統(tǒng)，其包含從自例如電池的能量存儲裝置接收的電得到 的移動電力。舉例來說，混合電動車輛包含使用來自車輛制動的電力的機載充電器及對車 輛充電的傳統(tǒng)馬達(dá)。僅為電動的車輛通常從其它源接收電以用于對電池充電。電池型電動 車輛(電動車輛)常常被提議經(jīng)由某一類型的有線交流電(AC)(例如，家用或商用AC電力)來 充電。有線充電連接需要電纜或物理連接到電力供應(yīng)器的其它類似連接器。電纜及類似連 接器可有時不方便或麻煩且具有其它缺點。能夠在自由空間中傳遞電力（例如，經(jīng)由無線 場）以用以對電動車輛充電的無線充電系統(tǒng)可克服有線充電解決方案的一些不足。
[0003] 在某一設(shè)計中，電動車輛可經(jīng)配置以通過有線電力供應(yīng)器及無線電力供應(yīng)器兩者 接收電荷。各種雙源電動車輛可交替地或同時接收有線及無線電力。由此，需要高效地及有 效地促進(jìn)有線及無線電力的接收、調(diào)節(jié)及存儲的無線充電系統(tǒng)及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的系統(tǒng)、方法及裝置的各種實施方案各自具有若干方 面，所述方面中無單一一個方面單獨地負(fù)責(zé)本文中所描述的合乎需要的屬性。在不限制所 附權(quán)利要求書的范圍的情況下，本文中描述一些重要特征。
[0005] 本說明書中所描述的目標(biāo)物的一或多個實施方案的細(xì)節(jié)在附圖及以下描述中予 以闡述。其它特征、方面及優(yōu)點將從所述描述、所述圖式及權(quán)利要求書而變得顯而易見。應(yīng) 注意，以下各圖的相對尺寸可能未按比例繪制。
[0006] 一個方面提供一種無線電力發(fā)射器。所述無線電力發(fā)射器包含發(fā)射天線，所述發(fā) 射天線經(jīng)配置以在第一和第二配置兩者中產(chǎn)生用于無線發(fā)射電力的場。所述無線電力發(fā)射 器進(jìn)一步包含第一電容器。所述無線電力發(fā)射器進(jìn)一步包含至少一個開關(guān)，所述至少一個 開關(guān)經(jīng)配置以在所述第一和第二配置中的一者中選擇性地連接所述第一電容器。所述第一 電容器可在所述第一配置中與所述發(fā)射天線串聯(lián)且在所述第二配置中與所述發(fā)射天線并 聯(lián)。
[0007] 在一實施例中，所述無線電力發(fā)射器可進(jìn)一步包含與所述發(fā)射天線并聯(lián)的第二電 容器。所述第一電容器可在第一配置中與所述第二電容器并聯(lián)且在所述第二配置中與所述 第二電容器串聯(lián)。在一實施例中，所述無線電力發(fā)射器可進(jìn)一步包含與所述至少一個開關(guān) 串聯(lián)的第三電容器。在一實施例中，所述第三電容器可經(jīng)配置以補償存在于第一配置中的 額外電抗性載荷。
[0008] 在一實施例中，所述至少一個開關(guān)可不是諧振路徑的部分。在一實施例中，所述至 少一個開關(guān)可經(jīng)配置以基于發(fā)射天線與接收器之間的耦合而在所述第一和第二配置中的 一者中選擇性地連接所述第一電容器。在一實施例中，所述無線電力發(fā)射器可進(jìn)一步包含 至少一個處理器，所述至少一個處理器經(jīng)配置以測量所述發(fā)射天線與所述接收器之間的耦 合且將所述耦合與閾值進(jìn)行比較。
[0009]在一實施例中，所述無線電力發(fā)射器可進(jìn)一步包含多抽頭變壓器，其經(jīng)配置以在 第一配置中在第一匝比下操作且在第二配置中在第二匝比下操作。所述第一匝比可高于所 述第二匝比。
[0010]另一方面提供一種在無線電力發(fā)射器中發(fā)射無線充電電力的方法。所述方法包含 在發(fā)射天線處在第一和第二配置兩者中產(chǎn)生用于無線發(fā)射電力的場。所述方法進(jìn)一步包含 在所述第一和第二配置中的一者中選擇性地連接第一電容器。所述第一電容器在所述第一 配置中與所述發(fā)射天線串聯(lián)且在所述第二配置中與所述發(fā)射天線并聯(lián)。
[0011] 在一實施例中，所述方法可進(jìn)一步包含使第一電容器在所述第一配置中與所述第 二電容器并聯(lián)連接且在所述第二配置中與所述第二電容器串聯(lián)連接。所述第二電容器可與 所述發(fā)射天線并聯(lián)。在一實施例中，所述無線電力發(fā)射器可包含與至少一個開關(guān)串聯(lián)的第 三電容器。在一實施例中，所述第三電容器可經(jīng)配置以補償存在于第一配置中的額外電抗 性載荷。
[0012] 在一實施例中，連接可經(jīng)由至少一個開關(guān)可不是諧振路徑的部分。在一實施例中， 所述方法可進(jìn)一步包含基于發(fā)射天線與接收器之間的耦合而在所述第一和第二配置中的 一者中選擇性地連接所述第一電容器。在一實施例中，所述方法可進(jìn)一步包含測量所述發(fā) 射天線與所述接收器之間的耦合且將所述耦合與閾值進(jìn)行比較。
[0013] 在一實施例中，所述方法可進(jìn)一步包含配置多抽頭變壓器以在第一配置中在第一 匝比下操作且在第二配置中在第二匝比下操作。所述第一匝比可高于所述第二匝比。
[0014] 另一方面提供一種用于發(fā)射無線充電電力的設(shè)備。所述設(shè)備包含第一電容器。所 述設(shè)備進(jìn)一步包含用于在第一和第二配置兩者中產(chǎn)生用于無線發(fā)射電力的場的裝置。所述 設(shè)備進(jìn)一步包含用于在所述第一和第二配置中的一者中選擇性地連接第一電容器的裝置。 所述第一電容器在所述第一配置中與所述用于產(chǎn)生的裝置串聯(lián)且在所述第二配置中與所 述用于產(chǎn)生的裝置并聯(lián)。
[0015] 在一實施例中，所述設(shè)備可進(jìn)一步包含第二電容器及用于使第一電容器在所述第 一配置中與第二電容器并聯(lián)連接且在所述第二配置中與所述第二電容器串聯(lián)連接的裝置。 所述第二電容器可與所述用于產(chǎn)生的裝置并聯(lián)。在一實施例中，所述設(shè)備可進(jìn)一步包含與 所述用于連接的裝置串聯(lián)的第三電容器。在一實施例中，所述第三電容器可經(jīng)配置以補償 存在于第一配置中的額外電抗性載荷。
[0016] 在一實施例中，所述用于連接的裝置可不是諧振路徑的部分。在一實施例中，所述 設(shè)備可進(jìn)一步包含用于基于發(fā)射天線與接收器之間的耦合而在所述第一和第二配置中的 一者中選擇性地連接所述第一電容器的用于連接的裝置。在一實施例中，所述設(shè)備可進(jìn)一 步包含用于測量所述發(fā)射天線與所述接收器之間的耦合的用于連接的裝置及將所述耦合 與閾值進(jìn)行比較的用于連接的裝置。
[0017] 在一實施例中，所述設(shè)備可進(jìn)一步包含配置多抽頭變壓器，其經(jīng)配置以在第一配 置中在第一匝比下操作且在第二配置中在第二匝比下操作。所述第一匝比可高于所述第二 匝比。
[0018] 另一方面提供一種非暫時性計算機可讀媒體，其包含在被執(zhí)行時致使設(shè)備在發(fā)射 天線處在第一和第二配置兩者中產(chǎn)生用于無線發(fā)射電力的場的代碼。所述媒體進(jìn)一步包含 在被執(zhí)行時致使所述設(shè)備在所述第一和第二配置中的一者中選擇性地連接第一電容器的 代碼。所述第一電容器在所述第一配置中與所述發(fā)射天線串聯(lián)且在所述第二配置中與所述 發(fā)射天線并聯(lián)。
[0019] 在一實施例中，所述媒體可進(jìn)一步包含在被執(zhí)行時致使所述設(shè)備在所述第一配置 中使第一電容器與所述第二電容器并聯(lián)連接且在所述第二配置中與所述第二電容器串聯(lián) 連接的代碼。所述第二電容器可與所述發(fā)射天線并聯(lián)。在一實施例中，所述設(shè)備可包含與至 少一個開關(guān)串聯(lián)的第三電容器。在一實施例中，所述第三電容器可經(jīng)配置以補償存在于第 一配置中的額外電抗性載荷。
[0020] 在一實施例中，連接可經(jīng)由不是諧振路徑的部分的至少一個開關(guān)。在一實施例中， 所述媒體可進(jìn)一步包含在被執(zhí)行時致使所述設(shè)備基于發(fā)射天線與接收器之間的耦合而在 所述第一和第二配置中的一者中選擇性地連接所述第一電容器的代碼。在一實施例中，所 述媒體可進(jìn)一步包含在被執(zhí)行時致使所述設(shè)備測量所述發(fā)射天線與所述接收器之間的耦 合且將所述耦合與閾值進(jìn)行比較的代碼。
[0021 ]在一實施例中，所述媒體可進(jìn)一步包含在被執(zhí)行時致使所述設(shè)備配置多抽頭變壓 器以在第一配置中在第一匝比下操作且在第二配置中在第二匝比下操作的代碼。所述第一 匝比可高于所述第二匝比。
【附圖說明】
[0022]圖1為根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的用于給電動車輛充電的示范性無線電力傳遞 系統(tǒng)的圖。
[0023]圖2是圖1的無線電力傳遞系統(tǒng)的示范性組件的示意圖。
[0024]圖3是展示圖1的無線電力傳遞系統(tǒng)的示范性核心組件和輔助組件的另一功能框 圖。
[0025]圖4是展示根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的安置于電動車輛中的可更換無觸點電池 的功能框圖。
[0026]圖5A、5B、5C和5D是根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于感應(yīng)線圈及鐵氧體材料相 對于電池的放置的示范性配置的圖。
[0027] 圖6為展示根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的可用于對電動車輛進(jìn)行無線充電的示范 性頻率的頻譜的圖表。
[0028] 圖7為展示根據(jù)本發(fā)明的示范性實施例的可用于對電動車輛進(jìn)行無線充電的示范 性頻率及發(fā)射距離的圖表。
[0029] 圖8是根據(jù)一個實施例的底座無線充電系統(tǒng)的示意圖。
[0030]圖9A是根據(jù)一個實施例的并聯(lián)配置中的底座無線充電系統(tǒng)的示意圖。
[0031] 圖9B是根據(jù)一個實施例的并聯(lián)配置中的底座無線充電系統(tǒng)的等效電路的示意圖。
[0032] 圖10A是根據(jù)一個實施例的部分串聯(lián)配置中的底座無線充電系統(tǒng)示意圖。
[0033]圖10B是根據(jù)一個實施例的部分串聯(lián)配置中的底座無線充電系統(tǒng)的等效電路的示 意圖。
[0034] 圖11是展示逆變器輸出電流對失調(diào)的量的圖表。
[0035] 圖12A是根據(jù)一個實施例的另一底座無線充電系統(tǒng)的示意圖。
[0036] 圖12B是根據(jù)一個實施例的并聯(lián)配置中的底座無線充電系統(tǒng)的等效電路的示意 圖。
[0037] 圖12C是根據(jù)一個實施例的部分串聯(lián)配置中的底座無線充電系統(tǒng)的等效電路的示 意圖。
[0038] 圖13是根據(jù)一個實施例的具有多抽頭變壓器的另一底座無線充電系統(tǒng)的示意圖。
[0039] 圖14是根據(jù)一個實施例的并聯(lián)配置中的具有多抽頭變壓器的底座無線充電系統(tǒng) 的示意圖。
[0040] 圖15是根據(jù)一個實施例的部分串聯(lián)配置中的具有多抽頭變壓器的底座無線充電 系統(tǒng)的不意圖。
[0041] 圖16是無線電力發(fā)射的示范性方法的流程圖。
[0042]圖17是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于發(fā)射無線充電電力的設(shè)備的功能框圖。
[0043] 圖式中所說明的各種特征可能未按比例繪制。因此，為清楚起見，可任意擴大或縮 小各種特征的尺寸。另外，一些圖式可能未描繪給定系統(tǒng)、方法或裝置的所有組件。最后，相 似參考數(shù)字可用以貫穿本說明書及各圖表示相似特征。
【具體實施方式】
[0044] 下文結(jié)合附圖而闡述的詳細(xì)描述意欲作為示范性實施例的描述，而并不意欲表示 其中可實踐本發(fā)明的僅有實施例。遍及此描述所使用的術(shù)語"示范性"是指"充當(dāng)實例、例子 或說明"，且未必應(yīng)被解釋為比其它示范性實施例優(yōu)選或有利。為了提供對本發(fā)明的示范性 實施例的透徹理解，詳細(xì)描述包含特定細(xì)節(jié)。在一些例子中，以框圖形式展示一些裝置。
[0045] 無線地傳遞電力可指將與電場、磁場、電磁場或其它者相關(guān)聯(lián)的任何形式的能量 從發(fā)射器傳遞到接收器，而不使用物理電導(dǎo)體(例如，可通過自由空間來傳遞電力）。輸出到 無線場(例如，磁場）中的電力可由"接收線圈"接收、俘獲或耦合以實現(xiàn)電力傳遞。
[0046] 電動車輛在本文中用以描述遠(yuǎn)程系統(tǒng)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)的實例為包括從可充電能量存儲 裝置(例如，一或多個可再充電電化學(xué)電池或其它類型的電池)得到的電力作為其運動能力 的部分的車輛。作為非限制性實例，一些電動車輛可為除了電動馬達(dá)以外還包含用于直接 運動或?qū)囕v的電池進(jìn)行充電的傳統(tǒng)內(nèi)燃機的混合電動車輛。其它電動車輛可從電力汲取 所有運動能力。電動車輛不限于汽車，且可包含摩托車、手推車、小型摩托車，及其類似者。 舉例來說而非限制，本文描述呈電動車輛(EV)形式的遠(yuǎn)程系統(tǒng)。此外，還預(yù)期可使用可充電 能量存儲裝置而至少部分地供電的其它遠(yuǎn)程系統(tǒng)(例如，例如個人計算裝置等電子裝置及 其類似者）。
[0047] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的一示范性實施例的用于對電動車輛112充電的示范性無線電 力傳遞系統(tǒng)1〇〇的圖。當(dāng)電動車輛112停車于底座無線充電系統(tǒng)102a附近時，無線電力傳遞 系統(tǒng)100實現(xiàn)電動車輛112的充電。說明了在停車區(qū)中用于待停車于對應(yīng)的底座無線充電系 統(tǒng)102a及102b上方的兩個電動車輛的空間。在一些實施例中，區(qū)域分配中心130可連接到電 力主干132且經(jīng)配置以經(jīng)由電力鏈路110將交流(AC)或直流(DC)供電提供到底座無線充電 系統(tǒng)102a。底座無線充電系統(tǒng)102a還包含用于無線地傳遞或接收電力的基本系統(tǒng)感應(yīng)線圈 104a及天線136。電動車輛112可包含電池單元118、電動車輛感應(yīng)線圈116、電動車輛無線充 電系統(tǒng)114,及天線140。電動車輛感應(yīng)線圈116可(例如)經(jīng)由由底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a所產(chǎn) 生的電磁場的區(qū)域來與底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a相互作用。
[0048] 在一些示范性實施例中，當(dāng)電動車輛感應(yīng)線圈116位于由底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a 所產(chǎn)生的能量場中時，電動車輛感應(yīng)線圈116可接收電力。所述場對應(yīng)于可由電動車輛感應(yīng) 線圈116俘獲由底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a所輸出的能量的區(qū)域。舉例來說，由底座系統(tǒng)感應(yīng)線 圈104a輸出的能量可處于足以對電動車輛112充電或供電（例如，足以對電池單元118充電） 的水平。在一些狀況下，所述場可對應(yīng)于底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈l〇4a的"近場"。近場可對應(yīng)于存 在由底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈l〇4a中的電流及電荷產(chǎn)生的強反應(yīng)場的區(qū)域，所述強反應(yīng)場不遠(yuǎn)離 底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈l〇4a輻射電力。在一些狀況下，近場可對應(yīng)于在底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a 的約1/2JI波長內(nèi)的區(qū)域(且對于電動車輛感應(yīng)線圈116來說，反之亦然），如將在下文進(jìn)一步 描述。
[0049 ] 地區(qū)配電中心130可經(jīng)配置以經(jīng)由通信回程134而與外部源(例如，電網(wǎng)）通信且經(jīng) 由通信鏈路108而與底座無線充電系統(tǒng)102a通信。
[0050] 底座無線充電系統(tǒng)102a及102b可經(jīng)配置以經(jīng)由天線136及138而與電動車輛無線 充電系統(tǒng)114通信。舉例來說，無線充電系統(tǒng)102a可使用天線138與140之間的通信信道而與 電動車輛無線充電系統(tǒng)114通信。所述通信信道可為任何類型的通信信道，例如，藍(lán)牙、 zigbee、蜂窩式、無線局域網(wǎng)(WLAN)，等等。在各種實施例中，底座無線充電系統(tǒng)102a及102b 可包含本文中分別相對于圖8、9、10、12及13描述的底座無線充電系統(tǒng)802、902六、1002八、 1202A及/或1302中的任一者。
[0051 ] 在一些實施例中，電動車輛感應(yīng)線圈116可與底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a對準(zhǔn)，且因此 由司機簡單地安置于近場區(qū)內(nèi)，從而相對于底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈l〇4a而正確地定位電動車輛 112。在其它實施例中，可給予司機視覺反饋、聽覺反饋或其組合，以確定電動車輛112何時 被恰當(dāng)?shù)胤胖靡杂糜跓o線電力傳遞。在又其它實施例中，電動車輛112可通過自動駕駛系統(tǒng) 定位，所述自動駕駛系統(tǒng)可將電動車輛112來回移動(例如，呈Z字形移動)直到對準(zhǔn)誤差已 達(dá)到可容許值為止。此可在無司機干涉的情況下或在僅具有最小司機干涉的情況下（前提 是電動車輛112配備有伺服方向盤、超聲波傳感器及智能以調(diào)整車輛）由電動車輛112自動 地及自主地執(zhí)行。在仍其它實施例中，電動車輛感應(yīng)線圈116、底座系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a或其 組合可具有用于使所述感應(yīng)線圈116與104a相對于彼此移位及移動以更準(zhǔn)確地將它們定向 并在其間形成更有效率的耦合的功能性。
[0052]底座無線充電系統(tǒng)102a可位于多種位置中。作為非限制性實例，一些合適位置包 含在電動車輛112所有者的家中的停車區(qū)、為在常規(guī)的基于石油的加油站后模型化的電動 車輛無線充電所保留的停車區(qū)及在例如購物中心及工作場所等其它位置的停車場。
[0053]無線地對電動車輛充電可提供眾多益處。舉例來說，可自動地執(zhí)行充電，而幾乎不 具有司機干預(yù)和操縱，由此提高用戶的便利性。還可不存在暴露的電觸點且無機械磨損，借 此提高無線電力傳遞系統(tǒng)100的可靠性?？赡懿恍枰獙﹄娎|及連接器的操縱，且可不存在可 在室外環(huán)境中暴露于濕氣及水的電纜、插頭或插座，借此提高安全性。還可不存在可見或可 接近的插口、電纜和插頭，借此減小對電力充電裝置的潛在破壞行為。另外，由于可將電動 車輛112用作分布式存儲裝置以使電網(wǎng)穩(wěn)定，所以可使用對接至電網(wǎng)解決方案來增加針對 車輛至電網(wǎng)(V2G)操作的車輛可用性。
[0054]如參