CN102648560A - 车辆的电力供应系统 - Google Patents

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Abstract

布置在地面上或地面下的功率发射天线105和布置在车辆101底部的功率接收天线在实质上相同的谐振频率下建立谐振，并在二者之间产生磁耦合。当功率接收天线107进入功率发射天线所在的区域时，向车辆发射功率。通过将互相面对的功率发射天线与功率接收天线之间的距离H设置为使得H满足0.11×W1≤H≤0.26×W1，可以使传输特性稳定，其中W1是功率发射天线的宽度。

Description

车辆的电力供应系统
技术领域
本发明涉及电力供应系统，所述电力供应系统用于通过非接触方法从车辆外部向车辆提供能量。
背景技术
随着近来越来越多的人关注环境问题，越来越期望用电池和电动机来驱动电动车辆。当然可以经由有线连接来为这种电动车辆充电和供电。然而人们已经在研究和开发采用非接触方法的无线充电和供电技术。同时，考虑到电池的总体重量和成本，对可以加载到单个车辆的电池的总体容量有明确的限制。对电池总体容量的限制直接导致车辆每次充电可以行驶的最大英里数。这就是越来越需要开发一种高效的技术来为行驶中的车辆充电和供电的原因。
作为一种无线功率传输技术，在专利文献1中提出了一种谐振磁耦合方法。根据这种方法，使用谐振天线之间的谐振模式耦合，因此与传统的电磁感应方法相比可以在更长的距离上更高效地传输功率。其中，由于根据这种方法使用谐振磁场，所以与使用谐振电场的情况相比对周围生物的影响小得多。
与传统电磁感应方法相比，利用谐振磁耦合的无线功率传输技术可以显著增大传输距离。具体地，如果对谐振天线之间的耦合度加以指示的耦合系数k大于各个天线的衰减常数Γ1和Γ2的乘积的平方根，则可以高效地传递能量。使用谐振磁耦合的无线功率传输系统使用谐振电路，该谐振电路具有小于1的耦合系数k，但是具有指示谐振会产生低损耗的高Q因子，因此可以将该无线功率传输系统看作是具有提高的传输效率的电磁感应系统。然而，与
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的电磁感应方法不同，谐振磁耦合方法要求k≠1，所以除非在振荡部和功率发射天线之间以及在整流部与功率接收天线之间保持模块间阻抗匹配，否则无法高效地传输功率。
专利文献2公开了使用专利文献1的技术来对车辆充电和供电的示例。根据该专利文献，当对停放的车辆进行充电和供电时，可以通过布置多组功率发射天线和功率接收天线，来填充安装在地面上的功率发射天线与布置在车辆上或车辆中的功率接收天线之间的相对间隙。
另一方面，专利文献3公开了一种通过电磁感应向车辆传递功率的系统。该专利文献提出了如何处理停放和充电的车辆的水平停放位置偏移。该系统提供了两个功率接收天线和两个功率发射天线，并彼此独立地控制这些天线的幅度和相位，从而处理这种位置偏移。
引用文献列表
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开No.2008/0278264-A1(图6和图11)
专利文献2：日本待审专利公开No.2009-106136
专利文献3：美国专利申请公开No.2008/0265684-A1(图3)
发明内容
技术问题
在用于对行驶中的车辆进行充电和供电的系统以及用于对停放的车辆进行充电和供电的系统中，由于功率发射天线和功率接收天线之间的相对位置偏移而失去传输的稳定性。本发明的发明人指出了该问题并提供了解决该问题的措施。
具体地，在用于通过谐振磁耦合对车辆进行充电和供电的系统中，如果行驶中或停放的车辆中的功率接收天线相对于功率发射天线的相对位置相对于车辆的行驶方向而水平偏移，则通过谐振磁耦合来进行的功率传输会失去其稳定性。
具体地，在考虑行驶中的车辆的情况下，大多数车辆会沿着车道中心附近行驶，但是有少数车辆也会沿着车道两侧行驶。因此行驶中的车辆的相对水平位置偏移会比停放的车辆大。专利文献3提供了一种处理由于停放的车辆的功率发射天线和功率接收天线之间相对于车辆的行驶方向的相对水平位置偏移而引起的传输性能稳定性丧失的措施。然而根据专利文献3公开的技术，应当增大要提供的天线的数目，因此显著提高了成本。除此之外，由于按照这种方式无法高效地实现充电和供电，所以很难将这种技术应用于对行驶中的车辆进行充电和供电的系统。
同样地，即使在用于对停放的车辆进行充电和供电的系统中，也会存在相对于车辆行驶方向的相对水平位置偏移。如果驾驶员具有高超的驾驶技术以至于能够将车辆精确地停放在期望的位置，那么就根本不会存在水平偏移。然而如果强加这种不切实际的约束，那么采用这种非接触式充电和供电系统所实现的优点就丧失了。因此，即使对于对停放的车辆进行充电和供电的系统，也应当提供一种在发生水平偏移的情况下确保稳定性能的方案。尽管如此，专利文献2并没有提到在建立对行驶中的车辆进行充电和供电的系统时会出现什么问题，也没有提供解决这些问题的措施。
因此本发明的目的是提供一种用于车辆的电力供应系统，该电力供应系统即使在车辆相对于该车辆的行驶方向发生水平偏移时，也能够对行驶中的或停放的车辆进行充电和供电，同时实现稳定的性能。
解决问题的方案
根据本发明的一种用于车辆的电力供应系统包括：至少一个功率发射天线，被布置在地面上或地面下；以及功率接收天线，被布置在至少一个车辆中或所述至少一个车辆上。通过在功率发射天线和功率接收天线间产生谐振磁耦合，功率发射天线和功率接收天线形成相互耦合的谐振器对。在假定车辆沿Y方向行驶并且与Y方向垂直的方向是X方向的情况下，沿Y方向和X方向测量的功率发射天线的长度分别比沿Y方向和X方向测量的功率接收天线的长度大。如果沿X方向测量的功率发射天线的长度是W1，并且相互面对的功率发射天线和功率接收天线之间的距离是H，则系统满足0.11×W1≤H≤0.26×W1。当功率发射天线面对功率接收天线时，通过非接触方法从功率发射天线向功率接收天线提供功率。
根据本发明的一种车辆被设计为用在本发明的用于车辆的电力供应系统中，所述车辆包括：功率接收天线；以及负载，其中利用功率接收天线从功率发射天线接收的能量来对所述负载供能。
根据本发明的一种功率发射天线被设计为用在根据本发明上述任一优选实施例的用于车辆的电力供应系统中。
根据本发明的一种功率接收系统包括：功率接收天线，用于根据本发明上述任一优选实施例的用于车辆的电力供应系统；以及
功率转换部，用于将功率接收天线从功率发射天线接收到的RF能量转换成频率比所述RF能量的频率低的DC能量或AC能量，并输出所述DC能量或AC能量。
本发明的有益效果
根据本发明的用于车辆的电力供应系统即使在车辆的位置显著地偏移的情况下，即便是系统具有简单的配置，也能够以良好的稳定性实现充电和供电。因此，可以以更低的成本提供更轻的系统。除此之外，通过省略了诸如DC/DC转换器和稳压器之类的一些电路模块，根据本发明的具有这种稳定充电和供电能力的用于车辆的电力供应系统还可以简化电路配置。因此，总体供电效率将会提高，并且可以在更短的时间内实现充电和供电。
附图说明
图1A和1B分别是示出了根据本发明第一优选实施例的用于车辆的电力供应系统的透视顶视图和侧视图。
图2A和2B分别是示出了根据本发明第一优选实施例的用于车辆的电力供应系统的配置的等效电路图和框图。
图3是示出了根据本发明第一优选实施例的用于停放的车辆的电力供应系统的透视顶视图的示意图。
图4是示出了根据本发明第一优选实施例的用于行驶中的车辆的电力供应系统的透视顶视图的示意图。
图5是示出了根据本发明第一优选实施例的备选布置的顶视图的示意图，其中多个功率发射天线排列成行。
图6是示出了根据本发明第一优选实施例的用于车辆的电力供应系统的布置的框图。
图7是示出了根据本发明第一优选实施例的用于车辆的另一电力供应系统的配置的等效电路图。
图8是示出了在本发明的特定示例1a中阻抗如何变化的曲线图。
图9是示出了在本发明的特定示例1b中阻抗如何变化的曲线图。
图10是示出了在示例1a中，当Y方向上有位置偏移并且满足X＝0时，功率发射天线的最佳阻抗如何变化的曲线图。
图11是示出了在示例1a中，当Y方向上有位置偏移并且满足X＝X0时，功率接收天线的最佳阻抗如何变化的曲线图。
具体实施方式
根据本发明优选实施例的用于车辆的电力供应系统通过最多地使用靠近磁场的组件在谐振天线之间产生谐振磁耦合，来无线地对车辆进行充电和供电。下文中，将参考附图来描述本发明的优选实施例。在以下描述中，多幅图中示出的具有实质上相同的功能的任何组件对都由相同的参考数字来表示。
(实施例1)
作为本发明第一特定优选实施例的用于车辆的电力供应系统被用作行驶中的车辆的电力供应系统以对行驶中的车辆进行充电和/或供电，或者被用作停放的车辆的电力供应系统以对停放的车辆进行充电和/或放电。本文中所谓的“提供电力”是指“充电”或“供电”。“充电”是指对置于车辆中的二次电池进行充电并存储电力以驱动车辆，而“供电”是指向同样内置于车辆中的负载(如，驱动电动机)馈送电力。根据本发明的该第一优选实施例的用于车辆的电力供应系统包括：设置在地面上或地面下的功率发射天线，以及为车辆提供的功率接收天线。这些功率发射天线和功率接收天线产生谐振磁耦合，从而无线地传输功率。
图1A是示出了根据本发明第一优选实施例的用于车辆的电力供应系统从系统上方看时的示意图，图1B是图1A所示系统的示意性侧视图。在以下描述中，图1A所示的XYZ坐标系出于说明性目的而被使用。具体而言，分别地，车辆101行驶的方向103及其反方向在本文中称作“±Y方向”，与车辆101的行驶方向103成直角相交的水平方向称作“±X方向”，车辆101的垂直方向称作“±Z方向”。除非另外说明，否则假定功率发射天线105具有布置在XY平面上的矩形电感器。假定功率发射天线105的质心在坐标系的原点(即，X＝Y＝Z＝0)，假定功率发射天线105是固定的。同样，还假定功率接收天线107具有被布置为与XY平面平行的矩形电感器。在本文中分别以W1和L1来标识在X方向和Y方向上测量的功率发射天线105的尺寸。同样，分别以W2和L2来标识在X方向和Y方向上测量的功率接收天线107的尺寸。在本说明书中，在X方向和Y方向上测量的天线的尺寸是指在该方向上测量的天线的长度。此外，如图1B所示，相对于上面布置有功率发射天线105的平面，上面布置有功率接收天线107的平面的Z坐标H与功率接收天线的布置平面的高度相对应。
如稍后将描述的，在X方向和Y方向上测量的功率发射天线105的尺寸W1和L1被限定为比在X方向和Y方向上测量的功率接收天线107的尺寸W2和L2大。因此功率发射天线的面积被限定为比功率接收天线107的面积大。此外，为了即使在车辆101沿X方向偏移的情况下也使传输特性稳定，将彼此面对的功率发射天线105和功率接收天线107之间的距离H限定为满足不等式0.11×W1≤H≤0.26×W1，稍后将对此进行描述。尽管以近似方形的形状示出了功率接收天线107，然而根据本发明并不一定总是采用这种形状。
不论这种用于车辆的电力供应系统用于行驶中的车辆还是用于停放的车辆，功率发射天线105优选地都具有在Y方向上拉长(elongate)的形状。具体地，在用于行驶中的车辆的电力供应系统中，优选地将功率发射天线105的面积限定为比功率接收天线107的面积大得多。优选地，功率接收天线107的质心和车辆101自身的质心具有相同的XY坐标。然而，即使功率接收天线107的质心和车辆101自身的质心的XY坐标彼此不同，也可以实现本发明的效果。
下文中，将描述该优选实施例的用于车辆的电力供应系统的元件。图2A示出了在该优选实施例的用于车辆的电力供应系统中使用的电路配置的一部分。应注意，图2A所示的电路配置仅仅是该优选实施例的示例，根据本发明并不总是必须使用这种电路配置。例如，如果有必要的话，可以在这些电路模块中的任何一对电路模块之间添加反馈控制功能模块。
该优选实施例的用于车辆的电力供应系统包括：布置在地面上的功率发射部122，以及布置在车辆101中或车辆101上的功率接收部124。功率发射部122包括：振荡部114，从电源(power supply)112接收能量(即，电力)，将能量转换成RF能量，然后输出该RF能量；以及功率发射天线105，根据振荡部114已提供的RF能量产生谐振磁场。另一方面，功率接收部124包括：功率接收天线107，耦合至由功率发射天线105产生的谐振磁场以接收RF能量；以及整流部116，将功率接收天线107处已接收到的RF能量转换成DC能量，然后输出该DC能量。
车辆101还包括电源控制部117、二次电池120和负载118。利用由整流部116提供的DC能量来为二次电池120充电，负载118以该DC能量来工作。电源控制部117控制从整流部116向负载118或二次电池120的能量输出。此外，功率控制部117还控制已存储在二次电池120中的电力向负载118的提供。
可以将任何类型的可再充电电池用作二次电池120。例如，可以使用锂离子电池或镍氢电池。负载118包括电动机以及与电动机相连的驱动器，负载118还可以包括要以电力来驱动的任何其他设备。由电动机来对该优选实施例的车辆101供能。然而本发明的用于车辆的电力供应系统还可以应用于由内燃机供能的车辆。如果本发明的用于车辆的电力供应系统用在这种车辆中，则例如可以提供一种汽油引擎车辆，该汽油引擎车辆利用无线接收到的电力开启其前灯。
可以将100V或200V的公共电源或被设计为提供大电力的电源用作电源112。优选地，将下一级要提供给振荡部114的能量转换成DC分量。振荡部114可以是能实现高效且低失真特性的D类、E类或F类放大器，或者是Doherty放大器。可选地，可以通过在产生具有失真分量的输出信号的开关元件后面布置低通滤波器或带通滤波器，来产生高效的正弦波。整流部116可以是例如全波整流器电路、桥式整流器电路、或高电压整流器电路。此外，整流部116可以是同步整流器或二极管整流器。
功率发射天线105和功率接收天线107分别都至少包括电感器电路和电容器电路。每个天线的电感器电路具有环形形状或螺旋形状。功率发射天线105和功率接收天线107被设计为用作在预定频率fp下产生谐振的谐振电路。每个天线的电容器电路的至少一部分可以被实现为诸如芯片电容器之类的集总常数电路组件或者要沿着电感线分布的分布式常数电路组件。
在图2A所示的示例中，在功率发射天线105和功率接收天线107两者中，电感器电路和电容器电路串联在一起。然而并不总是要采用这种配置。也就是说，在每个天线中，电感器电路和电容器电路可以串联在一起或彼此并联。此外，即使在两个天线当中的一个天线中电感器和电容器串联在一起而在另一个天线中电感器和电容器彼此并联，也仍然可以实现该优选实施例的效果。
此外，功率发射天线105和功率接收天线107可以是通过金属加工而形成的单线，或者是由多个标准配线组成以降低损耗的绞合线。
优选地将功率接收天线107布置在车辆101的底部。在这种情况下，功率接收天线107可以被容纳在车辆内部，使得功率接收天线107的下表面与车辆101的底部平齐；或者功率接收天线107可以被布置在车辆的底部，以从底部向下突出。另一方面，可以将功率发射天线105布置在地面102上，使得功率发射天线105的表面与地面102平齐；或者将功率发射天线105嵌入地面102中，使得功率发射天线105的表面比地面102的表面更深。在后一种情况下，可以将功率发射天线105嵌入地面102下恒定深度处，或者使功率发射天线105的不同部分在地面102下的深度不同。
在优选实施例中，假定功率发射天线105和功率接收天线107的电感器电路具有矩形形状。然而本发明绝不限于该特定的优选实施例。备选地，这些天线可以具有椭圆形状或者相对于±Y方向不对称的形状。尽管如此，本发明的用于车辆的电力供应系统被设计为进行操作，以将X方向上磁场密度分布的变化平滑掉。因此，如果车辆仅剩下较窄的空间用来放入功率接收天线107，则天线优选地具有矩形形状以充分利用该较窄的空间。然而，即使每个天线都具有矩形形状，该形状也不必须是严格意义上的矩形，而是优选地在角部具有至少一定程度的弯曲。这是因为，配线角度的陡然变化会导致过多的电流集中，并且还会导致磁场密度过度地集中在周围空间中，而这两种情况都不是有益的。
接下来将参考图2B来描述如何匹配这些电路模块之间的阻抗。
图2B是示出了该优选实施例的用于车辆的电力供应系统中的功能模块的布置框图以及该电力供应系统的相应电路模块的输入阻抗和输出阻抗。图2B中省略了图2A所示的元件当中的电源控制部117和二次电池120的电路模块。在以下描述中，使功率发射天线105和功率接收天线107之间的功率传输效率最大化的功率发射天线105的输入阻抗和功率接收天线107的输出阻抗，在本文中分别称作功率发射天线105的“最佳输入阻抗ZTx0”和功率接收天线107的“最佳输出阻抗ZTr0”。
为了抑制各个电路模块之间RF能量的多次反射和优化总体功率产生效率，优选地使振荡部114的输出阻抗ZTo与功率发射天线105的最佳输入阻抗ZTx0互相匹配(本文中称作“匹配条件#1”)。此外还优选的是，功率接收天线107的最佳输出阻抗ZRx0与整流部116的输入阻抗ZRi互相匹配(本文中称作“匹配条件#2”)。除此之外还优选的是，跟输入阻抗ZRi一起工作的整流部116的输出阻抗ZRo与负载阻抗RL匹配(本文中称作“匹配条件#3”)。如果这些匹配条件#1、匹配条件#2和匹配条件#3同时得到满足，则可以使传输效率最大化。
接下来描述在对车辆充电和供电时如何无线传输功率。
当运动的车辆的功率接收天线107进入功率发射天线105所在的区域时，就准备好从功率发射天线105向功率接收天线107传输电功率。当在功率接收天线107处接收到电力时，车辆101可以对安装在车辆10中的二次电池120充电，或者对车辆10的诸如驱动器之类的负载118供电。通过对负载118供电，可以开启车辆的电动机、前灯或任何其他设备。
在该优选实施例中，功率发射天线105的面积比功率接收天线107的面积大得多，所以功率发射天线105和功率接收天线107的各个电感器之间的耦合系数k远小于1。在这种情况下，利用传统的电磁感应方法高效地传输功率是不可能的。然而，根据该优选实施例，功率发射天线105和功率接收天线107形成谐振器对，所述谐振器对在实质上相同的谐振频率下产生谐振，并且都被设计为具有高Q因子。因此，即使这些电感器之间的耦合系数k远小于1，根据该优选实施例仍然可以高效地传输功率。
接下来将描述功率发射天线105和功率接收天线107的优选尺寸和布置。
一般来说，即使在不使用能够帮助高精度定位的自动化高速公路系统(或停车系统)的情况下，用于车辆的电力供应系统也应当保持稳定的传输特性。为此目的，应预先了解在功率发射天线105和功率接收天线107之间有相对位置偏移时传输特性会有多大改变，并且应当提前设计应对这种改变的一些措施。下文中将描述天线需要具有怎样的尺寸和布置，以便即使在Y方向(即，车辆的行驶方向及其反方向)和X方向(即，车辆的宽度方向)中的任何一个方向上有这样的位置偏移的情况下，也能够保持稳定的传输特性。
首先将描述在任意Y方向(本文中简称为“Y方向”)上有位置偏移的情况下如何处理。重要的是，即使在功率发射天线105和功率接收天线107之间存在Y方向上的相对位置偏移的情况下，也保持稳定的传输特性。这是因为行驶中的车辆101即使在被充电和供电时也在不断地相对于功率发射天线105而移动，还因为要停放的车辆在进入停车位时也来回移动。为了使系统对Y方向上的位置偏移有一定的容忍度，将Y方向上测量的功率发射天线105的尺寸L1限定为比Y方向上测量的功率接收天线107的尺寸L2大。也就是说，需要满足以下不等式(1)：
L1＞L2                          (1)
在用于行驶中的车辆的电力供应系统中，优选地将Y方向上测量的功率发射天线105的尺寸L1限定为比Y方向上测量的车辆101的尺寸大。例如，在这种情况下，L1优选地在几米到几百米的范围内。通过以这种方式将L1设置为比L2大得多，可以通过功率发射天线105针对沿Y方向行驶的车辆101保持稳定的充电和供电性能。
另一方面，在用于停放的车辆的电力供应系统中，车辆101进入其停车位的同时向前或向后移动。为了避免驾驶员过度地关注于车辆101的使功率发射天线105和功率接收天线107互相面对的精确位置，优选的是将功率接收天线107在车辆101中所在的位置(Y坐标)设置为沿Y方向在车辆中心附近。此外，为了更灵活地设计车辆，优选的是将Y方向上测量的功率发射天线105的尺寸L1限定为并不明显不同于Y方向上测量的车辆101的尺寸。本文中所谓的二者之一的尺寸“并不明显不同于”另一个的尺寸是指：Y方向上测量的功率发射天线105的尺寸L1与Y方向上测量的车辆101的尺寸的比值在20％到300％之内。图3示出了满足这些条件的用于车辆的电力供应系统的透视顶视图。在这种布置下，不论功率接收天线107被布置在车辆前面部分的底部还是车辆后面部分的底部，都可以没有任何问题地传输电功率。
接下来将描述X方向上的位置偏移。本发明的用于车辆的电力供应系统还应当即使在功率发射天线105和功率接收天线107之间有X方向上的相对位置偏移的情况下也保持稳定的传输特性。原因在于，行驶中的车辆即使在被充电和供电时也会在X方向上偏移，并且要停放的车辆通常在进入停车位时在X方向上也会偏移。
为了使系统即使在行驶中的或将要停放的车辆101与功率发射天线105之间在X方向上有相对位置偏移的情况下也具有一定的容忍度，将功率发射天线105的宽度W1限定为比功率接收天线107的宽度W2宽。也就是说，需要满足以下不等式(2)：
W1＞W2                         (2)
此外，优选地将功率接收天线107在车辆101中所在的位置(X坐标)设置为沿X方向在车辆中心附近。
作为示例，图4示出了在满足这些条件的用于行驶中的车辆的电力供应系统中，行驶中的车辆101如何在X方向上偏移以实现从状态#0到状态#1的转变。在图4中，在状态#0下，车辆101沿着车道的中心线行驶(即，当X＝0时)。另一方面，在状态#1下，车辆101沿着车道右侧的一端行驶，整个功率接收天线107几乎没有面对功率发射天线105(即，当X＝X0时)。在这种情况下，通过以下等式(3)来计算X0：
X0＝(W1-W2)/2                   (3)
因此，即使车辆在由不等式(4)表示的范围内移动，整个功率接收天线107仍然会面对功率发射天线105，从而能量仍然会以高效率被传输。
-X0≤X≤X0                      (4)
然而，由于在功率发射天线105的外周边所围绕的区域中以及在功率发射天线105外部的区域中，磁场密度的空间分布都取决于X坐标，所以很难即使在位置偏移在不等式(4)限定的范围之内时也保持稳定的功率传输特性。也就是说，在状态#0下功率发射天线的最佳输入阻抗ZTx0与状态#1下该功率发射天线105的最佳输入阻抗ZTx1不同。同样，在状态#0下功率接收天线107的最佳输出阻抗ZRx0与状态#1下功率接收天线107的最佳输出阻抗ZRx1不同。
在这种情况下，分别由以下等式(5)和(6)来定义ZTx1至ZTx0的变化率FTx以及ZRx0至ZRx1的变化率FRx：
FTx＝ZTx1/ZTx0                   (5)
FRx＝ZRx1/ZRx0                   (6)
因此，等式(5)和(6)所表示的FTx和FRx与1的差异越大，在X方向上发生位置偏移的情况下传输特性越不稳定。阻抗的变化会引起能量的反射、不期望的功率损耗、电路温度的过度升高、以及在振荡部114与功率发射天线105之间和在功率接收天线107与整流部116之间的噪声泄漏。因此，接收到的能量的电压可以不同于设计的电压。在这种情况下，除了向电源控制部引入诸如稳压器或DC-DC转换器之类的某种电压控制功能块以便使电压稳定之外别无选择，并且能量使用效率会降低。
本发明的发明人面对并寻求解决这样的问题。因此，提出要满足的条件，以降低会由于这种问题而引起的功率传输特性的不稳定程度。该条件是：将互相面对的功率发射天线105和功率接收天线107之间的距离H限定为满足以下不等式(7)：
0.11×W1≤H≤0.26×W1               (7)
通过满足该不等式(7)的条件，可以降低在车辆101沿X方向有位置偏移的情况下功率传输特性的不稳定程度。具体地，当车辆在被充电和供电时进行如图4所示的从状态#0向状态#1的转变时，可以将功率发射天线105的最佳输入阻抗与功率接收天线107的最佳输出阻抗之间的差值的幅度减小到大约21％或更小。因此，可以将负载118的电压的变化削减到10％或更小(参见稍后将描述的示例1)。
更优选地，将各个天线设计为满足以下不等式(8)：
0.12×W1≤H≤0.22×W1                (8)
通过满足不等式(8)的条件，可以将功率发射天线105的最佳输入阻抗与功率接收天线107的最佳输出阻抗之间的差值的幅度减小到大约10.25％或更小。因此，可以将负载118的电压的变化削减到5％或更小。
进一步优选地，将各个天线设计为满足以下不等式(9)：
0.15×W1≤H≤0.19×W1                    (9)
通过满足不等式(9)的条件，可以将功率发射天线105的最佳输入阻抗与功率接收天线107的最佳输出阻抗之间的差值的幅度减小到大约6.05％或更小。因此，可以将负载118的电压的变化削减到3％或更小。
通过满足这些不等式(7)至(9)的条件，可以在车辆沿X方向位置偏移的情况下提高传输特性的稳定程度。
此外，在用于停放的车辆的电力供应系统中，优选地将功率发射天线105设计为具有与X方向上测量的车辆宽度近似相等的尺寸。另一方面，在用于行驶中的车辆的电力供应系统中，优选地将功率发射天线105设计为具有与X方向上测量的车辆行驶区域的宽度粗略地相等的尺寸。如果功率发射天线105的宽度大于车辆行驶区域的宽度，则功率发射天线会独自覆盖多条车道。这不是有利的情况，因为负载会随着每单位时间经过的车辆的数目而发生变化。
在用于行驶中的车辆的电力供应系统中，在大多数情况下，车辆大致沿着车道中心轴行驶。因此，优选地将功率发射天线105布置为使该功率发射天线105的中心与车道的中心轴对齐。
通过确定天线的尺寸和布置使得满足上述条件，该优选实施例的用于车辆的电力供应系统即使在车辆101沿X方向和/或Y方向偏移时也能够使传输特性稳定。
上述优选实施例的用于车辆的电力供应系统具有仅一个功率发射天线105。然而该系统也可以具有多个功率发射天线105。例如，可以沿车辆行驶的方向103在地面上布置一组功率发射天线105。图5是示出了这种布置的透视顶视图的示意图。这种布置可以尤为高效地用在用于车辆的电力供应系统中。在这种情况下，车辆101在行驶时会一个接一个地面对这些功率发射天线105，这些功率发射天线105将连续地向车辆101中的功率接收天线107发射能量。因此，可以连续地对行驶中的车辆101进行充电和供电。
接下来将描述在用于行驶中的车辆的电力供应系统和用于停放的车辆的电力供应系统之间的兼容性。
该优选实施例的用于车辆的电力供应系统可以包括以下两者：在用于行驶中的车辆的电力供应系统中使用的功率发射天线105，以及在用于停放的车辆的电力供应系统中使用的功率发射天线105。此外，包括功率接收天线107和整流部116并且构成用于行驶中车辆的电力供应系统的一部分的功率接收部124可以被设计为起到用于停放的车辆的电力供应系统的功率接收部124的作用。换言之，可以使车辆具有由单个单元来供电和充电的能力，而不管该车辆是行驶中的还是停放的。
图6示出了这两种系统的各个电路模块的阻抗以及这两种系统的负载处的电流和电压。图6中省略了图2A所示的元件中的电源控制部和二次电池的电路模块。用于行驶中的车辆的电力供应系统的功率发射天线105和功率接收天线107之间的耦合系数k不同于用于停放的车辆的电力供应系统的功率发射天线105和功率接收天线107之间的耦合系数k。因此，在用于行驶中的车辆的电力供应系统和用于停放的车辆的电力供应系统之间，并不是每一对图6所示的参数值都是相同的。例如，用于行驶中的车辆的电力供应系统的功率接收天线107的最佳输出阻抗ZRx0_1可以不同于用于停放的车辆的电力供应系统的功率接收天线107的最佳输出阻抗ZRx0_2。标识符“_1”和“_2”分别表示作为用于行驶中的车辆的电力供应系统的参数的标识和作为用于停放的车辆的电力供应系统的参数的标识。同样，相应振荡部114的最佳输出阻抗ZTo_1和ZTo_2、相应功率发射天线105的最佳输入阻抗ZRi_1和ZRi_2、相应负载118的最佳输入阻抗RL_1和RL_2可以具有彼此不同的值。优选地，不论输入阻抗是ZRi_1还是ZRi_2，整流部116都以高效率工作。
此外，优选地将相应负载118(如，充电器)的输入电压V_1和V_2(即，相应整流部116的输出电压)限定为在可允许的范围之内。更优选地，将V_1和V_2限定为粗略地彼此相等。本文中所谓的这两个值中的一个值与另一个值“粗略地相等”是指比值V_1/V_2在0.8至1.2的范围之内。如果满足该条件，则可以使用诸如稳压器和DC-DC转换器之类的电压控制功能块，以在期望的范围内操作，因此能量使用效率可以保持足够高。进一步更优选的是，比值V1/V2在0.9至1.1的范围内，在该范围内，通过使用能够足够容易地经受住电压变化的电池，可以不再需要上述电压控制功能。此外，如果比值V1/V2在0.95至1.05的范围内，甚至使用普通电池，也可以不再需要上述电压控制功能。如果比值V1/V2在0.97至1.03的范围内，则可以使用不具有电压控制功能而是优先考虑任何特定特性或规格(如，电容或成本)的任何电池，甚至无需提高电池经受住电压变化的能力。因此，可以实现更有益的效果。尽管关于电池描述了优选的输入电压比值，然而也可以关于诸如引擎部分之类的负载来描述优选的输入电压比值。
在该优选实施例中，包括在负载118中的电动机是直流(DC)电动机，利用从整流部116提供的直流(DC)能量来驱动该直流电动机。然而，可以使用交流(AC)电动机来代替DC电动机。关于AC电动机，可以采用以下两种配置之一。具体地，根据一种配置，图2A所示的电源控制部117可以将DC能量转换成AC能量并将该AC能量发送至AC电动机。在这种配置下，电源控制部117被设计为向AC电动机提供AC能量，而向二次电池120提供DC能量。根据另一种配置，使用频率转换部119来代替整流部116。频率转换部119是将功率接收天线107接收到的RF能量转换成频率比RF能量的频率低的交流(AC)能量的电路。在这种配置下，从频率转换部119向AC电动机提供AC能量。图7示出了根据第二种配置的电路模块的示例布置。在图7中，从频率转换部119经由电源控制部117向AC电动机(负载118)提供AC能量。另一方面，在对二次电池120的充电过程中，电源控制部117将AC能量转换成DC能量并将该DC能量发送至二次电池120。如果使用频率转换部119，则优选地频率转换部119的输入/输出阻抗与负载和其他电路模块的输入/输出阻抗相匹配。
此外，即使在如图7所示使用频率转换部119时，也可以如上述优选实施例中一样从多个不同的功率发射天线向功率接收天线107发射功率。一个功率发射天线和功率接收天线107之间的耦合系数可以不同于另一个功率发射天线和功率接收天线107之间的耦合系数。优选地将系统设计为使得即使耦合系数不同，负载118的输入电压或二次电池120的输入电压也实质上相同。
下文中将描述该优选实施例相对于现有技术的优点。
在该优选实施例的用于车辆的电力供应系统中，功率发射天线的面积比功率接收天线的面积大得多。在现有技术中没有任何文献公开过一种技术来处理使用这种布置的车辆的位置偏移。同时，该优选实施例的用于车辆的电力供应系统可以即使在车辆沿X或Y方向偏移的情况下也使传输特性稳定。
日本专利申请待审公开No.2009-106136公开了一种技术，针对正在被充电和供电的停放车辆，通过在车辆中或地面上布置多个天线，来处理停放的车辆沿X方向的位置偏移。然而提供多个天线并不是有益的，因为这会妨碍成本的缩减或尺寸的减小。除此之外，由于需要向传输模块中新引入用于改变天线的开关，所以担心可能会由于开关的插入损耗而导致传输效率的降低。然而日本专利申请待审公开No.2009-106136并没有公开一种布置来避免这种传输效率的降低。
根据本发明，可以仅当功率接收天线位于功率发射天线上方的空间中时才从功率发射天线向功率接收天线发射能量。这是因为，如果这两个天线的相应电感器之间的耦合系数过度降低，则很难实现高效率传输。
另一方面，根据公开号为2008/0265684-A1的使用电磁感应方法的美国专利申请，用于处理车辆水平偏移的布置会导致效率的更显著降低。具体地，根据该美国专利申请中公开的布置，为地面上的发射机提供两个天线元件，每个天线元件的大小是本发明的功率发射天线的宽度的一半。同时，这两个天线元件还被并排布置在车辆的较窄宽度内。关于针对发射端和接收端中的每一个而提供的两个天线元件，存在四种可能组合。根据该美国专利申请公开的技术，除非在这四种可能组合中的任何一种组合中都能够实现强耦合，并且除非独立地控制幅度和相位，否则不论采用这四种组合中的哪一种组合来发射能量，都无法实现高效稳定的传输。然而，实际上，在这四种不同耦合中的至少两种耦合中，各个电感器之间的相对距离必然会过长。其中，车辆的水平偏移越大，就越难实现高到足以根据需要来耦合每一对天线元件的传输效率。除此之外，该美国专利申请没有公开一种措施来克服由于用于控制每条传输线的控制元件或开关元件的插入损耗而导致的传输效率的降低。
另一种传统的用于车辆的电力供应系统使用电磁波将来自功率发射天线的能量发射至功率接收天线，该电磁波是前进波(progressivewave)(参见公开号为2002-152996的日本专利申请待审公开)。然而与本发明的使用谐振磁耦合的车辆的电力供应系统相比，该传统系统以完全不同的原理来工作。因此，与使用本发明的功率接收天线的情形不同，即使该传统系统使用被设计为满足W2＞L2的功率接收天线，容忍度也无法有效地提高。而是，辐射前进波的这种天线的水平孔径宽度的增大不仅会降低一半的水平辐射宽度，还会降低对位置偏移的容忍度。因此，本发明的效果是在谐振磁耦合方法中仅当功率发射天线的尺寸比功率接收天线的尺寸大时才实现的独有效果。
示例1
下文中，将描述本发明的特定示例。
为了说明本发明的有益效果，使用于车辆的电力供应系统的特定示例1a和1b具有图1A和1B所示的布置并对此进行分析。具体地，在示例1a中，用于车辆的电力供应系统满足：W1＝250cm，L1＝1000cm，以及W2＝L2＝65cm。另一方面，在示例1b中，W1和L1的值与示例1a的相同，而W2和L2变成满足W2＝43.3cm和L2＝86.7cm。功率发射天线和功率接收天线被设计为具有相同的谐振频率500kHz。此外，功率发射天线和功率接收天线由绞合线制成，以降低传输损耗。
在功率发射天线和功率接收天线的输入端子和输出端子与网络分析器相连，并且信号输入较弱的情况下，测量功率发射天线和功率接收天线的传输特性和反射特性，以找到能够使天线之间的传输效率最大化的最佳阻抗值。在对如图4所示处于状态#1的车辆(其中X＝X0)进行测量之后，如图4所示车辆移动到具有状态#0，并且再次对车辆进行测量。基于这两个测量结果，估计在相对于车辆行驶方向有水平位置偏移的情况下传输特性的稳定程度。通过以H值变化而Y固定为零来进行这些测量，估计阻抗变化对H的依赖性。
以下表1示出了针对示例1a和1b的估计结果。另一方面，图8和图9分别示出了在示例1a和1b中阻抗变化对H的依赖性。在表1和图8、9中，ΔFTx和ΔFRx分别表示功率发射天线和功率接收天线的阻抗变化。ΔFTx和ΔFRx值越接近零，系统越多地获得稳定，不论X方向的偏移如何。
表1
Figure BDA0000143742830000181
在本发明的这些特定示例中的每一个示例中，如果阻抗没有彼此完全匹配，则最大传输效率不会显著不同，不论车辆是处于状态#0还是状态#1。因此，使用状态#0下的接收电压VRi_0和FRx，通过以下等式(10)来表示状态#1下在使发射功率最大化的情况下的接收电压VRi_1：
VRi_1＝VRi_0×(FRx)^0.5    (10)
根据该等式(10)，如果负载或二次电池的电压的最大可允许变化是10％，则FRx的最大可允许变化将会是21％。表1所示的结果表明，如果值H/W1在满足不等式(7)的范围内，则电压变化的幅度可以近似为10％或更小。另一方面，如果负载或二次电池的电压的最大可允许变化是5％，则FRx的最大可允许变化将会是10.25％。在这种情况下，如从表1可以看出，如果值H/W1在满足不等式(8)的范围内，则电压变化的幅度可以近似为5％或更小。此外，如果负载或二次电池的电压的最大可允许变化是3％，则FRx的最大可允许变化将会是6.09％。在这种情况下，如从表1可以看出，如果值H/W1在满足不等式(9)的范围内，则电压变化的幅度可以近似为3％或更小。也就是说，这些结果表明，本发明的用于车辆的电力供应系统在不等式(7)至(9)所限定的每一个H范围内均实现了稳定的传输特性。此外，在不等式(7)至(9)限定的这些H范围中，ZTx值均没有显著地改变，因此可以减小功率发射天线和功率接收天线之间的信号反射。因此，不需要过高估计在形成振荡模块的电路中使用的器件的承受电压变化的能力或规格。
接下来，在示例1a的布置中，分别在H被设置为0.1757×W1并且X＝0的情况下，以及在保持满足X＝X0的情况下，车辆沿Y方向偏移。图10示出了在这些情况下阻抗ZTx1和ZTx0对Y的依赖性。以同样的方式，图11示出了在这些情况下阻抗ZRx1和ZRx0对Y的依赖性。在图10和图11中，以Y＝0时的值为参考值将每个值归一化。从图10和图11可以看出，在发射端或接收端上的任何端子处，Y方向偏移时的阻抗变化是6％或更小。因此，这些数据表明，本发明第一优选实施例的用于车辆的电力供应系统即使在车辆沿其行驶方向偏移的情况下也能保持良好的传输特性。
此外，电源和振荡部连接至功率发射天线，整流部和负载连接至功率接收天线，在这些连接点中的每一个连接点处均满足阻抗匹配条件。通过使用这种布置，可以利用从功率发射天线发射的能量来对车辆中的二次电池充电。
还在L1减小到250cm的情况下测量了用于车辆的电力供应系统中的阻抗变化。甚至在这种情况下，在满足不等式(7)、(8)或(9)时也实现了本发明的效果。
工业应用
本发明的用于车辆的电力供应系统可以用作对行驶中的或停放的电动车辆进行充电和供电的系统。然而本发明不仅可以用于对电动车辆充电，还可以用于对电动摩托车、移动机器人、或任何其他类型的交通工具充电。
尽管关于本发明的优选实施例描述了本发明，然而本领域技术人员将清楚，公开的发明可以以多种方式被修改，并且可以采用除了以上具体描述的实施例以外的多种其他实施例。因此，所附的权利要求旨在覆盖在本发明的精神和范围之内对本发明的所有修改。
附图标记列表
101  车辆
102  地面
103  车辆的行驶方向
105  功率发射天线
107  功率接收天线
112  电源
114  振荡部
116  整流部
117  功率控制部
118  负载
119  频率转换部
120  二次电池
122  发射部
124  接收部

Claims (21)

1.一种用于车辆的电力供应系统，包括：
至少一个功率发射天线，被布置在地面上或地面下；以及
功率接收天线，被布置在至少一个车辆中或所述至少一个车辆上，
其中，
通过在功率发射天线和功率接收天线间产生谐振磁耦合，功率发射天线和功率接收天线形成相互耦合的谐振器对，
在假定车辆行驶方向是Y方向并且与Y方向垂直的方向是X方向的情况下，沿Y方向和X方向测量的功率发射天线的长度分别比沿Y方向和X方向测量的功率接收天线的长度大，
如果沿X方向测量的功率发射天线的长度是W1，并且相互面对的功率发射天线和功率接收天线之间的距离是H，则系统满足0.11×W1≤H≤0.26×W1，并且
当功率发射天线面对功率接收天线时，通过非接触方法从功率发射天线向功率接收天线提供功率。
2.根据权利要求1所述的用于车辆的电力供应系统，其中，系统满足0.12×W1≤H≤0.22×W1。
3.根据权利要求2所述的用于车辆的电力供应系统，其中，系统满足0.15×W1≤H≤0.19×W1。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的用于车辆的电力供应系统，还包括：振荡部，将从电源接收到的能量转换为RF能量，然后将所述RF能量发送至功率发射天线，
其中，车辆包括：功率转换部，将功率接收天线已从功率发射天线接收到的RF能量转换成频率比所述RF能量的频率低的DC能量或AC能量，然后输出所述DC能量或AC能量。
5.根据权利要求4所述的用于车辆的电力供应系统，其中，功率发射天线的使功率发射天线和功率接收天线之间的传输效率最大化的输入阻抗与振荡部的输出阻抗相匹配。
6.根据权利要求4或5所述的用于车辆的电力供应系统，其中，功率接收天线的使功率发射天线和功率接收天线之间的传输效率最大化的输出阻抗与功率转换部的输入阻抗相匹配。
7.根据权利要求4至6中任一项权利要求所述的用于车辆的电力供应系统，其中，所述车辆具有负载，其中利用由功率转换部提供的DC能量或AC能量对所述负载供能。
8.根据权利要求7所述的用于车辆的电力供应系统，其中，负载的输入阻抗与功率转换部的输出阻抗相匹配。
9.根据权利要求7或8所述的用于车辆的电力供应系统，其中，
所述至少一个功率发射天线包括第一功率发射天线和第二功率发射天线，
第一功率发射天线与功率接收天线之间的耦合系数不同于第二功率发射天线与功率接收天线之间的耦合系数，并且
系统被设计为使得无论是在第一功率发射天线和功率接收天线之间执行功率传输还是在第二功率发射天线和功率接收天线之间执行功率传输，负载都具有实质上相同的输入电压。
10.根据权利要求1至9中任一项权利要求所述的用于车辆的电力供应系统，其中，
所述车辆具有二次电池，并且
利用功率接收天线从功率发射天线接收的能量对所述二次电池充电。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的用于车辆的电力供应系统，其中，当垂直于地面来看时，功率接收天线的中心位于中心线周围，所述中心线被定义为沿X方向经过车辆的中心。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的用于车辆的电力供应系统，其中，当垂直于地面来看时，功率接收天线的中心位于中心线周围，所述中心线被定义为沿Y方向经过车辆的中心。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的用于车辆的电力供应系统，其中，沿Y方向测量的功率发射天线的长度实质上等于沿Y方向测量的车辆的长度。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的用于车辆的电力供应系统，其中，沿Y方向测量的功率发射天线的长度大于沿Y方向测量的车辆的长度。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的用于车辆的电力供应系统，其中，当垂直于地面来看时，功率发射天线的中心位于中心线周围，所述中心线被定义为沿X方向经过车道的中心。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的用于车辆的电力供应系统，其中，
所述至少一个功率发射天线包括沿Y方向布置的多个功率发射天线，并且
当随着车辆行驶，功率接收天线一个接一个地面对所述多个功率发射天线时，依次从面对功率接收天线的功率发射天线向功率接收天线发射功率。
17.一种车辆，在根据权利要求1至16中任一项权利要求所述的用于车辆的电力供应系统中使用，所述车辆包括：
功率接收天线；以及
负载，其中利用功率接收天线已从功率发射天线接收的能量来对所述负载供能。
18.根据权利要求17所述的车辆，其中，负载是电动机。
19.根据权利要求17或18所述的车辆，其中，所述车辆由内燃机来供电。
20.一种功率发射天线，用于根据权利要求1至16中任一项权利要求所述的用于车辆的电力供应系统。
21.一种功率接收系统，包括：
功率接收天线，用于根据权利要求1至16中任一项权利要求所述的用于车辆的电力供应系统；以及
功率转换部，用于将功率接收天线已从功率发射天线接收到的RF能量转换成频率比所述RF能量的频率低的DC能量或AC能量，并输出所述DC能量或AC能量。
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