CN103477566A - 用于电动车辆的无线充电的天线对准和车辆导引 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及用于电动车辆的无线电力天线对准系统和方法。一种系统可包含：传感器，其经配置以检测在多个维度上的电磁场的强度；以及处理器，其经配置以基于所述传感器的输出确定所发射信标信号的方向和位置中的至少一者。

Description

用于电动车辆的无线充电的天线对准和车辆导引

技术领域

本发明一股来说涉及无线电力传送，且更具体来说，涉及与到例如包含电池组的车辆等远程系统的无线电力传送有关的装置、系统和方法。

背景技术

正开发在发射器与耦合到待充电的电子装置的接收器之间使用空中或无线电力发射的方法。此类方法一股分成两类。一类是基于发射天线与待充电的装置上的接收天线之间的平面波辐射(也称为远场辐射)的耦合。接收天线收集所辐射电力且对所辐射电力整流以用于对电池组充电。

用于无线能量发射技术的其它方法是基于嵌入例如“充电”垫或表面中的发射天线与嵌入待充电的电子装置中的接收天线(加上整流电路)之间的电感耦合。

已介绍例如车辆等远程系统，所述远程系统包含来自从电池组接收的电的自力推动力。举例来说，混合电动车辆包含车载充电器，其使用来自车辆制动和传统马达的电力对车辆充电。使用电力的车辆还可从其它源接收电以用于对电池组充电。常规地提议通过某种类型的有线交流电(AC)对电池组电动车辆(BEV)充电，例如家用或商用AC供应源。其它提议的充电系统包含经由无线场从充电装置对电池组无线地充电。

为了改善效率，用于电动车辆的无线充电系统可包含在某种程度内对准的发射天线和接收天线。发射天线和接收天线的距离和对准的差异影响电力的有效率发射。因此，存在对调适无线电力传送系统中的链路参数以便尤其改善电力传送、效率和法规遵从的需要。

发明内容

根据一个方面，揭示一种用于接收无线电力的设备。所述设备包含耦合到无线电力接收天线的传感器。所述传感器包含：芯；第一线圈，其缠绕所述芯，所述第一线圈位于第一平面中；第二线圈，其缠绕所述芯，所述第二线圈位于不同于所述第一平面的第二平面中；以及第三线圈，其缠绕所述芯，所述第三线圈位于不同于所述第一平面和所述第二平面的第三平面中。所述传感器经配置以确定在特定点处的电磁场的至少两个向量分量。所述设备进一步包含处理器，其经配置以基于所述至少两个向量分量，确定所述电磁场的源相对于所述传感器的方向以及从所述传感器到所述电磁场的所述源的距离。

根据另一方面，揭示一种用于在位置处经由电磁场接收电力的方法。所述方法包含：感测指示所述电磁场的强度的第一信号，所述第一信号对应于在所述位置处的电磁场的第一平面；感测指示所述电磁场的强度的第二信号，所述第二信号对应于在所述位置处的所述电磁场的第二平面，所述第二平面不同于所述第一平面；感测指示所述电磁场的强度的第三信号，所述第三信号对应于在所述位置处的所述电磁场的第三平面，所述第三平面不同于所述第一平面和所述第二平面；基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号确定在所述位置处的所述电磁场的至少两个向量分量；以及基于所述至少两个向量分量，确定电磁场的源相对于传感器的方向以及从所述传感器到所述电磁场的所述源的距离。

根据另一方面，揭示一种用于在位置处经由具有电磁通量的电磁场接收电力的设备。所述设备包含：用于感测指示所述电磁场的强度的第一信号的装置，所述第一信号对应于在所述位置处的电磁场的第一平面；用于感测指示所述电磁场的强度的第二信号的装置，所述第二信号对应于在所述位置处的所述电磁场的第二平面，所述第二平面不同于所述第一平面；用于感测指示所述电磁场的强度的第三信号的装置，所述第三信号对应于在所述位置处的所述电磁场的第三平面，所述第三平面不同于所述第一平面和所述第二平面；用于基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号确定在所述位置处的所述电磁场的至少两个向量分量的装置；以及用于基于所述至少两个向量分量，确定所述电磁场的源相对于传感器的方向以及从所述传感器到所述电磁场的所述源的距离的装置。

为了概述本发明的目的，本文中描述本发明的某些方面、优点和新颖特征。应理解，未必可根据任何特定实施例实现所有此类优点。因此，可以实现或优化如本文中教示的一个优点或优点群组而未必实现如本文中可教示或建议的其它优点的方式来体现或执行本发明。

附图说明

图1说明用于例如配备有无线接收器的BEV等远程系统的无线充电系统(当所述BEV停放在无线发射器附近时)。

图2是用于BEV的无线电力充电系统的简化框图。

图3是用于BEV的无线电力充电系统的更详细框图，其说明用于发射天线和接收天线的通信链路、导引电路和对准系统。

图4说明展示可用于BEV的无线充电的各种频率的频谱。

图5说明可适用于BEV的无线充电的一些可能频率和发射距离。

图6展示安置在BEV中的可更换无接点电池组的简化图。

图7A到7D是相对于电池组的无线电力天线和铁氧体材料放置的更详细图。

图8说明根据一实施例的包含多个停车区域和定位在每一停车区域内的充电基座的停车场。

图9A说明可能需要底盘间隙的车辆所可能遇到的各种障碍物的实例。

图9B说明根据一实施例的位于车辆底盘下侧的腔体内的无线电力天线。

图10A到10C说明根据一些实施例的嵌入充电基座的若干变体。

图11A到11G说明根据一些实施例的包含用于精细对准调整的若干变体的BEV和充电基座。

图12说明作为水平和垂直位移的函数的耦合系数的实例曲线。

图13说明圆形电动车辆(EV)和充电基座(CB)天线，其包含耦合在BEV与CB天线之间的恒定曲线。

图14A到14D说明使用在合适位置安装在BEV下侧的可离心地旋转且可垂直移动的天线的机械对准的实例。

图15A到15C说明基于可离心地旋转的BEV天线的概念进行导引和对准的方法。

图16A到16B说明BEV与CB天线之间的各种对准几何结构。

图17说明根据一些实施例的经配置用于检测信标信号的方向的多维传感器。

图18A描绘根据一些实施例的由发射天线产生的电磁场。

图18B说明一些实施例的传感器和由CB天线产生的电磁场的侧视图。

图18C说明根据一实施例的定位在电磁场内的接收天线的俯视图。

图19说明包含传感器和测试/校准功能的方向与位置发现系统的框图。

图20A到20C说明在前向停车的情况下用于在停车的不同阶段期间显示的方向与位置信息的映射。

图21A到21C说明在反向停车的情况下用于在停车的不同阶段期间显示的方向与位置信息的映射。

图22A到22D说明在前向停车的情况下基于可离心地旋转的BEV天线的在停车的不同阶段期间的导引和对准信息的映射和显示。

图23A到23D说明在反向停车的情况下基于可离心地旋转的BEV天线的在停车的不同阶段期间的导引和对准信息的映射和显示。

图24说明邻近发射的对准和方向信标之间的辨别。

图25说明根据一些实施例的对准接收天线与发射天线的方法的流程图。

具体实施方式

下文结合附图阐述的详细描述意欲作为各种实例实施例的描述，且并不意欲表示可实践的仅有实施例。贯穿此描述所使用的术语“示范性”意指“充当实例、例子或说明”，且未必应解释为比其它实施例优选或有利。所述详细描述为了提供对实施例的透彻理解而包括特定细节。所属领域的技术人员将显而易见，可在没有这些特定细节的情况下实践所述实施例。在一些情况下，以框图形式展示众所周知的结构和装置以避免混淆本文所呈现的实施例的新颖性。

术语“无线电力”在本文中用以意指与在不使用物理电导体的情况下在发射器与接收器之间发射的电场、磁场、电磁场或其它者相关联任何形式的能量。下文中，所有这三者将被统称为辐射场或无线场，但应理解，纯磁场或纯电场并不辐射电力。术语天线如本文所使用指代用于发射和接收信号的结构。在一些实施方案中，天线包含包裹在芯周围的电感线圈。在其它实施方案中，天线包含配置为空气环形天线的电感线圈。

此外，术语“无线充电”在本文中用以意指出于为电化学电池再充电的目的而提供无线电力到一个或一个以上电化学电池或包含电化学电池的系统。

术语“电池组电动车辆”(BEV)在本文中用以意指远程系统，其实例为包含从一个或一个以上可再充电电化学电池得出的电力作为其自力推动能力的一部分的车辆。作为非限制性实例，一些BEV可为杂合电动车辆，其包含使用来自车辆减速的电力的车载充电器和用以为车辆充电的传统马达。其它BEV可从电力汲取所有自力推动能力。涵盖其它“远程系统”，包含电子装置及其类似者。

借助于实例而非限制，本文描述呈电池组电动车辆(BEV)形式的远程系统。还涵盖远程系统的其它实例，包含能够接收和传送无线电力的各种电子装置及其类似者。

图1说明用于例如BEV102等具有无线充电能力的远程系统的无线充电系统(当所述BEV102停放在无线充电基座(CB)104附近时)。说明两个BEV102处于停车区域106中且停放在对应CB104上。本地分配中心108可连接到电力干线110，且经配置以通过电源126将交流电(AC)或直流电(DC)供应提供到耦合到充电基座104的充电基座电力转换电路112。充电基座104还包含用于产生磁场或电磁近场或接收或传送无线电力的充电基座(CB)天线114。每一BEV102包含与CB天线114交互的电池组(未图示)、BEV基座120、BEV电力转换电路116和BEV天线118，例如经由通过CB天线114和BEV天线118中的一者产生的电磁场的近场。

本地分配118可经配置以经由通信回程122与外部源(例如电力网格)通信，且经由通信链路124与充电基座104通信。

在一些实施例中，BEV天线118可简单地通过驾驶员相对于CB天线114正确地定位车辆来与CB天线114对准，且因此安置在近场区内。在其它实施例中，可给予驾驶员视觉反馈、听觉反馈或其组合以确定车辆合适经恰当放置以进行无线电力传送。在又其它实施例中，可通过自动驾驶系统定位车辆，所述自动驾驶系统可来回移动车辆(例如，以“之”字形移动)直到对准错误已达到可容许的值。可通过车辆自动地且自主地执行此操作，而不具有或仅具有极少驾驶员干预，其条件是车辆配备有伺服方向盘、超声波传感器和调整车辆的智能。在再其它实施例中，接收天线118、CB天线114或其组合可包含用于使天线相对于彼此移位和移动以较准确地对其进行定向且在其间形成较有效耦合的装置。

充电基座104可位于多种位置。作为非限制性实例，一些合适位置为在车辆拥有者的家处的停车区域106、模仿常规加油站的经保留用于BEV无线充电的停车区域，和在其它位置(例如购物中心和工作地点)的停车场。

BEV充电站可提供许多益处。举例来说，可自动地执行充电，而几乎不具有驾驶员干预和操纵，由此改善用户的便利性。还不存在暴露的电接点且不存在机械磨损，由此改善电力充电系统的可靠性。可能不需要对电缆和连接器的操纵，且此处可能不存在在室外环境中可暴露于湿气和水的电缆、插塞或插口，由此改善安全性。还可不存在可见或可接近的插口、电缆和插塞，由此减小对电力充电装置的可能破坏。此外，BEV102可用作分布式存储装置以使电网稳定。因此，电力可用性可通过方便的启用对接到电网解决方案的车辆到电网(V2G)能力而增加。

无线电力充电系统还可提供美观且无妨碍的优点。举例来说，可不存在可能妨碍车辆和/或步行者的柱负载和电缆。

作为V2G能力的另一解释，无线电力发射与接收能力可经配置以互逆，使得充电基座104传送电力到BEV102，且BEV102传送电力到充电基座104。此能力可通过允许BEV贡献电力到总体分配系统而适用于配电稳定性。此系统可类似于太阳能电池电力系统或作为太阳能电池电力系统的补充，所述太阳能电池电力系统连接到电网以用于将过量电力供应到电网。

图2是用于BEV的无线电力充电系统200的简化框图。本文所述的实施例可使用形成谐振结构的电容性加载电线环(即，多匝线圈)，所述电容性加载电线环能够经由磁场或电磁近场有效地将能量从主要结构(发射器)耦合到次级结构(接收器)(如果主要和次级结构两者调谐到共同谐振频率)。所述方法还称“磁性耦合谐振”、“电磁耦合谐振”，和/或“谐振感应”。将基于从充电基座104到BEV102的电力传送来描述无线电源系统200的操作，但所述操作不限于此。举例来说，如上文所论述，BEV102可传送电力到充电基座104。

参考图2，可为AC或DC的电力供应器126供应电力到CB电力转换电路112以传送能量到车辆。CB电力转换电路112可包含例如以下电路的电路：AC/DC转换器，其经配置以将电力从标准市电AC转换到处于合适电压电平的DC电力；以及DC/低频(LF)转换器，其经配置以将DC电力转换到处于适合于无线高电力传送的工作频率的电力。CB电力转换电路112驱动CB天线114以所要频率发射电磁场。如果CB天线114和BEV天线118被调谐到实质上相同的频率且足够接近以处于由CB天线114和BEV天线118中的一者发射的电磁场的近场内，则CB天线114与BEV天线118变得耦合到彼此，使得电力可传送到BEV天线118且在BEV电力转换电路116中提取。BEV电力转换电路116可尤其包含LF/DC转换器，其经配置以将处于工作频率的电力转换回到处于匹配BEV电池组单元142的电压电平的电压电平的DC电力。BEV电力转换电路116可接着对BEV电池组单元142充电。电力供应器126、CB电力转换电路112和CB天线114包含在总体无线电力系统200的基础设施子系统144中，所述基础设施子系统144可为静止的且位于多种位置处，如上文所论述。BEV电池组单元142、BEV电力转换电路116和BEV天线118包含在为BEV102的一部分或电池组包的一部分的BEV无线电力子系统146中。BEV子系统146还可经配置以通过BEV天线118以无线方式提供电力到基础设施子系统144以将电力存储到电网。BEV天线118和CB天线114中的每一者可基于操作模式而充当发射或接收天线。

虽然未展示，但无线电力系统200可包含负载断开单元(LDU)以将BEV电池组单元142或充电基座104从无线充电系统200安全地断开。举例来说，在紧急或系统故障情况下，可触发LDU以将负载从无线电力系统200断开。可除用于管理对电池组的充电的电池组管理系统之外还提供LDU。

此外，BEV电路可包含用于使BEV天线118连接到BEV电力转换电路116并从其断开的切换电路。断开BEV天线118不仅暂停充电，而且改变如由充电基座104(充当发射器)“看到”的“负载”，此可用以使BEV基座120(充当接收器)从充电基座104“隐藏”。如果发射器包含负载感测电路，则可检测所述负载改变。因此，例如充电基座104等发射器可具有用于确定例如BEV基座120等接收器何时存在于CB天线114的近场中的机构。

在操作中，假定能量传送朝向车辆或电池组，则从电力供应器126提供输入电力，使得CB天线114产生辐射场以用于提供能量传送。BEV天线118耦合到辐射场，且产生输出电力供车辆(例如BEV102)存储或消耗。在一些实施例中，CB天线114和BEV天线118根据相互谐振关系而配置，使得当BEV天线118的谐振频率与CB天线114的谐振频率极为接近时。当BEV天线118位于CB天线114的近场中时，基础设施子系统144与BEV无线电力子系统146之间的发射损失极小。

如所陈述，通过将在发射天线的近场中的能量的大部分耦合到接收天线而非将能量的大部分以电磁波传播到远场来发生有效能量传送。当处于近场中时，可在发射天线与接收天线之间建立耦合模式。其中可发生此近场耦合的在天线周围的区域在本文中称为近场耦合模式区。

虽然未展示，但CB电力转换电路112和BEV电力转换电路116皆可包含振荡器、功率放大器、滤波器和匹配电路以用于与无线电力天线的有效耦合。所述振荡器可经配置以产生所要频率，可响应于调整信号而调整所述频率。可通过功率放大器以响应于控制信号的放大量放大振荡器信号。滤波器和匹配电路可经包含以滤除谐波或其它不必要的频率，且使电力转换模块的阻抗匹配到无线电力天线。CB和BEV电力转换电路还可包含整流器和切换电路以产生合适的电力输出以对电池组充电。

如贯穿所揭示实施例描述的BEV天线118和CB天线114可配置为“环形”天线，且更特定地说，多匝环形天线，其还可在本文中称为“磁性”天线。环形(例如，多匝环形)天线可经配置以包含空气芯或例如铁氧体芯等物理芯。空气芯环形天线可允许将其它组件放置在芯区域内。包含铁磁性或铁磁性材料的物理芯天线可允许形成更强大的电磁场且改善耦合。

如上文所论述，能量在发射器与接收器之间的有效传送发生在发射器与接收器之间的谐振匹配或几乎匹配期间。然而，甚至当发射器与接收器之间的谐振不匹配时，能量也可在较低效率下传送。能量的传送是通过将能量从发射天线的近场耦合到驻留于建立此近场的区内(例如，在谐振频率的预定频率范围内，或在近场区的预定距离内)的接收天线而非将能量从发射天线传播到自由空间中而发生。

天线的谐振频率是基于电路的电感和电容。环形天线中的电感通常为由环产生的电感，而通常将电容添加到环形天线的电感以在所要谐振频率下产生谐振结构。作为一非限制性实例，电容器可经添加而与天线串联以建立产生电磁场的谐振电路。因此，对于较大直径环形天线，诱发谐振所需的电容值随着环的直径或电感增加而减小。电感还可取决于环形天线的匝数。此外，随着环形天线的直径增加，近场的有效能量传送区域增加。其它谐振电路是可能的。作为另一非限制性实例，电容器可并行放置于环形天线(例如，并行谐振电路)的两个端子之间。

根据一些实施例，揭示将电力耦合在处于彼此的近场中的两个天线之间。如所陈述，近场为天线周围其中电磁场存在但可能并不传播或辐射远离所述天线的区域。近场耦合模式区可对应于在天线的物理体积附近的体积，例如在为波长的六分之一的半径内。根据一些实施例，例如单匝和多匝环形天线等电磁天线用于发射和接收两者，因为在实际实施例中，磁性类型天线的磁场近场振幅倾向于高于电类型天线(例如，小的偶极子)的电近场。这允许所述对天线之间的可能较高耦合。此外，可使用“电”天线(例如，偶极子和单极子)或磁性与电天线的组合。

图3是用于BEV的无线电力充电系统200的更详细框图，其说明用于CB天线114和BEV天线118的通信链路152、导引链接154和对准系统156。如同图2的实施例，且假定能量流朝向BEV102，在图3中，CB电力接口164可经配置以将电力从电源(例如，AC或DC电力供应器126)提供到CB电力转换电路112。CB电力转换电路112从CB电力接口164接收AC或DC电力，且在其谐振频率或接近其谐振频率下激发CB天线114。当处于近场耦合模式区中时，BEV天线118从近场耦合模式区接收能量以在谐振频率或接近谐振频率下振荡。BEV电力转换电路116将来自BEV天线118的振荡信号转化到适合于通过BEV电力接口194对电池组充电的电力信号。

所述系统还可包含CB控制单元168和BEV控制单元170。CB控制单元168可包含到其它系统(未图示)的通信接口162，所述其它系统例如计算机和配电中心或智能电网。BEV控制单元170可包含到其它系统(未图示)的通信接口192，所述其它系统例如车辆上的车载计算机、其它电池组充电控制器、车辆内的其它电子系统和远程电子系统。

CB控制单元168和BEV控制单元170因此可包含用于具有单独通信信道的特定应用的子系统或模块。这些通信信道可为单独物理信道或单独逻辑信道。作为非限制性实例，CB对准模块172可通过通信链路152与BEV对准模块174通信以提供反馈机构用于自主地或在操作员协助下更接近地对准CB天线114与BEV天线118。类似地，CB导引模块176可通过导引链接与BEV导引模块178通信以提供反馈机构以导引操作员对准CB天线114与BEV天线118。另外，可存在由CB通信单元180和BEV通信单元182支持以用于在CB与BEV之间传达其它信息的单独通用通信链路(例如信道)。此信息可包含关于CB和BEV两者的BEV特性、电池组特性、充电状态和电力能力的信息以及维护和诊断数据。这些通信信道可为单独物理通信信道，例如蓝牙、紫蜂(zigbee)、蜂窝式信道等。

BEV控制单元170还可包含：电池组管理系统(BMS)，其管理BEV102主要电池组的充电和放电；基于微波或超声波雷达原理的停车协助系统；制动系统，其经配置以执行半自动停车操作；以及方向盘伺服系统，其经配置以辅助在很大程度上自动的停车“线控停车”，“线控停车”可提供较高停车准确性，因此减少CB和BEV子系统中的任一者中的机械水平天线对准的需要。此外，BEV控制单元170可经配置以与BEV102的电子装置通信。举例来说，BEV控制单元170可经配置以与以下装置通信：视觉输出装置(例如，仪表板显示器)、声学/音频输出装置(例如，蜂鸣器、扬声器)、机械输入装置(例如，键盘、触摸屏和例如操纵杆、轨迹球等指向装置，等)，以及音频输入装置(例如，具有电子话音辨识的麦克风)。

此外，无线电力系统200可包含检测和传感器系统。举例来说，无线电力系统200可包含用于与系统一起使用以恰当地将驾驶员或车辆导引到充电点的传感器、用以按所需分离/耦合使天线相互对准并检测可能妨碍BEV天线118移动到特定高度和/或位置以实现耦合的对象的传感器，以及用于与系统一起使用以执行系统的可靠、无损害且安全的操作的安全传感器。举例来说，安全传感器可包含用于以下检测的传感器：检测接近无线电力天线超出安全半径的动物或儿童的存在、检测靠近CB天线114的可能被加热(电感发热)的金属对象、检测危害性事件，例如CB天线114上的发光对象，以及CB和BEV子系统组件的温度监测。

无线电力系统200还可支持有接线(插入式)充电。有线充电端口可整合两个不同充电器的输出，所后将电力传送到BEV102或从BEV102传送电力。切换电路可提供支持无接点充电和经由有线充电端口的充电两者的功能性。

为在充电基座104与BEV102之间进行通信，无线电力系统200可使用带内信令和RF数据调制解调器两者(例如，以太网，经由未经许可的频带中的无线电)。带外通信可提供充足带宽用于将增值服务分配给车辆用户/拥有者。无线电力运营商的低深度振幅或相位调制可充当具有最小干扰的带内信令系统。

另外，可在不使用特定通信天线的情况下经由无线电力链路执行一些通信。举例来说，无线电力天线还可经配置以充当无线通信天线。因此，CB的一些实施例可包含用于启用无线电力路径上的键控型协议的控制器(未图示)。通过用预定义协议以预定义间隔键控发射功率电平(幅移键控)，接收器可检测到来自发射器的串行通信。CB电力转化模块162可包含负载感测电路(未图示)，其用于检测在由CB天线114产生的近场附近是否存在主动BEV接收器。作为实例，负载感测电路监视到功率放大器的电流流动，其受在由CB天线114产生的近场附近是否存在主动接收器影响。可由控制器监测对功率放大器上的负载的改变的检测以用于确定是启用振荡器用于发射能量、与主动接收器通信，还是其组合。

为实现无线高电力传送，一些实施例可经配置而以在20到60kHz的范围中的频率传送电力。此低频耦合可允许可使用固态装置实现的非常有效的电力转换。另外，与其它频带相比，可存在较少的与无线电系统的共存问题。

图4说明展示可用于且适用于BEV的无线充电的各种频率的频谱。用于到BEV的无线高电力传送的一些可能频率范围包含：用于类似工业、科学和医疗(ISM)的应用的在3kHz到30kHz频带中的极低频(VLF)、在30kHz到150kHz频带中的低频(LF)，但存在一些排除情况：高频(HF)6.78MHz(ITU-R ISM频带6.765到6.795MHz)、HF13.56MHz(ITU-R ISM频带13.553到13.567)，和HF27.12MHz(ITU-R ISM频带26.957到27.283)。

图5说明可适用于BEV的无线充电的一些可能频率和发射距离。可适用于BEV无线充电的一些实例发射距离为约30mm、约75mm以及约150mm。一些实例频率可为在VLF频带中的约27kHz和在LF频带中的约135kHz。

在确定合适频率时应虑及许多考虑因素，而非仅考虑接收和发射天线的谐振特性和耦合模式区。无线电力频率可能干扰用于其它应用的频率。作为非限制性实例，可能存在与电力线频率、可听频率和通信频率的VLF/LF共存发出。其中共存对于VLF和LF可能为一问题的一些非限制性实例为：用于无线电控制时钟的频率、用于LW AM广播和其它无线电服务的频率、到ISDN/ADSL和ISDN/xDSL通信信道的交叉耦合、电子车辆固定系统、RFID(射频识别)系统、EAS(电子物品监督)系统、现场寻呼、低电压PLC系统、医疗植入物(心脏起搏器，等)、音频系统和可由人类和动物感觉到的声学发射。

其中共存对于HF频率可能为一问题的一些非限制性实例为工业、科学和医疗(ISM)无线电频带，例如：用于具有持续能量传送的遥控应用和全双工(FDX)或半双工(HDX)模式中的RFID的6.78MHz；用于具有持续能量传送的FDX或HDX模式中的RFID以及便携式装置无线电力的13.56MHz；以及用于铁路应用(欧洲标准应答器(Euroba1ise)27.095MHz)、城市频带无线电和遥控器(例如，模型、玩具、车库门、计算机鼠标，等)的27.12MHz。

贯穿本发明描述的无线电力充电系统可与包含可再充电或可更换电池组的多种BEV102一起使用。图6展示安置在BEV102中的可再充电和/或可更换电池组的简化图。在此实施例中，低电池组位置可适用于BEV电池组单元142，其集成了无线电力接口(例如，充电器到电池组无接点接口226)且可从嵌入在地面中的充电器接收电力。在图6中，BEV电池组单元142可为可再充电电池组单元，且可容纳于电池组舱224中。BEV电池组单元142还提供无接点电力接口226，其可集成全部BEV无线电力子系统146，包含谐振天线、电力转换电路以及对于在地面嵌入式充电基座104与BEV电池组单元142之间进行有效且安全的无线能量传送所需的其它控制和通信功能。

以下情况可为有用的：将BEV天线118集成地与BEV电池组单元142的底面或车辆主体齐平，使得不存在突出部分，且使得可维持指定的地面到车辆主体间隙。此配置可能需要在BEV电池组单元142中的专用于BEV无线电力子系统146的一些空间。

在一些实施例中，CB天线114和BEV天线118在位置上固定，且天线通过BEV基座120相对于充电基座104的总体放置而被置于近场耦合区内。然而，为了快速、有效且安全地执行能量传送，可减小CB天线114与BEV天线118之间的距离以改善耦合。因此，在一些实施例中，CB天线114和/或BEV天线118可为可部署和/或可移动的以将其置于较好对准中。BEV电池组单元222还可包含电池组到EV无接点接口222和充电器到电池组无接点接口226，其提供BEV102与充电基座104之间的无接点电力和通信。

图7A到7D是相对于电池组的无线电力天线基座(例如，BEV基座120)和铁氧体材料放置的更详细图。图7A展示完全铁氧体嵌入式感应线圈236。无线电力天线可包含铁氧体材料238和围绕铁氧体材料238卷绕的感应线圈236。感应线圈236自身可由成股的绞合漆包线制成。可提供导电护罩232以保护车辆的乘客免受过量的EMF发射影响。导电屏蔽可尤其适用于由塑料或复合物制成的车辆中。

图7B展示最佳尺寸的铁氧体板(即，铁氧体背衬)以增强耦合且减小导电护罩232中的涡电流(热耗散)。感应线圈236可完全嵌入在非传导非磁性(例如，塑料)材料中。举例来说，如图7A到7D中所说明，感应线圈236可嵌入在保护性外壳234中。由于磁耦合与铁氧体磁滞损失之间的权衡，在感应线圈236与铁氧体材料238之间可能存在分离。

图7C说明其中感应线圈236(例如，铜绞合漆包线多匝线圈)可在横向(“x”)方向上移动的另一实施例。图7D说明其中仅天线(线圈)模块部署在向下方向上的另一实施例。在一些实施例中，电池组单元包含可部署和不可部署BEV天线模块240中的一者作为无线电力接口的一部分。以防止磁场穿透到电池组空间230中且穿透到车辆的内部，在电池组空间230与车辆之间可存在导电护罩232(例如，铜片)。此外，非导电(例如，塑料)保护层233可用于保护导电护罩232、感应线圈236和铁氧体材料238免受环境影响(例如，机械损伤、氧化，等)。此外，感应线圈236可在横向X和/或Y方向上移动。图7D说明其中BEV天线模块240相对于电池组单元主体250部署在向下Z方向上的实施例。

此可部署BEV天线模块240的设计类似于图7B的设计，只是在BEV天线模块240处不存在导电屏蔽。导电护罩232与电池组单元主体250放在一起。当BEV天线模块240不处于部署状态时，保护层233(例如，塑料层)提供于导电护罩232与BEV天线模块240之间。BEV天线模块240从电池组单元主体250的物理分离对于天线的性能具有积极效应。

如上文所论述，所部署的BEV天线模块240可仅含有感应线圈236(例如，绞合漆包线)和铁氧体材料238。可提供铁氧体背衬以增强耦合且防止车辆底部或导电护罩232中的过度涡电流损失。此外，BEV天线模块240可包含到电力转换电子装置和传感器电子装置的柔性线连接。此线束可集成到用于部署BEV天线模块240的机械齿轮中。

上文所描述的充电系统可用于多种位置以对BEV102充电或将电力传送回到电网。举例来说，电力的传送可发生在停车场环境中。图8说明包含多个停车区域106的停车场800。注意，“停车区域”还可在本文中称为“停车空间”。为增强车辆无线充电系统的效率，BEV102可沿X方向(图8中由箭头802描绘)和Y方向(图8中由箭头803描绘)对准以使得BEV102内的BEV基座120能够与相关联停车区域106内的充电基座104适当地对准。尽管图8中的停车区域107说明为具有单个充电基座104，但停车区域107还可包含多个CB104。

此外，所揭示的实施例适用于具有一个或一个以上停车空间或停车区域106的停车场800，其中停车场内的至少一个停车空间可包括充电基座104。导引系统(未图示)可用于辅助车辆操作员将BEV102定位于停车区域106中以使BEV102内的BEV基座120与充电基座104对准。导引系统可包含基于电子的方法(例如，无线电定位、测向原理和/或光学、准光学和/或超声波感测方法)或基于机械的方法(例如，车轮导引、跟踪或停止)，或其任何组合，用于帮助BEV操作员定位BEV102以使得BEV102内的天线能够与充电基座(例如，充电基座104)内的充电天线适当地对准。

如上文所论述，BEV无线电力子系统146可放置在BEV102的下侧，用于发射电力和从充电基座104接收电力。举例来说，BEV天线118可优选地在中心位置附近集成到车辆底部中，从而关于EM暴露提供最大安全距离且准许BEV的前向和反向停车。

为了在法规和人类暴露约束(EM场强度限制)下实现最大电力和与有线充电解决方案相当的传送效率，CB与BEV天线之间的气隙可设置为尽可能小。然而，不能例如简单地通过“放低”BEV天线118来减小气隙，因为车辆应提供某一最小底盘-地面间隙。最小地面间隙可取决于车辆类别(城市汽车、越野车辆，等)，且可能为制造商特定的或由现有标准或推荐规则界定。

将包含BEV天线118的BEV无线电力子系统146放置在BEV102的下侧上可能在BEV102的操作或运动期间遇到各种障碍物。图9A说明需要最小底盘间隙的BEV102可能遇到的各种障碍物905的实例。障碍物905可能在不同位置接触BEV102的底盘的底盘下侧915。当无线电力天线(未图示)位于BEV102的底盘的底盘下侧915内或其附近时，无线电力天线可能被损坏、错位或具有与接触无线电力天线的障碍物905相关联的其它问题。

图9B说明根据一些实施例的BEV天线118。为了保护BEV天线118免受与障碍物的不合需要的接触，可将BEV天线118放置在BEV102的底盘下侧915的腔体912内。如上文参考图7D所论述，BEV天线118可为可部署的以用于发射无线电力或从CB天线114接收无线电力。

机械可部署天线可提供高的端对端效率(例如远高于90％)、支持远高于3kW的电荷功率电平，且可应对对于BEV所可能指定的任何地面间隙要求(例如，＞20cm)。机械可部署天线还可支持地面嵌入式和表面安装式CB安装两者，且在低的发射和暴露等级下操作。可部署天线还可补偿天线错位，从而提供增加的容限且因此为驾驶员提供增加的停车便利性，如下文将参考图11A到11G更详细论述的。

天线分离且因此减少的耦合还可有助于抑制如由切换模式电力转换所产生的天线电流谐波。松耦合的系统可提供固有的选择性以使谐波频率下的无用发射等级衰减。尽管可通过减少耦合来增加天线电流和场强度，但一股在减少的谐波发射等级中存在净利益，此可取代任何补充性谐波滤波，从而减少电路复杂度和损失。

充电基座104可包含与CB天线114可操作地耦合的电力转换单元。充电基座104可进一步包含可用于CB天线114的位置调整的其它机械或电子组件(例如，处理器)，如本文将描述的。充电基座104的组件可收容在充电基座104内，所述充电基座104至少部分地嵌入在地表面(例如停车场、车道或车库的地表面)下。

图10A到10C说明根据一些实施例的至少部分嵌入在地面1005的表面下的充电基座104。充电基座104可包含一个或一个以上CB天线114，其用于发射无线电力信号到与BEV102相关联的对应BEV天线118(未图示)或从与BEV102相关联的对应BEV天线118(未图示)接收无线电力信号。如图10A所说明，充电基座104可从地面1005的表面突出，此可改善耦合，因为CB天线114与BEV天线118之间的距离可得以减小。突出的充电基座104可为更可接近的以进行维护和维修。

或者，如图10B中所说明，充电基座104可与地面1005的表面齐平1102。齐平的充电基座104可更可接近以进行维护和维修，且无妨碍。然而，与图10A的突出充电基座104相比，CB天线114与BEV天线118之间的耦合可能减小。

或者，如图10C中所说明，充电基座104可完全位于地面1005的表面以下(例如，低于沥青层1007)。此类表面下充电基座104可更防盗(例如，破坏)且无妨碍。在受保护的环境(例如，家用车库和多层停车场)中，可使用表面安装式低剖面CB天线114。在地面材料为钢筋混凝土(从而使得地面嵌入困难且昂贵)时情况尤其如此。

当靠近充电基座104定位BEV112时，可采用用于精细地对准BEV天线118与CB天线114的机构来改善其间的耦合。图11A到11G说明根据一些实施例，BEV和充电基座包含用于精细对准调整的若干变体。如图11A到11G所示，可调整BEV天线118的物理位置以校正在X、Y和Z方向或其任何组合中的对准错误。另外，可调整CB天线114的位置以校正在X、Y和Z方向或其任何组合中的对准错误。在一些实施例中，可调整BEV天线118和CB天线114两者的位置以校正在X、Y和Z方向中的任一者或其任何组合中的对准错误。

在CB天线114与和BEV102的电池组单元相关联的BEV天线118之间的无线电力耦合期间，可调整CB天线114与BEV天线118中的至少一者的位置。可响应于检测到CB天线114与BEV天线118之间的错位而起始位置的调整。充电基座104可包含经配置以发射无线电力信号的无线电力发射器和与所述无线电力发射器可操作地耦合的CB天线114。一个或一个以上机械装置(例如致动器)可用于在X、Y和Z方向中的至少一者上调整BEV天线118和/或CB天线114的位置。

通过机械调整，系统可在基于负载而调整的最优耦合下操作，因此使效率最大化。此外，耦合的机械调整可用作可变阻抗变换器以调整如由车辆的电池组(恒定电压接收端)在不同电荷水平下呈现的不同负载条件。

使用机械天线调整的系统可能不需要无源匹配、补偿或调谐网络或主动电路(例如DC-DC转换)，由此减小电路复杂度和电损失。

在仅提供垂直调整(Z轴调整)的系统中，可通过使BEV天线118降低地更接近于充电基座104而完全或部分地补偿横向(或X轴)位移和纵向(或Y轴)位移。图12说明作为水平和垂直位移的函数的耦合系数的实例曲线。在图12中，水平位移共同地指代如上文所论述的横向(X轴)位移和纵向(Y轴)位移。如图12中所说明，使用一对有铁氧体背衬的34cm直径天线在系统中测量恒定耦合系数(k=0.3)的显示点。在此系统中，对于零水平位移在10cm分离处且对于8cm水平位移在6cm垂直分离处实现0.3的耦合系数。假定耦合系数变化的一些额外固有容限，仅垂直调整即可支持超过10cm的最大对准错误。可通过使用具有较大直径的BEV天线118和CB天线114中的至少一者来增大此容限范围。根据一些实施例，在6.6kW下支持两个标称功率水平(例如，3.3kW和6.6kW)电力传送的系统可能需要约7cm的垂直分离以实现系统设计用于的标称耦合条件(同样假定零位移)。

相反，仅提供水平对准的系统还可使用此机械系统来补偿过度耦合。举例来说，如果车辆负载很重而导致较小气隙，则所述系统可使BEV天线118和CB天线114中的一者移位以调整其间的耦合。

在使用固定BEV天线118的系统中，可通过设置天线的尺寸以具有足够大的大小以便在理想地对准情况下提供过度耦合(例如k＞0.4)而实现增大的横向对准容限。可大大降低在标称功率电平下进行能量传送所需的耦合系数(例如k=0.2)。在此系统中，车辆将停止在其轨迹上的一点处，在所述点处，实现目标耦合系数。此概念是基于如下假设：与横向对准(例如x方向)相比，驾驶员可较容易地实现纵向对准(例如y方向)，且此概念在图13中进一步说明。图13说明在BEV与CB天线之间包含恒定耦合曲线的圆形电动车辆和充电基座天线。恒定耦合系数曲线(等值线)展示同心圆，其半径对应于BEV天线118的水平位移。具有半径Rc的圆对应于可实现目标耦合系数(例如k=0.2)的区域。因此，如图13中所说明，对于通过充电基座的中心点附近且在CB天线的中心点的半径Rc内的任何轨迹(例如T1、T2、T3)，存在可实现目标耦合的一对耦合位置点(例如P1、P1′；P2、P2′；以及P3、P3′)。

在轨迹具有较小横向偏移(例如T₁)的情况下，参考纵向(例如y方向)停车位置，两个点P₁和P₁′可大大不同于CB天线114的中心点。在此情况下，驾驶员可能需要基于车辆的类型和BEV天线118的相对位置来选择任一耦合位置点P₁或P₁′。

停驻BEV102以使天线对准在具有恒定耦合系数的耦合位置点的过程可取代任何复杂且有损失的电路以使无线电力系统适应于变化的耦合条件。基于耦合位置点的对准还可耐受BEV天线高度的变化。举例来说，对于很重的负载或低轮胎压力，恒定耦合系数曲线可简单地扩展，从而提供甚至更多的横向停车容限。此外，假定高天线Q因素导致强耦合谐振范围降到目标耦合系数(例如k=0.2)，则在目标耦合系数与最大耦合(例如k=0.4)之间将存在较少增益。在考虑到来自自适应匹配网络的额外损失时情况将尤其如此。

图14A到14D说明使用在合适位置安装在BEV下侧的可离心地旋转且可垂直移动的天线的机械对准的实例。图14A说明BEV102的仰视图，且图14B和14C说明BEV102的俯视图。图14D说明BEV102的侧视图，其中BEV天线118处于隐藏状态和部署状态。

如图14A中所说明，可由收容在致动器或心轴箱1401(如图14B中所说明)中的心轴1402来承载BEV天线118。通过致动器(或马达)的操作，BEV天线118可旋转且上下移动。旋转轴可位于两个前座之间，此处存在用于致动器和心轴1402的可能空间(当天线完全回缩时)。当系统处于非充电状态时，BEV天线118可隐藏于车辆底部中的腔体中，处于非突出位置，使得车辆的地面间隙不被危害，且BEV天线118将被良好的保护而不受机械和环境影响。在无线充电期间，可部署BEV天线118且将其降低到提供在所要充电功率电平下所需的耦合系数的高度。当部署时，BEV天线118还可离心地旋转，如图14D中所说明。图14A到14D说明用于BEV天线118的机械解决方案。通过机械组件(例如马达/致动器)的操作，可调整BEV天线118在所有三个维度上的位置。

可看出，存在一旋转角，在所述旋转角下，如果车辆停止在独特的纵向位置，CB和BEV天线对于BEV102相对于充电基座104的在由旋转离心率给定的范围内的任何横向位移都对准。可由BEV天线118中心点与旋转轴之间的距离来界定旋转离心率。可由初始位置向量界定旋转角

，其原点位于BEV天线118的旋转轴处且指向天线在所述初始位置的中心和BEV102的纵轴。根据一些实施例，BEV天线118在如图14D中所示而隐藏于腔体中时处于零旋转角。

还可看出，+/-90度的最大旋转角可足以找到在由旋转离心率给出的范围内的任何横向位置的对准点。旋转角的此限制可简化机构，且对于将并入到心轴1402中的天线布线可为有利的。

所述系统可支持的有效停车容限可比旋转离心率高，因为无线电力链接可提供对准错误的一些固有容限。在对准的系统如上所述另外利用垂直距离减小来补偿横向错误时情况将尤其如此。在此情况下，所得有效停车容限还可取决于支持特定功率电平(例如在3.3kW和6.6kW)的能量传送所需的标称耦合系数和所提供的对应最小气隙。

图15A到15C说明基于可偏心旋转BEV天线118的概念的导引和对准方法。此方法可假定系统确定车辆相对于CB天线的方向角和位置中的至少一者，以将BEV102导引到停车区域106中且在充电基座104附近，且使BEV天线118与CB天线114对准。可假定BEV天线118和CB天线114的中心点以及由车辆的纵轴界定的坐标系作为参考以确定方向角和位置。

图15A到15C说明用于BEV102的前向停车的导引和对准。根据一些实施例，如图15A中所说明，系统可最初经配置以在BEV102接近停车区域106时在“接近阶段”中操作。系统可使用方向角来将BEV102导引到停车区域106。当车辆越过停车坪的边缘时(其可被称作“着陆阶段”)，此导引步骤可开始。如图15B中所说明，当BEV102在充电基座104的范围内时，系统可经配置以在“着陆阶段”中操作且BEV102可开始使BEV天线118偏心地旋转达一角度，使得天线向量从BEV天线118的中心指向充电基座104的中心，如将参看下文的图16A到16B更详细描述。此程序将自动地使BEV天线118与CB天线114的中心点之间的距离最小化，从而使耦合最大化。

BEV天线118的偏心旋转可降低对停车精度的要求。对于在充电基座104附近经过的任何车辆轨迹，在横向偏差不超过旋转偏心距的情况下，存在天线将实质上对准的点。如图15C中所说明，BEV102可基于由系统提供的位置信息而停止在此点处。图15C中所说明的系统操作可被称作“对准阶段”。假定支持垂直调整的系统，还可接着调整BEV天线118的位置以调整高度用于改善的能量传送。

将参看图16A到16B更详细描述BEV天线118和CB天线114的对准几何形状。图16A到16B说明BEV天线与CB天线之间的各种对准几何形状。图16A说明用于前向停车的一些对准几何形状，而图16B说明用于反向停车的一些对准几何形状。图16A和16B指示参考点C和E，其分别对应于CB天线114的中心和BEV天线118的中心。图16A和16B还包含：旋转轴线A，BEV天线118可围绕所述旋转轴线A旋转；以及初始位置向量v，其具有在旋转轴线A的中心处的原点，且指向天线118的初始位置的中心；以及BEV102的纵轴。此外，图16A和16B包含：车辆的局部坐标系(x方向、y方向)；BEV天线向量E，其具有在BEV天线118的旋转轴线A处的原点且指向充电基座C的中心。此外，图16A和16B说明针对BEV天线118的定向和充电基座104的从BEV天线118的初始位置起的旋转角

，如上文参看图15B所论述。如图16A和16B中所说明，旋转角ε对应于初始位置向量v与天线向量E之间的角度。

不同天线定向协议可应用于前向停车和反向停车，如图16A和图16B中所展示。在前向停车中，天线向量E可以相对于车辆的y轴的角度ε指向充电基座114的中心C，而在反向停车中，天线旋转到角度180°-(180°+ε)=-ε，其中(180°+ε)界定如在y轴与连接线A-C之间测量的角度。以此方式，减小了用于调整BEV天线118的旋转角，此情形可简化力学。此外，可实质上避免通过心轴的连接线束的扭转。

在另一对准方法中，可偏心旋转的天线保持固定(例如，)，直到BEV基座120接近充电基座104为止(例如，如上文参看图15B所论述)，其中若旋转某一角度，BEV天线118和CB天线114将变得对准。可连续地计算BEV基座120的中心E相对于充电基座104的中心C的位置。在BEV基座120接近充电基座104期间，可由系统来模型化天线的旋转。当系统确定模型化的旋转天线与CB天线114对准时，BEV102可到达停止位置。在车辆停止之后，可部署BEV天线118且使BEV天线118旋转以用于与CB天线114对准。此方法可归因于与障碍物的交互而降低损害BEV天线118的风险，这是因为直到BEV102处于停止位置中才部署BEV天线118。

已提议用于方向与位置发现的不同方法。重复使用已经存在于无线电力芯系统中的组件的简单方法使用如由CB天线114产生的LF近磁场用于方向与位置发现。专用频率可用于此种类的信标发射。如用于电力传送的电力转换可用以产生信标信号。如用于信标所需的BEV天线118和CB天线114的电流电平可显著低于用于无线充电的那些电流电平。此外，非常少的功率被辐射到空间中，这是因为在LF下的CB天线114的辐射效率极低。

将准静态近场用于车辆导引和对准可为合适的，这是因为场随着距离增加而快速衰减(第三幂定律)，从而降低来自相邻信标的干扰的风险。频率重复使用模式可解决小区间干扰问题。环绕CB天线114的信标磁场可由三分量(Φx，Φy，Φz)磁通量传感器来感测，所述三分量磁通量传感器可位于BEV天线118的中心。

图17说明根据一些实施例的经配置以用于检测信标信号的方向的多维传感器。如图17中所展示，传感器1700可由缠绕例如铁氧体磁盘1708等芯的三维隔开的多匝环的布置组成。虽然说明为铁氧体磁盘1708，但形成芯的材料不限于此。传感器1700可在BEV天线118的铁氧体背衬1710的中心部分处集成到BEV天线118中。相对于BEV天线118的铁氧体背衬1710来说，铁氧体磁盘1708可具有小的大小。然而，传感器1700的位置不限于BEV天线118的中心部分。BEV天线118的中心部分可提供合适的位置，这是因为中心部分一股来说不包含线圈1712(例如，绞合漆包线盘状线圈)，且因此可实质上对BEV天线118的性能具有较少干扰到没有干扰。

传感器1700包含：x环1702，其缠绕铁氧体磁盘1708且位于第一平面中(例如，x轴)；y环1704，其缠绕铁氧体磁盘1708且位于第二平面中(例如，y轴)，所述第二平面实质上垂直于第一平面；以及z环1706，其缠绕铁氧体磁盘1708且位于第三平面中(例如，z轴)，所述第三平面实质上垂直于第一平面和第二平面。举例来说，x环1702可缠绕铁氧体磁盘1708，使得x环1702沿着第一方向通过铁氧体磁盘的实质上中心部分。y环1704可缠绕铁氧体磁盘1708，使得y环1704沿着第二方向通过铁氧体磁盘的实质上中心部分，所述第二方向实质上垂直于第一方向。z环1706可缠绕铁氧体磁盘1708，使得z环形成为沿着铁氧体磁盘1708的圆周及在铁氧体磁盘1708的正面上的一个或一个以上同心环。z环1706还可沿着铁氧体磁盘1708的外边缘或圆周缠绕铁氧体磁盘1708。x环、y环和z环还可沿着实质上不垂直于彼此的其它平面缠绕铁氧体磁盘1708。举例来说，x环、y环和z环可沿着不同平面或彼此相交的平面缠绕铁氧体磁盘1708。

铁氧体背衬1710可起作用以通过场浓度提高传感器1700的灵敏度，如下文将参看图18A到18C更详细描述。此情形可通过x环1702和y环1704辅助感测，x环1702和y环1704可用以检测当BEV102例如在停车区域106中接近充电基座104时充电基座104(具有CB天线114)的方向，如上文参看图15A所描述。当传感器1700在距充电基座104特定距离处使得传感器1700在通过由CB天线114产生的电磁场界定的信标覆盖区域的边缘时，磁盘形铁氧体芯中的场线的水平分量变得实际上平行且通过铁氧体芯(例如，铁氧体磁盘1708)的通量的量独立于BEV天线118的旋转。因此，可发现充电基座104相对于BEV基座120的方向实质上无失真。

返回参看图3，及图15A到15C，且，将如下文更详细描述，在BEV导引模块178的操作期间，充电基座104可经配置以经由一个或一个以上发射器发射用于导引BEV102的电磁场，所述电磁场可由BEV基座120的BEV天线118来感测。在感测到导引信号后，BEV102的导引和对准系统(例如，BEV导引模块178和BEV对准模块174)可经配置以利用从感测信号导出的信息来辅助BEV102的驱动程序。例如BEV控制单元170等控制器可控制BEV对准模块174和BEV导引模块178的操作以调整BEV天线118在横向(例如，X方向)和纵向(例如，Y方向)上的位置。

由充电基座104产生且由CB天线114发射的电磁场可包括一个或一个以上极低频(VLF)(即，3到30千赫兹)或低频(LF)(即，30到300千赫兹)磁场模式，所述一个或一个以上极低频或低频磁场模式可由充电基座104产生且由BEV基座120内的一个或一个以上VLF或LF BEV天线118接收。BEV天线118包含传感器1700，传感器1700具有如上文所论述的x环1702、y环1704和z环1706。磁场的水平场分量1804(例如，x轴)的方向(所述方向指向充电基座104)可基于由传感器1700接收的感测信号来确定。类似地，垂直场分量1805(例如，y轴)和z轴分量(未图示)可基于由传感器1700接收的感测信号来确定。

下文将参看图18A到18C更详细解释由传感器1700进行的电磁场的感测。图18A描绘根据一些实施例的由发射天线产生的电磁场。图18B说明根据一些实施例的传感器1700的侧视图和由CB天线114发射的电磁场。CB天线114可发射具有水平场分量1804的电磁场1801，其可由传感器1700来感测。天线偏移1803描绘充电基座天线114与BEV天线118之间的偏移。

如图18B中所说明，传感器1700(例如，包含于BEV天线118中)可在识别为图18B中的1802的位置处与由CB天线114(未图示)产生的电磁场1801交互。图18C说明根据一些实施例的定位于由CB天线114发射的电磁场内的传感器1700的自上而下视图。参看图18B和18C，邻近于传感器1700的电磁场1801的通量线1809的方向可沿着电磁场1801的水平场分量且在朝向电磁场的源的方向上定向。邻近于天线1700的通量线1809的定向可通过向量1807来界定，向量1807指向电磁场的源，如通过图18B中的源参考1802的位置说明。电磁场的源可为例如具有CB天线114的充电基座104。

图19说明包含传感器和测试/校准功能的方向和位置系统的框图。经由BEV102的与用户的接口的操作和用于对准BEV天线118与CB天线114的系统。方向和位置系统1900包含三信道数字信号处理器1920以基于从包含三维分量传感器1904、1906和1908的传感器接收的传感器信号估计方向和位置。测试和校准信号产生器1902可经配置以在操作之前校准方向和位置系统1900的操作。举例来说，用于停车辅助目的的测向和定位可能需要用于自我测试和校准的额外功能性。系统的完整性测试和校准可通过以下操作来执行：将额外的电流回路并入三维分量传感器1904、1906和1908中的每一者中，以及使用本地信号产生器仿真由测试和校准信号产生器1902产生的信标信号。三维分量传感器1904、1906和1908可串联连接以便保证相同电流。如果所计算的信号向量在某个界定的公差内与参考向量匹配，那么考虑系统适当地发挥作用且经校准，否则，系统可起始自动校准程序。如果系统保持在公差范围外，那么系统可禁止导引和对准且将错误消息传回到人机接口的输出装置。

方向和位置系统1900包含三维分量传感器1904、1906和1908(H场传感器)，以用于分别沿着x方向、y方向和z方向检测磁通量强度。为了提高三维分量传感器1904、1906和1908的灵敏度，可将所述传感器耦合到谐振电容器1910A到1910C，且可使用可变谐振电容器1910A到1910C将所述传感器调谐到特定信标信号频率。可使用例如前置放大器1912A到1912C等前置放大器预处理由所述传感器接收的信号。方向和位置系统1900还可包含前置滤波器1914A到1914C，前置滤波器1914A到1914C经配置以接收前置放大器1912A到1912C的输出且执行抗混叠操作以增加接收器对阻塞的恢复能力。可变增益放大器(VGA)1916A到1916C可接收前置放大器1914A到1914C的输出且经配置以执行数字控制的增益操作以增加模拟信号的动态范围。VGA1916A到1916C的输出可由模/数转换电路(A/D)1918A到1918C接收，模/数转换电路(A/D)1918A到1918C经配置以将模拟信号转换成数字信号。

在数字域中，可在数字信号处理器(DSP)1920中进一步处理三个信号且在频域中使用例如快速傅立叶变换(FFT)技术进行滤波，以减少从邻近信标信号或无线充电系统发出的噪声和干扰。DSP1920可耦合到BEV控制电路170。BEV控制电路170可执行类似于上文参看图3所描述的功能的功能。举例来说，BEV控制电路170可经配置以提供对准信号以控制致动器1924的操作以用于定位BEV天线118。BEV控制电路170还可经配置以与通信模块1926通信以用于与充电基座104、其它BEV102或其它系统通信。

BEV控制电路170还可耦合到BEV车载系统控制单元1922(例如，BEV102的车载计算机)。BEV车载系统控制单元1922可通过各种用户接口与BEV102的用户接口连接，用户接口尤其包含视觉指示器1930(例如，仪表板显示器)、听觉指示器1932(例如，汽车扬声器)以及输入装置1934(例如，键盘、触摸屏等)。下文将参看图20A到20C、21A到21C、22A到22D以及23A到23D更详细描述用户接口操作。BEV车载系统控制单元1922还可包含到例如停车系统、雷达系统、转向系统及制动系统等其它BEV102系统的接口1936。

可通过辨别和映射三个信号从而产生具有单位幅度的三维信号向量来估计方向和位置。因此位置估计可独立于接收信号强度且可基于在传感器1700的位置处的场线的方向和倾角。此方法为有利的在于：系统的性能一股对某些系统参数(例如，信标电流电平、地面材料影响等)的可变性具有恢复能力。可通过使所计算向量与所存储向量图相关来确定位置。最大相关点可用作初始位置估计。所存储向量图对于每一种类型的车辆和天线装设来说可为个别的，且可由汽车制造商作为系统软件的部分来生产和下载。

地面中或表面上(例如，铁钢筋混凝土)的金属的存在可使场模式出现某种程度的失真。然而，此失真将主要影响定位准确度，而不影响测向的准确度。举例来说，返回参看图15B，车辆导引方法可能不需要准确定位。最初，定位仅用以允许将BEV102带到接近充电基座104处，其中BEV天线118可部署并开始朝向CB天线114定向。此操作可发生在距充电基座104的中心点达天线半径(例如，0.5米)的三倍的距离处。随着到CB天线114的距离减小，场失真效应将减少且位置准确度将改善，由此实现精确天线对准。

虽然图19中未说明，但三维分量传感器1904、1906和1908中的至少一者可耦合到电力转换电路(例如，BEV电力转换116)以将经由无线场接收的电力传送到负载。

如上文所描述的传感器1700经配置以使用例如在例如雪崩受害者定位器中应用的测向与定位原理从三个所测量通量分量Φx、Φy、Φz确定方向和位置中的至少一者。由于场线方向将通向磁场的源，因此传感器1700可用以导引BEV102且使BEV102与充电基座104对准。经由表示如由CB天线114产生的且由安装在车辆下面的传感器1700检测到的通量分量的通量向量图中的每一个所感测信号的映射，可从三个所检测的通量分量Φx、Φy、Φz确定方向和位置中的至少一者。

将参看图20A到20C、21A到21C、22A到22D及23A到23D更详细解释导引和对准接口操作以及与BEV102的用户的接口。图20A到20C说明在前向停车的情况下在不同的停车阶段期间用于显示的方向和位置信息的映射。图21A到21C说明在反向停车的情况下在不同的停车阶段期间用于显示的方向和位置信息的映射。图22A到22D说明在基于可偏心旋转BEV天线的前向停车的情况下在不同的停车阶段期间的导引和对准信息的映射和显示。图23A到23D说明在基于可偏心旋转BEV天线的反向停车的情况下在不同的停车阶段期间的导引和对准信息的映射和显示。

可存在向驾驶员显示导引和对准信息的许多不同方式，且以下描述中所描述的概念应被视为仅一个实例。在所说明的方法中，使用移动条来指示车辆的瞬时行驶方向或位置，而表示充电基座104(具有CB天线114)的目标位置的中心目标位置保持固定。

此外，图20A到20C及23A到23C假定使用如上文所描述的可偏心旋转BEV天线118的机械对准系统。然而，显示导引和对准信息的方法具有一股适用性。所述方法可结合其它天线对准方法(机械，电子)使用或结合如上文参看图16A和16B所描述的用以模型化天线旋转的系统或使用固定BEV天线118的系统(例如，依赖于如上文参看图13所描述的恒定耦合系数曲线上的停车概念)使用。

图20A、图22A和图22B说明在前向停车的“接近阶段”期间当车辆越过停车坪的边缘且接近停车区域106时的处理。在此阶段中，系统主要依赖于测向。因此，导引系统显示车辆相对于连接BEV基座120的中心E与CB基座104的中心C的线的行驶方向(y向量)。通过垂直条的达与角度ε成比例的量的偏转在视觉指示器1930上向用户显示此信息，角度ε是y向量与中心点E和C之间的连接线之间的角度。或者，可使用非线性映射函数。举例来说，定位于光点的右手侧上的条可指示车辆向右偏移，从而迫使驾驶员向左调整车辆。命中光点的条可指示车辆行驶方向正朝向充电基座104。

图20B和22C一股说明可被称作“着陆阶段”的阶段，所述阶段是基于如由BEV车载系统控制单元1922确定的位置在距充电基座104的中心C达半径(R_c)处(或在范围2000内)起始。在着陆阶段中，将显示信息的模式改变成“位置”模式且水平条可显现在视觉指示器1930的底部。在此模式中，垂直条指示BEV天线118的中心E距CB天线114的中心C的横向(x)偏差且水平条指示纵向(y)偏差，如在车辆的局部参考坐标系中确定。合适的线性或部分非线性函数可适用于将所估计的位置映射到显示器坐标中。

如上文参看图15B所论述，在着陆阶段的开始且作为对准过程的部分，可偏心旋转天线可指向充电基座104的中心C，由此使点E与C之间的距离最小化。在通量传感器1700集成到BEV天线118中的情况下，系统可在确定BEV天线118相对于CB天线114的位置中考虑此旋转。

图20C和图22D展示“对准阶段”，其中BEV天线118到达对准点且驾驶员将BEV102停止。在此阶段中，视觉指示器1930上的所显示光点可指示由无线充电系统提供的固有公差范围(排除机械对准)。因此，驾驶员的挑战可为到达在光点区域内部交叉的条且及时地停止车辆。当到达位置时，可向用户显示声音警告和停止符号(例如，如图22D中所说明)。在对准阶段期间，精细地调整BEV天线118的位置(例如，1厘米/秒)以避免过冲。

上述描述类似地适用于反向停车，如图21A到21C和图23A到23C中所说明。

上文所描述的视觉指示、方向和对准系统还可指代BEV基座120相对于充电基座104的位置。系统一股地可能能够确定包含于BEV基座120中的BEV天线118相对于包含于充电基座104中的CB天线114的位置。举例来说，对于可部署的BEV天线118，系统可能能够确定基于BEV天线118的中心点的BEV102在部署状态下相对于CB天线114的定位。

尽管系统的固有公差可在几厘米内，但机械对准可显著地松弛对驾驶员关于横向停车精度的要求。举例来说，通过使用机械对准系统，可调整天线使得当BEV天线118接近充电基座104时，可将垂直指示条拉到光点中。只要车辆的轨迹的横向偏移在由旋转偏心矩提供的范围内，此情形就成立。因此，可增加在第一次尝试上成功停车以用于充电的速率。

将准静态近磁场用于车辆导引和对准被视为特别合适的，这是因为场随着距离增加而快速衰减(第三幂定律)，从而降低来自相邻信标的干扰的风险。可使用频率重复使用模式来调整小区间干扰。

图24说明邻近发射对准和方向信号之间的辨别。举例来说，停车坪可包含多个停车区域106A到106D，每一停车区域分别包含CB天线114A到114D。可在存在来自邻近停车区域106的发射的情况下完成基于LF信标的导引和对准。可存在从邻近停车区域106的无线充电或信标发出的LF磁场发射。这些发射可干扰想要的信标信号，从而造成测向和定位准确度的无法接受的降级。使用不同于用于无线能量传送的信标频率的信标频率和简单频率重复使用模式(例如，f₀、f₁、f₂、f₃，如图24中所展示)可减少干扰。可在装设和系统配置时将信标频率指定给每一CB天线114。

不同信标频率之间的分离可与1千赫兹一股小，此取决于如广播信标的ID所需要的调制带宽。可将频率选择为实质上在信标接收器的谐振场传感器的带宽内(方向和位置发现程序)。还可能需要与无线能量传送频率的足够的分离以避免关于信标接收器灵敏度降低的任何问题。因此，可能需要实质上在无线电力链路的谐振带宽外分配信标频率。如果卸载CB天线114(不存在充电车辆)，谐振可变得极尖锐。假定串联谐振，由于电力转换可提供高输出电压，因此可产生所需的信标电流，而不管如谐振外天线存在的高阻抗。

如图24中所说明，BEV102可具有指向位于停车区域106C中的CB天线114C的视角。然而，目标停车区域可为106B。BEV车载系统控制单元1922可处理所检测到的高于所定义的阈值电平且确定在接收范围内的所有信标信号。可在频域中使用FFT技术完成每一个可检测的信标的高度选择性处理和测向。由于系统的视角和信标的范围受设计限制，因此最大两个信标可提供在所显示窗内的方向角。因此，在一些例子中，当车辆转向停车区域时，两个条(对应于停车区域106B和106C)将显现在视觉指示器1930上，可发生所述情形。在此情况下，驾驶员最初将依赖于视觉停车。当移动到停车坪时，“错误”条(对应于停车区域106C)将快速地退出所显示窗，从而使得器具停车明确。

为避免不必要的能量发射和浪费，在不存在停车车辆的情况下，充电基座104可静寂，且可由驾驶员在接近停车坪时启动。可通过在BEV天线118上产生LF近磁场信号来完成信标启动。此信号可由充电基座104来检测，充电基座104还可装备有接收器。此触发信号可为所有车辆所共同的。因此，在触发信号范围内的每一个充电基座104将醒来且开始信标发射。由于邻近信标可使用如上文所描述的不同频率，因此无干扰测向和定位是可能的。

图25说明根据一些实施例的使接收天线与发射天线对准的方法的流程图。方法2500可在开始框2502处开始。方法可进行到框2504，以用于在位置处感测沿着X平面、Y平面和Z平面的磁通量强度且产生X信号、Y信号和Z信号。举例来说，如上文所描述的传感器1700可包含x环1702、y环1704和z环1706以用于分别感测X平面、Y平面和Z平面中的磁通量。方法可进行到框2506以用于基于X信号、Y信号和Z信号确定在所述位置处的磁通量的至少两个向量分量。举例来说，基于感测信号，X向量、Y向量和/或Z向量指向磁场的源(例如，具有CB天线114的充电基座104)。方法可进行到框2508以用于基于所述至少两个向量分量确定从车辆基座(例如，BEV基座120)到充电基座104的方向和距离。

如上文所描述的信息和信号可使用多种不同技术中的任一者来表示。举例来说，可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子或其任何组合来表示在以上描述中始终参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号及码片。

结合本文中所揭示的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为清楚说明硬件与软件的此互换性，上文已大致关于其功能性而描述了各种说明性组件、块、模块、电路及步骤。所述功能性是实施为硬件还是软件取决于特定应用及施加于整个系统的设计约束。可针对每一特定应用以变化的方式来实施所描述的功能性，但所述实施决策不应被解释为会导致脱离实施例的范围。

结合本文所揭示的实施例所描述的各种说明性逻辑块、模块及电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件，或其经设计以执行本文所描述的功能的任何组合来实施或执行。通用处理器可为微处理器，但在替代例中，处理器可为任何常规的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器的组合、一个或一个以上微处理器与DSP核心的联合，或任何其它此配置。

结合本文中所揭示的实施例所描述的方法或算法和函式的步骤可直接体现在硬件中，在由处理器执行的软件模块中，或在两者的组合中。软件模块可驻留于随机存取存储器(RAM)、快闪存储器、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬磁盘、可装卸磁盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储媒体中。将存储媒体耦合到处理器，使得所述处理器可从存储媒体读取信息及将信息写入到存储媒体。在替代方案中，存储媒体可与处理器成一体式。如本文中所使用，磁盘及光盘包括紧密光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地复制数据，而光盘使用激光光学地复制数据。上文的组合也应包含在计算机可读媒体的范围内。处理器及存储媒体可驻留于ASIC中。ASIC可驻留于用户终端中。在替代例中，处理器及存储媒体可作为离散组件驻留于用户终端中。

对上文所描述的实施例的各种修改将容易显而易见，且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文中所界定的一股原理可适用于其它实施例。因此，本发明并不既定限于本文中所展示的实施例，而应符合与本文中所揭示的原理及新颖特征一致的最广范围。

Claims (27)

1.一种用于接收无线电力的设备，所述设备包括：

传感器，其耦合到无线电力接收天线，所述传感器包括：

芯；

第一线圈，其缠绕所述芯，所述第一线圈位于第一平面中；

第二线圈，其缠绕所述芯，所述第二线圈位于不同于所述第一平面的第二平面中；以及

第三线圈，其缠绕所述芯，所述第三线圈位于不同于所述第一平面和所述第二平面的第三平面中，所述传感器经配置以确定在特定点处的电磁场的至少两个向量分量；以及

处理器，其经配置以基于所述至少两个向量分量，确定所述电磁场的源相对于所述传感器的方向以及从所述传感器到所述电磁场的所述源的距离。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二平面与所述第一平面相交，且其中所述第三平面与所述第一平面和所述第二平面相交。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述第二平面实质上垂直于所述第一平面，且其中所述第三平面实质上垂直于所述第一平面和所述第二平面。

4.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的设备，其进一步包括用户接口，所述用户接口经配置以基于所述方向和所述距离将对准信息发射到用户。

5.根据权利要求1到4中任一权利要求所述的设备，其中所述传感器与所述无线电力接收天线并置。

6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的设备，其中所述无线电力接收天线包含无线电力接收芯和无线电力接收感应线圈，且其中所述传感器定位于所述无线电力接收芯的中心位置处。

7.根据权利要求1到6中任一权利要求所述的设备，其进一步包括致动器，所述致动器经配置以基于所述方向和所述距离使所述无线电力接收天线相对于所述源移动。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述致动器经配置以在相对于地表面的垂直方向上移动所述无线电力接收天线。

9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的设备，其中所述电磁场对应于由发射器发射的信标信号，所述设备进一步包括谐振电容器，所述谐振电容器经配置以将所述传感器的谐振频率调谐到所述信标信号的频率。

10.根据权利要求1到9中任一权利要求所述的设备，其进一步包括连接到所述无线电力接收天线的心轴，以及经配置以控制所述心轴以使所述无线电力接收天线旋转的致动器。

11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的设备，其中所述处理器经进一步配置以通过辨别所述所感测的电磁场分量及将所述所感测的电磁场分量映射到具有单位幅度的多维信号向量确定方向和位置中的至少一者。

12.根据权利要求1到11中任一权利要求所述的设备，其中所述电磁场对应于由发射器发射的信标信号，且其中所述信标信号的频率选自多个信标频率的重复使用模式。

13.根据权利要求1到12中任一权利要求所述的设备，其进一步包括经配置以提供导引和对准信息的显示器。

14.根据权利要求1到13中任一权利要求所述的设备，所述设备进一步包括电力转换电路，所述电力转换电路经配置以从所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈中的至少一者接收电力以为负载供电。

15.一种用于在位置处经由电磁场接收电力的方法，所述方法包括：

感测指示所述电磁场的强度的第一信号，所述第一信号对应于在所述位置处的所述电磁场的第一平面；

感测指示所述电磁场的强度的第二信号，所述第二信号对应于在所述位置处的所述电磁场的第二平面，所述第二平面不同于所述第一平面；

感测指示所述电磁场的强度的第三信号，所述第三信号对应于在所述位置处的所述电磁场的第三平面，所述第三平面不同于所述第一平面和所述第二平面；

基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号确定在所述位置处的所述电磁场的至少两个向量分量；以及

基于所述至少两个向量分量，确定电磁场的源相对于传感器的方向以及从所述传感器到所述电磁场的源的距离。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第二平面与所述第一平面相交，且其中所述第三平面与所述第一平面和所述第二平面相交。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述第二平面实质上垂直于所述第一平面，且其中所述第三平面实质上垂直于所述第一平面和所述第二平面。

18.根据权利要求15到17中任一权利要求所述的方法，其进一步包括基于所述方向和所述距离显示导引和对准信息。

19.根据权利要求15到18中任一权利要求所述的方法，其进一步包括基于所述方向和所述位置中的至少一者使无线电力接收天线相对于所述源移动。

20.根据权利要求15到19中任一权利要求所述的方法，其中确定所述方向和所述距离进一步包括将所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号映射到具有单位幅度的多维信号向量。

21.根据权利要求15到20中任一权利要求所述的方法，其中所述电磁场对应于由发射器发射的信标信号，所述方法进一步包括从多个信标频率的重复使用模式选择所述信标信号的频率。

22.根据权利要求15到21中任一权利要求所述的方法，其进一步包括接收与所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号中的至少一者相关联的电力信号，以为负载供电。

23.一种用于在位置处经由电磁场接收电力的设备，所述设备包括：

用于感测指示所述电磁场的强度的第一信号的装置，所述第一信号对应于在所述位置处的所述电磁场的第一平面；

用于感测指示所述电磁场的强度的第二信号的装置，所述第二信号对应于在所述位置处的所述电磁场的第二平面，所述第二平面不同于所述第一平面；

用于感测指示所述电磁场的强度的第三信号的装置，所述第三信号对应于在所述位置处的所述电磁场的第三平面，所述第三平面不同于所述第一平面和所述第二平面；

用于基于所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号确定在所述位置处的所述电磁场的至少两个向量分量的装置；以及

用于基于所述至少两个向量分量确定电磁场的源相对于传感器的方向以及从所述传感器到所述电磁场的所述源的距离的装置。

24.根据权利要求23所述的设备，其中用于感测第一信号的所述装置包括缠绕芯的第一线圈，所述第一线圈位于所述第一平面中，用于感测第二信号的所述装置包括缠绕芯的第二线圈，所述第二线圈位于所述第二平面中，用于感测所述第三信号的所述装置包括缠绕芯的第三线圈，所述第三线圈位于所述第三平面中，用于确定所述至少两个向量分量的所述装置包括传感器，且用于确定到所述源的所述方向及到所述源的所述距离的所述装置包括处理器。

25.根据权利要求23或24所述的设备，其中所述第二平面与所述第一平面相交，且其中所述第三平面与所述第一平面和所述第二平面相交。

26.根据权利要求23到25中任一权利要求所述的设备，其中所述第二平面实质上垂直于所述第一平面，且其中所述第三平面实质上垂直于所述第一平面和所述第二平面。

27.根据权利要求23到26中任一权利要求所述的设备，其进一步包括用于接收与所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号中的至少一者相关联的电力信号以为负载供电的装置。

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