CN107040043A - 自适应无线能量传送系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种自适应无线能量传送系统。示范性实施例是针对在充电底座CB与例如电池电动车辆BEV等远程系统之间的耦合模式区中使用磁性谐振来进行无线电力传送。所述无线电力传送可从所述CB向所述远程系统进行及从所述远程系统向所述CB进行。可采用负载调适及电力控制方法来调整在无线电力链路上传送的电力量，同时维持传送效率。

Description

自适应无线能量传送系统

分案申请的相关信息

本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2011年5月18日、申请号为201180028942.5、发明名称为“自适应无线能量传送系统”的发明专利申请案。

根据35 U.S.C.§119主张优先权

本申请案根据35U.S.C.§119(e)主张以下申请案的优先权：

2010年5月19日申请的标题为“自适应无线能量传送系统(ADAPTIVE WIRELESSENERGY TRANSFER SYSTEM)”的美国临时专利申请案61/346,378，其揭示内容的全文以引用的方式并入本文中；以及

2010年7月26日申请的标题为“自适应无线能量传送系统(ADAPTIVE WIRELESSENERGY TRANSFER SYSTEM)”的美国临时专利申请案61/367,802，其揭示内容的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及无线电力传送，且更具体来说涉及与对例如包含电池的车辆等远程系统的无线电力传送有关的装置、系统及方法。

背景技术

正开发使用在发射器与耦合到待充电的装置的接收器之间的空中或无线电力发射的方法。此些方法大体上分成两类。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。接收天线收集辐射的电力并对其进行整流以用于为电池充电。此方法有以下缺点：电力耦合随天线之间的距离而迅速减少，使得超过合理距离(例如，小于1到2米)的充电变得困难。另外，由于发射系统辐射平面波，因此如果未经由滤波进行适当控制，则无意的辐射可干扰其它系统。

其它无线能量发射技术方法是基于嵌入于(例如)“充电”垫或表面中的发射天线与嵌入于待充电的电子装置中的接收天线(加上整流电路)之间的感应耦合。此方法具有以下缺点：发射天线与接收天线之间的间隔必须非常接近(例如，几毫米以内)。虽然此方法确实具有在同一区域中同时为多个装置充电的能力，但是此区域通常非常小，且要求用户将装置准确地定位到特定区域。

近些年来，已经引入例如车辆等远程系统，其包含来自电的运动力及用以提供所述电的电池。混合电动车辆包含车载充电器，其使用来自车辆制动及传统马达的能量为车辆充电。纯电动的车辆必须从其它来源接收用于为电池充电的电。这些电动车辆常规上被建议通过例如家用或商用AC供应源的某种类型的有线交流电(AC)来充电。

由于在电力无线发射的过程中发生的损耗，无线电力传送系统中效率非常重要。由于无线电力发射的效率通常低于有线传送，所以在无线电力传送环境中效率更加令人关注。因此，需要向电动车辆提供无线电力的方法及设备。

电动车辆的无线充电系统可能需要发射及接收天线在某种程度内对准。发射及接收天线的距离及对准差异会影响高效的发射。因此，在无线电力传送系统中需要自适应链路参数，以便改进电力传送、效率及规章兼容性。

发明内容

示范性实施例是针对在充电底座(CB)与例如电池电动车辆(BEV)等远程系统之间的耦合模式区中使用磁性谐振来进行无线电力传送。可以从CB向远程系统及从远程系统向CB进行无线电力传送。可以采用负载自适应及电力控制方法来调整在无线电力链路上传送的电力量，同时保持传送效率。在一个或一个以上示范性实施例中，可在至少第一模式与第二模式之间配置自适应电力转换器，以在发射模式中以一操作频率从电力供应系统转换电力及向电力供应系统转换电力，并且在接收模式中进行相反转换。充电底座天线经配置以在接近操作频率下谐振，并且可操作地耦合到可适应电力转换器，且经配置以将无线能量与远程天线耦合。所述模式是可选择的，以经由充电底座天线与远程天线之间的变化的耦合系数大体上维持可适应电力转换器中的效率。一个或一个以上示范性实施例还包含用于执行相同操作的方法。

附图说明

图1说明在BEV停泊在无线发射器附近时用于配备有无线接收器的例如BEV等远程系统的无线充电系统。

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的框图，其说明用于发射天线及接收天线的通信链路、引导链路及对准系统。

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说明可用于BEV的无线充电的一些可能的频率及发射距离。

图6展示安置在BEV中的可更换无接触电池的简化图。

图7是无线电力天线及相对于电池的铁氧体材料的放置的详细图。

图8是经配备以无线地接收或发射电力的BEV中的电池系统的若干部分的简化框图。

图9说明根据本发明的实施例包括多个停泊空间及位于每一停泊空间内的充电底座的停车场。

图10A说明车辆可能遇到的可能需要底盘离地高度的各种障碍物。

图10B说明根据本发明的示范性实施例的位于车辆底盘的下侧的腔内的无线电力天线。

图11说明根据本发明的示范性实施例的嵌入充电底座的几种变化形式。

图12A到12C说明根据本发明的示范性实施例的位于包含无线电力天线的充电底座上的无线电力天线的车辆。

图13A及13B说明根据本发明的示范性实施例的机械装置可调整无线电力天线的位置的在X及Y方向上的可能位置。

图14说明根据本发明的示范性实施例的可以通过可操作地耦合到驱动机构的齿轮轴重新定位无线电力天线的另一机械解决方案。

图15说明根据本发明的示范性实施例的对于能量传送的距离约束。

图16为根据本发明的示范性实施例的无线电力传送系统的电路图。

图17说明发射及接收环形天线，其展示相对于天线半径的磁场强度。

图18说明根据本发明的示范性实施例的可重新配置为全桥电力转换及半桥的可适应电力转换。

图19A及19B说明根据本发明的示范性实施例的半桥电力转换配置及全桥电力转换配置。

图20说明根据本发明的示范性实施例的无线电力传送系统的无线电力传送组件。

图21说明根据本发明的示范性实施例的用于搜集测量值的各种传感器。

图22为根据本发明的示范性实施例的用于自适应电力转换的方法的流程图。

具体实施方式

希望下文结合附图阐述的详细描述作为对本发明的示范性实施例的描述，且并不希望表示可实践本发明的仅有实施例。贯穿此描述所使用的术语“示范性”表示“充当实例、例子或说明”，且未必应解释为比其它示范性实施例优选或有利。所述详细描述出于提供对本发明的示范性实施例的透彻理解的目的而包括特定细节。所属领域的技术人员将明白，可在无这些特定细节的情况下实践本发明的示范性实施例。在一些例子中，以框图形式来展示众所周知的结构及装置，以避免使本文中呈现的示范性实施例的新颖性模糊不清。

术语“无线电力”在本文中用以指在不使用物理电磁导体的情况下从发射器发射到接收器的与电场、磁场、电磁场或其它场相关联的任何形式的能量。

此外，术语“无线充电”在本文中用于指向包含电化学单元的一个或一个以上电化学单元或系统提供无线电力以用于为电化学单元再充电的目的。

术语“电池电动车辆”(BEV)在本文中用于指远程系统，且其实例为包含(作为其机动能力的一部分)从一个或一个以上可再充电电化学单元得到的电力的车辆。作为非限制性实例，一些BEV可为混合电动车辆，其包含使用来自车辆减速及传统马达的电力来为车辆充电的车载充电器，其它BEV可以从电力汲取所有机动能力。涵盖包含电子装置等的其它“远程系统”。本文中使用各种术语及缩写，包含(但不限于)以下各者：

AC 交流电

BEV 电池电动车辆

CB 充电底座

DC 直流电

EV 电动车辆

FDX 全双工

FET 场效晶体管

G2V 电网到车辆

HDX 半双工

IGBT 绝缘栅极双极晶体管

ISM 工业科学及医疗

LF 低频

PWM 脉宽调制

r.m.s. 均方根

VLF 超低频

V2G 车辆到电网

ZSC 零电流切换

举例来说且非限制，本文中描述呈电池电动车辆(BEV)形式的远程系统。还涵盖远程系统的其它实例，包含能够接收及传送无线电力的各种电子装置及类似装置。

图1说明在BEV停泊在无线充电底座(CB)104附近时用于例如BEV 102等具备无线充电功能的远程系统的无线充电系统。在停车区域106中说明两个车辆102，且所述两个车辆停泊在对应的CB 104上。本地分配中心108连接到电力干线，且经配置以向作为CB 104的一部分的电力转换系统112提供交流电(AC)或直流电(DC)供应。CB 104还包含无线电力天线114，用于产生近磁场或从通过远程天线产生的近磁场拾取能量。每一车辆包含电池、BEV电力转换及充电系统116以及经由近场与CB天线114交互的无线电力天线118。

在一些示范性实施例中，简单地通过驾驶员将车辆相对于CB天线114正确定位，BEV天线118可以与CB天线114对准，且因此安置在近场区内。在其它示范性实施例中，可给予驾驶员视觉反馈、听觉反馈或其组合以确定何时车辆被正确放置以进行无线电力传送。在又其它示范性实施例中，可通过自动导航系统来定位车辆，自动导航系统可以将车辆前后移动(例如，以之字形移动)，直到对准误差已达到可容许值为止。这个操作可由车辆自动且自主执行，不需要驾驶员加以干涉或只需要驾驶员稍加干涉，前提是车辆配备有伺服方向盘、四周的超声波传感器及人工智能。在仍其它示范性实施例中，BEV天线118、CB天线114或其组合可包含用于将天线相对于彼此位移及移动以将其更加准确地定向且在其之间形成更合意的近场耦合的装置。

CB 104可位于许多位置中。作为非限制性实例，一些合适位置是车辆所有者的家的停车区域，在常规的基于石油的加油站之后模型化的为BEV无线充电保留的停车区域，以及例如购物中心及工作场所等其它位置处的停车场。

这些BEV充电站可提供许多益处，例如：

·方便：实际上无需驾驶员干涉及操纵即可自动执行充电。

·可靠：可没有暴露的电触点且没有机械磨损。

·安全：可不需要操纵电缆及连接器，且可没有可暴露于户外环境中的湿气及水的电缆、插头或插座。

·防止破坏行为：插座、电缆及插头可看不到，或者碰不到。

·可用性：如果BEV将被用作分布式储存装置以使电网稳定。通过实现车辆到电网(V2G)能力的方便的对接到电网解决方案可以增加可用性。

·美观且无妨碍：可没有可妨碍车辆及/或行人的柱负载及电缆。

作为V2G能力的进一步解释，无线电力发射及接收能力可以配置为互惠的，使得CB104将电力传送到BEV 102且BEV将电力传送到CB 104。通过允许BEV用类似于太阳能电力系统可以连接到电网且将多余电力供应到电网的方式的方式将电力贡献给总分配系统，此能力对于电力分配稳定性可为有用的。

图2是用于BEV的无线电力充电系统130的简化框图。本文中所述的示范性实施例使用形成谐振结构的电容性加载的线环(即，多匝线圈)，所述谐振结构能够在一次结构(发射器)及二次结构(接收器)均被调谐到共同谐振频率的情况下经由近磁场将来自一次结构的能量高效地耦合到二次结构。所述方法也称为“磁性耦合谐振”及“谐振感应”。

为了实现无线高功率传送，一些示范性实施例可使用在20到60kHz范围内的频率。此低频耦合可允许非常高效的电力转换，其可使用现有技术的固态装置来实现。此外，与其它频带相比，与无线电系统的共存问题可更少。

在图2中，假设是对车辆进行能量传送，常规电力供应器132(其可为AC或DC)将电力供应到CB电力转换模块134。CB电力转换模块134驱动CB天线136以发射所需的频率信号。如果CB天线136及BEV天线138被调谐到大体上相同频率，且足够接近以处在来自发射天线的近场辐射内，则CB天线136及BEV天线138耦合，使得电力可被传送到BEV天线138，且在BEV电力转换模块140中被提取。BEV电力转换模块140接着可为BEV电池142充电。根据一个实例，BEV电池可充当用于所述装置的远程能量储存系统。电源132、CB电力转换模块134及CB天线136构成总体无线电力系统130的基础结构部分144，其可为固定的且位于如上所论述的多种位置。BEV电池142、BEV电力转换模块140及BEV天线138构成无线电力子系统146，无线电力子系统146是车辆的一部分或电池组的一部分。

在操作中，假设是对车辆或电池进行能量传送，则从电力供应器132提供输入电力，使得CB天线136产生辐射场以用于提供能量传送。BEV天线138耦合到辐射场且产生输出电力以用于由车辆储存或消耗。在示范性实施例中，CB天线136及BEV天线138根据互谐振关系而配置，且当BEV天线138的谐振频率及CB天线136的谐振频率非常接近时，当BEV天线138位于CB天线136的近场中时，CB与BEV无线电力子系统之间的发射损耗极小。

如所述，通过将发射天线的近场中的大部分能量耦合到接收天线而非以电磁波形式将大部分能量传播到远场而发生高效的能量传送。当处于此近场中时，可在发射天线与接收天线之间形成耦合模式。天线周围的可发生此近场耦合的区域在本文中称为近场耦合模式区。

CB及BEV电力转换模块两者均可包含振荡器、功率放大器、滤波器及匹配电路，用于与无线电力天线的高效耦合。所述振荡器经配置以产生所需的频率，所述所需的频率可响应于调整信号来调整。可通过功率放大器响应于控制信号而以一放大量来放大振荡器信号。可包含滤波器与匹配电路以滤除谐波或其它非所要的频率，且使电力转换模块的阻抗与无线电力天线匹配。CB及BEV电力转换模块还可包含整流器及切换电路以产生合适的电力输出来为电池充电。

示范性实施例中使用的BEV及CB天线可配置为“环形”天线，且更具体来说，配置为多匝环形天线，其在本文中也可称为“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物理芯(例如，铁氧体芯)。空气芯环形天线可允许将其它组件放置于芯区域内。包含铁磁或铁磁材料的物理芯天线可允许形成较强的电磁场及改进的耦合。

如所述，在发射器与接收器之间的匹配或接近匹配的谐振期间，发生发射器与接收器之间的能量的高效传送。然而，即使当发射器与接收器之间的谐振不匹配时，也可以较低效率传送能量。能量传送通过将来自发射天线的近场的能量耦合到驻留于建立了此近场的邻域中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。

环形天线的谐振频率是基于电感及电容。环形天线中的电感一般仅为由所述环产生的电感，而一般将电容添加到环形天线的电感以在所需的谐振频率下产生谐振结构。作为非限制性实例，可与天线串联地添加电容器，以形成产生磁场的谐振电路。因此，对于较大直径的环形天线来说，诱发谐振所需的电容的大小随着环的直径或电感增加而减小。应进一步注意，电感也可取决于环形天线的匝数。此外，随着环形天线的直径增加，近场的高效能量传送区域增加。当然，其它谐振电路是可能的。作为另一非限制性实例，电容器可并联放置于环形天线的两个端子之间(即，并联谐振电路)。

本发明的示范性实施例包含在处在彼此的近场中的两个天线之间耦合电力。如所述，近场为天线周围的其中电磁场存在但可不传播或辐射远离所述天线的区域。近场耦合模式区通常限于接近天线的物理体积的体积(例如，在六分之一波长的半径内)。在本发明的示范性实施例中，例如单匝及多匝环形天线的磁性类型天线用于发射及接收两者，因为与电类型天线(例如，小型偶极天线)的电近场相比，磁性类型天线的实际实施例中的磁性近场振幅往往更高。这允许所述对天线之间的潜在较高耦合。依赖于实质上磁性场的另一原因是其与环境中的非导电电介质材料的低相互作用及安全问题。无线高功率发射的电天线可涉及极高的电压。此外，还预期“电”天线(例如，偶极及单极)或磁性天线与电天线的组合。

图3是用于BEV的通用无线电力充电系统150的更详细的框图，其说明用于CB天线158及BEV天线160的通信链路152、引导链路154及对准系统156。与图2的示范性实施例一样，且假设能量是朝BEV流动，在图3中，CB电力转换单元162从CB电力接口164接收AC或DC电力，且在其谐振频率下或接近其谐振频率激励CB天线158。BEV天线160当处在近场耦合模式区中时，从近场耦合模式区接收能量以在谐振频率下或接近谐振频率振荡。BEV电力转换单元166将来自接收天线160的振荡信号转换成适合于为电池充电的电力信号。

通用系统还可分别包含CB控制单元168及BEV控制单元170。CB通信单元168可包含与其它系统(未图示)的通信接口，所述其它系统例如是计算机及电力分配中心。BEV控制单元170可包含与其它系统(未图示)的通信接口，所述其它系统例如是车辆上的机载计算机、其它电池充电控制器、车辆内的其它电子系统及远程电子系统。

CB及BEV通信单元180及182可包含用其单独通信信道进行特定应用的子系统或功能。这些通信信道可以是单独的物理信道，或者仅是单独的逻辑信道。作为非限制性实例，CB对准单元172可以与BEV对准单元174通信(例如，经由CB及BEV通信单元180及182)，以提供用于将CB天线158与BEV天线160更紧密对准(自主地或借助操作人员的辅助)的反馈机构。类似地，CB引导单元176可以例如经由CB及BEV通信单元180及182而与BEV引导单元178通信，以提供反馈机制来引导操作人员将CB天线158与BEV天线160对准。此外，可能存在由CB通信单元180及BEV通信单元182支持的用于在CB与BEV之间传达其它信息的单独的通用通信信道152。此信息可包含关于EV特性、电池特性、充电状态及CB与BEV两者的电力能力的信息以及维护及诊断数据。这些通信信道可以是单独的物理通信信道，例如蓝牙、紫蜂、蜂窝等等。

此外，可以不使用特定通信天线经由无线电力链路来执行某种通信。换句话说，通信天线与无线电力天线是相同的。因此，CB的一些示范性实施例可包含控制器(未图示)，用于启用无线电力路径上的键控类型协议。通过用预定义的协议以预定义的时间间隔对发射功率电平进行键控(幅移键控)，接收器可以检测来自发射器的串行通信。CB电力转换模块162可以包含负载感测电路(未图示)，以用于检测有效BEV接收器在CB天线158产生的近场附近的存在或不存在。举例来说，负载感测电路监视流动到功率放大器的电流，所述电流受有效接收器在由CB天线158产生的近场附近的存在或不存在影响。由控制器监视对功率放大器上的加载的改变的检测，以用于确定是否启用振荡器来发射能量、与有效接收器通信，或其组合。

BEV电路可包含切换电路(未图示)，以用于将BEV天线160与BEV电力转换单元166连接及断开。将BEV天线断开不但中止充电，而且改变CB发射器“看到”的“负载”，这可用于“遮盖”BEV接收器以使发射器看不到。如果CB发射器包含负载感测电路，则可以检测到负载改变。因此，CB具有用于确定BEV接收器何时存在于CB天线的近场中的机制。

图4说明展示可用于且适合于BEV的无线充电的各种频率的频谱。对于对BEV的无线高功率传送的一些可能的频率范围包含：3kHz到30kHz频带中的VLF，30kHz到150kHz频带中的较低LF(对于ISM类应用)(排除其中一些)、HF 6.78MHz(ITU-R ISM-频带6.765-6.795MHz)、HF 13.56MHz(ITU-R ISM频带13.553-13.567)及HF27.12MHz(ITU-R ISM频带26.957-27.283)。

图5说明可在BEV的无线充电中有用的一些可能的频率及发射距离。对于BEV无线充电可为有用的一些实例发射距离为大约30mm、大约75mm及大约150mm。一些示范性频率可为VLF频带中的大约27kHz及LF频带中的大约135kHz。

在确定恰好超过接收及发射天线的谐振特性及耦合模式区的合适频率时，应当考虑到许多考虑事项。无线电力频率可能会干扰用于其它应用的频率。作为非限制性实例，可能存在与电力线路频率、可听频率及通信频率的VLF/LF共存问题。对于VLF及LF共存可能是个问题的一些非限制性实例是：用于无线电受控时钟的频率、用于LW AM广播及其它无线电服务的频率、与ISDN/ADSL及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(电子物品监视)系统、现场寻呼、低电压PLC系统、医用植入物(心脏起搏器等等)、音频系统及人类及动物可以感知到的声音发射。

对于HF频率共存可能是个问题的一些非限制性实例是工业、科学及医疗(ISM)无线电频带，例如：用于在连续能量传送下处于FDX或HDX模式中的远程控制应用及RFID的6.78MHz；用于在连续能量传送以及便携式装置无线电力下处于FDX或HDX模式中的RFID的13.56MHz；以及用于铁路应用(Eurobalise 27.095MHz)、民用频带无线电及远程控制(例如，模型、玩具、车库门、计算机鼠标等等)的27.12MHz。

图6展示安置于电池电动车辆(BEV)220中的可再充电及/或可更换电池的简化图。在此示范性实施例中，低电池位置对于电池单元222可为有用的，电池单元222集成无线电力接口226，且可从嵌入于地面中的充电器接收电力。在图6中，EV可再充电电池单元222容纳在电池舱224中。电池单元222还提供无线电力接口226，无线电力接口226可集成整个BEV侧无线电力子系统，包括谐振磁性天线、电力转换及地面嵌入式充电底座(CB)与电动车辆(EV)电池之间的高效且安全的无线能量传送所需要的其它控制及通信功能。

以下方案可为有用的：BEV天线与电池单元222的底侧(车身)齐平集成，使得不存在突出部分且使得可以维持指定的地面到车身间隙。此配置可能要求电池单元中专用于无线电力子系统的一些空间。

在一些示范性实施例中，CB天线及BEV天线固定在适当位置中，且通过将BEV相对于CB整体放置而使天线处在近场耦合区内。然而，为了快速、高效且安全地执行能量传送，可能需要减小充电底座天线与BEV天线之间的距离以改进磁性耦合。因此，在一些示范性实施例中，CB天线及BEV天线可为可部署为可移动的，以使其更好地对准。图6中还说明了电池单元222，其提供无接触电力及通信接口226/228。

图7是环形天线及铁氧体材料相对于电池的放置的更详细图。在各种示范性实施例中，电池单元包含作为无线电力接口的一部分的可部署及不可部署的BEV天线模块240中的一者。为了防止磁场渗透到电池单元230中及渗透到车辆内部，在电池单元与BEV天线模块240之间可存在导电性屏蔽物232(例如，铜薄片)。此外，可以使用非导电性(例如，塑料)层233来保护导电性屏蔽物232。虽然在图7中将塑料层233说明为线，但是塑料层233的宽度可小于、大约相同或大于导电铜层232的宽度。塑料外壳235用来保护线圈236及铁氧体材料238免受环境影响(例如，机械损害、氧化等等)。塑料填充物234可用来将线圈236及铁氧体238定位于外壳235内。

图7展示了全铁氧体嵌入的天线线圈236。线圈236本身可例如仅由绞合的李兹线制成。图7还展示尺寸经设计的铁氧体板238(即，铁氧体背衬)以增强耦合且减少导电性屏蔽物232中的涡电流(热量耗散)。线圈236可完全嵌入于非导电性非磁性(例如，塑料)材料234中。由于磁性耦合与铁氧体磁滞损耗之间的折衷，总地来说，线圈236与铁氧体板238之间可能存在间隔。

此外，线圈236可在横向X及/或Y方向上为可移动的。图7具体说明其中天线(线圈)模块240部署在向下Z方向上的示范性实施例。天线模块240与电池单元230的物理分隔可对天线性能有正面影响。

图8是经配备以接收无线电力的BEV中的电池系统250的若干部分的简化框图。此示范性实施例说明可在EV系统252、电池子系统254及到CB(未图示)的无线充电接口之间使用的无线电力接口。电池子系统254用EV与电池子系统254之间的无线接口提供能量传送与通信两者，这实现完全无接触的封闭且密封的电池子系统。所述接口可包含用于双向(双路)无线能量传送、电力转换、控制、电池管理及通信的功能性。虽然说明了电池与BEV之间的无接触连接，但是也预期接触连接。

上文已解释了充电器到电池通信接口256及无线电力接口258，且同样应注意，图8展示了一般概念。在特定实施例中，无线电力天线260及通信天线可组合成单个天线。这也可应用于电池到EV无线接口262。电力转换(LF/DC)单元264将从CB接收的无线电力转换成DC信号以为EV电池266充电。电力转换(DC/LF)268将来自EV电池266的电力供应到电池子系统254与EV系统252之间的无线电力接口270。可包含电池管理单元272以管理EV电池充电、控制电力转换单元(LF/DC及DC/LF)以及无线通信接口。

在EV系统252中，无线电力天线274从天线276接收电力，且LF/DC电力转换单元278可将DC信号供应到超级电容器缓冲器280。在一些示范性实施例中，LF/DC电力转换单元278可将DC信号直接供应到EV电力供应器接口282。在其它示范性实施例中，无接触接口可能无法提供车辆传动(例如，在加速期间)需要的高电池峰值电流。为了减小源电阻且因此减小在EV电力供应器端子处“看到”的EV能量储存系统的峰值电力能力，可以使用额外的超级电容器缓冲器。可以包含EV电系统控制单元284以管理电力转换单元(LF/DC)278的控制、超级电容器缓冲器280的充电以及到EV及电池子系统254的无线通信接口262。此外，应注意，如上所述，V2G能力可适用于参看图8所述且在图8中说明的概念。

如下所述的本发明的示范性实施例是针对作为用于BEV的无线充电系统的一部分的无线电力天线的对准(本文中也称为“BEV无线充电系统”)。所属领域的技术人员将了解，充分的天线对准可以用快速、高效且安全的方式实现例如位于停车空间内的充电底座与BEV子系统之间的双路(双向)能量传送。根据一个或一个以上示范性实施例，车辆引导系统可提供粗略的对准，以用于将BEV充分地定位于停车空间内，以使得CB天线与BEV天线能够在特定误差半径内对准。此外，根据一个或一个以上其它示范性实施例，天线对准系统可经配置以在一个或一个以上方向上机械地调整CB天线、BEV天线或这两者的位置，以实现天线在BEV无线充电系统内的精细对准。

图9说明包括多个停车空间907的停车场901。请注意，“停车空间”在本文中也可称为“停车区域”。为了增强车辆无线充电系统的效率，BEV 905可沿着X方向(图9中用箭头902)及Y方向(图9中用箭头903绘示)来对准，使得BEV 905内的无线电力车辆底座904能够与相关联的停车空间907内的无线电力充电底座906充分对准。虽然将图9中的停车空间907说明为具有单个充电底座906，但是本发明的实施例不受此限制。而是，预期可具有一个或一个以上充电底座的停车空间。

此外，本发明的实施例适用于具有一个或一个以上停车空间的停车场，其中停车场内的至少一个停车空间可包括充电底座。此外，引导系统(未图示)可以用来辅助车辆操作人员将BEV定位于停车空间907中，使得BEV内的车辆底座(例如，车辆底座904)能够与充电底座906对准。示范性引导系统可以包含基于电子的方法(例如，无线电定位、方向寻找原理及/或光学、准光学及/或超声波感测方法)或基于机械的方法(例如，车轮引导、追踪或停止)，或其任何组合，以用于辅助BEV操作人员定位BEV以使得BEV内的天线能够与充电底座(例如，充电底座906)内的充电天线充分对准。

图10A说明BEV 1010可能遇到的需要最小底盘离地高度的各种障碍物1005。障碍物1005可以在不同位置接触BEV 1010的底盘的下侧1015。当无线电力天线(未图示)位于BEV 1010的底盘的下侧1015内或附近时，无线电力天线可能会变得受损、未对准，或者具有与障碍物1005接触无线电力天线相关联的其它问题。

图10B说明根据本发明的示范性实施例的BEV天线1020。为了保护BEV天线1020免与障碍物不合意地接触，可能需要将BEV天线1020定位于BEV 1010的底盘的下侧的空腔1012内。

充电底座可包含与CB天线可操作地耦合的电力转换单元。充电底座可以进一步包含可用于对CB天线进行位置调整的其它机械或电子组件(例如，处理器)，如本文中将描述。充电底座的组件可以收容在充电底座内，充电底座至少部分地嵌入在地表面下方，例如在停车场、车道或车库中。

图11说明根据本发明的示范性实施例的至少部分地嵌入在地表面1105下方的充电底座1110。充电底座1110可包含一个或一个以上CB天线1115，以用于向与BEV相关联的对应BEV天线(未图示)发射无线电力信号/从所述BEV天线接收无线电力信号。充电底座1110可从地面突出1101，这可在CB天线1115与BEV天线之间的距离可减小时改进耦合。突出1101的充电底座1110可能更便于接近以进行维护及修理。然而，突出1101的充电底座1110(例如)对于行人或者在除雪期间可为障碍。

或者，充电底座1110可与地表面1105齐平1102。齐平1102的充电底座1110可以更便于接近以进行维护及修理，且不形成障碍；然而，CB天线1115与BEV天线之间的耦合可能与突出1101的充电底座1110相比有所减少。齐平1102的充电底座1110还可留下潜在问题，即地表面(例如，沥青)的边缘潜在地更容易被水、冰及机械应力腐蚀。

或者，充电底座1110可完全位于地表面下方1103(例如，在沥青层1107下方)。此表面下1103的充电底座1110可更安全而不会受侵害(例如，破坏行为)，并且不形成障碍；然而，耦合及进行维护及修理的可接近性可有所减少。

图12A到12C说明BEV 1210，其包含定位于充电底座1220上方的无线电力天线1215，充电底座1220还包含无线电力天线1225。如图12A到12C中所示，BEV天线1215及CB天线1225在X及Y方向上对准，并且在Z方向上分开距离1230。如图12B所示，BEV天线1210及CB天线1225在X方向上未对准达偏移距离1235，且在Z方向上分开距离1230。

可能需要减小距离1230及偏移距离1235，以便改进BEV天线1215与CB天线1225之间的耦合强度。减小距离1230及偏移距离1235可通过精细对准调整系统进行。

精细对准调整系统可用于调整CB天线1225、BEV天线1215或其组合的物理位置，以便增加CB天线1225与BEV天线1215之间的耦合强度。可响应于检测到BEV天线1215与CB天线1225之间的未对准，来执行对BEV天线1215与CB天线1225中的一者或两者的位置的调整。可通过利用来自如上所述(例如针对与磁场检测有关的方法)的车辆引导系统的信息来执行确定未对准。此外，可在确定相关联的天线的未对准时使用来自无线电力链路(例如，指示无线电力链路的性能的各种参数)的信息。举例来说，在未对准检测期间，无线电力链路可以在降低的功率电平下操作，且在已经准确地对准了相关联的天线之后，可以提高功率电平。

精细对准调整系统可与路程对准引导系统分开，或作为其补充。举例来说，路程对准引导系统可以将BEV引导到给定容限(即，误差半径)内的位置，使得精细调整系统可校正BEV天线1215与CB天线1225之间的细微误差。

如图12C中的BEV 1210的俯视图所示，BEV天线1210与CB天线1225仅在X方向上未对准。BEV天线1210与CB天线1220在Y方向上对准。举例来说，Y方向上的对准仅可已通过BEV1210使用其自身的牵引系统来实现，所述牵引系统可由本文中所述的引导系统加以辅助(例如，自动导航)，并且借助于所述牵引系统，BEV的马达可能能够顺利且准确地移动到目标Y位置。在此情形下，X方向上可能仍然存在对准误差，但Y方向上不存在。消除对Y方向上的对准调整的需要(例如，通过使用路程对准引导系统)还可减少BEV天线1215的空间需要，因为BEV天线1215可经配置以仅在X方向上移动，BEV天线1215可容纳在空腔中，且不是部署用于无线电力传送。因此，消除对Y方向上的精细调整的需要可简化BEV无线电力子系统。

图13A说明根据本发明的示范性实施例的机械装置可调整BEV天线1415的位置的在X及Y方向上的可能位置。举例来说，通过选择机械装置内的角度对(α,β)，可以在半径r_max内实现X及Y方向上的任何位置。

图13B说明根据本发明的示范性实施例的位于BEV 1510的底侧的空腔1512内的BEV天线1515的机械解决方案。如图13B所示，机械装置1550可通过选择适当的角度对(α,β)来在X及Y方向上调整BEV天线1515的位置。此外，机械装置1550可通过将BEV天线1515从BEV1510的空腔1512降低来在Z方向上调整BEV天线1515的位置。机械装置1550可以包含许多机械解决方案(包含电驱动机械设备及/或液压设备)中的一者。虽然本文中未图示，但是机械装置可类似地用于在X、Y或Z方向上或其任何组合上调整CB天线的位置。换句话说，可以用用于调整CB天线、BEV天线1515或这两者的位置(视情况而定)的机械解决方案来实现精细对准调整。

图14说明根据本发明的示范性实施例的另一机械解决方案，其中可通过可操作地耦合到驱动机构1652的齿轮轴1650来重新定位BEV天线1615(及/或CB天线)。在操作中，如果驱动机构1652被致动，则可旋转齿轮轴1650以延伸支撑部件1654以便在Z方向上降低BEV天线1615。

可以在更改无线电力发射器所产生的电场的力线的电解决方案(例如，以电子方式切换的线圈阵列)的辅助下实现精细对准调整。可以使用天线的机械对准与电对准的组合。

BEV天线可以沿着BEV的底盘下侧定位。不是如先前所述将充电底座至少部分地嵌入到地表面下方，而是充电底座可经配置为位于地表面上方的充电平台。如果在地面中形成孔来用于充电底座是不合意的，则此配置作为车库或车棚的改型解决方案可为合意的。充电平台的配置还可提供灵活性，因为充电平台可为可移动的，且能够储存在除车库之外的位置中，或者被转移到另一位置。

充电底座(例如，充电平台)可经配置以自动移动(例如，作为自动化机械手)、被远程控制(例如，经由遥控单元)，或者通过用于控制移动充电平台的其它方法移动。举例来说，BEV(例如，通过其无线电力子系统)可以请求充电，此时，充电底座可以在BEV下方自动移动，且对其自身进行定位以将CB无线电力天线与BEV天线对准。通过如先前所述在一个或一个以上方向上调整BEV天线及CB天线的位置，可以实现进一步的精细对准(如果有必要的话)。

一旦充分对准，充电底座便可在充电底座与BEV的无线电力子系统之间更高效地传送无线电力。在完成充电之后，或在某一其它事件之后，充电底座可以返回到等待位置(待用模式)。因此，无线电力系统可以包含与充电底座及与BEV相关联的另一装置(例如，无线电力子系统)的通信链路。充电底座可以进一步包含电缆管理，以便在充电过程之前及之后展开及卷绕连接电缆。

BEV的无线电力充电系统可针对安全及安保问题进一步经配置。举例来说，当无线电力BEV或CB天线无法缩回时(例如，由于损坏或障碍)，BEV可经配置以在部署所述天线时固定。此固定可以保护无线电力充电系统免受进一步损坏。无线电力充电系统可进一步包含传感器，其检测无线电力BEV或CB天线的力阻。如果障碍物(石头、碎屑、雪、动物等等)位于将限制天线移动的位置中，则检测力阻可以保护无线电力BEV或CB天线及附随的组件免受损坏。

无线电力充电系统可进一步包含对BEV天线与CB天线之间的无线电力链路的连续监视(例如，监视电压、电流、电力流等等)，且在检测到无线电力链路中的异常的情况下减少所发射的电力，或者关闭电力。无线电力充电系统可进一步包含传感器，所述传感器经配置以检测天线附近人或动物的存在。此些传感器可为合意的，以便在人靠近无线电力天线的情况下让处理器减少或终止无线电力发射。当人在BEV下方执行维护或其它修理工作时(特别是对于使用心脏起搏器或类似敏感且安全攸关的医疗装置的人)，此动作可能是对长期暴露于电磁辐射的安全预防。

本文中进一步描述无线能量发射原理。如上所述，无线能量传送使用形成谐振结构的电容性加载的线环(或多匝线圈)，所述线环可提供强耦合，因此能够在一次结构(发射器)及二次结构(接收器)均被调谐到共同谐振频率的情况下经由近磁场将来自一次结构的能量高效地传送到二次结构。还如所述，所述方法也可称为“磁耦合谐振”或“谐振电感”。

为了实现无线高功率传送，在从20到60kHz范围内的频率被认为是合意的，因为使用现有技术的固态装置可以实现非常高效的电力转换，且与其它频带相比，与无线电系统的共存问题可能更少。为了计算电力传送，假设一种安装在BEV上的天线线圈，其可以是圆盘形的(如上所述)，且可以水平移动(一般在x、y方向上)以便用于对准目的以及垂直移动(z方向)。如本文中所述，BEV天线模块一般可以收藏在车辆底部而不突出。当停泊BEV以进行充电时，将天线线圈在z方向上取下，以便使到CB天线线圈(也可以是圆盘形(如上所述)而且嵌入地面中)的距离最小化。

图15说明根据本发明的示范性实施例的对于能量传送的距离约束。最小距离d实现在规章约束下在最大效率及最大功率下的能量传送。零距离(天线接触)将是最优的。然而，在需要稳健、灵活且可靠的实际解决方案中，预期有一定的分离。此无法减小的距离将取决于若干厚度因素，例如(1)环境(灰尘、碎屑、雪的存在，主要是在户外停车中)，说明为碎屑厚度1680；(2)CB天线线圈在地面中的嵌入(沥青下方、齐平、突出)，说明为沥青厚度1682；(3)CB及BEV天线模块的外壳，说明为线圈厚度1684；CB的覆盖物厚度1686及线圈厚度1688及BEV的覆盖物厚度1690；(4)安全裕度厚度1692，需要其来吸收车辆悬挂系统的突发性垂直位移(震动)(例如，如果在部署BEV天线时很重的人坐在车上)等等，如图15中说明。

理想的情况时，系统根据实际状况调适，目标是使距离最小化，且因此使无线电力传送的性能最大化。在此示范性自适应系统中，CB与BEV天线线圈的分离可为可变的，从而如果要应对最大功率、最大效率及规章顺应，则需要相应地调适某些链路参数。下文中进一步描述此调适。

图16说明基于一系列谐振感应链路的根据示范性实施例的含有无线电力系统的元件的电路图。假设电源及电力耗散器(负载)两者分别为具有电压V_SDC及V_LDC的恒定电压，这分别反映了电网及BEV电池的特性。应分别在实际上零源电阻及零耗散器电阻的意义上理解恒定电压。

图16的电路图以及以下描述假设从CB侧电源1702到BEV侧耗散器1704的能量传送。然而，这不应当排除相反方向上的能量传送，例如为了车辆到电网(V2G)能量传送的目的，前提是电力转换支持相反的电力流动(双向、四象限控制)。

图17说明分开距离d且在图16中分别通过其电感L₁及L₂以及其随距离而变的互耦合系数k(d)表示的CB天线线圈1706及BEV天线线圈1708。电容器C₁及C₂用于补偿天线电感，因此实现所需频率下的谐振。等效电阻R_eq,1及R_eq,2表示天线线圈及反电抗电容器固有的损耗。

图17说明分开距离d且在图16中分别通过其电感L₁及L₂以及其随距离而变的互耦合系数k(d)表示的CB及BEV天线线圈。电容器C₁及C₂用于补偿天线电感，因此实现所需频率下的谐振。等效电阻R_eq,1及R_eq,2表示天线线圈及反电抗电容器固有的损耗。图17还指示由在无线电力系统附近的位置r处的所述对线圈产生的磁场向量H(r)。

在图16中说明的示范性实施例中，CB侧电力转换将DC电力转换成所需频率(操作频率)下的AC电力，所述所需频率优选在VLF或LF范围中，例如针对所关注的高功率应用为从20kHz到60kHz。在下文中，此范围中的任何频率总体上称为LF。

然而，在另一实施例中，CB侧电力转换还可将标准干线频率下的AC电力转换成适合于无线电力的操作频率下的AC电力。在又一示范性实施例中，CB侧电力转换可将未经滤波的DC(例如，AC脉冲DC电力)转换成操作频率下的AC电力。在这后两种实施例中，在操作频率下产生的电力可以是非恒定的包络。

变换比率1：n₁也可归于CB电力转换，且可定义为：

等式1 1:n₁＝V_SDC:V₁

其中V_SDC及V₁分别表示DC输入电压及LF输出处的基频的r.m.s.电压。

BEV侧电力转换执行将由BEV天线接收到的LF电力重新转换回到DC电力的反向操作。对应地，将变换比率n₂:1归于CB电力转换，其可定义为：

等式2 n₂:1＝V₂:V_LDC

其中V₂及V_LDC分别表示LF输入处的基频的r.m.s.电压及DC输出电压。

理论展示，如果CB及BEV天线两者的谐振被调整到操作频率，则电感性耦合的谐振链路的效率及功率达到最大值。这对于任何耦合系数0<k(d)<1都是有效的。实际上，如果目标是零电流切换，则电力转换可能需要系统稍微偏离谐振操作。这可通过天线电流中含有的谐波组件的相移来解释。举例来说，所述系统可以在谐振频率的第一范围内操作。举例来说，第一范围可以是在谐振频率的约+/-10kHz、约+/-5kHz或约+/-1kHz内的范围。

其还展示，针对给定参数L₁、L₂、n₁及n₂，存在最优负载电阻R_LDC,opt，其使电力转换及谐振感应链路中的损耗最小化，因而使端对端的效率最大化。端对端的效率可定义为：

等式3

其中P_LDC＝V_LDC·I_LDC且P_SDC＝V_SDC·I_SDC表示DC负载(输出)电力及DC源(输入)电力。相反，在给定负载电阻及变换比率n₁及n₂的情况下，存在一对最优的电感L_1,opt及L_2,opt，或者，在给定L₁及L₂的情况下，存在一对最优的比率n_1,opt及n_2,opt，其使效率η_e2e最大化。

在下文中，为了机械均衡的效率但不失一般性，假设无线电力系统完全对称，这意味着：

等式4 V_DC＝V_SDC＝V_LDC

等式5 n＝n₁＝n₂

等式6 L＝L₁＝L₂

等式7 R_eq＝R_eq,1＝R_eq,2

可以展示，从此特定情况得出的结论也可应用于不对称系统的一般情况。

此外，假设CB及BEV电力转换两者是无损耗的，且实情为，分别在等效损耗电阻R_eq,1及R_eq,2中考虑到电力转换损耗。显然，可以定义为输出功率对输入功率的比率

等式8

的谐振感应链路的效率等于如上定义的端对端效率η_e2e。

假设工作循环为50％的切换模式电力转换，电压V₁及V₂两者均为方波。虽然被谐振效应滤波，但是天线电流I₁及I₂一般是具有谐波含量的非正弦曲线，谐波含量取决于耦合系数。因此，一些电力经由谐波而发射。然而，在大多数情况下，经由谐波的能量传送是可忽略的。出于说明的目的，假设电流大体上是正弦的，使得CB天线输入功率及BEV天线输出功率可以定义为：

等式9

等式10

其中电压及电流是指LF下的基波分量的r.m.s。为了系统尺寸设计，可以展示基本上存在两个等式。

第一等式得出最优天线线圈电感

等式11

在给定耦合系数k(d)及角度操作频率ω₀及由基频下的BEV电力转换呈现的负载电阻

等式12

的情况下，使η大化。

下文进一步描述等式11的数学推导。等式11在强耦合状态下有效，其中L_opt实际上与实际损耗电阻R_eq无关。然而，其将取决于负载电阻及耦合系数，如果CB及BEV天线的负载电阻及/或分离改变，则负载电阻及耦合系数一般需要被调适。

第二等式使能量传送速率P₂及耦合系数k(d)与产生的磁场相关：

等式13

此处，c应表示考虑到CB及BEV天线几何形状g₁及g₂的因数，及磁场强度参考的位置(如图17说明，由位置向量r表示)，且下文进一步描述数学推导。等式13假设位置r离天线线圈足够远，使得其在所关注范围内的间距的改变实际上对参考位置处的磁场不施加任何影响，但其互耦合的影响除外。

引入规章约束(例如，在定义的距离中的位置r_m处测量的磁场强度H(r_m)不应超过定义的极限H_lim)提高了对能量传送速率的限制：

等式14

等式14阐明了最大能量传送速率与耦合系数成比例地减小。举例来说，假设在0.4的耦合系数下最大功率为4kW，如果天线间距增加从而产生0.2的耦合系数，则功率限于2kW。

现在使用适用于基波分量的电压及电流变换比率的定义：

等式15 n₀:1＝V_2,0:V_LDC＝I_DCL:I_2,0,

对应的负载电阻

等式16

关于DC负载电压V_LDC及DC负载功率P_LDC及无损耗电力转换P₂＝P_LDC的假设，等式11可以写成：

等式17

用等式14取代P₂提供了L_opt,k(d)与n₀之间的关系：

等式18

为了满足确保最大效率及规章顺应的等式18，天线电感L＝L₁＝L₂或变换比率n＝n₁＝n₂或这两者必须在距离改变时被调适。如果有可能，则应当避免不同的天线电感，因为一般来说，其将涉及复杂的切换电路或机械齿轮、额外损耗及天线体积的非最优使用，因此涉及质量因数的损失。其还需要可变电容以维持谐振，因此增加了复杂度。使用充当变压器的额外天线匹配网络可能会带来类似的缺点。

通过使用电力转换来提供所需的可变变换比率，可以实现较不复杂且更加经济的解决方案。改变CB侧变换比率n₁等效于电力控制，因为其将很大程度上影响链路上的能量转换率。相应地改变BEV侧变换比率n₂将确保高效地操作无线电力链路，其可被称为负载调适。

已经提出有些允许变换比率的连续改变的几种电力控制及负载调适方法，然而会牺牲零电流切换(ZCS)，因此导致一些增加的切换损耗及切换装置的应力。其它方法可以维持ZCS状况，但是仅准许以粗略的步长来改变变换比率。

一种改变变换比率且损耗极低的方法是改变桥接器的操作模式(例如，从全桥模式改变成半桥模式或反之亦然)。下文中进一步描述此方法。

图18中显示基于全桥的串行谐振无线能量传送系统的基本电路图。CB侧开关S_1j可表示FET或IGBT固态装置，而BEV侧LF-DC电力转换的开关可为无源二极管但在同步整流的情况下也是有源装置。

在全桥或H桥模式下，电力转换的所有开关在以使得S_j1及S_j2'同时闭合的方式双态切换。当S_j1闭合时，那么S_j2及S_j1'断开，且反之亦然。这适用于CB侧及BEV侧电力转换(j∈{1,2})。

在半桥模式中，例如，仅S₁₁及S_11'在双态切换，且S_12'及S₁₂是静态的。当S₁₁闭合时，那么S_11'断开且反之亦然。在静态半桥中，例如S_12'可闭合。电流需要经过开关S_12'的事实引起一些额外损耗，这将不会在非自适应基于半桥的系统中存在。然而，对于能够高效地适应于两种不同传送距离的系统来说，此额外的CB侧及BEV侧接通状态电阻被视为低代价。

在使用BEV侧电力转换的无源二极管全桥整流器的单向能量传送系统的情况下，需要用与二极管并联的有源开关(FET或IGBT)来补充一个半桥。然而，这些晶体管仅需要是静态开关。

可以展示，全桥通过以下等式将DC电压电平变换成基波的LF电压电平：

等式19

其大约为1。

对应地，半桥通过以下等式变换：

等式20

其大约为1/2。

现在，考虑能够将BEV天线分别调整成对应于较短的距离d'及较长的距离d"的两个离散z位置的系统。如果条件准许，系统使用例如对应于耦合系数k(d')的较短距离，否则其调整成对应于k(d")的d"。距离经选择以使得

等式21 k(d')＝2·k(d")

从等式18、等式19、等式20及等式21，显然在系统在距离d'下的全桥模式中及距离d"下的半桥模式中操作的情况下，可发现在两个距离下均最优的电感L_opt。通过定义

等式22

且通过如下表达最优天线电感(等式18)来对此证明：

等式23

下表中展示能够通过改变电力转换模式同时试图在规章约束内维持最大效率及最大功率来最优地适应两种不同距离的系统的实例。

表1：最优地适应两种不同距离的系统的实例

当然，此桥重新配置方法可与其它电力控制/负载调适方法组合，以便根据预定义范围内的任何距离来调适链路，且/或压制负载功率(电池充电电流)。替代方法的实例包含(1)通过改变频率来非谐振地操作链路，(2)天线的有意失调，(3)使用工作循环<50％的PWM驱动波形，(4)在CB及BEV电力转换中的DC-DC转换器，(5)在2相或3相供应的情况下的相位切换等等。这些方法可全部视为直接或间接改变变换比率n₁及n₂。

在实际系统中，将通过具有CB及BEV子系统中的实体的控制系统(如上所述)来控制变换比率及天线z轴位置。这些实体可以使用带内或带外信令来通信。

关于等式11的推导，可以通过以下等式来导出磁性耦合的谐振系统的最优负载电阻：

等式24

其中R₂表示谐振接收天线的损耗电阻，Q₁及Q₂分别表示谐振发射及接收天线的Q因子，且k表示耦合系数。用R_L,opt来加载磁性链路使传送效率最大化。

在强耦合状态

等式25 k²Q₁Q₂＞＞1

下，或在其中链路效率接近100％的所谓的‘神奇’状态下，等式24可以简化成：

等式26

在高功率无线能量传送系统中，对强耦合状态或甚至‘神奇’状态的假设将最有效。

现在假设全对称链路，其中：

等式27 L＝L₁＝L₂

等式28 R＝R₁＝R₂

并且通过以下等式来取代等式26中的Q因子Q₁及Q₂：

等式29

得出

等式30

相反，在给定负载电阻R_L的情况下，存在最优天线电感：

等式31

其使效率最大化。

关于等式13的推导，通过BEV天线(其基本上是多匝线环)在位置r处产生的磁场强度可以表达为：

等式32 H₂(r)＝N₂·I_2,0·γ(g₂,r)

其中N₂表示天线线圈的匝数，I_2,0表示基波下的天线电流，且γ基本上是其几何形状g₂与场强度参考的位置向量r的函数。等式32假设改变匝数不会改变天线线圈几何形状，因此g₂≠f(N₂)。

多匝环的电感可表达为：

等式33

其中β基本上是线圈几何形状g₂的函数。

负载电阻可以如下表达为功率P₂及电流I_2,0的函数：

等式34

现在使用等式11且取代以上等式，得出

等式35

且还使用等式32进行一些操纵，我们针对位置r处的磁场强度的平方得出：

等式36

定义

等式37

得出

等式38

至此为止，已经忽略了根据等式32的CB天线对磁场的贡献：

等式39 H₁(r)＝N₁·I_1,0·γ(g₁,r)

在对称的情况下，匝数N₁等于N₂，且CB天线的电流I_1,0将与I_2,0成比例地改变。因此，在位置r处来自CB及BEV天线H₁(r)及H₂(r)的贡献也将成比例地改变，因为：

等式40

在给定V_SDC＝V_LDC的情况下，因此V_1,0＝V_2,0。

可以容易地展示，如果在优化过程中改变了N₂，则在不对称情况下(N₁≠N₂)也将保持所述比例。定义c(g₁,g₂,r)，其考虑到两个天线的几何形状以及I_1,0相对于I_2,0的相移(无论互耦合如何，谐振情况下始终为90度)，总场可以表达为：

等式41

其为等式13。

图19A及19B说明根据示范性实施例的可适应串行谐振能量传送系统的两个电路配置。在图19A中，配置A假设(1)较长的距离或一般来说发射天线与接收天线之间的较松散的耦合，(2)发射侧电力转换及接收侧电力转换两者均在半桥模式下操作。在图19B中，配置B假设(1)较短的距离或一般来说发射天线与接收天线之间的较紧密的耦合，(2)发射侧电力转换及接收侧电力转换两者均在全桥模式下操作。

两种配置均假设恒定电压源及恒定电压耗散器。考虑到将能量从电网传送到车辆电池(G2V)或相反传送(V2G)的系统，此假设是有用的，而且非常合理。对于无线电力链路的此分析揭露：

1)能量传送速率(电力P)随着配置B倍增，而不需要调适

·供应电压及耗散器电压

·谐振天线的电抗(电感及电容)

均在没有额外电路及/或用于电力/电压转换的机械及/或可变电抗的情况下实施。

2)两种配置均经最优匹配以实现最大能量传送效率。

3)两种配置在天线附近测量的磁场强度方面是等效的，因此在完全利用规章/EMC约束的可能性方面是等效的。

假设恒定电压耗散器(电池)，而不是恒定负载电阻。总而言之，揭示了用于在较长距离(较松散耦合)以较低功率或在较短距离(较紧密耦合)以较高功率从电压源向电压耗散器传送能量的自适应系统及方法，其中所述系统可适于通过分别将发射及接收侧电力转换的操作模式改变成半桥模式或全桥模式而以最大效率操作，还最优地利用规章限制。

图20说明根据本发明的示范性实施例的无线电力传送系统的无线电力传送组件。关于感测、通信及控制，适应实际状况同时以无线电力链路的最大性能及效率为目标的无线电力系统利用用于感测、通信及控制的辅助功能。这些辅助功能可以是图20中显示其通用架构的BEV无线充电系统2000的一部分。

系统2000可以细分成两个主要子系统：充电底座子系统(CB-SS)2002及电池电动车辆子系统(BEV-SS)2004。CB子系统2002包括：

(1)CB电力转换(CB-PCONV)2006，其将供应频率下的DC电力或AC电力转换成操作频率(例如，LF)下的发射电力，或者以相反操作模式(V2G)进行相反转换。其集成了若干传感器以测量电压及电流，如图21的简化电路图所示。

(2)CB天线模块(CB-ANT)2008，其含有CB天线线圈且可以向BEV天线2010发射‘无线’电力或从BEV天线2010接收‘无线’电力。假设CB天线线圈是固定的，且是地面嵌入式。

(3)CB通信收发器(CB-COM)2012，其与BEV通信以交换系统控制数据，以及用以识别或鉴别BEV的数据，或者由与BEV充电直接或间接有关的其它应用产生的数据。CB-COM2012可以使用专用天线，或者可以重新利用CB-ANT2008。

(4)CB控制单元(CB-CTRL)2014，其处理从BEV及CB子系统2002的各种传感器接收的数据，且控制CB子系统2002的不同实体。

BEV子系统2004包括：

(1)BEV电力转换(BEV-PCONV)2016，其将在操作频率(例如，LF)下接收到的‘无线’电力转换成供应频率下的DC电力或AC电力，或者以相反操作模式(V2G)进行相反转换。BEV-PCONV集成了若干传感器以测量电压及电流，如图21所示。

(2)BEV天线模块(BEV-ANT)2010，其含有BEV天线线圈，且可从BEV天线2010接收‘无线’电力/向BEV天线2010发射‘无线’电力。假设BEV天线线圈可以在X、Y、Z方向上移动。BEV-ANT 2010还集成至少一个传感器(S)以检测不想要的对象，例如石头、碎屑、雪、冰等等，其可能约束了BEV天线例如移动到足够低的z位置的自由度。传感器可包含集成在天线机械中的力阻传感器、天线模块表面处的触觉传感器、超声波传感器、光学传感器及用于检测金属对象的电磁传感器中的至少一者。

(3)BEV-ALIGN 2018，其涵盖将BEV天线线圈与CB天线线圈适当地对准且为了所需耦合而调整距离的所有功能性。此实体包含致动器，所述致动器可为驱动BEV天线机械的伺服马达(M)。BEV-ALIGN 2018还可集成传感器以检测力阻。

(4)BEV通信收发器(BEV-COM)2020，其与CB通信以交换系统控制数据以及用以识别或鉴别BEV的数据，或者由与BEV充电直接或间接有关的其它应用产生的数据。BEV-COM2020可以使用专用天线，或者可以重新利用EV-ANT 2010。

(5)BEV控制单元(BEV-CTRL)2022，其处理从CB及BEV子系统2004的各种传感器接收的数据，且控制BEV子系统2004的不同实体。

下文中，描述此系统可如何适应本地条件以使能量传送速率及效率最大化的程序。

在系统根据新的距离/耦合系数进行调整时，发射功率可能必须减少。存在若干种可适用于为了链路调整目的压制功率的发射功率控制方法。因为可显著降低功率，所以效率在此操作模式中不太成问题。

如果条件准许且需要较高功率(例如，4kW)，则系统根据距离d'下的定义的耦合k'进行调整。否则，如果因为传感器(S)中的至少一者检测到地面上的对象因而情况不准许，或者如果需要较低功率(例如，2kW)，则所述系统根据较大距离d"下较弱但定义的耦合k"＝k/2进行调整。

由于依据本地条件，耦合系数与距离之间的关系可能某种程度上不同，所以可能需要测量耦合系数k(d)，而不是依赖于距离。

BEV-CTRL可通过使用BEV电力转换及CB电力转换的来自电压及电流传感器的测量数据(其经由通信链路从CB-CTRL发射到BEV-CTRL)来确定耦合系数k(d)。已知链路参数(L₁,C₁,R₁,L₂,C₂,R₂)及操作频率还有电力转换的参数，可例如根据谐振感应链路的等式体系来足够准确地计算耦合系数k(d)：

等式42：

一旦BEV天线根据两个目标耦合系数中的一者(k'或k")经过适当调整，CB-PCONV及BEV-PCONV便经配置成全桥模式(在k'的情况下)或半桥模式(在k"的情况下)，且功率被斜升到在此目标耦合系数下可准许的最大功率(例如，分别是4kW或2kW)。

根据任何耦合系数来调适系统的一种更通用的方法可定义耦合系数的阈值。如果测量出的耦合系数高于阈值，则电力转换被配置成全桥模式。相反，如果耦合系数等于或低于阈值，则电力转换被配置成半桥模式。此阈值可定义为两个目标耦合系数之间中间的某个位置，例如，在全桥模式及半桥模式两者均将同样表现良好(例如，效率相等)的值。然而，在显著偏离两个目标耦合系数的耦合系数下操作系统可能需要额外装置来控制功率、效率及发射电平，如上所述。

分别在全桥或半桥模式下在定义的耦合系数k'及k"下操作，因为基本操作模式在功率转换中以最低复杂度以最大效率提供最优能量传送。通过略微减少或增加耦合，或者通过不会使效率显著降级的另一方法，可以实现将功率精确调整成标称功率的精细控制。

图22为根据本发明的示范性实施例的用于自适应电力转换的方法的流程图。方法1800包含步骤1802，其用于根据可重新配置以在至少第一模式与第二模式之间操作的可适应电力转换器将来自电力供应系统的电力转换成操作频率下的电力以供传送无线能量。方法1800进一步包含步骤1804，其用于通过接近操作频率谐振的发射天线来产生电场及磁场中的至少一者，以将无线能量传送到位于近场耦合模式区内的接收天线，所述近场耦合模式区经配置以可让接收天线接近。

示范性实施例是针对在充电底座(CB)与例如电池电动车辆(BEV)等远程系统之间的耦合模式区中使用磁性谐振来进行无线电力传送。无线电力传送可从CB向远程系统进行及从远程系统向CB进行。可采用负载调适及电力控制方法来调整在无线电力链路上传送的电力量，同时维持传送效率。

所属领域的技术人员将理解，可使用多种不同技术及技艺中的任一者来表示信息及信号。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可贯穿以上描述而参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号及码片。

所属领域的技术人员将进一步了解，结合本文中所揭示的实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路及算法步骤可实施为电子硬件，计算机软件，或上述两者的组合。为清楚说明硬件与软件的这种可互换性，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。将此功能性实施为硬件还是软件取决于特定应用以及强加于整个系统的设计约束。所属领域的技术人员可针对每一特定应用以不同方式实施所描述的功能性，但此些实施决策不应被解释为会导致脱离本发明的示范性实施例的范围。

结合本文所揭示的实施例而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，但在替代方案中，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、一个或一个以上微处理器与DSP核心的联合，或任何其它此类配置。

结合本文中所揭示的示范性实施例而描述的方法或算法的步骤可直接体现于硬件中、由处理器执行的软件模块中或所述两者的组合中。软件模块可驻存在随机存取存储器(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。将示范性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。处理器及存储媒体可驻存在ASIC中。ASIC可驻存在用户终端中。在替代方案中，处理器及存储媒体可作为离散组件驻存在用户终端中。

在一个或一个以上示范性实施例中，所描述的功能可实施于硬件、软件、固件或其任一组合中。如果实施于软件中，那么可将功能作为一个或一个以上指令或代码而存储在计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体传输。计算机可读媒体包括计算机存储媒体与包括促进将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体的通信媒体两者。存储媒体可为可由计算机存取的任何可用媒体。举例来说且并非限制，所述计算机可读媒体可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置，或可用于载送或存储呈指令或数据结构的形式的所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。同样，可恰当地将任何连接称作计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)或例如红外线、无线电及微波等无线技术从网站、服务器或其它远程源传输软件，那么同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或例如红外线、无线电及微波等无线技术包括于媒体的定义中。本文中所使用的磁盘及光盘包括压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘使用激光以光学方式再现数据。以上各者的组合也应包括在计算机可读媒体的范围内。

提供对所揭示的示范性实施例的先前描述是为了使所属领域的技术人员能够制作或使用本发明。所属领域的技术人员将易于了解对这些示范性实施例的各种修改，且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文中界定的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明无意限于本文中所展示的示范性实施例，而是将被赋予与本文所揭示的原理及新颖特征一致的最广范围。

Claims (20)

1.一种用于无线地传送电力的设备，所述设备包括：

电力转换电路，其经配置以在操作的第一模式和第二模式的每一者中转换从电力供应器接收的电力，操作的所述第一模式基于第一非零耦合系数，且操作的所述第二模式基于第二非零耦合系数；

第一电力传送组件，其电耦合到所述电力转换电路，所述第一电力传送组件经配置以至少部分地基于经转换的电力来将充电电力无线地传送至接收器处的第二电力传送组件；

控制器，其经配置以至少部分地基于一值而至少在所述第一模式和所述第二模式之间重新配置所述电力转换电路，所述值指示所述第一电力传送组件和所述第二电力传送组件之间的耦合系数。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一模式对应全桥模式且所述第二模式对应半桥模式。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述控制器经配置以响应于检测到所述指示值大于阈值时将所述电力转换电路重新配置在所述第一模式中操作。

4.根据权利要求2所述的设备，其中所述控制器经配置以响应于检测到所述指示值小于阈值时将所述电力转换电路重新配置在所述第二模式中操作。

5.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括切换电路，所述切换电路经配置以当从所述电力供应器接收的所述电力包括两个或更多个相位时，相位切换所述电力转换电路。

6.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括电耦合到所述电力转换电路的脉冲宽度调制电路，所述脉冲宽度调制电路经配置以在小于50％的工作循环下操作。

7.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括经配置以检测所述第一电力传送组件和所述第二电力传送组件之间的至少一个对象的传感器，其中所述第一电力传送组件经配置以至少部分地基于经检测的所述至少一个对象而在x、y或z方向上移动。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述传感器包括力阻传感器、触觉传感器、超声波传感器、光学传感器或电磁传感器中的至少一者，或者其任意组合。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一电力传送组件进一步经配置以在对应于所述第一电力传送组件和所述第二电力传送组件之间的较短距离及较长距离的两个离散z位置之间移动，且其中所述电力转换电路进一步经配置以当所述第二电力传送组件位于所述较短距离处时在所述第一模式中操作，且当所述第二电力传送组件位于所述较长距离处时在所述第二模式中操作。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器经配置以至少部分地基于所述第一电力传送组件和所述第二电力传送组件之间的距离而至少在所述第一模式和所述第二模式之间重新配置所述电力转换电路。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述电力转换电路进一步经配置以在无线电力传送操作频率下将所接收的电力转换为交变电流。

12.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括谐振电路，所述谐振电路包括所述第一电力传送组件，其中所述谐振电路经配置以大体上在操作频率下谐振。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述控制器经配置以至少部分地基于指示所述耦合系数的所述值来执行下操作中的至少一者：致使所述谐振电路非谐振地操作，或使所述谐振电路部分失调。

14.一种用于无线地传送电力的方法，其包括：

通过电力转换电路转换从电力供应器接收的电力；

操作所述电力转换电路，以使得所述电力转换电路能够在第一模式和第二模式的每一者中转换电力，操作的所述第一模式基于第一非零耦合系数，且操作的所述第二模式基于第二非零耦合系数；

至少部分地基于经转换的电力来将充电电力无线地从第一电力传送组件传送至接收器的第二电力传送组件；及

至少部分地基于一值而在所述第一模式和所述第二模式之间重新配置所述电力转换电路，所述值指示所述第一电力传送组件和所述第二电力传送组件之间的耦合系数。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一模式对应全桥模式且所述第二模式对应半桥模式。

16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述第一模式和所述第二模式之间重新配置所述电力转换电路包括当所述指示值大于阈值时将所述电力转换电路重新配置在所述第一模式中操作。

17.根据权利要求15所述的方法，其中在所述第一模式和所述第二模式之间重新配置所述电力转换电路包括当所述指示值小于阈值时将所述电力转换电路重新配置在所述第一模式中操作。

18.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括：

检测所述第一电力传送组件和所述第二电力传送组件之间的至少一个对象；及

至少部分地基于经检测的所述至少一个对象而将所述第一电力传送组件在x、y或z方向的至少一者上移动，以增大所述第一电力传送组件和所述第二电力传送组件之间的耦合。

19.一种用于无线地传送电力的设备，所述设备包括：

用于在操作的第一模式和第二模式的每一者中转换从电力供应器接收的电力的装置，操作的所述第一模式基于第一非零耦合系数，且操作的所述第二模式基于第二非零耦合系数；

用于至少部分地基于经转换的电力来将充电电力无线地传送至电力传送组件的装置；及

用于至少部分地基于一值而在所述第一模式和所述第二模式之间重新配置所述转换装置的装置，所述值指示所述传送装置和所述电力传送组件之间的耦合系数。

20.一种用于在电动车辆处无线地接收电力的设备，所述设备包括：

第一电力传送组件，其经配置以经由由发射器的第二电力传送组件产生的磁场来无线地接收充电电力并将所述充电电力提供至所述电动车辆的负载；

传感器，其经配置以检测所述第一电力传送组件和所述第二电力传送组件之间的至少一个对象；及

控制器，其经配置以基于一下各者中的至少一者来致使所述第一电力传送组件在x、y、或z方向的至少一者上移动：经检测的所述至少一个对象或指示所述电力传送组件之间的耦合度的值。