CN107294154B - Ev无线充电可调节磁通量角度充电器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种方法，包括检测能够无线充电的车辆处于充电位置中，所述充电位置靠近可操作用于通过安装在所述车辆中的次级线圈对所述车辆无线充电的无线充电系统的初级线圈。所述初级线圈包括基本上彼此平行的顶部线圈和底部线圈，所述顶部线圈和所述底部线圈通过多个跨线圈接点单元彼此耦接，所述多个跨线圈接点单元中的每个包括开关元件，所述开关元件将电流路经所述顶部线圈和所述底部线圈中的一个或多个的至少一部分。所述方法还包括设置所述开关元件，使得考虑到相对于所述次级线圈的位置的所述初级线圈的位置，流过所述初级线圈的电流产生用于对所述车辆无线充电的优化的磁通量的角度；以及根据所设置的开关元件，使电流流过所述初级线圈，以对所述车辆无线充电。

Description

EV无线充电可调节磁通量角度充电器

技术领域

本公开总体涉及无线充电电动车辆或混合动力电动车辆，并且更特别地涉及具有可调节磁通量角度的电动车辆的无线充电系统。

背景技术

近来，与电动车辆(EV：electric vehicle)和混合动力电动车辆(HEV：hybridelectric vehicle)相关的技术已经得以迅速发展。至少部分地由电力对EV和HEV供电，并且这些车辆常常收集和储存电力，或换句话说，从非车辆源进行充电。像这样，已经开发出了对EV和HEV充电的各种方法。特别地，用于无线充电或感应式充电的技术已经成为相当多的研究的主题。

无线充电与有线充电相对比，通过限制部件的接触和暴露提高充电部件的耐久性和寿命，通过掩盖潜在危险电线和连接接口增加安全性，并且通过允许以各种方式实施充电站(例如，作为便携式充电垫、嵌入到停车场或道路中等)增强多功能性。为了这些目的，无线充电依赖电磁场在充电站(例如，无线充电组件)和电气设备之间传送能量，如在当前情况下，电气设备诸如为智能电话、膝上型计算机或电动车辆。通过形成于无线充电组件和设备之间的感应耦合发送能量。通常，无线充电组件中的感应线圈(即，初级线圈)常常使用从电源网格提供的电力，以创建交变电磁场。线圈设计的参数包括被设计用于具体应用的半径、形状、匝数和匝之间的间距。然后，电气设备中的感应线圈(即，次级线圈)可以从所生成的电磁场接收功率，并且将它转换回电流以对它的电池充电。因此，初级感应线圈和次级感应线圈结合以形成电力变压器，从而可以通过电磁感应在两个线圈之间传送能量。

尤其，初级线圈和次级线圈之间的有效的功率传送取决于两个线圈之间的正确对准(alignment)。然而，当初级线圈与次级线圈横向偏移时，发生未对准(misalignment)。因为次级线圈上的入射磁通量不是处于最优角度，所以未对准导致功率传送效率的损失。为了说明，图1示出传统上用于无线功率传送的示例初级线圈。初级线圈100包括多匝，并且允许电流从其中流过。流过线圈100的电流创建具有磁通量110的电磁场。基本的初级线圈配置，诸如初级线圈100，导致笔直向上的磁通量方向，如图1所示。

然而，合成磁通量110的角度将不允许最优功率传送，除非次级线圈直接位于初级线圈100之上。作为示例，在使用位于地上的充电垫或嵌入在地中的充电系统对电动车辆无线充电的情况下，如果车辆没有正确地停放在充电器的上方，则安装在车辆中的次级线圈将与传送能量的初级线圈未对准。因此，电动车辆充电过程将是低效率的。虽然轻微的未对准可能降低充电效率，使无线充电比正常花费更长时间，但较大的未对准可能彻底阻止无线充电。

发明内容

本公开提供了用于利用包括至少两个平行的线圈(每个线圈用它们之间的电气开关元件隔开距离z)的功率发射器线圈(即，初级线圈)组件的技术。位于将平行的线圈彼此耦接的跨线圈接点单元(cross-coil junction unit)中的开关元件可以被控制用于指引电流通过线圈的特定部分，并且有效地创建不同的电流流动配置(current flowconfiguration)。每个电流流动配置产生唯一的磁通量的角度。因此，特别地当对电动(或混合动力电动)车辆充电时，优选的电流流动配置可以被选择用于产生使无线充电效率最大化的磁通量的角度。本文所描述的技术的使用导致更大的未对准容限。这使得电动车辆的驾驶员不用太担心精确地停放在初级线圈上方，以便进行充电。额外地，当线圈未对准时，这些技术创建更好的功率传送效率。因此，可以在较大的距离跨度上对车辆充电，这特别有益于动态充电情形。

根据本公开的实施例，一种方法包括：检测到能够无线充电的车辆处于充电位置中，所述充电位置靠近可操作用于通过安装在所述车辆中的次级线圈对所述车辆无线充电的无线充电系统的初级线圈。所述初级线圈包括基本上彼此平行的顶部线圈和底部线圈，所述顶部线圈和所述底部线圈通过多个跨线圈接点单元彼此耦接，所述多个跨线圈接点单元中的每个包括开关元件，所述开关元件将电流路经通过(route through)所述顶部线圈和所述底部线圈中的一个或多个的至少一部分。所述方法还包括：设置所述开关元件，使得考虑到相对于所述次级线圈的位置的所述初级线圈的位置，流过所述初级线圈的电流产生用于对所述车辆无线充电的优化的磁通量的角度；以及根据所设置的开关元件，使电流流过所述初级线圈，以对所述车辆无线充电。

所述方法还可以包括：通过调节所述开关元件的状态，循环通过(cyclingthrough)所述初级线圈中的多个电流流动配置；确定所述多个电流流动配置中的哪个电流流动配置产生用于对所述车辆无线充电的所述优化的磁通量的角度；以及根据所确定的电流流动配置，设置所述开关元件。在这方面，所述方法还可以包括：在所述多个电流流动配置的所述循环通过期间，从所述车辆接收充电效率数据；以及基于所述充电效率数据，确定所述多个电流流动配置中的哪个电流流动配置产生用于对所述车辆无线充电的所述优化的磁通量的角度。额外地，所述方法还可以包括：在所述多个电流流动配置的所述循环通过期间，使低功率电流流过所述初级线圈；以及根据所确定的电流流动配置，在所述开关元件的设置之后，使全功率电流流过所述初级线圈，以对所述车辆无线充电。所述多个电流流动配置中的每个电流流动配置可以产生用于对所述车辆无线充电的唯一的磁通量的角度。

用于对所述车辆无线充电的所述优化的磁通量的角度是当所述车辆被定位使得所述次级线圈与所述初级线圈未对准时与从所述初级线圈向上延伸的垂直轴偏移的角度。另外，流过所述初级线圈的所述电流可以产生与z/R的比率成比例的用于对所述车辆无线充电的磁通量的角度，其中z是所述顶部线圈和所述底部线圈之间的垂直距离，并且R是所述初级线圈的平均线圈半径。

所述多个跨线圈接点单元可以被设置在所述顶部线圈和所述底部线圈之间。每个跨线圈接点单元的一端可以被连接到所述顶部线圈，并且每个跨线圈接点单元的另一端可以被连接到所述底部线圈。

可以沿着穿越所述顶部线圈和所述底部线圈的直径的一排设置所述多个跨线圈接点单元。可替代地，可以沿着穿越所述顶部线圈和所述底部线圈的直径的多排设置所述多个跨线圈接点单元。在该情况下，跨线圈接点单元的每排可以与相邻的跨线圈接点单元的排成角度地偏移45度。

此外，对于所述顶部线圈或所述底部线圈的每个整圈，两个跨线圈接点单元可以被设置在所述初级线圈中。在这样的情况下，所述方法还可以包括：使用第一控制信号，控制所述两个跨线圈接点单元的第一跨线圈接点单元的所述开关元件；以及使用第二控制信号，控制所述两个跨线圈接点单元的第二跨线圈接点单元的所述开关元件。

仅当所述开关元件处于默认状态时，所述电流可以流过所述顶部线圈，因此产生平行于从所述初级线圈向上延伸的垂直轴的用于对所述车辆无线充电的磁通量的角度。

此外，所述初级线圈还可以包括设置在所述顶部线圈和所述底部线圈之间且基本上平行于所述顶部线圈和所述底部线圈的第一中间线圈和第二中间线圈；以及包括在所述多个跨线圈接点单元中的所述开关元件可以将电流路经所述顶部线圈、所述底部线圈、所述第一中间线圈和所述第二中间线圈中的一个或多个的至少一部分。

另外，每个开关元件可以包括单刀双掷(SPDT：single-pole double-throw)开关、双继电器或一组四个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET：metal-oxide-semiconductor field-effect transistors)。

此外，根据本公开的实施例，一种无线充电系统包括：初级线圈，所述初级线圈可操作用于通过安装在所述车辆中的次级线圈对能够无线充电的车辆无线充电，所述初级线圈包括基本上彼此平行的顶部线圈和底部线圈，所述顶部线圈和所述底部线圈通过多个跨线圈接点单元彼此耦接，所述多个跨线圈接点单元中的每个包括开关元件，所述开关元件将电流路经所述顶部线圈和所述底部线圈中的一个或多个的至少一部分；电路，所述电路驱动所述初级线圈，并且使电流流过所述初级线圈；以及无线充电控制器，所述无线充电控制器经配置用于：检测到所述车辆处于靠近所述初级线圈的充电位置中，设置所述开关元件，使得考虑到相对于所述次级线圈的位置的所述初级线圈的位置，流过所述初级线圈的电流产生用于对所述车辆无线充电的优化的磁通量的角度，以及控制所述电路，使得根据所设置的开关元件，使电流流过所述初级线圈，以对所述车辆无线充电。

附图说明

通过结合附图参考以下描述可以更好地理解本文中的实施例，附图中相同的附图标记指示相同的或功能相似的元件，其中：

图1例示传统上用于无线功率传送的示例初级线圈；

图2例示在靠近无线充电系统的充电位置中能够无线充电的车辆的示例描述；

图3例示无线充电器和接收器的示例架构图；

图4根据本公开的实施例例示示例功率发射器线圈组件；

图5A和图5B例示初级线圈和跨线圈接点单元的示例简化的额外视图；

图6A-图6C例示流过功率发射线圈的电流和合成磁通量的示例简化的侧视图；

图7根据本公开的实施例例示具有流过顶部线圈和底部线圈的部分的电流的示例初级线圈；

图8例示用于实现不同的磁通量角度的多个示例电流流动配置；

图9例示基于初级线圈和次级线圈之间的未对准用于选择优化的磁通量角度的示例情形；

图10例示用于驱动初级线圈的示例电路图；

图11例示初级线圈的示例电路图；

图12例示对应于用于实现不同的磁通量角度的多个电流流动配置的示例初级线圈电路图；

图13例示具有供选择的开关元件设计的初级线圈的示例电路图；

图14例示具有供选择的开关元件设计的跨线圈接点单元的示例电路图；

图15例示初级线圈和供选择的跨线圈接点单元的布置的示例简化的顶视图；

图16A-图16I例示具有与次级线圈处于不同的未对准程度的多列跨线圈接点单元的初级线圈的示例简化的顶视图；

图17A和图17B例示供选择的初级线圈的布置和供选择的跨线圈接点单元的布置的示例简化的视图；以及

图18例示用于实现不同的磁通量角度的额外的示例电流流动配置。

应当理解，上面参考的附图不一定按比例绘制，呈现对本公开的基本原理的各个优选特征说明的稍微简化的表示。本公开的具体设计特征，包括例如具体尺寸、取向、位置和形状，将部分地由特定目的的应用和使用环境进行确定。

具体实施方式

本文使用的术语只是用于描述特定的实施例，并不旨在限制本公开。如本文所使用的单数形式“一种/个(a/an)”以及“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地指出。应当进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括的”限定了所述特征、整数、步骤、操作、元件、和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合的存在或添加。如本文使用的术语“和/或者”包括一个或者多个相关联的所列出的项目中的任一个和全部的组合。术语“耦接”表示两个部件之间的物理关系，从而部件或者彼此直接连接，或者通过一个或多个中间部件间接连接。

应当理解，如本文所使用的术语“车辆”或者“车的”或者其他类似的术语包括机动车辆，一般来说，诸如包括运动型多功能车(SUV)的客运汽车、公共汽车、卡车、各种商用车辆，包括各种船艇和舰船的船只、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，燃料来源于石油以外的资源)。如本文所提到的，电动车辆(EV)是包括(作为其运动能力的一部分)来源于可充电能量储存设备(例如，一个或多个可充电电化学电池或其他类型的电池)的电功率的车辆。EV并不局限于汽车，并且可以包括摩托车、手推车、小轮摩托车等。此外，混合动力车辆是具有两个或者更多功率源的车辆，例如，基于汽油的功率和基于电的功率两者(例如，混合动力电动车辆(HEV))。

无线充电、无线传送功率等可以指从发射器将与电场、磁场、电磁场或以其他方式相关联的任何形式的能量传送到接收器，而不使用物理导电体(例如，可以通过自由空间传送功率)。可以由第二(例如，“次级”或“接收”)线圈接收或捕捉从第一(例如，初级)线圈输出进入到无线场(例如，磁场)的功率，以实现功率传送。

此外，应当理解，下面方法或者其方面中的一个或者多个可以由至少一个控制器来执行。术语“控制器”可以指包括存储器和处理器的硬件设备。所述存储器经配置用于存储程序指令，并且所述处理器专门编程用于执行所述程序指令来实行一个或者多个进程，这将在下面进行进一步地描述。本文中可以可交换地使用术语“控制器”和“无线充电控制器”。此外，应当理解，可以由包括所述控制器的无线充电系统执行下面的方法，如下面详细描述的。

现在参考本公开的实施例，所公开的技术允许利用包括至少两个平行线圈(每个线圈用它们之间的电气开关元件隔开距离z)的功率发射器线圈(即，初级线圈)组件。位于将平行线圈彼此耦接的跨线圈接点单元中的开关元件可以被控制用于指引电流通过线圈的特定部分，并且有效地创建不同的电流流动配置。每个电流流动配置产生唯一的磁通量的角度。因此，通过调节磁通量角度以优化地与安装在要被充电的车辆中的功率接收线圈(即，次级线圈)耦接，可以提高无线充电系统的效率。进一步地，可以实现磁通量角度的调节，而没有任何物理活动件(例如，机械倾斜线圈)，连同更大的未对准容限和在较大的距离跨度上对车辆充电的能力的结果。

图2例示在靠近无线充电系统的充电位置中的能够无线充电的车辆的示例描述。如图2所示，车辆210可以是能够被无线充电的EV、HEV等。感应线圈(即，次级线圈)可以被安装在用于接收从无线充电系统的感应线圈(经过通过线圈之间的感应耦合生成的电磁场)无线发射的能量的车辆210中。通常，次级线圈被连接到阻抗匹配电路、整流器，以及之后负载。为了从充电系统200无线接收能量(该过程在上文中进行了描述)，车辆210可以与无线充电系统200对准，如图2所示。

无线充电系统200可以包含初级线圈，所述初级线圈包括使用电力创建电磁场且因此对附近的车辆210无线充电的一个或多个感应线圈。无线充电系统200可以被连接到当地配电中心(例如，电源网格)或任何其他合适的能量源，并且从当地配电中心(例如，电源网格)或任何其他合适的能量源接收电流。无线充电系统200可以位于任何合适的区域(例如，停车场中的停车位、车库、车行道等)中，并且以任何合适的方式来实施，所述任何合适的方式诸如便携式充电垫或嵌入在地中或在地下(或者部分地或者全部地)。或者，为动态充电的目的，无线充电系统200可以由嵌入在地中或地下的初级线圈的阵列组成。在任何情况下，无线充电系统200被定位和实施使得车辆210可以被驱动和/或停放在足够靠近无线充电系统200的充电位置中，使得车辆210无线接收从充电系统200传送的电力。

更详细地说，图3例示无线充电器和接收器的示例架构图。如图3所示，充电系统200可以与接收器300无线通信，并且将能量传送到接收器300。无线充电系统200可以包括例如AC/DC前端212、H桥电路214、初级线圈220(“发射器(Tx)线圈”)和无线通信装置218(“WiFi通信”)。无线接收器300可以包括电子负载312、微控制器314、次级线圈320(“接收器(Rx)线圈”)和无线通信装置318(“WiFi通信”)。应当理解，图3中所示的无线充电系统200和接收器300的配置仅用于示范的目的，并且不应视为局限于与所描绘的配置相同的配置。相反，根据所附权利要求书的保护范围，无线充电系统200和无线接收器300可以以任何合适的方式进行配置。

在可以被包含在电动车辆、混合动力电动车辆或以其他方式能够无线充电的车辆(例如，车辆210)中的无线接收器300中，次级线圈320可以具有由流过初级线圈220的电流生成的磁场感应的电压。无线功率传送一般可以发生在80kHz-90kHz之间。微控制器314可以控制接收器300的操作。微控制器314可以包括整流器(未示出)和/或滤波器(未示出)，例如，所述整流器用于将AC转换为DC，以便对电子负载312(例如，电池)充电，例如，所述滤波器用于对所接收到的电流进行滤波。根据在无线通信装置218和无线通信装置318之间无线通信的建立，可以开始从无线通信装置318到无线通信装置218的信息的发射，或反之亦然。例如，无线通信装置318可以将信息无线发射到无线通信装置218，以协助优化的电流流动配置的选择，优化的电流流动配置诸如指示电流充电过程的效率的充电效率数据、充电的电池状态(SOC)等等。

在无线充电系统200中，AC/DC前端212可以从电源(例如，发电厂)接收电流，并且将电流从交流(AC)转换为高压直流(DC)。作为示例，AC/DC前端212可以将60Hz AC转换为525V DC。然后，所转换的DC可以从AC/DC前端212被输出到用作逆变器的H桥电路214。可以用各种方式配置H桥电路214，并且H桥电路214可以包含例如串联的电容器和电感器(即，初级线圈220)。H桥电路214可以包括驱动电子器件以驱动初级线圈220。无线充电系统200可以额外地包括控制器，所述控制器可以调节开关频率和通过负载(即，电容器和电感器)的电流。尤其，H桥电路214仅是可以在用于驱动初级线圈220的无线充电系统200中实施的电路系统(circuitry)的示例。

图4根据本公开的实施例例示示例功率发射器线圈组件。如图4所示，初级线圈220可以以两层线圈为特征：顶部线圈230和底部线圈240。虽然图4将初级线圈220描绘为具有两层线圈，但是可以添加额外的线圈层，如下面进一步描述的。顶部线圈230和底部线圈240可以被定位使得它们基本上彼此平行。顶部线圈230可以与底部线圈240隔开距离z，即，“z-间隙”。可以用各种方式设置包括半径、匝数、形状、电线材料等的用于顶部线圈和底部线圈的参数。然而，顶部线圈和底部线圈两者应该具有相同的参数，并且应该被定位以便彼此直接相对，如图4所示。

顶部线圈230可以通过一系列跨线圈接点单元250耦接到底部线圈240。跨线圈接点单元250可以被设置在顶部线圈230和底部线圈240之间，并且延伸穿过z-间隙。每个跨线圈接点单元250的一端可以被连接到顶部线圈230，并且每个跨线圈接点单元250的另一端可以被连接到底部线圈240。

图5A和图5B中例示了额外的视图。图5A例示了初级线圈和跨线圈接点单元的示例简化的顶视图。图5B例示初级线圈和跨线圈接点单元的示例简化的侧视图。如图所示，初级线圈220可以包括单列跨线圈接点单元250。也就是说，可以沿着穿越顶部线圈230和底部线圈240的直径的一排设置跨线圈接点单元250。可以添加穿越线圈的直径的额外的跨线圈接点单元250的排，如下面详细示出的。

每个跨线圈接点单元250可以包括电气开关元件260，电气开关元件260将电流路经顶部线圈230和/或底部线圈240的特定的部分。如下面更详细描述的，可以控制开关元件260，以便将电流路经初级线圈的特定的部分(例如，顶部线圈和/或底部线圈)。来自无线充电器控制器的两个电线——控制信号(control signal)和接地(ground)——可以穿透每个跨线圈接点单元250，以为开关元件260提供控制信号。如下面进一步讨论的，可以使用两个不同的控制信号。通过将电流路经线圈的特定的部分，可以创建多个不同的电流流动配置，从而每个电流流动配置导致唯一的磁通量角度。

如本领域中已知的，磁通量是平均磁场乘以其穿透的垂直面积的积。在电流流过环形线圈的情况下，由此产生的磁通量方向垂直于电流在其中流动的平面。在这方面，图6A-图6C例示流过功率发射线圈的电流和合成磁通量的示例简化的侧视图。如图6A所示，当典型功率发射线圈(例如，图1中的初级线圈100)相对于接地是直的，来源于流过线圈100的电流的磁通量110从线圈100的平面沿着从接地向上延伸的垂直轴垂直延伸。类似地，如图6B所示，当初级线圈100相对于接地轴向倾斜时，来源于流过线圈100的电流的磁通量110以与垂直轴偏移的角度从线圈100的平面垂直延伸。磁通量与垂直轴的角度偏移等于线圈100与接地的角度偏移。

同时，如图6C所示，初级线圈220相对于接地是直的，类似于图6A中的初级线圈100。然而，根据本公开的实施例，初级线圈220包括通过跨线圈接点单元250耦接在一起的顶部线圈230和底部线圈240。如果设置初级线圈220组件中的开关元件260使得电流流过顶部线圈230的一部分和底部线圈240的一部分，如图6C所示(仅例示了电流流过的线圈的一部分)，则尽管初级线圈220平行于接地，但合成磁通量110可以与垂直轴成角度地偏移，类似于图6B中的磁通量。因此，通过控制开关元件260将电流路经顶部线圈230和底部线圈240的特定的部分，使用初级线圈220可以实现磁通量110的各种角度。

图7根据本公开的实施例例示具有流过顶部线圈和底部线圈的部分的电流的示例初级线圈。如图7所示，可以设置下面进一步详细描述的开关元件260，使得电流流过顶部线圈230的一部分和底部线圈240的一部分。应当注意，仅用于示范的目的，图7中例示了电流流过的线圈的一部分。因此，与图1中所示的传统的线圈组件100和合成磁通量110相比较，合成磁通量110的角度与从初级线圈220向上延伸的垂直轴120偏移。

因此，通过控制开关元件260将电流路经顶部线圈230和底部线圈240的特定的部分，使用初级线圈220可以实现磁通量110的各种角度。每个电流流动配置可以考虑到初级线圈220和次级线圈320之间的对准的程度以优化的效率产生用于对车辆无线充电的唯一的磁通量110的角度。在这方面，图8例示用于实现不同的磁通量角度的多个示例电流流动配置。如图8所示，由于图5A和图5B中所示的跨线圈接点单元250的定位和初级线圈220中线圈层的数量(其在该情况下等于二(即，顶层230和底层240))，所以可以有三种可能的电流流动配置(但是本公开并不局限于三种电流流动配置，如下面所示范的)。通过顶部线圈230和/或底部线圈240的部分绘制的实线指示电流的流动。

在第一电流流动配置(“配置1”)中，电流仅流过顶部线圈230。这可以被认为是默认状态。对于这一点，跨线圈接点单元250中的开关元件260可以默认使电流流经顶部线圈230，从而产生平行于从初级线圈220延伸的垂直轴120的磁通量110。因此，当要被充电的车辆(例如，车辆210)的驾驶员停放车辆时，使得车辆中的次级线圈320与无线充电系统中的初级线圈220正确地对准，可以使计算最小化。也就是说，在这样的情况下，因为开关元件260可以默认将电流路经顶部线圈230，所以可以驱动初级线圈220，而不用调节开关元件260的任何状态。该配置实际上相当于图1中所示的传统的初级线圈100和合成磁通量110。

在第二电流流动配置(“配置2”)中，电流流过顶部线圈230的一部分和底部线圈240的一部分。具体地说，从图8中所示的透视图，电流流过底部线圈240的左侧部分和顶部线圈230的右侧部分。该电流流动配置导致磁通量110角度与垂直轴120的左侧偏移。当然，因为基于相对于线圈观察者的位置，线圈的方向性将改变，所以本文中使用的术语“左侧”和“右侧”仅为了简化的目的。

在第三电流流动配置(“配置3”)中，电流流过顶部线圈230的一部分和底部线圈240的一部分。具体地说，从图8所示的透视图，电流流过顶部线圈230的左侧部分和底部线圈240的右侧部分。该电流流动配置导致磁通量110角度与从初级线圈220延伸的垂直轴120的右侧偏移。

尤其，相对于第一电流流动配置中的直接垂直磁通量，第二电流流动配置和第三电流流动配置中的磁通量110的角度与比率z/R成比例，其中z是顶部线圈和底部线圈之间的垂直距离，并且R是平均线圈半径。因此，相对于垂直轴120，磁通量110的角度偏移(φ)可以变化，如下：

φ∝z/R [式1]

根据式1，随着顶部线圈和底部线圈之间的距离增加，磁通量110的角度偏移(φ)增加，并且随着顶部线圈和底部线圈的平均半径增加，磁通量110的角度偏移(φ)减少。

图9例示基于初级线圈和次级线圈之间的未对准用于选择优化的磁通量角度的示例情形。如图9所示，能够无线充电的车辆210(例如，电动车辆、混合动力电动车辆等)的驾驶员可以开车到无线充电系统200，以便对车辆210无线充电。无线充电系统200可以检测到车辆210处于靠近初级线圈220的充电位置中。或者，无线充电系统200可以从车辆210接收充电请求。然后，基于车辆210的次级线圈320和无线充电系统200的初级线圈220之间的对准(未对准)的程度，无线充电控制器可以自动设置开关元件260，使得考虑到相对于次级线圈320的位置的初级线圈220的位置，流过初级线圈220的电流产生用于对车辆210无线充电的优化的磁通量110的角度。一经设置开关元件260，根据所设置的开关元件260，控制器可以使电流流过初级线圈220，以对车辆210无线充电。

例如，在图9所描绘的情形中，车辆210位于靠近无线充电系统200的充电位置中。然而，次级线圈320和初级线圈220没有正确地对准。因此，在该情况下，如图1所示，产生垂直磁通量110的传统的初级线圈100不能有效地将功率传送到次级线圈320。作为替代，需要被导引朝向次级线圈320的成角度的磁通量110，以便实现最大充电效率。

在该情况下，通过无线充电控制器，可以确定产生用于对车辆210无线充电的优化的磁通量110的电流流动配置。这里，因为来源于流过第三电流流动配置中的初级线圈220的电流的磁通量110与垂直轴120偏移，并且被导引朝向次级线圈320，所以可以选择如图8所示的第三电流流动配置。也就是说，与其他电流流动配置相比较，考虑到相对于次级线圈320的位置的初级线圈220的位置，合成磁通量110对于对车辆210无线充电是优化的。

当确定多个电流流动配置中的哪个电流流动配置产生用于对车辆210无线充电的优化的磁通量110的角度，无线充电控制器可以通过调节开关元件260的状态，循环通过多个电流流动配置。当循环通过电流流动配置，控制器可以使低功率电流流过初级线圈220。因为无线充电系统200尚未对车辆210充电，而只是测试各种配置，所以在该阶段全功率电流是没有必要的。

同时，在多个电流流动配置的循环通过期间，或在多个电流流动配置的循环通过之后，控制器可以从车里210接收充电有效数据。例如，接收器300中的无线通信装置318可以将充电效率数据发射到无线充电系统200的无线通信装置218。然后，基于所接收到的充电效率数据(例如，通过将对应于每个电流流动配置的充电效率数据进行比较)，控制器可以确定哪个电流流动配置产生用于对车辆210无线充电的优化的磁通量110的角度。

一经确定产生优化的磁通量110的电流流动配置，可以设置适当的开关元件260，以便实现期望的电流流动和合成磁通量110，并且控制器可以根据所设置的开关元件260，使电流流过初级线圈220，以对车辆210无线充电。与在循环步骤期间用于测试电流流动配置的充电效率的较低功率电流相对比，流过初级线圈220以对车辆210无线充电的电流可以是全功率电流。

图10例示用于驱动初级线圈的示例电路图。如图10所示，电路214诸如H桥电路(参见图3)可以被用于驱动初级线圈220。在这方面，电路214可以用作逆变器。电路214可以包括由串联连接的电容器216和电感器220组成的负载。电感器220可以是初级线圈220，并且在图11中更详细地描绘了电感器220。V+源可以是来自AC/DC磁头212的DC电压。此外，可以由控制器(未示出)控制电路214中的场效应晶体管(FET)，控制器可以调节开关频率和通过负载的电流。

更详细地说，图11例示初级线圈的示例电路图。如图11所示，电感器220(或初级线圈220)每半匝线圈可以包括一个跨线圈接点单元250。开关元件260可以被包括在每个接点单元250中，用于将电流路经初级线圈220。虽然图11中例示的开关元件260包括单刀双掷(SPDT)开关，但是开关元件260可以可替代地或额外地包括例如继电器和/或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。无线充电控制器可以使用至少一个控制信号控制开关元件260。例如，控制器可以使用两个控制信号c1和控制信号c2控制开关元件260的状态，如图11所示。因为对于每个整线圈匝，两个跨线圈接点单元250可以被设置在初级线圈220中，第一控制信号(例如，c1)可以被用于控制两个跨线圈接点单元250中的第一跨线圈接点单元的开关元件260，而第二控制信号(例如，c2)可以被用于控制两个跨线圈接点单元250中的第二跨线圈接点单元的开关元件260。

图12例示对应于用于实现不同的磁通量角度的多个电流流动配置的示例初级线圈电路图。如图12所示，所描绘的初级线圈电路图对应于图8中所描绘的电流流动配置。特别地，可以设置每个开关元件260(其在该实例中为单刀双掷(SPDT)开关)的状态，以将电流路经顶部线圈230和底部线圈240的特定的部分。电路中的每个电感器符号表示半匝线圈，并且对于每个半匝，一个跨线圈接点单元250可以被设置在顶部线圈和底部线圈之间。

第一电流流动配置(“配置1”)由仅流过顶部线圈230的电流组成，并且因此产生垂直磁通量110，诸如图1中所示。可以设置开关元件260以仅在默认情况下使电流流经顶部线圈230。因此，如果车辆210停放在正确的充电位置中(其中初级线圈220与次级线圈320对准)，则控制器不需要对开关元件260作出任何调节。另一方面，根据开关元件的状态，剩下的两个电流流动配置(“配置2”和“配置3”)由流过顶部线圈230和底部线圈240的部分的电流组成，并且因此产生具有与从初级线圈220延伸的垂直轴120的角度偏移的成角度的磁通量110。正如上面注意到的，根据式1，随着顶部线圈和底部线圈之间的距离z增加，磁通量110的角度偏移(φ)增加，并且随着顶部线圈和底部线圈的平均半径R增加，磁通量110的角度偏移(φ)减少。当然，对应于图12所示的每个电流流动配置的电路图仅用于示范的目的，并且就其本身而论不应该被视为限制本公开的保护范围。

图13例示具有供选择的开关元件设计的初级线圈的示例电路图。如图13所示，初级线圈220包括具有设置在其间的跨线圈接点单元250的顶部线圈230和底部线圈240。对于每半匝线圈，可以有一个跨线圈接点单元250。另外，每个跨线圈接点单元250可以包括开关元件260，开关元件260用于将电流路经初级线圈220的特定的部分。无线充电控制器可以使用控制信号(例如，c1或c2)控制开关元件260。如上面所解释的，可以用各种方式实现开关元件260。例如，开关元件260可以包括SPDT开关，如图11和图12所示。

进一步地，图13的底部部分例示用于控制顶部线圈230和底部线圈240之间的电流流动的跨线圈接点单元250的另一个可能的电路。双机电式继电器可以被用作开关元件260，其中顶部继电器通常闭合，允许电流流经顶部线圈230，并且底部继电器通常开启。以该方式，由于继电器可以保持在默认状态下，所以当期望直接垂直磁通量(φ＝0)时，将没有效率损失。另一方面，当控制信号变为高时，其可以开启顶部继电器，并且闭合底部继电器，有效地将电流路径切换到底部线圈240。

因为对于每一匝初级线圈220可以需要两个跨线圈接点单元250，所以必须的继电器的总数量可以被计算为：R＝4*N，其中R是继电器的数量，并且N是线圈匝数。电流可以仅流经每个跨线圈接点单元250中的一个继电器，并且因此，流过初级线圈220的电流可以仅流经总继电器的一半。尤其，虽然固态开关通常具有较长期望寿命，并且不易于受到物理冲击而发生故障，但是机电式继电器在通路状态中具有显著较好的传导性，并且在断开状态中具有较好的绝缘。因此，可以基于特定的应用，选择跨线圈接点单元250的电路设计。

图14例示具有供选择的开关元件设计的跨线圈接点单元的示例电路图。如图14所示，跨线圈接点单元250可以包括光隔离器，所述光隔离器用于基于来自控制信号的输入驱动栅极电压。源节点(图14中的节点3)处的电压总是期望在接地基准之上。

进一步地，包括在跨线圈接点单元250中的开关元件260可以包括一组四个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。如图14所示，该组四个MOSFET可以被用作开关元件260，作为开关或继电器的替换物，用于将电流路经初级线圈220的特定的部分。一对MOSFET可以作为单个SPST开关。在该设计中，因为每个跨线圈接点单元250需要四个MOSFET，所以必须的MOSFET的总数量可以被描述为：F＝8*N，其中F是MOSFET的数量，并且N是线圈匝数。类似于继电器的设计，电流可以仅流经每个跨线圈接点单元250中的两个MOSFET，并且因此，流过初级线圈220的电流可以仅流经总MOSFET的一半。

如图5A和图5B所示，可以沿着穿越顶部线圈230和底部线圈240的直径的一列或一排设置多个跨线圈接点单元250。然而，跨线圈接点单元250的布置并不局限于穿越顶部线圈230和底部线圈240的直径的单列。在这方面，图15例示初级线圈和供选择的跨线圈接点单元的布置的示例简化的顶视图。如图15所示，初级线圈220可以包括多列跨线圈接点单元250。也就是说，可以沿着穿越顶部线圈230和底部线圈240的直径的多排设置跨线圈接点单元250。

在图15中所示的跨线圈接点单元250的配置中，跨线圈接点单元250的每排与相邻的跨线圈接点单元250的排成角度地偏移45度。然而，包括跨线圈接点单元250的列的数量、相邻的跨线圈接点单元250的间距等等的跨线圈接点单元250的布置可以根据特定的应用变化。通过使初级线圈220中的跨线圈接点单元250的列的数量变化，和/或使初级线圈220中的相邻的跨线圈接点单元250的间距变化，产生被引导为各种尺寸的磁通量110是可能的。

图16A-图16I例示具有与次级线圈处于不同的未对准程度的多列跨线圈接点单元的初级线圈的示例简化的顶视图。如图16A-图16I所示，初级线圈220可以包括多列跨线圈接点单元250，其中每列跨线圈接点单元250与相邻的跨线圈接点单元250的列成角度偏移45度，反映了图15中所示的布置。在图16A-图16I中，初级线圈220的浅阴影区域指示电流正流过底部线圈240，并且初级线圈220的深阴影区域指示电流正流过顶部线圈230。

虽然具有穿越初级线圈220的直径的单列跨线圈接点单元250的初级线圈220能够有至少三种不同的电流流动配置，例如，如图8和图12所示范的，但是包括以与每个相邻的45度的列的偏移角度穿越初级线圈220的直径的多列跨线圈接点单元250的初级线圈220可以能够有至少九种不同的电流流动配置，如图16A-图16I所示范的。对于这一点，基于初级线圈220和次级线圈320之间的未对准(若有的话)，可以控制包括在图16A-图16I中所示的跨线圈接点250中的开关元件260，以便将电流路经顶部线圈230和底部线圈240的特定的部分，来产生优化的磁通量110的角度，以对车辆210无线充电。

例如，按照图16A-图16I中所采用的自顶向下透视图，如果次级线圈320位于初级线圈220的前方且初级线圈220的左侧(参见图16A)，则控制器可以设置开关元件260，使得流过初级线圈220(即，顶部线圈230和底部线圈240)的电流产生朝向次级线圈320成角度地磁通量110(即，在初级线圈220的前方且初级线圈220的左侧)。进一步地，如果次级线圈320位于初级线圈220的前方(参见图16B)，则控制器可以设置开关元件260，使得流过初级线圈220的电流产生朝向次级线圈320成角度的磁通量110(即，初级线圈220的前方)。进一步地，如果次级线圈320位于初级线圈220的前方且初级线圈220的右侧(参见图16C)，则控制器可以设置开关元件260，使得流过初级线圈220的电流产生朝向次级线圈320成角度地磁通量110(即，在初级线圈220的前方且初级线圈220的右侧)。在整个图16D-图16I上重复该相同的概念，从而可以优化地调节磁通量110的方向，以补偿初级线圈和次级线圈之间的几种类型的未对准。应当显而易见的，图16E中呈现了很少或没有未对准，并且因此，开关元件260可以依然处于它们的默认状态中，以仅将电流路经顶部线圈230，产生垂直磁通量110。

此外，图17A和图17B例示供选择的初级线圈的布置和供选择的跨线圈接点单元的布置的示例简化的视图。如图17A的顶视图所示，初级线圈220可以包括穿越顶部线圈230和底部线圈240的直径的多列跨线圈接点单元250，类似于图15中所描绘的布置，从而跨线圈接点单元250的每排与相邻的跨线圈接点单元250的排成角度地偏移45度。

如图17B的侧视图中所示，初级线圈220可以包括除了在上文详细描述的顶部线圈230和底部线圈240之外的线圈层。例如，初级线圈220还可以包括夹在顶部线圈230和底部线圈240之间的第一中间线圈270和第二中间线圈280。跨线圈接点单元250可以被设置在包括在初级线圈220中的线圈的每层之间，并且包括在跨线圈接点单元260中的开关元件260可以将电流路经顶部线圈230、底部线圈240、第一中间线圈270和第二中间线圈280中的一个或多个的至少一部分。因此，额外的电流流动配置可以是可能的，从而允许有微调磁通量110的角度的能力，以补偿初级线圈220和次级线圈320之间的宽范围的未对准。如上面所解释的，图17A和图17B中所示的初级线圈布置仅用于示范目的，并且不限制本公开或权利要求书的保护范围。根据其设计师的偏好，可以将额外的线圈层和/或跨线圈接点单元的列添加或迁移到初级线圈。

图18例示用于实现不同的磁通量角度的额外的示例电流流动配置。特别地，图18示出至少25种电流流动配置中的三种可能的电流流动配置，至少25种电流流动配置中的三种可能的电流流动配置来源于图17A中所示的跨线圈接点单元250的布置和初级线圈220中的线圈层的数量(在该情况下，其等于图17B中所示的四个)。通过顶部线圈230、第一中间线圈270、第二中间线圈280和/或底部线圈240的部分绘制的实线指示电流的流动。应当显而易见的，利用初级线圈220中的四层线圈创建三种可能的z-间隙。可以选择最有效的z-间隙，以产生最优磁通量方向的可变角度。

在第一示例电流流动配置(“配置1”)中，电流流过顶部线圈230的一部分和第一中间线圈270的一部分。该电流流动配置导致磁通量110角度稍微偏移到垂直轴120的右侧，当初级线圈和次级线圈稍微未对准时，这可以实现最大充电效率。在第二示例电流流动配置(“配置2”)中，电流流过顶部线圈230的一部分和第二中间线圈280的一部分。该电流流动配置导致磁通量110角度进一步偏移到垂直轴120的右侧，当初级线圈和次级线圈适度地未对准时，这可以实现最大充电效率。在第三示例电流流动配置(“配置3”)中，电流流过顶部线圈230的一部分和底部线圈240的一部分。该电流流动配置导致磁通量110角度甚至进一步偏移到垂直轴120的右侧，当初级线圈和次级线圈严重未对准时，这可以实现最大充电效率。

因此，本文所描述的技术提供了利用包括具有设置在其之间的电气开关元件的多个平行线圈的功率发射器线圈组件。可以控制开关元件以指引电流通过线圈的特定的部分，并且有效地创建不同的电流流动配置。每个电流流动配置产生唯一的磁通量的角度。因此，可以通过调节磁通量角度以优化地与安装在要被充电的车辆中的功率接收线圈耦接，提高无线充电系统的效率。进一步地，可以实现磁通量角度的调节，而没有任何物理活动件，连同更大的未对准容限和在较大的距离跨度上对车辆充电的能力的结果。

虽然已经示出和描述了提供彼此协助的电动车辆无线充电方法和系统的说明性实施例，但应当理解，在本文的实施例的精神和保护范围内可以进行各种其他改编和修改。例如，本文中最初关于具有多层平行线圈的初级线圈已经示出和描述了实施例。然而，实施例在其更宽泛的意义上讲并不为有限的，与本文所描述的相同的概念可以可替代地或额外地被应用于接收(即，次级)线圈。进一步地，虽然本文中最初关于无线车载充电已经示出和描述了实施例，但是实施例在其更宽泛的意义上讲并不为有限的，与本文所描述的相同的概念可以可替代地被应用于非车载设备的无线充电。因此，根据本权利要求书的保护范围，可以以任何合适的方式修改所公开的实施例。

上述描述针对本公开的实施例。然而，将显而易见的是，可以对所描述的实施例进行其他变化和修改，而获得其优点中的某些或全部。因此，仅以示例的方式采用本描述，并且本描述不以其他方式限制本文中实施例的保护范围。因此，随附权利要求书的目的是覆盖落入本文中实施例的真实精神和保护范围内的所有的此类变化和修改。

Claims (20)

1.一种无线充电方法，包括以下步骤：

检测到能够无线充电的车辆处于充电位置中，所述充电位置靠近可操作用于通过安装在所述车辆中的次级线圈对所述车辆无线充电的无线充电系统的初级线圈，

其中所述初级线圈包括彼此平行的顶部线圈和底部线圈，所述顶部线圈和所述底部线圈通过多个跨线圈接点单元彼此耦接，所述多个跨线圈接点单元中的每个包括开关元件，所述开关元件将电流路经所述顶部线圈和所述底部线圈中的一个或多个的至少一部分；

设置所述开关元件，使得考虑到相对于所述次级线圈的位置的所述初级线圈的位置，流过所述初级线圈的电流产生用于对所述车辆无线充电的优化的磁通量的角度；以及

根据所设置的开关元件，使电流流过所述初级线圈，以对所述车辆无线充电。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

通过调节所述开关元件的状态，循环通过所述初级线圈中的多个电流流动配置；

确定所述多个电流流动配置中的哪个电流流动配置产生用于对所述车辆无线充电的所述优化的磁通量的角度；以及

根据所确定的电流流动配置，设置所述开关元件。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：

在所述多个电流流动配置的所述循环通过期间，从所述车辆接收充电效率数据；以及

基于所述充电效率数据，确定所述多个电流流动配置中的哪个电流流动配置产生用于对所述车辆无线充电的所述优化的磁通量的角度。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：

在所述多个电流流动配置的所述循环通过期间，使低功率电流流过所述初级线圈；以及

根据所确定的电流流动配置，在所述开关元件的设置之后，使全功率电流流过所述初级线圈，以对所述车辆无线充电。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个电流流动配置中的每个电流流动配置产生用于对所述车辆无线充电的唯一的磁通量的角度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中用于对所述车辆无线充电的所述优化的磁通量的角度是当所述车辆被定位使得所述次级线圈与所述初级线圈未对准时与从所述初级线圈向上延伸的垂直轴偏移的角度。

7.根据权利要求1所述的方法，其中流过所述初级线圈的电流产生与z/R的比率成比例的用于对所述车辆无线充电的磁通量的角度，其中z是所述顶部线圈和所述底部线圈之间的垂直距离，并且R是所述初级线圈的平均线圈半径。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个跨线圈接点单元被设置在所述顶部线圈和所述底部线圈之间。

9.根据权利要求1所述的方法，其中每个跨线圈接点单元的一端被连接到所述顶部线圈，并且每个跨线圈接点单元的另一端被连接到所述底部线圈。

10.根据权利要求1所述的方法，其中沿着穿越所述顶部线圈和所述底部线圈的直径的一排设置所述多个跨线圈接点单元。

11.根据权利要求1所述的方法，其中沿着穿越所述顶部线圈和所述底部线圈的直径的多排设置所述多个跨线圈接点单元。

12.根据权利要求11所述的方法，其中跨线圈接点单元的每排与相邻的跨线圈接点单元的排成角度地偏移45度。

13.根据权利要求1所述的方法，其中对于所述顶部线圈或所述底部线圈的每个整圈，两个跨线圈接点单元被设置在所述初级线圈中。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：

使用第一控制信号，控制所述两个跨线圈接点单元的第一跨线圈接点单元的所述开关元件；以及

使用第二控制信号，控制所述两个跨线圈接点单元的第二跨线圈接点单元的所述开关元件。

15.根据权利要求1所述的方法，其中仅当所述开关元件处于默认状态时，所述电流流过所述顶部线圈，因此产生平行于从所述初级线圈向上延伸的垂直轴的用于对所述车辆无线充电的磁通量的角度。

16.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述初级线圈还包括设置在所述顶部线圈和所述底部线圈之间且平行于所述顶部线圈和所述底部线圈的第一中间线圈和第二中间线圈；以及

包括在所述多个跨线圈接点单元中的所述开关元件将电流路经所述顶部线圈、所述底部线圈、所述第一中间线圈和所述第二中间线圈中的一个或多个的至少一部分。

17.根据权利要求1所述的方法，其中每个开关元件包括单刀双掷开关。

18.根据权利要求1所述的方法，其中每个开关元件包括双继电器。

19.根据权利要求1所述的方法，其中每个开关元件包括一组四个金属氧化物半导体场效应晶体管。

20.一种无线充电系统，包括：

初级线圈，所述初级线圈可操作用于通过安装在车辆中的次级线圈对能够无线充电的所述车辆无线充电，所述初级线圈包括彼此平行的顶部线圈和底部线圈，所述顶部线圈和所述底部线圈通过多个跨线圈接点单元彼此耦接，所述多个跨线圈接点单元中的每个包括开关元件，所述开关元件将电流路经所述顶部线圈和所述底部线圈中的一个或多个的至少一部分；

电路，所述电路驱动所述初级线圈，并且使电流流过所述初级线圈；以及

无线充电控制器，所述无线充电控制器经配置用于：

检测所述车辆处于靠近所述初级线圈的充电位置中，

设置所述开关元件，使得考虑到相对于所述次级线圈的位置的所述初级线圈的位置，流过所述初级线圈的电流产生用于对所述车辆无线充电的优化的磁通量的角度，以及

控制所述电路，使得根据所设置的开关元件，使电流流过所述初级线圈，以对所述车辆无线充电。

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