CN116998087A

CN116998087A - 模块化磁通量控制

Info

Publication number: CN116998087A
Application number: CN202280021883.7A
Authority: CN
Inventors: 彼得·C·施拉菲尔; 弗朗西斯·J·麦克马洪; 马修·L·瓦尔德
Original assignee: Induction Electric Vehicle Co ltd
Current assignee: Induction Electric Vehicle Co ltd
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2022-01-10
Publication date: 2023-11-03
Also published as: MX2023010817A; EP4312348A2; JP2024510294A; MX2023010816A; CA3221311A1; KR20230158066A; EP4312348A3; CA3213422A1; US20230249559A1; EP4309262A1; US20220297553A1; JP2024032000A; WO2022197348A1

Abstract

用于车辆的无线充电的模块化线圈组件具有线圈几何结构和通信，上述线圈几何结构和通信被设计成限制可能存在人体或其他活体对象的区域中的电磁场(EMF)水平。模块化线圈组件被设计成能够通过例如提供并排相位抵消或对角与前后(对于1×3、2×3阵列配置)相位抵消来将磁场成形为主要在由汽车底盘提供的屏蔽内。可以控制各个线圈的电力水平和频率偏移成对补偿，以改善抵消，并且因此降低磁场暴露可能性。来自各个线圈组件的磁通量密度的相位抵消在一定范围内变化，以提供例如在125°偏移时～50％的抵消和在180°时高达～100％的抵消。用于车辆和充电站的充电配置文件可以用于在充电期间使磁通量密度抵消最大化。

Description

模块化磁通量控制

技术领域

本专利申请描述了通过使用磁感应执行无线充电的无线电力传送线圈系统。无线电力传送线圈系统包括允许产生的总磁通量的控制的模块化线圈组件。

背景技术

无线电力传送(WPT)利用空气芯变压器中的磁感应。如法拉第磁感应定律所述，借助于初级(发射)线圈与次级(接收)线圈之间的磁通链将电力从发送设备发送至接收设备。

经由磁感应的无线电力传输于19世纪引入，但由于对大气形成适合长距离电力传输的导电通道的能力的误解，在商业上失败。用于无线电力传送的露天变压器由尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)在1900年5月15日发布的美国专利第649,621号“Apparatus fortransmission of electrical energy”和1900年3月20日发布的美国专利第645,576号“System of transmission of electrical energy”中获得专利。

近年来，经由磁感应的无线电力传输已被用于为电器充电，并且最近被用于为电动车辆充电。磁通量的精确控制对于有效的电力传送以及对于泄漏到周围环境的磁通量的最小化是期望的。例如，如US 8,934,857中所描述的，寄生天线已被用于近似发射天线，以通过例如扩展小发射天线的覆盖区域或集中大发射天线的场来选择性地修改无线电力发射器的生成场的分布。

发明内容

现在描述各种示例来以简化的形式介绍一系列构思，下面在具体实施方式中进一步描述这些构思。该发明内容不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

在示例实施方式中，提供了一种线圈阵列，其包括以直线x-y网格图案布置的线圈组件的n×m阵列，其中，n≥1并且m≥2。每个线圈组件在充电会话期间以与邻近线圈组件的充电信号异相的频率生成充电信号，由此由线圈组件传输的充电信号与由邻近线圈组件传输的充电信号相消干扰，以与邻近线圈组件在充电期间同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。线圈阵列可以安装在地面并且还包括与线圈阵列相关联的通信装置，该线圈阵列从与要充电的车辆相关联的通信装置接收设置参数。充电站点服务器可以使用设置参数来提供线圈阵列的充电参数。将充电参数应用于线圈阵列可能引起在充电期间生成附加磁通量密度，该磁通量密度主要保持在车辆的禁止区内。

每个线圈组件可以由不同的电力源驱动，并且每个线圈组件可以传输具有确定幅度的充电信号。由线圈组件传输的充电信号可以与由邻近线圈组件传输的充电信号以约180°异相，以提供相消干扰。在示例实施方式中，在充电会话期间，每个线圈组件可以以充电信号与相邻线圈组件的充电信号在25°与180°之间异相的频率生成充电信号，同时仍然产生有利的结果。

在线圈阵列的示例配置中，其中，n＝2并且m＝2，线圈阵列可以包括彼此相邻设置的第一对线圈组件和彼此相邻设置并且与第一对线圈组件平行的第二对线圈组件。第一对线圈组件和第二对线圈组件可以由相应的第一电力源和第二电力源供电，或者每个线圈组件可以由单独的电力源供电。第一对线圈组件和第二对线圈组件中的每一个可以共享相同的传输频率和电力水平，但是在每对线圈组件的线圈组件之间具有设定的相位差，以提供期望的相消干扰。

在线圈阵列的其他配置中，其中，n＝2并且m＝2，线圈阵列可以包括彼此对角设置的第一对线圈组件和彼此对角设置并且在x-y方向上与第一对线圈组件并排的第二对线圈组件。第一对线圈组件和第二对线圈组件可以由相应的第一电力源和第二电力源供电，或者每个线圈组件可以由单独的电力源供电。第一对线圈组件可以共享第一频率和电力水平，并且第二对线圈组件可以共享第二频率和电力水平，第一频率和第二频率不同，由此在充电期间每个线圈组件与在x-y方向上的相邻线圈组件具有设定的相位差。

在线圈阵列的又一其他配置中，其中，n＝2并且m＝2，线圈阵列可以包括彼此并排设置的第一对线圈组件和彼此并排设置并且与第一对线圈组件平行的第二对线圈组件。第一对线圈组件和第二对线圈组件可以由相应的第一电力源和第二电力源供电，或者每个线圈组件可以由单独的电力源供电。第一对线圈组件可以共享第一频率和电力水平，并且第二对线圈组件可以共享第二频率和电力水平，第一频率和第二频率不同，由此在充电期间每个线圈组件与在x-y方向上的相邻线圈组件具有设定的相位差。

在线圈阵列的另一配置中，其中，n＝1并且m＝3，线圈阵列可以包括在一行中的相应的第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件。第一线圈组件和第三线圈组件可以输出具有第一频率、相位和电力水平的第一充电信号。第二线圈组件可以设置在第一线圈组件与第三线圈组件之间，并且被配置成输出具有第一频率和电力水平的第二充电信号，但是第二充电信号与第一充电信号异相。

在线圈阵列的又一配置中，其中，n＝1并且m＝3，线圈阵列可以包括在一行中的相应的第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件。第一线圈组件和第三线圈组件可以输出具有第一频率、第一相位和第一电力水平的第一充电信号。第二线圈组件可以设置在第一线圈组件与第三线圈组件之间并且被配置成输出具有第一频率的第二充电信号，但是第二充电信号与第一充电信号异相，并且第二充电信号具有与第一电力水平不同的第二电力水平，第二电力水平被设置为与第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件输出具有相同电力水平的充电信号的附加磁通量密度相比，降低附加磁通量密度。有利地，第一电力水平和第二电力水平可以被调整以将充电期间的附加磁通量密度成形为主要保持在车辆的禁止区内。

在示例实施方式中，第一电力水平和第二电力水平可以被设置为在曲线上出现第一充电信号与第二充电信号之间的最大磁通量抵消的区域，该曲线是第一线圈组件和第三线圈组件与第二线圈组件之间的电流比以及当第一线圈组件和第三线圈组件承载电流与由第二线圈组件承载的电流约180°异相时抵消的磁通量密度的比例的函数。第一电力水平和第二电力水平可以被设置为接近第一充电信号与第二充电信号之间的最小磁通量抵消最大化的点。

在线圈阵列的又一配置中，其中，n＝2并且m＝3，线圈阵列可以包括彼此相邻设置的第一对线圈组件、彼此相邻设置的第二对线圈组件和彼此相邻设置的第三线圈组件对。每对线圈组件可以彼此平行并且输出具有第一频率的第一充电信号。每对线圈组件可以由相应的第一电力源和第二电力源供电，或者每对中的每个线圈组件可以由单独的电力源供电。每对线圈组件的线圈组件在充电期间可以输出与在x-y方向上的相邻线圈组件具有设定相位差的充电信号，以提供期望的相消干扰。

在线圈阵列的另一配置中，其中，n＝2并且m＝3，线圈阵列可以包括彼此相邻设置的第一对线圈组件、彼此相邻设置的第二对线圈组件和彼此相邻设置的第三线圈组件对。每对线圈组件可以彼此平行并且输出具有第一频率的第一充电信号。每对线圈组件可以由相应的第一电力源和第二电力源供电，或者每对中的每个线圈组件可以由单独的电力源供电。每对线圈组件中的第一线圈组件可以与每对线圈组件中的第二线圈组件具有设定的相位差，由此每对线圈组件的线圈组件输出与由相邻的一对线圈组件的相邻线圈组件输出的充电信号具有相同相位的充电信号。

在其他示例实施方式中，提供了一种无线电力传送系统，其包括车辆线圈阵列和地面线圈阵列。车辆线圈阵列可以包括以直线x-y网格图案布置的车辆线圈组件的n×m阵列，其中，n≥1并且m≥2。每个车辆线圈组件可以在充电会话期间以与相邻车辆线圈组件的充电信号异相的频率接收充电信号，由此由每个车辆线圈组件接收的充电信号与由在x-y方向上的相邻车辆线圈组件接收的充电信号相消干扰，以与在充电期间在x-y方向上的相邻车辆线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。类似地，地面线圈阵列可以包括以直线x-y网格图案布置的线圈组件的r×s阵列，其中，r≥n并且s≥m。每个地面线圈组件可以以该频率生成充电信号，由此充电信号在充电会话期间与相邻地面线圈组件的充电信号异相，并且由此由每个地面线圈组件生成的充电信号与由在x-y方向上的相邻地面线圈组件生成的充电信号相消干扰，以与在充电期间在x-y方向上的相邻地面线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。

在无线电力传送系统的示例实施方式中，地面线圈阵列可以检测车辆线圈组件何时不操作，并且仅激活与操作的车辆线圈组件对准的地面线圈组件来发送充电信号。还可以提供数据存储库，该数据存储库可由车辆线圈阵列和/或地面线圈阵列在充电会话期间访问，以访问每个车辆线圈组件的默认和历史测量的充电配置文件。充电配置文件可以包括用于在充电会话期间设置充电参数的频率响应和充电模型。

在无线电力传送系统的示例实施方式中，充电配置文件可以包括：车辆线圈组件频率偏移；地面线圈组件的品牌、型号和制造商；车辆线圈组件的数目；车辆线圈组件的定位；车辆线圈组件的最小和最大电流以及电压支持；车辆线圈组件的健康状态；车辆线圈组件的温度限制；车辆线圈组件的温度读数；和/或车辆线圈组件的冷却可用性。地面线圈阵列还可以从要充电的车辆的充电配置文件中获得要充电的车辆的车辆线圈组件的数目和位置，并且为了发送充电信号，从线圈组件的r×s阵列中选择与要充电的车辆的车辆线圈组件的数目和位置对应的地面线圈组件的图案。

在无线电力传送系统的其他示例实施方式中，数据存储库还可以存储地面线圈组件的充电参数，该充电参数包括基于对准的车辆线圈组件或车辆线圈组件对的每个地面线圈组件或地面线圈组件对的磁信号特征。地面线圈组件的充电参数可以包括充电会话期间的瞬时电力水平、充电信号频率、频率漂移、信号相位偏移和/或标称线圈间间隙。地面线圈组件的充电参数还可以包括电力可用性、环境因素、和/或地面线圈组件条件，该地面线圈组件条件包括内部温度、使用、每个地面线圈组件的线圈数目、每个地面线圈组件的匝数和/或地面线圈组件是表面安装还是齐平安装。地面线圈组件的充电参数还可以包括：地面线圈组件的品牌、型号和制造商；地面线圈组件的自主对准能力；地面线圈组件的最小和最大电流以及电压支持；地面线圈组件可用的通信协议；和/或地面线圈组件的通信带宽。

在另一示例实施方式中，提供了一种无线电力传送系统，其包括车辆线圈阵列和地面线圈阵列，其中车辆线圈阵列向地面线圈阵列传输能量。车辆线圈阵列包括以直线x-y网格图案布置的车辆线圈组件的n×m阵列，其中，n≥1并且m≥2。每个车辆线圈组件可以以一定频率生成充电信号，由此充电信号在充电会话期间与相邻车辆线圈组件的充电信号异相，并且由此由每个车辆线圈组件生成的充电信号与由在x-y方向上的相邻车辆线圈组件生成的充电信号相消干扰，以与在充电期间在x-y方向上的相邻车辆线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。地面线圈阵列可以包括以全等的直线x-y网格图案布置的地面线圈组件的r×s阵列，其中，r≥n并且s≥m。每个地面线圈组件可以以该频率接收充电信号，由此充电信号在充电会话期间与相邻地面线圈组件的充电信号异相，并且由此由每个地面线圈组件接收的充电信号与由在x-y方向上的相邻地面线圈组件接收的充电信号相消干扰，以与在充电期间在x-y方向上的相邻地面线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。

在无线电力传送系统的另一示例实施方式中，车辆线圈阵列大于地面线圈阵列。该实施方式包括地面线圈阵列，该地面线圈阵列包括以直线x-y网格图案布置的地面线圈组件的n×m阵列，其中，n≥1并且m≥2。每个地面线圈组件可以以一定频率生成充电信号，由此充电信号在充电会话期间与相邻地面线圈组件的充电信号异相，并且由此由每个地面线圈组件生成的充电信号与由在x-y方向上的相邻地面线圈组件生成的充电信号相消干扰，以与在充电期间在x-y方向上的相邻地面线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。车辆线圈阵列可以包括以直线x-y网格图案布置的车辆线圈组件的r×s阵列，其中，r≥n并且s≥m。每个车辆线圈组件可以以该频率接收充电信号，由此充电信号在充电会话期间与相邻车辆线圈组件的充电信号异相，并且由此由每个车辆线圈组件接收的充电信号与由在x-y方向上的相邻车辆线圈组件接收的充电信号相消干扰，以与在充电期间在x-y方向上的相邻车辆线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。

还提供了一种电动车辆充电系统，其包括多个线圈阵列，其中每个线圈阵列包括以设定频率生成充电信号的至少一个线圈组件。还提供至少一个传感器来测量由线圈阵列生成的充电信号生成的总磁通量。还提供了用于识别磁通量密度的附加热点以及用于调整在磁通量密度的附加热点附近的线圈阵列中的至少一个的电力、相位和/或频率偏移以降低磁通量密度的附加热点处的磁通量密度的装置。

还描述了一种对电动车辆进行充电的方法，其中充电点和电动车辆彼此发起通信，并且充电点从电动车辆接收用于设置充电点以对电动车辆进行充电的设置数据。设置数据可以包括电动车辆的制造商、电动车辆的型号和/或禁止区。然后，充电点基于设置数据激活地面初级线圈和所激活的地面初级线圈的相关联的电力水平，以产生具有不延伸超出禁止区的磁通量密度的充电信号。例如，电动车辆的制造商或型号可以用于在数据库中查找激活哪个地面初级线圈以及所激活的地面初级线圈的电力水平。充电点可以根据如从接收的设置数据确定的电动车辆的次级线圈的确定布局来激活地面初级线圈。充电点还可以根据需要基于设置数据来调整充电信号的参数，以将由充电信号生成的磁通量适配在禁止区内。

在示例实施方式中，充电点和电动车辆可以通过充电点在处于待机状态时发射感应通信信标并且从电动车辆接收响应来彼此发起通信，以确定电动车辆正在接近充电点。

提供本发明内容部分来以简化的形式介绍本发明主题的方面，后面在具体实施方式的正文中进一步说明本发明主题。本发明内容部分中列出的元素的特定组合和顺序不旨在对所要求保护的主题的元素提供限制。相反，将理解，本部分提供了在下面的具体实施方式中描述的一些实施方式的概括示例。

附图说明

根据以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其他有益特征以及优点将变得明显，在附图中：

图1示出了常规次级线圈组件和初级线圈组件的高级部件设计。

图2示出了两个正弦信号的加性相消抵消。

图3A几何地示出了示例实施方式中的成列初级线圈组件对的物理特性。

图3B几何地示出了示例实施方式中的单个平行初级线圈组件对的物理特性。

图3C几何地示出了示例实施方式中的平行初级线圈组件对的物理特性。

图4以拓扑图示出了在充电会话期间由单个初级线圈组件和次级线圈组件对产生的磁通量密度。

图5A以拓扑图示出了在同相充电会话期间由一对模块化成列初级线圈组件和次级线圈组件对产生的磁通量密度。

图5B以拓扑图示出了在异相充电会话期间由一对模块化成列初级线圈组件和次级线圈组件对产生的磁通量密度。

图5C以拓扑图示出了在异相充电会话期间由一对模块化平行初级线圈组件和次级线圈组件对产生的磁通量密度。

图6A示出了在同相充电会话期间由四个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的2×2集群产生的磁通量密度。

图6B示出了在异相充电会话期间由并排配对的四个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的2×2集群产生的磁通量密度。在这种配置中，对角对是同相的，并且相邻对是异相的。

图6C示出了在异相充电会话期间由对角配对的四个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的2×2集群产生的磁通量密度，其中每对以不同的频率操作。

图6D示出了在异相充电会话期间由并排配对的四个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的2×2集群产生的磁通量密度。在这种配置中，对角对是异相的。

图7A示出了在同相充电会话期间由三个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的1×3成列集群产生的磁通量密度。

图7B示出了在异相充电会话期间由三个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的1×3成列集群产生的磁通量密度。

图7C示出了在具有电力控制的异相充电会话期间由三个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的1×3成列集群产生的磁通量密度。

图7D示出了在具有电力控制的异相充电会话期间三个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的1×3成列集群中可实现的通量抵消的范围。

图8A示出了在同相充电会话期间由六个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的2×3集群产生的磁通量密度。

图8B示出了在对角成对异相充电会话期间由六个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的2×3集群产生的磁通量密度。

图8C示出了在并排成对异相充电会话期间由六个模块化初级线圈组件和次级线圈组件对的2×3集群产生的磁通量密度。

图9示出了用于轿车型电动车辆的单个次级线圈组件安装的示例性布置。

图10示出了用于货车型电动车辆的单个次级线圈组件对安装的示例性布置。

图11示出了用于运输公共汽车型电动车辆的三个次级线圈组件安装的集群的示例性布置。

图12示出了用于通勤巴士型电动车辆的六个次级线圈组件安装的集群的示例性布置。

图13示出了对于四个初级线圈组件和次级线圈组件对的2×2集群的磁通量的抵消与对角成对相位差的图。

图14示出了示例实施方式中的无线电力传送系统的高级部件设计。

图15图解地示出了涉及无线充电会话的电动车辆的子系统。

图16示出了用于感应耦合无线充电会话的空中信令。

图17示出了示例实施方式中对电动车辆进行充电的方法。

图18图示了示例实施方式中配备有广域磁通量管理的充电站。

具体实施方式

通过参考以下结合形成本公开内容的一部分的附图和示例进行的详细描述，可以更容易地理解本文中描述的无线电力传送线圈系统和相关联的方法的实施方式。应当理解，该描述不限于本文描述和/或示出的具体产品、方法、条件或参数，并且本文使用的术语仅用于通过示例的方式描述特定实施方式的目的，并且不旨在限制任何要求保护的主题。类似地，关于可能的机制或作用模式或改进理由的任何描述仅意味着是说明性的，并且本文描述的主题不受任何这样的建议机制或作用模式或改进理由的正确性或不正确性的约束。贯穿本文，应当认识到，描述涉及方法和用于实现这样的方法的系统/软件两者。

现在将参照图1至图18描述说明性实施方式的详细描述。尽管该描述提供了可能实现方式的详细描述，但是应当注意，这些细节旨在是示例性的，而决不限定本发明的主题的范围。注意，术语“电池”在本文中用于描述一般的化学能量存储系统，并且可以与其他便携式能量存储系统(例如，固态电池、可逆燃料电池、超级电容器)进行替换、补充或混合。此外，虽然所使用的许多示例是用于为车载系统供电和为固定电动车辆(EV)的电池充电的无线电力传送(WPT)系统，但是这种用途绝不是所设想的唯一用途。

通过配对的导电初级线圈与次级导电线圈之间的磁链路传送电力的能力是公知的。这样的系统通常被称为无线电力传送(WPT)系统。已经发现，基于部署在集群中的对称线圈的模块化WPT在可制造性、部署灵活性、动态供应和高电力传送效率方面具有优势。

基于开芯变压器的无线电力传送系统的线圈对产生的磁通量与传输电力水平成比例。在高功率系统中，磁通量会产生电磁噪声，并超过人体暴露极限。由于电动车辆市场需要高电力充电来使充电时间最小化，因此期望用于管理磁通量的技术。

所有基于空气芯变压器的WPT系统都会产生延伸超出WPT系统的紧邻区域的磁通量。在每个交流周期，与该通量相关联能量的大部分(>95％)被再循环到WPT变压器电路的电容中。未再循环的能量的大部分(>99％)变成线圈中及其周围的磁性材料、介电材料和导电材料中的热能。一小部分能量被辐射，并且与该能量相关联的射频(RF)电磁波是非电离辐射(NIR)的形式。能量传送表明，绝大多数磁通量在磁线圈之间通过，并且该区域(区1)超过人体和电子设备暴露限制。线圈周界之外但在电动车辆外围之内(即，在禁止区或区2中)的近场磁通量密度可能超过人体和/或电子设备暴露限制。在禁止区划定(区3)之外，实现的总磁通量密度在设置阈值之外单调下降。

可测量的磁通量主要出现在区1和区2内，即在禁止区划定内。在禁止区之外，仅低于阈值的磁通量密度是可允许的。禁止区阈值可以通过法律或监管机构、操作者的决定或者人体对磁效应的感知限制来设置。

对于电磁短天线，例如WPT系统的初级线圈，近场(电抗)范围被限定为从天线0至λ/2π的距离，其中λ为波长。对于示例性的85kHz WPT系统，这意味着近场范围在范围上超过561米，并且对于近场中的磁充电信号，磁场强度和磁场功率分别以1/(r³)和1/(r⁶)的速率下降(其中r＝半径)。磁场强度(H场，以安培每米测量)等于磁通量密度(B场，以特斯拉测量)乘以线性磁性材料中和非磁性材料(如空气、玻璃纤维、真空等)中的比例常数。

存储系统的感应能量并调整电力传送的再循环通量不是辐射，但可能存在于人体可能暴露于辐射的区域。人体暴露于这些RF电磁场(EMF)的指南可以在电气和电子工程师协会文件C95.1-2019-IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Electric,Magnetic,and Electromagnetic Fields,0Hz-to-300GHz中找到并且在题为GUIDELINES FOR LIMITING EXPOSURE TO ELECTROMAGNETICFIELDS(100KHZ- TO-300GHZ)的国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)文件中找到。

减少WPT系统产生的RF EMF，以允许更高的系统功率吞吐量，同时确保符合暴露指南，这符合制造商的利益和用户的利益二者。由于较低的线圈间效率与相应增加的非再循环磁通量水平相关联，因此符合制造商和用户的利益的是，无论暴露指南如何，都使非再循环磁通量最小化。

有源磁场减小方法和无源磁场减小方法二者在本领域中是公知的。有源系统——例如亥姆霍兹线圈和麦克斯韦线圈——是公知的示例，其中辅助线圈用于产生恒定的场体积，其中可以抑制外部磁场。

无源磁屏蔽使用具有高相对磁导率和高饱和点的铁磁材料来引导磁通量，或者使用抗磁材料来移动磁通量。这些材料的示例可以在ASTM A753-08(2013年)；“StandardSpecification for Wrought Nickel-Iron Soft Magnetic Alloys”和MIL-N-14411修订版C，1977年11月23日；“NICKEL-IRON ALLOY,HIGH MAGNETIC PERMEABILITY,SHEET,STRIP,AND WIRE”中找到。

然而，除了抑制不期望的磁通量的功效之外，已经发现有源方法和无源方法二者在无线电力传送系统中的使用都有缺陷。例如，有源方法可能需要安装附加的磁结构(例如，绕组、辐射器、回路)，然后需要对其供电以生成正确幅度、频率和相位的抵消信号。这种有源寄生方法的一个示例可以在美国专利第9,306,635号中找到。在许多有源情况下，将需要一个或更多个磁敏天线来创建反馈控制回路。由于被供电的寄生抵消回路，有源控制系统必然会降低WPT系统的电力传送效率。另一方面，无源系统遭受材料、安装和部署的初始成本以及在每次无线充电会话之前和之后机械地操纵屏蔽到位所需的装置的持续维护成本二者。

示例实施方式中的协调磁通量减少系统和方法既不需要寄生回路，也不需要屏蔽材料的移动，从而提高了功率效率，并且消除了对移动部件的需要。本文描述的协调磁通量减少系统不需要在无线电力传送设备之外部署附加设备。如本领域技术人员将理解的，协调磁通量减少系统可能需要具有用于匹配次级线圈组件的两个或更多个共同部署的初级线圈组件的模块化初级线圈构造。

在协调抵消方法中，将电力传送初级线圈和次级线圈(对)部署成集群，其中在邻近对之间成对，并且调整充电信号电压、电流和相位，从而导致由WPT系统产生的总磁通量大大减少。不需要辅助的、非电力传送抵消回路或线圈。支持的线圈集群配置包括例如1×2、2×2、2×3等。未配对的集群配置(例如1×3、1×5)也可以受益于集群中邻近和/或相邻线圈的虚拟成对，其中针对集群中的每个线圈调整电压、电流和相位。

可以针对特定用途(例如，电动车辆类别——轿车、轻型卡车等)确定集群的尺寸，以允许基于匹配次级线圈集群的尺寸和几何结构来动态选择初级线圈。根据地面部署，可以动态配置集群。在一个示例中，具有2×1次级集群的电动车辆(EV)可以由3×2地面集群充电，并利用每个对准的线圈对的相位、电压和电流控制的电力传送来减少磁通量。

利用充电器与要充电的设备或装置之间的双向通信(例如，如在题为“Nearfield,full duplex data link for use in static and dynamic resonant inductionwireless charging”的美国专利第10,135,496号中)，不仅允许近实时事件和状态(例如，电池充电水平)的通信，而且还允许车辆控制器(例如，电池管理系统(BMS))与充电站(例如，向每个GA和每个GA集群分配任务的充电站控制器)之间关于每个系统的能力的信息交换。

本文图4至图8C所示的恒定磁通量密度的轮廓取决于初级线圈组件与次级线圈组件之间传送的电力。对于每个图，总通量密度与初级线圈电流成线性比例，使得至初级线圈组件集群的输入电流的变化将收缩或扩大轮廓间距，但不改变通量密度的轮廓的地形图的整体形状。这适用于每个集群和所示的每个电流相位关系。

图1

图1以分解图示出了用于感应耦合无线电力传送的常规初级线圈组件和次级线圈组件对100的主要部件。

在示例性实施方式中，次级线圈组件105安装在电动车辆(EV)下方，与车辆的电池管理系统(BMS)(未示出)进行必要的连接。在该实施方式中，次级线圈组件105附接至EV的下侧，尽管其他安装位置也是可能的。

EMF屏蔽101用于为EV提供机械和电力互连，同时还防止在EV的金属部件上感应出涡流。

次级背衬芯102——标称上为铁氧体材料的连续平板或成形的连续片——用于重定向磁通量远离车辆。术语“背衬芯”和“铁氧体”用于描述用来引导磁通量的材料，并不意味着限制这样的材料的选择。这两个术语在本文中都被用作高磁导率磁性材料的任何构造的通用术语，其中高磁导率意味着相对磁导率基本上大于1(标称上>100)。术语铁氧体并不意味着排除可以用于构造背衬芯的其他类似或兼容材料的这种使用，并且可以包括层状金属片、粉末氧化物、烧结粉末氧化物和/或可以制成平板或成形片拓扑结构的非晶金属。

次级线圈103是用于磁传送能量的接收器，并且可以包括平面螺旋导体(即绕组)。螺旋可以是圆形或矩形，并且在面积或直径上小于背衬芯102和EMF屏蔽101。关于题为“WIRELESS POWERTRANSFER THIN PROFILE COIL ASSEMBLY”的美国专利申请第16/615,290号的图7至图10描述了示例螺旋线圈配置，其内容通过引用并入本文。

次级线圈组件盖104是轻质、磁性惰性外壳，用于保护电子设备免受液体和灰尘的侵入。

在图1的实施方式中，初级线圈组件110安装在路面表面上或地下，与路面表面齐平。

初级线圈组件盖106是磁性惰性外壳，能够处理重负载，同时防止液体和灰尘侵入初级线圈组件110。

初级线圈107是用于磁转送能量的发射器，并且可以包括平面螺旋导体(即绕组)。螺旋可以是圆形或矩形。为了使不需要的磁通量产生最小化，初级线圈107和次级线圈103在面积或直径上是相同的，但是可以包含具有不同匝数的线圈绕组。注意，在双向系统中，初级线圈107和次级线圈103可以交换职责和方向，从而允许电力从车辆传输至地。

初级背衬芯108——标称上为铁氧体材料的连续平板或成形的连续片——用于重定向磁通量远离地并返回次级线圈103。

接地板109用于机械地支承初级线圈组件的其余部分。接地板还可以提供与电接地的互连。从图1中省略了不会实质性地影响磁场特性的电连接器、结构构件、冷却管道和传感器。

图2

图2示出了配对正弦曲线的相消抵消的示例。由时间(X轴)和幅度(Y轴)绘制的第一信号201示出了波长202、幅度203和零(0)相位的特性。还示出了由时间(X轴)和幅度(Y轴)绘制的第二信号205。第二信号205具有与第一信号201相同的幅度206和波长207；然而，相位差208是180°。当信号201和信号205相加时，由于信号201与信号205之间的180°相位差，如所示，在第三时间(X轴)和幅度(Y轴)坐标系上绘制的所得信号209被相消干扰为零。

图3A

图3A示出了配对组300的成列模块化初级线圈组件(也被称为地面组件(GA))的物理特性。初级线圈可以是矩形(通常为方形)或椭圆形(通常为圆形)螺旋。第一初级线圈组件301与相邻且邻接的第二初级线圈组件302一起放置。相邻的初级线圈组件301和302由间隙304隔开。在该示例中，相邻的初级线圈组件301和302在长度305和宽度306上是相同的，并且沿轴线303与要充电的车辆的运动方向310对准成直线并且成直线关系。相邻的初级线圈组件301和302的中点307和308(也称为瞄准线)相隔距离309。

间隙304用于电和磁地隔离各个模块化初级线圈组件301和302。由于背衬芯层和EMF屏蔽大于线圈绕组(如美国专利申请序列号16/615,290“WIRELESS POWER TRANSFERTHIN PROFILE COILASSEMBLY”的图7至图10所示)，间隙304是邻近线圈组件的EM屏蔽之间的距离。通过确定间隙304的尺寸以防止从第一初级线圈组件301至第二初级线圈组件302以及从初级线圈组件至未对准的附近次级线圈组件的磁通量的增加(或者通过相消抵消而减少)来实现磁隔离。为了基于成列配置创建更大的集群，可以将附加的次级组件(以及相应的基于地面的初级组件)添加至集群的末端，直到车辆底盘的长度，从而在邻接的次级组件之间保持必要的隔开间隙304。在要充电的车辆的移动方向上，成列集群的前部被限定为在图3A中的左侧310。

图3B

图3B几何地示出了在示例实施方式中具有单个平行初级线圈组件对的充电点集群311的物理特性。初级组件线圈可以是矩形(通常为方形)或椭圆形(通常为圆形)螺旋。第一初级线圈组件301与相邻且邻接的第二初级线圈组件302一起放置，其中两个组件301和302对称地放置在车辆底盘中线303的任一侧。相邻的初级线圈组件301和302由间隙304隔开。在该示例中，相邻的初级线圈组件301和302在长度305和宽度306上是相同的，并且沿轴线303对准并且成直线关系。相邻的初级线圈组件301和302的中点307和308(也称为瞄准线)相隔距离309。在要充电的车辆的移动方向上，平行311集群的前部被限定为在图3B中的左侧310。

图3C

图3C几何地示出了初级线圈组件的2×2集群312的物理特性，其中第一对301、302和第二对313、314被布置成平行，其中每对中的一个部件位于车辆底盘中心线303的任一侧。第一平行初级线圈组件对301、302通过第一间隙304彼此隔开。第一平行初级线圈组件对301、302具有隔开距离309的相应的瞄准线307和308。第二平行初级线圈组件对313、314通过第一间隙304彼此隔开。第二平行初级线圈组件对313、314具有隔开距离309的相应的瞄准线315、316。平行初级线圈组件对的相应对直线对准并且隔开第二间隙318，由此相应的瞄准线308、315和309、316在要充电的车辆的移动方向310上左右隔开第二距离317。2×2集群312可以被表征为2个并排对、2个对角对、以及甚至2个前后对。

附加地，通过在车辆底盘中心线303的任一侧增加平行对，可以安装邻近初级组件(2至2n)以扩展图3C所示的模块化集群。相邻的初级组件是初级组件的模块化集群中的一个最邻近或多个最邻近(全部邻接)。模块化集群中不相邻的初级组件被限定为邻近组件。对于初级线圈组件之间的2×2(以及更大的2×n，n>2)集群成对，变成可以使用并排(平行于车辆中线的任一侧)、对角或前后(均在车辆中线的同一侧)集群成对。

初级组件的集群(包括单个初级组件或初级组件的集群)也可以被称为无线充电点。在共同控制下的一组地理上分组的无线充电点被称为无线充电站。在共同控制下的无线充电点的大分组也可以被限定为无线充电站点或无线充电设施。

商业部署的200kW系统(4个50kW的初级线圈组件，每个具有20kHz的中心频率)在邻近初级线圈组件之间具有101.6mm间隔。后来，也是商业部署的300kW系统(4个75kW的初级线圈组件，每个具有85kHz的中心频率)在邻近初级线圈组件之间具有75mm间隔。出于机械和安装的考虑，可以调整初级线圈组件(和匹配的次级线圈组件)的更近间距，同时保持最小间距以减少未对准情况下的干扰，并且因此降低对初级线圈组件和次级线圈组件对之间的未对准的整体灵敏度。

当感应耦合的无线电力传送系统激活时，初级线圈和次级线圈中的交流电流会产生磁通量。在线圈周围的区域中，该磁通量的分布通过位于每个线圈的磁中心的偶极子源的磁场的方程很好地近似。该场通常具有环形(圆环)形状，其中磁通量指向极向方向(通过圆环孔环绕)。与任何磁偶极子源一样，场强度(相当于磁通密度)随着距偶极子的距离的立方(1/r³)而下降。

在一个工作200kW的实施方式中，初级线圈组件各自为长902mm和宽902mm。在第二工作300kW的实施方式中，初级线圈组件各自为长725mm和宽675mm。

图4

图4示出了在笛卡尔坐标系上绘制的由单个大初级线圈组件401产生的恒定磁通量密度的轮廓，其中两个轴示出了在充电会话期间距初级线圈组件401的中心的距离(以米为单位)。这是最坏情况的模型，这是因为不假设来自电动车身的屏蔽。

使用有限元方法(FEM)计算对图4中的磁场进行建模，以确定存在其他导电材料(涡流源)和磁性材料时由导电线圈产生的磁通量密度。

当主动向次级线圈组件(未示出)传送电力时，总磁通量密度随着距初级线圈组件401的中心的距离增加而降低。当主动向次级线圈组件(未示出)传送电力时，总磁通量密度随着距初级线圈组件401的中心的距离增加而降低。直接围绕初级线圈组件401的第一轮廓线404表示316μT(微特斯拉)的恒定磁通量密度。第二轮廓线405示出了100μT恒定磁通量密度。第三轮廓406示出了31.6μT恒定磁通量密度。第四轮廓407示出了10μT恒定磁通量密度。第五轮廓408示出了3.16μT恒定磁通量密度。第六轮廓409示出了1μT恒定磁通量密度。

最近提出的针对安全磁场暴露极限的暴露规则包括来自独立非营利组织国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)的暴露规则以及来自技术专业工程和标准协会电气和电子工程师协会(IEEE)的暴露规则。美国联邦通信委员会(United States FederalCommunications Commission)正在调查在案卷ET 19-226“Targeted Changes to theCommission Rules Regarding Human Exposure to Radiofrequency ElectromagneticFields”中，对于无线电力传送是否需要对磁暴露进行新的限制。

建议的ICNIRP限制(来自“Guidelines for limiting exposure toelectromagnetic fields(100kHz to 300GHz),Health Phys 118；2020年3月”)是27μT(非常接近31.6μT轮廓)，而相关的IEEE(来自：“IEEE C95.1-2019-IEEE Standard for SafetyLevels with Respect to Human Exposure to Electric,Magnetic,andElectromagnetic Fields,0Hz to 300GHz”)对于标称85千赫兹磁充电信号的限制是200μT(在316μT与31.6μT轮廓之间)。这些轮廓都在以初级线圈组件401为中心的典型车辆宽度402内。

图5A

图5A示出了在笛卡尔坐标系上绘制的由一对模块化成列初级线圈组件501和502产生的恒定磁通量密度的轮廓，其中两个轴示出了在同相充电会话期间距该对初级线圈组件501和502之间的间隙内的中心点的距离(以米为单位)。在这种情况下，该对模块化初级线圈组件501和502由公共源供电，并且发射由磁控制器(未示出)设置的基本上相同的幅度、频率和相位的磁信号。在该示例中，模块化初级线圈组件501和502以遵循全等的直线网格图案的镶嵌方式放置。

附加磁通量密度由恒定磁通量密度的轮廓示出。第一轮廓505示出了316μT恒定磁通量密度。第二轮廓506示出了100μT恒定磁通量密度。第三轮廓507示出了31.6μT恒定磁通量密度。第四轮廓508示出了10μT恒定磁通量密度。第五轮廓509示出了3.16μT恒定磁通量密度。第六轮廓510示出了1μT恒定磁通量密度。

绘制了汽车的标称宽度503(1.8米)和标称长度504，用于说明具体实施方式。如图所示，图5A所示的模块化配对初级线圈组件非常适合用于汽车充电。通过将次级线圈组件放置在车辆的下侧，乘客和旁观者获得了磁通量的屏蔽和仅通过在车辆下爬行才能进入的禁止区二者。当未激活时，磁充电信号存在，但是可能有低电力感应通信信号。

轿车、卡车、公共汽车和其他基于道路车辆的设计遵循长度超过车辆的宽度的一致设计。与一般椭圆形的场模式相比(与单个初级线圈组件的圆形场相比(见图1))，图5A的1×2线圈组件利用了来自金属汽车车身的附加屏蔽以及由汽车车身、车架和车轮提供的禁止区域二者。

对于每个被服务的EV，一组单独的次级线圈组件与每个车辆永久地相关联。对于每个次级线圈组件的频率响应的信息可以由车辆或中央(陆侧)存储库保持。通过调整每对中的每个初级线圈组件的充电频率，可以使频率响应的差异(例如，由次级线圈组件的不同制造商、品牌、型号产生的差异)最小化。由于新频率下的对仍然是异相的，因此以降低效率为代价实现了磁通量的实质性抵消。

图5B

图5B示出了在笛卡尔坐标系上绘制的由一对模块化成列初级线圈组件501和502产生的恒定磁通量密度的轮廓，其中两个轴示出了在异相充电会话期间距该对初级线圈组件501和502之间的间隙内的中心点的距离(以米为单位)。在该示例中，模块化初级线圈组件501和502以遵循全等的直线网格图案的镶嵌方式放置。在这种情况下，该对模块化初级线圈组件501和502由多个源供电，并且根据确定的幅度和频率产生基本上相同的磁充电信号；然而，磁充电信号之间的相位差被设置为约180°。如在该上下文中使用的，“约”意味着±10°。

针对两个充电信号的所得附加磁通量密度由轮廓线示出。第一轮廓508示出了316μT恒定磁通量密度。第二轮廓509示出了100μT恒定磁通量密度。第三轮廓510示出了31.6μT恒定磁通量密度。第四轮廓511示出了10μT恒定磁通量密度。第五轮廓512示出了3.16μT恒定磁通量密度。第六轮廓513示出了1μT恒定磁通量密度。

绘制了汽车的标称宽度503(1.8米)和标称长度504，用于说明具体实施方式。如图所示，图5B所示的模块化配对初级线圈组件非常适合用于汽车充电。通过将次级线圈组件放置在车辆的下侧，乘客和旁观者获得了磁通量的屏蔽和仅通过在车辆下爬行才能进入的禁止区二者。当未激活时，不存在磁充电信号。

图5C

图5C以拓扑图示出了在笛卡尔坐标系上绘制的由并排的一对模块化初级线圈组件501和502产生的恒定磁通量密度的轮廓，其中两个轴示出了在异相充电会话期间距该对初级线圈组件501和502之间的间隙内的中心点的距离(以米为单位)。在该示例中，模块化初级线圈组件501和502以遵循全等的直线网格图案的镶嵌方式放置。在这种情况下，该对模块化初级线圈组件501和502由多个源供电，并且根据确定的幅度和频率产生基本上相同的磁充电信号；然而，磁充电信号之间的相位差被设置为约180°。针对两个充电信号的所得附加磁通量密度由轮廓线示出，并且除了旋转90度之外，与图5B的实施方式相同。

针对两个充电信号的所得附加磁通量密度由轮廓线示出。第一轮廓505示出了316μT恒定磁通量密度。第二轮廓506示出了100μT恒定磁通量密度。第三轮廓507示出了31.6μT恒定磁通量密度。第四轮廓507示出了31.6μT恒定磁通量密度。第五轮廓512示出了1μT恒定磁通量密度。

绘制了汽车的标称宽度503(1.8米)和标称长度504，用于说明具体实施方式。如图所示，图5C所示的模块化配对初级线圈组件集群的2×1并排配置与图5B所示的1×2成列配置相比不太适合用于汽车充电，这是因为在由汽车底盘形成的禁止区之外的磁通量的面积更大(当如在该实施方式中那样将次级线圈组件放置在车辆的下侧时)。

由于轿车、卡车、公共汽车和其他基于道路的车辆遵循一致的设计，其中长度超过车辆的宽度，并且车辆宽度受道路车道宽度限制，因此恒定磁通量密度的轮廓的几何结构可以更好地受金属汽车车身提供的附加屏蔽的影响。注意，由汽车车身、车架和车轮提供的初级线圈组件周围的禁止区域可以进一步限制潜在的EMF暴露。

图6A

图6A示出了布置成2×2集群的四个初级线圈组件的模块化集群。给定单个初级线圈组件的尺寸，这种几何布置非常适合安装在货车、卡车、拖车或公共汽车底盘下。在图6A中，初级线圈组件中的每一个由公共源供电，并且共享传输频率、相位和电力水平。在该示例中，模块化初级线圈组件601、602、603和604以遵循全等的直线网格图案的镶嵌方式放置。

同相充电会话期间的附加磁通量密度由绘制在笛卡尔坐标系上的恒定磁通量密度的轮廓示出，其中原点位于初级线圈组件的2×2集群的中心处。第一轮廓607示出了100μT恒定磁通量密度。第二轮廓608示出了31.6μT恒定磁通量密度。第三轮廓609示出了10μT恒定磁通量密度。第四轮廓610示出了3.16μT恒定磁通量密度。第五轮廓611示出了1μT恒定磁通量密度。

就人体暴露而言，关于所有四个初级线圈组件601、602、603和604以相同频率和相位传输的这种场景示出了磁通量密度的最差情况。如从标称汽车宽度605和长度606可以看出，4×4集群不可能安装在具有这样的尺寸的汽车下面。然而，较大的车辆例如公共汽车(标称底盘宽度2.6米)将提供附加的交叠，并且因此保护乘客和旁观者免受高磁通量密度的影响。

图6B

图6B示出了布置成2×2集群的四个初级线圈组件的模块化集群。在该示例中，模块化初级线圈组件601、602、603和604以遵循全等的直线网格图案的镶嵌方式放置。此外，在该示例中，初级线圈组件被分成第一对601和602以及第二对603和604，其中每对由单独的源供电或者分别供电，但是其中每对共享相同的传输频率和电力水平，但是在并排配对的初级线圈组件之间具有设定的相位差(例如，180°)。

如先前所讨论的，在异相充电会话期间，配对初级线圈组件之间的相位差会导致发射的磁充电信号的相消干扰。附加磁通量密度由绘制在笛卡尔坐标系上的恒定磁通量密度的轮廓示出，其中原点位于初级线圈组件的2×2集群的中心处。第一轮廓614示出了100μT恒定磁通量密度。第二轮廓615示出了31.6μT恒定磁通量密度。第三轮廓616示出了10μT恒定磁通量密度。第四轮廓617示出了3.16μT恒定磁通量密度。第五轮廓618示出了1μT恒定磁通量密度。

磁场的所得形状(如由1μT轮廓618所示)不仅在面积上减小，而且优先在预期乘客进出的EV侧降低。较大的车辆例如公共汽车(标称底盘宽度2.6米)将提供附加的交叠，并且因此保护乘客和旁观者免受高磁通量密度的影响。

图6C

图6C示出了布置成2×2集群的四个初级线圈组件的模块化集群。在该示例中，模块化初级线圈组件601、602、603和604以遵循全等的直线网格图案的镶嵌方式放置。

在该实施方式中，初级线圈组件被分成对角的第一对601和603以及对角的第二对602和604，其中每对由单独的源供电或者分别供电，但是其中每对共享相同的电力水平，对构件之间具有设定的相位差(例如～180°)。为了补偿次级组件(未示出)中的频率偏移，在异相充电会话期间，第一对角初级线圈对601和603被设置成以与第二对角初级线圈对602和604不同的频率进行传输。

第一轮廓614示出了100μT恒定磁通量密度。第二轮廓615示出了31.6μT恒定磁通量密度。第三轮廓616示出了10μT恒定磁通量密度。第四轮廓617示出了3.16μT恒定磁通量密度。第五轮廓618示出了1μT恒定磁通量密度。

磁通量密度轮廓的所得图案具有圆形方形形状，但是与图6A所示的标称图案和面积相比，在通量密度降低方面仍具有优势。场模式的成形也是有利的，这是因为集群的侧面以及EV的侧面的降低是显著的。

图6D

图6D示出了布置成2×2集群的四个初级线圈组件的模块化集群。在该示例中，模块化初级线圈组件601、602、603和604以遵循全等的直线网格图案的镶嵌方式放置。然而，在该示例中，初级线圈组件被分成并排的第一对601和604以及并排的第二对602和603，其中每对由单独的源供电或者分别供电，但是其中每对共享相同的传输频率和电力水平，但是在异相充电会话期间在并排配对的第一初级线圈组件与第二初级线圈组件之间具有设定的相位差(例如，180°)。

在图6D中，第一轮廓614示出了100μT恒定磁通量密度。第二轮廓615示出了31.6μT恒定磁通量密度。第三轮廓616示出了10μT恒定磁通量密度。第四轮廓617示出了3.16μT恒定磁通量密度。第五轮廓618示出了1μT恒定磁通量密度。

如与图6B(异相初级线圈组件的并排成对)和图6C(异相初级线圈组件的对角成对)相比可以看出，并排配置不会像对角配置那样降低磁通量密度。

图7A

图7A示出了布置成1×3集群的三个初级线圈组件的模块化集群。这种几何布置旨在安装在货车、卡车、拖车或公共汽车底盘下。在该示例中，模块化初级线圈组件701、702和703以遵循全等的直线网格图案的镶嵌方式放置。

同相充电会话期间的附加磁通量密度由绘制在笛卡尔坐标系上的恒定磁通量密度的轮廓示出，其中原点位于中心初级线圈组件702的中心处。第一轮廓706示出了316μT恒定磁通量密度。第二轮廓707示出了100μT恒定磁通量密度。第三轮廓708示出了31.6μT恒定磁通量密度。第四轮廓709示出了10μT恒定磁通量密度。第五轮廓710示出了3.16μT恒定磁通量密度。第六轮廓711示出了1μT恒定磁通量密度。

恒定磁通量密度的轮廓的椭圆形图案非常适合用于WPT系统，在该WPT系统中，期望减少产生的EMF，这是因为沿EV的中心线的集群的布置会对旁观者产生最大的隔离和屏蔽。

图7B

图7B示出了布置成1×3集群的三个初级线圈组件的模块化集群。给定单个初级线圈组件的尺寸，这种几何布置非常适合安装在货车、卡车、拖车或公共汽车底盘下。在该示例中，模块化初级线圈组件701、702和703被放置在一行中(使用遵循全等的直线网格图案的相同镶嵌方式)。笛卡尔平面以中心初级线圈组件702的中点为中心。

如先前所讨论的，在异相充电会话期间，配对初级线圈组件之间的相位差会导致发射的磁充电信号的相消干扰。由于集群中有三个初级线圈组件，可能需要修改版本的成对。通过将第一初级线圈组件701和第三初级线圈组件703设置成传输相同电力、频率和相位的充电信号，并且然后将中间初级线圈组件702设置成传输相同电力和频率但与第一初级线圈组件701和第三初级线圈组件703异相的充电信号，可以实现磁通量密度的显著降低。

附加磁通量密度由绘制在笛卡尔坐标系上的恒定磁通量密度的轮廓示出，其中原点位于中心初级线圈组件702的中心处。第一轮廓713示出了316μT恒定磁通量密度。第二轮廓714示出了100μT恒定磁通量密度。第三轮廓715示出了31.6μT恒定磁通量密度。第四轮廓716示出了10μT恒定磁通量密度。第五轮廓717示出了3.16μT恒定磁通量密度。第六轮廓718示出了1μT恒定磁通量密度。

与标称图7A相比，如由磁场轮廓所示的场的减少是显著的。场的成形也是有利的，其中轮廓大大减小到EV侧。

图7C

图7C示出了布置成1×3集群的三个初级线圈组件的模块化集群。在该示例中，模块化初级线圈组件701、702和703被放置在一行中(使用遵循全等的直线网格图案的相同镶嵌方式)。笛卡尔平面以中心初级线圈组件702的中点为中心。

除了将第一初级线圈组件701和第三初级线圈组件703设置成传输相同电力、频率和相位的充电信号，并且然后将中间初级线圈组件702设置成传输相同频率但与第一初级线圈组件701和第三初级线圈组件703异相(例如180°)的充电信号之外，可以增加中间初级线圈组件702的电力(替选地，用于第一初级线圈组件701和第三初级线圈组件703的充电信号的电力可以被降低)，以产生比单独的相位调整所能实现的更大的磁通量密度降低。

在具有电力控制的异相充电会话的示例中，外初级线圈701和703被设置成承载中间初级线圈702的70％的电流。因此，外线圈701和703中的电力水平为50％，并且中间线圈702中的电力水平为50％。第一轮廓721示出了100μT恒定磁通量密度。第二轮廓722示出了31.6μT恒定磁通量密度。第三轮廓723示出了10μT恒定磁通量密度。第四轮廓724示出了3.16μT恒定磁通量密度。第五轮廓725示出了1μT恒定磁通量密度。

磁场的面积(如由磁通量密度轮廓所示)通过电力控制而减小。对电力控制水平的调整可以进一步用于塑造磁通量密度，以最适合EV底盘屏蔽和禁止区域。

图7D

图7D示出了在异相充电会话期间使用具有虚拟成对抵消和电力控制的1×3初级线圈组件集群时的有效磁通量密度降低。当两个外线圈中的电流与中间线圈180度异相并且外线圈电流作为中间线圈电流的比例而变化时，可以获得磁抵消与电流差的百分比。在图7D中，X轴示出了内线圈组与外线圈组之间的电流比(以百分比表示)，并且Y轴示出了当一个线圈组(例如，外线圈)承载的电流与其他组(例如，内线圈)承载的电流约180度异相时抵消的通量密度的比例。

曲线726表示沿与典型车辆边缘(1.3m)对应的耦合器旁边的线可实现的通量密度抵消的最大。曲线726具有三个区域729、730和731。在区域729中，外组中的电流太低，而不允许最大抵消。在区域730中，外组中的电流处于允许最大抵消的适当水平。在区域731中，外组中的电流太高，而不允许最大抵消。在区域730或区域731中的操作提供了降低磁通量的益处，同时根据情况需要定制输送的电力。

曲线727表示沿与典型车辆边缘(1.3m)对应的耦合器旁边的线可实现的通量密度抵消的最小(最坏情况)。曲线727具有两个区域732和733，并且在728处有一个最大值。在区域732中，最小抵消随着外组中的电流增加而增加。在区域733中，最小抵消随着外组中的电流增加而减少。这些区域围绕最小抵消最大的点。接近该点的操作确保了场的最显著的总体减少，这是因为它也在曲线726的具有最佳的最大抵消的区域730中。

图8A

图8A示出了在同相充电会话期间布置成2×3集群的六个模块化初级线圈组件的集群。给定单个初级线圈组件的尺寸，这种几何布置非常适合安装在诸如卡车、拖车或公共汽车的较大车辆下。在该示例中，模块化初级线圈组件801、802和803被放置在第一行中，并且模块化初级线圈组件804、805和806被放置在第二行中，遵循全等的直线网格图案的相同镶嵌方式。笛卡尔平面图以初级线圈组件802和805的中心对之间的中点为中心。

第一轮廓807示出了316μT恒定磁通量密度。第二轮廓808示出了100μT恒定磁通量密度。第三轮廓809示出了31.6μT恒定磁通量密度。第四轮廓810示出了3.16μT恒定磁通量密度。第五轮廓811示出了1μT恒定磁通量密度。

图8B

图8B示出了布置成2×3集群的六个初级线圈组件的模块化集群。这种几何布置旨在安装在较大的卡车、拖车或公共汽车底盘下。在该示例中，模块化初级线圈组件801、802、803、804、805和806沿车辆的长度遵循2行乘3列(2×3)的全等直线网格图案以镶嵌方式放置。

在图8B中，通过第一对801和804、第二对802和805以及第三对803和806以0度和180度相移二者的偏移来传输磁能。这种对角模式允许每个初级线圈组件和次级线圈组件对在充电会话期间仅相反相位偏移的对相邻。

附加磁通量密度由绘制在笛卡尔坐标系上的恒定磁通量密度的轮廓示出，其中原点位于初级线圈组件802与初级线圈组件805之间的中点处的集群的中心处。第一轮廓814示出了316μT恒定磁通量密度。第二轮廓815示出了100μT恒定磁通量密度。第三轮廓816示出了31.6μT恒定磁通量密度。第四轮廓817示出了10μT恒定磁通量密度。第五轮廓818示出了3.16μT恒定磁通量密度。第六轮廓819示出了1μT恒定磁通量密度。

如由轮廓可以看出，与所有六个6初级线圈组件以相同相位传输的情况相比，在1米、2米和3米范围内的磁通量密度显著降低(如图8A所示)。还注意到，如由图8B所示的磁通量密度的轮廓所描述的磁场形状基本上有利地向侧面方向减小。假设沿车辆的中线部署次级线圈组件，车辆的底盘将为这种配置提供磁通量的屏蔽和人体禁止区域二者。

图8C

在图8C中，在并排成对的异相充电会话期间，通过第一对801和804、第二对802和805以及第三对803和806以0度和180度相移二者来传输磁能。这种模式建立了侧对侧磁通量抵消方案。

附加磁通量密度由绘制在笛卡尔坐标系上的恒定磁通量密度的轮廓示出，其中原点位于初级线圈组件802与初级线圈组件805之间的中点处的集群的中心处。第一轮廓820示出了316μT恒定磁通量密度。第二轮廓821示出了100μT恒定磁通量密度。第三轮廓822示出了31.6μT恒定磁通量密度。第四轮廓823示出了10μT恒定磁通量密度。第五轮廓824示出了3.16μT恒定磁通量密度。第六轮廓825示出了1μT恒定磁通量密度。

并排成对抵消导致具有较大面积和不太有利的成形二者的等效磁通量密度。EV侧等效磁通量密度的范围的增加与减少旁观者和进出乘客暴露的目标相反。

图9

图9示出了通常用作出租车的类型的通用电动或混合动力轿车的两个视图。侧视图901示出了示例性的单个车载次级线圈组件903。次级线圈组件也被称为接收器或车辆组件(VA)。

顶部透视视图902示出了次级线圈组件904侧对侧地放置在轿车底盘的中间并且紧接在前轮的后面，以减少由于不平坦的道路表面而损坏线圈组件的机会。禁止区905示出了由车辆底架的外围产生的相对不可接近的区域。在示例实施方式中，充电时产生的磁场被有利地成形并限制成主要在禁止区905内。

图10

图10示出了通常用作运输车辆的类型的通用电动或混合动力货车的两个视图。侧视图1001示出了一对1×2车载次级线圈组件1003和1004的定位选项。顶部透视视图1002示出了用于沿底盘的中线侧对侧安装第一接收器1005和第二接收器1006并且靠近前轮的后面的有利位置，以减少由于不平坦的道路表面而损坏线圈组件的机会。禁止区1007示出了由车辆底架的外围产生的相对不可接近的区域。充电时产生的磁场被有利地成形并被限制成主要在禁止区1007内。

图11

图11示出了通用电动或混合动力运输公共汽车的两个视图。侧视图1101示出了车载次级线圈组件的2×2集群1103的定位选项。顶部透视视图1102示出了用于沿底盘的中线侧对侧安装次级集群1104并且靠近前轮的后面的有利位置，以减少由于不平坦的道路表面而损坏线圈组件的机会。禁止区1105示出了由车辆底架的外围产生的相对不可接近的区域。充电时产生的磁场被有利地成形并被限制成主要在禁止区1105内。

图12

图12以侧面1201和透视顶部视图1202示出了通用电动或混合动力公共汽车上的次级或接收器集群的示例。侧视图2101示出了车载次级线圈组件的2乘3(2×3)集群1203的定位选项。顶部透视视图1202示出了用于沿公共汽车底盘下侧的中线侧对侧安装示例2×3次级集群1204并且靠近前轮的后面的示例性位置，以减少由于不平坦的道路表面而损坏线圈组件的机会。禁止区1205示出了由车辆底架的外围产生的相对不可接近的区域。充电时产生的磁场被有利地成形并被限制成主要在禁止区1205内。如上所述，仅低于阈值的磁通量密度才允许在禁止区之外。

图9至图12示出了机械考虑(减少来自路缘石、减速带的损坏的可能性)与使用金属底盘体作为磁屏蔽以进一步减少排放之间的工程权衡。随着车辆底盘的变化和模块化次级组件的数目的变化，使磁场成形(使用经由供应的电力、频率、相位和次级组件布局调整的相消抵消)为使磁通量暴露最小化的能力在效用上增加。

在图9至图12中，禁止区周界被示出为与金属车身或底架的轮廓重合。在替选实施方式中，禁止区可以是由车辆外围勾勒出的区域的较小部分或较大扩展，并且可以包括与不同水平的磁通量密度对应的多个区域。例如，较小的区域可以由异物检测(FOD)系统或活体对象检测系统(LOD)的传感器覆盖范围来界定。较大的区域可以由物理屏障或标记划定的隔离区来限定。FOD或LOD系统传感器覆盖区域也可以用于建立大于车辆轮廓的禁止区。然后，这些较小和较大的禁止区可以用于获得高于阈值的磁通量密度的生成区域的期望成形。替选地，磁场的生成区域的成形可以用于调整禁止区域的大小和边界。

图13

图13示出了针对代表性2×2集群(如图6B中的对角配对的4个初级和次级线圈组件对)的磁通量密度的抵消与对角成对相位差的图。X轴指示配对组之间的相位角。Y轴指示距集群的中心1.3米处(对应于典型的运输公共汽车或校车的边缘)通量密度的抵消量。两条线1301、1302指示在不同相位角处的不同通量密度抵消的幅度。第一线1301示出了沿以集群为中心的1.3m半径的圆可以实现的最大通量密度抵消量。这种最大抵消通常沿由2×2集群形成的网格的轴。第二线1302示出了沿以集群为中心的1.3m半径的圆可以实现的最小通量密度抵消量。这种最小抵消通常沿由2×2集群形成的网格的对角线。

尽管所有相位偏移均示出最佳1301和最差1302情况下的一些抵消，但是最差情况1302线示出，在协调的初级组件对之间从0度相位偏移延伸至25度相位偏移的第一区域1303中，基本上没有实现抵消(<1％)。因此，第二区域1304中从25度延伸至180度的相位偏移是优选的。

图14

图14示出了高功率无线电力传送系统，其可以适用于包括本文所描述的用于具有电池存储的电动车辆的模块化线圈组件。电池存储包括湿电池、干电池和固态电池、以及电容存储和可逆燃料电池及其组合(即混合)能量存储。

在该系统中，地面侧电子设备1401向初级线圈组件1402提供经调节的电力信号。如在高功率系统中优选的，初级线圈组件1402可以具有平衡的串联-串联配置，该配置具有初级线圈绕组1403和匹配的电容器1404和1405。

跨气隙1410，次级线圈组件1406用于接收由初级线圈组件1402生成的磁信号。次级线圈组件1406也可以具有平衡的串联-串联配置，该配置具有次级线圈绕组1407和匹配的电容器1408和1409。由次级线圈组件1406生成的AC电力水平、频率和相位(即，AC信号数据)由传感器1411测量，传感器1411经由数字数据链路1412将这些测量结果报告给有源整流器控制器(ARC)1413。ARC 1413使用AC信号数据对信号进行预测建模，以确定过零(zerocrossing)，从而优化有源整流。整流控制信号经由控制链路1417被传递至有源整流器1416，有源整流器1416获取AC信号输入1415并将它们转换成DC电力输出1419。整流器模块中的温度传感器(未示出)使用数字数据链路1418向ARC 1413进行报告。电力调节器1420获取整流器1416的DC输出1419，并且去除滤波器1421处的纹波和噪声，以对电池组1424进行充电。经调节的DC信号特性由传感器1422监测，并经由数字数据链路1423报告回ARC 1413。

陆侧数据存储库1426，其被体现为单个通用计算机或计算机和软件数据库的集群，或者被构建为具有多个地理上不同的站点的分布式实施方式，每个站点具有计算资源和数据库，可以维护安装在车辆上的每个次级线圈组件的默认和历史测量的充电配置文件。存储库1426包含包括频率响应和充电模型的性能数据，其可以由充电站点控制器1428(运行站点管理软件和数据库软件的通用计算机或计算机集群)通过数据网络1427请求，用于在车辆被充电时设置充电会话参数。

这些充电会话参数可以包括基于对准的次级线圈(或对准的初级和次级对)的每个初级线圈组件或初级线圈组件对的磁信号特性(例如，充电会话期间的瞬时电力水平、基本信号频率、频率漂移、信号相位偏移和标称线圈到线圈间隙)、和局部条件例如电力可用性、环境因素(例如温度)、以及安装的初级线圈组件条件(例如内部温度、使用因素、每个初级的线圈数、每个初级的匝数、表面安装或齐平安装的初级线圈组件)。

充电会话参数还可以包括表1所示类型的初级线圈组件或初级线圈组件对的充电器配置文件：

初级线圈标识符	齐平安装或凸起安装
		每个初级线圈的匝数	品牌、型号、制造商
自主对准能力	最小/最大电流和电压支持
		可用通信协议	通信带宽

表1-充电器配置文件

汽车充电相关数据也可以存储在数据存储库1426中。该数据可以包括电池老化信息(例如，一个或更多个充电会话的充电时间与电池充电状态的关系)、以及次级线圈组件在底盘上的定位、以及由EV车身提供的EM屏蔽。

下面的表2提供了可以存储在数据存储库1426中以及/或者存储在车辆侧上并在充电期间与地面侧充电器进行通信的示例车辆充电配置文件。

每个次级线圈频率偏移	次级品牌、型号、制造商
		次级线圈组件的数目	次级线圈组件的定位
BMS品牌、型号、制造商	最小/最大电流和电压支持
		每个次级线圈组件的健康状态	温度限制
温度读数	冷却可用性

表2-车辆充电配置文件

经由充电站点控制器1428，对车辆充电配置文件和近实时数据的访问使WPT能够基于来自初级线圈组件传感器的数据以及经由感应通信系统(未示出)来自跨空气间隙1410的次级和/或负载的反馈，在会话开始时和充电会话期间重新配置每个初级线圈。

经由数字数据链路1429、1430访问充电站点控制器1428，其中每个第一初级和次级线圈组件1431和第二初级和次级线圈组件1432可访问相同的配置文件信息。由充电点中的每个初级和次级线圈组件1431、1432产生的电流在正电池端子1433和负电池端子1434处合并，并用于对车辆电池组1424进行充电。

第一ARC 1413和第二ARC(未示出)向联网控制器1414报告AC电力特性和DC电力特性二者，以用于经由数字数据链路1435进行存储和报告。

图15

图15以高层级示出了示例实施方式中涉及自动无线充电的电动车辆系统。如图所示，电动车辆1500配备有从初级地面线圈组件1501接收无线充电的次级车辆线圈组件1502(在这种情况下为单个线圈单元)。电池管理系统(BMS)1509负责监测和管理电池组1504。注意，术语“电池组”在本文中用于描述一般的化学能量存储系统，并且可以与其他便携式能量存储系统(例如，固态电池阵列、可逆燃料电池、超级电容器)进行替换、补充或混合。基于算法，BMS1509通过设置充电率和平衡单个电池(或电池组)充电/放电、同时监测充电水平和温度，来管理性能并使续航距离和寿命最大化。

BMS1509利用经由通过由次级组件1502提供的感应通信收发器系统支持的下行链路数据链路1505和上行链路数据链路1506发送的消息来控制充电会话(以及相关联的物流、计费和传感器读数)。BMS1509的数据存储包括身份和授权信息、电池电压和最大电流水平设置。BMS1509可以可选地包含用于车辆和安装的次级组件的磁充电数据配置文件的本地版本或子集。无线充电控制器1503用于经由数据链路1507转换和桥接车辆网络和感应通信收发器系统。BMS1509从电池组1504接收经由有线或无线数据链路1510发送的传感器数据，该数据链路1510可以例如通过控制器局域网(CAN)总线来实现。

次级车辆线圈组件1502经由高电流总线1508向电池组1504输送直流电。在电池组1504被完全充电的情况下，电流也可以被转移或者与车辆1500的车载系统例如同时在队列中并且与充电点的最大电流水平设置对准并通信的通信、娱乐和环境控制共享。

图16

图16示出了示例实施方式中在单个充电点处的自动无线充电中使用的无线充电信号和范围。对于自动充电，在充电期间，地面初级组件1601(此处示出为嵌入以与路面1602的表面齐平)基本上与车辆次级组件1603对准并通信。在该示例中，次级组件1603安装在车辆底盘1604的下侧上。

在可以发起充电信号1605之前，使用利用通信装置的感应通信链路建立上行链路1606和下行链路1607数据路径，例如如在美国专利第10,135,496号中所描述的，该美国专利通过引用并入本文。感应链路1606和1607受到电力限制，其中接近范围1608和离开范围1609几乎不超过初级地面线圈组件1601的尺寸(约500毫米)。关于对准过程的附加信息可以在题为“Method and apparatus for the alignment of a vehicle and chargingcoil prior to wireless charging”的美国专利第10,814,729号、题为“Method of andapparatus for detecting coil alignment error in wireless inductive powertransmission”的美国专利第10,193,400号、以及题为“Method and apparatus for thealignment of vehicles prior to wireless charging including a transmissionline that leaks a signal for alignment”的美国专利第10,040,360号中找到，其内容通过引用并入本文。可以使用具有替选的短距离局域网无线联网技术(例如，蓝牙、Zigbee、Wi-Fi)或长距离无线广域网(WWAN)技术(例如，诸如LTE、联网汽车无线分组数据系统、车辆到基础设施(V2I)、车辆到一切(V2X)的蜂窝技术)的其他实施方式。

图17

图17是示出示例实施方式中对电动车辆进行充电的方法1700的流程图。在所示示例中，充电点处于待机状态1701，直到双向通信被发起。当处于待机状态时，充电点可以发射感应通信信标。替选地，充电点可以仅在充电站点控制器1428由于经由无线电通信系统(例如，无线局域网(WLAN)或广域无线电通信系统(例如，蜂窝分组无线电系统))或指示电动车辆正接近充电点的另一车辆检测机制接收到到达信息而命令它时开始发射信标。

双向通信在发起通信状态1702下开始。为了进入发起通信状态1702，建立双向通信链路，并且建立认证和授权来充电。虽然可以在初级线圈组件与次级线圈组件的对准之前进入发起通信状态1702，并且一旦确保了可靠的双向链路，就可以开始获得设置数据1703，但是直到对准完成之后才开始获得配置文件状态1704。

一旦发起并建立了双向通信(并且因此确保要充电的EV的存在)，充电会话设置数据就可以在EV的计算机系统和陆侧认证、授权和支付服务之间传递。作为该获得设置数据状态1703的一部分或作为离散获得配置文件状态1704的一部分，获得关于EV的感应充电能力的细节。获得设置数据状态1703还可以包括关于所请求的车辆充电电力水平的细节。

基于EV设计者和操作者的选择，可以以若干种方式获得EV的充电配置文件。在一个实例中，EV的计算机系统(例如，电池管理系统(BMS)或自动驾驶系统(ADS))包含用于下载的充电配置文件。在另一实例中，使用在获得设置数据状态1703中早期获得的EV信息从陆侧数据存储库下载充电配置文件。替选地，可以使用一般的EV品牌-型号-制造商充电配置文件(从EV、陆侧存储库或本地缓存中获得)，或者如果没有充电配置文件或EV品牌-型号-制造商信息可用，则可以使用基于发现的EV次级线圈组件的数目和布局的默认充电配置文件。

一旦在获得配置文件状态1704中获得充电配置文件，则进入设置充电参数状态1705。在设置充电参数状态1705中，根据频率、幅度和相位来设置每个初级线圈组件的充电信号。基于所获得的磁分布和所请求的充电电力水平，将充电信号的参数设置为具有主要在禁止区内的磁场的充电信号。

充电点在发起充电状态1706的开始时接通充电信号。一旦开始充电，就保持充电状态1707，直到在1708处确定充电完成或以其他方式终止为止。正常完成事件包括由EV结束会话(例如，电池充满)、由充电站点控制器1428终止会话(例如，满足预付授权水平)或者由初级线圈组件或次级线圈组件终止会话(例如，检测到EV已经驶离充电点)。在任何正常充电会话完成事件之后，充电点状态回复到待机状态1701。异常会话终止事件(例如，检测到过热)被认为是故障，并导致充电会话1707立即终止，其中充电点设置在停止状态1709，直到故障被解决为止。

附加实施方式

双向的

由于仅涉及紧密耦合的电力传送线圈，因此使用先前描述的相位、频率和电力控制，能够在降低的总磁通量下实现任意方向的双向电力传送。双向电力传送可能需要在车辆上增加DC至AC的转换，以及在地面侧增加AC-DC-AC或AC/AC的转换，以向本地AC电网供电。

混合和匹配

通过控制感应通信链路和每个初级线圈组件处充电信号的频率、电力水平和相位，可以构建任意大的网格。对于每个充电会话，可以选择独特模式的初级线圈组件来发送电力。在一个示例中，构建初级线圈组件的3×3网格。使用车辆轮廓来确定EV上次级的数目和位置，可以经由车道指示器或发送至EV的通信信号由驾驶员操纵EV或自动驾驶，使得初级线圈组件组将与EV的次级线圈组件对准。3×3示例将能够为具有3×3次级线圈组件阵列的车辆以及具有1×1、1×2、1×3和2×3阵列的车辆充电，其中在地面侧的3×3线圈组件的适当子集被激活。

在某些情况下，EV可以由具有较小阵列的初级线圈组件进行充电。例如，1×2初级阵列可以用于为配备有2×3次级阵列的EV充电，其中两个初级线圈组件与六个次级线圈组件中的两个对准。

在EV具有一个或更多个次级线圈组件不操作的情况下，充电站可以仅使用与功能性次级线圈组件对准的这些初级线圈组件为EV充电。

在每种情况下，并且可选地基于EV的磁充电配置文件，可以调整由初级线圈组件生成的充电信号的频率、相位和电力，以限制磁发射。

广域平衡

不仅能够控制单个充电点(为单个车辆服务的初级线圈组件的集群)中的模块化初级线圈组件中的每一个的频率、相位和电力，还能够控制多个充电点的紧密间距部署(例如，在仓库、停车场、交通队列或铁路站场中)。

可以根据部署时的传感器读数或通过建模创建最大磁场(例如，磁通量密度)的映射。可以使用1个或更多个分立天线的实时本地传感器阵列来创建或扩充模型，该传感器阵列可以用于测量源自充电点或其他相关联的电气设备的总磁通量密度。

3维总磁通量密度由处理器计算或者经由具有处理能力的传感器获得，以用作用于识别磁通量密度的任何附加“热点”的手段。通过识别手段可以生成一系列最佳情况、最坏情况模型。类似地，可以由识别手段生成接地水平和头部水平模型。

然后，电力、相位和频率偏移可以用于重新平衡磁充电信号，以减少或消除高于期望的安全/暴露阈值(例如，操作者限定的FCC部分15、部分18、IEEE C.95或ICNRIP阈值的部分)的磁通量密度的任何区域。

图18

图18图示了示例实施方式中配备有广域磁通量管理的充电站。图18的实施方式通过多个模块化无线充电点的协调来提供磁场平衡。充电站1801包括铺砌区域1802和景观美化区域1803。景观美化区域1803可以包含为无线充电点供电所需的电源(未示出)，并且可以通过安装护堤、线缆屏障和壁来帮助隔离和包含充电点1804在操作中时生成的磁通量。被占用的充电点1805、1806和1807生成磁通量，而不操作的充电点1804是静止的。为了使附加磁通量密度的面积最小化，可以应用预定的模型来调整操作中的充电点1805、1806和1807的相位。可以部署一个或更多个磁性天线1808，以通过如本文所描述的相消干扰来增强、监测或补充广域磁通量缓解方案。在该实施方式中，示出了单个位于中心的监测天线站1808。可以部署多个天线站，作为用于监测充电站的周边、已知附加热点或无保护行人交通区域的手段，并根据需要提供相消干扰信号。天线站可以向相应的线圈组件提供信号，用于调整磁通量密度的附加热点附近的线圈组件的电力、相位和/或频率偏移，以平衡来自相应线圈组件的充电信号，从而降低磁通量密度的附加热点处的磁通量密度。

结论

本领域技术人员将理解，本文所描述的拓扑和电路实现方法能够根据其上安装线圈组件的车辆的尺寸和特性来控制磁通量密度。

使用的示例和附图描述了几何对称的初级线圈组件和次级线圈组件的集群，其中每个线圈布置在同一平面上。为了便于描述，使用相同尺寸和共面线圈部署的使用。非对称线圈、非直线网格布置和非共面部署可以使用本文描述的原理和技术来管理磁场的产生，但是具有潜在的较低性能。

尽管上面已经描述了各种实现方式，但是应当理解，它们仅以示例而非限制的方式呈现。例如，与上述系统和方法相关联的任何元件可以采用上文中阐述的任何期望的功能。因此，优选实现方式的广度和范围不应受任何上述示例实现方式限制。

如本文中所讨论的，可以在计算系统中提供实现本文中所描述的方法的各方面的逻辑、命令或指令，所述计算系统包括关于该计算系统的任何数目的形式因素，例如台式或笔记本个人计算机，诸如平板电脑、上网本和智能电话的移动装置，客户端终端和服务器托管的机器实例等。本文中讨论的另一实施方式包括将本文中讨论的技术合并到其他形式中，包括合并到其他形式的编程逻辑、硬件配置或者专用的部件或模块，包括具有用于执行这样的技术的功能的相应装置的设备。用于实现这样的技术的功能的相应算法可以包括本文中描述的电子操作中的一些或全部的序列，或者在附图和下面的详细描述中描绘的其他方面。这样的系统和包括用于实现本文中描述的方法的指令的计算机可读介质也构成示例实施方式。

在一个实施方式中，本文所描述的有源整流器控制器1413、车辆当前充电站点控制器1428和/或车辆充电控制器1414的监测和控制功能可以以软件实现。该软件可以包括存储在本地的或联网的计算机可读介质或计算机可读存储装置(例如，一个或更多个非暂态存储器或其他类型的基于硬件的存储装置)上的计算机可执行指令。此外，这样的功能对应于模块，模块可以是软件、硬件、固件或其任意组合。根据需要可以在一个或更多个模块中执行多个功能，并且所描述的实施方式仅是示例。可以在数字信号处理器、ASIC、微处理器或在诸如个人计算机、服务器的计算机系统或其他计算机系统上操作的其他类型的处理器上执行软件，从而将这样的计算机系统转变成特定编程的机器。

如本文所描述的，示例可以包括处理器、逻辑或多个部件、模块或机制(本文中为“模块”)，或者可以在处理器、逻辑或多个部件、模块或机制(本文中为“模块”)上进行操作。模块是能够执行指定操作的有形实体(例如，硬件)，并且可以以某种方式被配置或布置。在示例中，可以以指定方式将电路布置(例如，在内部或者相对于诸如其他电路的外部实体)为模块。在示例中，一个或更多个计算机系统(例如，单机、客户端或服务器计算机系统)或一个或更多个硬件处理器的全部或部分可以由固件或软件(例如，指令、应用部分或应用)配置为这样的模块，其操作以执行指定操作。在示例中，软件可以驻留在机器可读介质上。软件在由模块的底层硬件执行时使硬件执行指定操作。

因此，术语“模块”被理解成涵盖有形硬件和/或软件实体，实体是如下实体：该实体被物理地构造、具体地配置(例如，硬连线)或临时地(例如，暂时地)配置(例如，编程)成以指定方式操作或者执行本文中描述的任何操作的部分或全部。考虑到其中模块被临时地配置的示例，模块中的每一个都无需在任何一个时刻处被实例化。例如，在模块包括使用软件配置的通用硬件处理器的情况下，该通用硬件处理器可以在不同时间处被配置为相应不同的模块。因此，软件可以将硬件处理器配置成例如在时间的一个实例处构成特定模块并且在时间的不同实例处构成不同的模块。

本领域技术人员将理解，虽然本文包括的公开内容涉及向车辆提供电力，但是应当理解，这仅是许多可能应用中的一种，并且包括非车辆应用的其他实施方式是可能的。例如，本领域技术人员将理解，存在许多非车辆感应充电应用，例如便携式消费电子装置充电器，例如用于对牙刷、蜂窝电话和其他装置充电的那些充电器(例如PowerMat^TM)。因此，这些和其他这样的应用包括在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种线圈阵列，包括以直线x-y网格图案布置的线圈组件的n×m阵列，其中，n≥1并且m≥2，每个线圈组件在充电会话期间以与邻近线圈组件的充电信号异相的频率生成充电信号，由此由线圈组件传输的充电信号与由所述邻近线圈组件传输的充电信号相消干扰，以与所述邻近线圈组件在充电期间同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。

2.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，所述线圈阵列安装在地面，并且还包括：与所述线圈阵列相关联的通信装置，所述线圈阵列从与要充电的车辆相关联的通信装置接收设置参数；以及充电站点服务器，所述充电站点服务器使用所述设置参数来设置所述线圈阵列的充电参数，由此，在充电期间的所述附加磁通量密度主要保持在所述车辆的禁止区内。

3.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，每个线圈组件由不同的电力源驱动，并且每个线圈组件传输具有确定幅度的充电信号。

4.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，由所述线圈组件传输的充电信号与由所述邻近线圈组件传输的充电信号以约180°异相。

5.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，n＝2并且m＝2，所述线圈阵列包括彼此相邻设置的第一对线圈组件和彼此相邻设置并且与所述第一对线圈组件平行的第二对线圈组件，所述第一对线圈组件和所述第二对线圈组件由相应的第一电力源和第二电力源供电，或者每个线圈组件由单独的电力源供电，其中，所述第一对线圈组件和所述第二对线圈组件中的每一个共享相同的传输频率和电力水平，但是在每对线圈组件中的所述线圈组件之间具有设定的相位差。

6.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，n＝2并且m＝2，所述线圈阵列包括彼此对角设置的第一对线圈组件和彼此对角设置并且在所述x-y方向上与所述第一对线圈组件并排的第二对线圈组件，所述第一对线圈组件和所述第二对线圈组件由相应的第一电力源和第二电力源供电，或者每个线圈组件由单独的电力源供电，其中，所述第一对线圈组件共享第一频率和电力水平，并且所述第二对线圈组件共享第二频率和电力水平，所述第一频率和所述第二频率不同，由此在充电期间每个线圈组件与在所述x-y方向上的相邻线圈组件具有设定的相位差。

7.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，n＝2并且m＝2，所述线圈阵列包括彼此并排设置的第一对线圈组件和彼此并排设置并且与所述第一对线圈组件平行的第二对线圈组件，所述第一对线圈组件和所述第二对线圈组件由相应的第一电力源和第二电力源供电，或者每个线圈组件由单独的电力源供电，其中，所述第一对线圈组件共享第一频率和电力水平，并且所述第二对线圈组件共享第二频率和电力水平，所述第一频率和所述第二频率不同，由此在充电期间每个线圈组件与在所述x-y方向上的相邻线圈组件具有设定的相位差。

8.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，n＝1并且m＝3，所述线圈阵列包括在一行中的相应的第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件，其中，所述第一线圈组件和所述第三线圈组件输出具有第一频率、相位和电力水平的第一充电信号，并且所述第二线圈组件设置在所述第一线圈组件与所述第三线圈组件之间并且输出具有所述第一频率和电力水平的第二充电信号，但是所述第二充电信号与所述第一充电信号异相。

9.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，n＝1并且m＝3，所述线圈阵列包括在一行中的相应的第一线圈组件、第二线圈组件和第三线圈组件，其中，所述第一线圈组件和所述第三线圈组件输出具有第一频率、第一相位、和第一电力水平的第一充电信号，并且所述第二线圈组件设置在所述第一线圈组件与所述第三线圈组件之间并且输出具有所述第一频率的第二充电信号，但是所述第二充电信号与所述第一充电信号异相，并且所述第二充电信号具有与所述第一电力水平不同的第二电力水平，所述第二电力水平被设置为与所述第一线圈组件、所述第二线圈组件和所述第三线圈组件输出具有相同电力水平的充电信号的附加磁通量密度相比，降低所述附加磁通量密度。

10.根据权利要求9所述的线圈阵列，其中，所述第一电力水平和所述第二电力水平被调整以将充电期间的所述附加磁通量密度成形为主要保持在所述车辆的所述禁止区内。

11.根据权利要求9所述的线圈阵列，其中，所述第一电力水平和所述第二电力水平被设置为在曲线上出现所述第一充电信号与所述第二充电信号之间的最大磁通量抵消的区域，所述曲线是所述第一线圈组件和所述第三线圈组件与所述第二线圈组件之间的电流比以及当所述第一线圈组件和所述第三线圈组件承载电流与由所述第二线圈组件承载的电流约180°异相时抵消的磁通量密度的比例的函数，所述第一电力水平和所述第二电力水平被设置为接近所述第一充电信号与所述第二充电信号之间的最小磁通量抵消具有最大比例的磁通量密度的点。

12.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，n＝2并且m＝3，所述线圈阵列包括彼此相邻设置的第一对线圈组件、彼此相邻设置的第二对线圈组件和彼此相邻设置的第三对线圈组件，每对线圈组件彼此平行并且输出具有第一频率的第一充电信号，每对线圈组件由相应的第一电力源和第二电力源供电，或者每对中的每个线圈组件由单独的电力源供电，其中，每对线圈组件的线圈组件在充电期间输出与在所述x-y方向上的相邻线圈组件具有设定相位差的充电信号。

13.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，n＝2并且m＝3，所述线圈阵列包括彼此相邻设置的第一对线圈组件、彼此相邻设置的第二对线圈组件和彼此相邻设置的第三对线圈组件，每对线圈组件彼此平行并且输出具有第一频率的第一充电信号，每对线圈组件对由相应的第一电力源和第二电力源供电，或者每对中的每个线圈组件由单独的电力源供电，其中，每对线圈组件中的第一线圈组件与每对线圈组件中的第二线圈组件具有设定的相位差，并且其中，每对线圈组件的线圈组件输出与由相邻的一对线圈组件的相邻线圈组件输出的充电信号具有相同相位的充电信号。

14.根据权利要求1所述的线圈阵列，其中，在充电会话期间，每个线圈组件以充电信号与相邻线圈组件的充电信号在25°与180°之间异相的频率生成充电信号。

15.一种无线电力传送系统，包括：

车辆线圈阵列，其包括以直线x-y网格图案布置的车辆线圈组件的n×m阵列，其中，n≥1并且m≥2，每个车辆线圈组件在充电会话期间以与相邻车辆线圈组件的充电信号异相的频率接收充电信号，由此由每个车辆线圈组件接收的充电信号与由在所述x-y方向上的相邻车辆线圈组件接收的充电信号相消干扰，以与在充电期间在所述x-y方向上的所述相邻车辆线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度；以及

地面线圈阵列，其包括以直线x-y网格图案布置的线圈组件的r×s阵列，其中，r≥n并且s≥m，每个地面线圈组件以所述频率生成所述充电信号，由此所述充电信号在充电会话期间与相邻地面线圈组件的充电信号异相，并且由此由每个地面线圈组件生成的充电信号与由在所述x-y方向上的相邻地面线圈组件生成的充电信号相消干扰，以与在充电期间在所述x-y方向上的所述相邻地面线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。

16.根据权利要求15所述的无线电力传送系统，其中，所述地面线圈阵列检测车辆线圈组件何时不操作，并且仅激活与操作的车辆线圈组件对准的所述地面线圈组件来发送充电信号。

17.根据权利要求15所述的无线电力传送系统，还包括数据存储库，所述数据存储库能够由所述车辆线圈阵列或所述地面线圈阵列中的至少一个在充电会话期间访问，以访问每个车辆线圈组件的默认和历史测量的充电配置文件，所述充电配置文件包括用于在所述充电会话期间设置充电参数的频率响应和充电模型。

18.根据权利要求17所述的无线电力传送系统，其中，所述充电配置文件包括以下中的至少一者：车辆线圈组件频率偏移；所述地面线圈组件的品牌、型号和制造商；车辆线圈组件的数目；所述车辆线圈组件的定位；所述车辆线圈组件的最小和最大电流以及电压支持；所述车辆线圈组件的健康状态；所述车辆线圈组件的温度限制；所述车辆线圈组件的温度读数；或者所述车辆线圈组件的冷却可用性。

19.根据权利要求17所述的无线电力传送系统，其中，所述地面线圈阵列从要充电的车辆的所述充电配置文件中获得所述要充电的车辆的车辆线圈组件的数目和位置，并且为了发送充电信号，从所述线圈组件的r×s阵列中选择与所述要充电的车辆的所述车辆线圈组件的数目和位置对应的地面线圈组件的图案。

20.根据权利要求17所述的无线电力传送系统，其中，所述数据存储库还存储所述地面线圈组件的充电参数，所述充电参数包括基于对准的车辆线圈组件或车辆线圈组件对的每个地面线圈组件或地面线圈组件对的磁信号特征。

21.根据权利要求20所述的无线电力传送系统，其中，所述地面线圈组件的充电参数包括充电会话期间的瞬时电力水平、充电信号频率、频率漂移、信号相位偏移或标称线圈间间隙中的至少一者。

22.根据权利要求20所述的无线电力传送系统，其中，所述地面线圈组件的充电参数包括电力可用性、环境因素、或地面线圈组件条件中的至少一者，所述地面线圈组件条件包括内部温度、使用、每个地面线圈组件的线圈数目、每个地面线圈组件的匝数或者所述地面线圈组件是表面安装还是齐平安装中的至少一者。

23.根据权利要求20所述的无线电力传送系统，其中，所述地面线圈组件的充电参数包括以下中的至少一者：所述地面线圈组件的品牌、型号和制造商；所述地面线圈组件的自主对准能力；所述地面线圈组件的最小和最大电流以及电压支持；所述地面线圈组件可用的通信协议；或者所述地面线圈组件的通信带宽。

24.一种无线电力传送系统，包括：

车辆线圈阵列，其包括以直线x-y网格图案布置的车辆线圈组件的n×m阵列，其中，n≥1并且m≥2，每个车辆线圈组件以一定频率生成充电信号，由此所述充电信号在充电会话期间与相邻车辆线圈组件的充电信号异相，并且由此由每个车辆线圈组件生成的充电信号与由在所述x-y方向上的相邻车辆线圈组件生成的充电信号相消干扰，以与在充电期间在所述x-y方向上的所述相邻车辆线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度；以及

地面线圈阵列，其包括以全等的直线x-y网格图案布置的地面线圈组件的r×s阵列，其中，r≥n并且s≥m，每个地面线圈组件以所述频率接收所述充电信号，由此所述充电信号在充电会话期间与相邻地面线圈组件的充电信号异相，并且由此由每个地面线圈组件接收的充电信号与由在所述x-y方向上的相邻地面线圈组件接收的充电信号相消干扰，以与在充电期间在所述x-y方向上的所述相邻地面线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。

25.一种无线电力传送系统，包括：

地面线圈阵列，其包括以直线x-y网格图案布置的地面线圈组件的n×m阵列，其中，n≥1并且m≥2，每个地面线圈组件以一定频率生成充电信号，由此所述充电信号在充电会话期间与相邻地面线圈组件的充电信号异相，并且由此由每个地面线圈组件生成的充电信号与由在所述x-y方向上的相邻地面线圈组件生成的充电信号相消干扰，以与在充电期间在所述x-y方向上的所述相邻地面线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度；以及

车辆线圈阵列，其包括以直线x-y网格图案布置的车辆线圈组件的r×s阵列，其中，r≥n并且s≥m，每个车辆线圈组件以所述频率接收所述充电信号，由此所述充电信号在充电会话期间与相邻车辆线圈组件的充电信号异相，并且由此由每个车辆线圈组件接收的充电信号与由在所述x-y方向上的相邻车辆线圈组件接收的充电信号相消干扰，以与在充电期间在所述x-y方向上的所述相邻车辆线圈组件同相的附加磁通量密度相比，降低充电期间的附加磁通量密度。

26.一种电动车辆充电系统，包括：

多个线圈阵列，每个线圈阵列包括以设定频率生成充电信号的至少一个线圈组件；

至少一个传感器，其测量由所述线圈阵列生成的充电信号生成的总磁通量；以及

装置，其用于识别磁通量密度的附加热点以及用于调整在所述磁通量密度的附加热点附近的所述线圈阵列中的至少一个的电力、相位和频率偏移中的至少一个，以降低所述磁通量密度的附加热点处的磁通量密度。

27.一种对电动车辆进行充电的方法，包括：

充电点和所述电动车辆彼此发起通信；

所述充电点从所述电动车辆接收用于设置所述充电点以对所述电动车辆进行充电的设置数据，所述设置数据包括所述电动车辆的制造商、所述电动车辆的型号或禁止区中的至少一者；以及

所述充电点基于所述设置数据激活地面初级线圈和所激活的地面初级线圈的相关联的电力水平，以产生具有主要保持在所述禁止区内的磁通量密度的充电信号。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括使用所述电动车辆的制造商或型号中的至少一者来在数据库中查找要激活哪个地面初级线圈以及所激活的地面初级线圈的电力水平。

29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述充电点根据如从所接收的设置数据确定的所述电动车辆的所述次级线圈的确定布局来激活所述地面初级线圈。

30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述充电点根据需要基于所述设置数据来调整所述充电信号的参数，以将由所述充电信号生成的磁通量主要适配在所述禁止区内。

31.根据权利要求27所述的方法，其中，所述充电点和所述电动车辆彼此发起通信包括：所述充电点在处于待机状态时发射感应通信信标并且从所述电动车辆接收响应，以确定所述电动车辆正在接近所述充电点。