在低电磁发射的无线功率传递系统中的线圈布置的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体来说涉及无线功率传递，且更具体地说，涉及与无线功率传递到远端 系统（例如包含电池的车辆）有关的装置、系统和方法。更明确地说，本发明涉及无线功率 传递系统中的感应线圈的线圈布置。
【背景技术】
[0002] 已引进例如车辆的远端系统，其包含得自接收自例如电池的能量存储装置的电的 运转功率。例如，混合电动车辆包含使用来自车辆制动的功率的车载充电器和用以对车辆 充电的传统马达。仅为电动的车辆大体从其它源接收电以用于对电池充电。电池型电动车 辆（电动车辆）常常被提议通过某一类型的有线交流电（AC)(例如家用或商用AC电源）来 充电。有线充电连接需要电缆或物理连接到电力供应器的其它类似的连接器。电缆和类似 的连接器可能有时不方便或麻烦且具有其它缺陷。能够在自由空间中传递功率（例如，经 由无线场）以用于对电动车辆充电的无线充电系统可克服有线充电解决方案的一些缺点。 因而，需要高效且安全地传递功率以用于对电动车辆充电的无线充电系统和方法。
【发明内容】
[0003] 在所附权利要求书的范围内的系统、方法和装置的各种实施方案主张各自具有若 干方面，所述方面中没有单一一个方面单独地负责本文中所描述的所要属性。在不限制所 附权利要求书的范围的情况下，本文中描述一些显著特征。
[0004] 本说明书中所描述的标的的一或多个实施方案的细节在随附图式和以下描述中 予以阐述。其它特征、方面和优点将从所述描述、所述图式和权利要求书而变得显而易见。 应注意，以下诸图的相对尺寸可能未按比例绘制。
[0005] 本发明中所描述的标的的一个方面提供一种用于无线地传送功率的设备。所述设 备包含经配置以经由磁场来无线地接收功率的第一导电结构。第一导电结构具有大于宽度 的长度。第一导电结构包含分别封闭第一区和第二区的第一环和第二环。第一环具有第一 下表面且第二环具有第二下表面，所述第一下表面与所述第二下表面实质上共平面。第一 导电结构具有各自沿第一导电结构的长度而与第一几何线相交的第一边缘和第二边缘。所 述设备进一步包含第二导电结构，所述第二导电结构定位于第一导电结构与磁性材料之间 且经配置以经由磁场来无线地接收功率。第二导电结构包含封闭第三区的第三环。第二导 电结构具有大于宽度的长度。第二导电结构的长度实质上至少等于沿第一几何线的在第一 导电结构的第一边缘与第二边缘之间的距离。
[0006] 本发明中所描述的标的的另一方面提供一种无线地传送功率的方法的实施方案。 所述方法包含经由第一导电结构经由磁场来无线地接收功率。第一导电结构具有大于宽度 的长度。第一导电结构包含分别封闭第一区和第二区的第一环和第二环。第一环具有第一 下表面且第二环具有第二下表面，所述第一下表面与所述第二下表面实质上共平面。第一 导电结构具有各自沿第一导电结构的长度而与几何线相交的第一边缘和第二边缘。所述方 法进一步包含经由定位于第一导电结构与磁性材料之间的第二导电结构来无线地接收功 率。第二导电结构封闭第三区。第二导电结构具有大于宽度的长度。第二导电结构的长度 实质上至少等于沿几何线的在第一导电结构的第一边缘与第二边缘之间的距离。
[0007] 本发明中所描述的标的的又一方面提供一种用于无线地接收传送功率的设备。所 述设备包含用于经由磁场来无线地接收功率的第一装置。第一接收装置具有大于宽度的长 度。第一接收装置包含分别封闭第一区和第二区的第一环和第二环。第一环具有第一下表 面且第二环具有第二下表面，所述第一下表面与所述第二下表面实质上共平面。第一接收 装置具有各自沿第一接收装置的长度而与几何线相交的第一边缘和第二边缘。所述设备进 一步包含用于经由磁场来无线地接收功率且定位于第一接收装置与磁性材料之间的第二 装置。第二接收装置封闭一第三区。第二接收装置具有大于宽度的长度。第二接收装置的 长度实质上至少等于沿几何线的在第一接收装置的第一边缘与第二边缘之间的距离。
[0008] 本发明中所描述的标的的另一方面提供一种用于无线地传送功率的设备。所述设 备包含经配置以输出时变信号的传输电路。所述设备进一步包含导电结构，所述导电结构 经配置以接收时变信号和在足以无线地传递功率以用于对接收器装置供电或充电的电平 下产生电磁场。导电结构具有具有宽度a和长度a+b的矩形形状因数，且其中a除以b实 质上等于a+b除以a。
[0009] 本发明中所描述的标的的另一方面提供一种无线地传送功率的方法的实施方案。 所述方法包含从传输电路输出时变信号。所述方法进一步包含接收时变信号，且在导电结 构处在足以无线地传递功率以用于对接收器装置供电或充电的电平下产生电磁场，所述导 电结构具有具有宽度a和长度a+b的矩形形状因数，且其中a除以b实质上等于a+b除以 B 〇
[0010] 本发明中所描述的标的的另一方面提供一种无线地传送功率的设备。所述设备包 含用于输出时变信号的装置。所述设备进一步包含用于基于时变信号来产生电磁场的装 置。所述电磁场处于足以无线地传递功率以用于对接收器装置供电或充电的电平。产生装 置具有具有宽度a和长度a+b的矩形形状因数，且其中a除以b实质上等于a+b除以a。
[0011] 本发明中所描述的标的的另一方面提供一种用于无线地传送功率的设备。所述设 备包含第一导电结构，所述第一导电结构经配置以在足以对负载供电或充电的电平下经由 第一电磁场来无线地发射或接收功率。第一导电结构包含封闭第一区的第一环。所述设备 进一步包含第二导电结构，所述第二导电结构经配置以经由在足以对负载供电或充电的电 平下经由第二电磁场来无线地发射或接收功率。第二导电结构定位于第一区内部且实质上 与第一导电结构共平面。第二导电结构包含分别封闭第二区和第三区的第二环和第三环。 第二环具有第二下表面且第三环具有第三下表面，所述第二下表面与所述第三下表面实质 上共平面。
[0012] 本发明中所描述的标的的另一方面提供一种无线地传送功率的方法的实施方案。 所述方法包含在第一导电结构处在足以对负载供电或充电的电平下经由第一电磁场来无 线地发射或接收功率。第一导电结构包含封闭第一区的第一环。所述方法进一步包含在第 二导电结构处在足以对负载供电或充电的电平下经由第二电磁场来无线地发射或接收功 率。第二导电结构定位于第一区内部且实质上与第一导电结构共平面。第二导电结构包含 分别封闭第二区和第三区的第二环和第三环。第二环具有第二下表面且第三环具有第三下 表面，所述第二下表面与所述第三下表面实质上共平面。
[0013] 本发明中所描述的标的的另一方面提供一种用于无线地传送功率的设备。所述设 备包含第一装置，所述第一装置用于在足以对负载供电或充电的电平下经由第一电磁场来 无线地发射或接收功率。第一装置包含封闭第一区的第一环。所述设备进一步包含第二装 置，所述第二装置用于在足以对负载供电或充电的电平下经由第二电磁场来无线地发射或 接收功率。第二装置定位于第一区内部且实质上与第一装置共平面。第二装置包含分别封 闭第二区和第三区的第二环和第三环。第二环具有第二下表面且第三环具有第三下表面， 所述第二下表面与所述第三下表面实质上共平面。
【附图说明】
[0014] 图1为根据示范性实施例的用于对电动车辆充电的示范性无线功率传递系统的 图。
[0015] 图2为图1的无线功率传递系统的示范性组件的示意图。
[0016] 图3为包含基底垫片和车辆垫片的示范性实施例的感应式功率传递系统的俯视 图和剖面图。
[0017] 图4为根据图3的垫片的实施例的曲线，其说明作为X和y方向上的对准偏移的 函数的耦合系数k的示范性值。
[0018] 图5为根据图3的垫片的实施例的曲线，其说明作为X和y方向上的偏移的函数 的初级电流变化的示范性值。
[0019] 图6为根据一实施例的充电系统的透视图，所述充电系统包含布置于基底垫片上 方的车辆垫片。
[0020] 图7为根据一实施例的包含基底垫片和车辆垫片的示范性实施例的感应式功率 传递系统的俯视图和剖面图。
[0021] 图8为作为图7的基底垫片和车辆垫片的对准偏移的函数的初级电流变化的示范 性值的曲线。
[0022] 图9为根据一实施例的包含基底垫片和车辆垫片的示范性感应式功率传递系统 的俯视图和剖面图。
[0023] 图10为根据图7和9的垫片的曲线，其说明作为X和y方向上的对准偏移的函数 的耦合系数k的示范性值。
[0024] 图11为作为图9的基底垫片和车辆垫片的对准偏移的函数的初级电流变化的示 范性值的曲线。
[0025] 图12A、12B和12C为根据图9的垫片的示范性垫片的图，其展示Q线圈和DD线圈 的示范性电流配置。
[0026] 图13为根据一实施例的无线功率传递垫片的示范性实施例的俯视图和剖面图。
[0027] 图14为根据一实施例的另一示范性无线功率传递垫片的俯视图和剖面图。
[0028] 图15A为根据一实施例的包含基底垫片和车辆垫片的示范性感应式功率传递系 统的俯视图和剖面图。
[0029] 图15B为根据一实施例的可用于感应式功率传递系统中的示范性车辆垫片的俯 视图和剖面图。
[0030] 图16为根据一实施例的包含基底垫片和车辆垫片的另一示范性感应式功率传递 系统的俯视图和剖面图。
[0031] 图17展示根据一实施例的图9的感应式功率传递系统，其具有用于对基底垫片和 车辆垫片标注尺寸以达成选定的对准容限的信息。
[0032] 图18展示图9的车辆垫片在图9的'圆角矩形'基底垫片上方的对准情况。
[0033] 图19为根据一实施例的图9的不范性基底塾片的俯视图。
[0034] 图20为根据一实施例的图9的示范性车辆垫片的俯视图和剖面图。
[0035] 图21A和21B为说明当图20的车辆垫片对准于图19的基底垫片上方时感应式功 率传递系统的对准容限的图。
[0036] 图22A为作为水平偏移（y方向）的函数的在两个不同示范性垫片高度的示范性 耦合系数k的曲线，其说明系统水平对准容限。
[0037] 图22B为作为垂直偏移（X方向）的函数的在两个不同示范性垫片高度的示范性 耦合系数k的曲线，其说明系统垂直对准容限。
[0038] 图23为展示图1的无线功率传递系统的示范性核心组件和辅助组件的另一功能 框图。
[0039] 图24为根据一实施例的无线地传送功率的方法的实施方案的流程图。
[0040]图25为根据一示范性实施例的无线功率接收器的功能框图。
[0041]图式中所说明的各种特征可能未按比例绘制。因此，为清楚起见，可任意扩大或缩 小各种特征的尺寸。另外，一些图式可能未描绘给定系统、方法或装置的所有组件。最后， 相似参考数字可用以贯穿说明书和诸图表示相似特征。
【具体实施方式】
[0042] 下文结合所附图式而阐述的详细描述希望作为示范性实施例的描述而并不希望 表示可实践本发明的唯一实施例。贯穿此描述所使用的术语"示范性"意谓"充当实例、例 子或说明"，且未必应被解释为相比其它示范性实施例优选或有利。为了提供对示范性实施 例的透彻理解，所述详细描述包含特定细节。所属领域的技术人员应显而易见，可在无这些 特定细节的情况下实践示范性实施例。在一些例子中，以框图形式展示众所周知结构和装 置以便避免混淆本文中所呈现的示范性实施例的新颖性。
[0043] 无线地传递功率可指在不使用物理电导体的情况下将与电场、磁场、电磁场或其 它者相关联的任何形式的能量从发射器传递到接收器（例如，可经由自由空间来传递功 率）。到无线场（例如，磁场）中的功率输出可由"接收线圈"加以接收、俘获或耦合以达成 功率传递。
[0044] 本文中使用电动车辆来描述远端系统，远端系统的实例为包含（作为其运转能力 的部分）得自可充电的能量存储装置（例如，一或多个可再充电电化学电池或其它类型的 电池）的电功率的车辆。作为非限制性实例，一些电动车辆可为混合电动车辆，除电动马达 之外，所述混合电动车辆包含用于直接运转或用以对车辆的电池充电的传统内燃机。其它 电动车辆可从电功率吸取所有运转能力。电动车辆并不限于汽车而是可包含机车、搬运车、 小型机车和其类似者。通过实例且非限制，本文中以电动车辆（EV)的形式来描述远端系 统。此外，也预期可使用可充电的能量存储装置而被至少部分地供电的其它远端系统（例 如，例如个人计算装置和其类似者的电子装置）。
[0045] 图1为根据示范性实施例的用于对电动车辆112充电的示范性无线功率传递系统 100的图。当电动车辆112停放于基底无线充电系统102a附近时，无线功率传递系统100 实现对电动车辆112充电。说明了在停车场中的用于待停放于相应的基底无线充电系统 102a和102b上方的两辆电动车辆的空间。在一些实施例中，区域分配中心130可连接到 功率主干线132,且经配置以经由功率链路110将交流电（AC)或直流电（DC)供电提供到 基底无线充电系统l〇2a。基底无线充电系统102a也包含用于无线地传递或接收功率的基 底系统感应线圈104a。电动车辆112可包含电池单元118、电动车辆感应线圈116和电动 车辆无线充电系统114。电动车辆感应线圈116可（例如）经由由基底系统感应线圈104a 所产生的电磁场的区域来与基底系统感应线圈l〇4a相互作用。
[0046] 在一些示范性实施例中，当电动车辆感应线圈116位于由基底系统感应线圈104a 所产生的能量场中时，电动车辆感应线圈116可接收功率。所述场对应于其中可由电动车 辆感应线圈116俘获由基底系统感应线圈104a所输出的能量的区域。在一些状况下，所述 场可对应于基底系统感应线圈104a的"近场"。近场可对应于其中存在由基底系统感应线 圈104a中的电流和电荷产生的强反应场的区域，所述强反应场不将功率辐射远离基底系 统感应线圈l〇4a。在一些状况下，近场可对应于在基底系统感应线圈104a的约1/2 π波长 内的区域（且对于电动车辆感应线圈116来说反的也然），如下文将予以进一步描述。
[0047] 区域分配1130可经配置以经由通信回程134而与外部源（例如，电网）通信且经 由通信链路108而与基底无线充电系统102a通信。
[0048] 在一些实施例中，电动车辆感应线圈116可与基底系统感应线圈104a对准，且因 此仅通过驾驶员相对于基底系统感应线圈104a来正确地定位电动车辆112便可安置于近 场区域内。在其它实施例中，可给予驾驶员视觉回馈、听觉回馈或其组合以确定电动车辆 112何时被恰当地放置以用于达成无线功率传递。在又其它实施例中，可通过自动驾驶仪 系统来定位电动车辆112,所述自动驾驶仪系统可来回移动电动车辆112(例如，呈Z字形 移动）直到对准误差已达到容许值。此可在无驾驶员干涉的情况下或在具有仅最少驾驶员 干涉的情况下（只要电动车辆112配备有伺服方向盘、超音波传感器和智能设备以调整车 辆）由电动车辆112自动地和自主地执行。在其它实施例中，电动车辆感应线圈116、基底 系统感应线圈104a或其组合可具有用于使所述感应线圈116和104a相对于彼此移位和移 动以更精确地定向其并在其间逐渐形成更高效的親合的功能性。
[0049] 基底无线充电系统102a可位于多种位置中。作为非限制性实例，一些合适位置包 含在电动车辆112所有者的家中的停车场、为模仿常规的基于石油的加油站的电动车辆无 线充电而保留的停车场和在例如购物中心和就业场所的其它位置的停车坪。
[0050] 对电动车辆无线地充电可提供众多益处。例如，可在实际上无驾驶员干涉和操纵 的情况下自动地执行充电，由此改善对用户的便利性。也可不存在暴露的电接点且无机械 磨损，由此改善无线功率传递系统100的可靠性。可能不需要对电缆和连接器的操纵，且可 不存在可在室外环境中暴露于湿气和水的电缆、插头或插座，由此改善安全性。也可不存在 看得见或可接近的插座、电缆和插头，由此减少对功率充电装置的潜在破坏行为。另外，由 于可将电动车辆112用作分配式存储装置以