用于无线电力传递中的双态阻抗转换的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体上涉及无线电力传递，且更具体来说，涉及与改变逆变器输出电流与 逆变器桥接电压的比率相关的装置、系统及方法。
【背景技术】
[0002] 已引进例如车辆的远程系统，其包含从自例如电池的能量存储装置接收的电得到 的移动电力。举例来说，混合电动车辆包含使用来自车辆制动的电力的机载充电器及对车 辆充电的传统马达。仅为电动的车辆通常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)常常被提议经由某一类型的有线交流电(AC)(例如，家用或商用AC电力)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连接器。电缆及类似连 接器可有时不方便或麻烦且具有其它缺点。能够在自由空间中传递电力（例如，经由无线 场）以用以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不足。
[0003] 在某一设计中，电动车辆可经配置以通过有线电力供应器及无线电力供应器两者 接收电荷。各种双源电动车辆可交替地或同时接收有线及无线电力。由此，需要高效地及有 效地促进有线及无线电力的接收、调节及存储的无线充电系统及方法。
【发明内容】
[0004] 在所附权利要求书的范围内的系统、方法及装置的各种实施方案各自具有若干方 面，所述方面中无单一一个方面单独地负责本文中所描述的合乎需要的属性。在不限制所 附权利要求书的范围的情况下，本文中描述一些重要特征。
[0005] 本说明书中所描述的目标物的一或多个实施方案的细节在附图及以下描述中予 以阐述。其它特征、方面及优点将从所述描述、所述图式及权利要求书而变得显而易见。应 注意，以下各图的相对尺寸可能未按比例绘制。
[0006] 一个方面提供一种无线电力发射器。所述无线电力发射器包含发射天线，所述发 射天线经配置以在第一和第二配置两者中产生用于无线发射电力的场。所述无线电力发射 器进一步包含第一电容器。所述无线电力发射器进一步包含至少一个开关，所述至少一个 开关经配置以在所述第一和第二配置中的一者中选择性地连接所述第一电容器。所述第一 电容器可在所述第一配置中与所述发射天线串联且在所述第二配置中与所述发射天线并 联。
[0007] 在一实施例中，所述无线电力发射器可进一步包含与所述发射天线并联的第二电 容器。所述第一电容器可在第一配置中与所述第二电容器并联且在所述第二配置中与所述 第二电容器串联。在一实施例中，所述无线电力发射器可进一步包含与所述至少一个开关 串联的第三电容器。在一实施例中，所述第三电容器可经配置以补偿存在于第一配置中的 额外电抗性载荷。
[0008] 在一实施例中，所述至少一个开关可不是谐振路径的部分。在一实施例中，所述至 少一个开关可经配置以基于发射天线与接收器之间的耦合而在所述第一和第二配置中的 一者中选择性地连接所述第一电容器。在一实施例中，所述无线电力发射器可进一步包含 至少一个处理器，所述至少一个处理器经配置以测量所述发射天线与所述接收器之间的耦 合且将所述耦合与阈值进行比较。
[0009]在一实施例中，所述无线电力发射器可进一步包含多抽头变压器，其经配置以在 第一配置中在第一匝比下操作且在第二配置中在第二匝比下操作。所述第一匝比可高于所 述第二匝比。
[0010]另一方面提供一种在无线电力发射器中发射无线充电电力的方法。所述方法包含 在发射天线处在第一和第二配置两者中产生用于无线发射电力的场。所述方法进一步包含 在所述第一和第二配置中的一者中选择性地连接第一电容器。所述第一电容器在所述第一 配置中与所述发射天线串联且在所述第二配置中与所述发射天线并联。
[0011] 在一实施例中，所述方法可进一步包含使第一电容器在所述第一配置中与所述第 二电容器并联连接且在所述第二配置中与所述第二电容器串联连接。所述第二电容器可与 所述发射天线并联。在一实施例中，所述无线电力发射器可包含与至少一个开关串联的第 三电容器。在一实施例中，所述第三电容器可经配置以补偿存在于第一配置中的额外电抗 性载荷。
[0012] 在一实施例中，连接可经由至少一个开关可不是谐振路径的部分。在一实施例中， 所述方法可进一步包含基于发射天线与接收器之间的耦合而在所述第一和第二配置中的 一者中选择性地连接所述第一电容器。在一实施例中，所述方法可进一步包含测量所述发 射天线与所述接收器之间的耦合且将所述耦合与阈值进行比较。
[0013] 在一实施例中，所述方法可进一步包含配置多抽头变压器以在第一配置中在第一 匝比下操作且在第二配置中在第二匝比下操作。所述第一匝比可高于所述第二匝比。
[0014] 另一方面提供一种用于发射无线充电电力的设备。所述设备包含第一电容器。所 述设备进一步包含用于在第一和第二配置两者中产生用于无线发射电力的场的装置。所述 设备进一步包含用于在所述第一和第二配置中的一者中选择性地连接第一电容器的装置。 所述第一电容器在所述第一配置中与所述用于产生的装置串联且在所述第二配置中与所 述用于产生的装置并联。
[0015] 在一实施例中，所述设备可进一步包含第二电容器及用于使第一电容器在所述第 一配置中与第二电容器并联连接且在所述第二配置中与所述第二电容器串联连接的装置。 所述第二电容器可与所述用于产生的装置并联。在一实施例中，所述设备可进一步包含与 所述用于连接的装置串联的第三电容器。在一实施例中，所述第三电容器可经配置以补偿 存在于第一配置中的额外电抗性载荷。
[0016] 在一实施例中，所述用于连接的装置可不是谐振路径的部分。在一实施例中，所述 设备可进一步包含用于基于发射天线与接收器之间的耦合而在所述第一和第二配置中的 一者中选择性地连接所述第一电容器的用于连接的装置。在一实施例中，所述设备可进一 步包含用于测量所述发射天线与所述接收器之间的耦合的用于连接的装置及将所述耦合 与阈值进行比较的用于连接的装置。
[0017] 在一实施例中，所述设备可进一步包含配置多抽头变压器，其经配置以在第一配 置中在第一匝比下操作且在第二配置中在第二匝比下操作。所述第一匝比可高于所述第二 匝比。
[0018] 另一方面提供一种非暂时性计算机可读媒体，其包含在被执行时致使设备在发射 天线处在第一和第二配置两者中产生用于无线发射电力的场的代码。所述媒体进一步包含 在被执行时致使所述设备在所述第一和第二配置中的一者中选择性地连接第一电容器的 代码。所述第一电容器在所述第一配置中与所述发射天线串联且在所述第二配置中与所述 发射天线并联。
[0019] 在一实施例中，所述媒体可进一步包含在被执行时致使所述设备在所述第一配置 中使第一电容器与所述第二电容器并联连接且在所述第二配置中与所述第二电容器串联 连接的代码。所述第二电容器可与所述发射天线并联。在一实施例中，所述设备可包含与至 少一个开关串联的第三电容器。在一实施例中，所述第三电容器可经配置以补偿存在于第 一配置中的额外电抗性载荷。
[0020] 在一实施例中，连接可经由不是谐振路径的部分的至少一个开关。在一实施例中， 所述媒体可进一步包含在被执行时致使所述设备基于发射天线与接收器之间的耦合而在 所述第一和第二配置中的一者中选择性地连接所述第一电容器的代码。在一实施例中，所 述媒体可进一步包含在被执行时致使所述设备测量所述发射天线与所述接收器之间的耦 合且将所述耦合与阈值进行比较的代码。
[0021 ]在一实施例中，所述媒体可进一步包含在被执行时致使所述设备配置多抽头变压 器以在第一配置中在第一匝比下操作且在第二配置中在第二匝比下操作的代码。所述第一 匝比可高于所述第二匝比。
【附图说明】
[0022]图1为根据本发明的示范性实施例的用于给电动车辆充电的示范性无线电力传递 系统的图。
[0023]图2是图1的无线电力传递系统的示范性组件的示意图。
[0024]图3是展示图1的无线电力传递系统的示范性核心组件和辅助组件的另一功能框 图。
[0025]图4是展示根据本发明的示例性实施例的安置于电动车辆中的可更换无触点电池 的功能框图。
[0026]图5A、5B、5C和5D是根据本发明的示例性实施例的用于感应线圈及铁氧体材料相 对于电池的放置的示范性配置的图。
[0027] 图6为展示根据本发明的示范性实施例的可用于对电动车辆进行无线充电的示范 性频率的频谱的图表。
[0028] 图7为展示根据本发明的示范性实施例的可用于对电动车辆进行无线充电的示范 性频率及发射距离的图表。
[0029] 图8是根据一个实施例的底座无线充电系统的示意图。
[0030]图9A是根据一个实施例的并联配置中的底座无线充电系统的示意图。
[0031] 图9B是根据一个实施例的并联配置中的底座无线充电系统的等效电路的示意图。
[0032] 图10A是根据一个实施例的部分串联配置中的底座无线充电系统示意图。
[0033]图10B是根据一个实施例的部分串联配置中的底座无线充电系统的等效电路的示 意图。
[0034] 图11是展示逆变器输出电流对失调的量的图表。
[0035] 图12A是根据一个实施例的另一底座无线充电系统的示意图。
[0036] 图12B是根据一个实施例的并联配置中的底座无线充电系统的等效电路的示意 图。
[0037] 图12C是根据一个实施例的部分串联配置中的底座无线充电系统的等效电路的示 意图。
[0038] 图13是根据一个实施例的具有多抽头变压器的另一底座无线充电系统的示意图。
[0039] 图14是根据一个实施例的并联配置中的具有多抽头变压器的底座无线充电系统 的示意图。
[0040] 图15是根据一个实施例的部分串联配置中的具有多抽头变压器的底座无线充电 系统的不意图。
[0041] 图16是无线电力发射的示范性方法的流程图。
[0042]图17是根据本发明的实施例的用于发射无线充电电力的设备的功能框图。
[0043] 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本说明书及各图表示相似特征。
【具体实施方式】
[0044] 下文结合附图而阐述的详细描述意欲作为示范性实施例的描述，而并不意欲表示 其中可实践本发明的仅有实施例。遍及此描述所使用的术语"示范性"是指"充当实例、例子 或说明"，且未必应被解释为比其它示范性实施例优选或有利。为了提供对本发明的示范性 实施例的透彻理解，详细描述包含特定细节。在一些例子中，以框图形式展示一些装置。
[0045] 无线地传递电力可指将与电场、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，而不使用物理电导体(例如，可通过自由空间来传递电力）。输出到 无线场(例如，磁场）中的电力可由"接收线圈"接收、俘获或耦合以实现电力传递。
[0046] 电动车辆在本文中用以描述远程系统，远程系统的实例为包括从可充电能量存储 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)得到的电力作为其运动能力 的部分的车辆。作为非限制性实例，一些电动车辆可为除了电动马达以外还包含用于直接 运动或对车辆的电池进行充电的传统内燃机的混合电动车辆。其它电动车辆可从电力汲取 所有运动能力。电动车辆不限于汽车，且可包含摩托车、手推车、小型摩托车，及其类似者。 举例来说而非限制，本文描述呈电动车辆(EV)形式的远程系统。此外，还预期可使用可充电 能量存储装置而至少部分地供电的其它远程系统(例如，例如个人计算装置等电子装置及 其类似者）。
[0047] 图1为根据本发明的一示范性实施例的用于对电动车辆112充电的示范性无线电 力传递系统1〇〇的图。当电动车辆112停车于底座无线充电系统102a附近时，无线电力传递 系统100实现电动车辆112的充电。说明了在停车区中用于待停车于对应的底座无线充电系 统102a及102b上方的两个电动车辆的空间。在一些实施例中，区域分配中心130可连接到电 力主干132且经配置以经由电力链路110将交流(AC)或直流(DC)供电提供到底座无线充电 系统102a。底座无线充电系统102a还包含用于无线地传递或接收电力的基本系统感应线圈 104a及天线136。电动车辆112可包含电池单元118、电动车辆感应线圈116、电动车辆无线充 电系统114,及天线140。电动车辆感应线圈116可(例如)经由由底座系统感应线圈104a所产 生的电磁场的区域来与底座系统感应线圈104a相互作用。
[0048] 在一些示范性实施例中，当电动车辆感应线圈116位于由底座系统感应线圈104a 所产生的能量场中时，电动车辆感应线圈116可接收电力。所述场对应于可由电动车辆感应 线圈116俘获由底座系统感应线圈104a所输出的能量的区域。举例来说，由底座系统感应线 圈104a输出的能量可处于足以对电动车辆112充电或供电（例如，足以对电池单元118充电） 的水平。在一些状况下，所述场可对应于底座系统感应线圈l〇4a的"近场"。近场可对应于存 在由底座系统感应线圈l〇4a中的电流及电荷产生的强反应场的区域，所述强反应场不远离 底座系统感应线圈l〇4a辐射电力。在一些状况下，近场可对应于在底座系统感应线圈104a 的约1/2JI波长内的区域(且对于电动车辆感应线圈116来说，反之亦然），如将在下文进一步 描述。
[0049 ] 地区配电中心130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而与底座无线充电系统102a通信。
[0050] 底座无线充电系统102a及102b可经配置以经由天线136及138而与电动车辆无线 充电系统114通信。举例来说，无线充电系统102a可使用天线138与140之间的通信信道而与 电动车辆无线充电系统114通信。所述通信信道可为任何类型的通信信道，例如，蓝牙、 zigbee、蜂窝式、无线局域网(WLAN)，等等。在各种实施例中，底座无线充电系统102a及102b 可包含本文中分别相对于图8、9、10、12及13描述的底座无线充电系统802、902六、1002八、 1202A及/或1302中的任一者。
[0051 ] 在一些实施例中，电动车辆感应线圈116可与底座系统感应线圈104a对准，且因此 由司机简单地安置于近场区内，从而相对于底座系统感应线圈l〇4a而正确地定位电动车辆 112。在其它实施例中，可给予司机视觉反馈、听觉反馈或其组合，以确定电动车辆112何时 被恰当地放置以用于无线电力传递。在又其它实施例中，电动车辆112可通过自动驾驶系统 定位，所述自动驾驶系统可将电动车辆112来回移动(例如，呈Z字形移动)直到对准误差已 达到可容许值为止。此可在无司机干涉的情况下或在仅具有最小司机干涉的情况下（前提 是电动车辆112配备有伺服方向盘、超声波传感器及智能以调整车辆）由电动车辆112自动 地及自主地执行。在仍其它实施例中，电动车辆感应线圈116、底座系统感应线圈104a或其 组合可具有用于使所述感应线圈116与104a相对于彼此移位及移动以更准确地将它们定向 并在其间形成更有效率的耦合的功能性。
[0052]底座无线充电系统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区、为在常规的基于石油的加油站后模型化的电动 车辆无线充电所保留的停车区及在例如购物中心及工作场所等其它位置的停车场。
[0053]无线地对电动车辆充电可提供众多益处。举例来说，可自动地执行充电，而几乎不 具有司机干预和操纵，由此提高用户的便利性。还可不存在暴露的电触点且无机械磨损，借 此提高无线电力传递系统100的可靠性。可能不需要对电缆及连接器的操纵，且可不存在可 在室外环境中暴露于湿气及水的电缆、插头或插座，借此提高安全性。还可不存在可见或可 接近的插口、电缆和插头，借此减小对电力充电装置的潜在破坏行为。另外，由于可将电动 车辆112用作分布式存储装置以使电网稳定，所以可使用对接至电网解决方案来增加针对 车辆至电网(V2G)操作的车辆可用性。
[0054]如参