CN104981970B - 模块化感应电力传递电力供应器及操作方法 - Google Patents

模块化感应电力传递电力供应器及操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供用于将AC源连接到负载及对其进行操作的***、方法及设备。在一个方面中，提供电力供应器拓扑，所述电力供应器拓扑可具有在无线电力传递的区域中的特定用途。所述拓扑允许多个源以可操作方式连接到单个导电结构，所述导电结构经配置以产生场，维持整个***电力，同时降低每一源的电力输出。

Description

模块化感应电力传递电力供应器及操作方法
技术领域
本发明大体上涉及无线电力传递，且更具体来说，涉及与到远程***(例如，包含电池的车辆)的无线电力传递相关的装置、***及方法。更确切地说，本发明涉及电力供应器拓扑。
背景技术
已经引入了包含从例如电池等能量存储装置接收的电导出的运动动力的远程***，例如车辆。举例来说，混合动力电动车辆包含机载充电器，所述机载充电器使用来自车辆制动及传统马达的电力给车辆充电。纯电动车辆一般从其它来源接收电来给电池充电。通常提议通过例如家用或商用AC供应源等某种类型的有线交流电(AC)给电池电动车辆(电动车辆)充电。有线充电连接需要物理上连接到电力供应器的电缆或其它类似连接器。电缆和类似连接器有时可能不方便或笨重，且具有其它缺点。能够在自由空间中(例如，经由无线场)传送电力以用于给电动车辆充电的无线充电***可以克服有线充电解决方案的一些缺陷。因此，需要有效及安全地传递无线电力的***及方法。
发明内容
无线电力***与典型有线线频率电力***相比较以相对较高频率及较高功率电平操作。结果，用于建构无线电力供应器或发射器的组件经受高应力水平。一个此类组件为用于发射器的逆变器级中的开关。许多无线电力发射器使用IGBT作为建构供应器的逆变器级的开关，但可使用MOSFET。IGBT通常是归因于其在高电流、高电压、高频应用中操作的能力而选择的。尽管有很大的成本，但现代高性能IGBT的装置等级仍是无线电力传递应用中的限制因素。另外，切换逆变器的每一支腿中的多个平行IGBT证明是困难的，且软切换拓扑会更改如由供应器所见的负载的阻抗。此外，传统供应器设计中的组件如果失效，那么无线电力传递便会停止。因此，本发明涉及一种可以用于无线电力发射器中且允许多个模块的并联的电力供应器拓扑，所述每一模块经受减小的负载，同时维持调谐及性能，且增加无线电力发射器的强健性。
在所附权利要求书的范围内的***、方法及装置的各种实施方案各自具有若干方面，其中的单个方面并不单独负责本文所描述的所要属性。在不限制所附权利要求书的范围的情况下，本文描述一些显要特征。
在附图及以下描述中阐述本说明书中描述的标的物的一或多个实施方案的细节。其它特征、方面及优点将从描述、图式及权利要求书变得显而易见。应注意，以下各图的相对尺寸可能未按比例绘制。
本发明的一个方面提供一种无线电力发射器，其包括：导电结构，其经配置以产生场；及多个电路，其以可操作方式连接到导电结构且由多个源驱动以向导电结构提供实质上恒定电流。
本发明的另一方面提供一种无线地发射功率的方法，其包括：经由多个源提供导电结构中的实质上恒定电流；经由导电结构产生磁场；及以可操作方式将所述多个源中的至少一个源与导电结构断开连接。
本发明的又一方面提供一种无线电力发射器，其包括用于提供电力的装置；用于产生磁场的装置；及用于将用于提供电力的装置连接到用于产生磁场的装置的装置，用于连接的装置包括用于将发射器调谐到谐振频率的装置，用于连接的装置进一步包括用于提供在用于产生磁场的装置中的实质上恒定电流的装置。
附图说明
图1为示范性无线电力传递***的功能框图。
图2为可用于图1的无线电力传递***中的示范性无线电力发射器的功能框图。
图3为可用于图1的无线电力传递***中的示范性无线电力接收器的功能框图。
图4为具有LCL谐振电路负载的无线电力发射器的简化电路示意图。
图5A为示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
图5B为其中电路的一部分断开连接的图5A中的无线电力发射器的简化电路示意图。
图6为包含用以隔离模块化供应器的变压器的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
图7为具有冗余模块的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
图8为表明跨模块的不均衡分配的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
图9为展示替代控制器布置的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
图10为指示示范性断开连接点的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。
图11为展示安置于示范性电动车辆中的可更换的非接触式电池的功能框图。
图12为用于给电动车辆充电的示范性无线电力传递***的图。
图13为用于沿道路向电动车辆供电的示范性无线电力传递***的图。
图14为展示可用于给电动车辆无线充电的示范性频率的频谱的图表。
图15为无线地发射电力的示范性方法的流程图。
图16为示范性无线电力发射器的功能框图。
图式中说明的各种特征可能未按比例绘制。因此，为了清晰起见，可能任意扩大或减小各种特征的尺寸。另外，图式中的一些图式可能并未描绘给定***、方法或装置的所有组件。最后，可在整个说明书和图式中使用相同的参考标号指代相同的特征。
具体实施方式
下文结合附图阐述的详细描述既定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”意指“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。在一些情况下，以框图形式展示一些装置。
以无线方式传送电力可指代将与电场、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，电力可通过自由空间来传递)。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送。
图1为示范性无线电力传递***100的功能框图。将输入电力102提供到无线电力发射器110，所述无线电力发射器将输入电力102转换成用以驱动发射电路的适当形式，所述发射电路产生用于提供能量传递的场108。发射电路可包含导电结构105及电容器116。导电结构105可产生时变磁场108。接收电路可包含导电结构107及电容器121。导电结构107经由磁场108的能量耦合到导电结构105以引发由无线电力接收器120整流及滤波的电压。如本文所使用的术语“导电结构”可为环路、线圈、天线或其它结构。与发射器相关联的导电结构产生用于将能量无线地输送到与接收器相关联的导电结构的磁场。相反，与接收器相关联的导电结构从由与无线电力发射器相关联的导电结构产生的磁场接收能量。所得输出可用于由耦合到输出电力130的装置(未图示)存储或消耗。导电结构105及导电结构107两者分开某一距离。导电结构105及导电结构107经调谐以在***的操作频率处谐振，从而优化电力传递的效率。在导电结构107的谐振频率及导电结构105的谐振频率极接近时，导电结构105与导电结构107之间的发射损耗在导电结构107位于磁场108的大部分通量线在导电结构107附近通过或穿过所述导电结构的区中时最小。
导电结构105及导电结构107可根据与其相关联的应用及装置来设定大小。通过将导电结构105的场的能量中的大部分耦合到导电结构107(而非以电磁波将大部分能量传播到远场)而发生有效能量传递。当处于此近场中时，可在导电结构105与导电结构107之间发展出耦合模式。在导电结构105及导电结构107周围的可发生此近场耦合的区域在本文中可被称作耦合模式区。
如图1中所示，无线电力发射器110可接收在50/60Hz处的公用电力102，且将其转换成在操作频率处的交流电(AC)以驱动导电结构105。无线电力发射器110可包含将公用AC电力转换成脉动DC的整流器111。对于例如电动车辆充电器等大负载，功率因数校正电路112可用以避免公用网格中的过量电流流动，且对在50/60Hz处的公用电力102进行滤波。脉动DC可由大能量存储元件113滤波成恒定DC。DC接着可由逆变器电路114转换成方波且由滤波器115滤波成正弦波。此输出接着可连接到发射电路的导电结构105。在导电结构105中流动的AC电流可产生时变磁场108。如所述，发射电路可包含用以在操作频率处谐振的导电结构105及电容器116，从而产生导电结构105与导电结构107之间的改进磁耦合。
接收电路中的导电结构107经由磁场108耦合到导电结构105且产生AC电力，所述AC电力连接到无线电力接收器120。电容器121及导电结构107可形成在操作频率处的谐振电路，从而产生在导电结构105与导电结构107之间的更佳磁耦合。通过整流器122将AC电力转换成脉动DC。可包含能量存储装置123以使脉动DC平滑成恒定DC。可包含开关模式电力供应器124以将电压调整为适合于经由输出电力130给电池(未图示)充电的值。无线电力发射器110及无线电力接收器120可通过调制磁场108或在单独通信信道132(例如，蓝牙、ZigBee、蜂窝式、NFC等)上通信。
如所述，在导电结构105与导电结构107之间的有效能量传递在导电结构105与导电结构107之间的匹配或近似匹配谐振期间发生，且在所述频率处由无线电力发射器110驱动。然而，甚至在导电结构105与导电结构107之间的谐振不匹配时，可传递能量，但效率可受到影响。通过将能量从导电结构105的近场耦合到驻留于建立此近场的邻域中的导电结构107(而非将能量从导电结构105传播到自由空间中)而发生能量的传递。近场可对应于存在由导电结构105中的电流及电荷产生的强反作用场的区，所述强反作用场使电力不会辐射远离导电结构105。在一些状况下，近场可对应于在导电结构105的约一个1/2π波长内的区(且对于导电结构107来说反之亦然)，如下文将进一步描述。
图2为可用于图1的无线电力传递***100中的示范性无线电力发射器200的功能框图。图2展示可包含将50/60Hz公用网格电力转换成可用以驱动包含导电结构205及电容器217的发射电路的AC所需要的功能性的无线电力发射器的示范性配置，同时对于其它输入电源来说其它配置是可能的。50/60Hz公用网格电力202可由线滤波器211调节以移除噪声且损坏电压尖峰。整流器212可将50/60Hz AC转换成脉动DC。
可出于管制目的而包含有效功率因数校正电路213以避免公用网格中的归因于异相电压及电流的过量电流及归因于整流器212的切换动作的谐波失真。有效功率因数校正电路213可将其电压输出调节为实质上恒定的。功率因数校正电路213可调节来自公用网格的电流流动，以使得其跟随公用网格电压且呈现为具有良好功率因数的电阻性负载。功率因数校正电路213可类似于开关模式电力供应器，所述开关模式电力供应器将电流以一系列脉冲的形式从公用网格中抽出，所述一系列脉冲经调制以匹配公用网格电压波形。
可包含能量存储元件214，且其可为极大的电容器或其可由电感器及电容器组成。在任一状况下，组件可能很大以便存储足够能量，从而持续50/60Hz公用网格电力的一半周期。低功率的电力供应器可省略能量存储元件214，但驱动发射电路的所得AC电力接着可具有经叠加为包络的经整流50/60Hz公用网格电力的波形，从而导致较高峰值电压及电流以及较高峰值磁场。可能需要在各种电力电平下避免此情形。
逆变器电路215可用以转换由先前组件211到214产生的经整流及平滑DC，且可在发射电路的操作频率处将经平滑DC截成方波。作为示范性实施方案，此频率可处于20KHz，但可使用导致实际经设定大小的发射电路及接收电路的任何频率。较高频率可允许将较小组件用于无线电力发射器200中，而较低频率可导致较高效率，这是归因于较低切换损耗。已提出使用在400Hz到1MHz的范围内的频率的充电***。
可包含匹配电路216以执行双重功能，作为将由逆变器电路215产生的方波转换成具有受抑制谐波的正弦波的滤波器，且将逆变器电路215的阻抗与由发射电路的电容器217及导电结构205所组成的谐振电路匹配。因为匹配电路216在相对较高频率处操作，所以组件可能相对较少，但优选地具有避免损耗的高质量。电容器217可在发射电路中与导电结构205并联或串联，但在任何状况下可具有避免损耗的最高质量，这是因为在此装置中流动的电流乘以谐振电路的操作Q。类似地，发射电路中的导电结构205可由避免损耗的高质量组件组成。利兹线可用以增加表面区域，且在绕组中最大程度地使用铜。或者，发射电路的导电结构205可由具有经选择以使电阻损耗很低的厚度、宽度及金属类型的金属条带制成。用于磁性电路的铁氧体材料可经选择以避免操作频率处的饱和、涡电流及损耗。
无线电力发射器200可进一步包含用于检测在由发射电路产生的磁场208附近有效接收线圈的存在或不存在的负载感测电路(未图示)。作为实例，负载感测电路监视流动到逆变器电路215的电流，所述电流受在磁场208附近恰当地对准的接收线圈的存在或不存在影响。逆变器电路215上的负载的改变的检测可由未图示的控制器监视，以供用于确定是否启用用于发射能量的功率因数校正电路213及与有效接收线圈通信。在逆变器电路215处测量的电流可进一步用以确定无效物体是否位于发射电路的充电区内。
图3为可用于图1的无线电力传递***100中的示范性无线电力接收器***300的功能框图。接收器***300可将磁场308转换成AC电力，将所述AC电力转换成用以给电池(未图示)充电或给装置(未图示)供电的DC电力330。接收电路包含导电结构307，所述导电结构与电容器321一起形成谐振电路。上文参看图2所描述的导电结构307及电容器321的组件质量的评述在此处也适用。匹配电路322可执行类似于匹配电路213的功能，仅仅是方向相反，其中由接收电路产生的AC电力与整流器323阻抗匹配，且由整流器323产生的谐波并未耦合到接收电路。整流电路323可用以减小由整流动作产生的谐波，且减小关于匹配电路322的滤波要求。此情形可允许提供高功率因数以增加电力转换的效率，从而无线地接收电力且将电力提供到负载(例如，用于充电的电池)。
能量存储元件324可用以使脉动DC平滑成恒定DC。能量存储元件324可在高频率(与图2的能量存储元件214相比较)处操作，因此组件可较小。开关模式电力供应器325可用以响应于电池管理***(未图示)调节DC电压及可能的DC电流。作为替代方案，可在无线电力发射器200内提供开关模式电力供应器325的调节功能，但此方法可取决于从无线电力接收器300到无线电力发射器200的快速及可靠通信链路，且可使整个***的复杂度增加。
图4为具有LCL谐振电路负载的无线电力发射器的简化电路示意图。如图所示，导电结构498产生磁场490以电感耦合到导电结构499以用于电力传递。在发射侧，导电结构498为由源401供电的LCL谐振电路负载中的电感器中的一者。源401表示在LCL谐振电路负载之前的电路，例如图2的公用网格电力202、线滤波器211、整流器212、功率因数校正电路213、能量存储元件214及逆变器电路215或其某一子集。在接收侧，导电结构499可为图3的导电结构307(例如，接收电路的部分)。此外，导电结构499可连接到图3的电容器321、匹配电路322、整流器323、能量存储元件324、开关模式电力供应器325以提供DC电力330。导电结构498及499可分别被作为松耦合变压器的初级线圈及次级线圈。
包括电感器410、电容器420及导电结构498的LCL谐振电路负载具有多个功能。首先，类似图2的匹配电路216，LCL谐振电路负载可使源的输出平滑。逆变器电路将整流器的DC输出转换成AC信号。此AC信号可包含除无线电力***的操作频率之外的频率分量，且具有非正弦波形(例如，方波)。然而，可能需要具有在***的操作频率处的到发射线圈的正弦输入以用于能量传递。因此，LCL谐振电路负载可对来自逆变器电路的非操作频率分量输出进行滤波，从而导致用于谐振电路的正弦激励信号。其次，导电结构498及电容器420充当发射电路(例如，图2中的导电结构205及电容器217)。因此，LCL谐振电路的一部分充当用于无线电力传递的发射线圈，从而与实施电源与谐振线圈之间的其它匹配电路的***相比较减小***复杂度。***的谐振频率或无线电力发射器的调谐因此由导电结构498的电感L及电容器420的电容C设定。最终，耦合到接收侧负载的LCL谐振电路负载执行阻抗变换以使得如由源所见的阻抗实现有效能量传递。更确切地说，在具有电抗XC的电容器420及各自具有电感电抗XL的电感器410及导电结构498的情况下(且其中XC等于XL)，可展示如由源所见的阻抗为经由导电结构498及499之间的电感藕合的接收侧负载的反射阻抗。因此，接收侧负载的变化被反射到源，且匹配网络中的损耗得以最小化。在一些实施方案中，导电结构可包含具有电抗XL的单个环路、线圈或天线。在其它实施例中，导电结构可包含呈电配置的多个环路、线圈或天线，以使得等效电抗为XL。所述多个环路、线圈或天线可相对地位于空间中以调整所产生的磁场。
如上文所论述，用于电力供应器设计中的组件的装置等级通常限制了大功率、高电压、高频无线电力传递应用。因此，本发明涉及可用于无线电力发射器中且允许多个模块的并联的电力供应器拓扑，每一模块经受减小的负载，同时维持调谐及性能且增强发射器的强健性。
图5A展示示范性无线电力发射器的简化电路示意图。可以看出，调谐电容器420已拆分成串联电容器520及521，每一串联电容器具有电抗1/2XC，而不会影响***的谐振频率。在这样做时，调谐电路的左半边可拆分成共享共同中心分接头596的两个源501及502。为了维持匹配，电感器410拆分成两个电感器510及511，每一电感器具有由相关联的电容器确定的电抗(在此状况下为1/2XL)。以此方式，维持电路的调谐及匹配，同时降低从每一源的电力输出。
因为源501及502两者皆驱动导电结构498，所以期望使其输出同步。以其它方式，因为所述源彼此相互驱动，所以可产生损耗。举例来说，在最差情况情境下，如果源的输出波形为180°异相，那么所述两个源将抵消，实际上使到接收器的任何电力传递无效。因此，同步会减轻无线电力发射器中的电力损耗。只要将源同步，无线电力发射器的总电力输出便可(但不一定)在所述源当中均匀地划分。举例来说，对于60kW的总无线电力发射器电力输出，源501可输出40kW，而源502可输出20kW。
图5B为其中电路的一部分断开连接的图5A中的无线电力发射器的简化电路示意图。值得注意的是，发射器继续在此事件中操作。在开关530转变成断开状态之前，源501及502分别为电容器520及521供能。能量又用以经由导电结构498驱动电流以用于产生磁场490。因此，在理想组件的情况下，可由发射器发射的总电力因此为来自两个源的电力输出的和(非理想组件将因任何电阻及辐射损耗而减小总电力输出)。在开关530转变为断开状态时，实际上从发射器移除源502及电感器511。发射器将暂时体验到瞬变，这是归因于开关状态的转变。一旦***达到稳定状态，且假定发射器无负载，便可展示通过导电结构498的电流保持实质上恒定，即使源502中的一者被移除。这是因为发射器的谐振频率在开关断开的情况下保持不变，如由导电结构498以及电容器520及521所设定。源501提供足够电力以补偿谐振发射线圈中的任何电力损耗。然而，如果引入接收侧负载，那么***的总电力输出将受源501的电力输出(例如，上文为40kW)限制。
开关511可为任何类型的开关，包含机械、电或机电开关类型。虽然描绘仅一个开关，但可包含另一开关以隔离源501。可包含控制器550以控制包含于***中的一或多个开关，除了执行需要处理的任何其它功能(例如，自适应调谐、带外通信、物体检测、电力输出控制)之外。控制器550可收集一或多个参数以确定是断开还是闭合开关511。一些参数可经由包含于***中的传感器测量(例如，电压、电流、温度)或基于测量来确定(例如，负载的改变)。其它参数可包含从较高级别控制器或从位于附近的无线电力接收器接收的信息。可确定某些事件，且相应地调整开关状态。举例来说，如果存在组件故障，那么开关可用以隔离***的出故障的半边。作为另一实例，如果控制器确定电力的增加是合乎需要的，那么所述控制器可切换成断开连接但可操作的源。
图6为示范性无线电力发射器的简化电路示意图，所述示范性无线电力发射器包含用以隔离模块化供应器的变压器。模块可包含无线电力发射器200中的任何数目个组件，从线滤波器211直到(但不包括)谐振电路中的电容器(以使得调谐得以维持)。模块683包含源601、电感器610及变压器640以将源的输出耦合到电容器620。在此配置中，任何数目个模块680、681、682及683可并联驱动导电结构698。因此，较低成本的组件可从其操作限制进一步进行操作，从而减小总成本且增加可靠性。假定特定无线电力发射器中有N个模块，用以调谐谐振线圈的电容器(例如，电容器620)的电抗除以N，每一电容器连接到变压器的次级线圈。类似地，将源耦合到变压器的初级线圈的电感器(例如，电感器610)的电抗除以N。发射器保持调谐，且每一模块的电力输出减小。又，如果一或多个源与发射电路断开连接，那么谐振频率保持不变，通过导电结构698的电流保持实质上恒定，且可从发射器输出的总电力成比例地降低。又，控制器650可用以经由开关选择性地将任何数目个源与发射线圈断开连接。
虽然模块可包含任何数目个组件直到用以调谐谐振电路的电容器，但变压器的使用提供另一优势。因为变压器电隔离源中的每一者的输出，所以源可由共同DC总线693供电。举例来说，能量存储元件214的输出可用以给充当N个模块中的每一者的源的多个逆变器电路215供电。DC电压可降低，且电流电平增加，从而限制跨导电结构698产生的电压。
图7为具有冗余模块的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。为了根据组件限制而改进无线电力发射器的强健性，后备模块可包含于无线电力发射器中。此处，无线电力发射器包含五个模块。所述模块中的四个模块在任何给定时间操作以供应***的最大电力输出(如由管制限制或其它考虑因素设定)。在此状况下，模块780到783为有效的，且模块784充当后备模块。在事件控制器750检测到例如模块782的故障时，控制器750可经由开关732使模块782断开连接，且经由开关734连接模块784。因此，改进无线电力发射器的可靠性。
图8为表明模块之间的不均衡电力分配的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。如图所示，如由每一模块所见的负载可不为均匀分配的。对于基于应用要求的可缩放发射器设计来说，此情形可为合意的。此处，模块880及881可各自供应总电力输出的四分之一，而模块882供应一半。
图9为展示替代控制器布置的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。在某些应用中，模块980可物理上远离模块981。因此，控制器950及951可分别监视模块980及981。另外，控制器可安置于模块内以使得控制器可与模块一起移除，或控制器可在移除模块时仍保留。控制器可经由通信信道995彼此间通信或与其它装置(未图示)通信。通信可包含诊断、维护、状态或其它信息。在存在多个模块时，控制器可进行通信以选择性地启用模块来给发射电路供电。举例来说，如果无线电力接收器负载增加，那么停用控制器可接收信号，所述信号指示模块应连接到发射电路。在另一个实例中，检测其模块中的故障的控制器可将信号发送到另一控制器以连接后备模块或断开连接可操作的模块。
图10为指示示范性断开连接点的示范性无线电力发射器的简化电路示意图。无线电力发射器的模块化设计启用模块的热插拔。如先前所提及，模块可包含用以设定发射器的谐振频率的调谐电容器(例如，电容器1020)左侧的任何组件。此外，一或多个开关可包含于发射器中以使模块与谐振电路断开连接，此处开关1030位于变压器的次级线圈与调谐电容器之间。断开连接点1094为模块可断开连接且任选地物理上从发射器移除的示范性位置。因此，可对发射器进行维护而不会影响可操作模块给谐振电路供电的能力。
上文所描述的电力供应器拓扑的一个实例应用是在用于部署电动车辆***的无线电力发射器中。本文中使用电动车辆来描述远程***，其实例为包含(作为其移动的部分)从可充电能量存储装置(例如，一或多个可再充电电化电池或其它类型的电池)导出的电力的车辆。作为非限制性实例，一些电动车辆可为除电动机以外还包含用于直接移动或用以给车辆的电池供电的传统内燃机的混合动力电动车辆。其它电动车辆可从电力吸取所有移动能力。电动车辆不限于汽车，且可包含摩托车、推车、小型摩托车、输送装置及其类似者。借助于实例而非限制，本文中描述呈电动车辆(EV)形式的远程***。此外，还涵盖可至少部分使用可充电能量存储装置供电的其它远程***(例如，电子装置，例如个人计算装置及其类似者)。
无线电力传递***可供包含可再充电或可更换电池的多种电动车辆使用。图11为展示安置于电动车辆1112中的可更换的非接触式电池的示范性功能框图。低电池位置可用于集成无线电力接口(例如，充电器到电池无绳接口1126)且可从车辆下方或嵌入于地面中的无线电力发射器(未图示)接收电力的电动车辆电池单元。在图11中，电动车辆电池单元可为可再充电电池单元，且可容纳于电池舱1124中。电动车辆电池单元还提供无线电力接口1126，所述无线电力接口可集成包含谐振导电结构、电力转换电路及用于无线电力发射器与电动车辆电池单元(参见图1及3)之间的有效及安全无线能量传递所需要的其它控制及通信功能的整个电动车辆无线电力接收器。应注意，如用于电动车辆应用中且并有本文中所揭示的电力供应器拓扑的无线电力传递***可促进双向电力传递，因此导电结构可用以接收或发射能量。此情形允许EV拥有者在高公用电力需求时(例如，在白天)出售所存储的能量，且在低公用电力需求时(例如，在夜间)购买能量。
电动车辆导电结构经集成为与电动车辆电池单元的底面或车辆车身齐平可为有用的，以使得不存在突出的部分，且因此可维持指定的地面到车辆车身空隙。此配置可需要电动车辆电池单元中的专用于电动车辆无线电力接收器的一些空间。电动车辆电池单元1122还可包含电池到EV无绳接口1122及提供电动车辆1112与无线电力发射器之间的非接触式供电及通信的充电器到电池无绳接口1126。
图12为用于给电动车辆1212充电的示范性无线电力传递***1200的图。在电动车辆1212在底座1202a接近停车时，无线电力传递***1200启用电动车辆1212的充电。在将停车于对应底座1202a及1202b上方的停车区域中说明两个电动车辆的空间。分配中心1230可连接到电力主干1232，且经配置以经由电力链路1210将交流电(AC)或直流电(DC)供应提供到底座1202a，这取决于其它组件(例如，图2的线滤波器211及整流器212)的地点。底座1202a还包含用于无线地传递或接收电力的导电结构1204a。电动车辆1212可包含电池单元1218、电动车辆导电结构1216及电动车辆无线充电***1214。电动车辆导电结构1216可例如经由由底座导电结构1204a产生的电磁场的区与底座导电结构1204a相互作用。
电动车辆导电结构1216可在电动车辆导电结构1216位于由底座导电结构1204a产生的能量场中时接收电力。场对应于由底座导电结构1204a输出的能量可由电动车辆导电结构1216俘获的区。举例来说，由底座导电结构1204a输出的能量可处在足以给电动车辆1212充电或供电的水平。在一些状况下，场可对应于底座导电结构1204a的“近场”。近场可对应于存在由底座导电结构1204a中的电流及电荷产生的强反作用场的区，所述强反作用场使电力不会辐射远离底座导电结构1204a。在一些状况下，近场可对应于在底座导电结构1204a的约1/2π的波长内的区(且对于电动车辆导电结构1216来说反之亦然)，如下文将进一步描述。
本地分配1230可经配置以经由一或多个通信链路(未图示)与外部源(例如，电力网)及与底座1202a通信。
电动车辆导电结构1216可与底座导电结构1204a对准，且因此简单地通过驱动器相对于底座导电结构1204a正确地定位电动车辆1212而安置于近场区内。为了辅助对准，驱动器可被给予视觉反馈、听觉反馈或其组合以确定何时恰当地放置电动车辆1212以用于无线电力传递。或者，电动车辆1212可由自动驾驶***定位，所述自动驾驶***可使电动车辆1212来回移动(例如，呈z字形动作)，直到对准误差已达到可耐受值为止。此情形可由电动车辆1212自动及自主地执行，而无驱动器干预或仅有极小驱动器干预，其条件是电动车辆1212配备有伺服方向盘、超声波传感器及智能来调整车辆。或者，电动车辆导电结构1216、底座导电结构1204a或其组合可具有用于使导电结构1216及1204a相对于彼此移位及移动以更准确地定向所述导电结构且在其间发展出更有效耦合的功能性。
底座1202a可位于多种位置中。作为非限制性实例，一些合适位置包含EV拥有者的家中的停车区域、为模仿常规基于石油的加油站的电动车辆无线充电预留的停车区域及在其它位置(例如购物中心及工作地点)处的停车场。
给电动车辆无线地充电可提供众多益处。举例来说，可自动执行充电，实际上并无驱动器干预及操纵，从而为用户改进便利性。也可不暴露电触点，且无机械磨损，从而改进无线电力传递***1200的可靠性。可不需要用缆线及连接器操纵，且可不存在可暴露于室外环境中的湿气及水的缆线、插塞或插口，从而改进了安全性。也可不存在可见或可接入的插口、缆线及插塞，从而减小电力充电装置的潜在恶意破坏。此外，因为电动车辆1212可用作用以稳定电力网的分配式存储装置，所以对接到网格解决方案可用以增加车辆到网格(V2G)操作的车辆可用性。
如参看图12所描述的无线电力传递***1200还可提供美观且无妨碍的优势。举例来说，可不存在可妨碍车辆及/或行人的充电柱及缆线。
作为车辆到网格能力的另一解释，无线电力发射及接收能力可经配置为互逆的，以使得例如在能量不足时底座1202a将电力传递到电动车辆1212，及电动车辆1212将电力传递到底座1202a。此能力可用于通过在由于可再生能量产生(例如，风或太阳能)中的过度需求或不足引起的能量不足时允许电动车辆将电力贡献给整个分配***来使电力分配网格稳定。
继续参看图12，底座导电结构1204a及电动车辆导电结构1216可处于固定位置，且通过电动车辆导电结构1216相对于底座1202a的整体放置将导电结构带入近场耦合区内。然而，为了快速、有效及安全地执行能量传递，可需要减小底座导电结构1204a与电动车辆导电结构1216之间的距离以改进耦合。因此，底座导电结构1204a及/或电动车辆导电结构1216可部署及/或可移动以使其更佳对准。
继续参看图12，上文所描述的充电***可用于多种位置中，所述多种位置用于给电动车辆1212充电或将电力传递回到电力网。举例来说，电力的传递可发生于停车场环境中。应指出，“停车区域”在本文中也可被称作“停车空间”。为了增强车辆无线电力传递***1200的效率，电动车辆1212可沿着X方向及Y方向对准以使得电动车辆1212内的电动车辆导电结构1216能够与相关联的停车区域内的底座1202a充分地对准。
此外，所揭示的实施例适用于具有一或多个停车空间或停车区域的停车场，其中停车场内的至少一个停车空间可包括底座1202a。导引***(未图示)可用以辅助车辆操作人员将电动车辆1212定位于停车区域中，以将电动车辆1212内的电动车辆导电结构1216与底座1202a对准。导引***可包含用于辅助电动车辆操作者定位电动车辆1212以使电动车辆1212内的导电结构1216能够与充电底座(例如，底座1202a)内的充电导电结构充分地对准的基于电子的方法(例如，无线电定位、测向原理，及/或光学感测方法、准光学感测方法及/或超声波感测方法)或基于机械的方法(例如，车辆车轮导引、跟踪或停止)，或其任何组合。
如上文所论述，电动车辆充电***1214可放置在电动车辆1212的底面上以用于从底座1202a发射及接收电力。举例来说，电动车辆导电结构1216可集成到优选接近中心位置的车辆底部中，从而提供在EM暴露方面的最大安全距离且准许电动车辆的正向及反向停放。
图13为用于沿道路给电动车辆供电的示范性无线电力传递***的图。不同于上文所论述的固定EV情境，本文中所揭示的电力供应器拓扑可用于动态道路应用中，其中电力需求随着各种电动车辆横越发射线圈的长度而经受改变。如图所示，导电结构1310、1320及1330可嵌入于轨道1301内，所述轨道可为固定轨道、道路、高速公路、地面街道、输送线或其它EV运输路径。取决于轨道长度，一或多个模块可将电力提供到所述轨道。举例来说，导电结构1310由三个模块1311到1313供电，导电结构1320由四个模块1321到1324供电，且导电结构1330由两个模块1337到1338供电。归因于此应用的物理尺寸，上文所论述的电力供应器拓扑的模块化设计促进沿着轨道长度的模块的物理分离。此外，如在图9中，模块可经由单独通信链路(未图示)通信。除了连接到单个发射线圈的模块间的通信之外，模块还可在发射线圈之间通信以将信息传递到与基于车辆行进的预期负载相关的下轨道模块。在此应用中，电力供应器拓扑的可靠性允许电动车辆继续横越轨道，即使模块可能已断开连接。此外，安置于模块内的控制器可将指示***的健康的消息发射到另一装置。举例来说，如果模块中的一者断开连接，那么可通知负责管理轨道的实体需要维护(例如，公用或私有组织)。
图14为展示可用于给无线电力传递***中的电动车辆无线充电的示范性频率的频谱的图表。如图14中所示，用于到电动车辆的无线高电力传递的潜在频率范围可包含：在3kHz到30kHz频带中的VLF、在30kHz到150kHz频带中的较低LF(对于类ISM应用)，其具有一些例外：HF 6.78MHz(ITU-R ISM频带6.765MHz到6.795MHz)、HF13.56MHz(ITU-R ISM频带13.553到13.567)，及HF 27.12MHz(ITU-R ISM频带26.957到27.283)。
图15为无线地发射电力的示范性方法1500的流程图。方法1500可与参看图1到10、12及13所描述的***中的任一者结合使用。在框1502处，多个源提供导电结构中的实质上恒定电流。在框1504处，导电结构产生磁场。在框1506处，多个源中的至少一个源以可操作方式与导电结构断开连接。此外，如果所述多个源中的至少一个源以可操作方式与导电结构断开连接，那么经过导电结构的电流保持实质上恒定。
图16为示范性无线电力发射器的功能框图。无线电力发射器包括用于提供电力1602的装置、用于产生磁场1604的装置及用于将用于提供电力的装置连接到用于产生磁场的装置的装置，用于连接的装置包括用于将发射器调谐到谐振频率的装置，用于连接的装置进一步包括用于提供用于产生磁场的装置中的实质上恒定电流的装置1606。举例来说，用于提供电力的装置可包括源401、501、502或601。作为另一实例，用于提供电力的装置可包括整流器111、功率因数校正电路112、能量存储元件113、逆变器电路114及/或滤波器115。作为又一实例，用于提供电力的装置可包括线滤波器211、整流器212、功率因数校正电路213、能量存储元件214及/或逆变器电路215。用于产生磁场的装置可包括例如导电结构498、598、698或798。或者，用于产生磁场的装置可包括导电结构105或205。最终，用于连接的装置可包括电感器410及电容器420、电感器510及511及电容器520及521，或模块(例如，图6到9及13中所示的模块)。
可使用各种不同技艺和技术中的任一者来表示信息和信号。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在以上描述中始终参考的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号及码片。
结合本文中所揭示的配置而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可被实施为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为清楚说明硬件与软件的此互换性，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。所述功能性是实施为硬件还是软件取决于特定应用及施加于整个***的设计约束。可针对每一特定应用以不同方式来实施所描述的功能性，但所述实施方案决策不应被解释为会导致脱离本发明的范围。
结合本文所揭示的实施例所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，但在替代例中，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、多个微处理器的组合、一或多个微处理器与DSP核心的联合，或任何其它此配置。
可直接以硬件、以由处理器执行的软件模块或以上述两者的组合实施结合本文所揭示的实施例而描述的方法或算法的步骤。如果以软件来实施，那么可将功能作为一或多个指令或代码存储在有形的非暂时性计算机可读媒体上或经由有形的非暂时性计算机可读媒体进行传输。软件模块可驻留于随机存取存储器(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、硬磁盘、可拆卸磁盘、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。如本文中所使用，磁盘及光盘包括紧密光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地复制数据，而光盘使用激光光学地复制数据。上文的组合也应包括在计算机可读媒体的范围内。处理器及存储媒体可驻留于ASIC中。ASIC可驻留于使用者终端中。在替代例中，处理器及存储媒体可作为离散组件驻留于用户终端中。
为了概述本发明，本文已描述了本发明的某些方面、优点以及新颖特征。应了解，根据本发明的任一特定实施方案，不一定可以实现全部这些优点。因此，可以按照如本文所教示来实现或优化一个优点或一组优点而不一定实现本文可能教示或建议的其它优点的方式来体现或实施本发明。
将容易了解对上述实施例的各种修改，且可在不脱离本发明的精神或范围的情况下将本文定义的一般原理应用到其它实施例。因此，本发明并不既定限于本文中所展示的实施例，而应符合与本文中所揭示的原理及新颖特征一致的最广范围。

Claims (20)

1.一种无线电力发射器，其包括：
导电结构，其经配置以产生场；
多个电容器，其以可操作方式连接到所述导电结构；及
多个模块，其耦合到所述多个电容器以向所述导电结构提供实质上恒定电流，所述多个模块中的每一模块与所述多个电容器的不同的电容器相对应并包括源、电感器及变压器，所述变压器定位在所述源和对应的所述电容器之间，其中对于每一模块，所述变压器经配置以将所述源的输出耦合到对应的所述电容器。
2.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中所述多个电容器中的每一电容器的电特性至少基于所述导电结构的阻抗及所述多个电容器中的电容器的数目。
3.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中所述多个电容器将所述发射器的调谐维持于谐振频率处。
4.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中所述多个电容器与所述导电结构并联连接。
5.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中所述多个模块中的每一模块经由所述模块的所述电感器及所述模块的所述变压器以可操作方式连接到所述多个电容器中的不同的所述电容器。
6.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中对于所述多个模块中的每一模块，所述变压器以可操作方式连接于所述多个电容器的所述电容器与所述模块的所述电感器之间。
7.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中所述多个模块中的至少一个模块形成可拆卸模块。
8.根据权利要求7所述的无线电力发射器，其中所述可拆卸模块可在所述发射器正发射电力时被移除。
9.根据权利要求7所述的无线电力发射器，其中所述发射器保持调谐而不考虑是否移除任何模块。
10.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中所述发射器保持调谐而不考虑所启用的所述源的数目。
11.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其进一步包括经配置以监视参数及确定所述多个模块中的每一模块的状态的控制器。
12.根据权利要求11所述的无线电力发射器，其中所述多个模块中的模块在所述控制器检测到故障之后以可操作方式断开连接。
13.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其中所述多个模块的每一源包括共同中心分接头。
14.根据权利要求13所述的无线电力发射器，其中所述多个模块的每一源由共同DC总线供电。
15.根据权利要求11所述的无线电力发射器，其中所述多个模块的经停用源在所述控制器检测到增加的负载之后启用。
16.根据权利要求1所述的无线电力发射器，其进一步包括多个控制器，每一控制器与所述多个模块中的模块及所述多个电容器中的电容器相关联，每一控制器经配置以监视所述相关联的模块及电容器的参数且确定所述相关联的模块及电容器的状态。
17.根据权利要求16所述的无线电力发射器，其中所述多个控制器经由通信链路通信。
18.一种无线地发射电力的方法，其包括：
经由多个模块提供导电结构中的实质上恒定电流，所述多个模块中的每一模块包括源、电感器及变压器，所述变压器定位在所述源和对应的电容器之间，其中对于每一模块，对应的所述电容器是与多个电容器的不同的电容器；
经由所述导电结构产生磁场；及
针对所述多个模块中的至少一个模块，以可操作方式将所述源从所述导电结构断开连接。
19.一种无线电力发射器，其包括：
用于提供电力的多个装置；
用于产生磁场的装置，所述磁场以可操作方式连接至多个用于存储电荷的装置；
及
用于经由所述多个存储装置将所述多个提供装置连接到所述产生装置的多个装置，多个连接装置的每一连接装置与所述多个存储装置中的不同的存储装置相对应，所述多个存储装置定位在所述产生装置和所述连接装置之间，所述多个提供装置中的每一提供装置在所述产生装置中贡献电流，所述多个连接装置包括用于以可操作方式将所述多个提供装置中的至少一个提供装置或所述多个连接装置中的至少一个连接装置与所述产生装置断开连接同时继续提供所述产生装置中的所述电流的装置。
20.根据权利要求19所述的无线电力发射器，其中所述电流在与所述多个提供装置的一部分提供装置或所述多个连接装置的一部分连接装置断开连接之后保持实质上恒定。
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