CN107750412A - 对于有源调谐电动车辆充电***使用无功功率注入的设备、***和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于对电动车辆进行无线充电的***、方法和装置。在一个方面，提供了一种用于在无线功率传输***中经由磁场来传输功率的方法。该方法包括：向无线功率发射器输出交流电流；响应于利用交流电流被驱动，在无线功率发射器处生成磁场；接收指示无线功率发射器的电气特性的值；以及调节无线功率发射器的操作特性以触发接收器中的电流的变化，基于响应于接收器中的电流的变化而自动发生以维持输出功率实质上恒定的接收器中的变化，调节的量被选择以引起无线功率传输***中的无功功率的量的调节。

Description

对于有源调谐电动车辆充电***使用无功功率注入的设备、 ***和方法
技术领域
本申请总体上涉及诸如电动车辆等可充电设备的无线功率充电。
背景技术
已经引入了诸如车辆等可充电***，其包括从诸如电池等能量存储设备接收的电力导出的运动能量。例如，混合动力电动车辆包括车载充电器，其使用来自车辆制动和传统电机的功率来为车辆充电。纯电动车辆通常从其他来源接收用于电池充电的电力。通常建议电池电动车辆通过某种类型的有线交流电流(AC)(诸如家用或商用AC电源)进行充电。有线充电连接需要电缆或物理上连接到电源的其他类似的连接器。电缆和类似的连接器有时可能不方便或麻烦，并且具有其他缺点。期望提供能够在自由空间中(例如，经由无线电场)传输功率以用于对电动车辆充电以克服有线充电解决方案的一些缺陷的无线功率传输***。
发明内容
在所附权利要求的范围内的***、方法和设备的各种实现每个具有若干方面，其中没有单个方面单独负责本文中描述的期望属性。在不限制所附权利要求的范围的情况下，本文中描述了一些突出的特征。
在本说明书中描述的主题的一个或多个实现的细节在附图和下面的描述中阐述。从说明书、附图和权利要求，其他特征、方面和优点将变得显而易见。注意，附图的相对尺寸可能不是按比例绘制的。
本公开中描述的主题的一个方面提供了一种用于在感应式功率传输***中无线地提供功率的装置。该装置包括被配置为经由足以对负载供电或充电的磁场来提供无线功率的发射器。该装置还包括耦合到发射器并且被配置为向发射器输出交流电流的逆变器。该装置还包括被配置为接收逆变器的负载角的测量值的控制器。控制器还被配置为将测量的负载角与参考负载角相比较。控制器还被配置为至少部分地基于测量的负载角与参考负载角之间的差来调节逆变器的负载角。
本公开中描述的主题的另一方面提供了一种用于经由足以对负载供电或充电的磁场来在感应式功率传输***中无线地提供功率并且用于控制在无线功率接收器处生成的无功功率的方法。该方法包括测量无线功率发射器的逆变器的负载角。该方法还包括将测量的负载角与参考负载角相比较。该方法还包括至少部分地基于测量的负载角与参考负载角之间的差来调节逆变器的负载角。
本公开中描述的主题的另一方面提供了一种用于在感应式功率传输***中无线地提供功率的装置。该装置包括经由足以对负载供电或充电的磁场来提供无线功率的部件。该装置还包括用于测量耦合到提供部件的逆变器的负载角的部件。该装置还包括用于将测量的负载角与参考负载角相比较的部件。该装置还包括用于至少部分地基于测量的负载角与参考负载角之间的差来调节逆变器的负载角的部件。
本公开中描述的主题的另一方面提供了一种用于在感应式功率传输***中无线地提供功率的装置。该装置包括被配置为输出交流电流的逆变器电路。该装置还包括包含串联电连接到电容元件的线圈的谐振发射电路，该谐振发射电路可操作地耦合到逆变器电路并且被配置为响应于通过交流电流被驱动来生成磁场。该装置还包括被配置为接收指示逆变器的电气特性的值的控制器。控制器还被配置为基于逆变器电路的电气特性并且还基于与接收器中的功率转换电路的将至接收器处的负载的输出功率维持实质上恒定的预期操作有关的信息来确定无线功率***中的无功功率的量，其引起***中无功功率的调节。控制器还被配置为基于关于***中的无功功率如何基于逆变器电路的操作特性的调节在接收器处被调节的信息来调节逆变器电路的操作特性，以引起将无线功率传输***中的无功功率的量调节到目标水平。
本公开中描述的主题的另一方面提供了一种用于在无线功率传输***中经由磁场来无线地传输功率的装置。无线功率传输***可以包括具有被配置为经由磁场来感应地耦合功率的谐振接收电路的接收器、以及被配置为响应由于耦合的变化引起的接收的功率的变化而调节无线功率传输***中的无功功率的量以维持输出功率实质上恒定的接收器的功率转换电路。该装置可以包括被配置为输出交流电流的逆变器电路。该装置可以还包括包含电连接到电容元件的线圈的谐振发射电路，谐振发射电路可操作地耦合到逆变器电路并且被配置为响应于通过交流电流被驱动而生成磁场。该装置还可以包括控制器，该控制器被配置为接收指示逆变器电路的电气特性的值，并且调节逆变器电路的操作特性以触发接收电路中的电流的变化，基于响应于谐振接收电路中的电流的变化而自动发生以维持输出功率实质上恒定的功率转换电路中的变化，逆变器的操作特性的调节量由控制器选择以引起无线功率传输***中的无功功率的量的调节。
本公开中描述的主题的另一方面提供了一种用于在无线功率传输***中经由磁场来无线地传输功率的方法。无线功率传输***可以包括具有被配置为经由磁场来感应地耦合功率的谐振接收电路的接收器，接收器的功率转换电路被配置为响应于由于耦合的变化引起的接收的功率的变化而调节无线功率传输***中的无功功率的量以维持输出功率实质上恒定。该方法可以包括将交流电流输出到无线功率发射器。该方法可以还包括响应于通过交流电流被驱动而在无线功率发射器处生成磁场。该方法还可以包括接收指示无线功率发射器的电气特性的值。该方法可以还包括调节无线功率发射器的操作特性以触发接收器中的电流的变化，基于响应于接收器中的电流的变化而自动发生以维持输出功率实质上恒定的接收器中的变化，无线功率发射器的操作特性的调节量被选择以引起无线功率传输***中的无功功率的量的调节。
本公开中描述的主题的另一方面提供了一种用于在无线功率传输***中经由磁场来无线地传输功率的装置。无线功率传输***可以包括具有被配置为经由磁场来感应地耦合功率的谐振接收电路的接收器，接收器的功率转换电路被配置为响应于由于耦合变化引起的接收的功率的变化而调节无线功率传输***中的无功功率的量以维持输出功率实质上恒定。该装置可以包括用于输出交流电流的部件。该装置可以还包括用于响应于通过交流电流被驱动而生成磁场的部件。该装置还可以包括用于接收指示用于输出交流电流的部件的电气特性的值的部件。该装置可以还包括用于调节用于输出交流电流的部件的操作特性以触发接收器中的电流的变化的部件，基于响应于接收器中的电流的变化而自动发生以维持输出功率实质上恒定的接收器中的变化，用于输出交流电流的部件的操作特性的调节量被选择以引起无线功率传输***中的无功功率的量的调节。
本公开中描述的主题的另一方面提供了一种无线功率传输***。无线功率传输***可以包括无线功率接收器。无线功率接收器可以包括被配置为经由磁场来感应地耦合功率的谐振接收电路。无线功率接收器还可以包括功率转换电路，功率转换电路具有切换网络且被配置为响应于调节切换网络的状态而调节无线功率传输***中的无功功率的量，以响应于由于耦合的变化引起的接收的功率的变化而维持输出功率实质上恒定。无线功率传输***还可以包括无线功率发射器。无线功率发射器可以包括被配置为输出交流电流的逆变器电路。无线功率发射器还可以包括包含电连接到电容元件的线圈的谐振发射电路，谐振发射电路可操作地耦合到逆变器电路并且被配置为响应于通过交流电流被驱动而生成磁场。无线功率发射器还可以包括控制器。控制器可以被配置为接收指示逆变器电路的电气特性的值。控制器还可以被配置为调节逆变器电路的操作特性以触发接收电路中的电流的变化，基于响应于谐振接收电路中的电流的变化而自动发生以维持输出功率实质上恒定的功率转换电路中的变化，逆变器的操作特性的调节量由控制器被选择以引起无线功率传输***中的无功功率的量的调节。
附图说明
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于对电动车辆充电的示例性无线功率传输***。
图2是图1的无线功率传输***的示例性核心部件的示意图。
图3是示出图1的无线功率传输***的示例性核心和辅助部件的功能框图。
图4A是根据本文中描述的实施例的串联调谐的无线功率传输***的电路图。
图4B是根据本文中描述的实施例的并联调谐的无线功率传输***的电路图。
图5A和图5B是示出串联调谐的无线功率传输***的电压和电流的示例性值的时间序列图。
图5C和图5D是示出并联调谐的无线功率传输***的电压和电流的示例性值的时间序列图。
图6是示例性无线功率传输***的功能框图。
图7A和图7B是示出串联调谐的无线功率传输***的逆变器桥电压、逆变器桥电流和车辆垫的电流的示例性值的时间序列图。
图7C和图7D是示出并联调谐的无线功率传输***的逆变器桥电压、逆变器桥电流和车辆垫的电流的示例性值的时间序列图。
图8描绘了根据无线功率传输***的一个实施例的经由足以对负载供电或充电的磁场来无线地提供功率并且用于控制在无线功率接收器处生成的无功功率的示例性方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的“具体实施方式”旨在作为对本发明的某些实现的描述，而不旨在呈现可以实践本发明的唯一实现。贯穿本说明书使用的术语“示例性”表示“用作示例、实例或说明”，并且不一定被解释为比其他示例性实现优选或有利。为了提供对所公开的实现的透彻理解，“具体实施方式”包括具体细节。在某些情况下，某些设备以框图形式显示。
无线功率传输可以指的是在不使用物理电导体的情况下将与电场、磁场、电磁场等相关联的任何形式的能量从发射器传输到接收器(例如，功率可以通过自由空间传输)。输出到无线场(例如，磁场或电磁场)中的功率可以被“接收天线”接收、捕获或耦合以实现功率传输。
本文中使用电动车辆来描述远程***，其示例是车辆，其包括从可充电能量存储装置(例如，一个或多个可再充电电化学电池或其他类型的电池)获得的电功率作为其运动能力的一部分。作为非限制性示例，一些电动车辆可以是除电动机之外还包括用于直接运动或对车辆电池充电的传统内燃机的混合电动车辆。其他电动车辆可以从电功率中汲取所有的运动能力。电动车辆不限于汽车，也可以包括摩托车、推车、踏板车等。作为示例而非限制，在本文中以电动车辆(EV)的形式描述了远程***。此外，也可以考虑可以使用可充电能量存储设备至少部分地被供电的其他远程***(例如，电子设备，诸如个人计算设备等)。
图1是根据一些实现的用于对电动车辆112充电的无线功率传输***100的图。无线功率传输***100能够在电动车辆112停放在基地(base)无线充电***102a附近时对电动车辆112充电。用于两个电动车辆的空间被示出在停放区域中以停放在相应的基地无线充电***102a和102b之上。在一些实现中，本地配送中心190可以连接到功率主干网192并且被配置为通过功率链路110向基地无线充电***102a提供交流(AC)或直流(DC)电源。基地无线充电***102a还包括用于无线地传输或接收功率的基地***感应线圈104a。电动车辆112可以包括电池单元118、电动车辆感应线圈116和电动车辆无线充电***114。电动车辆感应线圈116可以例如经由基地***感应线圈104a所生成的磁场的区域来与基地***感应线圈104a交互。
在一些实现中，当电动车辆感应线圈116位于由基地***感应线圈104a产生的能量场中时，电动车辆感应线圈116可以接收功率。该场对应于其中由基地***感应线圈104a输出的能量可以由电动车辆感应线圈116捕获的区域。例如，由基地***感应线圈104a输出的能量可以处于足以对电动车辆112充电或供电的水平。在一些情况下，该场可以对应于基地***感应线圈104a的“近场”。近场可以对应于其中由基地***感应线圈104a中不会将功率辐射远离基地***感应线圈104a的电流和电荷引起的强反应场的区域。在一些情况下，近场可以对应于在基地***感应线圈104a的波长的约1/2π内的区域(对于电动车辆感应线圈116而言反之亦然)，如下面将进一步描述。
本地配送130可以被配置为经由通信回程134与外部源(例如，电网)通信并且经由通信链路108与基地无线充电***102a通信。
在一些实现中，电动车辆感应线圈116可以与基地***感应线圈104a对准，并且因此简单地通过驾驶员相对于基地***感应线圈104a正确地定位电动车辆112而设置在近场区域内。在其他实现中，驾驶员可以被给予视觉反馈、听觉反馈或其组合，以确定电动车辆112何时被适当地放置用于无线功率传输。在其他实现中，电动车辆112可以通过自动驾驶***来被定位，自动驾驶***可以使电动车辆112前后移动(例如，以之字形运动)，直到对准误差达到可容许的值。如果电动车辆112配备有伺服方向盘、超声波传感器和用于调节车辆的智能装置，则这可以由电动车辆112自动且自主地执行，而不具有或仅具有最小的驾驶员干预。在其他实现中，电动车辆感应线圈116、基地***感应线圈104a或其组合可以具有用于相对于彼此移位和移动感应线圈116和104a的功能，以更精确地定向它们并且在它们之间形成更有效的耦合。
基地无线充电***102a可以位于各种位置。作为非限制性示例，一些合适的位置包括在电动车辆112所有者的家处的停车区域、针对在传统的石油加油站后面建模的电动车辆无线充电预留的停车区域、以及在诸如购物中心和工作地点的其他位置的停车场。
无线充电电动车辆可以提供很多益处。例如，可以自动执行充电，而实际上没有驾驶员干预和操纵，从而提高了用户的便利性。也可能没有暴露的电触点并且没有机械磨损，从而提高无线功率传输***100的可靠性。可能不需要使用电缆和连接器进行操作，并且可能没有可能暴露于户外环境中的湿气和水分的电缆、插头或插座，从而提高安全性。也可能没有可见或可接近的插座、电缆和插头，从而减少充电设备的潜在破坏。此外，由于电动车辆112可以被用作用于稳定电网的分布式存储设备，对接电网解决方案可以被用来提高车辆用于车辆到电网(V2G)操作的可用性。
参考图1描述的无线功率传输***100还可以提供美学和无阻碍性的优点。例如，可能没有可能妨碍车辆和/或行人的电荷柱和电缆。
作为车辆到电网能力的进一步说明，无线功率传输和接收能力可以被配置为相互，使得基地无线充电***102a将功率传输到电动车辆112并且电动车辆112将功率传输到基地无线充电***102a，例如在能量短缺的时候。通过允许电动车辆在过度需求导致的能源短缺或可再生能量生产(例如，风能或太阳能)的短缺的时候向整个配电***贡献功率，这种能力可以有助于稳定配电网。
图2是图1的无线功率传输***100的核心部件的示意图。如图2所示，无线功率传输***200可以包括基地***发射电路206，基地***发射电路206包括具有电感L1的基地***感应线圈204。无线功率传输***200还包括电动车辆接收电路222，电动车辆接收电路222包括具有电感L2的电动车辆感应线圈216。本文中描述的实现可以使用形成谐振结构的电容性负载线环(即，多匝线圈)，如果主结构和辅结构均被调谐到共同的谐振频率，则谐振结构能够经由磁性或电磁近场将能量从主结构(发射器)有效地耦合到辅结构(接收器)。线圈可以用于电动车辆感应线圈216和基地***感应线圈204。使用谐振结构用于耦合能量可以被称为“磁耦合谐振”、“电磁耦合谐振”和/或“谐振电感”。将基于从基地无线功率充电***202到电动车辆112的功率传输来描述无线功率传输***200的操作，但不限于此。例如，如上所述，电动车辆112可以向基地无线充电***102a传输功率。
参考图2，电源208(例如，AC或DC)向基地无线功率充电***202提供功率PSDC以向电动车辆112传输能量。基地无线功率充电***202包括基地充电***功率转换器336。基地充电***功率转换器236可以包括电路，诸如被配置为将功率从标准市电AC转换为合适电压电平的DC功率的AC/DC转换器、以及被配置为将DC功率转换为适合无线高功率传输的工作频率的功率的DC/低频(LF)转换器。基地充电***功率转换器236向包括与基地***感应线圈204串联的电容器C1的基地***发射电路206提供功率P1，以便以期望频率发射磁场。电容器C1可以与基地***感应线圈204并联或串联耦合，或者可以由并联或串联拓扑的任何组合的若干电抗元件形成。电容器C1可以被设置成与基地***感应线圈204形成以期望频率谐振的谐振电路。基地***感应线圈204接收功率P1，并且以足以对电动车辆112充电或供电的水平无线地传输功率。例如，由基地***感应线圈204无线地提供的功率水平可以是千瓦(kW)数量级(例如，从1kW到110kW或更高或更低的任何位置)，并且在一些实现中，可以以包括但不限于85kHz的频率来传输。
包括基地***感应线圈204的基地***发射电路206和包括电动车辆感应线圈216的电动车辆接收电路222可以被调谐到实质上相同的频率，并且可以位于由基地***感应线圈204和电动车辆感应线圈116中的一个发射的磁场的近场内。在这种情况下，基地***感应线圈204和电动车辆感应线圈116可以变得彼此耦合，使得功率可以被传输到包括电容器C2和电动车辆感应线圈116的电动车辆接收电路222。电容器C2可以被设置成与电动车辆感应线圈216形成以期望频率谐振的谐振电路。电容器C2可以与电动车辆感应线圈204并联或串联耦合，或者可以由并联或串联拓扑的任何组合的若干电抗元件形成。元素k(d)表示在线圈分离时生成的互耦系数。等效电阻Req,1和Req,2表示感应线圈204和216以及抗电抗电容器C1和C2可能固有的损耗。包括电动车辆感应线圈216和电容器C2的电动车辆接收电路222接收功率P2并且将功率P2提供给电动车辆充电***214的电动车辆功率转换器238。
电动车辆功率转换器238可以包括LF/DC转换器等，LF/DC转换器被配置为将操作频率的功率转换回与电动车辆电池单元218的电压电平相匹配的电压电平的DC功率。电动车辆功率转换器238可以提供转换后的功率PLDC以对电动车辆电池单元218充电。电源208、基地充电***功率转换器236和基地***感应线圈204可以是静止的，并且位于各种位置，如上所述。电池单元218、电动车辆功率转换器238和电动车辆感应线圈216可以被包括在作为电动车辆112的一部分或电池组(未示出)的一部分的电动车辆充电***214中。电动车辆充电***214还可以被配置为通过电动车辆感应线圈216无线地向基地无线功率充电***202提供功率，以将功率馈送回电网。基于操作模式，电动车辆感应线圈216和基地***感应线圈204中的每一个可以用作发射或接收感应线圈。
尽管未示出，但是无线功率传输***200可以包括将电动车辆电池单元218或电源208从无线功率传输***200安全地断开的负载断开单元(LDU)。例如，在紧急或***故障时，LDU可以被触发以将负载从无线功率传输***200断开。除了用于管理对电池的充电的电池管理***之外，还可以提供LDU，或者LDU可以是电池管理***的一部分。
此外，电动车辆充电***214可以包括用于选择性地将电动车辆感应线圈216连接到电动车辆功率转换器238以及从电动车辆功率转换器238断开的切换电路(未示出)。断开电动车辆感应线圈216可以暂停充电，并且还可以调节由基地无线充电***102a(作为发射器)“看到”的“负载”，其可以用于从基地无线充电***102a“掩盖”电动车辆充电***114(作为接收器)。如果发射器包括负载感测电路，则可以检测负载变化。因此，诸如基地无线充电***202等发射器可以具有用于确定在基地***感应线圈204的近场中何时存在诸如电动车辆充电***114等接收器的机构。
如上所述，在操作中，假定向车辆或电池的能量传递，从电源208提供输入功率，使得基地***感应线圈204生成用于提供能量传递的场。电动车辆感应线圈216耦合到辐射场并且生成用于由电动车辆112存储或消耗的输出功率。如上所述，在一些实现中，基地***感应线圈204和电动车辆感应线圈116根据相互谐振关系来被配置，当电动车辆感应线圈116的谐振频率和基地***感应线圈204的谐振频率非常接近或实质上相同时。当电动车辆感应线圈216位于基地***感应线圈204的近场中时，基地无线功率充电***202和电动车辆充电***214之间的传输损耗最小。
如上所述，通过将发射感应线圈的近场中的大部分能量耦合到接收感应线圈而不是将磁波中的大部分能量传播到远场而发生有效的能量传递。当在近场中时，可以在发射感应线圈和接收感应线圈之间建立耦合模式。感应线圈周围可能发生这种近场耦合的区域在本文中被称为近场耦合模式区域。
尽管未示出，基地充电***功率转换器236和电动车辆功率转换器238二者可以都包括振荡器、诸如功率放大器等驱动器电路、滤波器、和用于与无线功率感应线圈有效耦合的匹配电路。振荡器可以被配置为生成期望频率，期望频率可以响应于调节信号来被调节。振荡器信号可以由功率放大器以响应于控制信号的放大量来放大。滤波器和匹配电路可以被包括以滤除谐波或其他不期望的频率，并且将功率转换模块的阻抗与无线功率感应线圈相匹配。功率转换器236和238还可以包括整流器和切换电路，以生成适当的功率输出来对电池充电。
贯穿所公开的实现描述的电动车辆感应线圈216和基地***感应线圈204可以被称为或被配置为“环形”天线，并且更具体地是多匝环形天线。感应线圈204和216也可以在本文中被称为或被配置为“磁性”天线。术语“线圈”旨在表示可以无线地输出或接收能量以耦合到另一“线圈”的部件。线圈也可以被称为被配置为无线地输出或接收功率的类型的“天线”。如本文中所使用的，线圈204和216是被配置为无线地输出、无线地接收和/或无线地中继功率的类型的“功率传输部件”的示例。环形(例如，多匝环形)天线可以被配置为包括空气磁芯或物理磁芯，诸如铁氧体磁芯。空气磁芯环形天线可以允许在磁芯区域内放置其他部件。包括铁磁体或铁磁性材料的物理磁芯天线可以允许开发更强的磁场和改进的耦合。
如上所述，能量在发射器和接收器之间的有效传递在发射器和接收器之间的匹配或接近匹配的谐振期间发生。然而，即使发射器和接收器之间的谐振不匹配，能量也可以以较低的效率传递。能量传递通过以下方式来发生，将能量从发射感应线圈的近场耦合到驻留在其中建立有该近场的区域内(例如，在谐振频率的预定频率范围内，或在近场区域的预定距离内)的接收感应线圈而不是将能量从发射感应线圈传播到自由空间。
谐振频率可以基于包括感应线圈(例如，基地***感应线圈204)的发射电路的电感和电容，如上所述。如图2所示，电感通常可以是感应线圈的电感，而电容可以被添加到感应线圈以产生期望的谐振频率的谐振结构。作为非限制性示例，如图2所示，电容器可以与感应线圈串联添加以产生生成磁场的谐振电路(例如，基地***发射电路206)。因此，对于较大直径的感应线圈，诱发谐振所需要的电容值可能随着线圈的直径或电感的增加而减小。电感也可以取决于感应线圈的匝数。此外，随着感应线圈的直径增加，近场的有效能量传递面积可能增加。其他谐振电路是可能的。作为另一非限制性示例，电容器可以并联放置在感应线圈的两个端子之间(例如，并联谐振电路)。此外，感应线圈可以被设计为具有高的质量(Q)因子以改善感应线圈的谐振。例如，Q因子可以是300或更大。
如上所述，根据一些实现，公开了在彼此的近场中的两个感应线圈之间的耦合功率。如上所述，近场可以对应于感应线圈周围的存在磁场但是可能不会传播或辐射远离感应线圈的区域。近场耦合模式区域可以对应于接近感应线圈的物理体积的体积，通常在波长的一小部分内。根据一些实现，诸如单匝和多匝环形天线等磁感应线圈用于发射和接收二者，因为与电类型的天线(例如，小偶极子)的电近场相比，实际实现中的磁性近场幅度对于磁类型线圈往往较高。这允许该成对之间潜在的更高的耦合。此外，可以使用“电”天线(例如，偶极子和单极子)或者磁和电天线的组合。
图3是示出图1的无线功率传输***300的核心和辅助部件的另一功能框图。无线功率传输***300示出了用于基地***感应线圈304和电动车辆感应线圈316的通信链路376、引导链路366和对准***352、354。如以上参考图2所述，并且假定能量朝向电动车辆112流动，在图3中，基地充电***电源接口354可以被配置为从诸如AC或DC电源186等电源向充电***功率转换器336提供功率。基地充电***功率转换器336可以从基地充电***电源接口354接受AC或DC功率以在其谐振频率处或附近激励基地***感应线圈304。当在近场耦合模式区域中时，电动车辆感应线圈316可以从近场耦合模式区域接收能量以在谐振频率处或附近振荡。电动车辆功率转换器338将来自电动车辆感应线圈316的振荡信号转换为适于经由电动车辆电源接口对电池充电的功率信号。
基地无线充电***302包括基地充电***控制器342，并且电动车辆充电***234包括电动车辆控制器344。基地充电***控制器342可以包括到诸如计算机、配电中心或智能电网等其他***(未示出)的基地充电***通信接口212。电动车辆控制器344可以包括到诸如车辆上的车载计算机、其他电池充电控制器、车辆内的其他电子***、和远程电子***等其他***(未示出)的电动车辆通信接口。
基地充电***控制器342和电动车辆控制器344可以包括用于具有单独的通信信道的特定应用的子***或模块。这些通信信道可以是单独的物理信道或单独的逻辑信道。作为非限制性示例，基地充电对准***352可以通过通信链路376与电动车辆对准***354通信，以提供用于自动地或通过操作者辅助使基地***感应线圈304和电动车辆感应线圈316更紧密对准的反馈机构。类似地，基地充电引导***362可以通过引导链路与电动车辆引导***364通信，以提供在对准基地***感应线圈304和电动车辆感应线圈316时引导操作者的反馈机构。此外，可以存在由基地充电通信***372和电动车辆通信***374支持的单独的通用通信链路(例如，信道)以用于在基地无线功率充电***302和电动车辆充电***234之间传输其他信息。该信息可以包括关于电动车辆特性、电池特性、充电状态和基地无线功率充电***302和电动车辆充电***234两者的功率能力、以及电动车辆112的维护和诊断数据的信息。这些通信信道可以是单独的物理通信信道，诸如例如蓝牙、zigbee、蜂窝等。
电动车辆控制器344还可以包括管理电动车辆主电池的充电和放电的电池管理***(BMS)(未示出)、基于微波或超声波雷达原理的停车辅助***、被配置为执行半自动停车操作的制动***、以及被配置为协助可以提供更高的停车精度的高度自动化停车“电控停车”的方向盘伺服***，从而减少基地无线充电***102a和电动车辆充电***114中的任何之中对于机械水平感应线圈对准的需要。此外，电动车辆控制器344可以被配置为与电动车辆112的电子设备通信。例如，电动车辆控制器344可以被配置为与视觉输出设备(例如，仪表板显示器)、声/音频输出设备(例如，蜂鸣器、扬声器)、机械输入设备(例如，键盘、触摸屏、和指示设备，诸如操纵杆、轨迹球等)、和音频输入设备(例如，具有电子语音识别的麦克风)通信。
此外，无线功率传输***300可以包括检测和传感器***。例如，无线功率传输***300可以包括：与用于将司机或车辆正确地引导到充电点的***一起使用的传感器、用于将感应线圈与所需要的分离/耦合相互对准的传感器、用于检测可能阻碍电动车辆感应线圈316移动到特定高度和/或位置以实现耦合的传感器、以及与用于与执行***的可靠、无损坏且安全的操作的***一起使用的安全传感器。例如，安全传感器可以包括用于进行以下操作的传感器：检测超出安全半径的接近无线功率感应线圈104a、116的动物或儿童的存在，检测可以被加热(感应加热)的基地***感应线圈304附近的金属物体，检测在基地***感应线圈304上的诸如炽热的物体等危险事件，以及监测基地无线功率充电***302和电动车辆充电***214部件的温度。
无线功率传输***300还可以经由有线连接来支持***式充电。有线充电端口可以在向电动车辆112传输功率或从电动车辆112传输功率之前集成两个不同充电器的输出。切换电路可以根据需要提供支持无线充电和经由有线充电端口的充电二者的功能。
为了在基地无线充电***302和电动车辆充电***314之间通信，无线功率传输***300可以使用带内信令和RF数据调制解调器(例如，在非许可频带中的无线电以太网)二者。带外通信可以提供足够的带宽以用于向车辆用户/拥有者分配增值服务。无线功率载波的低深度幅度或相位调制可以用作具有最小干扰的带内信令***。
此外，可以经由无线功率链路来执行某种通信，而不使用特定的通信天线。例如，无线功率感应线圈304和316也可以被配置为用作无线通信发射器。因此，基地无线功率充电***302的一些实现可以包括用于在无线功率路径上启用密钥型协议的控制器(未示出)。通过利用预定义的协议以预定义的间隔键入发射功率水平(幅度移位键控)，接收器可以检测来自发射器的串行通信。基地充电***功率转换器336可以包括负载感测电路(未示出)，其用于检测在由基地***感应线圈304生成的近场附近的有源电动车辆接收器的存在或不存在。作为示例，负载感测电路监视流向功率放大器的电流，其受到由基地***感应线圈104a生成的近场附近的有源接收器的存在或不存在的影响。功率放大器上的负载变化的检测可以由基地充电***控制器342监测，用于确定是否启用振荡器用于发射能量，以与有源接收器或其组合通信。
在无线功率传输***(静态和动态二者)中对于电动车辆中的功率接收垫(pad)(例如，电动车辆感应线圈316)可能期望的是，在由x、y、z坐标极限规定的给定公差范围内在各个对准位置处操作或接受来自基地垫(pad)(例如，基地***感应线圈304)的功率/电荷。这可能会导致不同的垫电感。由于电动车辆感应线圈316或基地***感应线圈304或二者中的调谐电容器的固定值，失谐可能在多个对准点中发生。这种失谐的后果是由于***的不受控制的电抗负载而降低了***效率。在无线功率传输***的情况下，一定程度的失谐可能是不可避免的，尽管如此，保持失谐尽可能小是期望的。
某些并行无线功率传输***依赖于基于发射器侧的大部分控制。发射器侧逆变器电压的变化直接导致逆变器电流的变化(电压下降导致电流下降，并且因此输出功率下降)。另一方面，串联***(例如，无线功率传输***200、300)可以具有在发射器(例如，基地无线功率充电***202和302)和接收器(例如，电动车辆充电***214和314)侧之间的控制划分。发射器控制经由无线耦合发射的能量的量，而接收器则控制对电池充电的能量的量。串联(例如，当电容性元件串联电连接到发射器线圈以形成串联谐振电路时)方法可以从***控制的角度提供机会。如本文中描述，有可能在其操作期间有效地重新调谐无线功率传输***，以优化所有对准位置中的无线功率传输***效率。换言之，本文中描述的有源调谐方法补偿了由于在各种对准位置中的不同耦合和变化的垫电感而在任何无线功率传输***中自然发生的失谐效应。这在无线功率传输中对于无线电动车辆充电(WEVC)应用可能是期望的，该应用中由于高功率而对准并且因此耦合和垫电感的变化以及效率要求可能是限制性的。对准公差可能导致无线功率传输***的相当大的失谐，并且因此导致高损耗，这可以通过在重量敏感的汽车环境中的附加冷却来处理。此外，由于串联调谐拓扑结构，本文中描述的***中通过无功功率注入的有源调谐主要通过仅用作输出电流/功率控制器的发射器侧和接收器侧来被促进。
本文中的一个实现提供了使用整流器中的占空比控制(AC切换)以便控制输出电流的串联串联IPT(感应功率传输)***(例如，发射器和接收器二者都具有串联调谐的谐振电路)。输出电流被控制以在特定工作点提供所需要的输出功率。这种控制的副作用是向***中注入无功功率。在一些方面，注入的无功功率可以在车辆侧(例如，电动车辆充电***214)呈电容性并且在电源(PSU)侧(例如，基地无线功率充电***202)呈电感性。根据本文中描述的实现，这种无功功率注入可以用于WEVC(无线电动车辆充电)***的有源调谐，其补偿各种失谐效应。在其他实现中，IPT***可以是并联并联IPT***(例如，发射器和接收器二者都具有并联调谐的谐振电路)。
图4A是串联调谐的无线功率传输***400的图。无线功率传输***400包括桥式逆变器电压Vinverter 401、基地垫CT_BP 402的调谐电容器、以及PSU侧的基地垫的基地垫LBP 403的电感器(例如，形成初级侧或者换言之如图2所示的基地无线充电***202)。无线功率传输***400在电动车辆侧(例如，次级侧)还包括车辆垫(pad)LVP410的电感器、车辆垫CT_VP411的调谐电容器、和包括四个二极管412至415的整流器425、以及至少一个或两个开关S1416和S2 417。在一些实施例中，整流器425可以包括全桥或半桥整流器。车辆侧的负载表示为电阻RL_dc 420。为了说明***400的一些方面，整流器425和电阻RL_dc 420可以由包括阻抗ZL_ac 450的电路450表示。ZL_ac 450是考虑AC切换的等效AC。为了说明各个方面的目的，无线功率传输***400可以进一步由如图4A的右下侧所示的电路480表示。电路480包括桥式逆变器电压Vinverter 401、CT_BP 402、LBP 403和ZVP_ac 475。ZVP_ac 475表示可以表示与所有车辆侧元件相关联的阻抗的复数阻抗。如图4A所示，从LVP 410流向CT_VP 411的电流包括等效AC阻抗IZL_ac422的电流。LVP 410两端的电压包括等效AC阻抗VZL_ac 423的电压，并且流过RL_dc420(或ZL_ac 450)的电流包括负载电阻IRL_dc 421的DC电流。在一些实施例中，开关S1 416和S2 417两者都可以由控制器(例如，基地控制器342)来控制。
图4B是并联调谐的无线功率传输***的图。无线功率传输***可以类似于图4A的无线功率传输***400，除了发射器和接收器的谐振电路是并联电路而不是串联电路(例如，发射器侧的CT_BP 402和LBP 403、以及接收器侧的LVP 410和CT_VP 411并联布置)之外。
图5A是示出图4A的串联调谐的无线功率传输***400的电压VZL_ac 423、电流IZL_ac422和电流IRL_dc 421的示例性值的时间序列图500。图5A示出了三条正弦曲线：表示VZL_ac值的第一线505、表示IZL_ac值的第二线510以及表示IRL_dc值的第三虚线515。如图所示，由线510和515分别表示的电流IZL_ac和IRL_dc几乎相同，这表明电流以最小的延迟和小的控制角(指示整流器的占空比)流过车辆侧或车辆垫(即，整流器425)。
图5B是示出具有比图5A的图500中使用的控制角更大的控制角的图4A的无线功率传输***400的电压VZL_ac 423、电流IZL_ac 422和电流IRL_dc 421的示例性值的另一时间序列图550。图5B包括相同的线505、510和515。在该实施例中，图4A的开关S1 416和S2 417中的一个或两个的占空比已经被调节，导致如图5B所示的IRL_dc线515的相位偏移和幅度调节。图4A的开关S1 416和S2 417的占空比的调节还将无功功率引入到无线功率传输***(例如，无线功率传输***400)中。相应地，通过控制图4的开关S1 416和S2 417的占空比，可以控制被引入或注入到无线功率传输***中的无功功率的量。此外，控制开关S1 416和S2 417的占空比可以用于例如调节输出电压，以将提供给负载的输出保持在目标水平(例如，在输出电压已经被***选择以提供给负载的周期期间实质上恒定的输出)。另外，控制无功功率可以用于调谐辅谐振电路(例如，使谐振电路在操作期间更接近或远离谐振条件)。
图5C和图5D是示出图4B的并联调谐的无线功率传输***的电压VZL_ac 423、电流IZL_ac 422和电流IRL_dc 421的示例性值的时间序列图，其中图5D所示的时间序列图对应于比在图5C的图中使用的控制角更大的控制角。类似于串联调谐的无线功率传输***，并联调谐的***中的接收器可以被配置为将输出电流控制为由电池管理***请求的值。在一些实施例中，这经由控制有源整流器切换角(例如，负载角)来完成。如在图5A至图5D中可以看出，输出电流的控制可能导致向***中注入无功功率的电压和电流之间的相移。在传统操作中，由于附加损耗，无功功率注入可能是负面影响。但是，结合主逆变器控制和***调谐，可以将无功功率的量控制在具有***效率最高的点。如图5C和图5D所示，并联调谐的无线功率传输***中的电压VZL_ac 423、电流IZL_ac 422和电流IRL_dc 421可以与串联调谐的无线功率传输***中的实质上相同。
在如本文所述没有补偿的情况下，无功功率注入会引起各种损失。例如，不平衡的无功功率可能导致热损失、源和接收端之间的电压差、以及电压稳定性的下降等因素。然而，根据本文中描述的各种实现的各方面，结合主逆变器控制和有源***调谐，无功功率注入可以用来将无功功率的量控制在具有***效率最高的点。
图6是示例性无线功率传输***600的功能框图。充电***600可以包括无线功率发射器***601和无线功率接收器***699。无线功率发射器***601可以包括在无线功率传输***100、200、300和400中找到的部件。无线功率接收器***699可以包括在电动车辆112中找到的部件。无线功率发射器***601可以包括输入602。输入602可以包括可以向功率因数校正(PFC)单元605提供交流(AC)电压/电流的外部电源。PFC单元605可以调节输入602的功率因数，并且可以将AC电压/电流转换成直流(DC)电压/电流。PFC单元605还可以提高输入602的稳定性和效率。PFC单元605然后可以将DC电压/电流提供给DC/AC电压逆变器610。DC/AC电压逆变器610将DC电压转换为AC电流。DC/AC电压逆变器610然后可以将AC电流提供给基地垫615。
基地垫615可以类似于基地无线充电***102a、基地***发射电路206和基地***感应线圈204。例如，基地垫615可以包括与上面关于图1至图3的发射器104和基地***感应线圈304描述的部件类似的部件。在一些实施例中，基地垫615可以包括包含基地***发射电路206的部件的至少一部分的垫。基地垫615被配置为基于从DC/AC电压逆变器610接收的AC电流来生成用于向无线功率接收器***699提供无线功率的磁场645。基地垫615的功率发射电路可以包括类似于上述发射天线/线圈的无线功率发射元件。在一些实施例中，基地垫615可以包括或具有与无线功率发射器***601的一个或多个模块相对应的部件。例如，基地垫615可以包括基地垫控制器(未示出)、输入602、PFC单元605、DC/AC电压逆变器610、无功功率控制器625(下面更全面地讨论)和导通角控制器635(下面更全面地讨论)。在一些实施例中，基地垫615可以包括主谐振器。在一些实施例中，用于无功功率的控制方案可以在无功功率控制器625中实现，而在其他实施例中，用于无功功率的控制方案可以由另一部件(例如，桥控制器)来实现。
无线功率接收器***699可以包括车辆垫650。车辆垫650可以类似于图1至图3的电动车辆感应线圈116、电动车辆谐振电路222、电动车辆感应线圈316。例如，车辆垫650可以包括与以上关于图2的电动车辆谐振电路222描述的部件类似的部件。车辆垫650可以被配置为经由磁场645从基地垫615的功率发射电路接收无线功率。在一些实施例中，车辆垫650可以包括无线功率接收器***699的一个或多个块。例如，车辆垫650可以包括具有AC切换的有源整流器655、输出单元660、电压/电流测量比较器或微分器665和/或输出电流控制器680。在一些实施例中，具有AC切换的有源整流器655可以包括与图4A或图4B的整流器425的部件类似的部件。在一些实施例中，车辆垫650可以包括辅谐振器。无线功率接收器***699还可以包括车辆控制器(未示出)，该车辆控制器可以包括被配置为控制或协调由无线功率接收器***699中示出的块执行的功能的处理器和/或其他控制器电路。
磁场645在车辆垫650处产生AC电流，并且然后车辆垫650将该电流提供给具有AC切换的有源整流器655。具有AC切换的有源整流器655将AC电流转换为输出电流。然后，具有AC切换的有源整流器655将输出电流提供给输出单元660。输出单元660然后将输出电流的测量值提供给电压/电流测量比较器或微分器665。电压/电流测量比较器或微分器665将来自输出单元660的输出电流的测量值与电流(或电压)请求相比较。在一些实施例中，电流请求从车辆控制器或从电动车辆的电池管理***接收。比较器或微分器665然后将电流请求与输出电流的测量值之间的差值作为输出电流误差发送到输出电流控制器680。输出电流控制器680可以被配置为将无线功率接收器***699的输出电流和/或输出功率自动地维持在实质上恒定的水平。输出电流控制器680可以响应于接收功率的变化(例如，由于耦合变化)调节具有AC切换的有源整流器655的占空比(例如，AC切换角)，以将输出电流和输出功率维持在实质上恒定的水平。如以上关于图4A和图5B所讨论的，输出电流控制器680对占空比的调节可以将无功功率注入到示例性无线功率传输***600中。这样，输出电流控制器680和有源整流器655可以共同包括功率转换电路，该功率转换电路被配置为响应于由于耦合的变化而接收的功率的变化来自动地调节无线功率传输***中的无功功率的量以维持输出功率实质上恒定。
在一些实施例中，为了更好地补偿在无线功率接收器***699处注入的无功功率，输出电流控制器680还可以发送针对无线功率接收器***699的至少一个操作参数的阈值极限的指示。在一些方面，信息可以包括关于去往无线功率发射器***601的具有AC切换的有源整流器655的占空比的信息。例如，关于占空比的信息可以包括用于占空比的某些阈值极限。在一些方面，极限可以指示最大占空比是.5或50％，并且最小占空比是.1或10％。
在一些实施例中，关于来自输出电流控制器680的具有AC切换的有源整流器655的占空比的反馈(例如，经由无线功率发射器***601与无线功率接收器***699之间的通信链路传输的信息)由无功功率控制器625接收。无功功率控制器625基于负载角的测量值和理想负载角之间的差值(例如，DC/AC电压逆变器610的电压和电流之间的相位角的指示，被称为切换角)、由DC/AC电压逆变器610生成的基地垫电流的阈值极限以及用于车辆整流器(例如，如上所述具有AC切换的有源整流器655)的占空比的阈值极限中的一个或多个来控制无线功率传输***600中的无功功率。除了将AC电流提供给基地垫615之外，DC/AC电压逆变器610还可以将DC/AC电压逆变器610的负载角的测量值提供给比较器或微分器620。微分器620将DC/AC电压逆变器610的负载角的测量值与“理想负载角”相比较。理想负载角可以是预定义的值，或者可以在无线功率传输***600内预先配置，或者可以位于包含不同***参数/配置的不同理想负载角的查找表内。在一些方面，理想负载角可以包括接近于零的值(例如，5度)。理想负载角还可以包括无线功率传输***600以最高效率操作的值。然后，比较器或微分器620将负载角的测量值与理想负载角之间的差值发送到无功功率控制器625。
如上所述，无功功率控制器625基于来自基地垫615、DC/AC电压逆变器610和输出电流控制器680的输入来控制无线功率传输***600中的无功功率。例如，无功功率控制器625可以从微分器620接收负载角的测量值(例如，20度)与理想负载角(例如，5度)之间的差值为15度的信息。无功功率控制器625可以确定在无线功率传输***600中正在生成太多的无功功率。无功功率控制器625然后可以用信号通知DC/AC电压逆变器610降低其电压占空比以用于降低提供给基地垫615的相应电流，这导致提供给车辆垫650的电流量较低。提供给车辆垫650的较低的电流降低了被注入到无线功率传输***600中的无功功率的量。例如，提供给车辆垫650的较低电流减小了输出电流测量值与电流请求之间的差值，使得输出电流控制器680可以减小具有AC切换的有源整流器655的占空比，这导致生成较低量的无功功率。结果，DC/AC电压逆变器610的负载角也将减小，并且负载角的测量值与理想负载角之间的差值也将减小。
图7A是示出图6的无线功率传输***600的逆变器桥(例如，DC/AC电压逆变器610)电压Vinverter、逆变器桥电流Iinverter和车辆垫(例如，车辆垫650)的电流IVP的示例性值的时间序列图700，其中功率传输***600是串联串联功率传输***。图7A示出了三条线：表示Vinverter值的第一线705、表示Iinverter值的第二正弦线710以及表示IVP值的第三正弦线515。图7A可以是图6的无功功率控制器625确定无线功率传输***600的无功功率太高并且确定要减小DC/AC电压逆变器610的占空比(如箭头所示)的情况的说明。图7B是示出关于图7A讨论的Vinverter、Iinverter和IVP的不同示例性值的另一时间序列图750。在图7B中，与如线705所表示的图7A的占空比相比，Vinverter的占空比已经减小。这导致较高的Iinverter和较低的IVP。由于输出电流控制器680希望保持恒定的输出电流，较低的IVP还将减小具有AC切换的有源整流器655的占空比，这导致***中较少的无功功率。因此，改变由线705所示的Vinverter也会间接改变由线710所示的Iinverter。因此，由于较高的逆变器(桥)电流，将无功功率降低到其最小值(即，非常小的负载角)可能导致DC/AC电压逆变器610中更高的损耗。因此，可能期望关于基地垫电流而控制桥式逆变器电压与电流之间的角，以找到最佳***工作点。无功功率控制器625然后可以控制DC/AC电压逆变器610的输出电压，其由此控制车辆垫电流IVP，因为在串联***中：
其中M12是基地垫615与车辆垫650之间的互感，IVP是车辆垫电流。增加桥式逆变器电压(Vinverter)增加IVP，这表示具有AC切换的有源整流器655中的切换角也需要增加，以便维持恒定的输出电流。这导致在相同的操作点处将更多的无功功率注入到无线功率传输***600中。降低Vinverter并且因此降低IVP的结果恰恰相反。取决于对准点以及所得到的耦合和电感，可能需要或多或少的无功功率来补偿失谐效应。假定输出电流控制器680是有效的，则无功功率控制器625可以在一定限制(由最大垫电流和最大/最小AC切换角限定)内控制向无线功率传输***600中注入多少无功功率。这种方法在以上讨论的图7A中示出，其中无功功率首先通过桥式逆变器电压和电流之间的相位角(也称为负载角或者切换角，被测量作为逆变器切换状态改变命令与由电流传感器和相关联的电路检测的过零电流检测时刻之间的差值)来测量，并且然后在图7B中，无功功率通过改变导致如上所述的变化的无功功率注入的桥式逆变器电压来被修改。该方法允许无线功率发射器***601进行评估和修改无线功率传输***600中的无功功率以最大化***效率，而无线功率接收器***699侧执行自主输出电流控制。
图7C和图7D示出了时间序列图720和730，其示出了图6的无线功率传输***600的逆变器桥(例如，DC/AC电压逆变器610)电压Vinverter、逆变器桥电流Iinverter和车辆垫(例如，车辆垫650)的电流IVP的示例性值，其中功率传输***600是并联并联功率传输***。与串联串联功率传输***相比，车辆垫电流IVP不直接取决于桥式逆变器电压(Vinverter)。另外，在并联并联布置中，基地垫电流IBP(未示出)和桥电流Iinverter不相同，基地垫电流IBP与电压Vinverter直接相关，因此随着Vinverter的占空比减小而减小。
在并联调谐的接收器中，有源整流器切换角直接地控制车辆垫电流IVP。接收器可以控制输出功率，输出功率可以被表征为：
Pout＝jωM12IBPIVP
增加桥式逆变器电压(Vinverter)增加基地垫电流IBP，这表示整流器中的切换角也需要增加，以便维持恒定的输出电流(IRL_dc)和输出功率。这会导致在相同的操作点向***中注入更多的无功功率。另一方面，减小桥式逆变器电压并且因此减小基地垫电流会导致相反的效果(例如，减小的切换角、较少的无功功率)。
然而，如上所述，无功功率控制器625可能无法无限地减小或提高DC/AC电压逆变器610的电压和/或电流。在一些方面，具有AC切换的有源整流器655的占空比可以接近0，并且因此，无功功率控制器625可能不能进一步减小负载角并且因此减小所注入的无功功率。在其他方面，具有AC切换的有源整流器655可以具有上阈值占空比极限，其防止具有AC切换的有源整流器655变得过载。类似地，基地垫615可以被配置为在某些极限(例如，最大电流水平)内操作。在一些方面，无功功率控制器625接收基地垫615的操作参数(例如，基地垫电流)的阈值极限的指示。因此，无功功率控制器625可以使用从输出电流控制器680和基地垫615接收的阈值极限，以确保无线功率传输***600在这些极限内操作，或者在这些极限被达到或满足时关闭功率传输。
无功功率控制器625还可以向微分器630传输导通角。微分器将从无功功率控制器625接收的导通角与最佳导通角相比较，并且将该差值发送到导通角控制器635。最佳导通角可以在无线功率传输***600内预先配置，或者可以位于包含用于不同***参数/配置的不同最佳导通角的查找表内。然后，导通角控制器635可以调节对PFC单元605的DC电压请求，以调节PFC单元605提供给DC/AC电压逆变器610的DC电压。
在一些实施例中，无线功率传输***600可以初始失谐，以便使用注入的无功功率的有源调谐有效地工作。在一些实施例中，无线功率发射器***601和无线功率接收器***699中的一者或两者可以初始被配置为以失谐状态操作。在一些方面，基地垫615的电容器的值和/或车辆垫650的电容器的值可以被选择来使无线功率发射器***601或无线功率接收器***699失谐。在一些方面，初始失谐配置可能是有益的，因为它可以允许无线功率传输***600在基地垫615和车辆垫650之间的所有对准位置处保持感应性，但是可以是至少感应性或尽可能最小地感应性。在一些实施例中，电容器的初始值是相对较大的值，使得当无线功率传输***600执行有源调谐时，通过AC切换功能添加的附加电容器降低总电容以帮助朝向调谐状态移动无线功率传输***600。在一些方面，最初对无线功率发射器***601中的一者或两者进行失谐可以包括将电感状态维持在无线功率发射器中的最小水平。
例如，可以选择用于基地垫615的电容器值，使得基地垫615以最大电感值工作。在一些方面，最大电感值是基于针对无线功率传输***600的基地垫615和车辆垫650的不同对准位置的x、y、z坐标极限所规定的给定容限范围。例如，如果车辆停放以使得车辆垫650在x、y、z位置的公差范围之外时，基地垫615不会将功率传递到车辆垫。在最大电感实施例中，当车辆垫650进入基地垫615的充电区域时，基地垫615的电感值可能降低并且引起车辆垫650与基地垫615失谐。在这种情况下，无功功率控制器625可以通过调节无线功率发射器***601的负载角和/或导通角来增大或减小注入到***中的无功功率以将基地垫615调谐到车辆垫650。
在一些实施例中，使用无功功率的有源调谐可以包括初始将车辆垫650中的电流增加到最大值。输出电流控制器680然后可以控制具有AC切换的有源整流器655的AC切换角/占空比，以维持恒定的输出电流和输出功率。具有AC切换的有源整流器655的AC切换角/占空比的调节可以将无功功率注入到无线功率传输***600中。无功功率控制器625可以通过监视DC/AC电压逆变器610的负载角并且确保负载角与理想负载角之间的差值不会变为负(例如，分别小于某个最小值)来补偿该注入的无功功率。在一些方面，在正常操作期间，输出电压/电流可能由于车辆的电池被充电而变化，车辆垫650电流、以及具有AC切换的有源整流器655的AC切换角/占空比可以被连续地调节(例如，由无功功率控制器625)，以便在无线功率传输***600中关于某些阈值极限(例如，最大基地垫电流、AC占空比最小/最大值等)实质上保持理想负载角。
图8描绘了根据无线功率传输***对电动车辆充电的示例性方法800的流程图。图8所示的方法可以经由在无线功率发射器***601中与图1、图2、图3、图5和图6的基地无线充电***102a、基地***传输电路206、基地***感应线圈204、基地***感应线圈304、基地垫615、DC/AC电压逆变器610和无功功率控制器625类似的一个或多个设备来实现。在一个实施例中，一旦电动车辆112(图1)接近基地垫615，车辆垫650(或基地垫615)可以发起无线功率传输过程。
在块802处，无线功率发射器***测量指示无线功率发射器的逆变器的电气特性的值。逆变器可以包括DC/AC电压逆变器610。在一些实施例中，电气特性对应于逆变器电路的负载角。
在块804处，无线功率发射器***(例如，在无功功率控制器625处)可以将测量的负载角与参考负载角相比较，以便确定无功功率的量。在一些实施例中，参考负载角可以对应于预定义的值或位于查找表中的值。在一些实施例中，无线功率发射器***基于逆变器的负载角和关于无功功率如何基于逆变器的负载角在接收器处被调节(例如，通过功率转换电路，诸如输出电流控制器680和有源整流器655)的信息来确定无线功率传输***中的无功功率的量。
在块806处，无线功率发射器***至少部分基于测量的负载角与参考负载角之间的差来调节逆变器的负载角。在一些实施例中，仅当负载角与参考角之间的差满足阈值(例如，指示太多的无功功率)时才调节逆变器电路的负载角。
在一些实施例中，调节逆变器电路的负载角/占空比触发接收电路中的电流的变化。基于响应于谐振接收电路中的电流的变化而自动发生以维持输出功率实质上恒定的功率转换电路(例如，输出电流控制器680和有源整流器655)中的变化，所选择的调节量可以被选择以引起无线功率传输***中的无功功率的量的调节。例如，如上所述，输出电流控制器680可以被配置为自动地控制注入的无功功率的量(例如，通过调节有源整流器655的占空比)，以便维持实质上恒定的输出电流和输出功率。这样，无功功率控制器可以通过改变传输到接收电路的功率的量(经由调节逆变器电路的负载角/占空比)来调节被注入到***中的无功功率的量(例如，响应于无功功率太多的指示来降低无功功率)。
上述方法的各种操作可以由能够执行操作的任何合适的装置来执行，诸如各种硬件和/或软件部件、电路和/或模块。通常，附图中所示的任何操作可以通过能够执行操作的相应的功能资质来执行。例如，用于测量无线功率发射器的逆变器的负载角的装置可以是DC/AC电压逆变器610、基地控制器342或单独的测量单元。另外，用于将测量的负载角与参考负载角相比较的装置可以包括基地控制器342或微分器620。另外，用于至少部分基于测量的负载角与参考负载角的差值来调节逆变器的负载角的装置可以包括基地控制器342或无功功率控制器625。
在一些方面，无线车辆充电***可以要求被充电的电动车辆是静止的，例如停止在无线功率传输***附近或上方，使得电动车辆维持存在于由无线功率传输***生成的用于传输电荷的无线场内，如在图1的无线功率传输***100中。因此，在通过这种无线功率传输***对电动车辆进行充电的同时，电动车辆可能不能用于运输。能够跨越自由空间传输功率的动态无线功率传输***还可以使用本文所述的无功功率(例如，图4至图8和相应的描述)来实现有源调谐。在一些方面，动态无线功率传输***可以克服固定无线充电站的一些缺陷。
在具有包括沿着行进路线线性放置的多个充电基地垫的动态无线功率传输***的道路上，电动车辆可以在行驶在道路上时在多个充电基地垫附近行进。如果电动车辆在行驶期间希望对其电池或电源充电以给电动车辆供电，以便延长其范围或减少以后充电的需要，电动车辆可以要求动态无线功率传输***沿着电动车的行驶路线激活充电基地。除了电动车辆112的电动移动***(例如，混合动力/电动车辆112的辅助汽油发动机)之外，这种动态充电还可用于减少或消除对辅助或补充电机***的需要。
信息和信号可以使用各种不同技术和方法中的任何一种来表示。例如，可以在上述描述中被引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以用电压、电流、电波、磁场或粒子、光场或粒子、或任何其组合。
结合本文中公开的实施例描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，上面已经在其功能方面一般地描述了各种说明性部件、块、模块、电路和步骤。这样的功能被实现为硬件还是软件取决于特定应用和施加在整个***上的设计约束。所描述的功能可以针对每个特定应用以不同的方式来实现，但是这样的实现决定不应当被解释为导致偏离本发明的实施例的范围。
结合本文中公开的实施例描述的各种说明性块、模块和电路可以使用被设计为执行本文中描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件、或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是在替代方案中，处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP和微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP内核的一个或多个微处理器、或任何其他这样的配置。
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法和功能的步骤可以直接以硬件、在由处理器执行的软件模块中、或者以两者的组合来实施。如果以软件实现，则这些功能可以作为一个或多个指令或代码存储在有形的非暂态计算机可读介质上或在其上传输。软件模块可以驻留在随机存取存储器(RAM)、闪速存储器、只读存储器(ROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移除盘、CD ROM、或本领域已知的任何其他形式的存储介质。存储介质耦合到处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息并且将信息写入存储介质。在替代方案中，存储介质可以与处理器成一体。如本文中使用的磁盘和光盘包括光碟(CD)、激光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中磁盘通常以磁性方式再现数据，而光盘利用激光光学地再现数据。上述的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围内。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。
为了概括本公开，本文中已经描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，根据本发明的任何具体实施例，不一定都可以实现所有这些优点。因此，本发明可以以能够实现或优化本文中教导的一个优点或一组优点而不一定实现本文中可以教导或建议的其他优点的方式来实施或执行。
上述实施例的各种修改将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本发明不旨在限于本文中所示的实施例，而是符合与本文中公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (30)

1.一种用于在无线功率传输***中经由磁场来无线地传输功率的装置，所述***包括具有被配置为经由所述磁场来感应地耦合功率的谐振接收电路的接收器，所述接收器的功率转换电路被配置为响应于由于耦合变化引起的接收功率的变化而调节所述无线功率传输***中的无功功率的量以维持输出功率实质上恒定，所述装置包括：
逆变器电路，被配置为输出交流电流；
谐振发射电路，包括电连接到电容性元件的线圈，所述谐振发射电路可操作地耦合到所述逆变器电路并且被配置为响应于通过所述交流电流被驱动而生成所述磁场；以及
控制器，被配置为：
接收指示所述逆变器电路的电气特性的值；以及
调节所述逆变器电路的操作特性以触发所述接收电路中的电流的变化，所述逆变器的所述操作特性的调节量由所述控制器选择，以基于响应于所述谐振接收电路中的电流的变化而自动发生以维持所述输出功率实质上恒定的所述功率转换电路中的变化，来引起所述无线功率传输***中的无功功率的量的调节。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器进一步被配置为基于所述逆变器电路的所述电气特性和以下信息来确定所述无线功率传输***中的无功功率的量，所述信息有关于所述无功功率如何基于所述逆变器电路的所述电气特性经由所述功率转换电路在所述接收器处被调节。
3.根据权利要求2所述的装置，其中关于所述无功功率如何在所述接收器处被调节的所述信息包括与所述接收器的所述功率转换电路相关联的切换网络的占空比的阈值极限。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述操作特性包括所述逆变器电路的占空比。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述控制器进一步被配置为减小所述逆变器电路的占空比，以减小所述接收电路中的电流并且减小所述无线功率传输***中的无功功率。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述逆变器电路的所述电气特性包括所述逆变器电路的负载角。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述控制器进一步被配置为基于所述逆变器电路的负载角与参考负载角的比较来确定所述无线功率传输***中的无功功率的量。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述参考负载角是预定义的值或位于查找表中的值。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述控制器进一步被配置为当所述逆变器电路的负载角与所述参考负载角之间的差满足阈值时调节所述逆变器电路的负载角。
10.根据权利要求6所述的装置，其中所述逆变器电路的负载角包括所述谐振发射电路的电压与电流之间的相位角的指示。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述谐振发射电路被串联调谐。
12.根据权利要求6所述的装置，其中所述负载角包括所述逆变器电路的切换状态变化命令的时间与由电流传感器检测的过零电流检测时刻的时间之间的差。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器进一步被配置为基于向所述谐振发射电路提供的所述交流电流的阈值极限来调节所述逆变器电路的所述操作特性。
14.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器进一步被配置为调节增加所述逆变器电路的电压以增加所述无线功率传输***中的无功功率的量。
15.一种用于在无线功率传输***中经由磁场来无线地传输功率的方法，所述***包括具有被配置为经由所述磁场来感应地耦合功率的谐振接收电路的接收器，所述接收器的功率转换电路被配置为响应于由于耦合变化引起的接收功率的变化而调节所述无线功率传输***中的无功功率的量以维持输出功率实质上恒定，所述方法包括：
向无线功率发射器输出交流电流；
在所述无线功率发射器处响应于通过所述交流电流被驱动而生成所述磁场；以及
接收指示所述无线功率发射器的电气特性的值；以及
调节所述无线功率发射器的操作特性以触发所述接收器中的电流的变化，所述无线功率发射器的所述操作特性的调节量被选择，以基于响应于所述接收器中的电流的变化而自动发生以维持所述输出功率实质上恒定的所述接收器中的变化，来引起所述无线功率传输***中的无功功率的量的调节。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括基于所述无线功率发射器的所述电气特性和以下信息来确定所述无线功率传输***中的无功功率的量，所述信息有关于所述无功功率如何基于所述无线功率发射器的所述电气特性在所述接收器处被调节。
17.根据权利要求16所述的方法，其中关于所述无功功率如何在所述接收器处被调节的所述信息包括与所述接收器的所述功率转换电路相关联的切换网络的占空比的阈值极限。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述操作特性包括所述无线功率发射器的占空比。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括减小所述无线功率发射器的占空比，以减小所述接收电路中的电流并且减小所述无线功率传输***中的无功功率。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述无线功率发射器的所述电气特性包括所述无线功率发射器的逆变器电路的负载角。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述控制器进一步被配置为基于所述逆变器电路的负载角与参考负载角的比较来确定所述无线功率***中的无功功率的量。
22.根据权利要求15所述的方法，其中所述控制器进一步被配置为基于向所述无线功率发射器提供的所述交流电流的阈值极限来调节所述无线功率发射器的所述操作特性。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述控制器进一步被配置为调节增加无线功率发射器的电压以增加所述无线功率传输***中的无功功率的量。
24.一种用于在无线功率传输***中经由磁场来无线地传输功率的装置，所述***包括具有被配置为经由所述磁场来感应地耦合功率的谐振接收电路的接收器，所述接收器的功率转换电路被配置为响应于由于耦合变化引起的接收功率的变化而调节所述无线功率传输***中的无功功率的量以维持输出功率实质上恒定，所述装置包括：
用于输出交流电流的部件；
用于响应于通过所述交流电流被驱动而生成所述磁场的部件；以及
用于接收指示用于输出所述交流电流的部件的电气特性的值的部件；以及
用于调节用于输出所述交流电流的所述部件的操作特性以触发所述接收器中的电流的变化的部件，用于输出所述交流电流的部件的所述操作特性的调节量被选择，以基于响应于所述接收器中的电流的变化而自动发生以维持所述输出功率实质上恒定的所述接收器中的变化，来引起所述无线功率传输***中的无功功率的量的调节。
25.根据权利要求24所述的装置，进一步包括用于基于用于输出所述交流电流的部件的所述电气特性和以下信息来确定所述无线功率传输***中的无功功率的量，所述信息有关于所述无功功率如何基于用于输出所述交流电流的所述部件的所述电气特性在所述接收器处被调节。
26.根据权利要求25所述的装置，其中关于所述无功功率如何在所述接收器处被调节的所述信息包括与所述接收器的所述功率转换电路相关联的切换网络的占空比的阈值极限。
27.一种无线功率传输***，包括：
无线功率接收器，包括：
谐振接收电路，被配置为经由磁场感应地耦合功率；
功率转换电路，具有切换网络并且被配置为响应于调节所述切换网络的状态而调节所述无线功率传输***中的无功功率的量，以响应于由于耦合变化引起的接收功率的变化而维持输出功率实质上恒定；和
无线功率发射器，包括：
逆变器电路，被配置为输出交流电流；
谐振发射电路，包括电连接到电容性元件的线圈，所述谐振发射电路可操作地耦合到所述逆变器电路并且被配置为响应于通过所述交流电流被驱动而生成所述磁场；以及
控制器，被配置为：
接收指示所述逆变器电路的电气特性的值；以及
调节所述逆变器电路的操作特性以触发所述接收电路中的电流的变化，所述逆变器的所述操作特性的调节量由所述控制器选择，以基于响应于所述谐振接收电路中的电流的变化而自动发生以维持所述输出功率实质上恒定的所述功率转换电路中的变化，来引起所述无线功率传输***中的无功功率的量的调节。
28.根据权利要求27所述的无线功率传输***，其中所述控制器进一步被配置为基于所述逆变器电路的所述电气特性和以下信息来确定所述无线功率传输***中的无功功率的量，所述信息有关于所述无功功率如何基于所述逆变器电路的所述电气特性经由所述功率转换电路在所述接收器处被调节。
29.根据权利要求27所述的无线功率传输***，其中关于所述无功功率如何在所述接收器处被调节的所述信息包括所述切换网络的占空比的阈值极限。
30.根据权利要求27所述的无线功率传输***，其中所述操作特性包括所述逆变器电路的占空比。
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