在低電磁發(fā)射的無線功率傳遞系統(tǒng)中的線圈布置的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體來說涉及無線功率傳遞，且更具體地說，涉及與無線功率傳遞到遠(yuǎn)端 系統(tǒng)（例如包含電池的車輛）有關(guān)的裝置、系統(tǒng)和方法。更明確地說，本發(fā)明涉及無線功率 傳遞系統(tǒng)中的感應(yīng)線圈的線圈布置。
【背景技術(shù)】
[0002] 已引進(jìn)例如車輛的遠(yuǎn)端系統(tǒng)，其包含得自接收自例如電池的能量存儲(chǔ)裝置的電的 運(yùn)轉(zhuǎn)功率。例如，混合電動(dòng)車輛包含使用來自車輛制動(dòng)的功率的車載充電器和用以對車輛 充電的傳統(tǒng)馬達(dá)。僅為電動(dòng)的車輛大體從其它源接收電以用于對電池充電。電池型電動(dòng)車 輛（電動(dòng)車輛）常常被提議通過某一類型的有線交流電（AC)(例如家用或商用AC電源）來 充電。有線充電連接需要電纜或物理連接到電力供應(yīng)器的其它類似的連接器。電纜和類似 的連接器可能有時(shí)不方便或麻煩且具有其它缺陷。能夠在自由空間中傳遞功率（例如，經(jīng) 由無線場）以用于對電動(dòng)車輛充電的無線充電系統(tǒng)可克服有線充電解決方案的一些缺點(diǎn)。 因而，需要高效且安全地傳遞功率以用于對電動(dòng)車輛充電的無線充電系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的系統(tǒng)、方法和裝置的各種實(shí)施方案主張各自具有若 干方面，所述方面中沒有單一一個(gè)方面單獨(dú)地負(fù)責(zé)本文中所描述的所要屬性。在不限制所 附權(quán)利要求書的范圍的情況下，本文中描述一些顯著特征。
[0004] 本說明書中所描述的標(biāo)的的一或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)在隨附圖式和以下描述中 予以闡述。其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將從所述描述、所述圖式和權(quán)利要求書而變得顯而易見。 應(yīng)注意，以下諸圖的相對尺寸可能未按比例繪制。
[0005] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的的一個(gè)方面提供一種用于無線地傳送功率的設(shè)備。所述設(shè) 備包含經(jīng)配置以經(jīng)由磁場來無線地接收功率的第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有大于寬度 的長度。第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包含分別封閉第一區(qū)和第二區(qū)的第一環(huán)和第二環(huán)。第一環(huán)具有第一 下表面且第二環(huán)具有第二下表面，所述第一下表面與所述第二下表面實(shí)質(zhì)上共平面。第一 導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有各自沿第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的長度而與第一幾何線相交的第一邊緣和第二邊緣。所 述設(shè)備進(jìn)一步包含第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)定位于第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)與磁性材料之間 且經(jīng)配置以經(jīng)由磁場來無線地接收功率。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包含封閉第三區(qū)的第三環(huán)。第二導(dǎo) 電結(jié)構(gòu)具有大于寬度的長度。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的長度實(shí)質(zhì)上至少等于沿第一幾何線的在第一 導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的第一邊緣與第二邊緣之間的距離。
[0006] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的的另一方面提供一種無線地傳送功率的方法的實(shí)施方案。 所述方法包含經(jīng)由第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)經(jīng)由磁場來無線地接收功率。第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有大于寬度 的長度。第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包含分別封閉第一區(qū)和第二區(qū)的第一環(huán)和第二環(huán)。第一環(huán)具有第一 下表面且第二環(huán)具有第二下表面，所述第一下表面與所述第二下表面實(shí)質(zhì)上共平面。第一 導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有各自沿第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的長度而與幾何線相交的第一邊緣和第二邊緣。所述方 法進(jìn)一步包含經(jīng)由定位于第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)與磁性材料之間的第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)來無線地接收功 率。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)封閉第三區(qū)。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有大于寬度的長度。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的長度 實(shí)質(zhì)上至少等于沿幾何線的在第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的第一邊緣與第二邊緣之間的距離。
[0007] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的的又一方面提供一種用于無線地接收傳送功率的設(shè)備。所 述設(shè)備包含用于經(jīng)由磁場來無線地接收功率的第一裝置。第一接收裝置具有大于寬度的長 度。第一接收裝置包含分別封閉第一區(qū)和第二區(qū)的第一環(huán)和第二環(huán)。第一環(huán)具有第一下表 面且第二環(huán)具有第二下表面，所述第一下表面與所述第二下表面實(shí)質(zhì)上共平面。第一接收 裝置具有各自沿第一接收裝置的長度而與幾何線相交的第一邊緣和第二邊緣。所述設(shè)備進(jìn) 一步包含用于經(jīng)由磁場來無線地接收功率且定位于第一接收裝置與磁性材料之間的第二 裝置。第二接收裝置封閉一第三區(qū)。第二接收裝置具有大于寬度的長度。第二接收裝置的 長度實(shí)質(zhì)上至少等于沿幾何線的在第一接收裝置的第一邊緣與第二邊緣之間的距離。
[0008] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的的另一方面提供一種用于無線地傳送功率的設(shè)備。所述設(shè) 備包含經(jīng)配置以輸出時(shí)變信號的傳輸電路。所述設(shè)備進(jìn)一步包含導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電結(jié)構(gòu) 經(jīng)配置以接收時(shí)變信號和在足以無線地傳遞功率以用于對接收器裝置供電或充電的電平 下產(chǎn)生電磁場。導(dǎo)電結(jié)構(gòu)具有具有寬度a和長度a+b的矩形形狀因數(shù)，且其中a除以b實(shí) 質(zhì)上等于a+b除以a。
[0009] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的的另一方面提供一種無線地傳送功率的方法的實(shí)施方案。 所述方法包含從傳輸電路輸出時(shí)變信號。所述方法進(jìn)一步包含接收時(shí)變信號，且在導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)處在足以無線地傳遞功率以用于對接收器裝置供電或充電的電平下產(chǎn)生電磁場，所述導(dǎo) 電結(jié)構(gòu)具有具有寬度a和長度a+b的矩形形狀因數(shù)，且其中a除以b實(shí)質(zhì)上等于a+b除以 B 〇
[0010] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的的另一方面提供一種無線地傳送功率的設(shè)備。所述設(shè)備包 含用于輸出時(shí)變信號的裝置。所述設(shè)備進(jìn)一步包含用于基于時(shí)變信號來產(chǎn)生電磁場的裝 置。所述電磁場處于足以無線地傳遞功率以用于對接收器裝置供電或充電的電平。產(chǎn)生裝 置具有具有寬度a和長度a+b的矩形形狀因數(shù)，且其中a除以b實(shí)質(zhì)上等于a+b除以a。
[0011] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的的另一方面提供一種用于無線地傳送功率的設(shè)備。所述設(shè) 備包含第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)經(jīng)配置以在足以對負(fù)載供電或充電的電平下經(jīng)由 第一電磁場來無線地發(fā)射或接收功率。第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包含封閉第一區(qū)的第一環(huán)。所述設(shè)備 進(jìn)一步包含第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所述第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)經(jīng)配置以經(jīng)由在足以對負(fù)載供電或充電的電 平下經(jīng)由第二電磁場來無線地發(fā)射或接收功率。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)定位于第一區(qū)內(nèi)部且實(shí)質(zhì)上 與第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)共平面。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包含分別封閉第二區(qū)和第三區(qū)的第二環(huán)和第三環(huán)。 第二環(huán)具有第二下表面且第三環(huán)具有第三下表面，所述第二下表面與所述第三下表面實(shí)質(zhì) 上共平面。
[0012] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的的另一方面提供一種無線地傳送功率的方法的實(shí)施方案。 所述方法包含在第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)處在足以對負(fù)載供電或充電的電平下經(jīng)由第一電磁場來無 線地發(fā)射或接收功率。第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包含封閉第一區(qū)的第一環(huán)。所述方法進(jìn)一步包含在第 二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)處在足以對負(fù)載供電或充電的電平下經(jīng)由第二電磁場來無線地發(fā)射或接收功 率。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)定位于第一區(qū)內(nèi)部且實(shí)質(zhì)上與第一導(dǎo)電結(jié)構(gòu)共平面。第二導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包含 分別封閉第二區(qū)和第三區(qū)的第二環(huán)和第三環(huán)。第二環(huán)具有第二下表面且第三環(huán)具有第三下 表面，所述第二下表面與所述第三下表面實(shí)質(zhì)上共平面。
[0013] 本發(fā)明中所描述的標(biāo)的的另一方面提供一種用于無線地傳送功率的設(shè)備。所述設(shè) 備包含第一裝置，所述第一裝置用于在足以對負(fù)載供電或充電的電平下經(jīng)由第一電磁場來 無線地發(fā)射或接收功率。第一裝置包含封閉第一區(qū)的第一環(huán)。所述設(shè)備進(jìn)一步包含第二裝 置，所述第二裝置用于在足以對負(fù)載供電或充電的電平下經(jīng)由第二電磁場來無線地發(fā)射或 接收功率。第二裝置定位于第一區(qū)內(nèi)部且實(shí)質(zhì)上與第一裝置共平面。第二裝置包含分別封 閉第二區(qū)和第三區(qū)的第二環(huán)和第三環(huán)。第二環(huán)具有第二下表面且第三環(huán)具有第三下表面， 所述第二下表面與所述第三下表面實(shí)質(zhì)上共平面。
【附圖說明】
[0014] 圖1為根據(jù)示范性實(shí)施例的用于對電動(dòng)車輛充電的示范性無線功率傳遞系統(tǒng)的 圖。
[0015] 圖2為圖1的無線功率傳遞系統(tǒng)的示范性組件的示意圖。
[0016] 圖3為包含基底墊片和車輛墊片的示范性實(shí)施例的感應(yīng)式功率傳遞系統(tǒng)的俯視 圖和剖面圖。
[0017] 圖4為根據(jù)圖3的墊片的實(shí)施例的曲線，其說明作為X和y方向上的對準(zhǔn)偏移的 函數(shù)的耦合系數(shù)k的示范性值。
[0018] 圖5為根據(jù)圖3的墊片的實(shí)施例的曲線，其說明作為X和y方向上的偏移的函數(shù) 的初級電流變化的示范性值。
[0019] 圖6為根據(jù)一實(shí)施例的充電系統(tǒng)的透視圖，所述充電系統(tǒng)包含布置于基底墊片上 方的車輛墊片。
[0020] 圖7為根據(jù)一實(shí)施例的包含基底墊片和車輛墊片的示范性實(shí)施例的感應(yīng)式功率 傳遞系統(tǒng)的俯視圖和剖面圖。
[0021] 圖8為作為圖7的基底墊片和車輛墊片的對準(zhǔn)偏移的函數(shù)的初級電流變化的示范 性值的曲線。
[0022] 圖9為根據(jù)一實(shí)施例的包含基底墊片和車輛墊片的示范性感應(yīng)式功率傳遞系統(tǒng) 的俯視圖和剖面圖。
[0023] 圖10為根據(jù)圖7和9的墊片的曲線，其說明作為X和y方向上的對準(zhǔn)偏移的函數(shù) 的耦合系數(shù)k的示范性值。
[0024] 圖11為作為圖9的基底墊片和車輛墊片的對準(zhǔn)偏移的函數(shù)的初級電流變化的示 范性值的曲線。
[0025] 圖12A、12B和12C為根據(jù)圖9的墊片的示范性墊片的圖，其展示Q線圈和DD線圈 的示范性電流配置。
[0026] 圖13為根據(jù)一實(shí)施例的無線功率傳遞墊片的示范性實(shí)施例的俯視圖和剖面圖。
[0027] 圖14為根據(jù)一實(shí)施例的另一示范性無線功率傳遞墊片的俯視圖和剖面圖。
[0028] 圖15A為根據(jù)一實(shí)施例的包含基底墊片和車輛墊片的示范性感應(yīng)式功率傳遞系 統(tǒng)的俯視圖和剖面圖。
[0029] 圖15B為根據(jù)一實(shí)施例的可用于感應(yīng)式功率傳遞系統(tǒng)中的示范性車輛墊片的俯 視圖和剖面圖。
[0030] 圖16為根據(jù)一實(shí)施例的包含基底墊片和車輛墊片的另一示范性感應(yīng)式功率傳遞 系統(tǒng)的俯視圖和剖面圖。
[0031] 圖17展示根據(jù)一實(shí)施例的圖9的感應(yīng)式功率傳遞系統(tǒng)，其具有用于對基底墊片和 車輛墊片標(biāo)注尺寸以達(dá)成選定的對準(zhǔn)容限的信息。
[0032] 圖18展示圖9的車輛墊片在圖9的'圓角矩形'基底墊片上方的對準(zhǔn)情況。
[0033] 圖19為根據(jù)一實(shí)施例的圖9的不范性基底塾片的俯視圖。
[0034] 圖20為根據(jù)一實(shí)施例的圖9的示范性車輛墊片的俯視圖和剖面圖。
[0035] 圖21A和21B為說明當(dāng)圖20的車輛墊片對準(zhǔn)于圖19的基底墊片上方時(shí)感應(yīng)式功 率傳遞系統(tǒng)的對準(zhǔn)容限的圖。
[0036] 圖22A為作為水平偏移（y方向）的函數(shù)的在兩個(gè)不同示范性墊片高度的示范性 耦合系數(shù)k的曲線，其說明系統(tǒng)水平對準(zhǔn)容限。
[0037] 圖22B為作為垂直偏移（X方向）的函數(shù)的在兩個(gè)不同示范性墊片高度的示范性 耦合系數(shù)k的曲線，其說明系統(tǒng)垂直對準(zhǔn)容限。
[0038] 圖23為展示圖1的無線功率傳遞系統(tǒng)的示范性核心組件和輔助組件的另一功能 框圖。
[0039] 圖24為根據(jù)一實(shí)施例的無線地傳送功率的方法的實(shí)施方案的流程圖。
[0040]圖25為根據(jù)一示范性實(shí)施例的無線功率接收器的功能框圖。
[0041]圖式中所說明的各種特征可能未按比例繪制。因此，為清楚起見，可任意擴(kuò)大或縮 小各種特征的尺寸。另外，一些圖式可能未描繪給定系統(tǒng)、方法或裝置的所有組件。最后， 相似參考數(shù)字可用以貫穿說明書和諸圖表示相似特征。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 下文結(jié)合所附圖式而闡述的詳細(xì)描述希望作為示范性實(shí)施例的描述而并不希望 表示可實(shí)踐本發(fā)明的唯一實(shí)施例。貫穿此描述所使用的術(shù)語"示范性"意謂"充當(dāng)實(shí)例、例 子或說明"，且未必應(yīng)被解釋為相比其它示范性實(shí)施例優(yōu)選或有利。為了提供對示范性實(shí)施 例的透徹理解，所述詳細(xì)描述包含特定細(xì)節(jié)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)顯而易見，可在無這些 特定細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐示范性實(shí)施例。在一些例子中，以框圖形式展示眾所周知結(jié)構(gòu)和裝 置以便避免混淆本文中所呈現(xiàn)的示范性實(shí)施例的新穎性。
[0043] 無線地傳遞功率可指在不使用物理電導(dǎo)體的情況下將與電場、磁場、電磁場或其 它者相關(guān)聯(lián)的任何形式的能量從發(fā)射器傳遞到接收器（例如，可經(jīng)由自由空間來傳遞功 率）。到無線場（例如，磁場）中的功率輸出可由"接收線圈"加以接收、俘獲或耦合以達(dá)成 功率傳遞。
[0044] 本文中使用電動(dòng)車輛來描述遠(yuǎn)端系統(tǒng)，遠(yuǎn)端系統(tǒng)的實(shí)例為包含（作為其運(yùn)轉(zhuǎn)能力 的部分）得自可充電的能量存儲(chǔ)裝置（例如，一或多個(gè)可再充電電化學(xué)電池或其它類型的 電池）的電功率的車輛。作為非限制性實(shí)例，一些電動(dòng)車輛可為混合電動(dòng)車輛，除電動(dòng)馬達(dá) 之外，所述混合電動(dòng)車輛包含用于直接運(yùn)轉(zhuǎn)或用以對車輛的電池充電的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)。其它 電動(dòng)車輛可從電功率吸取所有運(yùn)轉(zhuǎn)能力。電動(dòng)車輛并不限于汽車而是可包含機(jī)車、搬運(yùn)車、 小型機(jī)車和其類似者。通過實(shí)例且非限制，本文中以電動(dòng)車輛（EV)的形式來描述遠(yuǎn)端系 統(tǒng)。此外，也預(yù)期可使用可充電的能量存儲(chǔ)裝置而被至少部分地供電的其它遠(yuǎn)端系統(tǒng)（例 如，例如個(gè)人計(jì)算裝置和其類似者的電子裝置）。
[0045] 圖1為根據(jù)示范性實(shí)施例的用于對電動(dòng)車輛112充電的示范性無線功率傳遞系統(tǒng) 100的圖。當(dāng)電動(dòng)車輛112停放于基底無線充電系統(tǒng)102a附近時(shí)，無線功率傳遞系統(tǒng)100 實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車輛112充電。說明了在停車場中的用于待停放于相應(yīng)的基底無線充電系統(tǒng) 102a和102b上方的兩輛電動(dòng)車輛的空間。在一些實(shí)施例中，區(qū)域分配中心130可連接到 功率主干線132,且經(jīng)配置以經(jīng)由功率鏈路110將交流電（AC)或直流電（DC)供電提供到 基底無線充電系統(tǒng)l〇2a?；谉o線充電系統(tǒng)102a也包含用于無線地傳遞或接收功率的基 底系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a。電動(dòng)車輛112可包含電池單元118、電動(dòng)車輛感應(yīng)線圈116和電動(dòng) 車輛無線充電系統(tǒng)114。電動(dòng)車輛感應(yīng)線圈116可（例如）經(jīng)由由基底系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a 所產(chǎn)生的電磁場的區(qū)域來與基底系統(tǒng)感應(yīng)線圈l〇4a相互作用。
[0046] 在一些示范性實(shí)施例中，當(dāng)電動(dòng)車輛感應(yīng)線圈116位于由基底系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a 所產(chǎn)生的能量場中時(shí)，電動(dòng)車輛感應(yīng)線圈116可接收功率。所述場對應(yīng)于其中可由電動(dòng)車 輛感應(yīng)線圈116俘獲由基底系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a所輸出的能量的區(qū)域。在一些狀況下，所述 場可對應(yīng)于基底系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a的"近場"。近場可對應(yīng)于其中存在由基底系統(tǒng)感應(yīng)線 圈104a中的電流和電荷產(chǎn)生的強(qiáng)反應(yīng)場的區(qū)域，所述強(qiáng)反應(yīng)場不將功率輻射遠(yuǎn)離基底系 統(tǒng)感應(yīng)線圈l〇4a。在一些狀況下，近場可對應(yīng)于在基底系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a的約1/2 π波長 內(nèi)的區(qū)域（且對于電動(dòng)車輛感應(yīng)線圈116來說反的也然），如下文將予以進(jìn)一步描述。
[0047] 區(qū)域分配1130可經(jīng)配置以經(jīng)由通信回程134而與外部源（例如，電網(wǎng)）通信且經(jīng) 由通信鏈路108而與基底無線充電系統(tǒng)102a通信。
[0048] 在一些實(shí)施例中，電動(dòng)車輛感應(yīng)線圈116可與基底系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a對準(zhǔn)，且因 此僅通過駕駛員相對于基底系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a來正確地定位電動(dòng)車輛112便可安置于近 場區(qū)域內(nèi)。在其它實(shí)施例中，可給予駕駛員視覺回饋、聽覺回饋或其組合以確定電動(dòng)車輛 112何時(shí)被恰當(dāng)?shù)胤胖靡杂糜谶_(dá)成無線功率傳遞。在又其它實(shí)施例中，可通過自動(dòng)駕駛儀 系統(tǒng)來定位電動(dòng)車輛112,所述自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)可來回移動(dòng)電動(dòng)車輛112(例如，呈Z字形 移動(dòng)）直到對準(zhǔn)誤差已達(dá)到容許值。此可在無駕駛員干涉的情況下或在具有僅最少駕駛員 干涉的情況下（只要電動(dòng)車輛112配備有伺服方向盤、超音波傳感器和智能設(shè)備以調(diào)整車 輛）由電動(dòng)車輛112自動(dòng)地和自主地執(zhí)行。在其它實(shí)施例中，電動(dòng)車輛感應(yīng)線圈116、基底 系統(tǒng)感應(yīng)線圈104a或其組合可具有用于使所述感應(yīng)線圈116和104a相對于彼此移位和移 動(dòng)以更精確地定向其并在其間逐漸形成更高效的親合的功能性。
[0049] 基底無線充電系統(tǒng)102a可位于多種位置中。作為非限制性實(shí)例，一些合適位置包 含在電動(dòng)車輛112所有者的家中的停車場、為模仿常規(guī)的基于石油的加油站的電動(dòng)車輛無 線充電而保留的停車場和在例如購物中心和就業(yè)場所的其它位置的停車坪。
[0050] 對電動(dòng)車輛無線地充電可提供眾多益處。例如，可在實(shí)際上無駕駛員干涉和操縱 的情況下自動(dòng)地執(zhí)行充電，由此改善對用戶的便利性。也可不存在暴露的電接點(diǎn)且無機(jī)械 磨損，由此改善無線功率傳遞系統(tǒng)100的可靠性?？赡懿恍枰獙﹄娎|和連接器的操縱，且可 不存在可在室外環(huán)境中暴露于濕氣和水的電纜、插頭或插座，由此改善安全性。也可不存在 看得見或可接近的插座、電纜和插頭，由此減少對功率充電裝置的潛在破壞行為。另外，由 于可將電動(dòng)車輛112用作分配式存儲(chǔ)裝置以