車輛的電力供應系統的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是申請號為201080041108. 5、申請日為2010年11月11日、發明名稱為"車 輛的電力供應系統"的分案申請。
技術領域
[0002] 本發明涉及電力供應系統，所述電力供應系統用于通過非接觸方法從車輛外部向 車輛提供能量。
【背景技術】
[0003] 隨著近來越來越多的人關注環境問題，越來越期望用電池和電動機來驅動電動車 輛。當然可以經由有線連接來為這種電動車輛充電和供電。然而人們已經在研究和開發采 用非接觸方法的無線充電和供電技術。同時，考慮到電池的總體重量和成本，對可以加載到 單個車輛的電池的總體容量有明確的限制。對電池總體容量的限制直接導致車輛每次充電 可以行駛的最大英里數。這就是越來越需要開發一種高效的技術來為行駛中的車輛充電和 供電的原因。
[0004] 作為一種無線功率傳輸技術，在專利文獻1中提出了一種諧振磁耦合方法。根據 這種方法，使用諧振天線之間的諧振模式耦合，因此與傳統的電磁感應方法相比可以在更 長的距離上更高效地傳輸功率。其中，由于根據這種方法使用諧振磁場，所以與使用諧振電 場的情況相比對周圍生物的影響小得多。
[0005] 與傳統電磁感應方法相比，利用諧振磁耦合的無線功率傳輸技術可以顯著增大傳 輸距離。具體地，如果對諧振天線之間的耦合度加以指示的耦合系數k大于各個天線的衰 減常數F1和F2的乘積的平方根，則可以高效地傳遞能量。使用諧振磁耦合的無線功率 傳輸系統使用諧振電路，該諧振電路具有小于1的耦合系數k，但是具有指示諧振會產生低 損耗的高Q因子，因此可以將該無線功率傳輸系統看作是具有提高的傳輸效率的電磁感應 系統。然而，與的電磁感應方法不同，諧振磁耦合方法要求k# 1，所以除非在振蕩部 和功率發射天線之間以及在整流部與功率接收天線之間保持模塊間阻抗匹配，否則無法高 效地傳輸功率。
[0006] 專利文獻2公開了使用專利文獻1的技術來對車輛充電和供電的示例。根據該專 利文獻，當對停放的車輛進行充電和供電時，可以通過布置多組功率發射天線和功率接收 天線，來填充安裝在地面上的功率發射天線與布置在車輛上或車輛中的功率接收天線之間 的相對間隙。
[0007] 另一方面，專利文獻3公開了一種通過電磁感應向車輛傳遞功率的系統。該專利 文獻提出了如何處理停放和充電的車輛的水平停放位置偏移。該系統提供了兩個功率接收 天線和兩個功率發射天線，并彼此獨立地控制這些天線的幅度和相位，從而處理這種位置 偏移。
[0008]引用f獻列表
[0009] 專利文獻
[0010] 專利文獻1 :美國專利申請公開No. 2008/0278264-A1 (圖6和圖11)
[0011] 專利文獻2 :日本待審專利公開No. 2009-106136
[0012] 專利文獻3 :美國專利申請公開No. 2008/0265684-A1 (圖3)
【發明內容】
[0013] 技術問題
[0014] 在用于對行駛中的車輛進行充電和供電的系統以及用于對停放的車輛進行充電 和供電的系統中，由于功率發射天線和功率接收天線之間的相對位置偏移而失去傳輸的穩 定性。本發明的發明人指出了該問題并提供了解決該問題的措施。
[0015] 具體地，在用于通過諧振磁耦合對車輛進行充電和供電的系統中，如果行駛中或 停放的車輛中的功率接收天線相對于功率發射天線的相對位置相對于車輛的行駛方向而 水平偏移，則通過諧振磁耦合來進行的功率傳輸會失去其穩定性。
[0016] 具體地，在考慮行駛中的車輛的情況下，大多數車輛會沿著車道中心附近行駛，但 是有少數車輛也會沿著車道兩側行駛。因此行駛中的車輛的相對水平位置偏移會比停放的 車輛大。專利文獻3提供了一種處理由于停放的車輛的功率發射天線和功率接收天線之間 相對于車輛的行駛方向的相對水平位置偏移而引起的傳輸性能穩定性喪失的措施。然而根 據專利文獻3公開的技術，應當增大要提供的天線的數目，因此顯著提高了成本。除此之 外，由于按照這種方式無法高效地實現充電和供電，所以很難將這種技術應用于對行駛中 的車輛進行充電和供電的系統。
[0017]同樣地，即使在用于對停放的車輛進行充電和供電的系統中，也會存在相對于車 輛行駛方向的相對水平位置偏移。如果駕駛員具有高超的駕駛技術以至于能夠將車輛精確 地停放在期望的位置，那么就根本不會存在水平偏移。然而如果強加這種不切實際的約束， 那么采用這種非接觸式充電和供電系統所實現的優點就喪失了。因此，即使對于對停放的 車輛進行充電和供電的系統，也應當提供一種在發生水平偏移的情況下確保穩定性能的方 案。盡管如此，專利文獻2并沒有提到在建立對行駛中的車輛進行充電和供電的系統時會 出現什么問題，也沒有提供解決這些問題的措施。
[0018]因此本發明的目的是提供一種用于車輛的電力供應系統，該電力供應系統即使在 車輛相對于該車輛的行駛方向發生水平偏移時，也能夠對行駛中的或停放的車輛進行充電 和供電，同時實現穩定的性能。
[0019] 解決問題的方案
[0020] 根據本發明的一種用于車輛的電力供應系統包括：至少一個功率發射天線，被布 置在地面上或地面下；以及功率接收天線，被布置在至少一個車輛中或所述至少一個車輛 上。通過在功率發射天線和功率接收天線間產生諧振磁耦合，功率發射天線和功率接收天 線形成相互耦合的諧振器對。在假定車輛沿Y方向行駛并且與Y方向垂直的方向是X方向 的情況下，沿Y方向和X方向測量的功率發射天線的長度分別比沿Y方向和X方向測量的 功率接收天線的長度大。如果沿X方向測量的功率發射天線的長度是W1，并且相互面對的 功率發射天線和功率接收天線之間的距離是H，則系統滿足0. 11XW1 <Η< 0. 26XW1。當 功率發射天線面對功率接收天線時，通過非接觸方法從功率發射天線向功率接收天線提供 功率。
[0021] 根據本發明的一種車輛被設計為用在本發明的用于車輛的電力供應系統中，所述 車輛包括：功率接收天線；以及負載，其中利用功率接收天線從功率發射天線接收的能量 來對所述負載供能。
[0022] 根據本發明的一種功率發射天線被設計為用在根據本發明上述任一優選實施例 的用于車輛的電力供應系統中。
[0023] 根據本發明的一種功率接收系統包括：功率接收天線，用于根據本發明上述任一 優選實施例的用于車輛的電力供應系統；以及
[0024] 功率轉換部，用于將功率接收天線從功率發射天線接收到的RF能量轉換成頻率 比所述RF能量的頻率低的DC能量或AC能量，并輸出所述DC能量或AC能量。
[0025] 本發明的有益效果
[0026] 根據本發明的用于車輛的電力供應系統即使在車輛的位置顯著地偏移的情況下， 即便是系統具有簡單的配置，也能夠以良好的穩定性實現充電和供電。因此，可以以更低的 成本提供更輕的系統。除此之外，通過省略了諸如DC/DC轉換器和穩壓器之類的一些電路 模塊，根據本發明的具有這種穩定充電和供電能力的用于車輛的電力供應系統還可以簡化 電路配置。因此，總體供電效率將會提高，并且可以在更短的時間內實現充電和供電。
【附圖說明】
[0027] 圖1A和1B分別是示出了根據本發明第一優選實施例的用于車輛的電力供應系統 的透視頂視圖和側視圖。
[0028] 圖2A和2B分別是示出了根據本發明第一優選實施例的用于車輛的電力供應系統 的配置的等效電路圖和框圖。
[0029] 圖3是示出了根據本發明第一優選實施例的用于停放的車輛的電力供應系統的 透視頂視圖的示意圖。
[0030] 圖4是示出了根據本發明第一優選實施例的用于行駛中的車輛的電力供應系統 的透視頂視圖的示意圖。
[0031] 圖5是示出了根據本發明第一優選實施例的備選布置的頂視圖的示意圖，其中多 個功率發射天線排列成行。
[0032] 圖6是示出了根據本發明第一優選實施例的用于車輛的電力供應系統的布置的 框圖。
[0033] 圖7是示出了根據本發明第一優選實施例的用于車輛的另一電力供應系統的配 置的等效電路圖。
[0034] 圖8是示出了在本發明的特定示例la中阻抗如何變化的曲線圖。
[0035] 圖9是示出了在本發明的特定示例lb中阻抗如何變化的曲線圖。
[0036] 圖10是示出了在示例la中，當Y方向上有位置偏移并且滿足X= 0時，功率發射 天線的最佳阻抗如何變化的曲線圖。
[0037] 圖11是示出了在示例la中，當Y方向上有位置偏移并且滿足X=X0時，功率接 收天線的最佳阻抗如何變化的曲線圖。
【具體實施方式】
[0038] 根據本發明優選實施例的用于車輛的電力供應系統通過最多地使用靠近磁場的 組件在諧振天線之間產生諧振磁耦合，來無線地對車輛進行充電和供電。下文中，將參考附 圖來描述本發明的優選實施例。在以下描述中，多幅圖中示出的具有實質上相同的功能的 任何組件對都由相同的參考數字來表示。
[0039] (實施例1)
[0040] 作為本發明第一特定優選實施例的用于車輛的電力供應系統被用作行駛中的車 輛的電力供應系統以對行駛中的車輛進行充電和/或供電，或者被用作停放的車輛的電力 供應系統以對停放的車輛進行充電和/或放電。本文中所謂的"提供電力"是指"充電"或 "供電"。"充電"是指對置于車輛中的二次電池進行充電并存儲電力以驅動車輛，而"供電" 是指向同樣內置于車輛中的負載（如，驅動電動機）饋送電力。根據本發明的該第一優選 實施例的用于車輛的電力供應系統包括：設置在地面上或地面下的功率發射天線，以及為 車輛提供的功率接收天線。這些功率發射天線和功率接收天線產生諧振磁耦合，從而無線 地傳輸功率。
[0041] 圖1A是示出了根據本發明第一優選實施例的用于車輛的電力供應系統從系統上 方看時的示意圖，圖1B是圖1A所示系統的示意性側視圖。在以下描述中，圖1A所示的XYZ 坐標系出于說明性目的而被使用。具體而言，分別地，車輛101行駛的方向103及其反方向 在本文中稱作"土Y方向"，與車