用于控制被提供给串联调谐谐振系统中的电荷接收元件的电荷量的系统、方法和装置与流程
相关申请
本申请要求2014年11月7日提交的标题为“systems,methodsandapparatusrelatedtowirelesselectricvehiclechargingincludingcontrollingtheamountofchargeprovidedtoacharge-receivingelement”的美国第62/076512号临时专利申请的权益，在此以引用的方式将其内容整体并入。
本公开总体涉及无线功率传送，更具体地涉及用于控制被提供给串联调谐谐振系统中的电荷接收元件的电荷量的设备、系统以及方法。
背景技术：
已经引入远程系统(诸如车辆)，其包括来源于从能量存储设备(诸如电池)接收的电力的机动功率。例如，混合电动车辆包括车载充电器，该车载充电器使用来自车辆制动和传统马达的功率来对车辆充电。仅电动的车辆通常从其他源接收用于对电池充电的电力。电池电动车辆(电动车辆)常常被提出为借助某一类型的有线交流电(ac)(诸如家用或商用ac电源)来充电。有线充电连接需要物理连接到电源的线缆或其他类似连接器。线缆和类似连接器有时可能不方便或笨重，并且具有其他缺点。能够(例如，经由无线场)在自由空间中传送功率以用于对电动车辆充电的无线充电系统可以克服有线充电解决方案的缺陷中的一些。
用于电动车辆的无线充电系统可能需要发送和接收耦合器在一定程度内对准，以实现从发送耦合器(电荷产生元件)到接收耦合器(电荷接收元件)的可接受电荷传送量。与电荷产生元件和电荷接收元件这两者有关的功率调节可能具有挑战性。用于提供电荷产生元件与电荷接收元件之间的有效电荷传送的一个结构被称为串联-串联系统。术语“串联-串联”是指特别关于彼此定位时便于无线功率传送的电荷产生元件和电荷接收元件中的每一个中的谐振电路的电路结构。通常，输出功率由电荷产生元件(“一次侧”)来调节。不幸的是，仅在一次侧控制输出功率使得难以适应耦合范围的变化和电池电压的宽范围。
存在对与控制被提供给电荷接收元件的电荷量有关的系统、设备以及方法的需要。而且，对于用于电动车辆无线充电系统内的功率控制的设备、系统以及方法存在需要。
技术实现要素：
所附权利要求范围内的系统、方法以及设备的各种实现方式各具有若干方面，这些方面中没有单个方面仅负责本文中所述的期望属性。在不限制所附权利要求的范围的情况下，在本文中描述了一些突出特征。
本说明书中所述的主题的一个或多个实现方式的细节在附图和下面的描述中阐述。其他特征、方面以及优点将从描述、附图以及权利要求变得显而易见。注意，附图的相对尺寸可以未按比例绘制。
本公开中所述的主题的一个方面提供了一种用于控制被提供给串联调谐谐振系统中的电荷接收元件的电荷量的设备，该设备具有串联调谐谐振电荷接收元件，该串联调谐谐振电荷接收元件被配置为生成二次电压和二次电流，串联调谐谐振电荷接收元件包括响应于第一控制信号的可切换电路，可切换电路被配置为在向电荷接收元件提供二次电压和二次电流与防止向电荷接收元件提供二次电压和二次电流之间交替。
附图说明
图1图示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送系统。
图2是图1的无线功率传送系统的示例性核心组件的示意图。
图3是示出了图1的无线功率传送系统的示例性核心和辅助组件的功能框图。
图4图示了根据本发明的示例性实施例的、布置在电动车辆中的可替换非接触式电池的概念。
图5a是示出了根据本发明的示例性实施例的、可以用于电动车辆的无线充电的示例性频率的频谱图。
图5b是示出了根据本发明的示例性实施例的、可以用于电动车辆的无线充电且用于提供磁信息/信标信号的示例性频率的频谱图。
图6是示出了根据本发明的示例性实施例的、可以在电动车辆的无线充电中有用的示例性频率和传输距离的图。
图7图示了根据用于控制被提供给电荷接收元件的电荷量的系统的示例性实施例的无线功率传送系统的示例性核心组件的示意图。
图8是图示了存在于图7的无线功率传送系统中的信号的定时图。
图9是示出了串联-串联调谐网络的特性阻抗x的示意图。
图10a至图10d图示了图7的开关的操作和穿过图7的开关和二极管的电流流动。
图11是将图7建模为可变无功和电阻负载的示意图。
图12a至图12d图示了开关的另选操作模式和穿过图7的开关和二极管的电流流动。
图13是图示了在图12a至图12d的操作模式下存在于图7的无线功率传送系统中的信号的定时图。
图14是将图7建模为可变无功和电阻负载的示意图。
图15a至图15f图示了开关的另选操作模式和穿过图7的开关和二极管的电流流动。
图16是图示了在图15a至图15f的操作模式下存在于图7的无线功率传送系统中的信号的定时图。
图17是将图7建模为可变无功和电阻负载的示意图。
图18是示出了图7的无线功率传送系统的电压和电流输入和输出的屏幕截图。
图19是图示了图7的电动车辆功率转换器的另选实施例的示意图。
图20是图示了用于控制被提供给串联调谐谐振系统中的电荷接收元件的电荷量的方法的示例性实施例的流程图。
图21是用于控制被提供给串联调谐谐振系统中的电荷接收元件的电荷量的装置的功能框图。
附图中所示的各种特征可以未按比例绘制。因此，为清楚起见，可以随意扩展或减小各种特征的尺寸。另外，附图中的一些可以未描绘给定系统、方法或设备的所有组件。最后，同样的附图标记可以用于贯穿说明书和附图表示同样的特征。
具体实施方式
下面结合附图阐述的具体实施方式旨在为示例性实施例的描述并且不旨在表示本发明可以被实践在其中的仅有实施例。贯穿本说明书使用的术语“示例性”意指“用作示例、实例或图示”，并且不一定应当被解释为优于其它示例性实施例的优选或优点。为了提供对示例性实施例的透彻理解的目的，具体实施方式包括具体细节。在一些实例中，一些设备以框图形式被示出。
无线地传送功率可以是指将与电场、磁场、电磁场或者另外的相关联的任何形式的能量从发送器传送到接收器，而不使用物理电导体(例如，功率可以通过自由空间被传送)。输出到无线场(例如，磁场)中的功率可以由“接收线圈”接收、捕获或耦合，以实现功率传送。
电动车辆在本文中用于描述远程系统，其中的一个示例是包括来源于可充电能量存储设备(例如，一个或多个可再充电电化学电池或其他类型的电池)的电功率作为其机动性能的一部分的车辆。作为非限制性示例，一些电动车辆可以是除了电动马达之外还包括传统内燃机以用于直接机动或对车辆的电池进行充电的混合电动车辆。其他电动车辆可以从电功率抽取所有机动能力。电动车辆不限于汽车，并且可以包括摩托车、推车(cart)、踏板车等。通过示例而非限制的方式，在本文中以电动车辆(ev)的形式描述了远程系统。另外，还设想可以至少部分地使用可充电能量存储设备供电的其他远程系统(例如，诸如个人计算设备等的电子设备)。
图1是根据示例性实施例的、用于对电动车辆充电的示例性无线功率传送系统100的图。无线功率传送系统100使得能够在将电动车辆112停放为与底座无线充电系统102a高效耦合的同时对电动车辆112充电。用于两个电动车辆的空间被图示在停放区域中以停放于对应底座无线充电系统102a和102b之上。在一些实施例中，本地配送中心130可以连接到电力骨干132，并且被配置为借助电力链路110向底座无线充电系统102a和102b提供交流(ac)或直流(dc)供应。底座无线充电系统102a和102b中的每个还分别包括用于无线传送(发送或接收)功率的底座耦合器104a和104b。在一些其他实施例中(图1中未示出)，底座耦合器104a或104b可以为独立的物理单元，并且不是底座无线充电系统102a或102b的一部分。
电动车辆112可以包括电池单元118、电动车辆耦合器116以及电动车辆无线充电单元114。电动车辆无线充电单元114和电动车辆耦合器116构成电动车辆无线充电系统。在本文中示出的一些图中，电动车辆无线充电单元114还被称为车辆充电单元(vcu)。电动车辆耦合器116可以例如经由由底座耦合器104a生成的电磁场的区域与底座耦合器104a互相作用。
在一些示例性实施例中，电动车辆耦合器116可以在电动车辆耦合器116位于由底座耦合器104a产生的能量场中时接收功率。场可以对应于由底座耦合器104a输出的能量可以由电动车辆耦合器116捕获的区域。例如，由底座耦合器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，场可以对应于底座耦合器104a的“近场”。“近场”可以对应于其中存在因底座耦合器104a中的电流和电荷(其不将功率辐射远离底座耦合器104a)而产生的强无功场的区域。在一些情况下，如下面将进一步描述的，近场可以对应于在底座耦合器104a的波长的大约1/2π内的区域(并且对于电动车辆耦合器116反之亦然)。
本地配送中心130可以被配置为经由通信回程134与外部源(例如，电力网)通信，并且经由通信链路108与底座无线充电系统102a通信。如本文中在一些图中示出的底座共用通信单元(bcc)可以为本地配送中心130的一部分。
在一些实施例中，电动车辆耦合器116可以与底座耦合器104a对准，因此简单地通过电动车辆操作者将电动车辆112定位为使得电动车辆耦合器116相对于底座耦合器104a充分对准，来布置在近场区域内。对准可以在对准误差下降到低于容限值时被称为是充分的。在其他实施例中，可以给予操作者视觉反馈、听觉反馈或其组合，以确定电动车辆112何时被合适地置于用于无线功率传送的容限区域内。在又一些其他实施例中，电动车辆112可以由自动驾驶系统来定位，该自动驾驶系统可以移动电动车辆112，直到实现充分对准为止。这可以在没有或仅有最小驾驶员介入的情况下由电动车辆112自动且自主地执行。这可以凭借装配有伺服转向、雷达传感器(例如，超声传感器)以及用于安全调转并调整电动车辆的智能化的电动车辆112而是可能的。在再一些其他实施例中，电动车辆112、底座无线充电系统102a或其组合可以具有以下功能：用于使耦合器116和104a相对于彼此分别机械地位移并移动，以更精确地定向或对准它们，并且在它们之间形成充分和/或在其它方面更高效的耦合。
底座无线充电系统102a可以位于各种位置中。作为非限制性示例，一些合适的位置包括电动车辆112所有者的家处的停放区域、仿造传统基于石油的加油站的对于电动车辆无线充电保留的停放区域、以及在其他位置(诸如购物中心和就业场所)处的停车场。
无线地对电动车辆充电可以提供大量的益处。例如，充电可以在几乎没有驾驶员介入和操纵的情况下自动执行，从而提高用户便利性。还可以不存在暴露的电接触且不存在机械磨损，从而提高无线功率传送系统100的可靠性。可以不需要利用线缆和连接器进行的操纵，并且可以不存在在室外环境中可能暴露于湿气和水的线缆、插头或插座，从而提高安全性。还可以不存在可见或可接近的插座、线缆以及插头，从而降低功率充电设备的潜在破坏。进一步地，因为电动车辆112可以用作稳定电力网的分布式存储设备，所以方便的对接到电网解决方案可以帮助提高用于车辆到电网(v2g)操作的车辆的可用性。
如参照图1描述的无线功率传送系统100还可以提供美学和非阻碍优点。例如，可以不存在可以对车辆和/或行人造成阻碍的充电桩和线缆。
作为车辆到电网能力的另外说明，无线功率发送和接收能力可以被配置为彼此相反，使得底座无线充电系统102a可以向电动车辆112发送功率，或者电动车辆112可以向底座无线通电系统102a发送功率。该能力可以用于通过在由于可再生能量产生(例如，风力或太阳能)供不应求或短缺引起的能量短缺时允许电动车辆112向总配送系统贡献功率，来稳定配电网。
图2是示出了可以在图1的无线功率传送系统100中采用的无线功率传送系统200的示例性组件的示意图。如图2中示出的，无线功率传送系统200可以包括底座谐振电路206，该底座谐振电路206包括具有电感l1的底座耦合器204。无线功率传送系统200还包括电动车辆谐振电路222，该电动车辆谐振电路222包括具有电感l2的电动车辆耦合器216。本文中描述的实施例可以使用形成谐振结构的电容加载的导体回路(即，多匝线圈)，如果一次结构和二次结构这两者被调谐至共用谐振频率，则该谐振结构能够经由磁或电磁近场将来自一次结构(发送器)的能量高效耦合到二次结构(接收器)。线圈可以用于电动车辆耦合器216和底座耦合器204。将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“谐振感应”。无线功率传送系统200的操作将基于从底座耦合器204到电动车辆112(未示出)的功率传送来描述，但不限于此。例如，如上面讨论的，能量还可以沿相反的方向来传送。
参照图2，电源208(例如，ac或dc)向作为底座无线功率充电系统202一部分的底座功率转换器236供给功率psdc，以向电动车辆(例如，图1的电动车辆112)传送能量。底座功率转换器236可以包括电路，诸如：ac至dc转换器，该ac至dc转换器被配置为将来自标准市电ac的功率转换成处于合适电压水平的dc功率；和dc至低频(lf)转换器，该转换器被配置为将dc功率转换成处于适于无线高功率传送的操作频率的功率。底座功率转换器236向底座谐振电路206(包括与底座耦合器204串联的调谐电容器c1)供给输入电压vi下的功率p1，以在操作频率下发射电磁场。串联调谐的谐振电路206应被解释为示例性的。在另一个实施例中，电容器c1可以与底座耦合器204并联耦合。在又一些其他实施例中，调谐可以由若干无功元件以并联或串联拓扑的任意组合形成。电容器c1可以被提供为形成大致以操作频率谐振的、具有底座耦合器204的谐振电路。底座耦合器204接收功率p1，并且无线发送处于足以对电动车辆充电或供电的水平的功率。例如，由底座耦合器204无线提供的功率水平可以处于千瓦(kw)量级(例如，从1kw至110kw或更高或更低的任何处)。
底座谐振电路206(包括底座耦合器204和调谐电容器c1)和电动车辆谐振电路222(包括电动车辆耦合器216和调谐电容器c2)可以被调谐至大致相同的频率。如下面进一步说明的，电动车辆耦合器216可以被定位在底座耦合器的近场耦合模式区域内(反之亦然)。在这种情况下，底座耦合器204和电动车辆耦合器216可以变得耦合到彼此，使得功率可以从底座耦合器204传送到电动车辆耦合器216。串联电容器c2可以被提供为形成大致以操作频率谐振的、具有电动车辆耦合器216的谐振电路。串联调谐的谐振电路222应被解释为示例性的。在另一个实施例中，电容器c2可以与电动车辆耦合器216并联耦合。在又一些其他实施例中，电动车辆谐振电路222可以由若干无功元件以并联或串联拓扑的任意组合形成。元件k(d)表示在线圈分隔d处产生的互耦系数。等效电阻req,1和req,2分别表示可能为底座和电动车辆耦合器204和216以及调谐(抗电抗)电容器c1和c2固有的损耗。包括电动车辆耦合器216和电容器c2的电动车辆谐振电路222接收功率p2并向电动车辆充电系统214的电动车辆功率转换器238提供功率p2。
除了别的之外，电动车辆功率转换器238可以包括lf至dc转换器，该lf至dc转换器被配置为将操作频率下的功率转换回处于功率沉陷部(sink)218的电压水平的dc功率，功率沉陷部218可以表示电动车辆电池单元。电动车辆功率转换器238可以向功率沉陷部218提供所转换的功率pldc。如上面讨论的，电源208、底座功率转换器236以及底座耦合器204可以为静止的，并且可以位于各种位置处。电动车辆功率沉陷部218(例如，电动车辆电池单元)、电动车辆功率转换器238以及电动车辆耦合器216可以包括在电动车辆充电系统214中，电动车辆充电系统214为电动车辆(例如，电动车辆112)的一部分或其电池组(未示出)的一部分。电动车辆充电系统214还可以被配置为借助电动车辆耦合器216向底座无线功率充电系统202无线地提供功率，以将功率馈送回电网。电动车辆耦合器216和底座耦合器204中的每一个可以基于操作模式而充当发送或接收耦合器。
虽然未示出，但无线功率传送系统200可以包括从无线功率传送系统200安全断开电动车辆功率沉陷部218或电源208的负载断开单元(ldu)。例如，在紧急或系统故障的情况下，可以触发ldu，以从无线功率传送系统200断开负载。除了用于管理对电池的充电的电池管理系统之外，还可以提供ldu，或者ldu可以为电池管理系统的一部分。
进一步地，电动车辆充电系统214可以包括切换电路(未示出)，该切换电路用于将电动车辆耦合器216选择性连接到电动车辆功率转换器238和将电动车辆耦合器216与电动车辆功率转换器28断开。断开电动车辆耦合器216可以暂停充电，并且还可以改变如由底座无线功率充电系统202(充当发送器)“看到”的“负载”，这可以用于从底座无线充电系统202“遮掩”电动车辆充电系统214(充当接收器)。如果发送器包括负载感测电路，则可以检测负载变化。因此，如下面进一步说明的，发送器(诸如底座无线充电系统202)可以具有用于确定接收器(诸如电动车辆充电系统214)何时存在于底座耦合器204的近场耦合模式区域中的机制。
如上面描述的，在操作时，在朝向电动车辆(例如，图1的电动车辆112)的能量传送期间，从电源208提供输入功率，使得底座耦合器204生成用于提供能量传送的电磁场。电动车辆耦合器216耦合到电磁场，并生成用于由电动车辆112存储或消耗的输出功率。如上所述，在一些实施例中，底座谐振电路206和电动车辆谐振电路222根据相互谐振关系来配置并调谐，使得它们几乎或大致在操作频率下谐振。如下面进一步说明的，底座无线功率充电系统202与电动车辆充电系统214之间的传输损耗在电动车辆耦合器216位于底座耦合器204的近场耦合模式区域中时最小。
如所述的，高效能量传送通过经由电磁近场而不是经由远场中的电磁波(这可能涉及由于辐射到空间中而引起的大量损耗)传送能量来发生。当处于近场中时，可以在发送耦合器与接收耦合器之间建立耦合模式。该近场耦合可能发生的、耦合器周围的空间在本文中被称为近场耦合模式区域。
虽然未示出，但如果是双向的，则底座功率转换器236和电动车辆功率转换器238可以两者都包括：对于发送模式，振荡器、驱动器电路(诸如功率放大器)、滤波器和匹配电路；并且对于接收模式，整流器电路。振荡器可以被配置为生成期望的操作频率，该操作频率可以响应于调节信号来调节。振荡器信号可以由功率放大器响应于控制信号以放大量来放大。滤波器和匹配电路可以被包括为滤除谐波或其他不想要的频率，并且可以将如由谐振电路206和222呈现的阻抗分别匹配到底座和电动车辆功率转换器236和238。对于接收模式，底座和电动车辆功率放大器236和238还可以包括整流器和切换电路。
如贯穿所公开实施例描述的电动车辆耦合器216和底座耦合器204可以被称为或配置为“导体回路”，并且更具体地，可以被称为或配置为“多匝导体回路”或线圈。底座和电动车辆耦合器204和216在本文中还可以被称为或被配置为“磁”耦合器。术语“耦合器”旨在提及可以无线输出或接收能量的、用于耦合到另一个“耦合器”的组件。
如上面讨论的，发送器与接收器之间能量的高效传送在发送器与接收器之间的匹配或几乎匹配的谐振期间发生。然而，即使在发送器与接收器之间的谐振不匹配时，也可以以较低的效率来传送能量。
谐振频率可以基于如上所述的包括耦合器(例如，底座耦合器204和电容器c1)的谐振电路(例如，谐振电路206)的电感和电容。如图2中示出的，电感通常可以为耦合器的电感，而电容可以被添加到耦合器，以创建期望谐振频率下的谐振结构。因此，对于使用展示较大电感的较大直径线圈的较大尺寸耦合器，产生谐振所需的电容值可能较低。电感还可以取决于线圈的匝数。此外，随着耦合器的尺寸增大，耦合效率可以提高。如果底座和电动车辆耦合器这两者的尺寸增大，尤其是这样。此外，包括耦合器和调谐电容器的谐振电路可以被设计为具有高质量(q)因子，以提高能量传送效率。例如，q因子可以为300或更大。
如上所述，根据一些实施例，公开了在处于彼此的近场中的两个耦合器之间耦合功率。如上所述，近场可以对应于其中主要存在无功电磁场的耦合器周围的区域。如果耦合器的物理尺寸远小于与频率有关的波长，则不存在由于波传播或辐射远离耦合器而产生的功率的大量损耗。近场耦合模式区域可以对应于耦合器物理体积附近、通常在波长的小分数内的体积。根据一些实施例，因为存在与外物(例如，介电对象和人体)的更少互相作用，处理磁场在实践中比电场更容易，所以磁耦合器(诸如单匝和多匝导体回路)优选地用于发送和接收这两者。然而，可以使用“电”耦合器(例如，双极子和单极子)或磁和电耦合器的组合。
图3是示出了无线功率传送系统300的示例性组件的功能框图，无线功率传送系统300可以在图1的无线功率传送系统100中采用，和/或其中图2的无线功率传送系统200可以为其一部分。无线功率传送系统300图示了：通信链路376；引导链路366，该引导链路366将例如磁场信号用于确定位置或方向；以及对准机制356，该对准机制356能够机械地移动底座耦合器304和电动车辆耦合器316中的一个或两个。底座耦合器304和电动车辆耦合器316的机械(运动学)对准可以分别受底座对准系统352和电动车辆充电对准系统354控制。引导链路366可以能够双向信令，这意味着引导信号可以由底座引导系统或电动车辆引导系统或由这两者来发射。如上面参照图1描述的，当能量朝向电动车辆112流动时，在图3中，底座充电系统功率接口348可以被配置为从电源(诸如ac或dc电源(未示出))向底座功率转换器336提供功率。底座功率转换器336可以经由底座充电系统功率接口348来接收ac或dc功率，以在接近参照图2的底座谐振电路206的谐振频率的频率或在该谐振频率来驱动底座耦合器304。电动车辆耦合器316在处于近场耦合模式区域中时可以从电磁场接收能量，以在参照图2的电动车辆谐振电路222的谐振频率下或接近该谐振频率振荡。电动车辆功率转换器338将来自电动车辆耦合器316的振荡信号转换成适于经由电动车辆功率接口对电池充电的功率信号。
底座无线充电系统302包括底座控制器342，并且电动车辆充电系统314包括电动车辆控制器344。底座控制器342可以向其他系统(未示出)(诸如例如，计算机、底座共用通信(bcc)、功率配送中心的通信实体、或智能电力网的通信实体)提供底座充电系统通信接口。电动车辆控制器344可以向其他系统(未示出)(诸如例如，车辆上的车载计算机、电池管理系统、车辆内的其他系统、以及远程系统)提供电动车辆通信接口。
底座通信系统372和电动车辆通信系统374可以包括用于具有单独通信信道的具体应用并且还用于与图3的图中未示出的其他通信实体进行无线通信的子系统或模块。这些通信信道可以为单独的物理信道或单独的逻辑信道。作为非限制性示例，底座对准系统352可以借助通信链路376与电动车辆对准系统354通信，以提供反馈机制，以用于由电动车辆对准系统354或底座对准系统352或由这两者、或者凭借如本文中所述的操作者辅助，例如经由自主机械(运动学)对准，来更紧密地对准底座耦合器304和电动车辆耦合器316。类似地，底座引导系统362可以借助通信链路376并且还使用引导链路366与电动车辆引导系统364通信，以用于确定引导操作者到充电地点以及在对准底座耦合器304和电动车辆耦合器316中所需的位置或方向。在一些实施例中，通信链路376可以包括多个单独的通用通信信道，该多个单独的通用通信信道由底座通信系统372和电动车辆通信系统374来支持，以用于在底座无线充电系统302与电动车辆充电系统314之间传达其他信息。该信息可以包括关于电动车辆特性、电池特性、充电状态、以及底座无线充电系统302和电动车辆充电系统314这两者的功率容量的信息，以及用于电动车辆的维护和诊断数据。这些通信信道可以为单独的逻辑信道或单独的物理通信信道(诸如例如，wlan、蓝牙、zigbee、蜂窝等)。
在一些实施例中，电动车辆控制器344还可以包括电池管理系统(bms)(未示出)，该电池管理系统管理电动车辆主电池和/或辅助电池的充电和放电。如本文中讨论的，底座引导系统362和电动车辆引导系统364包括用于例如基于微波、超声雷达或磁向量化原理来确定位置或方向所需的功能和传感器。进一步地，电动车辆控制器344可以被配置为与电动车辆车载系统通信。例如，电动车辆控制器344可以经由电动车辆通信接口例如向制动系统或向转向伺服系统提供位置数据，该制动系统被配置为执行半自动停放操作，该转向伺服系统被配置为帮助在很大程度上自动化的停放“通过线的停车场(parkbywire)”，其可以提供更多便利性和/或更高的停放精度(如可以在特定应用中需要的)，以提供底座耦合器304与电动车辆耦合器316之间充分的对准。而且，电动车辆控制器344可以被配置为与以下项通信：视觉输出设备(例如，仪表板显示器)、声学/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、以及诸如操纵杆、追踪球等的指向设备)以及音频输入设备(例如，具有电子语音识别的麦克风)。
无线功率传送系统300可以包括其他辅助系统(诸如检测和传感器系统)(未示出)。例如，无线功率传送系统300可以包括：传感器，用于与系统一起使用以确定由引导系统(362、364)将驾驶员或车辆适当引导到充电地点所需的位置；传感器，以将耦合器以所需的分离/耦合相互对准；传感器，以检测可能妨碍电动车辆耦合器316移动到特定高度和/或位置以实现耦合的对象；以及安全传感器，用于与系统一起使用以执行系统的可靠、无损且安全的操作。例如，安全传感器可以包括如下传感器，该传感器用于检测接近底座和电动车辆耦合器304、316超过安全半径的动物或儿童的存在，用于检测位于可能被加热(感应加热)的底座或电动车辆耦合器(304、316)附近或靠近该底座或电动车辆耦合器(304、316)的金属对象，并且用于检测危险事件(诸如底座或电动车辆耦合器(304、316)附近的炽热对象)。
无线功率传送系统300还可以支持经由有线连接(例如，通过在电动车辆充电系统314处提供有线充电端口(未示出))的插入式充电。电动车辆充电系统314可以在向或从电动车辆传送功率之前集成两个不同充电器的输出。切换电路可以提供支持无线充电和经由有线充电端口充电这两者所需的功能。
为了在底座无线充电系统302与电动车辆充电系统314之间通信，无线功率传送系统300可以经由底座和电动车辆耦合器304、316使用带内信令，和/或经由通信系统(372、374)、例如经由rf数据调制解调器(例如，通过免执照频带中的无线电的以太网)使用带外信令。带外通信可以提供足够带宽，以用于向车辆用户/所有者分配增值服务。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系统。
一些通信(例如，带内信令)可以在不使用具体通信天线的情况下经由无线功率链路来执行。例如，底座和电动车辆耦合器304和316还可以被配置为充当无线通信耦合器或天线。由此，底座无线充电系统302的一些实施例可以包括用于启用关于无线功率路径的键控型协议的控制器(未示出)。通过用预定义协议以预定义间隔键控发送功率水平(幅移键控)，接收器可以检测来自发送器的串行通信。底座功率转换器336可以包括负载感测电路(未示出)，以用于检测在底座耦合器304的近场耦合模式区域中的活跃电动车辆功率接收器的存在与否。用示例的方式，负载感测电路监测流到底座功率转换器336的功率放大器的电流，该电流受底座耦合器304的近场耦合模式区域中的活跃功率接收器的存在与否影响。功率放大器上的加载的变化的检测可以由底座控制器342来监测，以用于确定是否启用用于发送能量的底座无线充电系统302、是否与接收器通信、或其组合。
为了实现无线高功率传送，一些实施例可以被配置为以在从10khz至150khz范围内的频率传送功率。该低频率耦合可以允许可以使用固态切换设备实现的高度高效功率转换。在一些实施例中，本文中描述的无线功率传送系统100、200以及300可以与包括可再充电或可替换电池的各种电动车辆112一起使用。
图4是示出了根据本发明的示例性实施例的、布置在电动车辆412中的可替换非接触式电池的功能框图。在该实施例中，低电池位置可以用于电动车辆电池单元(未示出)，该电动车辆电池单元集成无线功率接口(例如，充电器至电池无线接口426)，并且可以从例如嵌在地面中的地基无线充电单元(未示出)接收功率。在图4中，电动车辆电池单元可以为可再充电电池单元，并且可以容纳在电池隔间424中。电动车辆电池单元还提供充电器至电池无线功率接口426，该充电器至电池无线功率接口426可以集成整个电动车辆无线功率子系统，该子系统包括耦合器、谐振调谐和功率转换电路、以及用于地基无线充电单元与电动车辆电池单元之间的高效且安全的无线能量传送所需的其他控制和通信功能。
可以有用的是使电动车辆的耦合器(例如，电动车辆耦合器116)被集成为与电动车辆电池单元或车体的底侧齐平，使得不存在突出的部分，并且使得可以维持所指定的地面至车体空隙。该配置可能需要专用于电动车辆无线功率子系统的、电动车辆电池单元中的一些空间。如图4所示，在可以提供在电动车辆412与地基无线充电单元之间的无线功率和通信的充电器至电池无线功率接口426旁边，电动车辆电池单元422还可以提供电池至ev非接触接口428。
在一些实施例中且参照图1，底座耦合器104a和电动车辆耦合器116可以处于固定位置中，并且耦合器可以例如由电动车辆耦合器116相对于底座无线充电系统102a的总放置进入近场耦合模式区域内。然而，为了快速、高效且安全地执行能量传送，可能需要减小底座耦合器104a与电动车辆耦合器116之间的距离，以改善耦合。由此，在一些实施例中，底座耦合器104a和/或电动车辆耦合器116可以在垂直方向上可部署和/或可移动，以使它们更紧密的在一起(以减小空气间隙)。
参照图1，上述充电系统可以用于对电动车辆112充电或将功率传送回电力网的各种位置中。例如，功率的传送可以发生在停车场环境中。注意，“停放区域”在本文中还可以被称为“停放空间”或“停车位”。为了提高无线功率传送系统100的效率，电动车辆112可以沿着x方向和y方向对准，以使得电动车辆112内的电动车辆耦合器116能够与关联停放区域内的底座耦合器104a充分对准。
此外，所公开实施例可应用于停车场，该停车场具有一个或多个停放空间或停放区域，其中，停车场内的至少一个停放空间可以包括底座无线充电系统102a，该底座无线充电系统在下文中还被称为充电底座102。在一些实施例中，充电底座102可以仅包括底座耦合器104a，并且底座无线充电系统的剩余部分安装在别的地方。例如，共用停放区域可以包含多个充电底座，每个充电底座在共用停放区域的对应停放空间中。引导系统(图1中未示出)可以用于帮助车辆操作者在停放区域中定位电动车辆112，以将电动车辆112内的电动车辆耦合器116与作为底座无线充电系统102a的一部分的底座耦合器104a对准。引导系统可以包括：基于电子的方法(例如基于无线电的定位，例如使用uwb信号、三角测量、基于磁场感测(例如，磁向量化)和/或光学、准光学和/或超声感测方法的测位和/或测向原理)、基于机械的方法(例如，车轮引导、轨道或止动器)或其任意组合，以用于帮助电动车辆操作者定位电动车辆112，以使得电动车辆112内的电动车辆耦合器116与底座耦合器104a能够充分对准。
如上面讨论的，电动车辆充电单元114可以被置于电动车辆112的下侧面上，以便向/从底座无线充电系统102a发送/接收功率。例如，电动车辆耦合器116可以被集成到车辆车体底部中(优选地靠近中心位置)，从而提供关于电磁场暴露的最大安全距离，并允许电动车辆的向前和倒退停放。
图5a是示出了根据本发明的示例性实施例的、可以用于无线充电电动车辆112的示例性频率的频谱图。如图5a中示出的，用于到电动车辆的无线高功率传送的潜在频率范围可以包括：3khz至30khz频带中的vlf、具有一些除外的30khz至150khz频带中的更低lf(用于像ism的应用)、6.78mhz的hf(itu-rism频带：6.765-6.795mhz)、13.56mhz的hf(itu-rism频带：13.553-13.567)以及27.12mhz的hf(itu-rism频带：26.957-27.283)。
图5b是示出了根据示例性实施例的、可以用于无线功率传送(wpt)的示例性频率和用于低水平磁信息或信标、信号的示例性频率的频谱的一部分的图，该低水平磁信息或信标、信号可以用于电动车辆的无线充电中的辅助目的，例如用于定位(磁向量化)或配对电动车辆通信实体与底座通信实体。如图5b中示出的，wpt可能发生在图5b中示出的频谱部分的下端处的wpt操作频带505内。如示出的，例如由于频率不稳定性或故意出于调谐原因，活跃充电底座可以以wpt操作频带505内的稍不同的频率无线地传送功率。在一些实施例中，wpt操作频带505可以位于图5a中描绘的潜在频率范围中的一个内。在一些实施例中，用于磁信令(信标)的操作频带515可以从wpt操作频带505偏移频率分隔510，以避免干扰。用于磁信令(信标)的操作频带515如图5b中示出的可以位于wpt操作频带505上方。在一些方面中，频率分隔可以包括10-20khz或更多的偏移。在一些方面中，使用频分方案，活跃充电底座可以以具有特定信道间隔的不同频率发射磁信标。在一些方面中，用于磁信令(信标)的操作频带515内的频率信道间隔可以包括1khz信道间隔。
图6是示出了根据本发明的示例性实施例的、可以在无线充电电动车辆中有用的示例性频率和传输距离的图。可以用于电动车辆无线充电的一些示例传输距离为大约30mm、大约75mm以及大约150mm。一些示例性频率可以为vlf频带中的大约27khz以及lf频带中的大约135khz。
在电动车辆112的充电周期期间，参照图1的无线功率传送系统100的底座无线充电系统102a可能经历各种操作状态。无线功率传送系统100可以包括一个或多个底座无线充电系统(例如，102a和102b)。底座无线充电系统102a可以包括控制器和功率转换单元中的至少一个以及底座耦合器(诸如如图3中示出的底座控制器342、底座功率转换器336以及底座耦合器304)。无线功率传送系统100可以如图1所示的包括本地配送中心130，并且还可以包括中心控制器、图形用户界面、底座共用通信实体、以及到远程服务器或服务器组的网络连接。
为了提高无线功率传送系统100的效率，电动车辆112可以沿着x方向和y方向(例如，使用磁场)对准，以使得电动车辆112内的电动车辆耦合器116能够与关联停放区域内的底座耦合器104充分对准。为了实现法规约束(例如，电磁场强度限制)下的最大功率和最大传送效率，底座耦合器104a与电动车辆耦合器116之间的对准误差可以被设置为尽可能的小。
引导系统(诸如上面关于图3描述的引导系统362和364)可以用于帮助车辆操作者在停放区域中定位电动车辆112，以将电动车辆112内的电动车辆耦合器116与底座无线充电系统102a的底座耦合器104a对准。当电动车辆耦合器116和底座耦合器104被对准为使得电动车辆耦合器116与底座耦合器104a之间的耦合效率高于特定阈值时，那么电动车辆耦合器116和底座耦合器104被称为在用于无线充电的“最有效点”(容限区域)内。该“最有效点”区域还可以依据发射来定义，例如如果车辆被停放在该容限区域中，则如在车辆周围测量的磁泄露场总是低于指定的限制(例如，人暴露限制)。
引导系统可以包括各种方法。在一个方法中，引导可以包括：基于确定电动车辆耦合器相对于底座耦合器的位置和/或方向，使用显示器或其他光学或声学反馈，帮助电动车辆操作者将电动车辆定位在“最有效点”上。在另一个方法中，引导可以包括基于确定电动车辆耦合器116相对于底座耦合器104的位置和/或方向，直接且自动引导车辆。
对于确定位置和/或方向，各种方法可以应用，诸如基于电磁波的方法(例如，基于无线电的方法，将微波宽带信号用于传播时间测量和三角测量)、基于声波的方法(例如，将超声波用于传播时间测量和三角测量)、光学或准光学方法(例如，使用光学传感器和电子照相机)、基于惯性的方法(例如，使用加速计和/或陀螺仪)、基于空气压力的方法(例如，用于确定多层泊车场中的楼面)、基于感应的方法(例如，通过感测如由wpt底座耦合器或其他专用感应回路生成的磁场)。
在另外的方法中，引导可以包括基于机械的方法(例如，车轮引导、轨道或止动器)。在又一个方法中，引导可以包括用于引导和确定位置和/或方向的上述方式和方法的任意组合。上述引导方法还可以应用于延伸区域中(例如，需要局域定位系统(例如，室内定位)的停车场或泊车场内部，其中定位是指确定位置和/或方向)的引导。
如果定位或局部化方法在如在室内汽车环境(其中没有基于卫星的全球导航系统(诸如gps)的接收)和在室外、在不同季节天气条件(雪、冰、水、植物)、在不同的日时间(阳光照射、黑暗)、在信号源和传感器被污染的情况下(污垢、泥、灰尘等)、在不同地面性质的情况下(沥青、钢筋混凝土)、在存在车辆和其他反射或妨碍对象时(自己车辆的车轮、邻近停放的车辆等)经历的所有条件下可靠工作，则可以认为该定位或局部化方法实用且有用。而且，为了使基础设施安装复杂度和成本最小化，不需要在底座无线充电系统302(参照图3)的物理单元之外安装附加组件(信号源、天线、传感器等)的方法可以是优选的。该方面还可以应用于车辆侧。在优选实施例中，包括天线和传感器的引导系统364的所有车辆侧组件被完全集成到电动车辆无线充电系统314的物理单元中。同样，在优选实施例中，包括天线和传感器的引导系统362的所有底座侧组件被完全集成到底座无线充电系统302的物理单元中。
在基于感应的方法的一个实施例中且参照图3，底座耦合器304或电动车辆耦合器316、或被包括在底座无线充电系统302或电动车辆充电系统314中的任意其他专用感应回路可以生成交变磁场，该交变磁场还被称为“磁场信标信号”或“磁感测场”，该交变磁场可以由传感器系统或电路感测，该传感器系统或电路可以分别被包括在电动车辆充电系统314中或被包括在底座无线充电系统302中。可以用于通信实体的引导和对准(定位)以及配对目的的磁场信标信号的频率可以与wpt的操作频率相同、或与wpt频率不同但足够低，使得用于定位的感测发生在近场中。一个合适频率的示例可以在低频(lf)(例如，在从20-150khz的范围内)。低频(lf)磁场信标信号的近场性质(场强对距离的三次幂定律衰减)和磁向量场图案的特性可以用于以对于许多情况足够的精度来确定位置。此外，该基于感应的方法可能对如上面列出的环境影响较不敏感。磁场信标信号可以使用与用于wpt相同的线圈或相同的线圈布置来生成。在一些实施例中，具体用于生成或感测磁场信标信号的一个或多个单独线圈可以被使用，并且可以解决一些潜在问题并提供可靠且精确的解决方案。
在一个方面中，感测磁场信标信号可能仅提供代表wpt耦合的对准得分，但它可能不能提供给车辆操作者更多信息(例如，实际对准误差和在失败停放尝试的情况下如何修正)。在该方面中，底座和电动车辆耦合器的wpt线圈可以用于生成并感测磁场，并且底座和电动车辆耦合器之间的耦合效率可以通过测量感测wpt线圈的短路电流或开路电压(知道场生成电流)来确定。在该对准(或测量)模式下所需的电流可以低于通常用于正常wpt的电流，并且频率可以相同。
在另一个方面中且参照图1，感测磁场可以提供在延伸范围上的位置信息，该位置信息可以用于帮助驾驶员将电动车辆112精确地停放在无线充电站的“最有效点”中。这种系统可以包括专用活跃场传感器，这些专用活跃场传感器是频率选择的，并且比用于wpt系统中的普通电流或电压换能器更灵敏。为了遵从人暴露标准，可能必须将磁感测场降低到如下水平，该水平低于如上所述的用于测量耦合效率的那些水平。如果底座耦合器104生成磁感测场且底座耦合器104的活跃表面不总是被电动车辆112覆盖，则这可能尤其如此。
在不同的方面中，感测磁近场还可以应用于延伸区域中的停车位外部(例如，泊车场内部)的定位(引导)。在该方面中，磁场源可以道路嵌入在进入通道或车道中。
在基于电磁的方法的实施例中，引导系统可以使用超宽带(uwb)技术。基于以微波(例如，在k频带(24ghz)或e频带(77ghz)频率范围(用于汽车用途)中)操作的uwb技术的技术具有提供足够时间分辨率的可能性，这实现精确排列和多路径影响的减轻。基于uwb的定位方法可以足够鲁棒以处理波传播影响，诸如妨碍(例如，由于车轮而引起的妨碍)、反射(例如，从邻近停放的车辆反射)、如在真实环境中期望的衍射(假定天线被集成到底座无线充电系统102的物理单元、电动车辆无线充电单元114的物理单元、以及安装在车辆底盘的底部处的、如图1中示出的车辆耦合器116中的至少一个中)。基于窄带射频(rf)技术(例如，在超高频(uhf)频带中操作)且简单测量无线电信号强度(指示距离)的方法在这种环境中可能未提供足够的精度和可靠性。如与磁近场的场强相反的，自由空间中的无线电波的场强仅随着距离而线性地减小。而且，由于如由多路径接收和路径妨碍引起的衰退，信号强度可能显著变化，这使得基于信号强度对距离关系的精确排列困难。
在一个实施例中，底座无线充电系统102或电动车辆112可以从充分隔开以实现精确三角测量的多个集成天线发射并接收uwb信号。在一个示例性方面中，一个或多个uwb应答器分别在车上用于电动车辆112或用于底座无线充电系统102中。相对位置可以通过测量信号往返延迟并通过执行三角测量来确定。
在另一个方面中，底座无线充电系统102或电动车辆112可以从充分隔开以实现精确三角测量的多个集成天线发射uwb信号。多个uwb接收器被分别安装在电动车辆112上或被分别集成到底座无线充电系统102中。与基于卫星的定位系统(gps)类似地，定位通过测量所有接收信号的相对到达时间(toa)和三角测量来执行。
在一个方面中，作为底座无线充电系统102或电动车辆112的车载系统的一部分的uwb收发器还可以用于(再用于)检测关键空间(例如，其中如由底座无线充电系统102生成的磁场超过特定安全水平)中的外物。这些对象可以是死物(例如，经受涡电流加热的金属对象)或经受过度磁场暴露的诸如人或动物的活物。
图7图示了根据用于控制被提供给串联调谐谐振系统中的电荷接收元件的电荷量的系统的示例性实施例的无线功率传送系统700的示例性核心组件的示意图。
在示例性实施例中，电动车辆功率转换器738包括电路，该电路被配置为整流并控制从底座谐振电路206向电动车辆谐振电路222传送的功率量。电动车辆功率转换器738是图2的电动车辆功率转换器238的说明性实施例。电动车辆功率转换器738的实施例不仅创建控制并稳定被提供给负载的功率的占空比，还控制由底座无线功率充电系统202形成的功率量。
在示例性实施例中，电动车辆功率转换器738包括二极管702和704、二极管706和708、开关712和714、被表示为电感的负载元件716、以及被表示为电容的负载元件718。dc充电信号通过连接722来提供，并且由特性电池电压(vldc)且由特性电流ibat来表示。在示例性实施例中，二极管706和708可以分别为开关712和714的体二极管。因此，通过二极管706和开关712的电流被一起考虑，并且通过二极管708和开关714的电流被一起考虑。
开关712(还被称为“s1”)根据控制信号vg1(还在图8中图形地示出)来操作，并且开关714(还被称为“s2”)根据控制信号vg2(还在图8中图形地示出)来操作。控制信号vg1和vg2通过连接734由脉宽调制(pwm)生成器732来提供。
比较器739对电流i2采样，以确定电流i2的过零信息，并且通过连接742向pwm生成器732提供同步(“synch”)信号。连接742上的synch信号表示电流i2的过零。
车辆侧控制器(“veh.cont”)726接收输出电压vldc和电流ibat，并且通过连接728向pwm生成器732提供控制信号。连接728上的控制信号由车辆侧控制器726来调节，使得pwm生成器732以占空比操作，该占空比允许电动车辆功率转换器738输出由负载(电池)请求的期望功率水平下的功率，该负载由负载元件716、输出722中的电流以及功率沉陷部218中的任意一个来表示。连接728上的由车辆侧控制器726提供的控制信号向pwm生成器732提供关于所需pwm占空比的信息。另选地，车辆侧控制器726还可以使用其他输入信号(诸如底座线圈电流(未示出)的测量)来进一步限制或控制输出功率和/或电流。
电动车辆功率转换器738除了别的之外可以包括lf至dc(低频至直流)转换器，该lf至dc转换器被配置为将操作频率下的功率转换回处于功率沉陷部218的电压水平的dc功率，功率沉陷部218可以表示电动车辆电池单元。电动车辆功率转换器738可以向功率沉陷部218提供所转换的功率pldc。电源208、底座功率转换器236以及底座耦合器204如上面讨论的可以为静止的，并且可以位于各种位置处。电动车辆功率沉陷部218(例如，电动车辆电池单元)、电动车辆功率转换器738以及电动车辆耦合器216可以被包括在电动车辆充电系统714中，电动车辆充电系统714为电动车辆(例如，电动车辆112)的一部分或其电池组(未示出)的一部分。电动车辆充电系统714还可以被配置为借助电动车辆耦合器216向底座无线功率充电系统202无线地提供功率，以将功率馈送回电网。电动车辆耦合器216和底座耦合器204中的每一个可以基于操作模式充当发送或接收耦合器。
在示例性实施例中，底座无线功率充电系统202包括控制器741，该控制器741通过连接742耦合到底座功率转换器236。在示例性实施例中，控制器741被配置为控制底座功率转换器236的逆变器占空比。在示例性实施例中，控制器741可以被配置为通过连接742向底座功率转换器236提供控制信号，以控制输入电压vi，从而控制电流i2。
图8是图示了存在于图7的无线功率传送系统700中的信号的定时图。定时图示出了表示输入电压vi的迹线802、表示电流i1的迹线804、表示电流i2的迹线806以及表示电压vout的迹线808。
定时图800还示出了表示控制信号vg1的迹线812和表示控制信号vg2的迹线814。迹线816表示穿过二极管702的电流id1，并且迹线818表示穿过二极管706和开关712的电流is1。迹线822表示穿过二极管704的电流id2，并且迹线824表示穿过二极管708和开关714的电流is2。
迹线826表示dc电流idc，并且迹线828表示去往电池的电流ibat。
在示例性实施例中，开关712和714根据可控箝位时段θ830(在图8的迹线812和814中示出)与电流i2同步地切换。开关712和714的切换被同步到i2电流信号806的过零，从过零，经历可控箝位时段θ830生成控制信号vg1和vg2。基于由比较器739提供的synch信号和连接728上车辆侧控制器726的输出，pwm生成器732在连接734上形成vg1和vg2信号。vg1和vg2信号具有由可控箝位时段θ830确定的占空比。在示例性实施例中，可控箝位时段θ830的持续时间可以由期望输出功率与可用ac电流i2的比率(非线性地)确定。在示例性实施例中，可控箝位时段θ830的持续时间还可以被调节为限制系统中的一些参数。例如，可控箝位时段θ830可以用于限制最大底座线圈电流i1。
当闭合开关s1712时，电流i2绕过二极管706分流，并且流过开关s1712和二极管708，并且仅在由l2和c2形成的ac谐振路径中循环。当闭合开关s2714时，电流i2绕过二极管708分流，并且流过开关s2714和二极管706，并且仅在由l2和c2形成的ac谐振路径中循环。当闭合开关s1712和s2714这两者时，电流i2绕过二极管706和708分流，并且流过开关s1712和s2714，并且仅在由l2和c2形成的ac谐振路径中循环。当断开开关712和714时，电流i2流过二极管706和708，并且借助二极管702和704流向输出722，作为dc电流idc。改变箝位时段θ830通过控制断开和闭合开关712和714的持续时间来调节平均dc输出电流。
图9是示出了串联-串联调谐网络的特性阻抗x的示意图。串联-串联调谐网络的特性阻抗x可以由下式来定义：
x＝ωm(1)
底座线圈和车辆线圈中的电流然后由下式来描述：
方程(3)图示了串联-串联调谐系统具有受控输出电流源特性，并且其基波分量受逆变器电压和特性阻抗控制。因为线圈电感对于其设计的输入和输出电压较大，所以两个线圈电流中的谐波含量非常小，因此它被忽略，并且为了方便设计计算，仅使用基波分量。
ac切换操作模式
图10a至图10d图示了开关712和714的操作以及穿过开关712和714以及二极管702、704、706以及708的电流流动。
凭借输出电流源特性，电流i2用作用于切换图7中示出的s1(712)和s2(714)的同步信号，以执行输出电流控制。图8中图示了具有ac切换控制的串联-串联调谐系统的概念性电路波形。下面说明ac切换操作。
在t0时，i2变为正。如图10a所示，开关s1(712)导通，并且迫使i2循环穿过s1(712)和s2(714)，穿过二极管708。对于由在迹线812(图8)中示出的可控箝位时段θ830的持续时间确定的、i2的正时段的该部分，没有电流被整流。vg1的上升沿可以发生在时段831(即，i2的负时段)内的任意时间，但vg1的有效pwm持续时间仅为可控箝位时段θ830。
如图10b所示，在t1时(在达到开关箝位间隔θ(830)的结尾时)，s1(712)关断，并且i2流过d1(701)和s2(714)，以向dc侧传送功率。
在t/2时，i2变为负，使得d1(702)软关断。如图10c所示，开关s2(714)导通，并且i2再循环穿过s2(714)和s1(712)，穿过二极管706。对于由在迹线814(图8)中示出的可控箝位时段θ830的持续时间确定的、i2的负时段的该部分，没有电流被整流。vg2的上升沿可以发生在时段833(即，i2的正时段)内的任意时间，但vg2的有效pwm持续时间仅为可控箝位时段θ830。
如图10d所示，在t2时(在达到开关箝位间隔θ(830)的结尾时)，s2(714)关断，并且i2流过d2(704)和s1(712)，以向dc侧传送功率。
在t时，与在时间t0时开始的相同序列对于下一周期发生。
所示的ac切换控制改变在vout与i2之间的vout的大小及其相位这两者。这在调节其输出功率的同时在系统中生成附加的无功功率。该附加无功功率的大小受还用于控制输出功率的箝位角度θ(830)控制。因此，不能独立于输出功率来改变该无功负载的大小。然后可以由下式来描述串联-串联ac切换输出特性：
使用方程(5)和(6)，可以如图11中示出的由可变无功和电阻负载对ac切换电路建模。凭借图8中所示的ac切换模式，输出无功负载为电容性的，其转化为用于底座功率转换器236的逆变桥的电感负载。如果逆变器使用在切换电容负载时具有一定难度的硅(si)开关来设计，则该特性是重要的。
用于底座逆变器电压vi_1的基本电压表达由下式给出：
其中，vsdc是底座逆变器的dc输入电压，并且
通过组合方程(3)、(5)以及(7)，输出功率可以由下式来表达：
方程(8)描述了系统的有功功率递送受底座逆变器dc电压(vsdc)和车辆侧输出dc电压(vdc)及其对应的切换占空比(对于底座逆变器和车辆侧控制器分别为
电路迹线816和818以及822和824示出了二极管702和704如何保持“软”关断，这是有益的且允许使用硅(si)二极管技术的电路实现方式。二极管702和704“准软”切换。体二极管706和708分别传导电流is1和is2的负时段，并且两者都软导通和关断。因为关断转变在其对应体二极管传导的同时发生，所以开关712和714准软切换，因此开关软导通。然而，开关如在迹线818和824中示出的硬关断。
第一另选操作模式
图12a至图12d图示了开关712和714的另选操作模式、以及穿过开关712和714以及二极管702、704、706以及708的电流流动。
图13是图示了在图12a至图12d的操作模式下存在于图7的无线功率传送系统700中的信号的定时图。
该第一另选操作模式类似于上面讨论的ac切换操作，但切换序列沿相反的方向。图13中示出了定时图。如定时图所示，下面说明每周期切换序列。
在t0时，i2变为正。如图12a所示，s1(712)保持关断，并且i2流过d1(702)和s2(714)以及二极管(708)，以将功率传送到dc侧。
如图12b所示，在t1时(在达到开关断开间隔(π-|θ|)的结尾时)，开关s1(712)导通，并且迫使i2循环穿过s1(712)和s2(714)，穿过二极管708。对于由在迹线842(图13)中示出的可控箝位时段θ840的持续时间确定的、i2的正时段的该部分，没有电流被整流。vg1的下降沿可以发生在时段841(即，i2的负时段)内的任意时间，但vg1的有效pwm持续时间仅为可控箝位时段θ840。
如图12c所示，在t/2时，i2变为负，s2(714)保持关断，并且i2流过d2(704)和s1(712)的体二极管706，以将功率传送到dc侧。虽然s1(712)的体二极管706传导，但用于s1(706)的栅极信号可以在t/2到t之间的任意时间关断，以实现软关断。
如图12d所示，在t2时(在达到开关断开间隔(π-|θ|)的结尾时)，开关s2(714)导通，并且迫使i2循环穿过s2(714)和s1(712)的二极管706。对于由在迹线844(图13)中示出的可控箝位时段θ840的持续时间确定的、i2的负时段的该部分，没有电流被整流。vg2的下降沿可以发生在时段843(即，i2的正时段)内的任意时间，但vg2的有效pwm持续时间仅为可控箝位时段θ840。
在t时，i2变为正。与t0相同的序列对于下一周期发生。虽然s2(714)的体二极管708传导，但s2(724)可以在t与t+(t/2)之间软关断。
该第一另选模式操作的输出有功和无功功率表达与如上面由方程(8)和(9)示出的第一ac模式相同。
用于ac模式的θ的范围是0到–π，并且用于第一另选模式的θ的范围是0到π。
凭借由方程8和方程9给出的输出有功和无功功率变化特性，在第一另选模式下操作的ac切换电路可以如图14中示出的由可变电感器和电阻负载来建模。
第二另选操作模式(双沿切换)
图15a至图15f图示了开关712和714的另选操作模式、以及穿过开关712和714以及二极管702、704、706以及708的电流流动。
图16是图示了在图15a至图15f的操作模式下存在于图7的无线功率传送系统700中的信号的定时图。
双沿切换操作是上述第一和第二模式的组合。在第一ac模式和第一另选模式这两者下，仅控制pwm信号的一个沿来调节其输出功率。因此，ac输出处的所生成的无功负载的量由主要用于调节有功输出功率的θ来确定。因此，不能独立于输出有功功率调节来改变所生成的输出无功负载。
为了分离输出无功负载控制与输出有功功率控制，独立控制用于开关s1(712)和s2(714)的栅极驱动pwm信号的上升沿和下降沿。图16中示出了双沿切换的定时图。下面说明双沿ac切换操作。
在t0时，i2变为正。如图15a所示，开关s1(712)导通，并且迫使i2循环穿过s1(712)和s2(714)的二极管708。对于由在迹线872(图16)中示出的可控箝位时段θ2880的持续时间确定的、i2的正时段的该部分，没有电流被整流。控制信号vg1可以在时段881(即，i2的负时段)内保持高，但vg1的有效pwm持续时间仅为可控箝位时段θ1882和可控箝位时段θ2880。
如图15b所示，在t1时(在达到开关箝位间隔θ2的结尾时)，s1(712)关断，并且i2流过d1(702)和s2(714)的二极管708，以向dc侧传送功率。
如图15c所示，在t2时(在达到开关断开间隔(π-θ2-θ1)的结尾时)，开关s1(712)导通，并且迫使i2循环穿过s1(712)和s2(714)的二极管708。在i2的正时段期间，s1(712)的二极管706不传导。对于由在迹线872(图16)中示出的可控箝位时段θ1882的持续时间确定的、i2的正时段的该部分，没有电流被整流。
在t/2时，i2变为负。如图15d所示，开关s2(714)导通，并且i2再循环穿过s2(714)和s1(712)的二极管706。在i2的负时段期间，s2(714)的二极管708不传导。对于由在迹线874(图16)中示出的可控箝位时段θ2880的持续时间确定的、i2的负时段的该部分，没有电流被整流。控制信号vg2可以在时段883(即，i2的正时段)内保持高，但vg2的有效pwm持续时间仅为可控箝位时段θ1882和可控箝位时段θ2880。
如图15e所示，在t3时(在达到开关箝位间隔θ2的结尾时)，s2(714)关断，并且i2流过d2(704)和s1(712)的二极管706，以向dc侧传送功率。
如图15f所示，在t4时(在达到开关断开间隔(π-θ2-θ1)的结尾时)，开关s2(714)导通，并且迫使i2循环穿过s2(714)和s1(712)的二极管706。对于由在迹线874(图16)中示出的可控箝位时段θ1882的持续时间确定的、i2的负时段的该部分，没有电流被整流。
在t时，i2变为正。开关s2(714)关断，并且s1(712)导通。与t0相同的序列对于下一周期发生。
所示双沿ac切换控制具有在vout与i2之间的vout大小及其相位的独立控制。因此，可以独立于输出功率控制来改变系统中的附加无功功率的极性和大小。双沿ac切换系统可以如图17中示出的由具有可变电阻负载的可变输出无功负载(±jxload)来建模。然后可以由下式来描述串联-串联双沿ac切换输出特性：
可控箝位时段θ1和θ2被定义为具有在0至π之间的值范围，并且其中，θ1+θ2＝π。
凭借固定的vdc和vsdc这两者和一次侧逆变器传导角
pout∝cos(θ1)+cos(θ2)(13)
varout∝sin(θ1)-sin(θ2)(14)
方程(13)和(14)图示了独立改变θ1和θ2允许独立控制输出功率pout和输出无功负载varout的自由。
图18是示出了图7的无线功率传送系统700的电压和电流输入和输出的屏幕截图。迹线902示出了一次侧输入电压vi。迹线904示出了一次侧输入电流i1。迹线906示出了二次侧电流i2。迹线908示出了跨二极管706和708的二次侧电压vout。参照上述方程2和3，示出了：通过使用逆变器占空比控制一次侧上的有效电压，可能控制二次侧上的输出电流。并且相反地，通过控制二次侧上的有效电压，可能控制一次侧线圈电流。
图19是图示了图7的电动车辆功率转换器的另选实施例1038的示意图。上面在图10a至图10d描述的ac切换操作和在图12a至图12d以及在图15a至图15f中示出的另选操作模式还可以凭借图19中示出的电动车辆功率转换器电路1038来实现。可以调整用于切换s1(712)和s2(714)的定时，但产生上述的相同切换操作。
图20是图示了用于控制被提供给串联调谐谐振系统中的电荷接收元件的电荷量的方法的示例性实施例的流程图。流程图2000中的框可以以所示出的顺序或不按所示出的顺序来执行。
在框2002中，基于可控箝位时段的控制信号防止二次电压和二次电流到达电荷接收元件。
在框2004中，基于可控箝位时段的控制信号向电荷接收元件提供二次电压和二次电流。
图21是用于控制被提供给串联调谐谐振系统中的电荷接收元件的电荷量的装置2100的功能框图。装置2100包括部件2102，该部件2102用于形成防止二次电压和二次电流到达电荷接收元件的、基于可控箝位时段的控制信号。在特定实施例中，用于形成防止二次电压和二次电流到达电荷接收元件的、基于可控箝位时段的控制信号的部件2102可以被配置为执行在方法2000(图20)的操作框2002中描述的功能中的一个或多个。装置2100还包括部件2104，该部件2104用于生成向电荷接收元件提供二次电压和二次电流的、基于可控箝位时段的控制信号。在特定实施例中，用于生成向电荷接收元件提供二次电压和二次电流的、基于可控箝位时段的控制信号的部件2104可以被配置为执行在方法2000(图20)的操作框2004中描述的功能中的一个或多个。
以上描述的方法的各个操作可以由能够执行操作的任何适当的部件(诸如各种硬件和/或软件组件、电路和/或模块)来执行。一般地，附图中图示的任何操作可以由能够执行操作的对应的功能部件来执行。
信息和信号可以使用各种不同的技术法和技术中的任何来表示。例如，可以贯穿上述描述引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和芯片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光学场或粒子、或其任何组合来表示。
结合本文中公开的实施例描述的各种说明性逻辑框、模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的该可互换性，以上大体在它们的功能方面描述了各种说明性组件、框、模块、电路和步骤。这样的功能被实施为硬件还是软件取决于特定应用和施加于总体系统上的设计约束。所描述的功能可以以针对每个特定应用的变化的方式来实施，但是这样的实现方式决策不应当被解释为引起与本发明的实施例的范围的脱离。
结合本文中公开的实施例描述的各种说明性框、模块和电路可以利用被设计为执行本文中描述的功能的以下项来实现或执行：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、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件、或其任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是在另选方案中，处理器可以是任何常规处理器、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、多个微处理器、一个或多个微处理器结合dsp芯、或任何其他这种配置的组合。
结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤和功能可以被直接地体现在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中。如果被实施在软件中，功能可以作为一个或多个指令或代码被存储在有形非暂态计算机可读介质上或通过有形非暂态计算机可读介质被发送。软件模块可以驻存在随机访问存储器(ram)、闪存、只读存储器(rom)、电可编程rom(eprom)、电可擦可编程rom(eeprom)、寄存器、硬盘、可移除盘、cdrom、或本领域中已知的任何其他形式的存储介质中。存储介质被耦合到处理器，使得处理器可以从存储介质中读取信息并将信息写入到存储介质。在另选方案中，存储介质可以被集成到处理器。如本文中所使用的盘和磁盘包括紧凑盘(cd)、激光盘、光盘、数字多用盘(dvd)、软盘以及蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再生数据，而盘利用激光光学地再生数据。以上的组合还应当被包含在计算机可读介质的范围内。处理器和存储介质可以驻存在asic中。asic可以驻存在用户终端中。在另选方案中，处理器和存储介质可以驻存为用户终端中的分立组件。
为了概述本公开内容的目的，已经在本文中描述了本发明的特定方面、优点和新颖特征。要理解，不必所有这样的优点可以根据本发明的任何特定实施例来实现。因此，本发明可以以实现或优化如本文中教导的一个优点或一组优点而不一定实现如可以在本文中教导或暗示的其他优点的方式来体现或实现。
以上描述的实施例的各种修改将是容易显而易见的，并且本文中限定的通用原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下被应用到其他实施例。因此，本发明不旨在被限于本文示出的实施例，而是要被赋予与本文中公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。
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