车辆的电力供应系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 本申请是申请号为201080041108. 5、申请日为2010年11月11日、发明名称为"车 辆的电力供应系统"的分案申请。
技术领域
[0002] 本发明涉及电力供应系统，所述电力供应系统用于通过非接触方法从车辆外部向 车辆提供能量。
【背景技术】
[0003] 随着近来越来越多的人关注环境问题，越来越期望用电池和电动机来驱动电动车 辆。当然可以经由有线连接来为这种电动车辆充电和供电。然而人们已经在研究和开发采 用非接触方法的无线充电和供电技术。同时，考虑到电池的总体重量和成本，对可以加载到 单个车辆的电池的总体容量有明确的限制。对电池总体容量的限制直接导致车辆每次充电 可以行驶的最大英里数。这就是越来越需要开发一种高效的技术来为行驶中的车辆充电和 供电的原因。
[0004] 作为一种无线功率传输技术，在专利文献1中提出了一种谐振磁耦合方法。根据 这种方法，使用谐振天线之间的谐振模式耦合，因此与传统的电磁感应方法相比可以在更 长的距离上更高效地传输功率。其中，由于根据这种方法使用谐振磁场，所以与使用谐振电 场的情况相比对周围生物的影响小得多。
[0005] 与传统电磁感应方法相比，利用谐振磁耦合的无线功率传输技术可以显著增大传 输距离。具体地，如果对谐振天线之间的耦合度加以指示的耦合系数k大于各个天线的衰 减常数F1和F2的乘积的平方根，则可以高效地传递能量。使用谐振磁耦合的无线功率 传输系统使用谐振电路，该谐振电路具有小于1的耦合系数k，但是具有指示谐振会产生低 损耗的高Q因子，因此可以将该无线功率传输系统看作是具有提高的传输效率的电磁感应 系统。然而，与的电磁感应方法不同，谐振磁耦合方法要求k# 1，所以除非在振荡部 和功率发射天线之间以及在整流部与功率接收天线之间保持模块间阻抗匹配，否则无法高 效地传输功率。
[0006] 专利文献2公开了使用专利文献1的技术来对车辆充电和供电的示例。根据该专 利文献，当对停放的车辆进行充电和供电时，可以通过布置多组功率发射天线和功率接收 天线，来填充安装在地面上的功率发射天线与布置在车辆上或车辆中的功率接收天线之间 的相对间隙。
[0007] 另一方面，专利文献3公开了一种通过电磁感应向车辆传递功率的系统。该专利 文献提出了如何处理停放和充电的车辆的水平停放位置偏移。该系统提供了两个功率接收 天线和两个功率发射天线，并彼此独立地控制这些天线的幅度和相位，从而处理这种位置 偏移。
[0008]引用f献列表
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1 :美国专利申请公开No. 2008/0278264-A1 (图6和图11)
[0011] 专利文献2 :日本待审专利公开No. 2009-106136
[0012] 专利文献3 :美国专利申请公开No. 2008/0265684-A1 (图3)
【发明内容】
[0013] 技术问题
[0014] 在用于对行驶中的车辆进行充电和供电的系统以及用于对停放的车辆进行充电 和供电的系统中，由于功率发射天线和功率接收天线之间的相对位置偏移而失去传输的稳 定性。本发明的发明人指出了该问题并提供了解决该问题的措施。
[0015] 具体地，在用于通过谐振磁耦合对车辆进行充电和供电的系统中，如果行驶中或 停放的车辆中的功率接收天线相对于功率发射天线的相对位置相对于车辆的行驶方向而 水平偏移，则通过谐振磁耦合来进行的功率传输会失去其稳定性。
[0016] 具体地，在考虑行驶中的车辆的情况下，大多数车辆会沿着车道中心附近行驶，但 是有少数车辆也会沿着车道两侧行驶。因此行驶中的车辆的相对水平位置偏移会比停放的 车辆大。专利文献3提供了一种处理由于停放的车辆的功率发射天线和功率接收天线之间 相对于车辆的行驶方向的相对水平位置偏移而引起的传输性能稳定性丧失的措施。然而根 据专利文献3公开的技术，应当增大要提供的天线的数目，因此显著提高了成本。除此之 外，由于按照这种方式无法高效地实现充电和供电，所以很难将这种技术应用于对行驶中 的车辆进行充电和供电的系统。
[0017]同样地，即使在用于对停放的车辆进行充电和供电的系统中，也会存在相对于车 辆行驶方向的相对水平位置偏移。如果驾驶员具有高超的驾驶技术以至于能够将车辆精确 地停放在期望的位置，那么就根本不会存在水平偏移。然而如果强加这种不切实际的约束， 那么采用这种非接触式充电和供电系统所实现的优点就丧失了。因此，即使对于对停放的 车辆进行充电和供电的系统，也应当提供一种在发生水平偏移的情况下确保稳定性能的方 案。尽管如此，专利文献2并没有提到在建立对行驶中的车辆进行充电和供电的系统时会 出现什么问题，也没有提供解决这些问题的措施。
[0018]因此本发明的目的是提供一种用于车辆的电力供应系统，该电力供应系统即使在 车辆相对于该车辆的行驶方向发生水平偏移时，也能够对行驶中的或停放的车辆进行充电 和供电，同时实现稳定的性能。
[0019] 解决问题的方案
[0020] 根据本发明的一种用于车辆的电力供应系统包括：至少一个功率发射天线，被布 置在地面上或地面下；以及功率接收天线，被布置在至少一个车辆中或所述至少一个车辆 上。通过在功率发射天线和功率接收天线间产生谐振磁耦合，功率发射天线和功率接收天 线形成相互耦合的谐振器对。在假定车辆沿Y方向行驶并且与Y方向垂直的方向是X方向 的情况下，沿Y方向和X方向测量的功率发射天线的长度分别比沿Y方向和X方向测量的 功率接收天线的长度大。如果沿X方向测量的功率发射天线的长度是W1，并且相互面对的 功率发射天线和功率接收天线之间的距离是H，则系统满足0. 11XW1 <Η< 0. 26XW1。当 功率发射天线面对功率接收天线时，通过非接触方法从功率发射天线向功率接收天线提供 功率。
[0021] 根据本发明的一种车辆被设计为用在本发明的用于车辆的电力供应系统中，所述 车辆包括：功率接收天线；以及负载，其中利用功率接收天线从功率发射天线接收的能量 来对所述负载供能。
[0022] 根据本发明的一种功率发射天线被设计为用在根据本发明上述任一优选实施例 的用于车辆的电力供应系统中。
[0023] 根据本发明的一种功率接收系统包括：功率接收天线，用于根据本发明上述任一 优选实施例的用于车辆的电力供应系统；以及
[0024] 功率转换部，用于将功率接收天线从功率发射天线接收到的RF能量转换成频率 比所述RF能量的频率低的DC能量或AC能量，并输出所述DC能量或AC能量。
[0025] 本发明的有益效果
[0026] 根据本发明的用于车辆的电力供应系统即使在车辆的位置显著地偏移的情况下， 即便是系统具有简单的配置，也能够以良好的稳定性实现充电和供电。因此，可以以更低的 成本提供更轻的系统。除此之外，通过省略了诸如DC/DC转换器和稳压器之类的一些电路 模块，根据本发明的具有这种稳定充电和供电能力的用于车辆的电力供应系统还可以简化 电路配置。因此，总体供电效率将会提高，并且可以在更短的时间内实现充电和供电。
【附图说明】
[0027] 图1A和1B分别是示出了根据本发明第一优选实施例的用于车辆的电力供应系统 的透视顶视图和侧视图。
[0028] 图2A和2B分别是示出了根据本发明第一优选实施例的用于车辆的电力供应系统 的配置的等效电路图和框图。
[0029] 图3是示出了根据本发明第一优选实施例的用于停放的车辆的电力供应系统的 透视顶视图的示意图。
[0030] 图4是示出了根据本发明第一优选实施例的用于行驶中的车辆的电力供应系统 的透视顶视图的示意图。
[0031] 图5是示出了根据本发明第一优选实施例的备选布置的顶视图的示意图，其中多 个功率发射天线排列成行。
[0032] 图6是示出了根据本发明第一优选实施例的用于车辆的电力供应系统的布置的 框图。
[0033] 图7是示出了根据本发明第一优选实施例的用于车辆的另一电力供应系统的配 置的等效电路图。
[0034] 图8是示出了在本发明的特定示例la中阻抗如何变化的曲线图。
[0035] 图9是示出了在本发明的特定示例lb中阻抗如何变化的曲线图。
[0036] 图10是示出了在示例la中，当Y方向上有位置偏移并且满足X= 0时，功率发射 天线的最佳阻抗如何变化的曲线图。
[0037] 图11是示出了在示例la中，当Y方向上有位置偏移并且满足X=X0时，功率接 收天线的最佳阻抗如何变化的曲线图。
【具体实施方式】
[0038] 根据本发明优选实施例的用于车辆的电力供应系统通过最多地使用靠近磁场的 组件在谐振天线之间产生谐振磁耦合，来无线地对车辆进行充电和供电。下文中，将参考附 图来描述本发明的优选实施例。在以下描述中，多幅图中示出的具有实质上相同的功能的 任何组件对都由相同的参考数字来表示。
[0039] (实施例1)
[0040] 作为本发明第一特定优选实施例的用于车辆的电力供应系统被用作行驶中的车 辆的电力供应系统以对行驶中的车辆进行充电和/或供电，或者被用作停放的车辆的电力 供应系统以对停放的车辆进行充电和/或放电。本文中所谓的"提供电力"是指"充电"或 "供电"。"充电"是指对置于车辆中的二次电池进行充电并存储电力以驱动车辆，而"供电" 是指向同样内置于车辆中的负载（如，驱动电动机）馈送电力。根据本发明的该第一优选 实施例的用于车辆的电力供应系统包括：设置在地面上或地面下的功率发射天线，以及为 车辆提供的功率接收天线。这些功率发射天线和功率接收天线产生谐振磁耦合，从而无线 地传输功率。
[0041] 图1A是示出了根据本发明第一优选实施例的用于车辆的电力供应系统从系统上 方看时的示意图，图1B是图1A所示系统的示意性侧视图。在以下描述中，图1A所示的XYZ 坐标系出于说明性目的而被使用。具体而言，分别地，车辆101行驶的方向103及其反方向 在本文中称作"土Y方向"，与车