检测无线感应电力传输中的线圈对准误差的方法和设备

摘要

一种用于检测谐振感应无线电力设备中的感应线圈对准误差的方法，包括叠加在初级感应线圈上的涡流线圈阵列、用于每个涡流线圈的开关装置、连接至次级感应线圈的电压检测器(如低功率整流器)、模数转换器、初级侧微控制器和次级侧微控制器，以及在车辆充电的实施方式中还包括车辆操作者接口。在线圈对准期间，初级侧感应线圈在低功率下操作。只有在相关联的开关装置被接通时，涡电流才在涡流线圈中流动。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年8月6日提交的美国临时申请第61/862,572号 的权益，其公开内容的全部内容通过引用合并至本文中。

技术领域

本专利申请涉及通过谐振磁感应来传输电能。更具体地，本专利申请 描述了以下方法和设备，该方法和设备用于检测谐振感应无线电力传递线 圈的轴向未对准，并且提供对准误差大小和方向的指示，以便可以使对准 误差最小化或消除，从而确保高效的无线电力传递。

背景技术

感应电力传输具有跨多个行业和市场的许多重要应用。图1示出了常 规谐振感应电力传输系统的概念性表示。在图1中，DC供电电源10、逆 变器12与谐振网络14协作，以提供施加于初级感应线圈16的交流电能 源。初级感应线圈16与次级感应线圈18之间的磁耦合将能量传递至距初 级感应线圈16被移动一定距离的次级感应线圈18。初级感应线圈16和 次级感应线圈18构成松散耦合的空芯变压器。施加于初级感应线圈16 的谐振增加了初级侧电感器电流，这产生了次级电感器电流中的磁通的相 应增加，并且因此产生了从初级线圈传递至次级线圈的电力中的磁通的相 应增加。次级电感器电流由谐振网络20处理，并且由高功率整流器22 整流，以用于以常规方式施加至DC负载24。

高效的谐振感应无线电力传递要求由发送线圈所发出的磁通线中的 很大一部分穿过接收线圈的周界所包围的区域，以使磁耦合最大化。轴向 线圈未对准大大降低线圈至线圈的磁耦合，并且因此有损高效的电力传 递。此外，轴向线圈未对准使线圈电感从预期的设计值更改，从而导致谐 振损耗和附加的电力传递效率低下。

对于需要外部电源的无线源的电动车辆和电动混合动力车辆的制造 商来说，线圈轴向对准误差是经常遇到的并且是呈现出关键问题。期望开 发一种用于对车辆进行充电的系统，该系统识别线圈对准误差大小和方 向，并且向人类驾驶员或非人类的设备提供转向信息，以便可以在最小线 圈对准误差的情况下对车辆进行定位。本发明解决了在本领域中的这些需 要。

发明内容

满足本领域中的上述需要的轴向对准误差检测设备和相关方法包括 叠加在常规谐振感应无线电力传输系统的初级感应线圈上的若干(例如四 个)弧段涡流线圈。涡流线圈周界的线性部分与初级感应线圈的前后和左 右轴对准。每个弧段涡流线圈连接至桥式整流器和开关元件如场效应晶体 管。开关元件由定序器单个地或一致地激活。

如在常规谐振感应无线电力传输系统中一样，在无线电力传输系统的 车辆侧，次级感应线圈连接至谐振网络、高功率整流器和DC负载。本发 明的轴向对准误差检测系统将包括低功率整流器的电压检测器、模数转换 器(ADC)、数据链路、微控制器和车辆操作者接口添加至常规车辆侧谐 振感应无线电力传输系统。

在操作中，在谐振感应无线电力传递设备的初级侧，通常由商用交流 线电流来驱动直流电源。所产生的直流电力向倒相极供电，该倒相极在初 级感应线圈和次级感应线圈的谐振频率下产生方形波形、矩形波形或正弦 波形。如果定序器命令全部弧段涡流线圈开关元件进入断开状态，则涡流 线圈实际上是开路的，无电流在弧段涡流线圈中流动，并且常规技术的谐 振感应无线电力传递设备的操作不在很大程度受影响或被改变。

然而，如果一个或更多个涡流控制元件被激活，则涡流电流在相应的 涡流线圈中流动，并且根据Lentz定律，涡流电流减少了涡流线圈周界内 所包围的组合磁通，从而减小了该象限内的初级线圈的净磁通量。定序器 借助于短距离数据链路向对准设备的车辆侧部分传达在对准误差确定期 间那些涡流线圈为有效的。桥式整流器允许常规的单向半导体开关元件 (如场效应晶体管或双极晶体管)来控制存在于激活的弧段涡流线圈中的 交变电流。可替选地，包括源极至源极连接并且栅极至栅极连接的两个场 效应晶体管的单向交流半导体开关可以取代单晶体管桥式整流器组合而 被用于涡流线圈控制元件。

在线圈对准测量间隔期间，由涡流线圈所感生的初级线圈磁通中的时 空变化由包括低功率整流器的电压检测器来检测，由模数转换器转换成数 字表示并且由微控制器来处理。有效的涡流线圈具有减少由次级感应线圈 所拦截的磁通的作用，从而使由低功率整流器所产生的电压降低。

可以通过顺序地激活涡流线圈来检测对准。如果初级感应线圈和次级 感应线圈轴向对准，则在涡流线圈切换顺序期间由单独的涡流线圈所感生 的磁通场扰动将具有相同的大小，并且次级感应线圈检测电压将不存在变 化。然而，如果初级感应线圈和次级感应线圈未对准，则在涡流线圈切换 顺序期间次级感应线圈检测电压将存在变化。对于与次级线圈具有最大重 叠的涡流线圈而言，磁通减少作用最大，并且所检测到的变化的大小指示 重叠的程度。大重叠产生大变化而小重叠产生成比例较小的变化。

涡流线圈切换顺序与最大磁通变化之间的对应关系指示了误差矢量 的方向，而磁通变化大小指示了误差矢量的大小。数据链路提供了哪些涡 流线圈为有效的识别。因此，可以容易地确定对准误差矢量分量、偏移方 向和大小，并且被传达至车辆操作者。

感应线圈对准设备还被用在诸如便携式消费电子装置充电器的非车 辆应用，例如用于对牙刷、蜂窝电话和其它装置进行充电的那些充电器(例 如PowerMat^TM)。根据下面详细的描述，本发明的这些实施方式和其它实 施方式对于本领域技术人员来说将是明显的。

附图说明

图1示出了现有技术谐振感应电力传输系统的概念性表示。

图2示出了具有根据本发明的第一实施方式的对准误差检测设备的 现有技术谐振感应电力传输系统。

图3示出了具有根据本发明的第二实施方式的在无需车辆至地面的 数据链路的情况下起作用的对准误差检测设备的现有技术谐振感应电力 传输系统。

具体实施方式

尽管本领域技术人员将认识到本文中所提供的教示可以用于确定其 它非车辆谐振磁感应无线电力传输系统中的对准误差，但将关于图2和图 3针对在电动车辆充电方面的使用来描述本发明的示例性实施方式。这样 的实施方式意在处于本公开内容的范围内。

已经提出了实现线圈对准的许多方法，所述方法采用：声学技术；微 波和射频技术；复合声射频差分传播速度系统；超宽带系统；红外、光学 和视频系统；视频模式识别控制的机械臂；差分GPS系统和机械对准辅 助工具，如车辆轮胎导向和缓冲器行程限止器。每个方法都具有局限性， 包括成本、复杂度、易受污染、易结冰、易潮湿、缺乏足够的准确度、需 要无遮挡的视野、需要添加除已经代替无线电力传输的设备以外的设备。

未改变且未增补的无线电力传递设备可以给出线圈对准误差的原始 指示，如忽略谐振去调谐的影响，当对准误差为0时传递的电力最大。因 此，小于预期的电力传递意味着某种程度的未对准。因为在圆形或方形初 级线圈的情况下谐振感应无线电力传递初级线圈具有轴向对称性，或者在 矩形或椭圆形初级线圈的情况下具有二次对称性，所以投影的通量图案也 是对称的，这使得不能确定对准误差的方位角。对准误差大小可以被假设， 而误差方向不能被假设。

根据本发明，该问题的解决方案是在初级感应线圈周围的磁通场中引 入空间不对称性，从而使得能够确定误差方位角。一种实现方式是添加辅 助线圈，该辅助线圈被叠加在初级感应线圈16上或仅被叠加在初级感应 线圈16的周界的外部。每个辅助线圈由发电机来驱动，以产生下述磁通 并且以此方式来产生用于误差矢量确定所需的轴向非对称性，所述磁通可 以补充或部分抵消由初级感应线圈16所产生的磁通。然而，这个方法存 在若干实践困难。第一个困难是除了需要驱动初级感应线圈16所需的驱 动电路以外还需要辅助线圈驱动电路。第二个困难来自于主电源驱动器与 初级感应线圈16之间连接的谐振产生网络。谐振网络的相移使初级感应 线圈16与初级感应线圈电流之间的相位关系有些模糊。因此，辅助线圈 驱动器必须监视在产生辅助线圈电流时用作基准的初级感应线圈电流，不 期望的需求增加了设备成本和复杂。由于辅助线圈中存在大量感应电压以 及辅助线圈与辅助线圈互相耦合较复杂且潜在地不稳定而使辅助线圈电 流产生和控制进一步复杂化，其中，辅助线圈与辅助线圈互相耦合产生驱 动点阻抗。

在图2中所示出的示例性实施方式中避免了上述困难和复杂性。通过 磁感应来驱动径向弧段涡流线圈36、38、40和42；不需要辅助逆变器， 并且完全避免了驱动电流相位模糊性。用于每个径向弧段涡流线圈36、 38、40和42的辅助逆变器电路分别用桥式整流器和开关晶体管48、50、 52和54来代替。桥式整流器48、50、52和54允许利用单个单向半导体 开关来控制双向的涡流电路，从而使单向直流开关装置能够允许或阻止感 应涡流在相关联的涡流线圈36、38、40或42中的流动。在示例性实施方 式中，在对准误差检测操作期间以低功率操作初级感应线圈16，从而减 少感应至车辆底部的不希望的寄生涡流和在高功率操作期间由于显著未 对准的初级感应线圈16和次级感应线圈18而可引起的过多的磁场泄露。 本领域技术人员将理解的是，包括源极至源极连接并且栅极至栅极连接的 两个场效应晶体管的单向交流半导体开关可以取代图2中所示出的单晶 体管桥式整流器组合而被用于涡流线圈控制元件。

根据Lentz定律，流过激活的涡流线圈的涡流电流产生与入射的磁通 场相反的磁通，从而减弱在激活的涡流线圈正上方的净磁通场。局部减弱 的磁通场转而降低次级车辆侧线圈18所感应到的电压或电流的大小。如 果初级感应线圈16和次级感应线圈18轴向对准，则所有有效的涡流线圈 36、38、40和42将所感应到的次级线圈电压或电流减小至相同的程度。 然而，如果次级感应线圈18例如被向后并向右而偏离轴向对准，则与其 它三个涡流线圈相比，右后涡流线圈将在更大的程度上影响次级感应线圈 感应电压或电流，其中，影响程度与对准误差大小成比例。这意味着通过 以下方式容易确定对准误差的方向和大小：使用定序器46顺序地激活涡 流线圈36、38、40和42，并且记录所引起的次级线圈感应电压大小变化 或次级线圈感应电流大小变化。次级侧对准误差确定需要在对准误差确定 过程期间的每个时刻处哪个涡流线圈为有效的知识，其中借助于包括初级 侧数据链路44和次级侧数据链路32的数据链路将这样的知识传达至次级 侧微控制器30。

考虑图2中所示出的定序器46以表1中所指示的顺序来激活弧段涡 流线圈36、38、40和42的情况：

状态 激活的线圈 1 右前 2 右后 3 左后 4 左前

表1-示例性定序器顺序

继第四定序器状态之后，返回到第一顺序状态并且模式重复。在每个相等 持续时间的定序器状态期间，次级侧微控制器30借助于电压检测器(例 如低功率整流器26)来测量和记录次级线圈感应电压E_IND，其中，电压 检测器将所测量的电压提供至模数转换器(ADC)28，以用于在应用至 微控制器30之前进行数字化。

在这个示例中，前后对准误差被确定为：

AE_FB＝[E_IND-FL+E_IND-FR]-[E_IND-BL+E_IND-BR]

其中，AE_FB是前后对准误差，

E_IND-FL是左前涡流线圈被激活情况下的次级线圈电压，

E_IND-FR是右前涡流线圈被激活情况下的次级线圈电压，

E_IND-BL是左后涡流线圈被激活情况下的次级线圈电压，以及

E_IND-BR是右后涡流线圈被激活情况下的次级线圈电压。

当AE_FB＝0时，前后对准误差为0，

AE_FB>0时，车辆距前方过远，并且|AE_FR|指示误差大小，以及

AE_FB<0时，车辆距后方过远，并且|AE_FR|指示误差大小。

在这个示例中，左右对准误差被确定为：

AE_LR＝[E_IND-FL+E_IND-BL]-[E_IND-FR+E_IND-BR]

其中，AE_LR是左右对准误差，

E_IND-FL是左前涡流线圈被激活情况下的次级线圈电压，

E_IND-BL是左后涡流线圈被激活情况下的次级线圈电压，

E_IND-FR是右前涡流线圈被激活情况下的次级线圈电压，以及

E_IND-BR是右后涡流线圈被激活情况下的次级线圈电压。

当AE_LR＝0时，左右对准误差为0，

AE_LR>0时，车辆距左方过远，并且|AE_LR|指示误差大小，以及

AE_LR<0时，车辆距右方过远，并且|AE_LR|指示误差大小。

可以通过使用本领域技术人员所公知的常规矢量运算来将左右对准 误差的大小和前后对准误差的大小组合成单个对准误差矢量。初级感应线 圈16和次级感应线圈18的任何未对准经由车辆操作者接口34被传达至 用户/车辆操作者，使得用户/车辆操作者可以做出合适的调整，以改进初 级感应线圈16和次级感应线圈18的对准。

本领域技术人员将理解的是，其它定序器切换模式是可能的，包括按 顺时针或逆时针模式顺序激活单个或多个涡流线圈36、38、40和42，或 以每个线圈由唯一的时钟来驱动的方式同时激活几个或所有涡流线圈 36、38、40和42，其中，借助于对所产生的次级感应线圈感应电压的数 学处理来确定误差大小和误差方向。

图3示出了消除对初级侧至次级侧数据链路44、32的需要的第二实 施方式。在这种实施方式中，定序器46同时驱动所有四个弧段涡流线圈 36、38、40和42，其中，以频率f1通过方波时钟驱动左前线圈，以频率 f2驱动右前涡流线圈，以频率f3驱动右后涡流线圈，并且以频率f4驱动 左后涡流线圈。最高频率与最低频率之间的频率差应当小于倍频程，以避 免所产生的实际时钟频率与由于失真而可能产生的时钟频率谐波混淆。例 如，四个定序器时钟频率f1、f2、f3和f4可以是800赫兹、900赫兹、1000 赫兹和1100赫兹。此外，还可以在相应的频率f₁至f_n下使用矩形波和正 弦波形，其中，n是涡流线圈的数目。

在次级侧，微控制器30检查由模数转换器28生成的数据时间序列， 并且对ADC数据时间序列执行快速傅里叶变换或类似的时域至频域变 换。选择FFT参数使得每个定序器时钟音调唯一地落到单个频域窗口中。 以此方式，由微控制器30进行的FFT运算确定正交涡流线圈36、38、 40和42的相对贡献。相等的定序器时钟音调大小指示0对准误差。不相 等的时钟音调大小指示对准误差，并且时钟音调大小比指示对准误差的大 小和方向。由于不需要高频分辨率并且FFT算法计算量较低，所以微控 制器的FFT计算要求较低。由于每个涡流线圈由其特定调制频率来唯一 地识别，所以不需要数据链路。

涡流线圈36、38、40和42的数目以及线圈弧宽是可以变化的。例如， 可以使用四个重叠的“D”形的线圈，其中，每个线圈覆盖180度弧宽段， 两个线圈用于前后误差确定，而另外两个线圈用于左右误差确定。可替选 地，可以使用三个非重叠的涡流线圈，其中，每个线圈覆盖120度弧。此 外，可以使用大量的涡流线圈来改进对准误差准确度和分辨率，其中，每 个线圈包括小于90度的弧宽段。

此外，针对涡流线圈控制，还可以使用除桥式整流器配置以外的整流 器配置。此外，可以用诸如继电器闭合、TRAC二极管或类似装置的双向 控制装置来取代整流器晶体管涡流控制对。此外，在具有合适电路切换和 过载保护的情况下，可以以使用高功率整流器22代替的方式来去除图2 和图3中的低功率整流块26。

此外，尽管本文所包含的公开内容涉及向车辆提供电力，但是应当理 解的是，这仅是许多可能应用的一种，而包括非车辆应用的其它实施方式 也是可能的。例如，本领域技术人员将认识到，在诸如便携式消费电子装 置充电器的非车辆应用中存在许多感应线圈对准的应用，例如用于对牙 刷、蜂窝电话和其它设备进行充电的那些充电器(例如PowerMat^TM)。 这样的装置使用一个或更多个绕组，并且对准是个问题。即使使用重叠的 线圈，本文所描述的对准技术也可以有助于提高电力传递。在用于蜂窝电 话充电器的示例性实施方式中，在蜂窝电话上下载app或其它通知装置， 以使得当蜂窝电话在关于充电线圈适当对准时发出声音或震动。这对于其 中期望在驾驶员无需向下看的情况下指示手机与充电器的对准的车辆应 用而言是特别有用的。因此，这些应用和其它这样的应用被包括在所附权 利要求的范围中。