可互操作的ev無線充電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種方法包括：經(jīng)由無線通信裝置從能夠無線充電的車輛接收車輛信息；基于所接收的車輛信息計算能夠操作用于對所述車輛進行無線充電的無線充電系統(tǒng)的初級線圈與所述車輛的次級線圈之間的氣隙；以及使電流僅流過所述初級線圈的部分，該部分具有小于或等于所述整個初級線圈的尺寸?；谟嬎愠龅乃龀跫壘€圈和所述次級線圈之間的氣隙確定電流流過的所述初級線圈的所述部分的尺寸。
【專利說明】
可互操作的EV無線充電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本公開一般涉及無線充電電動車輛或混合動力電動車輛，并更具體地涉及可互操 作（interoperable)的電動車輛無線充電方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 最近，涉及電動車輛（EV)和混合動力電動車輛（HEV)的技術(shù)正在快速地發(fā)展。EV 和和HEV至少部分由電力驅(qū)動，并且這些車輛通常收集和存儲電力，或換句話說，從脫離車 輛的源（〇ff-vehicle source)充電。如此，已經(jīng)探索了對EV和HEV充電的各種方法。具 體地，用于無線充電或感應(yīng)充電的技術(shù)已經(jīng)是相當(dāng)大的研究主題。
[0003] 與有線充電完全不同，無線充電通過限制部件的接觸和暴露來改善充電部件的耐 用性和壽命，通過隱藏潛在危險的電線和連接接口來增大安全性，以及通過允許以各種方 式實施充電站來增強多功能性（例如，如便攜式充電墊，嵌入在停車場或道路中等等）。為 此，無線充電依賴電磁場以在充電站（例如，無線充電組件）和電子設(shè)備（諸如智能手機、 便攜式電腦或電動車輛）之間傳遞能量，如在目前情況下。通過無線充電組件和設(shè)備之間 形成的感應(yīng)耦合發(fā)送能量。通常，無線充電組件中的感應(yīng)線圈（例如，初級線圈）使用通常 從電力網(wǎng)提供的電力，以創(chuàng)建交變電磁場。然后，電子設(shè)備中的感應(yīng)線圈（次級線圈）可從 所生成的電磁場接收功率，并將其轉(zhuǎn)換回電流以對其電池充電。作為結(jié)果，初級線圈和次級 感應(yīng)線圈組合以形成電力變壓器，借此可通過電磁感應(yīng)在兩個線圈之間傳遞能量。
[0004] 特別地，安裝在能夠無線充電的車輛中的次級線圈有具有不同離地間隙量（即， 從次級線圈到地面的距離）的許多尺寸。因此，由于不同類型的次級線圈導(dǎo)致與某些充電 系統(tǒng)的不相容性，因此可出現(xiàn)困難。例如，隨著次級線圈的離地間隙增大（例如，在具有相 對高底盤的車輛中），以及磁氣隙（無線充電系統(tǒng)的初級線圈和車輛的次級線圈之間的垂 直距離）也增大，通過初級線圈發(fā)射的能量也必須增加，以便有效地對車輛充電。這是因為 初級線圈的半徑（以及初級線圈的尺寸）直接與氣隙成比例，其中可克服該氣隙以便高效 執(zhí)行磁諧振能量傳遞。因此，在較大磁氣隙（magnetic air gap)的情況下（例如，在小貨 車或具有高離地間隙的運動型多用途車輛（SUV)中），一些初級線圈可太小以至于不能將 必需能量發(fā)射到車輛。同時，較大的初級線圈可在較小磁氣隙的情況下（例如，在具有低離 地間隙的運動型汽車中）發(fā)射非必需量的能量，從而導(dǎo)致能量浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本公提供一種技術(shù)，用于標準主系統(tǒng)充電器與各種尺寸的次級線圈緊密地（即， 磁性）耦合。結(jié)果是，單個主充電系統(tǒng)可與具有不同離地間隙的車輛可互操作。換句話說， 本文所公開的無線充電（即，初級線圈）系統(tǒng)可允許充電系統(tǒng)以及具有各種磁氣隙分類的 車輛之間的可互操作性。以這種方式，可降低源于無線充電器不相容性的麻煩。例如，可消 除其中無線充電停車場由氣隙相容性特殊指定的情況。
[0006] 根據(jù)本公開的實施例，一種方法，包括以下步驟：經(jīng)由無線通信裝置從能夠無線充 電的車輛接收車輛信息；基于所接收的車輛信息計算能夠操作用于對所述車輛進行無線充 電的無線充電系統(tǒng)的初級線圈與所述車輛的次級線圈之間的氣隙；以及使電流僅流過所述 初級線圈的部分，該部分具有小于或等于所述整個初級線圈的尺寸的尺寸。基于計算出的 所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙確定電流流過的所述初級線圈的所述部分的尺 寸。
[0007] 所述初級線圈的所述部分可以為所述初級線圈的多個預(yù)定義部分中的一個。
[0008] 所述初級線圈的所述多個預(yù)定義部分可以由多個開關(guān)元件控制電流是否流過所 述初級線圈的所述多個預(yù)定義部分的LC電路定義。
[0009] 所述方法還可以包括以下步驟：基于所述計算出的所述初級線圈和所述次級線圈 之間的氣隙選擇所述多個開關(guān)元件中的一個或多個；以及激活所選擇的開關(guān)元件，以使電 流僅流過所述初級線圈的所述部分。
[0010] 所述方法還可以包括以下步驟：通過建立定義部分的尺寸來定義所述初級線圈的 所述多個預(yù)定義部分的部分。
[0011] 所述方法還可以包括以下步驟：基于一個或多個評估準則評估所述定義部分。
[0012] 所述方法還可以包括以下步驟：基于所述定義部分的評估來調(diào)整所述定義部分的 尺寸。
[0013] 所述初級線圈的每個預(yù)定義部分的尺寸可以不同于所述初級線圈的其他預(yù)定義 部分的尺寸。
[0014] 所述初級線圈的所述多個預(yù)定義部分可以為所述初級線圈的同心部分。
[0015] 所述方法還可以包括以下步驟：在所述車輛與所述無線充電系統(tǒng)對準的過程期 間，使電流流過在所述初級線圈的所述多個預(yù)定義部分當(dāng)中選擇的部分。
[0016] 所述初級線圈的形狀可以為正方形狀、矩形狀、圓形狀或橢圓狀。
[0017] 所述初級線圈的線圈繞線圖可以在整個所述初級線圈大致均勻分布。
[0018] 所述初級線圈的線圈繞線圖可以大致遵循對數(shù)狀分布圖。
[0019] 所述計算出的所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙可以對應(yīng)于所述初級線 圈和所述次級線圈之間的多個預(yù)定義氣隙范圍中的一個。
[0020] 所述方法還可以包括以下步驟：確定所述初級線圈和所述次級線圈之間的多個預(yù) 定義氣隙范圍中的哪個對應(yīng)于所述計算出的所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙。
[0021] 所述初級線圈和所述次級線圈之間的所述多個預(yù)定義氣隙范圍至少可以包括第 一氣隙范圍以及大于所述第一氣隙范圍的第二氣隙范圍。
[0022] 所述初級線圈的所述部分可以為所述初級線圈的多個預(yù)定義部分中的一個，以及 所述計算出的所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙可以對應(yīng)于所述初級線圈和所述 次級線圈之間的多個預(yù)定義氣隙范圍中的一個。
[0023] 所述方法還可以包括以下步驟：基于所述計算出的氣隙對應(yīng)的所述初級線圈和所 述次級線圈之間的所述預(yù)定義氣隙范圍，在所述初級線圈的所述多個預(yù)定義部分當(dāng)中確定 所述初級線圈的所述部分。
[0024] 對于所述初級線圈和所述次級線圈之間的每個預(yù)定義氣隙范圍，可以存在對應(yīng)的 所述初級線圈的預(yù)定義部分。
[0025] 所接收的車輛信息指示如下的一個或多個：所述次級線圈離地面的距離、所述車 輛的底盤部分離地面的距離，以及與所述車輛中的所述次級線圈的安裝相關(guān)的細節(jié)。
[0026] 計算所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙的步驟還可以包括：基于所接收的 車輛信息確定所述次級線圈離地面的距離；確定所述初級線圈離地面的距離；以及基于所 述次級線圈離地面的距離和所述初級線圈離地面的距離之間的差來計算所述初級線圈和 所述次級線圈之間的氣隙。
[0027] 流過所述初級線圈的所述部分的電流可以對所述車輛進行無線充電。
[0028] 另外，根據(jù)本發(fā)明的一實施例，一種無線充電系統(tǒng)包括：無線通信裝置，其從能夠 無線充電的車輛無線接收車輛信息；控制器，其基于所接收的車輛信息計算能夠操作用于 對所述車輛進行無線充電的所述無線充電系統(tǒng)的初級線圈與所述車輛的所述次級線圈之 間的氣隙；以及LC電路，其使電流僅流過所述初級線圈的部分，該部分具有小于或等于所 述整個初級線圈的尺寸的尺寸?；谟嬎愠龅乃龀跫壘€圈和所述次級線圈之間的氣隙來 確定電流流過的所述初級線圈的所述部分的尺寸。
【附圖說明】
[0029] 可通過參考結(jié)合隨附附圖的以下描述更好地理解本文的實施例，其中相同的附圖 標記指示相同或功能上類似的元件，其中：
[0030] 圖1示出結(jié)合無線充電系統(tǒng)的能夠無線充電的車輛的示例示意性描述；
[0031] 圖2示出磁氣隙分類的示例示意性描述；
[0032] 圖3示出無線充電系統(tǒng)和接收器的示例示意性描述；
[0033] 圖4示出可互操作的電動車輛環(huán)形線圈的示例示意性描述；
[0034] 圖5示出根據(jù)本公開的可適配、可互操作的LC電路的示例電路圖；
[0035] 圖6示出用于根據(jù)所述計算出的氣隙控制LC電路的示例簡化過程。
[0036] 應(yīng)當(dāng)理解的是，以上參考的附圖不必按比例繪制，而是呈現(xiàn)說明本公開的基本原 理的各種優(yōu)選特征的一定程度上的簡化表示。將部分通過特定預(yù)期應(yīng)用和使用環(huán)境確定本 公開的具體設(shè)計特征，包括例如具體尺寸、方向、位置和形狀。
【具體實施方式】
[0037] 本文所使用的術(shù)語僅用于描述特定實施例的目的，并且不旨在限制本公開。如本 文所使用，單數(shù)形式"一只"、"一個"和"該"也旨在包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確說 明。應(yīng)當(dāng)進一步理解的是，本說明書中所使用的術(shù)語"包括"和/或"包括有"指定所陳述的 特征、整體、步驟、操作、元素和/或部件的存在，但并不排除一個或多個其它特征、整體、步 驟、操作、元素、部件和/或其集合的存在或附加。如本文所用，術(shù)語"和/或"包括關(guān)聯(lián)的 列出項目中的一個或多個的任何與全部組合。術(shù)語"耦合"指示兩個部件之間的物理關(guān)系， 借此部件直接連接到另一個或經(jīng)由一個或多個中間部件間接地連接。
[0038] 應(yīng)當(dāng)理解的是，本文所使用的術(shù)語"車輛"或"車輛的"或其它相似術(shù)語一般包括 機動車輛，例如包括運動型多用途汽車（SUV)的乘用車、公共汽車、卡車、各種商業(yè)車輛、包 括各種船只和船舶的水上車輛、飛行器，等等，并包括混合動力車輛、電動車輛、混合動力電 動車輛、氫動力車輛，以及其它代用燃料車輛（例如得自除石油之外的資源的燃料）。如本 文所參考，電動車輛（EV electric vehicle)為該車輛，其包括得自可充電能量存儲設(shè)備 (例如，一個或多個可再充電的電化學(xué)電池或其他類型的電池）的電功率作為其運動能力。 EV不局限于汽車且可包括機動車、手推車、滑板車等等。此外，混合動力車輛為具有兩種或 更多種功率源的車輛，例如基于汽油的功率和電功率兩者（例如，混合動力電動車輛（HEV : hybrid electric vehicle))。
[0039] 無線充電、無線傳遞功率等等可指在不使用物理電導(dǎo)體的情況下傳遞與電場、磁 場、電磁場關(guān)聯(lián)的任何形式的能量，或者從發(fā)射器將任何形式的能量傳遞到接收器（例如， 功率可被傳遞通過自由空間）?？赏ㄟ^第二（例如"次級"或"接收"）線圈接收或捕獲從 第一（例如，"初級"）線圈到無線場（例如，磁場）的功率輸出，以實現(xiàn)功率傳遞。
[0040] 此外，應(yīng)理解的是，可通過至少一個控制器執(zhí)行下面方法或其方面中的一個或多 個。術(shù)語"控制器"可指包括存儲器和處理器的硬件設(shè)備。存儲器經(jīng)配置存儲程序指令，并 且處理器經(jīng)具體編程執(zhí)行程序指令，以便執(zhí)行下面所進一步描述的一個或多個過程。此外， 理解的是，可通過包括控制器的無線充電系統(tǒng)執(zhí)行以下方面，如下面詳細描述。
[0041] 現(xiàn)參考本公開的實施例，所公開的技術(shù)允許標準主系統(tǒng)充電器與各種尺寸的次級 線圈緊密地（即，磁性）耦合。結(jié)果是，單個主充電系統(tǒng)可與不同離地間隙的車輛可互操 作。換句話說，本文所公開的無線充電（即，初級線圈）系統(tǒng)可允許充電系統(tǒng)以及具有各種 磁氣隙分類的車輛之間的可互操作性?？赏ㄟ^具有多個部分的初級線圈完成可操作的充電 系統(tǒng)，其中可獨立地激活每個部分（即，電流通過其中）。多個初級線圈部分可為同心（或 同軸）部分，并且部分的尺寸可不同。也就是說，初級線圈的每個部分可具有唯一半徑。以 這種方式，可激活一個或多個初級線圈部分，以使激活的初級線圈部分耦合到具有相同或 類似尺寸的次級線圈，從而允許高效的磁氣隙傳遞，而不管不同的次級線圈尺寸和磁氣隙。
[0042] 圖1示出結(jié)合無線充電系統(tǒng)的能夠無線充電的車輛的示例示意性描述。如圖1所 示，車輛100可為EV、HEV等等，其能夠進行無線充電。也就是說，感應(yīng)線圈（例如，次級線 圈）可安裝在車輛100中，借此線圈可操作用于接收從無線充電系統(tǒng)的感應(yīng)線圈無線傳輸 的能量（例如，經(jīng)由通過線圈之間的感應(yīng)耦合生成的電磁場）。車輛100可與無線充電系統(tǒng) 110對準，如圖1所示，以便從充電系統(tǒng)110無線接收能量（在上文描述了其過程）。
[0043] 無線充電系統(tǒng)110可實施使用電力的感應(yīng)線圈（例如，初級線圈），以便創(chuàng)建電磁 場，并最終對附近的車輛1〇〇無線充電。無線充電系統(tǒng)110可連接到本地分布中心（local distribution center)(例如，電力網(wǎng)）或任何其他合適的能量源并從其接收電流。無線充 電系統(tǒng)110可位于任何合適的區(qū)域（例如，停車場、車庫、道路中的停車處等等）中，并以任 何合適的方式實施，諸如便攜式充電墊或嵌在地面中或在地面下。特別地，可定位和實施無 線充電系統(tǒng)110,以使可足夠鄰接無線充電系統(tǒng)110確定和/或停放車輛100,并且車輛可 無線接收從充電系統(tǒng)110傳遞的電力。
[0044] 作為示例，無線充電線系統(tǒng)110可被實施為連接到本地功率分布中心的便攜式充 電墊（charging pad)，借此可經(jīng)由充電墊驅(qū)動和/或停放車輛100。作為另一個示例，無線 充電系統(tǒng)100可嵌入在地面中（例如，部分在地下或全部在地下）并連接到本地功率分布 中心，借此可經(jīng)由其中嵌入無線充電系統(tǒng)100的地面區(qū)域驅(qū)動和/或停放車輛100。在兩 種情況下或任何其他合適的情況下，能夠足夠地鄰近充電系統(tǒng)110來驅(qū)動和/或停放車輛 100,以使安裝在車輛100中的次級（即，接收）線圈能夠與充電系統(tǒng)110的初級線圈對準。
[0045] 在能量的無線傳遞期間，在充電系統(tǒng)110的主充電器和車輛100的次級線圈之間 存在垂直（即，上和下）方向上的空間量（大氣空間），其被已知為磁氣隙（可選地被稱為 "氣隙"或"Z間隙"）。關(guān)于這點，圖2示出磁氣隙分類的示例示意性描述。如圖2中所示， 無線充電系統(tǒng)100的初級線圈200可感應(yīng)地耦合到示例第一次級線圈202或示例第二次 級線圈204?？稍谥T如車輛100的能夠無線充電的車輛中安裝次級線圈202或204。代用 (surrogate)車輛的自然離地間隙和次級線圈安裝細節(jié)將通常決定磁氣隙。例如，運動型汽 車可具有低離地間隙，并因此具有小磁氣隙，小貨車或SUV可具有高離地間隙，并因此具有 大磁氣隙，并且轎車可具有在運動型汽車和SUV之間的離地間隙，并因此具有中間磁氣隙。
[0046] 舉例說明，在圖2中，在初級線圈200和第一次級線圈202之間示出了大氣隙，而 在初級線圈200和第二次級線圈204之間示出了小氣隙。由于從初級線圈200到第一初 級線圈202的距離大于從初級線圈200到第二初級線圈204的距離，因此初級線圈200中 的較大傳輸功率是有效地將能量傳遞到次級線圈202所必需的，且初級線圈200中的較小 傳輸功率是有效地將能量傳遞到次級線圈204所必需的。因此，如果使用傳統(tǒng)的無線充電 系統(tǒng)，則在大氣隙和小氣隙的情況下，不同的充電組件是將能量分別無線傳遞到第一次級 線圈202和第二次級線圈204所必需的。然而，根據(jù)本公開的實施例，單個無線充電系統(tǒng)， 例如，充電系統(tǒng)110,可在多個分類的氣隙范圍內(nèi)與任何次級線圈可互操作，諸如次級線圈 202和204,如下面進一步詳細描述。
[0047] 圖3示出無線充電系統(tǒng)和接收器的示例示意性描述。如圖3所示，無線充電系統(tǒng) 11〇(例如，"充電器"）與無線接收器310(例如，"接收器"）無線通信并向其傳遞能量。特 別地，無線系統(tǒng)110可包括AC/DC前端112、LC諧振逆變器114、初級線圈116(例如，"Tx線 圈"）和無線通信裝置118 (例如，"WiFi通信"）。無線接收器310可包括電子負載312、微 控制器314、次級線圈316 (例如，"Rx線圈"）和無線通信裝置318 (例如，"WiFi通信"）。 特別地，圖3中示出的無線充電系統(tǒng)110和接收器310的配置僅用于例證的目的，并且應(yīng)不 被看作將其限制于所描述的配置。相反，可根據(jù)本權(quán)利要求的范圍，以任何合適的方式配置 無線充電系統(tǒng)110和接收器310。
[0048] 在無線接收器310中，其可在例如車輛100的能夠無線充電的車輛中實施，次級線 圈316(具有與磁氣隙成比例的半徑）可具有通過磁場引起的電壓，其中磁場由流過初級線 圈116的電流生成。無線功率傳遞可發(fā)生在80kHz-90kHz之間。微控制器314可控制接收 器310的操作。出于本公開的目的，微控制器314可包括整流器，例如，用于將AC轉(zhuǎn)換為DC 以便對電子負載312 (例如，電池）充電；和/或濾波器，例如，用于過濾所接收的電流。無 線通信裝置318可將屬于車輛的信息（例如，"車輛信息"）無線傳輸?shù)綗o線通信裝置118， 其中（例如，車輛100)安裝無線接收器310,如下面進一步所描述。
[0049] 在無線充電系統(tǒng)110中，AC/DC前端112可從電源（例如，發(fā)電廠）接收電流，并 將電流從交流電（AC)轉(zhuǎn)換為高電壓直流電（DC)。作為示例，AC/DC前端112可將60Hz AC 轉(zhuǎn)換為525V DC。可然后從AC/DC前端112將所轉(zhuǎn)換的DC輸出到LC諧振逆變器114。LC 諧振逆變器114的電路可被不同地配置并可實施例如LC (電感器-電容器）電路、電容器 (串聯(lián)或并聯(lián)）和橋接電路，如下面進一步詳細描述?？蛇x地，LC諧振逆變器114可包括合 適頻率（例如，85kHz的SAE標準頻率）下的驅(qū)動電子器件（例如，用于驅(qū)動電容器和初級 線圈）。
[0050] LC諧振逆變器114的操作可由接通一個高壓側(cè)開關(guān)（M0SFET)和鄰近的低壓側(cè)開 關(guān)（MOSFET)的操作組成，以允許一個方向中的電流通過負載。負載可實施包括在環(huán)形線圈 中與導(dǎo)體串聯(lián)的電容器（或并聯(lián)的一堆電容器），該環(huán)形線圈充當(dāng)電感器。為了實現(xiàn)AC電 流通過負載，可關(guān)斷原有開關(guān)，同時接通相對的開關(guān)。作為結(jié)果，LC諧振逆變器114能夠經(jīng) 由LC電路實現(xiàn)磁諧振，其在圖5中被示出并在下面詳細描述。
[0051] 充電系統(tǒng)110可經(jīng)由無線通信裝置118和318與接收器310無線通信。具體地，無 線通信裝置318可將屬于車輛的信息（例如，"車輛信息"）無線傳輸?shù)綗o線通信裝置118， 其中（例如，車輛100)安裝無線接收器310。在建立了無線通信裝置118和318之間的無 線通信后，可（例如，在開始對車輛100充電之前）發(fā)生車輛信息從無線通信裝置318到充 電系統(tǒng)110的無線通信裝置118的傳輸。車輛信息可包括由充電系統(tǒng)110使用的信息，以 計算初級線圈116和次級線圈316之間的氣隙。例如，車輛信息可指示次級線圈316離地 面的距離、車輛100的底盤部分離地面的距離以及/或者與車輛100中次級線圈316的安 裝相關(guān)的細節(jié)。
[0052] 使用所接收的車輛信息，充電系統(tǒng)110可確定初級線圈116和次級線圈316之間 的磁氣隙。可選地，磁氣隙可為初級線圈116和車輛100的底盤之間的距離?？赏ㄟ^充電 系統(tǒng)110中的控制器（未示出）來執(zhí)行氣隙的確定。例如，如果所接收的車輛信息包括次 級線圈316離地面的距離的指示（例如，次級線圈316的Z軸坐標），則充電系統(tǒng)110可減 去其自己所測量的離地面的距離（例如，初級線圈116的Z軸坐標），以確定兩個設(shè)備之間 的氣隙（如果充電系統(tǒng)110在地下，則初級線圈116的Z軸坐標可為負數(shù)）。
[0053] 磁氣隙測量可被劃分為多個分類（例如，范圍）。可如（下面）表1預(yù)定義氣隙范 圍，并且范圍可包括至少第一范圍以及大于第一范圍的第二范圍。例如，可根據(jù)如下表1定 義磁氣隙分類：
[0054]
[0055]
[0056] 特別地，表1中所示的氣隙分類僅用于例證的目的，并且不應(yīng)被看作將其局限于 所描述的分類。相反，可根據(jù)本權(quán)利要求的范圍，以任何合適的方式定義初級線圈116和次 級線圈316之間的氣隙分類。
[0057] 為了使充電系統(tǒng)110經(jīng)由初級線圈116和次級線圈316之間的氣隙有效地對車輛 100充電，因此初級線圈116的尺寸必須足夠用于經(jīng)由氣隙傳遞功率。問題是，傳統(tǒng)初級線 圈通常對僅特定的氣隙分類有效。例如，在較大磁氣隙的情況下（例如，在小貨車或具有高 離地間隙的SUV中），一些初級線圈可太小以至于不能將必需能量發(fā)射到車輛。相反地，較 大初級線圈可在較小磁氣隙的情況下（例如，在具有低離地間隙的運動型汽車中）發(fā)射非 必需量的能量，從而導(dǎo)致能量浪費。因此，由于不同類型的次級線圈導(dǎo)致與某些充電系統(tǒng)的 不相容性，因此可出現(xiàn)困難。例如，隨著次級線圈316的離地間隙增大，以及磁氣隙相應(yīng)地 增大，通過初級線圈116發(fā)射的能量也必須增加，以便有效地對車輛充電。這是因為初級線 圈116的半徑（以及初級線圈116的尺寸）直接與氣隙成比例，其中可克服該氣隙以便高 效執(zhí)行磁諧振能量傳遞。
[0058] 因此，根據(jù)本公開的實施例，可基于所述計算出的初級線圈116和次級線圈316之 間的氣隙來激活（即，電流流過其中）初級線圈116的具體部分，以使通過流過初級線圈 116的激活部分的電流生成的電磁場（經(jīng)由與次級線圈316的感應(yīng)耦合）有效地將能量傳 遞到接收器310。所激活的初級線圈部分的尺寸確定激活部分中的線圈匝數(shù)，并且當(dāng)載流電 容器的環(huán)形線圈增大其匝數(shù)時，其將自然地將更多的電感引入到電路。因此，充電系統(tǒng)110 可使電流僅流過初級線圈116的部分，借此基于所述計算出的初級線圈116和次級線圈316 之間的氣隙來確定電流流過的初級線圈116的部分的尺寸。以這種方式，從初級線圈116傳 遞的功率可與車輛100的次級線圈316相當(dāng)，并且特別地，與初級線圈116和次級線圈316 之間的氣隙相當(dāng)。
[0059] 特別地，初級線圈116的激活部分（即，電流流過的部分）的半徑可直接與所計算 出的氣隙量成比例。關(guān)于這點，圖4示出可互操作的電動車輛環(huán)形線圈的示例示意性描述。 如圖4中所示，初級線圈116包括多個預(yù)定義部分，基于氣隙允許初級線圈116緊密地耦合 到次級線圈316,從而實現(xiàn)有效的磁氣隙傳遞。每個預(yù)定義部分具有唯一的尺寸/半徑和唯 一的線圈匝數(shù)。例如，初級線圈116的第一部分具有半徑"線圈半徑1"，初級線圈116的第 二部分具有半徑"線圈半徑2"，且初級線圈116的第三部分具有半徑"線圈半徑3"。
[0060] 初級線圈116的某些預(yù)定義部分包括其他（即，較?。┏跫壘€圈部分。作為說明， 初級線圈116的第二部分包括初級線圈116的第一部分，且初級線圈116的第三部分包括 初級線圈116的第一和第二部分。正因為如此，通過單獨激活線圈半徑1實現(xiàn)初級線圈116 的第一部分；通過接通線圈半徑1和2實現(xiàn)初級線圈116的第二部分；以及通過接通線圈半 徑1、2和3實現(xiàn)初級線圈116的第三部分。特別地，圖4中所示的初級線圈116的配置僅 用于例證的目的，并且不應(yīng)被看作將其局限于所描述的配置。相反，可以用任何合適的方式 定義初級線圈116的部分（例如，通過選擇尺寸/半徑或給定部分的線圈匝數(shù)）。初級線圈 116的預(yù)定義部分可為同心的同軸的，如圖4所示，或者可以用任何合適的方式配置。
[0061] 可選地，初級線圈116的形狀可為正方形狀、矩形狀、圓形狀或橢圓狀。進一步地， 初級線圈的線圈繞線圖可為大致在整個初級線圈均勻分布或者可大致可遵循對數(shù)狀分布 圖。更進一步地，可基于一個或多個評估準則評估任何初級線圈部分，諸如，例如總體效率、 充電率等等?？稍诜磸?fù)試驗的基礎(chǔ)上執(zhí)行評估。更進一步地，在車輛100與充電系統(tǒng)110 對準的過程期間，無線充電線系統(tǒng)110可使電流流過初級線圈116的一個或多個部分。以 這種方式，可觸發(fā)各種線圈半徑激活以發(fā)射電磁場，以便指示線圈116的中心，從而幫助車 輛對準過程。
[0062] 對于初級線圈116和第二線圈316之間的每個預(yù)定義氣隙范圍，可存在相應(yīng)的初 級線圈116的預(yù)定義部分。因此，可基于對應(yīng)于所計算出的氣隙（例如，初級線圈116和次 級線圈316之間的距離）的預(yù)定義氣隙范圍來確定電流將流過的初級線圈116的部分。例 如，可為"小"氣隙激活初級線圈116的第一部分（例如，線圈半徑1)、可為"中間"氣隙激 活初級線圈116的第二部分（例如，線圈半徑1和2)，以及可為"大"氣隙激活初級線圈116 的第三部分（例如，線圈半徑1、2和3)。以這種方式，可在較小氣隙的情況下生成較小磁 場，并且相反地，可在較大氣隙的情況下生成較大磁場，而不管使用僅單個初級線圈。也就 是說，初級線圈116可與任何類型的次級線圈可互操作。
[0063] 由于無線充電線系統(tǒng)110中的LC電路，電流可僅流過初級線圈116的特定部分。 如以上所說明，LC諧振逆變器114可實施LC電流（例如，儲能電路或諧振電路），其由彼此 互連的多個電感器和多個電容器組成。LC電路可存儲在其諧振頻率下振蕩的電能。具體 地，電容器可使用它們各自的本地電場（即，在其板極之間）存儲能量，且電感器可在它們 創(chuàng)建的磁場中存儲能量，這取決于其中流動的電流。
[0064] 在LC電路中，當(dāng)帶電電容器跨越電感器連接時，電荷將開始流過電感器，從而圍 繞電感器生成磁場并降低電容器上的電壓。在一段時間后，電容器上的所有電荷被移除，且 穿過它的電壓到達零。然而，由于電感器抵抗電流變化，因此電流可繼續(xù)。也就是說，從所 創(chuàng)建的磁場提取維持電流流動的能量。當(dāng)圍繞電感器的磁場已經(jīng)消失時，電流將停止且將 僅以如前的相反極性在電容器中再次存儲電荷。作為結(jié)果，電流開始以相反方向流過LC電 路。
[0065] 最終，電荷在電容器的極板之間來回流動并通過電感器，并且能量來回振蕩，直到 內(nèi)電阻使振蕩消失（使附加功率從外部源缺失）。當(dāng)感應(yīng)電阻和電容電阻在數(shù)量級上相等 時，發(fā)生諧振效應(yīng)。其中實現(xiàn)（給定電路的）該相等的頻率為諧振頻率。LC電路具有通過 (下面）公式1和2中定義的值的關(guān)系確定的自然電諧振頻率?？筛鶕?jù)如下公式1計算LC 電路的角諧振頻率：
[0067] 可根據(jù)如下公式2以Hz計算LC電路的角諧振頻率：
[0068] w0= 2 Jr f?！璠公式 2]。
[0069] 圖5示出根據(jù)本公開的可適配、可互操作的LC電路的示例電路圖。如圖5所示，諧 振LC電路500可適應(yīng)多個可能的氣隙分類（例如，小、中間、大等等），其可根據(jù)與充電系統(tǒng) 110接合的特定車輛改變。為了維持一致的諧振頻率，LC電路500可經(jīng)配置包括多個電容 器（例如，Cl、C2、C3等等），其（直接或間接）連接到多個電感器（例如，Ll、L2、L3)。LC 電路500中的電感器可對應(yīng)于初級線圈116的預(yù)定義部分，如圖4中所示。特別地，如圖5 所示，電感器L1可對應(yīng)于前述初級線圈116的第一部分（例如，線圈半徑1)，電感器L2可 對應(yīng)于前述初級線圈116的第二部分（例如，線圈半徑2)，以及電感器L3可對應(yīng)于前述初 級線圈116的第三部分（例如，線圈半徑3)。特別地，圖5中所示的LC電路500的配置僅 用于論證的目的，并且不應(yīng)被看作將其限制到所描述的配置。相反，可根據(jù)本公開的權(quán)利要 求的范圍，以任何合適的方式配置LC電路500。
[0070] 電流可沿著通過多個開關(guān)元件（例如，SWC1、SWC2、SWC3、SWL1、SWL2、SWL3、SWL12 等等）定義的路徑流過LC電路500。由于更多的電感被自然地引入到LC電路500,因此當(dāng) 載流電容器的（環(huán)形線圈中的）匝數(shù)增加時，必須將電容添加到電路以維持一致的諧振頻 率。因此，當(dāng)（例如，通過添加更多并聯(lián)的電容器）添加電容以及（例如，通過將更多的圈 數(shù)添加到電感器）添加電感時，可通過操縱電路500中的開關(guān)元件來維持電容和電感的一 致比率。
[0071] 可基于接通或關(guān)斷的開關(guān)元件的特定配置來確定LC電路500中的電流路徑。也就 是說，電流路徑可基于處于接通或關(guān)斷狀態(tài)中的LC電路500中的任何一個開關(guān)元件改變。 可根據(jù)所計算出的初級線圈116和次級線圈316之間的氣隙來操縱（即，接通或關(guān)斷）開 關(guān)元件（例如，通過充電系統(tǒng)110中的控制器）。以這種方式，電流可流過LC電路500,并 具體地，以與所計算出的磁氣隙相當(dāng)?shù)姆绞搅鬟^電感器LI、L2和/或L3。
[0072] 例如，如圖5所示，在小氣隙的情況下，可操縱LC電路500中的開關(guān)元件，以使電 流僅流過電容器C1和電感器L1。作為結(jié)果，電流可僅流過前述初級線圈116的第一部分 (即，線圈半徑1)。進一步地，如圖5所示，在中間氣隙的情況下，可操縱LC電路500中的 開關(guān)元件，以使電流僅流過電容器C1和C2以及電感器L1和L2。作為結(jié)果，電流可僅流過 前述初級線圈116的第二部分（即，線圈半徑1和2)。進一步地，如圖5所示，在大氣隙的 情況下，可操縱LC電路500中的開關(guān)元件，以使電流僅流過電容器C1、C2和C3以及電感器 L1、L2和L3。作為結(jié)果，電流可僅流過前述初級線圈116的第三部分（即，線圈半徑1、2和 3) 〇
[0073] 圖6示出用于根據(jù)所計算出的氣隙控制LC電路的示例簡化過程。過程600可在 步驟605處開始，并前進到步驟610,其中如以上更詳細描述，可操縱LC電路500中的開關(guān) 元件，以便激活適當(dāng)?shù)木€圈半徑（即，部分）和電路電容。
[0074] 在步驟605處，可確定次級線圈高度（例如，從地面到次級線圈316的距離）。可 基于被無線傳輸?shù)匠潆娤到y(tǒng)110的車輛信息來確定次級線圈高度。具體地，可從車輛100 中的無線通信裝置318傳輸車輛信息，并在無線充電系統(tǒng)110中的無線通信裝置118處接 收車輛信息。例如，車輛信息可指示次級線圈316離地面的距離、車輛100的底盤部分離地 面的距離，以及/或者與車輛100中的次級線圈316的安裝相關(guān)的細節(jié)。
[0075] 在步驟610處，可基于所接收的車輛信息并具體地基于所確定的次級線圈高度 (例如，通過充電系統(tǒng)110中的控制器）計算初級線圈116和次級線圈316之間的氣隙（例 如，"無線傳遞Z間隙"）。如果初級線圈116位于與地面相平的位置處，則氣隙可等于次級 線圈316(離地）的高度。但是如果初級線圈116不位于與地面相平的位置處（即，初級線 圈116 (離地）的高度不為零），則可通過從次級線圈高度減去初級線圈高度來計算氣隙。 從車輛100無線提供到充電系統(tǒng)110的其他信息可用于確定磁氣隙以及氣隙分類，諸如車 輛100的底盤部分離地面的距離以及/或者與車輛100中的次級線圈316的安裝相關(guān)的細
[0076] 在計算了初級線圈116和次級線圈316之間的氣隙之后，可使用基于邏輯的過程 來確定操縱LC電路500中的開關(guān)元件的方式，諸如圖6中所示。然而，步驟615到635中 過程的布置僅用于論證的目的，并且不應(yīng)被看作將其限制到所描述的布置。也就是說，可執(zhí) 行用于確定LC電路500中的開關(guān)元件狀態(tài)的任何過程，以便基于所計算出的氣隙來激活初 級線圈116的適當(dāng)部分。
[0077] 出于圖6的目的，應(yīng)假設(shè)已經(jīng)定義了三個氣隙分類（例如，小、中間和大）以及三 個相應(yīng)的初級線圈部分（例如，線圈半徑1、2和3)。每個氣隙分類可與具有上限和下限的 氣隙范圍關(guān)聯(lián)，諸如表1中所描述的。因此，在步驟615處，可確定所計算出的初級線圈116 和次級線圈316之間的氣隙（例如，"無線傳遞Z間隙"）是否小于（或等于）小氣隙分類 的上限。話句話說，可確定所計算出的氣隙是否對應(yīng)于小氣隙分類。如果是，則過程600可 前進到步驟620,其中可閉合開關(guān)元件SWC1、SWL1和SWL12 (剩余開關(guān)元件為斷開的）。因 此，電流可流過電容器Cl和電感器L1 (例如，初級線圈116的線圈半徑1)。相反地，電流將 不流過電容器C2和C3以及電感器L2和L3。
[0078] 如果所計算出的初級線圈116和次級線圈316之間的氣隙不小于（或等于）小氣 隙分類的上限（即，所計算出的氣隙不對應(yīng)于小氣隙分類），則過程600可前進到步驟625。 在那里，可確定所計算出的氣隙是否小于（或等于）中間氣隙分類的上限。換句話說，可確 定所計算出的氣隙是否對應(yīng)于中間氣隙分類。如果是，則過程600可前進到步驟630,其中 其中可閉合開關(guān)元件SWC2、SWL2和SWL12(剩余開關(guān)元件為斷開的）。另外，還可閉合開關(guān) 元件SWC1，以使電流流過電容器C1和C2,以便維持電容和電感的一致比率（由于電流將流 過電感器L1和L2)。因此，電流可流過電容器C1和C2以及電感器L1和L2(例如，初級線 圈116的線圈半徑1和2)。相反地，電流將不流過電容器C3和電感器L3。
[0079] 如果所計算出的初級線圈116和次級線圈316之間的氣隙不小于（或等于）中間 氣隙分類的上限（即，所計算出的氣隙不對應(yīng)于小氣隙分類或中間氣隙分類），則過程600 可前進到步驟635。在這種情況下，可確定所計算出的氣隙大于中間氣隙的上限，并因此對 應(yīng)于大氣隙分類。因此，在步驟635中，可閉合開關(guān)元件SWC3、SWL2和SWL3(剩余開關(guān)元件 為斷開的）。另外，還可閉合開關(guān)元件SWC1和SWC2,以使電流流過電容器C1、C2和C3,以便 維持電容和電感的一致比率（由于電流將流過電感器Ll、L2和L3)。因此，電流可流過電 容器Cl、C2和C3以及電感器Ll、L2和L3(例如，初級線圈116的線圈半徑1、2和3)。在 這種情況下，電流將流過整個初級線圈116。
[0080] 作為說明，過程600在步驟620、630或635處結(jié)束，這取決于所計算出的氣隙。以 上詳細描述了可執(zhí)行過程600的步驟的技術(shù)、以及輔助過程和參數(shù)。
[0081] 應(yīng)注意的是，圖6中所示的步驟僅為用于說明的示例，并且可根據(jù)需要包括或排 除某些其他步驟。進一步地，盡管示出了步驟的特定順序，該順序僅為說明性的，并且可在 不脫離本文實施例的范圍的情況下使用任何合適的步驟布置。更進一步地，可根據(jù)本權(quán)利 要求的范圍以任何合適的方式修改所示出的步驟。
[0082] 因此，本文描述了為單個主充電系統(tǒng)提供的技術(shù)，該單個主充電系統(tǒng)可與不同離 地間隙的車輛可互操作。本文所描述的無線充電線系統(tǒng)可允許充電系統(tǒng)和各種磁氣隙分類 的車輛之間的可互操作性。以這種方式，可降低源于無線充電器不相容性的麻煩。此外，由 于唯一添加到傳統(tǒng)無線充電系統(tǒng)的成本為固態(tài)開關(guān)和分布式電容器值，因此所公開的技術(shù) 實施低成本系統(tǒng)。
[0083] 盡管已經(jīng)示例并描述了為可互操作電動車輛無線充電方法和系統(tǒng)的說明性實施 例，應(yīng)理解的是，可在本文實施例的精神和范圍內(nèi)作出各種其他改編和修改。例如，本文中 已經(jīng)關(guān)于特定配置、過程等等主要示出并描述了實施例，包括例如LC電路配置、初級線圈 配置、無線充電器和接收器配置、用于計算磁氣隙的過程、磁氣隙分類等等。然而，在它們的 廣泛意義上，實施例并不局限于此。相反，可根據(jù)本權(quán)利要求的范圍以任何合適的方式修改 實施例。
[0084] 上述描述已經(jīng)針對本公開的實施例。然而，將顯而易見的是，可對所描述的實施例 作出其他變型和修改，其中實現(xiàn)它們的優(yōu)點中的一些或全部。因此，該描述僅為示例的方式 并且不以其他方式限制本文實施例的范圍。因此，隨附權(quán)利要求的目的在于覆蓋落入本文 實施例的真實精神和范圍內(nèi)的所有該類變型和修改。
【主權(quán)項】
1. 一種方法，包括以下步驟： 經(jīng)由無線通信裝置從能夠無線充電的車輛接收車輛信息； 基于所接收的車輛信息計算能夠操作用于對所述車輛進行無線充電的無線充電系統(tǒng) 的初級線圈與所述車輛的次級線圈之間的氣隙；以及 使電流僅流過所述初級線圈的部分，該部分具有小于或等于所述整個初級線圈的尺寸 的尺寸； 其中基于計算出的所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙確定電流流過的所述初 級線圈的所述部分的尺寸。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述初級線圈的所述部分為所述初級線圈的多個 預(yù)定義部分中的一個。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述初級線圈的所述多個預(yù)定義部分由其中多個 開關(guān)元件控制電流是否流過所述初級線圈的所述多個預(yù)定義部分的LC電路定義。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，還包括以下步驟： 基于所述計算出的所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙選擇所述多個開關(guān)元件 中的一個或多個；以及 激活所選擇的開關(guān)元件，以使電流僅流過所述初級線圈的所述部分。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟： 通過建立定義部分的尺寸來定義所述初級線圈的所述多個預(yù)定義部分的部分。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，還包括以下步驟： 基于一個或多個評估準則評估所述定義部分。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括以下步驟： 基于所述定義部分的評估來調(diào)整所述定義部分的尺寸。8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述初級線圈的每個預(yù)定義部分的尺寸不同于所 述初級線圈的其他預(yù)定義部分的尺寸。9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述初級線圈的所述多個預(yù)定義部分為所述初級 線圈的同心部分。10. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，還包括以下步驟： 在所述車輛與所述無線充電系統(tǒng)對準的過程期間，使電流流過在所述初級線圈的所述 多個預(yù)定義部分當(dāng)中選擇的部分。11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述初級線圈的形狀為正方形狀、矩形狀、圓形 狀或橢圓狀。12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述初級線圈的線圈繞線圖在整個所述初級線 圈大致均勻分布。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述初級線圈的線圈繞線圖大致遵循對數(shù)狀分 布圖。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述計算出的所述初級線圈和所述次級線圈之 間的氣隙對應(yīng)于所述初級線圈和所述次級線圈之間的多個預(yù)定義氣隙范圍中的一個。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，還包括以下步驟： 確定所述初級線圈和所述次級線圈之間的多個預(yù)定義氣隙范圍中的哪個對應(yīng)于所述 計算出的所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙。16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述初級線圈和所述次級線圈之間的所述多個 預(yù)定義氣隙范圍至少包括第一氣隙范圍以及大于所述第一氣隙范圍的第二氣隙范圍。17. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中： 所述初級線圈的所述部分為所述初級線圈的多個預(yù)定義部分中的一個，以及 所述計算出的所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙對應(yīng)于所述初級線圈和所述 次級線圈之間的多個預(yù)定義氣隙范圍中的一個。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括以下步驟： 基于所述計算出的氣隙對應(yīng)的所述初級線圈和所述次級線圈之間的所述預(yù)定義氣隙 范圍，在所述初級線圈的所述多個預(yù)定義部分當(dāng)中確定所述初級線圈的所述部分。19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中對于所述初級線圈和所述次級線圈之間的每個 預(yù)定義氣隙范圍，存在對應(yīng)的所述初級線圈的預(yù)定義部分。20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所接收的車輛信息指示如下的一個或多個：所述 次級線圈離地面的距離、所述車輛的底盤部分離地面的距離、以及與所述車輛中的所述次 級線圈的安裝相關(guān)的細節(jié)。21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中計算所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙 的步驟還包括： 基于所接收的車輛信息確定所述次級線圈離地面的距離； 確定所述初級線圈離地面的距離；以及 基于所述次級線圈離地面的距離和所述初級線圈離地面的距離之間的差來計算所述 初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙。22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中流過所述初級線圈的所述部分的電流對所述車 輛進行無線充電。23. -種無線充電系統(tǒng)，其包括： 無線通信裝置，其從能夠無線充電的車輛無線接收車輛信息； 控制器，其基于所接收的車輛信息計算能夠操作用于對所述車輛進行無線充電的所述 無線充電系統(tǒng)的初級線圈與所述車輛的所述次級線圈之間的氣隙；以及 LC電路，其使電流僅流過所述初級線圈的部分，該部分具有小于或等于所述整個初級 線圈的尺寸的尺寸， 其中基于計算出的所述初級線圈和所述次級線圈之間的氣隙來確定電流流過的所述 初級線圈的所述部分的尺寸。
【文檔編號】H02J50/12GK105958555SQ201510337181
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2015年6月17日
【發(fā)明人】A·劉易斯
【申請人】現(xiàn)代自動車美國技術(shù)研究所, 現(xiàn)代自動車株式會社, 起亞自動車株式會社