改变磁场频率以维持期望的电压‑电流的相位关系的无线电池充电系统的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请根据专利合作条约的第8条要求在2015年5月11日提交的美国专利申请no.14/708,526的优先权权益，该申请的全部公开内容通过引用结合于此。

本发明涉及用于对车辆电池无线充电的充电系统，更具体地涉及被配置为改变磁场频率以维持所期望的电压-电流的相位关系的无线电池充电系统。

背景技术：

具有被磁耦合的且跨物理间隙无线传送电能的外载换能器和车载换能器的无线充电系统是公知的。由于各种负载、部件的容差、温度，用于外载换能器与车载换能器之间的最佳磁耦合的谐振频率可以变化。为了维持最高的效率水平，需要一种操作充电系统以维持系统的最佳磁耦合的方式。此外，需要解决无线充电系统与具有不同谐振频率的由不同供应商建造的车载换能器的互操作性，使得每个供应商的车载换能器不需要仅与该供应商的无线充电系统一起使用。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，提供一种充电系统。该充电系统配置为对能量存储设备无线充电。该充电系统包括电功率发射器、控制器、外载换能器和相位检测电路，电功率发射器包括可变频率振荡器，该可变频率振荡器被配置为发出(source)具有交流电流、交流电压和频率的电功率；控制器可操作为调节可变频率振荡器，由此改变所发出(sourced)的电功率的频率；外载换能器与电功率发射器电通信，被配置为电磁耦合到与能量存储设备电通信的车载换能器，由此引起车载换能器捕获电功率以对能量存储设备充电；相位检测电路与控制器和外载换能器通信且被配置为确定交流电压和交流电流之间的相位差。该控制器被配置为基于相位差来调节可变频率振荡器使得所发出的电功率的频率将相位差维持在期望的范围内。

该控制器可以被配置为调节可变频率振荡器，使得所发出的电功率的频率在10千赫(khz)至450khz的频率范围内扫描。

该充电系统还可包括与控制器电通信的无线发射器。在这种情况下，车载换能器与被配置为确定被捕获的电功率的值的功率检测电路电通信。该功率检测电路与被配置为经由无线发射器向控制器无线传送被捕获的电功率的值的无线接收器电通信，并且其中控制器被配置为通过将被捕获的电功率的值与所发出的电功率的值进行比较来确定功率效率。该控制器被配置为基于功率效率调节可变频率振荡器，使得所发出的电功率的频率使功率效率最大化。

车载换能器和能量存储设备可以设置在车辆内。外载换能器和电功率发射器可以设置在车辆外。可替换地，外载换能器和电功率发射器可以设置在车辆内。

根据本发明的另一个实施例，提供一种充电系统。该充电系统配置为对能量存储设备无线充电。该充电系统包括电功率发射器、控制器、外载换能器和无线发射器，电功率发射器包括可变频率振荡器，该可变频率振荡器被配置为发出具有交流电流、交流电压和频率的电功率；控制器可操作为调节可变频率振荡器，由此改变所发出的电功率的频率；外载换能器与电功率发射器电通信，被配置为电磁耦合到与能量存储设备电通信的车载换能器，由此引起车载换能器捕获电功率以对能量存储设备充电；无线发射器与控制器电通信。车载换能器与被配置为确定被捕获的电功率的值的功率检测电路电通信。功率检测电路与被配置为经由无线发射器向控制器无线传送被捕获的电功率的值的无线接收器电通信。控制器被配置为通过将被捕获的电功率的值与所发出的电功率的值进行比较来确定功率效率。该控制器被配置为基于功率效率调节可变频率振荡器，使得所发出的电功率的频率使功率效率最大化。

背景技术部分中所讨论的主题不应当只因为它在背景技术部分中的提及而被假定为现有技术。类似地，背景技术部分中提到的或与背景技术部分的主题相关联的问题不应被假定为在现有技术中已经被在先认识到。背景技术部分中的主题仅仅表示不同的方法，它们本身也可能是发明。

附图说明

将参照附图进一步描述本发明，附图中：

图1是根据本发明的包括可变频率振荡器(vfo)电路的充电系统的绘图侧视图；

图2是设置在电池和车载换能器中间的图1的充电系统的示意图；

图3示出了图1的vfo电路的示意图；

图4示出了由图3的vfo电路监测的电压和电流之间的角相位差的关系。

图5示出了根据本发明的替换实施例的充电系统的vfo电路的示意图。

具体实施方式

无线充电系统的谐振频率可能由于负载变化、因容差叠加引起的电气部件性能变化、温度变化、部件布置和取向的变化而变化。如果针对一个特定的车载换能器而频率调谐外载换能器并且随后该外载换能器与没有调谐到相同频率或频率范围的不同车载换能器一起使用，则还可能导致谐振频率的不匹配。这些种类的变化可能会不期望地降低无线充电系统的功率传送效率。已经发现，通过调节外载换能器的输出频率可以相对于上述变化来有效地管理和控制功率传送效率。

向外载换能器提供电功率的电功率发射器的输出频率由设置在功率发射器中的可变频率振荡器(vfo)电路来确定。该充电系统中的vfo电路有利地提供了由外载换能器产生的磁能的频率的调整，以更加紧密地匹配车载换能器的谐振频率。vfo电路有利地允许外载换能器和车载换能器的谐振频率被调节，以容纳制造容差、环境条件以及外载换能器和车内换能器的未对准。vfo电路还容纳由不同制造商建造成不同规格的外载换能器和车载换能器之间的谐振频率差。

体现本发明的特征的无线充电系统12的非限制性示例在图1和图2中示出。本文呈现的无线充电系统12被配置为对设置在车辆40内的电池14充电。该车辆40可以是混合动力车辆或混合电动车辆，并且电池14可以被配置为驱动车辆的推进系统(未示出)。无线充电系统12包括交流功率发射器16、外载换能器18和车载换能器20。功率发射器16还包括可变频率振荡器(vfo)电路24。功率发射器16设置在车辆40外。外载换能器18与vfo电路24电通信。优选地，外载换能器18被配置为固定到诸如车库地板或停车场表面之类的地面22。车载换能器20附接到车辆40。车载换能器20可以位于车辆14的底盘26上。

外载换能器18包含源线圈(未示出)，该源线圈当被具有由功率发射器16提供的交流电压和交流电流的电能激励时，生成将磁能44无线传送到车载换能器20的磁场。对于电池14的充电，车载换能器20与外载换能器18间隔开，从而将外载换能器18与车载换能器20分隔开一段距离。外载换能器18生成的交变磁场在捕获线圈(未示出)中感应出具有交流电压的交流电流。该被捕获的电能用于对车辆40的电池14充电。

在外载换能器18与车载换能器20之间的能量的能量传送效率取决于这些换能器18、20的对准，使得能量可在换能器之间被无线传送。当车载换能器20的至少一部分覆盖外载换能器18时，可以实现换能器18、20的这种对准。参考图2，车载换能器20的至少一部分覆盖外载换能器18。可替换地，车载换能器20可以不覆盖外载换能器18，但仍然邻近车载换能器20，使得发生无线能量传送。

功率发射器16与电源48电通信。电源48可以提供通常与公用事业干线()相关联的120vac或240vac的电压。根据特定地理位置的效用标准，电源48的电压通常可以具有60赫兹(hz)或50赫兹的交变频率。可替换地，电源48可具有不同于120vac或240vac的工作电压或具有不同于50hz或60hz的工作频率。

无线充电系统12还包括控制器/转换器53，该控制器/转换器53设置在车辆40内且与功率发射器16、外载换能器18和车载换能器20配合以提供有助于对电池14充电的电流。该控制器/转换器53的转换器部分包括形成整流器电路(未示出)的电气部件。该整流器电路与车载换能器20电通信以将由车载换能器20输出的hvhfac信号转换为对电池14充电更有效的hvdc信号。如本文所使用的，hvhfac信号是由vfo电路24生成的高电压、高频交流电流(ac)的电信号，并且由于在外载换能器18和车载换能器20之间的磁耦合而输入到外载换能器18以及从车载换能器20输出。在示出的示例中，hvhfac信号的电压大于120vac且hvhfac信号的频率大于60赫兹(hz)。该频率可以在10khz至450khz的范围内。例如，该范围可以覆盖一般在10-70khz范围内的通常用于紧耦合谐振器的频率，以及一般在50-450khz范围内的通常用于松耦合谐振器的频率。同样如本文所使用的，hvdc信号是电压和电流不时变的高电压、直流(dc)的电信号。

控制器/转换器53的控制器部分包括中央处理单元(未示出)，其可以是微处理器、专用集成电路(asic)，或者可由离散逻辑和定时电路(未示出)来建立。为控制器部分编程的软件指令可以被存储在非易失性(nv)存储器设备(未示出)中。nv存储器设备可被包含在微处理器或asic中，或者它可以是单独的设备。可使用的nv存储器的类型的非限制性示例包括电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、掩模的只读存储器(rom)和闪存。该控制器部分也包括诸如控制器区域网(can)收发器之类的有线收发器(未示出)，以允许控制器部分与车辆40内的其他设备建立电通信。

如图2所示，充电系统12还包括设置在控制器/转换器53中的发射器(未示出)和设置在功率发射器16内的接收器(现在已示出)，该发射器和接收器建立从控制器/转换器53到功率发射器16的无线链路65。该发射器和接收器可以被配置为收发器，以便建立从功率发射器16到控制器/转换器53的返回无线链路66。

控制器部分测量电压、电流和功率。控制器/转换器53的控制器部分经由无线链路65将测得的电压、电流和功率数据传送给功率发射器16，使得功率发射器16可以进一步调节提供给外载换能器18的功率量以确保最佳充电系统功率效率。优选地，最佳充电系统功率效率大于85％。类似地，功率发射器16还可以经由返回无线链路66将所提供的功率数据无线传送到控制器/转换器53的控制器部分。本文先前描述的即时控制器/配置以及其他配置在题为“具有用于在其之间无线能量传送的能量耦合布置的充电系统(electricalchargingsystemhavingenergycouplingarrangementforwirelessenergytransmissiontherebetween)”的美国专利申请公布2013/0015812中被进一步描述，其全部内容通过引用并入本文。

现在参见图3，示出了vfo电路24的框图。vfo电路24包括压控振荡器(vco)71、放大器70、电压监测电路73、电流监测电路74以及相位检测电路72。vco71与放大器70的输入电通信。在外载换能器18和vco71之间提供反馈回路。反馈回路包括与相位检测电路72电通信的电压监测电路73和电流监测电路74。电压监测电路73测量输入到外载换能器18的电压，并且电流监测电路74测量输入到外载换能器18的电流。相位检测电路72被配置为测量在外载换能器18的输入处的电压和电流之间的相位差。相位检测电路72与控制提供给输出端67a的电流的频率的vco71电耦合。

相位检测电路72被配置为确定电压和电流是否在预定的相位差范围内。如果相位差不在期望的范围内，则相位检测电路72的电压输出变化，由此增大或减小vco71的频率，并由此增大或减小vfo电路24的频率，直到相位差落入所期望的范围内。输出电压和电流的监测在充电系统12的运行期间持续进行，且基于相位差根据需要进行频率调节。然后，功率发射器16调节提供给外载换能器18的功率的频率，以确保充电系统功率效率维持在期望的水平。在一个实施例中，优选的充电系统功率效率至少为85％。优选地，vfo电路24的工作频率范围为从约15khz至200khz。

现在参考图4，曲线图69示出了在功率发射器16的vfo电路24的输出67a、67b作为时间的函数的ac电流测量结果77和ac电压测量结果78的示例。ac电流测量结果77和ac电压测量结果78是异相一定量的正弦波，该量由本文通过附图标记79指示的角相位差或相位差φ来表示。对于在外载换能器18和车载换能器20之间的谐振的(即，松磁耦合的)能量传送，相位差优选地在约10度至约15度的范围内，且对于感应的(即，紧耦合的)能量传输，相位差约为0到2度以确保充电系统12的最佳充电系统功率效率。相位差考虑了部分容差、温度以及外载换能器18与车载换能器20的对准的影响。

因此，包括vfo电路24的充电系统12的设计确定电压和电流的波形是否在预定的相位差范围内，该范围确保传递到电池14的充电系统功率效率处于最佳水平。相位差由充电系统12分析，更具体地由vfo电路24中的控制器分析，从而维持充电系统功率效率的最佳水平。在分析输入到外载换能器18的电压和电流的波形之后，控制器输出可操作为调节vco71中的频率的电压，使得功率发射器16的到外载换能器18的输出信号维持所期望的充电系统功率效率。这也确保当外载换能器18与车载换能器20松耦合时，电压和电流的相位差维持在约15度，且当外载换能器18与车载换能器20紧耦合时，相位差维持在零(0)度。因此，充电系统12使用角相位差值来确定换能器18、20是松耦合还是紧耦合。

充电系统12还可以经由无线链路65使用来自控制器/转换器53的电压和电流数据，以将输入到外载换能器18的功率与由车载换能器20输出的功率进行比较。vfo电路24的频率还可以被调节为使系统功率效率最大化并且调节频率以维持所期望的角相位差，或者vfo电路24的频率还可以被调节为使系统功率效率最大化从而代替调节频率以维持所期望的角相位差。

应当注意到，角相位差的值被预先确定为在与预定频率范围相对应的值的预定范围内，该预定频率与本文前述的无线传输机制(即，紧耦合或松耦合)相关联。充电系统12可以被配置为通过在频率的宽范围(例如，从约15khz至200khz)内扫描vfo电路24的输出频率且接着随输出频率在范围内被扫描而测量系统功率效率和相位差来确定换能器18、20是紧耦合还是松耦合。基于系统效率和相位差的测量结果，充电系统12可能够确定换能器18、20是紧耦合还是松耦合，并且相应地设置工作频率范围和期望的相位差范围。

现在参考图5中，示出了替换的vfo电路225。与图3的vfo电路24中所示的那些元件类似的元件具有区别在于200的附图标记。与上述vfo电路24类似，vfo电路225采用压控振荡器(vco)271、放大器270、电压监测电路273、电流监测电路274以及相位检测电路272。相位检测电路272包括触发器电路287和控制器288。触发器电路287向控制器288提供多个计数，允许控制器288确定在输出299上提供的电压以控制vco271的频率。电阻281-284、289允许电信号被偏置在正确的电压电平。电流监测电路274被电连接到提供来自放大器270的输出的电流测量结果的感测线圈285。vco271与放大器270的输入电通信。电压信号由信号路径292、293承载，且由电压监测电路273接收。电流信号由信号路径290、291承载，且由电流监测电路274接收。触发器电路287接收来自电压监测电路273的输出296以及来自电流监测电路274的输出297。触发器电路287的输出298由控制器288接收。vco271接收来自控制器288的输出299。例如，如果零电脉冲从触发器被输出到控制器288，则不需要调节vco271的频率。如果由于电压监测电路273和电流监测电路274的反馈，触发器的输出的脉冲数大于零脉冲，则与所接收的反馈信号的量相关的对vfo的电压调节可能发生。

可替换地，vfo电路24的相位检测电路72可以包括嵌入式控制器。例如，这样的电路实现可以消除vfo电路24中的其它电气块/电气部件，简化了电路设计，提供了较低成本。再次参考图3，使用嵌入式控制器允许并入的功能，使得可能不需要电压监测电路7、电流监测电路74、相位检测电路72和vco71。类似地，再次参考图5，当使用嵌入式控制器时，可能不需要电压监测电路273、电流监测电路274、触发器电路287、控制器288和vco271。

现在回到图2，示出了还包括集成充电器60和转换开关57的增强型充电系统12a。集成充电器60和转换开关57设置在车辆40内且与功率发射器16、外载换能器18和车载换能器20配合以提供电流从而对电池14充电。控制器/转换器53、集成充电器60和转换开关57包括形成电信号整形设备45的电气部件。

辅助充电系统62(即，备用充电系统)也可以与设置在车辆40内的集成充电器60进行电通信，以当对无线充电系统12的访问不可用时提供电流来对电池14充电。辅助充电系统62有利地提供了对电池14充电的用以增加便利的替代模式。

转换开关57经由信号线55由控制器/转换器53的控制器部分可操作地控制，以在辅助充电系统62和无线充电系统12之间切换。输出52承载由车载换能器20产生的电信号，该电信号由控制器/转换器53的转换器部分接收。输出56承载来自控制器/转换器53的转换器的电信号，该电信号由转换开关57接收。输出58承载从转换开关57到电池14的电信号。诸如控制器区域网络(can)总线之类的通信数据总线54与控制器/转换器53的控制器部分通信，以接收车辆数据信息或将车辆数据信息传送到增强型充电系统12a，或者接收充电系统数据或将充电系统数据传送到设置在车辆40中的其他电气设备。

车辆40的车轮51a、51b、51c、51d被用于辅助车载换能器20与外载换能器18的对准。诸如轮止动器63之类的对准装置99可以进一步辅助外载换能器18与车载换能器20的这种对准。此外，对准装置64也可以辅助定位车辆40，使得外载换能器18和车载换能器20被正确地对准。需要对外载换能器18和车载换能器20进行对准以优化从外载换能器18到车载换能器20的能量传送。如图2所示，当车载换能器20的至少一部分覆盖外载换能器18时，可能发生外载换能器18和车载换能器20的对准，如图2最佳地所示。可替换地，当外载换能器18和车载换能器20被足够地间隔开，但允许在它们之间发生能量的无线传输，使得对车辆40的电池14充电时，可能发生外载换能器18和车载换能器20的对准

辅助充电系统62产生承载被集成充电器60接收的电信号的输出61，且这个集成充电器60产生承载被转换开关57接收的电信号的输出59。因此，已经呈现了稳健的充电系统12，其调节充电系统12的工作频率以提供最佳的充电系统功率效率。此外，该充电系统12可以被配置为跨在紧耦合或松耦合的外载换能器18与车载换能器20对之间的距离无线传送磁能。使用vfo电路24有效地管理电信号的频率，从而维持提供给外载换能器18的电压和电流之间的相位差，以提供最佳的充电系统功率效率。

充电系统由诸如电阻器、电容器、中继器等电气部件构成，这些部件通常在电气领域中可商业地被获取。vco71可以被购买作为在感兴趣的频率的通常可用的部分。相位检测电路272可以简易地由触发器电路287和控制器288构成。

充电系统12还可以确定外载换能器18和车载换能器20之间的系统功率效率，且进一步调节工作频率以提供最佳的充电系统功率效率。

尽管根据本发明的优选实施例已经描述了本发明，但是并不旨在限制于此，而是仅在随后的权利要求书所阐述的范围内为限。此外，术语第一、第二等的使用不表示任何的重要顺序，相反术语第一、第二等被用来将一个要素与另一要素区别开来。此外，术语一、一个等的使用不表示对量的限制，而是表示所引述项的至少一个的存在。