可互操作的ev无线充电系统的制作方法

可互操作的ev无线充电系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种方法包括：经由无线通信装置从能够无线充电的车辆接收车辆信息；基于所接收的车辆信息计算能够操作用于对所述车辆进行无线充电的无线充电系统的初级线圈与所述车辆的次级线圈之间的气隙；以及使电流仅流过所述初级线圈的部分，该部分具有小于或等于所述整个初级线圈的尺寸。基于计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙确定电流流过的所述初级线圈的所述部分的尺寸。
【专利说明】
可互操作的EV无线充电系统
技术领域
[0001] 本公开一般涉及无线充电电动车辆或混合动力电动车辆，并更具体地涉及可互操 作（interoperable)的电动车辆无线充电方法和系统。
【背景技术】
[0002] 最近，涉及电动车辆（EV)和混合动力电动车辆（HEV)的技术正在快速地发展。EV 和和HEV至少部分由电力驱动，并且这些车辆通常收集和存储电力，或换句话说，从脱离车 辆的源（〇ff-vehicle source)充电。如此，已经探索了对EV和HEV充电的各种方法。具 体地，用于无线充电或感应充电的技术已经是相当大的研究主题。
[0003] 与有线充电完全不同，无线充电通过限制部件的接触和暴露来改善充电部件的耐 用性和寿命，通过隐藏潜在危险的电线和连接接口来增大安全性，以及通过允许以各种方 式实施充电站来增强多功能性（例如，如便携式充电垫，嵌入在停车场或道路中等等）。为 此，无线充电依赖电磁场以在充电站（例如，无线充电组件）和电子设备（诸如智能手机、 便携式电脑或电动车辆）之间传递能量，如在目前情况下。通过无线充电组件和设备之间 形成的感应耦合发送能量。通常，无线充电组件中的感应线圈（例如，初级线圈）使用通常 从电力网提供的电力，以创建交变电磁场。然后，电子设备中的感应线圈（次级线圈）可从 所生成的电磁场接收功率，并将其转换回电流以对其电池充电。作为结果，初级线圈和次级 感应线圈组合以形成电力变压器，借此可通过电磁感应在两个线圈之间传递能量。
[0004] 特别地，安装在能够无线充电的车辆中的次级线圈有具有不同离地间隙量（即， 从次级线圈到地面的距离）的许多尺寸。因此，由于不同类型的次级线圈导致与某些充电 系统的不相容性，因此可出现困难。例如，随着次级线圈的离地间隙增大（例如，在具有相 对高底盘的车辆中），以及磁气隙（无线充电系统的初级线圈和车辆的次级线圈之间的垂 直距离）也增大，通过初级线圈发射的能量也必须增加，以便有效地对车辆充电。这是因为 初级线圈的半径（以及初级线圈的尺寸）直接与气隙成比例，其中可克服该气隙以便高效 执行磁谐振能量传递。因此，在较大磁气隙（magnetic air gap)的情况下（例如，在小货 车或具有高离地间隙的运动型多用途车辆（SUV)中），一些初级线圈可太小以至于不能将 必需能量发射到车辆。同时，较大的初级线圈可在较小磁气隙的情况下（例如，在具有低离 地间隙的运动型汽车中）发射非必需量的能量，从而导致能量浪费。

【发明内容】

[0005] 本公提供一种技术，用于标准主系统充电器与各种尺寸的次级线圈紧密地（即， 磁性）耦合。结果是，单个主充电系统可与具有不同离地间隙的车辆可互操作。换句话说， 本文所公开的无线充电（即，初级线圈）系统可允许充电系统以及具有各种磁气隙分类的 车辆之间的可互操作性。以这种方式，可降低源于无线充电器不相容性的麻烦。例如，可消 除其中无线充电停车场由气隙相容性特殊指定的情况。
[0006] 根据本公开的实施例，一种方法，包括以下步骤：经由无线通信装置从能够无线充 电的车辆接收车辆信息；基于所接收的车辆信息计算能够操作用于对所述车辆进行无线充 电的无线充电系统的初级线圈与所述车辆的次级线圈之间的气隙；以及使电流仅流过所述 初级线圈的部分，该部分具有小于或等于所述整个初级线圈的尺寸的尺寸。基于计算出的 所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙确定电流流过的所述初级线圈的所述部分的尺 寸。
[0007] 所述初级线圈的所述部分可以为所述初级线圈的多个预定义部分中的一个。
[0008] 所述初级线圈的所述多个预定义部分可以由多个开关元件控制电流是否流过所 述初级线圈的所述多个预定义部分的LC电路定义。
[0009] 所述方法还可以包括以下步骤：基于所述计算出的所述初级线圈和所述次级线圈 之间的气隙选择所述多个开关元件中的一个或多个；以及激活所选择的开关元件，以使电 流仅流过所述初级线圈的所述部分。
[0010] 所述方法还可以包括以下步骤：通过建立定义部分的尺寸来定义所述初级线圈的 所述多个预定义部分的部分。
[0011] 所述方法还可以包括以下步骤：基于一个或多个评估准则评估所述定义部分。
[0012] 所述方法还可以包括以下步骤：基于所述定义部分的评估来调整所述定义部分的 尺寸。
[0013] 所述初级线圈的每个预定义部分的尺寸可以不同于所述初级线圈的其他预定义 部分的尺寸。
[0014] 所述初级线圈的所述多个预定义部分可以为所述初级线圈的同心部分。
[0015] 所述方法还可以包括以下步骤：在所述车辆与所述无线充电系统对准的过程期 间，使电流流过在所述初级线圈的所述多个预定义部分当中选择的部分。
[0016] 所述初级线圈的形状可以为正方形状、矩形状、圆形状或椭圆状。
[0017] 所述初级线圈的线圈绕线图可以在整个所述初级线圈大致均匀分布。
[0018] 所述初级线圈的线圈绕线图可以大致遵循对数状分布图。
[0019] 所述计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙可以对应于所述初级线 圈和所述次级线圈之间的多个预定义气隙范围中的一个。
[0020] 所述方法还可以包括以下步骤：确定所述初级线圈和所述次级线圈之间的多个预 定义气隙范围中的哪个对应于所述计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙。
[0021] 所述初级线圈和所述次级线圈之间的所述多个预定义气隙范围至少可以包括第 一气隙范围以及大于所述第一气隙范围的第二气隙范围。
[0022] 所述初级线圈的所述部分可以为所述初级线圈的多个预定义部分中的一个，以及 所述计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙可以对应于所述初级线圈和所述 次级线圈之间的多个预定义气隙范围中的一个。
[0023] 所述方法还可以包括以下步骤：基于所述计算出的气隙对应的所述初级线圈和所 述次级线圈之间的所述预定义气隙范围，在所述初级线圈的所述多个预定义部分当中确定 所述初级线圈的所述部分。
[0024] 对于所述初级线圈和所述次级线圈之间的每个预定义气隙范围，可以存在对应的 所述初级线圈的预定义部分。
[0025] 所接收的车辆信息指示如下的一个或多个：所述次级线圈离地面的距离、所述车 辆的底盘部分离地面的距离，以及与所述车辆中的所述次级线圈的安装相关的细节。
[0026] 计算所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙的步骤还可以包括：基于所接收的 车辆信息确定所述次级线圈离地面的距离；确定所述初级线圈离地面的距离；以及基于所 述次级线圈离地面的距离和所述初级线圈离地面的距离之间的差来计算所述初级线圈和 所述次级线圈之间的气隙。
[0027] 流过所述初级线圈的所述部分的电流可以对所述车辆进行无线充电。
[0028] 另外，根据本发明的一实施例，一种无线充电系统包括：无线通信装置，其从能够 无线充电的车辆无线接收车辆信息；控制器，其基于所接收的车辆信息计算能够操作用于 对所述车辆进行无线充电的所述无线充电系统的初级线圈与所述车辆的所述次级线圈之 间的气隙；以及LC电路，其使电流仅流过所述初级线圈的部分，该部分具有小于或等于所 述整个初级线圈的尺寸的尺寸。基于计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙来 确定电流流过的所述初级线圈的所述部分的尺寸。
【附图说明】
[0029] 可通过参考结合随附附图的以下描述更好地理解本文的实施例，其中相同的附图 标记指示相同或功能上类似的元件，其中：
[0030] 图1示出结合无线充电系统的能够无线充电的车辆的示例示意性描述；
[0031] 图2示出磁气隙分类的示例示意性描述；
[0032] 图3示出无线充电系统和接收器的示例示意性描述；
[0033] 图4示出可互操作的电动车辆环形线圈的示例示意性描述；
[0034] 图5示出根据本公开的可适配、可互操作的LC电路的示例电路图；
[0035] 图6示出用于根据所述计算出的气隙控制LC电路的示例简化过程。
[0036] 应当理解的是，以上参考的附图不必按比例绘制，而是呈现说明本公开的基本原 理的各种优选特征的一定程度上的简化表示。将部分通过特定预期应用和使用环境确定本 公开的具体设计特征，包括例如具体尺寸、方向、位置和形状。
【具体实施方式】
[0037] 本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本 文所使用，单数形式"一只"、"一个"和"该"也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说 明。应当进一步理解的是，本说明书中所使用的术语"包括"和/或"包括有"指定所陈述的 特征、整体、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步 骤、操作、元素、部件和/或其集合的存在或附加。如本文所用，术语"和/或"包括关联的 列出项目中的一个或多个的任何与全部组合。术语"耦合"指示两个部件之间的物理关系， 借此部件直接连接到另一个或经由一个或多个中间部件间接地连接。
[0038] 应当理解的是，本文所使用的术语"车辆"或"车辆的"或其它相似术语一般包括 机动车辆，例如包括运动型多用途汽车（SUV)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商业车辆、包 括各种船只和船舶的水上车辆、飞行器，等等，并包括混合动力车辆、电动车辆、混合动力电 动车辆、氢动力车辆，以及其它代用燃料车辆（例如得自除石油之外的资源的燃料）。如本 文所参考，电动车辆（EV electric vehicle)为该车辆，其包括得自可充电能量存储设备 (例如，一个或多个可再充电的电化学电池或其他类型的电池）的电功率作为其运动能力。 EV不局限于汽车且可包括机动车、手推车、滑板车等等。此外，混合动力车辆为具有两种或 更多种功率源的车辆，例如基于汽油的功率和电功率两者（例如，混合动力电动车辆（HEV : hybrid electric vehicle))。
[0039] 无线充电、无线传递功率等等可指在不使用物理电导体的情况下传递与电场、磁 场、电磁场关联的任何形式的能量，或者从发射器将任何形式的能量传递到接收器（例如， 功率可被传递通过自由空间）。可通过第二（例如"次级"或"接收"）线圈接收或捕获从 第一（例如，"初级"）线圈到无线场（例如，磁场）的功率输出，以实现功率传递。
[0040] 此外，应理解的是，可通过至少一个控制器执行下面方法或其方面中的一个或多 个。术语"控制器"可指包括存储器和处理器的硬件设备。存储器经配置存储程序指令，并 且处理器经具体编程执行程序指令，以便执行下面所进一步描述的一个或多个过程。此外， 理解的是，可通过包括控制器的无线充电系统执行以下方面，如下面详细描述。
[0041] 现参考本公开的实施例，所公开的技术允许标准主系统充电器与各种尺寸的次级 线圈紧密地（即，磁性）耦合。结果是，单个主充电系统可与不同离地间隙的车辆可互操 作。换句话说，本文所公开的无线充电（即，初级线圈）系统可允许充电系统以及具有各种 磁气隙分类的车辆之间的可互操作性。可通过具有多个部分的初级线圈完成可操作的充电 系统，其中可独立地激活每个部分（即，电流通过其中）。多个初级线圈部分可为同心（或 同轴）部分，并且部分的尺寸可不同。也就是说，初级线圈的每个部分可具有唯一半径。以 这种方式，可激活一个或多个初级线圈部分，以使激活的初级线圈部分耦合到具有相同或 类似尺寸的次级线圈，从而允许高效的磁气隙传递，而不管不同的次级线圈尺寸和磁气隙。
[0042] 图1示出结合无线充电系统的能够无线充电的车辆的示例示意性描述。如图1所 示，车辆100可为EV、HEV等等，其能够进行无线充电。也就是说，感应线圈（例如，次级线 圈）可安装在车辆100中，借此线圈可操作用于接收从无线充电系统的感应线圈无线传输 的能量（例如，经由通过线圈之间的感应耦合生成的电磁场）。车辆100可与无线充电系统 110对准，如图1所示，以便从充电系统110无线接收能量（在上文描述了其过程）。
[0043] 无线充电系统110可实施使用电力的感应线圈（例如，初级线圈），以便创建电磁 场，并最终对附近的车辆1〇〇无线充电。无线充电系统110可连接到本地分布中心（local distribution center)(例如，电力网）或任何其他合适的能量源并从其接收电流。无线充 电系统110可位于任何合适的区域（例如，停车场、车库、道路中的停车处等等）中，并以任 何合适的方式实施，诸如便携式充电垫或嵌在地面中或在地面下。特别地，可定位和实施无 线充电系统110,以使可足够邻接无线充电系统110确定和/或停放车辆100,并且车辆可 无线接收从充电系统110传递的电力。
[0044] 作为示例，无线充电线系统110可被实施为连接到本地功率分布中心的便携式充 电垫（charging pad)，借此可经由充电垫驱动和/或停放车辆100。作为另一个示例，无线 充电系统100可嵌入在地面中（例如，部分在地下或全部在地下）并连接到本地功率分布 中心，借此可经由其中嵌入无线充电系统100的地面区域驱动和/或停放车辆100。在两 种情况下或任何其他合适的情况下，能够足够地邻近充电系统110来驱动和/或停放车辆 100,以使安装在车辆100中的次级（即，接收）线圈能够与充电系统110的初级线圈对准。
[0045] 在能量的无线传递期间，在充电系统110的主充电器和车辆100的次级线圈之间 存在垂直（即，上和下）方向上的空间量（大气空间），其被已知为磁气隙（可选地被称为 "气隙"或"Z间隙"）。关于这点，图2示出磁气隙分类的示例示意性描述。如图2中所示， 无线充电系统100的初级线圈200可感应地耦合到示例第一次级线圈202或示例第二次 级线圈204。可在诸如车辆100的能够无线充电的车辆中安装次级线圈202或204。代用 (surrogate)车辆的自然离地间隙和次级线圈安装细节将通常决定磁气隙。例如，运动型汽 车可具有低离地间隙，并因此具有小磁气隙，小货车或SUV可具有高离地间隙，并因此具有 大磁气隙，并且轿车可具有在运动型汽车和SUV之间的离地间隙，并因此具有中间磁气隙。
[0046] 举例说明，在图2中，在初级线圈200和第一次级线圈202之间示出了大气隙，而 在初级线圈200和第二次级线圈204之间示出了小气隙。由于从初级线圈200到第一初 级线圈202的距离大于从初级线圈200到第二初级线圈204的距离，因此初级线圈200中 的较大传输功率是有效地将能量传递到次级线圈202所必需的，且初级线圈200中的较小 传输功率是有效地将能量传递到次级线圈204所必需的。因此，如果使用传统的无线充电 系统，则在大气隙和小气隙的情况下，不同的充电组件是将能量分别无线传递到第一次级 线圈202和第二次级线圈204所必需的。然而，根据本公开的实施例，单个无线充电系统， 例如，充电系统110,可在多个分类的气隙范围内与任何次级线圈可互操作，诸如次级线圈 202和204,如下面进一步详细描述。
[0047] 图3示出无线充电系统和接收器的示例示意性描述。如图3所示，无线充电系统 11〇(例如，"充电器"）与无线接收器310(例如，"接收器"）无线通信并向其传递能量。特 别地，无线系统110可包括AC/DC前端112、LC谐振逆变器114、初级线圈116(例如，"Tx线 圈"）和无线通信装置118 (例如，"WiFi通信"）。无线接收器310可包括电子负载312、微 控制器314、次级线圈316 (例如，"Rx线圈"）和无线通信装置318 (例如，"WiFi通信"）。 特别地，图3中示出的无线充电系统110和接收器310的配置仅用于例证的目的，并且应不 被看作将其限制于所描述的配置。相反，可根据本权利要求的范围，以任何合适的方式配置 无线充电系统110和接收器310。
[0048] 在无线接收器310中，其可在例如车辆100的能够无线充电的车辆中实施，次级线 圈316(具有与磁气隙成比例的半径）可具有通过磁场引起的电压，其中磁场由流过初级线 圈116的电流生成。无线功率传递可发生在80kHz-90kHz之间。微控制器314可控制接收 器310的操作。出于本公开的目的，微控制器314可包括整流器，例如，用于将AC转换为DC 以便对电子负载312 (例如，电池）充电；和/或滤波器，例如，用于过滤所接收的电流。无 线通信装置318可将属于车辆的信息（例如，"车辆信息"）无线传输到无线通信装置118， 其中（例如，车辆100)安装无线接收器310,如下面进一步所描述。
[0049] 在无线充电系统110中，AC/DC前端112可从电源（例如，发电厂）接收电流，并 将电流从交流电（AC)转换为高电压直流电（DC)。作为示例，AC/DC前端112可将60Hz AC 转换为525V DC。可然后从AC/DC前端112将所转换的DC输出到LC谐振逆变器114。LC 谐振逆变器114的电路可被不同地配置并可实施例如LC (电感器-电容器）电路、电容器 (串联或并联）和桥接电路，如下面进一步详细描述。可选地，LC谐振逆变器114可包括合 适频率（例如，85kHz的SAE标准频率）下的驱动电子器件（例如，用于驱动电容器和初级 线圈）。
[0050] LC谐振逆变器114的操作可由接通一个高压侧开关（M0SFET)和邻近的低压侧开 关（MOSFET)的操作组成，以允许一个方向中的电流通过负载。负载可实施包括在环形线圈 中与导体串联的电容器（或并联的一堆电容器），该环形线圈充当电感器。为了实现AC电 流通过负载，可关断原有开关，同时接通相对的开关。作为结果，LC谐振逆变器114能够经 由LC电路实现磁谐振，其在图5中被示出并在下面详细描述。
[0051] 充电系统110可经由无线通信装置118和318与接收器310无线通信。具体地，无 线通信装置318可将属于车辆的信息（例如，"车辆信息"）无线传输到无线通信装置118， 其中（例如，车辆100)安装无线接收器310。在建立了无线通信装置118和318之间的无 线通信后，可（例如，在开始对车辆100充电之前）发生车辆信息从无线通信装置318到充 电系统110的无线通信装置118的传输。车辆信息可包括由充电系统110使用的信息，以 计算初级线圈116和次级线圈316之间的气隙。例如，车辆信息可指示次级线圈316离地 面的距离、车辆100的底盘部分离地面的距离以及/或者与车辆100中次级线圈316的安 装相关的细节。
[0052] 使用所接收的车辆信息，充电系统110可确定初级线圈116和次级线圈316之间 的磁气隙。可选地，磁气隙可为初级线圈116和车辆100的底盘之间的距离。可通过充电 系统110中的控制器（未示出）来执行气隙的确定。例如，如果所接收的车辆信息包括次 级线圈316离地面的距离的指示（例如，次级线圈316的Z轴坐标），则充电系统110可减 去其自己所测量的离地面的距离（例如，初级线圈116的Z轴坐标），以确定两个设备之间 的气隙（如果充电系统110在地下，则初级线圈116的Z轴坐标可为负数）。
[0053] 磁气隙测量可被划分为多个分类（例如，范围）。可如（下面）表1预定义气隙范 围，并且范围可包括至少第一范围以及大于第一范围的第二范围。例如，可根据如下表1定 义磁气隙分类：
[0054]
[0055]
[0056] 特别地，表1中所示的气隙分类仅用于例证的目的，并且不应被看作将其局限于 所描述的分类。相反，可根据本权利要求的范围，以任何合适的方式定义初级线圈116和次 级线圈316之间的气隙分类。
[0057] 为了使充电系统110经由初级线圈116和次级线圈316之间的气隙有效地对车辆 100充电，因此初级线圈116的尺寸必须足够用于经由气隙传递功率。问题是，传统初级线 圈通常对仅特定的气隙分类有效。例如，在较大磁气隙的情况下（例如，在小货车或具有高 离地间隙的SUV中），一些初级线圈可太小以至于不能将必需能量发射到车辆。相反地，较 大初级线圈可在较小磁气隙的情况下（例如，在具有低离地间隙的运动型汽车中）发射非 必需量的能量，从而导致能量浪费。因此，由于不同类型的次级线圈导致与某些充电系统的 不相容性，因此可出现困难。例如，随着次级线圈316的离地间隙增大，以及磁气隙相应地 增大，通过初级线圈116发射的能量也必须增加，以便有效地对车辆充电。这是因为初级线 圈116的半径（以及初级线圈116的尺寸）直接与气隙成比例，其中可克服该气隙以便高 效执行磁谐振能量传递。
[0058] 因此，根据本公开的实施例，可基于所述计算出的初级线圈116和次级线圈316之 间的气隙来激活（即，电流流过其中）初级线圈116的具体部分，以使通过流过初级线圈 116的激活部分的电流生成的电磁场（经由与次级线圈316的感应耦合）有效地将能量传 递到接收器310。所激活的初级线圈部分的尺寸确定激活部分中的线圈匝数，并且当载流电 容器的环形线圈增大其匝数时，其将自然地将更多的电感引入到电路。因此，充电系统110 可使电流仅流过初级线圈116的部分，借此基于所述计算出的初级线圈116和次级线圈316 之间的气隙来确定电流流过的初级线圈116的部分的尺寸。以这种方式，从初级线圈116传 递的功率可与车辆100的次级线圈316相当，并且特别地，与初级线圈116和次级线圈316 之间的气隙相当。
[0059] 特别地，初级线圈116的激活部分（即，电流流过的部分）的半径可直接与所计算 出的气隙量成比例。关于这点，图4示出可互操作的电动车辆环形线圈的示例示意性描述。 如图4中所示，初级线圈116包括多个预定义部分，基于气隙允许初级线圈116紧密地耦合 到次级线圈316,从而实现有效的磁气隙传递。每个预定义部分具有唯一的尺寸/半径和唯 一的线圈匝数。例如，初级线圈116的第一部分具有半径"线圈半径1"，初级线圈116的第 二部分具有半径"线圈半径2"，且初级线圈116的第三部分具有半径"线圈半径3"。
[0060] 初级线圈116的某些预定义部分包括其他（即，较小）初级线圈部分。作为说明， 初级线圈116的第二部分包括初级线圈116的第一部分，且初级线圈116的第三部分包括 初级线圈116的第一和第二部分。正因为如此，通过单独激活线圈半径1实现初级线圈116 的第一部分；通过接通线圈半径1和2实现初级线圈116的第二部分；以及通过接通线圈半 径1、2和3实现初级线圈116的第三部分。特别地，图4中所示的初级线圈116的配置仅 用于例证的目的，并且不应被看作将其局限于所描述的配置。相反，可以用任何合适的方式 定义初级线圈116的部分（例如，通过选择尺寸/半径或给定部分的线圈匝数）。初级线圈 116的预定义部分可为同心的同轴的，如图4所示，或者可以用任何合适的方式配置。
[0061] 可选地，初级线圈116的形状可为正方形状、矩形状、圆形状或椭圆状。进一步地， 初级线圈的线圈绕线图可为大致在整个初级线圈均匀分布或者可大致可遵循对数状分布 图。更进一步地，可基于一个或多个评估准则评估任何初级线圈部分，诸如，例如总体效率、 充电率等等。可在反复试验的基础上执行评估。更进一步地，在车辆100与充电系统110 对准的过程期间，无线充电线系统110可使电流流过初级线圈116的一个或多个部分。以 这种方式，可触发各种线圈半径激活以发射电磁场，以便指示线圈116的中心，从而帮助车 辆对准过程。
[0062] 对于初级线圈116和第二线圈316之间的每个预定义气隙范围，可存在相应的初 级线圈116的预定义部分。因此，可基于对应于所计算出的气隙（例如，初级线圈116和次 级线圈316之间的距离）的预定义气隙范围来确定电流将流过的初级线圈116的部分。例 如，可为"小"气隙激活初级线圈116的第一部分（例如，线圈半径1)、可为"中间"气隙激 活初级线圈116的第二部分（例如，线圈半径1和2)，以及可为"大"气隙激活初级线圈116 的第三部分（例如，线圈半径1、2和3)。以这种方式，可在较小气隙的情况下生成较小磁 场，并且相反地，可在较大气隙的情况下生成较大磁场，而不管使用仅单个初级线圈。也就 是说，初级线圈116可与任何类型的次级线圈可互操作。
[0063] 由于无线充电线系统110中的LC电路，电流可仅流过初级线圈116的特定部分。 如以上所说明，LC谐振逆变器114可实施LC电流（例如，储能电路或谐振电路），其由彼此 互连的多个电感器和多个电容器组成。LC电路可存储在其谐振频率下振荡的电能。具体 地，电容器可使用它们各自的本地电场（即，在其板极之间）存储能量，且电感器可在它们 创建的磁场中存储能量，这取决于其中流动的电流。
[0064] 在LC电路中，当带电电容器跨越电感器连接时，电荷将开始流过电感器，从而围 绕电感器生成磁场并降低电容器上的电压。在一段时间后，电容器上的所有电荷被移除，且 穿过它的电压到达零。然而，由于电感器抵抗电流变化，因此电流可继续。也就是说，从所 创建的磁场提取维持电流流动的能量。当围绕电感器的磁场已经消失时，电流将停止且将 仅以如前的相反极性在电容器中再次存储电荷。作为结果，电流开始以相反方向流过LC电 路。
[0065] 最终，电荷在电容器的极板之间来回流动并通过电感器，并且能量来回振荡，直到 内电阻使振荡消失（使附加功率从外部源缺失）。当感应电阻和电容电阻在数量级上相等 时，发生谐振效应。其中实现（给定电路的）该相等的频率为谐振频率。LC电路具有通过 (下面）公式1和2中定义的值的关系确定的自然电谐振频率。可根据如下公式1计算LC 电路的角谐振频率：
[0067] 可根据如下公式2以Hz计算LC电路的角谐振频率：
[0068] w0= 2 Jr f。…[公式 2]。
[0069] 图5示出根据本公开的可适配、可互操作的LC电路的示例电路图。如图5所示，谐 振LC电路500可适应多个可能的气隙分类（例如，小、中间、大等等），其可根据与充电系统 110接合的特定车辆改变。为了维持一致的谐振频率，LC电路500可经配置包括多个电容 器（例如，Cl、C2、C3等等），其（直接或间接）连接到多个电感器（例如，Ll、L2、L3)。LC 电路500中的电感器可对应于初级线圈116的预定义部分，如图4中所示。特别地，如图5 所示，电感器L1可对应于前述初级线圈116的第一部分（例如，线圈半径1)，电感器L2可 对应于前述初级线圈116的第二部分（例如，线圈半径2)，以及电感器L3可对应于前述初 级线圈116的第三部分（例如，线圈半径3)。特别地，图5中所示的LC电路500的配置仅 用于论证的目的，并且不应被看作将其限制到所描述的配置。相反，可根据本公开的权利要 求的范围，以任何合适的方式配置LC电路500。
[0070] 电流可沿着通过多个开关元件（例如，SWC1、SWC2、SWC3、SWL1、SWL2、SWL3、SWL12 等等）定义的路径流过LC电路500。由于更多的电感被自然地引入到LC电路500,因此当 载流电容器的（环形线圈中的）匝数增加时，必须将电容添加到电路以维持一致的谐振频 率。因此，当（例如，通过添加更多并联的电容器）添加电容以及（例如，通过将更多的圈 数添加到电感器）添加电感时，可通过操纵电路500中的开关元件来维持电容和电感的一 致比率。
[0071] 可基于接通或关断的开关元件的特定配置来确定LC电路500中的电流路径。也就 是说，电流路径可基于处于接通或关断状态中的LC电路500中的任何一个开关元件改变。 可根据所计算出的初级线圈116和次级线圈316之间的气隙来操纵（即，接通或关断）开 关元件（例如，通过充电系统110中的控制器）。以这种方式，电流可流过LC电路500,并 具体地，以与所计算出的磁气隙相当的方式流过电感器LI、L2和/或L3。
[0072] 例如，如图5所示，在小气隙的情况下，可操纵LC电路500中的开关元件，以使电 流仅流过电容器C1和电感器L1。作为结果，电流可仅流过前述初级线圈116的第一部分 (即，线圈半径1)。进一步地，如图5所示，在中间气隙的情况下，可操纵LC电路500中的 开关元件，以使电流仅流过电容器C1和C2以及电感器L1和L2。作为结果，电流可仅流过 前述初级线圈116的第二部分（即，线圈半径1和2)。进一步地，如图5所示，在大气隙的 情况下，可操纵LC电路500中的开关元件，以使电流仅流过电容器C1、C2和C3以及电感器 L1、L2和L3。作为结果，电流可仅流过前述初级线圈116的第三部分（即，线圈半径1、2和 3) 〇
[0073] 图6示出用于根据所计算出的气隙控制LC电路的示例简化过程。过程600可在 步骤605处开始，并前进到步骤610,其中如以上更详细描述，可操纵LC电路500中的开关 元件，以便激活适当的线圈半径（即，部分）和电路电容。
[0074] 在步骤605处，可确定次级线圈高度（例如，从地面到次级线圈316的距离）。可 基于被无线传输到充电系统110的车辆信息来确定次级线圈高度。具体地，可从车辆100 中的无线通信装置318传输车辆信息，并在无线充电系统110中的无线通信装置118处接 收车辆信息。例如，车辆信息可指示次级线圈316离地面的距离、车辆100的底盘部分离地 面的距离，以及/或者与车辆100中的次级线圈316的安装相关的细节。
[0075] 在步骤610处，可基于所接收的车辆信息并具体地基于所确定的次级线圈高度 (例如，通过充电系统110中的控制器）计算初级线圈116和次级线圈316之间的气隙（例 如，"无线传递Z间隙"）。如果初级线圈116位于与地面相平的位置处，则气隙可等于次级 线圈316(离地）的高度。但是如果初级线圈116不位于与地面相平的位置处（即，初级线 圈116 (离地）的高度不为零），则可通过从次级线圈高度减去初级线圈高度来计算气隙。 从车辆100无线提供到充电系统110的其他信息可用于确定磁气隙以及气隙分类，诸如车 辆100的底盘部分离地面的距离以及/或者与车辆100中的次级线圈316的安装相关的细
[0076] 在计算了初级线圈116和次级线圈316之间的气隙之后，可使用基于逻辑的过程 来确定操纵LC电路500中的开关元件的方式，诸如图6中所示。然而，步骤615到635中 过程的布置仅用于论证的目的，并且不应被看作将其限制到所描述的布置。也就是说，可执 行用于确定LC电路500中的开关元件状态的任何过程，以便基于所计算出的气隙来激活初 级线圈116的适当部分。
[0077] 出于图6的目的，应假设已经定义了三个气隙分类（例如，小、中间和大）以及三 个相应的初级线圈部分（例如，线圈半径1、2和3)。每个气隙分类可与具有上限和下限的 气隙范围关联，诸如表1中所描述的。因此，在步骤615处，可确定所计算出的初级线圈116 和次级线圈316之间的气隙（例如，"无线传递Z间隙"）是否小于（或等于）小气隙分类 的上限。话句话说，可确定所计算出的气隙是否对应于小气隙分类。如果是，则过程600可 前进到步骤620,其中可闭合开关元件SWC1、SWL1和SWL12 (剩余开关元件为断开的）。因 此，电流可流过电容器Cl和电感器L1 (例如，初级线圈116的线圈半径1)。相反地，电流将 不流过电容器C2和C3以及电感器L2和L3。
[0078] 如果所计算出的初级线圈116和次级线圈316之间的气隙不小于（或等于）小气 隙分类的上限（即，所计算出的气隙不对应于小气隙分类），则过程600可前进到步骤625。 在那里，可确定所计算出的气隙是否小于（或等于）中间气隙分类的上限。换句话说，可确 定所计算出的气隙是否对应于中间气隙分类。如果是，则过程600可前进到步骤630,其中 其中可闭合开关元件SWC2、SWL2和SWL12(剩余开关元件为断开的）。另外，还可闭合开关 元件SWC1，以使电流流过电容器C1和C2,以便维持电容和电感的一致比率（由于电流将流 过电感器L1和L2)。因此，电流可流过电容器C1和C2以及电感器L1和L2(例如，初级线 圈116的线圈半径1和2)。相反地，电流将不流过电容器C3和电感器L3。
[0079] 如果所计算出的初级线圈116和次级线圈316之间的气隙不小于（或等于）中间 气隙分类的上限（即，所计算出的气隙不对应于小气隙分类或中间气隙分类），则过程600 可前进到步骤635。在这种情况下，可确定所计算出的气隙大于中间气隙的上限，并因此对 应于大气隙分类。因此，在步骤635中，可闭合开关元件SWC3、SWL2和SWL3(剩余开关元件 为断开的）。另外，还可闭合开关元件SWC1和SWC2,以使电流流过电容器C1、C2和C3,以便 维持电容和电感的一致比率（由于电流将流过电感器Ll、L2和L3)。因此，电流可流过电 容器Cl、C2和C3以及电感器Ll、L2和L3(例如，初级线圈116的线圈半径1、2和3)。在 这种情况下，电流将流过整个初级线圈116。
[0080] 作为说明，过程600在步骤620、630或635处结束，这取决于所计算出的气隙。以 上详细描述了可执行过程600的步骤的技术、以及辅助过程和参数。
[0081] 应注意的是，图6中所示的步骤仅为用于说明的示例，并且可根据需要包括或排 除某些其他步骤。进一步地，尽管示出了步骤的特定顺序，该顺序仅为说明性的，并且可在 不脱离本文实施例的范围的情况下使用任何合适的步骤布置。更进一步地，可根据本权利 要求的范围以任何合适的方式修改所示出的步骤。
[0082] 因此，本文描述了为单个主充电系统提供的技术，该单个主充电系统可与不同离 地间隙的车辆可互操作。本文所描述的无线充电线系统可允许充电系统和各种磁气隙分类 的车辆之间的可互操作性。以这种方式，可降低源于无线充电器不相容性的麻烦。此外，由 于唯一添加到传统无线充电系统的成本为固态开关和分布式电容器值，因此所公开的技术 实施低成本系统。
[0083] 尽管已经示例并描述了为可互操作电动车辆无线充电方法和系统的说明性实施 例，应理解的是，可在本文实施例的精神和范围内作出各种其他改编和修改。例如，本文中 已经关于特定配置、过程等等主要示出并描述了实施例，包括例如LC电路配置、初级线圈 配置、无线充电器和接收器配置、用于计算磁气隙的过程、磁气隙分类等等。然而，在它们的 广泛意义上，实施例并不局限于此。相反，可根据本权利要求的范围以任何合适的方式修改 实施例。
[0084] 上述描述已经针对本公开的实施例。然而，将显而易见的是，可对所描述的实施例 作出其他变型和修改，其中实现它们的优点中的一些或全部。因此，该描述仅为示例的方式 并且不以其他方式限制本文实施例的范围。因此，随附权利要求的目的在于覆盖落入本文 实施例的真实精神和范围内的所有该类变型和修改。
【主权项】
1. 一种方法，包括以下步骤： 经由无线通信装置从能够无线充电的车辆接收车辆信息； 基于所接收的车辆信息计算能够操作用于对所述车辆进行无线充电的无线充电系统 的初级线圈与所述车辆的次级线圈之间的气隙；以及 使电流仅流过所述初级线圈的部分，该部分具有小于或等于所述整个初级线圈的尺寸 的尺寸； 其中基于计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙确定电流流过的所述初 级线圈的所述部分的尺寸。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述初级线圈的所述部分为所述初级线圈的多个 预定义部分中的一个。3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述初级线圈的所述多个预定义部分由其中多个 开关元件控制电流是否流过所述初级线圈的所述多个预定义部分的LC电路定义。4. 根据权利要求3所述的方法，还包括以下步骤： 基于所述计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙选择所述多个开关元件 中的一个或多个；以及 激活所选择的开关元件，以使电流仅流过所述初级线圈的所述部分。5. 根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤： 通过建立定义部分的尺寸来定义所述初级线圈的所述多个预定义部分的部分。6. 根据权利要求5所述的方法，还包括以下步骤： 基于一个或多个评估准则评估所述定义部分。7. 根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤： 基于所述定义部分的评估来调整所述定义部分的尺寸。8. 根据权利要求2所述的方法，其中所述初级线圈的每个预定义部分的尺寸不同于所 述初级线圈的其他预定义部分的尺寸。9. 根据权利要求2所述的方法，其中所述初级线圈的所述多个预定义部分为所述初级 线圈的同心部分。10. 根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤： 在所述车辆与所述无线充电系统对准的过程期间，使电流流过在所述初级线圈的所述 多个预定义部分当中选择的部分。11. 根据权利要求1所述的方法，其中所述初级线圈的形状为正方形状、矩形状、圆形 状或椭圆状。12. 根据权利要求1所述的方法，其中所述初级线圈的线圈绕线图在整个所述初级线 圈大致均匀分布。13. 根据权利要求1所述的方法，其中所述初级线圈的线圈绕线图大致遵循对数状分 布图。14. 根据权利要求1所述的方法，其中所述计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之 间的气隙对应于所述初级线圈和所述次级线圈之间的多个预定义气隙范围中的一个。15. 根据权利要求14所述的方法，还包括以下步骤： 确定所述初级线圈和所述次级线圈之间的多个预定义气隙范围中的哪个对应于所述 计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙。16. 根据权利要求14所述的方法，其中所述初级线圈和所述次级线圈之间的所述多个 预定义气隙范围至少包括第一气隙范围以及大于所述第一气隙范围的第二气隙范围。17. 根据权利要求1所述的方法，其中： 所述初级线圈的所述部分为所述初级线圈的多个预定义部分中的一个，以及 所述计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙对应于所述初级线圈和所述 次级线圈之间的多个预定义气隙范围中的一个。18. 根据权利要求17所述的方法，还包括以下步骤： 基于所述计算出的气隙对应的所述初级线圈和所述次级线圈之间的所述预定义气隙 范围，在所述初级线圈的所述多个预定义部分当中确定所述初级线圈的所述部分。19. 根据权利要求17所述的方法，其中对于所述初级线圈和所述次级线圈之间的每个 预定义气隙范围，存在对应的所述初级线圈的预定义部分。20. 根据权利要求1所述的方法，其中所接收的车辆信息指示如下的一个或多个：所述 次级线圈离地面的距离、所述车辆的底盘部分离地面的距离、以及与所述车辆中的所述次 级线圈的安装相关的细节。21. 根据权利要求1所述的方法，其中计算所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙 的步骤还包括： 基于所接收的车辆信息确定所述次级线圈离地面的距离； 确定所述初级线圈离地面的距离；以及 基于所述次级线圈离地面的距离和所述初级线圈离地面的距离之间的差来计算所述 初级线圈和所述次级线圈之间的气隙。22. 根据权利要求1所述的方法，其中流过所述初级线圈的所述部分的电流对所述车 辆进行无线充电。23. -种无线充电系统，其包括： 无线通信装置，其从能够无线充电的车辆无线接收车辆信息； 控制器，其基于所接收的车辆信息计算能够操作用于对所述车辆进行无线充电的所述 无线充电系统的初级线圈与所述车辆的所述次级线圈之间的气隙；以及 LC电路，其使电流仅流过所述初级线圈的部分，该部分具有小于或等于所述整个初级 线圈的尺寸的尺寸， 其中基于计算出的所述初级线圈和所述次级线圈之间的气隙来确定电流流过的所述 初级线圈的所述部分的尺寸。
【文档编号】H02J50/12GK105958555SQ201510337181
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2015年6月17日
【发明人】A·刘易斯
【申请人】现代自动车美国技术研究所, 现代自动车株式会社, 起亚自动车株式会社