一种自动定位无线电力传输系统及方法与流程

本发明涉及充电系统、对电动汽车进行无线充电以及以无线方式从多种电力贮存设备获取电力，具体涉及一种自动定位无线电力传输系统及方法

背景技术：

无线充电器在该技术领域为人所熟知。然而，无线充电需要将两个线圈(一个在传送端，一个在接收端)进行对准。例如，在对电动汽车进行无线充电时，始终需要以新的方式将两个线圈对准，以改善充电效率。常见的将两个线圈对准的方式包括在地面内或地面以上安装固定式收发器，然后把汽车开到收发器的上方。尽管固定式收发器具有很多优秀的性能，却也存在一些劣势。例如，线圈尺寸必须做到很大，才能对对准不良进行容差，而且两个线圈之间的距离也很远。大尺寸线圈和线圈之间的较远距离降低了充电效率，并增加了电磁辐射的强度。之前曾有人尝试过减少对准不良情况的发生。美国专利5,498,948号，以全部引用的方式结合在文本中，使用装在固定传输器上的可调式机械臂对两个线圈的对准进行控制。该方法技术复杂，灵活性不高。美国专利5,617,003A号，以全部引用的方式结合在文本中，使用具有类似概念的可移动式机械臂对传输线圈的位置进行调整。美国专利5,654,621A号，以全部引用的方式结合在文本中，使用埋藏在地下的固定式机械臂将线圈对准。美国专利申请公开20140132207号，以全部引用的方式结合在文本中，对对准不良情况进行检测并调整车辆的位置以将线圈对准。这些解决方案都有复杂、缺乏灵活性的问题。因此，对可以自动调整耦合线圈位置，对电动车辆进行无线充电的更优秀的设备及方法的需求是可观的。

此处所有引用的专利、申请及文献均以全部引用的方式结合在文本中。此外，如果此处所引用引文中的定义或者术语使用与本文中所提供的术语定义不一致或相反，则本文中所提供的定义被视为有效，引文中的术语定义被视为无效。实施例可能会力求满足所述意愿中的一个或者多个。尽管当前的实施例可能避免所述意愿中的一个或者多个，需要理解的是实施例的某些方面并不一定必须避免这些意愿。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供与可以自主调整位置的无线电力传输系统进行双向无线电力传输的设备及方法。该电力传输系统备有一个被配置为可以自主、自由地移动并改变移动方向的移动式机壳。在一个实施例中，移动式机壳上装有一个第一收发器，被配置为可以进行无线电力传送，或者可以进行无线电力接收，或者既可无线传送也可无线接收。在另一个实施例中，有一个与移动式机壳进行连接的基站，第一收发器安装在移动式机壳上。

在当前发明中的一个实施例中，可以预见到的电力传输系统也可能包括至少一个传感器，用于检测需要传送电力的目标上第二收发器的位置或形状，以及一个用于导出检测到的位置数据的逻辑电路。该电力传输系统可以包括至少一个连接式追踪器，被配置为可以连接至目标的第二收发器较近的位置，传感器对连接式追踪器进行感知，以检测第二收发器的位置。

可以进一步预见到电力传输系统可能包括一个通信模块，被配置为可以识别目标的制造商规格，并将收发器的位置数据、状态、指令等进行导出。电力传输系统也可能与通信网络进行连接，比如互联网。随后无线传输系统即可水平移动第一收发器(通过移动式机壳的运动)、水平抬升第一收发器、斜转第一收发器、或者执行这三种动作/功能的任意组合，以根据检测到的位置数据对自身位置进行调整。

在这一实施例的另一个方面，电力传输系统自动将第一收发器与需要电力的目标上的第二收发器进行对准。电力传输系统可以自主地将第一收发器向第二收发器进行移动或者自主地将第二收发器向第一收发器进行移动。随后无线传输系统即可水平移动第二收发器、水平抬升第二收发器、斜转第二收发器、或者执行这三种动作/功能的任意组合，以根据检测到的第一收发器的位置数据对自身位置进行调整。也可以预见到电力传输系统在电力传送完成后，自动地使第一收发器或第二收发器远离目标进行移动。

在一个替代实施例中，可以预见到第一收发器被配置为通过检测并计算出第二收发器线圈中心的位置，或者检测至少两个事先连接在第二收发器附近的可拆卸式追踪器的位置，与第二收发器进行对准。可以进一步预见到，电力传输系统可以将耦合距离缩短至15cm之内。在另一个实施例中，电力传输系统可以将耦合距离缩短至20cm之内。在另一个实施例中，电力传输系统可以将耦合距离缩短至10cm之内。在一个进一步的实施例中，电力传输系统可以将耦合距离缩短至5cm之内。

在另一个实施例中，可以预见到移动式机壳可以通过可从任意一端或两端进行收回的电缆与基站进行连接，或者移动式机壳在第一收发器与第二收发器之间进行电力传输的过程中，移动式机壳不与基站进行连接。在一些移动式机壳不与基站进行实体连接的实施例中，移动式机壳可以以无线方式通过基站进行充电，可以安装一个内部电力贮存单元，用于在移动式机壳自由运动且不与基站进行实体连接的情况下贮存电力。在其他实施例中，移动式机壳不通过电缆与基站进行连接，可以停靠在基站内，基站可对移动式机壳进行充电。在可以预见到的多个其他实施例中，电力传输系统也可被用于与地面载具、水面船只、飞行器、固定式机器、移动式机器、机器人、甚至太阳能电池板上安装的第二收发器之间进行双向电力传输。

在此处展示的大多数实施例中，可以预见到的系统备有一个享有一定自由度、可围绕汽车移动的移动式机壳，汽车驾驶员无需将汽车停放在指定空间内。使用机械臂的已有技术无线充电垫需要将汽车停在具体空间内，以使汽车的收发器可以在机械臂的所及范围之内。建造可以横跨整个停车场的较长机械臂是不可行的。此外，在车库内或停车场内安装机械臂的成本较为高昂。

当前实施例的大量目标、特征、方面和优势将在下文实施例详细描述中，以及随付的图纸中体现得更加明显，在图纸中，相似数值代表相似元件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为已有技术的无线充电系统的侧面视图；

图2为电力传输系统的一个实施例与一辆汽车前端的侧面视图‘

图3为移动式机壳的一个实施例的侧面视图；

图4是图3中移动式机壳的另一张侧面视图；

图5是图4中移动式机壳的另一个视图；

图6是移动式机壳的一个实施例的侧面视图；

图7展示了可以预见到的移动式机壳的一种设计；

图8是电力传输系统的一个实施例的图形表示；

图9展示了电力传输系统的一个实施例；

图10是移动式机壳的一个实施例的侧面视图；

图11展示了埋藏在车辆底部的收发器，以及四个可拆卸式追踪器的位置。

具体实施方式

需要注意的是，图纸可能采用了简化的格式，比例并不一定完全精确。关于本文所涉及的发明，仅出于方便与便于澄清的目的，顶部、底部、左侧、右侧、上、下、越过、之上、之下、之内、之后、之前、远端、近端等方向术语均相对于随附图纸使用。这些方向术语不能被解释为以任何方式限制了实施例的范围。

图1在一般意义上描述了一种已有技术的充电系统20，其中包含收第一发器的充电垫21是固定的，不可移动，通过电缆22与电源进行耦合。一辆需要充电的汽车1停放在可以使埋藏的第二收发器10与充电系统20进行对准的位置。第二收发器10不相对于装有收发器的汽车1进行移动。与此类似，充电垫21不相对于埋藏了充电垫21的地面进行移动。两个收发器之间的耦合系统需要有较大的尺寸，方可对一定程度的对准不良进行容差。两个收发器之间的距离需要保持在20cm以上，即车辆底部距离地面的通常距离。

现在请看图2-5，类似组件以相似参考数值进行识别，图2展示了一个无线电力传输系统100的实施例，图示中包括一个第一收发器110，以及一个将移动式机壳105与基站180进行实体耦合的电缆120。基站180可以安装在车库的墙壁上，也可以安装在停车场的墙上或柱子上。基站180也可以安装在多种结构或位置上，以协助使停靠车辆1可以更加便捷地接近。可以预见到的基站180被配置为可以向移动式机壳105传送电力或者从移动式机壳105接收电力，基站与类似于电网307(参见图8-9)的电源进行耦合。

正如下文中所探讨的，电力传输系统100可以只是一个给车辆1进行充电的充电器，也可是一个从电源处获取电力的贮存器(例如太阳能电池板304，一辆从太阳能电池板获取电力或者之前接受过充电的，贮存了电力的汽车)，或者既做充电器也做贮存器。正如下文中所探讨的及其他图片中所示的，移动式机壳105也可以不与充电站/基站180进行实体连接。

如图3、图4与图5所示，移动式机壳105的一个实施例中安装了轮子130以使其可以在第二收发器10附近的位置自由移动，第二收发器10可以埋藏在汽车1下方。可以安装一个、两个或一组轮子130。

移动式机壳105被配置为可以改变自身运动方向，以在汽车1的周围位置进行自动自主的移动。第一收发器110也可以在多个方向上自主地进行运动，以与第二收发器10进行对准。在一些实施例中，只要有方法可以使移动式机壳105与第一收发器110在多个方向上进行移动，以与第二收发器10进行对准，就没有必要使用轮子130，因此并未提供。例如，移动式机壳可以使用机械腿进行移动。

如图3-5所示，电力传输系统100可以通过一根可伸缩机械臂132，根据需要使第一收发器110垂直升高并使第一收发器110以一定角度斜转，将第一收发器110移动到距离第二收发器的完美距离。第一收发器110有一个传输矢量V，该矢量的方向垂直于第一收发器所在的平面。第一收发器110被配置为可以相对于移动式机壳进行斜转，并导致所述矢量V的角度在0度(如图4所示)与90度(如图10所示)之间进行斜转。

尽管所述实施例公开了使用可伸缩式机械臂132将第一收发器110抬高或使其斜转，也可能使用其他结构机理将第一收发器110抬高或使其斜转，以使其相对于埋藏式第二收发器10的位置正确地移动或调整自身位置。在某些实施例中，第二收发器10也可以向第一收发器110进行移动，以进一步缩短距离，实现更佳的对准。例如，第一收发器110或者第二收发器10均可以通过四根垂直柱(图中未显示)进行支撑，每根垂直柱均可独立上下移动，以使第一收发器110或第二收发器10进行移动或斜转。

图6展示了公开中的电力传输系统100的一个实施例的更为详细的视图，该系统将第一收发器110与埋藏在汽车1内的第二收发器10进行对准。第一收发器110装有一条可伸缩式机械臂132，用于抬升并斜转第一收发器110，以使其与第二收发器10进行对准。移动式机壳105也可以包括一个通信模块101，一组轮子130，以及至少一个传感器112，用于检测位于第二收发器10附近的至少一个可拆卸式追踪器12的位置。

图6中的汽车1展示了第二收发器10的多种可能位置，通过斜转功能或者可伸缩式机械臂的功能，可以预见到的第一收发器110均可以移动到这些位置。可以预见到的第二收发器10位置包括汽车1的顶部、侧面以及底部。可以具体预见到的是，此处公开的电力传输系统100可以到达第二收发器10的任意所述位置。可伸缩式机械臂132的长度足够使用。

可预见到的通信模块101可以识别目标的制造商规格，逻辑电路被配置为可以通过制造商规格与目标其他结构部件之间的差异，导出检测到的位置数据。例如，制造商规格可能表示第二收发器10的位置相对于四个轮子保持了特定的距离，以使可预见的电力传输系统可以通过首先监测汽车四个轮子的实体位置，来确定第二收发器10的精确位置。

第一收发器110可以以感应方式从第二收发器10传输(传送或接收)电力。第一收发器和第二收发器可以是耦合线圈，或者被本行业的技术人员视为可以通过感应传送电力的任何其他设备。

可预见的移动式机壳可能有一个控制模块102，该模块装有一个逻辑电路。控制模块102可以检测并发送指令，以通过移动并斜转第一收发器110发起自动对准。

可以具体预见到的是，第一收发器110可以进行充电(传送电力)并获取电力(接收电力)。控制模块102可以自动在传送模式与接收模式之间做出决定，传送模式用于向汽车1传送电力，接收模式用于从汽车1接收电力(例如通过汽车太阳能电池板收集的电力)。

传感器112可以为红外线式、超声波式、激光式，射频式或摄像头式，或任何已知或尚未被了解的传感器类型，以对工作区域内移动的目标或者追踪器12进行检测。通过传感器112收集到的数据被传输至通信模块101。

通信模块101与一个逻辑电路连接，逻辑电路对收集到的数据进行处理，以决定是否已经正确进行了对准。

可以预见到的通信模块101也可以与汽车1内的处理器或计算机进行通信，以直接从汽车接收指令。例如，汽车1可能向通信模块101发出无需进行充电的信号。在另一个示例中，汽车1可以向通信模块101发送位置数据，具体定义汽车上第二收发器10的位置。一旦汽车1确认了可以接受充电或者放电，传感器112对追踪器12、第二收发器10的位置及朝向或者附近地形模式及障碍(图中未显示)进行扫描，并在记录下最优路线的同时，将充电系统100引导至第二收发器10的位置。随后传感器112检测第一收发器110与第二收发器10之间的距离及角度，并与通信模块101协作，对第一收发器110的移动进行引导，直至第一收发器与第二收发器10保持平行并成功对准，且与第二收发器之间的距离不超过15cm。在一个实施例中，系统对第一收发器110的移动进行引导，直至第一收发器与第二收发器之间的距离不超过20cm。在另一个实施例中，系统对第一收发器110的移动进行引导，直至第一收发器与第二收发器之间的距离不超过10cm。在另一个实施例中，系统对第一收发器110的移动进行引导，直至第一收发器与第二收发器之间的距离不超过5cm。

当电力传输完成时，通信模块101从汽车1接收信号，电力传输系统100的逻辑电路指示相关的运动部件返回其原始位置。

图7展示了发明的另一个实施例，电力传输系统100可以与地面车辆301、水面船只302、飞行器303、太阳能电池板304、固定机器305或机器人306进行无线双向电力传送。地面车辆301、水面船只302、飞行器303、太阳能电池板304、固定机器305或机器人306均包含一个埋藏式第二收发器(图中未显示)电力传输系统100将对其进行感知并与其进行对准。电力传输系统100也可能与其他使用电力的可预见目标进行无线双向电力传输。图中所示的目标仅用于展示目的，不应将其考虑为限制了电力传输系统100的使用范围。

在涉及太阳能电池板304的情况下，可以预见的电力传输系统100可以在安装了大量太阳能电池板304之后自主地在一定范围内移动。电力传输系统100可以从这些太阳能电池板304获取电力，减轻了对于安装错综复杂的长距离电缆，以将每块太阳能电池板与电力收集站连接的需求。

在另一个实施例中，汽车1或其他车辆类型可以安装太阳能电池板，在全天中收集太阳能并将其转换为电能。当汽车1晚间回到家中时，可以预见的电力传输系统100可以从汽车1获取这些电能。

如图8及图9所示，可以预见的移动式机壳105可以(a)当移动式机壳在目标附近自由移动，以及当移动式机壳105向汽车1传输电力时，仅通过电缆与基站进行实体连接(图8)，或者(b)当移动式机壳在目标附近自由移动，以及当移动式机壳105向汽车1传输电力时，不与基站进行实体连接(图9)。

在图9所示的实施例中，在移动式机壳完成向目标传送电力或从目标接收电力的过程后，移动式机壳105可以停靠在基站上。在其他实施例中，图9中的移动式机壳105并不直接停靠在基站上，与此相反，图9中的移动式机壳105可以移动到距离基站较近的位置，并以此处所公开的方式相类似的无线方式，将其贮存的电力传送至基站内。

正如之前所讨论的，可以预见的电缆120是可以收回的，也可以收回至电力传输系统100的移动式机壳105之内。在另一个实施例中，电缆120可以收回至基站内(图中未显示)，或者移动式机壳105内，或两者内。可以预见的电缆120可以被存放于移动式机壳105之内，或基站108之内，或两者内。当移动式机壳在汽车1附近移动时，电缆可以延长或收回。电缆120的长度可以很长，使移动式机壳105可以在汽车1或停车场内多辆车辆的周围自由移动。图9中未连接电缆的实施例的移动范围更远，不用受电缆120长度的限制。正如之后将讨论的，未连接电缆的实施例可以在移动式机壳105之内安装一个电力贮存器。

因此，图9和图10中未连接电缆的移动式机壳可以在放满了太阳能电池板304的一块地中的狭窄空间之内进行运动，以从这些太阳能电池板304获取电力。

图10展示了移动式机壳205的未连接电缆的实施例。在这个实施例中，移动式机壳205包括轮子230和一个第一收发器210，可通过一条可伸缩式机械臂232进行水平延伸。在这个实施例中，移动式机壳205可以包括一个内部电力贮存器203，一个通信模块201，一个控制模块202以及至少两个传感器212。内部电力贮存器203可以是电池、内部燃料电源或者本行业的技术人员可能想到的任何其他内部电源贮存器。在这个实施例中，本发明在移动过程中，不需要与外部电网307或者基站108进行实体连接。

电力贮存器203可以贮存用于向汽车1进行传送的电力，或将从汽车1接收的电力。

图10中展示的实施例中，第一收发器210已经斜转了，传输矢量V与地面保持水平，或角度为0度。此处公开的大多数实施例都有一个共同点，第一收发器210的角度可以在0度与90度角(矢量V与地面保持垂直)之间斜转。当斜转角度为0时，第一收发器210可以与位于车辆侧面的第二收发器10(例如图6中所示的收发器)进行对准。

现在请看图11，该图展示了底部埋藏了第二收发器10的汽车1的底部视图，且至少有一个可拆卸式或永久可连接式追踪器12(电子或非电子式)位于第二收发器10周围。追踪器12完全是可选的，由于并非所有车辆在制造过程中都特意安装了电子追踪器以协助电力传输系统的对准过程，所以具有使用价值。

可预见到的追踪器12使电力传输系统100可以通过指导用户或车辆1所有者将这些追踪器12装在第二收发器10周围，精确地感知并与任何车辆进行对准。可以通过使用多种已知的粘合剂或紧固件，将这些追踪器12固定于汽车1的底部。尽管图11展示了装在第二收发器周围的四个可拆卸式追踪器12，需要理解的是图11并未对可以安装在第二收发器10周围的追踪器12的数量和排列位置进行限制。

本发明也包括一个使用移动电力传输系统以对目标进行无线充电或从目标获取电力的方法，该方法包括下列步骤：提供装有第一收发器的移动式机壳，移动式机壳被配置为可以自由地、自主地在目标周围进行移动；感知目标上第二收发器的位置；自动缩短无线传输系统上第一收发器与第二收发器的距离缩短，并通过使第一收发器与第二收发器的至少其中之一进行斜转，将第一收发器的角度平面与第二收发器的角度平面进行对准；并在传送模式与接收模式之间做出决定，传送模式用于向目标传送电力，接收模式用于从目标接收电力。移动式机壳采用两种配置的其中之一：(a)仅通过电缆与基站实体连接，移动式机壳在目标周围自由移动；或者(b)不与基站进行实体连接，移动式机壳在目标周围自由移动，且被配置为可以在移动式机壳完成了与目标的电力传输之后，停靠在基站上。正如之前所讨论的，缩短距离的动作至少可实现以下优势：改善充电效率，降低电磁辐射，以及提高电力传输功率。

在一个可以预见的实施例中，在目标(例如一辆汽车1)接近系统时，系统自动地发起感应步骤。此外，可以通过至少一个传感器和一个通信模块，执行发起步骤。

在另一个实施例中，方法包括在电力传输完成后，自动地使第一收发器或第二收发器远离目标进行移动。

作为对准过程的一部分，第一收发器可以相对于第二收发器进行自我中心运动，使用的步骤为下列之一：a)检测并计算出第二收发器线圈中心的位置；b检测事先安装在第二收发器附近的至少两个定位器的位置；c根据第一收发器与第二收发器之间对应的最佳耦合位置进行定位。

以上是对无线电力传输系统的实施例和应用的公开。然而，在本行业的技术人员看来很明显的是，除本文中描述的实施例和应用以外，还有很多可能使用的改进方案是无需背离本文中公开的概念即可实现的。此外，在对规格和权利要求进行解读时，应以与上下文一致的最可能宽泛的方式对所有术语进行解读。特别需要注意的是，术语“由……组成”应被解读为以非独占方式代指要素、组件或步骤，说明被代指的要素、组件或步骤可能存在于其他未明确代指的要素、组件或步骤中，或被其他未明确代指的要素、组件或步骤所使用或与其他未明确代指的要素、组件或步骤进行组合。在本行业的技术人员看来，目前已知或后来想出的对于要求的主题的非实质性变更被明确预见为在权利要求的范围内被视为等效。因此，目前或后来被本行业的技术人员知晓的明显替代方案被定义为在定义的要素的范围之内。因此权利要求将被理解为包括上文中具体列出的和描述的内容、概念上等效的内容、可以明显被替代的内容以及本质上包含了实施例的基本思想的内容。此外，当规格及权利要求代指某个包含A、B、C…N的组中的至少一个或数个要素时，文本应被解读为仅需要该组中的一个要素，而非A加N个要素，或者B加N个要素等。