专利名称：用于车辆与静止收集器之间的电能传输方法
用于车辆与静止收集器之间的电能传输方法技术领域及
背景技术：
现今，内燃机车辆中所用的大多数电池是通过交流发电机充电，交流发电机从所 述引擎获取能量。新近，混合引擎使用再生制动来为它们的电池充电。新兴的电动车辆面 对的挑战在于它们需更插入电源方能再充电。然而，这一般需要车辆静止，而且需要与电源 互相连接。同样地，虽然人们已经在增加车辆的能量效率方面取得不小的进步，但还是存在 固有的能量效率低下、热动力卡诺循环局限及能量浪费等问题。例如，当车辆从任何速率达 到完全停止或沿山上或斜坡向下驾驶时，能量由于未被回收而浪费。因此，有必要取得能够在移动车辆及静止电源/电槽之间传输能量的系统，以便 为车辆电池充电或利用来自车辆的、本来可能被浪费的能量。
发明内容
本发明的方法及系统使得能够在车辆移动或静止时，在没有任何物理互连的情况 下、从已经通过未利用的引擎剩余动力及再生制动获得充电的车辆电池传输电能到电力存 储装置或电力供应系统(比如电力网)。本发明的方法及系统也可以在没有任何物理互连 及在车辆移动或静止的情况下，反过来用于为电动车辆电池充电。在本发明的一个形式中，一种车辆，包括放大器、用于供应电力到放大器的车辆电 池、用于为放大器产生输入信号的频率发生器，频率发生器选择性地增大输入信号的功率， 并输出具有与输入信号频率相同的频率、但功率更高的输出信号。车辆进一步地包括控制 系统和用于产生磁场的磁场发生器，控制系统包括用于探测车辆外部定子存在的传感器并 与频率发生器及放大器进行通信。放大器与磁场发生器进行通信，磁场发生器响应于来自 放大器的输出信号的接收而产生振荡磁场。在一方面，频率发生器包括可变频率发生器。例如，控制系统可以产生输入信号到 发生器，以改变发生器的频率。在另一方面，磁场发生器包括金属线圈及金属芯。例如，芯可以包括带有高镍含量 的金属芯。在另一方面，车辆包括外壳，外壳支承磁场发生器，并将磁场发生器安装到车辆 上。例如，磁场发生器具有底边，而磁场发生器除该底边外，其所有边侧均由外壳封闭。根据再另一方面，控制系统进一步包括传感器，传感器探测车辆的速率。进一步 地，控制系统配置成在传感器探测到车辆为静止时产生驱动信号到放大器。在本发明的另一个形式中，一种能量回收系统，包括车辆、控制系统及磁场发生 器，磁场发生器与控制系统进行通信，并响应来自控制系统的信号而产生可变磁场。磁场发 生器安装到车辆上，且控制系统进一步包括电路，该电路带有适合放置在车辆中或放置在 车辆旁的静止导线，其中由磁场发生器产生的磁场在车辆接近导线时通过该电路感应引起 交变电流。因此，磁场发生器配置成在车辆静止时在静止导线中产生电流。在一方面，控制系统包括频率发生器，频率发生器产生振荡信号，用于产生可变磁 场。
在另一方面，控制系统也包括放大器，用于增大来自频率发生器的信号的功率。根据再另一方面，电路包括能量存储装置，用于存储由感应电流流动产生的电能。在本发明的再另一个形式中，一种能量传输系统，包括车辆、位于车辆处的信号发 生器、位于车辆外部的静止磁场发生器、以及用于控制及驱动磁场发生器的控制系统。车 辆具有带有导线及能量存储装置的再充电电路，而充电电路及控制系统以用户输入进行通 信。控制系统响应于来自信号发生器的信号的接收而选择性地驱动磁场发生器，以传输能 量到导线，从而为车辆上的能量存储装置再充电。在一方面，控制系统配置成产生交变电流及以交变电流来驱动磁场发生器。因此，本发明提供一种能量传输系统，该能量传输系统能够从车辆下载动力以用 于车辆外部，或上载动力到车辆以便为车辆的电池再充电。通过研究以下的描述并结合附图，将可显见本发明的这些及其他目标、优点、目的 及特征。
图1为本发明的电能传输系统的示意图；图2为从车辆到静止收集器的电能传输系统的示意图；图3为从车辆传输能量到静止收集器的方法的流程图；图4为位于静止接收器或传送器与车辆之间的电能传输系统的示意图；图5为在静止接收器或传送器与车辆之间传输能量的方法的的流程图。
具体实施例方式参阅图1，数字10总体标示一电能传输系统，该电能传输系统用于在车辆(比如汽 车、卡车、火车或同类物)与静止收集器之间传输能量。如以下更详细描述的那样，系统10 允许在车辆静止或移动时使用感应耦合，在静止收集器12与车辆14之间传输能量。最佳如图1所示，系统10包括控制系统11，控制系统11带有控制器12、频率发生 器14及磁场发生器16，磁场发生器16在与静止收集器18接近时由控制系统11选择性地驱 动，以产生波动或振荡磁场，从而在静止收集器18中感应引起电流。在需要传输能量时，系 统10安装在车辆上，而且磁场发生器16被以非常接近于静止收集器18的方式被安装。可 选择地，磁场发生器16封装于外壳内，该外壳封闭磁场发生器除一边之外的的所有边侧， 使得磁场发生器只有一边(比如底边)暴露，这可更好地集中磁场。有关磁场发生器16可 以怎样安装到车辆上的进一步细节及范例以及合适的收集器的范例，参阅下列一同申请中 的专利申请提交于2004年6月30日的标题为“能量回收系统”(Energy RecoverySystem) 的10/880,690号专利申请、提交于2006年6月16日的标题为“能量回收系统”(Energy Recovery System)的11/454，948号专利申请、提交于2007年7月26日的标题为”电路模 块”(Circuit Module)的11/828，686号专利申请、提交于2008年10月9日的标题为“能量 回收系统”(Energy Recovery System)的12/248，553号专利申请以及提交于2008年12月 15日的标题为“用于能量回收系统的激活组装件”(Activation Assembly for An Energy Recovery System)的61/122，660号专利申请；这些专利申请在此通过引用而全部并入本 专利。
为了增大来自频率发生器14的信号的强度，控制系统11进一步包括放大器20及 可选的前置放大器22，前置放大器22包括电子信号调理前置放大器，该电子信号调理前置 放大器在连接到放大器20之前，将频率发生器调节到正确的电压及阻抗。放大器20由电 池24 (比如车辆电池)驱动，而电池24也驱动控制器12。如以上所述，最佳如图2所示，电能传输系统10适合传输能量到静止收集器 18 (亦即定子)，而静止收集器18可以安装在地面或道路表面内。静止收集器18可以位于 车辆的通道中或毗邻车辆的通道，所以当磁场发生器16经过静止收集器18时，在静止收集 器18中引起感应电流，感应电流传输到电源以供存储及后续使用，如引用的申请中描述那 样。为了产生磁场，磁场发生器16包括金属芯16a及线圈16b。应该理解的是，金属芯的类 别及线圈的匝数可以改变，以调整由磁场发生器16产生的磁场的强度。如以上所述，系统10配置成从磁场发生器16传输能量到静止收集器18，即使在车 辆静止时或在车辆移动时。在所述实施例中，频率发生器14产生频率信号，该频率信号由 放大器20放大，然后传输到磁场发生器16，使得磁场发生器产生振荡磁场。放大器20能够 传输范围介于几瓦到数千瓦(例如从2，0001至6，0001)之间的能量。频率发生器能够产 生范围宽广的频率，但其一般产生范围介于IOHz至20000Hz之间的频率。选择最佳频率发 生器14以达到整个系统的最佳能量传输及性能。参阅图2，收集器18安装在地面或道路表面内，由此在磁场发生器16非常接近并 进一步由收集器18驱动时，磁场发生器16将产生振荡磁场，该振荡磁场将通过收集器18 产生感应电流。收集器18连接到能量存储装置26，能量存储装置26用于存储由磁场发生 器16与收集器18之间的感应耦合而产生的能量。例如，收集器18可以包括线圈，该线圈嵌入道路表面或地面内或安装在道路表面 或地面上，地面例如是邻近的火车轨道。线圈可以以适当的非铁金属制造。例如，收集器18 可以包括单独定子阵列，每个单独定子包括带有整流器的线圈单元。进一步地，每个定子可 以耦联或“插入”到共享电路，例如如下列申请所述提交于2008年6月16日的标题为“能 量回收系统”(Energy Recovery System)的11/454，948号专利申请以及提交于2008年12 月16日的标题为“能量回收系统”(Energy Recovery System)的12/305，024号专利申请。 照这样，每个定子可以在俘获能量没有任何可测量的损失的情况下拆除以进行维修或更 换。有关合适的定子线圈，参阅下列一同申请中的专利申请提交于2004年6月30日的标 题为“能量回收系统”(Energy Recovery System)的10/880，690号专利申请、提交于2006 年6月16日的标题为“能量回收系统”(Energy Recovery System)的11/454，948号专利申 请以及提交于2007年7月26日的标题为“电路模块”(Circuit Module)的11/828，686号 专利申请。此外，如一同申请中的、提交于2007年7月26日的标题为“电路模块”(Circuit Module)的11/828，686号专利申请中所述，收集器18可以使用整流电路来调整电压。然 而，应该理解的是，收集器可以在没有整流器的情况下用于产生交流电压。可选择地，收集 器18可以连接到能量调节装置或存储装置26，能量调节装置或存储装置26被选择来满足 期望的电能传输应用(即与电网直接互连)、存储或本地制氢，例如在上述引证的一同申请 中的申请所描述的那样。如以上所述，控制器12产生信号28(图2)到发生器14以起动所述过程。可选择 地，信号28通过开关29来起动电磁激活。例如，控制器12可以包括行车电脑，而且进一步地可选择地配置成探测车辆的速率，并进一步地在促动发生器14之前探测收集器18的存 在。例如，控制器12可以与多个传感器进行通信，比如与探测车辆的速率的传感器30a及 探测收集器的存在的传感器30b进行通信。例如，控制器12可以编程成在探测到车辆停止 或减速时发送信号到发生器14。此外，控制器12可以配置成在探测到收集器时或在探测到 收集器之后、仅发送信号到发生器14以起动激活过程。可选择地，控制器12可以在探测到 收集器而车辆还在移动时促动发生器14。在又另一个形式中，控制器12可以结合处理器， 处理器根据车辆的速率及起动制动的时间计算车辆的预计停止时间，以确定何时产生发送 到发生器的促动信号，然后在预计停止时间激活发生器14。应该理解的是，当控制器12发送促动信号到发生器14时，磁场发生器16接收来 自放大器20的放大信号，更明确地说，是放大正弦信号。这在磁场发生器16中产生振荡磁 场，而振荡磁场可以通过在芯16a中使用某种金属得以加强。例如，合适的金属包括铁或铁 合金用于最大化感应磁场强度。其他合适的金属包括镍含量高的金属，比如商业上可取得 的“科瓦”(Kovar)。然而，应该理解的是，构成芯16a的材料可以不同，而且不限于在此提 供的例子。应该理解的是，收集器18中感应的感应可变电压取决于线圈16b的匝数、线圈 16b的绕组大小、芯16a的渗透性、电磁场发生器16与收集器18之间的气隙32、收集器中 的匝数及绕组大小、收集器线路的材料以及从放大器20到磁场发生器16的施加电压。如以上所述，控制器12可以结合带有用于控制能量传输系统的软件的微处理器。 例如，参阅图3，控制器12可以包括处理器及存储装置，存储装置包括监测传感器30a及 30b的软件以确定车辆的速率及探测收集器的存在。在所描述的实施例中，如果存在收集 器，则软件将检查传感器30a的状态，以确定车辆的速率。如果车辆正在运动，软件将使用 传感器34来确定车辆的制动系统是否已经促动。如果制动系统已经促动，软件将根据制动 系统促动及车辆的速率、确定直到车辆静止之前的时间Tl。软件将继续监测该时间，直到 该时间超过或等于Tl为止；在等于Tl的时刻，软件可以通过产生信号到发生器14来开始 磁场发生器的促动。此外，如一同申请中的专利申请所述的，在磁场发生器为一可移动磁场 发生器的情况下，软件可以配置成将磁场发生器移到一部署位置。如果没有探测到收集器， 处理器将继续监测收集器的存在，直到探测到收集器为止。可选择地，如以上所述，控制器 12可以仅仅监测收集器的存在，然后起动激活过程。除了停止之外，激活过程中也可以包括 其他情况，比如下坡运动或速率转变，例如在车辆改变其速率或达到完全停止时，如以上所 述。参阅图4，在一选择性的实施例中，电能传输系统110可以配置成从静止磁场发生 器112传输能量到车辆以便为车辆电池再充电，其中磁场发生器112被嵌入或安装到例如 道路表面上或道路表面内。此外，如以下更详细描述的那样，系统也可以配置成从车辆反向 传输能量到磁场发生器的位置。参阅图4，静止磁场发生器112包括带有传输线圈114的 传输电路112a，传输线圈114连接到一能源，比如电池116。此外，能量传输电路112a包括 控制器118，控制器118与能源116进行通信以促动能源供应，从而通过电路112a产生电 流。在能量供应到电路112a时，传输线圈114将产生磁场，该磁场在接收线圈非常接近传 输线圈114时，将在安装在车辆的接收电路122的接收线圈120中产生感应电流。接收电 路122耦合到可再充电的车辆电池124，从而当电路122中发生感应电流时，电路122将为 车辆电池充电。可选择地，电路112a为交流电电路，使得传输线圈114产生一可变磁场，从
7而在接收线圈120中感生交流磁场，该交流磁场在电路122中产生交变电流。此外，可选择 地，电路122包括整流器(图中未显示)以产生直流电流到车辆电池124中。例如，传输电 路112a可以位于一预定位置，该位置是车主可能希望为其电池再充电的位置，例如加油站 或其他指定位置。此外，为了将电路112a的促动限定在当车辆位于为其电池再充电的特定位置时， 控制器118可以配置成只在车辆存在时才促动能源供应116。例如，车辆V可以包括信号 发生器126 (比如射频发射器)，信号发生器126产生发射到控制器118的信号以指示车辆 的存在，控制器118例如包括射频接收器。此外，该信号可以携带与车辆相关的信息，例如 车辆识别信息等。例如，信号发生器126可以是常用于射频公路收费系统的信号发生器，从 而该信号也可以传输与预付账户或信用卡相关的信息。这样，当车辆操作员为车辆的电池 充电时，可以就能量上载向车辆操作员收费。车辆V也可以结合与信号发生器进行通信的 用户输入装置，使得操作员可以选择以起动该过程。例如，合适的用户输入装置可以包括按 钮、开关或可以产生促动信号到信号发生器或行车电脑的其他器件，以促动信号发生器。可 选择地，信号可以通过结合到电路122中的传输线圈128传输，电路122传输感应数据到相 应的接收线圈130，接收线圈130结合到电路112a中而且产生信号到控制器118，以便传输 在传输线圈128与接收线圈130之间传输的数据。可选择地，传输线圈128可以用于传输能量到接收线圈130，使得系统110可以从 电路112a下载能量或上载能量到电路112a。参阅图5，控制器118可以包括微处理器及存 储器或存储装置，存储器或存储装置内置用于管理能量传输的软件。例如，软件可以配置成 探测车辆的存在，例如，在控制器118如上所述接收来自车辆的信号时。此外，如以上所述， 电路112a可以配置成传输或接收电路，在这种情况下，控制器118可以配置成探测车辆是 否要上载或下载能量。因此，车辆的信号发生器可以配置成传输指示是否要上载或下载能 量的信号。此外，这可以由用户使用用户输入装置来选择。在确定车辆要上载动力时，控制 器118可选择地确定车辆的标识码(根据已传输数据)，并存储车辆的标识码，从而在能量 被上载到车辆时，能量上载到车辆的发生可以与车辆标识码发生联系，并存储以供稍后使 用，比如用于结账或赊账。除了控制及可选择地记录上载到车辆的能量之外，控制器118可 以进一步地测量上载到车辆的能量数额，使得上载到车辆的能量数额可以与车辆标识码发 生关联，并被存储。如果控制器118确定车辆要下载能量到电路，控制器118可以同样地根 据接收自车辆V的信号发生器的信号，确定车辆是否有标识码，并进一步地配置电路112a， 使得电路112a充当接收电路以存储能量于能量存储装置116。此外，控制器118可以确定 能量存储装置116接收的能量数额，并进一步使从存储装置116接收的能量数额与车辆标 识码相关联。应该理解的是，当能量传输电路充当接收电路(而不是传输电路)进行操作时，线 圈的匝数可以不同。因此，为了达到这个目的，能量传输电路可以结合两个线圈，其中一个 线圈用于传输，另一个线圈用于接收，每个线圈均具有为最优化能量和/或数据的传输或 接收而需要的特定的线圈匝数。虽然以上已经显示及描述本发明的几个形式，但本发明的其他形式对于本领域的 技术人员将很显然。因此，应该理解的是，附图中显示及以上进行描述的实施例只是用于说 明目的，而不是用于限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由权利要求进行限定，权利要求根据含有等同原则的专利法的规定进行解释。
权利要求
一种车辆，包括放大器；车辆电池，用于供应电力到所述放大器；频率发生器，所述频率发生器为所述放大器产生输入信号，所述输入信号具有一频率；所述放大器与所述频率发生器进行通信，以选择性地增大所述输入信号的功率及输出具有所述频率、但功率比所述输入信号高的输出信号；控制系统，所述控制系统包括用于探测车辆外部的定子的存在的传感器，并与所述频率发生器及所述放大器进行通信；以及磁场发生器，所述磁场发生器用于产生磁场，所述放大器与所述磁场发生器进行通信，所述磁场发生器响应于来自所述放大器的所述输出信号的接收而产生磁场。
2.如权利要求1所述的车辆，其中所述频率发生器包括可变频率发生器。
3.如权利要求2所述的车辆，其中所述控制系统产生输入信号到所述发生器，以改变 所述频率发生器的频率。
4.如权利要求1所述的车辆，其中所述磁场发生器包括金属线圈及金属芯。
5.如权利要求4所述的车辆，其中所述芯包括具有高镍含量的金属芯。
6.如权利要求1所述的车辆，进一步包括外壳，所述外壳支承所述磁场发生器，并将所 述磁场发生器安装到所述车辆上。
7.如权利要求6所述的车辆，其中所述磁场发生器具有一底边，所述磁场发生器除其 底边外，其所有边侧均由所述外壳封闭。
8.如权利要求1所述的车辆，其中所述控制系统进一步包括传感器，所述传感器探测 车辆的速率。
9.如权利要求8所述的车辆，其中所述控制系统配置成在所述传感器探测到所述车辆 为静止时产生驱动信号到所述放大器。
10.一种能量传输系统，包括车辆；控制系统；磁场发生器，所述磁场发生器与所述控制系统进行通信，并响应来自所述控制系统的 信号而产生可变磁场，所述磁场发生器安装到所述车辆上；以及电路，所述电路包括适合放置在所述车辆中或放置在所述车辆旁的静止导线，其中所 述磁场发生器产生的磁场在所述车辆接近所述导线时通过所述电路感应引起交变电流，其 中所述磁场发生器配置成即使当所述车辆处于静止时也在所述静止导线中产生电流。
11.如权利要求10所述的能量传输系统，其中所述控制系统包括频率发生器，所述频 率发生器产生一信号，所述信号通过所述磁场发生器产生电流。
12.如权利要求11所述的能量传输系统，进一步包括放大器，所述放大器用于增大来 自所述频率发生器的信号的功率。
13.如权利要求12所述的能量传输系统，其中所述电路构成交流电路。
14.如权利要求13所述的能量传输系统，其中所述电路包括能量存储装置。
15.一种能量传输系统，包括2车辆，所述车辆包括信号发生器；静止磁场发生器，所述静止磁场发生器位于所述车辆的外部；非基于车辆的控制系统，所述非基于车辆的控制系统用于控制及驱动所述静止磁场发 生器；以及基于车辆的再充电电路，所述基于车辆的再充电电路具有在所述车辆上提供的基于车 辆的导线及基于车辆的能量存储装置，所述控制系统响应于来自所述信号发生器的信号的 接收而驱动所述静止磁场发生器，从而产生磁场以传输能量到所述基于车辆的导线，从而 为所述车辆上的所述基于车辆的能量存储装置再充电。
16.如权利要求15所述的能量传输系统，其中所述控制系统配置成产生交变电流及以 所述交变电流来驱动所述磁场发生器。
17.如权利要求15所述的能量传输系统，其中所述车辆包括汽车。
18.如权利要求15所述的能量传输系统，进一步包括用户输入装置，所述用户输入装 置与所述信号发生器进行通信，所述信号发生器响应于所述用户输入而产生所述信号。
19.如权利要求18所述的能量传输系统，其中所述用户输入装置包括按钮或开关。
20.如权利要求15所述的能量传输系统，进一步包括静止导线，所述车辆包括基于车 辆的磁场发生器及基于车辆的控制系统，所述基于车辆的控制系统用于控制及驱动所述基 于车辆的磁场发生器，所述信号包括第一信号，所述信号产生第二信号，所述非基于车辆的 控制系统响应于所述第一信号的接收而驱动所述静止磁场发生器，所述基于车辆的控制系 统响应于所述第二信号而驱动所述基于车辆的磁场发生器，其中所述磁场是在所述车辆非 常接近所述静止导线时、由所述基于车辆的磁场发生器在所述静止导线中产生的电流产生 的。
21.如权利要求20所述的能量传输系统，进一步包括用户输入装置，所述用户输入装 置与所述信号发生器进行通信，所述信号发生器响应于来自所述用户输入装置的输入而产 生所述第一信号或所述第二信号。
22.如权利要求20所述的能量传输系统，其中所述第一信号包括车辆标识数据，而所 述非基于车辆的控制系统测量传输到所述车辆的能量数额，并使所述数额与所述车辆标识 数据发生关联。
23.如权利要求22所述的能量传输系统，其中所述非基于车辆的控制系统包括存储器 装置，传输到车辆的所述能量数额及相关的车辆标识存储在所述存储器装置。
全文摘要
一种车辆，包括放大器、用于供应电力到放大器的车辆电池、用于为放大器产生输入信号的频率发生器以及控制系统。放大器与频率发生器进行通信，以选择性地增大输入信号的功率及输出具有频率及比输入信号功率为高的输出信号。控制系统包括传感器，传感器用于探测车辆外部定子的存在，并与频率发生器及放大器进行通信。车辆还包括用于产生磁场的磁场发生器。放大器与磁场发生器进行通信，并且磁场发生器响应于来自放大器的输出信号的接收而产生磁场。
文档编号H02J17/00GK101904076SQ200880120984
公开日2010年12月1日 申请日期2008年12月17日 优先权日2007年12月17日
发明者伊麦德·马哈维利 申请人:能量回收科技有限公司