充電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】充電系統(tǒng)（ECS）被用于，使用無線電磁或電感充電向儲能設(shè)備（ESD）充電。ECS包括壓控振蕩器（VCO）電路、第一換能器、以及多個第二換能器。VCO電路依序激發(fā)第一換能器中的多個線圈，來選擇多個第二換能器中的一個換能器，當(dāng)ESD被充電時在該換能器中傳送能量。在該多個線圈的激發(fā)期間測量ECS功率效率，并且被用來確定ECS使用電磁還是電感方法來向ESD充電。VCO電路還在ESD的充電期間輔助維持最優(yōu)功率效率。還呈現(xiàn)了用ECS向與第一車輛相關(guān)聯(lián)的ESD以及與第二車輛相關(guān)聯(lián)的ESD充電的方法。
【專利說明】充電系統(tǒng)
[0001]相關(guān)文件
[0002]本申請要求2011年8月6日提交的臨時申請USSN61/515，865的優(yōu)先權(quán)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及被用于向車輛的電池充電的充電系統(tǒng)，更特定地，充電系統(tǒng)包括裝置，來選擇性地使用無線電磁傳輸或者電感無線傳輸來向部署在車輛上的電池充電。
【背景技術(shù)】
[0004]已知使用僅利用無線磁能傳輸?shù)某潆娤到y(tǒng)來向電池充電。還已知使用僅利用無線電感能量傳輸?shù)某潆娤到y(tǒng)向電池充電。一般而言，被充電的電池部署在混合電動車輛或電動車輛中，這些電池輔助向這些車輛的動力傳動系統(tǒng)供電。
[0005]混合電動車輛和電動車輛持續(xù)在市場中獲得消費(fèi)者的接受度和商業(yè)成功。隨著過多的充電系統(tǒng)進(jìn)入消費(fèi)者市場，在市場的能量分發(fā)位置可令人不快地需要許多充電站，來確保消費(fèi)者的充電便利。這向總體商業(yè)充電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施增添了不期望的復(fù)雜度和增加的成本。
[0006]因此，所需要的是一種穩(wěn)健的充電系統(tǒng)，該充電系統(tǒng)簡化充電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、確定與車輛相關(guān)聯(lián)的無線充電系統(tǒng)的類型、且然后繼而以產(chǎn)生最優(yōu)充電系統(tǒng)功率效率的充電系統(tǒng)頻率向正確的車輛充電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]使用可選擇地確定或者與配置為進(jìn)行充電的車輛匹配的無線傳輸機(jī)制，利用充電系統(tǒng)(ECS)來向部署在多個車輛上的多個儲能設(shè)備(ESD)或電池充電。ECS使用VCO電路來幫助這個可選擇的確定。在已經(jīng)確定無線傳輸機(jī)制且電池正被充電之后，VCO電路在電池的充電過程期間也被用來維持ECS的最優(yōu)系統(tǒng)功率效率。
[0008]還呈現(xiàn)了向部署在第一車輛上的電池或者部署在第二車輛上的電池充電的方法。該方法包括如下步驟:確定使用VCO電路來充電哪個車輛，該VCO電路順序地和/或反復(fù)地(iteratively)激發(fā)車外換能器的多個線圈且進(jìn)一步分析在該多個線圈的這些激發(fā)期間ECS的系統(tǒng)功率效率，來評估采用哪種無線傳輸機(jī)制以有效地向電池充電。
[0009]一旦閱讀對本發(fā)明的實施例的下列詳細(xì)描述，本發(fā)明的進(jìn)一步特征、用途和優(yōu)點將更清楚地呈現(xiàn)，通過僅為非限制性示例的方式并且參考附圖來給出下列詳細(xì)描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]將參考附圖來進(jìn)一步描述本發(fā)明，在附圖中:
[0011]圖1是根據(jù)本發(fā)明的包括壓控振蕩器(VCO)電路的充電系統(tǒng)(ECS)的框圖；
[0012]圖2是部署在電池與車載換能器中間的圖1的ECS的更詳細(xì)的框圖；
[0013]圖3示出了圖1的VCO電路的框圖；[0014]圖4示出了由圖3的VCO電路所監(jiān)測的電壓與電流之間的角度相位差異關(guān)系；
[0015]圖5示出了用圖1的ECS來向第一車輛的儲能設(shè)備(ESD)以及第二車輛的ESD充電的方法；以及
[0016]圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的可選實施例的ECS的VCO電路。
【具體實施方式】
[0017]由于負(fù)載上的變化、歸因于累計誤差的電氣組件性能變化、溫度上的變化、組件放置和取向的變化，充電系統(tǒng)(ECS)的諧振頻率可變化。如果車外換能器被頻率調(diào)諧用于特定的車載換能器并且然后被用于沒有被調(diào)諧至相同頻率或頻率范圍的不同車載換能器，則變化也可產(chǎn)生。這些種類的變化中的一個或多個變化可不期望地減小ECS的操作系統(tǒng)功率效率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，相關(guān)于上述變化可有效地管理和控制ECS功率效率，同時還允許使用多個能量傳輸配置來向儲能設(shè)備(ESD)充電的機(jī)會。通過利用部署在ECS中的壓控振蕩器(VCO)電路，可部分地選擇這些能量傳輸配置。使用ECS中的VCO電路有利地提供使用多個無線傳輸模式對部署在多個車輛類型中的ESD的充電。這些特征組合在一起有利地允許了對商業(yè)電氣網(wǎng)格的簡化，從而一個ECS可被配置為以類似于可燃液體燃料等級的方式向許多不同的車輛充電，可燃液體燃料可用于當(dāng)今市場中操作地駕駛的很多基于燃料的機(jī)動車。
[0018]為了這個目的，并且參考圖1和2并且根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提出了 ECS12，其有效地向各種ESD14a、14b充電。ESD14a部署在車輛#1或第一機(jī)動車40上。ESD14b部署在車輛#2或第一機(jī)動車42上。第一車輛40和第二車輛42可分別是混合車輛或混合電氣車輛。ESD14a、14b被配置為向各自的第一車輛40和第二車輛42的動力傳動系統(tǒng)供電，從而這些車輛沿著道路移動行進(jìn)。動力傳動系統(tǒng)與這些車輛的車輪相通，從而車輛可沿著道路移動行進(jìn)。如此，這些車輛中的一個或者兩者可進(jìn)一步被分類為可插拔混合電動車輛(PHEV)、可插拔電動車輛(PEV)、或者增程式電動車輛(EREV)。ECS12包括功率發(fā)射器16，車外換能器18，以及多個車載換能器20、22。功率發(fā)射器16進(jìn)一步包括壓控振蕩器(VCO)電路24。功率發(fā)射器16部署于第一車輛40外部并且部署于第二車輛42外部。車外換能器18包括線圈#1或第一線圈26，以及線圈#2或第二線圈28。第一線圈26和第二線圈28與VCO電路24的電通信。優(yōu)選地，車外換能器18被配置為被固定至地面(未示出)。車載換能器20附接地部署在第一車輛40上，包括線圈#3或第三線圈30。車載換能器22附接地部署在第二車輛42上，包括線圈#4或第三線圈32。每個車載換能器20、22可附接至車輛。在一個實施例中，車載換能器可使用如本領(lǐng)域已知的任何類型的緊固件分別附接至第一車輛和第二車輛的車輛支持框架。車載換能器在第一車輛和第二車輛上的位置可沿著底盤的任何部分，而底盤沿著第一車輛和第二車輛的各自長度。
[0019]當(dāng)由功率發(fā)射器16所提供的能量激發(fā)時，第一線圈26向第三線圈30無線地傳輸磁性或者電磁能量44。電磁能量傳輸是第一無線能量傳輸機(jī)制。當(dāng)被功率發(fā)射器16所提供的能量激發(fā)時，第二線圈28向第四線圈32無線地傳輸電感能量46。電感能量傳輸是第二無線能量傳輸機(jī)制。對于向電池14a或14b充電，各車載換能器20、22與車外換能器18間隔開。因此，第一和第二線圈26、28分別地與第三線圈30和第四線圈32分開一距離。進(jìn)一步，車載換能器20的上第三線圈30與第一車輛40的電池14a電通信，且車載換能器22的第四線圈32與第二車輛42電池14b的電通信。[0020]線圈26、30與線圈28、32之間的能量傳輸取決于這些各個線圈的對準(zhǔn)，從而能量可以在它們之間無線地傳送。當(dāng)車載線圈的至少一部分覆蓋在車外換能器的上方時，可以實現(xiàn)線圈的這種對準(zhǔn)。參考圖2，車載換能器20的至少一部分覆蓋在車外換能器18的上方。可選地，車載換能器可不覆蓋在車外換能器的上方，但是仍然接近車載換能器以使它們之間發(fā)生無線能量傳輸。還是參考圖2，在給定的時間段內(nèi)，一般一個車輛并且因此一個車載換能器將與車外換能器一起工作。因此，在同一時間段內(nèi)，ECS不會對第一車輛的ESD和第二車輛的ESD兩者都充電。例如，如在圖2中最佳圖示的，部署在第一車輛40上的ESD14a被配置為由ECS12充電。
[0021]功率發(fā)射器16與電源48電通信。電源48可提供一般與電網(wǎng)相關(guān)聯(lián)的120VAC或240VAC的電壓。電源48還可具有諸如50赫茲(Hz)或60Hz的工作頻率?？蛇x地，該電源可具有與120VAC或240VAC不同的工作電壓，或者與50Hz或60Hz不同的工作頻率。
[0022]VCO電路24控制單個驅(qū)動頻率或者驅(qū)動頻率范圍內(nèi)的單個驅(qū)動頻率頻率，該頻率電傳輸至車外換能器18至第一線圈26或第二線圈28。應(yīng)當(dāng)理解，驅(qū)動第一線圈26的頻率可以不同于驅(qū)動第二線圈28所需要的頻率。還應(yīng)當(dāng)理解，車輛40、42表示市場上可用的將受益于ECS12的許多不同類型車輛的子集，其中ECS12還允許無線傳輸電磁能量或電感能量來充電不同的車輛類型的靈活性。
[0023]下文所描述的下列定義適用于圖2。下文的若干定義用于圖2中所圖示信號路徑上所標(biāo)示的術(shù)語。
[0024]HV HF AC—高電壓、高頻率交流(AC)電信號。優(yōu)選地，該電壓信號大于120VAC并且該電壓信號的頻率大于60赫茲(Hz)。該頻率可在IOkHz至450kHz的范圍中。例如，這個范圍可覆蓋一般在10-70kHz范圍的無線電感傳輸，以及一般在50-450kHz范圍的無線電磁傳輸。
[0025]HV DC—高電壓、直流(DC)電信號。優(yōu)選地，該DC電壓大于120VDC。
[0026]60Hz AC — 60Hz、AC電壓電信號。一般而言，該AC電壓是120VAC或240VAC，取決于生成該電壓的電源。副系統(tǒng)62提供60Hz AC電壓以向電池充電?？蛇x地，該60Hz可以是50Hz、AC電壓電信號。
[0027]120VAC 或 240VAC，60Hz — 120VAC 或 240VAC、60Hz 電信號。例如，這可以是由該電源向主系統(tǒng)(240VAC)或副系統(tǒng)(120VAC，插入式)提供的電信號。取決于使用的電應(yīng)用，主系統(tǒng)和/或副系統(tǒng)可硬接線至這些電源或者可插拔至這些電源。
[0028]充電系統(tǒng)(ECS)功率效率一也稱為系統(tǒng)功率效率。ECS的功率輸入量相對功率輸出量。通常，系統(tǒng)功率效率可具有從0%至100%的范圍，而100%是輸入與輸出之間沒有功率損耗的完全有效。對于一些電應(yīng)用，可期望具有盡可能最高的系統(tǒng)功率效率，由此具有接近100%的百分比值。系統(tǒng)功率效率可受到多個因素影響，其中之一是被用來構(gòu)建ECS的電氣元件，這些電氣元件可影響通過ECS的功率損耗。系統(tǒng)功率效率還受到ECS的工作頻率影響。這允許VCO電路對系統(tǒng)功率效率精細(xì)調(diào)諧、控制、以及優(yōu)化。
[0029]換能器一在線換能器和離線換能器總共包括第一線圈26、第二線圈28、第三線圈
30、以及第四線圈32。將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的設(shè)備。例如，車外換能器將電能量轉(zhuǎn)換為電磁能量或電感能量，并且車載換能器接收電磁能量或電感能量的至少一部分并且然后將這個所接收的電磁或電感能量轉(zhuǎn)換回到可被用來向電池充電的電能量。[0030]電源一這是由電網(wǎng)所提供的功率，諸如由市政功率提供。高功率主ECS電連接至電源。常規(guī)的60Hz ECS也與電源電連接。優(yōu)選地，與高功率ECS電連接的電源具有比與60Hz ECS電連接的電源更大的電壓。可選地，該60Hz可以是50Hz。
[0031]盡管ECS12如本文先前所討論的，包括具有VCO電路24的功率發(fā)射器16、車外換能器18、車載換能器20，但是ECS12在這個非限制性示例中還擴(kuò)展包括增強(qiáng)的主ECS12a，該主ECS12a包括控制器/轉(zhuǎn)換器53、集成充電器60、以及傳送開關(guān)57?？刂破?轉(zhuǎn)換器
53、集成充電器60、以及傳送開關(guān)57部署在車輛40上，并且與具有VCO電路24的功率發(fā)射器16、車外換能器18、車載換能器20 —起操作地執(zhí)行，來提供對于向ESD14a充電有用的電流。控制器/轉(zhuǎn)換器53、集成充電器60、以及傳送開關(guān)57包括形成至少一個電信號整形設(shè)備(ESSD) 45的電氣組件。
[0032]因此，功率發(fā)射器16與車外換能器18電通信中，并且被配置為向車外換能器18提供能量。被固定在地面上，車外換能器20部署在車輛40的外部。車載換能器20被配置為接收從車外換能器18無線傳輸?shù)哪芰康闹辽僖徊糠?。ESSD45與車載換能器20電通信，來對所接收的能量的至少一部分電氣整形，并且電傳輸被電氣整形的能量，以向ESD14a充電。
[0033]副ECS62也可與集成充電器60電通信，以提供60Hz電流來向電池14a充電。為了增強(qiáng)的主ECS12a和副系統(tǒng)62的人工操作員的增強(qiáng)的便利性，副ECS62有利地提供另一種可選模式來向電池14a充電。傳送開關(guān)57經(jīng)由信號線55由控制器/轉(zhuǎn)換器53的控制器部分操作地控制，從而在副ECS62與主ECS12之間切換。攜載由車載換能器20所產(chǎn)生的電信號的輸出52被控制器/轉(zhuǎn)換器53的轉(zhuǎn)換器部分接收。攜載來自控制器/轉(zhuǎn)換器53的轉(zhuǎn)換器部分的電信號的輸出56被傳送開關(guān)57接收。輸出58將來自傳送開關(guān)57的電信號攜載至電池14a。車輛通信數(shù)據(jù)總線54與控制器/轉(zhuǎn)換器53的控制器部分通信，以接收/傳輸車輛數(shù)據(jù)信息去往ECS12a或者ECS數(shù)據(jù)去往部署在車輛40內(nèi)的其他電設(shè)備。車輛40包括輔助對準(zhǔn)車輛的車輪51a、51b、51c、51d，所以車載換能器40與車外換能器18對準(zhǔn)。對準(zhǔn)裝置99，諸如止輪塊63可進(jìn)一步輔助換能器18、20的這個對準(zhǔn)。另外，對準(zhǔn)設(shè)備64也可輔助定位車輛40，所以換能器18、20被對準(zhǔn)。例如，這樣的對準(zhǔn)設(shè)備可包括從車庫的天花板懸掛下來的網(wǎng)球。對于從車外換能器至車載換能器將發(fā)生的能量傳輸需要對準(zhǔn)。如圖2中所示，換能器18、20的對準(zhǔn)可以在車載換能器20的至少一部分覆蓋在車外換能器18的上方之處，如在圖2中最佳圖示的?？蛇x地，換能器的對準(zhǔn)可在換能器被充分間隔、但允許它們之間發(fā)生能量的無線傳輸使得車輛的電池被充電之處。副系統(tǒng)62產(chǎn)生輸出61，輸出61攜載由充電器60所接收的電信號,并且充電器產(chǎn)生輸出59,輸出59攜載由傳送開關(guān)57所接收的電信號?？刂破?轉(zhuǎn)換器的控制器部分與功率發(fā)射器16無線地通信，并且功率發(fā)射器16被配置為與控制器/轉(zhuǎn)換器53的控制器部分無線地通信。
[0034]輸入主ECS12a的控制器/轉(zhuǎn)換器53的第一電流的第一頻率，具有比由來自副ECS62的輸出61上所攜載的第二電流的第二頻率更大的頻率值。因此，相比比副ECS62，ECS12a可施加更多的功率來向電池14a充電?？刂破?轉(zhuǎn)換器53的控制器部分測量電壓、電流、以及功率?？刂破?轉(zhuǎn)換器53的控制器部分向功率發(fā)射器16傳輸所測量的電壓、電流、以及功率數(shù)據(jù)，以使功率發(fā)射器16可進(jìn)一步調(diào)節(jié)被提供至車外換能器18的功率量，以確保最優(yōu)的ECS功率效率。優(yōu)選地，最優(yōu)ECS功率效率大于85%。同樣地，功率發(fā)射器16可進(jìn)一步將所提供的功率數(shù)據(jù)無線地傳輸給控制器/轉(zhuǎn)換器53的控制器部分。本文先前描述的即時控制器/配置，連同其他的ESSD配置進(jìn)一步在2012年4月19日提交的標(biāo)題為“ELECTRICAL CHARGING SYSTEM HAVING ENERGY COUPLING ARRANGMENT FOR WIRELESSENERGY TRANSMISSION THEREBETWEEN (具有用于在其間無線能量傳送的能量耦合裝置的充電系統(tǒng))”的USSN13/450，881中有所描述，通過引用將該專利并入本文。盡管圖2描繪了與第一車輛40相關(guān)聯(lián)的ECS12，但第二車輛42可具有無線地傳輸/接收電感能量46的類似ECS配置。可選地，第二車輛可具有與圖1中所示第一車輛不同的ECS電氣配置。例如，如本文先前所描述的，與第二車輛相關(guān)聯(lián)的ECS可以是如在USSNl3/450，881中所描述的另一種ECS配置。
[0035]參考圖3，示出了 VCO電路24的框圖。VCO電路24包括VC071、放大器70、電壓監(jiān)測器73、電流監(jiān)測器74、以及檢測電路72。VC071與放大器70的輸入電通信。首先，VC071有效地輔助ECS12來獲知哪個車輛40、42需要充電。這通過掃描由線圈對26、30和線圈對
28、32所覆蓋的頻率范圍并且確定哪個車載換能器線圈30、32被高能地激發(fā)來完成。其次，VC071然后對所確定的被激勵的線圈對26、30或28、32的線圈26或線圈28，來輔助管理從功率發(fā)射器16至車外換能器18的被提供的功率。一般而言，如本文先前所描述的，在任意給定的時間，僅第一車輛的車載換能器或第二車輛的車載換能器將與車外換能器對準(zhǔn)。當(dāng)車內(nèi)人將他們的車輛定位在車庫中以向電池充電時，出現(xiàn)這個場景的典型情形。放大器70的輸出與車外換能器18電通信。在車外換能器18與VC071中間產(chǎn)生反饋環(huán)路65。反饋環(huán)路65包括與監(jiān)測電路72電通信的電壓監(jiān)測器73和電流監(jiān)測器74。電壓監(jiān)測器73監(jiān)測并測量位于車外換能器18輸入處的電壓流，并且電流監(jiān)測器74監(jiān)測并測量位于車外換能器18輸入處的電流。檢測電路72對于測量位于車外換能器18輸入處的電壓與電流之間的相位差異是有利的。檢測電路72與VC071電耦合，VC071控制從電源48所接收以提供至輸出67a的電流的頻率。檢測電路72由如下的電子組件充分地形成，這些電子組件一起工作來確定所接收的電壓和電流波形是否在預(yù)定的相位差異范圍內(nèi)。檢測電路72被設(shè)計為與ECS的預(yù)定或預(yù)定義的電氣組件公差以及ECS的系統(tǒng)公差(特別是車載換能器20、22以及車外換能器18的組件公差)一起工作。結(jié)合至總體組件公差中的附加公差是支持VCO電路24的電路。因此，檢測電路72以如下的方式被設(shè)計:結(jié)合線圈#1_#426、28、30、32的設(shè)計公差連同線圈對26、30和28、32的操作公差。
[0036]進(jìn)一步地，ECS12監(jiān)測從功率發(fā)射器16被提供至車外換能器18的RF功率的AC電壓和AC電流，用于確定該頻率是否處于產(chǎn)生期望ECS功率效率的最優(yōu)值。ECS的特定電氣組件的變化確定這樣的最優(yōu)值。如果該頻率不是最優(yōu)的，則這個信息被反饋至RF電源，并且該頻率被改變以實現(xiàn)最優(yōu)性能。在充電周期期間連續(xù)地完成對輸出電壓和電流的監(jiān)測，并且當(dāng)ECS需要時來施加諧振頻率校正。電壓監(jiān)測器73和電流監(jiān)測器74監(jiān)測并測量AC電壓和AC電流。AC電壓與AC電流之間的相位關(guān)系由之間的ECS確定。功率發(fā)射器16然后調(diào)整被提供至車外換能器18的功率，來確保ECS功率效率被維持在期望大小。在一個實施例中，優(yōu)選的ECS功率效率為至少85%。優(yōu)選地，VCO電路的工作頻率范圍是從大約15kHz至 200kHz ο
[0037]參考圖4，曲線圖69圖示了在功率發(fā)射器16的VCO電路24的輸出線67a、67b中的因變于時間的AC電流測量77和AC電壓測量78的示例。電流測量77和電壓測量78是正弦波，這兩個正弦波異相由角度相位差異或相位差額79所表示的量。如果差額79落在與ECS功率效率有關(guān)的預(yù)定范圍之外，則檢測器72提供信號來調(diào)整功率發(fā)射器16的輸出頻率。對于第一線圈26與第三線圈30之間的無線電磁能量傳送，該角度相位差異優(yōu)選地在大約10度至大約15度的范圍中，以確保ECS的最優(yōu)ECS功率效率性能。該角度相位差異考慮了線圈的部件公差、溫度、以及對準(zhǔn)的影響。當(dāng)ECS工作在更高的ECS功率效率時，能量利用更高效，使得ECS的操作人員能夠以更少成本來操作ECS。因此，對包括VCO電路的ECS的設(shè)計確定了電壓和電流波形是否在預(yù)定相位差異范圍內(nèi)，這確保了被傳遞至電池的ECS功率效率處在最優(yōu)級別。由ECS來分析，更具體地由VCO電路中的控制器來分析預(yù)定相位差異范圍和ECS功率效率，從而維持ECS功率效率的最優(yōu)級別。在對輸入至車外換能器的電壓和電流波形的分析之后，控制器輸出可操作來調(diào)整VCO電路中的頻率的電壓，因此去往車外換能器的功率發(fā)射器的輸出信號維持所期望的ECS功率效率。這還確保了電壓和電流相位差異對于第一線圈與第三線圈之間的電磁傳輸維持在大約15度，并且對于第二線圈與第四線圈之間的電感傳輸維持在零(O)度。因此，ECS使用第一和第二線圈的激發(fā)期間的系統(tǒng)功率效率測量以及角度相位差異值，來輔助做出第一車輛是否需要充電或者第二車輛是否需要充電的判定。
[0038]當(dāng)功率發(fā)射器16沒有與電源48電通信時，ECS12不處于使用中。
[0039]當(dāng)功率發(fā)射器16與電源48電通信，但是ECS12沒有操作向電池14a或電池14b充電時，ECS12部分地處于使用中。
[0040]當(dāng)ECS12向電池14a或電池14b充電時，ECS12處于使用中。為了這個目的，線圈26,30或線圈28、32必須充分地部署為足夠接近以使它們之間發(fā)生如本文先前所描述的電磁能量44或電感能量46的無線傳輸。
[0041]參考圖5，在操作地使用ECS12的一個非限制性示例中，現(xiàn)在將描述用ECS12向第一車輛40的ESD14a以及第二車輛42的ESD14b充電的方法100。方法100中的一個步驟102是，提供ECS12的的第一換能器18，包括第一線圈26和第二線圈28。第一線圈26和第二線圈28與ECS12的VCO電路24各自電通信。方法100中的另一個步驟104是，提供ESC12的多個第二換能器20、22，分別部署在至少第一車輛40和第二車輛42上。與第一車輛40相關(guān)聯(lián)的第二換能器20包含第三線圈30，并且與第二車輛42相關(guān)聯(lián)的第二換能器22包含第四線圈32。方法100中的進(jìn)一步的步驟106是，移動地定位第一車輛40和第二車輛42之一，使得發(fā)生第三線圈30被配置為與第一線圈26無線地傳送能量以及第四線圈32被配置為與第二線圈28無線地傳送能量中的一項。方法100中的另一個步驟108是，由VCO電路24以第一頻率激發(fā)第一換能器18的第一線圈26。方法100中的進(jìn)一步的步驟110是，由VCO電路24以與第一頻率不同的第二頻率激發(fā)第一換能器18的第二線圈28。方法100中的另一個步驟112是，由ECS12確定作為激發(fā)的第一線圈26的結(jié)果與第一車輛相關(guān)聯(lián)的第三線圈30是否被激勵，這與當(dāng)?shù)谝痪€圈26在激發(fā)步驟108中被激發(fā)時由ECS12所測量的第一 ECS功率效率有關(guān)。方法100中的進(jìn)一步的步驟114是，由ECS12確定作為激發(fā)的第二線圈28的結(jié)果，與第二車輛相關(guān)聯(lián)的第四線圈32是否被激勵，這與當(dāng)?shù)诙€圈28在激發(fā)步驟110中被激發(fā)時由ECS12所測量的第二 ECS功率效率有關(guān)。方法100中的另一個步驟116是，由ECS12比較第一 ECS功率效率與第二 ECS功率效率。方法100中的進(jìn)一步的步驟118是，當(dāng)?shù)谝?ECS功率效率處在可接受的ECS功率效率范圍中時，向第一車輛40的ESD14a充電；或者當(dāng)?shù)诙?ECS功率效率處在可接受的ECS功率效率范圍中時，向第二車輛42的ESD14b充電。對第一和第二線圈26、28的激發(fā)可以是反復(fù)的過程，以了解哪個車輛的電池需要充電。
[0042]另外，VCO電氣設(shè)備的頻率可以被改變，以匹配如本文先前所描述的VCO電路的輸出的AC電壓與AC電流的相位角度差異。因此，基于與最優(yōu)ECS功率效率有關(guān)的相位角度差異而調(diào)整VCO電路的輸出頻率。
[0043]盡管不直接影響由VCO電路所調(diào)整的ECS12頻率，但是多個因素進(jìn)一步影響ECS12是否操作地向第一車輛40的ESD14a充電或者向第二車輛42的ESD14b充電。這些因素中的任何一個因素或者這些因素中的所有因素可影響ECS是否操作為向ESD充電。一個因素是第一車輛的ESD或第二車輛的ESD的健康狀態(tài)。另一個因素是第一車輛的ESD或第二車輛的ESD的電荷水平。進(jìn)一步的因素是ECS的開/關(guān)狀態(tài)。ECS可具有由ECS的操作人員可按壓的部署在功率發(fā)射器上的用于ECS開/關(guān)控制的按鈕。另外，這些因素被ECS監(jiān)測。例如，如果ESD的健康狀態(tài)是該ESD不健康，則ECS將不向該ESD充電。在另一種情況中，如果ECS確定ESD的充電級別處于充滿的電荷水平，ECS將不向該ESD充電。如果ECS的按鈕沒有被按壓而激活ECS用于充電，則ECS將不向ECS充電。
[0044]應(yīng)當(dāng)注意，角度相位差異值被預(yù)定為處在與如本文先前所描述的無線傳輸機(jī)制(即無線電磁性和無線電感性)相關(guān)聯(lián)的預(yù)定頻率范圍相對應(yīng)的值的預(yù)定范圍中。因此，VCO電路24向線圈18、26之一輸出這些頻率中的一個頻率，并且然后ECS12測量系統(tǒng)功率效率并且確定它是否處在可接受的范圍中。如果是，則VCO電路24精細(xì)調(diào)諧從功率發(fā)射器16輸出至車外換能器18的電信號的頻率，直到獲得ECS12的最優(yōu)系統(tǒng)功率效率。VCO電路24繼續(xù)監(jiān)測角度相位差異值，并且由VCO電路24調(diào)整頻率，以維持整個ESD充電過程中的最優(yōu)系統(tǒng)功率效率。然而，如果第一頻率不在可接受的范圍中，則VCO電路24輸出與另一種無線傳輸機(jī)制相對應(yīng)的另一個已知頻率，并且在確定系統(tǒng)功率效率是否處在所輸出的頻率生物可接受的徂圍中結(jié)束后開始該過程。如果系統(tǒng)功率效率處在可接受的徂圍中，則VCO電路精細(xì)調(diào)諧，以確保在充電周期期間的最優(yōu)系統(tǒng)功率效率。如果系統(tǒng)功率效率未處在可接受的范圍中，則VCO嘗試另一個頻率，這可能是反復(fù)過程，以適當(dāng)?shù)叵虻谝卉囕v40或第二車輛42充電。
[0045]參考圖6，根據(jù)本發(fā)明的可選實施例，圖示了 VCO電路225。在圖6中示出的與圖3的VCO電路24有關(guān)的類似元件，具有相差200的參考標(biāo)號。與本文先前所描述的VCO電路24類似，VCO電路225采用VC0271、放大器270、電壓監(jiān)測器273、電流監(jiān)測器274、以及檢測電路272。檢測電路272包括觸發(fā)器電組件287和控制器288。觸發(fā)器287向控制器288提供多個計數(shù)，這些計數(shù)允許控制器288確定在輸出299上提供什么電壓，以操作地控制VC0271的頻率。電阻器281-284、289允許電信號偏置在正確的電壓電平。電流監(jiān)測器274電連接至線圈285，線圈285提供來自放大器270的輸出的電流感測。VC0271與放大器270的輸入電通信。電壓電信號攜載于信號路徑292、293上，并且被電壓監(jiān)測器273接收。電流信號攜載于信號路徑290、291上，并且被電流監(jiān)測器274接收。觸發(fā)器電組件287從電壓監(jiān)測器273接收輸出296并且從電流監(jiān)測器274接收輸出297。觸發(fā)器電組件287的輸出298被控制器288接收。VC0271從控制器288接收輸出299。例如，如果零電脈沖從觸發(fā)器輸出至控制器，則VCO電路的頻率上的調(diào)整可能不必要。如果由于監(jiān)測器273和274的反饋，觸發(fā)器的輸出上的脈沖數(shù)量大于零脈沖，則可發(fā)生與所接收的反饋信號的量有關(guān)的對VCO的電壓調(diào)整。
[0046]可選地，取決于對于ECS的使用的電氣應(yīng)用，可采用其他的預(yù)定相位角度差異值，用于電磁傳輸和電感無線傳輸。在一些應(yīng)用中，例如，可能需要21度的最優(yōu)相位角度差異用于無線電磁傳輸，以及2度的最優(yōu)相位角度差異用于無線電感傳輸。仍然可選地，相位差異角度可以是取決于ECS的使用的應(yīng)用所確定的任意值。
[0047]可選地，本發(fā)明的精神和范圍還可應(yīng)用至除了電磁和電感傳輸之外的任何其他無線傳輸類型，諸如例如電場耦合。
[0048]仍然可選地，VCO電路的檢測電路可包括嵌入式控制器。這樣的電路實施方式，例如可以消除VCO電路中的其他電氣塊/電氣組件，簡化了電路設(shè)計，可具有減少的成本。參考圖3，使用嵌入式控制器允許結(jié)合的功能，從而可不需要監(jiān)測器73、74、檢測電路72、以及VCO電路71。類似地，參考圖7，當(dāng)在VCO電路中使用嵌入式控制器時，可不需要監(jiān)測器273、274，觸發(fā)器287，控制器288、以及VCO電氣設(shè)備271。
[0049]因此，已經(jīng)提出了一種穩(wěn)健的充電系統(tǒng)，該充電系統(tǒng)簡化了充電系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、確定查明與車輛相關(guān)聯(lián)的無線充電系統(tǒng)的類型、且然后繼而以產(chǎn)生最優(yōu)充電系統(tǒng)功率效率的充電系統(tǒng)頻率向正確的車輛充電。另外，ECS可配置為跨越車外換能器與車載換能器之間的距離無線地傳輸電磁或電感能量。VCO電路方便地被制造在向車外換能器供電的、ECS的功率發(fā)射器中。VCO電路被用來如下兩個操作:確定正被充電的車輛是電磁系統(tǒng)還是電感系統(tǒng)；以及然后輔助有效地管理電信號的頻率，從而在對包含該電磁或電感ECS的車輛的電池充電期間維持最優(yōu)ECS功率效率。ECS由諸如在電氣領(lǐng)域中通常商業(yè)可得到的電阻器、電容器、中繼器等的電氣組件所構(gòu)建。VCO電氣設(shè)備可通常可得到的部件而被購買，處于由ECS的電磁和電感無線機(jī)制所覆蓋的感興趣頻率。可容易地用觸發(fā)器電氣組件和控制器來構(gòu)建VCO電路的檢測電路。ECS12方便地在第一和第二線圈的激發(fā)期間確定系統(tǒng)功率效率，并且還確定相位差異關(guān)系是否存在(15度關(guān)系或零(O)度關(guān)系)，來獲知第一車輛的車載換能器或者第二車輛的車載換能器是否與車外換能器對準(zhǔn)。發(fā)現(xiàn)15度相位差異角度以提供用于確定電磁ECS配置的決定性值。
[0050]盡管已經(jīng)根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不意圖為被如此限制，而是僅限制于隨后的權(quán)利要求書中所闡述的范圍。
[0051]本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易理解，本發(fā)明容許寬泛的實用性和應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明和前述描述或者由本發(fā)明和前述描述合理暗示了或從中可明顯得出不同于上文所描述的那些的本發(fā)明的許多實施例和適應(yīng)性改變以及許多變化、修改和等價配置，且不偏離本發(fā)明的主旨和范圍。因此，盡管已經(jīng)關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳細(xì)地在本文中描述了本發(fā)明，但是將理解，本公開內(nèi)容對本發(fā)明僅是說明性和示例性的，并且僅為了提供本發(fā)明的完全公開內(nèi)容并且使能本發(fā)明的公開內(nèi)容的目的而做出。前述的公開內(nèi)容不意圖為或者被解釋為限制本發(fā)明，或者以其他方式排除任何這種其他的實施例、適應(yīng)性改變、變化、修改以及等價配置，本發(fā)明僅由下列權(quán)利要求和它們的等價物來限定。
【權(quán)利要求】
1.一種向至少一個儲能設(shè)備(ESD)充電的充電系統(tǒng)(ECS)，包括: 壓控振蕩器(VCO)電路； 包括多個線圈的第一換能器，所述多個線圈至少包含與所述VCO電路各自電通信的第一線圈和第二線圈； 分別包括下列各項中的至少一項的多個第二換能器， (i)第三線圈，以及 (ii)第四線圈 其中當(dāng)所述VCO電路工作在第一頻率時，所述第一線圈與所述第三線圈無線地通信來向所述ESD充電，并且當(dāng)所述VCO電路工作在與所述第一頻率不同的第二頻率時，所述第二線圈與所述第四線圈無線地通信來向所述ESD充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ECS，其中所述多個第二換能器部署于多個車輛上，所述多個車輛包括第一機(jī)動車和第二機(jī)動車，并且所述第一機(jī)動車包括所述多個第二換能器中包含所述第三線圈的第二換能器，并且所述第二機(jī)動車包括所述多個第二換能器中包含所述第四線圈的第二換能器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ECS，其中所述第一車輛和所述第二車輛分別是電動車輛和混合電動車輛中的一種，并且所述第一車輛的所述ESD被配置為向所述第一車輛的動力傳動系統(tǒng)供電，并且所述第二車輛的所述ESD被配置為向所述第二車輛的動力傳動系統(tǒng)供電。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ECS，其中所述VCO電路部署于與所述ESC相關(guān)聯(lián)的功率發(fā)射器中，并且所述功率發(fā)射器部·署在所述第一車輛的外部并且部署在所述第二車輛的外部。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ECS，其中所述第三線圈從所述第一線圈無線地接收電磁能量，并且所述第四線圈從所述第二線圈無線地接收電感能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的ECS，其中所述VCO電路操作地維持所述電磁能量的角度相位差異以及所述電感能量的角度相位差異，所述電池能量和所述電感能量之一的所述角度相位差異是，分別從與所述ECS相關(guān)聯(lián)的功率發(fā)射器輸出并且分別由所述第一換能器接收作為輸入的AC電壓相對AC電流之間的角度相位差異。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的ECS，其中所述電磁能量的所述角度相位差異具有從大約十(10)度至大約十五(15)度的范圍中的值，并且所述電感能量的所述角度相位差異具有大約零(O)度的值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ECS，其中所述VCO電路包括: 具有輸入和輸出的放大器，所述輸出與所述第一換能器電通信， 與所述放大器的所述輸入電通信的VCO電氣設(shè)備， 電壓監(jiān)測器電路，具有與所述放大器的所述輸出電通信的輸入， 電流監(jiān)測器電路，具有與所述放大器的所述輸出電通信的輸入， 檢測電路，具有輸出以及第一輸入和第二輸入，其中 所述檢測電路的所述輸出與所述VCO電氣設(shè)備的輸入電通信，并且 所述檢測電路的所述第一輸入從所述電壓監(jiān)測器電路接收電信號，并且 所述檢測電路的所述第二輸入從所述電流監(jiān)測器電路接收電信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的ECS，其中所述檢測電路進(jìn)一步包括與所述VCO電氣設(shè)備電通信的控制器。
10.一種用充電系統(tǒng)(ECS)向第一車輛的儲能設(shè)備(ESD)和第二車輛的ESD充電的方法，包括: 提供所述ECS的包括第一線圈和第二線圈的第一換能器，所述第一線圈和所述第二線圈分別與所述ECS的壓控振蕩器(VCO)電路電通信； 提供所述ESC的分別部署于至少所述第一車輛和所述第二車輛上的多個第二換能器，其中與所述第一車輛相關(guān)聯(lián)的所述第二換能器包含第三線圈，并且與所述第二車輛相關(guān)聯(lián)的所述第二換能器包含第四線圈； 移動地定位所述第一車輛和所述第二車輛之一，使得實現(xiàn)所述第三線圈被配置為與所述第一線圈無線地傳送能量以及所述第四線圈被配置為與所述第二線圈無線地傳送能量中的一項； 由所述VCO電路以第一頻率激發(fā)所述第一換能器的所述第一線圈； 由所述VCO電路以與所述第一頻率不同的第二頻率激發(fā)所述第一換能器的所述第二線圈； 由所述ECS確定作為第一線圈激發(fā)的結(jié)果與所述第一車輛相關(guān)聯(lián)的所述第三線圈是否被激勵，這與當(dāng)所述第一線圈在所述激發(fā)步驟中被激發(fā)時由所述ECS所測量的第一 ECS功率效率有關(guān)； 由所述ECS確定作為第二線圈激發(fā)的結(jié)果與所述第二車輛相關(guān)聯(lián)的所述第四線圈是否被激勵，這與當(dāng)所述第二線圈在所述激發(fā)步驟中被激發(fā)時由所述ECS所測量的第二 ECS功率效率有關(guān)； 由所述ECS比較所述第一 ECS功率效率與所述第二 ECS功率效率；以及 充電下列各項之一， (i )當(dāng)所述第一 ECS功率效率處在可接受的ECS功率效率范圍中時，向所述第一車輛的所述ESD充電，以及 (?)當(dāng)所述第二 ECS功率效率處在所述可接受的ECS功率效率范圍中時，向所述第二車輛的所述ESD充電。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述確定步驟進(jìn)一步包括如下的子步驟: 確定當(dāng)所述第一線圈被激發(fā)時分別輸入至所述第一換能器的AC電壓與AC電流之間的與所述ECS的所述第一功率效率有關(guān)的第一角度相位差異，以及 確定當(dāng)所述第二線圈被激發(fā)時分別輸入至所述第一換能器的AC電壓與AC電流之間的與所述ECS的所述第二功率效率有關(guān)的第二角度相位差異。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所確定的第一角度相位差異大于所確定的第二角度相位差異。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所確定的第一角度相位差異是大約15度，并且所確定的第二角度相位差異是大約零(O)度。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中由所述第三線圈從所述第一車輛的所述第一線圈無線接收的所述能量包括無線電磁能量，并且由所述第四線圈從所述第二車輛的所述第二線圈無線接收的所述能量包括無線電感能量。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第三線圈以第一頻率從所述第一線圈無線接收能量，并且所述第四線圈以與所述第一頻率不同的第二頻率從所述第二線圈無線接收倉tfi。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一頻率大于所述第二頻率。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述確定步驟進(jìn)一步包括由與下列各項中的一項的充電相關(guān)聯(lián)的所述ECS對所述VCO電路的操作控制: (i )所述第一車輛的所述ESD，以及 (ii)所述第二車輛的所述ESD， 其中對所述VCO電路的所述操作控制進(jìn)一步基于下列各項中的至少一項: a)所述第一車輛和所述第二車輛之一的所述ESD的健康狀態(tài)， b)所述第一車輛和所述第二車輛之一的所述各自ESD的充電水平，以及 c)所述ECS的開/關(guān)狀態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中對所述VCO電路的所述操作控制基于: a)所述第一車輛和所述第二車輛之一的所述ESD的所述健康狀態(tài)， b)所述第一車輛和所述第二車輛之一的所述各自ESD的所述充電水平，以及 c)所述ECS的所述開/關(guān)狀態(tài)。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述·的方法，其中所述VCO電路部署于與所述ECS相關(guān)聯(lián)的功率發(fā)射器中，并且所述VCO電路包括與所述第一換能器直接電連接的放大器，并且所述功率發(fā)射器部署在所述第一車輛和所述第二車輛的外部。
20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第一車輛和所述第二車輛分別是下列各項中的一項: (i)混合電動車輛，以及 (ii)電動車輛。
【文檔編號】H02J7/00GK103858306SQ201280049035
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月6日
【發(fā)明者】R·J·博耶, B·D·帕夏, J·V·福卓 申請人:德爾福技術(shù)有限公司