KR20170135950A - A wireless battery charging system that varies the magnetic field frequency to maintain a desired voltage-current phase relationship - Google Patents
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Abstract
에너지 저장 디바이스(14), 이를테면 배터리(14)를 무선으로 충전하도록 구성되는 전기 충전 시스템(12). 충전 시스템(12)은 교류 전력원(48)과 전기 통신하는 그리고 에너지 저장 디바이스(14)에 접속된 온-차량 트랜스듀서(20)에 전자기적으로 커플링된 오프-트랜스듀서(18)를 포함한다. 제어기(53)가 전력 송신기(16) 내의 가변 주파수 발진기(71)를 조절함으로써, 소싱되는 전기 전력의 주파수를 변경한다. 충전 시스템(12)은 제어기(53) 및 오프-트랜스듀서(18)와 통신하는 그리고 전력원(48)에 의해 공급된 교류 전압과 교류 전류 사이의 위상 차이를 결정하도록 구성되는 위상 검출 회로(72)를 더 포함한다. 제어기(53)는 위상 차이에 기초하여 가변 주파수 발진기(71)를 조절하도록 구성되어, 소싱된 전기 전력의 주파수가 바람직한 범위 내의 위상 차이를 유지하도록 한다.An electrical charging system (12) configured to wirelessly charge an energy storage device (14), such as a battery (14). The charging system 12 includes an off-transducer 18 in electrical communication with an alternating current power source 48 and electromagnetically coupled to an on-vehicle transducer 20 connected to the energy storage device 14 do. The controller 53 changes the frequency of the electric power sourced by adjusting the variable frequency oscillator 71 in the power transmitter 16. [ The charging system 12 includes a phase detection circuit 72 that is configured to communicate with the controller 53 and the off-transducer 18 and to determine the phase difference between the alternating current and the alternating current supplied by the power source 48 ). The controller 53 is configured to adjust the variable frequency oscillator 71 based on the phase difference so that the frequency of the sourced electric power maintains a phase difference within a desired range.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조Cross-reference to related application
본 출원은 2015년 5월 11일자로 출원된 미국 특허 출원 제14/708,526호의 특허 협력 조약 제8 조 하의 우선권의 이익을 주장하고, 그 전체 개시내용은 참조로 본 명세서에 포함된다.This application claims the benefit of priority under Article 8 of the Patent Cooperation Treaty of U.S. Patent Application No. 14 / 708,526, filed May 11, 2015, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference.
발명의 기술분야TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
본 발명은 차량의 배터리를 무선으로 충전하는데 사용되는 충전 시스템에 관한 것이고, 더 상세하게는, 자기장 주파수를 가변시켜 바람직한 전압-전류 위상 관계를 유지하도록 구성되는 무선 배터리 충전 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a charging system used to charge a battery of a vehicle wirelessly, and more particularly to a wireless battery charging system configured to vary a magnetic field frequency to maintain a desired voltage-current phase relationship.
자기적으로 커플링되고 물리적 간격을 가로질러 무선으로 전기 에너지를 전달하는 오프-트랜스듀서 및 온-차량(on-vehicle(차량 상의)) 트랜스듀서를 갖는 무선 충전 시스템들이 널리 공지되어 있다. 다양한 부하로 인해, 컴포넌트들의 허용오차들, 온도, 오프-트랜스듀서와 온-차량 트랜스듀서 사이의 최적의 자기적 커플링을 위한 공진 주파수가 가변할 수 있다. 효율의 최고 레벨을 유지하기 위해, 시스템의 최적의 자기적 커플링을 유지하도록 충전 시스템을 작동시킬 방법이 있을 필요가 있다. 덧붙여서, 상이한 공진 주파수들을 갖는 상이한 벤더들에 의해 구축된 온-차량 트랜스듀서들과 무선 충전 시스템의 상호운용성이 각각의 벤더의 온-차량 트랜스듀서가 그 벤더의 무선 충전 시스템과만 함께 사용될 필요가 없다는 것에 대해 고려될 필요가 있다.Wireless charging systems with off-transducers and on-vehicle transducers that are magnetically coupled and deliver electrical energy wirelessly across physical intervals are well known. Due to various loads, the tolerances of the components, the temperature, and the resonant frequency for optimal magnetic coupling between the off-transducer and the on-vehicle transducer can vary. In order to maintain the highest level of efficiency, there is a need to have a way to operate the charging system to maintain the optimal magnetic coupling of the system. In addition, the interoperability of wireless charging systems with on-vehicle transducers built by different vendors with different resonant frequencies requires that each vendor's on-vehicle transducer be used only with its vendor's wireless charging system There is a need to be taken into account.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 충전 시스템이 제공된다. 전기 충전 시스템은 에너지 저장 디바이스를 무선으로 충전하도록 구성된다. 전기 충전 시스템은 교류 전류, 교류 전압, 및 주파수를 갖는 전기 전력을 소싱하도록 구성되는 가변 주파수 발진기(variable frequency oscillator)를 포함하는 전기 전력 송신기, 가변 주파수 발진기를 조절하도록 동작 가능하여, 소싱되는 전기 전력의 주파수를 변경하는 제어기, 전기 전력 송신기와 전기 통신하며, 에너지 저장 디바이스와 전기 통신하는 온-차량 트랜스듀서에 전자기적으로 커플링되도록 구성되어, 에너지 저장 디바이스를 충전할 전기 전력을 캡처하도록 온-차량 트랜스듀서를 유도하는 오프-트랜스듀서, 및 제어기 및 오프-트랜스듀서와 통신하는 그리고 교류 전압과 교류 전류 사이의 위상 차이를 결정하도록 구성되는 위상 검출 회로를 포함한다. 제어기는 위상 차이에 기초하여 가변 주파수 발진기를 조절하도록 구성되어, 소싱되는 전기 전력의 주파수가 바람직한 범위 내에서 위상 차이를 유지하도록 한다.According to an embodiment of the present invention, an electrical charging system is provided. The electrical charging system is configured to wirelessly charge the energy storage device. An electrical charging system includes an electrical power transmitter including a variable frequency oscillator configured to source electrical power having alternating current, alternating voltage, and frequency, an electrical power transmitter operable to condition the variable frequency oscillator, A transducer configured to be electromagnetically coupled to an on-vehicle transducer in electrical communication with the energy storage device, the transducer being in electrical communication with the energy storage device, An off-transducer to derive a vehicle transducer, and a phase detector circuit configured to communicate with the controller and the off-transducer and to determine a phase difference between the ac voltage and the ac current. The controller is configured to adjust the variable frequency oscillator based on the phase difference such that the frequency of the electric power sourced maintains the phase difference within a desired range.
제어기는 소싱되는 전기 전력의 주파수가 10 킬로헤르츠(kHz) 내지 450 kHz의 주파수 범위 내에서 스위핑하도록 가변 주파수 발진기를 조절하도록 구성될 수 있다.The controller may be configured to adjust the variable frequency oscillator to sweep the frequency of the sourced electrical power within a frequency range of 10 kilohertz (kHz) to 450 kHz.
전기 충전 시스템은 제어기와 전기 통신하는 무선 송신기를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 온-차량 트랜스듀서는 캡처된 전기 전력의 값을 결정하도록 구성되는 전력 검출 회로와 전기 통신한다. 전력 검출 회로는 무선 송신기를 통해 캡처된 전기 전력의 값을 제어기로 무선으로 송신하도록 구성되는 무선 수신기와 전기 통신하고, 제어기는 캡처된 전기 전력의 값과 소싱된 전기 전력의 값을 비교함으로써 전력 효율을 결정하도록 구성된다. 제어기는 전력 효율에 기초하여 가변 주파수 발진기를 조절하도록 구성되어, 소싱된 전기 전력의 주파수가 전력 효율을 최대화하도록 한다.The electrical charging system may further comprise a wireless transmitter in electrical communication with the controller. In this case, the on-vehicle transducer is in electrical communication with a power detection circuit configured to determine the value of the captured electric power. The power detection circuit is in electrical communication with a wireless receiver configured to wirelessly transmit the value of the electric power captured through the wireless transmitter to the controller and the controller compares the value of the captured electric power with the value of the sourced electric power, . The controller is configured to adjust the variable frequency oscillator based on power efficiency such that the frequency of the sourced electrical power maximizes power efficiency.
온-차량 트랜스듀서와 에너지 저장 디바이스는 차량 내에 배치될 수 있다. 오프-트랜스듀서와 전기 전력 송신기는 차량 외부에 배치될 수 있다. 대안적으로, 오프-트랜스듀서와 전기 전력 송신기는 차량 내에 배치될 수 있다.The on-vehicle transducer and the energy storage device may be located within the vehicle. The off-transducer and the electric power transmitter may be located outside the vehicle. Alternatively, the off-transducer and the electric power transmitter may be located in the vehicle.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전기 충전 시스템이 제공된다. 전기 충전 시스템은 에너지 저장 디바이스를 무선으로 충전하도록 구성된다. 전기 충전 시스템은 교류 전류, 교류 전압, 및 주파수를 갖는 전기 전력을 소싱하도록 구성되는 가변 주파수 발진기를 포함하는 전기 전력 송신기, 가변 주파수 발진기를 조절하도록 동작 가능하여, 소싱되는 전기 전력의 주파수를 변경하는 제어기, 전기 전력 송신기와 전기 통신하며, 상기 에너지 저장 디바이스와 전기 통신하는 온-차량 트랜스듀서에 전자기적으로 커플링되도록 구성되어, 에너지 저장 디바이스를 충전할 전기 전력을 캡처하도록 온-차량 트랜스듀서를 유도하는 오프-트랜스듀서, 및 제어기와 전기 통신하는 무선 송신기를 포함한다. 온-차량 트랜스듀서는 캡처된 전기 전력의 값을 결정하도록 구성되는 전력 검출 회로와 전기 통신한다. 전력 검출 회로는 캡처된 전기 전력의 값을 무선 송신기를 통해 제어기로 무선으로 송신하도록 구성되는 무선 수신기와 전기 통신한다. 제어기는 캡처된 전기 전력의 값과 소싱된 전기 전력의 값을 비교함으로써 전력 효율을 결정하도록 구성된다. 제어기는 전력 효율에 기초하여 가변 주파수 발진기를 조절하도록 구성되어, 소싱된 전기 전력의 주파수가 전력 효율을 최대화하도록 한다.According to another embodiment of the present invention, an electrical charging system is provided. The electrical charging system is configured to wirelessly charge the energy storage device. An electrical charging system includes an electrical power transmitter including a variable frequency oscillator configured to source electrical power having alternating current, alternating voltage, and frequency, a variable frequency oscillator operable to adjust the frequency of the sourced electrical power Vehicle transducer in electrical communication with a controller, an electrical power transmitter, and is configured to be electromagnetically coupled to an on-vehicle transducer in electrical communication with the energy storage device to provide an on-vehicle transducer An off-transducer for directing the signal, and a wireless transmitter in electrical communication with the controller. The on-vehicle transducer is in electrical communication with a power detection circuit configured to determine the value of the captured electric power. The power detection circuit is in electrical communication with a wireless receiver configured to wirelessly transmit the value of the captured electric power to the controller via the wireless transmitter. The controller is configured to determine the power efficiency by comparing the value of the captured electric power with the value of the sourced electric power. The controller is configured to adjust the variable frequency oscillator based on power efficiency such that the frequency of the sourced electrical power maximizes power efficiency.
배경 섹션에서 논의된 발명의 주제는 단순히 배경 섹션에서의 그것의 언급의 결과로서 선행 기술인 것으로 가정되지 않아야 한다. 마찬가지로, 배경 섹션에서 언급되거나 또는 배경 섹션의 발명의 주제와 연관된 문제가 선행 기술에서 이전에 인식되었다고 가정되지 않아야 한다. 배경 섹션에서의 발명의 주제는 단지 상이한 접근법들을 나타내며, 이러한 상이한 접근법들은 그것들 자체로 또한 발명들일 수 있다.The subject matter of the invention discussed in the Background section should not be assumed to be prior art simply as a result of its mentioning in the Background section. Likewise, it should not be assumed that the problems mentioned in the background section or associated with the subject matter of the invention of the background section have been previously recognized in the prior art. The subject matter of the invention in the Background section only represents different approaches, and these different approaches can also be inventions by themselves.
본 발명이 첨부 도면들을 참조하여 더 설명될 것인데, 도면들 중에서,
도 1은 본 발명에 따라 가변 주파수 발진기(VFO) 회로를 포함하는 전기 충전 시스템의 회화적 측면도이며;
도 2는 배터리와 온-차량 트랜스듀서 중간에 배치된 도 1의 충전 시스템의 개략도이며;
도 3은 도 1의 VFO 회로의 개략도를 도시하며;
도 4는 도 3의 VFO 회로에 의해 모니터링되는 전압과 전류 사이의 각도 위상 차이 관계를 도시하며;
도 5는 본 발명의 대체 실시예에 따른 충전 시스템의 VFO 회로의 개략도를 도시한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be further described with reference to the accompanying drawings,
1 is a pictorial side view of an electrical charging system including a variable frequency oscillator (VFO) circuit in accordance with the present invention;
Figure 2 is a schematic diagram of the charging system of Figure 1 disposed between a battery and an on-vehicle transducer;
Figure 3 shows a schematic diagram of the VFO circuit of Figure 1;
Figure 4 shows the angular phase difference relationship between voltage and current monitored by the VFO circuit of Figure 3;
5 shows a schematic diagram of a VFO circuit of a charging system according to an alternative embodiment of the present invention.
무선 전기 충전 시스템의 공진 주파수가 부하에서의 변동, 허용오차 스택업으로 인한 전기 컴포넌트 성능 변동, 온도에서의 변동, 컴포넌트 배치 및 배향에서의 변동으로 인해 가변할 수 있다. 오프-트랜스듀서가 하나의 특정 온-차량 트랜스듀서에 대해 주파수-튜닝된 다음 동일한 주파수 또는 주파수들의 범위로 튜닝되지 않는 상이한 온-차량 트랜스듀서와 함께 사용된다면 공진 주파수에서의 부정합이 또한 초래될 수 있다. 이들 종류들의 변동이 무선 충전 시스템의 전력 전송 효율을 바람직하지 않게 감소시킬 수 있다. 전력 전송 효율은 오프-트랜스듀서의 출력 주파수를 조절함으로써 전술한 변동들에 관련하여 효과적으로 관리되고 제어될 수 있다는 것이 발견되어 있다.The resonant frequency of the wireless electrical charging system can vary due to variations in load, variations in electrical component performance due to tolerance stack up, variations in temperature, variations in component placement and orientation. If off-transducers are used with different on-vehicle transducers that are frequency-tuned for one particular on-vehicle transducer and then are not tuned to the same frequency or range of frequencies, then mismatch at the resonant frequency may also result have. Variations of these types can undesirably reduce the power transmission efficiency of the wireless charging system. It has been found that the power transmission efficiency can be effectively managed and controlled with respect to the above-mentioned variations by adjusting the output frequency of the off-transducer.
전기 전력을 오프-트랜스듀서에 공급하는 전력 송신기의 출력 주파수는 전력 송신기에 배치된 가변 주파수 발진기(VFO) 회로에 의해 결정된다. 충전 시스템에서의 VFO 회로는 온-차량 트랜스듀서의 공진 주파수를 더욱 긴밀하게 매칭시키기 위해 오프-트랜스듀서에 의해 생성된 자기 에너지의 주파수의 조절을 유리하게 제공한다. VFO 회로는 오프와 온-차량 트랜스듀서들의 공진 주파수가 제조 허용오차들, 환경적 상황, 그리고 오프-트랜스듀서와 온-차량 트랜스듀서들의 오정렬을 수용하도록 조절되는 것을 유리하게 허용한다. VFO 회로는 상이한 사양들에 대한 상이한 제조들에 의해 구축된 오프와 온-차량 트랜스듀서들 사이의 공진 주파수에서의 차이들을 또한 수용한다.The output frequency of the power transmitter that supplies the electrical power to the off-transducer is determined by a variable frequency oscillator (VFO) circuit disposed in the power transmitter. The VFO circuit in the charging system advantageously provides regulation of the frequency of the magnetic energy generated by the off-transducer to more closely match the resonant frequency of the on-vehicle transducer. The VFO circuitry advantageously allows the resonant frequencies of the off-on-vehicle transducers to be adjusted to accommodate manufacturing tolerances, environmental conditions, and misalignment of off-transducers and on-vehicle transducers. The VFO circuit also accommodates differences in resonance frequency between off-on-on-vehicle transducers built by different manufactures for different specifications.
본 발명의 특징들을 실시하는 무선 충전 시스템(12)의 비제한적 예가 도 1 및 도 2에서 도시된다. 여기서 제시되는 무선 충전 시스템(12)은 차량(40) 내에 배치되는 배터리(14)를 전기적으로 충전하도록 구성된다. 차량(40)은 하이브리드 차량 또는 하이브리드 전기 차량일 수 있고 배터리(14)는 차량의 추진 시스템(도시되지 않음)을 구동하도록 구성될 수 있다. 무선 충전 시스템(12)은 교류 전력 송신기(16), 오프-트랜스듀서(18), 및 온-차량 트랜스듀서(20)를 포함한다. 전력 송신기(16)는 가변 주파수 발진기(VFO) 회로(24)를 더 포함한다. 전력 송신기(16)는 차량(40) 외부에 배치된다. 오프-트랜스듀서(18)는 VFO 회로(24)와 전기 통신한다. 바람직하게는, 오프-트랜스듀서(18)는 접지 표면(22), 이를테면 차고 바닥 또는 주차장 표면에 고정되도록 구성된다. 온-차량 트랜스듀서(20)는 차량(40)에 부착된다. 온-차량 트랜스듀서(20)는 차량(40)의 하부구조(undercarriage)(26) 상에 위치될 수 있다.A non-limiting example of a
오프-트랜스듀서(18)는, 전력 송신기(16)에 의해 공급되는 교류 전압 및 교류 전류를 갖는 전기 에너지로 여기될 때, 자기 에너지(44)를 온-차량 트랜스듀서(20)로 무선으로 송신하는 자기장을 생성하는 소스 코일(도시되지 않음)을 포함한다. 배터리(14)의 전기 충전을 위해, 온-차량 트랜스듀서(20)는 오프-트랜스듀서(18)로부터 이격되며, 따라서 온-차량 트랜스듀서(20)로부터의 거리만큼 오프-트랜스듀서(18)를 분리시킨다. 오프-트랜스듀서(18)에 의해 생성되는 교류 자기장은 캡처 코일(도시되지 않음)에서 교류 전압을 갖는 교류 전류를 유도한다. 이 캡처된 전기 에너지는 차량(40)의 배터리(14)를 충전하는데 사용된다.The off-
오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20) 사이의 에너지의 에너지 송신 효율은 에너지가 트랜스듀서들(18, 20) 사이에서 무선으로 전달될 수 있도록 이들 트랜스듀서들(18, 20)의 정렬에 의존한다. 트랜스듀서들(18, 20)의 이러한 정렬은 온-차량 트랜스듀서(20)의 적어도 부분이 오프-트랜스듀서(18) 위에 놓일 때 실현될 수 있다. 도 2를 참조하면, 온-차량 트랜스듀서(20)의 적어도 부분이 오프-트랜스듀서(18) 위에 놓인다. 대안적으로, 온-차량 트랜스듀서(20)는 오프-트랜스듀서(18) 위에 놓이지 않지만, 무선 에너지 송신이 일어나도록 여전히 온-차량 트랜스듀서(20)에 근접할 수 있다.The energy transfer efficiency of the energy between the off-
전력 송신기(16)는 전력원(48)과 전기 통신한다. 전력원(48)은 유틸리티 메인에 일반적으로 연관되는 120 VAC 또는 240 VAC의 전압을 공급할 수 있다. 전력원(48)의 전압은 특정 지리적 로케이션에 대한 이용 표준에 의존하여, 60 헤르츠(Hz) 또는 50 Hz의 교류 주파수를 통상적으로 가질 수 있다. 대안적으로, 전력원(48)은 120 VAC 또는 240 VAC와는 상이한 동작 전압 또는 50 Hz 또는 60 Hz와는 상이한 동작 주파수를 가질 수 있다.The
무선 충전 시스템(12)은 차량(40) 내에 배치된 제어기/변환기(53)를 더 포함하고 전력 송신기(16), 오프-트랜스듀서(18), 및 온-차량 트랜스듀서(20)와 협력하여 배터리(14)를 전기적으로 충전하는데 유용한 전류를 제공한다. 제어기/변환기(53)의 변환기 부분은 정류기 회로(도시되지 않음)를 형성하는 전기 컴포넌트들을 포함한다. 정류기 회로는 온-차량 트랜스듀서(20)와 전기 통신하여 온-차량 트랜스듀서(20)에 의해 출력된 HV HF AC 신호를 배터리(14)를 전기적으로 충전하는데 더욱 효과적인 HV DC 신호로 변환한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, HV HF AC 신호는, VFO 회로(24)에 의해 생성되고 오프-트랜스듀서(18)에 입력되고 오프와 온-차량 트랜스듀서들(18, 20) 사이의 자기적 커플링으로 인해 온-차량 트랜스듀서(20)로부터 출력되는 고전압, 고주파수 교류(AC) 전기 신호이다. 예시된 예에서, HV HF AC 신호의 전압은 120 VAC를 초과하고 HV HF AC 신호의 주파수는 60 헤르츠(Hz)를 초과한다. 그 주파수는 10 kHz 내지 450 kHz의 범위에 있을 수 있다. 예를 들어, 이 범위는 10~70 kHz의 범위에 일반적으로 있는 긴밀하게 커플링된 공진기들을 위해 통상적으로 사용되는 주파수들과 50~450 kHz의 범위에 일반적으로 있는 느슨하게 커플링된 공진기들을 위해 통상적으로 사용되는 주파수들을 커버할 수 있다. 또한 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, HV DC 신호는 전압 및 전류가 시가변적이지 않은 고전압, 직류(DC) 전기 신호이다.The
제어기/변환기(53)의 제어기 부분은 마이크로프로세서, 주문형 집적회로(application specific integrated circuit)(ASIC)일 수 있거나, 또는 이산 로직 및 타이밍 회로들(도시되지 않음)로부터 구축될 수 있는 중앙 프로세싱 유닛(도시되지 않음)을 포함한다. 제어기 부분을 프로그램하는 소프트웨어 명령들이 비휘발성(non-volatile)(NV) 메모리 디바이스(도시되지 않음)에 저장될 수 있다. NV 메모리 디바이스는 마이크로프로세서 또는 ASIC 내에 포함될 수 있거나 또는 별도의 디바이스일 수 있다. 사용될 수 있는 NV 메모리의 유형들의 비제한적 예들은 전기적으로 소거가능 프로그램가능 판독 전용 메모리(electrically erasable programmable read only memory)(EEPROM), 마스킹된 판독 전용 메모리(read only memory)(ROM), 및 플래시 메모리를 포함한다. 제어기 부분은 제어기 부분이 차량(40) 내의 다른 디바이스들과 전기 통신을 확립하는 것을 허용하는 유선 트랜시버(도시되지 않음), 이를테면 제어기 영역 네트워크(controller area network)(CAN) 트랜시버를 또한 포함한다.The controller portion of controller /
도 2에 예시된 바와 같이 충전 시스템(12)은 제어기/변환기(53)에 배치된 송신기(도시되지 않음)와 제어기/변환기(53)로부터 전력 송신기(16)로의 무선 링크(65)를 확립하는 전력 송신기(16) 내에 배치된 수신기(도시되지 않음)를 더 포함한다. 송신기와 수신기는 전력 송신기(16)로부터 제어기/변환기(53)로의 귀환 무선 링크(66)를 확립하기 위하여 트랜시버들로서 구성될 수 있다.As illustrated in Figure 2, the charging
제어기 부분은 전압, 전류, 및 전력을 측정한다. 제어기/변환기(53)의 제어기 부분은 전력 송신기(16)가 최적 충전 시스템 전력 효율을 보장하기 위해 오프-트랜스듀서(18)에 공급되는 전력의 양을 추가로 조절할 수 있도록 측정된 전압, 전류, 및 전력 데이터를 무선 링크(65)를 통해 전력 송신기(16)로 송신한다. 바람직하게는, 최적 충전 시스템 전력 효율은 85%를 초과한다. 비슷하게, 전력 송신기(16)는 공급된 전력 데이터를 귀환 무선 링크(66)를 통해 제어기/변환기(53)의 제어기 부분으로 추가로 무선으로 송신할 수 있다. 다른 구성들과 함께 본 명세서에서 설명된 즉석의 제어기/구성은 발명의 명칭이 "ELECTRICAL CHARGING SYSTEM HAVING ENERGY COUPLING ARRANGEMENT FOR WIRELESS ENERGY TRANSMISSION THEREBETWEEN"인 미국 특허 출원 공개 제2013/0015812호에서 추가로 설명되며, 이는 그 전부가 참조로 본 명세서에 포함된다.The controller section measures voltage, current, and power. The controller portion of the controller /
도 3을 참조하면, VFO 회로(24)의 블록도가 도시된다. VFO 회로(24)는 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)(VCO)(71), 증폭기(70), 전압 모니터 회로(73), 전류 모니터 회로(74), 및 위상 검출 회로(72)를 포함한다. VCO(71)는 증폭기(70)의 입력과 전기 통신한다. 피드백 루프가 오프-트랜스듀서(18)와 VCO(71) 중간에 제공된다. 피드백 루프는 위상 검출 회로(72)와 전기 통신하는 전압 모니터 회로(73) 및 전류 모니터 회로(74)를 포함한다. 전압 모니터 회로(73)는 오프-트랜스듀서(18)에 입력된 전압을 측정하고 전류 모니터 회로(74)는 오프-트랜스듀서(18)에 입력된 전류 흐름을 측정한다. 위상 검출 회로(72)는 오프-트랜스듀서(18)에의 입력에서 전압과 전류 사이의 위상 차이를 측정하도록 구성된다. 위상 검출 회로(72)는 출력(67a)에 공급되는 전류의 주파수를 제어하는 VCO(71)와 전기적으로 커플링된다.Referring to Figure 3, a block diagram of the
위상 검출 회로(72)는 전압 및 전류가 미리 결정된 위상 차이 범위 내에 있는지를 결정하도록 구성된다. 위상 차이가 바람직한 범위 내에 있지 않다면, 위상 검출 회로(72)의 전압 출력은 가변하며, 따라서 위상 차이가 바람직한 범위 내에 들기까지 VCO(71)의 주파수를 따라서 VFO 회로(24)의 주파수를 증가시키거나 또는 감소시킨다. 출력 전압 및 전류의 모니터링은 충전 시스템(12)의 동작 동안 지속적으로 행해지고 주파수 조절은 위상 차이에 기초하여 필요한 대로 적용된다. 전력 송신기(16)는 그 다음에 오프-트랜스듀서(18)에 공급된 전력의 주파수를 조절하여 충전 시스템 전력 효율이 바람직한 레벨에서 유지되는 것을 보장한다. 하나의 실시예에서, 바람직한 충전 시스템 전력 효율은 적어도 85%이다. 바람직하게는, VFO 회로(24)의 동작 주파수 범위는 약 15 kHz부터 200 kHz까지이다.The
도 4를 이제 참조하면, 그래프(69)가 전력 송신기(16)의 VFO 회로(24)의 출력(67a, 67b)에서 시간의 함수로서 AC 전류 흐름 측정결과(77) 및 AC 전압 측정결과(78)의 일 예를 도시한다. AC 전류 흐름 측정결과(77)와 AC 전압 측정결과(78)는 본 명세서에서 참조 번호 79가 지정된 각도 위상 차이 또는 위상 차분(Φ)에 의해 표현되는 양만큼 위상이 어긋난 사인파들이다. 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20) 사이의 공진, 즉, 느슨하게 자기적으로 커플링된 에너지 전달의 경우, 위상 차분은 바람직하게는 약 10 도부터 약 15 도까지의 범위에 있고 유도성, 즉, 긴밀하게 커플링된 에너지 전달의 경우, 위상 차분은 충전 시스템(12)의 최적 충전 시스템 전력 효율 성능을 보장하기 위해 약 0 내지 2 도이다. 그 위상 차이는 부분 허용오차들, 온도, 및 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20)의 정렬을 고려한다.Referring now to FIG. 4, a
따라서, VFO 회로(24)를 포함하는 충전 시스템(12)의 설계는 전압 및 전류 파형들이 배터리(14)로 전달되는 충전 시스템 전력 효율이 최적 레벨인 것을 보장하는 미리 결정된 위상 차이 범위 내에 있는지를 결정한다. 그 위상 차이는 충전 시스템(12)에 의해, 더 구체적으로는 충전 시스템 전력 효율의 최적 레벨이 유지되도록 VFO 회로(24)에서의 제어기에 의해 제어된다. 오프-트랜스듀서(18)에 입력된 전압 및 전류 파형들의 분석 후, 제어기는 VCO(71)에서 주파수를 조절하도록 동작 가능한 전압을 출력하고 그래서 오프-트랜스듀서(18)로의 전력 송신기(16)의 출력 신호는 바람직한 충전 시스템 전력 효율을 유지한다. 이는 전압 및 전류 위상 차이가 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20)가 느슨하게 커플링될 때 약 15 도로 그리고 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20)가 단단히 커플링될 때 영(0) 도로 유지되는 것을 또한 보장한다. 따라서, 충전 시스템(12)은 트랜스듀서들(18, 20)이 느슨하게 커플링되는지 또는 단단히 커플링되는지를 결정하기 위해 각도 위상 차이 값을 사용한다.Thus, the design of the charging
충전 시스템(12)은 오프-트랜스듀서(18)에 입력되는 전력과 온-차량 트랜스듀서(20)에 의해 출력되는 전력을 비교하기 위해 무선 링크(65)를 통하는 제어기/변환기(53)로부터의 전압 및 전류 데이터를 추가로 사용할 수 있다. VFO 회로(24)의 주파수는 바람직한 위상 각도 차이를 유지하기 위해 주파수를 조절하는 것에 더하여 또는 그렇게 주파수를 조절하는 것 대신에 시스템 전력 효율을 최대화하도록 추가로 조절될 수 있다.The charging
각도 위상 차이 값들이 본 명세서에서 이전에 설명된 바와 같이 무선 송신 메커니즘들에 연관된 미리 결정된 주파수들의 범위에 대응하는 미리 결정된 값 범위에 있는 (즉, 긴밀하게 커플링된 또는 느슨하게 커플링된) 것으로 미리 결정된다는 것에 주의해야 한다. 충전 시스템(12)은 주파수들의 넓은 범위, 예컨대, 약 15 kHz부터 200 kHz까지를 통해 VFO 회로(24)의 출력 주파수를 스위핑한 다음 출력 주파수가 그 범위를 통해 스위핑됨에 따라 시스템 전력 효율 및 위상 차이를 측정함으로써 트랜스듀서들(18, 20)이 긴밀하게 커플링되는지 또는 느슨하게 커플링되는지를 결정하도록 구성될 수 있다. 시스템 효율 및 위상 차이 측정결과들에 기초하여, 충전 시스템(12)은 트랜스듀서들(18, 20)이 긴밀하게 커플링되는지 또는 느슨하게 커플링되는지를 결정할 수 있고 동작 주파수 범위 및 바람직한 위상 차이 범위를 그에 따라 설정할 수 있다.It will be appreciated that the angular phase difference values may be pre-determined as being in a predetermined value range (i.e., tightly coupled or loosely coupled) corresponding to a range of predetermined frequencies associated with the radio transmission mechanisms as previously described herein It should be noted that it is determined. The charging
도 5를 이제 참조하면, 대안적 VFO 회로(225)가 예시된다. 도 3의 VFO 회로(24)에서 도시된 것들과 유사한 엘리먼트들이 200에 의해 상이한 참조 번호들을 갖는다. 이전에 설명된 바와 같은 VFO 회로(24)와 유사하게, VCO 회로(225)는 전압 제어 발진기(VCO)(271), 증폭기(270), 전압 모니터 회로(273), 전류 모니터 회로(274), 및 위상 검출 회로(272)를 채용한다. 위상 검출 회로(272)는 플립-플롭 회로(287)와 제어기(288)를 포함한다. 플립-플롭 회로(287)는 제어기(288)가 VCO(271)의 주파수를 제어하기 위해 출력(299) 상에 제공된 전압을 결정하는 것을 허용하는 카운트 수를 제어기(288)에 제공한다. 저항기들(281~284, 289)은 전기 신호들이 올바른 전압 레벨로 바이어싱되는 것을 허용한다. 전류 모니터 회로(274)는 증폭기(270)의 출력으로부터 전류 측정결과를 제공하는 감지 코일(285)에 전기적으로 접속된다. VCO(271)는 증폭기(270)의 입력들과 전기 통신한다. 전압 신호들은 신호 경로들(292, 293) 상에서 운반되고 전압 모니터 회로(273)에 의해 수신된다. 전류 신호들은 신호 경로들(290, 291) 상에서 운반되고 전류 모니터 회로(274)에 의해 수신된다. 플립-플롭 회로(287)는 전압 모니터 회로(273)로부터의 출력(296)과 전류 모니터 회로(274)로부터의 출력(297)을 수신한다. 플립-플롭 회로(287)의 출력(298)이 제어기(288)에 의해 수신된다. VCO(271)는 제어기(288)로부터 출력(299)을 수신한다. 예를 들어, 영의 전기 펄스들이 플립플롭으로부터 제어기(288)로 출력된다면 VCO(271)의 주파수에서의 조절은 필요하지 않다. 플립플롭의 출력 상의 펄스 수가 전압 모니터 회로(273) 및 전류 모니터 회로(274)의 피드백으로 인해 영의 펄스보다 더 크다면, VFO에 대한 전압 조절은 수신된 피드백 신호의 양에 관련하여 일어날 수 있다.Referring now to FIG. 5, an
대안적으로, VFO 회로(24)의 위상 검출 회로(72)는 임베디드 제어기를 포함할 수 있다. 그런 회로 구현예는, 예를 들어, 회로 설계를 단순화하여 더 낮은 비용을 제공하기 위해 VFO 회로(24)에서 다른 전기 블록들/전기 컴포넌트들을 제거할 수 있다. 도 3을 다시 참조하면, 임베디드 제어기를 사용하는 것이 통합된 기능을 허용하여서 전압 모니터 회로(73), 전류 모니터 회로(74), 위상 검출 회로(72), 및 VCO(71)는 필요하지 않을 수 있다. 마찬가지로, 도 5를 다시 참조하면, 전압 모니터 회로(273), 전류 모니터 회로(274), 플립-플롭 회로(287), 제어기(288) 및 VCO(271)는 임베디드 제어기가 사용될 때 필요하지 않을 수 있다.Alternatively, the
도 2로 이제 되돌아가면, 통합 충전기(60)와 전송 스위치(57)를 더 포함하는 향상된 충전 시스템(12a)가 도시되어 있다. 통합 충전기(60)와 전송 스위치(57)는 차량(40) 내에 배치되고 전력 송신기(16), 오프-트랜스듀서(18), 및 온-차량 트랜스듀서(20)와 협력하여 배터리(14)를 전기적으로 충전하는 전류를 제공한다. 제어기/변환기(53), 통합 충전기(60), 및 전송 스위치(57)는 전기 신호 성형 디바이스(45)를 형성하는 전기 컴포넌트들을 포함한다.Turning now to FIG. 2, there is shown an
무선 충전 시스템(12)에의 액세스가 이용 가능하지 않을 때 이차 충전 시스템(62)(즉, 백업 충전 시스템)이 배터리(14)를 충전할 전류를 제공하기 위해 차량(40) 내에 배치된 통합 충전기(60)와 또한 전기적으로 통신할 수 있다. 이차 충전 시스템(62)은 향상된 편의를 위해 배터리(14)를 충전하는 대체 모드를 유리하게 제공한다.A secondary charging system 62 (i.e., a backup charging system) is connected to an integrated charger (not shown) disposed within the
전송 스위치(57)는 이차 충전 시스템(62)과 무선 충전 시스템(12) 사이의 전환을 위해 신호 라인(55)을 통해 제어기/변환기(53)의 제어기 부분에 의해 동작적으로 제어된다. 출력(52)이 제어기/변환기(53)의 컨버터 부분에 의해 수신되는, 온-차량 트랜스듀서(20)에 의해 생성된 전기 신호를 운반한다. 출력(56)은 전송 스위치(57)에 의해 수신되는 제어기/변환기(53)의 컨버터 부분으로부터의 전기 신호를 운반한다. 출력(58)은 전송 스위치(57)로부터의 전기 신호를 배터리(14)로 운반한다. 통신 데이터 버스(54), 이를테면 제어기 영역 네트워크(CAN) 버스가, 향상된 충전 시스템(12a)에 대해 차량 데이터 정보를 또는 차량(40) 내에 배치된 다른 전기 디바이스들에 대해 충전 시스템 데이터를 수신/송신하기 위해 제어기/변환기(53)의 제어기 부분과 통신한다.The
차량(40)의 바퀴들(51a, 51b, 51c, 51d)은 온-차량 트랜스듀서(20)와 오프-트랜스듀서(18)의 정렬을 지원하기 위해 사용된다. 정렬 수단(99), 이를테면 버팀목(63)이 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20)의 이 정렬을 추가로 지원할 수 있다. 또한, 정렬 디바이스(64)가, 차량(40)을 포지셔닝하는 것을 또한 지원할 수 있으며 그래서 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20)는 적절히 정렬된다. 오프와 온-차량 트랜스듀서들(18, 20)의 정렬이 오프-트랜스듀서(18)로부터 온-차량 트랜스듀서(20)로의 에너지 송신을 최적화하기 위해 요구된다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20)의 정렬은, 도 2에 최상으로 예시된 바와 같이, 온-차량 트랜스듀서(20)의 적어도 부분이 오프-트랜스듀서(18) 위에 놓일 때 일어날 수 있다. 대안적으로, 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20)의 정렬은 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20)가 충분히 이격될 때 일어날 수 있지만, 차량(40)의 배터리(14)가 전기적으로 충전되도록 에너지의 무선 송신이 그것들 사이에서 발생하는 것을 허용할 수 있다.The
이차 충전 시스템(62)은 통합 충전기(60)에 의해 수신된 전기 신호를 운반하는 출력(61)을 생성하고 이 통합 충전기(60)는 전송 스위치(57)에 의해 수신되는 전기 신호를 운반하는 출력(59)을 생성한다.The
따라서, 충전 시스템(12)의 동작 주파수를 조절하여 최적 충전 시스템 전력 효율을 제공하는 강건한 충전 시스템(12)이 제시되어 있다. 덧붙여서, 충전 시스템(12)은 긴밀하게 커플링되거나 또는 느슨하게 커플링된 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20) 쌍 사이의 거리를 가로질러 자기 에너지를 무선으로 송신하도록 구성될 수 있다. VFO 회로(24)가 전기 신호의 주파수를 효과적으로 관리하도록 사용되어서 오프-트랜스듀서(18)에 공급된 전압 및 전류 사이의 위상 차이는 최적 충전 시스템 전력 효율을 제공하기 위하여 유지된다.Accordingly, a
충전 시스템은 전기 분야들에서 흔히 상업적으로 입수가능한 저항기들, 커패시터들, 릴레이들 등과 같은 전기 컴포넌트들로 구성된다. VCO(71)는 관심 있는 주파수들에서 흔히 입수 가능한 부품으로서 구입될 수 있다. 위상 검출 회로(272)는 플립-플롭 회로(287)와 제어기(288)로 쉽사리 구성될 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION [0002] Charging systems consist of electrical components, such as resistors, capacitors, relays, etc., that are commonly available in the electrical arts. The
충전 시스템(12)은 오프-트랜스듀서(18)와 온-차량 트랜스듀서(20) 사이의 시스템 전력 효율을 추가로 결정하고 최적 충전 시스템 전력 효율을 제공하기 위해 동작 주파수에 대한 추가의 조절들을 할 수 있다.The charging
본 발명이 그것의 바람직한 실시예들의 측면에서 설명되어 있지만, 그것은 그렇게 제한되도록 의도되지 않으며, 오히려 뒤따르는 청구항들에서 언급된 정도로만 제한되도록 의도된다. 더구나, 제1, 제2 등의 용어들의 사용은 임의의 중요도 순서를 표시하지 않고, 그보다는 제1, 제2 등의 용어들은 하나의 엘리먼트를 다른 엘리먼트로부터 구별하기 위해 사용된다. 더욱이, 영어 부정관사에 해당하는 용어들의 사용은 수량의 제한을 나타내지 않고, 그보다는 참조된 아이템들 중 적어도 하나의 참조된 아이템의 존재를 나타낸다.While the invention has been described in terms of its preferred embodiments, it is not intended to be so limited, but rather is intended to be limited only to the extent that it is recited in the claims that follow. Moreover, the use of terms such as first, second, etc. do not denote any order of importance, but rather the terms first, second, etc. are used to distinguish one element from another. Moreover, the use of terms corresponding to English indefinite articles does not imply a limitation of quantity, but rather refers to the presence of at least one of the referenced items.
Claims (11)
교류 전류, 교류 전압, 및 주파수를 갖는 전기 전력을 소싱하도록 구성되는 가변 주파수 발진기(71)를 포함하는 전기 전력 송신기(16);
상기 가변 주파수 발진기(71)를 조절하도록 동작 가능하여, 소싱되는 전기 전력의 주파수를 변경하는 제어기(53);
상기 전기 전력 송신기(16)와 전기 통신하며, 상기 에너지 저장 디바이스(14)와 전기 통신하는 온-차량 트랜스듀서(20)에 전자기적으로 커플링되도록 구성되어, 상기 에너지 저장 디바이스(14)를 충전할 전기 전력을 캡처하도록 상기 온-차량 트랜스듀서(20)를 유도하는 오프-트랜스듀서(18); 및
상기 제어기(53) 및 상기 오프-트랜스듀서(18)와 통신하고 상기 교류 전압과 상기 교류 전류 사이의 위상 차이를 결정하도록 구성되는 위상 검출 회로(72)를 포함하고, 상기 제어기(53)는 위상 차이에 기초하여 상기 가변 주파수 발진기(71)를 조절하도록 구성되어, 소싱되는 전기 전력의 주파수가 바람직한 범위 내의 위상 차이를 유지하도록 하는, 전기 충전 시스템(12).An electrical charging system (12) configured to wirelessly charge an energy storage device (14), the system (12) comprising:
An electrical power transmitter (16) comprising a variable frequency oscillator (71) configured to source electrical power having alternating current, ac voltage, and frequency;
A controller (53) operable to adjust the variable frequency oscillator (71) to change the frequency of the electric power sourced;
Is configured to be electromagnetically coupled to an on-vehicle transducer (20) in electrical communication with the electrical power transmitter (16) and in electrical communication with the energy storage device (14) to charge the energy storage device An off-transducer (18) that directs the on-vehicle transducer (20) to capture electrical power to be delivered; And
And a phase detection circuit (72) configured to communicate with the controller (53) and the off-transducer (18) and to determine a phase difference between the alternating voltage and the alternating current, the controller (53) And adjust the variable frequency oscillator (71) based on the difference so that the frequency of the sourced electric power maintains a phase difference within a desired range.
교류 전류, 교류 전압, 및 주파수를 갖는 전기 전력을 소싱하도록 구성되는 가변 주파수 발진기(71)를 포함하는 전기 전력 송신기(16);
상기 가변 주파수 발진기(71)를 조절하도록 동작 가능하여, 소싱된 전기 전력의 주파수를 변경하는 제어기(53);
상기 전기 전력 송신기(16)와 전기 통신하며, 상기 에너지 저장 디바이스(14)와 전기 통신하는 온-차량 트랜스듀서(20)에 전자기적으로 커플링되도록 구성되어, 상기 에너지 저장 디바이스(14)를 충전할 전기 전력을 캡처하도록 상기 온-차량 트랜스듀서(20)를 유도하는 오프-트랜스듀서(18); 및
상기 제어기(53)와 전기 통신하는 무선 송신기(65)를 포함하며,
상기 온-차량 트랜스듀서(20)는 캡처된 전기 전력의 값을 결정하도록 구성되는 전력 검출 회로(24)와 전기 통신하며, 상기 전력 검출 회로(24)는 캡처된 전기 전력의 값을 상기 무선 송신기(65)를 통해 상기 제어기(53)로 무선으로 송신하도록 구성되는 무선 수신기(65)와 전기 통신하고, 상기 제어기(53)는 캡처된 전기 전력의 값과 소싱된 전기 전력의 값을 비교함으로써 전력 효율을 결정하도록 구성되고, 상기 제어기(53)는 전력 효율에 기초하여 상기 가변 주파수 발진기(71)를 조절하도록 구성되어, 소싱된 전기 전력의 주파수가 전력 효율을 최대화하도록 하는, 전기 충전 시스템(12).An electrical charging system (12) configured to wirelessly charge an energy storage device (14), the system (12) comprising:
An electrical power transmitter (16) comprising a variable frequency oscillator (71) configured to source electrical power having alternating current, ac voltage, and frequency;
A controller (53) operable to adjust the variable frequency oscillator (71) to change the frequency of the sourced electric power;
Is configured to be electromagnetically coupled to an on-vehicle transducer (20) in electrical communication with the electrical power transmitter (16) and in electrical communication with the energy storage device (14) to charge the energy storage device An off-transducer (18) that directs the on-vehicle transducer (20) to capture electrical power to be delivered; And
And a wireless transmitter (65) in electrical communication with the controller (53)
The on-vehicle transducer (20) is in electrical communication with a power detection circuit (24) configured to determine a value of the captured electric power, the power detection circuit (24) The controller 53 is in electrical communication with a radio receiver 65 that is configured to transmit wirelessly to the controller 53 via the controller 65. The controller 53 compares the value of the captured electric power with the value of the sourced electric power, And the controller (53) is configured to adjust the variable frequency oscillator (71) based on the power efficiency such that the frequency of the sourced electric power maximizes power efficiency. ).
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