CN106058953B - 无线充电磁性结构 - Google Patents

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Abstract

本文涉及到无线充电磁性结构。在至少一个实施方式中，公开了包括第一底板和第二底板的用于车辆的感应充电线圈组件。第一底板包括用于传输磁通量的至少一个第一线圈。第二底板包括具有顶侧和底侧以接收磁通量用于给车辆充电的至少一个第二线圈。至少一个第二线圈界定窗口以将至少一个铁氧体定位在至少一个第二线圈的顶侧上和底侧上。至少一个铁氧体被布置成将磁通量从至少一个第二线圈的底侧引导到至少一个第二线圈的顶侧并回到至少一个第二线圈的底侧。

Description

无线充电磁性结构
技术领域
本文所述的方面总体上涉及用于车辆的无线充电磁性结构。
背景
Khan等人的美国公布号2014/0060505提供了用于车辆的感应充电线圈组件。组件包括第一底板，第一底板包括在其上的用于接收磁通量以给车辆电池充电的至少一个第一线圈。组件还包括第二底板，第二底板包括具有其顶面的至少一个第二线圈，顶面形成升高的部分以将磁通量集中在至少一个第一线圈上。
Baarman等人的美国公布号2011/0181240公开了用于电动车辆的感应充电系统。特别是，Baarman公开了帮助使初级充电线圈与次级线圈对准的用于电动车辆的充电系统。系统可包括止轮块，当轮胎进入止轮块时，止轮块将初级线圈升高成与次级线圈对准。系统可包括凹进支承车辆的表面之下并由盖保护的初级线圈。次级线圈可由安装到车辆的防撞击滑板保护并支承。系统可包括由车库开门器发射机或车库开门器传输的信号所控制的充电电路。系统可包括检测在初级线圈和次级线圈之间的空间中的动物或物体的存在的传感器。
概述
本公开的实施例涉及以下方面：
(1)一种包括第一底板和第二底板的用于车辆的感应充电线圈组件。第一底板包括用于发送磁通量的至少一个第一线圈。第二底板包括具有顶侧和底侧以接收磁通量用于给车辆充电的至少一个第二线圈。至少一个第二线圈界定窗口以将至少一个铁氧体定位在至少一个第二线圈的顶侧上和底侧上。至少一个铁氧体布置成将磁通量从至少一个第二线圈的底侧引导到至少一个第二线圈的顶侧并回到至少一个第二线圈的底侧。
(2)如(1)所述的组件，其中，所述至少一个第一线圈是初级线圈。
(3)如(2)所述的组件，其中，所述至少一个第二线圈是次级线圈。
(4)如(1)所述的组件，其中，所述至少一个第二线圈包括界定所述窗口的成角度的部分。
(5)如(4)所述的组件，其中，所述成角度的部分接纳所述至少一个铁氧体的接合部分，以将所述至少一个铁氧体定位在所述至少一个第二线圈的所述顶侧上和所述底侧上。
(6)如(4)所述的组件，其中，所述成角度的部分相对于所述至少一个第二线圈的剩余部分形成斜面。
(7)如(1)所述的组件，其中，所述第二底板位于所述车辆上用于从所述第一底板接收所述磁通量。
(8)如(1)所述的组件，其中，所述第一底板与所述第二底板水平地间隔开。
(9)如(1)所述的组件，其中，所述第一底板的总尺寸大于所述第二底板的总尺寸，以提供在所述第一底板和所述第二底板之间的一致的耦合系数。
(10)如(1)所述的组件，其中，所述至少一个铁氧体包括顶部部分和底部部分，以及其中所述顶部部分与所述底部部分重叠。
(11)一种包括车辆底板的车辆的感应充电线圈装置。车辆底板包括具有顶侧和底侧的用于从第二底板接收磁通量以给车辆充电的至少一个线圈。至少一个线圈界定窗口以接纳至少一个铁氧体来将至少一个铁氧体定位在至少一个线圈的顶侧上和底侧上。至少一个铁氧体被布置成将磁通量从至少一个线圈的底侧引导到至少一个线圈的顶侧并回到至少一个线圈的底侧。
(12)如(11)所述的装置，其中，所述至少一个线圈是用于从位于所述第二底板上的初级线圈接收所述磁通量的次级线圈。
(13)如(11)所述的装置，其中，所述至少一个线圈包括界定所述窗口的成角度的部分。
(14)如(13)所述的装置，其中，所述成角度的部分接纳所述至少一个铁氧体的接合部分以将所述至少一个铁氧体定位在所述至少一个线圈的所述顶侧上和所述底侧上。
(15)如(13)所述的装置，其中，所述成角度的部分相对于所述至少一个线圈的剩余部分形成斜面。
(16)如(11)所述的装置，其中，所述车辆底板位于所述车辆上用于从所述第二底板接收所述磁通量。
(17)如(11)所述的装置，其中，所述至少一个铁氧体包括顶部部分和底部部分，以及其中，所述顶部部分位于所述底部部分的正上方。
(18)一种包括第一底板和第二底板的用于车辆的感应充电线圈组件。第一底板包括用于发送磁通量的至少一个第一线圈。第二底板包括具有顶侧和底侧以接收磁通量用于给车辆充电的至少一个第二线圈。至少一个第二线圈界定窗口以接纳至少一个铁氧体来将磁通量从至少一个第二线圈的底侧引导到顶侧。至少一个第二线圈界定包括至少一个铁氧体的窗口以将磁通量从至少一个第二线圈的底侧引导到至少一个第二线圈的顶侧并回到至少一个第二线圈的底侧。
(19)如(18)所述的组件，其中，所述至少一个第二线圈将所述至少一个铁氧体接纳在所述窗口处，以将所述至少一个铁氧体定位在所述至少一个第二线圈的所述顶侧和所述底侧上。
(20)如(18)所述的组件，其中，所述第一底板与所述第二底板水平地间隔开。
附图说明
在所附权利要求中具体地指出本公开的实施方式。然而，通过结合附图参考接下来的详细描述，各种实施方式的其它特征将变得更明显且将被最好地理解，附图中：
图1示出根据一个实施方式的无线充电磁性结构(或组件)的侧视图；
图2示出根据一个实施方式的图1的组件的车辆板的顶视图；
图3A示出根据一个实施方式的组件的车辆板的底视图；
图3B示出根据一个实施方式的组件的车辆板的升高的底视图；
图4A示出根据一个实施方式的次级线圈的升高的底视图；
图4B示出根据一个实施方式的次级线圈的顶视图；
图5示出根据一个实施方式的位于底板之上的车辆板的顶视图；
图6示出根据一个实施方式的在组件的底板侧和车辆板之间的磁耦合和场分布的建模；
图7是示出在x轴和y轴上的各种偏差处的组件的耦合系数的曲线图。
具体实施方式
如所需要的，在本文公开了本发明的详细实施方式；然而应理解，所公开的实施方式仅仅是可体现在各种和可选的形式中的本发明的示例。附图不一定按比例；一些特征可放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为用于教导本领域中的技术人员多方面地使用本发明的代表性基础。
也被称为无线充电的感应充电利用彼此由空气间隙间隔开的初级线圈和次级线圈。初级线圈可位于底部衬垫中，而次级线圈可放置在为了电池充电目的而接收能量的设备(例如，车辆板或车辆衬垫)上。初级线圈和次级线圈彼此组合以形成电气变压器。初级线圈产生交变电磁场或时变磁场，并将其传输到次级线圈。次级线圈反过来响应于磁场而产生电压，该电压接着被转换成电流。电压和电流提供功率以给电池充电。
本文所述的方面提供提高在底部衬垫中的初级线圈与位于车辆中的次级线圈之间的耦合的无线充电磁性结构(或组件)。例如，次级线圈可成一角度以接纳至少一个铁氧体棒，至少一个铁氧体棒用于引导或指引通过在次级线圈内形成的至少一个窗口从初级线圈接收的磁通量。在这种情况下，至少一个铁氧体棒的一部分可位于次级线圈的一侧上，而至少一个铁氧体棒的另一部分可位于次级线圈的另一侧上。这个方面和在本文所述的那些方面除了别的事情以外还可提高在电动车辆中的无线充电的总效率，同时维持小封装尺寸。
图1示出根据一个实施方式的无线充电磁性结构(或组件)10的侧视图。通常结合电感地给车辆14中的一个或多个电池12充电来使用组件10。组件10包括底板(或衬垫)16和车辆底板(或衬垫)(在下文中“车辆板18”)。底板16包括初级线圈20和至少一个铁氧体22(在下文中“铁氧体22”)。同样，车辆板18包括次级线圈24和至少一个铁氧体26(在下文中“铁氧体26”)。通常，底板16与车辆板18物理地间隔开。通常，底板16可位于诸如地板的水平表面上，且车辆板18可位于车辆14的下侧上。
底板16的初级线圈20能够经由磁感应和在预定频率下的共振操作来实现到车辆板18的次级线圈24的能量传输，以提供电池12的无线充电。通常，来自初级线圈20(当被通电时)和铁氧体22的磁通量可被引导到次级线圈24和铁氧体26，以提供有效的能量传输和更强的磁耦合。初级线圈20和次级线圈24可形成松散地耦合的变压器。初级线圈20产生磁场(或磁通量)并将磁场(或磁通量)传输到次级线圈24。反过来，次级线圈24响应于磁场而产生电压，该电压接着被转换成电流以给电池12充电。
次级线圈24通常包括用于接纳铁氧体26的至少一个成角度的部分28a、28b。至少一个成角度的部分(例如，如图1所示的28a或28b)相对于次级线圈24的另一部分形成斜面。在组件10中，次级线圈24可包括在次级线圈24的一侧上的第一成角度的部分28a和在次级线圈24的另一侧上的第二成角度的部分28b。如下面将更详细示出的，次级线圈24的每侧形成或界定在每个成角度的部分28a和28b上的窗口29a和29b。次级线圈24包括第一侧30和第二侧32。第一侧30被定向为朝着搁置底板16在其上的地板。第二侧32被定向为面向上朝向车辆14。在成角度的部分28a和28b上形成的窗口29a和29b分别接纳铁氧体26，使得铁氧体26的至少一个第一部分34a和34b位于次级线圈24的第一侧30之下(或在次级线圈24之下)。此外，在成角度的部分28a和28b上形成的窗口29a和29b分别接纳铁氧体26，使得铁氧体26的第二部分36位于次级线圈24的第二侧32之上(或在次级线圈24之上)。
铁氧体26包括用于将第一部分34a耦合到在铁氧体26的一侧上的第二部分36的第一接合部分38a。铁氧体26包括用于将第一部分34b耦合到在铁氧体26的相对侧上的第二部分36的第二接合部分38b。如可在图1中看到的，铁氧体26在第一部分34a、第一接合部分38a和铁氧体26的第二部分36处形成大致上90度角。同样，铁氧体26在第一部分34b、第二接合部分38b和铁氧体26的第二部分处形成大致上90度角。这些方面使铁氧体26能够位于次级线圈24的第一侧30(例如，底侧)和次级线圈24的第二侧32(例如，顶侧)上。在这个配置中，铁氧体26将来自底板16的磁通量在次级线圈24的第一端31处从次级线圈24的第一侧30引导到次级线圈24的第二侧32并在次级线圈24的第二端33处穿过次级线圈24的第一侧30回来。如所示，次级线圈24的第一端31定位成与次级线圈24的第二端33相对。窗口29a和29b被配置成分别接纳第一接合部分38a和第二接合部分38b。如在图1中所示的，在窗口29a或29b中铁氧体26的顶部与铁氧体的底部重叠(例如，其中铁氧体26相对于成角度的部分28a或28b位于窗口29a或29b中)。
通过使铁氧体26的第一部分34a和/或34b定向成位于次级线圈24之下并使铁氧体26的第二部分36定向成位于次级线圈24之上，这个条件使铁氧体26能够从初级线圈20收集磁通量并循环、引导或指引磁通量穿过在次级线圈24中形成的窗口29a和29b(以及穿过如上所述的次级线圈24的第一端31和第二端33)，以增加在初级线圈20和次级线圈24之间的磁耦合。通常，穿过窗口29a和29b行进的磁通量的数量确定在初级线圈20和次级线圈24之间的磁耦合的量。因此，因为铁氧体26增加穿过次级线圈24的窗口29a和29b的磁通量的数量，初级线圈20和次级线圈24显示更大水平的磁耦合。
图2示出根据一个实施方式的组件10的车辆板18的顶视图。通常，次级线圈24的第二侧32面向车辆14，且次级线圈24的第一侧30面向底板16。因此，如图2中所示的车辆板18的顶视图向下朝向底板16。车辆板18被附接到车辆14。底板16从车辆(即从车辆板18)垂直地移动，并可位于在车辆14之下的平坦表面上。图2还示出次级线圈24被布置成接纳两个铁氧体26。每个铁氧体26可以彼此分离，或可彼此组合以形成单个零件。应认识到，次级线圈24可被布置成接纳任何数量的铁氧体26。如所示，次级线圈24包括可以附接或可以不附接到彼此的两个大致上D形的线圈24a、24b。铁氧体26的特定形状可基于特定实现的期望标准而改变。这将在下面更详细地讨论。
图3A示出根据一个实施方式的组件10的车辆板18的底视图。通常，底侧(或次级线圈2的第一侧30)面向底板16。如在图3A中示出的组件10示出两个铁氧体26由次级线圈24接纳。在这个实现中，铁氧体26在次级线圈24的第二侧32(或顶侧)上被连接在一起。应认识到，铁氧体26可彼此连接或可彼此分离。图3B示出根据一个实施方式的组件10的车辆板18的升高的底视图。
图4A示出次级线圈24的顶视图。如上面提到的，次级线圈24的第一侧30(或顶侧)被布置成面向底板16。次级线圈24通常包括可以附接或可以不附接到彼此的两个大致上D形的线圈24a、24b。每个线圈24a和24b分别界定用于接纳至少一个铁氧体26的相应的窗口29a和29b。图4B示出次级线圈24的顶视图。如上面提到的，次级线圈24的第二侧32被布置成面向车辆14。
图5示出根据一个实施方式的位于底板16之上的车辆板18的顶视图。这个图示通常是当车辆14正经历充电操作时车辆板18相对于底板16的位置的表示。初级线圈20也可包括可在x方向上彼此间隔开间隙G的两个D形线圈16a和16b。在一个例子中，间隙G可以是100mm。每个线圈16a和16b也分别界定相应的窗口40a和40b。底板16的铁氧体26位于每个线圈16a和16b之下。如所示，初级线圈20的总长度和宽度大于次级线圈24的总长度和宽度。这个条件被提供以确保车辆板18位于底板16之上(例如，在穿过页面延伸的z轴上)以应对当车辆14为了给电池12充电的目的而停放在底板16之上时在x和/或y方向(或轴)上的可能的未对准。
通常，如在初级线圈20中形成的每个窗口40a和40b可具有相应的长度lpc，其还包括位置容限或位置长度lpl。在初级线圈20中包括位置长度lpl增加了初级线圈20的总尺寸。次级线圈24的总长度可由lsc定义。因此，在这种情况下，将车辆板18全部放置在长度lpc之上并与窗口40a和/或40b重合的某个地方并是合乎需要的。通常，在感应充电的情况下，应认识到，需要长度的某个程度(或容限lpl)来应对在底板16之上的车辆板18的不同位置(即当车辆14被停放时在底板16之上的车辆板18的不同位置)。因此，在这个方面中，窗口40a和40b的长度lpc被布置成等于或大于次级线圈的总长度(例如，lsc)和位置长度lpl。当车辆14在充电操作期间停放在底板16之上时，这个条件确保车辆板18和底板16得到大致一致的耦合系数响应。通常，为了确保最佳充电性能，组件10通常考虑车辆位置相对于充电衬垫(或底板16)的可变性的量。车辆14可以不对准的量是未对准容限。位置长度lpl可以是车辆侧对侧未对准容限。
图6示出在组件10的底板16和车辆板18之间的磁耦合和场耦合的建模。如可看到的，建模示出在次级线圈24上的窗口29a-29b和在初级线圈20上的窗口40a-40b之间的磁通量密度在1.5104x10-3和5.8122 10-3之间的某处。自然地，对于位于更远离在次级线圈24上的窗口29a-29b和在初级线圈20上的窗口40a-40b的位置，磁通量密度降低。
图7是示出在z轴和x轴(对于z轴和x轴，见图5)上的各种偏差处的组件10的耦合系数的曲线图。通常，对不利用位置容限lpl的实现(例如，没有额外的容限在组件10中被利用，这减小底板16的总尺寸——这个条件在车辆充电期间需要在底板16和车辆板18之间的较紧密的放置或较小的偏差)和对利用如结合图5讨论的位置容限lpl的实现(其中，增加底板16的总尺寸以确保当车辆14在充电操作期间停放在底板16之上时底板16和车辆板18得到一致的耦合系数响应)，示出在底板16和车辆板18之间的耦合系数。图7的曲线图大致上示出在诸如一侧到另一侧、在驾驶方向上的前到后和在车辆驾驶高度上的差别的三个可能的方向上有未对准的组件10的性能。
对于不利用位置容限lpl(其反过来减小初级线圈20的总尺寸)的组件10，数据组80通常相应于具有(100mm(例如，在z方向上)、64mm(例如，在x方向上))的偏差的耦合系数。对于不利用位置容限lpl(其反过来减小初级线圈20的总尺寸)的组件10，数据组82通常相应于具有(100mm(例如，在z方向上)、104mm(例如，在x方向上))的偏差的耦合系数。对于利用位置容限lpl的组件10，数据组84通常相应于具有(100mm(例如，在z方向上)、64mm(例如，在x方向上))的偏差的耦合系数。
如所示，数据组84通常比数据组80更一致(即数据组84不包括具有耦合系数的下沉的变化水平，其反过来提供在初级线圈20和次级线圈24之间的一致的耦合系数)。这个条件由于长度lpl大于如结合图5所述的次级线圈24的长度lsc的和位置长度lpt而实现。对于利用位置容限lpl的组件10，数据组86通常相应于具有(100mm(例如，在z方向上)、104mm(例如，在x方向上))的偏差的耦合系数。如所示，数据组86通常比数据组82更一致(即数据组86不包括具有耦合系数的下沉的变化水平)。由于在数据组80和82中存在的下沉的变化水平，组件10可能需要在车辆充电期间消耗更多的电流以应对这些下沉，以确保来自其的电流输出不响应于下沉而下降。
如本文所述的组件10可提高车辆14的无线充电的效率，同时维持小封装尺寸。通常，通过从在附接到车辆14的次级线圈24处接纳从初级线圈20产生例如85kHz的磁场来执行无线充电。初级线圈20和次级线圈24中的每个形成分别用于磁场的传输和磁能的接收的两个大致上“D”形的线圈。
穿过次级线圈24的窗口29a和29b的中心行进的通量的数量确定在初级线圈20和次级线圈24之间的耦合的量。以前的技术可利用在接收线圈中的大窗口区域以收集来自基本线圈的更多的通量。然而，这个条件产生相当大和重的初级线圈和次级线圈。次级线圈24包括面向下朝着初级线圈20的至少一个铁氧体26以收集或接收来自较大区域的磁通量并引导磁通量穿过在次级线圈24上的窗口29a和29b。这个方面比常规实现提供更大的有效窗口区域，同时减小在车辆14上的封装空间。
虽然上面描述了示例性实施方式，其不旨在这些实施方式描述本发明的所有可能的形式。而是，在说明书中使用的词是描述而不是限制的词，且应理解，可做出各种变化而不偏离本发明的精神和范围。此外，各种实现实施方式的特征可被组合以形成本发明的另外的实施方式。

Claims (20)

1.一种用于车辆的感应充电线圈组件，包括：
第一底板，其包括用于发送磁通量的至少一个第一线圈；以及
第二底板，其包括至少一个第二线圈，所述至少一个第二线圈具有顶侧和底侧以接收所述磁通量用于给车辆充电，
其中，所述至少一个第二线圈界定窗口以将至少一个铁氧体定位在所述至少一个第二线圈的所述顶侧上和所述底侧上，以及
其中，所述至少一个铁氧体被布置成将所述磁通量从所述至少一个第二线圈的所述底侧引导到所述至少一个第二线圈的所述顶侧并回到所述至少一个第二线圈的所述底侧。
2.如权利要求1所述的组件，其中，所述至少一个第一线圈是初级线圈。
3.如权利要求2所述的组件，其中，所述至少一个第二线圈是次级线圈。
4.如权利要求1所述的组件，其中，所述至少一个第二线圈包括界定所述窗口的成角度的部分。
5.如权利要求4所述的组件，其中，所述成角度的部分接纳所述至少一个铁氧体的接合部分，以将所述至少一个铁氧体定位在所述至少一个第二线圈的所述顶侧上和所述底侧上。
6.如权利要求4所述的组件，其中，所述成角度的部分相对于所述至少一个第二线圈的剩余部分形成斜面。
7.如权利要求1所述的组件，其中，所述第二底板位于所述车辆上用于从所述第一底板接收所述磁通量。
8.如权利要求1所述的组件，其中，所述第一底板与所述第二底板水平地间隔开。
9.如权利要求1所述的组件，其中，所述第一底板的总尺寸大于所述第二底板的总尺寸，以提供在所述第一底板和所述第二底板之间的一致的耦合系数。
10.如权利要求1所述的组件，其中，所述至少一个铁氧体包括顶部部分和底部部分，以及其中所述顶部部分与所述底部部分重叠。
11.一种用于车辆的感应充电线圈装置，包括：
车辆底板，其包括具有顶侧和底侧的用于从第二底板接收磁通量以给车辆充电的至少一个线圈，
其中，所述至少一个线圈界定窗口以接纳至少一个铁氧体来将所述至少一个铁氧体定位在所述至少一个线圈的顶侧上和底侧上，以及
其中，所述至少一个铁氧体被布置成将所述磁通量从所述至少一个线圈的所述底侧引导到所述至少一个线圈的所述顶侧并回到所述至少一个线圈的所述底侧。
12.如权利要求11所述的装置，其中，所述至少一个线圈是用于从位于所述第二底板上的初级线圈接收所述磁通量的次级线圈。
13.如权利要求11所述的装置，其中，所述至少一个线圈包括界定所述窗口的成角度的部分。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述成角度的部分接纳所述至少一个铁氧体的接合部分以将所述至少一个铁氧体定位在所述至少一个线圈的所述顶侧上和所述底侧上。
15.如权利要求13所述的装置，其中，所述成角度的部分相对于所述至少一个线圈的剩余部分形成斜面。
16.如权利要求11所述的装置，其中，所述车辆底板位于所述车辆上用于从所述第二底板接收所述磁通量。
17.如权利要求11所述的装置，其中，所述至少一个铁氧体包括顶部部分和底部部分，以及其中，所述顶部部分位于所述底部部分的正上方。
18.一种用于车辆的感应充电线圈组件，包括：
第一底板，其包括用于发送磁通量的至少一个第一线圈；以及
第二底板，其包括具有顶侧和底侧以接收所述磁通量用于给车辆充电的至少一个第二线圈，
其中，所述至少一个第二线圈界定窗口，所述窗口包括至少一个铁氧体以将所述磁通量从所述至少一个第二线圈的所述底侧引导到所述至少一个第二线圈的所述顶侧并回到所述至少一个第二线圈的所述底侧。
19.如权利要求18所述的组件，其中，所述至少一个第二线圈将所述至少一个铁氧体接纳在所述窗口处，以将所述至少一个铁氧体定位在所述至少一个第二线圈的所述顶侧和所述底侧上。
20.如权利要求18所述的组件，其中，所述第一底板与所述第二底板水平地间隔开。
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