CN109895649B - 用于无线充电系统的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

实施例是一种系统，该系统包括耦合至无线充电系统和能量源的第一无线充电板，该第一无线充电板被配置为用于通过磁场来传输能量。该系统进一步包括耦合至第二系统的第二无线充电板，该第二无线充电板被配置为用于接收来自该第一无线充电系统的能量的至少一部分用于操作该第二系统。进一步的实施例包括电子罗盘和接口中的至少一项，该电子罗盘被配置为用于提供该第一和第二无线充电板的对准数据，该接口被配置为用于接收该对准数据并且对该第一和第二无线充电板的对准产生影响。

Description

用于无线充电系统的方法和设备
本申请是于2015年9月11日提交的、申请号为201510580408.5、发明名称为“用于无线充电系统的方法和设备”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及一种无线充电系统，并且更具体地涉及一种方法和设备，该方法和设备用于该无线充电系统与其所充电的装置之间的无线通信并且用于对准该无线充电系统的多个充电板并且用于关联和确认这些充电板之间的关系。
背景技术
包括通过电力进行供电的推进系统的可运输系统(如电动车辆(EV))已经变得更普遍。用于EV的蓄电池或能量储存通常通过某种类型的有线交流(AC)或直流(DC)(如家用或商用能量源)来进行充电。这些有线充电系统可能会不方便和/或要求相当数量的人工干预来进行利用。能够跨自由空间传递电力的用于电动车辆的无线充电系统可以克服有线充电解决方案的某些缺陷。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种无线充电系统，包括：
耦合至主能量源的充电装置，所述主能量源被配置为用于以电力信号来驱动通电充电板，所述充电装置进一步包括耦合至所述通电充电板的第一PLC(电力线通信)节点；以及
电子装置，所述电子装置包括：
接收器充电板，所述接收器充电板被配置为用于从所述通电充电板接收所述电力信号的至少一部分；
耦合至所述接收器充电板的第二PLC节点，所述第一PLC节点被配置为用于通过所述通电充电板和所述接收器充电板与所述第二PLC节点通信PLC信号；以及
耦合至所述接收器充电板的电力转换器，所述电力转换器被配置为用于将所接收到的电力信号转换为用于所述电子装置的充电能量。
根据本公开的另一方面，提供了一种系统，包括：
耦合至无线充电系统和能量源的第一无线充电板，所述第一无线充电板被配置为用于通过磁场来传输能量；
耦合至第二系统的第二无线充电板，所述第二无线充电板被配置为用于接收来自所述第一无线充电系统的所述能量的至少一部分用于操作所述第二系统；以及
至少一个电子罗盘，所述至少一个电子罗盘被配置为用于提供所述第一和第二无线充电板的对准数据。
根据本公开的又一方面，提供了一种用于无线充电的方法，所述方法包括：
从充电器的通电充电板向正在被充电的装置的接收器充电板传递能量；以及
使用PLC(电力线通信)进行在所述充电器与所述正在被充电的装置之间的通信。
根据本公开的又一方面，提供了一种用于无线充电的方法，所述方法包括：
使用来自一个或多个电子罗盘的对准数据来将第一无线充电板与第二无线充电板对准；以及
将所述第一无线充电板通电以向所述第二无线充电板传递能量。
附图说明
现在参考下面的说明并结合附图，以更完整地理解本发明及其优点，其中：
图1A-B展示了一种现有技术有线充电过程流程图，每一个HomePlug Green PHYv1.1和ISO/IEC 15118-3包括SLAC过程和确认过程；
图2展示了现有技术有线充电系统的架构；
图3展示了现有技术有线充电系统的框图；
图4展示了现有技术无线充电系统的框图；
图5展示了根据一些实施例的无线充电系统的框图；
图6展示了根据一些实施例的无线充电系统的无线充电器的框图；
图7是过程流程图，展示了根据一些实施例的一种发起无线充电过程的方法；
图8是过程流程图，展示了根据另一个实施例的一种发起无线充电过程的方法；
图9是过程流程图，展示了根据一些实施例的一种发起无线充电过程的方法；
图10A-B展示了根据一些实施例使用电力线通信(PLC)信号来对准无线充电系统的多个线圈；
图11A-C展示了根据一些实施例与多线圈充电板相关联的磁场强度；
图12展示了根据一些实施例在一维上的与充电板之间的相对位置相关的能量耦合效率；
图13展示了根据一些实施例的带有嵌入在充电板组件中的多个电子罗盘的电动车辆(EV)；以及
图14展示了根据一些实施例的磁体的磁极定向。
除非另外指出，在不同图中相应的数字和符号通常指代相应的部分。绘制附图以清楚地展示本发明的实施例的相关方面而不一定按比例绘制。为了更清晰地展示某些实施例，指示相同结构、材料或处理步骤的变化的字母可以跟在附图数字后面。
具体实施方式
下面详细讨论实施例的制造和使用。然而，应当理解，本发明提供了可以在各种具体上下文中实现的许多可应用的发明概念。例如，本披露可以应用于但不限于汽车行业以及如移动电话等的消费者电子装置。所讨论的具体实施例仅说明制造和使用所披露的主题的特定方式，而并不限制不同实施例的范围。
将关于具体上下文中的实施例来描述实施例，即无线充电系统以及操作无线充电系统的方法。在此所描述的各个实施例中的一些实施例包括一种用于对准、关联、和/或确认无线充电系统中的多个充电板的方法和设备。在一些实施例中，无线充电系统可用于对电动车辆(EV)(如汽车、船舶、摩托车、基于空间的车辆等)进行充电/供电。在其他实施例中，各个方面还可以应用于涉及根据现有技术中已知的任何方式(如医疗装置和系统、消费者电子产品等)的任何类型的无线充电系统的其他应用。
一般而言，本披露的实施例包括一种无线充电系统，该无线充电系统利用在用于对待充电的装置进行充电的相同充电板之上的PLC通信。具体地，PLC通信是通过无线充电器上的通电充电板与待充电装置上的接收器充电板之间的电磁场来传输的。在充电过程期间，利用PLC通信来在正在被充电的装置与无线充电器之间传递信息。此信息可以包括充电状态、计费信息、以及需要针对适当操作和有用应用交换的许多其他消息。此外，这些充电板之间的PLC通信链路还可以用于对准这些充电板。例如，PLC通信链路可以利用编码数据的正交频分复用(OFDM)方法，并且这些充电板可以至少部分地基于OFDM通信链路的信道估计来进行对准。在一些实施例中，对准至少部分地基于PLC通信的信噪比。因为PLC通信被施加到整个通电充电板(其可以包括较小充电板和/或线圈的阵列)上，PLC通信的信道估计和/或信噪比基于整个充电板提供了对准度量而不需要这些充电板内的特定对准结构。这种技术允许对这些充电板的对准进行精细调整，而不需要在这些充电板上的或与其相邻的额外的对准结构。
另外，本披露的实施例包括一种无线充电系统，该无线充电系统被配置为用于优化这些充电板的磁场对准以便实现这些充电板之间的最大能量传递而同时还确保适当的关联和确认。具体地，该无线充电系统利用电子罗盘来提供无线充电板对准、关联和/或确认信息。该电子罗盘可以是1-D(1维)、2-D、3-D、6-D或9-D(罗盘的1轴、2轴、3轴、6轴或9轴信息)电子罗盘。该电子罗盘可以利用磁力计、加速度计、陀螺仪、电力线通信(PLC)信号特性、固定磁体、电磁体或其组合。1-D、2-D或3-D电子罗盘可以利用磁力计、陀螺仪、加速度计等中的任何一种。6-D电子罗盘可以利用磁力计、陀螺仪、加速度计等中的任何两种。9-D电子罗盘可以利用磁力计、陀螺仪、加速度计等中的任何三种。在电子罗盘包括磁力计的实施例中，该磁力计用于感测通电充电板的磁场并且找到接收充电板的最佳位置以允许其从通电充电板接收最大能量传递。另外，无线充电系统可以使用电子罗盘数据或HomePlug GreenPHY v1.1规范中所规定的信号电平衰减表征(SLAC)协议以进一步增强关联过程和确认过程。无线充电板对准信息可以被提供给接口，该接口提供用于控制这些充电板的移动使得这些充电板被对准的数据。例如，该接口可以被连接至能够向图形显示器、文本显示器、音频接口等或其组合提供信息的处理装置。此外，该接口可以被连接至自动地(无需人工干预)对准这些无线充电板的控制系统。
在详细论述本披露的说明性实施例之前，提供对有线充电实施例的简要论述以帮助提供随后所描述的实施例的上下文。
将使用EV系统作为示例，但是解决方案和应用不限于EV。插入式电动车辆(PEV)包含多个蓄电池，这些蓄电池包括对驱动车轮的电动机进行通电的那些蓄电池(通常称为“牵引蓄电池”)。这些蓄电池通过连接到包括电源设备充电控制器(SECC)的通常称为电动车辆电源设备(EVSE)的充电站来进行充电。EVSE的电源线被插入到PEV的电力和通信插孔(通常被称为入口)中。线缆的PEV插头通常被称为“耦合器”，但是不应当将其与用于将电力线通信(PLC)调制解调器与金属布线(即，电力线)接口连接的电耦合器相混淆。通常，术语“EV”指示(在其“驱动链”中)使用电能进行推进的任何车辆。“PEV”是若干类型的EV中的一种，并且通常表示使用插入式充电线缆对其蓄电池进行充电的EV。其他的类型包括混合EV，其可以像PEV一样并且还通过车载引擎、太阳能电池板、反应堆或其他能量产生器进行再充电。在本披露中，PEV指示有线插入式EV，并且EV用于指示无线地充电的EV。
通过若干标准、规范、报告和指南(包括在欧洲的ISO 15118-1、-2和-3以及在北美的SAE J1772、J2847/1、/2&/3、J2931/1&/4以及IEC 61851-1)来定义EVSE和PEV连接、电特性、通信方法、通信消息和控制方法。
当使用非车载充电器来对PEV的蓄电池进行充电时(正如直流充电的情况那样)，PEV和EVSE必须进行通信以便适当地对PEV的蓄电池进行充电并且对所消耗的能量进行计费。先前所引用的文献(具体地，SAE J2931/4和ISO/IEC 15118-3)明确了用于EVSE与PEV之间通过充电线缆进行通信的电力线通信(PLC)。这些引用规范地引用
Figure BDA0001995354960000061
Green PHY v1.1作为物理层(PHY)和媒体接入层(MAC)规范，其通过引用以其全文结合在此(包括其修订版)。在其中有多个相互靠近的充电站或一个EVSE同时控制多条充电线缆的停车库和停车场中，需要确保EVSE与EV之间的串扰、或故意欺骗不会造成EVSE对错误的PEV进行充电(通电)或进行计费。因此，
Figure BDA0001995354960000062
Green PHY v1.1包括用于确定将特定PEV附接到哪个EVSE上的信号电平衰减表征(SLAC)机制。对正确的EVSE和PEV进行正确配对的过程被称为“关联”或“匹配”。再次检查关联和/或匹配决策的过程被称为“确认”。
如ISO/IEC 15118-7&-8以及SAE J2954等文献明确了对PEV(或在这种情况下，无插头“EV”)进行充电的无线方法。如在此所使用的，术语EV将无线充电的EV与有线插入式电动车辆(PEV)充电方法区分开来，虽然两种形式都可以被并入到PEV或EV中。
在有线充电应用中，EVSE使用在一端处具有插入到PEV的入口(插孔)中的耦合器(电插头)连接至PEV。在直流充电中，充电器是“非车载的”，意味着其不在PEV内。PEV包含蓄电池充电系统和蓄电池，并且它们因此是“车载的”。
为了降低充电线缆的成本和重量，在单条接线和接地对上可以使用三种类型的通信：振幅电平信令、1kHz占空比脉宽调制(PWM)信令以及电力线通信(例如，HomePlug GreenPHY v1.1)。在有线EVSE设计中，支持这三种通信方法的接线是“导频线”、“导频控制”接线或“导频”接线。在可能有许多EVSE充电站或者一个EVSE对多个PEV进行充电的位置中，在充电线缆之间可能会有串扰或者可能会存在有意的电子欺骗避免对充电进行计费。还可能会有PLC信号泄漏到使用同一条电源线的其他EVSE中。为了解决这种可能的问题，有线充电系统使用如在HomePlug Green PHY v1.1中规定并且在图1A和图1B中示出的信号电平衰减表征(SLAC)方法来确保充电器及其所充电的PEV是正确的配对，即“相关联的”和/或“相匹配的”。
多个EVSE 106之间的PLC信号损耗通常大约为30dB，这是相当大的损耗。由SLAC协议使用特征损耗来选择最接近的有线EVSE。如在图1A和图1B中所展示的，在被触发时，SLAC协议100首先设置一些基本参数110(如是否将使用安全加密)。此外，初始设置可以将PEV107设置为绝不会变成网络中央协调器(CCo)并且将EVSE 106设置为总是CCo。
然后，该PEV广播探测消息115以请求所有可用的(未关联的或未匹配的)EVSE对来自PEV的请求进行响应以与其相关联。该请求通过多网络广播(MNBC)消息来发送，因为此时PEV尚未与网络相关联，并且这种方法允许PEV请求来自多个EVSE的响应，这些EVSE可能位于其他的相邻网络中但是也可能是PEV当前所连接的EVSE。该消息被多次发送以确保尽可能多的可用EVSE听到该请求。听到该请求并且当前没有与PEV相关联的可用EVSE以它们的标识以及表示该PEV的预期信号强度与在所有所接收到的消息上求平均的其实际接收到120的信号强度之间差值的数来进行响应。还在整个PLC带的子带上计算130此差值以使得结果较不易受到窄带噪声和信号衰落的影响。所报告的差值是在SLAC首字母缩写中所使用的信号电平“衰减”项。具有最低平均PEV信号衰减的EVSE被确定为最可能被直接连接到PEV上并且关联140这些装置的一个EVSE。如果衰减大于或小于某个预定范围，SLAC过程自动地重新启动或者充电时段发起终止。如果所有的EVSE所报告的最低衰减(最大接收信号)大于该预定范围(即，指示多于所预期的衰减)，其可能指示最近的EVSE未对请求进行响应。如果多个EVSE所报告的衰减之间的差值太小，PEV可能无法做出决策。在这些情况下，一些协议(如ISO/IEC 15118-3)使用可选的确认步骤135。确认使用带外(非宽带PLC)方法，如切换导频接线上的电压电平以评估PEV是否已经选择与其相关联的正确EVSE。
一旦相关联，EVSE和PEV发起专用的PLC局域网，并且充电消息和信令可以开始150。一旦相关联，EVSE将不对请求关联的其他消息进行响应，直至被从其先前的关联中释放出来(例如，直至之前的充电时段结束，PEV断开连接或者系统故障发生并终止该时段)。
对于SLAC如何操作的附加细节，参照HomePlug Green PHY v1.1规范的13.8节。
图2中示出了示例充电系统。在此示例中，EVSE 106连接到电源215的左侧，该电源连接至公用事业基础设施200和通信链路220。例如，通信被用于交换计费、资费、能力、以及对交流电源和EVSE进行管理(通常被称为“后端”服务)的信息。插入式EV 250通过电力线缆和耦合器(插头)260连接至EVSE。此线缆将充电能量、管理信号以及通信功能连接至插入式EV 250。
图3展示了EVSE的内部是什么的示例，包括：其内部的交流-直流电源380；包括CPU、存储器、固件和软件的计算机控制器390；包括电力线通信的充电过程通信接口；充电器能量控制、传感器370、以及外部通信接口375。
在无线充电系统(如在图4中所示出的那些无线充电系统)中，EV将位于其底盘之下的无线充电板408对准到由无线EVSE通电的充电板401之上。使用磁场感应来在通电充电板与接收充电板之间耦合充电能量。“充电板”是描述在EVSE与EV之间无线地耦合能量的电感器或电感器阵列以及其他电路的通用术语。充电板通常还被称为“充电线圈”以及通过若干其他名称来指代。能量流通常是从EVSE(通电充电板)到EV(接收充电板)到EV的车载充电控制器和蓄电池。然而，将EV用作分布式能量资源(DER)会反转能量流方向并且EV的充电板变成通电充电板。
在示例中，交流电力信号通过无线EVSE被施加到EVSE的通电充电板上并且被感应性地耦合到EV的接收充电板内。通过EV将所接收到的能量信号转换为用于EV的充电能量。通过应用来确定能量信号的频率及其电力电平，但是重要的是通电充电板被以电气方式调谐到接收充电板以便传递最大量的能量。具有较大品质因数(Q)的充电板具有非常窄的谐振频率范围并且调谐进一步提高了信号耦合效率。还必须在二维或三维上对准这些充电板以最大化能量传递。
无线充电系统使用无线通信以在无线EVSE与正在被充电的装置(例如，EV)之间进行通信。这是因为通过外部(非车载)充电器进行充电的EV蓄电池需要与充电器进行通信。例如，从非车载充电器和车载蓄电池充电系统对EV进行充电要求它们通信包括充电数据、标识数据和计费数据在内的数据。例如，充电数据可以包括这些蓄电池需要多少电荷(电荷状态)、充电状态、什么类型的蓄电池正在被充电、蓄电池温度以及用户偏好(例如，充电成本以及充电应该何时结束)。EVSE与EV(有线或无线充电)之间通信的其他数据可以指示EV的标识、如何对能量进行计费、或用于充电时段的费用预测。SAE规范(如J2847/6、J2836/6和J2831/6)是用于无线充电的消息、通用情况和协议要求的示例并且通过引用结合于此。为在无线充电器与正在被充电的装置之间进行通信，无线充电系统(即，相对于存在传递充电能量的“金属”(有线)连接而言是无线的)使用无线通信装置(如DSRC(数字短程通信)、IEEE802.11的各种形式(例如，Wi-Fi)或其他无线装置)来对这些消息进行通信。通常，使用两种无线通信技术。一种用于检测充电系统并且第二种用于充电消息和其他数据的通信。
如在图4中所展示的，无线充电器400连接到主电源上。这通常是但不限于交流电力线。在本示例中，无线通信装置402通过第一天线404传输信号以检测EV的存在，该EV具有相兼容的无线通信装置426和第一天线427。一旦检测到该存在，在第二种通信方法403中，由第二天线405来对用于配合兼容的无线传输装置425通过其第二天线428来控制充电序列的通常是双向的、更快并且更有能力的信号进行收发。正如充电过程所要求的，充电序列经常包括检查计费账户、确定正在被充电的装置的状态、以及对在本示例中通常被称为蓄电池的能量存储装置的任何特殊要求、任何错误条件等。电力转换器420将从通电充电板401感应性地耦合415至接收器充电板408的电力信号转换为由正在被充电421的装置使用的充电(以及系统操作)能。
在图5中所示出的实施例中，无线充电器400包括电力线通信(PLC)收发器406。无线充电器400可以耦合至主电源。主电源可以是交流电力线，或者还可以使用其他直流(DC)能量源、光伏能量源、核能量源或风能量源。PLC收发器406可以使用但不限于从大约3kHz至大约490kHz(例如，IEEE 1901.2)以及从大约1.8MHz至大约88MHz(例如，IEEE 1901)的载频。基于应用约束、物理约束和调节约束来选择具体的频率和带宽。
PLC信号通过耦合电路407耦合至通电充电板401，该耦合电路提供了阻抗匹配、滤波、浪涌保护以及其他相关功能。PLC信号耦合到通电充电板401中并且耦合至接收器充电板408中，无论通电充电板在其上是否具有充电信号。也就是，名称通电充电板仅指示其被连接至充电器，而不是对其能量状态的反映。PLC系统可以被设计为对连接在无线充电器400与通电充电板401之间的通电或非通电接线上起作用。
当PLC信号耦合到接收器充电板408中时，其通过耦合电路422耦合并且耦合到正在被充电的装置421内的PLC节点430中并且建立如在所引用的PLC标准中定义的PLC通信链路。还可以在相反的方向上发起链路。在实施例中，通过PLC节点406和430进行的PLC通信向电力转换器420提供控制信号以控制充电过程。必须在两个或三个方向上自动机械地、电气地和/或手动对准通电充电板401和接收器充电板408以最大化能量传递。下面进一步地描述对准过程的具体实施例。
图6展示了无线充电系统的无线充电器400(有时候被称为无线EVSE)的部件，该无线充电系统使用代替图3的线缆和耦合器260的充电板401。因为无线充电中不存在线缆(接线)，用于对车辆进行充电的所有消息和信号370都通过无线装置430(如对充电能量的磁场进行调制的电力线通信协议425)来通信。然后，将此磁场415耦合至接收充电板(参见图5中的408)。在一些实施例中，无线装置430可以类似于图5的PLC节点406和耦合器407。在其他实施例中，可以包括可选的天线从而使得可以利用电磁方法，如蓝牙、Wi-Fi、蜂窝、专用短程通信(DSRC)、近场通信(NFC)等、或其组合。在一些实施例中，可以使用光学通信方法或其他无线方法来进行通信。
可以以若干方式来发起无线充电过程。图7展示了发起充电过程的实施例。步骤502包括从无线充电器(例如，图5和图6中的400)向正在被充电的装置(例如，图5中的421)(若存在)传输PLC信号。在一些实施例中，可以周期性地传输PLC信号。步骤504包括通过来自正在被充电的装置的确认或响应来检查正在被充电的装置是否接收到PLC信号。如果没有接收到对PLC信号的确认和/或响应，过程循环回到步骤502，并且可以重复步骤502至步骤504直至在无线充电器处接收到来自正在被充电的装置的确认和/或响应。如果无线充电器接收到来自正在被充电的装置的对PLC信号的确认和/或响应，那么过程进行到步骤506，该步骤包括发起在无线充电器与正在被充电的装置之间的PLC通信。无线充电器与正在被充电的装置之间的通信链路可以在非常短的距离上。可选步骤508包括将无线充电器的充电板与正在被充电的装置的充电板对准。可以使用下文在图10A-B以及图11A-C至图14中所描述的那些对准方法和方式中的一种或多种来进行可选的对准步骤508。步骤510包括发起对正在被充电的装置的充电过程。如果PLC信号丢失，可以终止充电过程。
图8展示了发起在无线充电器(例如，图5和图6中的400)与正在被充电的装置(例如，图5中的421)之间的充电过程的另一个实施例。步骤520包括无线充电器在通电充电板(例如，图5中的401或408)上发射PLC或电力导频信号(低电平)。步骤522包括测量通电充电板的负载和/或阻抗。步骤524包括确定所测量的通电充电板的负载和/或阻抗是否发生变化。如果通电充电板的负载和/或阻抗未发生变化，过程循环回到步骤520，并且可以重复步骤520-522直至检测到变化。如果通电充电板的负载和/或阻抗确实发生变化，过程进行到步骤526，该步骤包括发起在无线充电器与正在被充电的装置之间的PLC通信。由于正在被充电的装置上的接收器充电板与通电充电板紧密接近，通电充电板的负载和/或阻抗的变化可以用于检测正在被充电的装置的存在。步骤528包括发起对正在被充电的装置的充电过程。虽然未示出，在开始充电过程之前，此过程还可以包括对通电充电板与接收器充电板进行对准。
在另一个实施例中，可以将电力信号(或者全电力电平或者部分电力电平)感应至接收器充电板(与通电充电板相反)中，并且通过正在被充电的装置来检测该电力信号。然后，可以发起PLC通信并且发起充电过程。
图9展示了发起在无线充电器(例如，图5和图6中的400)与正在被充电的装置(例如，图5中的421)之间的充电过程的另一个实施例。步骤540包括将全电力信号施加至通电充电板(例如，图5中的401或408)上。步骤540可以包括通过时间延迟功能来设置电力信号周期。可以将时间延迟设置为足够快地进行响应以满足汽车拥有者对快速感测响应以及对足够长以便被准确地检测到的持续时间的期望。时间延迟同样足够大并且持续时间足够短，以节约能量并且最小化可能的磁噪声或电磁噪声。步骤542包括接收器充电板(例如，图5中401或408中的另一个)和电力转换器检测被周期性地施加至通电充电板上的全电力信号的存在。一旦被接收器充电板检测到，过程进行到包括发起PLC通信的步骤544并且进行到包括发起充电过程的步骤546。
因为充电板之间的磁耦合发生在非常小的距离上，在多个通电充电板旁边的多个EV将会串扰且被误关联的可能性非常小。这解决了在基于RF的通信系统中所发现的关联歧义性。如果多个系统恰好在附近，可以使用在通过引用结合于此的HomePlug Green PHY1.1规范中所教导的SLAC(信号电平衰减表征)协议来正确地关联EV与充电器充电板。
在一些实施例中，可以使用PLC信噪比(或者在下文，简单地为信号电平或信号和信噪比的组合)来指示充电板之间的最佳对准。
图10A展示了当图10B的充电板564和566位于图10B的位置A、B和C中时PLC信号560的信噪比(S/N)。如在图10A和图10B中所展示的，当通电充电板(ECP)564没有如在位置A和C中那样与接收器充电板(RCP)566对准时，几乎没有PLC信号560。当这些充电板在X轴、Y轴和Z轴上完全对准时(为简便起见，在图10A中仅示出了X轴变量)，PLC信噪比处于最高水平562。信噪比越高，对准和电力信号耦合越好。因为PLC信号被施加到整个通电充电板(其可以包括较小充电板的阵列)上，该PLC信号的信噪比基于整个充电板提供了对准度量而不需要这些充电板内的特定RF对准天线结构。然而，如果在这些充电板进入范围内之前需要PLC通信则可以向这些充电板添加附加天线以增加PLC磁场范围在本披露的范围内。
以上在图5至图10A-B中所描述的实施例可以实现多个优点。具体地，这些实施例利用在用于对待充电装置进行充电的相同的充电板上的PLC通信。因为PLC通信被施加到整个通电充电板(其可以包括较小充电板和/或线圈的阵列)上，PLC通信的信道估计和/或信噪比基于整个充电板提供了对准度量而不需要这些充电板内的特定对准结构，并且允许对这些充电板的对准进行精细调整而不需要在这些充电板上或邻近这些充电板的额外对准结构。本实施例的另一个优点是解决了以下问题：确保充电器以及其所充电的电动车辆是正确的装置而不是相邻的装置。这个问题在行业内被称为充电器至EV“关联”。因为本披露中的PLC通信是通过被连接至充电器和EV上的实际充电板来进行传输的并且这些充电板需要彼此紧密接近以进行通信，所披露的无线充电系统在物理上排除了多个车辆和/或充电器发生串扰。因此，对于所披露的无线充电系统，充电器至EV关联问题不会发生。
图11A-C至图14展示了进一步描述充电板对准、关联和确认的无线充电系统的各个视图。如以上所讨论的，无线充电的问题包括对通电充电板和接收充电板的适当对准以及确保EV与正确的EVSE相关联。正在使用无线电、光学或物理位置检测和对准方法来开发若干种对准方法。无线电方法受到不良的位置分辨率、安全问题以及干扰其他的附近EVSE和通信系统的可能性的影响。光学系统(如LED以及包括发射器、传感器的激光器)结合透射式或反射式位置方法在较脏和有雪的环境下工作不可靠。物理定位装置抵消了无线充电的优点并且是不可靠的、依赖于车辆的、或者对于室外环境而言是昂贵的。需要一种形式为无接触设备和方法的提供卓越的粗略和精细充电板对准并且用户友好的较好的解决方案。
如以上所讨论的，在无线充电系统中，EVSE与EV之间的所有通信和信令都必须是无线的(例如，通过磁场、电磁场和/或光学通信)。除了多路径问题，无线信号还受到由于吸收以及来自移动装置和固定装置的反射而产生的各种衰减和信号扰动的影响。因此，先前所描述的SLAC信号电平衰减方法对于使用传统的RF信号和通信协议的无线充电板关联而言工作并不可靠。
此外，无线充电系统的通电充电板和接收充电板的对准对于高效的能量传递而言是至关重要的。通常，行业考虑两种类型的对准：粗略和精细。粗略对准通常指的是彼此接近地对准这些充电板，并且精细对准指的是对粗略地对准的充电板之间的耦合进行优化。在本披露中，“对准”是指粗略对准和精细对准两者，除非特别地描述为粗略或精细。行业正在试图设计对对准准确度较不灵敏或者以其他方式简化对准过程的充电板。许多类型的线圈结构(例如，环状、螺旋状以及具有各种阵列拓扑的不同结构的组合)正在被评估并且可能导致非常复杂的磁场图案。然而，无论所使用的充电板结构如何，这些充电板仍然必须在物理上被对准。
可以以多种方式来实现通电充电板和接收充电板的对准。一种方法是通过目视检查，如通过在这些板之上驾驶并且遵循视觉提示(如对准目标)或物理提示(如车轮引导、止轮块或停车表面内的压痕)。还可以使用RF位置技术(例如，如以上所披露的)和光学位置技术非直接地指示如何对准充电板来实现对准。通过充电板之间的最大电力传递来确定对充电板的最佳对准。出于安全(和计费)原因，直至对准过程和关联过程(以及可选的确认过程)完成之后才对全充电电流通电，然而，充电板中的最小充电电流或通信电流会创建可以用于对准充电板的磁场。这种方法提供了对数据的实时传递，该数据可以指示针对如图10A中所示的EV的电流承载的最优对准562、但是没有关于如何对准这些充电板的主动导向(例如，“向左移一英尺并向前移两英尺”)。
这些实施例提供了用于与在无线充电系统中充电板对准、关联和确认相关联的问题的解决方案。
这些实施例中的一些实施例使用数字或模拟电子罗盘中的磁力计来感测从EVSE到EV传递能量的通电充电板的磁场。在某些实施例中，EV知道相对于该EV的接收充电板在哪里对通电充电板的磁场最灵敏而言该EV的电子罗盘传感器定位在哪里。当电子罗盘检测到磁场极大值时，在某些实施例中，通过用户接口来通知用户如何引导该EV到适当的对准。在一些实施例中，EV自主地引导其自身到适当的对准。在一些实施例中，EVSE充电板、EV充电板或者两者自主地移动自身到适当的对准。可以将电子罗盘粘附到充电器、正在被充电的装置(例如，EV)或两者上。
如在图11A、图11B和图11C中所展示的，磁场强度在充电板570的表面上变化并且还在距其表面的距离上变化。可以将其设计为具有多个线圈572并且因此具有多个磁场极大值和灵敏度区域，其特性与电路的品质因数或“Q”相关。
图11A展示了由EVSE充电器电流265通电的充电板570，其可能不同于图6中的那些充电电流但是与其具有相同的功能。表示具有相等的场强度的多条线的磁场等高线图在图11B中表示为从俯视图角度的圆形图案574以及如在侧视图578和端部视图580中所示出的波纹状场强度值576。在交流充电电流的正峰值处表示这些场强度。注意，可以反转通过线圈的电流的方向或者设计与其他线圈相反方向缠绕的线圈，从而使得在瞬间其表示图11C中所示的相反场590、595。相反场可以用于帮助定向充电板并且改善对准。
图12展示了使电子罗盘(EC)610在单线圈通电充电板(ECP)620之上穿过的一维结果。曲线被示出为实线，但是磁力计以快的足以补偿装置的运动和磁场的频率的速率采样。在电子罗盘横向穿过磁场时，场强度和方向(幅度和向量)(630、640和/或650)通过电子罗盘(EC)来感测、通过电子接口(如I2C串行总线接口)通信至控制器、并且存储在存储器中。峰值耦合效率η是在接收线圈板的最灵敏位置与通电板的H场极大值对准时。在EC 610被粘附到正在被充电的装置(例如，EV)上的实施例中，峰值耦合效率是在EC 610与ECP 620在本示例中的位置“B”中对准时。充电板之间的距离(间隙)也是重要的。在低间隙处，磁场可能无法适当地与接收板线圈对准并且导致如在间隙高度D、曲线650中所示出的较低的耦合效率。存在间隙导致如在间隙高度E、曲线640中所示的最佳对准。如果间隙变得太大，场强度如由间隙高度F、曲线630所示出的那样被减小。可以使用各种方法来调整间隙高度，包括调整胎压、修改变化的板的磁场特性、或者相对于彼此机械地移动充电板。
在一些实施例中，接收充电板上的电子罗盘使用2-D(二轴)磁场强度方向来定位和跟踪通电充电板的磁场最大值或极大值的位置。这提供了更好的信息，用来生成对准数据的(例如X轴和Y轴)信息。在一些实施例中，3-D(三轴)电子罗盘的磁力计包括竖直的“Z”轴磁强度数据以提供磁场强度的三维。
图12进一步展示了在电子罗盘(如STM微电子LSM303DLH)穿过通电充电板上方时的磁强度数据并且其测量并记录了1轴、2轴或3轴中的磁场强度。其可以将磁场数据作为位置的函数来存储。可以通过多种方法来确定这些充电板相对于彼此的相对位置和移动，包括EV车轮转动、GPS、光学和无线电三角测量、到达时间、和/或其他测距和定位方法。如果确定在电子罗盘的后方、左侧、右侧、上方和/或下方的场强度更强，将相对位置数据发送至接口以指示如何对准这些充电板。
在一些实施例中，移动充电板(例如，EV的充电板)可能包含呈阵列状的多于一个电子罗盘。来自这些多个电子罗盘的数据可以用于跨比单电子罗盘大得多的区域上映射磁场强度并且可以提供更好的对准信息。这在当充电板的磁场具有多个极大值或者接收充电板具有多个峰值灵敏度极大值时是特别有用的。例如，通过具有六个电子罗盘的阵列可以最佳地检测具有六个线圈(六个极大值)的充电板。
在一些实施例中，电子罗盘包括加速度计。加速度计可以包括1轴、2轴或3轴加速度数据。当结合来自电子罗盘的磁力计的数据时，系统可以提供附加信息(如对最佳对准位于何处的航位推算并且计算对准调整所需要的距离和方向)。
例如，图13展示了EV 710，其采用位于充电板730的相对端上的电子罗盘装置715和720(例如，在充电板的前置缓冲器(装置“A”715)和后置缓冲器(装置“B”720)侧上)。电子罗盘对当电子罗盘传感器“A”在第一点处穿过通电板732的磁场735极大值740并且电子罗盘传感器“B”720在第二点处穿过充电板732的磁场735极大值740时的峰值磁场数据进行检测、测量和存储。加速度数据以及传感器在EV 710上的相对于接收充电板730的位置的已知位置、板特性、以及第一和第二点与由控制器提供的时间信息结合使用来计算通电充电板732的磁场极大值740相对于接收充电板730的精确位置以及对准它们所需要进行的调整。此数据通过用户接口向用户或EV提供了精确的对准指令。此外，加速度计数据可以用于计算电子罗盘的倾斜并且用于校正磁场计算和磁场图。
在一些实施例中，加速度计可以是系统的一部分，该系统还包括陀螺仪以向系统提供惯性导航定位数据。这种配置提供了用于计算如何对准这些充电板的附加信息。
在一些实施例中，使用陀螺仪提供1轴、2轴或3轴信息，该陀螺仪可以取代或与加速度计结合使用。陀螺仪可以是电子罗盘的一部分或者在其外部。与加速度计和磁力计一样，数据可以是模拟格式的或数字格式的。
在6-D电子罗盘实施例中，电子罗盘可以利用磁力计、陀螺仪、加速度计等中的任两种，如，例如电子罗盘包括磁力计和陀螺仪。在9-D电子罗盘实施例中，电子罗盘可以利用磁力计、陀螺仪、加速度计等中的任三种，如，例如电子罗盘包括磁力计、陀螺仪和加速度计。
在一些实施例中，通过电子罗盘阵列来测量磁场强度。该数据用于对磁场进行映射。如果通电板的磁场的形状与接收充电板的配置不兼容，充电系统访问磁场图(假设在本示例中将在EV中进行测量和存储)、将其与内部存储的关于其自身充电板特性的数据相结合并且计算最佳的可能对准。在一些实施例中，磁场图信息用于切换充电板的线圈拓扑以优化能量传递效率。可以通过在多个共同定位的充电板之间进行切换、切换哪些感应线圈用于线圈阵列拓扑充电板中以便改变磁场极大值的数量和/或位置、将电流引至针对最大能量传递而最佳对准的那些线圈、或者改变充电板的表面上的磁场灵敏度的其他方法来实现切换拓扑。
在一些实施例中，充电板不必是电气通电的。相反，磁体或磁体阵列被制造为EVSE充电板的一部分。这些磁体可以是永磁体或电磁体。对于电磁体，其电流不必是对准、通信或电力传递充电电流的一部分并且可以被设计为单独地受到控制。电子罗盘把对准指令建立在检测磁场的位置的基础上。为节约能量，可以响应于检测EV的存在而接通或关断电磁体。
如在图14中所展示的，一些实施例可以使用磁体或磁体阵列810并且对它们的磁场820A、830B和840C进行定向以提供对准数据。例如，在图14中，磁体A 820以其北极指向+Y轴被极化。另一个磁体(如磁体B 830)被定向为使得其北磁极指向沿着X轴，并且另一个磁体C 840被定向为使得其磁北极被定向为从图中向上从页面中出来的Z轴。电子罗盘检测磁体定向以便计算充电板的定向以及它们的相对位置。此数据作为对准指令被提供给用户接口。
在一些实施例中，磁极定向提供了用于确定充电板的定向并且/或者表示关于充电板的一些其他信息的编码图案。因为磁体的数量可以很大并且每一个磁体的磁极的定向可以指向围合磁体的球面上的任何点(即，是向量±X、±Y、±Z轴的任何组合)，可能的编码图案的数量是相当大的。这些图案还可以用于对板的类型、制造商或型号编码，从而使得接收线圈的充电系统可以针对最大能量传递来计算最佳的可能对准或改变其磁特性。这个所产生的对准数据用于提供对准指令准确性。每个磁体的极数也可以用作编码图案的一部分。给定位置中充电板的数量以及商用充电板设计的数量可能相对较小并且因此对于停车库或EVSE集群而言是唯一的。因此，充电板的磁性编码标识可以用于充电过程中以替代SLAC关联过程和确认过程。在一些实施例中，这些磁体位于通电充电板和接收充电板两者上。
在一些实施例中，使用无线通信接口(包括在充电磁场上的电力线通信协议、RF、光学方法等或其组合)来在EVSE与EV之间传送电子罗盘数据(包括磁力计数据、加速器数据、陀螺仪数据、时间数据以及所产生的包括位置数据的计算)的通信。通过交换电子罗盘数据，EVSE和EV两者均可以计算对准数据和所标识的最佳对准解决方案。为了使EVSE充电板能够检测EV充电板，EV充电板必须包含磁体或者被临时通电。然而，在一些实施例中，当EVSE和EV均具有电子罗盘能力时，它们可以测量每一个板相对于彼此的相对速度和方向。如果EVSE和EV所报告的方向彼此相反，但是速度是相同的，在一定容差内，足以证明EVSE和EV实际上是适当的配对并且可以使用SLAC过程来关联和确认。在一些实施例中，方向、加速度、和磁场数据被打上时间戳，从而使得其可以被更精确地比较并且可以更好地确定关联和确认。
在具有在充电系统之间进行通信的能力的一些实施例中，可以将充电板的类型(例如，通电板制造商和型号)通信至另一个充电系统(例如，EV)并且与存储在其控制器内的另一个充电系统(例如，EV)的充电板的磁场特性数据进行比较。进行该比较以便确认其标识。例如，EVSE记录表示EV的充电板的磁场数据并且将其发送至EV，其中，在EV的控制器内将其与所存储的关于EV的充电板的数据进行比较。如果该数据在容差之内匹配，结果可以取代SLAC过程和确认过程。在一些实施例中，两个充电系统都可以测量并交换彼此的磁场数据和加速度计数据，由此进一步改进自识别过程和/或对准过程。
在一些实施例中，两个充电板上磁体和磁极定向角均被利用。EVSE和EV检测磁体数据(如位置和磁极定向)并且将此信息发送至另一方。EVSE和EV中的至少一个将该信息与它们内部存储的关于自身的信息进行比较。如果数据匹配，足以证明正确的关联取代了对SLAC过程或确认过程的需要。告知另一个装置它看到什么的过程优于不包括通信的实施例，因为该比较系统只需要知道其自身的充电板特性。
在一些实施例中，通电板可以是能够同时地或顺序地对位于其表面上方的多个EV进行充电的非常大的区域。这些方法对于针对安全且高效的能量传递来定位EV并对充电板的相关部分(线圈)进行通电同样有用。
在一些实施例中，当使用电力线通信来在通电充电板与接收充电板之间进行通信时，可以使用如在SLAC中所使用的信噪比(SNR)或信号衰减方法来确定这些充电板何时被最佳地对准。此数据还可以与先前所披露的其他数据一起使用。
在所描述的实施例中使用SLAC协议并不旨在进行限制，因为这些实施例可以与其他现有的或未来的协议一起应用和使用。
在一些实施例中，可以使用提供方向性指令(如前进、后退、向左和向右)的文本显示器来实现用户接口。上下对准对于3-D电子罗盘系统也是可能的。在一些实施例中，用户接口可以是图形显示器，该图形显示器指示用于对准充电板的文本和/或图形指令。该接口可以是交互式的。在一些实施例中，用户接口可以是音频接口，其可以例如改变语音的频率、或使用语音合成来告诉用户如何对准充电板。音频用户接口还可以包括作为响应用户使用至EV的声音音频指令的能力。在一些实施例中，由系统(例如，用于EV的控制系统)使用来自电子罗盘的信息来对EV进行引导、驾驶和刹车并且自主地对准充电板。用户接口还可以是远程装置(如智能蜂窝电话)。这些用户接口方法可以在EV、EVSE或两者中单独地或组合使用。
虽然已经参考示例性实施例描述了本披露，但是本说明书并不旨在以限制性意义上来解释。本领域的技术人员通过参考本说明书将明白示例性的实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。因此，旨在所附权利要求书包括任何此类修改或实施例。

Claims (27)

1.一种用于无线充电的方法，所述方法包括：
使用来自电子罗盘的对准数据将充电器的通电充电板与正在被充电的装置的接收器充电板对准；
通过电磁场从充电器的所述通电充电板向正在被充电的装置的所述接收器充电板传递能量；以及
使用电力线通信PLC进行在所述充电器与所述正在被充电的装置之间的通信，其中使用PLC进行通信进一步包括使用所述通电充电板与所述接收器充电板之间的所述电磁场进行通信。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
周期性地传输来自所述充电器的PLC信号以便形成网络连接；以及
在成功地形成所述网络连接之后，发起充电过程。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
周期性地传输来自所述充电器的PLC信号以便形成网络连接；以及
在成功地形成所述网络连接之后，使用来自所述电子罗盘的对准数据将充电器的所述通电充电板与所述正在被充电的装置的接收器充电板对准。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
周期性地传输来自所述正在被充电的装置的PLC信号以便形成网络连接；以及
在成功地形成所述网络连接之后，发起充电过程。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
周期性地传输来自所述正在被充电的装置的PLC信号以便形成网络连接；以及
在成功地形成所述网络连接之后，使用来自所述电子罗盘的对准数据将充电器的所述通电充电板与所述正在被充电的装置的接收器充电板对准。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过所述接收器充电板来检测所述通电充电板中的电力信号；
发起PLC通信；以及
在建立PLC通信之后，发起充电过程。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过感测所述通电充电板或所述接收器充电板的负载或失调来确定所述接收器充电板的存在；
当确定存在时，发起所述PLC通信；以及
在建立PLC通信之后，发起充电过程。
8.根据权利要求1所述的方法，使用PLC信噪比来确定所述通电充电板与所述接收器充电板的对准。
9.一种用于无线充电的方法，所述方法包括：
使用第一对准数据将第一系统的第一无线充电板与第二系统的第二无线充电板对准，所述第一对准数据包括电力线通信PLC信噪比；
将所述第一无线充电板通电以通过电磁场向所述第二无线充电板传递能量；以及
使用PLC在所述第一系统与所述第二系统之间的进行通信，PLC信号利用所述电磁场在所述第一无线充电板与所述第二无线充电板之间进行通信。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一系统是无线充电系统，并且其中所述第二系统是电动车辆EV。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一系统是电动车辆EV，并且其中所述第二系统是无线充电系统。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述对准进一步包括使用第二对准数据，所述第二对准数据来自一个或多个电子罗盘，其中所述一个或多个电子罗盘包括：1轴、2轴、或3轴磁力计；1轴、2轴、或3轴加速度计；以及1轴、2轴、或3轴陀螺仪；或其组合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述一个或多个电子罗盘位于所述第二无线充电板组件内。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述一个或多个电子罗盘位于所述第一无线充电板组件内。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述将所述第一无线充电板与所述第二无线充电板对准是自主地进行的且不需要任何人工干预。
16.根据权利要求9所述的方法，其中所述将所述第一无线充电板与所述第二无线充电板对准进一步包括：
对由所述第一无线充电板产生的磁场进行映射；
将所述第一无线充电板的所映射的磁场与所述第二无线充电板的配置进行比较；以及
基于对所述第一无线充电板的所映射的磁场与所述第二无线充电板的所述配置所进行的所述比较来调整所述第一无线充电板的拓扑。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一无线充电板包括多个导电线圈，其中，所述调整所述第一无线充电板的所述拓扑进一步包括选择所述多个导电线圈中的仅一部分进行通电。
18.根据权利要求9所述的方法，其中所述将所述第一无线充电板与所述第二无线充电板对准进一步包括：
向接口提供所述第一对准数据；以及
基于所述接口处的所述第一对准数据来调整所述第一无线充电板和所述第二无线充电板中的至少一个无线充电板。
19.一种用于无线充电方法，包括：
使用电力线通信PLC发起在第一系统和第二系统之间的通信，用于通信的PLC信号通过所述第一系统中的第一电感线圈和所述第二系统中的第二电感线圈之间的电磁场发送；
在发起所述第一系统和所述第二系统之间的通信之后，使用第一对准数据将所述第一电感线圈和所述第二电感线圈对准，所述第一对准数据包括PLC信噪比；以及
在将所述第一电感线圈和所述第二电感线圈对准之后，通过所述电磁场将能量从所述第一电感线圈传递到所述第二电感线圈。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一系统是电动车辆EV，并且其中所述第二系统是无线充电系统。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述对准进一步包括使用第二对准数据，所述第二对准数据来自一个或多个电子罗盘，其中所述一个或多个电子罗盘包括：1轴、2轴、或3轴磁力计；1轴、2轴、或3轴加速度计；以及1轴、2轴、或3轴陀螺仪；或其组合。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述一个或多个电子罗盘位于第一无线充电板组件内，所述第一电感线圈是所述第一无线充电板组件的一部分。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述一个或多个电子罗盘位于第二无线充电板组件内，所述第二电感线圈是第二充电板组件的一部分。
24.根据权利要求19所述的方法，其中将所述将所述第一电感线圈与所述第二电感线圈对准是自主地进行的且不需要任何人工干预。
25.根据权利要求19所述的方法，其中将所述将所述第一电感线圈与所述第二电感线圈对准进一步包括：
对由所述第一电感线圈产生的磁场进行映射；
将所述第一电感线圈的所映射的磁场与所述第二电感线圈的配置进行比较；以及
基于对所述第一电感线圈的所映射的磁场与所述第二电感线圈的所述配置所进行的所述比较来调整所述第一电感线圈的拓扑。
26.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一电感线圈包括多个导电线圈，其中所述第二电感线圈包括多个导电线圈。
27.根据权利要求19所述的方法，其中将所述将所述第一电感线圈与所述第二电感线圈对准进一步包括：
向用户接口提供所述第一对准数据；以及
基于所述用户接口处的所述第一对准数据来调整所述第一电感线圈和所述第二电感线圈中的至少一个电感线圈。
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