CN111052531A - 用于组装线的无线充电方法 - Google Patents

Abstract

一种组装线包括传送带和能量充电系统。所述能量充电系统包括：（i）谐振器，其具有沿着传送带布置的TX谐振器，以及被装配在传送带上并且由传送带输送的RX谐振器，（ii）与所述谐振器通信的阻抗匹配网络，（iii）以及与所述谐振器和阻抗匹配网络中的至少一个通信的能量存储设备。Vmin是能量存储设备的最小电压，并且Vcap是实时测量的跨能量存储设备的电压。当Vcap小于能量存储设备的Vmin时，能量从TX谐振器传递到RX谐振器。

Description

用于组装线的无线充电方法

对相关申请的交叉引用

本申请对2017年8月31日提交的Shi等人的题为“WIRELESS CHARGING METHOD FORASSEMBLY LINE”、序列号为62/552,732的美国临时申请要求优先权，所述临时申请的公开内容特此通过引用以其全部被并入本文中。

技术领域

本公开内容一般地涉及无线充电系统，并且具体地涉及用于组装线的无线充电系统。

背景技术

组装线典型地具有传送机（conveyor）系统，所述传送机系统被配置成沿着固定路径、通过一个或多个工作站输送托盘。托盘支撑着对象，诸如零件、组件、设备等等。工作站包括自动化机器、例如机器人，其被配置成在沿着传送机路径移动托盘时在托盘上所支撑的对象上执行任务。

出于各种原因，传感器和其它电子设备通常被并入到托盘上。例如，传感器可以用于检测与托盘上的对象相关的环境参数，诸如温度、压力、湿度等等。位置传感器可以用于指示对象和/或托盘的位置。电子设备、诸如通信装备也可以被并入到托盘上以使能实现无线数据传递。

被并入到托盘中的传感器和电子设备可以由电池来供电。然而，电池必须被周期性地更换和/或再充电，这可能是耗时的，尤其是在考虑到在组装线上可以使用成百上千个传感器和电子设备的时候。所需要的是一种维持给予组装线的托盘上所利用的传感器和其它电子设备的功率和/或电荷的自动化方法。

附图说明

图1A是根据本公开内容的一个实施例的组装线和无线充电系统布置的示意性图示。

图1B是根据本公开内容的另一实施例的组装线和无线充电系统布置的示意性图示。

图1C是组装线的一部分的侧视图的示意性图示，其示出了图1或图2的无线充电系统的充电站。

图2是图1和2的无线充电系统的框图。

图3是用于供图2的无线充电系统使用的一种类型的阻抗匹配电路的图解。

图4A是被示出为固定到组装线的图1或2的无线充电系统的充电站的示意性图示。

图4B是被示出为由支架所支撑的图1或2的无线充电系统的充电站的示意性图示。

图5是充电站的示意性图示，其示出了给传输器的反馈。

图6是用于图1-2的无线充电系统的充电算法的流程图。

图7A是一示意性图示，其示出了被划分成多个区的传输器线圈（transmittercoil）的充电区域，其中在充电区域中具有单个接收器线圈（receiver coil）。

图7B是一示意性图示，其示出了被划分成多个区的传输器线圈的充电区域，其中在充电区域中具有两个接收器线圈。

图8是为图7A和7B的每个区和线圈布置确定阻抗匹配值的方法的流程图。

具体实施方式

为了促进理解本公开内容的原理的目的，现在将参考在附图中所图示的以及在以下所撰写的说明书中所描述的实施例。理解到，并不从而意图对本公开内容范围的限制。此外理解到，本公开内容包括对所说明的实施例的任何变更和修改，并且包括如本公开内容所关于的领域中的普通技术人员通常将会想到的本公开内容的原理的另外应用。

本公开内容针对一种用于组装线的自动无线充电系统，其使得沿着组装线在托盘上所输送的传感器和其它电子设备能够被供电和/或充电，而不必手动地更换电池和/或为可再充电的电池再充电。所述系统还针对控制充电系统的电压以最小化能量存储组件上的电荷，以便增大组件的寿命时间。

参考图1A，描绘了根据本公开内容的一个实施例的组装线和无线充电系统10。组装线包括传送机系统12，其具有被布置成形成连续的、固定的路径的一个或多个传送带等等。传送机系统12被配置成沿着路径输送多个托盘14。工作站16沿着传送机路径而被布置。托盘14被配置成支撑诸如零件、设备、组件等等的一个或多个对象（未被示出），以便通过工作站中的每一个而输送对象。工作站16包括机器和工厂装备，所述机器和工厂装备被配置成在托盘14经过工作站16时关于托盘14上的对象执行一个或多个任务。

传感器和其它电子设备（参见例如图2、20）可以出于各种原因而被并入到托盘上。例如，传感器20可以用于检测与托盘上的对象相关的环境参数，诸如温度、压力、湿度等等。位置传感器可以用于指示对象和/或托盘的位置。电子设备、诸如通信装备也可以被并入到托盘上以使能实现无线数据传递。

无线充电系统被配置成为位于托盘上的任何传感器和电子设备无线地供电和/或充电。无线充电系统被配置成使用近场磁谐振来无线地传递功率和/或为托盘上的电子设备充电。使用近场磁谐振，因为它具有高效率、低EM辐射、以及适度灵活性。在图2中描绘了近场磁谐振充电系统的简化框图。

图2的充电系统包括谐振器结构，所述谐振器结构包括传输器（TX）谐振器28——在本文中也被称为TX线圈，以及接收器（RX）谐振器30——在本文中也被称为RX线圈。TX线圈28是磁谐振充电方案中的初级线圈，并且用于生成交变电磁场。为了生成电磁场，信号生成器22输出交变信号，所述交变信号在被馈送到TX线圈28之前被放大器24放大。

RX线圈30是磁谐振充电方案中的次级线圈。由TX线圈28所生成的交变电磁场在RX线圈30中感生交变电流。该电流用于为被并入到托盘中的电子器件20（例如，传感器和设备）供电和/或充电。整流器34可以用于在将所接收的电流供给到能量存储设备36之前对所接收的电流进行整流。能量存储设备36向传感器20提供功率/电荷。

阻抗匹配是针对磁谐振近场无线功率传递的效率中的关键因素。为此，谐振充电系统的传输和/或接收侧可以包括阻抗匹配网络26、32。如本领域中所已知的，阻抗匹配网络可以用于匹配传输和接收线圈的阻抗，以改善功率传递的效率。在一个实施例中，π-匹配网络用于阻抗匹配。在图3中描绘了π-匹配网络的示例。

再次参考图2，在RX线圈30中所感生的电流被供给到至少一个能量存储设备36。能量存储设备36进而被配置成向与其相关联的一个或多个电子设备20供给能量。来自能量存储设备36的能量可以用于为相关联的电子器件供电或充电。可以使用任何合适类型的能量存储设备36，诸如电容器、超级电容器、超级型电容器、电池等等。在下述实施例中，能量存储设备36被描述为超级电容器，其因具有长寿命和高充电电流能力而已知。将理解到，其它类型的能量存储设备可以被用作对于超级电容器的可替换方案或附加于超级电容器而被使用。

为了实现谐振充电系统，在位于沿着传送机路径的固定位置处的充电站18处提供TX线圈28，并且将至少一个RX线圈30并入到每个托盘14上。尽管具有单个TX线圈的单个充电站可以用于为托盘上的电子器件充电，但是也可以使用如图1A-1C中所描绘的各自具有至少一个TX线圈30的多个充电站。图1A示出了一实施例，其中多个充电站18接连地被布置在沿着传送机路径的单个位置处。图1B示出了另一实施例，其中在沿着传送机路径的不同位置处提供多个充电站18。

如在图1C中可以看见的，TX线圈28和RX线圈30被布置使得RX线圈30穿过由充电站中的TX线圈28所生成的电磁场。可以使用充电站和/或TX线圈的任何合适数目以及定位。充电站可以被固定在组装线上，具有水平和垂直移动自由度二者以优化功率传递。水平和垂直调节可以由系统的用户手动地做出，或者可以利用如本领域中已知的适当装备来自动地做出。

具有TX线圈28的充电站18可以被提供在支撑结构38上，所述支撑结构38被附连到组装线轨道40（如图4A中所描绘的），或被附连到与组装线分离的支架42（如图4B中所示）。水平和垂直调节机构可以被并入到支撑结构或支架中。TX线圈28可以通过使用带中负载调制通信（类似于NFC）来得到隐式反馈。此外，TX侧装备有无线型无线电装置，以直接从接收器、或经由如图5中所示的控制系统44来接收关于充电效率的反馈。

现在将描述用于无线充电系统的充电算法。充电算法针对控制跨超级电容器的电压以及贡献于自热温度的充电电流。因为当存储较少的电荷时可以最大化超级电容器的寿命，所以充电算法被配置成最小化超级电容器上的电荷。基于超级电容器上的能量的量以及直到下一个充电事件为止的时间，所述算法使得能够关于是否要为超级电容器充电、用于为超级电容器充电的能量的量、用于充电的持续时间、充电电流而做出决策，其着眼于延长寿命循环并且最小化系统成本。在所述算法中所使用的值基于设计阶段中的给定工厂参数及要求来被计算。然后在操作阶段中，所述算法使能实现使用来自设计阶段的所计算的值的实时充电决策。

用于充电算法的输入参数包括：（i）工厂参数，诸如传送带的速度（V_belt）、在每个充电事件之间的持续时间（t_period）、传送带的长度（L）、以及在待充电的对象之间的最小分隔（d_space），（ii）传感器参数，诸如操作电压（V_op）和操作器功率（P_load），（iii）能量存储参数，诸如电容（C）、漏电阻（R_leak）、最大电流（I_{charge_max}）和电容器电压（V_cap），以及（iv）传输器线圈参数，诸如TX线圈的直径（D_TX）。另外，充电算法可以被配置成利用经缩减的功率模式，所述经缩减的功率模式在如果终端用户期望的情况下，给出用于通过增大传输器的数目来降低充电功率的选项。对经缩减的功率模式中的功率缩减的量进行指示的标量值（α_power）也是用于充电算法的输入参数。

充电算法的输出参数包括V_min、I_charge和t_charge以及#TX。V_min、I_charge和t_charge是用于控制能量存储设备的操作的参数。#TX是对于生成所需要的功率而言所需的TX谐振器的数目。V_min是在下一个充电事件发生之前可以向电子设备提供足够能量的电容器的最小电压。基于以下等式来计算V_min：

针对V_min来求解，其中

其导致以下等式：

I_charge是用于为能量存储设备充电的电流。为了缩减无线传输功率，可以启用经缩减的功率传递模式，其缩减I_charge而同时相应地改变其它参数（例如t_charge）以实现V_min要求。如果禁用经缩减的功率传递模式，则

。当启用经缩减的功率传递模式的时候，

。如果在对象之间的间隔（d_space）小于TX线圈的直径（DTX），那么多于一个接收器线圈可以同时在传输器线圈下方通过。作为结果，必须相应地增大传输器功率（I_charge）。

参数t_charge是对于将能量存储设备充电到预期电压所需的时间，其可以基于以下等式来被计算：

以下等式可以用于计算#TX。

在图6中描绘了一流程图，该流程图描绘了充电算法的逻辑。在操作期间，实时地测量V_cap。在设计阶段期间根据上述等式来计算V_min。根据流程图，一旦托盘抵达充电站（步骤600），就关于跨能量存储设备（例如超级电容器）的电压（V_cap）是否大于V_min而做出确定（步骤602）。如果V_cap大于V_min，则没有充电发生（步骤604）。如果V_cap不大于V_min，则激活TX线圈，从而导致能量存储设备的充电（步骤606）。可以用任何合适的方式来确定托盘和/或托盘上的RX线圈的位置。

当是充电时间的时候，充电电流基于设计区段中的计算结果。因为在无线功率传递期间存在效率损失，所以可以增大TX线圈的功率输出以补偿该损失，因此它能递送预期的电流。效率是基于传输器设计以及在传输器与接收器之间的距离限制的。在下一个充电事件之前，传输器将不充电，除非能量存储设备不能向负载提供足够的能量。根据在设计阶段中所计算的充电电流（I_charge）和充电时间（t_charge）来控制充电操作。

当待充电的目标正在移动的时候，相对阻抗基于相对于TX线圈的目标位置而改变。当阻抗不匹配的时候，无线功率传递效率受损。在其它工作中所使用的动态阻抗调谐不是时间高效的。在本文中提出了一种阻抗调谐方法，其用于特别是针对移动对象而改善功率传递效率。

为了优化阻抗调谐，在传输器线圈28下方和近旁的区域——在本文中被称为充电区域——被划分成若干区，并且为每个区分离地计算最优阻抗匹配值。图7A和7B图示了可以如何划分TX线圈下方的充电区域的示例。在图7A和7B中，充电区域被划分成七个区（n=7）。图7A描绘了其中一个RX线圈30正在穿过充电区域的示例，并且图7B描绘了其中两个RX线圈30正在穿过充电区域的示例。

谐振充电系统的设计阶段导致一组阻抗值，所述阻抗值用于基于在TX线圈下方的RX线圈的位置来设置TX线圈28和RX线圈30中之一或二者的阻抗。用于计算阻抗值的参数包括：（i）在传输器与接收器之间的距离（由工厂所指定的悬挂在传送带顶上的装备安装的最小间隙d_clear），（ii）传输器与接收器线圈的大小（如何选择所述大小并不在本作品的范围中），以及（iii）在待充电的对象之间的最小分隔距离（d_space）。

在图8中描绘了基于TX线圈和RX线圈的相对定位来生成针对功率传递的阻抗匹配值的方法的流程图。首先，充电区域被划分成多个区，n（步骤800）。每个区的大小可以对应于RX线圈的大小，尽管这不是必要的。每个区可以与近邻区共享某个重叠区域。取决于在RX线圈之间的最小间隔（d_space）相对于TX线圈的直径（D_TX）的大小，利用单个线圈布置或双重线圈布置（步骤802）。

为如下情形确定阻抗匹配值：在所述情形中，单个RX线圈位于充电区域中（步骤804）。为了确定在单个RX线圈条件下的阻抗匹配值，接收器线圈被定位成与传输器线圈平行、在将于操作期间实现的固定垂直分隔距离（d_clear）处的区中的第一区中，并且针对单个线圈条件来为该区确定阻抗匹配值。针对每个区重复该过程，使得在单个RX线圈条件下为每个区确定阻抗匹配值（步骤808）。

还为其它RX线圈条件（诸如在充电区域中有两个RX线圈）确定阻抗匹配值（步骤806）。类似的过程用于为多个接收器线圈确定阻抗匹配值。在两个接收器线圈的情况中，这两个接收器线圈被定位在固定的垂直分隔距离d_clear处，其中这两个接收器线圈被布置成与传输器线圈平行并且在被至少最小距离dspace间隔开的分离区中。为接收器线圈的该布置确定阻抗匹配值。接收器线圈被移动到不同的布置，并且为该布置确定阻抗匹配值，以此类推（步骤808）。阻抗匹配值可以被存储在可通过用于系统的控制器访问的存储器中，以供在操作期间使用。

预定每个区的中心之间的距离。然而，极高的分辨率不是必要的，因为在微妙的位置改变的情况下，阻抗改变是微妙的。在其中区的数目n=7的图7A和7B的示例中，每个区的大小是接收器线圈的大小，并且区的分辨率是一个区间隔。

对于上述每个传输器和接收器位置，可以为以下各项确定阻抗匹配值：（i）仅仅TX侧的阻抗匹配网络，（ii）仅仅RX侧的阻抗匹配网络，以及（iii）在结合的TX侧和RX侧二者的阻抗匹配网络。可以用任何合适的方式来确定针对每个位置和条件的阻抗匹配值。

在操作期间，通过使用例如传感器、相机等等来实时地检测充电区中的（多个）RX线圈的位置和数目。基于（多个）RX线圈的（多个）位置（例如哪个（哪些）区）以及充电区域中的RX线圈的数目，来为TX侧、RX侧中的至少一个以及TX侧和RX侧二者选择阻抗匹配值。然后（多个）适当的阻抗匹配网络被调节（例如开关），使得生成所选的阻抗值。在RX线圈通过充电区域而从区到区地移动时，可以按需要更新阻抗匹配值，使得可以实现最优功率传递效率，而无论TX线圈下方的RX线圈的位置如何。任何合适类型的控制器和/或处理器可以用于选择阻抗匹配值以及用于控制阻抗匹配网络。

虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本公开内容，但是这在性质上应当被视为是说明性的而不是限制性的。理解到，已经呈现了仅仅优选的实施例，并且期望保护落在本公开内容的精神内的所有改变、修改和另外的应用。

Claims (19)

1.一种组装线，包括：

传送带；以及

能量充电系统，其包括：

谐振器，其包括沿着传送带设置的TX谐振器，以及被装配在传送带上并且由传送带输送的RX谐振器；

与谐振器通信的阻抗匹配网络；以及

与谐振器和阻抗匹配网络中的至少一个通信的能量存储设备；

其中V_min是能量存储设备的最小电压，并且V_cap是实时测量的跨能量存储设备的电压；并且

其中当V_cap小于能提供能量的能量存储设备的V_min时，将能量从TX谐振器传递到RX谐振器。

2.根据权利要求1所述的组装线，此外包括充电站，以及被集成到充电站中的TX谐振器。

3.根据权利要求2所述的组装线，此外包括多个工件托盘，并且每个工件托盘包括RX谐振器。

4.根据权利要求3所述的组装线，其中能量存储设备选自由以下各项构成的组：电容器、超级电容器、电池和超级型电容器。

5.根据权利要求3所述的组装线，其中在TX谐振器与RX谐振器之间的距离是第一预定距离时，并且当第一和后续谐振器之间的距离大于TX谐振器的直径的时候，阻抗匹配网络对于在TX谐振器与RX谐振器之间传递能量而言是有效的。

6.根据权利要求5所述的组装线，此外包括被通信地耦合到谐振器的处理器，处理器被配置成改变TX谐振器、第一RX谐振器或后续RX谐振器中的至少一个的阻抗，从而优化能量传递效率。

7.根据权利要求5所述的组装线，其中如果在第一与后续谐振器之间的距离大于TX谐振器的直径，则在第一与后续RX谐振器之间的距离被设置成等于TX谐振器的直径。

8.根据权利要求7所述的组装线，此外包括被通信地耦合到谐振器的处理器，处理器被配置成改变TX谐振器、第一RX谐振器或后续RX谐振器中的至少一个的阻抗，从而优化能量传递效率。

9.根据权利要求3所述的组装线，其中阻抗匹配网络包括开关网络。

10.一种方法，包括：

提供传送带；以及

提供能量充电系统，其包括：

提供一谐振器，其具有TX谐振器和RX谐振器；以及

提供与谐振器通信的阻抗匹配网络；

其中当RX谐振器具有小于能提供能量的RX谐振器的最小电压的实时测量电压的时候，从TX谐振器向RX谐振器传递能量。

11.根据权利要求11所述的方法，其中沿着传送带设置TX谐振器，并且装配RX谐振器，所述RX谐振器被装配在传送带上，并且通过传送带来输送RX。

12.根据权利要求12所述的方法，其中集成TX谐振器，所述TX谐振器被集成到充电站中。

13.根据权利要求13所述的方法，此外包括提供多个工件托盘，并且将RX谐振器集成到每个工件托盘中。

14.根据权利要求14所述的方法，其中RX谐振器选自由以下各项构成的组：电容器、超级电容器、和超级型电容器。

15.根据权利要求14所述的方法，此外包括被通信地耦合到谐振器的处理器，处理器被配置成改变TX谐振器、第一RX谐振器或后续RX谐振器中的至少一个的阻抗，从而优化能量传递效率。

16.根据权利要求16所述的方法，其中在TX谐振器与RX谐振器之间的距离是第一预定距离时，当第一和后续RX谐振器之间的距离大于TX谐振器的直径的时候，阻抗匹配网络对于在TX谐振器与RX谐振器之间传递能量而言是有效的。

17.根据权利要求16所述的方法，其中如果在第一与后续RX谐振器之间的距离大于TX谐振器的直径，则在第一与后续RX谐振器之间的距离被设置成等于TX谐振器的直径。

18.根据权利要求14所述的方法，此外包括将开关系统耦合到阻抗匹配网络。

19.根据权利要求19所述的方法，其中开关系统是开关电容器π-匹配网络。

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