CN111114348A - 位置对准方法、磁场检测设备和位置对准设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及位置对准方法、磁场检测设备和位置对准设备。提供一种由车辆组件(VA)执行的位置对准方法，该车辆组件(VA)包括接收从地面组件(GA)的发射板发射来的电力的接收板。该方法包括使用设置在接收板上的发射装置发射磁场，该发射装置以低频(LF)操作；从所述GA接收与磁场有关的值，所述磁场由设置在所述GA的所述发射板上的LF接收装置检测到；和由控制器利用与磁场有关的值计算出发射板与接收板之间的距离。设置发射装置的一部分以相对于由LF接收装置的一部分形成的磁场在0°、90°、180°或270°方向上布置由发射装置的一部分形成的磁场。

Description

位置对准方法、磁场检测设备和位置对准设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年10月31日提交的美国临时专利申请第62/753,290号和于2019年10月15日提交的韩国专利申请第10-2019-0127915号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种用于在无线充电中测量车辆位置的方法和设备，并且更具体地，涉及一种使用低频(LF)信号测量车辆位置的方法以及使用该方法的设备。
背景技术
与常规的汽油发动机车辆相比，电动车辆(EV)通过电池的动力来驱动电动机，并且具有较少的空气污染源，诸如废气和噪声，故障少，寿命长，并且有利地，简化了EV的操作。
基于驱动源，将EV分为混合电动车辆(HEV)、插电式混合电动车辆(PHEV)和电动车辆(EV)。HEV以发动机为主要动力，以电机为辅助动力。PHEV具有主动力电机和电池放电时使用的发动机。EV具有电机，但EV没有发动机。
用于驱动EV的电动机的电池的无线充电可通过以磁共振方式将充电站的初级线圈与EV的次级线圈耦合来进行。此外，在磁共振无线电力传输(WPT)系统中，如果初级线圈和次级线圈未对准，则WPT的效率可能会大大降低。因此，需要将初级线圈和次级线圈对准。
作为常规的对准方案，已经开发出一种技术，其使用后相机将配备有次级线圈的EV对准地面组件(GA)的初级线圈。另一项开发的技术教导了在EV通过凸块停放在停车区域之后移动可移动充电板，以使充电板的初级线圈与EV的次级线圈对准。
但是，这种常规技术可能会导致用户干预线圈的对准，由于用户的干预而带来的不便以及对准的实质性偏差，这可能会由于轻微的线圈未对准而导致系统性能过度下降。因此，在对线圈的未对准敏感的磁共振WPT系统中，难以实现最佳的电力传输效率，并且降低了系统的稳定性和可靠性。
因此，需要一种在WPT系统中更准确地测量或估计车辆位置以在充电站的地面组件和电动车辆的车辆组件之间对准的方法。
发明内容
本公开提供了一种用于无线充电的位置测量方法。另外，本公开提供一种使用位置测量方法的位置对准设备。此外，本公开提供一种使用位置测量方法的磁场检测设备。
根据本公开的示例性实施方式，一种由车辆组件(VA)执行的位置对准方法，该车辆组件包括接收从地面组件(GA)的发射板发射的电力的接收板，所述位置对准方法可包括：使用设置在所述接收板上的一个或多个发射装置发射至少一个磁场，所述一个或多个发射装置以低频(LF)操作；从所述GA接收至少一个与磁场有关的值，所述至少一个磁场由设置在所述GA的发射板上的一个或多个LF接收装置检测到；和由控制器使用所述至少一个与磁场有关的值计算所述发射板与所述接收板之间的距离。设置所述一个或多个发射装置的至少一部分，以相对于由所述一个或多个LF接收装置的至少一部分形成的至少一个磁场在0°、90°、180°或270°方向上布置由所述一个或多个发射装置的至少一部分形成的至少一个磁场。
所述一个或多个发射装置可包括设置在所述接收板的各个侧上的三个或更多的LF天线。所述一个或多个LF接收装置可包括设置在所述发射板的各个侧上的三个或更多个LF天线或LF传感器。
所述一个或多个发射装置中的至少一个或所述一个或多个LF接收装置中的至少一个可以是单轴LF天线。所述一个或多个发射装置中的至少一个或所述一个或多个LF接收装置中的至少一个可以是铁氧体棒状天线。
可设置所述一个或多个发射装置以将所述一个或多个发射装置的中心的纵向方向布置成与所述接收板的一边平行。可设置所述一个或多个LF接收装置以将所述一个或多个LF接收装置的中心的纵向方向布置成与所述发射板的一边平行。
所述一个或多个发射装置中的第一发射装置可设置在与设置有所述一个或多个发射装置中的第二发射装置的一侧不同的一侧，并且所述第一发射装置可垂直于所述第二发射装置设置。所述一个或多个发射装置中的第一发射装置可设置在与设置有所述一个或多个发射装置中的第三发射装置的一侧不同的一侧，并且所述第一发射装置可平行于所述第三发射装置设置。所述一个或多个LF接收装置中的第一LF接收装置可设置在与设置有所述一个或多个LF接收装置中的第二LF接收装置的一侧不同的一侧，并且所述第一LF接收装置可垂直于所述第二LF接收装置设置。所述一个或多个LF接收装置中的第一LF接收装置可设置在与设置有所述一个或多个LF接收装置中的第三LF接收装置的一侧不同的一侧，并且所述第一LF接收装置可平行于所述第三LF接收装置设置。所述一个或多个发射装置和所述一个或多个LF接收装置可被设置在由所述接收板的接收线圈或所述发射板的发射线圈形成的磁场均匀分布的点处。
此外，根据本公开的示例性实施方式，一种磁场检测设备可包括：处理器；和存储器，被配置为存储至少一条可由所述处理器执行的指令，其中，当由所述处理器执行时，所述至少一条指令将所述处理器配置为：检测从设置在车辆组件(VA)的接收板上的一个或多个以低频(LF)操作的发射器发射的磁场；测量由设置在地面组件(GA)的发射板上的一个或多个LF接收装置检测到的至少一个与磁场有关的值；和使用所述至少一个与磁场有关的值来计算所述发射板与所述接收板之间的距离。
可设置一个或多个LF接收装置的至少一部分，以相对于由所述发射器的至少一部分形成的至少一个磁场在0°、90°、180°或270°方向上布置由所述一个或多个LF接收装置的至少一部分形成的至少一个磁场。
所述一个或多个LF接收装置可包括设置在所述发射板的各个侧上的三个或更多个LF天线或LF传感器。可设置所述一个或多个LF接收装置以将所述一个或多个LF接收装置的中心的纵向方向布置为与所述发射板的一边平行。所述一个或多个LF接收装置中的第一LF接收装置可设置在与设置有所述一个或多个LF接收装置中的第二LF接收装置的一侧不同的一侧，并且所述第一LF接收装置可垂直于所述第二LF接收装置设置。
此外，根据本公开的示例性实施方式，一种位置对准设备可包括：处理器；和存储器，存储至少一条可由所述处理器执行的指令，其中，当由所述处理器执行时，所述至少一条指令将所述处理器配置为：使用设置在接收板上的一个或多个以低频(LF)操作的发射器发射至少一个磁场，所述接收板接收由地面组件(GA)的发射板传输的电力；从所述GA接收至少一个与磁场有关的值，该至少一个与磁场有关的值由设置在所述发射板上的一个或多个LF接收装置检测；和使用所述至少一个与磁场有关的值在所述发射板和所述接收板之间进行位置对准。
可设置所述发射器的至少一部分，以相对于由所述一个或多个LF发射装置的至少一部分形成的至少一个磁场在0°、90°、180°或270°方向上布置由所述发射器的至少一部分形成的至少一个磁场。
所述一个或多个发射器可包括设置在所述接收板的各个侧上的三个或更多个的LF天线。可设置所述一个或多个发射器以将所述一个或多个发射器的中心的纵向方向布置成与所述发射板的一边平行。
所述一个或多个发射器中的第一发射器可设置在与设置有所述一个或多个发射器中的第二发射器的一侧不同的一侧，并且所述第一发射器可垂直于所述第二发射器设置。所述一个或多个发射器和所述一个或多个LF接收装置可被设置在由所述接收板的接收线圈或所述发射板的发射线圈形成的磁场均匀分布的点处。所述发射器或所述LF接收装置可以是单轴LF天线。所述发射器或所述LF接收装置可以是铁氧体棒状天线。
根据本公开的示例性实施方式，通过使用LF信号准确地测量车辆的位置，地面组件的初级线圈和电动车辆的次级线圈可更准确地对准，从而最大化无线充电效率。
附图说明
通过参考附图详细描述本公开的示例性实施方式，本公开将变得更加显而易见，其中：
图1是示出应用本公开的示例性实施方式的无线电力传输(WPT)的概念的概念图；
图2是示出根据本公开的示例性实施方式的WPT电路的概念图；
图3是用于说明根据本公开的示例性实施方式的EV WPT中的对准的概念的概念图；
图4是示出应用了本公开的示例性实施方式的用于无线充电的位置对准的概念图；
图5A是示出具有圆形拓扑的初级线圈和次级线圈的磁场的透视图，而图5B是示出具有圆形拓扑的初级线圈和次级线圈的磁通的俯视图；
图6A至图6C是示出常规的LF天线的辐射图案的示图；
图7是表示使用LF信号或磁矢量化对准位置时的误差的示图；
图8A和8B示出了根据现有技术的LF天线的常规布置；
图9A至图9C是示出根据现有技术的常规LF天线布置中的磁场的形状的示图；
图10A和图10B是示出根据本公开的示例性实施方式的LF天线的布置结构的示图；
图11A至图11C(包括两端)是示出根据本公开的示例性实施方式的LF接收天线布置中的磁场的形状的示图；
图12A至图12D(包括两端)是示出根据本公开的示例性实施方式的根据两个LF天线之间的角度的磁场辐射图案的示图；
图13A和图13B是示出根据本公开的示例性实施方式的接收线圈中的LF发射器的布置结构的示图；
图14A至图14D(包括两端)是示出根据本公开的示例性实施方式的LF发射器和LF接收天线的布置结构的示图；
图15是示出根据现有技术的一般磁场中的磁通密度的概念的示图；
图16是示出应用了本公开的示例性实施方式的用于EV无线充电的LF天线中的磁通密度的概念的示图；
图17至图21(包括两端)是示出根据本公开的示例性实施方式的关于在LF发射器和LF接收天线的布置中根据发射线圈和接收线圈的对准状态是否能够识别磁场的分析模拟结果的示图；
图22是示出根据本公开的示例性实施方式的位置对准设备的框图；
图23是示出根据本公开的示例性实施方式的磁场检测设备的框图；和
图24是示出根据本公开的示例性实施方式的用于测量发射板与接收板之间的距离的方法的流程图。
应当理解，以上参考的附图不一定按比例绘制，呈现了示出本公开的基本原理的各种特征的稍微简化的表示。本公开的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，将部分地由具体的预期应用和使用环境来确定。
具体实施方式
本文所使用的术语仅出于描述具体实施方式的目的，并不旨在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。
应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其他类似术语通常包括机动车辆，例如包括运动型多用途车(SUV)的乘用车、公共汽车、卡车、各种商用车辆、包括各种船只的水上交通工具、飞机等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆和其他替代燃料车辆(例如，除石油以外的其他资源所产生的燃料)。如本文所指，混合动力车辆是具有两种或更多种动力源的车辆，例如汽油动力车辆和电动动力车辆。
除非特别说明或从上下文中显而易见，否则如本文所用，术语“约”应理解为在本领域的正常公差范围内，例如在平均值的2个标准偏差之内。“约”可理解为在所述值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非上下文另有明确说明，否则本文提供的所有数值均由术语“约”修饰。
本文公开了本公开的示例性实施方式。然而，本文所公开的具体结构和功能细节仅出于描述本公开的示例性实施方式的目的而具有代表性。然而，本公开的示例性实施方式可以以许多替代形式来体现，并且不应被解释为限于这里阐述的本公开的示例性实施方式。在描述各个附图时，相同的附图标记表示相同的元件。
将理解，尽管术语“第一”、“第二”等在本文中可用于描述各种组件，但是这些组件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，可将第一组件指定为第二组件，并且类似地，可将第二组件指定为第一组件。术语“和/或”包括相关列出的项目之一的任何和所有组合。
将理解的是，当组件被称为“连接到”另一组件时，该组件可直接或间接地连接到另一组件。换句话说，例如，可存在中间组件。相反，当组件被称为“直接连接到”另一个组件时，则不存在中间组件。
术语在本文中仅用于描述示例性实施方式，而不用于限制本公开。除非上下文中另外定义，否则单数表达包括复数表达。在本说明书中，术语“包括”或“具有”用于指定说明书中公开的特征、数量、步骤、操作、元件、组件或其组合是存在的，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、元件、组件或其组合的可能性。
除非另外定义，否则包括技术或科学术语在内的所有术语具有本领域普通技术人员通常理解的相同含义。除非在本说明书中另外明确定义，否则通常使用的词典中定义的术语被解释为包括与现有技术的上下文含义相同的含义，而不被解释为理想的或过于正式的含义。
另外，可由至少一个控制器执行以下方法或其方面中的一种或多种。术语“控制器”可指代包括存储器和处理器的硬件装置。存储器被配置为存储程序指令，并且处理器被特别编程为执行程序指令以执行一个或多个将在下面进一步描述的处理。如本文所述，控制器可控制单元、模块、部件、装置等的操作。此外，如本领域普通技术人员将理解的，以下方法可由包括控制器与一个或多个其他组件结合的设备来执行。
此外，本发明的控制逻辑可体现为计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质，该计算机可读介质包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令。计算机可读介质的实例包括但不限于ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可分布在网络耦合的计算机系统中，从而以分布式方式存储和执行计算机可读介质，例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)。
根据本公开的示例性实施方式，EV充电系统可被定义为用于使用能量存储装置的电力或商用电源的电网对安装在EV中的高压电池进行充电的系统。EV充电系统根据EV的类型可具有各种形式。例如，EV充电系统可被分类为使用充电电缆的导电类型或非接触无线电力传输(WPT)类型(也称为“电感类型”)。电源可包括住宅或公共电力服务或利用车载燃料的发电机等。
本公开中使用的附加术语定义如下。
“电动车辆(EV)”：49CFR 523.3中定义的供公路使用的汽车，由电动机驱动，该电动机从诸如电池的车载能量存储装置吸取电流，而该能量存储装置可从诸如住宅或公共电力服务或车载燃料动力发电机的车外来源再充电。EV可以是主要在公共街道或道路上使用的四轮或更多轮车辆。
EV可包括电动车辆、电动汽车、电动道路车辆(ERV)、插电式车辆(PV)、插电式车辆(xEV)等，并且xEV可被分类为插电式纯电动车辆(BEV)、电池电动汽车、插电式电动汽车(PEV)、混合动力电动车辆(HEV)、混合动力插电式电动汽车(HPEV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)等。
“插电式电动车辆(PEV)”：一种EV，通过连接到电网为车载原电池再充电。
“插电式车辆(PV)”：一种电动车辆，无需使用物理插头或物理插座，经由无线充电从电动车辆供应设备(EVSE)可再充电。
“重型车辆(H.D.车辆)”：49CFR 523.6或49CFR 37.3(公共汽车)中定义的任何四轮或更多轮式车辆。
“轻型插电式电动车辆”：由电动机推动的三轮或四轮车辆，其从可再充电存储电池或其他能源装置中吸取电流，主要用于公共街道、道路和公路，额定重量小于4545千克车辆总重量。
“无线充电系统(WCS)”：用于包括对准和通信的GA和VA之间的无线电力传输和控制的系统。该系统经由两部分的松耦合变压器将电能从供电网络电磁传输到电动车辆。
“无线电力传输(WPT)”：将电力从交流(AC)供应网络无接触地传输到电动车辆。
“公用设施”：一组提供电能的系统，可包括客户信息系统(CIS)、高级计量基础设施(AMI)、费率和收入系统等。公用设施可基于费率表和离散事件向EV提供能源。另外，公用设施可提供有关EV认证、功耗测量间隔和价目表的信息。
“智能充电”：一种系统，在该系统中EVSE和/或PEV与电网进行通信，以通过反映电网的容量或使用费用来优化EV的充电率或放电率。
“自动充电”：一种程序，在该程序中，在车辆位于与可能传输电力的主充电器组件相对应的适当位置之后，自动执行电感充电。可在获得必要的认证和权利之后执行自动充电。
“互操作性”：系统的各个组件与系统的相应组件互相作用以执行系统所针对的操作的状态。此外，信息互操作性可指两个或多个网络、系统、装置、应用程序或组件可有效地共享并轻松使用信息而不会给用户带来不便的能力。
“电感充电系统”：一种经由两部分有间隙的铁芯变压器将能量从电源传输到EV的系统，其中变压器的两半即初级线圈和次级线圈在物理上彼此分开。在本公开中，电感充电系统可对应于EV电力传输系统。
“电感耦合器”：由GA线圈中的线圈和VA线圈中的线圈形成的变压器，允许通过电气隔离传输电力。
“电感耦合”：两个线圈之间的磁耦合。在本公开中，是GA线圈和VA线圈之间的耦合。
“地面组件(GA)”：在基础设施方面的组件，由GA线圈、电源/频率转换单元和GA控制器以及电网和各单元之间的布线、滤波电路、至少一个壳体等组成，用作无线充电系统的电源所必须的。GA可包括GA和VA之间的通信所必需的通信元件。
“车辆组件(VA)”：在车辆上的组件，由VA线圈、整流器/电源转换单元和VA控制器以及车辆电池和各单元之间的布线、滤波电路、至少一个壳体等组成，用作无线充电系统的车辆部件所必需的。VA可包括在VA和GA之间进行通信所必需的通信元件。GA可被称为供应装置，而VA可被称为EV装置。
“供应设备”：一种提供与EV装置的非接触式耦合的设备。换句话说，供应装置可以是EV外部的设备。当EV正在接收电力时，供应装置可用作要被传输的电力的来源。供应装置可包括壳体和所有盖。
“EV装置”：安装在EV上的设备，可将非接触式耦合连接到供应装置。换句话说，可将EV装置安装在EV中。当EV正在接收电力时，EV装置可将电力从原电池传输到EV。EV装置可包括壳体和所有盖。
“GA控制器”：GA的一部分，该部分基于来自车辆的信息调节到GA线圈的输出电力水平。
“VA控制器”：VA的一部分，在充电过程中监视特定的车载参数，并启动与GA的通信以控制输出电力水平。GA控制器可被称为供应电力电路(SPC)，并且VA控制器可被称为电动车辆(EV)电力电路(EVPC)。
“磁隙”：对准时绞线顶部或GA线圈中磁性材料顶部的较高平面与绞线底部或VA线圈中的磁性材料的较低平面之间的垂直距离。
“环境温度”：在所考虑的子系统而不是在直射阳光下测得的空气的地面温度。
“车辆离地间隙”：地面与车辆底盘最低部分之间的垂直距离。
“车辆磁性离地间隙”：绞合线底部下部的平面或安装在车辆上的VA线圈中磁性材料与地面之间的垂直距离。
“VA线圈磁性表面距离”：安装时最接近的磁性或导电组件表面的平面与VA线圈的下部外表面之间的距离。此距离包括可能包装在VA线圈外壳中的任何保护性覆盖物和其他物品。VA线圈可被称为次级线圈、车辆线圈或接收线圈。类似地，GA线圈可被称为初级线圈或发射线圈。
“裸露的导电组件”：电气设备(例如，电动车辆)的导电组件，可被触摸并且通常不通电，但是在发生故障时可通电。
“危险的带电组件”：带电的组件，在某些条件下可能会产生有害的电击。
“带电组件”：在正常使用中打算通电的任何导体或导电组件。
“直接接触”：人与带电组件的接触。(请参阅IEC61440)
“间接接触”：人与由于绝缘故障而带电的裸露、导电和通电组件接触。(请参阅IEC61140)
“对准”：找到用于指定的有效电力传输的供应装置与EV装置的相对位置和/或找到EV装置与供应装置的相对位置的过程。在本公开中，对准可指无线电力传输系统的精细定位。
“配对”：将车辆与专用供应装置关联的过程，该车辆位于该专用供应装置上，并从该专用供应装置传输电力。配对可包括使充电点的VA控制器和GA控制器相关联的过程。相关/关联过程可包括两个对等通信实体之间的关系的关联过程。
“高级通信(HLC)”：HLC是一种特殊的数字通信。对于命令和控制通信未涵盖的其他服务，必须使用HLC。HLC的数据链路可使用电力线通信(PLC)，但是HLC的数据链路不限于PLC。
“低电力激励(LPE)”：LPE是指激活供应装置以进行精细定位和配对以使EV可检测供应装置的技术，反之亦然。
“服务集标识符(SSID)”：SSID是唯一的标识符，由32个字符组成，这些字符附加到在无线LAN上传输的数据包的报头中。SSID标识无线装置尝试连接的基本服务集(BSS)。SSID可区分多个无线LAN。因此，所有要使用特定无线LAN的接入点(AP)和所有终端/站装置都可使用相同的SSID。不使用唯一SSID的装置无法加入BSS。由于SSID显示为纯文本，因此SSID可能不会为网络提供任何安全功能。
“扩展服务集标识符(ESSID)”：ESSID是一个人希望连接到的网络的名称。ESSID与SSID类似，但概念更扩展。
“基本服务集标识符(BSSID)”：由48位组成的BSSID用于区分特定的BSS。对于基础设施BSS网络，可将BSSID配置为用于AP设备的媒体访问控制(MAC)。对于独立的BSS或adhoc网络，可使用任何值生成BSSID。
充电站可包括至少一个GA和被配置为管理至少一个GA的至少一个GA控制器。GA可包括至少一个无线通信装置。充电站可指的是具有至少一个GA的地方或位置，其安装在家庭、办公室、公共场所、道路、停车场等中。根据本公开的示例性实施方式，“快速充电”可指的是一种将电力系统的交流电直接转换为直流(DC)电，并将转换后的DC电提供给安装在EV上的电池的方法。具体而言，DC电力的电压可以是DC 500伏(V)或更小。
根据本公开的示例性实施方式，“慢速充电”可指使用供应给普通家庭或工作场所的AC电力为安装在EV上的电池充电的方法。每个家庭或工作场所中的插座或设置在充电站中的插座可提供AC电力，并且AC电力的电压可为AC 220V以下。EV还可包括车载充电器(OBC)，该车载充电器被配置为升压AC电力以进行缓慢充电，将AC电力转换为DC电力，并将转换后的DC电力提供给电池。
根据本公开的示例性实施方式，可将频率调谐用于性能优化。具体而言，频率调谐可由供应装置执行，而可不由EV装置执行。另外，可能需要所有供应装置在整个范围内提供频率调谐。电动车辆电力控制器(EVPC)可被配置为在约81.38kHz和90.00kHz之间的频率范围内操作。磁场无线电力传输(MF-WPT)的标称频率(以下称为目标频率、设计频率或谐振频率)可为约85kHz。电力供应电路可提供频率调谐。
在下文中，将参照附图详细解释本公开的示例性实施方式。
图1是示出应用了本公开的示例性实施方式的无线电力传输(WPT)的概念的概念图。
如图1所示，WPT可由电动车辆(EV)10和充电站20的至少一个组件执行，并且可用于将电力无线地传输到EV10。具体而言，EV 10通常可被定义为这样的车辆，该车辆提供存储在包括电池12的可再充电能量存储设备中的电力作为电动机的能量源，所述电动机是EV10的动力传动系统。
然而，根据本公开的示例性实施方式的EV 10可包括具有电动机和内燃发动机的混合动力电动车辆(HEV)，并且可包括汽车以及摩托车、手推车、踏板车和电动自行车。另外，EV 10可包括电力接收板11，该电力接收板11包括用于对电池12进行无线充电的接收线圈，并且可包括用于对电池12进行导电充电的插头连接。具体而言，被配置对电池12进行导电充电的EV10可称为插电式电动车辆(PEV)。
具体地，充电站20可连接至电网30或电力主干，并且经由电力链路将交流(AC)电力或直流(DC)电力提供给包括发射线圈的电力发射板21。另外，充电站20可被配置为经由有线/无线通信与管理电网30或电力网络的基础设施管理系统或基础设施服务器通信，并且执行与EV 10的无线通信。无线通信可以是蓝牙、ZigBee、蜂窝、无线局域网(WLAN)等。例如，充电站20可位于各种位置，包括附接到房屋的停车区、用于在加油站为EV充电的停车区、在购物中心或工作场所的停车区。
对EV 10的电池12进行无线充电的过程可开始于首先将EV 10的电力接收板11放置在由电力发射板21产生的能量场中，并且将接收线圈和发射线圈彼此耦合。作为相互作用或耦合的结果，可在电力接收板11中电感出电动势，并且可通过电感的电动势对电池12进行充电。
充电站20和发射板21可全部或部分地称为地面组件(GA)，期GA可指先前定义的含义。EV 10的全部或部分内部组件和接收板11可被称为车辆组件(VA)，其中VA可指先前定义的含义。电力发射板或电力接收板可被配置为非极化或极化的。
当板是非极化的时，将一个极设置在板的中心，而将相反的极设置在外周。具体而言，可形成从板的中心离开并返回到板的外部边界的磁通。当板被极化时，可将相应的极设置在板的任一端部。具体而言，可基于板的取向来形成磁通量。在本公开中，发射板21或接收板11可被统称为“无线充电板”。
图2是示出根据本公开的示例性实施方式的WPT电路的概念图。如图2所示，示出了其中在EV WPT系统中执行WPT的电路的示意性配置。图2的左侧可解释为表示从图1中的电力网络、充电站20和发射板21提供的电源Vsrc的全部或一部分(具有电流Isrc)，并且图2的右侧可被解释为表示包括接收板和电池的EV的全部或一部分。
首先，图2的左侧电路可提供与从电力网络提供给初级侧电力转换器的电源Vsrc相对应的输出电力Psrc。初级侧电力转换器可被配置供应使用频率转换和AC到DC/DC到AC转换从输出电力Psrc转换的输出电力P1，以在发射线圈L1中在期望的操作频率下产生电磁场。
具体地，初级侧电力转换器可包括：AC/DC转换器，被配置为将作为从电力网络提供的AC电力的电力Psrc转换为DC电力；以及低频(LF)转换器，被配置为将DC电力转换为具有适合无线充电的操作频率的AC电力。例如，可将用于无线充电的操作频率确定为在约79至90kHz之内。
从初级侧电力转换器输出的电力P1可再次提供给包括发射线圈L1、第一电容器C1和第一电阻器R1的电路。具体而言，可将第一电容器C1的电容确定为具有适于与发射线圈L1一起充电的操作频率的值。第一电阻器R1可代表由发射线圈L1和第一电容器C1发生的电力损耗。第一节点(连接到电路的第一电容器C1)和第二节点(连接到电路的第一电阻R1)上出现电势或电压V1，并且电流I1在第二节点和初级侧电力转换器之间流动。
此外，可使发射线圈L1具有与接收线圈L2的电磁耦合，该电磁耦合由耦合系数m来定义，从而传输电力P2，或者在接收线圈L2中电感出电力P2。因此，本公开中的电力传输的含义可与电力电感的含义一起使用。另外，可将在接收线圈L2中电感或传输到接收线圈L2的电力P2提供给次级侧电力转换器。具体而言，可将第二电容器C2的电容确定为具有适合于与接收线圈L2一起进行无线充电的操作频率的值，并且第二电阻器R2可表示由接收线圈L2和第二电容器C2发生的电力损耗。在第三节点(连接到电路的第二电阻器R2)和第四节点(连接到电路的第二电容器C2)上出现电势或电压V2，并且电流I2在次级侧电力转换器和第三节点之间流动。
次级侧电力转换器可包括AC到DC转换器，该AC到DC转换器被配置为将特定操作频率的供应电力P2转换为具有适合于EV的电池VHV(具有电流IHV)的电压电平的DC电力。可输出从提供给次级侧电力转换器的电力P2转换而来的电力PHV，并且该电力PHV可用于对设置在EV中的电池VHV进行充电。
图2的右侧电路还可包括用于选择性地将接收线圈L2与电池VHV连接或断开的开关。具体而言，发射线圈L1和接收线圈L2的谐振频率可彼此相似或相同，并且接收线圈L2可位于由发射线圈L1产生的电磁场附近。图2的电路应该被理解为用于本公开的示例性实施方式的EV WPT系统中的WPT的说明性电路，并且不限于图2中示出的电路。
另一方面，由于随着发射线圈L1和接收线圈L2分开预定距离而电力损耗可能增加，所以可设置发射线圈L1和接收线圈L2的相对位置。发射线圈L1可被包括在图1中的发射板21中，并且接收线圈L2可包括在图1的接收板11中。另外，可将发射线圈称为GA线圈，将接收线圈称为VA线圈。因此，下面将参考附图描述发射板与接收板之间的位置对准或EV与发射板之间的位置对准。
图3是用于解释根据本公开的示例性实施方式的EV WPT中的对准的概念的概念图。如图3所示，将描述图1中的EV中的使电力发射板21和电力接收电板11对准的方法。具体而言，位置对准可对应于上述术语的对准，并且因此可被定义为GA和VA之间的位置对准，但是不限于发射板和接收板的对准。尽管发射板21被示出为定位为位于地面下方，如图3所示，但是发射板21也可定位在地面上，或者定位成使在地面之下的发射板21的顶部表面暴露。
EV的接收板11可基于从地面测量的高度(在z方向上定义)基于不同的类别来定义。例如，可定义具有距离地面约100-150毫米(mm)的高度的接收板为等级1，具有约140-210mm的高度的接收板为等级2，并且具有约170-250mm的高度接收板为等级3。接收板可支撑上述等级1至3的一部分。例如，根据接收板11的类型，可仅支撑等级1，或者可根据接收板11的类型来支撑等级1和2。从地面测量的接收板的高度可对应于先前定义的术语“车辆磁性离地间隙”。
此外，可确定电力发射板21在高度方向上(即，在z方向上限定)的位置被设置在电力接收板11所支撑的最大等级和最小等级之间。例如，当接收板仅支持等级1和等级2，则可相对于电力接收板11在约100mm至210mm之间确定电力发射板21的位置。例如，可在电力发射板21的顶表面和电力接收板11的底面之间测量距离Δz。
另外，可确定电力发射板21的中心与电力接收板11的中心之间的间隙被设置在水平方向和垂直方向(在x方向和y方向上限定)的极限内。例如，间隙(例如，Δy)可被确定为位于水平方向(在(+y)方向或垂直于车辆方向的右方向上限定)±75mm内，和在垂直方向(在(-x)方向或车辆行驶方向上限定)±100mm内。电力发射板21和电力接收板11的相对位置可根据实验结果而改变，并且数值应理解为示例性的。
尽管在假设发射板21和接收板11中的每一个都包括线圈的情况下描述了板之间的对准，但是更具体地，板之间的对准可指的是发射线圈(或GA线圈)与接收线圈(或VA线圈)之间的对准，其分别包括在发射板21和接收板11中。
同时，为了在对EV进行无线充电(EV无线充电)期间最大化充电效率，低频(LF)信号可用于初级线圈(即，GA线圈)和次级线圈(即，VA线圈)之间的对准。LF信号是在低频ITU无线电频段中操作的数字调制磁场。LF传感器可在19kHz至300kHz频率范围内的固定频率下操作。
另外，磁场可由位于EV中的至少两个天线产生。EV中的LF天线可位于例如下图4所示的位置，不受限于示例性实施方式。另外，初级侧装置可包括至少两个磁性传感器，其中，磁性传感器的感测元件可优选对称地布置。磁性传感器可被配置为测量在x，y和z方向上的磁场强度。
同时，在汽车工程师协会(SAE)标准会议中，考虑到自动驾驶技术，正在研究使用自主(或自动)停车或远程停车的位置对准技术。另外，根据作为EV充电通信标准文档的ISO15118-8，当使用用于对EV充电的无线通信时，电动车辆通信控制器(EVCC)和供应设备通信控制器(SECC)之间的通信符合IEEE 802.11-2012。对于在无线通信中考虑的通信信道，EVCC和SECC之间的距离的要求范围对于发现是5m至30m用于精细定位(精细对准)，对于充电控制是5cm至5m。
具体而言，发现是其中EV搜索充电板并且EVCC进入至少一个SECC的通信区域并且与适当的SECC连接的步骤。精细定位可指的是初级和EV装置(即，线圈)之间的对准以用于经由WPT的有效电力传输，以及当采用用于导电充电的自动连接时，EV的连接器和EVSE之间的对准以用于电力传输。充电控制可以是例如从EV到EVSE的电力请求的形式。
图4是示出应用了本公开的示例性实施方式的用于无线充电的位置对准的概念图。如图4所示，根据本公开的示例性实施方式的位置对准方法，即是通过将GA的初级线圈与VA的次级线圈对准来最大化和/或优化无线充电效率的方法，可基于以下内容执行：GA侧的四个天线ANT1、ANT2、ANT3和ANT4(例如，作为停车场的一部分安装)和VA侧的两个天线ANTa和ANTb之间的磁场测量。
更具体地说，VA可包括两个天线，并且两个天线可在VA的左和右区域中一个接一个地设置(例如顺序地)。左和右区域可指的是被划分为VA的两半的区域，并且可以是左右对称分离的区域。当VA具有矩形结构时，两个天线可分别设置在矩形结构的左侧的中心和右侧的中心，但是该结构不限于矩形，因为可根据设计选择改变结构。
另外，两个天线可与VA连接地设置在车辆的特定部分中，在这种情况下，它们可在车辆的特定部分的左右区域中一个接一个地设置。车辆的特定部分的左区域和右区域可指的是车辆的特定部分中的对称分离的区域。替代地，代替VA或车辆的特定部分的左区域和右区域，可使用VA或车辆的特定部分的前区域和后区域，但不限于此。换句话说，通常可使用对称分离的两个区域。在下文中，将天线设置在VA中。
VA或VA控制器可包括位置对准设备，该位置对准设备被配置为操作天线并计算VA和GA之间的位置差信息。GA可包括四个天线，并且这四个天线可分别设置在GA的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域中，并且第一、第二、第三和第四区域可分别指GA的左上区域、右上区域、左下区域和右下区域。然而，本公开的示例性实施方式不限于此，并且可指从GA划分为具有相同大小的象限的区域。
当GA具有矩形结构时，四个天线可设置在矩形结构的每个角处，但是该结构不限于矩形，因为可根据设计选择来改变结构。另外，GA或GA控制器还可包括磁场检测设备，该磁场检测设备被配置为基于由四个天线检测到的磁场来计算磁场测量值，并将该磁场测量值发送至位置对准设备。
在本文中，包括在VA和/或GA中的天线可指代环形天线或可指代铁氧体棒状天线，但不限于此。铁氧体棒状天线由于其尺寸减小、几乎没有反射并可允许良好的测距控制而又会略微降低场强，可用于车辆、便携式收音机和飞机。另外，铁氧体棒状天线可具有高的穿透率，根据谐振频率输入级需要低静态电流，并且与高频相比，可能更不容易失谐。但是，由于铁氧体棒状天线具有很高的Q因子，因此铁氧体棒状天线可能会过滤一些所需的信号调制。
铁氧体棒状天线可指的是使用LF的天线。铁氧体杆状环形天线可能被认为是常规空心环形天线的具体例。空心环形天线是螺线管的同义词。因此，螺线管中的磁场可基于安培定律表达。但是，由于螺线管中的线圈内部的介质是空气，所以如果内部介质是铁氧体棒，则应该反射线圈内部的介质。另外，考虑到线圈的匝数、线圈的半径、线圈的长度等，LF天线(即铁氧体棒状环形天线)的最终磁场可由下面的方程式1表示。
方程式1
Figure BDA0002254249780000231
其中，
μ0＝磁导率
I＝电流[A]
N＝匝数
a＝线圈半径[m]
r＝距线圈距离[m]
同时，LF可指的是使用由国际电信联盟(ITU)分类的12个频率范围中的30到300kHz的频带的LF频带。下表1显示了ITU中分为12个范围的频率范围。
表1
缩写 频率范围 波长范围
1 ELF 3～30Hz 100,000～10,000km
2 SLF 30～300Hz 10,000～1000km
3 ULF 300～3000Hz 1000～100km
4 VLF 3～30kHz 100～10km
5 LF 30～300kHz 10～1km
6 MF 300～3000kHz 1000～100m
7 HF 3～30MHz 100～10m
8 VHF 30～300MHz 10～1m
9 UHF 300～3000MHz 1～0.1m
10 SHF 3～30GHz 100～10mm
11 EHF 30～300GHz 10～1mm
12 THF 300～3000GHz 1～0.1mm
可使用LF信号和磁矢量化来完成无线充电的位置对准。磁矢量化是通过检测弱磁场来测量距离的方案。为了进行磁矢量化，辅助线圈在发射线圈上绕三个轴(X，Y，Z)缠绕，辅助线圈在接收线圈上绕两个轴(X，Y)缠绕。换句话说，通过感测在辅助线圈中电感的弱磁场来测量距离。
图5A是示出具有圆形拓扑的初级线圈和次级线圈的磁场的透视图。图5B是示出具有圆形拓扑的初级线圈和次级线圈的磁通量的俯视图。
图6A至图6C是示出常规LF天线的辐射图案的示图。如图6A至图6C所示，典型的LF天线具有类似于小环形天线的全向辐射图案，该小环形天线与小偶极天线相同。具体而言，全向辐射图案可对应于天线能够从多个方向接收信号的状态。图6B中所示的sinΦ图案对于所有方位角Φ均具有全向辐射图案，并且如图6C所示，在三维上成为圆环形状的辐射图案。
在LF天线中，辐射图案的零点位于线圈的轴上。代表辐射图案的常用参数是半电力波束宽度(HPBW)，它是两个方向之间的角度，在该方向上，辐射强度成为平面上具有最大天线波束的波束的最大电力的一半(即场强的一半)。对于LF天线，该角度可能为90°。
当信号的来源和方向未知或难以预测时，全向辐射图案可能很有用。尽管有关方向的许多信息丢失了，但可通过分析与电磁波关联的指向矢量路径来跟踪天线波束，以估计信号的来源。全向辐射图案的磁通密度可由下面的方程式2表示。
方程式2
B＝B0sinωt＝μrμ0H0sinωt
同时，最近的实验报告说，当在EV无线充电中使用LF信号和磁矢量化时，精确对准是困难的。
图7是示出当使用LF信号或磁矢量化对准位置时发生的误差的示图。图7所示的结果是根据IEC 61980-2TS标准文档中的定义，通过在发射线圈中使用四个LF天线或LF传感器，在接收线圈中使用两个LF天线或LF传感器来对准位置的结果。图7所示的结果指示当发射线圈和接收线圈之间的距离非常近时，无法获得位置相关数据。换句话说，可确认当使用LF信号和磁矢量化对准位置时，精确对准是困难的。
这很可能是由于使用了磁场强度为数十个nT的弱磁场，该弱磁场在使用LF信号或辅助线圈的磁场强度测量距离时用于磁矢量化。换句话说，当使用弱磁场时，如果发射线圈和接收线圈之间的距离非常近(例如，0到0.5m)，则发射线圈的辅助线圈(或辅助天线)和接收线圈的辅助线圈(或辅助天线)之间的弱磁场差变得难以区分，因此难以准确确定发射线圈和接收线圈之间的距离。
在标准文档的规范中，使用LF信号对准位置时使用的辅助线圈(或辅助天线)仅由LF天线或LF传感器表示，并且标准文档的规范未指定使用哪种类型的LF天线或LF传感器。从这些事实得出以下结论。
当通过使用LF信号或LF天线对准位置时，即使在非常近的距离处(例如0到0.5m)，也应考虑用于EV无线充电的电力发射线圈的磁场方向和LF天线的辐射特性，以精确获取位置信息。因此，具有具有定向辐射图案而不是典型的LF天线的全向辐射图案的结构的LF天线适合于EV无线充电的位置对准。
此外，根据IEC 61980-2TS标准文档，四个LF天线或LF传感器位于发射线圈处，两个LF天线或LF传感器位于接收线圈处，以便使用弱磁场确定位置信息。然而，对于根据IEC61980-2TS标准文档的这种结构，很难在非常近的距离处确定位置。因此，对于这种结构，必须通过指定用于发射LF磁场的LF发射器和用于接收LF磁场的LF接收天线或LF传感器来分别指定并放置在发射线圈和接收线圈中的天线。如有必要，必须指定天线的数量，并在发射线圈和接收线圈中布置天线的数量。
因此，本公开提出一种用于在使用用于EV无线充电的LF信号对准位置时在非常近的距离(例如0至0.5m)处实现精确对准的方法。更具体地，本公开提出了天线和传感器的布置，所述天线和传感器的布置使用用于EV无线充电的LF信号来维持常规的对准方案而不会降低效率，还提出了用于使发射线圈的LF接收天线能够经由发射线圈的LF接收天线和接收线圈的LF发射器的布置选择性地接收接收线圈的LF发射器的全向磁场的方法。
在得出难以在非常近的距离(例如0至0.5m)识别位置的问题的解决方案之前，为了识别常规的LF天线布置是否合适，对现有标准文档中提出的发射和接收线圈中的LF天线和传感器的布置进行电磁(EM)模拟和实际车辆测试。
图8A和8B示出了LF天线的常规布置。在本公开中，发起位置对准的实体不是传输无线电力的发射线圈侧，而是接收电力的接收线圈侧，即车辆。为了执行根据本公开的位置对准，指示开始对准的信号应由车辆侧发送到发射线圈。因此，LF发射器被安装在车辆的接收线圈上，并且LF接收天线或LF传感器被安装在基础设施的发射线圈上。
图8A是示出其中四个LF接收天线安装在发射线圈的各个角处的结构的示图。图8B是概念性地示出其中四个LF接收天线安装在发射线圈的各个角处的结构的示图。图8A和8B所示的LF天线的布置结构是在相关标准中定义的一般结构。
另外，应通过考虑用于电力传输的线圈的磁场方向来确定LF天线的安装位置。下面将描述的示图9A至9C的模拟结果表明了当发射线圈和接收线圈具有LF天线时的充电效率的变化。基于这些，可确定LF天线的安装位置。
图9A至图9C是示出常规LF天线布置中的磁场的形状的示图。图9A示出了在电力传输期间发射线圈的磁场的磁通密度，图9B示出了在电力传输期间发射线圈和接收线圈之间的磁场的磁通密度，并且图9C示出了在电力传输期间接收线圈的磁场的磁通密度。
从图9A至9C，当将LF天线安装在发射线圈的拐角处时，由于电力传输期间LF天线的影响，磁通量密度得以分布。换句话说，磁通密度的Sin 45°会造成损坏。另外，在图9C的接收线圈中出现一些盲点。
观察实验结果，为了防止在EV无线充电期间降低充电效率，可在发射线圈中设置LF接收天线，并且可在接收线圈中设置LF发射器。为了布置发射线圈的LF接收天线以使得不影响用于电力传输的磁场，可将LF天线布置在矩形发射线圈的每一侧上磁场均匀分布的点处。这是考虑到标准文档中的发射和接收线圈的形状是矩形的的一种布置。如果发射线圈和接收线圈不是矩形的，则应在发射线圈中磁场均匀分布的点处提供LF天线。
另外，如上所述，当前标准中提出的LF天线的结构和布置不能在非常近的距离处区分接收线圈的LF发射器，这是因为发射线圈的LF接收天线或LF传感器接收到所有磁场值。因此，利用根据本公开的发射线圈的LF接收天线和接收线圈的LF发射器的布置，发射线圈的LF接收天线可被配置为选择性地从接收线圈的LF发射器接收用于位置对准的全向磁场。
总之，本公开提出了一种用于配置设置和布置在发射和接收线圈中的LF天线的方法，其即使在短距离(例如，0至0.5m)下也使用LF信号执行位置对准。LF接收天线应设置在发射线圈上，LF发射器应设置在接收线圈上，但应避免影响与电力传输相关的磁场。因此，当设置LF天线时，可将LF天线设置在由发射线圈产生的磁场在发射线圈中均匀分布的点处。
因此，在本公开中，代替在相同方向上布置所有LF天线，可通过切换90°来布置一些LF天线。因此，发射线圈的LF接收天线可选择性地从接收线圈的LF发射器接收磁场。
图10A和图10B是示出根据本公开的示例性实施方式的LF天线的布置结构的示图。在本公开中，当用于位置对准的LF接收天线设置在负责电力传输的发射线圈上时，它们可被布置为不影响用于电力传输的磁场。换句话说，根据本公开的示例性实施方式，如图10A所示，可将LF天线设置在发射线圈的每一侧上磁场均匀分布的点处，其具有在用于EV无线充电的国际标准规范中定义的四边形形状。
图10A概念性地示出了其中四个LF接收天线布置在发射线圈21的每一侧上的结构。图10B示出了其中四个LF接收天线安装在发射线圈21的每一侧上的结构。
图11A至图11C是示出根据本公开的示例性实施方式的LF接收天线布置中的磁场的形状的示图。图11A示出了根据本公开的示例性实施方式的在LF接收天线布置结构(即，图10A和10B的LF接收天线布置结构)中的电力传输期间的发射线圈的磁场。同样，图11B示出了在电力传输期间发射线圈和接收线圈之间的磁场，并且图11C示出了电力传输期间接收线圈的磁通密度，其由颜色隔开。
一旦确定了LF接收天线在发射线圈中的布置，就确定了LF发射器在接收线圈中的布置。LF天线的HPBW具有SinΦ的特性，并且LF天线的磁通密度也具有正弦分量。为了使LF天线的磁场特性最大化，接收线圈的LF发射器的布置应使接收线圈的磁场方向相对于安装在发射线圈上的LF接收天线的磁场方向具有0°、90°、180°或270°的角度。
图12A至图12D是示出根据两个LF天线之间的角度的磁场辐射图案的示图。图12A示出了当两个天线之间的角度为90°时的辐射图案，图12B示出了当两个天线之间的角度为30°时的辐射图案，图12C示出了当两个天线之间的角度为45°时的辐射图案，而图12D示出了当两个天线之间的角度为60°时的辐射图案。具体而言，两个天线之一是LF发射器，另一个是LF接收天线。
图13A和图13B是示出根据本公开的示例性实施方式的接收线圈中的LF发射器的布置结构的示图。如上所述，由于接收线圈开始非常接近地接近发射线圈，因此可能无法识别LF信号。为了能够更可靠地识别弱磁场，接收线圈的每个LF发射器都需要沿与其他发射器不同的方向发射磁场。因此，本公开提出了一种方案，该方案在接收线圈中再添加一个LF发射器，并且在垂直于现有的LF发射器的方向上再布置一个LF发射器。该布置方案可通过图13A和13B所示的LF发射器的两个布置实例来识别。
具体而言，由于添加的LF发射器在接收线圈中的方向与发射线圈的LF接收天线的方向相同，所以发射线圈的LF接收天线可能无法在长距离有效地检测从接收线圈的添加的LF发射器发射的磁场。然而，由于发射线圈的LF接收天线可感测由接收线圈的其他两个LF发射器发射的磁场，因此该问题可能并不严重。另外，当接收线圈11接近发射线圈时，可通过发射线圈的LF接收天线来检测接收线圈的添加的LF发射器的磁场。
图14A至图14D是示出根据本公开的示例性实施方式的LF发射器和LF接收天线的布置结构的示图。图14A至图14D示出了其中LF发射器的布置和LF接收器的布置被一起考虑的实例。在图14A至图14D的示例性实施方式中，该LF发射器是LF发射天线，而LF接收器是LF接收天线。此外，可在发射线圈21中布置3个LF接收天线。另外，也可在接收线圈11中布置3个发射天线。
换句话说，至少一个接收天线可包括三个或更多个LF天线，每个LF天线设置在发射线圈的一侧，并且每个接收天线可设置为使得每个接收天线的中心的纵向方向平行于设置对应的接收天线的一侧。另外，至少一个接收天线的第一接收天线可设置在与设置有至少一个接收天线的第二接收天线的一侧不同的一侧，并且第一接收天线和第二接收天线可彼此垂直设置。所述一个或多个LF接收装置中的第一LF接收装置可设置在与设置有一个或多个LF接收装置中的第三LF接收装置的一侧不同的一侧，并且所述第一LF接收装置可设置为平行于第三LF接收装置。
至少一个发射器可包括至少三个或更多个LF天线，每个LF天线被设置在接收线圈的一侧，并且每个发射器可设置为使得每个发射器的中心的纵向方向平行于对应的发射器位于的一侧。在至少一个发射器中，第一发射器可位于与第二发射器所位于的一侧不同的一侧，并且第一发射器和第二发射器可彼此垂直地设置。一个或多个发射器中的第一发射器可设置在与设置有一个或多个发射器中的第三发射器一侧不同的一侧，并且第一发射器可设置为平行于第三发射器。具体而言，至少一个发射器和至少一个接收天线可优选地布置成使得磁场彼此在0°、90°、180°或270°方向上形成。
同时，在各种定位技术中，使用接收信号强度烈度(RSSI)的方法可用作代表性的定位技术，其可用于用于EV无线充电对准的LF信号。基于RSSI的距离测量可根据下面的方程式3表示。
方程式3
Figure BDA0002254249780000321
其中，d表示距离，n表示信号传播常数，Ar表示每米的RSSI值。此外，λ表示传播的波长，c表示传播的速度，f表示无线电波的频率，L表示传播路径损耗(发射信号强度-接收信号强度)。
为了从RSSI识别三维坐标，可能需要识别至少四个信号。由于在接收线圈中布置了三个LF发射器，因此在发射线圈中可能不需要四个LF接收天线，并且可省略一个LF接收天线。另外，像接收线圈的LF发射器一样，发射线圈的LF接收天线之一需要与另一个LF接收天线成90°的直角设置。在图14A至图14D中示出了既考虑了发射线圈的LF接收天线又考虑了接收线圈的LF发射器的布置。
在下文中，将描述通过使用LF信号在位置对准中分析磁场来测量距离的方法。图15是示出一般磁场中的磁通密度的概念的示图。由(x，y，z)表示的一般空间坐标系中的场点(r，θ，φ)处的矢量电势A和磁通密度B可由下面的方程式4表示。
方程式4
Figure BDA0002254249780000331
Figure BDA0002254249780000332
通常，当将以球形坐标系表示的磁通密度转换为直角坐标系时，磁通密度可表示为下面的方程式5。
方程式5
Figure BDA0002254249780000333
通过将其转换为通式，可得出以下方程式。
Figure BDA0002254249780000334
图16是示出了应用了本公开的示例性实施方式的用于EV无线充电的LF天线中的磁通密度的概念的示图。如果发射线圈的LF天线和接收线圈的LF天线位于相同的X和Y轴上，则对准完成，并且可通过仅考虑Z轴来表示磁通密度，如下面的方程式6所示。
方程式6
Figure BDA0002254249780000335
在下文中，将首先描述LF发射器和LF接收天线的典型布置实例(例如，图4中描述的布置)中的距离测量。可在下面的方程式7中表示在时间t0接收由接收线圈的LF发射器α发射的磁场的发射线圈的每个LF接收天线处的磁通密度。
方程式7
Figure BDA0002254249780000341
Figure BDA0002254249780000342
Figure BDA0002254249780000343
Figure BDA0002254249780000344
另外，可由下面的方程式8表示在时间t1处接收由接收线圈的LF发射器β发射的磁场的发射线圈的每个LF接收天线处的磁通密度。
方程式8
Figure BDA0002254249780000345
Figure BDA0002254249780000346
Figure BDA0002254249780000351
Figure BDA0002254249780000352
由于可使用RSSI计算发射线圈和接收线圈之间的距离，因此RSSI方程总结如下。
方程式9
Figure BDA0002254249780000353
Figure BDA0002254249780000354
Figure BDA0002254249780000355
方程式10
Figure BDA0002254249780000356
根据最终的RSSI方程，由于发射线圈的LF接收天线接收到发射器发射的所有磁场值，因此无法在非常近的距离处区分接收线圈的LF发射器。即使当三轴(即三轴)LF传感器设置在发射线圈中而不是LF接收天线中时，也是如此。发射线圈的每个LF传感器中的磁通密度可如下。
可在下面的方程式11中表示在时间t0处接收到由接收线圈的LF发射器α发射的磁场的发射线圈中设置的每个三轴LF传感器处的磁通密度。
方程式11
Figure BDA0002254249780000361
Figure BDA0002254249780000362
Figure BDA0002254249780000363
Figure BDA0002254249780000364
另外，可由下面的方程式12表示在时间t1接收到接收线圈的LF发射器β发射的磁场的发射线圈中设置的每个三轴LF传感器处的磁通密度。
方程式12
Figure BDA0002254249780000371
Figure BDA0002254249780000372
Figure BDA0002254249780000373
Figure BDA0002254249780000374
最终的RSSI方程式如下，并且，由于发射线圈的LF传感器接收发射器发射的所有磁场值，因此无法在非常近的距离处区分接收线圈的LF发射器。
方程式13
为了解决该问题，当经由具有根据本公开的布置的发射线圈的LF接收天线和接收线圈的LF发射器执行磁场分析和距离测量时，LF接收天线接收部分磁场，这消除了计算发射线圈的中心点和接收线圈的中心点的难度。在矢量场中，当坐标系的正交分量相交时，它们变为零。因此，总而言之，可导出以下方程式。尽管由于坐标系而存在每个正弦分量，但为简单起见，将简单表示它们。
在根据本公开示例性实施方式的天线布置结构中，例如，在如图14A所示的天线布置结构中，可如下面的方程式14所示表示在时间t0接收由接收线圈的LF发射器α发射的磁场的发射线圈的每个LF接收天线处的磁通密度。
方程式14
Figure BDA0002254249780000381
Figure BDA0002254249780000382
Figure BDA0002254249780000383
Figure BDA0002254249780000391
Figure BDA0002254249780000392
另外，可如下面的方程式15所示表示在时间t1处接收由接收线圈的LF发射器β发射的磁场的发射线圈的每个LF接收天线处的磁通密度。
方程式15
Figure BDA0002254249780000393
Figure BDA0002254249780000394
Figure BDA0002254249780000395
另外，可如下面的方程式16所示表示在时间t2接收由接收线圈的LF发射器γ发射的磁场的发射线圈的每个LF接收天线处的磁通密度。
方程式16
Figure BDA0002254249780000396
Figure BDA0002254249780000401
Figure BDA0002254249780000402
根据本公开的示例性实施方式的LF发射器和LF接收天线的布置结构中的最终RSSI方程式可总结如下。
方程式17
Figure BDA0002254249780000403
Figure BDA0002254249780000404
Figure BDA0002254249780000405
总之，当发射线圈的LF接收天线之一垂直于其他接收天线设置，并且接收线圈的LF发射器之一垂直于其他发射器设置时，例如，在图14A所示的LF天线的配置中，如果能完美地完成发射线圈和接收线圈之间的对准，则可最终获得的磁场的分析方程式可总结为以下方程式18所示。
方程式18
Figure BDA0002254249780000411
Figure BDA0002254249780000412
Figure BDA0002254249780000413
然而，在方程式18中，
Figure BDA0002254249780000414
的最大值可不同于
Figure BDA0002254249780000415
Figure BDA0002254249780000416
的最大值。
根据上述本公开的示例性实施方式，在同时考虑发射板的LF接收天线和接收板的LF发射器的天线布置中，分析模拟确认是否可在非常近的距离处识别LF磁场。
图17至图21是示出根据本公开的示例性实施方式的关于根据LF发射器和LF接收天线的布置中的发射线圈和接收线圈的对准状态是否可识别磁场的分析模拟结果的示图。图17示出了当使电力供应侧发射线圈21和车辆侧接收线圈11的对准接近100％时的磁场。图18至图21示出了当接收线圈位于发射线圈的拐角附近(例如，靠近)时的模拟结果。图18示出了接收线圈11位于发射线圈21的左上角的情况，图19示出了接收线圈11位于发射线圈21的右上角的情况，图20示出了接收线圈11位于发射线圈21的左下角的情况，并且图21示出了接收线圈11位于发射线圈21的右下角的情况。如图17至21中所示，以可用磁场相关的模拟结果值识别的形式来呈现接收线圈相对于发射线圈的位置，从而即使在非常近的距离处也可识别LF磁场。
图22是示出根据本公开的示例性实施方式的位置对准设备的框图。如图22所示，根据本公开的示例性实施方式的位置对准设备100可包括通信单元110、处理单元120、LF发射单元130和至少一个LF发射器140。
位置对准设备100可以是VA或VA的一部分，或者可连接至VA。换句话说，位置对准设备100的组件不限于其名称，并且该组件可由功能定义。另外，构成设备的一个组件可执行多种功能，而构成设备的多个组件可执行一项功能。
通信单元110可包括通信模块，该通信模块被配置为与稍后将描述的磁场检测设备200通信。具体地，通信模块可包括被配置为执行WIFI通信的通信模块，并且还可包括被配置为执行3G通信和4G通信的通信模块，但不限于此。通信单元110可被配置为：使用通信模块搜索GA所位于的停车位；与连接到GA的磁场检测设备200进行通信以在GA和VA之间对准；以及从磁场检测设备200接收磁场测量值。
另外，通信单元110可被配置为测量接收信号强度指示符(RSSI)、飞行时间(ToF)、飞行时间差(TDoF)和到达时间(ToA)中的至少一个，以及到达的时间差。处理单元120可被配置为验证与稍后描述的LF发射单元130连接的至少一根天线是否被正常驱动，操作至少一根天线，以及利用使用通信单元110接收的磁场测量在发射板和接收板之间进行位置对准。LF发射单元130可配置为根据处理单元120的操作验证所连接的天线是否正常驱动，并且可被配置为根据本公开操作至少一个发射器。
另外，根据本公开的示例性实施方式的位置对准设备100可包括至少一个处理器和存储器，该存储器存储用于利用至少一个处理器执行上述操作的至少一条指令。处理器可被配置为执行存储在存储器中的至少一条指令，并且可以是中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或被配置为执行根据本公开的示例性实施方式的方法的专用处理器。存储器可包括易失性存储介质和/或非易失性存储介质，并且可包括只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)。
具体而言，所述至少一个指令可被配置为使用一个或多个发射器，使所述处理器发射至少一个LF磁场，所述一个或多个发射器设置在接收由GA的发射板传输的电力的接收中；从GA接收至少一个与磁场有关的值，该至少一个磁场有关的值由设置在发射板中的一个或多个LF接收装置检测；并使用所述至少一个与磁场有关的值在所述发射板和所述接收板之间进行位置对准，其中，设置所述发射器的至少一部分，以便相对于由一个或多个LF接收装置的至少一部分形成的至少一个磁场以0°、90°、180°或270°方向布置由所述发射器的至少一部分形成的至少一个磁场。
图23是示出根据本公开的示例性实施方式的磁场检测设备的框图。如图23所示，根据本公开的示例性实施方式的磁场检测设备200可包括通信单元210、处理单元220和LF接收单元230。
磁场检测设备200可以是GA或GA的一部分，或者可连接至GA。换句话说，磁场检测设备200的组件不限于其名称，并且该组件可由功能定义。另外，构成设备的一个组件可执行多种功能，而构成设备的多个组件可执行一项功能。
通信单元210可包括被配置为与位置对准设备100通信的通信模块。具体而言，通信模块可包括被配置为执行WIFI通信的通信模块，并且还可包括被配置为执行3G通信和4G通信的通信模块，但不限于此。通信单元210可被配置为将磁场测量结果发送到VA。
另外，通信单元210可连接到位置对准设备100以在GA和VA之间对准，并且可被配置为将由处理单元220测量的磁场测量值发射到位置对准设备100。处理单元220可被配置为基于关于由稍后描述的LF接收单元230检测到的磁场的信息来测量磁场测量。具体而言，关于磁场的信息可存在于每个天线。例如，连接到位置对准设备100的三个接收天线中的每个可被配置为检测三个发射器的磁场。具体而言，可存在九条磁场信息。处理单元220可被配置为向通信单元210提供磁场测量值。
LF接收单元230可连接至位于GA中的多个，例如三个接收天线ANT1、ANT2和ANT3，并且获得关于位置对准设备100的三个发射器发射的磁场的信息，该信息由三个接收天线检测到。LF接收单元230可被配置为向处理单元220提供所获得的关于磁场的信息。
另外，根据本公开的示例性实施方式的磁场检测设备200可包括至少一个处理器和存储器，该存储器存储用于经由至少一个处理器执行上述操作的至少一条指令。处理器可被配置为执行存储在存储器中的至少一条指令，并且可以是中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或被配置为执行根据本公开的示例性实施方式的方法的专用处理器。存储器可包括易失性存储介质和/或非易失性存储介质，并且可包括只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)。
所述至少一条指令可被配置为使所述处理器检测从设置在VA的接收板上的一个或多个发射器发射的LF磁场；测量由设置在GA的发射板上的一个或多个LF接收装置检测到的至少一个与磁场有关的值；并使用所述至少一个与磁场有关的值来计算所述发射板与所述接收板之间的距离，
可设置所述LF接收装置的至少一部分，以便相对于由发射器的至少一部分形成的至少一个磁场以0°、90°、180°或270°方向布置由所述一个或多个LF接收装置的至少一部分形成的至少一个磁场。
图24是示出根据本公开的示例性实施方式的用于测量发射板与接收板之间的距离的方法的流程图。图24所示的距离测量方法可由GA执行，以对准发射板和接收板之间的位置以进行无线电力传输。如图24所示，GA可被配置为检测从设置在VA的接收板上的一个或多个发射器发射的低频(LF)磁场(S2410)，并测量由设置在GA的发射板上的一个或多个LF接收装置检测到的至少一个与磁场有关的值(S2420)。
VA可被配置为使用至少一个与磁场有关的值来计算发射板与接收板之间的距离。计算出的发射板与接收板之间的距离可传输到车辆，并且可用于车辆执行位置对准。具体而言，可设置一个或多个LF接收装置中的至少一部分，以便相对于由一个或多个发射天线的至少一部分形成的至少一个磁场以0°或180°方向布置由所述一个或多个LF接收装置的至少一部分形成的至少一个磁场。
同时，根据本公开的另一示例性实施方式，距离测量方法可由车辆或VA执行。具体而言，VA可被配置为从GA接收与磁场有关的测量值，并且基于与磁场有关的测量值来计算两个板之间的距离。
因此，根据本公开的另一示例性实施方式，一种由车辆组件(VA)执行的位置对准方法，所述车辆组件(VA)包括接收从地面组件(GA)的发射板发射的电力的接收板，所述方法可包括使用设置在接收板上的一个或多个发射装置发射至少一个磁场，所述一个或多个发射装置以低频(LF)操作；从所述GA接收至少一个与磁场有关的值，所述至少一个磁场由设置在所述GA的发射板上的一个或多个LF接收装置检测；以及由控制器使用所述至少一个与磁场有关的值来计算所述发射板与所述接收板之间的距离。设置所述一个或多个发射装置的至少一部分，以便相对于由所述一个或多个LF接收装置的至少一部分形成的至少一个磁场以0°、90°、180°或270°方向布置由所述一个或多个发射装置的至少一部分形成的至少一个磁场。
尽管已经在设备的上下文中描述了本公开的一些方面，但是本公开还可表示根据对应的方法的描述，其中，框或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法的上下文中描述的方面也可由对应的框或项目或对应的装置的特征来表示。方法步骤中的一些或全部可通过(或使用)硬件装置，诸如例如微处理器、可编程计算机或电子电路，来执行。在各种示例性实施方式中，最重要的方法步骤中的一个或多个可由这样的设备执行。
在示例性实施方式中，可编程逻辑装置(例如，现场可编程门阵列(FPGA))可用于执行本文描述的方法的一些或全部功能。另外，FPGA可与微处理器结合操作以执行本文描述的方法之一。通常，方法优选地由某些硬件装置执行。
前面的描述已经针对本公开的示例性实施方式。然而，将显而易见的是，可实现所描述的示例性实施方式的其他变型、替代和修改，并获得其某些或全部优点。因此，该描述将仅以实例的方式进行，并且不以其他方式限制本文中示例性实施方式的范围。因此，所附权利要求的目的是覆盖落入本文示例性实施方式的真实精神和范围内的所有此类变型和修改。

Claims (20)

1.一种由车辆组件执行的位置对准方法，所述车辆组件包括接收板，所述接收板用于接收从地面组件的发射板发射的电力，所述位置对准方法包括以下步骤：
通过设置在所述接收板上的一个或多个发射装置发射至少一个磁场，所述一个或多个发射装置以低频进行操作；
在所述接收板处从所述地面组件接收至少一个与磁场有关的值，所述至少一个磁场由设置在所述地面组件的所述发射板上的一个或多个低频接收装置检测；并且
由控制器使用所述至少一个与磁场有关的值计算所述发射板与所述接收板之间的距离，
其中，设置所述一个或多个发射装置的至少一部分，以在相对于由所述一个或多个低频接收装置的至少一部分形成的至少一个磁场的0°、90°、180°或270°方向上布置由所述一个或多个发射装置的至少一部分形成的至少一个磁场。
2.根据权利要求1所述的位置对准方法，其中，所述一个或多个发射装置包括设置在所述接收板的各个侧上的三个或更多个低频天线。
3.根据权利要求1所述的位置对准方法，其中，所述一个或多个低频接收装置包括设置在所述发射板的各个侧上的三个或更多个低频天线或三个或更多个低频传感器。
4.根据权利要求1所述的位置对准方法，其中，所述一个或多个发射装置中的至少一个或所述一个或多个低频接收装置中的至少一个是单轴低频天线。
5.根据权利要求1所述的位置对准方法，其中，设置所述一个或多个发射装置以将所述一个或多个发射装置的中心的纵向方向布置成与所述接收板的一边平行。
6.根据权利要求1所述的位置对准方法，其中，所述一个或多个低频接收装置被设置为将所述一个或多个低频接收装置的中心的纵向方向布置成与所述发射板的一边平行。
7.根据权利要求1所述的位置对准方法，其中，所述一个或多个发射装置中的第一发射装置被设置在与设置有所述一个或多个发射装置中的第二发射装置的一侧不同的一侧上，并且所述第一发射装置垂直于所述第二发射装置设置。
8.根据权利要求1所述的位置对准方法，其中，所述一个或多个低频接收装置中的第一低频接收装置被设置在与设置有所述一个或多个低频接收装置中的第二低频接收装置的一侧不同的一侧上，并且所述第一低频接收装置垂直于所述第二低频接收装置设置。
9.根据权利要求1所述的位置对准方法，其中，所述一个或多个发射装置和所述一个或多个低频接收装置被设置在由所述接收板的接收线圈或所述发射板的发射线圈形成的磁场均匀分布的点处。
10.一种磁场检测设备，包括：
处理器；和
存储器，被配置为存储能够由所述处理器执行的至少一条指令，
其中，当由所述处理器执行时，所述至少一条指令将所述处理器配置为：
检测从设置在车辆组件的接收板上的一个或多个发射装置发射的低频磁场；
测量由设置在地面组件的发射板上的一个或多个低频接收装置检测到的至少一个与磁场有关的值；和
使用所述至少一个与磁场有关的值来计算所述发射板与所述接收板之间的距离，
其中，设置所述一个或多个低频接收装置的至少一部分，以在相对于由所述一个或多个低频发射装置的至少一部分形成的至少一个磁场的0°、90°、180°或270°方向上布置由所述一个或多个低频接收装置的至少一部分形成的至少一个磁场。
11.根据权利要求10所述的磁场检测设备，其中，所述一个或多个低频接收装置包括设置在所述发射板的各个侧上的三个或更多个低频天线或三个或更多个低频传感器。
12.根据权利要求10所述的磁场检测设备，其中，所述一个或多个低频接收装置被设置为将所述一个或多个低频接收装置的中心的纵向方向布置为与所述发射板的一边平行。
13.根据权利要求10所述的磁场检测设备，其中，所述一个或多个低频接收装置中的第一低频接收装置被设置在与设置有所述一个或多个低频接收装置中的第二低频接收装置的一侧不同的一侧上，并且所述第一低频接收装置垂直于所述第二低频接收装置设置。
14.一种位置对准设备，包括：
处理器；和
存储器，存储能够由所述处理器执行的至少一条指令，
其中，当由所述处理器执行时，所述至少一条指令将所述处理器配置为：
使用设置在接收板上的以低频操作的一个或多个发射装置发射至少一个磁场，所述接收板接收由地面组件的发射板传输的电力；
从所述地面组件接收至少一个与磁场有关的值，所述至少一个与磁场有关的值由设置在所述发射板上的一个或多个低频接收装置检测；和
使用所述至少一个与磁场有关的值在所述发射板和所述接收板之间进行位置对准；
其中，设置一个或多个发射装置的至少一部分，以在相对于由所述一个或多个低频发射装置的至少一部分形成的至少一个磁场的0°、90°、180°或270°方向上布置由所述一个或多个发射装置的至少一部分形成的至少一个磁场。
15.根据权利要求14所述的位置对准设备，其中，所述一个或多个发射装置包括设置在所述接收板的各个侧上的三个或更多个低频天线。
16.根据权利要求14所述的位置对准设备，其中，所述一个或多个发射装置被设置为将所述一个或多个发射装置的中心的纵向方向布置成与所述发射板的一边平行。
17.根据权利要求14所述的位置对准设备，其中，所述一个或多个发射装置中的第一发射装置被设置在与设置有所述一个或多个发射装置中的第二发射装置的一侧不同的一侧上，并且所述第一发射装置垂直于所述第二发射装置设置。
18.根据权利要求14所述的位置对准设备，其中，所述一个或多个发射装置和所述一个或多个低频接收装置被设置在由所述接收板的接收线圈或所述发射板的发射线圈形成的磁场均匀分布的点处。
19.根据权利要求14所述的位置对准设备，其中，所述一个或多个发射装置中的至少一个或所述一个或多个低频接收装置中的至少一个是单轴低频天线。
20.根据权利要求14所述的位置对准设备，其中，所述一个或多个发射装置中的至少一个或所述一个或多个低频接收装置中的至少一个是铁氧体棒状天线。
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