CN111133656A

CN111133656A - 用于无线电力传输系统的主组装件、定位系统、以及确定主组装件和辅组装件之间的距离的方法

Info

Publication number: CN111133656A
Application number: CN201780095072.0A
Authority: CN
Inventors: H.亨普希尔; P.费希廷
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Switzerland GmbH; TDK Corp
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2020-05-08
Also published as: US20200259375A1; US11114905B2; DE112017007760T5; JP2020527929A; WO2019015759A1

Abstract

提供了用于定位系统的组件。其主组装件（GA）具有第一天线（GAA1）和第二天线（GAA2）。第一天线（GAA1）被提供以确定第一天线和辅组装件（VA）的电路组件之间的距离。第二天线（GAA2）被提供以确定第二天线和电路组件之间的距离。该定位系统可以被用于无线电力传输系统中，例如，用于电动车辆。

Description

用于无线电力传输系统的主组装件、定位系统、以及确定主组装件和辅组装件之间的距离的方法

技术领域

本发明涉及无线电力传输领域。在这样的系统中，主组装件和辅组装件应该对准，并且因此，辅组装件相对于主组装件的位置和定向应该是已知的。

背景技术

在无线电力传输系统的主组装件中，可以提供发射线圈或发射线圈系统。在辅组装件中，可以提供一个或多个接收线圈。可以将诸如磁力之类的电磁力通过来自主组装件的主线圈的电感从主组装件传送到辅组装件。如果具有辅线圈的辅组装件在主线圈的附近，则辅线圈可以接收磁力，并且将其转换成电能。利用这样的系统，可以无线地传送电力，例如，以给无线通信设备的电池或电动车辆的电池充电。

为了减少传输损失，主组装件和辅组装件应该相对于彼此对准。

主组装件可以是牢固地安装到固定位置（例如，停车区域的充电位置）的组装件。

辅组装件可以安装到电动车辆，并且电连接到车辆的电路。

因此，为了最优电力传送，希望将辅组装件定位在主组装件附近，例如，在主组装件正上方，并且可能的未对准应该尽可能小。

对应的定位系统可以与无线电力传送操作同时操作，并且应该不受其存在的影响。

从专利公开WO 2016/099807 Al以及US 2015/0094887 Al，利用雷达收发器或发射线圈的定位系统是已知的。

然而，已知的系统是复杂的且大大增加制造成本或不太准确。

因此，所希望的是可靠的、准确的并且可以低附加成本生产的定位系统。

发明内容

为此，在独立权利要求中提供了一种用于无线电力传输系统的主组装件、一种定位系统以及一种确定主组装件和辅组装件之间的距离的方法。从属权利要求提供了优选的实施例。

主组装件可以在无线电力传输系统中使用。主组装件包括第一天线和第二天线。提供第一天线以确定第一天线和辅组装件的电路组件之间的距离。辅组装件可以用于无线电力传输系统或者可以是无线电力传输系统的一部分。第二天线被提供以确定第二天线和辅组装件的电路组件之间的距离。

天线的数量不被限制。主组装件可以具有另外的天线。

主组装件可以是位于固定位置处（例如，停车区域处）的无线电力传输系统的组装件。该主组装件可以是无线电力传输系统的发射部分。

辅组装件可以是用于接收所发射的能量的组装件，并且可以连接到电动车辆或是电动车辆的一部分，或者一般而言，是应该被提供有能量而不需要线缆连接的电气设备。

因此，主组装件可以是地面组装件，并且辅组装件可以是车辆组装件。

辅组装件的电路组件以及主组装件的第一天线和第二天线应该在一起工作，以确定主组装件和辅组装件之间的距离。如果主组装件和辅组装件之间的距离是已知的，则对应的无线电力传输系统可以确定电磁力是否可以从主组装件传送到辅组装件。另外，如果该距离是已知的，则可以执行测量，以将辅组装件带到主组装件。

一般而言，如果辅组装件的电路组件和主组装件的第一天线之间的距离是已知的，则清楚的是，主组装件位于辅组装件周围的球形表面上。更精确地说：如果辅组装件的电路组件和主组装件的第一天线之间的距离是已知的，并且如果辅组装件的电路组件和主组装件的第二天线之间的距离是已知的，则辅组装件的电路组件处于主组装件的第一天线周围的第一球形表面以及主组装件的第二天线的第二球形表面的交点处。

如果假设主组装件在停车区域的固定位置处，并且辅组装件被安装到在道路上行驶并且在两个维度中移动的电动车辆，则辅组装件的电路组件的位置可以被分别限制为第一天线和第二天线周围的两个圆的两个交叉点。

因此，主组装件另外包括第三天线是可能的，所述第三天线被提供以确定第三天线和辅组装件的电路组件之间的距离。

在知道辅组装件的电路组件和主组装件的第三天线之间的距离的情况下，可以确定辅组装件的电路组件的精确位置。

与常规定位系统相比，在主组装件处提供两个或三个线圈，并且在辅组装件处提供附加电路组件允许以低成本和高可靠性的高精度。

可能的是，从主组装件和辅组装件中选择的组装件之一的一个或多个天线发射信号，而相应的其它组装件的一个或多个天线接收所发射的信号。

因此，可能的是，第一天线和第二天线和（如果存在的话）第三天线是接收天线并且辅组装件的电路组件是发射天线。

当（例如，辅组装件的）发射天线迭代地发射由主组装件的天线接收到的信号时，则辅组装件（更精确地说：辅组装件的天线）和主组装件之间的距离可以被迭代地监视。

该信号可以是电磁信号。

辅组装件的电路组件和主组装件的天线之间的距离可以通过评估相应接收天线的位置处的信号强度来确定。

第一天线和第二天线包括谐振电路是可能的。天线的相应谐振电路可以包括电感元件和电容元件。电感元件和电容元件可以电连接，例如，彼此串联或并联。

辅组装件的电路组件还可以包括谐振电路，该谐振电路具有串联或并联连接的电感元件和电容元件。

可以选取电感元件的感应率以及电容元件的电容，以将对应的谐振电路的谐振频率设置为公共值。

谐振频率可以在50kHZ和50MHZ之间，例如，125kHZ。

由辅组装件的电路组件传输的信号可以是方波信号。

主组装件另外包括第一整流器、第二整流器和评估电路是可能的。第一整流器电连接到第一天线以及到评估电路，第二整流器电连接到第二天线以及到评估电路。整流器被提供以将第一信号和第二信号传输到评估电路。

主组装件每个天线包括一个整流器是可能的。

整流器可以接收由相应天线提供的电信号。整流器可以对每个电信号进行整流，并且将经整流的信号提供给评估电路。

电磁信号的电磁能量主要与由天线感应的电压的平方成正比。另外，由天线接收到的电磁力主要与发射器和接收器之间的距离的平方值成反比。因此，从接收天线提供给整流器的电压主要与对应的接收天线和发射信号的辅组装件的电路组件之间的距离成反比。对应地，经整流的信号是提交给评估电路的对应距离的度量。利用基于关于辅组装件的电路组件和主组装件的每个天线之间的距离的知识的三角测量或类似的方法，评估电路可以确定辅组装件的电路组件和主组装件之间的距离。

对应地，可能的是，第一信号是用于第一天线和辅组装件的电路组件之间的距离的度量的电压信号，并且第二信号是用于第二天线和辅组装件的电路组件之间的距离的度量的电压信号。

主组装件被提供以用于无线电力传输系统是可能的，所述无线电力传输系统包括被提供以向辅线圈传输电磁力的主线圈。辅线圈是系统的接收线圈。辅线圈可以是辅组装件的一部分。或者辅组装件和辅线圈可以是作为无线电力传送系统的一部分的接收系统的部分。

定位系统包括（例如，如上面所描述的）主组装件和（例如，如上面所描述的）辅组装件。因此，辅组装件可以具有作为电路元件的天线以及辅线圈，所述辅线圈被提供以从主组装件接收电磁力或者向主组装件发射电磁力。

因此，术语是这样的，主线圈与主组装件相关联，并且辅线圈与辅组装件相关联。主线圈的一个可能功能是向辅线圈传输电力。然而，相反的方向也是可能的：辅线圈也可以被用于向主线圈传输电力。

如果定位系统通知主组装件和辅组装件之间的距离足够小，则可以启动从可以是地面组装件的主组装件到可以是车辆组装件的辅组装件的动力传送。

定位系统和/或辅组装件包括辅组装件中的第五天线和/或第六天线是可能的。

通过评估辅组装件的附加天线和主组装件的天线之间的距离，不仅可以确定辅组装件和主组装件之间的距离，而且可以确定辅组装件相对于主组装件的定向。

如果从定位系统获得的信息将用于将辅组装件导航到主组装件，则这是尤其有用的，因为然后可以确定将辅组装件导航到主组装件的最优方向。一种确定无线电力传输系统的主组装件和无线电力传输系统的辅组装件之间的距离的方法包括以下步骤：

- 从辅组装件的电路组件发射第一信号，

- 用主组装件的第一天线接收第一信号，

- 用主组装件的第二天线接收第一信号，

- 通过评估第一天线的位置处的第一信号的信号强度来确定辅组装件的电路组件和第一天线之间的第一距离，

- 通过评估第二天线的位置处的第一信号的信号强度来确定辅组装件的电路组件和第二天线之间的第二距离。

- 基于第一和第二距离以及两个方向的角度来确定辅线圈的位置和定向。

当然，如果主组装件具有一个或多个附加天线，并且如果辅天线具有一个或多个附加天线，则可以执行发射、接收以及评估的附加步骤。

特别地，优选的是，主组装件具有四个天线，以增加冗余度并且改进距离的评估。

该方法可能另外包括以下步骤：

- 用主组装件的第三天线接收第一信号，

- 通过评估第三天线的位置处的第一信号的信号强度来确定辅组装件的电路组件和第三天线之间的第三距离，

- 通过评估第一距离、第二距离以及第三距离来确定主组装件和辅组装件之间的距离。

因此，通过利用由评估电路的三角测量，可以确定辅组装件的发射天线和主组装件之间的精确距离，而仅有增加制造成本到少量的电路组件需要被添加到组装件。

附图说明

通过示意图解释并提供了优选实施例的工作原理和细节。

在附图中：

图1示出了在地面组装件附近的车辆组装件的可能布置。

图2示出了车辆组装件的电路组件和地面组装件的天线之间的相关距离。

图3示出了在指定时间提供的电压信号。

图4示出了在地面组装件的位置处的车辆组装件。

图5示出了在逼近期间电压信号的时间发展。

图6示出了包括三个天线的车辆组装件。

图7示出了最终状态，其中车辆组装件不仅被带到地面组装件的位置，而且与地面组装件对准。

图8示出了在串联谐振电路中的电路元件的可能组成。

图9示出了在并联谐振电路中的电路元件的可能布置。

图10示出了整流器和评估电路的工作原理。

图11示出了具有四个天线的地面组装件的实施例。

具体实施方式

图1示出了在由地面组装件GA实现的主组装件附近由车辆组装件VA实现的辅组装件的典型初始状态。定位系统将有助于将车辆组装件VA带到地面组装件GA。假设车辆组装件VA安装到可以在两个维度中（即在xy平面中）移动的车辆。车辆组装件VA可以具有辅线圈SC，并且地面组装件GA可以具有主线圈PC。主线圈PC和辅线圈SC应该被利用以从地面组装件GA向车辆组装件VA传输磁力，例如，以给车辆的电池充电。为此，辅线圈必须被带到主线圈PC并与其对准。

车辆组装件VA具有可以连续或迭代地发射电磁信号的第一天线VAA1。地面组装件GA具有第一天线GAA1、第二天线GAA2以及第三天线GAA3。地面组装件GA的每个天线接收由车辆组装件VA的天线VAA1发射的一个或多个信号。通过评估该信号（例如，通过评估接收天线的对应位置处的信号强度），可以确定车辆组装件VA和地面组装件GA之间的距离。

图2示出了定位系统PS的相关距离，即车辆组装件VA的天线和地面组装件GA的第一天线之间的第一距离。第二距离D2是车辆组装件VA的天线和地面组装件GA的第二天线之间的距离，并且第三距离D3是车辆组装件的天线和地面组装件GA的第三接收天线之间的距离。

图3图示了对应于图2中距离D1、D2、D3的对应电压电平。最大电压受车辆组装件的发射天线和地面组装件的接收天线之间的最短可能距离限制。

图4图示了在将电动车辆引导到其充电位置后，车辆组装件VA在地面组装件GA正上方的最终位置。然而，车辆的定向仍然可以被改进。

图5示出了从初始时间T1到最终时间T2的电压信号的对应时间发展。车辆以使得所确定的距离缩短的方式向地面组装件移动。当电压信号的总和已经达到最大值时，可以到达最终位置。

图6示出了具有三个发射天线的车辆组装件VA。在车辆组装件站点处具有两个或更多个发射天线的情况下，不仅可以确定车辆组装件和地面组装件GA之间的距离。另外，还可以确定车辆组装件VA相对于地面组装件GA的定向。因此，作为其结果，图7示出了逼近过程的最终阶段，其中车辆组装件被精确地定位在地面组装件的上方，并且其中车辆组装件相对于地面组装件被精确地布置。通过评估车辆组装件的每个天线和地面组装件的每个天线之间的距离，可以获得位置的精确确定以及定向的精确确定。

图8示出了在天线A中具有电感元件IE、电容元件CE以及电阻元件RE的优选的发生或接收天线的可能细节。电感元件IE和电容元件CE串联地电连接，并且形成串联谐振电路。

图9示出了接收或发射天线A的替代优选实施例，其中电感元件IE和电容元件CE并联地电连接以形成并联谐振电路。该并联电路与电阻元件串联连接。

选取天线的电感元件的感应率以及天线的电容元件的电容，使得谐振电路的对应谐振频率与可能大约125kH的公共谐振频率相匹配。

图10示出了具有整流器R和评估电路EC的地面组装件GA的另外的细节。整流器R从地面组装件GA的天线接收信息（例如，电压信息），并且向评估电路EC提供可能被编码为电压的对应距离信息。评估电路EC可以包括放大器和集成电路，以执行必要的计算来将电压信息转换为距离信息，所述距离信息可以被提供给将车辆指引到地面组装件的路由系统。

图11示出了其中地面组装件GA具有四个接收天线的优选实施例。

上面所描述的组装件和定位系统以及方法不受限于所述技术细节。组装件可以包括另外的电路元件。定位系统可以包括另外的组装件和电路元件，并且方法可以包括另外的步骤。

参考标记列表

A：天线

CE：电容元件

D1、D2、D3：距离

EC：评估电路

GA：地面组装件/主组装件

GAA_1,2,3,4：地面组装件的第一、第二、第三、第四天线

IE：电感元件

PC：主线圈

PS：定位系统

R：整流器

RE：电阻元件

SC：辅线圈

T1：第一时间

T2：第二、后来时间

V：电压

V_1,2,3：由地面组装件的天线接收到的电压

VA：车辆组装件/辅组装件

VAA1：车辆组装件的第一天线

VAA2、VAA3：车辆组装件的第二和第三天线

Claims

1.一种用于无线电力传输系统的主组装件（GA），所述主组装件（GA）包括

- 第一天线（GAA1），以及

- 第二天线（GAA2），

其中

- 第一天线（GAA1）被提供以确定第一天线（GAA1）和用于无线电力传输系统中的辅组装件（VA）的电路组件之间的距离，以及

- 第二天线（GAA2）被提供以确定第二天线（GAA2）和用于无线电力传输系统中的辅组装件（VA）的电路组件之间的距离。

2.根据前述权利要求所述的主组装件，还包括第三天线（GAA3），其被提供以确定第三天线（GAA3）和辅组装件（VA）的电路组件之间的距离。

3.根据前述权利要求之一所述的主组装件，其中

- 第一天线（GAA1）和第二天线（GAA2）是接收天线，以及

- 辅组装件（VA）的电路组件是发射天线。

4.根据前述权利要求之一所述的主组装件，其中第一天线（GAA1）和第二天线（GAA2）包括谐振电路，其包括

- 电感元件（IE），以及

- 电容元件（CE），其串联或并联电连接到电感元件（IE）。

5.根据前述权利要求之一所述的主组装件，还包括第一整流器（R）、第二整流器（R）以及评估电路（EC），其中

- 第一整流器（R）电连接到第一天线（GAA1）和评估电路（EC），第二整流器（R）电连接到第二天线（GAA2）和评估电路（EC），以及

- 整流器（R）被提供以向评估电路（EC）传输第一信号和第二信号。

6.根据前述权利要求所述的主组装件，其中

- 第一信号是用于第一天线（GAA1）和辅组装件（VA）的电路元件之间的距离的度量的电压信号，以及

- 第二信号是用于第二天线（GAA2）和辅组装件（VA）的电路元件之间的距离的度量的电压信号。

7.根据前述权利要求之一所述的主组装件，其被提供以用于无线电力传输系统，包括主线圈（PC），其被提供以向辅组装件（VA）的辅线圈（SC）传输电磁力。

8.一种定位系统（PS），包括

- 根据前述权利要求之一所述的主组装件（GA），以及

- 辅组装件（VA），其具有作为电路元件的天线（VAA1）和辅线圈（SC），所述辅线圈（SC）被提供以从主组装件（GA）接收电磁力，或者向主组装件（GA）发射电磁力。

9.根据前述权利要求所述的定位系统，还包括

- 辅组装件（VA）中的第五天线（VAA2）和/或第六天线（VAA3）。

10.一种确定无线电力传输系统的主组装件（GA）和无线电力传输系统的辅组装件（VA）之间的距离的方法，包括以下步骤：

- 从辅组装件（VA）的电路组件发射第一信号，

- 用主组装件（GA）的第一天线（GAA1）接收第一信号，

- 用主组装件（GA）的第二天线（GAA2）接收第一信号，

- 通过评估第一天线（GAA1）的位置处的第一信号的信号强度来确定辅组装件（VA）的电路组件和第一天线（GAA1）之间的第一距离（d1），

- 通过评估第二天线（GAA2）的位置处的第一信号的信号强度来确定辅组装件（VA）的电路组件和第二天线（GAA2）之间的第二距离（d2），

- 基于第一（d1）和第二（d2）距离以及两个方向的角度来确定辅线圈（SC）的位置和定向。

11.根据前述权利要求所述的方法，还包括以下步骤：

- 用主组装件（GA）的第三天线（GAA3）接收第一信号，

- 通过评估第三天线（GAA3）的位置处的第一信号的信号强度来确定辅组装件（VA）的电路组件和第三天线（GAA3）之间的第三距离（d3），

- 通过评估第一距离（d1）、第二距离（d2）以及第三距离（d3）来确定主组装件和辅组装件之间的距离。