CN116261530A - 自动电磁电动车充电系统 - Google Patents

Abstract

一种用于无线充电一负载的系统、方法及装置。来自一电源的第一变压器线圈被设置以与具有第二变压器线圈的负载连接。所述充电的方法与共振频率无关。

Description

自动电磁电动车充电系统

相关申请的交叉引用

本申请权利要求的临时申请的优先权：63056597号，由D·凯文·卡梅伦(D.KevinCameron)在2020年7月25日提交的标题为"自动电磁电动车充电系统(ROBOTICELECTROMAGNETIC ELECTRIC VEHICLE CHARGING SYSTEM)"，所有所述申请的公开内容通过引用整体并入本文。如果通过引用并入本文的参考文献中术语的定义或使用与本文提供的所述术语的定义不一致或相反，则适用本文提供的所述术语的所述定义，而所述参考文献中的所述术语的所述定义不适用。

技术领域

本公开一般涉及所述充电技术领域，并且在一个示例性实施例中，本公开涉及一种选择性地为电动车辆(electric vehicles，EVs)充电的方法、装置及系统。

背景技术

电动车辆(EVs)正在激增，并且不断需要定期并尽快充电。虽然(小型)汽车快速充电并不是一个太困难的问题，但配备较大电池、较高电容量的大型车辆可能对于电力电子能力及电网负载能力是有问题的。具体而言，住宅及轻型商业办公室走线的所述限制通常在100千瓦的范围，而一卡车或公共汽车的快速充电可能需要兆瓦(MW)的功率。

开发连接器的一通用标准很困难，因为客车不需要像工业卡车那样大的一电源。因此，用于所述不同应用的不同功率水平，插头的所述类型很可能会有所不同。然而，值得一问的是，是否可以为所有情况，包括低功率客车及大功率卡车，开发单一的电源连接系统。

一汽车工程协会(Society of Automotive Engineers，SAE)式手动插头可能是一种昂贵且不实用的插头。接合及分离插脚式插头可能会导致所述插脚及接口设备损坏，原因是未对位或试图完全插入插头时用力过大。这可能会导致一些人们难以处理的笨重的插头和插座设计。

更进一步，快速充电器的有限可用性需要司机在充电后立即移动他们的汽车，以畅通新到的电动车辆(EVs)的充电机会。这会导致了拥堵以及可能未充电及处于困境的电动车辆(EVs)，或者导致了在某些情况下雇用代客泊车服务员来进行汽车的拖移。

无线充电有两种基本类型；一种是近距离紧耦合(如开关模式电源(switch modepower supply，SMPS)变压器)，另一种是谐振，其工作间隔较大。一充电及接收线圈之间的近距离通常小于一毫米，效率高于95％。另一方面，谐振无线充电系统可以提供一充电和接收线圈之间一更宽大及方便的距离，例如几十厘米，比变压器大三个数量级，但效率可能下降至大约15％-40％。此外，电路复杂性增加提供匹配所述充电和接收线圈之间的分配电阻、电感及电容(distributed resistance、inductance、capacitance，RLC)，在它们之间"产生能量隧道"，而不是像所述电感应用那样的全方位地辐射一电磁场。在许多车辆使用谐振无线系统充电的一建筑物中，所述泄漏电力可能会导致严重的加热问题，从而削弱钢筋混凝土。

当一附近的充电线或第一电路不直接连接至此时(即非导电耦合)，用于一电动车辆(EV)的所述感应或磁耦合充电系统将在接收器电线或第二电路的端点无线地诱生一电压，即电动势或电磁场(Electromagnetic Field，EMF)，使电流发生变化。根据安培电路定律，因为所述充电电路会在其周围产生变化的磁场或磁通量，这被称为电磁感应。这又会根据法拉第感应定律在所述接收电路中诱生出一电压。

两条线或电路之间的所述电感耦合或互感可以通过将它们缠绕成线圈并将它们靠近放置在一公共轴上来增加，因此一个线圈的所述磁场穿过所述另一个线圈。耦合也可以通过所述线圈中铁磁材料(如铁或铁氧体)的磁芯来增加，这会增加磁通量。一变压器在物理上将所述两个线圈(即所述第一及第二绕组)容纳在一单元中。最好的所述耦合是通过将所述绕组缠绕在一起(例如，作为一双绞线)来实现的，但由于这通常不符合绝缘要求，因此绕组以机械分离同轴制作(可能是接地屏蔽)。

一种类型的无线充电是(机械地)非耦合或谐振感应充电(Resonant InductiveCharging，RIC)。它用于一些无线感应充电应用，其需要在第一线圈(电源)及第二(承载)线圈之间有一受控及匹配的工作频率。所述第一线圈及第二线圈通常位于彼此的一波长的一分数内。所述第一及第二线圈太近时会发生效率低下的过耦合，而当所述第一及第二线圈相距太远时会发生松耦合。因此，谐振感应充电(RIC)对于高效充电可具有位置超敏性。轻微的分配不当可能会导致充电不足及客户不满，以及不必要的过热和可靠性损害。一种谐振感应充电(RIC)配置使用平焊盘。如果使用一平焊盘作为无线充电之间的一接口，则外来异物干扰(Foreign Object Interference，FOI)会阻碍充电效率外来异物可能包括污垢、油脂、石块及沥青、路盐、树叶及其他天然道路碎屑，以及无意之中放置的物体，例如工具、个人物品、设备等。

总的来说，电动汽车(EVs)的无线充电是一个创新到长期达成熟但未达成需求的领域。专家的怀疑和其他因素已经抑制了例如本公开的有前途的非显而易见的创新。

附图说明

示例性实施例通过图示的方式描述并且不受附图中的所述图式的限制，其中：

图1A为根据一个或多个实施例的一无线充电变压器的功能框图。

图1B为根据一个或多个实施例的具有一单个无线充电变压器接口的一汽车应用。

图1C为根据一个或多个实施例的具有多个无线充电变压器接口的一工业卡车应用。

图2A为根据一个或多个实施例的一匹配的第一及第二线圈无线充电变压器的一等轴测视图。

图2B为根据一个或多个实施例的一匹配的标称能量的第一及第二线圈无线充电变压器的一横截面图。

图2C为根据一个或多个实施例的一匹配的一尺寸过小的第一线圈及一尺寸过大的第二线圈无线充电变压器的一横截面图。

图2D为根据一个或多个实施例的一匹配的一尺寸过大的第一线圈及一尺寸过小的第二线圈无线充电变压器的一横截面图。

图2E为根据一个或多个实施例的一匹配的高能第一线圈及一第二线圈无线充电变压器的一横截面图。

图2F为根据一个或多个实施例带有非旋转棱锥形的一匹配高能第一线圈及第二线圈无线充电变压器的一横截面图。

图3A为根据一个或多个实施例的用于一第一线圈的一剪式千斤顶垂直调整平台。

图3B为根据一个或多个实施例的用于一第二线圈的一自走式平台。

图3C为根据一个或多个实施例的具无刷线轴用于一第二线圈的一自走式平台。

图4为根据一个或多个实施例包含一无线充电变压器的多个充电源的一开关继电器的一示意图。

图5A为根据一个或多个实施例的一电动车辆(EV)电机驱动的一示意图，其电能可重新利用驱动第一变压器以用于车辆对电网(vehicle-to-grid，V2G)。

图5B为根据一个或多个实施例多个无线可对位充电变压器接口，每个个别的接口分别为各自配对的电池包充电的一示意图。

图6为根据一个或多个实施例与谐振频率无关的可扩展及无线变压器电力传输的一方法的一流程图。

除非特别注明，以便清楚地显示本公开的细节，本说明书中所引用的图应理解为不是按比例绘制的。图中相同的组件符号表示在通篇所述几个视图中表示相同的组件。本公开的其他特征优势及将从附图及以下的详细描述中显而易见。

发明内容

一种用于无线充电一负载的系统、方法及装置。来自一电源的第一变压器线圈被设置以与具有第二变压器线圈的负载连接。所述充电的方法与共振频率无关。

本文公开的所述方法、操作、流程、系统及装置可以任何手段实现以实现各个方面，并且可以以机器可读介质及/或机器可访问介质的一形式执行，包含一组指令，当其由一机器或一数据处理系统(例如，一计算机系统)以一个或多个不同的顺序执行时，使得所述机器执行本文公开的任何所述操作。其他特征将从附图及以下的详细描述中显而易见。相应地，所述说明书以及附图应被视为说明性的而非限制性的意义。本发明由所附权利要求的特征所定义。

本发明内容被提供以介绍概念在一简化形式中的一选择，其在以下的所述详细说明部分中进一步描述。本发明内容不意图标识所要求保护的主题的关键或本质特征，也不意图用于限制所要求保护的主题的范围。

具体实施方式

公开了用于在不同功率水平范围内对电动车辆(electric vehicles，EVs)进行充电的一种方法、装置及系统。在所述以下说明中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对所述各种实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种实施例。

现参见图1A，图式的100-A例示了由一屏蔽111-S环绕且由电源102-A供电的一第一线圈111之间的所述变压器装置，其可以是一耦合电源线，也可以是一独立的能源，例如电池、燃料电池等。与第一线圈111配对的是第二线圈112，其本身被一屏蔽112-S包围，两者都设置在一EV负载104中。第一线圈111及线圈第二112之间的间隙114越小，损耗越小且所述能量传输越有效率。

在一实施例中，为具有不同功率水平要求的不同电动车辆(EVs)充电的所述解决方案是扩展可变数量的充电连接。例如，设计成一更高功率规格或要求的电动车辆(EVs)通过更多数量标称电压充电连接充电，例如，并联排布。通常地，一高功率电动车辆(EV)，如一大型工业车辆，使用大量标准的、物理上独立，可以并联充电的电池包。

图1A中描述的一电磁耦合用以通过并联变压器线圈接口将电源耦合到一个或多个电池包。所述电磁耦合易于自动地操作且制造成本低廉。最大的成本是所述变压器线圈，它只是绕线，不需要精密的电力电子设备来供电或控制，而一谐振频率匹配的无线感应充电平台则需要。进一步，接合及脱离电磁耦合比使用一导电插头更容易，例如，使用引脚或叶片，它们很容易过紧、未对位或损坏。

现参见图1B，一个人电动车辆(EV)货车100-B被示为带有单个电池包120-1及单个第二线圈设备122-1。当准备好充电时，第二线圈装置122-1可以保持静止不动以承接一伸缩第一线圈，或者可以向下或向外延伸以变得更易于承接一伸缩或移动线圈。可选地，电动车辆(EV)100-B分别包括额外的第一或次级线圈122-2或122-3，它们可以水平延伸或保持静止以接收一伸缩配合线圈，以用于静止或运动中通过车对车(vehicle-to-vehicle，V2V)进行串联充电。对于一典型的通勤行进范围，有可用的住宅过夜停车位时，单个无线变压器接口或连接器应足以为所述车辆充电。

参见图1C，绘示了了具有多个标准的、物理上独立的电池包120-2、120-3、120-4及120-5的一厢式货车，每个电池包的尺寸都与所述个人EV的所述每个电池包尺寸相同，并且每个电池包都有自己独立的第二线圈装置122-2、122-3、122-4、122-5，分别为电池包120-1、120-2、120-3、120-4提供并联充电。电池包可以走线为串联或并联。例如，十个48伏特电池包串联连接以提供400-500伏特充电水平。十个电池包中的每一个都可以相互并联充电。这种装置免除了具有所述铅电池包承受最大电压的一串联充电系统，其连接叶片故障或分离器短路可能更危险。进一步，所述设备尺寸较大，所需的所述稳健性更高，且单个高压连接器的所述制造成本比多个低压、更小尺寸及更便宜的连接器的制造成本剧增。此外，所述并联充电电源或连接器之一的一问题可以独立地及在行进中更换及维护，而不会中断所述剩余电池包由自己的独立充电单元充电。所述并联充电系统还避免了一个电池包中的连接故障中断下游电池包的一充电操作。因此，如果一上游电池包为开路，在每个电池包独立地并联充电的本实施例中，所述下游电池包仍会充电。

现参见图2A至图2D，根据一个或多个实施例，示出了用于提供电磁耦合的一些第一及第二变压器装置。一变压器可被制作成多种形状。高频变压器(例如50kHz及以上)的效率主要取决于所述第一及第二绕组彼此之间有多近。在另一个实施例中，利用额外的磁性材料来减少泄漏电流。如果在一实施例中不需要高水平的绝缘，则可以将一第一绕组缠绕在所述第二绕组的顶部。

现参见图2A，为根据一个或多个实施例的一匹配的第一及第二线圈无线充电变压器的一等轴测视图。尽管具有不同尺寸的锥形插头或锥形插座，横截面2B-2B示于图2B，而图2C-2D示出了类似的截面图。

仍参见图2A，用于自动充电的本实施例使用选择性接合组件200-A，其包括锥形插头220-A(公头)及一匹配的锥形插座230-A(母头)。锥形插头220-A具有一第一绕组225-A，第一绕组225-A具有被设置围绕一内锥形芯223-A的一锥形。配合的锥形插座230-A具有一第二绕组234-A，所述第二绕组234-A具有嵌入一块磁性材料232-A中的一锥形。锥形插头220-A被示为在接合的所述过程中，通过接合/脱离箭头244，在接合锥形插座230-A中与第一绕组225-A相配合抵靠，并接触与第二绕组234-A以进行电力传输。如图所示，未对位252通过所述第一绕组255-A的轴254及配合绕组、所述第二绕组234-A的轴256的近似同轴位置来克服，其中物理几何形状，即，零件的锥形性质及共形形状提供自对位。由于重力或充电设备(例如液压、气动、螺线管等)施加的力，物理压力在充电期间将所述第一绕组225-A保持在抵靠所述第二绕组234-A的位置。在一实施例中，所述配合插座的所述压力足以保持所述第一及第二线圈充分靠近以高效电力电量传输，例如，传统变压器材料的60％或以上，及一非晶质金属变压器实施例的80％或90％以上。这种效率可以优于传统的无线感应充电，且成本也当然更低。在一实施例中，由第一线圈产生的所述电磁力作为一电磁铁，鉴于到它们的铁质主体成分，其将锥形插座230-A及锥形插头220-A吸在一起。对于本设计，与大多数利用圆柱形插头或矩形叶片之间的过盈配合成为配合插座的其他导电插头相比，需要较小的力来接合所述配合的充电器半部。对于本实施例，第一及第二线圈凹入它们各自的主体中。如此，配合面平直光滑，没有突出的绕组，也没有堆叠绕组的波纹表面，否则其可能会阻碍所述锥形体在锥形插座中的顺利插入及接合。反而，绝缘材料可以填充电线之间的所述间隙，形成一光滑锥形表面。可选的特氟龙或低摩擦涂层可皆应用于所述锥形插头及所述锥形插座，以促进快速及完全就位。

由于线圈225-A及234-A基本上直接接触，减去至少一个所述线圈或两个所述线圈的绝缘的所述厚度，鉴于所述主体232-A和223-A的所述高铁成份，本充电器运作为一变压器。因此，本实施例不需要感应充电设计所需的谐振频率调整。换言之，本实施例为谐振频率无关的。反而，随着基于最大能量传输或其他有益特性(例如噪声、与其他电子设备的电磁干扰等)来选择工作频率，本实施例可以在更大的交流(AC)频率范围内有效率地运行。

在一个实施例中，所述锥形插头及所述锥形插座都接地。在另一个实施例中，单独的电池包是浮置的并且不处于高电压，当底盘故障时，其作为接地。

用于传输电力的电子设备可以直接附接在用于所述变压器接口的所述第一及/或第二线圈的所述外壳(锥体223-A或插座体232-A)中以最小化高频信号行进的所述距离。在后续的图5中提供了有关电子设备的更多详细信息。

本实施例中的形状分配将所述第一线圈描述为一朝上的锥形插头220-A，将所述第二线圈描述为朝下的锥形插座。这主要是为了清洁目的，因为外来物体、碎屑及其他干扰物质不会积聚在一朝上的锥形插座上，其会将碎屑脱落。然而，在一相反的方向上，由于重力，碎片肯定会积聚在向上的锥形插头中。然而，对于给定的充电基础设施，所述角色可以很容易地反转。在一实施例中，锥形插座所述顶端的一个通孔通向所述外侧，可以让小碎屑从所述装置中完全掉落。另外，一锥形插头的一实施例利用浑圆的塌鼻形来防止尖锐鼻形在接合中挂在一锥形插座的一侧壁上。

由于本实施例拆分插座230-A进行前/后运动及对位，及插头220-A进行横向运动及对位及垂直接合之间的定向对位，锥形插座230-A及锥形插头220-A之间的对位可以在各种各样的方案中实现。对于给定的一对位及接合协议，这些角色中的任何一个都可以互换或组合在一起，以确保一协议的所有用户之间的兼容性。

现参见图2B及2C，根据一个或多个实施例，示出了匹配不当但功能正常的第一及第二充电场景的图式。具体地，如图2B所示，所述锥形插头及插座可以为不同的尺寸，带有一组或多组绕组，因此一小型低功率充电器(第一绕组)可以与更大的一高功率电池(第二绕组)一起工作。相反地，如图2C所示，一大型高功率充电器(第一绕组)可与一小型低功率车辆/电池(第二绕组)一起使用。对所述锥形插头及插座使用一固定的内角允许这种尺寸不匹配，同时继续提供一有功能的充电器。

第二绕组234-A及234-B1/B2可由弹簧加载门保护，当锥形插头220-A与锥形插座230-A接合并配合时，所述弹簧门被推开。这种类型的变压器可以设计有气隙，因此它们对灰尘和污染物有一些耐受性。所述绕组本身是绝缘的，但所述铁芯材料应接地(如果仅通过接触)。

现参见图2D，为根据一个或多个实施例的一匹配的一尺寸过大的第一线圈及一尺寸过小的第二线圈无线充电变压器的一横截面图。在此实施例中，带有一标称尺寸的第一线圈225-D1的过大锥形插头220-D成功地与带有一标称尺寸或带有一标称尺寸的第二线圈234-D的尺寸过小的第二锥形插座230-D的所述接口连接。锥形插头220-D上的尺寸过大初级线圈225-D2没有匹配的第二线圈可用，因此不会造成任何损害。虽然这种配置可能会导致效率稍为降低，但能够与广泛的插座尺寸及额定功率连接，从平行尺寸的高功率插座下至一标称、尺寸过小的插座，对于大范围的车辆及电池包尺寸及需求，以单个锥形插头提供了通用性的好处。

现参见图2E，为一横截面图，示出了根据一个或多个实施例的一匹配的高能第一线圈及第二线圈无线充电变压器200-E。在本实施例中，任何数量、尺寸、数量的绕组都可以用于高能的第一及第二线圈。在一实施例中，所述较大的第一线圈225-E2及第二线圈234-E2的尺寸与较小的第一线圈225-E1及第二线圈234-E1的电力容量相似或不同。在此方法中，如果以这种方法确定尺寸，从较小的线圈到较大的线圈的增加的电力传输可以是线性的，或者可以大幅增加，即指数增加，这样既可以安全地满足较低的充电要求，而所述较高的充电要求能够满足一更大的工业应用更高的能量需求。

现参见图2F，为一横截面图，示出了根据一个或多个实施例的一匹配的具有非旋转棱锥形的高能第一线圈及第二线圈无线充电变压器。边缘246形成四棱锥的所述底部，然而，任何多边棱锥都可以使用。任何其他形状都可以用于一铁磁芯或屏蔽以及相关联的绕组，只要所述形态匹配一给定的充电功率或场景或应用。不同的充电功率或场景或应用使用不同的非兼容形状，以防止误连接。

现参见图3A，带有一锥形插头220-D的一充电系统300-A(第一组件)被安装在一机械手臂308上，因此它可以被引导以与车辆上的所述第二组件配合，例如一垂直移动的伸缩式千斤顶或剪式千斤顶306。机械手臂308可安装在一基础机械结构上，所述机械结构可以具有一个或多个自由度以将机械手臂308摆动、延伸或旋转到位以与一充电接收器配合。在本实施例中，有线交流(AC)电源331被提供给锥形插头220-D作为一电网对车辆(grid tovehicle，G2V)系统。如图2C中所述，锥形插头220-D的尖端222是一可选的LED，与设置在锥形插座中的一光学传感器221对位。

参见图3B，根据一个或多个实施例，示出了一自走机器人。机器人组件300-B包括具有一电源334在其上的机动化履带底盘、系住的AC 331还是一内部直流(DC)电池及/或超级电容器电源，以及一个或多个电力控制电子模块，例如逆变器332、电池管理系统(Battery Management System，BMS)342及/或热管理系统(Thermal Management System，TMS)340以感测充电状态、充电截止时间、温度曲线及开销条件等。一个或多个带有锥形插头220-1及220-2的可延伸伸缩轴，用以对一负载，例如一电动车辆(EV)，水平及/或垂直耦合，及充电，利用基于气动、液压或机械手段(例如缠绕的电缆刚性尼龙绳等)的位移单元，可以从机器人300-B延伸。因此，单个充电源300-B可用于在单个应用(例如商用卡车)或多个应用(例如，每个并联停放的车辆的电池包)上同时并并联地为一个或多个电池包充电。

逆变器模块332可以包括一开关模式电源(直流(DC)升压转换器)以将12V、24V或48V电源的标准DC电压增加到更高的电压，例如110V，然后将其逆变为交流电(AC)。备选地，可以在所述机器人中所述给定的电池包水平将直流电(DC)转换为交流电(AC)，然后在所述机器人中使用所需频率的变压器来产生所述所需的交流(AC)输出电压。

在另一实施例中，一车辆对电网(V2G)具有与机器人300-B的能量传输的双向能力。在本实施例中，一整流器及双向开关被增加到机器人300-B以允许双向电流模式，且特别是从车辆至机器人300-B的电流传输。这将允许在停电危机中将来自远程储能单元(例如停放的电动汽车(EVs))的多余电力供应给所述电网。所述移动机器人300-B不是不断移动停放的汽车来取用一插头，而是行进到所述车辆处，并在从一车辆接收到一充电后，行进到一交流(AC)电源，并系入电网为其供电。所述车载逆变器332，或一电动车供电设备(Electric Vehicle Supply Equipment，EVSE)逆变器，提供从直流到交流的逆变以匹配电网频率及电源相位。

机械手臂300-A及自走式机器人300-B都可以通过各种手段-光学地通过单个反射器或其图案、一发光二极管(Light Emitting Diode，LED)(例如红外线)、由导航(Navigational，NAV)模块336及可选天线321以及光学传感器套件322-A和322-B提供的追迹、机器视觉、相机、射频(Radio Frequency，RF)转发器、三角测量、超声波定位、全球定位系统(global positioning system，GPS)、任何无线手段，定位所述第二组件。

用于变压器操作的冷却可以包括由供应管线346提供的一液体冷却剂，其在插头220-E2的所述锥形表面的一顶部附近流出并且被收集在回收盘348中用于过滤及再利用。带有铝散热鳍片的可选气冷风扇(未示出)耦接至锥形插头220-E2也可以提供降低变压器运行产生的热量。

这种移动机器人的实施例非常适合零售停车场或公寓及公寓停车场。在这些应用中，一停车区域通过一车道与所述建筑物隔开；那里没有向所述用户收费的电源插座；那里没有足够的电动车供电设备(Electric Vehicle Supply Equipment，EVSE)进行长时间的夜间低速率充电；或那里没有易于使用的电源输出口。在这些应用中，所述机器人，可以从电动车辆(EV)到电源电动车供电设备(EVSE)穿过所述停车场，整夜安静且无缝地使电动车辆(EV)达到所需的充电状态。

现参见图3C，根据一个或多个实施例，示出了具无刷线轴用于一第二线圈的一自走式平台。旋转台362由三个或更多个齿条(在唇缘的外缘上)及小齿轮组件354驱动。线轴368保持固定到底盘372，而电线分配电机361及分配出口以及带有张紧器363的滚轴360以受控方式分配及缩回所述电线。当电线被分配或收回时，底盘372旋转。动力总成358驱动提供平移运动的一滚珠370。动力总成电机356控制一个或多个底盘372上的外轮以提供底盘的旋转。内部电池362可以为一负载提供无线充电，尤其是在发生电网中断或远程应用不提供电网电源的情况下。组件耦合至底盘372的顶部，例如可选的天线321及光学传感器套件322-A及322-B。这些组件的说明在前面的图3B中提供。多个线端可以包括220V插头364-A、110V插头364-C及电动车(EV)插头适配器364-B，使一电动车供电设备(EVSE)固定电源单元可以插入350，认为其为电动车(EV)本身，提供对远离所述电动车供电设备(EVSE)的一电动车(EV)便利的远程服务。电缆张紧器363由一电机提供动力，使得电缆可以紧紧地缠绕在所述滚筒上，而不会对预计松散地横卧地板或路面上的所述外部电缆施加张力。所述电机本身可以是一步进电机，用于精确控制所述电缆的进入及送出，或者只是一电流控制回路，在需要时提供连续的张力。

现参见图4，根据一个或多个实施例，示出了将一手动及自动充电适配到电动车辆(EV)的示意图。汽车中的所述自动充电装置可以通过使用连接到充电门416的小型插头进行改装，使得当门关闭时，标准SAE/CHAdeMO/等接口连接到所述变压器第二模块，例如，门的背面有一个插头连接到自动充电接口(锥形插座)，或激活继电器开关来执行此操作。通过将所述电缆插入机器人(而不是所述汽车)或等效连接，所述第一侧电子设备可被连接到所述充电器，并且电力只是通过，这样所述汽车就会知道直接连接相同的电力。在这种方法中，系统仅从一个来源充电：用户通过所述标准SAE/CHAdeMO/等接口手动连接电动车供电设备(EVSE)充电电缆，或所述自动充电接口提供所述充电。在另一实施例中，来自所述整流器/变压器的自动充电接口的背负式电源补充了标准的SAE/CHAdeMO/等接口充电。在此实施例中，所述两个系统之间通过移动应用程序或本地/集中管理的服务进行通信，以协调充电、时间、热量及电池管理算法，以保持在电池包规格范围内。

第一/第二命名法是为了传输电力到所述车辆，但这只是名义上的，如果电子设备允许，可以以其他方式传输电力。电力可以传输到所述充电器，而充电器又可以驱动家庭或所述电网(V2G)。对于大规模、快速充电，所述充电器可能具有电池存储，以允许缓冲进出电网的电力，并且能量可以从所述电动车辆(EV)被转移以供以后使用。

在有一充电器与多个机器人及多辆汽车的所述情况下，所述电力电子设备是双向的，电力可能只是从车辆转移到车辆，例如，如果一个完整的大容量电动车辆(EV)停在一个较小的耗尽的电动车辆(EV)旁边，所述较大的电池可以给所述较小的充电，使一通勤者开车回家。

一车辆可能在不同位置有多个第二单元(即使只有一个电池包)，例如在前后保险杠上，以便它可以在优选横向连接的地方共享电力，例如在所述电动车辆(EV)前部的壁挂式充电器或车队中电动车辆对电动车辆(EV-to-EV)的场景中。

对于连接前部或后部安装的单元，机器人的行为可被拆分，这样所述电动车辆(EV)端具有(伸缩)延伸及一些垂直运动(角度向上/向下)，而所述(壁挂式)端具有一些横向运动(例如可以在一轨道上移动)。

快速充电器本身可以是一个机器人(带有车载存储)，因此它可以在停车场四处走动，根据需要充电及加油，它可以有多个附属的部署机器人连接到电动车辆(EVs)。它还可以连接到其他车辆，如混合动力车或卡车，这些车辆可以燃烧燃料(如生物柴油或氢气)进行充电，或为相邻的电动汽车充电，并且类似地除了电池之外还可能具有车载发电能力。

带有太阳能顶棚的停车场或停车格及建筑物可能具有机器人，这些机器人只是将电力注入到任何停放的电动汽车(EVs)中，而不是连接到所述电网。这是避免过度发电的“鸭子曲线(duck curve)”问题的理想方案。

所述实施例不使用电池之间的搭接或耦合来为它们充电。相反的，由于关联到单独关联单个电池包的移动及/或可对准充电设备在此的本地连接，或由于其中具有独立引线的部分仅连接到电池包的那部分，每个电池都是隔离的并由其自身独立地充电。本实施例在局部性地使用较粗的带有单独输入至每个电池包中的管道-而不是通过多个或所有电池包进行通常的串行充电。

现参见图5A，根据一个或多个实施例，示出了多个无线充电变压器接口，每个个别的接口分别为各自配对的电池包充电的一示意图。每个电池充电接口520-A至520-D包括一全波整流器510(或备选地一半波整流器)，由二极管或任何其他类型的现有电流方向控制装置组成。如图[SIC,xx]所示，第二线圈512与第一线圈513配对，箭头指示可以传输更多或更少功率的不同尺寸的接口。值得注意的是，电池包520-D的初始充电状态(State OfCharge，SoC)为80％，而电池包520-C的一充电状态(SOC)为60％，两者都需要充电。然而，电池包520-B已充电95％，因此已充分充电并且不需要消耗任何额外的充电资源，除非所有电池包都处于那样的充电状态并且它们希望被充满。交流(AC)电源514可以是由直流(DC)电池及/或超级电容器提供的逆变电源。时分多路复用在电池包之间共享自动机器人电源530-A至530-D。虽然电池包520-A至520-D绘示在串联中达到一高牵引电压，但如果一个或多个电池包并联耦合，则如果机器人数量少于电池包数量(以避免对单个电池包造成压力)，则可以在电池包之间共享连接。机器人电源的几个示例在图3A及3B中示出。电机530。

现参阅图5A，根据一个或多个实施例，示出了电动车辆(EV)电机驱动的一示意图，其电能可重新利用驱动初级变压器以用于车辆对电网(vehicle-to-grid，V2G)。这种配置利用电动车辆(EV)自己的电机驱动电力电子设备为机器人变压器连接上的绕组供电，在此充当第一绕组。因此，本公开作为双向能量传输系统运行，仅有很少的额外成本。此外，独立地使用所述方面驱动允许在每个方面上驱动单独的变压器。使用所述变压器的一三角配置的一替代配置可允许在没有电容器下运行。

冷却/清洁

高功率快速充电效率可以很高，但在100kW时，在所述变压器连接中可能很容易损失1kW(1％)，在所述电力电子设备中同样如此。这种低效率主要转化为热量，进而转化为冷却需求。变压器的主动冷却可以通过使来自第一锥形插头的冷却剂(例如水)流过容纳有所述主动线圈的所述主体的所述中部来实现，使得所述冷却剂通过所述第一及和第二线圈之间的所述间隙(锥形插头及锥形插座之间)流回。重力会将所述冷却剂拉回机器人底盘，在那里所述冷却剂可以被收集及回收。如果需要，所述机器人可以找到通往一水源的路来补水。这种冷却方法兼作清洁机制。所述流体可以是一种组合物，或包括为所述任务而设计的添加剂，例如抗腐蚀剂等。所述锥形插头或所述锥形插座中的一个或两个的接口表面中的凹槽或某些导管为气体或液体形式的流体提供从所述变压器逸出的一流动路径。备选地，在锥形插头及/或锥形插座暴露的表面(所述接口表面除外)上进行被动冷却，例如铝制散热鳍片，及用于空气对流冷却的可选主动冷却风扇。

通信

如果红外激光被作为所述定位机制，它们可以兼作一通信通道，机器人/第二通信也在视线内。红外(Infrared，IR)激光器将位于所述第一/第二组件的所述中心，以便在配对时非常靠近。在其他方面，传统的通信手段包括蜂巢、WiFi、Zigbee、蓝牙等可用于监控设备状态、安排充电以及下订单充电和计费。

操作

现参见图6，根据一个或多个实施例，示出了与谐振频率无关的可扩展无线变压器功率的一传输方法的一流程图600-A。在一实施例中，流程400由图1至5所示的装置及应用实现。

操作602从移动应用程序、云端、或一接口电动车辆(EV)服务设备亭、用户界面面板接收充电请求。输出602-A为用户给定的应用提供电池包的数量及额定值。这可以是无线识别码(Identification，ID)、无线射频识别(Radio Frequency IDentification，RFID)、条码、QR码或任何其他识别方式。

操作604将充电器资源仲裁给电池包。604-A的一输出决定了所述充电器资源的所述持续时间及轮换。例如，如果充电器的所述供电量是要充电的电池的两倍，则充电器可以在一给定的充电周期或持续时间内以50％的占空比运行，以对均匀开始的充电状态(Stateof Charge，SoC)的一套电池包进行充电，达到一几乎等于结束的充电状态。备选地，如果电池包或其各个可充电部分的初始充电状态不相等，则所述仲裁器将分配所述持续时间及交替，以使最低充电状态(SoC)的电池接收最长及最高电力的充电器，而较高初始充电状态(SoC)的电池包将接收较短的持续时间并且会让充电器更频繁地轮换。以这种方式实现跨多个电池包的时分多路复用。这也为表面电荷或高电荷充放电率(C-rate)输入提供时间，以通过电池平衡消散，从而减少阴极上的所述应力，防止所述阳极上的锂电镀(对于锂离子电池)，并保持合理的电池温度(避免过热)。所述移动机器人提供了手动插入操作无法提供的这种能力。

操作606在车辆上部署一充电接口。所述车辆上的所述充电接口是所述变压器接口的所述第二绕组部分。所述充电接口可以是静态的并固定在所述应用上，例如电动车辆(EV)，或者它可以是凹陷且和动态的或可扩展的，例如，由一检修面板保护。所述充电接口的其他功能包括一定位功能，所述定位功能包括无线信号、超声波信号等主动输出，或一被动定位器，例如为一轮式机器人单元或一机械手臂方向性地提供光学性的反射表面，或等等。一些充电接口实施例在图1B及1C中示出及描述。如上述图及图5所示，大多数应用都会有多个充电接口。输出606-A提供对对位及电力传输效率的质量控制(Quality Control，QC)检查，例如泄漏电流检测等。监控所述充电状态(SoC)的一反馈系统可以提供电力传输效率的指示。如果充电状态(SoC)上升速度慢于预期，则可以收回及重新部署所述接口及/或可以替换掉一替换充电电源单元。所述负载应用，例如电动车辆(EV)，可以是静态的(停放的)，也可以是动态的(行进的)。运输过程中暴露或伸出的充电接口如图1B所示，例如设置在所述电动车辆(EV)前后保险杠中的所述充电接口。

操作608推动、移动或对位所述充电单元至所述负载，例如所述车辆。如图3A、3B及5所示。提供某种运动或行进的任何实施例在自动使所述充电单元第一线圈对位接近所述负载上的所述配合充电接口是有用的。608-A，作为输入，一个或多个位置传感器被利用以实现如图3B所述的所述对位。由于输出608-B向所述推进或运动的一控制机制提供反馈，以指挥所述定位装置，无论是机械手臂、自推进能源等。

操作610将变压器第一线圈及/或第二线圈彼此对位。由于所述第一及第二线圈在几何上是自定心圆锥形，皆为凸面及凹面，并且由于所述垂直延伸界面的重力的所述帮助，所述系统对于标称对准误差的所述灵活性及稳健性相对其他设计得到被提高。使用本实施例，将所述第一线圈及第二线圈定位在2.5毫米、5.0毫米或甚至10毫米或以上的范围内足够准确至允许所述自定心方面补偿剩余的未对位，以允许所述锥形线圈充分安装，从而彼此之间有表面接触。其他特征，如软线、多关节机械手臂，可实现振动操作或摆动锥形插头，使其正确安装并在所述锥形插座中找到其中心。添加到所述锥形插头的可选润滑剂也有助于锥形插头及锥形插座之间的平滑及完全安装的接口。此操作可以使用光学对位610-A、自定心610-B及分离轴610-C。所述输出结果包括接触压力610-D、电磁耦合610-E以及自调节线圈接合及电压水平610-E。

操作612管理每个OEM电动车辆(EV)及电网(GRID)的充电的需要及能力。输入包括具有所述感应充电的谐振频率独立性612-A，以及充分接触612-B的输出及过热温度测量612-C。

备择方案：

在权利要求中，括号之间的任何参考标号不应解释为限制权利要求。词语“包括”不排除权利要求中所列组件或步骤之外的组件或步骤的存在。进一步，用于本文中的词语“一”或“一个”定义为“一个或一个以上”。另外，即使相同的权利要求包括介绍性短语“至少一个”或“一个或多个”以及不定冠词如“一”或“一个”，在权利要求中使用介绍性短语例如“至少一个”和“一个或更多个”也不应被解释为暗示：由不定冠词“一”或“一个”介绍的另一权利要求元素将包含这样介绍的权利要求要素的任何特定权利要求限制于仅包含一个这样的要素的发明。这同样适用于对定冠词的使用。除非另有说明，否则例如“第一”及“第二”的术语用于在这样的术语描述的要素之间进行任意地区分。因此，这些术语不一定指示指示这样的要素的时间或其他优先级。仅在相互不同的权利要求中列举某些措施的事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。

如本申请全篇所使用的，字词“可以”或“能够”是在许可的意义上使用的(即，意味着具有做某事的潜力或能力)，而不是强制的意义(即，意味着必须)。同样地，“包括”、“包含”及“具有”等词表示“包括但不限于”所列项目。

各种单元、电路或其他部件可以被描述为“被配置为”执行任务。在这种语境中，“被配置为”是结构的宽泛叙述，一般意味着“具有”在操作期间执行任务的“电路”。因此，即使单元/电路/部件当前未开启，单元/电路/部件也可以被配置为执行任务。一般来说，形成与“被配置为”对应的结构的电路可以包括硬件电路。类似地，在描述中为了方便起见，各种单元/电路/部件可以被描述为执行任务。这种描述应当被解释为包括短语“被配置为”。记载被配置为执行一项或更多项任务的单元/电路/部件明显地意在不调用35U.S.C.§112第六段对该单元/电路/部件的解释。

除非从上述讨论中明显另有明确说明，否则应当理解，在整个实施例的描述中，讨论所使用的诸如“接收”、“充电”、“仲裁”、“部署”、“推进”、“对位”、“管理”、“传输”、““操作”、“沟通”、“执行”、“替换”等术语，指的是一集成电路、一专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、一存储装置、一计算机系统或类似电子计算装置的动作及过程。所述存储设备或类似的电子计算装置将在装置的寄存器及存储器中表示为物理(电子)量的数据操纵及转换为装置的存储器或寄存器或其他此类信息存储、传输或其他显示装置中的物理量的其他类似地表示为物理量的数据。

本文描述的方法及操作可以与本文描述的示例性方法及操作有不同的顺序，例如，以不同的顺序。因此，根据一给定的应用，可以在现有操作中插入一个或多个额外的新操作，或者可以缩减或消除一个或多个操作。

本实施例的其他特征将从附图和详细说明中显而易见。此外，应当理解，在存储在计算机可用存储介质上的计算机可读和计算机可执行指令的控制下，处理器和电子用户界面控件可以执行至少部分本文公开的各种操作、过程和方法。所述计算机可读取以及计算机可执行的指令存在于，例如数据储存特征为计算机可用的易失或非易失式存储器以及非暂存式存储器。然而，非暂存式的计算机可读取以及计算机可执行的指令可能存于任何计算机可用的储存媒体类型。

前述关于本公开的特定实施例的叙述已由附图以及说明书内容加以呈献。它们并非旨在详尽无遗或将本发明限制为所公开的精确形式。在不违背所述各种实施例广泛的精神以及范围内，根据以上的教示可以进行许多修改和变化。被选择及描述的实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明及具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。应当理解，如本文所述的实施例可以单独或彼此组合地使用或实施。尽管已经在特定实施例中描述了本公开，但是应当理解，本发明不应解释为受这些实施例的限制，而是根据所附权利要求及其等同物来解释。本发明由所附权利要求的特征所定义。

Claims (27)

1.一种用于能量的一无线传输的充电单元，所述充电单元包括：

一个或多个第一绕组，与一个或多个配合绕组可配合，用于在所述一个或多个第一绕组与所述一个或多个配合绕组之间能量的所述无线传输；

第一铁磁芯，所述一个或多个第一绕组围绕所述第一铁磁芯设置；且其中：

所述一个或多个第一绕组不能导电耦接到所述一个或多个配合绕组；以及

所述一个或多个第一绕组不需设置在一个平面内。

2.如权利要求1的所述充电单元，其中：

能量的所述无线传输为一电动汽车电池充电；

所述一个或多个第一绕组作为第一绕组以提供能量；

所述一个或多个配合绕组作为第二绕组以接收能量；以及所述一个或多个第一绕组是一变压器的一半，所述变压器在充电操作之间可选择性地与所述一个或多个配合绕组分离。

3.如权利要求1的所述充电单元，其中：

所述一个或多个第一绕组与所述一个或多个配合绕组可相嵌套；

所述一个或多个第一绕组及所述一个或多个配合绕组在一充电操作期间彼此位于共轴。

4.如权利要求1的所述充电单元，其中：

所述一个或多个第一绕组不需要具有旋转对称性。

5.如权利要求1的所述充电单元，其中：

所述第一绕组的一形状形成的一角度大于0度且小于180度。

6.如权利要求1的所述充电单元，其中：

所述一个或多个第一绕组形成一圆锥形、一半球形或一金字塔形之一。

7.如权利要求1的所述充电单元，其中：

所述一个或多个第一绕组围绕所述第一铁磁芯外部或内部缠绕。

8.如权利要求1的所述充电单元，其中：

所述第一铁磁芯具有一圆锥形、一半球形或一角锥形之一。

9.如权利要求1的所述充电单元，其中：

所述第一铁磁芯为形状为一直立圆锥的一锥台(234-A？)。

10.如权利要求1的一充电单元，还包括：

一个或多个第二绕组，与一个或多个所述第一绕组可配合。

一铁磁屏蔽，耦接到所述一个或多个第二绕组。

11.如权利要求11的所述充电单元，其中：

所述一个或多个第一绕组围绕所述第一铁磁芯的外侧缠绕；且所述一个或多个配合绕组围绕所述第一铁磁芯的内侧缠绕。

12.如权利要求11的所述充电单元，其中：

所述一个或多个第一绕组与所述一个或多个第二绕组机械地自对位。

13.如权利要求1的所述充电单元，其中：

所述一个或多个第一绕组及所述一个或多个配合绕组由一内部铁磁芯及一外部铁磁屏蔽所约束，所述内部铁磁芯及所述外部铁磁屏蔽沿着所述一个或多个第一绕组及所述一个或多个配合绕组的一对位轴设置。

14.如权利要求1的所述充电单元，其中：

设置在所述第一铁磁的所述一个或多个第一绕组可配置为一第一绕组功能或一第二绕组功能；以及所述一个或多个配合绕组可配置为对所述一个或多个第一绕组的一互补绕组功能，以提供双向能量传输。

15.如权利要求1所述的所述充电单元，其中：

所述第一铁磁芯由以下至少一项组成：

一铁质材料，适用于低于100Hz的交流频率；以及

一铁氧材料，适用于高于10KHz的交流频率。

16.如权利要求1的所述充电单元，还包括：

一电感器及一电容器，耦接到所述一个或多个一个或多个第一绕组以执行一谐振变压器操作

17.如权利要求1的所述充电单元，还包括：

一光源，设置临近所述第一铁磁芯；

一光学传感器，设置临近1铁磁屏蔽；并且其中：

所述光源及所述光学传感器为充电提供对位。

18.一种自动充电系统，包括：

一底盘；

一动力总成，耦接至所述底盘；以及

一无刷分配单元，耦接至所述底盘，用于一电线；

一充电单元(200)，用以能量的一无线传输(114)，所述充电单元还包括：一个或多个第一绕组(225)，与另一绕组(234)可配合，用于在所述一个或多个第一绕组与所述另一绕组之间无线地传输能量；

第一铁磁芯(232)，所述一个或多个第一绕组围绕所述第一铁磁芯设置；

且其中：

所述一个或多个第一绕组不能导电耦接到所述另一个绕组；以及所述一个或多个第一绕组不需设置在一个平面内。

19.如权利要求19的所述自动充电系统，还包括：

一个或多个位置传感器，侦测要充电的一装置的一位置。

20.如权利要求19的所述自动充电系统，还包括：

一本地电池包；以及

一逆变器，耦接至所述本地电池包，用以在所述充电单元中驱动所述一个或多个第一绕组。

21.如权利要求19的所述自动充电系统，还包括：

一缆线导引，耦接至所述底盘，在所述底盘运行至要充电的一负载时部署电源线。

22.如权利要求19的所述自动充电系统，其中：

所述一个或多个第一绕组可连接由所述一个或多个第二绕组设置的多个不同匝数比。

23.如权利要求19的所述自动充电系统，还包括：

一液体冷却系统，将一液体冷却液抽吸到所述一个或多个第一绕组及所述第一铁磁芯中的至少一个。

24.一种从一充电单元无线地传输能量至一负载的方法：

将所述一个或多个第一绕组或所述一个或多个配合绕组横穿至彼此最接近的位置；

将所述一个或多个第一绕组的一轴线与所述一个或多个配合绕组的一轴线同轴地自对位；

将所述一个或多个第一绕组及所述一个或多个配合绕组的沿所述一个或多个第一绕组及所述一个或多个配合绕组的大致同轴的自对位轴线纵向地自对位。

25.如权利要求25的所述方法，还包括：

将一可变数量的所述一个或多个第一绕组与所述一个或多个配合绕组接合以产生充电的一可变电力水平。

26.如权利要求25的所述方法，还包括：

不需要电刷来将电力从所述电线传输到所述一个或多个第一绕组。

27.如权利要求25的所述方法，还包括：

所述一个或多个第一绕组及所述一个或多个配合绕组可配置为在一谐振变压器模式或一非谐振变压器模式下运行。

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