感应电力传递设备和包括该感应电力传递设备的电动摩托车充电器 |
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| 申请号 | CN201080031336.4 | 申请日 | 2010-05-12 | 公开(公告)号 | CN102460895A | 公开(公告)日 | 2012-05-16 |
| 申请人 | 奥克兰联合服务有限公司; | 发明人 | J·T·博伊斯; G·A·考维克; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种电动摩托车支承设备，该电动摩托车支承设备包括：摩托车 啮合 装置，该摩托车啮合装置适于支承摩托车，该啮合装置具有线圈，该线圈适于提供感应地向由所述设备支承的摩托车充电的 磁场 。本发明还提供了一种电动摩托车 脚架 和充电系统。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电动摩托车支承设备，包括：适于支承摩托车的摩托车啮合装置，该啮合装置具有线圈，该线圈适于提供感应地向由所述支承设备支承的摩托车充电的磁场。 |
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| 说明书全文 | 感应电力传递设备和包括该感应电力传递设备的电动摩托车充电器 技术领域背景技术[0002] 电动自行车预见正在亚洲和欧洲日益崛起，但遭遇了电池形成自行车重量的显著部分的事实。为对电池充电，用户通常必须将常规(典型为50W-80W)充电器插入主电源。然而，如果自行车需要外部地存放，如存放在工作地点或城市中的“停车场和交通工具(park and ride)”设施处，则该充电器需要防护和隔离恶劣天气，以供户外安全使用。而且，需要用于确保安全地保护其不受破坏或意外断开的手段。这种系统中使用的插头随着时间的过去而具有显著的故障风险。 [0003] 对电池充电的另选方式是，将其从自行车去除，接着将该电池带至建筑物内部的充电器处。然而，对于老年人(从这种辅助动力受益最大的人)来说，重量是令人望而却步的。受管理的停车场和交通工具系统可以潜在地存放分类的电池，并且一旦电池的电量状态指示其需要充电/更换，就在自行车返还或者从另一站离开时，更换每个电池，但这种模式存在显著问题。最重要的问题是需要具有保持在现场的足够电池组，但另外还需要一定范围的配合每一个可用电池构造和类型的充电站。 [0004] 对电池充电而不需要将其从车辆去除的任何方法都应当安全且容易使用。先前已经提出的一种方法是使用感应电力传递(下面，称为IPT)系统，以从充电站向安装在车辆上(例如，撑脚架末端处)的接收器传递电力。 [0005] IPT可以被用于提供一种电力传递的安全手段，如消除与暴露的带电触点相关联的危险。然而，IPT系统应当有效，并且不产生过度电磁干扰。杂散磁场可以仍是一个问题，例如，已经由ICNIRP提出的6.25uT的欧洲场规定。 [0006] 术语“电动摩托车”在此被用于描述设置有电能存储装置的任何二轮式车辆。这种车辆通常，但不必须，设置有出于动力目的(主要或辅助目的)的电动机，并且包括电辅助自行车、和电或混合动力踏板车和摩托车。 发明内容[0007] 本发明的目的 [0008] 本发明的优选实施例的目的是，克服或改良已知构造或方法的问题，或者至少向公众提供有用选择。 [0009] 根据仅通过示例给出的下列描述，本发明的其它目的可以变得显而易见。 [0010] 因此，在一个方面，本发明提供了一种电动摩托车支承设备，该电动摩托车支承设备包括：摩托车啮合装置，该摩托车啮合装置适于支承摩托车，该啮合装置具有线圈，该线圈适于提供感应地向由所述设备支承的摩托车充电的磁场。 [0011] 所述支承设备可以包括支承部和可去除地附接至该支承部的啮合部，所述啮合装置设置在所述啮合部上。 [0012] 在另一实施例中，所述支承设备可在所述啮合装置未被取向成支承摩托车的第一位置、与啮合装置被取向成支承摩托车的第二位置之间移动。当所述支承设备处于所述第一位置时，所述线圈可以不提供用于感应充电的磁场。 [0013] 优选的是，所述线圈在摩托车未被所述支承设备支承时不提供用于感应充电的磁场。 [0016] 在另一方面，本发明提供了一种电动摩托车脚架，该电动摩托车脚架包括：多个感应充电线圈，每个线圈适于提供感应地对电动摩托车充电的磁场，每个充电线圈分别连接至感应地接收电力的谐振电路，由此，每个谐振电路可以选择性地解耦合，使得所述谐振电路所连接至的所述线圈不提供用于感应充电的磁场。 [0017] 在一个实施例中，在摩托车不在附近以被所述设备充电时，所述线圈不提供用于感应充电的磁场。 [0018] 优选的是，所述谐振电路包括用于选择性地将所述谐振电路与所述电源解耦合的开关。 [0019] 优选的是，每个线圈被设置成分别与适于支承摩托车的摩托车啮合装置相关联。 [0020] 在另一方面，本发明提供了一种电动摩托车充电系统，该电动摩托车充电系统包括：谐振电路，该谐振电路具有适于提供磁场以感应地对电动摩托车充电的线圈；和初级导体，该初级导体适于感应地向所述谐振电路提供电力。 [0021] 优选的是，设置了多个谐振电路，每一个谐振电路都被提供有感应地来自所述初级导体的电力。 [0022] 优选的是，在摩托车不在附近以被所述系统充电时，所述线圈不提供用于感应充电的磁场。 [0023] 优选的是，所述谐振电路包括用于选择性地将所述谐振电路与所述电源解耦合的开关。 [0024] 在一个实施例中，每个线圈都被设置成分别与适于支承摩托车的摩托车啮合装置相关联。 [0025] 根据本发明另一方面，提供了一种感应电力传递系统，该感应电力传递系统包括：第一部件，该第一部件可旋转连接至第二部件，该第一部件设置有初级导电路径，该初级导电路径可连接至用于向该初级导电路径提供交流电流的电源，该初级导电路径在使用中提供电能，该第二部件包括环绕可渗磁磁芯设置的次级线圈，其中，该第一和第二部件旋转到第一相对位置，在该第一相对位置，该次级线圈在使用中通过感应耦合从初级导电路径接收电能；并且该第一和第二部件可旋转到第二相对位置，在该第二相对位置，次级线圈基本上不通过感应耦合从初级导电路径接收电能。 [0026] 优选的是，该第二部件包括另一初级导电路径，以提供能够被IPT拾取器拦截的场。 [0029] 图1a是本发明的电动摩托车充电设备的前立体图，其中啮合装置在非充电位置。 [0030] 图1b是本发明的电动摩托车充电设备的侧立体图，其中啮合装置与电动摩托车啮合。 [0031] 图1c是图1的电动摩托车充电设备的平面图。 [0032] 图2是啮合装置的侧立体图，其中去除了前外表面。 [0033] 图2a是IPT磁通焊盘布置的实施例的图示平面图。 [0034] 图2b是图2a的布置的图示侧视图。 [0035] 图2c是根据图2a的布置的两个磁通焊盘的图示侧视图，该两个磁通焊盘被设置成使得在焊盘之间出现磁通链路。 [0036] 图3是根据本发明一实施例的IPT系统的示意性电路图。 [0037] 图4a是图1的电动摩托车充电设备的支承部与啮合部之间的可旋转连接的水平横截面，其中该啮合部处于啮合位置。 [0038] 图4b是支承部与啮合部之间的可旋转连接的水平横截面，其中该啮合部处于脱离位置。 [0039] 图5是根据本发明一个实施例的电源的示意性电路图。 [0040] 图6是根据本发明一个实施例的电池充电控制器的示意性电路图。 具体实施方式[0041] 首先参照图1a和1b，示出了电动摩托车充电设备。在图1a中，该设备靠近电动摩托车4设置在非充电位置中。在图1b中，该充电设备按摩托车被充电并且被该设备支承的位置与摩托车啮合。充电装置包括固定的支承部1，例如，包括车脚架的一部分或者接合至车脚架的柱。另选的是，支承部1例如可以仅为固定至地或墙面的柱。啮合部2连接至支承部1。因而，支承部1可以通过任何适当方式，直接或间接地连接至地，使得支承部能够将啮合部2保持在所需位置中。接合部13设置在支承部1与啮合部2之间。接合部13可以采取多种形式。在图1a和1b所示示例中，接合部13允许啮合部3相对于支承部1旋转。按这种方式，啮合部可以在图1a与1b所示的位置之间旋转。 [0042] 在所示实施例中，啮合部2包括啮合装置3，其适于在使用时可释放地啮合电动摩托车4的适当成形的部分，由此将摩托车4保持在大致直立的姿态中。 [0043] 在所示实施例中，如图1b和1c最佳地示出，啮合装置3设置有大致弓形的凹状外表面6，其啮合电动摩托车4的框架的互补表面7。因而，参照图1a、1b以及1c描述并例示的充电装置提供了一种物理地支承摩托车并且提供充电设施(如下所述)的脚架。 [0044] 在另一实施例中，啮合装置3可以用提供充电设施但不物理支承摩托车的装置来代替。 [0045] 接下来，参照图2，更详细地示出了啮合装置3。在这个实施例中，啮合装置3包括与可渗磁磁芯10相关联的线圈9，使得线圈9中的交流电流导致产生能够在设置在电动摩托车上的适当定位的电力拾取线圈中感应电流的磁通。这使得电力能够感应地传递，以对摩托车充电，如下进一步所述。在所示实施例中，拾取线圈和相关联的可渗磁磁芯位于电动摩托车4的框架上的互补表面7后面，以使接近啮合装置3的线圈9和磁芯10。 [0046] 在一个实施例中，磁芯10是大致半环形。线圈9优选地环绕磁芯10缠绕，但在一些实施例中，可以设置在可渗磁磁芯10上方。与摩托车4上的拾取线圈相关联的可渗磁磁芯在该实施例中也优选为半环形。因而，磁芯10与摩托车上的磁芯被成形并且尺寸化成使得它们共同形成在相邻磁芯部分之间具有间隙的大致完全环形，即，第一和第二部分松散地耦合。 [0047] 在另一实施例中，线圈9和磁芯10以及设置在摩托车上的拾取线圈和磁芯分别用图2a和2b所示的磁通焊盘构造代替。参照这些图，磁通焊盘包括如图2a和2b所示的衬垫部件20，其支承生成如线24所示的磁通的两个线圈22。线圈22设置在衬垫部件的一侧上，并且基本上是平坦的或是平面。衬垫部件20包括具有高磁渗透率的材料，例如，铁氧体，或与这种材料相关联。这种布置具有的优点在于，基本上所有磁通都在衬垫部件的线圈22所位于的一侧上从衬垫部件伸出。 [0048] 参照图2a和2b描述的磁通焊盘可以被设置在啮合装置3上作为磁通发射器，而另一焊盘可以被设置在摩托车上作为磁通接收器(即，电力拾取器)。图2c示出了彼此靠近地定位的两个磁通焊盘，和焊盘之间的磁通线24。在图2c中，下焊盘是磁通发射器，其位于啮合装置3上，而上焊盘是接收器，其位于摩托车上。磁通焊盘可以如图2c所示按纯平面形式设置，或者另选地可以是弯曲的。因而，将磁通发射器焊盘的轮廓塑造成与啮合装置3的凹状表面6一致，并且将磁通接收器焊盘的轮廓塑造成与摩托车的表面7的后表面一致。 [0049] 接下来，参照图3，例示了充电系统的示意性电路图。电源30连接至主电源32，并且在初级导体15中建立VLF频率(10kHz-100kHz)的电流。在所示实施例中，电源32是单相主电源，因为这是在郊区环境最容易获得的电源。在初级导体中设置了一个或多个节点34。这些可以简单地包括可容易接入由初级导体产生的场的区域，但还可以包括多匝初级导体(如图所示)，以提供增强场的区域。在一实践实施例中，初级导体15可以设置在车脚架下面的地中或车脚架内，并且所述节点存在于每一个支承部1中或与其相邻。在一些实施例中，可以仅设置单一节点。在其它实施例中，可以设置多个节点，以使许多摩托车能够同时充电。例如，1kW电源可以容易地提供同时对10辆电动摩托车充电的足够功率。 [0050] 还参照图3，由该系统充电的摩托车的电力拾取线圈用标号40示出。如上参照图2a-2c所述，线圈40可以包括线圈22。传递至拾取线圈40的电力被提供给对摩托车电池 44充电的电池充电控制电路42。中间谐振电路36设置在每一个节点34与拾取线圈40之间。在一个实施例中，电路36位于充电设备的啮合部2中(参照图1a和1b)。电路36包括从关联节点34接收电力的线圈50。因而，该节点在使用中可以在接合部13处或靠近接合部13设置在充电设备的部分1中，并且线圈50可以靠近接合部13设置在充电设备的部分2的基部处或靠近该基部设置，使得可以产生感应电力传递。设置调谐电容器52，以将中间谐振电路36调谐成按IPT充电电源的频率谐振。尽管被视为与线圈50并联连接，但调谐电容器52在其它实施例中可以与线圈50和9串联连接。如上所述，线圈9使磁场可用于拾取线圈40。而且，如上所述，线圈9可以代替地包括根据图2a-2c的实施例的线圈22。 [0052] 将中间谐振电路36放置在充电设备的臂部2中具有的优点在于，该臂部2容易被去除并且在需要时更换。例如，在故障的情况下，或者为了适应不同类型的摩托车或者具有不同充电要求的摩托车。 [0053] 在图3所示实施例中，还具有可以使电力可选择地用于线圈9的优点。因此，充电设备可以被设置成，使得单一电源30连接至多个节点34，并且在啮合装置3适当地与拾取线圈40相对地定位时选择性地从线圈9提供磁场，即，不从未使用的设备辐射磁场或获得磁场。 [0054] 在图3的实施例中，中间谐振电路36可以有效地以电子方式短路，由此解耦该电路，以防止通过线圈9发射任何场。电子短路可以通过闭合开关54或者打开开关56来执行。可以设置这些开关中的一个或两个。因而，在使用中，开关54通常闭合，而开关56通常打开。这些开关被控制成当电动摩托车呈现等待充电时，通过控制装置(通信链路)或者检测负载电流来从它们的通常状态改变。用于这种控制的电力可以利用具有整流装置62、电容器64以及二极管箝位电路66的次级变流器60来实现。 [0055] 在另一实施例中，开关54或56中的一个或两个可以手动地致动，以允许出现耦合或解耦。在另一实施例中，磁短路装置可以靠近节点34或线圈9设置，例如，按与夹钳的钳口(jaw)相似的方式布置。这种磁短路可以松散地耦合，以使其针对由电源30察觉的总体电感增加很少，使得电感中的增量变化较小并且在磁短路打开和闭合时容易被电源30处理。在一个实施例中，磁短路装置可以包括放置在支承部1(当去除部分2时)的端部上的适当帽部，或者放置在啮合装置3上的帽部。 [0056] 在另选实施例中，啮合装置3可以设置有环绕电动摩托车4的适当部分延伸的夹持装置。开关54或56中的一个或两个可以被致动成，在该夹持装置移动至闭合位置时将电源30耦合至啮合装置3。当夹持装置环绕摩托车延伸并闭合时，磁通重定向到摩托车的拾取线圈40中。 [0057] 在一些实施例中，啮合装置3可以磁性地附接至电动摩托车4，例如，通过设置在啮合装置内的磁体来附接。 [0058] 在另一实施例中，支承部1可旋转地耦合至如1a和1b所示的啮合部2，并且适于充电的位置与停用位置之间的旋转可以被用于将中间电路36耦合至电源或者将其与电源解耦。如上所述，电力可以经由恰当的磁耦合节点34和线圈50横跨接合部13传递。在一个实施例中，如图4a和4b所示，节点34可以包括初级导体15的简单环路，并且线圈50环绕非对称可渗磁磁芯设置，优选为大致S形的磁芯17，如在国际公开No.WO2006/118474中所述。在一个实施例中，该大致S形磁芯17可以连接至啮合部2，并且初级导体15可以连接至支承部1。其中的组件被设置成使得当啮合部2旋转至啮合位置时，如图4a所示，磁芯17位于在有效地从节点34向线圈50传递电力的位置中。然而，将啮合部2旋转离开啮合位置，例如，允许电动摩托车从脚架去除，将磁芯17旋转至传递电力不再有效的位置。 [0059] 在一另选实施例中，不是磁芯17与导体15之间的相对旋转来解耦该设备与电源30，而是磁芯17的中央腿部与磁芯的其余部分之间可以发生旋转，即，设置有线圈或绕组 50的中央腿部可以旋转至图4b所示位置，而磁芯的其余部分仍保持在图4c所示位置中。 这样，磁芯的其余部分仍保持为初级导电路径的电感的一部分。在一个实施例中，若需要，可以将磁芯的中央腿部去除，其中啮合部2允许新的部分2仅利用中央腿部和线圈50适配不同摩托车。 [0060] 在一些实施例中，啮合部2可以从支承部1去除。这允许用户选择啮合部2来适配特定电动摩托车。在支承部1与啮合部2之间使用中间电路36对于简化这种操作是有用的，因为其消除了通过电连接体来连接部分1、2的需要。 [0061] 在一优选实施例中，啮合部2可以是大致刚性的臂部，如图所示。然而，在另选实施例中，啮合部2可以被配置成，使得其可以塑性地变形成合适形状，或者其可以是柔性的。 [0062] 在又一实施例中，节点34和线圈50可以各包括磁通焊盘，如参照图2a和2b所述。因而，当部分1和部分2旋转至可操作位置时，如图2c所示，焊盘对准，使得发生电力传递。 然而，当部分1和2旋转90度至非操作位置时，在焊盘之间基本上没有磁通耦合，由此，不发生电力传递。在诸如这样的一实施例中，部分1与2彼此可以完全密封，使得不会发生诸如水污垢的外来物质进入到该设备中。因而，部分1和2简单地卡入到位以供使用。 [0063] 下面，参照图5，更详细地示出了电源30。单向主线电源输入32被提供给RFI滤波器，其包括共模扼流电感器70和72以及RF滤波器电容器74和76。全波二极管整流器78生成横跨电容器80的DC电压，故意将该DC电压保持较小以改进功率因数，并且缩减电源中存储的能量。切换横跨电容器80的DC电压，以通过H桥82生成准方波电压，并且通过电容器84、变压器86、电容器88和90以及包括节点34的附接初级导体15对该方波电压滤波并隔离。这些组件形成具有良好阻抗转换特性和完全变压器隔离的LCL滤波器。该变压器较小并且低成本，因为其按10kHz-100kHz的VLF操作频率操作，并且不是主线电源频率。实际上包括延伸导线环路的初级导体15在VLF IPT操作频率下，可以具有10A-20A的电流，并且可以有几百米甚或几千米长。随着长度的增加，电感也随着增加，从而根据要求，为保持LCL滤波器被调谐，需要添加串联电容器90。 [0064] 针对每一个电池负荷和类型，接收器侧的电力和解耦控制在需要时由电池充电器承担。接下来，参照图6，示意性地示出了合适的电力接收电路和充电控制器42。该控制器42可以电子地控制，以利用适合该电池类型44的预定算法来调节对电池的充电。这包括利用用于电压和电流控制的压降调节器的串联调谐解耦控制器。然而，可以使用其它形式的解耦控制器，以代替串联调谐控制器，并且可以更适于特定实现。在来自单相电源的操作下，将电压100耦合到电动摩托车上的接收线圈40。线圈40被调谐为按IPT电源的频率与电容器102谐振。接着，输出电压利用二极管桥104被整流到桥式电容器106中。输出二极管108、DC电感器110以及电容器112起作用以过滤用于自行车电池44的电压和电流。开关114被用于利用合适的微控制器来调节进入到电池中的充电电流和横跨该电池的电压，该微控制器感测电池电压、电流，并且根据电池类型和化学性质，在需要时对温度进行测量。对这种充电器的控制可以利用针对IPT电源的合适的通信装置来增强，以确保整个系统的完整性。 [0065] 这种充电系统相对于主线电源并入了三级隔离。第一级在IPT电源内，第二级处于针对中间IPT部分(允许针对操作系统进行改变，以配置新的自行车)的可互换臂的基部处的磁耦合器处，而第三级处于充电点处。 [0066] 应当看出，本发明提供了显著的优点。电动摩托车可以利用其中在框架区域上发生耦合的IPT系统来充电。若需要，这还可以辅助摩托车的物理支承，并且可以提供锁定或固定点，以啮合摩托车与其中设置了IPT系统的初级侧的支架或脚架。该系统可以允许单一电源对多种摩托车充电，并且可以允许仅向正在被充电的那些单元安全地提供磁场，由此符合ICNIRP的规定。具体来说，该设备使得充电臂部2能够在需要时(出现故障或者针对不同自行车类型)去除并容易更换，同时在该设备就位时确保电流通过其耦合至啮合装置3。该设备还提供了用于耦合或解耦该系统的装置，以通过机械旋转该臂部或者使用开关选择性地停止流向线圈9的电流。该系统还确保在电源所察觉的电感很少或没有变化，特别是在连接或断开充电臂部2时，以及通过旋转臂部2或通过将开关56闭合并且将开关54打开来激活流入线圈9的电流时。 [0067] 在前述描述中，已经对本发明的具有已知等同物的特定组件或整体进行了说明，然而，在此并入了这种等同物，如同犹如单独阐述一样。 |
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