用于避免针对于与无线充电装备的精确对准的需要的经由射频环路的电动车辆充电
阅读说明：本技术 用于避免针对于与无线充电装备的精确对准的需要的经由射频环路的电动车辆充电 (For avoid the need for being directed to the electric vehicle charging via RF cycle precisely aligned with wireless charging equipment ) 是由 J.T.阿波斯托罗斯 W.穆约斯 于 2018-02-02 设计创作，主要内容包括：电动车辆中的环形天线从车辆外部的源、诸如从射频(RF)发射器无线地接收能量。使用射频环形天线来既传送功率又接收功率大大减小对于对准车辆与充电站装备的需要。(Loop aerial in electric vehicle wirelesslys receive energy from the source of outside vehicle, such as from radio frequency (RF) transmitter.Using radio frequency loop aerial come not only delivering power but also receive power greatly reduce for alignment vehicle and charging station equipment needs.)
对相关申请的交叉引用
本申请要求2017年2月3日提交的、题为“ELECTRIC VEHICLE CHARGING VIA RF LOOPSTO AVOID NEED FOR PRECISE ALIGNMENT WITH A WIRELESS CHARGING EQUIPMENT”的、序列号为62/454308的共同待决的美国临时专利申请的优先权，所述申请的全部内容由此通过引用被并入。
技术领域
本专利申请涉及电动车辆充电。
发明内容
电动车辆中的单匝、有线环形（loop）天线从车辆外部的充电站源、诸如从射频（RF）发射器无线地接收能量。射频发射器还可以通过使用单匝、有线环形天线来传送能量，所述单匝、有线环形天线在直径方面比车辆中的环形天线稍微更小。使用射频环形天线来既传送功率又接收功率大大减小对精确对准车辆与充电站的需要。所述布置因而具有胜过使用电感线圈的常规电感充电系统的明显的优点。
附图说明
以下描述涉及附图，在所述附图中：
图1图示了使用单匝环形天线来从充电站传送能量以供电动车辆接收；
图2是单匝环形天线、传送侧上的电压驻波比（VSWR）调节电路、以及接收侧上的自动天线调谐电路的更详细的视图；
图3是另一布置，其检测障碍，并且关停充电站中的传送器；
图4是一种实现方式，其减小往乘客隔间中的环境辐射泄漏的效应；
图5是对于接收天线的交叉偶极子添加，其改善功率收集（power scavenging）模式中的性能；以及
图6是所预期的传递效率相比于两个环路（loop）之间的偏移间隔的绘图。
具体实施方式
如图1中所示，电动车辆100包括一般圆形的、单匝、有线环形天线110、自动天线调谐器112、整流器114、以及能量存储设备、诸如一个或多个电池116。充电站200包括另一较小的单匝有线环形天线210，其典型地被安置在车辆100下面的地平面211之上。充电站200还包括射频（RF）放大器212、射频信号生成器214、以及到功率源的连接216，诸如到干线交流电（AC）连接的连接。
在一个实现方式中，车辆环形天线100可以是0.25英寸的金属管，其在直径上近似为3英尺。车辆环形天线110可以是来自充电天线210的寄生地馈送的功率。
充电环形天线210可以具有比车辆环形天线110稍微更小的直径，诸如在0.5与1英尺之间。在优选的实施例中，充电环形天线至多是车辆天线210的三分之一。具有在直径上比充电天线110稍微更大的寄生地馈送的车辆天线210减小对于在充电站200与车辆100之间的关键对准的需要。
充电天线210可以从放大器212、诸如经由微带连接被有源地馈送。
在一个实施例中，以接近50MHz的射频来将能量从充电环形天线210传递到车辆环形天线110；这可以优选地在49MHz范围中的未经许可的无线电带之一内。然而，以其他射频的操作是可能的。
对于在50MHz中或接近50MHz的射频传送，一个人预期具有这样的小尺寸（在0.5和1英尺之间）的传送天线210为相对低效的辐射体；因此其在远场（多于几英尺远）中的信号强度将会显著减小。然而，该布置的一个潜在优点是：在车辆环形天线110上方的车辆100的底部或其他组件如果主要由金属的或其他导电表面形成，则将自然地充当射频屏蔽。车辆100本身因而还可以用于衰减从充电天线210发射的射频能量以免泄漏到周围区域中。
与接收环路110紧密间隔的车辆的金属底部还充当接地平面，并且因而充当射频镜，其用于反射在49-50MHz频率范围中的能量。该镜映像起作用以进一步增大效率。
在许多实现方式中，合期望的是减小被反射回到传送器放大器212中的功率的量，换言之，用于最小化电压驻波比（VSWR）。然而，对于充电环路210以及车辆环路110相对于彼此的不同定位，VSWR将是不同的。因而，VSWR仪表226可以被安置在传送侧上以检测从充电环路210反射回的射频能量。VSWR仪表226输出对控制器230进行馈送，所述控制器230于是控制放大器212的某个属性，诸如其输出阻抗。任何已知的模拟或数字控制技术可以用于对传送VSWR的该反馈控制。
车辆侧上的自动调谐器112可以使用任何已知的模拟或数字技术来用于控制被布置在车辆环形天线110中或被布置成与车辆环形天线110相邻的可调阻抗。自动天线调谐器112此外准许充电站环形天线210的定位稍微独立于车辆100的确切定位。自动接收调谐器112因而消除否则可能笨重、难以实现的事物，使用多匝电感线圈的充电系统所需要的高度准确的定位。在先系统中所使用的这样的电感线圈必须与彼此适合地对准以恰当地操作。
图2是从天线110和210上方所取得的视图，其中车辆100和充电系统200没有完美对准。可调阻抗120被安置在车辆天线110的一部分中或被安置成与车辆天线110的一部分相邻。自动调谐器112可以使用定向耦合器或某种其他的入射射频能量检测器来确定所检测到的功率水平，然后改变可调阻抗120所呈现的阻抗直到所接收到的能量被最大化为止。在充电侧200和车辆侧100上还可以使用附加的组件（没有被示出）、诸如射频滤波器和/或频率调谐器。
图2还示出了VSWR仪表226，其控制传送电路212。
充电站环路210因而完全被车辆环路110包围并且因而被对准，甚至在两个环路110、120偏移18英寸或甚至更多的时候。然而，所预期的是，甚至在车辆环路110仅仅重叠并且不完全包括充电站环路210的时候也可以传递能量。
可以用多种不同的方式来封装充电站200组件。它们可以例如被安装在住宅车库层或电动车辆100通常被停放在其中的空间中。充电站200的组件还可以被安置在便携式容器、诸如柔性橡胶垫内。便携式垫于是可以在地面上、在其中到AC功率源的连接216可用的位置中铺开。充电站200组件还可以被安装在人行道内、靠近停止灯、停止标志或沿着其他道路区段以准许车辆当它处于使用中的时候被充电。
在一些实现方式中，预见的是，相同的车辆环形天线110还可以用于接收广播信号并且将那些连接到其他组件、诸如FM无线电装置（没有在附图中被示出）。
可存在对以下的某种担忧：以充足水平的射频功率传送以在合理时间内为电池116充电。电子车辆的一个特定的流行的型号是Tesla型号X。在该车辆中的标准锂离子电池组具有60kWh容量用于产生232英里的范围。如果在单匝有线环路210和110之间所传送的功率的量至少是10小时一千瓦，则这将会提供Tesla X的电池的存储容量的近似1/6，从而导致30.7英里的范围。如果所述布置可以被设计成在相同的10小时时段内传递6kW，则电池116于是将会被充满电。
在某些环境中，家庭宠物、小的野生动物、儿童或其他对象可有可能在有线环路110与210之间行走或以其他方式结束。附加的电路可以检测这些（多个）状况并且安全地关停充电站200，如图3中所示。此处，以不同频率以及潜在低得多的功率的分离传送的无线电信号可以由第二射频生成器224和第二放大器222生成并且被耦合到相同的传送天线210中。诸如电压驻波比（VSWR）仪表228（其可以是与以上所提及的仪表226相同或不同的VSWR仪表）之类的检测器可于是还可以被耦合到传送环路210以检测以第二频率所传送的能量中的变化。当检测到这样的变化时，可以得出结论：这些变化由已出现在环形天线110与210之间的小动物或其他不期望的对象的存在所引起。在该实例中，控制器230可以使得射频生成器214关停或降低其传送的射频功率214。同时，控制器可以发出警报、激活可视指示器、发送文本消息或激活车辆操作者的移动电话上的应用，或发起在充电装备200内存在障碍的某种其他指示。当检测器226指示干扰被移除和/或操作者指示安全条件再次存在的时候，控制器230于是可以再次按正常操作射频生成器214。
有可能的是使用其他技术来用于检测需要关停传送器的对象的存在。例如，以比方说4微米波长操作的红外相机可以用于检测生物对象。声学传感器也可以检测对象的存在。
在一些情况中，对于人类车辆操作者而言可能合期望的是在无线充电操作期间安全地留在车辆中。图4图示了该情形，其中人类400坐在乘客隔间401中。按照先前的各图，充电环形天线210将功率馈送到车辆天线110。辐射透明表面418（诸如塑料或纤维玻璃）保护车辆天线110免受元件影响，并且底架的底部410部分如果是金属的，则防止来自充电天线210的辐射中的大多数到达乘客隔间401。然而，在一些实例中，至少一些辐射可泄漏到乘客隔间401中，从而创建场420。场420可能是不合期望的。在该实例中，被耦合到另外的电子设备415的场对消天线425被安置在乘客隔间401中。对消天线425可以受电子设备415控制以生成对消场430，所述对消场430在相位上与泄漏到隔间401中的场420相对并且互补。因而，减小乘客对场420的暴露。对消天线425可以被安置在与底部中的车辆功率接收天线110相对的定位中，诸如靠近车顶。尽管场420可以是静态的，并且因而对消天线425与电子设备415在设计上是固定的，但是电子设备也可以检测这样的场420并且相应地适应所生成的对消场430。
还可以实现寄生功率收集模式。此处，当车辆100以其他方式不能访问充电站210的时候，用于从充电站接收无线功率的相同的单匝环路110可以被耦合到一个或多个射频滤波器130，并且因而通过环境射频能量被谐振来为电池116充电。这可以使得车辆本身能够在寄生功率收集模式中充当天线。能估计在超高频率（UHF）下10m²的有效面积。在该场景中，在离高功率UHF电视站近似半英里的距离处，入射场可以是大约4w/m²，因而使能实现40W的功率收集充电率。在该模式中，对于（多个）滤波器130而言可优选的是调谐到相对窄的频带（诸如广播信号带宽）和/或包括获取电路（未被示出），所述获取电路能够扫描一频率范围并且将（多个）滤波器130调谐到具有强环境接收信号强度的频率。
图5示出了对于车辆天线110的可能的扩增。此处，附加的结构、诸如一对或多对交叉偶极子元件510、520可以被布置在圆形有线环路110内。单匝环路110和偶极子510、520于是可以对组合电路530进行馈送，用于提供对能量的极化和定向无关（ORIAN）的接收。参见美国专利8,988,303、美国专利9,013,360和/或或者2016年11月29日提交的、题为“SuperDirective Array of Volumetric Antenna Elements for Wireless DeviceApplications”的、序列号为15/362,988的待决美国专利申请、以及2017年6月20日提交的、题为“Low frequency rectenna system for wireless charging”的、序列号为15/627,779的美国专利申请（其全部由此通过引用被并入本文中）以用于使用ORIAN天线和组合电路的另外的示例。
图6是根据车辆100和充电站200的计算机模型所生成的绘图。绘图示出了在30MHz与60MHz之间的不同频率处预期的功率传递效率相比于环路定位，其中有线环路110、210在不同的水平平面中。效率在近似12”中心分离处，当环形导体最靠近的时候达到顶峰，并且更高的频率更好。