CN104701958A - 电动汽车自动无线充电收发系统 - Google Patents

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田光宇
张健
吴文平
任晨佳
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Abstract

本发明公开了电动汽车自动无线充电收发系统包括无线充电发射装置以及电动汽车无线充电接收装置，无线充电发射装置可以通过定位装置获取电动汽车无线充电接收装置的位置信息，通过电机驱动实现横向、纵向平面移动以及垂直升降，达到无线充电装置自动对准、无需驾驶者每次充电都将车辆准确停靠在无线充电装置正上的功能，非常的方便快捷。

Description

电动汽车自动无线充电收发系统
技术领域
本发明属于无线充电技术领域，涉及电动汽车无线充电技术，尤其涉及一种用于电动汽车自动无线充电收发系统。
背景技术
随着我国汽车工业的迅速发展，我国的汽车保有量越来越多，进一步加剧了我国的石油资源短缺。因此发展新能源汽车是实现我国能源安全、环境保护以及中国汽车工业实现跨越式、可持续发展的需要。近年来，国家正对电动汽车出台了一系列的相关政策，并正在逐步普及。但电动汽车的普及也遇到了自身的缺陷所困，其中电动汽车的充电则是驾驶者们遇到的一个大难题。随着无线充电技术的发展以及各大车厂对电动汽车的投入，使电动汽车无线充电技术得到了高速的发展。如在有些电动公交车的停靠点的地底下埋置了无线充电发射线圈，该方式不但要求公交司机准确将公交车停靠在无线充电发射线圈正上方，使电动公交车底部的接收线圈与埋置地底下的无线充电发射线圈正对齐，这不但不能解决传统有线充电的麻烦，同时还制造了一些麻烦。这种要求驾驶者每次充电都需要将车辆准确停靠在无线充电装置正上方的麻烦，对于大多数的驾驶者而言这显然不是一个好的技术发展。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提出了无线充电装置自动对准、无需驾驶者每次充电都将车辆准确停靠在无线充电装置正上方的电动汽车自动无线充电收发系统。
本发明用于解决上述问题主要是通过以下技术方案解决的：
电动汽车自动无线充电收发系统，包括无线充电发射装置以及电动汽车无线充电接收装置，所述无线充电发射装置包括电源管理模块、高频能量转换模块、发射线圈、定位检测收发模块、通讯及控制模块、存储模块以及横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块；所述电动汽车无线充电接收装置包括接收线圈、定位标签以及整流输出配电管理模块；
所述电源管理模块采用全桥整流滤波稳压电路构成，用于给无线充电发射装置内的模块提供相应的供电电源；
所述通讯及控制模块产生频率范围为10KHz～90KHz的高频方波信号；并将信号输送给高频能量转换模块；
所述高频能量转换模块由高频振荡电路、功率放大电路和谐振调谐电路构成，用于将通讯及控制模块输入的高频方波转换成高频电磁能量；
所述发射线圈采用绝缘导线环绕形成线圈，通过导线与所述高频能量转换模块相连接，用于发射来自高频能量转换模块的高频电磁能量；
所述定位检测收发模块向定位标签发送脉冲信号，并接收来自定位标签反馈的脉冲信号，通用于计算出当前无线充电接收线圈的位置信息；
所述通讯及控制模块根据定位检测收发模块计算的位置信息产生相应的控制信号输送至横向、纵向移动和垂直升降控制驱动模块；所述横向、纵向移动和垂直升降控制驱动模块采用电机驱动控制集成电路，根据控制信号驱动横向、纵向和垂直方向的三路电极，带动无线充电发射装置的平面移动，实现发射线圈与接收线圈中心对齐；之后再调整无线充电发射装置的垂直升降，实现发射线圈与接收线圈紧密耦合；
所述接收线圈采用绝缘导线环绕形成线圈，通过导线与整流输出配电管理模块相连接，用于接收来自发射线圈发射的高频能量；
所述整流输出配电管理模块采用高频整流桥电路将来自无线充电接收线圈的高频AC电流整流稳压成电动汽车电池充电所需电压。
在所述横向、纵向移动和垂直升降控制驱动模块还设有角度传感器，用于检测各方向移动和升降的角度并计数，得出各方向的移动和升降距离，并将每一步的移动方向、距离及升降距离信息存入存储模块；
所述电动汽车电池充满电后，所述通讯及控制模块读取存储模块中存储的无线充电发射装置每一步的移动方向、距离及升降距离信息，并发送给横向、纵向移动和垂直升降控制驱动模块，控制无线充电发射装置自动回位。
所述无线充电发射装置还包括自动避障检测模块，所述自动避障检测模块采用红外检测原理。
所述无线充电发射装置还包括线圈电流电压采集模块，所述线圈电流电压采集模块采用A/D采集电路，将发射线圈发射中通过的电流和产生的电压转换成通讯及控制模块所需的数字信号，发送给通讯及控制模块，用于计算当前的充电效率。
所述无线充电发射装置还包括第一无线收发模块，所述电动汽车无线充电接收装置还包括第二无线收发模块；所述第一无线收发模块与所述第二无线收发模块集成短距离通信和无线通信模块；所述整流输出配电管理模块通过电流采集电路实时采集当前电池的充电电量需求信息，并将所述信息通过第二无线收发模块发送至第一无线收发模块。
有益效果：
本发明的电动汽车自动无线充电收发系统，通过控制无线充电发射装置的移动，实现了电动汽车无线充电接收装置和无线充电发射装置的准确对准，节省了驾驶者每次充电都需要将车辆准确停靠在无线充电装置正上方的麻烦，节省了能源，保障了充电安全。同时，在大多停车区可不做任何改动下，轻松实现电动汽车无线充电，驾驶者可通过手机即可控制和监测当前电动汽车的充电状态，具有非常广泛的应用前景。
附图说明：
图1为与本发明实施例一致的电动汽车自动无线充电收发系统示意图。
图中，1、电力输送控制柜；2、电力线；3、无线充电发射装置；4、电动汽车无线充电接收装置。
图2为与本发明实施例一致的电动汽车自动无线充电收发系统的原理图。
图中，5、AC市电；6、电力输送控制模块；7、电源管理模块；8、通讯及控制模块；9、高频能量转换模块；10、线圈电流电压采集模块；11、第一无线收发模块；12、横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块；13、存储模块；14、自动避障检测模块；15、定位检测收发模块；16、发射线圈；17、接收线圈；18、定位标签；19、整流输出配电管理模块；20、第二无线收发模块；21、电动车电池。
具体实施方式：
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本发明的电动汽车自动无线充电收发系统主要包括电力输送控制柜1，电力线2，无线充电发射装置3以及电动汽车无线充电接收装置4。电力输送控制柜1与无线充电发射装置3通过电力线2相连接，用于交流市电的输送；电动汽车无线充电接收装置4安装在汽车前、后端底部的两轮之间。
如图2所示，电力输送控制柜1包括AC市电5、电力输送控制模块6、通信模块；无线充电发射装置3包括电源管理模块7、通讯及控制模块8、高频能量转换模块9、线圈电流电压采集模块10、第一无线收发模块11、横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块12、存储模块13、自动避障检测模块14、定位检测收发模块15以及发射线圈16；电动汽车无线充电接收模块4包括接收线圈17、定位标签18、整流输出配电管理模块19以及第二无线收发模块20。
以上发射装置、接收装置、电力输送控制柜和电力线共同组成一套完整的电动汽车自动无线充电收发系统。
电力输送控制模块6由AC市电开关控制模块和通信模块组成，电力输送控制模块6根据通信模块接收到的驾驶者手机端发送开启充电NFC(Near FieldCommunication)请求后，通过电力输送控制模块6上的继电器吸合，接通AC市电5与无线充电发射装置3的连接，实现AC市电的输送；其开启信号不限于NFC(Near Field Communication)信号；接通AC市电5与无线充电发射装置3的连接不限于继电器连接。通信模块采用短距离无线通信技术和4G通信技术，接收手机发出的用于开启充电的短距离通信信号，并将充电状态通过4G通信网络传送至驾驶者手机中，用于提醒当前电动汽车的充电状态。驾驶者可通过手机发送信息至电力输送控制模块6实现电动汽车充电控制，主要用于切断电力输送控制模块6上的市电接入开关，以在电动汽车充满之后的断电。
电源管理模块7通过电力线2连接电力输送控制柜1，采用全桥整流滤波稳压电路结构，用于给无线充电发射装置3内的通讯及控制模块8、高频能量转换模块9、第一无线收发模块11、横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块12、存储模块13、自避障检测模块14和定位检测收发模块15等提供相应的供电电源。
经电源管理模块7的全桥整流滤波稳压电路转换后的直流输入通讯及控制模块8，产生频率范围为10KHz～90KHz的高频方波信号；高频能量转换模块9采用高频振荡电路、功率放大电路和谐振调谐电路构成，用于将通讯及控制模块8输入的高频方波转换成高频电磁能量，之后输送给发射线圈16；发射线圈16采用绝缘导线环绕形成线圈，通过导线与无线充电发射装置3内的高频能量转换模块9相连接，用于发射来自高频能量转换模块9的高频能量。电动汽车无线充电接收装置4中的接收线圈17采用绝缘导线环绕形成线圈，通过导线与整流输出配电管理模块19相连接；用于接收来自无线充电发射装置3的发射线圈16发射的高频能量；整流输出配电管理模块19由电容串并构成的谐振电路、桥式整流电路和电流采样电路构成，电容与接收线圈17构成串并谐振电路，将电磁能量转换成高频AC电能，采用了高频整流桥电路将来自接收线圈17上的高频AC整流稳压成电动汽车电池21充电所需的电压，电流采样电路采用AD检测电路用于采集经高频整流桥电路输出至汽车电池21的充电电流检测。
在电动汽车无线充电接收装置4上的接收线圈17中间固定有定位标签18。通信及控制模块8通过发送控制信号开启定位检测收发模块15中的电源接入开关器件。定位检测收发模块15采用超宽带射频信号检测传感器，向定位标签18发送UWB(Ultra Wideband)脉冲信号，定位标签18用于发射UWB(Ultra Wideband)脉冲信号反馈给定位检测收发模块15，定位检测收发模块15通过收集来自定位标签18的低功率UWB(Ultra Wideband)脉冲信号并与内置的位置地图信息进行相应的算法计算比对，进而对接收线圈17的位置进行准确定位，并将接收线圈17的位置信息发送给通讯与控制模块8。在本发明中，对于接收线圈17的定位方式不限上述的定位方式，还支持蓝牙、Zigbee、WiFi无线定位方式。
通讯与控制模块8接收定位检测收发模块15发送的接收线圈17的位置信息，输出PWM控制信号发送给横向、纵向移动和垂直升降控制驱动模块12；横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块12采用电机驱动传动机构，采用集成的PWM电机驱动控制IC，驱动横向、纵向和垂直方向的三路电极，进而带动传动机构的转动实现无线充电发射装置3的平面移动和垂直升降，实现与接收线圈17的中心对齐并达到最佳耦合状态；无线充电发射装置3通过横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块12控制无线充电发射装置3的平面移动使发射线圈16和接收线圈17的中心对齐后，通过调整横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块12的垂直升降将发射线圈16与接收线圈17紧密耦合，达到最佳电磁能量传输效率；同时，采用TMR角度传感器检测各方向移动和升降的角度并计数，通过相应的算法计算出各方向的移动和升降距离，并将每一步的移动方向、距离及升降距离的移动数据信息发送给通讯与控制模块8，通讯与控制模块8将该移动数据信息存入无线充电发射装置3中的存储模块13，存储模块13采用集成化的Flash存储芯片，用于存储无线充电发射装置3的移动数据信息；在电动汽车电池充满后，通讯及控制模块8采集存储模块13中的移动数据信息，并输出PWM控制信号发送给横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块12，控制无线充电发射装置3的自动回位。
自动避障检测模块14采用红外检测原理，用于无线充电发射装置3在对接收线圈17自动对中的移动过程中，自动避开车轮和车底地面上的障碍物。
经过电源管理模块7中的全桥整流电路整流稳压成无线充电发射装置3中其它模块供电，通信及控制模块8通过发送控制信号用于驱动开启定位检测收发模块15中的电源接入开关器件，定位检测收发模块15向定位标签18发送UWB(UltraWideband)脉冲信号，并接收来自定位标签18的反馈UWB(Ultra Wideband)脉冲信号，通过内部的算法准确计算出当前无线充电接收线圈17的所在位置信息，其中，定位标签18固定在无线充电接收线圈17的中间；
通讯及控制模块8根据定位检测收发模块发送的位置信息输出PWM控制横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块12用于驱动电机传动机构的移动，进而移动无线充电发射装置3的横向和纵向的平面移动，使得无线充电发射线圈16与无线充电接收线圈17中心正对齐；在无线充电发射装置3的横向和纵向的平面移动中，通讯及控制模块8将横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块12的已转换的角度信号传送至由集成Flash芯片构成的存储模块13保存，行进中通过自动避障检测模块14的红外检测信号自动实现避障。
线圈电流电压采集模块10采用A/D采集电路，将发射线圈16发射中通过的电流和产生的电压转换成通讯及控制模块8所需的数字信号；通讯及控制模块8计算当前的充电效率，通过调节电源管理模块7的输出电压来调整发射线圈16上的输出功率。
整流输出配电管理模块19中的电流采样电路实时采集当前电池的充电电量需求，采用低功耗的Zigbee无线通信技术将电量需求信息输送至第二无线收发模块20。
第一无线收发模块11和第二无线收发模块20集成短距离通信和无线通信模块。第二无线收发模块20用于将来自整流输出配电管理模块19的当前电量需求信息发送至无线充电发射装置3中的第一无线收发模块11；第一无线收发模块11用于接收来自电动汽车无线充电接收装置4中的第二无线收发模块20所发射的电量需求信息；以实现无线充电发射装置3对电动汽车电池21充电的实时电量需求信息的采集。
通讯及控制模块8将第一无线收发模块11上的电量信息和来自电流电压采集模块10上的信号，经过计算发射功率和电量需求信息差进而调整高频能量转换模块9的输出功率实现发射线圈16上的功率输出调整；
第一无线收发模块11将通讯及控制模块8上的发射功率和需求电量信息差通过算法标定计算出相应的预计充电时长，并将该充电时长信息传送至电力输送控制模块6，电力输送控制模块6将该信息通过4G网络推送至驾驶者手机中，实现对电动汽车充电的状态监视。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过可移动的无线充电发射装置及定位功能实现电动汽车自动无线充电，不仅实现实时监控电动汽车的充电状态和防盗管理，可轻松实现对电动汽车的充电管理，具有非常广泛的应用前景。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.电动汽车自动无线充电收发系统，包括无线充电发射装置以及电动汽车无线充电接收装置，其特征在于：所述无线充电发射装置包括电源管理模块、高频能量转换模块、发射线圈、定位检测收发模块、通讯及控制模块、存储模块以及横向、纵向移动及垂直升降控制驱动模块；所述电动汽车无线充电接收装置包括接收线圈、定位标签以及整流输出配电管理模块；
所述电源管理模块采用全桥整流滤波稳压电路构成，用于给无线充电发射装置内的模块提供相应的供电电源；
所述通讯及控制模块产生频率范围为10KHz～90KHz的高频方波信号；并将信号输送给高频能量转换模块；
所述高频能量转换模块由高频振荡电路、功率放大电路和谐振调谐电路构成，用于将通讯及控制模块输入的高频方波转换成高频电磁能量；
所述发射线圈采用绝缘导线环绕形成线圈，通过导线与所述高频能量转换模块相连接，用于发射来自高频能量转换模块的高频电磁能量；
所述定位检测收发模块向定位标签发送脉冲信号，并接收来自定位标签反馈的脉冲信号，通用于计算出当前无线充电接收线圈的位置信息；
所述通讯及控制模块根据定位检测收发模块计算的位置信息产生相应的控制信号输送至横向、纵向移动和垂直升降控制驱动模块；所述横向、纵向移动和垂直升降控制驱动模块采用电机驱动控制集成电路，根据控制信号驱动横向、纵向和垂直方向的三路电极，带动无线充电发射装置的平面移动，实现发射线圈与接收线圈中心对齐；之后再调整无线充电发射装置的垂直升降，实现发射线圈与接收线圈紧密耦合；
所述接收线圈采用绝缘导线环绕形成线圈，通过导线与整流输出配电管理模块相连接，用于接收来自发射线圈发射的高频能量；
所述整流输出配电管理模块采用高频整流桥电路将来自无线充电接收线圈的高频AC电流整流稳压成电动汽车电池充电所需电压。
2.根据权利要求1所述的电动汽车自动无线充电收发系统，其特征在于：在所述横向、纵向移动和垂直升降控制驱动模块还设有角度传感器，用于检测各方向移动和升降的角度并计数，得出各方向的移动和升降距离，并将每一步的移动方向、距离及升降距离信息存入存储模块；
所述电动汽车电池充满电后，所述通讯及控制模块读取存储模块中存储的无线充电发射装置每一步的移动方向、距离及升降距离信息，并发送给横向、纵向移动和垂直升降控制驱动模块，控制无线充电发射装置自动回位。
3.根据权利要求1所述的电动汽车自动无线充电收发系统，其特征在于：所述无线充电发射装置还包括自动避障检测模块，所述自动避障检测模块采用红外检测原理。
4.根据权利要求1所述的电动汽车自动无线充电收发系统，其特征在于：所述无线充电发射装置还包括线圈电流电压采集模块，所述线圈电流电压采集模块采用A/D采集电路，将发射线圈发射中通过的电流和产生的电压转换成通讯及控制模块所需的数字信号，发送给通讯及控制模块，用于计算当前的充电效率。
5.根据权利要求1所述的电动汽车自动无线充电收发系统，其特征在于：所述无线充电发射装置还包括第一无线收发模块，所述电动汽车无线充电接收装置还包括第二无线收发模块；所述第一无线收发模块与所述第二无线收发模块集成短距离通信和无线通信模块；所述整流输出配电管理模块通过电流采集电路实时采集当前电池的充电电量需求信息，并将所述信息通过第二无线收发模块发送至第一无线收发模块。
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