CN105083045A

CN105083045A - 用于免手动对电动车辆充电的定位车辆的声波三角测量法

Info

Publication number: CN105083045A
Application number: CN201510262427.3A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托福·W·贝尔
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2035-05-21
Also published as: CN105083045B; US20150336462A1; DE102015107274A1

Abstract

本发明涉及一种用于免手动对电动车辆充电的定位车辆的声波三角测量法。一种用于对车辆进行充电的充电系统包括充电站和车辆。所述充电站包括无线充电线圈、定向为接收在无线充电线圈附近产生的声波信号的声波接收器以及第一无线通信装置。所述车辆包括充电板、被配置为产生第一声波信号的第一发射器、与第一无线通信装置进行通信的第二无线通信装置、车载显示器和至少一个控制器。所述至少一个控制器被配置为经由所述车载显示器呈现位置信息。所述位置信息与响应于声波接收器接收的第一声波信号而检测到的车辆位置相应。

Description

用于免手动对电动车辆充电的定位车辆的声波三角测量法

技术领域

本公开涉及充电站以及电动车辆和混合动力电动车辆中的电池的再充电。

背景技术

随着在车辆推进和电池技术方面的进步，用于电池电动车辆(BEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)的充电方法变得越来越普遍。一些充电方法包括无线充电(诸如，感应充电)。感应充电系统包括利用电流激励的初级充电线圈。初级充电线圈在次级充电线圈中感应出电流，该电流可用于对电池充电。

发明内容

根据本公开的插电式车辆包括：第一发射器，被配置为产生第一声波信号；车辆无线通信装置，被配置为与充电站无线通信装置进行通信；车载显示器；以及至少一个控制器。所述控制器被配置为经由车载显示器呈现位置信息。所述位置信息与响应于充电站声波接收器接收的第一声波信号而检测到的车辆位置相应。

在一些实施例中，所述车辆还包括被配置为产生第二声波信号的第二发射器。在该实施例中，所述位置信息与响应于充电站声波接收器接收的第一声波信号和第二声波信号而检测到的车辆位置相应。在一个这样的实施例中，所述位置信息与基于第一时延和第二时延的三角测量的车辆信息相应。第一时延对应于在第一信号被产生与第一信号被充电站声波接收器接收之间的时间段，且第二时延对应于在第二信号被产生与第二信号被充电站声波接收器接收之间的时间段。在一些实施例中，所述至少一个控制器还被配置为响应于所述位置信息来协调自动停靠车辆事件。在一个实施例中，所述车辆还包括次级感应充电线圈。在该实施例中，所述位置信息包括次级感应充电线圈相对于初级感应充电线圈的距离和横向偏移。

根据本公开的无线充电站包括：无线充电线圈、接近所述线圈的外壳、容纳在外壳内的声波接收器、无线通信装置和控制器。所述控制器与所述接收器进行通信。所述控制器还被配置为经由无线通信装置将车辆位置信息发送到关联的车辆无线通信装置。车辆位置信息基于来自车辆上的关联的第一发射器和第二发射器的至少一个信号。

在一些实施例中，至少一个声波信号包括由第一发射器产生的第一信号和由第二发射器产生的第二信号。在该实施例中，所述控制器还被配置为响应于第一信号和第二信号对车辆位置信息进行三角测量。

根据本公开，提供了一种用于车辆的无线充电站，包括：声波接收器，接近无线充电线圈；无线通信装置；控制器，与声波接收器和无线通信装置进行通信，并被配置为将车辆位置信息发送到关联的车辆无线通信装置，其中，所述车辆位置信息基于由声波接收器从至少一个关联的车辆发射器接收的至少一个信号。

根据本公开的一个实施例，所述至少一个关联的车辆发射器可包括第一发射器和第二发射器，所述至少一个信号可包括由第一发射器产生的第一声波信号和由第二发射器产生的第二声波信号，所述控制器还可被配置为响应于由声波接收器接收的第一声波信号和第二声波信号而对车辆位置信息进行三角测量。

根据本公开的一个实施例，所述无线充电站还可包括外壳，所述外壳包括驾驶员目标辅助，所述外壳被布置为接近无线充电线圈以向驾驶员提供视觉引导，其中，声波接收器容纳在所述外壳内。

根据本公开的一个实施例，所述声波接收器可操作地与无线充电线圈连接。

根据本公开的一个实施例，所述无线充电站还可包括与无线充电线圈电连接的电力转换器，其中，所述声波接收器可操作地与所述电力转换器连接。

根据本公开的插电式车辆包括次级无线充电线圈、无线通信装置、第一声波发射器、第二声波发射器、车载显示器和控制器。所述控制器被配置为经由车载显示器呈现位置信息。经由无线通信装置从关联的包括声波接收器的无线充电站接收所述位置信息。

在一个实施例中，所述控制器还可被配置为响应于所述位置信息来协调自动停靠车辆事件。在另一实施例中，所述控制器还可被配置为命令第一声波发射器产生第一信号和命令第二声波发射器产生第二声波信号。在该实施例中，所述位置信息与基于由声波接收器接收的第一信号和第二信号的三角测量的车辆位置相应。在一些这样的实施例中，所述控制器还可被配置为基于第一时延和第二时延对车辆位置进行三角测量，其中，第一时延为在第一信号被产生与第一信号被声波接收器接收之间经过的时间，第二时延为在第二信号被产生与第二信号被声波接收器接收之间经过的时间。

根据本公开，提供了一种插电式车辆，包括次级无线充电线圈、无线通信装置、第一声波发射器、第二声波发射器、车载显示器和控制器，所述控制器与次级无线充电线圈、无线通信装置、第一声波发射器、第二声波发射器和车载显示器进行通信，并且控制器被配置为经由车载显示器呈现位置信息，经由无线通信装置从关联的包括声波接收器的无线充电站接收所述位置信息。

根据本公开的实施例提供多个优点。例如，本发明提供了一种用于对车辆进行无线充电的系统，其中，所述系统使车能够相对于充电站精确地停靠。此外，根据本公开的充电站可在不向车辆指示瞄准线的情况下提供定位信息。

从下面结合附图对优选实施例进行的详细描述中，本公开的上述优点和其他优点以及特征将变得明显。

附图说明

图1是根据本公开的包括充电站和插电式车辆的无线充电系统的示意性表示；

图2示出根据本公开的确定车辆的位置和横向偏移的方法；

图3以流程图的形式示出根据本公开的用于控制车辆充电系统的方法。

具体实施方式

如本领域普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的本发明的各种特征可与在一个或更多个其他附图中示出的特征进行组合，以产生未明确示出或描述的本公开的实施例。示出的特征的组合提供针对典型应用的代表性实施例。然而，针对特定应用或实施方式，可期望与本公开的教导一致的特征的各种组合和变形。

车辆可由电池电力(BEV)以及由包括电池电力的电源的组合来供电。例如，混合动力电动车辆(HEV)被预期为在HEV中由电池和内燃发动机两者驱动动力传动系。在这些构造中，电池是可再充电的，且车辆充电器提供电力以在电池放电后恢复电池。

一些车辆和关联的充电站被配备为免手动无线充电。为了使用这种系统对车辆进行充电，车辆必须相对于充电器精确地定位。车辆中的次级充电线圈必须位于初级充电线圈的特定距离和方位内，以便有效地对车辆电池进行充电。

一种可行的解决方案包括在车辆上设置传感器，传感器被配备为用于检测充电站位置。然而，这种实施方式必须是足够鲁棒(robust)的，以在存在散乱的道路碎片(包括会附着在轮胎上的泥、冰或灰尘)时进行运作。能够承受这种道路危害的鲁棒传感器(robustsensor)可能是昂贵的。

现参照图1，以示意图的形式示出了根据本公开的用于插电式车辆的充电系统。充电系统包括充电站10。充电站10被配置用于感应充电且包括封装在初级感应充电板14内的初级充电线圈12。初级充电线圈12经由电力转换器17电连接到电源16。电力转换器17将来自电源16的电流转换为不同的电压和/或频率，并向初级充电线圈12提供电流。初级充电线圈12在初级感应充电板14周围产生电磁场。当相应的次级线圈被置于接近通电的初级感应充电板14时，相应的次级线圈通过位于产生的电磁场内而接收电力。在一些实施例中，初级感应充电板14可具备节连式(articulated)布置以增加和减少与给车辆充电相关的初级充电线圈。

无线充电站还包括外壳18。外壳被布置为接近初级感应充电板14。优选地，外壳18包括向驾驶员提供视觉引导的驾驶员目标辅助。驾驶员目标辅助可包括箭头、靶心图、十字准线或使车辆能够对准相对于初级感应充电板14的适当位置的任何其他适合的指示符。无线充电站还包括传感器20。传感器20与外壳关联并通常朝向初级感应充电板14。传感器20的朝向被调整以接收在初级感应充电板14附近发射的信号。在优选的实施例中，传感器20为声波接收器。在一些实施例中，可使用其他类型的传感器，或者可使用声波接收器和其他传感器的组合。当然也可使用另外的传感器。

传感器20与处理器22进行通信。如将在下面讨论的，处理器22可被配置为响应于来自传感器20的信号而计算车辆的位置，其中，车辆的位置包括距离和横向偏移(horizontaloffset)。处理器22还与无线通信装置24进行通信。处理器22被配置为经由无线通信装置24将车辆的位置信息发送到车辆。处理器22和无线通信装置24可被容纳在外壳18、初级感应充电板14或其他适当的位置内。通信电缆可连接在外壳18与容纳在初级感应充电板14内的组件之间。

充电系统还包括车辆30。车辆30为电池电动车辆(BEV)或插电式混合动力电动车辆(PHEV)。车辆30包括电池32和次级感应线圈34。次级感应线圈34响应于由初级感应线圈12产生的电磁场而产生电流。车辆30还包括AC到DC转换器36。转换器36将由次级感应线圈34产生的AC电流转换为用于给电池32再充电的DC电流。

车辆30还包括至少一个控制器38。虽然车辆控制器38被示出为单个控制器，但是车辆控制器38可包括用于控制多个车辆系统的多个控制器。例如，车辆控制器38可为车辆系统控制器/动力传动系控制模块(VSC/PCM)。就这点而言，VSC/PCM的车辆充电控制部分可为嵌入在VSC/PCM内的软件，或者，可在单独的硬件装置中实现VSC/PCM的车辆充电控制部分。车辆控制器38通常包括彼此相互协作的任意数量的微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，FLASH、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM)和软件代码，以执行一系列的操作。此外，车辆控制器38通过使用公共总线协议(例如，CAN)的车辆硬线连接而与其他控制器和组件进行通信。

控制器38与车辆无线通信装置40进行电通信。车辆无线通信装置40与充电站无线通信装置24进行无线通信。在优选的实施例中，充电站无线通信装置24和车辆无线通信装置40均可为WiFi装置。当然也可使用诸如蓝牙(Bluetooth)的其他无线通信方法。控制器38被配置为经由车辆无线通信装置40来接收位置信息。在车辆无线通信装置40与充电站无线通信装置24之间的无线通信也可被用于发送其他信息。例如，所述无线通信可用于完成车辆30与充电站10之间的关联过程，响应于完成关联过程可启动车辆充电。

控制器38还与驾驶员显示器42进行通信。驾驶员显示器可为仪表盘多功能显示器或适合的其他显示器。控制器可被配置为经由驾驶员显示器42向驾驶员提供位置信息。驾驶员显示器可包括车辆位置信息的任何适当表示，以示出车辆位置和方向，车辆位置和方向包括相对于初级感应充电板14的距离和横向偏移。响应于该信息，驾驶员可将具有次级感应线圈34的车辆更精确地停靠为接近初级感应充电板14。

车辆还包括第一声波发射器44和第二声波发射器46。声波发射器44和声波发射器46与控制器38进行通信。声波发射器44和声波发射器46被置于靠近车辆前部的指定位置。在示出的实施例中，第一声波发射器44位于车辆的乘客侧，第二声波发射器46位于车辆的驾驶员侧。声波发射器44和声波发射器46被配置为以人类可听频率以上的频率发出声音脉冲(burstsofsound)。在优选的实施例中，第一声波发射器44和第二声波发射器46电连接在同一电路上。按照这种方式，用于产生声波信号的命令将触发来自第一声波发射器44和第二声波发射器46两者的同步信号。

在一些实施例中，车辆30配备有自动停车系统。在这种实施例中，控制器(可为控制器38或其他适合的控制器)向各种车辆系统发出命令以协调自动停车事件。在自动停车事件期间，自动地控制车辆转向、加速和制动系统(未示出)以将车辆停靠在适当的停车位置和方向。控制器将使用来自充电站10的位置信息来协调各个系统，并将具有次级感应线圈34的车辆停靠为接近用于充电的初级感应充电板14。

当然，上述系统的变形是可行的。例如，传感器20可有效地连接到初级感应充电板14，而不是连接到如在图1中示出的外壳18。在另一变形中，传感器20可有效地连接到电压转换器17。上述和其他传感器位置可全部与根据本公开的方法结合使用。在一些实施例中，车辆配备有自动停车系统，且位置信息被自动停车系统使用以便于免手动停车。

现参照图2，示出了根据本公开的用于确定车辆的距离和横向偏移的方法。接收器20'被安装在期望的停车点附近。第一发射器44'和第二发射器46'被连接在车辆的前部，并隔开已知距离B。发射器44'和发射器46'被配置为在大致相同时间分别产生第一声音脉冲(soundburst)和第二声音脉冲。接收器20'接收由发射器44'和发射器46'产生的各个声音脉冲并对声音脉冲的到达标记时间戳(timestamp)。

系统可计算第一时延和第二时延，其中，第一时延与在声音脉冲的产生和第一声音脉冲的接收之间经过的时间相应，第二时延与在声音脉冲的产生和第二声音脉冲的接收之间经过的时间相应。基于声音在空气中传播的速度，系统可随后计算从接收器20'到第一发射器44'的第一距离D1和从接收器20'到第二发射器46'的第二距离D2。利用该信息和声音发射器44'与声音发射器46'之间的已知距离B，充电系统可产生几何三角形，该几何三角形的角和边代表车辆的位置信息，车辆的位置信息包括车辆到接收器20'的距离以及车辆的中心线与接收器20'的位置有多远的偏移。基于接收的数据执行几何和三角测量法计算，可高精度地确定车辆位置。

可使用海伦(Heron)公式来得到接收器20'与车辆之间的距离。

S = \frac{B + D_{1} + D_{2}}{2}

A = \sqrt{S (S - B) (S - D_{1}) (S - D_{2})}

其中，A等于由B、D₁和D₂限定的三角形的面积。

将上面计算的面积代入到三角形的面积公式，得到：

h = \frac{2 A}{B}

其中，h为从接收器20'到车辆的距离。

此外，上面计算的算法可用于确定接收器20'的位置与车辆的中心线之间的偏移。使用余弦定律和勾股定理，得到：

β = \cos^{- 1} (\frac{B^{2} + D_{2}^{2} - D_{1}^{2}}{2 {BD}_{2}})

D_{o f f s e t} = \frac{h}{t a n β}

其中，D_offset为接收器20'与车辆的第一发射器44'之间的横向偏移。可以通过D_offset计算接收器20'的位置与车辆的中心线(例如，第一发射器44'与第二发射器46'之间的距离B的中心线)之间的横向偏移。可以将接收器20'的位置与车辆的中心线之间的横向偏移称为车辆的横向偏移。

有利地，如上面讨论的，基于第一时延和第二时延的三角测量法不需要在第一发射器和第二发射器与接收器之间的瞄准线。因此，接收器可被置于各种位置，而不用考虑接收器与发射器之间的视觉障碍的存在。

现参照图3，以流程图的形式示出了根据本公开的用于控制车辆充电系统的方法。如在框50处示出的，从车辆上的发射器发送声波信号。如在框52处示出的，从布置在充电站中的声波传感器收集数据。如在框54处示出的，计算被检测的车辆的距离和横向偏移。如在框56处示出的，将位置信息发送到车辆。如在框58处示出的，经由车载显示器向驾驶员提供位置信息。如在框60处示出的，在配备有自动停车系统的车辆中，基于从充电站接收的位置信息而自动停靠车辆。

在上面的方法的变形中，由于在停车过程期间驾驶员无需与车辆进行交互，所以具有自动停车系统的车辆可被配置为不向驾驶员显示位置信息。

此外，可在需要精确的车辆位置的其他停车情况下使用多种变形。因此，可在未配备有充电板但是为了其他目必须相对于目标精确地定位的车辆中使用类似的三角测量方法。

在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机/由处理装置、控制器或计算机来实现，处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可被存储为按照许多形式由控制器或计算机执行的数据和指令，所述形式包括但不限于：永久存储在不可写存储介质(诸如ROM装置)上的信息和可变地存储在可写存储介质(诸如软盘、磁带、CD、RAM装置、其他磁介质和光介质)上的信息。所述处理、方法或算法还可以以软件可执行对象的方式实现。可选地，所述处理、方法或算法可利用适合的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其他硬件组件或装置)或硬件、软件和固件组件的组合来整体或部分地实现。

如可从各种实施例所了解的，本发明提供一种用于对车辆进行无线充电的系统，其中，所述系统使车能够相对于充电站精确地停靠。此外，根据本公开的充电站可在不向车辆指示瞄准线的情况下提供定位信息。

虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述本发明的所有可能形式。相反，说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制，并且应理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。此外，可将各种实现实施例的特征进行组合以形成本发明的进一步的实施例。

Claims

1.一种插电式车辆，包括：

第一发射器，被配置为产生第一声波信号；

车辆无线通信装置，被配置为与充电站无线通信装置进行通信；

车载显示器；

至少一个控制器，被配置为：经由车载显示器呈现位置信息，所述位置信息与响应于充电站声波接收器接收的第一声波信号而检测到的车辆位置相应。

2.如权利要求1所述的插电式车辆，还包括第二发射器，所述第二发射器被配置为产生第二声波信号，其中，所述位置信息与响应于充电站声波接收器接收的第一声波信号和第二声波信号而检测到的车辆位置相应。

3.如权利要求2所述的插电式车辆，其中，所述位置信息与基于第一时延和第二时延的三角测量的车辆位置相应，其中，第一时延为在第一信号被产生与第一信号被充电站声波接收器接收之间经过的时间，第二时延为在第二信号被产生与第二信号被声波接收器接收之间经过的时间。

4.如权利要求1所述的插电式车辆，其中，所述至少一个控制器还被配置为响应于所述位置信息来协调自动停靠车辆事件。

5.如权利要求1所述的插电式车辆，还包括次级感应充电线圈，其中，所述位置信息包括所述次级感应充电线圈相对于初级感应充电线圈的距离和横向偏移。