CN105235545B - 一种电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统及其方法，该检测系统包括：发射线圈，其与停车场地表的无线充电发射装置的输出端相连；接收线圈，其与电动汽车底盘的无线电能接收装置的输入端相连，接收线圈与发射线圈相互耦合；敷设在发射线圈表面的探头，探头与发射线圈和接收线圈均相互耦合；探头为轴对称结构，由两个大小、匝数相同且绕向相反的线圈构成；探头与发射线圈的边界大小一致；信号调理模块，用于接收探头的两个输出端输出的电压信号，分别对探头的两个输出端输出的这两路信号进行放大、滤波和峰值保持处理；与信号调理模块相连的控制模块，用于将接收到的两路电压信号作差，将获得的电压信号差值与预设电压阈值相比较。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车领域，尤其涉及一种电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统及其方法。
背景技术
电动汽车(EV)的零排放和不依赖化石燃料的潜力，得到了世界各国政府的普遍重视，汽车开进电动时代。除了政府的补贴和大力支持，相关的汽车生产厂家也纷纷开始关注电动车的未来发展，并且在电动汽车领域不断投入资金和技术。据工业和信息化部电动汽车发展战略研究报告预测，到2030年全国电动汽车保有量将达到600万辆。
现有电动汽车的充电方式主要包括：一种是有线充电，也叫接触式充电；一种是无线充电，也叫无接触式充电。有线充电功率较大，取电过程不灵活，需要反复拔插充电电缆，易产生机构磨损，导致大电流载体不安全裸露，遇到雨雪天气时，需进行隔潮处理，无法实现露天充电，有线充电通过导线与电网连接进行充电；同时充电桩、充电站的修建同传统加油站类似，受建设场地制约，建设成本很大；传统的无线充电系统有金属混入磁场耦合区时，由于涡流效应金属会急剧升温，存在巨大的安全隐患。
电动汽车的容量是电动汽车向前发展的关键影响因素，但容量过大时，电池的体积和重量会成为电动汽车发展的又一制约因素。无线充电可以在满足车主行驶里程的前提下实现无人充电和移动式充电，通过频繁充电来大幅降低EV本身的电池容量，降低EV购置成本。另外，无线充电使用方便、安全，无触电现象，不存在线路老化、尖端放电等因素导致火花等问题。
尽管无线充电具传统电源线供电技术所未有的独特优势，实际上有很多问题亟待解决，其中有两个比较关键的问题，分别是电动汽车无线充电时线圈对位问题以及充电过程有金属异物混入磁场耦合区的安全问题。电动汽车充电前线圈对位不准确会降低充电效率，偏移过大直接导致无法充电。在充电过程中混入金属异物，由于涡流效应导致金属急剧升温，存在安全隐患。
发明内容
为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统及其方法。该系统采用平衡线圈与信号调理模块以及控制模块配合，不仅能够满足电动汽车充电对位的同时实现金属异物的检测，占据空间小，结构简单，而且能够有效地保证充电效率及充电安全。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统，包括：
发射线圈，其与停车场地表的无线充电发射装置的输出端相连，用于产生固定频率高频谐振磁场；
接收线圈，其与电动汽车底盘的无线电能接收装置的输入端相连，所述接收线圈与发射线圈相互耦合，用于产生感生电压信号；
探头，其敷设在发射线圈表面，所述探头与发射线圈和接收线圈均相互耦合；所述探头为轴对称结构，由两个大小、匝数相同且绕向相反的线圈构成；所述探头的边界与发射线圈的边界大小一致；
信号调理模块，其与探头相连，用于接收探头的两个输出端输出的电压信号，并分别对探头的两个输出端输出的这两路信号进行放大、滤波和峰值保持处理；
控制模块，其与信号调理模块相连，用于将接收到的两路电压信号作差，并将获得的电压信号差值与预设的电压阈值相比较，若前者不超过后者，则电动汽车无线充电对位成功且电动汽车无线充电系统中无金属异物混入；否则，电动汽车无线充电对位失败或有金属异物混入。
所述发射线圈和接收线圈均为轴对称结构。
所述接收线圈的面积小于发射线圈的面积。
所述信号调理模块包括依次串联连接的信号放大电路、滤波整流电路和峰值保持电路。
所述信号放大电路采用四级放大电路，包括三级基本放大电路和一级变压器放大电路；
信号放大电路的最后一级放大电路的输出端串接一个二极管进行整流，获得信号的正半周期信号，并输入至峰值保持电路；
所述峰值保持电路采用两级电压跟随器，用于保持电压峰值的准确和稳定。
所述控制模块包括A/D转换电路，所述A/D转换电路与控制器相连。
所述控制模块还与报警模块相连。
一种电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统的检测方法，包括：
步骤(1)：连接电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统电路，并预设控制模块中的电压阈值；
步骤(2)：获取探头的两个输出端输出的电压信号差值，并与预设的电压阈值相比较：若前者不超过后者，则电动汽车无线充电对位成功且电动汽车无线充电系统中无金属异物混入；否则，电动汽车无线充电对位失败或有金属异物混入。
在步骤(2)中，当探头的两个输出端输出的电压信号差值超过预设的电压阈值时，首先查看是否有金属异物混入电动汽车无线充电系统中，若有，则去除金属异物；否则，调整接收线圈与发射线圈的位置，直至电动汽车无线充电对位成功。
所述检测方法还包括，当电动汽车无线充电对位成功后且处于充电过程中，若探头的两个输出端输出的电压信号差值超过预设的电压阈值，则有金属异物混入电动汽车无线充电系统。
本发明的有益效果为：
(1)本发明的探头采用轴对称结构且与发射线圈的边界大小一致，并且根据探头两端输出的电压差与预设电压阈值相比较，进行检测接收线圈与发射线圈的位置，进而判断出电动汽车充电前驶入指定充电位置，以及在充电过程中是否有金属异物混入，使得该系统整体占据空间小，结构简单，检测方法便捷且易于实施，能够有效地保证充电效率及充电安全；
(2)本发明的发射线圈面积大于接收线圈面积，这样使得车辆在一个较大的水平自由度范围内都能达到能量高效传输，大大降低了对停车位置准确性的要求，使充电方式更加便捷；
(3)本发明探头、发射线圈和接收线圈均采用轴对称结构，这样克服了传统平衡线圈占据空间大、检测面积小的问题，能够更好的适应无线充电系统对于金属异物检测的要求。
附图说明
图1是本发明的电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统结构示意图；
图2是本发明的本发明的电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统的检测方法实施例；
图3是本发明的电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统检测原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明的电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统，包括：
发射线圈，其与停车场地表的无线充电发射装置的输出端相连，用于产生固定频率高频谐振磁场；
接收线圈，其与电动汽车底盘的无线电能接收装置的输入端相连，所述接收线圈与发射线圈相互耦合，用于产生感生电压信号；
探头，其敷设在发射线圈表面，所述探头与发射线圈和接收线圈均相互耦合；所述探头为轴对称结构，由两个大小、匝数相同且绕向相反的线圈构成；所述探头的边界与发射线圈的边界大小一致；
信号调理模块，其与探头相连，用于接收探头的两个输出端输出的电压信号，并分别对探头的两个输出端输出的这两路信号进行放大、滤波和峰值保持处理；
控制模块，其与信号调理模块相连，用于将接收到的两路电压信号作差，并将获得的电压信号差值与预设的电压阈值相比较，若前者不超过后者，则电动汽车无线充电对位成功且电动汽车无线充电系统中无金属异物混入；否则，电动汽车无线充电对位失败或有金属异物混入。
在图1中，信号调理模块和控制模块构成了检测电路。其中，探头呈8字形绕法，探头由两个大小、匝数相同且绕向相反的线圈构成，这样能减少寄生电容的杂散电流。
进一步地，发射线圈和接收线圈均为轴对称结构。
进一步地，接收线圈的面积小于发射线圈的面积。
进一步地，信号调理模块包括依次串联连接的信号放大电路、滤波整流电路和峰值保持电路。
更进一步地，信号放大电路采用四级放大电路，包括三级基本放大电路和一级变压器放大电路；
信号放大电路的最后一级放大电路的输出端串接一个二极管进行整流，获得信号的正半周期信号，并输入至峰值保持电路；
峰值保持电路采用两级电压跟随器，用于保持电压峰值的准确和稳定。
进一步地，控制模块包括A/D转换电路，所述A/D转换电路与控制器相连。
进一步地，控制模块还与报警模块相连。
发射线圈、接收线圈和探头三者是轴对称放置，本实施例中，均用litz线缠绕，接收线圈的尺寸设计300mm*300mm，发射线圈尺寸设计500mm*500mm，探头外围500mm*500mm。
本发明的电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统的检测方法，包括：
步骤(1)：连接电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统电路，并预设控制模块中的电压阈值；
步骤(2)：获取探头的两个输出端输出的电压信号差值，并与预设的电压阈值相比较：若前者不超过后者，则电动汽车无线充电对位成功且电动汽车无线充电系统中无金属异物混入；否则，电动汽车无线充电对位失败或有金属异物混入。
在步骤(2)中，当探头的两个输出端输出的电压信号差值超过预设的电压阈值时，首先查看是否有金属异物混入电动汽车无线充电系统中，若有，则去除金属异物；否则，调整接收线圈与发射线圈的位置，直至电动汽车无线充电对位成功。
检测方法还包括，当电动汽车无线充电对位成功后且处于充电过程中，若探头的两个输出端输出的电压信号差值超过预设的电压阈值，则有金属异物混入电动汽车无线充电系统。
本发明的该检测系统具有自平衡功能。其中，自平衡功能也就是在每次上电检测前均要记录初始电压差作为阀值，然后对后续检测到的电压差与预设电压阀值比较，有效地降低了电动汽车充电前对位不准确对金属异物检测的影响，提高了系统检测的精度。
本发明的电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统中的控制模块还与显示模块相连。如图2所示，本发明的电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统的检测方法具体过程为：
第一步：首先对电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统初始化，并对系统中参数以及控制模块中的预设电压阈值进行设置，并刷新显示；
第二步：读取A/D转换电路输出的电压值并进行滤波，求取探头两个输出端之间的电压差值；
第三步：比较获取的电压差值与预设电压阈值的大小，若前者不超过后者，则返回第一步；否则，控制模块控制报警模块发出报警信号并触发执行，并刷新显示；
第四步：判断电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统是否处于连续工作模式，如是，则返回第一步；否则进行手动复位，并返回至第一步。
如图3所示，本发明的电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统的具体的电路结构以及检测的原理为：
供电组件上电后，发射线圈在其周围建立交变磁场。探头处于该磁场中，由于电磁感应定律，产生感应电动势。探头线圈反向绕制，并且完全对称，由于发射线圈本身是轴对称结构，产生的磁场也是轴对称的，这样探头两端感生的电动势等大反向，相互抵消，理想情况下探头两端电压差为零。电动汽车充电前驶入指定充电位置，驶入过程中，电动汽车接收线圈偏离发射线圈轴线，破坏探头电势平衡。
设定接收线圈左右偏移自由度为10cm时对应探头两端的电压差作为阀值。
其中，探头输出的电压信号经信号放大电路放大、滤波整流电路滤波以及峰值保持电路保持后，可以稳定电压信号的峰值，然后再经过A/D转换电路输入至控制器。
汽车接收线圈偏移过大，探头两端电压差会超出阀值，系统执行报警，提示调节汽车充电位置系统自平衡后，设定最后停车位置采集的探头电压差作为新的初始值，充电过程中若有金属异物混入，引起报警信号。
其中，控制器还连接有必要的外围电路，以及执行机构，比如报警模块。在电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统中，信号放大电路、滤波整流电路以及峰值保持电路构成信号处理部分，也就是信号调理模块。
A/D转换电路、控制器和执行电路构成控制部分，也就是控制模块。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统，其特征在于，包括：
发射线圈，其与停车场地表的无线充电发射装置的输出端相连，用于产生固定频率高频谐振磁场；
接收线圈，其与电动汽车底盘的无线电能接收装置的输入端相连，所述接收线圈与发射线圈相互耦合，用于产生感生电压信号；
探头，其敷设在发射线圈表面，所述探头与发射线圈和接收线圈均相互耦合；所述探头为轴对称结构，由两个大小、匝数相同且绕向相反的线圈构成；所述探头的边界与发射线圈的边界大小一致；
信号调理模块，其与探头相连，用于接收探头的两个输出端输出的电压信号，并分别对探头的两个输出端输出的这两路信号进行放大、滤波和峰值保持处理；
控制模块，其与信号调理模块相连，用于将接收到的两路电压信号作差，并将获得的电压信号差值与预设的电压阈值相比较，若前者不超过后者，则电动汽车无线充电对位成功且电动汽车无线充电系统中无金属异物混入；否则，电动汽车无线充电对位失败或有金属异物混入；
在电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统进行检测之前，连接电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统电路，并预设控制模块中的电压阈值；之后，获取探头的两个输出端输出的电压信号差值，并与预设的电压阈值相比较：
当探头的两个输出端输出的电压信号差值超过预设的电压阈值时，首先查看是否有金属异物混入电动汽车无线充电系统中，若有，则去除金属异物；否则，调整接收线圈与发射线圈的位置，直至电动汽车无线充电对位成功；
当电动汽车无线充电对位成功后且处于充电过程中，若探头的两个输出端输出的电压信号差值超过预设的电压阈值，则有金属异物混入电动汽车无线充电系统；
所述发射线圈和接收线圈均为轴对称结构；
所述接收线圈的面积小于发射线圈的面积；
所述信号调理模块包括依次串联连接的信号放大电路、滤波整流电路和峰值保持电路；
所述信号放大电路采用四级放大电路，包括三级基本放大电路和一级变压器放大电路；
信号放大电路的最后一级放大电路的输出端串接一个二极管进行整流，获得信号的正半周期信号，并输入至峰值保持电路；
所述峰值保持电路采用两级电压跟随器，用于保持电压峰值的准确和稳定；
所述控制模块包括A/D转换电路，所述A/D转换电路与控制器相连；
所述控制模块还与报警模块相连；
电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统具有自平衡功能，自平衡功能是在每次上电检测前均要记录初始电压差作为阀值，然后对后续检测到的电压差与预设电压阀值比较，有效地降低了电动汽车充电前对位不准确对金属异物检测的影响，提高了系统检测的精度；
电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统采用平衡线圈与信号调理模块以及控制模块配合，不仅满足了电动汽车充电对位的同时实现金属异物的检测，占据空间小，结构简单，而且有效地保证了充电效率及充电安全。
2.一种如权利要求1所述的电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统的检测方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：连接电动汽车无线充电对位及金属异物检测系统电路，并预设控制模块中的电压阈值；
步骤(2)：获取探头的两个输出端输出的电压信号差值，并与预设的电压阈值相比较：若前者不超过后者，则电动汽车无线充电对位成功且电动汽车无线充电系统中无金属异物混入；否则，电动汽车无线充电对位失败或有金属异物混入。
3.如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，在步骤(2)中，当探头的两个输出端输出的电压信号差值超过预设的电压阈值时，首先查看是否有金属异物混入电动汽车无线充电系统中，若有，则去除金属异物；否则，调整接收线圈与发射线圈的位置，直至电动汽车无线充电对位成功。
4.如权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括，当电动汽车无线充电对位成功后且处于充电过程中，若探头的两个输出端输出的电压信号差值超过预设的电压阈值，则有金属异物混入电动汽车无线充电系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20191008 Address after: W401w403-2, Shenzhen Hong Kong industry university research base, No. 015, gaoxinnan 7th Road, high tech Zone, Yuehai street, Nanshan District, Shenzhen City, Guangdong Province Patentee after: Shenzhen Hertz Innovation Technology Co., Ltd. Address before: 250061, No. ten, No. 17923, Lixia District, Ji'nan City, Shandong Province Patentee before: Shandong University |
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| TR01 | Transfer of patent right |