CN105634081B - 一种基于激光测距的自适应电动汽车无线供电移动平台 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于激光测距原理的自适应电动汽车无线供电移动平台，属于新能源汽车技术领域，结构包括：无线电能发射线圈(25)、市电接口(6)、工作指示灯(61)、风扇(10)、供电管理电路(70)，其特征在于，结构还有：驱动电路(7)，拉杆套鞘(8)、可伸缩拉杆(3)、滚轮(4)、第一可伸缩承重杆(5)、第二可伸缩承重杆(51)、第一活动体(1)、第二活动体(2)、第一承重旋转轴(13)、第二承重旋转轴(131)、第三激光测距模块(11)、第一激光测距模块(21)、第二激光测距模块(22)。本发明便携，且可实现发射线圈与车底面之间距离、水平角度的调节，大大提高电能传输效率。

Description

一种基于激光测距的自适应电动汽车无线供电移动平台

技术领域

本发明属于新能源汽车技术领域，具体涉及一种可以自动调节电能发射线圈与电动汽车底部之间距离，以及水平角度的可移动式无线供电装置。

背景技术

世界第一台电动汽车要早于燃料汽车，由于当时技术的限制，燃料汽车取代了电动车，成为人们的交通工具。随着私家车的普及，燃料汽车尾气排放对环境污染的问题日益突出。国际上先后出台了几种限制汽车尾气排放量的措施，然而这些办法并不能从根本上解决尾气环境污染问题。于是随着科技的发展，人们把目光从燃料汽车重新转移回了电动汽车。

目前电动汽车有两种充电方式，接触式与非接触式。市面上大多采用充电桩接触式充电和埋在地下的无线充电车位方式对电动汽车进行供电，然而就目前来看，上述的供电装置在普及方面不仅需要相当大的经济投入，而且工程量也十分巨大。即便上述装置在我国的主要城市地区可以快速得到普及，在我国相对落后地区甚至乡村、偏远山区仍然需要相当漫长的岁月才能得到普及，这给电动汽车的持有者带来了极大的不便，在某种程度上也减缓的电动汽车的普及。

就接触式充电而言，由于电动车和充电桩之间存在物理连接，所以会有电弧、电火花等现象，在潮湿的环境下存在安全隐患。采用非接触充电方式对电动车进行充电，可以有效地避免上述弊端。目前，非接触充电方式有电磁感应耦合方式和电磁共振耦合方式两种。两种方式的核心部件，均为电能的发射端与电能的接收端。由于两种无线电能传输方式基于的原理略有不同，故两者的接收、发射端的组成结构也稍有不同，但相同的是，接收、发射端之间的距离、水平角度都对电能传输效率有着极大的影响。一般说来，距离越近效率越高；接收端与发射端之间越趋于平行，电能传输效率越高。但由于电磁感应式充电方式对于耦合传输距离的要求十分苛刻，且最佳传输距离最大只有几厘米，在应用起来十分不方便；电磁共振式充电方式的能量传输距离在将近一米的范围内也能保持较高的能量传输效率，在无线充电领域相比电磁感应方式更加方便灵活，故具有可观的应用前景。

目前市面上的无线供电装置的发射线圈为不可活动的，当设备的发射线圈表面与电动车底面的距离过大，或者发射线圈表面与电动车底面不平行时，供电设备的发射线圈与电动汽车的接收线圈之间能量的传输效率就会大大降低，进而使电动汽车的无线能量传输效率大打折扣。

综上所述，目前市面上应用于电动汽车无线供电的装置存在以下问题：供电装置固定在地面上或地面下，普及建设这种装置不仅成本高、工程量大，更重要的是建设周期漫长，尤其在乡村等落后偏远地区，这样就给电动车充电带来极大的不便；供电装置的发射线圈与车底的距离及角度不可调节，在供电装置的发射线圈与电动车接收线圈不平行时以及距离较大时就进行无线供电，会极大降低无线电能传输的效率，浪费了国家的电力资源。

发明内容

针对上述市面上无线充电装置存在的问题，本发明提供一种高效的无线供电可移动平台。该平台可以实现电动汽车无线供电端自由移动，使充电场所更加便利，而且可以自动调节充电装置的上表面与电动汽车的底盘之间的距离且使两者自动平行，大大提升了无线供电的能量传输效率。

为解决上述问题，本发明采取如下技术方案：

一种基于激光测距原理的自适应电动汽车无线供电移动平台，结构包括：无线电能发射线圈25、市电接口6、工作指示灯61、风扇10、供电管理电路70，其特征在于，结构还有：驱动电路7，装置底座9的下表面的一端装有拉杆套鞘8、另一端有滚轮4，拉杆套鞘8的内部装有可伸缩拉杆3，装置底座9内部底面的左右对称位置上安装有参数相同的第一可伸缩承重杆5和第二可伸缩承重杆51，并且装置底座9通过第一可伸缩承重杆5和第二可伸缩承重杆51与第一活动体1的下表面相连，第一活动体1的内部嵌有第二活动体2，第一承重旋转轴13、第二承重旋转轴131参数相同，且一端固定在第二活动体2内部，另一端与第一活动体1相连且能在第一活动体1内自由旋转，在第一活动体1的上表面有第三激光测距模块11，在第二活动体2的上表面有第一激光测距模块21和第二激光测距模块22，其中第一激光测距模块21和第二激光测距模块22的参数相同，第二活动体2的上表面和装置底座9的下表面均有散热孔；所述的市电接口6和工作指示灯61位于装置底座9的侧面，无线电能发射线圈25位于第二活动体2的内部且其上表面与第二活动体2的上表面平行且中心重合；所述的第一活动体1为空心扁环柱体结构，第二活动体2是嵌在第一活动体1内部的柱体结构，且能随着第一承重旋转轴13、第二承重旋转轴131在第一活动体内自由旋转，第一活动体1和第二活动体2高度相同，且初始状态时上表面共面，第二活动体2的上表面的形状为圆形去掉两处位置对称、大小相同的弓形后剩余的形状，第二活动体2的下表面的外围形状、周长均与上表面的相同，但中心为圆形镂空，风扇10装在镂空位置正下方；所述的第一承重旋转轴13和第二承重旋转轴131的中心轴线在同一条直线上且所在直线与第二活动体2的中心轴线垂直相交，交点是第二活动体2的中心轴线的中点，第一承重旋转轴13、第二承重旋转轴131的中心轴线所在的直线还与第一激光测距模块21、第二激光测距模块22之间的连线相互垂直。

本发明中的驱动电路7可以采取如下结构，结构包括：控制单元71、第一电机控制电路72、第二电机控制电路73、第一电机74、第二电机75、第三电机76和第四电机77；其中控制单元71通过不同的I/O口分别与第一激光测距模块21、第二激光测距模块22、第三激光测距模块11、第一电机控制电路72、第二电机控制电路73相连，第一电机控制电路72还与第一电机74、第二电机75相连，第二电机控制电路73还与第三电机76、第四电机77相连。

本发明中的供电管理电路70可以采用任何现有技术的电动汽车无线充电装置中所采用的供电管理电路，也可以采用如下结构，结构包括：整流滤波电路701、高频逆变电路702、降压电路703、反馈电路704；其中，降压电路703和高频逆变电路702分别与整流滤波电路701相连，降压电路703还与工作指示灯61和风扇10相连，高频逆变电路702还与反馈电路704、发射线圈25以及驱动电路7中的控制单元71相连，反馈电路704还与驱动电路7中的控制单元71相连。

本发明中的无线电能发射线圈25优选采用蜂房式绕制方式。

有益效果：

1、本发明平台采用类似拉杆箱结构，实现装置便携、灵活移动，使电动汽车无线充电不受场合限制。

2、本发明平台具有两个可活动体，可实现发射线圈与车底面之间距离、水平角度的调节。从两个关键方面进行调节，可大大提高电能传输效率。

3、本发明采用激光测距方式来实现距离测量，使得测距精度大大提高。

4、本发明平台中第一、二活动体在功能实现上是独立的，这使得发明平台的灵活性大大增强。

5、本发明的发射线圈采用蜂房式绕制方式，可有效抑制线圈寄生电容，大大提高发射线圈电能传输效率。

附图说明：

图1为本发明的驱动电路和供电管理电路的连接关系示意图。

图2为本发明装置初始状态上表面示意图。

图3为本发明装置的底面示意图。

图4为本发明装置的水平角度调节时的侧面示意图。

图5为本发明装置的垂直高度调节时的侧面示意图。

图6为本发明装置的垂直高度和水平角度同时调节时的侧面示意图。

图7为本发明装置中发射线圈结构示意图。

具体实施方式

本发明平台中的所有激光测距模块均采用德国西克公司的短量程激光测距传感器模块，在下文有关激光测距模块的描述中，将不再重复说明；本发明平台中的控制单元芯片采用STC89C52单片机，在下文有关控制单元的描述中，将不再重复说明；本发明平台中，除了风扇电机采用直流电机外，其余所有电机均采用交流异步电动机，在下文有关电机的描述中，将不再重复说明。

实施例1本发明的整体结构

参见图2～图6，本发明初始状态时，外形类似拉杆箱结构。本发明的结构包括：无线电能发射线圈25、市电接口6、工作指示灯61、风扇10，装置底座9的下表面的一端(当整个装置站立时的上端)装有拉杆套鞘8、另一端(当整个装置站立时的下端)有滚轮4，拉杆套鞘8的内部装有可伸缩拉杆3，装置底座9内部底面的左右对称位置上安装有参数相同的第一可伸缩承重杆5和第二可伸缩承重杆51，并且装置底座9通过第一可伸缩承重杆5和第二可伸缩承重杆51与第一活动体1的下表面相连，通过这两个伸缩杆的同步升降可实现第一活动体1带动第二活动体2同时升降，以调节平台上表面与车底盘之间的距离。第一活动体1的内部嵌有第二活动体2，一端固定在第二活动体2内部且参数相同的第一承重旋转轴13、第二承重旋转轴131与第一活动体1相连且能在第一活动体1内自由旋转，即可实现第一活动体1水平角度不变而第二活动体2的水平角度可根据具体情况改变，进而使第二活动体2上表面与车底盘表面平行。因为发射线圈25安装在第二活动体2内，其上表面和第二活动体2的上表面平行，所以通过上述平行度以及距离位置的调整最终可实现发射线圈25与车底面之间的平行关系调整、距离调整。另外，本发明平台与车底面之间距离、平行关系的调整是独立的。在第一活动体1的上表面有第三激光测距模块11，在第二活动体2的上表面有第一激光测距模块21和第二激光测距模块22，其中第一激光测距模块21和第二激光测距模块22的参数相同，第二活动体2的上表面和装置底座9的下表面均有散热孔；所述的市电接口6和工作指示灯61位于装置底座9的侧面，无线电能发射线圈25位于第二活动体2的内部且其上表面与第二活动体2的上表面平行且中心重合。本发明中的第一活动体1和第二活动体2共同组成一个扁圆柱状形体，两个活动体高度相同，且初始状态时上表面共面，第一活动体1是空心扁环柱体结构，第二活动体2是扁柱体结构，第二活动体2嵌在第一活动体1所围成的空心结构中。第二活动体2上表面的形状为：圆形去掉位置对称、大小相同的两弓形后剩余的形状，第二活动体2上表面的外边缘图形由一对位置对称、内径均为18.5厘米的圆弧和另一对位置对称、弦长均为18.5厘米的弦线构成，第二活动体2下表面的外边缘形状、周长均与第二活动体2上表面的相同，只是其中心为圆形镂空，该圆形的半径小于发射线圈25的内径。第二活动体2与第一活动体1的高度均为2厘米，第一活动体1上表面外环图形为一个半径等于20厘米的圆形，其上表面内环图形的形状与第二活动体2上表面的外边缘形状在几何学上是相似图形关系，第一活动体1上表面内环图形的形状只是在尺寸上比第二活动体2上表面的外边缘形状大了一些，第一活动体1上表面内环图形的两圆弧内径均为19厘米，两弦长均为19厘米，这样使得第二活动体2和第一活动体1之间始终有0.5厘米的距离间隙，该空隙可以满足第二活动体2能够随着第一承重旋转轴13、第二承重旋转轴131在第一活动体1内自由旋转。第二活动体2下表面镂空位置正下方可以安装风扇10，以实现风扇10始终跟随第二活动体2移动，即风扇10始终保持与发射线圈25相对位置不变的状态。随着装置工作时间的延伸，发射线圈25温度会有所上升，降低线圈温度可以有效缓解线圈参数的变化，进而有效缓解线圈频率的变化。使整个装置传输效率再度提高。同时，风扇10也对位于其正下方的驱动电路7及供电管理电路70主板进行散热，降低电子器件的温度，进而提升主电路板的工作性能和使用寿命。本发明中的第一承重旋转轴13和第二承重旋转轴131的中心轴线在同一条直线上且所在直线与第二活动体2的中心轴线垂直相交，交点是第二活动体2的中心轴线的中点，第一承重旋转轴13、第二承重旋转轴131的中心轴线所在的直线还与第一激光测距模块21、第二激光测距模块22之间的连线相互垂直的。初始状态时，第一可伸缩承重杆5和第二可伸缩承重杆51是完全收缩在装置底座9之内的，此时第一活动体1、第二活动体2所组成的扁圆柱状形体和装置底座9完全扣合，这时本发明的外形类似拉杆箱。

实施例2本发明的驱动电路及供电管理电路结构

参见图1，本发明的电路连接关系包括两部分：驱动电路7和供电管理电路10。驱动电路7的结构包括：控制单元71、第一电机控制电路72、第二电机控制电路73、第一电机74、第二电机75、第三电机76和第四电机77。其中，控制单元71同时向第一激光测距模块21、第二激光测距模块22、第三激光测距模块11的输入端发出方波信号，第一激光测距模块21、第二激光测距模块22、第三激光测距模块11的输出端分别与控制单元71的3个不同的I/O口相连，控制单元71的另外2个不同的I/O口分别与第一电机控制电路72和第二电机控制电路73的输入端相连，第一电机控制电路72的输出端同时连接第一电机74和第二电机75的控制端，第二电机控制电路73的输出端同时连接第三电机76和第四电机77的控制端，第一电机74和第二电机75参数相同且分别与第一可伸缩承重杆5和第二可伸缩承重杆51相连以带动其伸缩，第三电机76和第四电机77参数相同且分别与第一承重旋转轴13和第二承重旋转轴131相连以带动其旋转。供电管理电路70的结构包括：整流滤波电路701、高频逆变电路702、降压电路703、反馈电路704。降压电路703和高频逆变电路702分别与整流滤波电路701的输出端相连，其中降压电路703作为电源，其输出端与工作指示灯61和风扇10的输入端相连，高频逆变电路702与驱动电路7中的控制单元71相连以接收其发出的PWM信号，高频逆变电路702的输出端一方面连接发射线圈25以驱动其工作，另一方面通过反馈电路704连接回驱动电路7中的控制单元71，以实现根据系统运行状况实时调整PWM(脉冲宽度调制)信号，使高频逆变电路中开关频率与线圈共振频率时刻保持相同，提高装置的电能传输效率。

实施例3本发明的发射线圈

参见图7，为本发明改进后的发射线圈结构示意图：本发明发射线圈25采取蜂房式绕制方式，这种绕制方法可以减小发射线圈的寄生电容，从而提高发射线圈25的电能传输效率，进而提升整个装置电能传输效率。具体绕制方法可参考《电子电路设计与应用手册》一书的974页。

实施例4本发明的工作过程

将电动汽车无线供电移动平台置于车底，并调整位置，使平台位于车体内电能接收线圈底部。

平台通过220V市电接口6通电以后，按下总开关，装置底座9侧面工作指示灯61亮，平台开始工作，风扇10开始旋转。其中，为了使用方便，整个装置的工作总开关可以安装在可伸缩拉杆3的把手上。

位于第一活动体1和第二活动体2上表面的激光测距模块同时开始工作。下面分别说明两部分激光测距模块工作的过程，以及本发明平台如何实现与车底面之间距离、水平角度的调节。

平台通电以后，控制单元71同时给三个激光测距模块输出驱动方波信号，位于第一活动体1上的第三激光测距模块11收到驱动信号后，激光发射探头发出光束信号，再由模块中的接收探头接收反射光束信号，再经过信号放大、脉冲整形、带通滤波，信号最终由模块输出到控制单元71，由控制单元71进行测算。当第一活动体1上的第三激光测距模块11激光头表面与车底距离小于设定距离时，即超出最短有效量程时，控制单元71输出低电平信号来控制第一电机控制电路72，使得带动第一可伸缩承重杆5、第二可伸缩承重杆51工作的第一电机74、第二电机75不工作，即两伸缩杆不伸缩，平台可活动体的高度不变，维持在初始化高度；当第一活动体1上的第三激光测距模块11激光头表面与车底距离大于该设定距离时，控制单元71输出高电平信号来控制第一电机控制电路72，使得带动第一可伸缩承重杆5、第二可伸缩承重杆51工作的第一电机74、第二电机75正转，即伸缩杆伸长，平台可活动体的高度上升，可活动体与电动汽车底部的距离减小，即缩短了供电发射线圈25与汽车中的电能接收线圈之间的距离，使得两线圈之间的耦合度增大，能量传输效率大大提高；当第一活动体1上的第三激光测距模块11的激光头表面与车底距离再次减小到小于设定距离时，控制单元71输出低电平信号来控制第一电机控制电路72，使得带动第一可伸缩承重杆5、第二可伸缩承重杆51工作的第一电机74、第二电机75不再工作，即伸缩杆不再伸缩，平台可活动体的高度不变，维持在现有高度。通过上述工作过程，本发明平台就实现了第一活动体1、第二活动体2的高度变化，进而实现发射线圈25与车底面之间的距离变化，大大提升装置的电能传输效率。

与此同时，位于第二活动体2上的第一激光测距模块21和第二激光测距模块22这一对测距模块同时接收到控制单元71发来的驱动信号，这对模块与位于第一活动体的第三激光测距模块11相对独立工作。也就是说，无论第一活动体1是否升高，只要平台与车底之间不平行，第二活动体2就旋转，以实现平台和车底间的平行关系。具体工作过程为：第二活动体2上的第一激光测距模块21、二激光测距模块22的驱动电路在同时接收到控制单元71发出的方波驱动信号后，各自激光发射探头发出光束信号，再由各自模块中的接收探头接收反射光束信号，再经过信号放大、脉冲整形、带通滤波，两信号最终由两模块输出到控制单元71。输入到控制单元71中的两信号经过测算处理后，在控制单元71与第二电机控制电路73相连的I/O口上输出不同的状态信号，可利用I/O口输出的00、01、10三种状态分别对应电机停转(不工作)、正转、反转三种状态。当第二活动体2上的第一激光测距模块21、二激光测距模块22的激光头表面到达车底面距离相等时，该I/O口输出00状态，进而负责带动第一承重旋转轴13和第二承重旋转轴131工作的第三电机76、第四电机77不工作，即平台第二活动体2的水平角度不变；当第二活动体2表面上的第一激光测距模块21的激光头表面到达车底面距离大于第二活动体2表面上的第二激光测距模块22的激光头表面到达车底面距离时，该I/O口输出01状态，第二电机控制电路73接到I/O口发出的信号后，控制第三电机76、第四电机77正传，进而第三、第四电机负责带动的旋转轴正转工作，当这对激光测距模块激光头表面到达车底面距离达到相等时，该I/O口输出00状态，第三、第四电机带动旋转轴停转；当第二活动体2上表面的第二激光测距模块22的激光头表面到达车底面距离大于第二活动体2表面上的第一激光测距模块21的激光头表面到达车底面距离时，控制单元71的I/O口输出10状态，第二电机控制电路73接到IO口发出的信号后，控制第三电机76、第四电机77反传，进而第三、第四电机负责带动的旋转轴反转工作，当这对激光测距模块激光头表面到达车底面距离达到相等时，I/O口输出00状态，第三电机76和第四电机77停转；通过上述工作过程，本发明平台就实现了第二活动体2的水平角度变化，进而实现发射线圈25与车底面之间的始终保持平行，大大提升装置的电能传输效率。

当本发明平台供电结束后，关闭总开关，装置底座9侧面工作指示灯61灭，风扇10停转，装置停止工作。

Claims (4)

1.一种基于激光测距原理的自适应电动汽车无线供电移动平台，结构包括：无线电能发射线圈(25)、市电接口(6)、工作指示灯(61)、风扇(10)、供电管理电路(70)，其特征在于，结构还有：驱动电路(7)，装置底座(9)的下表面的一端装有拉杆套鞘(8)、另一端有滚轮(4)，拉杆套鞘(8)的内部装有可伸缩拉杆(3)，装置底座(9)内部底面的左右对称位置上安装有参数相同的第一可伸缩承重杆(5)和第二可伸缩承重杆(51)，并且装置底座(9)通过第一可伸缩承重杆(5)和第二可伸缩承重杆(51)与第一活动体(1)的下表面相连，第一活动体(1)的内部嵌有第二活动体(2)，第一承重旋转轴(13)、第二承重旋转轴(131)参数相同，且第一承重旋转轴(13)的一端、第二承重旋转轴(131)的一端都固定在第二活动体(2)内部，第一承重旋转轴(13)的另一端、第二承重旋转轴(131)的另一端都与第一活动体(1)相连且能在第一活动体(1)内自由旋转，在第一活动体(1)的上表面有第三激光测距模块(11)，在第二活动体(2)的上表面有第一激光测距模块(21)和第二激光测距模块(22)，其中第一激光测距模块(21)和第二激光测距模块(22)的参数相同，第二活动体(2)的上表面和装置底座(9)的下表面均有散热孔；所述的市电接口(6)和工作指示灯(61)位于装置底座(9)的侧面，无线电能发射线圈(25)位于第二活动体(2)的内部且其上表面与第二活动体(2)的上表面平行且中心重合；所述的第一活动体(1)为空心扁环柱体结构，第二活动体(2)是嵌在第一活动体(1)内部的柱体结构，且能随着第一承重旋转轴(13)、第二承重旋转轴(131)在第一活动体(1)内自由旋转，第一活动体(1)和第二活动体(2)高度相同，且初始状态时上表面共面，第二活动体(2)的上表面的形状为圆形去掉两处位置对称、大小相同的弓形后剩余的形状，第二活动体(2)的下表面的外围形状、周长均与上表面的相同，但中心为圆形镂空，风扇(10)装在镂空位置正下方；所述的第一承重旋转轴(13)和第二承重旋转轴(131)的中心轴线在同一条直线上且所在直线与第二活动体(2)的中心轴线垂直相交，交点是第二活动体(2)的中心轴线的中点，第一承重旋转轴(13)、第二承重旋转轴(131)的中心轴线所在的直线还与第一激光测距模块(21)、第二激光测距模块(22)之间的连线相互垂直。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距原理的自适应电动汽车无线供电移动平台，其特征在于，所述的驱动电路(7)的结构包括：控制单元(71)、第一电机控制电路(72)、第二电机控制电路(73)、第一电机(74)、第二电机(75)、第三电机(76)和第四电机(77)；其中控制单元(71)通过不同的I/O口分别与第一激光测距模块(21)、第二激光测距模块(22)、第三激光测距模块(11)、第一电机控制电路(72)、第二电机控制电路(73)相连，第一电机控制电路(72)还与第一电机(74)、第二电机(75)相连，第二电机控制电路(73)还与第三电机(76)、第四电机(77)相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光测距原理的自适应电动汽车无线供电移动平台，其特征在于，所述的供电管理电路(70)的结构包括：整流滤波电路(701)、高频逆变电路(702)、降压电路(703)、反馈电路(704)；其中，降压电路(703)和高频逆变电路(702)分别与整流滤波电路(701)相连，降压电路(703)还与工作指示灯(61)和风扇(10)相连，高频逆变电路(702)还与反馈电路(704)、无线电能发射线圈(25)以及驱动电路(7)中的控制单元(71)相连，反馈电路(704)还与驱动电路(7)中的控制单元(71)相连。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于激光测距原理的自适应电动汽车无线供电移动平台，其特征在于，所述的无线电能发射线圈(25)是采用蜂房式绕制方式绕制的。