CN106936225B - 一种用于电动汽车无线充电的定位系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动汽车无线充电领域，具体涉及一种用于电动汽车无线充电的定位系统及其方法。本发明包括电能接收部分，电能发射部分，位于电能接收部分和电能发射部分之间的定位系统，与电能发射部分、定位系统分别通过电缆连接的控制器；控制器包括电能发射控制器、定位控制器，电能发射控制器接收来自定位控制器的信号，电能发射部分的发射线圈连接电能发射控制器，定位系统的平衡线圈连接定位控制器。本发明采用较大的发射线圈，显著提高了接收线圈位置的水平自由度，使用平衡线圈的定位系统，可及时提醒车主线圈是否对准。本发明平衡线圈的检测电路部分增加了电压峰值检测电路，能够有效降低外界因素对装置检测稳定性的影响，提高检测的精度。

Description

一种用于电动汽车无线充电的定位系统及其方法
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电领域，具体涉及一种用于电动汽车无线充电的定位系统及其方法。
背景技术
我国大城市的大气污染已不能忽视,燃油汽车排放是主要污染源之一,目前已有16个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中，我国现今汽车的拥有量是每1000人平均10辆汽车,但石油资源不足,每年需进口几千万吨石油。随着经济的发展,假如中国汽车持有量达到现在全球每1000人有110辆汽车的水平,石油进口就成为大问题.因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施, 而是意义重大的、长远的战略考虑。
电动汽车本身不排放污染大气的有害气体,废气排出比燃油汽车减少95%左右，即使按所耗电量换算为发电厂的排放,除硫和微粒外,其他污染物也显著减少。由于电厂大多建在远离人口密集的城市,对人类伤害较少,而且电厂是固定不动的,集中的排放,清除各种有害排放物较容易,也已有了相关技术。同时电能可以从多种一次能源获得,如煤、核能、水力等,可缓解人类对石油资源的依赖以及对其日见枯竭的担心。
动力电池的电气充电方法包括接触式充电和无线充电[Wireless PowerTransmission, WPT]。WPT便于实现无人自动充电和移动式充电，在保证所需行驶里程的前提下，可通过频繁充电来大幅减少EV配备的动力电池容量，减轻车体重量，提高能量的有效利用率，推进EV的市场化。
现有的电动汽车无线充电技术对于收发线圈的对准问题常采用限位杆来解决，限位杆虽然能大致使发射端和接收端两者对齐，但现有的无线充电技术的传输效率与位置的偏移量关系较大。再者，限位杆并不能为电动汽车的左右位置提供约束，而且不一样型号的电动汽车的长短宽窄是不一样的。所以，将电动汽车停在车位上发射电磁组件和接收电磁组件发生偏移的情况占大多数。采用限位杆对准方式的精确度不够，不能保持充电过程的高效率；某些采用接收端可移动式的设计，不仅会增加装置的复杂程度而且车底空间有限，可调范围极其有限。
发明内容
针对电动汽车无线充电在位置未对准的情况下效率低下的问题，本发明提出了一种设计简单、灵敏度高、使电动汽车无线充电装置保持在高效率充电状态的通过平衡线圈进行汽车定位的电动汽车无线充电装置。
本发明采取的技术方案是一种用于电动汽车无线充电的定位系统，其特殊之处在于：包括安装在汽车底盘的电能接收部分1，铺设在地面的电能发射部分2，定位系统3，与电能发射部分2、定位系统3分别通过电缆4连接的控制器5；
所述电能接收部分包括电能接收控制器、接收线圈Ls和大功率高频整流电路；
所述定位系统位于电能接收部分1和电能发射部分2之间。
所述控制器5包括电能发射控制器、定位控制器，所述电能发射控制器接收来自定位控制器的信号，所述电能发射控制器包括整流滤波电路、大功率逆变电路、发射控制模块；所述定位控制器包括电压放大电路、峰值检测电路、定位控制模块；
所述电能发射部分的发射线圈2连接电能发射控制器，所述定位系统的平衡线圈3连接定位控制器，所述电能接收部分的接收线圈面积小于所述电能发射部分的发射线圈面积。
进一步地，在电能发射控制器内，所述整流滤波电路的输入端与交流电源连接，整流滤波电路的输出端通过调整工作电压值的DC-DC升降压斩波电路与大功率逆变电路的输入端相连，在发射控制模块构成的电能发射控制器的调整下，将变换后的电能间断送入发射线圈Lp中使其产生交变磁场；
接收线圈Ls进入到发射线圈Lp的交变磁场中，经过连接大功率高频整流电路之后，变成直流电连接至电池充电。
进一步地，所述平衡线圈为两个并行对称设置的定位线圈，平衡线圈紧贴发射线圈安装，通过检测平衡线圈电势差，确定电动汽车的最佳充电位置距离。
进一步地，所述电能接收部分还包括设置在大功率高频整流电路输出端和电池输入端之间的滤波电容、位于电池输出端和电能发射控制器输入端之间的电池电压和充电电流检测单元；所述电池为动力电池。
进一步地，所述的大功率逆变电路采用全桥逆变电路，所述全桥逆变电路使用IGBT作为开关管，所述IGBT开关管的控制方式为双极性PWM控制方法。
进一步地，所述接收部分还包括不可控整流器，所述不可控整流器采用快恢复二极管的单相桥式整流器。
进一步地，所述电池采用的是三段式充电模式。
本发明还提供一种用于电动汽车无线充电的定位方法，其特殊之处在于：采用本发明提供的定位系统对电动汽车进行无线充电时的定位方法，具体步骤如下：
步骤1、在定位控制器内设置平衡线圈电势差的原始值、过压保护值、定位阈值；
步骤2，电动汽车驶入定位系统上方，随着发射线圈与接收线圈的靠近，手机app启动充电功能通过云平台自动获得电动汽车的定位信息，若定位信息准确则开始充电，若定位信息有误则执行步骤3；
步骤3、在电动汽车驶入定位系统后，进行过压保护测定，获得电压检测值后，将电压检测值与过压保护值进行比较，如超出过压保护值，系统出现故障，报警并启动断电，待故障排除后，再次将重新测定的电压检测值与过压保护值进行比较；若电压检测值在过压保护值的合理范围内，则执行步骤4；
步骤4、根据发射线圈产生的磁场，两个并行对称设置的定位线圈感应得到电势差，并对电势差进行放大、整流、滤波、峰值检测、A/D转换后存储在定位控制器内；
步骤5、定位控制器将电势差与原始值的差值和定位阈值之间进行比较，若差值大于定位阈值，则用户再次驾驶电动汽车定位，执行步骤2；若差值小于定位阈值，则电动汽车继续在停留位置进行充电，直至手机app显示充电结束后，用户驾驶离开定位系统。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明针对现有电动汽车无线充电装置在定位和对准的一些不足，本发明采用较大的发射线圈，显著提高了接收线圈位置的水平自由度，同时使用平衡线圈的定位系统，可及时提醒车主线圈是否对准。
2、本发明采用的是平衡线圈技术，在实现车辆定位的同时，对于收发线圈耦合区域混入的金属异物也具有检测的能力。由于收发线圈耦合区域存在高频的磁场，混入耦合区域的金属在涡流效应的影响下会急剧地发热，对人员和装置的安全都会造成严重的威胁。本发明可在耦合区域混入金属的情况下及时地发出警报并断开电源，保护人员与设备的安全。
3、本发明平衡线圈的检测电路部分增加了电压峰值检测电路，能够有效降低外界因素对装置检测稳定性的影响，提高检测的精度。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是电动汽车无线充电的电路示意图。
图3是本发明平衡线圈的结构图。
图4是平衡线圈实现汽车定位的流程图。
图5是本发明控制器的结构示意图。
标记说明：1、电能接收部分，2、电能发射部分，3、定位系统，4、电缆，5、控制器。
具体实施方式
下面结合附图1-5对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供用于电动汽车无线充电的定位系统，主要包括地面部分和车载部分。其中地面部分包括电缆4、控制器5、设置有发射线圈的电能发射部分2，车载部分包括设置有接收线圈的电能接收部分1。还包括位于电能接收部分1和电能发射部分2之间的定位系统3，电能发射部分2、定位系统3分别通过电缆4连接的控制器5。
结合图1-2，电能接收部分包括电能接收控制器、接收线圈Ls和大功率高频整流电路；其中电能接收控制器为接收端ARM。
所述控制器5包括电能发射控制器、定位控制器，所述电能发射控制器接收来自定位控制器的信号，所述电能发射控制器包括整流滤波电路、大功率逆变电路、发射控制模块；所述定位控制器包括电压放大电路、峰值检测电路、定位控制模块。
所述电能发射部分的发射线圈2连接电能发射控制器，其中，电能发射控制器为发射端ARM。所述定位系统的平衡线圈 3连接定位控制器，所述的电能接收部分的接收线圈面积小于所述电能发射部分的发射线圈面积。
在电能发射控制器内，所述整流滤波电路的输入端与220V交流电源连接，整流滤波电路的输出端通过DC-DC升降压斩波电路调整到适合的工作电压值后，与大功率逆变电路的输入端相连，在发射控制模块构成的电能发射控制器的调整下，将变换后的电能间断送入发射线圈Lp中使其产生交变磁场；
接收线圈Ls进入到发射线圈Lp的交变磁场中，，产生共振，继而产生电流，经过连接大功率高频整流电路之后，变成直流电连接至电池充电。
所述电能接收部分还包括设置在大功率高频整流电路输出端和电池输入端之间的滤波电容、位于电池输出端和电能发射控制器输入端之间的电池电压和充电电流检测单元；所述电池为动力电池。位于充电汽车上的电池电压和充电电流检测单元实时监测接收端数值，调整变换后输入接收端ARM构成的电能接收控制器；接收端ARM控制着调整输出电压电流，以保证可靠的给电池充电；发射端ARM与接收端ARM通过蓝牙或wifi进行连接通讯。
所述的大功率逆变电路采用全桥逆变电路，所述全桥逆变电路使用IGBT作为开关管，所述IGBT开关管的控制方式为双极性PWM控制方法。
所述的电能发射部分还包括通过谐振电容与高频逆变器相连的升降压斩波电路、通过功率因数补偿电容与升降压斩波电路相连的输入220V交流电的不可控整流器、对升降压斩波电路进行PWM控制的ARM芯片。所述不可控整流器采用快恢复二极管的单相桥式整流器。
所述电池采用的是三段式充电模式。
如图3所示，所述平衡线圈为两个并行对称设置的定位线圈，平衡线圈紧贴发射线圈安装，通过检测平衡线圈电势差，确定电动汽车的最佳充电位置距离。
平衡线圈的工作原理为：发射线圈中通入高频交变电压，从而产生高频交变磁场，在两个差动连接的接收线圈中产生两个反相、同频、等幅的电动势，正常情况下能够相互抵消。当由于收发线圈没有对准时，两个差动连接的接收线圈处的磁场强度不同，感应出的电动势的幅值不一样，平衡被打破，产生一个电势差，被平衡线圈电动势检测电路检测到，并进行放大，整形等变换操作后，进入发射端ARM进行处理运算。运算后的数据通过蓝牙返回至接收端ARM，通过显示单元显示出来，供驾驶员调整车身，继续对齐接收线圈与发射线圈的相对位置。
由于传统的平衡线圈占据空间体积较大，在能量传输空间较小的无线电能传输系统中很难应用，所以基于传统原理提出改进的平衡线圈，结构如图3所示平衡线圈不再安装在发射线圈两侧，而是采用两个并行对称的半圆形接收线圈，紧贴发射线圈安装，简化了安装流程，继承了传统平衡线圈的高检测精度和灵敏度以及优越的抗干扰性能等优点，同时具有更好的适用性。
利用平衡线圈进行汽车定位的流程图如图4所示，由于设备温度漂移以及外界震动等因素的影响，每次上电检测之前检测电压差都会有细微变化，这对精确位置检测具有较大影响。故在系统上电前记录一次电压差，接着系统上电，过压保护电路保证系统不过压，将此时检测的电压差减去上电前的电压差后得到的电压进行放大和整流滤波，通过峰值检测和AD转换后将信号送入ARM芯片中。ARM芯片比对输入信号与设定值的大小，得出车辆是否偏离的信息，进而可以提醒车主目前的位置情况。
根据本发明提供发用于电动汽车无线充电的定位系统，具体定位方法采用如下步骤。
步骤1、在定位控制器内设置平衡线圈电势差的原始值、过压保护值、定位阈值。
步骤2，电动汽车驶入定位系统上方，随着发射线圈与接收线圈的靠近，手机app启动充电功能通过云平台自动获得电动汽车的定位信息，若定位信息准确则开始充电，若定位信息有误则执行步骤3。
步骤3、在电动汽车驶入定位系统后，进行过压保护测定，获得电压检测值后，将电压检测值与过压保护值进行比较，如超出过压保护值，系统出现故障，报警并启动断电，待故障排除后，再次将重新测定的电压检测值与过压保护值进行比较；若电压检测值在过压保护值的合理范围内，则执行步骤4。
步骤4、根据发射线圈产生的磁场，两个并行对称设置的定位线圈感应得到电势差，并对电势差进行放大、整流、滤波、峰值检测、A/D转换后存储在定位控制器内。
步骤5、定位控制器将电势差与原始值的差值和定位阈值之间进行比较，若差值大于定位阈值，则用户再次驾驶电动汽车定位，执行步骤2；若差值小于定位阈值，则电动汽车继续在停留位置进行充电，直至手机app显示充电结束后，用户驾驶离开定位系统。

Claims (6)

1.一种用于电动汽车无线充电的定位方法，基于以下的用于电动汽车无线充电的定位系统实现，其特征在于：
所述定位系统包括：安装在汽车底盘的电能接收部分（1），铺设在地面的电能发射部分（2），定位系统（3），与电能发射部分（2）、定位系统（3）分别通过电缆（4）连接的控制器（5）；所述电能接收部分包括电能接收控制器、接收线圈Ls和高频整流电路；所述定位系统位于电能接收部分（1）和电能发射部分（2）之间，所述控制器（5）包括电能发射控制器、定位控制器，所述电能发射控制器接收来自定位控制器的信号，所述电能发射控制器包括整流滤波电路、逆变电路、发射控制模块；所述定位控制器包括电压放大电路、峰值检测电路、定位控制模块； 所述电能发射部分的发射线圈（2）连接电能发射控制器，所述定位系统的平衡线圈 （3）连接定位控制器，所述电能接收部分的接收线圈面积小于所述电能发射部分的发射线圈面积；所述平衡线圈为两个并行对称设置的定位线圈，平衡线圈紧贴发射线圈安装，通过检测平衡线圈电势差，确定电动汽车的最佳充电位置距离；
所述定位方法的具体步骤如下：
步骤1、在定位控制器内设置平衡线圈电势差的原始值、过压保护值、定位阈值；
步骤2，电动汽车驶入定位系统上方，随着发射线圈与接收线圈的靠近，手机app启动充电功能通过云平台自动获得电动汽车的定位信息，若定位信息准确则开始充电，若定位信息有误则执行步骤3；
步骤3、在电动汽车驶入定位系统后，进行过压保护测定，获得电压检测值后，将电压检测值与过压保护值进行比较，如超出过压保护值，系统出现故障，报警并启动断电，待故障排除后，再次将重新测定的电压检测值与过压保护值进行比较；若电压检测值在过压保护值的合理范围内，则执行步骤4；
步骤4、根据发射线圈产生的磁场，两个并行对称设置的定位线圈感应得到电势差，并对电势差进行放大、整流、滤波、峰值检测、A/D转换后存储在定位控制器内；
步骤5、定位控制器将电势差与原始值的差值和定位阈值之间进行比较，若差值大于定位阈值，则用户再次驾驶电动汽车定位，执行步骤2；若差值小于定位阈值，则电动汽车继续在停留位置进行充电，直至手机app显示充电结束后，用户驾驶离开定位系统。
2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车无线充电的定位方法，其特征在于：
在电能发射控制器内，所述整流滤波电路的输入端与交流电源连接，整流滤波电路的输出端通过调整工作电压值的DC-DC升降压斩波电路与逆变电路的输入端相连，在发射控制模块构成的电能发射控制器的调整下，将变换后的电能间断送入发射线圈Lp中使其产生交变磁场；
接收线圈Ls进入到发射线圈Lp的交变磁场中，经过连接高频整流电路之后，变成直流电连接至电池充电。
3.根据权利要求2所述的一种用于电动汽车无线充电的定位方法，其特征在于：
所述电能接收部分还包括设置在高频整流电路输出端和电池输入端之间的滤波电容、位于电池输出端和电能发射控制器输入端之间的电池电压和充电电流检测单元；所述电池为动力电池。
4.根据权利要求3所述的一种用于电动汽车无线充电的定位方法，其特征在于：所述的逆变电路采用全桥逆变电路，所述全桥逆变电路使用IGBT作为开关管，所述IGBT开关管的控制方式为双极性PWM控制方法。
5.根据权利要求4所述的一种用于电动汽车无线充电的定位方法，其特征在于：所述接收部分还包括不可控整流器，所述不可控整流器采用快恢复二极管的单相桥式整流器。
6.根据权利要求5所述的一种用于电动汽车无线充电的定位方法，其特征在于：所述电池采用的是三段式充电模式。
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