CN107031442B - 一种电动汽车位置检测装置、方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于无线传电领域，提供了一种电动汽车位置检测装置，所述装置设于一动态无线传电通道上，动态无线传电通道包括：多个设有高频交流电源的无线传电单元，设置在所述路面之下，并沿路面行车方向成列排布，用于对电动汽车进行无线传电；其中，每一无线传电单元均设有一电动汽车位置检测装置；电动汽车位置检测装置用于检测无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的相角变化，判断相角变化是否符合预设条件，若是，则控制无线传电单元的开启或关闭。本发明实施例使动态无线传电通道避免需要在公路上通过开孔、外置等手段来放置传感器的问题，可以节省动态无线传电通道的建造成本，具有装置寿命长，无需经常维护等有益效果。

Description

一种电动汽车位置检测装置、方法
技术领域
本发明属于无线传电领域，尤其涉及一种电动汽车位置检测装置、方法。
背景技术
随着各国政府鼓励对新能源汽车的投入，电动汽车作为一个较为可行的选项，获得广泛支持。
传统电动汽车充电需要特定的充电桩，通过线缆与充电桩连接，以从充电桩获取电能，但是，如今最大的问题是电池技术不能跟上电动汽车的发展，一是电容器容量有限，不能支持电动汽车的长行程需求，二是充电速度慢，每次充电均需要数小时的时间，时间过长。所以，为了解决上述问题，产生出一种多段式的无线传电系统。该无线传电系统一般采用红外、压感、视觉或距离传感器来感知汽车位置，以对无线传电系统进行启闭控制，节省能源。
但是为了感测的需要，这就需要在公路上通过开孔、外置等手段来放置传感器，造成道路施工成本高，设备使用寿命短，维护麻烦等问题。
发明内容
本发明实施例提供一种电动汽车位置检测装置、方法，旨在解决多段式无线传电系统中，为了感测需要，需要在公路上通过开孔、外置等手段来放置传感器，道路施工成本高，设备使用寿命短，维护麻烦等问题的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种电动汽车位置检测装置，所述电动汽车位置检测装置设于一动态无线传电通道上，所述动态无线传电通道包括：
多个设有高频交流电源的无线传电单元，设置在所述路面之下，并沿路面行车方向成列排布，用于对电动汽车进行无线传电；
其中，每一所述无线传电装置均设有一电动汽车位置检测装置；
所述电动汽车位置检测装置用于检测所述无线传电单元的发射端线圈及所述高频交流电源的相角变化，判断所述相角变化是否符合预设条件，若是，则控制所述无线传电单元的开启或关闭。
本发明实施例还提供一种电动汽车位置检测方法，包括以下步骤：
检测无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的相角变化；
判断所述相角变化是否符合预设条件；
若是，则控制所述无线传电单元的开启或关闭。
在本发明实施例中，通过在无线传电装置上设置根据发射端线圈及所述高频交流电源的相角变化来判断汽车位置的电动汽车位置检测模块，来实现对电动汽车的感测，避免需要在公路上通过开孔、外置等手段来放置传感器的问题，可以节省动态无线传电通道的建造成本，具有装置寿命长，无需经常维护等有益效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的磁共振或磁感应式无线传电的原理结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种动态无线传电系统的电路等效结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种动态无线传电通道的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种电动汽车位置检测装置的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的控制模块的结构连接示意图；
图6是本发明实施例提供的动态无线传电系统中发射端线圈以及接收端线圈结构示意图；
图7是本发明实施例提供的动态无线传电道路中两个发射端线圈之间的互感仿真结果图；
图8是本发明实施例提供的一种电动汽车位置检测方法的实现流程图；
图9是本发明实施例提供的一种检测无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的相角变化的实现流程图；
图10是本发明实施例提供的一种判断相角变化是否符合预设条件的实现流程图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，为本发明实施例提供的磁共振或磁感应式无线传电的原理结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
磁共振或磁感应无线传电系统，通常由高频交流电源12、发射端线圈11、接收端线圈21和负载22组成，并且使发射端与接收端的谐振频率一致，以产生磁共振或磁感应效应。当系统正常工作，且高频交流电源12的工作频率与谐振频率一致时，接收端线圈21与发射端线圈11发生共振或感应，从而实现磁共振或磁感应无线传电。
图2、3示出了本发明实施例的一种动态无线传电系统及动态无线传电通道的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
一种动态无线传电通道，包括用于行车的路面，还包括：
多个设有高频交流电源的无线传电单元，设置在所述路面之下，并沿路面行车方向成列排布，用于对电动汽车进行无线传电；
其中，每一无线传电单元均设有一电动汽车位置检测装置；
电动汽车位置检测装置用于检测无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的相角变化，判断相角变化是否符合预设条件，若是，则控制无线传电单元的开启或关闭。
在多个无线传电单元组成的无线传电通道中，可以利用电动汽车位置检测装置对电动汽车进行位置感测，使得无线传电单元可直接根据发射端线圈及高频交流电源的相角变化来判断电动汽车的位置，以对单元进行启闭控制，只在电动汽车行驶至无线传电单元的有效传电区域时才进行开启，降低了能源消耗，并且，采用检测相角变化来控制无线传电单元的启闭，避免需要在公路上通过开孔、外置等手段来放置传感器的问题，可以节省动态无线传电通道的建造成本，具有装置寿命长，无需经常维护等有益效果。
在本发明实施例中，将一个无线传电单元的有效传电覆盖范围定义为一个子供电区域，其中，P1、P2…PN为大功率高频交流电源12，整个动态供电轨道被分成若干个子供电区域，每个区域均配备了一个发射端线圈11，每个发射端线圈11通过一个继电器13与高频交流电源12相连。
当电动汽车2驶入某一个子供电区域时，相应的电动汽车位置检测装置14就会触发该无线传电单元中的继电器13，使之接通高频交流电源12，电动汽车2即可与该无线传电单元形成磁共振或磁感应效应，获得电能。当电动汽车2离开某一个子供电区域时，相应的继电器13就断开高频交流电源12以节省电能。因此，当电动汽车2在多段式供电区域内运行时，各个子供电区域将随小车的运行依次打开为电动汽车2提供电能，从而实现对电动汽车2的动态无线供电。
参见图4，作为本发明的一个实施例，电动汽车位置检测装置包括实时相角值获取模块141、相角变化值生成模块142、判断模块143以及控制模块144，其中，
实时相角值获取模块141，用于获取无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的实时相角值；
在本发明实施例中，发射端线圈及高频交流电源的实时相角值可利用霍尔元件、电路或其他可感知磁通变化的元器件或电路进行采集，并通过处理电路进行处理。
相角变化值生成模块142，用于根据从实时相角值获取模块获取的实时相角值，生成发射端线圈与高频交流电源之间的相角差值；
判断模块143，用于根据相角差值，判断相角差值是否符合预设条件；以及
控制模块144，若相角变化符合预设条件，则控制高频交流电源的开启或关闭。
在本发明实施例中，通过获取发射端线圈及高频交流电源之间的相角差值，并根据相角差值对电动汽车与发射端线圈的相对位置进行判断，可以较为准确地获知电动汽车的位置，并根据电动汽车位置对无线传电单元进行启闭控制，实现方式简单易行，无需在公路上通过开孔、外置等手段来解决传感器的放置问题。
参见图5，作为本发明的一个实施例，优选的，上述提及的预设条件包括根据所述相角差值，判断相角差值是否大于、等于或小于预设值的一种或多种组合；
其中，所述电动汽车位置检测装置包括继电器，所述控制模块包括电源开启控制子模块144a以及电源关闭控制子模块144b，其中，
电源开启控制子模块144a，用于若相角差值小于预设值时，通过继电器开启高频交流电源，以及
电源关闭控制子模块144b，用于若相角差值大于或等于预设值时，通过继电器关闭高频交流电源。
在本发明实施例中，参考图3，当汽车沿着动态供电通道行驶时，根据通道和电动汽车的线圈等参数，即可计算出线圈中电流滞后于高频交流电源12或信号电路电压的相位角的变化，根据该相位角的变化即可判断汽车与供电线圈边缘的相对位置。具体的，当系统判断该汽车与某一子供电区域的发射端线圈11与高频交流电源12之间有相角变化，并且，某一时间段内其相角差值小于一预设值，此时可以确定该汽车位于该子供电区域，则会对该汽车进行无线传电。当系统判断该汽车与某一子供电区域的发射端线圈11与高频交流电源12之间有相角变化，并且，某一时间段内其相角差值大于或等于一预设值，此时可以确定该汽车驶离该子供电区域，则会对无线传电单元进行关闭，以节约电能。
进一步的，相角可以通过公式获取：
Figure BDA0001263886580000061
具体的计算方法为，参考图2，首先令所有供电区域发射端的谐振角频率均一致为ωP0，接收端谐振角频率为ωS0，则发射端和接收端的品质因素QP和QS可以表示为：
Figure BDA0001263886580000062
Figure BDA0001263886580000063
映射阻抗即把接收端的阻抗换算到发射端时的等效阻抗，设为ZSreflect，且有：
Figure BDA0001263886580000064
则可得：
Figure BDA0001263886580000065
设发射端与接收端工作频率相对于谐振频率的偏移量为FP和FS则有：
Figure BDA0001263886580000066
Figure BDA0001263886580000067
上式中，ω为工作角频率。把公式
Figure BDA0001263886580000068
以及(3)、(5)和(6)代入式(4)中可得：
Figure BDA0001263886580000071
联合上述公式，则可得发射端的电压与电流间的相角公式。
参见图6，发射端边长分别为2w1和2h1，共N1匝，接收端边长分别为2w2和2h2，共N2匝。则初级线圈和次级线圈的互感可以表达为：
Figure BDA0001263886580000072
其中ΦAB_Z(i,j)表示发射端线圈第i匝线圈AB边上流过1A有效值的电流时，沿Z轴方向上对接收端第j匝线圈产生的磁通量，式中ΦBC_Z(i,j)、ΦCD_Z(i,j)和ΦDA_Z(i,j)同理。
当矩形线圈的长、宽、高和匝数即w、h、l和N为确定值时，电感可以通过Niwa公式计算得出，该公式如下：
Figure BDA0001263886580000073
同时又有互感系数计算公式：
Figure BDA0001263886580000074
因此，根据式(11)和式(8)，当电动汽车沿着动态无线传电通道行驶时，根据通道和电动汽车线圈的参数，即可计算出发射端线圈中电流滞后于高频交流电源或信号电路电压的相位角的变化，根据该相位角的变化即可判断电动汽车与发射端线圈边缘的相对位置。
参见图7，作为本发明的一个实施例，高频交流电源包括主供电交流电源121以及子供电交流电源122：
主供电交流电源121，当无线传电单元启动后，为发射端线圈及相位检测装置供电；以及
子供电交流电源122，当无线传电单元关闭后，为电动汽车位置检测装置供电。
在本发明实施例中，每个发射端线圈通过一个继电器与主供电交流电源121相连。与此同时，还有一个功率比主供电交流电源121小得多的子供电交流电源也连接到继电器上。当电动汽车位于无线传电单元以外、主供电交流电源121关闭时，电动汽车位置检测装置可利用子供电交流电源122供电，使其正常工作并监测该无线传电单元的充电区域是否有车辆驶进；当电动汽车位置检测装置监测到有电动汽车驶入时，再通过继电器启动大功率的主供电交流电源121，保证无线传电单元能保持工作在一个较佳的能耗水平。
作为本发明的一个实施例，优选的，预设值设定在5°～20°之间。该预设值可以保证电动汽车位置检测装置14对汽车位置检测的准确性，并能保证无线传电单元对电动汽车2保持在较高的电能传输效率，当然，因具体实施情况的不同，无线传电单元也可以采用其他数值作为预设值。
在本发明实施例中，通过在无线传电装置上设置根据发射端线圈及所述高频交流电源的相角变化来判断汽车位置的电动汽车位置检测模块，来实现对电动汽车的感测，避免需要在公路上通过开孔、外置等手段来放置传感器的问题，可以节省动态无线传电通道的建造成本，具有装置寿命长，无需经常维护等有益效果。
参见图8，为本发明实施例提供的一种电动汽车位置检测方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
在本发明实施例中，包括以下步骤：
步骤S100，检测无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的相角变化；
步骤S200，判断相角变化是否符合预设条件；
步骤S300，若是，则控制无线传电单元的开启或关闭。
在多个无线传电单元组成的无线传电通道中，可以利用电动汽车位置检测装置对电动汽车进行位置感测，使得无线传电单元可直接根据发射端线圈及高频交流电源的相角变化来判断电动汽车的位置，以对单元进行启闭控制，只在电动汽车行驶至无线传电单元的有效传电区域时才进行开启，降低了能源消耗，并且，采用检测相角变化来控制无线传电单元的启闭，避免需要在公路上通过开孔、外置等手段来放置传感器的问题，可以节省动态无线传电通道的建造成本，具有装置寿命长，无需经常维护等有益效果。
参考图3，在本发明实施例中，将一个无线传电单元的有效传电覆盖范围定义为一个子供电区域，其中，P1、P2…PN为大功率高频交流电源12，整个动态供电轨道被分成若干个子供电区域，每个区域均配备了一个发射端线圈11，每个发射端线圈11通过一个继电器13与高频交流电源12相连。
当电动汽车2驶入某一个子供电区域时，相应的电动汽车位置检测装置14就会触发该无线传电单元中的继电器13，使之接通高频交流电源12，电动汽车2即可与该无线传电单元形成磁共振或磁感应效应，获得电能。当电动汽车2离开某一个子供电区域时，相应的继电器13就断开高频交流电源12以节省电能。因此，当电动汽车2在多段式供电区域内运行时，各个子供电区域将随小车的运行依次打开为电动汽车2提供电能，从而实现对电动汽车2的动态无线供电。
参见图9，作为本发明的一个实施方式，检测无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的相角变化，包括以下步骤：
步骤S110，获取无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的实时相角值；
在本发明实施例中，发射端线圈及高频交流电源的实时相角值可利用霍尔元件、电路或其他可感知磁通变化的元器件或电路进行采集，并通过处理电路进行处理。
步骤S120，根据实时相角值，生成发射端线圈与高频交流电源之间的相角差值；
参见图10，判断相角变化是否符合预设条件，包括：
步骤S210，根据所述相角差值，判断所述相角差值是否符合预设条件；
步骤S220，若所述相角变化符合预设条件，则控制所述高频交流电源的开启或关闭。
在本发明实施例中，通过获取发射端线圈及高频交流电源之间的相角差值，并根据相角差值对电动汽车与发射端线圈的相对位置进行判断，可以较为准确地获知电动汽车的位置，并根据电动汽车位置对无线传电单元进行启闭控制，实现方式简单易行，无需在公路上通过开孔、外置等手段来解决传感器的放置问题。
作为本发明的一个实施方式，上述提及的预设条件包括根据相角差值，判断所述相角差值是否大于、等于或小于预设值的一种或多种组合。
其中，步骤S220中，若所述相角变化符合预设条件，则控制所述高频交流电源的开启或关闭，包括：
若相角差值小于预设值时，通过继电器开启高频交流电源；或者，
若相角差值大于或等于预设值时，通过继电器关闭高频交流电源。
在本发明实施例中，参考图3，当汽车沿着动态供电通道行驶时，根据通道和电动汽车的线圈等参数，即可计算出线圈中电流滞后于高频交流电源12或信号电路电压的相位角的变化，根据该相位角的变化即可判断汽车与供电线圈边缘的相对位置。具体的，当系统判断该汽车与某一子供电区域的发射端线圈11与高频交流电源12之间有相角变化，并且，某一时间段内其相角差值小于一预设值，此时可以确定该汽车位于该子供电区域，则会对该汽车进行无线传电。当系统判断该汽车与某一子供电区域的发射端线圈11与高频交流电源12之间有相角变化，并且，某一时间段内其相角差值大于或等于一预设值，此时可以确定该汽车驶离该子供电区域，则会对无线传电单元进行关闭，以节约电能。
进一步的，相角可以通过公式获取：
Figure BDA0001263886580000111
具体的计算方法为，参考图2，首先令所有供电区域发射端的谐振角频率均一致为ωP0，接收端谐振角频率为ωS0，则发射端和接收端的品质因素QP和QS可以表示为：
Figure BDA0001263886580000112
Figure BDA0001263886580000113
映射阻抗即把接收端的阻抗换算到发射端时的等效阻抗，设为ZSreflect，且有：
Figure BDA0001263886580000114
则可得：
Figure BDA0001263886580000115
设发射端与接收端工作频率相对于谐振频率的偏移量为FP和FS则有：
Figure BDA0001263886580000116
Figure BDA0001263886580000117
上式中，ω为工作角频率。把公式
Figure BDA0001263886580000118
以及(3)、(5)和(6)代入式(4)中可得：
Figure BDA0001263886580000119
联合上述公式，则可得发射端的电压与电流间的相角公式。
参见图6，发射端边长分别为2w1和2h1，共N1匝，接收端边长分别为2w2和2h2，共N2匝。则初级线圈和次级线圈的互感可以表达为：
Figure BDA0001263886580000121
其中ΦAB_Z(i,j)表示发射端线圈第i匝线圈AB边上流过1A有效值的电流时，沿Z轴方向上对接收端第j匝线圈产生的磁通量，式中ΦBC_Z(i,j)、ΦCD_Z(i,j)和ΦDA_Z(i,j)同理。
当矩形线圈的长、宽、高和匝数即w、h、l和N为确定值时，电感可以通过Niwa公式计算得出，该公式如下：
Figure BDA0001263886580000122
同时又有互感系数计算公式：
Figure BDA0001263886580000123
因此，根据式(11)和式(8)，当电动汽车沿着动态供电轨道行驶时，根据轨道和电动汽车线圈的参数，即可计算出线圈中电流滞后于高频交流电源或信号电路电压的相位角的变化，根据该相位角的变化即可判断电动汽车与发射端线圈边缘的相对位置。
作为本发明的一个实施例，优选的，预设值设定在5°～20°之间。该预设值可以保证电动汽车位置检测装置14对汽车位置检测的准确性，并能保证无线传电单元对电动汽车2保持在较高的电能传输效率，当然，因具体实施情况的不同，无线传电单元也可以采用其他数值作为预设值。
在本发明实施例中，通过在无线传电装置上设置根据发射端线圈及所述高频交流电源的相角变化来判断汽车位置的电动汽车位置检测模块，来实现对电动汽车的感测，避免需要在公路上通过开孔、外置等手段来放置传感器的问题，可以节省动态无线传电通道的建造成本，具有装置寿命长，无需经常维护等有益效果。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机、手机等终端设备的可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动汽车位置检测装置，其特征在于，所述电动汽车位置检测装置设于一动态无线传电通道上，所述动态无线传电通道包括：
多个设有高频交流电源的无线传电单元，设置在路面之下，并沿路面行车方向成列排布，用于对电动汽车进行无线传电；
其中，每一所述无线传电单元均设有一电动汽车位置检测装置；
所述电动汽车位置检测装置用于检测所述无线传电单元的发射端线圈及所述高频交流电源的相角变化，判断所述相角变化是否符合预设条件，若是，则控制所述无线传电单元的开启或关闭；
其中，所述发射端线圈及高频交流电源的相角变化为所述发射端线圈中电流滞后于所述高频交流电源电压的相角的变化。
2.如权利要求1所述的电动汽车位置检测装置，其特征在于，所述电动汽车位置检测装置包括：
实时相角值获取模块，用于获取所述无线传电单元的发射端线圈及所述高频交流电源的实时相角值；
相角变化值生成模块，用于根据从所述实时相角值获取模块获取的实时相角值，生成所述发射端线圈与所述高频交流电源之间的相角差值；
判断模块，用于根据所述相角差值，判断所述相角差值是否符合预设条件；以及
控制模块，若所述相角变化符合预设条件，则控制所述高频交流电源的开启或关闭。
3.如权利要求2所述的电动汽车位置检测装置，其特征在于，
所述预设条件包括根据所述相角差值，判断所述相角差值是否大于、等于或小于预设值的一种或多种组合；
所述电动汽车位置检测装置包括继电器，所述控制模块包括：
电源开启控制子模块，用于若所述相角差值小于预设值时，通过所述继电器开启所述高频交流电源，以及
电源关闭控制子模块，用于若所述相角差值大于或等于预设值时，通过所述继电器关闭所述高频交流电源。
4.如权利要求3所述的电动汽车位置检测装置，其特征在于，所述高频交流电源包括：
主供电交流电源，当所述无线传电单元启动后，为所述发射端线圈及相位检测装置供电；以及
子供电交流电源，当所述无线传电单元关闭后，为所述电动汽车位置检测装置供电。
5.如权利要求3所述的电动汽车位置检测装置，其特征在于，所述预设值设定在5°～20°之间。
6.如权利要求1所述的电动汽车位置检测装置，其特征在于，所述无线传电单元为磁共振或磁感应无线传电单元。
7.一种电动汽车位置检测方法，其特征在于，应用于电动汽车位置检测装置，所述电动汽车位置检测装置设于一动态无线传电通道上，所述动态无线传电通道包括：
多个设有高频交流电源的无线传电单元，设置在路面之下，并沿路面行车方向成列排布，用于对电动汽车进行无线传电；
其中，每一所述无线传电单元均设有一电动汽车位置检测装置；
所述电动汽车位置检测装置用于检测所述无线传电单元的发射端线圈及所述高频交流电源的相角变化，判断所述相角变化是否符合预设条件，若是，则控制所述无线传电单元的开启或关闭；
所述电动汽车位置检测方法包括以下步骤：
检测无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的相角变化，所述发射端线圈及高频交流电源的相角变化为所述发射端线圈中电流滞后于所述高频交流电源电压的相角的变化；
判断所述相角变化是否符合预设条件；
若是，则控制所述无线传电单元的开启或关闭。
8.如权利要求7所述的电动汽车位置检测方法，其特征在于，所述检测无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的相角变化，包括：
获取无线传电单元的发射端线圈及高频交流电源的实时相角值；
根据所述实时相角值，生成所述发射端线圈与所述高频交流电源之间的相角差值；
所述判断所述相角变化是否符合预设条件，包括：
根据所述相角差值，判断所述相角差值是否符合预设条件；
若所述相角变化符合预设条件，则控制所述高频交流电源的开启或关闭。
9.如权利要求8所述的电动汽车位置检测方法，其特征在于，所述预设条件包括：
根据所述相角差值，判断所述相角差值是否大于、等于或小于预设值的一种或多种组合；
所述若所述相角变化符合预设条件，则控制所述高频交流电源的开启或关闭，包括：
若所述相角差值小于预设值时，通过继电器开启所述高频交流电源；或者，
若所述相角差值大于或等于预设值时，通过继电器关闭所述高频交流电源。
10.如权利要求9所述的电动汽车位置检测方法，其特征在于，所述预设值设定在5°～20°之间。
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