CN107839513B - 用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置 - Google Patents

用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，包括充电桩控制单元和车载控制单元，充电桩控制单元包括充电桩控制器、第一检测半球面、第一旋转驱动装置、非接触充电原边线圈、非接触充电桩原边电路和第一无线模块，第一检测半球面的外表面上铺设有若干个探测电感线圈；车载控制单元包括车载控制器、第二检测半球面、第二旋转驱动装置、非接触充电副边线圈、非接触充电副边电路和第二无线模块，第二检测半球面的外表面上铺设有若干个接收电感线圈。本发明通过检测不同方位的探测电感线圈和接收电感线圈的最大传输电压，利用它们的空间相对方位和夹角使非接触充电原边线圈和非接触充电副边线圈进行自动对正，保证传输功率的最大化。

Description

用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置
技术领域
本发明涉及非接触供电及自动控制的技术领域，尤其涉及一种用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置。
背景技术
电动汽车传统供电方式的充电管理是一个耗费心力的事情，充电前需要用供电线缆将充电桩与汽车相连，如果忘记连接供电线缆，则影响下次出行。尤其是在雨雪天气，室外供电线缆的插头潮湿，连接供电线缆还要冒着被电击的危险。与传统供电方式相比，非接触充电技术的优越性是显而易见的。在停车位的地面下安装供电线圈，非接触充电电路能够根据无线反馈情况，自动确定是否向安装在汽车底盘上的受电线圈提供电能并向汽车电池充电。
目前，世界上有许多科研机构对电动汽车非接触充电系统进行研究。电动汽车充电系统将一组受电线圈装置安装在汽车的底盘上，将另一组供电线圈装置安装在地面，当电动汽车停在停车位的供电线圈装置上方时，供电线圈启动供电，向受电线圈提供能量，对电动汽车的蓄电池充电，充电完成后切断供电线圈电源。
使用非接触充电桩向电动汽车充电的前提是在停车过程中原、副边线圈位置需要完全对正。众所周知，线圈不对正会大幅影响充电效率和传输功率，而电动汽车充电功率大，即使功率下降1%也是一个可观的能量损失，因此采用线圈自动移动位置对正的方法更经济合理。当电动汽车停在充电线圈上的车位时，非接触充电原边线圈(L U)和非接触充电副边线圈(L V)相对放置由自动对正调节系统调节到水平方向x轴和y轴完全对正。非接触充电原边线圈L U和非接触充电副边线圈L V沿x、y、z三个坐标轴移动的示意图如图1所示。
要实现非接触供电系统的原、副边线圈对正需要对其精确地定位，对其定位的精度需要在厘米级别才可以实现精确的定位检测系统。众所周知，卫星定位系统的定位精度在几米以上，使用物联网的短距离无线定位通信系统的精度大概在1米左右。这些定位方法均无法准确定位非接触供电系统的原、副边线圈所处的空间相对位置。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，通过设置不同方位的探测电感线圈和接收电感线圈，通过查找传送功率较大的探测电感线圈和接收电感线圈的方位调整非接触供电系统的原、副边线圈所处的空间相对方位和夹角，根据这个夹角进行旋转实现非接触供电系统的原、副边线圈的精确定位和对正，实现充电的传输功率最大化。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，包括充电桩控制单元和车载控制单元，所述充电桩控制单元包括充电桩控制器、第一检测半球面、第一旋转驱动装置、非接触充电原边线圈L U、非接触充电桩原边电路和第一无线模块，第一旋转驱动装置与非接触充电原边线圈L U相连接，非接触充电桩原边电路与非接触充电原边线圈L U相连接，第一旋转驱动装置、非接触充电桩原边电路和第一无线模块均与充电桩控制器相连接；所述第一检测半球面的外表面上铺设有若干个探测电感线圈，充电桩控制器上设有若干个与探测电感线圈相匹配的输出端口，每个探测电感线圈通过一个探测信号产生电路与相对应的输出端口相连接；所述车载控制单元包括车载控制器、第二检测半球面、第二旋转驱动装置、非接触充电副边线圈L V、非接触充电副边电路和第二无线模块，非接触充电副边线圈L V与非接触充电原边线圈L U相耦合，第二无线模块与第一无线模块通过无线通信相连接，第二旋转驱动装置与非接触充电副边线圈L V相连接，非接触充电副边电路与非接触充电副边线圈L V相连接，第二旋转驱动装置、非接触充电副边电路和第二无线模块均与车载控制器相连接；所述第二检测半球面的外表面上铺设有若干个接收电感线圈，接收电感线圈与探测电感线圈相耦合，每个接收电感线圈通过一个探测信号接收电路与车载控制器上相对应的输入端口相连接。
所述第一检测半球面的外表面上设有16个探测电感线圈，探测电感线圈安装在第一检测半球面的不同位置，充电桩控制器上设有16个输出端口；探测信号产生电路和探测信号接收电路的数量设有16个，充电桩控制器的输出端口分别与探测信号产生电路相连接；第二检测半球面的外表面上设有16个接收电感线圈，接收电感线圈安装在第二检测半球面的不同位置；每个探测信号接收电路均设有普通电压信号输出端和放大电压信号输出端，车载控制器上设有32个输入端口，探测信号接收电路的输出端分别与车载控制器的输入端口相连接。
所述探测信号产生电路包括电容C A1~C A6、电阻R A1~R A8、二极管D A1~D A3、三极管T A1~T A3、场效应管M A1和电感L A2~L A3；
充电桩控制器的输出端口分别与电容C A1、电阻R A1、二极管D A1相连接，电容C A1电阻R A1和二极管D A1并联连接，电容C A1、电阻R A1和二极管D A1均与三极管T A1的基极和电阻R A2相连接，电阻R A2和三极管T A1的发射极与第一公共端GND1相连接；三极管T A1集电极通过电阻R A3与正12V电源相连接，电阻R A3与三极管T A1集电极的连接点分别与电容C A2、电阻R A4和二极管D A2相连接，电容C A2、电阻R A4和二极管D A2并联连接，电容C A2、电阻R A4和二极管D A2均与电阻R A5、三极管T A2的基极、三极管T A3的基极相连接，三极管T A2的发射极分别与正12V电源和电感L A2相连接，三极管T A2的集电极和三极管T A3的集电极均与电容C A3、电阻R A6和二极管D A3相连接，三极管T A3的发射极与第一公共端GND1相连接；电容C A3、电阻R A6和二极管D A3并联连接，电容C A3、电阻R A6和二极管D A3均与电阻R A7和场效应管M A1的门极相连接，场效应管M A1的漏极分别与电容C A4、电感L A2和电感L A3相连接，场效应管M A1的源极和电容C A4均与第一公共端GND1相连接；电感L A3与电容C A5、电容C A6相连接，电容C A5与电容C A6并联连接，电容C A5和电容C A6均与探测电感线圈和电阻R A8相连接，探测电感线圈和电阻R A8的另一端与第一公共端GND1相连接。
所述探测信号接收电路包括电容C 11~C 12、电阻R 11~R 14、二极管D 11~D 14、稳压二极管D 15、运算放大器AMP1；
接收电感线圈与电容C 11并联连接，二极管D 11~D 14构成整流桥，电容C 11的两端与二极管D 11~D 14构成的整流桥输入端相连接，D 11~D 14构成的整流桥输出端与电容C 12并联连接，电容C 12与电阻R 12并联连接，电容C 12与电阻R 12的连接点分别与电阻R 11和车载控制器（21）的一个输入端口相连接，二极管D 13的阴极、二极管D 14的阴极、电容C 12、电阻R 12和电阻R 13均与第二公共端GND2相连接；电阻R 11与运算放大器AMP1的同相输入端相连，运算放大器AMP1与正5V电源和第二公共端GND2相连接，电阻R 13分别与运算放大器AMP1的反向输入端和第二公共端GND2相连接，运算放大器AMP1的反向输入端通过电阻R 14与运算放大器AMP1的输出端相连接，运算放大器AMP1的输出端与稳压二极管D 15、车载控制器的另一输入端口相连接。
所述第一检测半球面按照六等分线分割得到36个面，取中间的16个面分别放置16个探测电感线圈，第二检测半球面按照六等分线分割得到36个面，取中间的16个面分别放置16个接收电感线圈。
所述充电桩控制单元固定安装在车位的地面位置，非接触充电原边线圈L U安装在停车位地平面上；所述车载控制单元安装在车辆上，非接触充电副边线圈L V安装在汽车的底盘上；所述第一检测半球面安装在非接触充电原边线圈L U的圆心位置，第二检测半球面安装在非接触充电副边线圈L V的圆心位置。
其工作方法为：当电动汽车上车载控制单元停在停车位上充电桩控制单元的上方时，控制步骤如下：
步骤一：当充电桩控制单元的第一无线模块与安装在车辆上的车载控制单元的第二无线模块通信成功后，充电桩控制器的输出端口I/OA输出控制时钟信号u A1，信号u A1驱动第一路探测信号产生电路，在第一路探测电感线圈两端产生高频交流信号u A，第一路接收电感线圈~第十六路接收电感线圈均可接收到该交流信号u A；第一路信号接收电感线圈接收到的交流信号为u 1a，第一路探测信号接收电路将交流信号u 1a整流滤波后得到普通电压信号u 1b送给车载控制器的输入端口A/D11，同时，运算放大器AMP1将普通电压信号u 1b放大后得到放大电压信号u 1c送给车载控制器的输入端口A/D12；同理，第二路探测信号接收电路~第十六路探测信号接收电路分别将对应的信号u 2a~u 16a整流后分别得到信号u 2b~u 16b，然后分别送给车载控制器的输入端口A/D21~A/D161，同时，运算放大器AMP2~AMP16分别将信号放大后得到信号u 2c~u 16c，信号u 2c~u 16c分别送给车载控制器的输出端口A/D22~A/D162；
车载控制器比较普通电压信号u 1b~u 16b的大小，找到最大的端口电压，车载控制器判断该端口电压对应的接收电感线圈；当普通电压信号u 1b~u 16b均比较小，车载控制器比较信号u 1c~u 16c的大小，找到最大的端口电压，车载控制器判断该端口电压对应的接收电感线圈；车载控制器将判断的接收电感线圈的信息通过第二无线模块发送给第一无线模块，第一无线模块将该信息传递给充电桩控制器；
步骤二：充电桩控制器的输出端口I/OB输出控制时钟信号u B1，与步骤一的处理过程类同，车载控制器找到最大的端口电压，判断该端口电压对应的接收电感线圈，并将该接收电感线圈的信息发送给充电桩控制器；以此类推，充电桩控制器的输出端口I/OC~I/OP依次输出控制时钟信号u C1~u P1，充电桩控制器依次收到车载控制器经由第二无线模块和第一无线模块发来的接收电感线圈的信息；
步骤三：充电桩控制器根据接收电感线圈的信息判断出输出端口I/OA~I/OP中哪一个输出端口发出的信号，在接收电感线圈中哪一个线圈接收到的电压为最大值，找到接近对正状态的接收电感线圈和探测电感线圈；充电桩控制器经由第二无线模块和第一无线模块将这个对应关系发给车载控制器；
步骤四：车载控制器判断获得的接收电感线圈在第二检测半球面的位置及其在三维空间中所处的相对位置，充电桩控制器判断获得的探测电感线圈在第一检测半球面的位置及其在三维空间中所处的相对位置；
步骤五：充电桩控制器控制第一旋转驱动装置带动非接触充电原边线圈L U转动至与获得的探测电感线圈平行，车载控制器控制第二旋转驱动装置带动非接触充电副边线圈L V转动至与获得的接收电感线圈平行，可实现非接触充电原边线圈L U和非接触充电副边线圈L V平行对正。
本发明的有益效果：通过检测不同方位的探测电感线圈和接收电感线圈传送的电压，找到传输功率较大的探测电感线圈和接收电感线圈的相位，作为非接触充电原边线圈和非接触充电副边线圈传输功率最大时所处的空间相对方位和夹角，根据这个夹角旋转非接触充电原边线圈和非接触充电副边线圈使其对正；此外，根据非接触充电原边线圈、非接触充电副边线圈的夹角和水平方向的距离可以计算出非接触充电原边线圈和非接触充电副边线圈的中心点之间的距离，检测到该距离可供控制查询使用，调节该距离可以达到传递功率最大化以及效率最优化的特殊效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的非接触充电原边线圈和非接触充电副边线圈沿x、y、z三个坐标轴移动的示意图。
图2为本发明的充电桩控制单元的电路示意图。
图3为本发明的车载控制单元的电路示意图。
图4为本发明的第一检测半球面和第二检测半球面的空间位置侧面观察示意图。
图5为本发明的第一检测半球面和第二检测半球面的空间位置顶面观察示意图。
图6为本发明的第一检测半球面的仰视图。
图7为本发明的第二检测半球面的的俯视图。
图8为本发明供电线圈未旋转状态与检测线圈组合示意图。
图9为本发明供电线圈旋转对正状态与检测线圈组合示意图。
图10为本发明示例中信号传递对应的波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，包括充电桩控制单元和车载控制单元，充电桩控制单元和车载控制单元通过无线相连接。如图2所示，所述充电桩控制单元包括充电桩控制器31、第一检测半球面32、第一旋转驱动装置33、非接触充电原边线圈L U、非接触充电桩原边电路34和第一无线模块35，第一旋转驱动装置33与非接触充电原边线圈L U相连接，第一旋转驱动装置33受充电桩控制器31控制，驱动非接触充电原边线圈L U转动。非接触充电桩原边电路34与非接触充电原边线圈L U相连接，第一旋转驱动装置33、非接触充电桩原边电路34和第一无线模块35均与充电桩控制器31相连接；所述第一检测半球面32的外表面上铺设有若干个探测电感线圈，充电桩控制器31上设有若干个与探测电感线圈相匹配的输出端口，每个探测电感线圈通过一个探测信号产生电路与相对应的输出端口相连接。充电桩控制器31的每个输出端口输出等幅等频的控制脉冲电压信号，控制脉冲电压信号均通过各自的探测信号产生电路将电压传送至探测电感线圈。
如图3所示，车载控制单元包括车载控制器21、第二检测半球面22、第二旋转驱动装置23、非接触充电副边线圈L V、非接触充电副边电路24和第二无线模块25。非接触充电副边线圈L V与非接触充电原边线圈L U相耦合，实现电能的传输。第二无线模块25与第一无线模块35通过无线相连接，实现充电桩控制单元和车载控制单元之间数据的相互传送。第二旋转驱动装置23与非接触充电副边线圈L V相连接，第二旋转驱动装置23受车载控制器21控制，驱动非接触充电副边线圈L V转动。非接触充电副边电路24与非接触充电副边线圈L V相连接，实现非接触充电副边线圈L V的驱动。第二旋转驱动装置23、非接触充电副边电路24和第二无线模块25均与车载控制器21相连接。第二检测半球面22的外表面上铺设有若干个接收电感线圈，接收电感线圈与探测电感线圈相耦合，每个接收电感线圈通过一个探测信号接收电路与车载控制器21上相对应的输入端口相连接。接收电感线圈可以接收到所有探测电感线圈的信号，该信号经过各自的探测信号接收电路传送至车载控制器21。车载控制器21通过比较输入端口接收的电压即可找到每个探测电感线圈对应的传输功率较大的接收电感线圈。最后，通过比较每个接收电感线圈的输出电压即可找到传送功率比较大的探测电感线圈和接收电感线圈。充电桩控制器31控制第一旋转驱动装置33旋转非接触充电原边线圈L U与获得的探测电感线圈的方位相同，车载控制器21控制第二旋转驱动装置23旋转非接触充电副边线圈L V与获得的接收电感线圈的方位相同，实现非接触充电原边线圈L U和非接触充电副边线圈L V的对正，达到非接触供电传输功率的最大化。
第一检测半球面32的外表面上设有16个探测电感线圈，包括第一路探测电感线L A~第十六路探测电感线圈L P，第一路探测电感线L A~第十六路探测电感线圈L P安装在第一检测半球面32的不同位置。充电桩控制器31上设有16个输出端口，包括输出端口I/OA~输出端口I/OP。探测信号产生电路和探测信号接收电路的数量设有16个，探测信号产生电路包括第一路探测信号产生电路A~第十六路探测信号产生电路P，探测信号接收电路包括第一路探测信号接收电路1~第十六路探测信号接收电路16。充电桩控制器31的输出端口I/OA~P分别与第一路探测信号产生电路A~第十六路探测信号产生电路P相连接。第二检测半球面22的外表面上设有16个接收电感线圈，接收电感线圈包括第一路接收电感线圈L 1~第十六路接收电感线圈L 16。第一路接收电感线圈L 1~第十六路接收电感线圈L 16安装在第二检测半球面22的不同位置。每个探测信号接收电路均设有普通电压信号输出端和放大电压信号输出端，普通电压信号输出端分别输出电压信号u 1b~u 16b，放大电压信号输出端分别输出电压信号u 1c~u 16c，车载控制器21上设有32个输入端口，探测信号接收电路的输出端分别与车载控制器21的输入端口相连接。输出电压信号u 1b~u 16b分别连接输入端口A/D11~输入端口A/D161，输出电压信号u 1c~u 16c分别连接输入端口A/D12~输入端口A/D162。
所述第一路探测信号产生电路A包括电容C A1~C A6、电阻R A1~R A8、二极管D A1~D A3、三极管T A1~T A3、场效应管M A1和电感L A2~L A3。充电桩控制器31的I/OA输出方波电压u A1，输出端口I/OA分别与电容C A1、电阻R A1、二极管D A1相连接，电容C A1电阻R A1和二极管D A1并联连接，电容C A1、电阻R A1和二极管D A1均与三极管T A1的基极和电阻R A2相连接，电阻R A2和三极管T A1的发射极与第一公共端GND1相连接；三极管T A1集电极通过电阻R A3与正12V电源相连接，电阻R A3与三极管T A1集电极的连接点分别与电容C A2、电阻R A4和二极管D A2相连接，电容C A2、电阻R A4和二极管D A2并联连接，电容C A2、电阻R A4和二极管D A2均与电阻R A5、三极管T A2的基极、三极管T A3的基极相连接，三极管T A2的发射极分别与正12V电源和电感L A2相连接，三极管T A2的集电极和三极管T A3的集电极均与电容C A3、电阻R A6和二极管D A3相连接，三极管T A3的发射极与第一公共端GND1相连接；电容C A3、电阻R A6和二极管D A3并联连接，电容C A3、电阻R A6和二极管D A3均与电阻R A7和场效应管M A1的门极相连接，场效应管M A1的漏极分别与电容C A4、电感L A2和电感L A3相连接，场效应管M A1的源极和电容C A4均与第一公共端GND1相连接；电感L A3与电容C A5、电容C A6相连接，电容C A5与电容C A6并联连接，电容C A5和电容C A6均与第一路探测电感线圈L A和电阻R A8相连接，第一路探测电感线圈L A和电阻R A8的另一端与第一公共端GND1相连接。
第二路探测信号产生电路B~第十六路探测信号产生电路P与第一路探测信号产生电路A的工作原理、连接方式、元件选型均相同。
第一路探测信号接收电路1包括电容C 11~C 12、电阻R 11~R 14、二极管D 11~D 14、稳压二极管D 15、运算放大器AMP1；第一路信号接收电感线圈L 1与电容C 11并联连接，二极管D 11~D 14构成整流桥，电容C 11的两端与二极管D 11~D 14构成的整流桥输入端相连接，D 11~D 14构成的整流桥输出端与电容C 12并联连接，电容C 12与电阻R 12并联连接，电容C 12与电阻R 12的连接点分别与电阻R 11和车载控制器21的一个输入端口A/D11相连接，二极管D 13的阴极、二极管D 14的阴极、电容C 12、电阻R 12和电阻R 13均与第二公共端GND2相连接；电阻R 11与运算放大器AMP1的同相输入端相连，运算放大器AMP1与正5V电源和第二公共端GND2相连接，电阻R 13分别与运算放大器AMP1的反向输入端和第二公共端GND2相连接，运算放大器AMP1的反向输入端通过电阻R 14与运算放大器AMP1的输出端相连接，运算放大器AMP1的输出端与稳压二极管D 15、车载控制器21的另一输入端口A/D12相连接。
第二路探测信号接收电路2~第十六路探测信号接收电路16与第一路探测信号接收电路1的工作原理、连接方式、元件选型均相同。
第一检测半球面32按照六等分线分割得到36个面，取中间的16个面分别放置16个探测电感线圈，第二检测半球面22按照六等分线分割得到36个面，取中间的16个面分别放置16个接收电感线圈。
充电桩控制单元固定安装在车位的地面位置，即充电桩控制器31、第一路探测信号产生电路A~第十六路探测信号产生电路P、第一路探测电感线圈L A~第十六路探测电感线圈L P、第一检测半球面32、第一旋转驱动装置33、非接触充电原边线圈L U、非接触充电桩原边电路34、第一无线模块35安装在固定车位的地面位置。车载控制单元安装在车辆上，即车载控制器21、第一路探测信号接收电路1~第十六路探测信号接收电路16、第一路信号接收电感线圈L 1~第十六路信号接收电感线圈L 16、第二检测半球面22、第二旋转驱动装置23、非接触充电副边线圈L V、非接触充电副边电路24、第二无线模块25安装在车辆上。将非接触充电副边线圈L V安装在汽车的底盘上，将非接触充电原边线圈L U安装在停车位地平面上。第一检测半球面32安装在非接触充电原边线圈L U的圆心位置，第二检测半球面22安装在非接触充电副边线圈L V的圆心位置。第一检测半球面32和第二检测半球面22的空间位置侧面观察示意图如图4所示，第一检测半球面32和第二检测半球面22的空间位置顶面观察示意图如图5所示，它们之间在空间上有一定的距离和相位。
将第一检测半球面32按照六等分线分割得到36个面，取中间的16个面放置第一路探测电感线圈L A~第十六路探测电感线圈L P，如图6所示。将第二检测半球面22按照六等分线分割得到36个面，取中间的16个面放置第一路信号接收电感线圈L 1~第十六路信号接收电感线圈L 16，如图7所示。
当电动汽车停在停车位上方时，先判断非接触充电原边线圈L U与非接触充电副边线圈L V的相对位置是否完全对正，如果已对正，非接触充电桩原边电路34向非接触充电原边线圈L U供电，向非接触充电副边线圈L V提供能量，对电动汽车的蓄电池充电，充电完成后切断非接触充电原边线圈L U的电源；如果没有对正，由本装置自动检测第一检测半球面32和第二检测半球面22的相对位置，并对正调节非接触充电原边线圈L U、非接触充电副边线圈L V，直到完全对正，再启动非接触充电桩原边电路34供电。
图1为非接触充电原边线圈L U和非接触充电副边线圈L V沿x、y、z三个坐标轴移动的示意图。由于只考虑原、副边线圈位置完全对正的情况，开发非接触充电系统的思路更清晰。使用非接触充电桩向电动汽车充电，线圈不对正会大幅影响充电效率和传输功率，由于电动汽车充电功率大，采用线圈自动移动位置对正的方法更经济合理。当电动汽车停在停车位的非接触充电原边线圈L U装置上方时，由本发明自动对正调节非接触充电原边线圈L U、非接触充电副边线圈L V，直到完全对正。
其工作方法为：当电动汽车上车载控制单元停在停车位上充电桩控制单元的上方时，控制步骤如下：
步骤一：当充电桩控制单元的第一无线模块35与安装在车辆上的车载控制单元的第二无线模块25通信成功后，充电桩控制器31的输出端口I/OA输出控制时钟信号u A1，信号u A1驱动第一路探测信号产生电路A，在第一路探测电感线圈L A两端产生高频交流信号u A，第一路接收电感线圈L 1~第十六路接收电感线圈L 16均可接收到该交流信号u A；第一路信号接收电感线圈L 1接收到的交流信号为u 1a，第一路探测信号接收电路1将交流信号u 1a整流滤波后得到普通电压信号u 1b送给车载控制器21的输入端口A/D11，同时，运算放大器AMP1将普通电压信号u 1b放大后得到放大电压信号u 1c送给车载控制器21的输入端口A/D12；同理，第二路探测信号接收电路2~第十六路探测信号接收电路16分别将对应的信号u 2a~u 16a整流后分别得到信号u 2b~u 16b，然后分别送给车载控制器21的输入端口A/D21~A/D161，同时，运算放大器AMP2~AMP16分别将信号放大后得到信号u 2c~u 16c，信号u 2c~u 16c分别送给车载控制器21的输出端口A/D22~A/D162。
车载控制器21比较普通电压信号u 1b~u 16b的大小，找到最大的端口电压，车载控制器21判断该端口电压对应的接收电感线圈（接收电感线圈L 1~L 16中的一个）；当普通电压信号u 1b~u 16b均比较小，车载控制器21比较信号u 1c~u 16c的大小，找到最大的端口电压，车载控制器21判断该端口电压对应的接收电感线圈；车载控制器21将判断的接收电感线圈的信息通过第二无线模块25发送给第一无线模块35，第一无线模块35将该信息传递给充电桩控制器31。
步骤二：充电桩控制器31的输出端口I/OB输出控制时钟信号u B1，与步骤一的处理过程类同，车载控制器21找到最大的端口电压，判断该端口电压对应的接收电感线圈，并将该接收电感线圈的信息发送给充电桩控制器31；以此类推，充电桩控制器31的输出端口I/OC~I/OP依次输出控制时钟信号u C1~u P1，充电桩控制器31依次收到车载控制器21经由第二无线模块25和第一无线模块35发来的接收电感线圈的信息。
充电桩控制器31的输出端口I/OA~I/OP依次输出16个控制时钟信号u A1~u P1，每个控制时钟信号发出后，车载控制器收到16个普通电压信号u 1b~u 16b，因此共计得到16×16=256个对应的信号，从u A1- u 1b到u P1- u 16b；当充电桩控制器31的输出端口I/OA~I/OP依次输出16个控制时钟信号u A1~u P1的时候，每个控制时钟信号发出后，车载控制器能接收到16个放大电压信号u 1c~u 16c，因此共计得到16×16=256个对应的信号，从u A1- u 1c到u P1- u 16c。
步骤三：充电桩控制器31根据接收电感线圈的信息判断出输出端口I/OA~I/OP中哪一个输出端口发出的信号，在接收电感线圈中哪一个线圈接收到的电压为最大值，找到接近对正状态的接收电感线圈和探测电感线圈；充电桩控制器31经由第二无线模块25和第一无线模块35将这个对应关系发给车载控制器21；
步骤四：车载控制器21判断获得的接收电感线圈在第二检测半球面22的位置及其在三维空间中所处的相对位置，充电桩控制器31判断获得的探测电感线圈在第一检测半球面32的位置及其在三维空间中所处的相对位置。
步骤五：充电桩控制器31控制第一旋转驱动装置33带动非接触充电原边线圈L U转动至与获得的探测电感线圈平行，车载控制器21控制第二旋转驱动装置23带动非接触充电副边线圈L V转动至与获得的接收电感线圈平行，可实现非接触充电原边线圈L U和非接触充电副边线圈L V平行对正，即非接触充电原边线圈L U和非接触充电副边线圈L V所对应的二个平面经过的法线重合。
判断是否非接触充电原边线圈L U和非接触充电副边线圈L V对正的方法是依次输出等幅等频的控制脉冲电压u A1~u P1（波形、频率、幅值完全相同），逐个启动第一路探测电感线圈L A~第十六路探测电感线圈L P，每启动一路探测电感线圈的同时检测各路接收电感线圈整流滤波后的电压信号u 1b~u 16b，这样得到未经放大的256个对应的信号电压如表1所示，表1仅给出电压编号，并未给出电压值。控制脉冲电压u A1~u P1分时输出后，在16个不同的时间段中，每个时间段得到16组接收电感线圈整流滤波后的电压信号u 1b~u 16b。随着耦合距离和耦合方向的不同，每组的电压信号u 1b~u 16b各不相同，即得到256个对应的信号电压，比较这256个对应的信号电压u 1b~u 16b的大小得到最大值。在得到接收电压信号的最大值后，即得到该最大值对应的探测电感线圈和接收电感线圈的编号，可以判断这两个电感线圈近似于对正的状态。
例如，在某次检测过程中得到表1编号所对应的电压值，电压信号u G1- u 6b为最大值，即表示充电桩控制器31发出的控制脉冲电压信号u G1后对应的电压信号u 6b为256个对应的信号电压的最大值；充电桩控制器31存储表1的对应关系，此时从表1查出电压信号u G1- u 6b所对应的第七路探测电感线圈L G和第六路信号接收电感线圈L 6。第七路探测电感线圈L G和第六路信号接收电感线圈L 6的中心点的连线与地面的空间夹角即等于当前非接触充电原边线圈L U与非接触充电副边线圈L V的中心点的连线与地面的空间夹角。此时，充电桩控制器31和车载控制器21发出控制指令，通过第一旋转驱动装置33和第二旋转驱动装置23分别旋转非接触充电原边线圈L U和非接触充电副边线圈L V沿三维空间的x轴和y轴旋转使其对正。供电线圈未旋转状态与检测线圈组合示意图图如8所示，供电线圈旋转对正状态与检测线圈组合示意图如图9所示。其中，第一检测半球面32固定在地面不旋转，第二检测半球面22 固定在汽车上也不旋转。此时，对应的电压信号u G1、u G、u 6b的波形示意图如图10所示，其中充电桩控制器31的输出电压信号u G1为方波，频率为500kHz，低电平为0 V，高电平为3.3 V；电压信号u G1为近似正弦波，频率为500 kHz；电压信号u 6b为正弦波，频率为500 kHz。
在上述判断过程中，如果出现表1中对应的256个信号电压u A1~u P1--u 1b~u 16b整体偏低的情况，即由于第一检测半球面32和第二检测半球面22偏离的距离比较远最大电压小于0.5 V，则上述比较判断的准确度会受到一定影响，此时则需要对信号电压u 1b~u 16b同比例放大得到电压信号电压u 1c~u 16c，得到256个信号电压u A1~u P1--u 1c~u 16c如表2所示，对该组电压的比较与判断方法同上，在得到放大后的接收电压信号的最大值后，即得到该最大值对应的探测电感线圈和接收电感线圈，可以判断这两个电感线圈近似于对正的状态。
信号电压u 1b比例放大得到电压信号电压u 1c，放大的比例近似等于：u 1c=u 1b·（1+R 14/R 13），根据样机中硬件的特点，放大倍数选6倍。
在具体实例中，充电桩控制器31和车载控制器21选用STM32微处理器；第一路探测信号接收电路1~第十六路探测信号接收电路16中的运算放大器选用LM358；第一路探测电感线圈L A~第十六路探测电感线圈L P、第一路信号接收电感线圈L 1~第十六路信号接收电感线圈L 16均为空心线圈（无磁芯）；第二无线模块25和第一无线模块35选用NRF24L01芯片。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，包括充电桩控制单元和车载控制单元，其特征在于，所述充电桩控制单元包括充电桩控制器（31）、第一检测半球面（32）、第一旋转驱动装置（33）、非接触充电原边线圈L U、非接触充电桩原边电路（34）和第一无线模块（35），第一旋转驱动装置（33）与非接触充电原边线圈L U相连接，非接触充电桩原边电路（34）与非接触充电原边线圈L U相连接，第一旋转驱动装置（33）、非接触充电桩原边电路（34）和第一无线模块（35）均与充电桩控制器（31）相连接；所述第一检测半球面（32）的外表面上铺设有若干个探测电感线圈，充电桩控制器（31）上设有若干个与探测电感线圈相匹配的输出端口，每个探测电感线圈通过一个探测信号产生电路与相对应的输出端口相连接；所述车载控制单元包括车载控制器（21）、第二检测半球面（22）、第二旋转驱动装置（23）、非接触充电副边线圈L V、非接触充电副边电路（24）和第二无线模块（25），非接触充电副边线圈L V与非接触充电原边线圈L U相耦合，第二无线模块（25）与第一无线模块（35）通过无线通信相连接，第二旋转驱动装置（23）与非接触充电副边线圈L V相连接，非接触充电副边电路（24）与非接触充电副边线圈L V相连接，第二旋转驱动装置（23）、非接触充电副边电路（24）和第二无线模块（25）均与车载控制器（21）相连接；所述第二检测半球面（22）的外表面上铺设有若干个接收电感线圈，接收电感线圈与探测电感线圈相耦合，每个接收电感线圈通过一个探测信号接收电路与车载控制器（21）上相对应的输入端口相连接；所述探测电感线圈和接收电感线圈均包括多个不同方位的线圈。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，其特征在于，所述第一检测半球面（32）的外表面上设有16个探测电感线圈，探测电感线圈安装在第一检测半球面（32）的不同位置，充电桩控制器（31）上设有16个输出端口；探测信号产生电路和探测信号接收电路的数量均设有16个，充电桩控制器（31）的输出端口分别与探测信号产生电路相连接；第二检测半球面（22）的外表面上设有16个接收电感线圈，接收电感线圈安装在第二检测半球面（22）的不同位置；每个探测信号接收电路均设有普通电压信号输出端和放大电压信号输出端，车载控制器（21）上设有32个输入端口，探测信号接收电路的输出端分别与车载控制器（21）的输入端口相连接。
3.根据权利要求1或2所述的用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，其特征在于，所述探测信号产生电路包括电容C A1~C A6、电阻R A1~R A8、二极管D A1~D A3、三极管T A1~T A3、场效应管M A1和电感L A2~L A3；
充电桩控制器（31）的输出端口分别与电容C A1、电阻R A1、二极管D A1相连接，电容C A1电阻R A1和二极管D A1并联连接，电容C A1、电阻R A1和二极管D A1均与三极管T A1的基极和电阻R A2相连接，电阻R A2和三极管T A1的发射极与第一公共端GND1相连接；三极管T A1集电极通过电阻R A3与正12V电源相连接，电阻R A3与三极管T A1集电极的连接点分别与电容C A2、电阻R A4和二极管D A2相连接，电容C A2、电阻R A4和二极管D A2并联连接，电容C A2、电阻R A4和二极管D A2均与电阻R A5、三极管T A2的基极、三极管T A3的基极相连接，三极管T A2的发射极分别与正12V电源和电感L A2相连接，三极管T A2的集电极和三极管T A3的集电极均与电容C A3、电阻R A6和二极管D A3相连接，三极管T A3的发射极与第一公共端GND1相连接；电容C A3、电阻R A6和二极管D A3并联连接，电容C A3、电阻R A6和二极管D A3均与电阻R A7和场效应管M A1的门极相连接，场效应管M A1的漏极分别与电容C A4、电感L A2和电感L A3相连接，场效应管M A1的源极和电容C A4均与第一公共端GND1相连接；电感L A3与电容C A5、电容C A6相连接，电容C A5与电容C A6并联连接，电容C A5和电容C A6均与探测电感线圈和电阻R A8相连接，探测电感线圈和电阻R A8的另一端与第一公共端GND1相连接。
4.根据权利要求1或2所述的用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，其特征在于，所述探测信号接收电路包括电容C 11~C 12、电阻R 11~R 14、二极管D 11~D 14、稳压二极管D 15、运算放大器AMP1；
接收电感线圈与电容C 11并联连接，二极管D 11~D 14构成整流桥，电容C 11的两端与二极管D 11~D 14构成的整流桥输入端相连接，D 11~D 14构成的整流桥输出端与电容C 12并联连接，电容C 12与电阻R 12并联连接，电容C 12与电阻R 12的连接点分别与电阻R 11和车载控制器（21）的一个输入端口相连接，二极管D 13的阴极、二极管D 14的阴极、电容C 12、电阻R 12和电阻R 13均与第二公共端GND2相连接；电阻R 11与运算放大器AMP1的同相输入端相连，运算放大器AMP1与正5V电源和第二公共端GND2相连接，电阻R 13分别与运算放大器AMP1的反向输入端和第二公共端GND2相连接，运算放大器AMP1的反向输入端通过电阻R 14与运算放大器AMP1的输出端相连接，运算放大器AMP1的输出端与稳压二极管D 15、车载控制器（21）的另一输入端口相连接。
5.根据权利要求1或2所述的用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，其特征在于，所述第一检测半球面（32）按照六等分线分割得到36个面，取中间的16个面分别放置16个探测电感线圈，第二检测半球面（22）按照六等分线分割得到36个面，取中间的16个面分别放置16个接收电感线圈。
6.根据权利要求5所述的用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，其特征在于，所述充电桩控制单元固定安装在车位的地面位置，非接触充电原边线圈L U安装在停车位地平面上；所述车载控制单元安装在车辆上，非接触充电副边线圈L V安装在汽车的底盘上；所述第一检测半球面（32）安装在非接触充电原边线圈L U的圆心位置，第二检测半球面（22）安装在非接触充电副边线圈L V的圆心位置。
7.根据权利要求1或6所述的用于电动汽车非接触线圈旋转的控制装置，其特征在于，其工作方法为：当电动汽车上车载控制单元停在停车位上充电桩控制单元的上方时，控制步骤如下：
步骤一：当充电桩控制单元的第一无线模块（35）与安装在车辆上的车载控制单元的第二无线模块（25）通信成功后，充电桩控制器（31）的输出端口I/OA输出控制时钟信号u A1，信号u A1驱动第一路探测信号产生电路（A），在第一路探测电感线圈L A两端产生高频交流信号u A，第一路接收电感线圈L 1~第十六路接收电感线圈L 16均可接收到该交流信号u A；第一路信号接收电感线圈L 1接收到的交流信号为u 1a，第一路探测信号接收电路（1）将交流信号u 1a整流滤波后得到普通电压信号u 1b送给车载控制器（21）的输入端口A/D11，同时，运算放大器AMP1将普通电压信号u 1b放大后得到放大电压信号u 1c送给车载控制器（21）的输入端口A/D12；同理，第二路探测信号接收电路（2）~第十六路探测信号接收电路（16）分别将对应的信号u 2a~u 16a整流后分别得到信号u 2b~u 16b，然后分别送给车载控制器（21）的输入端口A/D21~A/D161，同时，运算放大器AMP2~AMP16分别将信号放大后得到信号u 2c~u 16c，信号u 2c~u 16c分别送给车载控制器（21）的输出端口A/D22~A/D162；
车载控制器（21）比较普通电压信号u 1b~u 16b的大小，找到最大的端口电压，车载控制器（21）判断该端口电压对应的接收电感线圈；当普通电压信号u 1b~u 16b均比较小，车载控制器（21）比较信号u 1c~u 16c的大小，找到最大的端口电压，车载控制器（21）判断该端口电压对应的接收电感线圈；车载控制器（21）将判断的接收电感线圈的信息通过第二无线模块（25）发送给第一无线模块（35），第一无线模块（35）将该信息传递给充电桩控制器（31）；
步骤二：充电桩控制器（31）的输出端口I/OB输出控制时钟信号u B1，信号u B1驱动第二路探测信号产生电路（B），在第二路探测电感线圈L B两端产生高频交流信号u B，第一路接收电感线圈L 1~第十六路接收电感线圈L 16均可接收到该交流信号u B；车载控制器（21）找到最大的端口电压，判断该端口电压对应的接收电感线圈，并将该接收电感线圈的信息发送给充电桩控制器（31）；以此类推，充电桩控制器（31）的输出端口I/OC~I/OP依次输出控制时钟信号u C1~u P1，充电桩控制器（31）依次收到车载控制器（21）经由第二无线模块（25）和第一无线模块（35）发来的接收电感线圈的信息；
步骤三：充电桩控制器（31）根据接收电感线圈的信息判断出输出端口I/OA~I/OP中哪一个输出端口发出的信号，在接收电感线圈中哪一个线圈接收到的电压为最大值，找到接近对正状态的接收电感线圈和探测电感线圈；充电桩控制器（31）经由第二无线模块（25）和第一无线模块（35）将这个对应关系发给车载控制器（21）；
步骤四：车载控制器（21）判断获得的接收电感线圈在第二检测半球面（22）的位置及其在三维空间中所处的相对位置，充电桩控制器（31）判断获得的探测电感线圈在第一检测半球面（32）的位置及其在三维空间中所处的相对位置；
步骤五：充电桩控制器（31）控制第一旋转驱动装置（33）带动非接触充电原边线圈L U转动至与获得的探测电感线圈平行，车载控制器（21）控制第二旋转驱动装置（23）带动非接触充电副边线圈L V转动至与获得的接收电感线圈平行，可实现非接触充电原边线圈L U和非接触充电副边线圈L V平行对正。
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Assignee: Zhengzhou Adorno Electronic Technology Co.,Ltd.

Assignor: HENAN INSTITUTE OF ENGINEERING

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Denomination of invention: Control device for non-contact coil rotation in electric vehicles

Granted publication date: 20191227

License type: Common License

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