CN107856572B - 一种汽车智能无线充电系统及其充电方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车智能无线充电系统及其充电方法，包括：电源柜、发射线圈、接触开关、红外传感器、球形护盖、球形轴、平衡弹簧、输入电缆、线圈固定卡、机械臂、电动伸缩杆、伸缩臂固定轴、固定销、垂直旋转电机、水平旋转电机、U型挡板、加强板，还包括：电源柜底座和发射线圈遮雨槽；该系统首次突破平面坐标系定位方法，采用机械臂旋转形式的极坐标系定位方法，克服了原有二维定位无线充电系统的不足，通过精准的三维定位，达到最佳的高效率充电效果，且一体化的结构设计，弥补了电源柜分离安装的不足，省去长距离电缆的拖动和能耗，而且极大改善了原有地面导轨式定位装置雨天积水漏电，无法完成充电操作的不足。

Description

一种汽车智能无线充电系统及其充电方法

技术领域

本发明涉及一种无线充电结构技术领域，尤其是一种汽车智能无线充电系统及其充电方法。

背景技术

当今世界，汽车作为一种现代化的交通运输工具，已经逐步普及到了千家万户，成为我们家庭生活的重要组成部分，为我们日常的快捷出行带来了许多便利；但目前汽车使用的主要能源为石油类产品，发动机不能完全彻底的将汽油燃烧干净，向大气中排放大量的汽车尾气，严重污染了人类的生活环境；燃油汽车排放的尾气主要污染物有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、重金属铅等几十种有害物质，是雾霾产生的重要原因之一，直接导致呼吸系统、血液循环方面的疾病，对肝脏的损坏尤为严重，对人类的健康有很大的不利影响，汽车在为人类造福的同时，也给我们的环境造成了很严重的污染；

使用新能源汽车代替燃油汽车必然是大势所趋，使用电力驱动的汽车是目前解决这一问题最有效的办法，且国家已经制定了新能源汽车的发展目标，将逐步停止燃油汽车的生产，相信不久，新能源汽车替代燃油汽车的时代就会到来；电动汽车以电力为能源，以电机为驱动力，没有任何废气排放，对大气环境没有污染与影响，可以趋利避害，最大限度的造福人类；目前电动汽车主要以电池为储能器件，为电机提供能量，因此当电池放电到临界点时，就需要重新补充电量，即需要对电池重新充电。目前电动汽车充电的方式有两种：一是有线充电，二是无线充电。有线充电：通过充电枪与汽车充电接口连接完成充电工作，与汽车加油的方法一致，只是油改电而已。因为有一条供电线缆与充电枪相连接，称为有线充电。无线充电：通过电磁感应的方式为汽车充电，地面安装有发射装置，汽车安装有接收装置，之间通过电磁感应传递能量，完成为电池充电的工作，由于是非接触式充电，所以称为无线充电；

无线充电与有线充电相比有以下的优势：

1.没有电缆与充电枪连接，充电安全方便；充电完成后，汽车可以直接开动，无需考虑连接电缆；

2.充电系统之间相互独立，电气绝缘，没有电极间的接触摩擦及间隙，不产生电火花；

3.不受环境影响，不怕尘土灰尘降雨的影响，安全可靠；

4.发射线圈可以根据需要安装在地面或其它可以方便充电的地方，最大的合理利用空间；

5.通过手机遥控操作，可以在任何时间下实现无人自动充电工作；6.充电状态实时监控，可根据充电电量随时中断充电进程，当汽车移动离开充电范围时可以自动结束充电状态；

无线充电存在的问题：

无线充电要求发射线圈与接收线圈的中心必须保证一定精度的同轴度要求，在高度方向上保持一定的间隙距离，以保证最大效率的能量传递，即要求汽车进入充电地点时停车位置需要特别的准确，在停车位置狭窄，车体尺寸各异的情况下并不容易实现，因此无线充电需要具有一种能够将发射线圈与接收线圈自动定位的功能才能满足使用条件；

鉴于目前无线充电存在的问题，为了满足未来市场的需要，紧跟电动汽车发展的步伐，我公司特别开发了一种能够自动寻找、定位的机械臂无线充电装置。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种汽车智能无线充电系统及其充电方法，该系统首次突破平面坐标系定位方法，采用机械臂旋转形式的极坐标系定位方法，克服了原有二维定位无线充电系统的不足，通过精准的三维定位，达到最佳的高效率充电效果，且一体化的结构设计，弥补了电源柜分离安装的不足，省去长距离电缆的拖动和能耗，而且极大改善了原有地面导轨式定位装置雨天积水漏电，无法完成充电操作的不足，本发明在汽车充完电后，机械臂带动线圈自动返回专用安全槽内，安全槽兼有防水防尘的作用，操作安全简单，后期维护方便；

为实现上述目的，本发明提供一种汽车智能无线充电系统及其充电方法，其中：

一种汽车智能无线充电系统，包括：电源柜、发射线圈、接触开关、红外传感器、球形护盖、球形轴、平衡弹簧、输入电缆、线圈固定卡、机械臂、电动伸缩杆、伸缩臂固定轴、固定销、垂直旋转电机、水平旋转电机、U型挡板、加强板，还包括：电源柜底座和发射线圈遮雨槽；

进一步的，所述电源柜：为总电源系统，是整个系统的安装平台；为发射线圈提供高频发射电源，同时内置控制器电路和无线接收设备；所述电源柜下部设置有水平旋转电机安装槽，用于安装水平旋转电机，同时降低系统的安装重心；

进一步的，所述发射线圈:为一导电线圈，接通电源后将发射定向电磁辐射波，为接收线圈提供辐射能量；所述发射线圈设置在所述机械臂上方，通过所述线圈固定卡与机械臂安装在一起；

进一步的，所述机械臂：为一矩形套管结构，内置电动伸缩杆，安装在伸缩臂固定轴上；在所述电动伸缩杆的带动下进行伸缩运动，在垂直旋转电机的带动下做上、下方向的运动，在水平旋转电机的带动下做水平方向上的运动；所述伸缩臂固定轴安装在在两块U型挡板之间；

进一步的，所述发射线圈上安装有接触开关、红外传感器、球形护盖、球形轴和平衡弹簧；

作为一种举例说明，所述接触开关的数量采用四组，分别安装在发射线圈的四周，当与接收线圈完全吻合平行时闭合，输出定位结束信号；

作为一种举例说明，所述红外传感器是红外信号接收装置，安装在所述发射线圈上表面的中心位置，用于接收特定的红外线信号，为所述发射线圈与接收线圈同轴定位提供坐标；

进一步的，所述球形护盖安装在发射线圈的下表面中心位置，是球形轴的固定件；

进一步的，所述球形轴安装在发射线圈的下表面中心凸起位置与球形护盖内，可容许所述发射线圈在一定的角度内倾斜变化；所述平衡弹簧安装在发射线圈与球形轴之间，起到对发射线圈保持水平的作用；

进一步的，所述输入电缆为一螺旋状电缆，为发射线圈提供高频电流；所述输入电缆的一端与所述发射线圈的一端连接，另一端与电源柜内输出端子连接；

进一步的，所述线圈固定卡一端安装在机械臂上，另一端安装有球形轴为发射线圈提供支撑连接；

进一步的，所述固定销用于将电动伸缩杆固定在机械臂内腔结构上；

进一步的，所述垂直旋转电机安装在U型挡板的一侧，其轴穿过伸缩臂固定轴的孔并与孔做刚性连接，带动机械臂做上下方向摆动；

进一步的，所述水平旋转电机安装在电源柜的水平旋转电机安装槽内，其外壳上焊接有U型挡板；其作用为带动机械臂做水平方向的摆动；

进一步的，所述U型挡板的一端焊接在水平旋转电机的外壳上，为垂直旋转电机提供安装承托面，另一端安装有加强板，在水平旋转电机的带动下做水平方向的摆动；

作为一种举例说明，电源柜底座：为电源柜和所有结构提供牢固稳定的安装底座，上面与电源柜安装，下面与地面基础安装。其上开有穿线孔、固定孔、工艺孔等结构；

作为一种举例说明，所述发射线圈遮雨槽开在电控柜的上侧面，为发射线圈提供防水、防灰尘、防坠物和防意外损伤的保护；

作为一种举例说明，所述电源柜安装有控制系统，用于对汽车进行智能无线充电操作；

作为一种举例说明，所述机械臂上可安装不同规格、不同功率的无线充电发射线圈；

为了更好的说明本发明的工作原理，简要介绍工作过程如下：

一种汽车智能无线充电系统的充电方法，包括如下步骤：

步骤一、将需要充电的汽车开到指定的充电地点，并将汽车停放在指定的停车范围内；

步骤二、启动控制系统，发出请求充电的信号，控制系统接收到相关信号后，系统将首先启动环境自动检测系统，判断环境周围是否存在障碍物，如果有障碍物存在，则报警处理，如果没有障碍物则进行下一步操作；

步骤三、控制所述机械臂由垂直状态旋转到水平状态，同时安装在汽车底盘下面的电磁接收线圈上的红外传感发射器启动，并发射特定的红外线信号，指定目标电磁接收线圈的位置坐标；

步骤四、安装在所述机械臂上的发射线圈上面的红外传感接收器接收到信号后传送给控制系统，通过控制系统计算判断后确定与目标电磁接收线圈之间的相对空间位置，并通过控制机械臂内安装的电动伸缩杆进行伸缩调节、同时水平旋转电机进行水平角度调节、达到与接收线圈中心保持同轴；

步骤五、垂直方向高度调节：当完成同轴度的调节以后，机械臂将带动发射线圈在垂直旋转电机的控制下进行上下调整，当发射线圈上安装的接触开关与接收线圈底面接触时，接触开关闭合，输出信号给控制器；当四个接触开关全部闭合，表明发射线圈与接收线圈达到完全吻合与平行状态，满足充电条件；

步骤六、当发射、接收两线圈定位结束满足充电条件时，所述控制系统自动接通发射线圈的供电电源，开始充电；充电完成后，系统自动停止；同时机械臂自动返回初始零点位置，充电流程结束。

作为一种举例说明，所述控制系统设计有计价，付款功能；

作为一种举例说明，所述发射线圈、接收线圈可以采用电容式、电磁感应式、电磁共振式充电技术中的一种或者组合；

作为一种举例说明，所述控制系统设计有自动无人充电功能，还可以通过手机app控制并实时监控充电，可随时中断充电进程，当汽车移动离开充电范围时可以自动结束充电状态，无需人员现场值守，自动完成付款；

作为一种举例说明，所述控制系统设计有环境监测功能，防止人员杂物等进入充电的操作区域，干扰正常充电作业；

本发明的有益效果：

①考虑到接收线圈安装在汽车底盘的下方，当汽车停稳后不能再移动的特点，我们将发射线圈安装在特别设计的机械臂上，通过机械臂的移动寻找、追踪接收线圈的位置，以保证发射与接收线圈对正的精度要求；

②采用单元化设计，分别有电源柜、机械臂、垂直旋转机构、水平旋转机构、发射线圈等各自独立，所有单元集成一体安装在电控箱上，节省安装空间；

③发射线圈与接收线圈完成充电，可以采用电容式、电磁感应式、电磁共振式等技术方式实现；

④本发明校准精度高，可保证以最大充电功率状态充电；

⑤可将停车场作为充电地点，可利用面积较大且安全可靠，汽车随停随充，机动灵活；

⑥采用机械臂充电方式，充电完成后机械臂可以折叠到电控柜的侧面加以保护，安全可靠；

附图说明

图1为本发明一种汽车智能无线充电系统之初始状态参考图

图2为本发明一种汽车智能无线充电系统之机械臂由垂直转向水平状态参考图

图3为本发明一种汽车智能无线充电系统之机械臂深入汽车底部的状态参考图

图4为本发明一种汽车智能无线充电系统之机械臂左右摇摆寻找定位点示意图

图5为本发明一种汽车智能无线充电系统之充电工作状态参考图

图6为本发明一种汽车智能无线充电系统之整体结构示意图

图7为本发明一种汽车智能无线充电系统之整体结构左视图

图8为本发明一种汽车智能无线充电系统之机械臂展开图

具体实施方式

下面，参考附图1-8所示，一种汽车智能无线充电系统，包括：电源柜01、发射线圈02、接触开关021、红外传感器022、球形护盖023、球形轴024、平衡弹簧025、输入电缆026、线圈固定卡027、机械臂03、电动伸缩杆031、伸缩臂固定轴032、固定销033、垂直旋转电机034、水平旋转电机04、U型挡板041、加强板042，还包括：电源柜底座05、水平旋转电机安装槽06和发射线圈遮雨槽07；

进一步的，所述电源柜01：为总电源系统，是整个系统的安装平台；为发射线圈02提供高频发射电源，同时内置控制器电路和无线接收设备；所述电源柜下部设置有水平旋转电机安装槽06，用于安装水平旋转电机04，同时降低系统的安装重心；

进一步的，所述发射线圈02:为一导电线圈，接通电源后将发射定向电磁辐射波，为接收线圈提供辐射能量；所述发射线圈设置在所述机械臂03的上方，通过所述线圈固定卡027与机械臂03安装在一起；

进一步的，所述机械臂03：为一矩形套管结构，内置电动伸缩杆031，安装在伸缩臂固定轴032上；在所述电动伸缩杆031的带动下进行伸缩运动，在垂直旋转电机034的带动下做上、下方向的运动，在水平旋转电机04的带动下做水平方向上的运动；所述伸缩臂固定轴032安装在在两块U型挡板041之间；

进一步的，所述发射线圈02上安装有接触开关021、红外传感器022、球形护盖023、球形轴024和平衡弹簧025；

作为一种举例说明，所述接触开关021的数量采用四组，分别安装在发射线圈02的四周，当与接收线圈完全吻合平行时闭合，输出定位结束信号；

作为一种举例说明，所述红外传感器022是红外信号接收装置，安装在所述发射线圈02上表面的中心位置，用于接收特定的红外线信号，为所述发射线圈02与接收线圈同轴定位提供坐标；

进一步的，所述球形护盖023安装在发射线圈02的下表面中心位置，是球形轴024的固定件；

进一步的，所述球形轴024安装在发射线圈02的下表面中心凸起位置与球形护盖023内，可容许所述发射线圈02在一定的角度内倾斜变化；所述平衡弹簧025安装在发射线圈02与球形轴024之间，起到对发射线圈02保持水平的作用；

进一步的，所述输入电缆026为一螺旋状电缆，为发射线圈02提供高频电流；所述输入电缆026的一端与所述发射线圈02的一端连接，另一端与电源柜01内输出端子连接；

进一步的，所述线圈固定卡027一端安装在机械臂03上，另一端安装有球形轴024为发射线圈02提供支撑连接；

进一步的，所述固定销033用于将电动伸缩杆031固定在机械臂03内腔结构上；

进一步的，所述垂直旋转电机034安装在U型挡板041的一侧，其轴穿过伸缩臂固定轴032的孔并与孔做刚性连接，带动机械臂03做上下方向摆动；

进一步的，所述水平旋转电机04安装在电源柜01的水平旋转电机安装槽06内，其外壳上焊接有U型挡板041；其作用为带动机械臂03做水平方向的摆动；

进一步的，所述U型挡板041的一端焊接在水平旋转电机04的外壳上，为垂直旋转电机034提供安装承托面，另一端安装有加强板042，在水平旋转电机04的带动下做水平方向的摆动；

作为一种举例说明，电源柜底座05：为电源柜01和所有结构提供牢固稳定的安装底座，上面与电源柜01安装，下面与地面基础安装，其上开有穿线孔、固定孔、工艺孔等结构；

作为一种举例说明，所述发射线圈遮雨槽,07开在电控柜的上侧面，为发射线圈02提供防水、防灰尘、防坠物和防意外损伤的保护；

作为一种举例说明，所述电源柜01安装有控制系统，用于对汽车进行智能无线充电操作；

作为一种举例说明，所述机械臂03上可安装不同规格、不同功率的无线充电发射线圈02；

为了更好的说明本发明的工作原理，简要介绍工作过程如下：

一种汽车智能无线充电系统的充电方法，包括如下步骤：

步骤一、将需要充电的汽车开到指定的充电地点，并将汽车停放在指定的停车范围内；

步骤二、启动控制系统，发出请求充电的信号，控制系统接收到相关信号后，系统将首先启动环境自动检测系统，判断环境周围是否存在障碍物，如果有障碍物存在，则报警处理，如果没有障碍物则进行下一步操作；

步骤三、控制所述机械臂03由垂直状态旋转到水平状态，同时安装在汽车底盘下面的电磁接收线圈上的红外传感发射器启动，并发射特定的红外线信号，指定目标电磁接收线圈的位置坐标；

步骤四、安装在所述机械臂03上的发射线圈02上面的红外传感接收器022接收到信号后传送给控制系统，通过控制系统计算判断后确定与目标电磁接收线圈之间的相对空间位置，并通过控制机械臂03内安装的电动伸缩杆031进行伸缩调节、同时水平旋转电机04进行水平角度调节、达到与接收线圈中心保持同轴；

步骤五、垂直方向高度调节：当完成同轴度的调节以后，机械臂03将带动发射线圈02在垂直旋转电机034的控制下进行上下调整，当发射线圈02上安装的接触开关021与接收线圈底面接触时，接触开关021闭合，输出信号给控制器；当四个接触开关021全部闭合，表明发射线圈02与接收线圈达到完全吻合与平行状态，满足充电条件；

步骤六、当发射、接收两线圈定位结束满足充电条件时，所述控制系统自动接通发射线圈的供电电源，开始充电；充电完成后，系统自动停止；同时机械臂03自动返回初始零点位置，充电流程结束。

作为一种举例说明，所述控制系统设计有计价，付款功能；

作为一种举例说明，所述发射线圈02、接收线圈可以采用电容式、电磁感应式、电磁共振式充电技术中的一种或者组合；

作为一种举例说明，所述控制系统设计有自动无人充电功能，还可以通过手机app控制并实时监控充电，可随时中断充电进程，当汽车移动离开充电范围时可以自动结束充电状态，无需人员现场值守，自动完成付款；

作为一种举例说明，所述控制系统设计有环境监测功能，防止人员杂物等进入充电的操作区域，干扰正常充电作业；

考虑到接收线圈安装在汽车底盘的下方，当汽车停稳后不能再移动的特点，我们将发射线圈安装在特别设计的机械臂上，通过机械臂的移动寻找、追踪接收线圈的位置，以保证发射与接收线圈对正的精度要求；采用单元化设计，分别有电源柜01、机械臂03、垂直旋转机构、水平旋转机构、发射线圈02等各自独立，所有单元集成一体安装在电控箱上，节省安装空间；发射线圈02与接收线圈完成充电，可以采用电容式、电磁感应式、电磁共振式等技术方式实现；本发明校准精度高，可保证以最大充电功率状态充电；可将停车场作为充电地点，可利用面积较大且安全可靠，汽车随停随充，机动灵活；采用机械臂充电方式，充电完成后机械臂03可以折叠到电控柜的侧面加以保护，安全可靠；

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种汽车智能无线充电系统，其特征在于，包括：电源柜、发射线圈、接触开关、红外传感器、球形护盖、球形轴、平衡弹簧、输入电缆、线圈固定卡、机械臂、电动伸缩杆、伸缩臂固定轴、固定销、垂直旋转电机、水平旋转电机、U型挡板、加强板，还包括：电源柜底座和发射线圈遮雨槽；

所述电源柜：为总电源系统，是整个系统的安装平台；为发射线圈提供高频发射电源，同时内置控制器电路和无线接收设备；所述电源柜下部设置有水平旋转电机安装槽，用于安装水平旋转电机，同时降低系统的安装重心；

所述发射线圈:为一导电线圈，接通电源后将发射定向电磁辐射波，为接收线圈提供辐射能量；所述发射线圈设置在所述机械臂上方，通过所述线圈固定卡与机械臂安装在一起；

所述机械臂：为一矩形套管结构，内置电动伸缩杆，安装在伸缩臂固定轴上；在所述电动伸缩杆的带动下进行伸缩运动，在垂直旋转电机的带动下做上、下方向的运动，在水平旋转电机的带动下做水平方向上的运动；所述伸缩臂固定轴安装在两块U型挡板之间；

所述发射线圈上安装有接触开关、红外传感器、球形护盖、球形轴和平衡弹簧；

所述球形护盖安装在发射线圈的下表面中心位置，是球形轴的固定件；

所述球形轴安装在发射线圈的下表面中心凸起位置与球形护盖内，容许所述发射线圈倾斜变化；所述平衡弹簧安装在发射线圈与球形轴之间，起到对发射线圈保持水平的作用；

所述输入电缆为一螺旋状电缆，为发射线圈提供高频电流；所述输入电缆的一端与所述发射线圈的一端连接，另一端与电源柜内输出端子连接；

所述线圈固定卡一端安装在机械臂上，另一端安装有球形轴为发射线圈提供支撑连接；

所述固定销用于将电动伸缩杆固定在机械臂内腔结构上；

所述垂直旋转电机安装在U型挡板的一侧，其轴穿过伸缩臂固定轴的孔并与孔做刚性连接，带动机械臂做上下方向摆动；

所述水平旋转电机安装在电源柜的水平旋转电机安装槽内，其外壳上焊接有U型挡板；其作用为带动机械臂做水平方向的摆动；

所述电源柜安装有控制系统，用于对汽车进行智能无线充电操作；所述控制系统设计有环境监测功能；

所述U型挡板的一端焊接在水平旋转电机的外壳上，为垂直旋转电机提供安装承托面，另一端安装有加强板，在水平旋转电机的带动下做水平方向的摆动；

所述接触开关的数量采用四组，分别安装在发射线圈的四周，当与接收线圈完全吻合平行时闭合，输出定位结束信号；

所述机械臂上安装不同规格、不同功率的无线充电发射线圈。

2.根据权利要求1所述的一种汽车智能无线充电系统，其特征在于，所述红外传感器是红外信号接收装置，安装在所述发射线圈上表面的中心位置，用于接收红外线信号，为所述发射线圈与接收线圈同轴定位提供坐标。

3.根据权利要求2所述的一种汽车智能无线充电系统，其特征在于，所述电源柜下安装有电源柜底座。

4.基于权利要求1所述的一种汽车智能无线充电系统的充电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将需要充电的汽车开到指定的充电地点，并将汽车停放在指定的停车范围内；

步骤二、启动控制系统，发出请求充电的信号，控制系统接收到相关信号后，系统将首先启动环境自动检测系统，判断环境周围是否存在障碍物，如果有障碍物存在，则报警处理，如果没有障碍物则进行下一步操作；

步骤三、控制所述机械臂由垂直状态旋转到水平状态，同时安装在汽车底盘下面的电磁接收线圈上的红外传感发射器启动，并发射红外线信号，指定目标电磁接收线圈的位置坐标；

步骤四、安装在所述机械臂上的发射线圈上面的红外传感接收器接收到信号后传送给控制系统，通过控制系统计算判断后确定与目标电磁接收线圈之间的相对空间位置，并通过控制机械臂内安装的电动伸缩杆进行伸缩调节、同时水平旋转电机进行水平角度调节、达到与接收线圈中心保持同轴；

步骤五、垂直方向高度调节：当完成同轴度的调节以后，机械臂将带动发射线圈在垂直旋转电机的控制下进行上下调整，当发射线圈上安装的接触开关与接收线圈底面接触时，接触开关闭合，输出信号给控制器；当四个接触开关全部闭合，表明发射线圈与接收线圈达到完全吻合与平行状态，满足充电条件；

步骤六、当发射、接收两线圈定位结束满足充电条件时，所述控制系统自动接通发射线圈的供电电源，开始充电；充电完成后，系统自动停止；同时机械臂自动返回初始零点位置，充电流程结束。

5.根据权利要求4所述的一种汽车智能无线充电系统的充电方法，其特征在于，所述控制系统设计有计价，付款功能。

6.根据权利要求5所述的一种汽车智能无线充电系统的充电方法，其特征在于，所述发射线圈、接收线圈采用电容式、电磁感应式、电磁共振式充电技术中的一种或者组合。

7.根据权利要求6所述的一种汽车智能无线充电系统的充电方法，其特征在于，所述控制系统设计有自动无人充电功能，通过手机app控制并实时监控充电，随时中断充电进程，当汽车移动离开充电范围时自动结束充电状态，无需人员现场值守，自动完成付款。