CN108233549A - 一种用于电动汽车无线充电的定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车无线充电的定位系统，包括原边单元和副边单元，原边单元包括原边功率线圈、辅助线圈以及通讯信号发射模块，副边单元包括副边功率线圈、通讯信号接收模块以及副边控制模块；其中与辅助线圈相连的通讯信号发射模块产生包含辅助线圈ID信息的通讯信号加在辅助线圈上，通过辅助线圈与副边功率线圈之间的耦合传输至副边功率线圈，再通过通讯信号接收模块和副边控制模块得到通讯信号的幅值以及ID，通过对各辅助线圈通讯信号的幅值进行计算，即可得到副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置，实现副边功率线圈的定位。本发明仅需增加少量的附加硬件，即可实现电动汽车无线充电系统中副边功率线圈位置的快速准确测量。

Description

一种用于电动汽车无线充电的定位系统
技术领域
本发明属于电动汽车无线充电技术领域，具体涉及一种用于电动汽车无线充电的定位系统。
背景技术
随着能源危机和环境污染问题的不断加剧，电动汽车逐步替代传统能源汽车的趋势也愈加明显，然而很多因素限制了电动汽车的应用，例如：电池体积大、价格高、续航时间短等。而且目前电动汽车普遍采用的导线插入式充电方式也存在接触口老化易出现电火花；输电线缆长度和拖曳阻碍限制了移动设备的灵活性；传输设备在高温高压等恶劣环境下耐受性差，维护成本高等问题；电动汽车想要大规模推广，需要采用一种新的充电方式。
相比较于传统的插入式充电系统，非接触式电能传输系统无需物理线路的连接，可以克服传统充电方法带来的易受电击、易受环境影响等不足，实现电能绿色、高效、安全地传输。
目前实际应用的电动汽车无线充电技术主要为感应耦合型，即利用电磁感应原理，通过磁场在耦合线圈上产生的感应电动势来进行能量传导。一般原边功率线圈安装于地面发射功率，副边功率线圈安装于电动汽车底部，接收功率；原副边线圈之间在水平方向上偏移会导致无线能量传输系统效率的下降以及系统内电力电子器件电压电流应力的提高。因此，采用定位系统帮助司机将电动汽车停靠在正确的位置，即保证无线能量传输系统原副边线圈在水平方向上无偏移。
公开号为CN103595145A的中国专利提出了一种基于公共电感耦合实现高速通信和无线能量传输的系统，该系统通过在原、副边谐振回路耦合通讯模块，实现了共用无线电能传输系统耦合线圈的能量和信号复合传输，即无需引入额外通信信道或线圈，便实现了通信信号双向传输；该系统架构为应用于电动汽车无线充电的定位方法提高了硬件基础。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种用于电动汽车无线充电的定位系统，能够快速准确地给出副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置，帮助电动汽车司机将车停靠于最高充电效率位置。
一种用于电动汽车无线充电的定位系统，包括放置于地面的原边单元和车载的副边单元；所述原边单元包括原边功率线圈、至少三个以不同位置放置于原边功率线圈之上的辅助线圈以及通讯信号发射模块，所述辅助线圈与通讯信号发射模块相连；所述副边单元包括副边功率线圈、通讯信号接收模块以及副边控制模块，所述副边功率线圈与辅助线圈耦合，所述通讯信号接收模块与副边功率线圈通过磁接口耦合，所述副边控制模块与通讯信号接收模块相连；其中：
所述通讯信号发射模块用于将辅助线圈的ID信息调制到高频载波上从而产生包含有对应辅助线圈ID信息且载波幅值为Vt的通讯信号，并将该通讯信号加载在对应辅助线圈两端；
所述辅助线圈通过磁场耦合将所述通讯信号传输至副边功率线圈，由于磁场耦合传输衰减的因素，副边功率线圈接收到通讯信号的载波幅值为Vr，进而将该通讯信号传送给通讯信号接收模块；
所述通讯信号接收模块用于对接收到的通讯信号进行解调，得到加载在该通讯信号上的数据信息；
所述副边控制模块用于对该数据信息进行采样，得到对应辅助线圈的通讯信号载波强度，根据所述载波强度计算出各辅助线圈与副边功率线圈之间的耦合系数，进而计算出各辅助线圈与副边功率线圈之间的距离，根据各辅助线圈在原边功率线圈上的安放位置计算出副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置关系。
进一步地，所述通讯信号发射模块包括一个辅助控制模块和n个E类放大器，n为辅助线圈的数量，所述E类放大器包括直流电源、开关S1、电感L1、电容C1以及电容C2；其中，直流电源正极与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与开关S1的一端、电容C1的一端以及电容C2的一端相连，电容C2的另一端与对应辅助线圈的一端相连，开关S1的另一端与直流电源的负极、电容C1的另一端以及对应辅助线圈的另一端相连，开关S1的控制端接辅助控制模块提供的开关信号。
进一步地，所述辅助控制模块将对应辅助线圈的ID信息调制到高频载波上并输出至开关S1的控制端，E类放大器将辅助控制模块输出的开关信号进行幅值及功率放大后加载至对应辅助线圈两端。
进一步地，所述辅助控制模块采用PSK(相移键控)的调制方式将辅助线圈的ID信息调制到高频载波上。
进一步地，各辅助线圈信息调制的载波频率相同。
进一步地，所述磁接口采用耦合电感或变压器。
进一步地，所述通讯信号接收模块采用相干解调的方式对接收到的通讯信号进行解调，得到对应辅助线圈的ID信息。
进一步地，所述通讯信号发射模块通过控制使各辅助线圈轮流向副边功率线圈发送包含有自身ID信息的通讯信号。
本发明定位系统根据放置于原边功率线圈上的至少三个辅助线圈与副边功率线圈之间的耦合系数计算出副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置，在增加少量额外硬件的情况下实现了电动汽车无线充电系统中的定位；因此，本发明可以有效解决因功率线圈原副边之间相对距离过大导致的充电效率低的问题。
附图说明
图1为本发明应用于电动汽车无线充电的定位系统结构示意图。
图2为本发明定位系统的具体实施电路示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明应用于电动汽车无线充电的定位系统，包括地面部分和车载部分；其中地面部分包括原边功率线圈、至少3个辅助线圈以及通讯信号发射模块；车载部分包括副边功率线圈、通讯信号接收模块以及副边控制模块；通讯信号由通讯信号发射模块发出，经由辅助线圈、副边功率线圈到达通讯信号接收模块，实现无线信号传输。
其中，与各个辅助线圈相连的通讯信号发射模块产生包含有该辅助线圈ID信息载波幅值为Vt的通讯信号，通讯信号加在辅助线圈的两端；通讯信号通过辅助线圈与副边功率线圈之间的耦合传输至副边功率线圈，利用与副边线圈通过磁接口耦合的通讯信号接收模块得到包含有辅助线圈的ID信息和载波幅值信息的解调信号；
最后，利用副边控制模块对解调信号进行采样，并结合各个辅助线圈放置于原边功率线圈的位置、通讯信号发射模块和通讯信号接收模块的结构参数通过计算得到副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置。
如图2所示，本实施方式中通讯信号发射模块包括辅助控制模块和E类放大器电路；E类放大器电路包括直流电源Vin、信号开关S1、电感L1、电容C1、电容C2和辅助线圈；其中直流电源Vin正极与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与信号开关S1、电容C2的一端相连，开关S1的另一端与直流电源Vin的负极相连，电容C1并联与开关S1的两端，电容C2的另一端与辅助线圈的一端相连，辅助线圈的另一端与直流电源Vin的负极相连，信号开关S1的控制端接辅助控制模块提供的开关信号；辅助控制模块将辅助线圈的ID信息调制到高频载波上并输出至开关S1的控制端；E类放大器将辅助控制模块输出的信号进行幅值和功率的放大。
本实施方式中辅助控制模块由1片CPLD和4片mos驱动芯片ucc27321组成；其中，CPLD将辅助线圈的ID信息AA、BB、CC、DD进行4PSK调制，载波频率为1MHz，调制后的信息输入驱动芯片的输入端，CPLD同时给出驱动芯片的使能信号，即当CPLD输出包含辅助线圈1的ID信息AA的调制信号时，使能1号驱动芯片，其他驱动芯片无输出，实现4片驱动芯片轮流输出包含有AA、BB、CC、DD信息的驱动信号。
本实施方式中信号开关S1的控制信号由驱动芯片ucc27321发出，Vin由单独的直流源供电，L1电感值为10μH，C1电容值为10nF，C2和辅助线圈在1MHz频率处谐振，C2电容值为4.7nF，辅助线圈为空心线圈，由Litz线绕制电感值为5.9μH。驱动信号由E类放大器放大，输入直流电压为5V时，输出幅值为50V，调制有辅助线圈ID信息的1MHz正弦波加在辅助线圈两端。
由于辅助线圈与副边功率线圈之间存在磁场耦合，辅助线圈交变的电流在空间中产生的交变磁场会在副边功率线圈中产生感应电动势，产生的感应电动势通过磁耦合接口输入到通讯信号接收模块。
本实施方式中磁耦合接口采用变压器方式，通讯信号接收模块由乘法器电路和有源低通滤波电路组成，乘法器功能由TS5A23159双路模拟开关芯片实现，有源低通滤波电路选用MCP6024四运放芯片。
本实施方式中副边控制模块采用TI公司的TMS320F28035型数字信号处理器，该芯片自带A/D采样功能，通过采样通讯信号接收模块输出的信号，得到辅助线圈的ID信息和通讯信号的载波幅值，根据接收到的四个辅助线圈发送的通讯信号的载波幅值，以及辅助线圈在原边功率线圈上放置的位置计算出副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置。
本实施方式定位系统的具体实现过程如下：
(1)CPLD将辅助线圈的ID信息采用4PSK的调制方式调制到1MHz载波上，传到ucc27321的输入端，并使能该辅助线圈对应的ucc27321，被使能的ucc27321输出至E类放大器信号开关S1的控制端，通讯信号经过E类放大器的放大加至辅助线圈的两端。
(2)辅助线圈上的通讯信号通过辅助线圈与副边功率线圈之间的磁场耦合传输到副边功率线圈，进而通过变压器耦合传输到通讯信号接收模块。
(3)通讯信号接收模块通过乘法器和有源低通滤波电路对4PSK调制的通讯信号进行解调，并将解调的结果传输至TMS320F28035的A/D采样端口。
(4)副边控制模块通过对解调后的波形进行采样，得到辅助线圈的ID信息以及通讯信号的载波幅值，根据接收到的各个辅助线圈通讯信号的载波幅值以及辅助线圈在原边功率线圈上的放置位置即可计算得到副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于电动汽车无线充电的定位系统，包括放置于地面的原边单元和车载的副边单元；其特征在于：所述原边单元包括原边功率线圈、至少三个以不同位置放置于原边功率线圈之上的辅助线圈以及通讯信号发射模块，所述辅助线圈与通讯信号发射模块相连；所述副边单元包括副边功率线圈、通讯信号接收模块以及副边控制模块，所述副边功率线圈与辅助线圈耦合，所述通讯信号接收模块与副边功率线圈通过磁接口耦合，所述副边控制模块与通讯信号接收模块相连；其中：
所述通讯信号发射模块用于将辅助线圈的ID信息调制到高频载波上从而产生包含有对应辅助线圈ID信息且载波幅值为Vt的通讯信号，并将该通讯信号加载在对应辅助线圈两端；
所述辅助线圈通过磁场耦合将所述通讯信号传输至副边功率线圈，由于磁场耦合传输衰减的因素，副边功率线圈接收到通讯信号的载波幅值为Vr，进而将该通讯信号传送给通讯信号接收模块；
所述通讯信号接收模块用于对接收到的通讯信号进行解调，得到加载在该通讯信号上的数据信息；
所述副边控制模块用于对该数据信息进行采样，得到对应辅助线圈的通讯信号载波强度，根据所述载波强度计算出各辅助线圈与副边功率线圈之间的耦合系数，进而计算出各辅助线圈与副边功率线圈之间的距离，根据各辅助线圈在原边功率线圈上的安放位置计算出副边功率线圈相对于原边功率线圈的位置关系。
2.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于：所述通讯信号发射模块包括一个辅助控制模块和n个E类放大器，n为辅助线圈的数量，所述E类放大器包括直流电源、开关S1、电感L1、电容C1以及电容C2；其中，直流电源正极与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与开关S1的一端、电容C1的一端以及电容C2的一端相连，电容C2的另一端与对应辅助线圈的一端相连，开关S1的另一端与直流电源的负极、电容C1的另一端以及对应辅助线圈的另一端相连，开关S1的控制端接辅助控制模块提供的开关信号。
3.根据权利要求2所述的定位系统，其特征在于：所述辅助控制模块将对应辅助线圈的ID信息调制到高频载波上并输出至开关S1的控制端，E类放大器将辅助控制模块输出的开关信号进行幅值及功率放大后加载至对应辅助线圈两端。
4.根据权利要求3所述的定位系统，其特征在于：所述辅助控制模块采用PSK的调制方式将辅助线圈的ID信息调制到高频载波上。
5.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于：各辅助线圈信息调制的载波频率相同。
6.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于：所述磁接口采用耦合电感或变压器。
7.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于：所述通讯信号接收模块采用相干解调的方式对接收到的通讯信号进行解调，得到对应辅助线圈的ID信息。
8.根据权利要求1所述的定位系统，其特征在于：所述通讯信号发射模块通过控制使各辅助线圈轮流向副边功率线圈发送包含有自身ID信息的通讯信号。
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