CN108248437A - 基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩及其充电方法，电动汽车充电桩包括桩体，桩体安装有红外摄像头、主控芯片、驱动模块、xyz线性机械装置、电源模块、充电模块、充电枪。红外摄像头与主控芯片电信号连接，以检测出汽车充电接头的坐标信息并反馈至主控芯片；充电枪安装在xyz线性机械装置上，xyz线性机械装置可根据汽车充电接头的坐标信息，相应带动充电枪沿X轴、Y轴、Z轴三个相互垂直的坐标方向移动；充电枪具有电磁铁单元，在主控芯片的控制下可与汽车充电接头的永磁相吸或相斥，相应实现定位充电或断开。

Description

基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩及其充电方法

技术领域

本发明涉及智能充电桩技术领域，具体涉及一种基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩及其充电方法。

背景技术

随着全球汽车工业面临能源环境问题的巨大挑战，发展新能源电动汽车，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成了广泛共识。目前，我国已出台许多政策，扶持和引导电动汽车行业的快速发展，政府期望加速提高国内电动车产业的竞争力，缩短成熟期，实现对国外汽车工业的“弯道超车”。电动汽车的发展步入关键时期，机遇与挑战并存。

电动汽车的动力补充和传统油耗汽车有着很大的不同，电池的充电和加油是完全不同的两种形式，电池的续航能力和电动汽车的动力补充制约着电动汽车的规模化发展；在电动汽车智能快速补电系统中，充电机是完成动力电池快速、安全充电的执行设备。目前使用的大功率充电机主要是面向室内使用环境，其IP防护等级无法达到长时间户外使用的要求，为了适应商业化运行的要求，提出了充电桩加充电机的组合结构。在这种结构中，充电机安装于室内，通过输出直流电缆和通信线缆与安装在户外的充电桩相连，充电桩作为与用户的接口界面，实现与车辆接口及用户操作等功能。这种结构目前已经在多种充电站中都得到了实际应用。在实践过程中发现，此种采用充电机和充电桩的结合方式进行充电存在以下问题：

(1)对于较大型的充电站，充电桩与充电机的距离较远，施工工作量和造价都较高；

(2)较长的直流电缆上存在较大的功率损耗，使得充电过程耗费时间过长，充电速度较慢；

(3)直流电缆与通信线缆同时敷设，对通信信号的干扰较严重，对系统的电磁兼容性(Electro Magnetic Compatibility，简称EMC)要求较高；

(4)充电桩在充电机的远距离通信控制下工作，系统的可靠性和安全性降低。

(5)现有充电设备在运行时会产生较大的谐波，产生的谐波不仅会污染电网增加电缆等输电线路的损耗，还会降低充电设备的功率因数，造成通讯质量的下降。

(6)充电桩智能化较低，需要用户手持充电枪与汽车的充电接头相接好方能实现充电。

因此，现有技术仍需要进一步发展及改进。

发明内容

本发明的目的在于公开一种基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩及其充电方法，可以通过准确定位使充电枪自动与汽车的充电接头相接，实现智能化充电。

本发明公开的一种基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩，包括桩体，桩体安装有红外摄像头、主控芯片、驱动模块、xyz线性机械装置、电源模块、充电模块、充电枪；

所述电源模块分别与所述充电模块和主控芯片电信号连接；所述红外摄像头与所述主控芯片电信号连接，以检测出汽车充电接头的坐标信息并反馈至所述主控芯片；

所述主控芯片分别通过电信号与所述驱动模块、充电模块连接；所述驱动模块通过电信号与所述xyz线性机械装置驱动连接；所述充电模块与所述充电枪供电连接；所述充电枪安装在xyz线性机械装置上，xyz线性机械装置可根据汽车充电接头的坐标信息，相应带动充电枪沿X轴、Y轴、Z轴三个相互垂直的坐标方向移动；

所述充电枪具有电磁铁单元，所述充电接头具有永磁，所述电磁铁单元在所述主控芯片的控制下可实现磁性与所述充电接头的永磁相反或相同。

进一步的，所述电磁铁单元N极对应充电模块的正极，电磁铁单元S极对应充电模块的负极；充电接头的永磁N极对应汽车电池组的负极，充电接头的永磁S极对应汽车电池组的正极。

进一步的，所述xyz线性机械装置包括机架以及安装在机架上的X轴驱动组件、Y轴驱动组件和Z轴驱动组件；

所述X轴驱动组件用于驱动充电枪沿X轴方向运动，包括依次驱动连接的X轴驱动电机、X轴驱动丝杆、X轴驱动导轨和充电枪安装板，所述充电枪安装在所述充电枪安装板上；

Y轴驱动组件包括Y轴驱动电机、Y轴驱动同步轮装置以及Y轴驱动光轴；所述X轴驱动组件整体安装在Y轴驱动光轴上，Y轴驱动电机通过Y轴驱动同步轮装置驱动所述X轴驱动组件在所述Y轴驱动光轴上沿Y轴方向运动；

Z轴驱动组件包括Z轴驱动电机、Z轴驱动同步轮装置以及Z轴驱动光轴；所述Y轴驱动组件整体安装在Z轴驱动光轴上，Z轴驱动电机通过Z轴驱动同步轮装置驱动所述Z轴驱动组件在所述Y轴驱动光轴上沿Z轴方向运动。

进一步的，还包括检测模块，所述检测模块分别与所述主控芯片、充电枪电信号连接，以检测充电枪的电流信息或电压信息反馈至所述主控芯片。

进一步的，所述充电枪安装板、X轴驱动组件、Y轴驱动组件运动的极限位置均具有限位开关，所述检测模块还与限位开关电信号连接，以反馈充电枪在X轴、Y轴以及Z轴的坐标信息至所述主控芯片。

进一步的，还包括通讯模块，所述通讯模块与所述主控芯片电信号连接；述通讯模块包括GSM通讯单元和GPRS定位单元，GSM通讯单元用于通过GSM联网将位置信息和充电信息反馈至用户端。

本发明相应公开的一种上述电动汽车充电桩的充电方法，包括以下步骤：

主控芯片通过红外摄像头获取汽车充电接头的坐标信息，并转化为对xyz线性机械装置的驱动指令；

主控芯片输出驱动指令驱动xyz线性机械装置，带动充电枪相应沿X轴、Y轴、Z轴移动至相应位置；

主控芯片控制输出到电磁铁单元的电流方向以使电磁铁单元的磁性与充电接头的永磁相反并相吸，使充电枪与汽车充电接头定位并固定连接；

主控芯片设定充电参数并控制充电模块通过充电枪对充电接头供电。

进一步的，还包括以下步骤：

检测充电完成后，主控芯片控制输出到电磁铁单元的电流方向以使电磁铁单元的磁性与充电接头的永磁相同并相斥，使充电枪与汽车充电接头断开。

本发明可以通过红外摄像头检测出汽车充电接头的坐标信息并反馈至主控芯片，主控芯片向xyz线性机械装置输出驱动信号将充电枪带到相应位置，以及通过对充电枪上电磁铁单元的磁性控制使充电枪与汽车充电接头实现定位并充电，从而实现了智能化充电，减少了人工操作。

附图说明

图1是实施例一公开的一种基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩整体结构框图。

图2是实施例一中xyz线性机械装置的机械结构示意图。

图3是实施例二公开的一种充电方法的主要流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

请参阅图1至图2，本实施例公开的一种基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩，包括桩体，桩体安装有红外摄像头、主控芯片、驱动模块、xyz线性机械装置、电源模块、充电模块以及充电枪。

电源模块分别与充电模块和主控芯片电信号连接；红外摄像头与主控芯片电信号连接，以检测出汽车充电接头的坐标信息并反馈至主控芯片。具体的，电动汽车具有红外LED，在需要充电时会自动点亮该红外LED，红外摄像头检测到该红外LED之后，主控芯片以红外摄像头为原点建立一个O-xyz空间直角坐标系，以确定该红外LED及即汽车充电接头的坐标信息。

主控芯片分别通过电信号与驱动模块、充电模块连接；驱动模块通过电信号与所述xyz线性机械装置驱动连接；充电模块与所述充电枪供电连接；充电枪安装在xyz线性机械装置上，xyz线性机械装置可根据汽车充电接头的坐标信息，相应带动充电枪沿X轴、Y轴、Z轴三个相互垂直的坐标方向移动。

如图2所示，本实施例中，xyz线性机械装置包括机架10以及安装在机架10上的X轴驱动组件、Y轴驱动组件和Z轴驱动组件。X轴驱动组件用于驱动充电枪沿X轴方向运动，包括依次驱动连接的X轴驱动电机21、X轴驱动丝杆22、X轴驱动导轨23和充电枪安装板24，充电枪安装在充电枪安装板24上。Y轴驱动组件包括Y轴驱动电机31、Y轴驱动同步轮装置32以及Y轴驱动光轴33；X轴驱动组件整体安装在Y轴驱动光轴33上，Y轴驱动电机31通过Y轴驱动同步轮装置32驱动X轴驱动组件在Y轴驱动光轴33上沿Y轴方向运动。Z轴驱动组件包括Z轴驱动电机41、Z轴驱动同步轮装置42以及Z轴驱动光轴43；Y轴驱动组件(通过载物块35)整体安装在Z轴驱动光轴43上(且载物块35通过与其连接的载物块固定片36与Z轴驱动同步轮装置42形成驱动连接)，Z轴驱动电机41通过Z轴驱动同步轮装置42驱动Y轴驱动组件在Z轴驱动光轴41上沿Z轴方向运动。

本实施例中，充电枪具有电磁铁单元，充电接头具有永磁，电磁铁单元在主控芯片的控制下可实现磁性与所述充电接头的永磁相反或相同。具体的，电磁铁单元N极对应充电模块的正极，电磁铁单元S极对应充电模块的负极；充电接头的永磁N极对应汽车电池组的负极，充电接头的永磁S极对应汽车电池组的正极；确定需要充电时，主控芯片控制输出到电磁铁单元的电流方向以使电磁铁单元的磁性与充电接头的永磁相反并相吸，使充电枪与汽车充电接头定位并固定连接；确定需要断开时，主控芯片控制输出到电磁铁单元的电流方向以使电磁铁单元的磁性与充电接头的永磁相同并相斥，使充电枪与汽车充电接头断开。

本实施例中，还包括通讯模块，通讯模块与所述主控芯片电信号连接；述通讯模块包括GSM通讯单元和GPRS定位单元，GSM通讯单元用于通过GSM联网将位置信息和充电信息反馈至用户端。具体的，充电信息包括充电电量、充电时长、缴费信息、电池使用情况等。

实施例进一步中，还包括检测模块，检测模块分别与主控芯片、充电枪电信号连接，以检测充电枪的电流信息或电压信息反馈至所述主控芯片。具体的，检测模块通过不断检测充电枪极间电压，当电压在电动汽车电池组电压上下波动时，可以预判为充电枪与汽车的充电接头已经对接上，进而主控芯片发出“恒流试触”指令，驱动充电模块以一定的电流输出至充电枪。

检测模块不断检测充电枪极间电压，若电压远大于电动汽车电池组，电流才能达到所设定的恒定输出值，则证明是接触不良或者汽车电车出现故障，若电压在电动汽车电池组充电电压范围就达到所设定电流输出值，则证明接触良好。因此可以确认充电枪与电动汽车充电接头是否接触良好，若是接触良好，则进行下一步充电。

进一步的，充电枪安装板、X轴驱动组件、Y轴驱动组件运动的极限位置均具有限位开关，检测模块还与限位开关电信号连接，以反馈充电枪在X轴、Y轴以及Z轴的坐标信息至主控芯片。

此外，检测模块还有过冲保护和过流保护功能，在充电过程中可以防止过冲和意外短路的现象发生。检测模块通过检测充电电压、充电电流和充电时间等参数，同时把参数返回到主控芯片，主控芯片进而计算出用电量的多少、目前电池的剩余电量，并且把数据发送到用户手机。

实施例二

本实施例相应公开了一种如实施例一的电动汽车充电桩的充电方法。在未有充电需求信息的一般状态中，红外摄像头周期性地获取红外像素数据。

在有充电需求信息的特殊状态中，过程如下：

(1)用户驾驶的电动汽车停泊在充电桩的前方一定区域内，电动汽车在充电接头处本身含有红外LED，当用户通过上位机确认给本车充电时，车身前的充电盖自动打开，并且点亮红外LED。

(2)红外摄像头获取到红外LED的红外像素数据，进而经过多次判断确认收到一种来自区域内的电动汽车的充电需求信息。

(3)通讯模块通过联网发送数据到用户手机，询问相关充电需求，如电动车类型，充电时长，或充电电量，或充电费用，或其他信息。

(4)用户确认相关充电参数，发送开始充电的指令到充电桩。

(5)主控芯片通过红外摄像头获取汽车充电接头的坐标信息，并转化为对xyz线性机械装置的驱动指令。

(6)主控芯片输出驱动指令驱动xyz线性机械装置，带动充电枪相应沿X轴、Y轴、Z轴移动至相应位置。

(7)主控芯片控制输出到电磁铁单元的电流方向以使电磁铁单元的磁性与充电接头的永磁相反并相吸，使充电枪与汽车充电接头定位并固定连接。

(8)主控芯片设定充电参数并控制充电模块通过充电枪对充电接头供电。

(9)检测充电完成后，主控芯片控制输出到电磁铁单元的电流方向以使电磁铁单元的磁性与充电接头的永磁相同并相斥，使充电枪与汽车充电接头断开。

如图3所示，以上步骤(5)至步骤(9)为核心步骤。

综上所述，本发明可以通过红外摄像头检测出汽车充电接头的坐标信息并反馈至主控芯片，主控芯片向xyz线性机械装置输出驱动信号将充电枪带到相应位置，以及通过对充电枪上电磁铁单元的磁性控制使充电枪与汽车充电接头实现定位并充电，从而实现了智能化充电，减少了人工操作。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩，包括桩体，其特征在于，桩体安装有红外摄像头、主控芯片、驱动模块、xyz线性机械装置、电源模块、充电模块、充电枪；

所述电源模块分别与所述充电模块和主控芯片电信号连接；所述红外摄像头与所述主控芯片电信号连接，以检测出汽车充电接头的坐标信息并反馈至所述主控芯片；

所述主控芯片分别通过电信号与所述驱动模块、充电模块连接；所述驱动模块通过电信号与所述xyz线性机械装置驱动连接；所述充电模块与所述充电枪供电连接；所述充电枪安装在xyz线性机械装置上，xyz线性机械装置可根据汽车充电接头的坐标信息，相应带动充电枪沿X轴、Y轴、Z轴三个相互垂直的坐标方向移动；

所述充电枪具有电磁铁单元，所述充电接头具有永磁，所述电磁铁单元在所述主控芯片的控制下可实现磁性与所述充电接头的永磁相反或相同。

2.根据权利要求1所述的基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩，其特征在于，所述电磁铁单元N极对应充电模块的正极，电磁铁单元S极对应充电模块的负极；充电接头的永磁N极对应汽车电池组的负极，充电接头的永磁S极对应汽车电池组的正极。

3.根据权利要求1或2所述的基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩，其特征在于，所述xyz线性机械装置包括机架以及安装在机架上的X轴驱动组件、Y轴驱动组件和Z轴驱动组件；

所述X轴驱动组件用于驱动充电枪沿X轴方向运动，包括依次驱动连接的X轴驱动电机、X轴驱动丝杆、X轴驱动导轨和充电枪安装板，所述充电枪安装在所述充电枪安装板上；

Y轴驱动组件包括Y轴驱动电机、Y轴驱动同步轮装置以及Y轴驱动光轴；所述X轴驱动组件整体安装在Y轴驱动光轴上，Y轴驱动电机通过Y轴驱动同步轮装置驱动所述X轴驱动组件在所述Y轴驱动光轴上沿Y轴方向运动；

Z轴驱动组件包括Z轴驱动电机、Z轴驱动同步轮装置以及Z轴驱动光轴；所述Y轴驱动组件整体安装在Z轴驱动光轴上，Z轴驱动电机通过Z轴驱动同步轮装置驱动所述Z轴驱动组件在所述Y轴驱动光轴上沿Z轴方向运动。

4.根据权利要求3所述的基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩，其特征在于，还包括检测模块，所述检测模块分别与所述主控芯片、充电枪电信号连接，以检测充电枪的电流信息或电压信息反馈至所述主控芯片。

5.根据权利要求4所述的基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩，其特征在于，所述充电枪安装板、X轴驱动组件、Y轴驱动组件运动的极限位置均具有限位开关，所述检测模块还与限位开关电信号连接，以反馈充电枪在X轴、Y轴以及Z轴的坐标信息至所述主控芯片。

6.根据权利要求5所述的基于红外定位与磁原理的电动汽车充电桩，其特征在于，还包括通讯模块，所述通讯模块与所述主控芯片电信号连接；述通讯模块包括GSM通讯单元和GPRS定位单元，GSM通讯单元用于通过GSM联网将位置信息和充电信息反馈至用户端。

7.一种如权利要求6所述的电动汽车充电桩的充电方法，其特征在于，包括以下步骤：

主控芯片通过红外摄像头获取汽车充电接头的坐标信息，并转化为对xyz线性机械装置的驱动指令；

主控芯片输出驱动指令驱动xyz线性机械装置，带动充电枪相应沿X轴、Y轴、Z轴移动至相应位置；

主控芯片控制输出到电磁铁单元的电流方向以使电磁铁单元的磁性与充电接头的永磁相反并相吸，使充电枪与汽车充电接头定位并固定连接；

主控芯片设定充电参数并控制充电模块通过充电枪对充电接头供电。

8.根据权利要求7所述的充电方法，其特征在于，还包括以下步骤：

检测充电完成后，主控芯片控制输出到电磁铁单元的电流方向以使电磁铁单元的磁性与充电接头的永磁相同并相斥，使充电枪与汽车充电接头断开。