CN109050306B - 一种智能自主定位和充电的车辆无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能自主定位和充电的车辆无线充电系统。本发明包括无线能量发送装置和无线能量接收装置，两者通过谐振耦合方式进行电能的传输；无线能量发射装置包括底盘、发射及控制电路、定位信号接收模块、电机驱动模块和微处理器，无线能量接收装置安装于车辆底盘底部，包括能量接收及转换电路、功率检测电路、定位信号发送模块；无线能量发射装置依靠定位信号发生器发送的信号实现初步定位，借助于无线能量接收功率检测装置来调整小车位置实现精确定位，从而实现线圈耦合程度的最大化。本发明不仅方便了无线充电系统的使用，而且可确保充电过程中收发线圈的精确定位保证高效的充电，具有节能环保方便使用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及车辆无线充电系统领域，尤其是涉及一种智能自主定位和充电的车辆无线充电系统。
背景技术
电动汽车的充电方法主要有两种：一种是有线充电，也叫接触式充电。它主要包括标准充电、快速充电和电池更换3种方式；一种是无线充电，也叫无接触式充电，这是一种新型的充电方式。它主要利用无线电能传输技术(wireless power transfer，WPT)，目前无线电能传输主要有3种形式：感应式、谐振式和微波无线电能传输。
相对于电动汽车的有线充电而言，无线充电具有使用方便、安全、可靠，没有电火花和触电的危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损，没有相应的维护问题，可以适应雨雪等恶劣的天气和环境等优点。此外，WPT用于电动汽车充电可以降低人力成本，节省空间，不影响交通视线等。如果可以实现电动汽车的动态无线充电，则可以大幅减少电动汽车配备的动力电池容量，从而减轻车体重量，降低电动汽车的运行成本。
然而，现阶段的无线充电技术依然不太成熟，市场上已经投入使用的产品不够智能化。例如一类无线充电技术方案需要人工移动地面线圈与车辆底盘上的线圈进行耦合，既耗费了人力，耦合的效果又不好；又比如宝马公司推出的系统则是需要司机根据地面标识将汽车停放在指定区域上，这样就对司机技术有一定要求，难以普及与应用。因此针对于这一类问题，我们参考智能扫地机的原理提出了可智能自主定位和充电的车辆无线充电系统解决方案。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种智能自主定位和充电的车辆无线充电系统，实现了智能无线能量充电装置小车的定位功能。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种智能自主定位和充电的车辆无线充电系统
本发明系统包括无线能量发送装置和无线能量接收装置；
无线能量发送装置包括底盘、发射及控制电路、定位信号接收模块、电机驱动模块和微处理器，所述发射及控制电路安装于底盘上表面，主要由功率控制电路和发射线圈连接组成，功率控制电路用于控制发射线圈所发射电磁能的功率，所述底盘的每个边角处均装有定位信号接收模块，电机驱动模块和微处理器安装于底盘内部，微处理器分别与电机驱动模块、发射及控制电路、定位信号接收模块相连。
无线能量接收装置安装于车辆底部，包括能量接收及转换电路、定位信号发送模块和功率检测电路，所述能量接收及转换电路主要由接收线圈和转换电路连接组成且与功率检测电路相连，定位信号发送模块与定位信号接收模块通过无线通信连接。
无线能量发送装置的发射线圈和无线能量接收装置的接收线圈通过谐振耦合方式进行电能传输。
所述定位信号接收模块主要由光电接收器、超声波接收器、前级放大电路和比较器电路组成，用于接收定位信号，光电接收器、超声波接收器分别经前级放大电路与比较器电路相连；所述定位信号发送模块主要由光电发射器和超声波发射器组成，用于发送定位信号。
所述底盘底部两侧均装有两个轮子，用于调整无线能量发送装置的位置，底盘侧面为具有45°倾角的光滑的倾斜面，可有效防止底盘在移动过程中与汽车轮胎等物体发生碰撞而被卡住无法运动的情况发生。
所述底盘内装有电源线拖放装置，电源线拖放装置主要由滚轮和缠绕于滚轮上的电源线组成。
所述电机驱动模块包括两路减速电机和直流电机，减速电机可以降低速度并增加扭矩，每路减速电机控制底盘底部其中一侧的两个轮子，两路减速电机通过分别控制两侧轮子转速的不同以达到底盘转向的目的；直流电机与滚轮相连，直流电机通过驱动滚轮正反转进行电源线的收发。
所述接收线圈通过谐振耦合的方式接收发射线圈的电磁能，并将电磁能转化为电能，转换电路将接收线圈的接收电流进行处理转换；所述功率检测电路接收转换电路输出的电流并检测其功率值，然后将检测的功率值传输至无线能量发送装置的微处理器。
二、一种采用上述系统的智能自主定位和充电的车辆无线充电方法
本发明方法包括以下步骤：
步骤1：车辆进入停车位，系统开启后，无线能量发送装置和无线能量接收装置开始工作；
步骤2：
2.1)无线能量发送装置中的微处理器向定位信号发送模块发出红外脉冲编码信号后，定位信号发送模块中的光电发射器和超声波发射器同时发送红外信号和超声波信号至定位信号接收模块，红外信号和超声波信号可以加以PWM或者PCM调制；
2.2)红外信号先被光电接收器所接收，接收到的红外信号再经前级放大电路传输到比较器电路，当传输到比较器电路的红外信号幅度达到红外幅度阈值时比较器电路输出脉冲信号，微处理器检测到脉冲信号后从零开始计时；
2.3)开始计时后，超声波信号被超声波接收器所接收，接收到的超声波信号再经前级放大电路传输到比较器电路，当传输到比较器电路的超声波信号幅度达到超声波幅度阈值时比较器电路再次输出脉冲信号，微处理器再次检测到脉冲信号后停止计时，记录此时的时间为t；
2.4)以接收线圈中心为坐标原点(0,0,0)建立坐标系，根据三边定位算法计算得到底盘的坐标位置；
所述的三边定位算法是从四个定位信号发送模块任选三个，然后采用以下计算过程处理：以三个编号分别为J、K、L的定位信号发送模块为例，微处理器根据下述方程计算得到底盘的坐标(x,y,z)；
(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝(v*t1)2
(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2＝(v*t2)2
(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2＝(v*t3)2
以接收线圈中心为坐标原点(0,0,0)建立坐标系，x1、y1、z1为定位信号发送模块J根据坐标系测量得到坐标(x1,y1,z1)，x2、y2、z2为定位信号发送模块K根据坐标系测量得到坐标(x2,y2,z2)，x3、y3、z3为定位信号发送模块L根据坐标系测量得到坐标(x3,y3,z3)，x、y、z为底盘的坐标(x,y,z)，t1、t2、t3分别为定位信号发送模块J、K、L发送红外和超声波信号后微处理器所记录的时间，v为空气中声速。
从所有定位信号发送模块8中任取三个并从所有定位信号接收模块4中任取一个进行排列组合，用上述方法计算所有排列组合情况下的底盘5坐标，然后将求得的所有坐标值取平均，从而可以减小误差，得到较为精确的位置坐标。
步骤3：微处理器通过控制电机驱动底盘从出发位置向接收线圈中心移动并记录移动路线，即驱动底盘从所在坐标位置向坐标原点(0,0,0)坐标移动，移动结束即完成了无线能量发送装置的初步定位，此时底盘所处位置为初始位置；
步骤4：无线能量发送装置完成初步定位后，发射线圈处于接收线圈附近位置，功率控制电路控制发射线圈开启磁场产生电磁能，发射线圈与接收线圈开始耦合充电，同时功率检测电路将检测得到的功率值发送至微处理器；
步骤5：在耦合充电过程中，底盘在初始位置的周围邻域内移动，并在移动过程中实时检测功率值，微控制器比较检测到的所有功率值大小后获得最大功率值，然后将底盘移动到最大功率值所对应的位置作为精确定位处，此时线圈耦合系数暂时达到了最高，从而实现无线能量发送装置的精确定位；
步骤6：无线能量发送装置移动到精确定位处后，功率控制电路控制发射线圈增大电磁能的功率，对车辆进行更大功率耦合充电；在耦合充电过程中功率检测电路继续测量功率值，当由于某些外在因素例如线圈发热变形使得功率值降低时，再次执行上述步骤5，重新得到耦合充电的更优位置，从而保证充电功率始终保持高效；
步骤7：当充电完成后，功率控制电路关闭发射线圈的电磁能发射，随即小车在微处理器控制下沿着已经记录的原移动路线返回出发位置，同时电源线拖放装置回收电线，完成充电过程。
本发明的有益效果是：
本发明在原无线充电技术的基础上，将不可移动的地面无线能量发射线圈用可移动的无线能量发射装置来替代，增加了无线能量装置自动定位功能，可以免除手动调整线圈位置的过程，节省了人力，具有方便快捷的特点。
本发明依靠定位信号发生器发送的信号实现无线能量发射装置的定位，借助于无线能量接收功率检测装置来调整小车位置从而实现线圈耦合程度的最大化，提高了无线充电的效率；并且可以智能检测充电功率明显降低的现象，然后通过重新定位调整自身位置，以增加充电效率，具有高效节能的优势。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视图。
图2是无线能量发送装置剖视图。
图3是无线能量接收装置的结构图。
图4是本发明的工作流程图。
图中：无线能量发送装置(1)、无线能量接收装置(2)、发射及控制电路(3)、定位信号接收模块(4)、底盘(5)、电源线拖放装置(6)、能量接收及转换电路(7)、定位信号发送模块(8)、功率检测电路(9)、电机驱动模块(10)、微处理器(11)。
具体实施方式
下面结合附图进行进一步的说明。
如图1所示，无线充电系统包括无线能量发送装置1和无线能量接收装置2，无线能量发送装置1和无线能量接收装置2通过谐振耦合方式进行电能传输。
如图2所示，无线能量发送装置1包括底盘5、发射及控制电路3、定位信号接收模块4、电机驱动模块10和微处理器11，所述发射及控制电路3安装于底盘5上表面，主要由功率控制电路和发射线圈连接组成，功率控制电路用于控制发射线圈所发射电磁能的功率，所述底盘5的每个边角处均装有定位信号接收模块4，定位信号接收模块4之间间距为600mm，电机驱动模块10和微处理器11安装于底盘5内部，微处理器11分别与电机驱动模块10、发射及控制电路3、定位信号接收模块4相连。
微处理器11由STM32F103组成，工作频率可达72MHz，工作温度-40～105℃，可满足汽车无线充电的要求；功率控制电路由程控功率管60N60并联组成，采用分散的电流负反馈使得每个电流可以达到60A左右，多个功率管并联可以使得系统总充电功率达到20KW左右；微处理器可以通过控制功率管的直流电源导通和关闭来控制发射线圈的工作与否，并通过控制最后一级功率管的增益来实现发射线圈发射功率大小的调节。
底盘5底部两侧均装有两个轮子，用于调整无线能量发送装置1的位置，底盘5整体为四棱台形状，下表面尺寸为800mm×800mm，上表面尺寸为600mm×600mm，高为100mm；底盘5侧面为具有45°倾角的光滑的倾斜面，可有效防止底盘5在移动过程中与汽车轮胎等物体发生碰撞而被卡住无法运动的情况发生；底盘5内装有电源线拖放装置6，电源线拖放装置6主要由滚轮和缠绕于滚轮上的电源线组成。
电机驱动模块10包括两路减速电机和直流电机JGB07-520；减速电机用L298芯片进行控制，可以降低速度并增加扭矩，每路减速电机控制底盘5底部其中一侧的两个轮子，两路减速电机通过分别控制两侧轮子转速的不同以达到底盘5转向的目的；直流电机JGB07-520与滚轮相连，直流电机通过驱动滚轮正反转进行电源线的收发。
如图3所示，无线能量接收装置2安装于车辆底部，包括能量接收及转换电路7、定位信号发送模块8和功率检测电路9，能量接收及转换电路7主要由接收线圈和转换电路连接组成且与功率检测电路9相连，定位信号发送模块8按照一定排布规则固定在汽车底盘上，例如汽车底盘的四个角，定位信号发送模块8与定位信号接收模块4通过无线通信连接。
功率检测电路9用于检测接收转换电路输出电流的功率值，然后将检测的功率值传输至无线能量发送装置1的微处理器11，功率检测电路9由差分运算放大器INA128构成，CMRR可以达到120dB，可以有效地实现信号的放大以及噪声的抑制。
发射线圈与接收线圈使用普通电线缠绕组成，匝数在20匝左右，尺寸为500mm×500mm，通过谐振耦合的方式进行电能传输；接收线圈通过谐振耦合的方式接收发射线圈的电磁能，并将电磁能转化为电能，转换电路将接收线圈的接收电流进行处理转换。
无线能量发送装置1和无线能量接收装置2之间的通信通过微处理器11由STM32F103的WIFI或者蓝牙等实现，可以较为简单地实现实时通信。
定位信号接收模块4主要由前级放大电路、比较器电路和多组光电接收器ST188、超声波接收器T40组成，用于接收定位信号，光电接收器、超声波接收器分别经前级放大电路OPA690与比较器电路相连；所述定位信号发送模块8主要由多组光电发射器ST188和超声波发射器T40组成，用于发送定位信号。
本发明的工作流程图如图4所示，具体实施例包括以下步骤：
步骤1：车辆进入停车位，系统开启后，无线能量发射装置的电源线接到单相220V或者三相380V交流电源插座上，无线能量发送装置1和无线能量接收装置2开始工作。
步骤2：
2.1)无线能量发送装置1中的微处理器11向定位信号发送模块4发出红外脉冲编码信号后，定位信号发送模块8中的光电发射器和超声波发射器检测到该信号后同时发送红外信号和超声波信号至定位信号接收模块4，红外脉冲编码信号幅度要足够大以提高其信噪比，方便于接收电路的检测，红外信号和超声波信号可以加以PWM或者PCM调制；
2.2)红外信号先被光电接收器所接收，接收到的红外信号再经前级放大电路传输到比较器电路，当传输到比较器电路的红外信号幅度达到红外幅度阈值时比较器电路输出脉冲信号，微处理器11检测到脉冲信号后从零开始计时；
2.3)开始计时后，超声波信号被超声波接收器所接收，接收到的超声波信号再经前级放大电路传输到比较器电路，当传输到比较器电路的超声波信号幅度达到超声波幅度阈值时比较器电路再次输出脉冲信号，微处理器11再次检测到脉冲信号后停止计时，记录此时的时间为t；
因为空气中电磁波速度远远大于声速，因此可以忽略红外信号的传播速度，近似认为红外信号和超声波信号到达的时间差就是声波从发送器到接收器传播所用的时间，根据空气中声速就可以计算得到接收器到相应发送器的距离。
2.4)以接收线圈中心为坐标原点(0,0,0)建立坐标系，根据三边定位算法计算得到底盘5的坐标位置；
三边定位算法是从四个定位信号发送模块任选三个，然后采用以下计算过程处理：以三个编号分别为J、K、L的定位信号发送模块为例，微处理器11根据下述方程计算得到底盘5的坐标(x,y,z)，底盘(5)的坐标实为微控制器的坐标(x,y,z)；
(x-x1)2+(y-y1)2+(z-z1)2＝(v*t1)2
(x-x2)2+(y-y2)2+(z-z2)2＝(v*t2)2
(x-x3)2+(y-y3)2+(z-z3)2＝(v*t3)2
以接收线圈中心为坐标原点(0,0,0)建立坐标系，x1、y1、z1为定位信号发送模块J根据坐标系测量得到坐标(x1,y1,z1)，x2、y2、z2为定位信号发送模块K根据坐标系测量得到坐标(x2,y2,z2)，x3、y3、z3为定位信号发送模块L根据坐标系测量得到坐标(x3,y3,z3)，x、y、z为底盘5的坐标(x,y,z)，t1、t2、t3分别为定位信号发送模块J、K、L发送红外和超声波信号后微处理器所记录的时间，v为空气中声速。
从所有定位信号发送模块8中任取三个并从所有定位信号接收模块4中任取一个进行排列组合，用上述方法计算所有排列组合情况下的底盘5坐标，然后将求得的所有坐标值取平均，从而可以减小误差，得到较为精确的位置坐标。
步骤3：微处理器11通过控制电机驱动底盘5从出发位置向接收线圈中心移动并记录移动路线，即驱动底盘5从所在坐标位置向坐标原点(0,0,0)坐标移动，移动结束即完成了无线能量发送装置1的初步定位，此时底盘5所处位置为初始位置。
步骤4：无线能量发送装置1完成初步定位后，发射线圈处于接收线圈附近位置，功率控制电路控制发射线圈开启磁场产生电磁能，发射线圈与接收线圈开始耦合充电，同时功率检测电路9将检测得到的功率值发送至微处理器11。
步骤5：在耦合充电过程中，底盘5在初始位置的周围邻域内移动，每次步进5mm，并在移动过程中实时检测功率值，微控制器11比较检测到的所有功率值大小后获得最大功率值，然后将底盘5移动到最大功率值所对应的位置作为精确定位处，此时线圈耦合系数暂时达到了最高，从而实现无线能量发送装置1的精确定位。
步骤6：无线能量发送装置1移动到精确定位处后，功率控制电路控制发射线圈增大电磁能的功率，对车辆进行更大功率耦合充电；在耦合充电过程中功率检测电路9继续测量功率值，当由于某些外在因素例如线圈发热变形使得功率值降低时，再次执行上述步骤5，重新得到耦合充电的更优位置，从而保证充电功率始终保持高效。
步骤7：当充电完成后，功率控制电路关闭发射线圈的电磁能发射，随即小车在微处理器11控制下沿着已经记录的原移动路线返回出发位置，同时电源线拖放装置回收电线，完成充电过程。
Claims (2)
1.一种智能自主定位和充电的车辆无线充电方法，所述方法采用智能自主定位和充电的车辆无线充电系统，车辆无线充电系统包括无线能量发送装置(1)和无线能量接收装置(2)；无线能量发送装置(1)包括底盘(5)、发射及控制电路(3)、定位信号接收模块(4)、电机驱动模块(10)和微处理器(11)，所述发射及控制电路(3)安装于底盘(5)上表面，主要由功率控制电路和发射线圈连接组成，所述底盘(5)的每个边角处均装有定位信号接收模块(4)，电机驱动模块(10)和微处理器(11)安装于底盘(5)内部，微处理器(11)分别与电机驱动模块(10)、发射及控制电路(3)、定位信号接收模块(4)相连；无线能量接收装置(2)安装于车辆底部，包括能量接收及转换电路(7)、定位信号发送模块(8)和功率检测电路(9)，所述能量接收及转换电路(7)主要由接收线圈和转换电路连接组成且与功率检测电路(9)相连，定位信号发送模块(8)与定位信号接收模块(4)通过无线通信连接；无线能量发送装置(1)的发射线圈和无线能量接收装置(2)的接收线圈通过谐振耦合方式进行电能传输；
所述定位信号接收模块(4)主要由光电接收器、超声波接收器、前级放大电路和比较器电路组成，光电接收器、超声波接收器分别经前级放大电路与比较器电路相连；所述定位信号发送模块(8)主要由光电发射器和超声波发射器组成；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：车辆进入停车位，系统开启后，无线能量发送装置(1)和无线能量接收装置(2)开始工作；
步骤2：
2.1)无线能量发送装置(1)中的微处理器(11)向定位信号发送模块(4)发出红外脉冲编码信号后，定位信号发送模块(8)中的光电发射器和超声波发射器同时发送红外信号和超声波信号至定位信号接收模块(4)；
2.2)红外信号先被光电接收器所接收，接收到的红外信号再经前级放大电路传输到比较器电路，当传输到比较器电路的红外信号幅度达到红外幅度阈值时比较器电路输出脉冲信号，微处理器(11)检测到脉冲信号后从零开始计时；
2.3)开始计时后，超声波信号被超声波接收器所接收，接收到的超声波信号再经前级放大电路传输到比较器电路，当传输到比较器电路的超声波信号幅度达到超声波幅度阈值时比较器电路再次输出脉冲信号，微处理器(11)再次检测到脉冲信号后停止计时，记录此时的时间为t；
2.4)以接收线圈中心为坐标原点(0,0,0)建立坐标系，根据三边定位算法计算得到底盘(5)的坐标位置；
步骤3：微处理器(11)通过控制电机驱动底盘(5)从出发位置向接收线圈中心移动并记录移动路线，移动结束即完成了无线能量发送装置(1)的初步定位，此时底盘(5)所处位置为初始位置；
步骤4：无线能量发送装置(1)完成初步定位后，发射线圈处于接收线圈附近位置，功率控制电路控制发射线圈开启磁场产生电磁能，发射线圈与接收线圈开始耦合充电，同时功率检测电路(9)将检测得到的功率值发送至微处理器(11)；
步骤5：在耦合充电过程中，底盘(5)在初始位置的周围邻域内移动，并在移动过程中实时检测功率值，微控制器(11)比较检测到的所有功率值大小后获得最大功率值，然后将底盘(5)移动到最大功率值所对应的位置作为精确定位处，从而实现无线能量发送装置(1)的精确定位；
步骤6：无线能量发送装置(1)移动到精确定位处后，功率控制电路控制发射线圈增大电磁能的功率，对车辆进行更大功率耦合充电；在耦合充电过程中功率检测电路(9)继续测量功率值，当功率值降低时，再次执行上述步骤5，重新得到耦合充电的更优位置；
步骤7：当充电完成后，功率控制电路关闭发射线圈的电磁能发射，随即小车在微处理器(11)控制下沿着已经记录的原移动路线返回出发位置，完成充电过程。
2.根据权利要求1所述的智能自主定位和充电的车辆无线充电方法，其特征在于，所述的三边定位算法是从四个定位信号发送模块任选三个，然后采用以下计算过程处理：
以三个编号分别为J、K、L的定位信号发送模块为例，微处理器(11)根据下述方程计算得到底盘(5)的坐标(x,y,z)；
(x-x1)2+(y-y1)2 +(z-z1)2 ＝(v*t1)2
(x-x2)2+(y-y2)2 +(z-z2)2 ＝(v*t2)2
(x-x3)2+(y-y3)2 +(z-z3)2 ＝(v*t3)2
以接收线圈中心为坐标原点(0,0,0)建立坐标系，x1、y1、z1为定位信号发送模块J根据坐标系测量得到坐标(x1,y1,z1)，x2、y2、z2为定位信号发送模块K根据坐标系测量得到坐标(x2,y2,z2)，x3、y3、z3为定位信号发送模块L根据坐标系测量得到坐标(x3,y3,z3)，x、y、z为底盘(5)的坐标(x,y,z)，t1、t2、t3分别为定位信号发送模块J、K、L发送红外和超声波信号后微处理器所记录的时间，v为空气中声速。
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