CN111559269A - 无线充电定位设备和定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线充电定位设备和定位方法,无线充电定位设备包括：安装在发射端的发射端检测系统和安装在接收端的接收端检测系统；所述发射端检测系统包括依次联通的：信号发生器、驱动器、发射电路和检测发射线圈；在所述发射电路中具有至少一个发射回路；在每个所述发射回路中，连接一个所述检测发射线圈；所述接收端检测系统包括：联通的检测接收线圈和检测电路；所述检测电路具有至少一个接收回路，每个所述接收回路中连接一个所述检测接收线圈；在处于工作范围内时，所述检测发射线圈和所述检测接收线圈之间产生互感。本发明的无线充电定位设备和定位方法，能够实现对无线充电时的对准判断。

Description

无线充电定位设备和定位方法

技术领域

本发明涉及充电领域，尤其涉及无线充电定位设备和定位方法。

背景技术

大功率无线充电作为电动汽车一种理想的供电方式，以其安全方便和自动化程度高等优势在近年来得到了快速的发展和广泛的应用。在无线充电时发射线圈与接收线圈需要尽量对准以获得最大的耦合系数，实现最大的能量传输效率。因此在电动汽车一般会配置对准检测系统为车辆的驾驶员或自动驾驶系统提供线圈对准引导，现有技术对准一般采用发射功率和接收功率的差来判断是否对齐，这种方式误差较大，受环境影响也比较大。也有一些方案中，安装摄像头来进行对齐的辅助，但是这种方式中，摄像头的工作环境不易保证，且成本高。

发明内容

本发明提供一种无线充电定位设备和定位方法，能够提供无线充电时的对准判断。

无线充电定位设备，包括：安装在发射端的发射端检测系统和安装在接收端的接收端检测系统；所述发射端检测系统包括依次联通的：信号发生器、驱动器、发射电路和检测发射线圈；在所述发射电路中具有至少一个发射回路；在每个所述发射回路中，连接一个所述检测发射线圈；所述接收端检测系统包括：联通的检测接收线圈和检测电路；所述检测电路具有至少一个接收回路，每个所述接收回路中连接一个所述检测接收线圈；在处于工作范围内时，所述检测发射线圈和所述检测接收线圈之间产生互感。

优选的，每个所述发射回路中还包括：与所述检测发射线圈串联连接的发射回路开关和发射回路电容；每个所述接收回路中还包括：与所述检测接收线圈串联连接的接收回路开关和接收回路电容。

优选的，以三维直角坐标系为基础定义X维度、Y维度和Z维度；以两个发射回路或者三个发射回路作为一组，同一组中的所述检测发射线圈的朝向在X维度、Y维度和Z维度上不重复；以两个接收回路或者三个接收回路作为一组，同一组中的所述检测接收线圈的朝向在X维度、Y维度和Z维度上不重复。

本发明的定位方法，包括前置步骤、定位步骤，其中，所述前置步骤包括：将发射端所在充电区域划分为多个虚拟的网格；建立理论互感系数M’的特征库，所述特征库包括：检测接收线圈处于每个所述网格时，与检测发射线圈之间的理论互感系数M’；所述定位步骤包括：获取检测接收线圈与检测发射线圈之间的互感系数M；将互感系数M与所述特征库比较，比较结果相同或处于允许误差范围内时，通过特征库映射理论互感系数M’对应的网格作为基础网格，通过该基础网格确定当前检测接收线圈所处的位置。

优选的吗，所述理论互感系数M’的获取方式为：

其中，

μ₀：真空磁导率；

r₁：检测发射线圈的半径；

r₂：检测接收线圈的半径；

n₁：检测发射线圈的绕组匝数；

n₂：检测接收线圈的绕组匝数；

l：检测发射线圈和检测接收线圈之间的距离；

h：检测发射线圈和检测接收线圈之间的高度差。

优选的，所述理论互感系数M’的获取方式为：预先将检测接收线圈依次置于每个所述网格处，获取对应每个所述网格的全部互感系数M，形成所述理论互感系数M’。

优选的，所述互感系数M的计算方式为：

其中，

U：所述接收回路的测量电压；

I：所述检测发射线圈空载时，驱动器加载交流电压U₀后在发射回路内产生的电流；

F：所述信号发生器发送的交流信号的振荡频率。

优选的，在所述前置步骤中，还包括预定至少一个所述网格作为标准网格，当所述基础网格与所述标准网格为同一网格时，则为无线充电对齐位置；否则，以基础网格与标准网格之间的方位生成移动线路规划数据。

本发明的无线充电定位设备和定位方法，能够实现对无线充电时的对准判断。

附图说明

图1A为本发明无线充电定位设备的一种结构框图；

图1B为本发明无线充电定位设备的另一种结构框图；

图2为本发明无线充电定位设备中检测电路和辅充电路的局部示意图；

图3为本发明无线充电定位设备中发射回路和接收回路的示意图；

图4为本发明无线充电定位设备中复合线圈结构示意图；

图5为停车区域的示意图；

图6为本发明定位方法的流程框图。

附图标记：

发射端T；接收端R；发射回路开关TK；发射回路电容TC；发射回路电感TL；发射回路电阻TR；接收回路开关RK；接收回路电容RC；接收回路电感RL；接收回路电阻RR；辅充开关WK；开关K；

充电区域0；发射端检测系统1；发射端供电系统2；发射端控制器3；发射端通信系统4；接收端检测系统5；接收端得电系统6；接收端控制器7；接收端通信系统8；信号发生器11；驱动器12；发射电路13；检测发射线圈14；供电电源21；发射端直流变换器22；发射端逆变器23；发射端谐振网络24；功率发射线圈25；检测接收线圈51；作谐振网络52；工作整流器53；工作滤波器54；辅助电源55；检测电路56；负载61；接收端滤波器62；接收端整流器63；接收端谐振网络64；功率接收线圈65。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明公开一种无线充电定位设备，该无线充电设备可以是无线充电系统中的一部分。以无线充电系统进行划分，可以如图1A和图1B所示，分为发射端T和接收端R，下文中为了方便说明，会以电动汽车为例进行说明，此时，发射端T即为地端，用来提供无线电能的输出，接收端R为车端，用来接收无线电能。需要注意，电动汽车的无线充电仅是本申请的示例，并不用于限制本申请的使用范围。

无线充电定位设备包括发射端检测系统1和接收端检测系统5，发射端检测系统1安装在发射端T，接收端检测系统5安装在接收端R。除此以外，发射端T还可以具有发射端供电系统2、发射端控制器3和发射端通信系统4。接收端R还具有接收端得电系统6、接收端控制器7和接收端通信系统8。

发射端供电系统2用来供电，包括供电电源21、发射端直流变换器22、发射端逆变器23、发射端谐振网络24和功率发射线圈25。接收端得电系统6用来和发射端供电系统2配合，以获得电能。接收端得电系统6包括负载61、接收端滤波器62、接收端整流器63、接收端谐振网络64和功率接收线圈65。为了方便说明可以将发射端供电系统2和接收端得电系统6统称为功率模块。

发射端检测系统1用来检测进行无线充电时发射端T和接收端R是否对齐，本发明下述会提到的定位方法，就需要发射端检测系统1和接收端检测系统5配合完成，可以检测无线充电时发射端T和接收端R是否对齐，或者说电动汽车停放的位置，是否对齐以满足无线充电。

同时，发射端检测系统1和接收端检测系统5都分别具有线圈——检测发射线圈14和检测接收线圈51，两个线圈也可以传输电能，为辅助电源55充电（具体参见下文的详细说明）。因为能够实现对准检测和辅助充电（与功率模块的充电不同，此处仅表示给辅助电源55充电）两个功能，下文为了方便说明，将发射端检测系统1和接收端检测系统5统称为双用模块。

发射端控制器3同发射端通信系统4交互信息，根据发射端通信系统4接收的信息调节发射端供电系统2的工作状态，也能将发射端供电系统2的工作状态信息共享给发射端通信系统4, 发射端通信系统4将对应的信息发送给其他接收者（例如接收端R的接收端通信系统8）。接收端控制器7和接收端通信系统8、接收端检测系统5、接收端得电系统6分别联通，进行控制。接收端通信系统8和发射端通信系统4信号通信，交互信息。接收端通信系统8还将交互的信息发送给接收端控制器7。可见，发射端通信系统4和接收端通信系统8实现的是发射端T和接收端R之间的信息交互共享。

以电动汽车为例，说明功率模块的工作方式。接收端R安装在电动汽车上，当功率接收线圈65与功率发射线圈25对准后（或者两个线圈之间的偏移满足工作范围时），在发射端控制器3的控制下，供电电源21输出的交流电经发射端直流变换器22转换为直流电，该发射端直流变换器22内部可以包括滤波电路、整流电路及功率因数调整电路。接着直流电经过发射端逆变器23转换成高频交流电施加在发射端谐振网络24上，由功率发射线圈25在上部空间激发形成高频交变磁场，功率接收线圈65经过磁场耦合产生交流电流，再通过接收端整流器63和接收端滤波器62后转换为直流电，输出的直流电输入到负载61（一般是车载动力电池）充电。

在整个充电过程中发射端T和接收端R通过各自的通信系统（发射端通信系统4和接收端通信系统8）交互信息，通信模块之间的通信方式包括WIFI、射频通信、Zigbee、蓝牙、毫米波、光通信等。两端的控制器通过传感器采集各自所在端的电流、电压等控制信号。发射端控制器3根据充电需求调节发射端直流变换器22和发射端逆变器23的输出，从而传送所需的输出功率。

下面对无线充电定位设备中的发射端检测系统1和接收端检测系统5展开说明。

发射端检测系统1包括依次联通的：信号发生器11、驱动器12、发射电路13和检测发射线圈14；接收端检测系统5包括：检测接收线圈51、检测电路56，在一些实施例中，如图1B所示，接收端检测系统5还包括辅充电路。

在不设置辅充电路的实施例中（图1A），检测电路56直接与检测接收线圈51联通，在具有辅充电路的实施例中（图1B），检测电路56和辅充电路中的一个电路，与检测接收线圈51联通，即检测接收线圈51只能择一联通。如图1B所示，使用开关K实现检测接收线圈51在两个电路中的选择。此处使用开关K仅是一种可选的方式，下文会具体进行说明。

在不设置辅充电路的实施例中，检测接收线圈51和检测电路56联通，来检测发射端T和接收端R是否对齐，或者说是否处于工作范围内。在处于工作范围内的情形下，检测发射线圈14和检测接收线圈51之间产生互感，该互感的互感系数为M。经过检测电路56的处理，实现定位的判断。

在具有辅充电路的实施例中，检测接收线圈51和检测电路56联通时，同样来检测发射端T和接收端R是否对齐。当检测接收线圈51和辅充电路联通时，检测发射线圈14和检测接收线圈51之间产生互感（当然也是处于工作范围内），与功率模块类似，实现了无线电能的传输，不过，双用模块中的电能传输，是给辅助电源55供电的。以汽车为例，辅助电源55可以是车载电平，在电动汽车的电池完全没有电量时，可能存在无法充电的情况（例如接收端控制器7无法启动，无法实现充电），此时辅助电源55就可以进行供电，以保证无线充电的启动。当然辅助电源55还可以连接其他需要供电的装置，例如接收端通信系统8，或者下文会提到的辅充开关WK、接收回路开关RK等需要电驱动的零部件。

下面分别就双用模块的检测功能，也就是本申请的定位方法，以及“辅助充电”功能进行说明。

在不设置辅充电路的实施例中，检测电路56具有至少一个接收回路，每个接收回路中连接一个检测接收线圈51。此时不涉及辅充电路。

在设置辅充电路的实施例中，这二者功能是靠开关实现切换的，关于开关在不同实施方式中也有多种不同的设置方式。下文在对检测发射线圈14和检测接收线圈51的说明，无论哪个功能都是通用的，因为他们都使用了相同的检测接收线圈51，只是连接到了不同的电路工作。

因为无论是否设置辅充电路，对于本申请的无线充电定位设备和定位方法来说，唯一的差别仅在是否需要切换联通的关系，有辅充电路的实施例中，只要切换到联通的检测接收线圈51和检测电路56联通，既能实现定位方法，因此，说明书下文以具有辅充电路的实施例，来进行说明。

检测发射线圈14和检测接收线圈51的都可以是具有多个，分别朝向不同的维度，以保证获得更多的检测数据。具体请参见下文的说明。

在发射电路13中具有至少一个发射回路；在每个发射回路中，连接一个检测发射线圈14；每个发射回路中还包括：与检测发射线圈14串联连接的发射回路开关TK和发射回路电容TC。也就是说，发射电路13中可以具有多个发射回路，每个发射回路对应有一个检测发射线圈14，通过发射回路开关TK来实现工作与停止工作的切换。一般在具有多个检测发射线圈14时，可以是每个检测发射线圈14依次工作，一般不同时工作。

以三维直角坐标系为基础定义X维度、Y维度和Z维度（下文简称为“维度”）；以两个发射回路或者三个发射回路作为一组，同一组中的检测发射线圈14的朝向在X维度、Y维度和Z维度上不重复。以电动汽车为例，X维度一般是车辆行驶的方向，Y维度是车辆左右的方向，与X维度垂直。 Z维度与另外两个维度垂直，一般指与车辆底盘垂直的方向。

在有三个发射回路作为一组时，三个检测发射线圈14分别在X维度、Y维度和Z维度上，即每个维度的朝向上均有一个对应的检测发射线圈14。在有两个发射回路作为一组时，一般在X维度和Y维度的朝向上，因为Z维度一般是地端和车端的距离，也就是发射端T和接收端R在垂直方向上的距离，在工作范围附近，该距离的差距一般不会太大，因为车底盘的高度比较固定，即使不同型的车辆，底盘高度的也不会存在巨大差异。

对应的，在接收端检测系统5中，检测电路56具有至少一个接收回路，每个接收回路中连接一个检测接收线圈51；每个接收回路中还包括：与检测接收线圈51串联连接的接收回路开关RK和接收回路电容RC。需要注意，在接收端R，检测接收线圈51会在检测电路56或者辅充电路中择一的连接，接收回路开关RK会在检测接收线圈51需要接入检测电路56时联通。当然，在不同的实施例中，接收回路开关RK可能有不同的设置方式。

以两个接收回路或者三个接收回路作为一组，同一组中的检测接收线圈51的朝向在X维度、Y维度和Z维度上不重复。其与检测发射线圈14的设置方式类似，故不再赘述。

下面对辅充电路说明，如图1B所示，辅充电路包括依次联通的：工作谐振网络52、工作整流器53、工作滤波器54。工作谐振网络52通过辅充开关WK与检测接收线圈51联通或者断开。

接收回路开关RK和辅充开关WK的设置可以如图2所示，一般的辅充开关WK为常闭开关，接收回路开关RK为常开开关。只有在需要进行对准判断时，才切换开闭状态，接收回路开关RK闭合，辅充开关WK断开，使检测电路56工作。其他时间辅充电路工作，可以保证辅助电源55的电量。

在一些实施例中，接收回路开关RK和辅充开关WK为同一开关，将上述检测接收线圈51择一地连接到检测电路56或者连接到辅充电路。无论开关设置的方式，只要满足能够将检测接收线圈51连接到两个不同的电路中，都可以用于本申请。

在不设置辅充电路的实施例中，可以只设置回路开关RK，来控制检测接收线圈51与检测电路56的联通关系即可，当然，不设置回路开关RK，让检测接收线圈51与检测电路56一只处于联通关系同样可以。

下面介绍具有辅充电路的实施例中，辅充电路和辅助电源55的工作原理。

辅助电源55可以为接收端R的低压设备供电，一般是汽车车载蓄电池，车载蓄电池的电量一般由整车控制器和电池管理系统（BMS）管理和补充。电动汽车在一些使用场景车载蓄电池会不能使用，如汽车长期在停车位上闲置，车载蓄电池因长时间待机而电量耗尽，或者因为车载蓄电池损坏等。

由于无线充电启动时需要启动功接收端控制系统7和接收端通信模块8，如遇到上述情形就无法启动无线充电。

双用模块中辅充电路就可以解决上述问题。

其中由信号发生器11产生（正弦）信号，并将信号送入到驱动器12处理（处理包括功率放大等），处理后的信号驱动一个或多个发射回路工作，发射回路中对应的检测发射线圈14，向对应维度方向的空间激励发形成高频交变磁场，一个或多个检测接收线圈51经过磁场耦合产生交流电流，再通过工作整流器53和工作滤波器54后转换为直流电，输出的直流电输入到辅助电源55，为辅助电源供电。如辅助电源是车载蓄电池，则即是为蓄电池充电，待蓄电池有一定的电量时，再启动正常的无线充电流程。滤波器也可以与直接与低压设备电连接，直接为电压设备供电。由于信号发生器的工作频率和无线充电的工作频率不同，两个系统发射的交变磁场即使处于同一传输空间内也不会相互干扰。

在一些实施例中，可以不使用辅助电源55。在完成线圈对准检测过程后，在无线充电系统启动和整个充电过程中，均通过检测发射线圈14和检测接收线圈51为车载控制器等低压部件供电，原理与上述为辅助电源55充电相似，此时可以取消辅助电源55的使用，或者说不对辅助电源55进行充电，而是直接向用电部件供电。

检测发射回路工作在辅助供电模式时，功率发射线圈和接收线圈处于对准、可大功率传输能量状态，能量传输系统发射的交变磁场主要集中的车底部的工作区域，此时发射的磁场强度可高于线圈对准检测时的强度，以满足辅助供电的功率传输需要为原则，但向汽车外部充电保护区域内的泄漏的磁场强度仍需受到国家规范所允许暴露的磁场强度值的约束。

参见图3，由于发射回路和接收回路都可以具有很多个，以“RK1、RK2……RKn”表示不同的接收回路开关RK，同理“WK1、WK2……WKn”表示不同的辅充开关WK。“TK1、TK2……TKn”发射回路开关TK。

一般情形中，多个发射回路开关TK不会同时闭合，而是依次闭合。而接收端检测系统5中则不同，其可以多个开关的开闭状态同步，即“RK1、RK2……RKn”等多个接收回路开关RK是联动的，“WK1、WK2……WKn等多个辅充开关WK也是联动的，他们“同闭合或同断开”，也可以只设置一个联动的开关同时闭合和断开多个接收回路。

上述提到，检测发射线圈14和检测接收线圈51可以具有多个维度的设置，因此有可能会存在三个检测发射线圈14所在的位置相同的情况，即一个位置上设置三个检测发射线圈14，分别对应三个维度方向，同理，也存在一个位置包括三个检测接收线圈51的情况。如图4所示，即为一个复合线圈结构，他同时具有三个维度朝向的检测发射线圈14。

在一实施例中，Z维度方向的检测发射线圈14一般采用独立的绕组。在另外的实施例中，Z维度方向的检测发射线圈14还可以和功率发射线圈25共用，即在定位检测过程中由功率发射线圈25产生检测电磁场，此时，其他维度的检测发射线圈14，可以在功率发射线圈25上绕制。

当应用在电动汽车时，检测发射线圈14和检测接收线圈51都可以在一个位置或多个位置设置。例如在一个实施例中，检测发射线圈14在一个位置设置，检测接收线圈51在两个位置设置，这种情况中，一般是功率发射线圈25附近，一个位置可以有一个到三个维度方向，当在一个位置处，只设置一个维度方向时，一般是Z维度方向；检测接收线圈51在功率接收线圈65两侧。优选的实施例中，可以在功率接收线圈65的外周的四个位置对称的设置检测接收线圈51。

以电动汽车为例，对工作流程和方式进行说明。需要注意，电动汽车作为例子，是为了方便进行说明和理解，并不是限定本申请的方案只能用于电动汽车。

当需要充电的电动汽车靠近或进入无线充电区域时（例如可以无线充电的停车场），发射端通信系统4和接收端通信系统8建立通信，发射端T与接收端R之间通过通信交互所需要的信息和数据。

当要进行功率发射线圈25和功率接收线圈65的对准检测时，控制接收回路开关RK闭合，辅充开关WK断开（可以是接收端控制器7控制的）。信号发生器11产生（正弦）信号，并将信号送入到驱动器12处理（处理包括功率放大等），处理后的信号驱动一个发射回路工作，发射回路中对应的检测发射线圈14，向对应维度方向的空间激励发射出用于对准所需的检测电磁场（和上文说明辅充电路时，提到的高频交变磁场相同，这两处是为了区分不同的功能，在名称上加以区分，即发射线圈14发出的“电磁场”既能用来进行定位检测，又能用来给辅助电源55充电）。检测电磁场强度受到无线充电时在公共环境内国家规范所允许暴露的磁场强度值的约束。检测电磁场的频率可以不同于充电模块功率传输所产生的磁场的频率。即检测电磁场和无线充电时产生的电磁场具有不同的频率。

检测发射线圈14按照固定的周期发射检测电磁场，当检测发射线圈14不发射检测电磁场时，检测接收线圈51接收到的是环境电磁场（属于干扰磁场），当检测发射线圈14发射检测电磁场时，接收检测线圈51接收到的是包括了环境电磁场和发射电磁场两个电磁场的叠加，将检测发射线圈14工作周期内检测到的数据减去非工作周期检测到的数据，则可获取发射线圈14实际发射值。

发射回路大于1时（发射线圈14具有多个），为避免相互干扰，每个工作周期内同时只有一个发射回路工作。在一些实施例中，三个维度朝向的发射线圈14设置在同一位置，即使是这样，也只有一个维度朝向的发射线圈14的工作，一般是同一位置处的不同维度朝向的发射线圈14依次工作。如果在多个位置都设置了检测发射线圈14，那么需要一个位置完成后，再另一位置的检测发射线圈14依次工作。为避免干扰，一次只有一个位置的一个维度的检测发射线圈14工作，即同一时间，只有一个发射线圈14作为检测电磁场的发射源在工作。

需要注意的是，其中一个发射线圈14工作时，可以包括一个或多个工作周期。也就是每个检测发射线圈14会依次工作一个周期，或者多个周期。

接收回路的开关在整个对准检测过程中，接收回路开关RK全部接通（RK1到RKn都接通），此时接收回路全部同时工作，测量所得数据同时送入接收端控制器7。

当电动汽车逐步靠近功率发射线圈时，检测接收线圈51接收到的检测发射线圈14发出的检测电磁场信号强度逐步增大，各个接收回路（检测接收线圈51）接收的磁场强度足以通过检测电路56测量出电压U1至Un。

参见图3，一个接收回路中，在检测接收线圈51接入时，接收回路具有接收回路电感RL，还具有接收回路电阻RR及接收回路电容RC，（在具有多个接收回路时，分别以RL1到RLn、RR1到RRn、RC1到RCn表示）。发射回路中，具有发射回路电感TL、发射回路电阻TR及发射回路电容TC（在具有多个发射回路时，分别以TL1到TLn、TR1到TRn、TC1到TCn表示）。

以上提到的发射回路电容TC、发射回路电感TL、发射回路电阻TR、接收回路电容RC、接收回路电感RL、接收回路电阻RR一般是指在接收回路中的等效值，例如检测接收线圈51和电路中导线共同提供的电阻作为接收回路电阻RR。

接收回路和发射回路中，都是以“LC串联-串联”的谐振拓扑结构。对于检测发射线圈14和检测接收线圈51之间实现互感的互感系数M为：

（公式1）

其中U是接收回路的测量电压；I是检测发射线圈14空载时，驱动器12加载交流电压U₀后在发射回路内产生的电流，I可以是系统预先确定的固定值或在定位前测量值，是已知值；f是信号发生器11发送的交流信号的振荡频率，也是已知值。I和f可在接收端通信系统8和发射端通信系统4之间传递。

在具有多个检测接收线圈51时，接收回路也就具有多个，因而每个接收回路中都有一个对应的测量电压，因而以U1到Un表示每个接收回路的测量电压。同理，以I1到In表示每个发射回路在上述限定条件下的电流。

在工作中，一个检测发射线圈14与每个检测接收线圈51都具有互感，他们的互感系数也不同，为了描述清晰，上述互感系数M还可以表示为

（公式2）

即第X个检测发射线圈14与第Y个检测接收线圈51之间的互感系数。通过以上，可以知晓每个检测发射线圈14与每个检测接收线圈51之间的互感系数。

需要注意的是，以上关于互感系数M的公式，是在检测发射线圈14和检测接收线圈51发生互感时，根据双侧的数据计算而来，可以理解为“实时数据”。需要注意，上述计算互感系数M的公式是一种优选的实施例，并不限制其他可以获得该互感系数M的方式，例如可以使用测量仪器直接实时测量。

下文可能还会涉及理论互感系数M’的计算，理论互感系数M’是根据数学模型人为计算获得的，即使线圈之间没有发生互感，也能得到该理论互感系数M’，对应上述的“实时数据”，该理论互感系数M’可以当做校验的基础，通过和“实时数据”的比较，来判断线圈是否对齐，具体参见下文，会对定位检测的方法进行说明。

理论互感系数M’的计算方式为：

（公式3）

其中：

（公式4）

上述公式中各字母的含义如下：

μ₀：真空磁导率；

r₁：检测发射线圈14的半径；

r₂：检测接收线圈51的半径；

n₁：检测发射线圈14的绕组匝数；

n₂：检测接收线圈51的绕组匝数；

l：检测发射线圈14和检测接收线圈51中心点间的距离；

h：检测发射线圈14和检测接收线圈51高度差，也可以理解为在Z维度方向的偏移距离。在检测发射线圈14和检测接收线圈51垂直对齐时，l和h相等。

以上方法可以获得每个检测发射线圈14与每个检测接收线圈51之间的理论互感系数。M’_XY即可以表示第X个检测发射线圈14与第Y个检测接收线圈51之间的理论互感系数。

通过公式中的l和h我们可以知晓，检测发射线圈14与检测接收线圈51之间处于任何位置时的M’都可以获知（无法接收检测电磁场的位置互感为0）。

理论互感系数M’可以用于和上述的互感系数M比较，以辅助确定位置。具体的参见下文。

在其他实施方式中，理论互感系数M’可以是通过提前标定而得到的特征库，即在每个设置有检测发射线圈14的位置，通过上述计算的方式，实际测量出三个维度的检测接收线圈51与检测发射线圈14之间的互感系数M，从而建立起所有位置的互感系统数M的集合，以集合的数据作为理论互感系数M’的特征库（可以理解为进行一次实际测量，将该实际测量的结果作为理论互感系数M’，该一次测量的结果可以供多次使用）。

上述两种获得理论互感系数M’的方式也可以结合使用，即是由现场进行实际测量，以获得数据，以核定公式3和公式4的准确程度，通过计算机仿真及干扰因数的分析等方式，获得可行的数学方法改动参数值甚至函数关系式，校正公式3和公式4，使公式的计算值与现场标定的误差值在要求精度之内。现场测量的方式，同样能够对公式1和公式2进行核定。

由于信号发生器11的工作频率和发射端供电系统的频率不同，该双用模块还可以作为功率发射线圈25的空载保护机构，在无线充电过程中，验证功率发射线圈25和功率接收线圈65之间的相对位置没有发生改变，当出现车辆被从充电位置上移动，例如被撞开或因为车位有坡度导致车辆滑移等车辆异常移位情况，双用模块中用于定位检测的功能，一旦发现车辆偏移工作范围，则可以立即切断发射端供电系统2的功率传输，并向系统后台发出报警。当然这需要发射端控制器3、发射端通信系统4、接收端控制器7和接收端通信系统8等多个组成部分的配合完成。此种使用情况时，就不能采用前述的在无线充电过程中，使用检测发射线圈14和检测接收线圈51为车载控制器等低压部件供电的方式了（不能为辅助电源55充电）。

下面说明本发明的定位方法，为了方便说明和理解，以电动汽车为例进行说明。

参见图6，本定位方法可以分为两大步骤，前置步骤和定位步骤。

前置步骤包括：

将发射端T所在充电区域划分为多个虚拟的网格；

建立理论互感系数M’的特征库，所述特征库包括：检测接收线圈51处于每个所述网格时，与检测发射线圈14之间的理论互感系数M’；

定位步骤包括：

获取检测接收线圈51与检测发射线圈14之间的互感系数M；

将互感系数M与所述特征库比较，比较结果相同或处于允许误差范围内时，通过特征库映射理论互感系数M’对应的网格作为基础网格，通过该基础网格确定当前检测接收线圈51所处的位置。每个网格人为划分，因此能确定网格的具体位置，该基础网格所在位置就可以确定或者推算检测接收线圈51的位置，一般的，该基础网格所在位置即为检测接收线圈51所处的位置。

前置步骤是在定位程序开始前就提前设置好的。以电动汽车无线充电为了，发射端T也就是地端，在安装后，就会进行前置步骤。就好比电脑使用前，预装了操作系统。前置步骤是预先进行的，而后续的定位步骤需要在前置步骤完成后进行。同时，进行一次前置步骤后，定位步骤可以多次重复进行。

以电动汽车无线充电为例，发射端T安装后，对充电区域0进行虚拟的网格划分，然后建立理论互感系数M’的特征库。该特征库的建立，不但可以通过理论计算获得，还可以通过实际将车辆停放到各个位置，进行数据采集，或者将原本安装在车辆接收端R上的检测接收线圈51和对应的检测电路56单独拆卸下来，放置到对应网格进行数据采集。前置步骤可以简单的理解为建立基础，形成对应的数据存取，一遍后续定位步骤的使用。

上述网格是为了定位的方便，可以明确检测接收线圈51所在位置，使用坐标可以起到同样的功能。

我们以实将车辆停放到各个位置，以获取理论互感系数M’为例。例如一个10X10的网格，一个检测接收线圈51处于第一行第一列网格时，其与所有检测发射线圈14之间的互感系数M，可以作为一个特征库的一部分，每个网格都作为一部分，组成特征库的全部。此时的互感系数M将作为理论互感系数M’使用，即，将前置步骤中实际测量的结果当做理论互感系数M’。在不使用实将车辆停放到各个位置的实施例中，可以直接通过计算的方式获得理论互感系数M’。

实际测量中，互感系数M的计算方式可以参见上述的公式1和公式2。

直接计算理论互感系数M’的方式可以参见上述公式3和公式4。

同时需要注意，可能在车辆上的多个位置都设置检测接收线圈51，每个位置处的检测接收线圈51对应在网格内的数据，都会存在特征库内。

同时，一个位置的检测接收线圈51可能还具有三个维度方向，因此，每个网格内都可以含有大量的互感系数M。即使是通过计算的方式获得，也会根据线圈数量和维度方向的数量，计算每个理论互感系数M’，从而形成完整的特征库。

同样的，因为检测发射线圈14也可以具有多个位置和多个维度方向，不过检测发射线圈14的位置和维度方向是固定的。简单来说，将每个检测接收线圈51处于每个网格区域内时，与所有检测发射线圈14之间的全部互感系数M做成一个集合，该集合就是特征库。在使用计算的方式时，也要计算全部线圈对应在每个网格内的理论互感系数M’。

上述理论互感系数M’的特征库，可以是实际测量每个互感系数M然后在整理集合获得，也可以是通过上述公式3和公式4进行理论计算获得。

在通过计算获得实施例中，因为理论互感系数M’的获取中，包括具有l和h两个数据（参见上文），这两个数据可以确定电动汽车的位置，因此，理论互感系数M’可以具有：车辆在符合充电位置要求时的数据。即车辆停放位置确保功率发射线圈和功率接收线圈对齐时，任一检测发射线圈14与每个检测接收线圈51之间的理论互感系数M’。为了方便描述，我们将车辆停放位置准确时的理论互感系数M’，称为确定理论互感系数M’。实际使用车辆停放到各个位置测量时，将停放准确时获得的互感系数M称为确定理论互感系数M’。

下面说定位步骤。

获取一组互感系数M。此时是真正有车辆要进行无线充电，从而停放到充电区域0内。此处“一组”是指以检测接收线圈51为基础，一个位置处的全部维度朝向的检测接收线圈51与全部检测发射线圈14的互感系数。

将互感系数M与特征库比较，比较结果相同或处于允许误差范围内时，通过特征库映射理论互感系数M’对应的网格作为基础网格，通过基础网格确定当前检测接收线圈51所处的位置。

假设在功率接收线圈65的四角这四个位置处，分别设置有检测接收线圈51，每个位置处的检测接收线圈51都有三个朝向（例如图4中三个维度的朝向）。同时，在地面设置的检测发射线圈14，也是每个位置处的检测接收线圈51都有三个朝向，但是地面设置位置会更多，为了方便说明，我们假设在地面功率发射线圈25内的2个位置设置了检测接收线圈51，且每个位置都是三个朝向。

此时一组互感系数M，应该具有18个，分别是M₁₁、M₂₁、M₃₁、M₄₁、M₅₁、M₆₁、M₁₂、M₂₂、M₃₂、M₄₂、M₅₂、M₆₂、M₁₃、M₂₃、M₃₃、M₄₃、M₅₃、M₆₃，其中第一角标的1-3代表一个位置的三个维度朝向的检测接收线圈51，4-6是第二个位置的三个维度朝向的检测发射线圈14，第二个角标1-3是一个位置处检测接收线圈51三个维度朝向的检测接收线圈51。例如M₆₃表示第二位置第三种维度朝向的检测发射线圈14和第一位置的第三种维度朝向的检测接收线圈51之间的互感系数M。

然后根据检测接收线圈51安装的位置数，再进行其他位置的互感系数M。根据以上例子，一个位置有18个互感系数M，总计可以四组，共72个互感系数M。

将这些互感系数M与确定理论互感系数M’中对应一组理论互感系数M’相同或者允许的误差范围内，就认为车辆停放的位置准确。每个检测发射线圈14和检测接收线圈51都有自己的编号，所以能够方便的在确定理论互感系数M’中找到需要进行比较的一组。

有的一组中的互感系数M（例子中是18个）与特征库内理论互感系数M’一致，或在误差允许范围内，就通过特征库映射理论互感系数M’对应的网格作为基础网格，此时可以确定一个安装有检测接收线圈51的所在位置（此处“一个”是指一个位置，该位置可以有三个检测接收线圈51），通过基础网格确定当前检测接收线圈51的所在位置。

当另一组互感系数M与特征库内理论互感系数M’一致时，又可以确定一个位置，根据两个位置在网格上的映射，可以确定一个连线。当有第三组互感系数M，可以形成一个三角形，因为每个位置与功率接收线圈65的位置是相对固定的，由此可以确定功率接收线圈65的位置。

这种方法可以方便的知晓车辆停放的是否准确。

在一些实施例中，还可以引导车辆移动到对齐的位置。在该实施例中，需要在前置步骤中，确定对齐状态的数据——预定至少一个所述网格作为标准网格，当所述基础网格与所述标准网格为同一网格时，则为无线充电对齐位置；否则，以基础网格与标准网格之间的方位生成移动线路规划数据。

标准网格和基础网格不是同一个时，即没有对齐，通过在网格上的映射，可以知晓如何移动车辆，才能到达对齐位置，因此，这种方法可以实现泊车引导的功能。

当车辆为人工驾驶时，将上述在网格上的映射转换为偏差数据或汽车操作提示（前进、后退、转向等）发送到车载中控台或手机App等操作界面上；当车辆为自动泊车或自动驾驶时，可以直接与泊车系统配合，自动对车辆的调整。最终将电动汽车行驶到功率发射线圈和功率发射接收线圈之间的偏差允许范围内。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无线充电定位设备，其特征在于，包括：

安装在发射端（T）的发射端检测系统（1）和安装在接收端（R）的接收端检测系统（5）；

所述发射端检测系统（1）包括依次联通的：信号发生器（11）、驱动器（12）、发射电路（13）和检测发射线圈（14）；在所述发射电路（13）中具有至少一个发射回路；在每个所述发射回路中，连接一个所述检测发射线圈（14）；

所述接收端检测系统（5）包括：联通的检测接收线圈（51）和检测电路（56）；所述检测电路（56）具有至少一个接收回路，每个所述接收回路中连接一个所述检测接收线圈（51）；

在处于工作范围内时，所述检测发射线圈（14）和所述检测接收线圈（51）之间产生互感。

2.根据权利要求1所述的无线充电定位设备，其特征在于，

每个所述发射回路中还包括：与所述检测发射线圈（14）串联连接的发射回路开关（TK）和发射回路电容（TC）；

每个所述接收回路中还包括：与所述检测接收线圈（51）串联连接的接收回路开关（RK）和接收回路电容（RC）。

3.根据权利要求2所述的无线充电定位设备，其特征在于，

以三维直角坐标系为基础定义X维度、Y维度和Z维度；

以两个发射回路或者三个发射回路作为一组，同一组中的所述检测发射线圈（14）的朝向在X维度、Y维度和Z维度上不重复；

以两个接收回路或者三个接收回路作为一组，同一组中的所述检测接收线圈（51）的朝向在X维度、Y维度和Z维度上不重复。

4.一种权利要求1-3任一项所述无线充电定位设备的无线充电定位方法，其特征在于，

包括前置步骤、定位步骤，其中，

所述前置步骤包括：

将上述发射端（T）所在充电区域（0）划分为多个虚拟的网格；

建立理论互感系数M’的特征库，所述特征库包括：所述检测接收线圈（51）处于每个所述网格时，与检测发射线圈（14）之间的理论互感系数M’；

所述定位步骤包括：

获取所述检测接收线圈（51）与所述检测发射线圈（14）之间的互感系数M；

所述将互感系数M与所述特征库比较，比较结果相同或处于允许误差范围内时，通过所述特征库映射理论互感系数M’对应的网格作为基础网格，通过所述基础网格确定所述检测接收线圈（51）当前所处的位置。

5.根据权利要求4所述无线充电定位方法，其特征在于，

所述理论互感系数M’的获取方式为：

其中，

μ₀：真空磁导率；

r₁：检测发射线圈（14）的半径；

r₂：检测接收线圈（51）的半径；

n₁：检测发射线圈（14）的绕组匝数；

n₂：检测接收线圈（51）的绕组匝数；

l：检测发射线圈（14）和检测接收线圈（51）之间的距离；

h：检测发射线圈（14）和检测接收线圈（51）之间的高度差。

6.根据权利要求4所述无线充电定位方法，其特征在于，

所述理论互感系数M’的获取方式为：

预先将所述检测接收线圈（51）依次置于每个所述网格处，获取对应每个所述网格的全部互感系数M，形成所述理论互感系数M’。

7.根据权利要求4或6无线充电定位方法，其特征在于，

所述互感系数M的计算方式为：

其中，

U：所述接收回路的测量电压；

I：所述检测发射线圈（14）空载时，驱动器（12）加载交流电压U₀后在发射回路内产生的电流；

F：所述信号发生器（11）发送的交流信号的振荡频率。

8.根据权利要求4所述无线充电定位方法，其特征在于，

在所述前置步骤中，还包括预定至少一个所述网格作为标准网格，当所述基础网格与所述标准网格为同一网格时，则为无线充电对齐位置；

否则，以基础网格与标准网格之间的方位生成移动线路规划数据。

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