CN111845404A - 一种移动充电桩的控制方法及移动充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动充电系统，包括电磁轨道，主控端和移动充电桩；所述移动充电桩随电磁轨道移动；所述主控端用于接收移动充电桩位置，并向移动充电桩发送移动轨迹信息；所述移动充电桩包括电磁感应模块，驱动模块和主控制器；所述电磁感应模块用于移动充电桩实时的电压感应；所述主控制器用于接收电磁感应模块发送的电压信息，计算获得移动充电桩实时的偏移量，并根据所述实时偏移量获得与其对应离线的控制参数，所述主控制器通过所述控制参数控制驱动系统对移动充电桩的路径进行偏移量纠正。本发明可提高充电桩的使用率。

Description

一种移动充电桩的控制方法及移动充电系统

技术领域

本发明涉及一种移动充电桩的控制方法及移动充电系统，属于移动充电领域。

背景技术

随着电动汽车产业的快速发展，我国电动汽车的保有量取得了大幅增长。为了较好满足电动汽车的需求，通常采用在停车场安装固定式充电桩的方案，固定式充电桩链接交流电网，为电动汽车提供充电服务。固定式充电桩安装在停车场内的固定停车位不可移动，燃油车及不需充电车辆在该车位的停放将极大降低充电桩的有效使用。车载式充电桩是在电动汽车内安装一套充电装置，通过车载储能电池为待充电电动汽车充电。然而移动充电车体积较大，不适宜为停车场内电动汽车提供充电服务。

发明内容

本发明是提供一种移动充电桩的控制方法及移动充电系统，可提高充电桩的使用率。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是一种移动充电系统，包括电磁轨道，主控端和移动充电桩；所述移动充电桩随电磁轨道移动；所述主控端用于接收移动充电桩位置，并向移动充电桩发送移动轨迹信息；所述移动充电桩包括电磁感应模块，驱动模块和主控制器；所述电磁感应模块用于移动充电桩实时的电压感应；所述主控制器用于接收电磁感应模块发送的电压信息，计算获得移动充电桩实时的偏移量，并根据所述实时偏移量与其对应离线的控制参数，所述主控制器通过所述控制参数控制驱动系统对移动充电桩的路径进行偏移量纠正。

优选地，包括位于停车位上的车位标签，所述车位标签与主控端通信连接。

优选地，所述移动充电桩还包括储能模块，电池管理模块和超声波避障模块；所述储能模块，电池管理模块和超声波避障模块与主控制器通信连接。

优选地，所述储能模块为由电动汽车的退役电池经过检测、重组而成储能电池组；所述电池管理模块采用金杯新能源电池管理模块；所述超声波避障模块采用通用超声波传感器。

本发明的移动充电系统通过电磁传感器检测停车场铺设的电磁轨道，使移动充电桩能够沿电磁轨道移动到待充电车位，从而提高充电桩的利用率。基于电磁轨道的移动充电系统，轨道铺设成本较低且稳定度较高，便于停车场的优化管理，在停车区域升级变动时，无需增设或改动硬件设备，通过对所铺设电磁轨道的升级改造即可实现系统优化，升级改造工作量较小、成本较低。

一种移动充电桩的控制方法，包括以下步骤：移动充电桩内的主控制器获取主控端发送的路径规划信息；响应于所述路径规划信息，移动充电桩沿电磁轨道进行移动，行进途中，主控制器计算移动充电桩中心与电磁轨道中心实时的偏离量；主控制器根据所述实时的偏离量与预先存储在主控制器内的离线仿真数据进行对比，获取对应的控制参数，并将所述控制参数发送至驱动模块，驱动模块对移动充电桩进行偏离量纠正；所述离线仿真数据包括离线的偏离量与控制参数。

进一步地，所述离线仿真数据的获得包括以下步骤：建立仿真地图和电磁轨道模型；在所述电磁轨道模型中设置仿真点并设置仿真点处的偏离量；所将所述偏离量作为移动充电桩运行模型的输入，获得对应的移动充电桩的控制参数。

进一步地，所述移动充电桩运行模型为：

其中，ψ为移动充电桩姿态角度，

为移动充电桩角度变化速度，δ为充电桩前转向轮角度，

为移动充电桩的侧向偏移量，V_x为移动充电桩在横向X轴的速度，V_y为动充电桩在纵向Y轴的速度，C_αf为前轮侧偏刚度，C_αr为后轮侧偏刚度，m为移动充电桩质量，l_f为重心到前轮胎的纵向距离，l_r为重心到后轮胎的纵向距离，I_z为横摆惯性矩。

进一步地，所述控制参数包括速度控制参数和转向控制参数。

进一步地，所述偏离量由公式(2)计算得到：

其中，e为偏离量；U_1r、U_2r为充电桩左右两侧的电压信息，k_e为偏移量系数。

本发明通过采用离线模型预测方法，能够较好的控制移动充电桩的运行轨迹，同时运算量低易于嵌入式实现。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种移动充电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中电磁轨道的布设示意图；

图3为本发明实施例中电磁传感器位置示意图；

图4为本发明实施例中解调电路结构图；

图5为本发明实施例移动充电桩离线模型预测框图；

图6为本发明的原理图。

其中：1-移动充电桩，2-电动汽车，3-电磁轨道，4-主控端，5-停车区域，6-移动充电桩充点电。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的实质，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的阐述。

本发明提供了一种移动充电桩的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、移动充电桩内的主控制器获取主控端发送的路径规划信息。

路径规划步骤如下，根据移动充电桩当前位置信息和目标位置信息确定移动充电桩的移动方向。根据该移动方向选择移动充电桩需要行进的电磁轨道，移动充电桩移动的目标位置所需行进的电磁轨道顺序组合即为其规划得到的目标移动路径。

步骤二、响应于所述路径规划信息，移动充电桩沿电磁轨道进行移动，行进途中，主控制器计算移动充电桩中心与电磁轨道中心实时的偏离量。

1、主控制器实时获取电磁感应模块经过解调后的U_1r、U_2r，对所述U_1r、U_2r中进行偏离信息判断，并获得移动充电桩实时的偏离量：

其中，e为偏离量；U_1r、U_2r为充电桩左右两侧的电压信息，k_e为偏移量系数。

偏移量系数k_e根据电磁传感器安装位置进行标定。

2、当移动充电桩中心位于电磁轨道中心时，U_1r＝U_2r，获得偏离量e为0；当充电桩中心位置偏离电磁轨道时，获得偏离量e＝k_e*(U_1r-U_2r)。

3、移动充电桩在行进过程中，主控制器根据充电桩初始位置Y₀和实时的位置增量

计算移动充电桩当前位置Y^·：

其中，Y₀为移动充电桩的初始位置，

为第i计算周期时移动充电桩实时的位置增量，V_x为移动充电桩在横向X轴的实时速度，V_y为移动充电桩在纵向Y轴的实时速度。

主控制器根据计算出的当前位置判断移动充电桩所处位置，并与预设仿真点进行匹配。

步骤三、主控制器根据计算出的实时偏离量与预先存储在主控制器内的离线仿真数据进行对比，获取实时的控制参数，并将所述离线仿真控制参数发送至驱动模块，驱动模块对移动充电桩进行偏离量纠正。离线仿真数据包括离线的偏离量与控制参数。

一、获取离线仿真数据：

1、如图2所示，建立仿真地图和电磁轨道模型，在所述电磁轨道模型中设置仿真点并设置仿真点处的偏离量。

2、根据设置的偏移量e，可以计算出移动充电桩姿态角度ψ和移动充电桩的侧向偏移量

其中，L为移动充电桩两电磁传感器间距。

3、将每个仿真点处设置的多个偏离量作为移动充电桩运行模型的输入，获得移动充电桩离线的控制参数。控制参数包括速度控制参数和转向控制参数，其中，速度控制参数为V_{x_c}、V_{y_c}，转向控制参数为充电桩前轮转向角度δ，如图6所示。实际应用中，由于移动充电桩的速度较慢，可以将速度控制参数矢量设为恒定值

＝3Km/h，实时的速度控制参数可以通过移动充电桩前轮转向角度δ计算

移动充电桩运行模型由公式(6)计算得到：

其中，ψ为移动充电桩姿态角度，

为移动充电桩角度变化速度，δ为充电桩前转向轮角度，

为移动充电桩的侧向偏移量，C_αf为前轮侧偏刚度，C_αr为后轮侧偏刚度，m为移动充电桩质量，l_f为重心到前轮胎的纵向距离，l_r为重心到后轮胎的纵向距离，I_z为横摆惯性矩。

离线仿真获取移动充电桩在电磁轨道不同仿真点处的控制参数表。将所有仿真点通过仿真获取的控制参数表存储到移动充电桩主控制器存储芯片中。移动充电桩在真实停车场运行时通过检测当前实时的偏离量，根据仿真获取的控制参数表即可提取当前偏离量对应的离线控制参数，并对电机的驱动系统进行控制，即可使充电桩能够按预设路径移动至目标位置处。当移动充电桩位置不在离线仿真处时，主控制器采用距离移动充电桩较近位置的控制参数完成对移动充电桩的控制。当移动充电桩侧向偏移量

和移动充电桩的姿态角度ψ处于离线仿真值之间时，主控制器采用线性插值算法，求取前后两个控制参数的平均值，对移动充电桩进行控制。

二、具体地，在仿真模型的电磁轨道上每隔1m设定一个仿真点。仿真点1处预设的离线的偏移量分别为e＝{-50cm,-40cm,-30cm,-20cm,-10cm,0cm,10cm,20cm,30cm,40cm,50cm}。

计算多个偏移量e状态下，移动充电桩的侧向偏移量

＝{-50cm,-40cm,-30cm,-20cm,-10cm,0cm,10cm,20cm,30cm,40cm,50cm}，每个偏移量下移动充电桩的姿态角度ψ＝{-50°,-40°-30°,-20°,-10°,0°,10°,20°，30°,40°,50°}，通过移动充电桩运行模型的输入，得到的控制参数如表1所示，并将表1存储至主控制器中：

表1仿真点1处时移动充电桩控制参数表

表中每个控制参数包含三个控制量，例如A_1、1＝{V_{x_c_1}，V_{y_c_1}，δ₁}，其中V_{x_c_1}为仿真点1处移动充电桩在横向X轴的速度控制量，V_{y_c_1}为仿真点1处移动充电桩在纵向Y轴的速度控制量，δ₁为仿真点1处移动充电桩前轮转向角度。

当主控制器根据移动充电桩当前位置Y·判断此时移动充电桩对应仿真点1，主控制器通过提取表1中对应的控制参数并发送至驱动模块，从而完成移动充桩的偏离纠正。

本发明提供了一种移动充电系统，如图1所示，包括电磁轨道，主控端和移动充电桩；所述移动充电桩沿电磁轨道移动；主控端用于接收移动充电桩位置，并向移动充电桩发送移动指令；所述移动充电桩包括电磁感应模块，储能模块，驱动模块和主控制器；所述电磁感应模块用于移动充电桩实时位置定位。所述主控制器用于接收电磁感应模块发送的位置信号，计算获得移动充电桩实时的偏移量，并根据所述偏移量与移动充电桩运行模型得到移动充电桩的控制参数，所述主控制器通过所述控制参数控制驱动系统对移动充电桩的路径进行偏移量纠正。储能模块用于外部电源对移动充电桩电池组的充电以及移动充电桩对电动汽车动力电池的充电。

1、电磁轨道

在停车场内铺设电磁轨道。所述电磁轨道为一根通有20kHz、100mA交流电的导线，移动充电桩通过电磁传感器检测出电磁轨道，若移动充电桩与电磁轨道的偏离了，移动充电桩驱动系统通过调整移动充电桩转向角使其沿该电磁轨道移动到待充电车位，图2为所述电磁轨道示意图。

2、主控端

主控端负责停车场内所有移动充电桩的协调，为需充电的电动汽车调配充电桩，规划移动充电桩从当前位置至电动汽车的移动轨迹，并向移动充电桩发送所述移动轨迹信息。主控端与移动充电桩主控制器直接通过停车场内无线网络完成通信和信息的传递。

3、车位标签

车位标签是安装在停车场每个车位上的无线通信装置，当该车位所停放车辆需要充电时，驾驶员通过车位的车位标签向主控端发送车位坐标和所需充电量等充电信息。主控端调动满足充电需求的移动充电桩到该车位为电动汽车充电，充电完成后车位标签发送充电信息给主控端，主控端调动移动充电桩返回充电桩停放点或向新的车位移动。

闲置的移动充电桩可通过车位标签确定当前位置坐标，并通过移动充电桩主控制器将其位置信息发送到系统主控端，主控端根据该移动充电桩的状态及位置信息对其进行统一调配。

4、移动充电桩

移动充电桩包括主控制器、电磁感应模块、储能模块、电池管理模块、超声波避障模块以及驱动模块。

1)电磁感应模块

电磁感应模块包括电磁传感器及相应的解调电路，电磁传感器用于感应导线中磁场的变化，并将感应得到的电压信号传递至解调电路；解调电路对电磁传感器中感应信号进行解调处理，将电磁传感器感应得到的交变电压信号转化为直流电压信号，该电压与电磁传感器和电磁导线间距离程反比。

电磁传感器安装于移动充电桩底部侧面,如图3所示。该电磁传感器能够检测电磁轨道中的磁场的变化，通过对磁场信号的解调处理得到移动充电桩左右两侧的电压信息，并将该电压信息发送至主控制器。

所述电磁传感器为电磁感应线圈，电磁感应线圈能够感应出电磁导线中交变磁场，其磁场强度为B＝μ₀I/4πr，其中r为电磁感应线圈与电磁导线间距离，μ₀为空气磁导率，I为电磁导线电流。

所述解调电路如图4所示，包括电选频，放大和检波电路。通过解调安装在充电桩左右两侧的电磁传感器获得的磁场信号，并通过解调电路将所述磁场信号转化为U_1r、U_2r两个电压信息，该电压信息包含了电磁传感器与电磁轨道的间距。

其中，U_1r、U_2r为移动充电桩左右两侧电磁传感器输出的电压信息，N为电磁传感器线圈匝数，A为电磁传感器横截面积，B_1r、B_2r为移动充电桩两侧电磁传感器位置的磁场强度，K为包含电磁传感器线圈匝数和横截面积的常量，L_1r，L_2r为电磁传感器与电磁电线的间距。

2)主控制器

主控制器用于完成移动充电桩的总体控制，主控制器通过对驱动系统的控制，调整移动充电桩与电磁轨道之间的额偏差，使移动充电桩能够沿电磁轨道行进。移动充电桩主控制器同时能够完成对储能模块电池管理系统的控制及与主控端的通信。充电过程和移动过程中，主控制器从主控端获取路径规划信息，同时从电磁感应模块实时获取充移动电桩两侧的电压信息，主控制器对该电压信息进行解析获取移动充电桩的偏移量信息和姿态角度，之后通过查询主控制器中存储的控制参数从而控制驱动系统，使充电桩自动移动到待充电汽车位置处，完成对电动汽车的充电。

主控制器采用离线仿真获取的移动充电桩运行模型预测当前的控制参数来完成移动充电桩移动方向的控制。

查询主控制器内存储的离线数据，获取控制参数，并按照获取的控制参数对移动充电桩的角度进行控制，使移动充电桩能够沿电磁轨道行进，最终使其能够按照主控端给定的预设路径准确移动到待充电车辆停放位置。

图5为离线模型预测框图，为了减小移动充电桩主控制器计算量，本发明中通过搭建移动充电桩运行模型进行模型预测控制率的离线仿真，从而获取移动充电桩处于不同运行状态下模型预测控制控制器的最优控制参数，并将最优控制参数存储在移动充电桩的控制模块中，实现对移动充电桩的离线模型预测控制。移动充电桩工作时，移动充电桩主控制器通过查询存储芯片中的控制参数完成对驱动模块的控制，使充电桩能够沿预设路径沿电磁轨道移动到目标位置。

3)储能模块

移动充电桩采用电池组储存电能，充电桩可以通过电缆连接停车场充电装置完成充电桩储能电池组的电能补充，或通过充电枪为电动汽车动力电池充电。储能电池组由电动汽车的退役电池经过检测、重组而成，实现退役电池的梯次利用。

4)电池管理模块

电池管理模块实时检测电池组状态信息，并控制储能模块完成对电动汽车动力电池的充电以及外部电源对移动充电桩电池组的充电。述电池管理模块可采用金杯新能源电池管理模块(BMS)，该模块包含电源电流及温度传感器，通过检测电池单体状态实现对电池组的整体控制。

在对电动汽车充电过程中，储能模块由电池管理模块控制，当电动汽车动力电池电量高于80％或移动充电桩储能电池电量低于20％时停止对电动汽车充电。

BMS模块接受移动充电桩主控制器指令时，控制储能模块完成对电动汽车充电。同时，当移动充电桩储能模块电量不足时，BMS模块可接入外部电源为移动充电桩储能模块充电。在充电桩运行时，BMS模块将检测到的电池状态信息，发送给移动充电桩主控制模块，实现系统对移动充电桩状态的实时检测。

5)超声波避障模块

移动充电桩的四个侧面分别安装有超声波避障模块，所述超声波避障模块用于检测充电桩四个移动方向上的障碍物。当移动充电桩行进方向存在障碍物时，主控制器控制移动充电桩停止，当超声波避障模块检测到无障碍物时，主控制器重新控制移动充电桩行进。

6)驱动模块

所述移动充电桩安装有驱动电机及转向舵机以完成充电桩的移动功能。充电桩中储能电池为驱动系统提供电能，驱动模块在控制模块控制下，按照主定位基站所发送了路径及定位信息向目标车位移动。

应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可有其它多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种移动充电系统，其特征在于：包括电磁轨道，主控端和移动充电桩；所述移动充电桩随电磁轨道移动；所述主控端用于接收移动充电桩位置，并向移动充电桩发送移动轨迹信息；所述移动充电桩包括电磁感应模块，驱动模块和主控制器；所述电磁感应模块用于移动充电桩实时的电压感应；所述主控制器用于接收电磁感应模块发送的电压信息，计算获得移动充电桩实时的偏移量，并根据所述实时偏移量获得与其对应离线的控制参数，所述主控制器通过所述控制参数控制驱动系统对移动充电桩的路径进行偏移量纠正。

2.根据权利要求1所述移动充电系统，其特征在于：包括位于停车位上的车位标签，所述车位标签与主控端通信连接。

3.根据权利要求1所述移动充电系统，其特征在于：所述移动充电桩还包括储能模块，电池管理模块和超声波避障模块；所述储能模块，电池管理模块和超声波避障模块与主控制器通信连接。

4.根据权利要求3所述移动充电系统，其特征在于：所述储能模块为由电动汽车的退役电池经过检测、重组而成储能电池组；所述电池管理模块采用金杯新能源电池管理模块；所述超声波避障模块采用通用超声波传感器。

5.一种移动充电桩的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

移动充电桩内的主控制器获取主控端发送的路径规划信息；

响应于所述路径规划信息，移动充电桩沿电磁轨道进行移动，行进途中，主控制器计算移动充电桩中心与电磁轨道中心实时的偏离量；

主控制器根据所述实时的偏离量与预先存储在主控制器内的离线仿真数据进行对比，获取对应的控制参数，并将所述控制参数发送至驱动模块，驱动模块对移动充电桩进行偏离量纠正；所述离线仿真数据包括离线的偏离量与控制参数。

6.根据权利要求5所述移动充电桩的控制方法，其特征在于：所述离线仿真数据的获得包括以下步骤：

建立仿真地图和电磁轨道模型；

在所述电磁轨道模型中设置仿真点并设置仿真点处的偏离量；

所将所述偏离量作为移动充电桩运行模型的输入，获得对应的移动充电桩的控制参数。

7.根据权利要求6所述移动充电桩的控制方法，其特征在于：所述移动充电桩运行模型为：

其中，ψ为移动充电桩姿态角度，

为移动充电桩角度变化速度，δ为充电桩前转向轮角度，

为移动充电桩的侧向偏移量，V_x为移动充电桩在横向X轴的实时速度，C_αf为前轮侧偏刚度，C_αr为后轮侧偏刚度，m为移动充电桩质量，l_f为重心到前轮胎的纵向距离，l_r为重心到后轮胎的纵向距离，I_z为横摆惯性矩。

8.根据权利要求6所述移动充电桩的控制方法，其特征在于：所述控制参数包括速度控制参数和转向控制参数。

9.根据权利要求6所述移动充电桩的控制方法，其特征在于：所述偏离量由公式(2)计算得到：

其中，e为偏离量；U_1r、U_2r为充电桩左右两侧的电压信息，k_e为偏移量系数。

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