CN113212192B - 一种用于电动汽车无线充电的精确定位系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车无线充电的精确定位系统及其定位方法，属于电动车无线充电技术领域，解决了现有技术中的电动汽车无线充电辅助定位装置使用不便的问题，本发明包括：发射线圈、接收线圈、参数辨识单元、控制单元和驱动装置：发射线圈连接有发射线圈底座，发射线圈底座放置于地面；所述参数辨识单元和所述控制单元安装于电动汽车内，接收线圈连接有接收线圈底座，所述接收线圈底座安装于驱动装置上并连接于电动汽车底部；所述参数辨识单元与所述控制单元的一端电连接，所述控制单元的另一端与所述接收线圈侧的驱动装置电连接。本发明用于电动车无线充电前的自动精确定位，结构简单、成本低、精确度高。

Description

一种用于电动汽车无线充电的精确定位系统及其定位方法

技术领域

本发明属于电动汽车充电技术领域，具体涉及一种用于电动汽车无线充电的精确定位系统及其定位方法。

背景技术

由于化石燃料的大规模、持续使用，大气环境污染问题不容忽视，燃油汽车被视为污染气体排放的主要源头之一。随着人们的环保意识不断加强和电动汽车技术的不断成熟，电动汽车被人们所青睐，逐步代替传统的燃油汽车走入千家万户。由于传统的电动汽车充电时，具有电压高、电流大且充电线路受距离影响大的缺点，直接影响到了使用者以及周围群众的安全；尤其是在雨天以及潮湿的环境，因为漏电导致的安全问题不可忽视，而且由于充电口的频繁拔插，造成的充电插头和充电口连接松动虚接等不安全现象时有发生。

针对所提出的问题，为提高电动汽车充电的安全性和便捷性，可采用无线充电技术对电动汽车进行充电的装置结构。目前应用于电动汽车无线充电领域，最多的是电磁感应式无线充电技术。在实际应用中，即对电动汽车无线充电时，发射线圈与接收线圈的相对位置对充电效率有着很大的影响，发射线圈和接收线圈的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。现有的无线充电电动汽车多依赖驾驶员借助视觉辅助不断调整汽车的位置，使发射线圈和接收线圈尽可能地完全对准。然而，视觉辅助装置易受泥污、雨雪等环境因素影响，定位精度低、可靠性差，而且容易造成使用者操作过于繁杂产生使用不便的感觉，影响无线充电技术的应用与推广。

发明内容

本发明的目的在于：

为解决现有技术中的电动汽车无线充电辅助定位装置使用不便的问题，提供一种用于电动汽车无线充电的精确定位系统及其定位方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于电动汽车无线充电的精确定位系统，包括：发射线圈、接收线圈、参数辨识单元、控制单元和驱动装置：

参数辨识单元用于根据接收线圈侧采集得到的电气量，对发射线圈和接收线圈间的互感参数进行辨识；所述控制单元将接收得到的互感参数信息进行处理，得出接收线圈相对于发射线圈的位置信息并发出位移信号，控制所述驱动装置对接收线圈进行位置调整；所述驱动装置用于带动所述接收线圈进行位移；

所述位置调整指的是调整采用的是空间坐标位移信号调整设计技术。

发射线圈连接有发射线圈底座，发射线圈底座放置于地面；所述参数辨识单元和所述控制单元安装于电动汽车内，所述接收线圈连接有接收线圈底座，所述接收线圈底座安装于驱动装置上并连接于电动汽车底部；所述参数辨识单元与所述控制单元的一端电连接，所述控制单元的另一端与所述接收线圈侧的驱动装置电连接。

进一步地，所述发射线圈底座连接有高频逆变器，所述高频逆变器连接有工频整流电路，所述工频整流电路连接有供电网。

进一步地，上所述驱动装置连接有驱动电路，所述发射线圈设置于地面停车位的中心处，所述接收线圈设置于电动汽车底部的中心处。

一种用于电动汽车无线充电的精确定位方法，使用上述的系统进行，包括如下步骤：

步骤一、将待充电的电动汽车驾驶至停车充电的指定位置；在进行线圈定位时，逆变器的输出功率设定于10W；

步骤二、发射线圈位置固定并设定为坐标原点(0，0，0)，位于接收线圈侧的参数辨识单元对当前位置时，发射线圈和接收线圈之间的互感参数进行辨识，记为M₀；接收线圈在驱动装置的带动下垂直向上平移固定距离Δh，参数辨识单元对移动后发射线圈和接收线圈之间的互感参数进行辨识，记为M_z；并对两次得到的互感参数进行做差，记为ΔM；

步骤三、将记录的数据M₀、M_z和ΔM发送至控制单元，根据互感值M₀和互感解析式M＝f(h,ρ)，以固定分度划分理论平面，将理论平面接收线圈的纵坐标h＝z_i(i＝1,…,n)代入解析式中，可得理论平面上的等互感圆周半径ρ＝ρ_i(i＝1,…,n)，ρ_i为每组理论平面上发射线圈与接收线圈中心之间的水平偏移距离；对于理论面的获取，将发射线圈的纵坐标z_i增加Δh，并保持ρ_i不变代入互感解析计算式M_zi＝f(z_i+Δh,ρ_i)，得到理论平面位置扰动后的新互感值M_zi(i＝1,…,n)，M_zi为每组理论平面上的接收线圈在水平方向偏移ρ_i不变，在Z轴正方向增加扰动Δh后的发射与接收线圈间新的互感值，在M_zi(i＝1,…,n)中选取最接近于M_z的取值，从而获得接收线圈的Z轴坐标：z₀＝z_i；

步骤四、当接收线圈中心的Z轴坐标确定后，互感与线圈空间位置的数学关系M＝f(h,ρ)就可化进一步简化为ρ＝g(M)，其中，h为线圈间垂直距离，ρ为接收线圈中心到Z轴的距离；利用z₀平面上的ρ＝g(M)函数结合扰动过程，对等互感圆周上的点进行区分；将接收线圈沿Y轴正方向平移距离Δd，对移动后的线圈间互感参数进行辨识，记为M_y；通过接收线圈所在平面ρ＝g(M)函数，可得M₀所对应的等互感圆周半径，记为ρ₀，M_y应的等互感圆周半径，记为ρ_y；

由上式，可得：

上式中，ρ₀、ρ_y、Δd已知，可得接收线圈中心在z₀平面上Y轴偏移的坐标为y₀，再将y₀回代入式中，可得X轴偏移的坐标±x₀；将接收线圈沿X轴正方向平移Δf，若线圈间的互感值变小，则取x为+x₀，若互感值变大，则取x为-x₀；由此，接收线圈中心相对于发射线圈的三维坐标(x₀,y₀,z₀)均已确定，实现接收线圈的自动定位；

步骤五、控制单元将计算后得出的接收线圈需要移动的方向和位移信息发送至驱动装置，其中：+x表示沿X轴正方向移动x，+y表示沿Y轴正方向移动y，+z表示向Z轴正方向移动z，-x表示沿X轴负方向移动x，-y表示沿Y轴负方向移动y，-z表示向Z轴负方向移动z；最终开始无线充电作业。

进一步地，所述参数辨识单元利用接收线圈侧的电气量对发射线圈和接收线圈之间的互感参数进行实时的辨识。

进一步地，所述步骤四中，结合扰动获取坐标的方法为：利用接收线圈在垂直、左右和前后的固定距离的扰动，构造出互感与线圈间相对位置的方程组，实现对接收线圈相对于发射线圈三维坐标的获取。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的电动汽车无线充电的精确定位装置及其定位方法，巧妙的加入接收线圈的扰动过程，实现了在无需增加额外的辅助装置(如：辅助线圈、传感器)，仅通过实时的参数估计单元对发射线圈和接收线圈间的互感值进行辨识，利用线圈间互感参数M与其相对位置的函数M＝f(h,ρ)，即可实现对接收线圈相对于发射线圈相对位置的三维空间坐标的获取，原理巧妙，具有结构简单、成本低、检测精度高的优点。

附图说明

图1为本发明电动汽车无线充电精确定位装置的组成示意图；

图2为本发明其中一种典型的电动汽车无线充电主电路结构图；

图3为本发明接收线圈Z轴坐标求解示意图；

图4为本发明接收线圈水平坐标求解示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

本发明的用于电动汽车无线充电的精确定位方法，使用电动汽车无线充电的精确定位系统进行，包括如下步骤：

步骤一、将待充电的电动汽车驾驶至停车充电的指定位置；在进行线圈定位时，逆变器的输出功率设定于10W；

步骤二、发射线圈位置固定并设定为坐标原点(0，0，0)，位于接收线圈侧的参数辨识单元对当前位置时，发射线圈和接收线圈之间的互感参数进行辨识，记为M₀；接收线圈在驱动装置的带动下垂直向上平移固定距离Δh，参数辨识单元对移动后发射线圈和接收线圈之间的互感参数进行辨识，记为M_z；并对两次得到的互感参数进行做差，记为ΔM；

步骤三、将记录的数据M₀、M_z和ΔM发送至控制单元，根据互感值M₀和互感解析式M＝f(h,ρ)，以固定分度划分理论平面，将理论平面接收线圈的纵坐标h＝z_i(i＝1,…,n)代入解析式中，可得理论平面上的等互感圆周半径ρ＝ρ_i(i＝1,…,n)，ρ_i为每组理论平面上发射线圈与接收线圈中心之间的水平偏移距离；对于理论面的获取，将发射线圈的纵坐标z_i增加Δh，并保持ρ_i不变代入互感解析计算式M_zi＝f(z_i+Δh,ρ_i)，得到理论平面位置扰动后的新互感值M_zi(i＝1,…,n)，M_zi为每组理论平面上的接收线圈在水平方向偏移ρ_i不变，在Z轴正方向增加扰动Δh后的发射与接收线圈间新的互感值，在M_zi(i＝1,…,n)中选取最接近于M_z的取值，从而获得接收线圈的Z轴坐标：z₀＝z_i；

步骤四、当接收线圈中心的Z轴坐标确定后，互感与线圈空间位置的数学关系M＝f(h,ρ)就可化进一步简化为ρ＝g(M)，其中，h为线圈间垂直距离，ρ为接收线圈中心到Z轴的距离；利用z₀平面上的ρ＝g(M)函数结合扰动过程，对等互感圆周上的点进行区分；将接收线圈沿Y轴正方向平移距离Δd，对移动后的线圈间互感参数进行辨识，记为M_y；通过接收线圈所在平面ρ＝g(M)函数，可得M₀所对应的等互感圆周半径，记为ρ₀，M_y应的等互感圆周半径，记为ρ_y；

由上式，可得：

上式中，ρ₀、ρ_y、Δd已知，可得接收线圈中心在z₀平面上Y轴偏移的坐标为y₀，再将y₀回代入式中，可得X轴偏移的坐标±x₀；将接收线圈沿X轴正方向平移Δf，若线圈间的互感值变小，则取x为+x₀，若互感值变大，则取x为-x₀；由此，接收线圈中心相对于发射线圈的三维坐标(x₀,y₀,z₀)均已确定，实现接收线圈的自动定位；

步骤五、控制单元将计算后得出的接收线圈需要移动的方向和位移信息发送至驱动装置，其中：+x表示沿X轴正方向移动x，+y表示沿Y轴正方向移动y，+z表示向Z轴正方向移动z，-x表示沿X轴负方向移动x，-y表示沿Y轴负方向移动y，-z表示向Z轴负方向移动z；最终开始无线充电作业。

进一步地，所述参数辨识单元利用接收线圈侧的电气量对发射线圈和接收线圈之间的互感参数进行实时的辨识。

进一步地，所述步骤四中，结合扰动获取坐标的方法为：利用接收线圈在垂直、左右和前后的固定距离的扰动，构造出互感与线圈间相对位置的方程组，实现对接收线圈相对于发射线圈三维坐标的获取。

结合图2所示，进一步说明参数辨识单元如何利用发射线圈侧采集得到的电气量，对发射线圈和接收线圈之间的互感参数进行辨识；

典型的电动汽车无线充电电路结构如图2所示；

对图2示电路拓扑，当系统处于完全谐振状态时，由KVL&KCL定理可列写出如下的电压电流关系：

求解式(1)并消去电流

推导得出互感参数表达式：

以逆变环节输出电压的初相位为参考零相位，在满足零相角(Zero Phase Angle，ZPA)条件下，一次侧LC补偿网络的输入电压和电流可以简化为：

由

可知

超前

相位90°，因此，在公式(3)的基础上，二次侧电压电流可以表示为：

将式(3)和(4)代入式(2)中可得：

其中，

将式(6)带入式(5)中，则线圈间的互感参数仅用二次侧采集的直流量V_dc、I_dc和直流电压源输出电压V_s进行表示：

由上式，可知只需采集整流器的输出电压和电流V_dc、I_dc，皆为直流量易于获取，即可对发射线圈和接收线圈间的互感参数进行实时辨识；

结合图3和图4所示，进一步说明控制单元如何利用参数辨识单元发送的互感参数M和线圈间互感参数M与其相对位置的函数M＝f(h,ρ)，确定接收线圈相对于发射线圈相对位置的三维空间坐标；

实施例1：固定发射线圈位置，并以发射线圈中心为坐标原点构建三维坐标系。假设初始位置接收线圈中心的空间坐标为(x₀,y₀,z₀)，通过测量整流桥输出电压V_dc和输出电流I_dc，由式(7)对初始位置处的线圈间互感参数进行辨识，记为M₀。根据互感值M₀和互感解析式M＝f(h,ρ)，以固定分度划分理论平面，将理论平面的纵坐标h＝z_i(i＝1,…,n)代入解析式中，可得理论平面上的等互感圆周半径ρ＝ρ_i(i＝1,…,n)。至此，确定出n个接收线圈所在的可疑面及对应的等互感圆周半径，如图3所示。

为进一步确定一、接收线圈之间的垂直距离，在Z方向上对线圈位置进行扰动。将初始位置处的接收线圈沿Z轴正方向平移Δh，辨识位置扰动后的线圈间互感值并记为M_z；而对于理论的理论面，将其纵坐标z_i增加Δh，并保持ρ_i不变代入互感解析计算式M_zi＝f(z_i+Δh,ρ_i)，得到理论面位置扰动后的新互感值。在M_zi(i＝1,…,n)中选取最接近于M_z的取值，从而获得接收线圈的Z轴坐标：z₀＝z_i。

实施例2：当接收线圈中心的Z轴坐标确定之后，互感与线圈空间位置的数学关系M＝f(h,ρ)就可化进一步简化为ρ＝g(M)。利用z₀平面上的ρ＝g(M)函数并结合“扰动”过程，再对等互感圆周上的点进行区分，如图4所示。

将接收线圈沿Y轴正方向平移距离Δd，对移动后的线圈间互感参数进行辨识，记为M_y。通过接收线圈所在平面ρ＝g(M)函数，可得M₀所对应的等互感圆周半径，记为ρ₀，M_y应的等互感圆周半径，记为ρ_y。

由式(5)，可得：

式(9)中，ρ₀、ρ_y、Δd已知，可得接收线圈中心在z₀平面上Y轴偏移的坐标为y₀，再将y₀代入式(8)中，可得X轴偏移的坐标±x₀。此时，只要将接收线圈沿X轴正方向平移Δf，若线圈间的互感值变小，则取x为+x₀，若互感值变大，则取x为-x₀。综上，接收线圈中心相对于发射线圈的三维坐标(x₀,y₀,z₀)均可以确定出来，由接收线圈相对于发射线圈的空间三维坐标移动接收线圈，从而实现线圈之间的对齐操作，保证电动汽车无线充电的充电效率和安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于电动汽车无线充电的精确定位系统，其特征在于，包括：发射线圈、接收线圈、参数辨识单元、控制单元和驱动装置：

所述参数辨识单元用于根据接收线圈侧采集得到的电气量，对发射线圈和接收线圈间的互感参数进行辨识；所述控制单元将接收得到的互感参数信息进行处理，得出接收线圈相对于发射线圈的位置信息并发出位移信号，控制所述驱动装置对接收线圈进行位置调整；所述驱动装置用于带动所述接收线圈进行位移；

所述发射线圈连接有发射线圈底座，发射线圈底座放置于地面；所述参数辨识单元和所述控制单元安装于电动汽车内，所述接收线圈连接有接收线圈底座，所述接收线圈底座安装于驱动装置上并连接于电动汽车底部；所述参数辨识单元与所述控制单元的一端电连接，所述控制单元的另一端与所述接收线圈侧的驱动装置电连接；

电动汽车无线充电的精确定位方法，包括如下步骤：

步骤一、将待充电的电动汽车驾驶至停车充电的指定位置；在进行线圈定位时，逆变器的输出功率设定于10W；

步骤二、发射线圈位置固定并设定为坐标原点(0，0，0)，位于接收线圈侧的参数辨识单元对当前位置时，发射线圈和接收线圈之间的互感参数进行辨识，记为M₀；接收线圈在驱动装置的带动下垂直向上平移固定距离Δh，参数辨识单元对移动后发射线圈和接收线圈之间的互感参数进行辨识，记为M_z；并对两次得到的互感参数进行做差，记为ΔM；

步骤三、将记录的数据M₀、M_z和ΔM发送至控制单元，根据互感值M₀和互感解析式M＝f(h,ρ)，以固定分度划分理论平面，将理论平面接收线圈的纵坐标h＝z_i(i＝1,…,n)代入解析式中，可得理论平面上的等互感圆周半径ρ＝ρ_i(i＝1,…,n)，ρ_i为每组理论平面上发射线圈与接收线圈中心之间的水平偏移距离；对于理论面的获取，将发射线圈的纵坐标z_i增加Δh，并保持ρ_i不变代入互感解析计算式M_zi＝f(z_i+Δh,ρ_i)，得到理论平面位置扰动后的新互感值M_zi(i＝1,…,n)，M_zi为每组理论平面上的接收线圈在水平方向偏移ρ_i不变，在Z轴正方向增加扰动Δh后的发射与接收线圈间新的互感值，在M_zi(i＝1,…,n)中选取最接近于M_z的取值，从而获得接收线圈的Z轴坐标：z₀＝z_i；

步骤四、当接收线圈中心的Z轴坐标确定后，互感与线圈空间位置的数学关系M＝f(h,ρ)就可化进一步简化为ρ＝g(M)，其中，h为线圈间垂直距离，ρ为接收线圈中心到Z轴的距离；利用z₀平面上的ρ＝g(M)函数结合扰动过程，对等互感圆周上的点进行区分；将接收线圈沿Y轴正方向平移距离Δd，对移动后的线圈间互感参数进行辨识，记为M_y；通过接收线圈所在平面ρ＝g(M)函数，可得M₀所对应的等互感圆周半径，记为ρ₀，M_y应的等互感圆周半径，记为ρ_y；

由上式，可得：

上式中，ρ₀、ρ_y、Δd已知，可得接收线圈中心在z₀平面上Y轴偏移的坐标为y₀，再将y₀回代入式中，可得X轴偏移的坐标±x₀；将接收线圈沿X轴正方向平移Δf，若线圈间的互感值变小，则取x为+x₀，若互感值变大，则取x为-x₀；由此，接收线圈中心相对于发射线圈的三维坐标(x₀,y₀,z₀)均已确定，实现接收线圈的自动定位；

步骤五、控制单元将计算后得出的接收线圈需要移动的方向和位移信息发送至驱动装置，其中：+x表示沿X轴正方向移动x，+y表示沿Y轴正方向移动y，+z表示向Z轴正方向移动z，-x表示沿X轴负方向移动x，-y表示沿Y轴负方向移动y，-z表示向Z轴负方向移动z；最终开始无线充电作业。

2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车无线充电的精确定位系统，其特征在于，所述发射线圈底座连接有高频逆变器，所述高频逆变器连接有工频整流电路，所述工频整流电路连接有供电网。

3.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车无线充电的精确定位系统，其特征在于，上所述驱动装置连接有驱动电路，所述发射线圈设置于地面停车位的中心处，所述接收线圈设置于电动汽车底部的中心处。

4.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车无线充电的精确定位方法，其特征在于，所述参数辨识单元利用接收线圈侧的电气量对发射线圈和接收线圈之间的互感参数进行实时的辨识。

5.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车无线充电的精确定位方法，其特征在于，所述步骤四中，结合扰动获取坐标的方法为：利用接收线圈在垂直、左右和前后的固定距离的扰动，构造出互感与线圈间相对位置的方程组，实现对接收线圈相对于发射线圈三维坐标的获取。

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