CN207442545U - 一种对准引导装置以及能进行对准引导的感应充电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种对准引导装置以及能对车辆进行对准引导的感应充电系统，对准引导装置包括：至少一个对准线圈；控制器，与所述对准线圈连接，用于根据对准线圈中产生的感应电压生成方向信号；显示器，与所述控制器连接，用于提供所述方向信号的视觉标识。能进行对准引导的感应充电系统包括固定初级线圈和次级线圈，以及所述的对准引导装置，其中，所述对准线圈设置在所述次级线圈附近。本实用新型可以帮助车辆的操作者定位车辆，使得安装在车辆上的次级线圈紧邻并对准安装于地面上的固定初级线圈，从而将最多的感应能量传输到车辆上的电池充电器，实现能量传输最大化。

Description

一种对准引导装置以及能进行对准引导的感应充电系统

技术领域

本实用新型涉及无线充电领域，尤其涉及一种用于对车辆进行对准引导的对准引导装置和感应充电系统。

背景技术

电动车辆储能系统通常使用接入交流(AC)电源的插抢充电，例如在大多数家庭中接入电源插座对电动汽车充电。通常连接任何电气装置的两个或三个插脚插头就是直接接触导体。充电装置一般使用插抢的直接接触接入到电动汽车的插座。

从充电装置手动将插抢插入电动汽车时，导线会携带致命电压。

此外，导体可能暴露，篡改或损坏或以其他方式对充电车辆附近的操作员造成危害。充电装置一般接入220V市电电网，电动车辆的用户需要手动与高压插抢插头进行交互，并在充电周期开始时将其连接起来，并在充电周期结束时将其断开。连接和断开承载220V交流电的插抢是一种不方便且潜在危险的车辆接口方法，特别是在恶劣天气情况下。

为了避免直接接触带有高压电的插抢，无线充电系统已经被广泛地研究。如本领域地技术人员所知，无线充电系统或感应充电系统利用变压器原理中初级线圈和次级线圈来无线传输电能给电动汽车充电。初级线圈安装在地面固定的充电单元中，次级线圈安装在车辆的底部。为了最大限度的提供效率，将车辆上的次级线圈与地面端的固定充电单元对齐非常重要。本实用新型涉及感应式接近充电。更具体地，本实用新型涉及一种用于协助操作者定位车辆以使得车辆上次级线圈紧邻并对准到固定地初级线圈的高效无线充电系统。

感应充电系统在现有技术中比较普遍。例如，可包括一个包含初级线圈的基座单元和包括次级线圈的移动设备。为了帮助移动设备和基座单元的对准，在每个线圈后面设置多个对准磁体。初级线圈和次级线圈后面的磁体分别成对设置，每对的磁极相反，使得磁体将吸引并因此实现对准线圈。

虽然上述装置操作令人满意，但它们不适用于车辆充电系统。首先，磁体对车辆线圈增加不必要的重量，降低了车辆的效率。第二，磁体间引力不够强大，足以使车辆或基座相对于彼此重新定位。

本实用新型是为了克服现有对准技术的上述和其它缺点，公开了一种对准装置，该对准装置可以帮助车辆的操作者定位车辆，使得安装在车辆上的次级线圈紧邻并与其对准固定基本单元中的初级线圈，从而实现将最多的感应能量传输到车辆上的电池充电器。车辆的操作者是指具有控制车辆位置的能力的任何人或事物，例如人类驾驶员，机器人和计算机系统。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于车辆的对准引导装置以及能进行对准引导的感应充电系统。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种对准引导装置，包括：至少一个对准线圈；控制器，与所述对准线圈连接，用于根据对准线圈中产生的感应电压生成方向信号；显示器，与所述控制器连接，用于提供所述方向信号的视觉标识。

进一步地，每个所述对准线圈由三个组件线圈组成，所述三个组件线圈的轴线之间两两相互垂直。

进一步地，所述对准线圈为偶数个，且两两配对。

进一步地，所述控制器包括：电压传感器，与所述对准线圈连接，用于测量对准线圈中的感应电压；比较器，与所述电压传感器连接，用于比较电压传感器输出的由配对的对准线圈中产生的感应电压的电压差并输出所述方向信号给所述显示器。

本实用新型提出的一种能进行对准引导的感应充电系统：包括固定初级线圈和次级线圈，还包括所述的对准引导装置，其中，所述对准线圈设置在所述次级线圈附近。

进一步地，还包括充电站，所述充电站与市电电源连接，所述固定初级线圈安装于地面上并与充电站连接，所述次级线圈安装在车辆上。

进一步地，各对准线圈的直径相同，且远小于次级线圈的直径。

本实用新型的有益效果是：该对准引导装置可以帮助车辆的操作者定位车辆，使得安装在车辆上的次级线圈紧邻并对准安装于地面上的固定初级线圈，从而将最多的感应能量传输到车辆上的电池充电器，实现能量传输最大化。

附图说明

图1是包含本实用新型对准系统的感应车辆充电系统示意图。

图2和图3分别是图1的对准系统的初级线圈，次级线圈和对准线圈的俯视图和侧视图。

图4是图1对准系统的次级线圈、对准线圈和控制器的示意图。

图5和图6分别是接近检测器的源线圈和检测线圈的俯视图和侧视图。

图7是示出沿着图5和图6所示的检测线圈平面的感应电压的曲线图。

图8和9分别是接近检测器的源线圈和检测线圈的俯视图和侧视图，其中检测线圈处于不同于图5和图6所示的位置。

图10是示出沿着图8和图9所示的检测线圈平面的感应电压的曲线图。

图11是根据本实用新型的另一个实施例的多轴线圈组件的透视图。

图12是用于计算图11多轴线圈组件的磁通量的电路示意图。

图13是表示多轴传感器在图8和图9位置的感应电压的图。

图14是用于近似测量图11中多轴线圈组件的磁场强度的另一种电路示意图。

图15是使用三个线圈的接近检测系统的目标区域的示意图。

图16是使用四个线圈的接近检测系统的目标区域的示意图。

图17是表示对准区域的优选实施方式的示意图。

图18是表示子对准区域的优选实施方式的示意图。

图19是表示子对准区域的另一种结构的示意图。

图20是表示给用户反馈的包括滚动箭头显示的实施例的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型公开了用于电动车辆的感应充电系统。该系统包括充电站2和变压器4，充电站2与电源12连接，变压器包括固定的初级线圈6，其优选地安装在诸如车库地面上。所述初级线圈与所述充电站连接。变压器还包括安装在车辆10上的次级线圈8，次级线圈安装在车辆上，使得车辆可以被定位成与充电站相邻，如图1所示，次级线圈位于初级线圈上方。优选地，线圈被布置成它们的轴线对准以达到在其间进行最大的能量传递。

图2至图4描述了用于定位车辆以使车辆次级线圈8与固定的初级线圈6对准的系统。首先如图2和图3所示，初级线圈6在通电时产生磁场10，次级线圈8包括多个对准线圈14，在所示的实施例中，提供了四个对准线圈14a-d，更普遍地，该系统可以提供大于或小于四个对准线圈。

对准线圈对称地布置在次级线圈附近。在图2所示的优选实施例中，对准线圈14在次级线圈8的内圆周以对称方式均匀间隔开。对准线圈优选地具有相同的尺寸和构造，并且具有明显小于次级线圈直径的直径。如图3所示，它们优选地布置成与次级线圈的内圆周相邻，并且轴线平行于次级线圈的轴线。当初级线圈被充电站2激励时，根据对准线圈与磁场10的接近度，在对准线圈中感应出电压。另外，对于三维线圈，对准线圈、初级线圈和次级线圈间的轴线方向是任意的。对于一维线圈，对准线圈的轴线的对准比平行于次级线圈的轴线更为复杂。相对的对准线圈对被优选地布置以便当初级线圈和次级线圈正确对准时从初级线圈捕获等量的磁通。

在替代实施例中，对准线圈可在次级线圈外部布置。在两个实施例中，对准线圈彼此相对地布置在相对的位置中，并相对于次级线圈对称排列，下面将更详细地描述。

现在参考图4，根据本实用新型的对准系统还包括与次级线圈8相连的控制器16。如下文所述，控制器生成输出方向信号，所述方向信号相对应于车辆次级线圈相对于初级线圈的位置。连接控制器的显示18提供输出信号的视觉标识，所述标识是给车辆操作员用来定位车辆的次级线圈与初级线圈进行轴对齐，以便将最大感应能量传递到次级线圈供电的车辆电池充电器。

控制器16包括与对准线圈14连接的多个电压传感器20。因此，在实施例中，电压传感器20a-d分别连接对准线圈14a-d。电压传感器测量每个对准线圈从初级线圈磁场中感应到的电压。控制器还包括与电压传感器20连接的比较器22。比较器测量电压传感器之间的电压差以产生方向信号。

优选地，所述系统提供了偶数个对准线圈，所述次级线圈的相对侧上的线圈成对。因此，在图2-4所示的实施例中。对准线圈14a和14c配对，对准线圈14b和14d配对。参考图3，线圈14a引起的电压大于线圈14c引起的电压，因为线圈14a更靠近磁场。比较器22测量相对对准线圈之间的电压差，并为每对产生方向信号。来自相对对准线圈的方向信号由比较器组合以生成在显示器18上显示的复合方向信号，并由车辆操作员使用，以将车辆次级线圈定位到初级线圈。

如上所述，充电站2与电源12连接。所述电源优选为220伏AC电源，其工作频率在50至60赫兹之间。对于根据本实用新型的对准系统的操作，初级线圈6最初由电源和充电站以一个较低电压供电，从而产生与初级线圈轴线对称的磁场10。所述对准线圈被布置在次级线圈中，使得由所述固定初级线圈6产生的磁场每个对准线圈中感应的电压与所述初级线圈的中心成比例。电压传感器20测量每个校准线圈中感应的相对电压，比较器根据相对线圈对中的电压差来确定未对齐方向。例如如图2-3所示，如果车辆安装的次级线圈8相对于固定的初级线圈6定位，在对准线圈14a中产生的电压将大于线圈14c。此信息可用于指示车辆需要沿线圈14a方向移动以改善对准。当感应电压在四个对准线圈14相等，车辆8将次级线圈与初级线圈精确对准。一旦对齐，电源供给初级线圈的功率增加，开始充电过程。更具体地说，充电站包括功率转换器，该转换器将来自电源的输入电压源转换为任意频率和电压的正弦电压。正弦电压供应到固定初级线圈6。初级线圈内的电流产生磁场，该磁场使安装在车辆上的次级线圈8产生电流。这反过来又产生一个输出电压，传递到车辆电池充电器给车辆电池充电。

可以理解，如果仅需要两个方向的未对准信息，则根据本实用新型的对准系统可仅提供一对对置的对准线圈。可以提供附加对的对置线圈以获得更精确的对准信息。

感应充电系统可以补充传统的传导式充电器。控制器16可操作以控制两种类型的充电以及对准系统。控制器上的传输开关(未示出)可操作以隔离充电源，以防止用户同时使用感应和传导充电系统。

图5和6示出接近检测系统的磁场源线圈102和检测线圈104。检测线圈104显示在相对于源线圈102的两个位置，其中一个是虚拟的。如图所示，测量线圈或检测线圈位于靠近源线圈的地方，该线圈产生磁场。在这种情况下，检测线圈的轴线与磁通方向显著不同，检测线圈中的电压准确地反映线圈磁通量的大小。然而，初级线圈的磁通线在整个线圈对齐的平面内没有一个均匀的方向。因此，如图所示5和6，当对准线圈移动接近初级线圈时，在该平面的两个不同位置上的对准线圈，每个在不同的角度捕捉到的磁通导致的感应电压不一定增加。事实上，如图6所示单轴对准线圈总是会有一个死区，当线圈与磁力线相切时，感应电压就会下降，然后上升。对于与初级线圈或次级线圈平行的单轴线圈，当检测线圈104直接置于初级线圈的边缘时，就会发生这种情况。图7表示在图中所示位置的检测线圈的感应电压。

图8和9表示不能由传感器区分检测线圈的附加位置。图10表示在图8-9中所示位置的检测线圈的感应电压。

根据本实用新型的另一个实施例，使用多线圈组件代替单个线圈，以基于磁通量测量产生更精确的接近测量。多线圈组件的优选实施例在图11中示出，其中多线圈组件202包括三个线圈CX、CY和CZ，每个线圈垂直于另两个线圈的轴线定义的平面。在时变磁场中或附近，在每个线圈感应电压Vx，Vy，Vz与每个线圈轴线上的磁场方向的空间分量的大小成正比。由于磁通密度的大小|Bt|可以表示为一个X，Y，和Z空间分量Bx，By和Bz的函数，

一个与|Bt|成比例的值可以根据测量的线圈电压Vx，Vy，Vz计算。所以|Bt|与成比例。这种计算可以使用外部电路和各种可理解的技术来实现，这些技术可以是模拟的或数字的。图12是为CX、CY和CZ计算磁通密度大小|Bt|的一个电路实例。其中使用一个处理器204连到各线圈来出来各个感应电压。

然而，为了确定两个对准线圈组件的相对位置，可以简化这一计算。例如，数量V_{SUM ABS}，可以由方程定义

V_{SUM_ABS}＝(|Vx|+|Vy|+|Vz|) (2)

可用来确定线圈组件相对于产生磁场的初级线圈的相对位置。这种计算需要较少复杂的外部电路来处理测量的线圈电压。例如，外部电路可以包括简单的无源元件，例如二极管整流器和应用于每个线圈的低通滤波器。在图13中，单个整流线圈输出串联以近似模拟磁场幅值。如图14，线圈与二极管302和电阻器304串联并与电容器306并联。V_{SUM ABS}是图14的电路提供的输出电压。

在图8-9中所示位置的多轴传感器中产生的电压如图13所示。

电磁场的排放是标准和管理机构的主要问题。由于电动势随距离迅速下降，减少曝露的一种方法是确保初级线圈很好地定位在车辆下方。通过使用多个检测器线圈，目标区域的形状可以被偏置，使得主线圈总是相对于次级线圈定位，使得从车辆下方发射的杂散电磁场低于可允许的标准或规定。这是可以通过改变VX和VY的阈值实现。因此，目标区域的大小和形状可以被修改。图15和16显示不同的目标区域。在图15中，该区域的形状被定义为两个连体的半圆。最佳对齐发生在图15所示的较大半圆的范围内。当司机停车时超过了所述较大半径半圆区域，在保证车辆底部释放的电磁场低于标准要求情况下，剩余的可对准区域会被大幅度的缩小，即图15所示小半径半圆区域。

在图16中，添加第四个探测线圈C304，并放置在所需的轴。这种布局允许更好地分辨目标区域的中心点，并且整个区域具有任意形状。区域的确切大小和形状主要由处理电路中设置的允许阈值决定。它没有在对准区域内任何一点产生不连续性，比如图15所示的大小半圆间的不连续部分。

通过对数据的控制和对用户的反馈可以改变和调整对准区域的大小和形状。

附加的检测线圈提高了车辆相对于初级线圈的定位精度。一个固定控制器算法可以在一定程度上控制探测线圈的位置来控制对准区域的形状。例如，如果控制器只想使检测线圈都相等，那么检测线圈就可以定位在所需的中心对准点周围，即使不是次级线圈的中心点。或者，控制器可以从检测线圈中寻找所需的差值，而不是试图使它们相等以达到相同的效果。

对准区域可以用来控制车辆外围的磁场水平，但它们还有其他用途。如图17-19所示对准系统可利用多个区域。区域1是系统将指示用户停止的区域。第二个稍微大一点的区域2是系统将继续指示停止的区域。区域3是一个更大的区域，用于定义充电系统能够工作的区域。区域4超出3区，是提供移动车辆指导的区域，但充电系统不能工作。在操作中，对准系统指示车辆操作员向前、向后、向左或向右移动，直到车辆进入区域1，在该区域指示停止。只要车辆在第二区域，对准系统继续指示停止。如果车辆离开第二个区域，那么系统再次指示车辆操作员向前、向后、向左或向右移动，直到车辆进入第一个区域，在该区域指示停止。当车辆关闭时，对准系统在开始充电前确认它仍在第三区域之内。

第一和第二区域提供了操作员的响应时间到系统反馈的滞后时间的形式。这一点尤其重要，当司机只是碰到第一区的边缘或者只是进入在这个区域一小部分时尤其重要。第二和第三个区域是需要的，因为车辆在关闭后可能滚动或晃动。如果没有设置停车制动器，这尤其是一个问题。通过迫使司机尽量靠近充电位置，以保证汽车停止以后的移位，并不影响车辆充电。

可以使用在车辆定位期间向用户提供的各种类型的反馈。仅通过示例，图20描绘了滚动箭头2002的显示，当车辆靠近主线圈时可以减慢滚动速度。箭头的速度与从车辆到初级线圈的距离成比例。当车辆需要向左、右或向后移动时，这些指示器2004,2006,2008以固定的速率被照亮和闪光。一旦用户处于对准位置，则亮绿色环2010表示用户应停止。

虽然已经说明和描述了本实用新型的优选形式和实施例，但对于本领域技术人员来说，可以很容易地看出，可以在不偏离上述所提出的创新概念的情况下进行各种更改和修改。

Claims (7)

1.一种对准引导装置，其特征在于，包括：

至少一个对准线圈；

控制器，与所述对准线圈连接，用于根据对准线圈中产生的感应电压生成方向信号；

显示器，与所述控制器连接，用于提供所述方向信号的视觉标识。

2.如权利要求1所述的一种对准引导装置，其特征在于，每个所述对准线圈由三个组件线圈组成，所述三个组件线圈的轴线之间两两相互垂直。

3.如权利要求1所述的一种对准引导装置：其特征在于，所述对准线圈为偶数个，且两两配对。

4.如权利要求3所述的一种对准引导装置，其特征在于，所述控制器包括：

电压传感器，与所述对准线圈连接，用于测量对准线圈中的感应电压；

比较器，与所述电压传感器连接，用于比较电压传感器输出的由配对的对准线圈中产生的感应电压的电压差并输出所述方向信号给所述显示器。

5.一种能进行对准引导的感应充电系统：包括固定初级线圈和次级线圈，其特征在于，还包括如权利要求1-4任意一项所述的对准引导装置，其中，所述对准线圈设置在所述次级线圈附近。

6.如权利要求5所述的一种能进行对准引导的感应充电系统：其特征在于，还包括充电站，所述充电站与市电电源连接，所述固定初级线圈安装于地面上并与充电站连接，所述次级线圈安装在车辆上。

7.如权利要求5所述的一种能进行对准引导的感应充电系统：其特征在于，各对准线圈的直径相同，且远小于次级线圈的直径。