CN212304891U - 无线充电线圈引导对位系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种无线充电线圈引导对位系统，分为发射部分和接收部分；所述发射部分包括：发射控制器和至少两个标签；每个所述标签具有发射驱动电路和发射天线；每个所述标签均具有独立的编码；所述标签通过所述天线发送超宽带脉冲形式的信号；所述接收部分包括：接收控制器和至少两个阅读器；每个所述阅读器具有接收驱动电路和接收天线。本实用新型的无线充电线圈引导对位系统和引导对位方法，能够实现接收线圈与发射线圈的精准对位。

Description

无线充电线圈引导对位系统
技术领域
本实用新型涉及无线充电领域，尤其涉及无线充电线圈引导对位系统。
背景技术
无线充电技术具有安全、便捷和智能化等接触式充电所无法比拟的优点，但静态磁耦合无线充电需要发射线圈和接收线圈在一定的偏差范围内才能正常工作，且当线圈精确对准时有较高的传输效率，所以对于电动汽车无线充电等应用场合一般需要配置停车引导和对位检测系统。现有无线充电系统常采用磁场感应、视频图像分析、增加地面辅助停车结构等几种方法来获取发射线圈和接收线圈之间的偏差值，其中视频图像的方式在夜间、雨雪及烟雾等条件下判别精度会受到影响，甚至可能无法工作。磁场感应的方式在复杂的空间环境中受噪声等信号干扰严重，所发送的信号衰减快、稳定性差，同时受到国家规范对电磁环境安全限值的约束，磁场感应的方式作用范围较小，测量精度也不高。增加辅助地面停车结构的方法不容易和智能泊车系统结合，驾驶者的操控体验也较差，且一般只能根据某一种固定的车辆类型设置辅助停车结构，对位精度也不高。
实用新型内容
本实用新型提供一种无线充电线圈引导对位系统和引导对位方法，能够实现无线充电时，发射线圈与接收线圈之间的对位。
本实用新型的无线充电线圈引导对位系统，分为发射部分和接收部分；所述发射部分包括：发射控制器和至少两个标签；每个所述标签具有发射驱动电路和发射天线；每个所述标签均具有独立的编码；所述标签通过所述天线发送超宽带脉冲形式的信号；所述接收部分包括：接收控制器和至少两个阅读器；每个所述阅读器具有接收驱动电路和接收天线。
优选的，每个所述标签具有独立的编码，每个所述编码以二进制的形式由所述发射天线发送。
优选的，所述发射驱动电路包括联通的：脉冲发生器、脉冲调制器、发射滤波器和发射数模转换器；所述脉冲发生器和所述发射控制器联通，所述发射天线和所述发射数模转换器联通；所述接收驱动电路包括联通的：信号放大器、接收滤波器、接收数模转换器和信号处理器；所述接收天线和所述信号放大器联通，所述接收控制器和所述信号处理器联通。
优选的，所述发射部分还包括发射通信器；所述接收部分还包括接收通信器；所述发射通信器和所述收通信器通信，发射通信器向所述接收通信器发送每个所述标签的编码。
优选的，所述标签通过所述发射天线发射或者接收超宽带脉冲形式的信号；所述阅读器通过所述接收天线接收或者发射超宽带脉冲形式的信号。
本实用新型的无线充电线圈引导对位系统，能够实现接收线圈与发射线圈的精准对位。
附图说明
图1为本实用新型无线充电线圈引导对位系统的示意图。
图2为本实用新型引导对位方法的原理示意图。
附图标记：
发射部分1；接收部分2；发射通信器11；发射控制器12；标签13；发射驱动电路14；发射天线15；接收通信器21；接收控制器22；阅读器23；接收驱动电路24；接收天线25；脉冲发生器141；脉冲调制器142；发射滤波器143；发射数模转换器144；信号放大器241；接收滤波器242；接收数模转换器243；信号处理器244。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，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，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
对于无线充电系统来说，除功率转换组件、通讯控制单元等各部分外，还包括用于功率传输的发射线圈和接收线圈两个部分，无线充电时需对线圈准确地定位并引导电动汽车移动使无线充电系统发射和接收线圈对准。本实用新型公开一种无线充电线圈引导对位系统，以实现发射线圈和接收线圈的引导对位。该系统分为两部分——发射部分1和接收部分2。对于无线充电来说，可以分为发射端和待充电端(也可以叫接收端)，以电动汽车为例，充电端即为地端，一般设置在地面上(如停车场)，待充电端为电动汽车。本实用新型系统的两个部分中，其中任意一个设置在发射端，另一部分设置待充电端。发射部分1和接收部分2配合使用，但是二者安装的位置是可以互换的。需要注意发射部分1和接收部分2是表明无线充电线圈引导对位系统中，一个可以用来发射信号另一个可以接收信号，与无线充电系统的发射端、接收端不是同一概念。接收部分2可以设置在发射端上，同理，发射部分1可以设置在接收端上。
下面分别说明两部分：
发射部分1包括：发射通信器11、发射控制器12和至少两个标签13；每个标签13具有发射驱动电路14和发射天线15；接收部分2包括：接收通信器21、接收控制器22和至少两个阅读器23；每个阅读器23具有接收驱动电路24和接收天线25。发射通信器11以及接收通信器21可以和无线充电系统中的发射端或待充电设备上的通讯控制单元共用，也可以独立配置。
标签13的功能主要是驱动发射天线15实现发射信号的功能，阅读器23能够通过接收天线25接收到发射天线15发射的信号，并对该信号处理以便后续分析。需要注意的，这里发射天线15和接收天线25是为了对两个天线进行区分，并在一些实施例中表示发射天线15能够发射信号，接收天线25能够接收信号。但是这并不否认在另外的实施例中，发射天线15可以接收信号，而接收天线25可以发射信号。或者说，发射天线15可以发射信号也可以接收信号，同样的，接收天线25可以发射信号也可以接收信号。对此，本领域技术人员应该知晓，一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。
每个标签13具有独立的编码，每个编码以二进制的形式由发射天线15发送。阅读器23接收到信号后，解析出编码，以获取该信号是由哪个标签13发送的。
发射驱动电路14包括联通的：脉冲发生器141、脉冲调制器142、发射滤波器143和发射数模转换器144；脉冲发生器141和发射控制器12联通，发射天线15和发射数模转换器144联通。接收驱动电路24包括联通的：信号放大器241、接收滤波器242、接收数模转换器243和信号处理器244；接收天线25和信号放大器241联通，接收控制器22和信号处理器244联通。
上述的发射部分1和接收部分2，可以理解为用于发射信号的部分和用于接收信号的部分。分别安装在发射端和待充电设备上。发射部分1上发射的信号，可以是采用超宽带(Ultra Wide Band，UWB)信号。和常见的采用正弦载波调制和解调的电磁波信号不同，UWB采用非正弦波窄脉冲发送信号。UWB信号具有纳秒甚至亚纳秒级的脉冲宽度，具有很强的信号穿透能力，抗干扰性能强。UWB还具有传输速率高、带宽极宽、发射功率小等诸多优势，同时因为超宽带的带宽很宽，基于UWB技术所获得的距离分辨率很高，可以达到厘米级别。
在待充电设备一侧，发射部分的标签13或者接收部分的阅读器23可安装在与接收线圈的有固定位置关系的任意位置上，也可以集成在包括接收线圈零部件上。
在发射端一侧，发射部分的标签13或者接收部分的阅读器23可安装在与发射线圈有固定位置关系的任意位置上，也可以集成在包括发射线圈在内的地面侧设备内。发射部分和接收部分的安装位置需要在无线充电线圈引导对位系统的有效工作范围内(如在停车位范围内)，阅读器23能够有效地接收标签13发出的UWB信号，信号强度等参数符合位置测量和数据有效获取的要求。
在无线充电的发射端设置发射部分1或者接收部分2中的一个；在待充电设备上设置发射部分1或者接收部分2中的另一个；当待充电设备移动到指定区域内时，发射通信器11和接收通信器21建立通信连接；标签13通过发射天线15发射信号，信号包括：对应标签13的编码；发射信号时的发射时间戳；阅读器23获取信号，并解析编码和发射时间戳；并且，还生成获取信号时的接收时间戳和/或信号的强度。通过发射时间戳和接收时间戳的差值T，以及信号的传输速度C，获得阅读器23距离信号对应的标签13的距离。需要注意，信号中除编码和时间戳外，还可以包括其他的必要信息。
下面以电动汽车为待充电设备进行说明。
以发射部分1安装在发射端、接收部分2安装在电动汽车侧为例，当电动汽车低电量需要充电时，车辆进入无线充电系统的地面设施所在区域，电动汽车一侧(车侧)与地面侧通过发射通信器11和接收通信器21建立收发两端的无线通信，发射通信器11将地面侧所有标签的编码发送给接收通信器21。地面侧的所有标签13开始发送调制的UWB脉冲信号，每一个标签13都有一个特定的编码，发射控制器12将编码以及发射时间戳(发射信号时的时间信息)等必要信息以二进制符号的形式加载到脉冲发生器141产生的脉冲信号上，送入到脉冲调制器142进行一系列的幅度调制，再经发射滤波器143滤波后输入到发射数模转换器144，将数字信号转换为模拟信号加载到发射天线15上向空间内发射出去。车辆进入到安装了发射部分1的充电位附近，并能接收到标签13发送的UWB信号，阅读器23接收到的UWB脉冲信号通过信号放大器241放大和接收滤波器242滤波，经由接收模数转换器243将模拟信号转换为离散信号，再经过信号处理器244处理为符合接收控制器22接口的数字信号，由接收控制器22对信号进行检测和编码译码等处理，解析出信号中的编码等数据信息。解析出的编码与发射通信器预先发送的也就是接收通信器21接收到的编码一致时，可确认接收到的信号有效，则生成信号到达时间的时间戳，即接收时间戳，及接收天线25接收到的信号强度值等参数。
定位常用的测距和位置算法有到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA)、信号强度(RSSI)和飞行时间(TOF)等，对于纳秒级别的窄脉冲信号的定位来说，标签13和阅读器23之间的时钟同步是获得高精度定位的基础，具体可以通过发射通信器11和接收通信器21的无线通信来实现时钟同步，或者采用卡尔曼滤波等无线时钟同步算法等方法。为获得更高的定位精度，可以采用上述任何一种或者其它可能的方法，也可以组合使用这些方法。其中TOF法需要阅读器和标签之间发生前向和反向两个方向、两次传输，当两次信号的传输时延在相同的情况下，可以避免标签与阅读器之间的时钟同步问题。TOF法需要阅读器和标签均是具备发送/接收功能、能分时双工工作的双向天线。即发射天线15和接收天线25，这两个天线均同时具备接收和发射的功能。对应的标签13和阅读器23也同时能够处理并匹配这里两个功能。
以下以TOA法为例，当一个阅读器23接收到的UWB信号经过译码所获得的编码确认是对侧的一个标签13所发送的信号时，将接收时间(接收时间戳)和发送时间(发射时间戳)通过无线通信发送给发射控制器12，通过所述发射时间戳和所述接收时间戳的差值T，由d＝CT(C为信号传输速度，以光速记，即3*108米/秒)，从而得到该阅读器23到对应标签13之间的距离d。
发射部分1设置至少两的标签13时，阅读器23可以通过分时接收至少两个标签13的UWB信号，测量获得与两个标签13之间的距离值。当安装至少两个阅读器23时，每个阅读器23均能测量获得与标签13之间的距离值。两个阅读器23的与接收线圈有固定的位置关系(说明：两个阅读器可以连成一条线，从而可以确定与接收线圈的位置关系，如果只用一个则没法确定)，两个标签13与发射线圈之间有固定的位置关系，通过上述测距可以获得发射线圈和接收线圈之间的位置关系，从而得到接收线圈与发射线圈之间的偏差值。
在一些实施例中，可以不设置发射通信器11和接收通信器21。阅读器23和标签则13为双向天线，车辆进入到安装了发射部分1的充电位附近，当标签13和阅读器23之间可以开始交互信号后，发送的UWB脉冲信号中除在引导对位阶段加载所需的信息外，可以在UWB信号中加载发射部分1和接收部分2所需要通信交换的信息，即直接使用UWB信号作为通道进行无线通信。在充电区域是公共充电的场合时，车辆可以通过与充电区域的管理系统建立无线通信而预先获取发射部分1的标签13的编码，同时将阅读器23的编码经管理系统发送给发射部分1；如果是私人充电场合，发射部分1的标签13和接收部分的阅读器23的编码值可预先存储在发射部分1和接收部分2中，也就是可以预制编码。
当汽车为人工驾驶时，将获取的发射线圈和接收线圈之间的偏差值转为直观的定位引导数据在驾驶人员的手机或车辆中控台等终端上显示，引导驾驶人员操纵汽车正确地将接收线圈对准发射线圈。当车辆搭载自动泊车系统或自动驾驶系统时，可直接或间接地将定位引导数据发送给泊车控制系统，引导泊车控制系统将汽车驶入线圈准确对位的停车位置。当车辆泊车完成后，通过上述测量流程可以测量出发射线圈和接收线圈之间的偏差是否在工作范围内，如泊车对位完成，无线充电系统可以开始执行正常的充电流程。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本实用新型的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，但本实用新型不以图面所示限定实施范围，凡是依照本实用新型的构想所作的改变，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，均应在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种无线充电线圈引导对位系统，其特征在于，
分为发射部分(1)和接收部分(2)；
所述发射部分(1)包括：发射控制器(12)和至少两个标签(13)；每个所述标签(13)具有发射驱动电路(14)和发射天线(15)；每个所述标签(13)均具有独立的编码；
所述接收部分(2)包括：接收控制器(22)和至少两个阅读器(23)；每个所述阅读器(23)具有接收驱动电路(24)和接收天线(25)；
所述标签(13)和所述阅读器(23)之间，以超宽带脉冲形式进行信号传输。
2.根据权利要求1所述的无线充电线圈引导对位系统，其特征在于，
每个所述标签(13)具有独立的编码，每个所述编码以二进制的形式由所述发射天线(15)发送。
3.根据权利要求1所述的无线充电线圈引导对位系统，其特征在于，
所述发射驱动电路(14)包括联通的：脉冲发生器(141)、脉冲调制器(142)、发射滤波器(143)和发射数模转换器(144)；所述脉冲发生器(141)和所述发射控制器(12)联通，所述发射天线(15)和所述发射数模转换器(144)联通；
所述接收驱动电路(24)包括联通的：信号放大器(241)、接收滤波器(242)、接收数模转换器(243)和信号处理器(244)；所述接收天线(25)和所述信号放大器(241)联通，所述接收控制器(22)和所述信号处理器(244)联通。
4.根据权利要求1所述的无线充电线圈引导对位系统，其特征在于，
所述发射部分(1)还包括发射通信器(11)；
所述接收部分(2)还包括接收通信器(21)；
所述发射通信器(11)和所述收通信器(21)通信，发射通信器(11)向所述接收通信器(21)发送每个所述标签(13)的编码。
5.根据权利要求1所述的无线充电线圈引导对位系统，其特征在于，
所述标签(13)通过所述发射天线(15)发射或者接收超宽带脉冲形式的信号；
所述阅读器(23)通过所述接收天线(25)接收或者发射超宽带脉冲形式的信号。
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