CN117227522A - 电动汽车无线充电对位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车无线充电对位系统，包括：全向移动平台；设置在电动汽车和所述全向移动平台中的一者上的信号发射单元；设置在电动汽车和所述全向移动平台中的另一者上的信号接收单元；和电子控制单元，所述电子控制单元配置成控制所述全向移动平台进行全向移动以使所述信号发射单元与所述信号接收单元分别通过发射和接收对位信号而完成对位操作，由此使设置在所述全向移动平台上的无线充电发射线圈与设置在电动汽车上的无线充电接收线圈对准以进行无线充电。

Description

电动汽车无线充电对位系统

技术领域

本发明涉及电动汽车无线充电技术，更具体地涉及一种电动汽车无线充电对位系统。

背景技术

采用无线充电的方式对电动汽车进行充电对电动汽车的推广具有重要意义。无线充电一般需要在电动汽车的非车辆端设置充电发射线圈，在电动汽车的车辆端设置充电接收线圈。非车辆端的充电发射线圈通常设置在可进行电动汽车无线充电的固定停车位上，而车辆端的充电接收线圈往往设置在电动汽车的底盘下方。充电发射线圈与充电接收线圈对准的好坏直接关系到电动汽车无线充电的效率。因此，解决电动汽车充电发射线圈和充电接收线圈的对准问题是进行无线充电式电动汽车推广应用的关键因素之一。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种电动汽车无线充电对位系统。

为此，本发明提供了一种电动汽车无线充电对位系统，包括：全向移动平台；设置在电动汽车和所述全向移动平台中的一者上的信号发射单元；设置在电动汽车和所述全向移动平台中的另一者上的信号接收单元；和电子控制单元，所述电子控制单元配置成控制所述全向移动平台进行全向移动以使所述信号发射单元与所述信号接收单元分别通过发射和接收对位信号而完成对位操作，由此使设置在所述全向移动平台上的无线充电发射线圈与设置在电动汽车上的无线充电接收线圈对准以进行无线充电。

根据一种示例性构型，所述全向移动平台可以包括至少三个轮子，其中至少两个轮子是配备有能够驱动其滚动和/或转向的电机的驱动轮，所述电子控制单元配置成通过控制相应电机的转动速度和/或位置来实现所述全向移动平台的全向移动。

根据一种示例性构型，所述至少三个轮子可以均为仅能被电机驱动滚动的全向轮或麦克纳姆轮。

根据一种示例性构型，所述对位信号可以包括电磁信号、激光信号、红外信号或热辐射信号。

根据一种示例性构型，所述信号发射单元可以包括辅助发射线圈，所述信号接收单元可以包括辅助接收线圈，所述辅助发射线圈通过电磁感应在所述辅助接收线圈中生成感应电压作为所述对位信号。

根据一种示例性构型，所述信号发射单元可以包括与所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈中的一者同轴布置的一个辅助发射线圈，所述信号接收单元可以包括与所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈中的另一者同轴布置的一个辅助接收线圈，所述电子控制单元可以配置成监测所述辅助接收线圈中的感应电压作为监测值，同时控制所述全向移动平台进行全向移动以增大所述监测值，并在所述监测值大于预定阈值时判定为所述对位操作完成以停止所述全向移动。

根据一种示例性构型，所述信号发射单元可以包括与所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈中的一者同轴布置的一个辅助发射线圈，所述信号接收单元可以包括以所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈中的另一者为中心均匀布置的多个辅助接收线圈，所述电子控制单元可以配置成监测所述多个辅助接收线圈中的感应电压之差作为监测值，同时控制所述全向移动平台进行全向移动以减小所述监测值，并在所述监测值小于预定阈值时判定为所述对位操作完成以停止所述全向移动。

根据一种示例性构型，所述信号发射单元可以包括所述无线充电发射线圈作为辅助发射线圈，所述信号接收单元可以包括与所述无线充电接收线圈同轴布置的一个辅助接收线圈，所述电子控制单元可以配置成监测所述辅助接收线圈中的感应电压作为监测值，同时控制所述全向移动平台进行全向移动以增大所述监测值，并在所述监测值大于预定阈值时判定为所述对位操作完成以停止所述全向移动。

根据一种示例性构型，所述电子控制单元还可以配置成在所述全向移动的时间超过预定时长且所述对位操作仍未完成时判定为对位失败并停止所述全向移动。

本发明的电动汽车无线充电对位系统能够达到以下的有益效果之一：本发明的电动汽车无线充电对位系统将用于使无线充电发射线圈与无线充电接收线圈对准的信号发射单元和信号接收单元之一设置在安装了无线充电发射线圈的全向移动平台上，能够利用全向平移平台在平面内向任意方向灵活地不受限平移的能力在无需移动电动汽车的情况下快速完成信号发射单元和信号接收单元的对位操作，由此改善无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的对准精度和速度，进而提高电动汽车的无线充电效率。

附图说明

本发明的其他细节及优点将通过下文提供的详细描述而变得显而易见。应理解的是，下列附图仅仅是示意性的且并非按比例绘制，因而不能视为对本申请的限制，下文将参照附图来进行详细描述，其中：

图1是根据本发明实施例的电动汽车无线充电对位系统的俯视示意图；

图2是根据本发明实施例的电动汽车无线充电对位系统的侧视示意图；

图3是示出根据本发明实施例的电动汽车无线充电对位系统中的辅助发射线圈与辐射接收线圈之间的一种示例性对位操作的示意图；

图4是示出根据本发明实施例的电动汽车无线充电对位系统中的辅助发射线圈与辐射接收线圈之间的另一种示例性对位操作的示意图；

图5、图6和图7分别示出了根据本发明实施例的全向移动平台的三种示例性构型；

图8是根据本发明实施例的用于电动汽车的无线充电发射端的示意性架构图；

图9是根据本发明实施例的用于电动汽车的无线充电接收端的示意性架构图；

图10示出了根据本发明实施例的电动汽车无线充电对位系统的示例性工作流程图。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属技术领域的技术人员更全面地了解和实现本发明。但是，对所属技术领域的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本发明并不局限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面所述的特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的方面、特征、实施例和优点仅作说明之用，而不应看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。

申请人研究发现：在现有的电动汽车无线充电线圈对准方案中，有的方案仅能提供对位检测，需要电动汽车通过人工驾驶或自动驾驶的方式将车辆泊到准确的位置。

申请人还研究发现：在实际应用中，无论是人工泊车或自动泊车都很难实现误差在厘米级别的泊车精度，因此只是起到了辅助作用，并没有给用户带来足够的便利，最终的位置对准效果也无法保证。

申请人进一步研究发现：也有其他方案提出了可移动的无线充电发射端，但需要通过以沿X轴、Y轴、Z轴运动遍历的方式寻找位置对准点，这需要耗费较长的时间，不能实现无线充电发射端和接收端的快速对准。同时，考虑到要保护无线充电发射端及其移动机构，这种方案限制了无线充电发射端只能在由X轴长度和Y轴长度围成的较小范围的平面内运动，使得无线充电发射端实际能够调节的范围很有限。

有鉴于此，本申请提供一种电动汽车无线充电对位系统。

现参照图1和2，分别示出了根据本发明一个实施例的电动汽车无线充电对位系统的俯视和侧视示意图。该系统涉及停泊在无线充电车位或预定充电位置的电动汽车100。在本发明中，电动汽车包括纯电动车和油电混合动力车。电动汽车100配有无线充电接收端，用于接收来自无线充电发射端的电能。无线充电的充电效率与无线充电发射端和无线充电接收端的轴心之间的直线偏差相关，当发射端和接收端的轴心重合时效率最高，而当轴心偏差越大则无线充电效率越低。在实际应用中，电动汽车泊车就位时难以恰好让车上的无线充电接收端与无线充电车位上的无线充电发射端的轴心重合。无线充电发射端和无线充电接收端可分别包括无线充电发射线圈700和无线充电接收线圈800，前者可例如通过电磁感应或电磁共振等方式向后者供电以充入车载电池中。如图1所示，无线充电接收线圈的轴心与车位上的无线充电发射线圈的轴心之间的直线距离为d，当d越小时，无线充电效率越高，而当d大于特定阈值时由于充电效率过低则不适合无线充电。为此，需要使无线充电接收线圈与无线充电发射线圈对准，即尽量减小轴心距离d，以提高充电效率。应指出，本文中所提到的线圈之间的“距离”均指在俯视图中所确定的距离，而不考虑在高度方向上的间距。

根据本发明实施例的电动汽车无线充电对位系统可用于使无线充电接收线圈与无线充电发射线圈对准。如图2所示，该电动汽车无线充电对位系统包括能例如在停车位的范围内进行全向移动的全向移动平台300。全向移动是指能够在不改变自身姿态的情况下在一平面内随时向任意方向移动，可以在平移的同时完成旋转(而不需要首先旋转，然后进行平移)，即具有在平面内3个以上的高的运动自由度，运动灵活性很高，非常适合在狭窄或空间受限的区域内进行。

无线充电发射线圈700设置在全向移动平台300上，并且可例如通过埋设在地下的高压线缆150与充电桩200连接以获得电力来源。为了进行对位，该电动汽车无线充电对位系统还包括设置在电动汽车100和全向移动平台300中的一者上的信号发射单元，以及设置在电动汽车100和全向移动平台300中的另一者上的信号接收单元，信号发射单元与信号接收单元可分别发射和接收对位信号。一般情况下，由信号接收单元从信号发射单元接收到的对位信号的强弱取决于信号发射单元与信号接收单元之间的距离。因此，利用这一特性，可利用例如设置在电动汽车100和/或全向移动平台300上的控制装置(如电子控制单元)使全向移动平台300相对于电动汽车移动以改变信号发射单元与信号接收单元之间的距离，并根据所接收到的对位信号的情况来进行信号发射单元与信号接收单元的对位操作，进而使无线充电接收线圈与无线充电发射线圈对准。例如，对位信号可以包括电磁信号、激光信号、红外信号或热辐射信号等。示例性地，在全向移动平台300相对于电动汽车移动时监测到由信号接收单元接收到的对位信号最强的情况下，可判定为信号发射单元与信号接收单元完成了对位操作。

在图2所示的实施例中，信号发射单元设置在全向移动平台300上并且包括辅助发射线圈500，而信号接收单元设置在电动汽车100并且包括辅助接收线圈600。辅助发射线圈500可通过电磁感应(可视为发射一种电磁对位信号)在辅助接收线圈600中生成感应电压(可视为由辅助接收线圈接收到的对位信号)。辅助发射线圈500和辅助接收线圈600可分别相对于无线充电发射线圈700和无线充电接收线圈800具有特定的位置关系，以便能通过辅助发射线圈与辅助接收线圈的对位操作实现无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的对准。

在图3所示的对位构型中，辅助发射线圈500和辅助接收线圈600均为一个，并且分别与无线充电发射线圈700和无线充电接收线圈800同轴布置，这样，辅助发射线圈500和辅助接收线圈600的轴心距离也为d。当辅助发射线圈和辅助接收线圈不同轴(即d>0)时，辅助接收线圈中的感应电压随着轴心距离d变大而减小，当辅助发射线圈和辅助接收线圈正好同轴(即d＝0)时，辅助接收线圈中的感应电压达到其最高值。因此，基于辅助接收线圈中的感应电压可以计算出辅助发射线圈和辅助接收线圈的轴心距离d。借助全向移动平台300的移动可以使得轴心距离d变化，进而得到辅助接收线圈中的感应电压的变化。这样，可以引导全向移动平台300向所述感应电压增大的方向移动，直到所述感应电压达到预设合理的阈值才停止移动，此时轴心距离d将减小到可接受或期望的范围内，完成了辅助发射线圈与辅助接收线圈的对位操作，亦即实现了无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的对准，从而确保或改善无线充电效率。也就是说，所述电子控制单元可配置成监测辅助接收线圈600中的感应电压作为监测值，同时控制全向移动平台300进行全向移动以增大所述监测值，并在所述监测值大于一预定阈值时判定为所述对位操作完成以停止所述全向移动。

在图4所示的另一种对位构型中，辅助发射线圈500的数量仍为一个，并且与无线充电发射线圈700同轴布置，而辅助接收线圈的数量有多个(图中例示为4个)，这多个辅助接收线圈601、602、603、604以无线充电接收线圈800为中心彼此等间距地均匀布置。辅助发射线圈500与各辅助接收线圈601、602、603、604的轴心距离分别为d1、d2、d3、d4。如上所述，根据辅助发射线圈与辅助接收线圈的轴心距离与相应感应电压之间的关系，当各辅助接收线圈601、602、603、604中的感应电压之差为零时，各轴心距离d1、d2、d3、d4彼此相等，此时辅助发射线圈与辅助接收线圈的对位操作完成，亦即实现了无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的对准(无线充电发射线圈700和无线充电接收线圈800的轴心距离d＝0)。在实际控制中，所述电子控制单元可配置成监测所述多个辅助接收线圈中的感应电压之差作为监测值，同时控制全向移动平台300进行全向移动以减小所述监测值，并在所述监测值小于以预定阈值时判定为所述对位操作完成以停止所述全向移动。

在图3和4所示的对位构型中，鉴于辅助发射线圈与无线充电发射线圈在时间上是先后工作的，也可以不设置单独的辅助发射线圈500，而是将无线充电发射线圈700同时用作辅助发射线圈。在这种情况下，可将线圈700先接通至低压电源使其用作辅助发射线圈，待其与辅助接收线圈的对位操作完成后，再将其切换接通至高压电源以用作无线充电发射线圈。另外，理论上，图3中的辅助接收线圈600和无线充电接收线圈800也可共用同一线圈，但由于无线充电接收线圈需要连接到车载的高压电池包，故而在切换配置和控制方式上会比较复杂。

应指出，辅助发射线圈和辅助接收线圈的数量以及布置方式不限于图3和4所示的构型，只要能根据辅助接收线圈中的感应电压得出辅助发射线圈和辅助接收线圈之间的相对距离的布置构型都在本发明的范围内。

接下来介绍根据本发明实施例的电动汽车无线充电对位系统中的全向移动平台300的具体结构。顾名思义，全向移动平台是指能够进行全向移动的平台，因此所有能够实现全向移动的装置都可适用。作为一种示例性结构，全向移动平台300可包括底盘和支撑底盘移动的至少三个轮子，其中至少两个轮子是配备有能够驱动其滚动和/或转向的电机的驱动轮。这里，“滚动”是指轮子通过绕自身的中心轴线旋转而在支承面(如地面)上移动前进，而“转向”是指轮子通过绕与支承面垂直的轴线转动而确定轮子滚动前进的方向。电动汽车无线充电对位系统中的电子控制单元可配置成通过控制轮子所配备的相应电机的转动速度和/或位置来实现全向移动平台300的全向移动。

优选地，全向移动平台300的所有轮子都是仅能被电机驱动滚动的全向轮(Omniwheel)或麦克纳姆轮(Mecanum wheel)，图5至7示出了这类全向移动平台的三种具体构型。这类全向移动平台300可包括用于安设相应线圈的底盘55和支撑底盘移动的三个、四个或更多个轮子50(全向轮或麦克纳姆轮)。各轮子50可彼此平行地布置(图5和6)或等角度间隔地绕圆周布置(图7)。为了兼顾无线充电发射端和接收端的对位检测时间和精度，全向移动平台的驱动轮电机、传动和轮径可经过相应的已知计算方式得到具体的选型设计，这里不做详细描述。通过全向移动平台在平面内向任意方向不受限地灵活平移的能力，可在无需移动电动汽车的情况下快速完成信号发射单元和信号接收单元的对位操作，由此改善无线充电发射线圈与无线充电接收线圈的对准精度和速度，进而提高电动汽车的无线充电效率。

现参照图8，示出了用于电动汽车100的一种示例性无线充电发射端的具体实现结构的示意性架构图。如图8所示，无线充电发射端包括全向移动平台、高压无线充电发射线圈、低压辅助发射线圈、无线充电发射端主控制器及无线通讯模块等。高压无线充电发射线圈通过高压整流逆变及阻抗变换模块经由充电桩电网接受交流电网的供电，而低压辅助发射线圈、全向移动平台及无线充电发射端主控制器由交流电网整流降压后的低压电源供电。无线充电发射端主控制器作为发射端中央控制单元，其主要功能包括：通过与无线通讯模块的信号交互实现无线充电接收端与无线充电发射端之间的无线通讯，无线通讯方式可以是但不仅限于蓝牙、WiFi、Zigbee等；通过辅助发射线圈控制电路来实现低压辅助发射线圈的导通与断开；通过控制高压整流逆变及阻抗变换模块实现高压无线充电发射线圈的导通与断开；通过电机驱动模块控制相应电机的转动速度和/或位置来实现全向移动平台的运动控制。

现参照图9，示出了用于电动汽车100的一种示例性无线充电接收端的具体实现结构的示意性架构图。如图9所示，无线充电接收端包括高压无线充电接收线圈、低压辅助接收线圈、无线充电接收端主控制器及无线通讯模块等。高压无线充电接收线圈通过电磁感应效应接收无线充电发射端产生的电能，经过整流稳压后充入电动汽车的高压电池包。无线充电接收端主控制器由电动汽车低压电源供电。低压辅助接收线圈可以接收到低压辅助发射线圈导通时产生的感应电压。无线充电接收端主控制器负责无线通讯模块的信息交互、与整车控制器或车载充电机的信息交互。无线充电接收端主控制器作为接收端中央控制单元，其主要功能包括：通过与无线通讯模块的信号交互实现无线充电接收端与无线充电发射端系统之间的无线通讯；通过辅助接收线圈电压测量电路监测辅助接收线圈中产生的感应电压；通过控制高压整流滤波和DCDC变换模块实现高压电池包与高压无线充电接收线圈的导通与断开；通过与整车控制器通讯接收高压电池包的电量、电压等状态信息和整车控制器下发的其它指令，并向整车反馈无线充电对位操作情况。

本领域技术人员能够理解，根据本发明的电动汽车无线充电对位系统中的电子控制单元在图8和9所示的实施例中可以是无线充电发射端主控制器和/或无线充电接收端主控制器和/或整车控制器的部分控制功能的集合体，在其它实施例中也可构造为单独的控制单元。

现参照图10，示出了根据本发明实施例的电动汽车无线充电对位系统在实际应用场景中的示例性工作流程图。首先，电动汽车驶入无线充电停车位并完成泊车，用户通过手机或车机确认开启无线充电功能。确认以后，无线充电发射端和无线充电接收端的无线通讯模块将互相发送消息实现设备握手，此时两端的无线通讯即建立完成。接着，无线充电发射端通过控制辅助发射线圈控制电路来导通辅助发射线圈，该控制电路可以是继电器电路，此时辅助接收线圈由于电磁感应效应而产生感应电压。无线充电接收端通过辅助接收线圈电压测量电路监测当前的辅助接收线圈感应电压值。基于监量到的感应电压值的变化来判断发射端与接收端的相对距离是更近还是更远，感应电压值变低意味着发射端与接收端更远，感应电压值变高则越近。电子控制单元控制全向移动平台向感应电压值更高的方向移动，直至监测到的感应电压值大于预设的电压阈值，这意味着发射端与接收端的距离已达到适宜无线充电的距离，此时接收端通过无线通讯向发射端告知对位检测已成功或完成，发射端即可停止全向移动平台的移动。为了避免搜索时间过长，电子控制单元还可以增加对位检测时长的判断。若辅助接收线圈的感应电压长时间未达到电压阈值(即，全向移动的时间超过预定时长且对位操作仍未完成)，则接收端通过无线通讯向发射端告知对位检测失败，发射端即可停止全向移动平台的移动，系统可以提醒用户对位检测不成功，用户可选择再次对位检测或者放弃无线充电请求。若对位检测成功，则发射端通过无线通讯告知接收端即刻开始无线充电，然后通过控制高压整流逆变及阻抗变换电路，向无线充电发射线圈提供交变的高压电源，接收端主控制器告知整车控制器开始充电信号，整车控制器通过给接收端主控制器和电池管理系统下发指令，实现无线充电的电能接收并充入高压电池包内。直到发射端或接收端有一方发出充电停止的信号，发射端停止供电，从而结束无线充电进程。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内所作的各种更动与修改，均应纳入本发明的保护范围内，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种电动汽车无线充电对位系统，包括：

全向移动平台；

设置在电动汽车和所述全向移动平台中的一者上的信号发射单元；

设置在电动汽车和所述全向移动平台中的另一者上的信号接收单元；和

电子控制单元，所述电子控制单元配置成控制所述全向移动平台进行全向移动以使所述信号发射单元与所述信号接收单元分别通过发射和接收对位信号而完成对位操作，由此使设置在所述全向移动平台上的无线充电发射线圈与设置在电动汽车上的无线充电接收线圈对准以进行无线充电。

2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电对位系统，其特征在于，

所述全向移动平台包括至少三个轮子，其中至少两个轮子是配备有能够驱动其滚动和/或转向的电机的驱动轮，所述电子控制单元配置成通过控制相应电机的转动速度和/或位置来实现所述全向移动平台的全向移动。

3.根据权利要求2所述的电动汽车无线充电对位系统，其特征在于，

所述至少三个轮子均为仅能被电机驱动滚动的全向轮或麦克纳姆轮。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电动汽车无线充电对位系统，其特征在于，

所述对位信号包括电磁信号、激光信号、红外信号或热辐射信号。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的电动汽车无线充电对位系统，其特征在于，

所述信号发射单元包括辅助发射线圈，所述信号接收单元包括辅助接收线圈，所述辅助发射线圈通过电磁感应在所述辅助接收线圈中生成感应电压作为所述对位信号。

6.根据权利要求5所述的电动汽车无线充电对位系统，其特征在于，

所述信号发射单元包括与所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈中的一者同轴布置的一个辅助发射线圈，所述信号接收单元包括与所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈中的另一者同轴布置的一个辅助接收线圈，所述电子控制单元配置成监测所述辅助接收线圈中的感应电压作为监测值，同时控制所述全向移动平台进行全向移动以增大所述监测值，并在所述监测值大于预定阈值时判定为所述对位操作完成以停止所述全向移动。

7.根据权利要求5所述的电动汽车无线充电对位系统，其特征在于，

所述信号发射单元包括与所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈中的一者同轴布置的一个辅助发射线圈，所述信号接收单元包括以所述无线充电发射线圈和所述无线充电接收线圈中的另一者为中心均匀布置的多个辅助接收线圈，所述电子控制单元配置成监测所述多个辅助接收线圈中的感应电压之差作为监测值，同时控制所述全向移动平台进行全向移动以减小所述监测值，并在所述监测值小于预定阈值时判定为所述对位操作完成以停止所述全向移动。

8.根据权利要求5所述的电动汽车无线充电对位系统，其特征在于，

所述信号发射单元包括所述无线充电发射线圈作为辅助发射线圈，所述信号接收单元包括与所述无线充电接收线圈同轴布置的一个辅助接收线圈，所述电子控制单元配置成监测所述辅助接收线圈中的感应电压作为监测值，同时控制所述全向移动平台进行全向移动以增大所述监测值，并在所述监测值大于预定阈值时判定为所述对位操作完成以停止所述全向移动。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的电动汽车无线充电对位系统，其特征在于，

所述电子控制单元还配置成在所述全向移动的时间超过预定时长且所述对位操作仍未完成时判定为对位失败并停止所述全向移动。