基于磁阻传感器阵列对电动汽车动态无线充电目标的辨识方法
【专利摘要】本发明提供一种基于磁阻传感器阵列的电动汽车动态无线充电目标的辨识方法，该方法是提供电力供应单元和用电单位进行辨识；该方法包括步骤：动态充电电动汽车数量的检测；动态充电电动汽车行驶速度的检测；铁磁材料异物的检测。有益效果是该方法利用磁阻传感器阵列进行目标辨识，降低了检测成本，方便准确且可操作性强。通过该方法辨识出并进行清理，有效提高了充电的能量利用率。该方法通过计数的方式，可判断系统中正在进行充电的电动汽车的数量，保证系统不会处于超负荷工作状态，同时还能时时检测车辆的运行速度来控制汽车不超速，有效提高了无线充电的安全性。
【专利说明】
基于磁阻传感器阵列对电动汽车动态无线充电目标的辨识 方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线充电技术，特别是一种基于磁阻传感器阵列对电动汽车动态无线 充电目标的辨识方法。
【背景技术】
[0002] 在当前全球汽车工业面临金融危机和环境问题巨大挑战的情况下，发展电动汽 车，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成了 广泛共识。目前，我国已出台许多政策，引导和扶持电动汽车行业的快速发展，政府意欲加 速提高国内电动车产业的竞争力，缩短成熟期，实现对国外汽车生产工业的"弯道超车"。电 动汽车的发展步入关键时期，机遇与挑战并存。
[0003] 无线充电技术在电动汽车上的应用，是通过埋设于地表的原边线圈与固定于车辆 底盘的副边线圈的电磁耦合传输电能来实现的。随着电动汽车以及移动机器人等的发展， 无线充电的需求越来越大。对动力电池进行充电，具有安全环保、全自动、免维护等一系列 优点。目前常用的三种无线充电技术中，因为ICPT和ERPT技术在中等距离的传输效率较高， 更适合于电动汽车充电。
[0004] 磁阻效应传感器是根据磁性材料的磁阻效应制成的，其灵敏度和线性度已经能满 足磁罗盘的要求，各方面的性能明显优于霍尔器件。磁阻传感器一般有四个电阻组成，并将 它们接成电桥。在被测磁场的作用下，电桥中位于相对位置的两个电阻阻值增大，另外两个 电阻的阻值减小。在其线性范围内，电桥的输出电压与被测磁场成正比。利用磁阻传感器阵 列进行电动汽车动态无线充电目标的辨识，大大降低了检测成本，方便准确且可操作性强， 同时有效地提高了动态充电的能量利用率，保证了系统的充电安全性，进一步完善了无线 充电技术在电动汽车上的应用。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的空白，本发明提供一种基于磁阻传感器阵列对电动汽车动态无线 充电目标的辨识方法，其目的是实现对动态充电电动汽车的数量、速度，以及铁磁材料异物 等状态的检测和控制。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供一种基于磁阻传感器阵列的电动汽车动态无线充电 目标的辨识方法，该方法是利用地面下铺设的HMC1021磁阻传感器阵列所检测到的磁场信 号来对动态充电的电动汽车的实时状态进行判断、计数以及对不同目标的辨识，在地面下 铺设的原边供电线圈外接电源并放置HMC1021磁阻传感器阵列来检测磁场信号的变化，通 过电磁感应耦合电动汽车内的副边线圈产生能量以及在汽车影响周围磁场不断变化的条 件下进行对设备系统的充电、检测以及目标辨识;该方法包括以下步骤：
[0007] 1)该系统结构包括有电力供应单元和用电单位，所述电力供应单元包括有DC/AC 变换器、供电线圈、计数控制器、HMC1021磁阻传感器阵列;所述用电单位包括有接收线圈的 谐振单元、AC/DC变换器、动态充电的电动汽车，三者依次并联从而最终获取电动汽车所需 的能量供应。所述电力供应单元与用电单位通过该检测系统中的电力供应电路与电力接收 电路之间的电磁耦合连接进行能量的传递，同时利用地面铺设的HMC1021磁阻传感器阵列 所检测到的磁场信号来对电动汽车的实时状态进行判断以及实现间接控制。
[0008] 2)利用步骤1)的系统结构对电动汽车动态无线充电目标的辨识方法按如下操作：
[0009] A)动态充电电动汽车数量的检测
[0010] 当电动汽车进入检测系统中时，会改变其周围的磁场强度，首先经过HMC1021磁阻 传感器阵列，当首端的HMC1021磁阻传感器阵列检测到基于汽车数量变化的磁场信号的上 升沿时通过计数控制器进行计数；当电动汽车离开检测系统时，置于整个充电系统末端的 HMC1021磁阻传感器阵列会检测到基于汽车数量变化的磁场信号的下降沿并回传信息给充 电系统首端的计数控制器，控制器控制计数器减一，以此来统计所驶入的电动汽车总数量 η;当供电系统达到额定功率时，不再允许车辆的驶入；
[0011] Β)动态充电电动汽车行驶速度的检测
[0012]第一种检测方法：已知车长为1，当电动汽车接近和离开充电系统首端的HMC1021 磁阻传感器阵列的两个时刻，HMC1021磁阻传感器阵列会检测出基于速度变化的上升沿和 下降沿磁炀信号的夺化，这两个时刻的时间间隔测得为，车速ν便根据公式求出，即：
[0013]
[0014] 第二种检测方法:在路面下相隔距离为d，放置两个相同的HMC1021磁阻传感器阵 列，电动汽车接近充电系统首端所放置的第一个HMC1021磁阻传感器阵列的时刻记为t2，接 近充电系统首端所放置的第二个HMC1021磁阻传感器阵列的时刻记为t 3,车速v同样可根据 公式求出，即：
[0015]
[0016] C)铁磁材料异物的检测
[0017] 当系统中有铁磁材料异物时，会产热从而对系统的能量造成损失，不同大小和形 状的铁磁异物会对应产生基于异物检测的不同形状的磁场信号，但都是下降沿信号，基于 铁磁材料影响地磁场的特性，HMC1021磁阻传感器阵列通过检测磁场信号的变化检测出不 同于动态充电电动汽车的磁场信号，并根据HMC1021磁阻传感器阵列的位置判断异物的位 置，最后人工进行清除处理。
[0018] 本发明的有益效果是利用磁阻传感器阵列进行目标辨识，大大降低了检测成本， 方便准确且可操作性强。铁磁等异物材料的存在会对系统能量造成不必要的损失，通过该 方法辨识出并进行清理，有效提高了充电的能量利用率。该方法通过计数的方式，可判断系 统中正在进行充电的电动汽车的数量，保证系统不会处于超负荷工作状态，同时还能时时 检测车辆的运行速度来控制汽车不超速，有效提高了无线充电的安全性。
【附图说明】
[0019] 图1为电动汽车动态无线充电目标辨识系统的结构框图；
[0020] 图2(a)为动态充电电动汽车数量检测的磁场信号变化图；
[0021] 图2(b)为原边供电线圈和无线充电电动汽车；
[0022] 图3为动态充电电动汽车数量检测的磁场平面3-D变化图；
[0023] 图4(a)为动态充电电动汽车行驶速度的计算示意图；
[0024] 图4(b)为无线充电电动汽车车长和车距示意图；
[0025] 图5(a)为不同铁磁材料等异物检测的磁场信号变化图；
[0026] 图5(b)为原边供电线圈和不同铁磁材料；
[0027] 图6为不同铁磁材料等异物检测的磁场平面3-D变化图；
[0028] 图7为本发明的基于磁阻传感器阵列的电动汽车动态无线充电目标辨识方法的系 统流程图。
[0029] 1、电力供应单元2、动态充电的电动汽车3、用电单位4、供电线圈5、副边线圈 6、基于汽车数量变化的磁场信号7、供电线圈产生的磁场平面3-D示意8、基于汽车数量变 化的磁场信号3-D示意9、基于速度变化的上升沿和下降沿磁场信号10、不同大小和形状 的铁磁异物11、基于异物检测的不同形状的磁场信号12、基于异物检测的不同形状的磁 场信号3-D示意
【具体实施方式】
[0030] 结合附图对本发明的基于磁阻传感器阵列对电动汽车动态无线充电目标的辨识 方法加以说明。
[0031 ]本发明的基于磁阻传感器阵列的电动汽车动态无线充电目标的辨识方法是基于 HMC1021传感器阵列应用到动态无线充电目标辨识的最优化设计途径，从而实现对动态充 电电动汽车的数量、速度，以及铁磁材料异物等状态的检测和控制。
[0032]本发明的基于磁阻传感器阵列对电动汽车动态无线充电目标的辨识方法，该方法 是利用地面下铺设的HMC1021磁阻传感器阵列所检测到的磁场信号来对动态充电的电动汽 车2的实时状态进行判断、计数以及对不同目标的辨识，在地面下铺设的原边供电线圈4外 接电源并放置HMC1021磁阻传感器阵列来检测磁场信号的变化，通过电磁感应耦合电动汽 车内的副边线圈5产生能量以及在汽车影响周围磁场不断变化的条件下进行对设备系统的 充电、检测以及目标辨识;该方法包括以下步骤：
[0033] 1)如图1所示，该系统结构包括有电力供应单元1和用电单位3,所述电力供应单元 1包括有DC/AC变换器、供电线圈、计数控制器、HMC1021磁阻传感器阵列，所述DC/AC变换器 和供电线圈并联连接进行供电，计数控制器和HMC1021磁阻传感器阵列串联连接进行检测； 所述用电单位3包括有接收线圈的谐振单元、AC/DC变换器、电动汽车，三者依次并联连接， 从而最终获取电动汽车所需的能量供应。
[0034] 2)如图1-7所示，利用步骤1)的系统结构对电动汽车动态无线充电目标的辨识方 法按如下操作：
[0035] A)动态充电电动汽车数量的检测
[0036]当电动汽车进入检测系统中时，会改变其周围的磁场强度，首先经过HMC1021磁阻 传感器阵列，当首端的HMC1021磁阻传感器阵列检测到基于汽车数量变化的磁场信号6的上 升沿时通过计数控制器进行计数；当电动汽车离开检测系统时，置于整个充电系统末端的 HMC1021磁阻传感器阵列会检测到基于汽车数量变化的磁场信号6的下降沿并回传信息给 充电系统首端的计数控制器，控制器控制计数器减一，以此来统计所驶入的电动汽车总数 量η;当供电系统达到额定功率时，不再允许车辆的驶入；
[0037] Β)动态充电电动汽车行驶速度的检测
[0038]第一种检测方法：已知车长为1，当电动汽车接近和离开充电系统首端的HMC1021 磁阻传感器阵列的两个时刻，HMC1021磁阻传感器阵列会检测出基于速度变化的上升沿和 下降沿磁场信号9的变化，这两个时刻的时间间隔测得为t，车速ν便根据公式求出，即：
[0039]
[0040] 第二种检测方法:在路面下相隔距离为d，放置两个相同的HMC1021磁阻传感器阵 列，电动汽车接近充电系统首端所放置的第一个HMC1021磁阻传感器阵列的时刻记为t2，接 近充电系统首端所放置的第二个HMC1021磁阻传感器阵列的时刻记为t 3,车速v同样可根据 公式求出，即：
[0041]
[0042] C)铁磁材料异物的检测
[0043]当系统中有铁磁材料异物时，会产热从而对系统的能量造成损失，不同大小和形 状的铁磁异物10会对应产生基于异物检测的不同形状的磁场信号11，但都是下降沿信号， 基于铁磁材料影响地磁场的特性，HMC1021磁阻传感器阵列通过检测磁场信号的变化检测 出不同于动态充电电动汽车的磁场信号，并根据HMC1021磁阻传感器阵列的位置判断异物 的位置，最后人工进行清除处理。
[0044]所述步骤A)中对于动态充电电动汽车数量的检测，HMC1021磁阻传感器阵列在地 磁场的作用下会输出约50μΤ大小的磁场信号，当电动汽车进入检测系统中时，改变其周围 的磁场强度;首先经过HMC1021磁阻传感器阵列，当首端的HMC1021磁阻传感器阵列检测到 基于汽车数量变化的磁场信号6的上升沿时随之进行计数;当电动汽车离开检测系统时，置 于整个充电系统末端的HMC1021磁阻传感器阵列检测到基于汽车数量变化的磁场信号6的 下降沿并回传给充电系统首端的计数控制器，控制器控制计数器减一，以此来统计所驶入 的电动汽车数量，当供电系统达到额定功率时，不再允许车辆的驶入。
[0045] 所述步骤Β)中对于动态充电电动汽车行驶速度的检测，第一种检测方法：已知车 长为1，当电动汽车接近和离开充电系统首端的Η M C10 21磁阻传感器阵列的两个时刻， HMC1021磁阻传感器阵列会检测出基于速度变化的上升沿和下降沿磁场信号9的变化，这两 个时刻的时间间隔测为^，车速ν便求出；第二种检测方法:在路面下相隔距离为d，放置两 个相同的HMC1021磁阻传感器阵列，电动汽车接近充电系统首端所放置的第一个HMC1021磁 阻传感器阵列的时刻记为t 2,接近充电系统首端所放置的第二个HMC1021磁阻传感器阵列 的时刻记为t3,车速V同样能够求出。
[0046] 所述步骤C)中对于铁磁材料等异物的检测，当系统中有铁磁材料异物时，会对系 统的能量造成损失。不同大小和形状的铁磁异物10会对应产生基于异物检测的不同形状的 磁场信号11，但都是下降沿信号，基于铁磁材料影响充电系统的特性，HMC1021磁阻传感器 阵列通过检测磁场信号的变化检测出不同于动态充电电动汽车的磁场信号，并根据 HMC1021磁阻传感器阵列的位置判断异物的位置，最后人工进行清除处理。
[0047]本发明基于HMC1021磁阻传感器阵列进行充电系统的辨识方法具体是这样实现 的：
[0048] 如图7所示的本发明所提出的基于磁阻传感器阵列的电动汽车动态无线充电目标 辨识方法的系统流程图。该方法包括步骤:路面铺设供电线圈4、HMC1021传感器阵列、计数 控制器等所需的电力供应及检测单元;获取HMC1021传感器阵列测得的基于异物检测的不 同形状的磁场信号11，判断路面是否有不同大小和形状的铁磁异物10的存在，如有则进行 清理;不断驶入动态充电的电动汽车2,首端的HMC1021磁阻传感器阵列检测到基于汽车数 量变化的磁场信号6的上升沿信号并进行计数为η;在距离为d的路面长度下放置两HMC1021 传感器阵列，检测基于速度变化的上升沿和下降沿磁场信号9并记录汽车通过所需的时间 t，以此求出车速;记录初始位置的HMC1021传感器阵列信号是否继续变化，若继续变化则继 续计数，若不再变化则计数控制器清零，系统重新开始工作。
[0049] 图2(a)为动态充电电动汽车数量检测的磁场信号变化图；图2(b)为原边供电线圈 和无线充电电动汽车。当汽车进入检测系统中时，会改变其周围的磁场强度。首先经过 HMC1021磁阻传感器阵列，当首端的HMC1021磁阻传感器阵列检测到基于汽车数量变化的磁 场信号6的上升沿时通过计数控制器进行计数；当电动汽车离开检测系统时，置于整个充电 系统末端的HMC1021磁阻传感器阵列会检测到基于汽车数量变化的磁场信号6的下降沿并 回传信息给充电系统首端的计数控制器，控制器控制计数器减一，以此来统计所驶入的电 动汽车总数量η;当供电系统达到额定功率时，不再允许车辆的驶入。图3为动态充电电动汽 车数量检测的磁场平面3-D变化图。观察供电线圈4上方的供电线圈产生的磁场平面3-D示 意7,发现在汽车未驶入时，磁场大小是均匀不变的；当汽车进入检测系统中时，产生如基于 汽车数量变化的磁场信号3-D示意8的变化，便开始进行计数统计。
[0050] 图4(a)为动态充电电动汽车行驶速度的计算示意图；图4(b)为无线充电电动汽车 车长和车距示意图。
[0051 ]第一种检测方法：已知车长为1，当电动汽车接近和离开充电系统首端的HMC1021 磁阻传感器阵列的两个时刻，HMC1021磁阻传感器阵列会检测出基于速度变化的上升沿和 下降沿磁场信号9的变化，这两个时刻的时间间隔测得为t，车速ν便根据公式求出，即：
[0052]
[0053] 第二种检测方法:在路面下相隔距离为d，放置两个相同的HMC1021磁阻传感器阵 列，电动汽车接近充电系统首端所放置的第一个HMC1021磁阻传感器阵列的时刻记为t2，接 近充电系统首端所放置的第二个HMC1021磁阻传感器阵列的时刻记为t 3,车速v同样可根据 公式求出，即：
[0054]
[0055] 图5(a)为不同铁磁材料等异物检测的磁场信号变化图；图5(b)为原边供电线圈4 和不同大小和形状的铁磁异物1 〇。当系统中有铁磁材料等异物时，会产热从而对系统的能 量造成损失。不同大小和形状的铁磁异物10会对应产生基于异物检测的不同形状的磁场信 号11，但都是下降沿信号，基于铁磁材料影响地磁场的特性，HMC1021磁阻传感器阵列通过 检测磁场信号的变化检测出不同于动态充电电动汽车的磁场信号，并根据HMC1021磁阻传 感器阵列的位置判断异物的位置，最后人工进行清除处理。图6所示为不同铁磁材料等异物 检测的磁场平面3-D变化图。当有铁磁材料等异物的存在时，基于异物检测的不同形状的磁 场信号3-D示意12会有下降沿的产生，从而根据HMC1021磁阻传感器阵列的位置判断异物的 位置，最后人工进行清除处理。
【主权项】
1. 一种基于磁阻传感器阵列对电动汽车动态无线充电目标的辨识方法，该方法是利用 地面下铺设的HMC1021磁阻传感器阵列所检测到的磁场信号来对动态充电的电动汽车(2) 的实时状态进行判断、计数以及对不同目标的辨识，在地面下铺设的原边供电线圈(4)外接 电源并放置HMC1021磁阻传感器阵列来检测磁场信号的变化，通过电磁感应耦合电动汽车 内的副边线圈（5)产生能量以及在汽车影响周围磁场不断变化的条件下进行对设备系统的 充电、检测以及目标辨识;其特征是:该方法包括以下步骤： 1) 该系统结构包括有电力供应单元（1)和用电单位(3 )，所述电力供应单元（1)包括有 DC/AC变换器、供电线圈、计数控制器、HMC1021磁阻传感器阵列，所述DC/AC变换器和供电线 圈并联连接进行供电，计数控制器和HMC1021磁阻传感器阵列串联连接进行检测;所述用电 单位(3)包括有接收线圈的谐振单元、AC/DC变换器、电动汽车，三者依次并联连接，从而最 终获取电动汽车所需的能量供应； 2) 利用步骤1)的系统结构对电动汽车动态无线充电目标的辨识方法按如下操作： A)动态充电电动汽车数量的检测 当电动汽车进入检测系统中时，会改变其周围的磁场强度，首先经过HMC1021磁阻传感 器阵列，当首端的HMC1021磁阻传感器阵列检测到基于汽车数量变化的磁场信号(6)的上升 沿时通过计数控制器进行计数；当电动汽车离开检测系统时，置于整个充电系统末端的 HMC1021磁阻传感器阵列会检测到基于汽车数量变化的磁场信号（6)的下降沿并回传信息 给充电系统首端的计数控制器，控制器控制计数器减一，以此来统计所驶入的电动汽车总 数量η;当供电系统达到额定功率时，不再允许车辆的驶入； Β)动态充电电动汽车行驶速度的检测 第一种检测方法：已知车长为1，当电动汽车接近和离开充电系统首端的HMC1021磁阻 传感器阵列的两个时刻，HMC1021磁阻传感器阵列会检测出基于速度变化的上升沿和下降 沿磁场信号(9)的变化，这两个时刻的时间间隔测得为t，车速ν便根据公式求出，即：第二种检测方法:在路面下相隔距离为d，放置两个相同的HMC1021磁阻传感器阵列，电 动汽车接近充电系统首端所放置的第一个HMC1021磁阻传感器阵列的时刻记为t2,接近充 电系统首端所放置的第二个HMC1021磁阻传感器阵列的时刻记为t 3,车速v同样可根据公式 求出，即：C)铁磁材料异物的检测 当系统中有铁磁材料异物时，会产热从而对系统的能量造成损失，不同大小和形状的 铁磁异物（10)会对应产生基于异物检测的不同形状的磁场信号（11)，但都是下降沿信号， 基于铁磁材料影响地磁场的特性，HMC1021磁阻传感器阵列通过检测磁场信号的变化检测 出不同于动态充电电动汽车的磁场信号，并根据HMC1021磁阻传感器阵列的位置判断异物 的位置，最后人工进行清除处理。2. 根据权利要求1所述的基于磁阻传感器阵列对电动汽车动态无线充电目标的辨识方 法，其特征是:所述步骤A)中对于动态充电电动汽车数量的检测，HMC1021磁阻传感器阵列 在地磁场的作用下会输出约50μΤ大小的磁场信号，当电动汽车进入检测系统中时，改变其 周围的磁场强度;首先经过HMC1021磁阻传感器阵列，当首端的HMC1021磁阻传感器阵列检 测到基于汽车数量变化的磁场信号(6)的上升沿时随之进行计数；当电动汽车离开检测系 统时，置于整个充电系统末端的HMC1021磁阻传感器阵列检测到基于汽车数量变化的磁场 信号(6)的下降沿并回传给充电系统首端的计数控制器，控制器控制计数器减一，以此来统 计所驶入的电动汽车数量，当供电系统达到额定功率时，不再允许车辆的驶入。3. 根据权利要求1所述的基于磁阻传感器阵列对电动汽车动态无线充电目标的辨识方 法，其特征是:所述步骤Β)中对于动态充电电动汽车行驶速度的检测，第一种检测方法：已 知车长为1，当电动汽车接近和离开充电系统首端的HMC1021磁阻传感器阵列的两个时刻， HMC1021磁阻传感器阵列会检测出基于速度变化的上升沿和下降沿磁场信号(9)的变化，这 两个时刻的时间间隔测为，车速ν便求出；第二种检测方法:在路面下相隔距离为d，放置 两个相同的HMC1021磁阻传感器阵列，电动汽车接近充电系统首端所放置的第一个HMC1021 磁阻传感器阵列的时刻记为t 2,接近充电系统首端所放置的第二个HMC1021磁阻传感器阵 列的时刻记为t3,车速V同样能够求出。4. 根据权利要求1所述的基于磁阻传感器阵列对电动汽车动态无线充电目标的辨识方 法，其特征是:所述步骤C)中对于铁磁材料等异物的检测，当系统中有铁磁材料异物时，会 对系统的能量造成损失。不同大小和形状的铁磁异物（10)会对应产生基于异物检测的不同 形状的磁场信号（11)，但都是下降沿信号，基于铁磁材料影响充电系统的特性，HMC1021磁 阻传感器阵列通过检测磁场信号的变化检测出不同于动态充电电动汽车的磁场信号，并根 据HMC1021磁阻传感器阵列的位置判断异物的位置，最后人工进行清除处理。
【文档编号】B60L11/18GK105857106SQ201610323213
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】邓斌, 贾炳南, 张镇, 魏熙乐, 于海涛, 刘晨, 伊国胜, 王江
【申请人】天津大学