无线充电系统、充电站点和电动车的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线充电系统、充电站点和电动车，所述无线充电系统包括设于充电站点的第一充电装置和设于电动车的第二充电装置，第一充电装置包括第一控制单元、计时单元、至少两超声波接收器、第一充电线圈和驱动机构，第二充电装置包括第二控制单元、第二充电线圈和超声波发射器，其中：第一控制单元，用于通过第一充电线圈向外发送磁场脉冲，同时开启计时单元；通过超声波接收器接收超声波信号，并通过计时单元获取各超声波接收器接收到超声波信号的时间，据此确定第一充电线圈与第二充电线圈的相对位置，并根据相对位置控制驱动机构移动第一充电线圈来对准第二充电线圈。整个定位对准过程快捷精确，提高了无线充电效率和速度。
【专利说明】无线充电系统、充电站点和电动车
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线充电【技术领域】，尤其是涉及一种无线充电系统、充电站点和电动 车。
【背景技术】
[0002] 电动车是零排放的交通工具，有利于改善环境，越来越受到市场的重视，已逐渐成 为车辆未来的发展趋势。影响电动车普及的最大问题就是如何提高充电的便利性和充电的 效率。
[0003] 现有的电动车大都使用有线充电技术进行充电，有线充电用的连接器很笨重，连 接时会遇到困难，充电不够便利。而且长时间使用后会有物理性损坏或氧化，降低充电过程 可靠性。一般电动车充电的电压达到几百伏，如果在潮湿环景或下雨时充电，会有漏电的危 险。
[0004] 随着无线磁感应充电技术（以下简称无线充电技术）的迅速发展，无线充电技术 也应用到了电动车上，给电动车充电带来了极大的便利。因为没有笨重的连接器，不用人手 做连接，所以变得更加智能化，充电时更具便利。同时可以在潮湿环景下充电，没有漏电的 风险，提高了安全性。
[0005] 但相对于有线充电，无线充电的充电效率和充电速度较低，如何提高无线充电的 效率和速度成为急需解决的问题。解决以上问题主要有两个途径，一是实行磁应共振无线 输电，将无线磁应充电装置调谐到共同谐振频率，以达到最大的电能传输，和最高的效率； 二是对准充电线圈，缩短磁应充电距离，最大限度减少磁场散失，使接收磁场的充电线圈收 到最集中的磁场。
[0006] 现有技术中，在对准电动车和充电站点的充电线圈时，对准速度较慢，且定位不够 精确，从而降低了充电效率和速度。
【发明内容】
[0007] 本发明的主要目的在于提供一种无线充电系统、充电站点和电动车，旨在提高电 动车无线充电时的充电效率和充电速度。
[0008] 为达以上目的，本发明提出一种无线充电系统，包括设于充电站点的第一充电装 置和设于电动车的第二充电装置，所述第一充电装置包括第一控制单元、计时单元、至少两 超声波接收器、第一充电线圈和驱动机构，所述第二充电装置包括第二控制单元、第二充电 线圈和位于所述第二充电线圈几何中心的超声波发射器，其中 ：
[0009] 第一控制单元，用于通过所述第一充电线圈向外发送磁场脉冲，同时开启所述计 时单元；通过所述超声波接收器接收超声波信号，并通过所述计时单元获取各超声波接收 器接收到所述超声波信号的时间，据此确定所述第一充电线圈与第二充电线圈的相对位 置，并根据所述相对位置控制所述驱动机构移动所述第一充电线圈来对准所述第二充电线 圈；
[0010] 第二控制单元，用于通过所述第二充电线圈接收所述磁场脉冲并将该磁场脉冲转 化为电能，利用所述电能启动所述超声波发射器向外发射所述超声波信号。
[0011] 优选地，所述超声波接收器位于所述第一充电线圈的边缘或同心圆上。
[0012] 优选地，当所述第一充电线圈和第二充电线圈对准后，所述第一控制单元还用于 根据其中任一所述超声波接收器接收到所述超声波信号的时间，以及所述超声波接收器位 于所述第一充电线圈的位置，确定所述第一充电线圈和第二充电线圈的距离。
[0013] 优选地，所述第一控制单元还用于根据所述第一充电线圈和第二充电线圈的距 离，控制所述驱动机构移动所述第一充电线圈靠近或远离所述第二充电线圈。
[0014] 优选地，所述第二充电线圈至少为两个，且设于所述电动车的侧面。
[0015] 优选地，所述第二充电线圈设于所述电动车表面。
[0016] 优选地，所述第二充电装置还包括通讯模块、电池、开关、DC/AC转换器、匹配电路、 充电器和整流电路，所述通讯模块用于与外部设备进行通讯；所述第二控制单元用于切换 所述开关以使所述电池、DC/AC转换器、匹配电路和第二充电线圈依次电连接以对外部设备 充电，或切换所述开关以使所述电池、充电器、整流电路和第二充电线圈依次电连接以对本 车的电池充电。
[0017] 本发明同时提出一种充电站点，包括一为电动车充电的充电装置，所述充电装置 包括控制单元、计时单元、至少两超声波接收器、充电线圈和驱动机构，所述控制单元用 于：
[0018] 通过所述充电线圈向外发送磁场脉冲，同时开启所述计时单元；通过所述超声波 接收器接收超声波信号，并通过所述计时单元获取各超声波接收器接收到所述超声波信号 的时间，据此确定所述充电线圈与所述电动车的充电线圈的相对位置，并根据所述相对位 置控制所述驱动机构移动所述充电线圈来对准所述电动车的充电线圈。
[0019] 优选地，所述超声波接收器位于所述充电线圈的边缘或同心圆上。
[0020] 优选地，当所述充电线圈和电动车的充电线圈对准后，所述控制单元还用于根据 其中任一所述超声波接收器接收到所述超声波信号的时间，以及所述超声波接收器位于所 述充电线圈的位置，确定所述充电线圈和电动车的充电线圈的距离。
[0021] 优选地，所述控制单元还用于：根据所述充电线圈和电动车的充电线圈的距离，控 制所述驱动机构移动所述充电线圈靠近或远离所述电动车的充电线圈。
[0022] 本发明还提出一种电动车，包括车体和连接于车体的充电装置，所述充电装置包 括控制单元、充电线圈和位于所述充电线圈几何中心的超声波发射器，所述控制单元用于： 通过所述充电线圈接收磁场脉冲并将该磁场脉冲转化为电能，利用所述电能启动所述超声 波发射器向外发射超声波信号。
[0023] 优选地，所述充电线圈至少为两个，且设于所述车体的侧面。
[0024] 优选地，所述充电线圈设于所述车体表面。
[0025] 优选地，所述充电装置还包括通讯模块、电池、开关、DC/AC转换器、匹配电路、充电 器和整流电路，所述通讯模块用于与外部设备进行通讯；所述控制单元用于切换所述开关 以使所述电池、DC/AC转换器、匹配电路和充电线圈依次电连接以对外部设备充电，或切换 所述开关以使所述电池、充电器、整流电路和充电线圈依次电连接以对本车的电池充电。
[0026] 本发明所提供的一种无线充电系统，采用超声波定位技术进行自动对准，由充电 站点的第一充电装置通过第一充电线圈发射磁场脉冲并开始计时，电动车的第二充电装置 通过第二充电线圈将磁场脉冲转化为电能并启动超声波发射器发射超声波信号，第一充电 装置通过至少两个超声波接收器接收超声波信号，并根据各超声波接收器接收到超声波信 号的时间来确定第一充电线圈和第二充电线圈的相对位置，根据相对位置移动第一充电线 圈来对准第二充电线圈。整个定位对准过程高效、快捷、精确，提高了无线充电效率和充电 速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的无线充电系统一实施例的结构框图；
[0028] 图2是图1中的第一充电装置的结构框图；
[0029] 图3是图1中的第二充电装置的结构框图；
[0030] 图4是本发明中磁场发射器的电路连接示意图；
[0031] 图5是本发明中第一充电线圈与超声波接收器的位置关系示意图；
[0032] 图6是本发明中超声波接收器的电路连接示意图；
[0033] 图7是本发明中第一充电装置的结构示意图；
[0034] 图8是本发明中第一充电装置的部分结构示意图；
[0035] 图9是本发明中第二充电线圈与电动车车体的位置关系示意图；
[0036] 图10是本发明中将磁场脉冲转化为电能的电路连接示意图；
[0037] 图11是本发明中第二充电线圈与超声波发射器的位置关系示意图；
[0038] 图12是本发明中超声波发射器的电路连接示意图；
[0039] 图13是本发明中第一充电装置和第二充电装置进行定位对准的示意图；
[0040] 图14是本发明中发射磁场脉冲到接收超声波信号的时间示意图；
[0041] 图15是本发明中第一充电装置和第二充电装置对准后的示意图；
[0042] 图16是本发明中超声波发射器和超声波接收器的位置关系示意图；
[0043] 图17是本发明中第一充电装置和第二充电装置进行定位对准的流程示意图；
[0044] 图18是本发明中两电动车进行充电的电路连接示意图；
[0045] 图19是本发明中两电动车进行充电的结构示意图；
[0046] 图20是本发明中两电动车进行充电的流程示意图；
[0047] 图21是本发明的充电站点一实施例的结构框图；
[0048] 图22是图21中充电站点的充电装置的结构框图；
[0049] 图23是本发明的电动车一实施例的结构框图；
[0050] 图24是图23中电动车的充电装置的结构框图。
[0051] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
【具体实施方式】
[0052] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0053] 110-第一充电线圈 170-移动轴
[0054] 120-超声波接收器 180-伸缩管
[0055] 121-超声波传感器 210-第二充电线圈
[0056] 122-放大器 220-超声波发射器
[0057] 130-无极性电容器 230-无极性电容器
[0058] 140一匹配电感器 240-绝缘栅双极型晶体管
[0059] 150-绝缘栅双极型晶体管 250-电容
[0060] 160-移动轴 260-高频扬声器
[0061] 参见图1-图20,提出本发明的无线充电系统一实施例。如图1-图3所示，所述无 线充电系统包括设于充电站点的第一充电装置和设于电动车的第二充电装置，第一充电装 置包括电源、第一控制单元、计时单元、超声波接收器、具有第一充电线圈的磁场发射器和 驱动机构，第二充电装置包括第二控制单元、第二充电线圈、超声波发射器、电池、充电器和 整流电路。充电站点可埋设于地下，于电动车底部对电动车进行充电；也可以设于地面上， 于电动车侧面对电动车进行充电。
[0062] 磁场发射器的电路图如图4所示。其中，第一充电线圈110为发射线圈，半径为 5-15cm，由利兹线绕成，用以减少交流电阻。第一充电线圈110与一个无极性电容器130并 联组成磁路耦合，再与匹配电感器140串联形成阻抗匹配。当直流电流流入4个绝缘栅双 极型晶体管 150 (Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)时，以 S6、S9 为一组，S7、S8 为另一组，以一个固定的共振频率轮流开关，直流电便会变成交流电，交流电经过第一充电 线圈便会转化为变化的磁场。S6、S9、S7、S8的信号来自于第一控制单元及一个全桥式驱动 电路，第一控制单元不发出信号时整个装置都不会运作。
[0063] 超声波接收器至少为两个，如图5所示，优选四个超声波接收器120均匀设于第一 充电线圈110的边缘。可选地，也可以设于第一充电线圈110的同心圆上或者任意位置。 超声波接收器的电路连接示意图如图6所示，包括超声波传感器121、带通滤波器和放大器 122,超声波传感器121接收超声波信号，经过带通滤波器减少噪音，经过放大器122把信号 放大，最后传送给第一控制单元。
[0064] 如图7、图8所示，驱动机构可在X、Y、Z轴三个方向移动第一充电线圈110,驱动机 构包括连接了马达（优选伺服马达）的移动轴（160,170)和伸缩管180。本实施例的充电 站点优选设于地面上，从而移动轴包括两个水平移动轴160和一个垂直移动轴170。在马达 的驱动下，水平移动轴160左右移动第一充电线圈110,垂直移动轴170上下移动第一充电 线圈110,伸缩管180前后移动第一充电线圈110。
[0065] 第二充电线圈半径为5_15cm，由利兹线绕成，用以减少交流电阻。第二充电线圈可 以设于车体底部或侧面，可以是一个或多个。如图9所示，第二充电线圈210优选为四个， 分别位于车体前后左右四个侧面，并设于车体表面，
[0066] 如图10所示，第二充电线圈210与一个无极性电容器230并联组成一个磁路耦 合，当收到共振频率的变化磁场时，磁路耦合便会产生共振，这样，最高的电能传输效率便 能达到。当交流电进入到由4个IGBT240组成的整流电路时，SI、S2、S3、S4便会收到控制 信号来控制IGBT240的开关。以S1、S4为一组，S2、S3为另一组，与共振频率同步地轮流开 关，把一个来自发射器的磁场脉冲转化为电能，经过一个稳流器，充满电容250。稳流器的作 用是确保电容250的充满时间每次都一样。当电容250充满时，电容250里的电荷便会被 触发进入超声波发射器，电容250里的电荷还可以供给第二控制单元。
[0067] 超声波发射器设于第二充电线圈的几何中心，如图11所示，超声波发射器220位 于圆形的第二充电线圈210的圆心。超声波发射器的电路图如图12所示，包括信号产生器 (图未示）、推拉电路和高频扬声器260,信号产生器产生的超声波微信号进入S5,经推拉电 路放大后由高频扬声器260送出，该高频扬声器260位于第二充电线圈的中央。
[0068] 电池可以是镍氢电池或锂离子电池，其中镍氢电池是指以镍及能吸收储存、式放 氢离子的金属组成的电池，锂离子电池是以锂及其他物质组成的电池，包括磷酸锂铁电池 和钛酸锂电池。整流电路可以是二极管桥式整流器，利用二极管的单向导通性进行整流；也 可以是晶闸管整流器，利用可控硅（一种晶闸管）替换桥式整流器中的二极管。
[0069] 第一充电线圈和第二充电线圈的对准流程为：第一控制单元通过第一充电线圈向 外发送磁场脉冲，同时开启计时单元；通过超声波接收器接收超声波信号，并通过计时单元 获取各超声波接收器接收到超声波信号的时间，据此确定第一充电线圈与第二充电线圈的 相对位置，并根据该相对位置控制驱动机构移动第一充电线圈来对准第二充电线圈。第二 控制单元，用于通过第二充电线圈接收磁场脉冲并将该磁场脉冲转化为电能，利用电能启 动超声波发射器向外发射超声波信号。
[0070] 具体的，如图13所示，当电动车停泊到充电站点的充电位置时，第一控制单元便 会开始扫描程序。第一控制单兀控制第一充电线圈发出一个磁场脉冲，同时开启计时单兀。
[0071] 电动车的第二控制单元控制第二充电线圈接收磁场脉冲，将磁场脉冲转化为电 能，并通过整流电路充满图10所示的电容250，当电容250充满后便启动第二充电线圈中央 位置的超声波发射器，发出一个超声波信号给第一充电线圈上的各个超声波接收器。在此 过程中，电动车的电池没有连接第二充电线圈，第二充电线圈接收到的磁场脉冲所转换的 电能传送到一个电容就可供发出超声波信号之用，因此在对准过程中无需使用电动车的电 能，即使电动车的电池的电能完全耗尽也不会影响定位。
[0072] 第一控制单元通过超声波接收器接收超声波信号，并经过带通滤波器来减少噪 音，再经过放大器把信号放大，最后经过模数转换器进行模数转换。第一控制单元根据各个 超声波接收器接收到超声波信号的时间确定第一充电线圈和第二充电线圈的相对位置，并 根据相对位置控制驱动机构移动第一充电线圈来对准第二充电线圈。由于本实施例中4个 超声波接收器位于第一充电线圈的边缘，超声波发射器位于第二充电线圈的几何中心，因 此当第一充电线圈和第二充电线圈对准时各超声波接收器应同时接收到超声波信号，据此 第一控制单元控制驱动机构在X轴和Y轴上移动第一充电线圈，直至各超声波接收器接收 到超声波信号的时间相等为止。在某些实施例中，第一控制单元也可以根据各超声波接收 器接收到超声波信号的时间来计算出超声波接收器距离超声波发射器的距离，据此确定第 一充电线圈和第二充电线圈的相对位置。
[0073] 同时，还可以根据每一个超声波接收器所接收到的信号强度来核实X轴和y轴上 的误差，从而作出最准确的位置调整。具体的，第一控制单元比较至少两个位于不同位置的 超声波接收器所测量到的超声波强度而对超声波发射器的方向进行评估，根据评估结果调 整第一充电线圈在X轴和y轴上的位置。超声波的强度参数=1^〖+--]5气其中，Tm 是超声波信号的发射时间，u(t)是超声波信号进入超声波接收器时的电压值。
[0074] 进一步地，当第一充电线圈和第二充电线圈对准后，第一控制单元还根据其中任 一超声波接收器接收到超声波信号的时间，以及超声波接收器位于第一充电线圈的位置， 确定第一充电线圈和第二充电线圈的距离。并根据该距离控制驱动机构移动第一充电线圈 靠近或远离第二充电线圈。
[0075] 具体的，如图14所示为磁场脉冲和超声波信号的发射和接收时间示意图。其中， Tmp是第一充电线圈发射磁场脉冲的时间，?；是磁场脉冲经过空气的时间，T"是接第二充电 线圈接收磁场脉冲的时间，T rap是第二充电线圈将磁场脉冲转化为电能并充满电容的时间， Tup是超声波发射器发射超声波信号的时间，△ T是超声波信号经过空气的时间，是超声 波接收器接收到超声波的时间。从而，计时单元记录的时间，即为第一充电线圈发送磁场脉 冲到超声波接收器接收到超声波信号所经历的时间：T m-Tmp= Λ?；+ΛΤΜΡ+ΛΤ。因为磁场 脉冲是光速，所以△!；接近0;因磁场脉冲能量相对大，所以稳流充满电容的时间△1'^是 恒定值，从而可以根据公式获得Λ Τ。
[0076] 超声波接收器与超声波发射器的距离d = Af声速（340M/S)。如图15、16所示， 本实施例中，由于超声波发射器220位于第二充电线圈210的圆心位置，超声波接收器120 位于第一充电线圈110的边缘位置，因此当第一充电线圈110与第二充电线圈210对准后， 超声波接收器120与超声波发射器220的距离d、第一充电线圈110和第二充电线圈210的 距离D以及第一充电线圈110的半径R三者呈三角函数关系，因此第一充电线圈110和第 二充电线圈210的距离为：
【权利要求】
1. 一种无线充电系统，包括设于充电站点的第一充电装置和设于电动车的第二充电装 置，其特征在于，所述第一充电装置包括第一控制单元、计时单元、至少两超声波接收器、第 一充电线圈和驱动机构，所述第二充电装置包括第二控制单元、第二充电线圈和位于所述 第二充电线圈几何中心的超声波发射器，其中： 第一控制单元，用于通过所述第一充电线圈向外发送磁场脉冲，同时开启所述计时单 元；通过所述超声波接收器接收超声波信号，并通过所述计时单元获取各超声波接收器接 收到所述超声波信号的时间，据此确定所述第一充电线圈与第二充电线圈的相对位置，并 根据所述相对位置控制所述驱动机构移动所述第一充电线圈来对准所述第二充电线圈； 第二控制单元，用于通过所述第二充电线圈接收所述磁场脉冲并将该磁场脉冲转化为 电能，利用所述电能启动所述超声波发射器向外发射所述超声波信号。
2. 根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，当所述第一充电线圈和第二充 电线圈对准后，所述第一控制单元还用于根据其中任一所述超声波接收器接收到所述超声 波信号的时间，以及所述超声波接收器位于所述第一充电线圈的位置，确定所述第一充电 线圈和第二充电线圈的距离。
3. 根据权利要求2所述的无线充电系统，其特征在于，所述第一控制单元还用于根据 所述第一充电线圈和第二充电线圈的距离，控制所述驱动机构移动所述第一充电线圈靠近 或远离所述第二充电线圈。
4. 一种充电站点，包括一为电动车充电的充电装置，其特征在于，所述充电装置包括控 制单元、计时单元、至少两超声波接收器、充电线圈和驱动机构，所述控制单元用于 ： 通过所述充电线圈向外发送磁场脉冲，同时开启所述计时单元；通过所述超声波接收 器接收超声波信号，并通过所述计时单元获取各超声波接收器接收到所述超声波信号的时 间，据此确定所述充电线圈与所述电动车的充电线圈的相对位置，并根据所述相对位置控 制所述驱动机构移动所述充电线圈来对准所述电动车的充电线圈。
5. 根据权利要求4所述的充电站点，其特征在于，所述超声波接收器位于所述充电线 圈的边缘或同心圆上。
6. 根据权利要求4或5所述的充电站点，其特征在于，当所述充电线圈和电动车的充电 线圈对准后，所述控制单元还用于根据其中任一所述超声波接收器接收到所述超声波信号 的时间，以及所述超声波接收器位于所述充电线圈的位置，确定所述充电线圈和电动车的 充电线圈的距离。
7. 根据权利要求6所述的充电站点，其特征在于，所述控制单元还用于：根据所述充电 线圈和电动车的充电线圈的距离，控制所述驱动机构移动所述充电线圈靠近或远离所述电 动车的充电线圈。
8. -种电动车，包括车体和连接于车体的充电装置，其特征在于，所述充电装置包括控 制单元、充电线圈和位于所述充电线圈几何中心的超声波发射器，所述控制单元用于：通过 所述充电线圈接收磁场脉冲并将该磁场脉冲转化为电能，利用所述电能启动所述超声波发 射器向外发射超声波信号。
9. 根据权利要求8所述的电动车，其特征在于，所述充电线圈至少为两个，且设于所述 车体的侧面。
10. 根据权利要求8或9所述的电动车，其特征在于，所述充电装置还包括通讯模块、电 池、开关、DC/AC转换器、匹配电路、充电器和整流电路，所述通讯模块用于与外部设备进行 通讯；所述控制单元用于切换所述开关以使所述电池、DC/AC转换器、匹配电路和充电线圈 依次电连接以对外部设备充电，或切换所述开关以使所述电池、充电器、整流电路和充电线 圈依次电连接以对本车的电池充电。
【文档编号】H02J7/00GK104269944SQ201410526129
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】黄卜夫, 潘鸿标, 王星华 申请人:智慧城市系统服务（中国）有限公司