一种电动汽车及其磁共振传感系统的制作方法

本发明涉及电磁技术领域，特别是涉及一种电动汽车及其磁共振传感系统。

背景技术：

随着科学技术的发展，电磁技术被广泛应用于人们的生活和工作中，为人们的生活和工作提供了极大的便利。

目前，在很多需要提取电磁信号的电路环境中需要用到设备对位，诸如电动汽车无线供电和大型电磁炉等。以电动汽车为例，电动汽车无线供电技术一般采用磁感应和磁共振技术，其中，磁共振的传输距离远，功率大，结构稳定，但在传输之前发射线圈与接收线圈需要进行精确定位，这就需要检测发射线圈的位置(或者能量)。通常情况下，采用红外对射、RFID和机械定位等对发射线圈进行定位，其中，红外对射指的是在发射线圈上安装红外发射管，接收线圈上安装红外接收管，当两者通过红外线通讯成功之后，就会判断已经对位成功；RFID与红外对射类似；而机械定位指的是在车库地面上安装限位块，引导车轮驶入，当到达标志点后，会阻止车轮继续转动，使其卡住，这样就算对位成功。

但是，传统的定位技术中，采用红外对射因为发射管和接收管裸露在外界，易被泥土等覆盖，久而久之就会失效；RFID虽然不会脏污，但是检测距离太近，效果不是很好，且每次需要冒着被发射线圈的大功率电磁击毁的风险；机械定位会对轮胎进行伤害，得不偿失。

因此，如何既能实现设备的定位，又不会受到外界环境的影响，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电动汽车及其磁共振传感系统，可以既能实现设备的定位，又不会受到外界环境的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种磁共振传感系统，包括：

谐振选频电路模块，用于通过磁共振获取外界目标电磁发射线圈的电磁能量；

处理模块，用于根据所述谐振选频电路模块获取的电磁能量，判断所述谐振选频电路模块和所述目标电磁发射线圈的相对位置信息。

优选地，所述谐振选频电路模块包括：n个LC选频电路单元，n为不小于1的整数，

其中，所述LC选频电路单元包括相互并联的电感部和电容部；

所述电感部包括第一电感和与所述第一电感串联的可调电感；

所述电容部包括m个相互并联的电容器，各所述电容器通过一一对应的开关和所述电感部连接，m为不小于1的整数。

优选地，所述处理模块包括：与各所述LC选频电路单元一一对应连接的整流滤波电路单元，与各所述整流滤波电路单元一一对应连接的放大电路单元，与各所述放大电路单元一一对应连接的保护电路单元，和各所述放大电路单元以及各所述保护电路单元连接的单片机电路单元；

其中，所述整流滤波电路单元用于将对应的LC选频电路单元输出的高频交流电转变为脉动的直流电，并对该直流电进行滤波和稳压；

所述放大电路单元用于将对应的整流滤波电路单元输出的直流电进行放大；

所述保护电路单元用于在所述放大电路单元输出的电压值大于预设阈值时进行过压保护；

所述单片机电路单元用于对各所述放大电路单元的输出电压进行预设处理，判断所述谐振选频电路模块和所述目标电磁发射线圈的相对位置信息，以及控制各所述保护电路单元的运行状态。

优选地，所述整流滤波电路单元包括：

整流桥子单元，与对应的LC选频电路单元的输出端连接，用于将对应的LC选频电路单元输出的高频交流电转变为脉动的直流电；

低通滤波子单元，用于对对应的整流桥子单元输出的脉动的直流电进行低通滤波。

优选地，所述放大电路单元包括：

集成运放，用于将对应的整流滤波电路单元输出的电压进行放大；

电位器，与所述集成运放连接，用于响应操作者操作调整所述集成运放的电压放大倍数；

电压跟随电路，用于对所述集成运放放大后的电压进行电压跟随。

优选地，所述保护电路单元包括：

保护比较电路，用于比较对应的放大电路单元输出的电压值和预设阈值，并根据比较结果输出相应的信号；

线圈控制电路，用于根据所述保护比较电路输出的对应信号控制所述LC选频电路单元的通断。

优选地，所述保护比较电路包括：

基准源，用于输出预设阈值的基准电压；

比较器，用于接收并比较所述基准源输出的基准电压和所述放大电路单元输出的电压，并在所述放大电路单元输出的电压大于所述基准电压时输出高电平。

优选地，所述线圈控制电路包括：可控硅、三极管和继电器；

其中，所述可控硅的门极与所述比较器的输出端连接，阴极接地，阳极与所述三极管的发射极连接；

所述三极管的基极与所述单片机连接，所述三极管的集电极和所述继电器的一端连接；

所述继电器的另一端和工作电源连接，用于在所述可控硅导通时进行吸合，断开所述第一电感和所述可调电感之间的常闭触点。

优选地，所述线圈控制电路还包括：指示灯电路，所述指示灯电路的一端和所述三极管的集电极连接，另一端和所述工作电源连接。

一种电动汽车，包括：

电动汽车本体以及设置在所述电动汽车本体上的无线充电接收线圈；

如上述任一项所述的磁共振传感系统；

与所述磁共振传感系统连接的对位提示装置。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明所提供的一种磁共振传感系统，包括：谐振选频电路模块，用于通过磁共振获取外界目标电磁发射线圈的电磁能量；处理模块，用于根据谐振选频电路模块获取的电磁能量，判断谐振选频电路模块和目标电磁发射线圈的相对位置信息。由于采用了谐振选频电路模块来通过磁共振获取外界目标电磁发射线圈的电磁能量，并根据检测到的电磁能量判断和目标电磁发射线圈的相对位置，即在对电磁设备进行对位时即采用磁共振检测技术，利用电磁发射线圈的电磁场分布和磁共振无线供电环境，当该系统和目标电磁发射线圈共振频率一致时检测距离较远，由于是通过电磁环境来实现定位，所以不怕脏污，不会受到外界自然环境等的影响，检测更加稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式所提供的磁共振传感系统结构示意图；

图2为本发明一种具体实施方式所提供的磁共振传感系统的谐振选频电路模块中的LC选频电路单元结构示意图；

图3为本发明另一种具体实施方式所提供的磁共振传感系统结构示意图；

图4为本发明一种具体实施方式所提供的整流滤波电路单元结构示意图；

图5为本发明一种具体实施方式所提供的放大电路单元结构示意图；

图6为本发明另一种具体实施方式所提供的保护比较电路结构示意图；

图7为本发明一种具体实施方式所提供的保护比较电路的基准源结构示意图；

图8为本发明另一种具体实施方式所提供的保护比较电路的基准源结构示意图；

图9为本发明一种具体实施方式所提供的线圈控制电路结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电动汽车及其磁共振传感系统，可以既能实现电磁设备的定位，又不会受到外界环境的影响。

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1，图1为本发明一种具体实施方式所提供的磁共振传感系统结构示意图。

本发明的一种具体实施方式提供了一种磁共振传感系统，包括：谐振选频电路模块1，用于通过磁共振获取外界目标电磁发射线圈的电磁能量；处理模块2，用于根据谐振选频电路模块1获取的电磁能量，判断谐振选频电路模块1和目标电磁发射线圈的相对位置信息。

诸如电动汽车等设备，其在进行无线充电时会提供电磁环境，本实施方式所提供的磁共振传感系统用于电动汽车上时，在对电动汽车进行无线充电之前，需要将电动汽车的无线充电接收线圈和电磁发射线圈对位，这时采用谐振选频电路模块来通过磁共振获取外界目标电磁发射线圈的电磁能量，并通过处理模块根据检测到的电磁能量判断和目标电磁发射线圈的相对位置。即在对电磁设备进行对位时即采用磁共振检测技术，利用电磁发射线圈的电磁场分布和磁共振无线供电环境，来对目标电磁发射线圈进行精确的定位，且当该系统和目标电磁发射线圈共振频率一致时检测距离较远，由于是通过电磁环境来实现定位，所以不怕脏污，可以放置在汽车底盘等灰尘比较多的位置，不会受到外界自然环境等的影响，检测更加稳定。

请参考图2，图2为本发明一种具体实施方式所提供的磁共振传感系统的谐振选频电路模块中的LC选频电路单元结构示意图。

在本发明的一种实施方式中，谐振选频电路模块1包括：n个LC选频电路单元11，n为不小于1的整数，其中，LC选频电路单元11包括相互并联的电感部111和电容部112；电感部111包括第一电感1111和与第一电感1111串联的可调电感1112；电容部112包括m个相互并联的电容器，各电容器通过一一对应的开关和电感部111连接，m为不小于1的整数。在本实施方式中，电容部的可电容器的容值根据需要进行设置。

本发明的磁共振传感系统主要是采用磁共振原理检测电磁发射线圈的能量。所以首要的条件就是要“共振”起来，这样就要求目标电磁发射线圈的固有频率与本系统的谐振选频电路模块的固有频率一致。当一个电容和一个电感串联或者并联之后，其组合会有一个固有频率。比如将一个0.1uF的电容与一个100uH的电感串联之后，其固有频率为50.355kHz。具体计算公式为：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{LC}}.$

在一般的使用过程中，会出现3种情况：1-电磁发射端及接收端的线圈(电感)容量一致，且电容的容量也一致。2-电磁发射端及接收端的线圈容量一致，但电容的容量不一致。3-电磁发射端及接收端电感电容值均不一致。其中，所谓的电磁发射端即指的是目标电磁发射线圈所在的设备端，而接收端指的是磁共振传感系统所在设备端。

在本实施方式中，以目标电磁发射线圈所在的设备端包括串联的发射线圈L3与电容C20为例进行说明，其中，发射线圈L3与电容C20组成了串联谐振，假设发射线圈L3的电感量为100uH，电容C20的电容量为0.1uF，则其组合后的固有频率为50.355kHz。那么为了满足最大化的能量接收，则接收端的固有频率也必须是50.355kHz。

对于第一种情况，则在第一电感1111(即线圈L2)与发射线圈L3参数一致的情况下，首先将可调电感1112(即线圈L1)调节至最小值0(相当于导线)，而后闭合开关S4，而与开关S4连接的电容C5的容值为0.1uF，其他开关均处于断开状态。此时线圈L1与线圈L2串联，开关S4与电容C5也串联，而后他们并联，其固有频率与发射线圈L3以及电容C20组成的串联谐振的固有频率将一致，则感应出最高能量。其感应后的电压电流通过输出端A1与A2向后级电路传送。

对于第二种情况，假设电容C20的电容量为0.5uF，而线圈L1的电感为0，L2＝L3＝100uH。则接收端此时可以通过闭合开关S2与开关S4来进行匹配。使得电容C3和电容C5并联，电容部的总容量是各个连接的电容量的总和。所以当开关S2与开关S4都闭合之后，总电容量为0.1+0.4＝0.5uF。这样发射端与接收端电容量一致，电感量也一致，则固有频率也是一样的。

对于第三种情况，线圈L3与线圈L2数值不一致，那在固有频率一致的情况下，两端的电容数值肯定也是不一样的。举例说明如下：假设线圈L3为100uH，电容C20为0.1uF，则其固有频率为50.355kHz。假设此时的线圈L2的电感量为50uH，那么为了使接收端的固有频率也为50.355kHz，则需要反推回去，计算得电容为0.2uF，这样只闭合S3即可。在第三种情况中，虽然发射端与接收端的电容电感值均不一样，但是根据相同的固有频率，还是可以匹配出对应的电感和电容。但是，在实际应用中，计算出的电感和电容并不一定是一个整数值，甚至通过电容部中的电容不能并联出需要的电容值。因此，在本实施方式中设有可调电感，设置可调电感的作用为：1-微调总体电路中的电感量，弥补系统中因为元件差异而引起的频率偏移；2-匹配一些特殊的频率。通常情况下，在接收端上连接的电容都是整数的，但是实际应用中有时候需要带有小数的电容，此时在保持固有频率一致的前提条件下，可以微调可调电感进行匹配。且在实际应用中，可调电容比可调电感的体积大，而且不可靠。所以采用可调电感进行微调补偿可以提高可靠性。

请参考图3-图9，图3为本发明另一种具体实施方式所提供的磁共振传感系统结构示意图；图4为本发明一种具体实施方式所提供的整流滤波电路单元结构示意图；图5为本发明一种具体实施方式所提供的放大电路单元结构示意图；图6为本发明另一种具体实施方式所提供的保护比较电路结构示意图；图7为本发明一种具体实施方式所提供的保护比较电路的基准源结构示意图；图8为本发明另一种具体实施方式所提供的保护比较电路的基准源结构示意图；图9为本发明一种具体实施方式所提供的线圈控制电路结构示意图。

在本发明的一种实施方式中，如图3所示，处理模块2包括：与各LC选频电路单元11一一对应连接的整流滤波电路单元21，与各整流滤波电路单元21一一对应连接的放大电路单元22，与各放大电路单元22一一对应连接的保护电路单元23，和各放大电路单元22以及各保护电路单元23连接的单片机电路单元24；其中，整流滤波电路单元21用于将对应的LC选频电路单元11输出的高频交流电转变为脉动的直流电，并对该直流电进行滤波和稳压；放大电路单元22用于将对应的整流滤波电路单元21输出的直流电进行放大；保护电路单元23用于在放大电路单元22输出的电压值大于预设阈值时进行过压保护；单片机电路单元24用于对各放大电路单元22的输出电压进行预设处理，判断谐振选频电路模块和目标电磁发射线圈的相对位置信息，以及控制各保护电路单元23的运行状态。

进一步地，整流滤波电路单元21包括：整流桥子单元，与对应的LC选频电路单元的输出端连接，用于将对应的LC选频电路单元输出的高频交流电转变为脉动的直流电；低通滤波子单元，用于对对应的整流桥子单元输出的脉动的直流电进行低通滤波。

在本实施方式中，整流滤波电路单元结构如图4所示，其整流桥子单元包括四个二极管，二极管D1的负极和二极管D2的负极连接，二极管D1的正极和二极管D3的负极连接，二极管D3的正极和二极管D4的正极连接，二极管D4的负极和二极管D2的正极连接，其中，二极管D1的正极连接作为一个输入端连接对应LC选频电路单元的一输出端A2，二极管D2的正极连接作为一个输入端连接该LC选频电路单元的另一输出端A1。低通滤波子单元包括电阻R7、电容C1和电阻R9，其中，二极管D2的负极连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电容C1的一端，电容C1的另一端连接二极管D4的正极且接地，电阻R9和电容C1并联。其中，LC选频电路单元感应出来的电能通过输出端A1和A2进入整流桥子单元，该整流桥子单元采用四个高速二极管，将高频交流电转变为脉动的直流电，而后该脉动的直流电通过低通滤波子单元进行低通滤波，提出脉动部分，滤波完成后将变成一个比较稳定的微小直流电。

更进一步地，放大电路单元22包括：集成运放，用于将对应的整流滤波电路单元输出的电压进行放大；电位器，与集成运放连接，用于响应操作者操作调整集成运放的电压放大倍数；电压跟随电路，用于对集成运放放大后的电压进行电压跟随。

如图5所示，在本实施方式中以LM358集成运放为例进行说明，其将微弱的电压信号(约0.1-1V左右)放大至较高的电压(约1-10V)供后级电路使用。在此处电压等比例放大，且可以通过电位器Rf1调整放大倍数，使得应用更加灵活。且放大后的电压进行电压跟随，以增强驱动能力，而后由输出端I/O-A输出。在本实施方式中，放大电路包括电阻R10，电阻R10的一端连接整流滤波电路单元的一输出端，另一端连接集成运放的输入端，电阻R5和电阻R6和电位器Rf1构成了本实施方式中的电位器和电压跟随电路。

在本发明的一种实施方式中，保护电路单元23包括：保护比较电路，用于比较对应的放大电路单元输出的电压值和预设阈值，并根据比较结果输出相应的信号；线圈控制电路，用于根据保护比较电路输出的对应信号控制LC选频电路单元的通断。

其中，保护比较电路231包括：基准源2311，用于输出预设阈值的基准电压；比较器2312，用于接收并比较基准源输出的基准电压和放大电路单元输出的电压，并在放大电路单元输出的电压大于基准电压时输出高电平。

在本实施方式中，信号由放大电路单元的输出端输出后分为两路，一路直接进入单片机电路单元的A/D采样，将模拟信号转变为数据信号；另一路进入如图6所示的保护电路单元中的保护比较电路中进行比较。在保护比较单元中设有一基准源，在本实施方式中可默认为基准电压为2.5V。其中，在本实施方式中优选TL431芯片作为基准芯片，当然也可以采用电阻分压的模式来提高基准电压，如图7所示，采用两个电阻进行分压以提供稳定的基准电压；也可以采用其他的芯片作为基准芯片提供基准电压，如图8所示，可以采用一个78系列的稳压芯片作为基准芯片。其中，保护比较电路会比较基准电压和输入的电压之间的大小，来确定输出。例如，假设基准电压为5V，若从I/O-A输入的电压为4V，则保护比较电路的输出端A5不输出信号；若I/O-A输入的电压为6V，高于基准电压，则保护比较电路动作，其输出端A5输出一个高电平。

需要说明的是，在本实施方式中，采用了LM358作为比较器，根据实际需要也可以采用其他的比较器，本实施方式对此并不做限定，具体视情况而定。

在本实施方式中，如图9所示，优选线圈控制电路232包括：可控硅2321、三极管2322和继电器2323；其中，可控硅2321的门极G与比较器的输出端A5连接，阴极K接地，阳极A与三极管2322的发射极连接；三极管2322的基极与单片机连接，三极管2322的集电极和继电器2323的一端连接；继电器2323的另一端和工作电源(12V电源)连接，用于在可控硅2321导通时进行吸合，断开第一电感和可调电感之间的常闭触点。线圈控制电路还包括：指示灯电路2324，指示灯电路的一端和三极管2322的集电极连接，另一端和工作电源连接。

在本实施方式中，线圈控制单元主要用于控制对应的LC选频电路单元工作。在正常情况下，继电器不工作，可控硅不导通，而三极管一直导通。在本实施方式的磁共振传感系统中，当正常工作时，各LC选频电路单元接收的能量比较小，通过放大电路单元后，若电压也未超过基准电压，则保护比较电路无输出；而一旦LC选频电路单元感应的电压过高，经过放大后，其数值超过了保护比较电路中的基准电压，则保护比较电路输出对应控制信号控制线圈控制电路动作，如保护比较电路输出高电平，则可控硅导通，指示灯电路中的指示灯LED1点亮，继电器吸合，则位于第一电感和可调电感之间的常闭触点断开，则线圈L2不接入整个LC谐振回路中，则无法拾取磁场信号，因此无法实现LC共振，则没有电压从对应的LC选频电路单元中输出，所以对应的放大电路单元无输出，保护比较电路也无输出，但是此时可控硅已经导通，无论放大电路单元和保护比较电路是否输出继电器均不会失电，线圈L2就永远无法接入LC震荡电路，从而对整个系统起到保护作用。

而如果需要撤销保护，则可以通过单片机电路单元对三极管的基极输出一个低电平，三极管的集电极和发射极之间截止，则继电器和可控硅失电。可控硅失电后，即便三极管再次导通，但是可控硅的门极没有高电平触发，则可控硅还是不工作的。

保护电路单元采用上述的保护机制主要是为了防止无线供电系统工作之后，巨大的电磁能量将本磁共振传感系统损毁。比如在电动汽车对位的应用中，对位时，目标电磁发射线圈是小功率间歇性的发射电磁能量，这股能量只是为了给磁共振传感系统对位用的，所以特别微小，一般就几十瓦。当对位完成之后，目标电磁发射线圈会大功率发射电磁能量，传递给无线充电接收线圈。此时的目标电磁发射线圈功率在几十千瓦。这么大的功率，难免会有电磁泄露，这泄露的能量就足以使磁共振传感系统损毁。所以为了保护整体系统，本实施方式采用的方案就是把谐振选频电路模块中的第一电感摘除，形成不了LC谐振，也就无法拾取电磁功率，就不会对整体系统产生影响。

在本实施方式中，通过继电器断开第一电感和可调电感之间的常闭触点的意义在于，不会产生多余的电容和电感性质，而如果采用电子器件代替则会产生一些不可控的因素，直接影响到LC并联谐振的谐振频率，使接收效率降低，严重的会无法拾取电磁信号。

为了数据对外传输方便，拾取可靠，抗干扰等，设置了单片机电路单元，可以采用STC系列单片机，也可以采用AVR单片机，或者STM32等等，只要能够达到数字化处理的目的即可。放大电路单元中的I/O_A输出的信号就是直接进入了单片机电流单元进行处理。单片机电路单元可以通过各线圈控制电路中的三极管来关闭相应的LC选频电路单元。并且外部设备可以通过串口，SPI，单总线，485等等通讯方式与单片机电路单元通讯，得到各传感电路检测到的能量值，以及控制每个传感电路的工作状态，其中，所谓的传感电路指的是一个LC选频电路单元至单片机电路单元所在的电流，即包括一个LC选频电路单元及对应的整流滤波电路单元、放大电路单元、保护电路单元。本磁共振传感系统，可以使检测的可靠性，灵活性得到很大的提高。

相应地，本发明一种实施方式还提供了一种电动汽车，包括：电动汽车本体以及设置在电动汽车本体上的无线充电接收线圈；如上述任一实施方式所提供的磁共振传感系统；与磁共振传感系统连接的对位提示装置。

在本实施方式中，所谓的提示装置可以包括一个处理器和显示器，还可以包括相应的语音装置。当用于需要对电动汽车进行充电时，驾驶员可以通过该磁共振传感系统检测的信息判断目标电磁发射线圈的位置，电动汽车上的无线充电接收线圈和该磁共振传感系统的相对位置是已知的，则可以便于准确地移动车辆使得电动汽车的无线充电接收线圈和目标电磁发射线圈进行精确地对位。

需要说明的是，还可以将该磁共振传感系统镶嵌在自动泊车系统中，该系统检测的信息还可以反过来辅助自动泊车对位，此外，该系统还可以用于大型电磁炉等设备的对位，在一切需要提取电磁信号强度的电路环境中均可使用。

综上所述，本发明所提供的磁共振传感系统采用了磁共振检测技术，检测距离相对磁感应更远，更加可靠稳定，采用LC谐振选频电路，可以灵活匹配适应多种发射线圈，波动相应开关即可对频；采用了独特的保护电路单元，在目标电磁发射线圈发射的能量较大时，直接断开LC谐振选频电路，使其无法拾取功率，提高了可靠性；采用单片机电路单元汇总各个传感电路的信号数据，并进行数字化运算及管理，可以选择不同的方式对外输出数据，灵活方便。

以上对本发明所提供一种电动汽车及其磁共振传感系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。