本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种电动汽车无线充电装置及充电方法。
背景技术：
传统汽车消耗化石能源且污染环境，电动汽车以使用清洁能源、无污染的优势开始兴起。当前的电动汽车充电技术有使用充电桩进行充电，电动汽车需驶到指定的充电站进行充电，并不方便。目前已有一种利用电磁感应原理的无线充电方案，即接收线圈通过与发射线圈的电磁感应充电，这种操作方式灵活、便捷，唯一需要解决的难题是如何将两个线圈对准，以使充电效率达到最大。为解决这一难题，行业一般有两种解决方案：发射线圈固定在地面上，移动电动汽车上的接收线圈进行对准；电动汽车上的接收线圈不动，移动发射线圈进行对准。
申请号为201710237575.9的发明专利，公开了一种无线充电线圈对准机构，其包括次级侧线圈保护壳体、初级侧线圈保护壳体、x向驱动机构、y向驱动机构、z向举升机构以及传感器及电控组件。该发明使用视觉识别模块识别目标并规划路径，通过连接轴将支架推到指定高度，然后通过x向驱动机构和y向驱动机构到达指定位置。该专利的缺点有：1、视觉识别模块定位成本高；2、推杆电机驱动z向举升机构难以无级控制；3、先进行z向移动后进行x、y向移动，x、y向移动平台置于z向举升机构之上，使结构不稳定、寿命缩短，加大电机负载和能耗。
技术实现要素：
本发明的目的是针对无线充电线圈难以对准的难题，提供一种电动汽车无线充电装置及充电方法，采用传感器技术对电动汽车进行限位，超声波定位技术获取无线充电接收板的位置信息，移动工作台将无线充电发射板移动到对准位置。
本发明一种电动汽车无线充电装置，包括车位、无线充电发射板、无线充电接收板、超声波收发装置和三自由度移动工作台；所述的无线充电接收板固定在电动汽车底盘尾部；所述的车位划分为中间区域和两侧的轮胎区域，轮胎区域高度低于中间区域；中间区域靠近尾部位置开设有长方体容腔；三自由度移动工作台设置在长方体容腔内，长方体容腔顶部设置开关门；所述的开关门和三自由度移动工作台均由单片机控制。三自由度移动工作台对无线充电发射板进行x轴、y轴、z轴三个方向的移动。轮胎区域内侧设置若干个等距排布的重力传感器；重力传感器受力时将电信号传到单片机，单片机启动语音模块进行语音提示。所述的超声波收发装置包括超声波接收器和超声波发射器；所述的超声波发射器设置在无线充电接收板的底部中心，并与一个无线电信号接收器连接；三个或三个以上超声波接收器分布在车位周围同一水平面上，且不在同一直线，每个超声波接收器与一个计时器及无线电信号接收器连接。上位机收到充电指令后发送无线电信号并计算充电时间，与超声波发射器连接的无线电信号接收器接收到信号后使超声波发射器发射超声波，与超声波接收器连接的无线电信号接收器接收到信号后使计时器开始计时，超声波接收器接收到超声波后停止计时，单片机根据开始计时与停止计时的时间差以及超声波在空气中的传播速度，计算出超声波发射器与各超声波接收器的距离，再算出超声波发射器的坐标，从而确定无线充电接收板的中心位置。
所述的三自由度移动工作台包括xy轴移动工作台和z轴升降台；所述的z轴升降台包括底座、步进电机、滚珠丝杠副、滑块、剪叉机构和操作台；底座由xy轴移动工作台驱动，滑块一端固定在滚珠丝杠副的螺母上，另一端套在剪叉机构最底部的一根横杆上；该横杆为剪叉机构的驱动杆，与底座的导槽构成滑动副；剪叉机构最底部的一根横杆与底座固定；剪叉机构最顶部的一根横杆与操作台的导槽构成滑动副，最顶部的另一根横杆与操作台固定；无线充电发射板固定在操作台上；滚珠丝杠副由步进电机驱动。
所述的开关门包括开关板、夹紧装置、气缸、单向节流阀、控制阀和气泵。两个气缸相对设置，两个气缸的活塞杆上各设置一个夹紧装置，两块开关板由两个夹紧装置分别夹紧，两块开关板对中设置；开关板比中间区域顶面低20mm；两个气缸的活塞杆伸出由一个单向节流阀同步控制，两个气缸的活塞杆缩回由另一个单向节流阀同步控制；单向节流阀的单向阀为进气通道，单向节流阀的节流阀为排气通道。控制阀同步控制两个单向节流阀；气泵给控制阀供气；开关板采用dps防水材料。
所述长方体容腔的对称中心线与两侧轮胎区域的对称中心线重合。
所述长方体容腔的长、宽、高分别为2000mm、1300mm、700mm。
该电动汽车无线充电装置的充电方法，具体步骤如下：
步骤1、电动汽车进入车位；
步骤2、两侧的重力传感器若受到压力则将电信号传到单片机，单片机启动语音模块进行语音提示；
步骤3、电动汽车尾部的无线充电接收板位于长方体容腔上方区域内时，电动汽车停下；上位机收到充电指令时发送无线电信号并计算充电时间；
步骤4、与超声波发射器连接的无线电信号接收器接收到信号后使超声波发射器发射超声波，与超声波接收器连接的无线电信号接收器接收到信号后使计时器开始计时，超声波接收器接收到超声波后停止计时，根据开始计时与停止计时的时间差以及超声波在空气中的传播速度，计算出超声波发射器与各超声波接收器的距离，然后算出超声波发射器的坐标，从而确定无线充电接收板的中心坐标并发送给单片机。
步骤5、单片机控制气泵使开关板打开，并控制xy轴移动工作台对无线充电发射板进行x轴、y轴方向的移动使无线充电发射板中心对准无线充电接收板中心；
步骤6、单片机控制z轴升降台上升，无线充电发射板与无线充电接收板的间距为18～22mm时z轴升降台停止；
步骤7、单片机控制无线充电发射板发送能量，开始充电。
步骤8、充电完成，三自由度移动工作台复位后，单片机控制气泵使开关板关闭。
本发明具有的有益效果：
1.本发明采用限位设计，将无线充电接收板可能的位置缩小到一个长方形区域内，使其处于移动工作台的行程范围内，提高了定位的精确度。
2.本发明采用单向测距的超声波定位，无需接受回波，克服了超声波信号随传输距离快速衰减的缺陷，且随着超声波接收器个数的增多，定位会更加精确。
3.本发明的开关门采用气压控制，结构简单，反应快速。
4.本发明采用xy轴移动工作台和z轴升降台组合，先进行x、y轴的移动，再进行z轴的移动，三个方向的运动相互独立，使运动更加灵活。
5.本发明的xy轴移动工作台和z轴升降台均采用滚珠丝杠副完成传动，结构简单有效，安装、维护方便。
附图说明
图1为本发明的结构立体图；
图2为本发明中无线充电发射板与无线充电接收板对准充电的示意图；
图3为本发明中三自由度移动工作台的机构立体图；
图4为本发明中三自由度移动工作台的侧视图；
图5为本发明中开关门的气动回路示意图；
图6为本发明进行无线充电的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，一种电动汽车无线充电装置，包括车位1、无线充电发射板6、无线充电接收板8、超声波收发装置和三自由度移动工作台5；无线充电接收板8固定在电动汽车底盘尾部；车位1划分为中间区域和两侧的轮胎区域2，轮胎区域高度低于中间区域；中间区域靠近尾部位置开设有长方体容腔，长方体容腔的对称中心线与两侧轮胎区域2的对称中心线重合；三自由度移动工作台5设置在长方体容腔内，长方体容腔顶部设置开关门3；长方体容腔的长、宽、高分别为2000mm、1300mm、700mm；三自由度移动工作台5用于驱动无线充电发射板6；轮胎区域内侧设置若干个等距(间距约一个车轮直径，即600mm)排布的重力传感器；重力传感器4是基于压电效应的感应装置，包括压电片和弹性敏感元件。各重力传感器的信号输出端均接单片机，电动汽车进入车位时，布置在轮胎区域内侧的两排重力传感器4牵引电动汽车进入指定区域，如果汽车发生偏移，轮胎压到附近的重力传感器4，重力传感器4将电信号传到单片机，单片机启动语音模块，提示车主纠正轨道。电动汽车进入车位1的指定区域后，超声波收发装置对电动汽车的无线充电接收板8的中心位置进行定位，然后单片机控制开关门3打开，并控制三自由度移动工作台5对无线充电发射板6进行x轴、y轴、z轴三个方向的移动来对准无线充电接收板8，使充电效率达到最高。
如图2所示，超声波收发装置包括超声波接收器和超声波发射器7；超声波发射器7设置在无线充电接收板8的底部中心，超声波发射器7与一个无线电信号接收器连接；多个(三个及以上)超声波接收器10分布在车位周围同一水平面上，且不在同一直线，每个超声波接收器与一个计时器及无线电信号接收器连接。上位机包括读写信息模块和信号发射器；车主停车后通过刷卡(或wifi、蓝牙连接等方式)向上位机9发送汽车电量数据，上位机9发送无线电信号并计算充电时间，与超声波发射器7连接的无线电信号接收器接收到信号后通知超声波发射器7发射超声波，与超声波接收器10连接的无线电信号接收器接收到信号后通知计时器开始计时，超声波接收器10接收到超声波后停止计时，根据开始计时与停止计时的时间差以及超声波在空气中的传播速度，计算出超声波发射器与各超声波接收器的距离，再利用三球定位原理算出超声波发射器的坐标，从而确定无线充电接收板的中心位置。定位算法采用三球定位原理，参与定位的超声波接收器越多，定位越精确。
如图2、3、4所示，三自由度移动工作台5包括xy轴移动工作台和z轴升降台；xy轴移动工作台包括底座、步进电机11、滚珠丝杠副12和操作台；z轴升降台采用剪叉形升降式结构，包括底座13、步进电机11、滚珠丝杠副12、滑块、剪叉机构14和操作台16，行程不小于280mm。xy轴移动工作台中，底座固定在车位长方体容腔的底部；底座用于固定步进电机和滚珠丝杠副，使传动能平稳，减小振动；操作台呈长方形，用于固定z轴升降台的底座13；xy轴移动工作台的x向和y向行程分别是900mm和1400mm。z轴升降台中，底座固定在xy轴移动工作台的操作台上，滑块一端固定在滚珠丝杠副12的螺母上，另一端套在剪叉机构14最底部的一根横杆17上；该横杆17为剪叉机构的驱动杆，与底座的导槽构成滑动副；剪叉机构14最底部的一根横杆17与底座固定；剪叉机构14最顶部的一根横杆与操作台16的导槽构成滑动副，最顶部的另一根横杆与操作台16固定；滑块将步进电机11的驱动力转化为剪叉机构14上升(下降)的力；操作台16呈圆形，用角铁15固定无线充电发射板6。采用步进电机11驱动，滚珠丝杠副12传动可以使升降平稳而精确。三自由度移动工作台5的步进电机11皆由单片机控制。
如图5所示，开关门3采用电气控制，包括开关板21、夹紧装置、气缸20、单向节流阀19、控制阀22和气泵18。两个气缸20相对设置，两个气缸20的活塞杆上各设置一个夹紧装置，两块开关板21由两个夹紧装置分别夹紧，两块开关板21对中设置；开关板21比中间区域顶面低20mm；两个气缸的活塞杆伸出由一个单向节流阀19同步控制，两个气缸的活塞杆缩回由另一个单向节流阀19同步控制；气缸进气时气流通过单向节流阀19的单向阀进入，排气时气流通过单向节流阀19的节流阀排出，两气缸实现同步运动，则两块开关板21同步开合。控制阀22同步控制两个单向节流阀19的进气速度；气泵18给控制阀22供气；使用气动元件的优点是不用担心泄露引起的污染，灵活快速。开关板采用dps防水材料，具有防水、抗压性能。
如图6所示，该电动汽车无线充电装置的充电方法，具体步骤如下：
步骤1、电动汽车进入车位；
步骤2、两侧的重力传感器检测压力，判断若有压力则将电信号传到单片机，单片机启动语音模块进行语音提示；
步骤3、电动汽车尾部的无线充电接收板8位于长方体容腔上方区域内时，电动汽车停下；车主发送充电指令，上位机发送无线电信号并计算充电时间；
步骤4、与超声波发射器7连接的无线电信号接收器接收到信号后通知超声波发射器7发射超声波，与超声波接收器10连接的无线电信号接收器接收到信号后通知计时器开始计时，超声波接收器10接收到超声波后停止计时，根据开始计时与停止计时的时间差以及超声波在空气中的传播速度，计算出超声波发射器与各超声波接收器的距离，然后算出超声波发射器的坐标，从而确定无线充电接收板的中心坐标并发送给单片机。
步骤5、单片机控制气泵使开关板打开，并控制xy轴移动工作台对无线充电发射板6进行x轴、y轴方向的移动使无线充电发射板6中心对准无线充电接收板8中心；
步骤6、单片机控制z轴升降台上升，无线充电发射板6与无线充电接收板8的间距为20mm时z轴升降台停止；
步骤7、单片机控制无线充电发射板发送能量，开始充电。
步骤8、充电完成，三自由度移动工作台5复位后，单片机控制气泵使开关板关闭。