一种汽车无线充电线圈位置优化系统及方法

1.本发明涉及汽车无线充电的技术领域，具体涉及一种汽车无线充电线圈位置优化系统及方法。


背景技术：

2.节能环保和安全出行，是汽车工业发展的永恒主题。随着电动汽车逐渐走进人们的生活，如何快速安全充电成为一项技术难题。若要给电动汽车充电，目前大多采用传导充电方式，即用充电电缆连接充电机和电动汽车。然而，这项操作繁琐且费时费力，如果出现电缆老化、雨雪天气、充完电后忘记拔除和不小心拉扯到连接电缆等情况下，容易引起漏电。而无线充电技术作为一项新兴技术，商业化运作也主要应用于手机、电脑和随身听等小功率设备的充电上，在电动汽车领域还是一个全新的概念，随着无线充电技术的成熟，电动汽车将是无线充电设备最具潜力的市场。
3.电动汽车无线充电技术通过埋于地面下的供电导轨以高频交变磁场的形式将电能传输给运行在地面上一定范围内的车辆接收端电能拾取机构，进而给车载储能设备供电，可使电动汽车搭载更少量的电池组，延长其续航里程，同时电能补给变得更加安全、便捷。电力电子技术持续发展的同时，电动汽车的能量供给方式也呈现多样化，已经出现了换电和充电的模式，充电中还包括接触式充电和非接触式无线充电等多种方式，增强了充电时间和地点上的灵活性，使得电动汽车的实用性大大提高。对于电动汽车的无线充电技术更是近年发展的趋势，其具有安全方便的优点，能够大幅减少电动车的电池容量，减轻车体重量，将电动车的初始购置成本降低，使其不再受制于大容量电池的高成本因素，能够使得电动车的市场规模更广阔。目前，常用的电动汽车无线充电的装置及方法主要通过电磁感应、磁共振、微波等方法进行无线电能传输,通过改变发射端和接收端的布置和控制方法，提高充电的稳定可靠性和电能传输效率，另外，激光式无线充电、电场耦合式、超声波式无线充电，也可实现电动汽车充电，但均存在缺陷而没有广泛应用，主要是由于汽车底盘空间、无线充电装置重量等因素的限制，需要合理控制接收装置的尺寸和布局。
4.道路环境以及人为驾驶等不确定性因素，对于定点的地面供电装置，汽车停放过程中接收端线圈必然存在位置不对应的情况，导致其与发射端线圈发生水平偏移。此外，汽车载重量、轮胎气压、路况等因素会影响底盘离地间隙，导致收发端线圈的垂直间隙发生改变。当收发端线圈出现偏移时，线圈自感和互感也会发生改变，从而影响无线充电系统的输出功率和传输效率。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术存在的问题，本发明目的之一在于提供一种汽车无线充电线圈位置优化系统，本系统结构紧凑，能有效避免接收模块与地面发射装置因距离和汽车偏移而导致的无线充电效率下降问题。本发明目的之二在于提供一种汽车无线充电线圈位置优化方法，该方法能在汽车发生垂直度变化和水平位置变化时，调整接收模块的位置，直
至调整到一个充电效率最高效的位置，如遇异常情况，充电停止，同时充电模块收回。
6.本发明所述的一种汽车无线充电线圈位置优化系统，包括固设在地面上的地面发射装置以及用于与所述地面发射装置无线连接的汽车接收装置，所述汽车接收装置包括：
7.接收模块，所述接收模块用于接收所述地面发射装置的充电信号，并为汽车进行充电；
8.检测模块，所述检测模块用于在汽车停稳后开启充电时检测所述地面发射装置和所述接收模块的相对高度和水平距离，并在汽车充电过程中实时检测所述接收模块的相关数据，得到充电所需的时间以及充电的进度，计算充电效率；
9.控制处理模块，所述控制处理模块用于收集各次汽车充电时的充电效率，并根据当前所述地面发射装置和所述接收模块的相对高度和水平距离，将执行指令发送给执行模块；
10.执行模块，所述执行模块用于对所述接收模块进行高度和水平方向的调整，将所述接收模块放置到相对于所述地面发射装置一个最高充电效率的区间内；
11.所述接收模块、所述检测模块和所述执行模块分别与所述控制处理模块信号连接。
12.在其中一个实施例中，所述接收模块包括依次与汽车电池相连接的dc/dc变换器、第一整流器和接收线圈，所述接收线圈用于与所述地面发射装置无线连接。
13.在其中一个实施例中，所述检测模块包括位于汽车四角的检测线圈，四个所述检测线圈均通过第二整流器与电压检测器相连接，所述检测线圈用于与所述地面发射装置无线连接，从而产生四个大小不同的电压，并用以判断车身偏移情况。
14.在其中一个实施例中，所述检测模块还包括互相连接的摄像头、雷达和信号反馈单元，所述摄像头和所述雷达均用于收集当前车速和汽车相对所述地面发射装置所处位置的数据，所述信号反馈单元将该数据反馈至所述控制处理模块。
15.在其中一个实施例中，所述执行模块包括导轨和平移电机，所述平移电机用于使所述接收线圈沿所述导轨在水平面上移动；所述导轨四角还设有升降电机，所述升降电机用于调整所述导轨的水平高度。
16.在其中一个实施例中，所述地面发射装置包括依次设于地面上的铝背板、高频逆变器、发射线圈、托盘和盖板，所述高频逆变器与所述发射线圈电连接，所述高频逆变器还通过第三整流器与市电相连接。
17.在其中一个实施例中，所述第一整流器和所述接收线圈之间、所述检测线圈和所述第二整流器之间以及所述高频逆变器与所述发射线圈之间均设有谐振补偿网络。
18.在其中一个实施例中，还包括太阳能收集单元、动能收集单元和蓄电池，所述太阳能收集单元和所述动能收集单元分别通过所述蓄电池与所述高频逆变器相连接；所述动能收集单元包括设于地面上位于所述地面发射装置四周的活动板，所述活动板底部铺设有压电材料。
19.在其中一个实施例中，所述高频逆变器由铁氧体磁芯制成，所述发射线圈由利兹线制成。
20.一种汽车无线充电线圈位置优化方法，应用于上述一种汽车无线充电线圈位置优化系统，包括如下步骤：
21.s1、汽车根据位置指示停靠至所述地面发射装置附近，启动无线充电功能；
22.s2、所述检测模块检测所述地面发射装置和所述接收模块的相对高度和水平距离的数据，并反馈至所述控制处理模块；
23.s3、所述控制处理模块根据所述检测模块反馈的数据，计算出最高充电效率的位置，并发送执行指令至所述执行模块；
24.s4、所述执行模块根据执行指令调整所述接收模块的位置；
25.s5、所述检测模块检测当前所述接收模块相对所述地面发射装置的位置信息，并实时检测所述接收模块的功率、频率、电流和电压的数据，以得到充电所需的时间以及充电的进度，计算充电效率，并在充电完成后将该次的位置信息和充电效率整合为充电信息反馈至所述控制处理模块；
26.s6、所述控制处理模块建立数据库收集各次无线充电的充电信息，并用于给所述步骤s3中对最高充电效率的位置计算作参考数据；
27.s7、所述检测模块检测到充电异常或已充满，则停止无线充电功能，同时在汽车的显示系统中提醒驾驶员，所述执行模块控制所述接收模块收回至原始位置。
28.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
29.1、本发明结构紧凑，能有效避免接收模块与地面发射装置因距离和汽车偏移而导致的无线充电效率下降问题。当带有无线充电的车辆停靠至地面发射装置时，打开无线充电的开关，检测模块判断是否满足工作条件，当满足工作条件时，接收模块开始工作，车内充电指示灯亮，汽车由于垂直度变化和水平位置变化而造成的接收模块偏移，可通过控制模块根据存储的数据指挥执行模块进行工作，调整接收模块的位置，直至调整到一个充电效率最高效的位置，如遇异常情况，充电停止，同时充电模块收回。
30.2、本发明可让更多带有无线充电功能的电动汽车拥有更高的离地间隙，满足对离地间隙有要求的人群需求。现有阶段，为车企解决续航里程焦虑问题提供了一个简便可行、有效的方法，带有此功能的电动汽车可以搭载更小容量的电池，减少了车企对电池的研发成本、用户的购买成本和使用成本。同时无线充电也为用户省去了宝贵的充电时间，以及对充电连接线等的维护，带来了更大的选择自由度，同时缓解了充电桩不足带来的一系列影响。
附图说明
31.图1是本发明的一种汽车无线充电线圈位置优化系统的结构示意图；
32.图2是本发明的汽车接收装置和地面发射装置的连接示意图。
33.附图标记说明：1-地面发射装置，11-高频逆变器，12-发射线圈，13-第三整流器，2-汽车接收装置，3-接收模块，31-dc/dc变换器，32-第一整流器，33-接收线圈，4-检测模块，41-检测线圈，42-第二整流器，43-电压检测器，44-摄像头，45-雷达，46-信号反馈单元，5-控制处理模块，6-执行模块，61-导轨，62-平移电机，63-升降电机，7-太阳能收集单元，8-动能收集单元，9-蓄电池。
具体实施方式
34.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附
图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
36.如图1和图2所示，本发明的一种汽车无线充电线圈位置优化系统，包括固设在地面上的地面发射装置1以及用于与地面发射装置1无线连接的汽车接收装置2，汽车接收装置2包括：
37.接收模块3，接收模块3用于接收地面发射装置1的充电信号，并为汽车进行充电；
38.检测模块4，检测模块4用于在汽车停稳后开启充电时检测地面发射装置1和接收模块3的相对高度和水平距离，并在汽车充电过程中实时检测接收模块3的相关数据，得到充电所需的时间以及充电的进度，计算充电效率；
39.控制处理模块5，控制处理模块5用于收集各次汽车充电时的充电效率，并根据当前地面发射装置1和接收模块3的相对高度和水平距离，将执行指令发送给执行模块6；
40.执行模块6，执行模块6用于对接收模块3进行高度和水平方向的调整，将接收模块3放置到相对于地面发射装置1一个最高充电效率的区间内；
41.接收模块3、检测模块4和执行模块6分别与控制处理模块5信号连接。
42.本发明结构紧凑，能有效避免接收模块3与地面发射装置1因距离和汽车偏移而导致的无线充电效率下降问题。在实际应用中，电动汽车无线充电没有外露的连接器，彻底避免漏电、跑电等安全隐患，采用无线充电，可以将电源和变压器隐蔽在地下，让汽车在停车处或街边特殊的充电点充电。但由于汽车底盘空间、无线充电装置重量等因素的限制，需要合理控制接收装置的尺寸和布局。而道路环境以及人为驾驶等不确定性因素，汽车停靠后，接收模块3必然存在横向偏移，导致其与地面发射装置1并不对准。此外，汽车载重量、轮胎气压、路况等因素会影响底盘离地间隙，导致垂直间隙也会发生改变。那么其中线圈的自感和互感也会发生改变，从而影响无线充电系统的输出功率和传输效率。
43.因此，本系统通过增设检测模块4以及执行模块6，当接收模块3开始与地面发射装置1无线连接而开启无线充电功能时，检测模块4实时检测汽车上的接收模块3和地面发射装置1之间的高度及水平距离，并反馈至控制处理模块5，控制处理模块5根据预设的距离位置或之前多次充电时的情况，控制执行模块6调整接收模块3的位置，使其位于相对地面发射装置1一个最高充电效率的区间内，充电过程中可继续根据检测模块4的反馈进行调整，起始值可以是尽量靠近地面发射装置1，也可以根据实际需要保证接收模块3与地面发射装置1在一定的距离范围内。而每次充电过程，都会由检测模块4收集接收模块3的相关数据，例如功率、频率、电流和电压，用以计算充电所需的时间以及充电的进度，得出相应的充电效率，并反馈控制处理模块5，从而建立数据库收集信息，下次充电时，可根据多次充电的情况，进行对比筛选，尝试以类似的距离来充电，以达到更高效的充电距离。
44.在其中一个实施例中，接收模块3包括依次与汽车电池相连接的dc/dc变换器、第一整流器32和接收线圈33，接收线圈33用于与地面发射装置1无线连接。接收模块3主要是
通过接收线圈33接收电能的传输，而其需要依次通过第一整流器32和dc/dc变换器才能与汽车电池连接，实现把电能传输时的交流电转换成直流电，并在转变输入电压后有效输出固定电压，从而得到电能对汽车电池的运用。而地面发射装置1这包括依次设于地面上的铝背板、高频逆变器11、发射线圈12、托盘和盖板，高频逆变器11与发射线圈12电连接，高频逆变器11还通过第三整流器13与市电相连接。铝背板、托盘和盖板是防止受损和稳定安装的结构，用以保护内部电路，其中的发射线圈12依次通过高频逆变器11和第三整流器13与市电连接，即把市电提供的工频交流电，通过第三整流器13转换成直流电，并由高频逆变器11即高频dc/ac变换技术转变为高频低压交流电，以便于电能通过发射线圈12和上述的接收线圈33进行传输。各整流器可采用buck型三相pfc变换器，高频逆变器11由铁氧体磁芯制成，发射线圈12由利兹线制成。而为了更好地调谐和提升电能发射功率，第一整流器32和接收线圈33之间以及高频逆变器11与发射线圈12之间均设有谐振补偿网络。该谐振补偿网络技术可参考专利号为cn201710859199.7的一种基于谐振补偿网络的超声无线电能传输功率提升系统，其降低了系统无功损耗，也提高了接收端的传输效率。
45.在其中一个实施例中，检测模块4包括位于汽车四角的检测线圈41，四个检测线圈41均通过第二整流器42与电压检测器43相连接，检测线圈41用于与地面发射装置1无线连接，从而产生四个大小不同的电压，并用以判断车身偏移情况。检测模块4需要实时检测汽车的多项数据，其中车身的偏移情况将影响接收模块3与地面发射装置1之间的距离，而通过四个检测线圈41的实时检测，其原理与接收线圈33相同，即可产生相应的电压，而由于在车身偏移的情况下，四角上的检测线圈41所感应的电压大小不同，经过第二整流器42与电压检测器43，就能分辨出来，并根据其实际数值，优先对接收线圈33的水平度进行调整，以便于后续根据数据库的最优位置和距离，继续调整接收线圈33至最大充电效率的区域。
46.进一步地，检测模块4还包括互相连接的摄像头44、雷达45和信号反馈单元46，摄像头44和雷达45均用于收集当前车速和汽车相对地面发射装置1所处位置的数据，信号反馈单元46将该数据反馈至控制处理模块5。检测模块4中的摄像头44和雷达45还为车辆充电检测时，提供当前车速和汽车相对地面发射装置1所处位置的数据，以便于驾驶员需要充电时能快速找到相近的地面发射装置1。
47.在其中一个实施例中，执行模块6包括导轨61和平移电机62，平移电机62用于使接收线圈33沿导轨61在水平面上移动；导轨61四角还设有升降电机63，升降电机63用于调整导轨61的水平高度。为实现接收模块3的位置调整，可先根据上述车身偏移情况的检测，利用升降电机63调整导轨61水平度，使接收线圈33相对地面发射装置1平行，然后再根据水平距离等检测数据，利用平移电机62让接收线圈33沿各导轨61运动，从而移动至合适的充电位置。
48.此外，本系统还包括太阳能收集单元7、动能收集单元8和蓄电池9，太阳能收集单元7和动能收集单元8分别通过蓄电池9与高频逆变器11相连接；动能收集单元8包括设于地面上位于地面发射装置1四周的活动板，活动板底部铺设有压电材料。有阳光时，可利用太阳能收集单元7转换为电能并通过蓄电池9储存电能，也可通过活动板的运动，进而使压电材料产生电能，并储存到蓄电池9中。
49.一种汽车无线充电线圈位置优化方法，应用于上述一种汽车无线充电线圈位置优化系统，包括如下步骤：
50.s1、汽车根据位置指示停靠至地面发射装置1附近，启动无线充电功能；
51.s2、检测模块4检测地面发射装置1和接收模块3的相对高度和水平距离的数据，并反馈至控制处理模块5；
52.s3、控制处理模块5根据检测模块4反馈的数据，计算出最高充电效率的位置，并发送执行指令至执行模块6；
53.s4、执行模块6根据执行指令调整接收模块3的位置；
54.s5、检测模块4检测当前接收模块3相对地面发射装置1的位置信息，并实时检测接收模块3的功率、频率、电流和电压的数据，以得到充电所需的时间以及充电的进度，计算充电效率，并在充电完成后将该次的位置信息和充电效率整合为充电信息反馈至控制处理模块5；
55.s6、控制处理模块5建立数据库收集各次无线充电的充电信息，并用于给步骤s3中对最高充电效率的位置计算作参考数据；
56.s7、检测模块4检测到充电异常或已充满，则停止无线充电功能，同时在汽车的显示系统中提醒驾驶员，执行模块6控制接收模块3收回至原始位置。
57.本发明的工作原理是：当带有无线充电的车辆停靠至地面发射装置1时，打开无线充电的开关，检测模块4判断是否满足工作条件，当满足工作条件时，接收模块3开始工作，车内充电指示灯亮，汽车由于垂直度变化和水平位置变化而造成的接收模块3偏移，可通过控制处理模块5根据存储的数据指挥执行模块6进行工作，调整接收模块3的位置，直至调整到一个充电效率最高效的位置，如遇异常情况，充电停止，同时充电模块收回。
58.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
59.图中，描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。