一種電動汽車動態調節無線充電系統及其控制方法與流程
2023-06-12 07:24:46 1
本發明屬於電動汽車無線充電領域，具體涉及一種電動汽車動態調節無線充電系統及其控制方法。
背景技術：
由於石油資源枯竭、大氣汙染、全球氣溫上升等因素，發展新能源技術已成為我國經濟可持續發展迫切需要解決的問題。作為解決這些問題的一個手段，新能源汽車在近年得到充分發展，對於新能源汽車的改進和完善也成為了未來汽車工業的發展方向。
然而，在電動汽車的快速發展的同時，許多問題也一一出現。例如車載電池的能量密度難以與汽油相比，所以電動汽車就需要配備龐大笨重的電池組對車輛進行供能，有限的續航成為了電動汽車發展的一大制約因素。
無線充電技術是目前比較新穎的一種電能傳輸方式，它是以電磁場為媒介實現電能傳遞，與接觸式充電相比有著使用方便、安全、無觸點危險等優點。專利申請號為CN201510822026.9提出了一種分段發射式電動汽車在線動態無線供電系統。動態無線充電技術提供了一種減少電池容量、減輕車體重量的解決方案，可以提高能源的有效利用率，減少電動汽車的初始購置成本，可以解決目前無線充電技術仍存在例如傳輸距離短、距離增大時效率急劇下降等問題，然而，動態無線充電用於初期對於路面線圈的鋪設成本過高，對於環境要求苛刻等問題，目前也尚處於研究摸索階段，所以尚未進入市場。
基於專利申請號為CN201510822026.9而提出的動態調節無線充電系統的構想。本發明提出了一種設計簡單，控制可靠，低成本，安全性高，性能穩定的電動汽車動態調節無線充電裝置，為實現電動汽車的高效率動態無線充電控制提供一種解決方案。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種電動汽車動態調節無線充電系統及其控制方法，實現電動汽車在行駛過程中動態調節無線充電，通過傳感器收集信息，由單片機控制二級剪型升降機構，調節無線充電車載接收板與地面的氣隙，實現電動汽車在行駛過程中動態調節無線充電，提高無線充電效率。
本發明系統的技術方案是：一種電動汽車動態調節無線充電系統，包括信息採集單元、電子控制單元和執行單元；
所述信息採集單元包括：磁場傳感器、雷達傳感器、距離傳感器和OBD車速埠；磁場傳感器安裝在車底盤前部，用於採集行駛路面無線充電線圈電磁信息；雷達傳感器斜向下安裝在車底盤前部，用於檢測行駛路面是否存在障礙物；距離傳感器安裝在無線充電車載接收板下端，用於測量無線充電車載接收板與地面距離；磁場傳感器安裝在車底盤前部，用於採集行駛路面無線充電線圈電磁場信息；汽車車速通過OBD車速埠讀取；
所述電子控制單元以80C55單片機為主體，主要包括輸入模塊、運算模塊、充電控制模塊、避障模塊、升降控制模塊和輸出模塊；
所述輸入模塊用於接收信息採集單元提供的車速信號、各傳感器採集到的信號，並將原始信號信息傳遞給運算模塊；
所述運算模塊根據輸入模塊傳遞的各類信號，在單片機中算出行駛路面上的電磁場信息、是否有障礙物、無線充電車載接收板與地面距離，並將這些數據傳遞給充電控制模塊、升降控制模塊和避障模塊；
所述充電控制模塊根據運算模塊的計算的行駛路面上的電磁場信息，判斷是否駛入可動態無線充電區域，車載充電裝置是否開啟，並向升降控制模塊發出信號；
所述避障模塊根據運算模塊計算的車速、障礙物數據以及無線充電車載接收板與地面距離，確定避障方案：充電裝置何時升高及升高可用的最大時間；充電裝置何時下降再次減小無線充電氣隙提高無線充電效率，實現動態調節下高效率動態無線充電，並向升降控制模塊發出信號；
所述升降控制模塊根據充電控制模塊和避障模塊傳遞的信號，綜合分析決定升降機構是否工作，實現減小無線充電氣隙提高無線充電效率，並向輸出模塊發出控制指令；
所述輸出模塊將電子控制單元分析計算的綜合信息以單片機I/O埠電信號的形式傳輸到執行單元，實現電信號的控制；
所述執行單元用於實現充電線路的開閉和二級剪型升降機構的升降調節。
進一步，所述執行機構由充電線路開關和二級剪型升降機構組成，接收電子控制單元的指令完成相應動作；
所述充電線路開關是在單片機控制下，通過單片機I/O埠輸出電平信號在三級管的開關作用下控制繼電器，形成以繼電器控制無線充電設備的電路，執行指令；
所述二級剪型升降機構是由單片機控制下的電動推桿驅動的剪型升降結構組成，通過單片機I/O埠輸出高低電平的電信號在三級管的開關作用下控制繼電器，在繼電器控制下驅動電動推桿水平伸長或縮短，再由剪型機構將水平方向長度變化轉化為豎直運方向的高度變化，完成無線充電車載接收板的升降，實現動態調節。
進一步，當執行單元接收到指令時，單片機的I/O埠輸出高電平，在NPN三極體的作用下接通繼電器線圈電路，使繼電器具有磁效應吸合常開開關，接通外部執行電路；反之，單片機的I/O埠輸出低電平，在NPN三極體的作用下斷開繼電器線圈電路，繼電器吸合狀態下的常開開關斷開，從而斷開外部執行電路。外部執行電路開閉，完成相應的動作實現動態調節。
進一步，所述二級剪型升降機構的上端固定並安裝在車底盤上，二級剪型升降機構的下端連接無線充電車載接收板，上下端連接方式為右側採用固定鉸鏈，左側採用滑塊，並安裝在滑塊槽內，上端滑塊與固定鉸鏈之間用電動推桿連接。
本發明的方法的技術方案為：一種電動汽車動態調節無線充電系統控制方法，具體控制過程如下：
情況1，當電磁傳感器採集到車輛行駛路面有電磁信息，經過電子控制單元分析後判斷車輛即將進入無線充電區域，輸出模塊下達指令開啟充電設備；在傳感器檢測無障礙物時，下降二級剪型升降機構，使無線充電車載接收板靠近地面，通過減少一級線圈和二級線圈之間的間隙的方式提高無線充電的充電效率；
情況2，當傳感器採集到障礙物信息，經過電子控制單元分析後判斷有障礙物進入傳感器監測範圍內，電動推桿的速度為定值，升降機構上升的所需時間應為定值t，障礙物從被檢測處到無線充電車載接收板下方所經歷的時間為t1；升降機構至少要在時間t1內上升避障。得到指令後單片機的P21埠輸出高電平，KA1常開開關閉合，電機正轉電動推桿縮短，實現充電裝置上升從而避開障礙物；
情況3，當傳感器不再採集到障礙物信息，經過電子控制單元分析後判斷障礙物離開傳感器監測範圍，升降機構在確保障礙物遠離充電裝置後，即在障礙物信號消失時間t2後，保持單片機的P21埠輸出高電平不變，P22埠開始輸出高電平，KA2常開開關閉合，電機反轉電動推桿縮短，使充電裝置下降，躲避障礙物後再次減小無線充電接收板和一級線圈之間的氣隙提高無線充電效率；
情況4，當升降機構下降時，距離傳感器檢測到無線充電車載接收板與地面距離為h，預設一個安全距離h0，當h0＞h時，電動推桿繼續工作升降機構繼續下降；當h0≤h時，電動推桿立即停止工作並自鎖升降機構停止下降。車的載重不同、行車的顛簸等會對h造成改變，通過距離傳感器的上述調節實現對避障動態調節過程的修正控制，構成閉環控制系統；
情況5，當電磁傳感器採集不到車輛行駛路面有電磁信息或電磁信號較弱，經過電子控制單元分析後判斷車輛駛出無線充電區域，輸出模塊下達指令關閉充電設備，並升高二級剪型升降機構，抬升無線充電車載接收板。
進一步，所述情況2和情況3中避障過程動態調節的具體過程為：
當傳感器採集到障礙物信息時，說明檢測到有障礙物進入傳感器監測範圍內，升降機構立即上升避障，由於電動推桿的速度為定值，其上升的所需時間應為定值t，障礙物從被檢測處到無線充電車載接收板下方所經歷的時間為t≤t1；s0為雷達檢測區前端到車頭距離；s1為車頭到充電接收板前端的距離；v為車輛行駛速度；
當傳感器不再採集到障礙物信息時，說明障礙物離開傳感器範圍，升降機構在確保障礙物遠離充電裝置後，下降再次減小無線充電氣隙提高無線充電效率；設s2為充電裝置寬度，升降機構在障礙物信號消失時間後，再次下降；
由於車速過大時，升降機構動作時間短，故本發明研究的時中低速下的動態調節。
本發明的有益效果：
1.本發明的一種電動汽車動態調節無線充電裝置，通過傳感器實時監測車輛行駛的路面信息，對單片機進行反饋，由單片機控制充電設備的工作以及升降機構的升降。相比較申請號為CN201510822026.9提出了一種分段發射式電動汽車在線動態無線供電系統，通過升降機構的升降對無線充電進行調節可以在車輛行駛的過程中通過減少一級線圈和二級線圈之間的間隙的方式提高無線充電的充電效率，並且可以在提高效率的同時實時監控路面狀況，躲避障礙物，避免充電設備受到損；
2.相比較申請號為CN201510822026.9提出了一種分段發射式電動汽車在線動態無線供電系統通過車載定位裝置實時檢測當前行駛中的電動汽車的位置來控制系統工作的方法，本發明使用了磁場傳感器，在檢測到地面磁場時，發出充電指令，和車載定位裝置相比，這種方案準確性更高，可以在進入磁場前進行反應，所以效率也會有所提升；
3.當車輛行駛較慢，動態無線充電的時間就會延長，在相同的充電區域內充電量就會增多。現實中，高速公路收費站附近車輛行駛速度較慢，進行動態無線充電可行性強，但收費站附近減速帶較多，如果充電接收板一直以較高的位置通過(一級線圈和二級線圈之間的間隙較大)，可以安全通過但充電效率大幅下降。而本發明是動態調節的無線充電系統，在沒有減速帶的路段，降低充電接收板提高充電效率；在傳感器檢測到減速帶，通過計算抬高時間避開障礙。通過動態調節使充電效率提高。
附圖說明
圖1為本發明結構示意圖；
圖2為本發明二級剪型升降機構示意圖；
圖3為本發明電子控制示意圖；
圖4為本發明動態調節避障示意圖；
圖5為本發明一種單片機-繼電器-電機正反轉控制電路。
圖1中，1、電子控制單元；2、距離傳感器；3、雷達傳感器和電磁傳感器；4、蓄電池；5、二級剪型升降機構；6、路面無線充電區域(一級線圈)；
圖2中，601、滑塊槽和滑塊；602、電動推桿；603、固定鉸鏈；604、車底盤；605、無線充電車載接收板(二級線圈)；606、距離傳感器；
圖4中，s0為障礙物到車頭距離；s1為車頭到充電裝置前端的距離；s2為充電裝置寬度；v為車輛行駛速度；h為無線充電車載接收板到地面的距離；
圖5中，P21、P22是單片機的兩個I/O埠；KA1～4為繼電器；圖中三極體為NPN三極體；「電機」為直流電動機，是電動推桿的基質。
具體實施方式
下面結合附圖具體實施方式對本發明作進一步詳細說明，但本發明的保護範圍並不限於此。
圖1所示一種電動汽車動態調節無線充電系統，主要包括信息採集單元、電子控制單元1和執行單元。
所述電動汽車動態調節無線充電系統，雷達傳感器和磁場傳感器3安裝在車底盤前部；距離傳感器2安裝在無線充電車載接收板下端；電動機通過升降減震結構與充電線圈連接，安裝在車底盤中央；各傳感器和車速埠將收集到的信息，通過單片機程序的分析處理，以電信號的形式傳遞給二級剪型升降機構5，二級剪型升降機構5做出上升或下降的應答動作。由於安裝位置固定，充電裝置與車頭之間距離固定，雷達傳感器3接檢測障礙物的信號，經過單片機程序分析，判斷障礙物進入檢測區域或離開檢測區域。根據採集到的車速，經過單片機預設程序計算二級剪型升降機構5做出反應可用的最小時間。在安全時間內，提升無線充電車載接收板，避開障礙物；在障礙物遠離後，二級剪型升降機構5下降再次減小無線充電氣隙提高無線充電效率；由於車的載重不同、行車的顛簸等問題會對h造成改變，通過距離傳感器2調節實現對避障動態調節過程的修正，構成閉環控制系統；
圖2所示所述二級剪型升降機構，上端固定並安裝在車底盤604，下端連接無線充電車載接收板605，上下連接方式為右側採用固定鉸鏈603，左側採用滑塊601，並安裝在滑塊槽601內。上端滑塊與固定鉸鏈603之間連接電動推桿602，通過電動推桿602的伸長縮短改變此剪型機構橫向距離，從而改變縱向距離，當電動推桿602伸長時，橫向距離增大、縱向距離減小，剪型機構上升；當電動推桿602縮短時，橫向距離減小、縱向距離增大，剪型機構下降。通過調節電動推桿602自帶的最大行程限位，固定升降機構的上升最高位置；根據距離傳感器606檢測到無線充電車載接收板605與地面距離為h，當h0≤h時，電動推桿602停止工作並自鎖，升降機構下降到安全狀態下的最低位置。通過距離傳感器606的調節實現對避障動態調節過程的修正控制，構成閉環控制系統；
當升降機構下降時，距離傳感器606檢測到無線充電車載接收板605與地面距離為h，預設一個安全距離h0，當h0＞h時，電動推桿602繼續工作升降機構繼續下降；當h0≤h時，電動推桿602立即自鎖停止工作升降機構停止下降。車的載重不同、行車的顛簸等會對h造成改變，通過距離傳感器606的上述調節實現對避障動態調節過程的修正控制，構成閉環控制系統；
所述升降機構選用二級剪型機構，剪型機構節省車底有限空間；選用二級剪型機構優點在於調節相同的縱向距離時，二級剪型機構橫向距離的改變是一級剪型機構的一半。由於電動推桿602工作速度固定，橫向距離變化小，整體裝置應答速度提高，更易滿足升降機構動作的極限時間
所述二級剪型升降機構是由單片機控制下的電動推桿602驅動的剪型升降結構組成，通過單片機I/O埠輸出高低電平的電信號在三級管的開關作用下控制繼電器，在繼電器控制下驅動電動推桿602水平伸長或縮短，再由剪型機構將水平方向長度變化轉化為豎直運方向的長度變化，完成升降結構的升降，實現動態調節。
圖3所示所述信息採集單元包括：磁場傳感器、雷達傳感器、距離傳感器和OBD車速埠；所述磁場傳感器用於採集行駛路面無線充電線圈電磁信息；所述雷達傳感器用於檢測障礙物的信號；距離傳感器用於測量無線充電車載接收板與地面距離；車速埠用讀取當前車速；
所述電子控制單元由輸入模塊、運算模塊、充電控制模塊、升降控制模塊、避障模塊和輸出模塊構成；所述輸入模塊用於接收信息採集單元的信號，並將原始信號信息傳遞給運算模塊；所述運算模塊用於計算出車速、行駛路面上的信息，並將數據傳遞給充電控制模塊、升降控制模塊和避障模塊；所述充電控制模塊用於判斷車輛是否駛入可動態無線充電區域，決定是否開啟車載充電裝置；所述避障模塊用於做出避障動態調節的判斷；所述升降控制模塊用於做出升降機構具體升降情況的判斷，實現減小無線充電氣隙提高無線充電效率；所述輸出模塊將電子控制單元分析計算的綜合信息已單片機I/O埠電信號輸出到執行單元；
所述的執行機構由充電線路開關和二級剪型升降機構組成；所述充電線路開關用於控制無線充電設備的電路開閉；所述二級剪型升降機構用於充電設備升降，實現動態調節；
圖4所示避障過程動態調節相應計算公式：
當傳感器採集到障礙物信息，說明檢測到有障礙物進入傳感器範圍內，升降機構立即上升避障，由於電動推桿的速度為定值，其上升的所需時間應為定值t，障礙物從被檢測處到無線充電車載接收板下方所經歷的時間為t≤t1；
當傳感器不再採集到障礙物信息，說明障礙物離開傳感器範圍，升降機構在確保障礙物遠離充電裝置後，下降再次減小無線充電氣隙提高無線充電效率。升降機構在障礙物信號消失時間後，再次下降；
當升降機構下降時，距離傳感器檢測到無線充電車載接收板與地面距離為h，預設一個安全距離h0，當h0＞h時，電動推桿繼續工作升降機構繼續下降；當h0≤h時，電動推桿立即停止工作並自鎖升降機構停止下降。車的載重不同、行車的顛簸等會對h造成改變，通過距離傳感器的上述調節實現對避障動態調節過程的修正控制，構成閉環控制系統；
s0為雷達檢測區前端到車頭距離；s1為車頭到充電裝置前端的距離；s2為充電裝置寬度；v為車輛行駛速度；
需要說明的是：由於車速過大時，升降機構動作時間短，故本發明研究的時中低速下的動態調節。
圖5所示所述一種單片機-繼電器-電機正反轉控制電路，其中所述P21、P22是單片機的兩個I/O埠；所述KA1～4為繼電器；所述三極體為NPN三極體；所述「電機」為直流電動機，是電動推桿的本質。
所述單片機-繼電器-電機正反轉控制電路，當執行單元接收到充電裝置上升的指令時，單片機的P21埠輸出高電平，在NPN三極體的作用下接通繼電器KA1線圈電路，使繼電器具有磁效應吸合KA1常開開關，接通外部執行電路，使電機轉動，在電動推桿自身的減速、蝸杆轉換，使電動推桿縮短，實現充電裝置上升，此時P22埠輸出低電平，KA2常開開關斷開；當執行單元接收到充電裝置下降的指令時，保持單片機的P21埠輸出高電平不變，P22埠開始輸出高電平，在NPN三極體的作用下接通繼電器KA2線圈電路，使繼電器具有磁效應吸合KA2常開開關，使繼電器KA3、KA4線圈通電吸合常閉開關，使電機兩端電流方向改變，電機反轉電動推桿縮短，實現充電裝置下降。完成單片機通過繼電器對二級剪型升降機構的升降控制；
當電磁傳感器採集到車輛行駛路面有電磁信息，經過電子控制單元分析後判斷車輛即將進入無線充電區域，輸出模塊下達指令開啟充電設備；在傳感器檢測無障礙物時，下降二級剪型升降機構，使無線充電車載接收板靠近地面，減少一級線圈和二級線圈之間的間隙的方式提高無線充電的充電效率；具體的執行方式：
當執行單元接收到指令時，單片機的I/O埠輸出高電平，在NPN三極體的作用下接通繼電器KA線圈電路，使繼電器具有磁效應吸合常開開關，接通外部執行電路；反之，單片機的I/O埠輸出低電平，在NPN三極體的作用下斷開繼電器KA線圈電路，繼電器吸合狀態下的常開開關斷開，從而斷開外部執行電路。外部執行電路開閉，完成相應的動作實現動態調節；
當車輛行駛到無線充電的道路範圍內，信息採集單元採集電磁信號傳遞給電子控制單元，電子控制單元生成打開充電設備並下降無線充電車載接收板的指令，充電線路開關得到指令後開啟充電設備，二級剪型升降機構下降到預設的最低安全距離h0，最大程度減小無線充電氣隙，提高充電效率；當車輛行駛路面出現障礙物或不平整時，信息採集單元採集路面障礙信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元做出上升無線充電車載接收板的指令並計算抬升狀態保持時間，保證在最短的時間裡避開障礙物隨後再次降低無線充電車載接收板到預設的最低安全距離h0，進行高效率的充電。從而實現電動汽車在行駛過程中動態調節無線充電，提高無線充電效率。由於車的載重不同、行車的顛簸等問題會對h造成改變，通過距離傳感器調節實現對避障動態調節過程的修正控制，構成閉環控制系統；當車輛駛出無線充電道路範圍時，電磁傳感器採集不到車輛行駛路面有電磁信息或電磁信號較弱，輸出模塊下達指令關閉充電設備，並升高二級剪型升降機構，抬升無線充電車載接收板。
一種電動汽車動態調節無線充電系統及其控制方法的具體控制方法如下：
當電磁傳感器採集到車輛行駛路面有電磁信息，經過電子控制單元分析後判斷車輛即將進入無線充電區域，輸出模塊下達指令開啟充電設備；在傳感器檢測無障礙物時，下降二級剪型升降機構，使無線充電車載接收板靠近地面，減少一級線圈和二級線圈之間的間隙的方式提高無線充電的充電效率；
當傳感器採集到障礙物信息，經過電子控制單元分析後判斷有障礙物進入傳感器範圍內，s0為雷達檢測區前端到車頭距離，電動推桿的速度為定值，升降機構上升的所需時間應為定值t，障礙物從被檢測處到無線充電車載接收板下方所經歷的時間為t≤t1；升降機構至少要在時間內上升避障。得到指令後單片機的P21埠輸出高電平，KA1常開開關閉合，電機正轉電動推桿縮短，實現充電裝置上升從而避開障礙物；
當傳感器不再採集到障礙物信息，經過電子控制單元分析後判斷障礙物離開傳感器範圍，升降機構在確保障礙物遠離充電裝置後，即在障礙物信號消失時間後，保持單片機的P21埠輸出高電平不變，P22埠開始輸出高電平，KA2常開開關閉合，電機反轉電動推桿縮短，使充電裝置下降，躲避障礙物後再次減小無線充電氣隙提高無線充電效率；
當升降機構下降時，距離傳感器檢測到無線充電車載接收板與地面距離為h，預設一個安全距離h0，當h0＞h時，電動推桿繼續工作升降機構繼續下降；當h0≤h時，電動推桿立即停止工作並自鎖升降機構停止下降。車的載重不同、行車的顛簸等會對h造成改變，通過距離傳感器的上述調節實現對避障動態調節過程的修正控制，構成閉環控制系統；
當電磁傳感器採集不到車輛行駛路面有電磁信息或電磁信號較弱，經過電子控制單元分析後判斷車輛駛出無線充電區域，輸出模塊下達指令關閉充電設備，並升高二級剪型升降機構，抬升無線充電車載接收板。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示意性實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解：在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。