CN109383314A - 一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***及方法，包括地下凹坑层、并联机构、收藏覆盖装置、地面层、初级线圈、次级线圈和电动汽车。并联机构固定于地下凹坑层，初级线圈放置于并联机构上方。收藏覆盖装置与地面平行，能够水平移动，实现对无线充电发射出口的开闭。次级线圈固定于电动汽车后方下侧。当汽车停在充电装置上方，收藏覆盖装置开启，初级线圈在并联机构作用下，自动对准次级线圈。当充电完毕，初级线圈在并联机构作用下，收藏到地面以下，收藏覆盖装置将发射出口关闭。本发明能够自动实现电动汽车无线充电过程的收藏和纠偏，有效提高电动汽车无线充电效率，使充电过程更加便捷。

Description

一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***及方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***及方法。

背景技术

以雾霾为代表的空气污染日益严峻，作为空气污染的重要来源，燃油汽车产生的尾气排放问题是亟待解决的技术难题。电动汽车无需消耗燃油，可实现零排放，能够有效降低空气污染来源，是未来汽车发展的必然趋势。当前电动汽车受到电池技术的限制，电动汽车续航里程往往不大，时常需要频繁充电。传统有线充电技术充电过程往往需要拖拽电缆，充电插口极易产生电火花，在雨雪等天气下有漏电风险，有线充电方式充电过程较为繁杂且安全性不高。

以感应耦合式充电技术为代表的电动汽车无线充电解决方案，能够有效避免传统有线充电过程中遇到的各种难题，使电动汽车充电过程变得更加安全、高效和便捷。感应耦合式充电技术需要借助分离式变压器初、次级线圈之间的电磁场进行能量传输，因此，合理的分离式变压器初、次级线圈之间的气隙是影响充电效率的关键因素。同时，在按照电动汽车需求设计初、次级线圈以及充电***初、次级电路结构情况下，电路中的电感和电容均依据特定充电气隙计算得到，且已设置到充电电路中。然而实际使用中，电动汽车采用直接停靠方式进行充电时，受到车辆载重、停靠偏差等因素的影响，初、次级线圈之间往往存在方位和角度的偏差，使两侧之间的气隙往往无法达到预设值。实际情况下，电动汽车充电***中的电器元件往往无法实时更换，不仅大大降低电动汽车无线充电效率，而且充电过程的发热和漏电等安全性问题也逐渐凸显。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术缺陷，提供一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***及方法，目的是使电动汽车在感应耦合充电方式下，具有较好的安全性和较高的充电效率。

具体地，本发明提供一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***，其包括地下凹坑层、并联机构组件、收藏覆盖装置、线圈位姿识别装置、地面层、充电***以及电动汽车，

所述地下凹坑层设置在所述地面层下方，所述电动汽车放置于所述地面层上，所述并联机构组件包括定平台、动平台以及连接所述定平台和动平台的并联机构，所述定平台固定在所述地下凹坑层上，所述并联机构为多自由度并联机构，

所述充电***包括充电装置、初级线圈和次级线圈，所述初级线圈放置于所述动平台上并能够跟随所述动平台移动或旋转，所述次级线圈固定于所述电动汽车的底盘后方，

所述收藏覆盖装置放置于所述地面层下方，所述收藏覆盖装置的配置用于打开或覆盖所述电动汽车的充电出口，

所述线圈位姿识别装置包括双目摄像头、靶标、控制单元以及数据分析单元，所述双目摄像头放置于所述动平台上方，所述靶标位于所述次级线圈的表面，所述数据分析单元用于将所述双目摄像头采集到的所述次级线圈位置进行数据分析和计算并与所述控制单元进行通讯并输出并联机构移动副需要移动的长度，所述控制单元用于根据所述数据分析单元上传的并联机构移动副需要移动的长度对并联机构移动副进行驱动。

优选地，所述初级线圈与所述次级线圈均为圆环状。

优选地，所述并联机构为六自由度并联机构，所述六自由度并联机构包括六个支链以及六个驱动电机，每个支链均通过运动副连接。

优选地，所述地下凹坑层到地面层的距离大于所述并联机构放置初级线圈后的高度。

优选地，所述初级线圈用于将无线充电装置提供的高频电流转换为高频磁场，所述次级线圈用于捕获所述初级线圈发出的高频磁场，并转换为高频电流，之后通过充电装置为电动车电池充电。

优选地，本发明还提供一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电方法，其包括以下步骤：

S1、检测到电动汽车停靠信号，所述收藏覆盖装置在其驱动机构的驱动下打开所述电动汽车的充电出口；

S2、当电动汽车停靠于充电装置上方，利用所述双目摄像头识别位于所述次级线圈上的靶标，获得次级线圈的位置和姿态信息，

次级线圈的位置和姿态信息采用位姿矩阵可以表示为其中R₀为表示次级线圈姿态的3×3旋转矩阵，p₀＝(a,b,c)′表示次级线圈相对初始坐标系位置的三维矢量；

S3、将识别得到的所述次级线圈位置和姿态信息传输到数据分析单元，计算得到当前状态下电动汽车所述次级线圈相对所述初级线圈的位置和姿态信息，将识别得到的所述次级线圈位置和姿态信息与电动汽车充电***最优充电距离进行对比，解算得到初级线圈的位置和姿态信息，通过运动学反解运算得到所述并联机构移动副需要移动的长度；

S4、控制单元根据数据分析单元解算得到的所述并联机构移动副移动距离l_i(i＝1,2,…6)，驱动并联机构的六个驱动电机进行移动，使所述初级线圈轴线与所述次级线圈轴线对齐，且所述初级线圈与所述次级线圈距离达到无线充电***充电预设距离h；

S5、检测到充电完毕信号，电机驱动移动副移动到初始位置，所述初级线圈随所述并动平台移动到所述收藏覆盖装置下方，所述收藏覆盖装置将所述电动汽车的充电出口覆盖。

优选地，步骤S2中3×3旋转矩阵的具体计算方法为：

利用ZYX欧拉角表示坐标系姿态转换关系，坐标系B的初始方位与坐标系O相同，首先使坐标系B绕Z轴转α角，然后绕Y轴转β角，最后绕X轴转γ角，得到的3×3旋转矩阵

优选地，步骤S3具体包括以下步骤：

S31、将识别得到的表示所述次级线圈位置和姿态的齐次矩阵P₀传输到数据分析单元，其中，初级线圈目标位置相对次级线圈位置坐标矢量表示为p₁＝(0,0,-h)′，h表示无线充电***初级线圈和次级线圈间的预设充电距离；

S32、使初级线圈目标姿态与次级线圈姿态保持一致，即初级线圈目标姿态与次级线圈姿态转换矩阵均为R₁＝E，E为3×3单位矩阵，初级线圈目标位姿与次级线圈位姿的齐次变换关系为在预设充电距离h下，初级线圈坐标系A相对坐标系O的目标位姿可以表示为P₂＝P₀T₁；

S33、通过矢量关系计算得到所述并联机构各移动副需要移动的长度，移动副的三维矢量L_i＝c_i-C_i(i＝1,2,…6)，移动副的伸长量为l_i＝|L_i|(i＝1,2,…6)，其中c_i为上平台各铰点在O系下位置的三维矢量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明是一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***及方法，在电动汽车充电过程中能够实现初、次级线圈之间的纠偏，可以有效提高无线充电传输效率；在未充电以及雨雪等潮湿天气下还能够收藏于地面以下，可以保证充电过程的安全。

2、本发明中的电动汽车无线充电纠偏和收藏装置采用并联机构组件作为初级线圈的支撑机构，并联机构组件具有承载能力大、精度高、结构简单、易于控制等优点，初级线圈可随并联机构动平台到达空间任意位姿，能够满足电动汽车次级线圈发生空间位姿偏移时对齐要求。

3、本发明中的电动汽车无线充电自动收藏和纠偏方法，可使电动汽车在无线充电过程中，自动进行初级线圈和次级线圈的对齐，且使两者气隙达到无线充电最优间隙值，较少漏磁磁通，有效提高充电效率。

附图说明

图1是本发明一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***结构示意图；

图2是本发明的电动汽车无线充电收藏状态示意图；

图3是本发明的电动汽车无线充电空间一般位形纠偏示意图；

图4本发明实施例所述的一种电动汽车无线充电装置自动对准方法的流程示意图；

图5为本发明的线圈位姿识别装置的结构示意框图；

图6为本发明基于并联机构组件的无线充电线圈对准前状态示意图；

图7为本发明基于并联机构组件的无线充电线圈对准后状态示意图；

图8为本发明的ZYX欧拉角坐标转换关系示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

具体地，本发明提供一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***，如图1至图3所示，其包括地下凹坑层1、并联机构组件2、收藏覆盖装置3、线圈位姿识别装置、地面层4、充电***以及电动汽车7。

地下凹坑层1设置在地面层4的下方，电动汽车7放置于地面层4上，并联机构组件2包括定平台21、动平台22以及连接定平台和动平台的并联机构23，定平台21固定在地下凹坑层1上，并联机构23为多自由度并联机构。

充电***包括充电装置、初级线圈5和次级线圈6，初级线圈5放置于动平台22上并能够跟随动平台22移动或旋转，次级线圈6固定于电动汽车7的底盘后方。

如图5所示，线圈位姿识别装置包括双目摄像头101、靶标102、控制单元103以及数据分析单元104，双目摄像头101放置于动平台22上方，靶标102位于次级线圈6的表面，数据分析单元104用于将双目摄像头101采集到的次级线圈6位置进行数据分析和计算并与控制单元103进行通讯并输出并联机构移动副需要移动的长度，控制单元103用于根据数据分析单元上传的并联机构移动副需要移动的长度对并联机构移动副进行驱动。

如图1及图2所示，地下凹陷层1位于地面层4以下，用于放置本实施例的并联机构组件2，本实施中并联机构组件2为6-UPU并联机构，地下凹陷层1到地面层4的距离应大于6-UPU并联机构2携带初级线圈5收藏后的高度，同时6-UPU并联机构携带初级线圈5能够接近不同型号汽车底盘。

6-UPU并联机构为六自由度并联机构，机构定平台固定于地下凹陷层1，保持机构的稳定，通过相同的六个支链连接定平台和动平台，每个支链均通过UPU运动副连接。6-UPU并联机构具有并联机构承载能力大、结构简单、控制便捷等优点，在可达工作空间内动平台能够到达空间任意位姿。通过6-UPU并联机构驱动装置的同步收缩作用，可将电动汽车无线充电装置收缩到地面层2以下。

初级线圈5呈圆环状，放置于并联机构组件2的动平台上方，可跟随动平台进行移动和转动，在一定范围内可达到空间任意位姿；初级线圈5可将无线充电装置提供的高频电流转换为高频磁场，起到能量发射的作用。

次级线圈6呈圆环状，固定于电动汽车7底盘后方，次级线圈6可捕获初级线圈5发出的高频磁场，并转换为高频电流，再通过整流逆变等装置为电动车电池充电，次级线圈6起到能量接收的作用。

收藏覆盖装置3放置于地面层4下方，在未充电状态下以及雨雪等潮湿天气下，收藏覆盖装置3在驱动装置作用下将充电出口覆盖；在充电状态下，收藏覆盖装置3在驱动装置作用下将充电出口打开。

优选地，并联机构23为六自由度并联机构，六自由度并联机构包括六个支链231以及六个驱动电机，每个支链均通过运动副连接。

优选地，地下凹坑层1到地面层4的距离大于并联机构放置初级线圈后的高度。

优选地，初级线圈5用于将无线充电装置提供的高频电流转换为高频磁场，次级线圈6用于捕获初级线圈发出的高频磁场，并转换为高频电流，之后通过充电装置为电动车电池充电。

优选地，本发明还提供一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电方法，如图4所示，其包括以下步骤：

S1、检测到电动汽车停靠信号，收藏覆盖装置在其驱动机构的驱动下打开电动汽车的充电出口。

S2、当电动汽车停靠于充电装置上方，利用双目摄像头识别位于次级线圈上的靶标，获得次级线圈的位置和姿态信息，采用位姿矩阵可以表示为其中R₀为表示次级线圈姿态的3×3旋转矩阵，p₀＝(a,b,c)′表示次级线圈相对初始坐标系位置的三维矢量。采用如图8所示ZYX欧拉角表示坐标系姿态转换关系，坐标系B的初始方位与坐标系O相同，首先使坐标系B绕Z轴转α角，然后绕Y轴转β角，最后绕X轴转γ角，得到的3×3旋转矩阵

S3、将识别得到的表示次级线圈位置和姿态的齐次矩阵P₀传输到数据分析单元，如图6所示，h表示无线充电***初级线圈和次级线圈间的预设充电距离，在坐标系B中，初级线圈目标位置相对次级线圈位置坐标矢量表示为p₁＝(0,0,-h)′，初级线圈目标姿态与次级线圈姿态保持一致，即初级线圈目标姿态与次级线圈姿态转换矩阵为R₁＝E，E为3×3单位矩阵，初级线圈目标位姿与次级线圈位姿齐次变换关系为在预设充电距离h下，初级线圈坐标系A相对坐标系O的目标位姿可以表示为P₂＝P₀T₁。通过运动学反解运算得到并联机构各移动副需要移动的长度。如图7所示，已知上平台铰点在坐标系A中位置的三维矢量R₀为前述坐标系B与固定坐标系O转换矩阵，p1为前述初级线圈目标位置相对初级线圈坐标矢量，c_i为上平台各铰点在O系下位置的三维矢量，可以表示为已知下平台各铰点在坐标系O中位置的三维矢量C_i(i＝1,2,…6)，根据三角矢量关系，移动副的三维矢量L_i＝c_i-C_i(i＝1,2,…6)，移动副的伸长量为l_i＝|L_i|(i＝1,2,…6)。

最优充电距离指电动汽车无线充电***的初级侧和次级侧电路结构中的电感值和电容值均依据特定充电间隙(充电距离)计算得到。进行电动汽车无线充电时，无线充电***电路各项元件参数均已经设定到电路中。在这种状况下，初级线圈和次级线圈之间距离等于上述充电间隙值时，充电效率达到最优。

S4、控制单元根据数据分析单元解算得到的并联机构移动副移动距离l_i(i＝1,2,…6)，驱动并联机构的六个驱动电机进行移动，使初级线圈轴线与次级线圈轴线对齐，且初级线圈与次级线圈距离达到无线充电***充电预设距离h。

S5、检测到充电完毕信号，电机驱动移动副移动到初始位置，初级线圈随并动平台移动到收藏覆盖装置下方，收藏覆盖装置将所述电动汽车的充电出口覆盖。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明是一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***及方法，在电动汽车充电过程中能够实现初、次级线圈之间的纠偏，可以有效提高无线充电传输效率；在未充电以及雨雪等潮湿天气下还能够收藏于地面以下，可以保证充电过程的安全。

2、本发明中的电动汽车无线充电纠偏和收藏装置采用6-UPU并联机构作为初级线圈的支撑机构，6-UPU并联机构具有承载能力大、精度高、结构简单、易于控制等优点，初级线圈可随并联机构动平台到达空间任意位姿，能够满足电动汽车次级线圈发生空间位姿偏移时对齐要求。

3、本发明中的电动汽车无线充电自动收藏和纠偏方法，可使电动汽车在无线充电过程中，自动进行初级线圈和次级线圈的对齐，且使两者气隙达到无线充电最优间隙值，较少漏磁磁通，有效提高充电效率。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***，其特征在于：其包括地下凹坑层、并联机构组件、收藏覆盖装置、线圈位姿识别装置、地面层、充电***以及电动汽车，

所述地下凹坑层设置在所述地面层下方，所述电动汽车放置于所述地面层上，所述并联机构组件包括定平台、动平台以及连接所述定平台和动平台的并联机构，所述定平台固定在所述地下凹坑层上，所述并联机构为多自由度并联机构，

所述充电***包括充电装置、初级线圈和次级线圈，所述初级线圈放置于所述动平台上并能够跟随所述动平台移动或旋转，所述次级线圈固定于所述电动汽车的底盘后方，

所述收藏覆盖装置放置于所述地面层下方，所述收藏覆盖装置的配置用于打开或覆盖所述电动汽车的充电出口，

所述线圈位姿识别装置包括双目摄像头、靶标、控制单元以及数据分析单元，所述双目摄像头放置于所述动平台上方，所述靶标位于所述次级线圈的表面，所述数据分析单元用于将所述双目摄像头采集到的所述次级线圈位置进行数据分析和计算并与所述控制单元进行通讯并输出并联机构移动副需要移动的长度，所述控制单元用于根据所述数据分析单元上传的并联机构移动副需要移动的长度对并联机构移动副进行驱动。

2.根据权利要求1所述的具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***，其特征在于：所述初级线圈与所述次级线圈均为圆环状。

3.根据权利要求1所述的具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***，其特征在于：所述并联机构为六自由度并联机构，所述六自由度并联机构包括六个支链以及六个驱动电机，每个支链均通过运动副连接。

4.根据权利要求1所述的具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***，其特征在于：所述地下凹坑层到地面层的距离大于所述并联机构放置初级线圈后的高度。

5.根据权利要求1所述的具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***，其特征在于：所述初级线圈用于将无线充电装置提供的高频电流转换为高频磁场，所述次级线圈用于捕获所述初级线圈发出的高频磁场，并转换为高频电流，之后通过充电装置为电动车电池充电。

6.一种根据权利要求1所述的具有收藏和纠偏功能的电动汽车无线充电***进行充电的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、检测到电动汽车停靠信号，所述收藏覆盖装置在其驱动机构的驱动下打开所述电动汽车的充电出口；

S2、当电动汽车停靠于充电装置上方，利用所述双目摄像头识别位于所述次级线圈上的靶标，获得次级线圈的位置和姿态信息；

次级线圈的位置和姿态信息采用位姿矩阵可以表示为其中R₀为表示次级线圈姿态的3×3旋转矩阵，p₀＝(a,b,c)′表示次级线圈相对初始坐标系位置的三维矢量；

S3、将识别得到的所述次级线圈位置和姿态信息传输到数据分析单元，计算得到当前状态下电动汽车所述次级线圈相对所述初级线圈的位置和姿态信息，将识别得到的所述次级线圈位置和姿态信息与电动汽车充电***最优充电距离进行对比，解算得到初级线圈的位置和姿态信息，通过运动学反解运算得到所述并联机构移动副需要移动的长度；

S4、控制单元根据数据分析单元解算得到的所述并联机构移动副移动距离l_i(i＝1,2,…6)，驱动并联机构的六个驱动电机进行移动，使所述初级线圈轴线与所述次级线圈轴线对齐，且所述初级线圈与所述次级线圈距离达到无线充电***充电预设距离h；

S5、检测到充电完毕信号，电机驱动移动副移动到初始位置，所述初级线圈随所述并动平台移动到所述收藏覆盖装置下方，所述收藏覆盖装置将所述电动汽车的充电出口覆盖。

7.根据权利要求6所述的充电方法，其特征在于：步骤S2中3×3旋转矩阵的具体计算方法为：

利用ZYX欧拉角表示坐标系姿态转换关系，坐标系B的初始方位与坐标系O相同，首先使坐标系B绕Z轴转α角，然后绕Y轴转β角，最后绕X轴转γ角，得到的3×3旋转矩阵

8.根据权利要求6所述的充电方法，其特征在于：步骤S3具体包括以下步骤：

S31、将识别得到的表示所述次级线圈位置和姿态的齐次矩阵P₀传输到数据分析单元，其中，初级线圈目标位置相对次级线圈位置坐标矢量表示为p₁＝(0,0,-h)′，h表示无线充电***初级线圈和次级线圈间的预设充电距离；

S32、使初级线圈目标姿态与次级线圈姿态保持一致，即初级线圈目标姿态与次级线圈姿态转换矩阵均为R₁＝E，E为3×3单位矩阵，初级线圈目标位姿与次级线圈位姿的齐次变换关系为在预设充电距离h下，初级线圈坐标系A相对坐标系O的目标位姿可以表示为P₂＝P₀T₁；

S33、通过矢量关系计算得到所述并联机构各移动副需要移动的长度，移动副的三维矢量L_i＝c_i-C_i(i＝1,2,…6)，移动副的伸长量为l_i＝|L_i|(i＝1,2,…6)，其中c_i为上平台各铰点在O系下位置的三维矢量。