CN110435451A - 一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器及其控制方法，包括发射板以及外壳，所述发射板与所述外壳之间设有可调节发射板与外壳距离的升降机构。本发明通过调节发射线圈与接收线圈的间距，进而调节电池充电电流的大小，提高***的传输效率，丝杠以及位移引导机构确保发射板的位移稳定性，采用伺服电机，保证了位移的迅速以及位移距离的精确。

Description

一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器及其控制 方法
技术领域
本发明涉及一种无线充电方法，尤其是涉及一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器及其控制方法。
背景技术
随着无线充电技术的发展，无线充电的电动汽车正在走向商业化，电动汽车无线充电器已经成为研究的热点。目前电动汽车的动力电池大多采用锂电池，而锂电池对充电器的基本要求是特定的充电电流和充电电压，从而保证电池安全充电。锂电池的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电(低压预充)、恒流充电、恒压充电以及充电终止。在涓流充电和恒流充电阶段，充电电流均是恒定的；而在恒压充电阶段，要求充电电压不变，充电电流逐渐减小，一般认为充电电流下降至0.01C时充电结束。
针对采用发射端和接收端均采用补偿电容与电感串联的补偿结构的无线充电器，其接收端电池的充电电流与发射端的输入电压、发射线圈与接收线圈的互感值以及***谐振频率有关，具体可通过下式表示
其中，U1是只考虑一次谐波时发射端的输入电压；I2是只考虑一次谐波时电池的充电电流；M是发射线圈与接收线圈的互感值；ω是***谐振频率。
目前的电动汽车无线充电器为了满足锂电池对充电器的基本要求，在恒流充电阶段，只要保持参数U1、M和ω不变，充电电流I2即不变；而在进入恒压充电阶段时，一般通过无线充电器的控制模块减小发射端的输入电压来降低充电电流。但是，减小发射端输入电压将会在一定程度上降低***的能量传输效率，导致过多的能量损耗。
发明内容
本发明是为了克服现有技术调节发射端输入电压导致无线充电***的传输效率降低的问题，提供一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器及其控制方法，提高***的传输效率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，包括发射板、接收板、升降机构、距离传感器、电压传感器、电流传感器、无线通信模块、外壳和控制器，所述接收板安装在电动汽车底盘下方并与电动汽车电池包充电端连接，所述外壳上表面设有用于容纳所述升降机构的腔，所述升降机构安装在所述腔内，所述发射板安装在升降机构上，所述距离传感器安装在发射板上，所述距离传感器检测发射板与其上方物体的距离，所述电压传感器、电流传感器以及无线通信模块均安装在接收板上，所述电压传感器检测电动汽车电池包两端的电压，所述电流传感器检测接收板内的接收线圈的输出电流，所述无线通信模块与控制器建立通信连接，所述升降机构以及距离传感器均与控制器连接。
作为优选，所述升降机构包括驱动电机、减速齿轮箱、丝杠、位移引导机构和支撑板，所述驱动电机以及位移引导机构与外壳固定连接，所述驱动电机通过减速齿轮箱与所述丝杠传动连接，所述支撑板与位移引导机构滑动连接，所述丝杠第二端与外壳转动连接，所述丝杠第一端与支撑板螺纹连接。丝杠用于将驱动电机的转动转换为支撑板的移动，位移引导机构对支撑板起约束作用，避免支撑板在移动的同时，随着丝杠旋转。嵌入腔能够在无线充电器不工作时，将支撑板以及发射板收入其中。同时嵌入腔整体凹陷在外壳端面，相对于支撑板而言，嵌入腔的底端面为其位移极点，凹陷设计使得支撑板在移动过程中不需要过多的伸出外壳，保护了升降机构。
作为优选，所述支撑板设有至少两个用于固定所述发射板的卡爪，两个所述卡爪位于发射板的两侧。卡爪相对设置在发射板的两侧，两侧为发射板的拆装通道，使用卡爪设计，可以在保证发射板与支撑板连接牢固的同时，方便两者之间的拆装。
作为优选，所述驱动电机通过固定支架与外壳连接。固定支架配合驱动电机的尺寸通过紧固螺栓与外壳固定连接，保证了驱动电机的稳固性，同时方便拆装。
作为优选，所述位移引导机构包括滑轨和滑块，所述滑轨设置在嵌入腔的内壁，所述滑轨延伸方向与丝杆的轴心平行，所述支撑板上固定安装设有与所述滑轨卡接的滑块。滑轨与丝杠平行，主要对支撑板起约束作用，支撑板的滑块与嵌入腔内壁的滑轨配合，使得支撑板在平移过程中不会随丝杠旋转。同时支撑板在嵌入腔内移动过程中，支撑板与嵌入腔内壁会产生摩擦或者配合间隙的晃动，影响升降机构的稳定性，现使用滑轨消除了两者之间的摩擦与配合间隙，改善了工作效果。
作为优选，所述位移引导机构为滑杆和滑套，所述滑杆与所述支撑板固定连接，所述滑套与外壳固定连接，所述滑杆延伸方向与丝杆的轴心平行，所述滑杆与滑套滑动连接。滑杆主要对支撑板起约束作用，滑杆与滑套的配合，使得支撑板在平移过程中不会随丝杠旋转。
作为优选，所述驱动电机为伺服电机。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制***中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
作为优选，所述升降机构包括弹簧和可控开关，所述弹簧安装在外壳和发射板之间，所述弹簧两端分别与外壳和发射板固定连接，所述弹簧收缩时使发射板上升，所述弹簧第一端通过可控开关与发射板的供电电源第一端连接，所述弹簧第二端与发射板的供电电源第二端连接。弹簧通电后收缩，带动发射板靠近接收板，使用弹簧作为动力件，避免使用价格昂贵、结构复杂且需要润滑及维护的电动机，能够极大的简化装置，降低制造成本。
作为优选，所述升降机构还包括柱塞、气缸和电磁阀，所述柱塞与发射板底部固定连接，所述气缸固定安装在外壳的腔的底部且开口向上，所述柱塞***所述气缸并形成气密连接，所述电磁阀与气缸连通，所述可控开关以及电磁阀的控制端均与控制器连接。当弹簧通电带动发射板上升时，电磁阀打开，空气进入气缸，而后电磁阀关闭，弹簧断电，此时柱塞挤压气缸内的空气，使发射板保持一定的高度，但由于空气的可压缩性，弹簧带动发射板上升时应有一定的补偿量，补偿空气被压缩导致的下降量。
一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器的控制方法，适用于如前述的一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，包括以下步骤：步骤一、电动汽车停泊在充电区域，并使接收板基本位于发射板正上方，此时，升降机构不工作，发射板位于外壳腔内，控制器控制发射板以预设的发射线圈电压以及谐振频率工作，进行恒流充电；步骤二、当电动汽车电池包两端的电压达到设定阈值时，控制器周期性读取电流传感器的检测电流值，若检测电流值大于预设的第一阈值，则控制器控制升降机构带动发射板靠近接收板，直到电流传感器的检测电流值小于预设的第二阈值或者发射板达到与接收板的最近距离，所述第二阈值略小于第一阈值，若发射板已达到与接收板的最近距离且检测电流值大于预设的第一阈值，则减小发射板的发射线圈两端的电压，直到检测电流值小于预设的第二阈值；步骤三、若电流小于或等于预设的第三阈值，则停止充电，控制器控制升降机构带动发射板复位，完成充电。
目前的研究表明，对于采用发射端和接收端均采用补偿电容与电感串联的补偿结构的无线充电器，电池的充电电流与发射线圈和接收线圈的互感值近似成反比，而且发射线圈与接收线圈的互感值随着发射线圈与接收线圈的间距减小而增大。因此，减小发射线圈与接收线圈的间距便可以减小电池的充电电流，满足电池对恒压充电阶段的充电电流的要求。
当电动汽车需要充电时，电动汽车带动无线充电器接收板向无线充电器发射板靠近。为保证较高的充电效率，应尽可能使无线充电器接收板与发射板平行且对齐。无线充电器启动，在恒流充电阶段，升降机构不工作，发射板的位置保持不变，同时保证发射端输出电压以及***谐振频率不变，进行无线充电；当电动汽车电池包两端的电压达到设定阈值，进入恒压充电阶段时，升降机构开始动作，发射板通过该升降机构向接收板靠近，发射线圈与接收线圈的间距减小，发射线圈与接收线圈的互感值增大，电池的充电电流减小。此时，如果充电电流小于或者等于0.01C，则认为充电完成，该无线充电器停止充电，升降机构带动发射板复位，至此充电过程完成。因此预设的第三阈值应为0.01C。如果充电电流仍大于0.01C，判断发射线圈与接收线圈的间距是否达到最小，若间距未达到最小值，则升降机构继续带动发射板向接收板靠近以减小间距，特别地，如果此时发射线圈与接收线圈的间距已经达到最小值，则采用调节发射端输入电压U1的方法进一步降低充电电流，直至充电电流小于或者等于0.01C时，停止充电。为避免升降机构抖动，预设的第一阈值大于0.01C，预设的第二阈值略小于第一阈值，但仍大于0.01C。
因此，本发明具有如下有益效果：(1)通过调节发射线圈与接收线圈的间距，进而调节充电电流的大小，提高***的传输效率；(2)丝杠以及位移引导机构确保发射板的位移稳定性；(3)采用伺服电机，保证了位移的迅速以及位移距离的精确。
附图说明
图1是本发明充电状态示意图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明发射板收回示意图。
图中：1、电动汽车，2、接收板，3、发射板，4、外壳，5、伺服电机，6、固定支架，7、减速齿轮箱，8、丝杠，9、嵌入腔，10、支撑板，11、滑轨，12、滑块，13、卡爪。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
实施例1
如图1所示的实施例中，一种可自动调节线圈间距的无线充电器，发射板3通过卡爪13固定在支撑板10上，支撑板10另一端通过固定件连接有丝杠8，丝杠8与伺服电机5之间通过减速齿轮箱7实现传动，伺服电机5外部设有固定支架6，固定支架6通过紧固螺栓连接在外壳4内壁上，在外壳4靠近支撑板10的端面上设有嵌入腔9，嵌入腔9的尺寸能够收入支撑板10，嵌入腔9的底端面上设有通孔用以通过丝杠8。支撑板10的位移引导机构为滑轨11结构，在嵌入腔9的内壁设置有四道滑轨11，支撑板10侧端面相应位置设有滑块12，滑块12与滑轨11卡接配合实现支撑板10的定向滑动。
该无线充电器的控制方法为：当电动汽车1需要充电时，电动汽车1带动无线充电器接收板2向无线充电器发射板3靠近并尽可能与之对齐。推荐在接收板2和发射板3之间安装光电传感器和报警器，当接收板2和发射板3未对齐时，报警器发出报警，提示未对齐，该技术内容非本实施例的必要内容，且使用光电传感器与报警器连接，并用于对齐为本领域所常用，具体电路结构不做赘述。本实施例也可以采用其他现有技术中存在的对齐提示方式。如果此时电池的电压低于终止电压，则先进行恒流充电，此时，升降机构不工作，丝杠8处于收缩状态，发射板3完全嵌入在嵌入腔9里面。当电池电压达到充电终止电压，进入恒压充电阶段时，通过无线充电器与电动汽车1之间的通信，无线充电器的控制器将向伺服电机5发出控制信号，伺服电机5根据收到的信号转动，通过减速齿轮箱7的传动驱动丝杠8转动，最终在固定件内与丝杠8配合的螺母作用下，带动支撑板10进行平移，在滑轨11滑块12的约束下，此时支撑板10带动发射板3向接收板2靠近，根据相应的控制信号调整发射线圈与接收线圈的间距，以增大发射线圈与接收线圈的互感值，减小充电电流。此时，如果充电电流小于或者等于0.01C，则认为充电完成，该无线充电器停止充电，丝杠8带动发射板3复位，至此充电过程完成。如果充电电流仍大于0.01C，判断发射线圈与接收线圈的间距是否达到最小值，若间距未达到最小值，则丝杠8继续带动发射板3减小与接收板2的间距，特别地，如果此时发射线圈与接收线圈的间距已经达到最小值，则采用调节发射端输入电压U1的方法进一步降低充电电流，直至充电电流小于或者等于0.01C时，停止充电。相比全程采用调节发射端输入电压U1的方法调节充电电流，本发明采用调节发射线圈与接收线圈间距的方法将在一定程度上提高***的传输效率。
实施例2
如图2所示的实施例中，支撑板10的位移引导机构为滑杆结构，在支撑板10靠近外壳4的一端固定一根滑杆12，滑杆12另一端穿入滑套，滑套固定在外壳4内壁上，嵌入腔9的底端面设有通孔用以通过滑杆12。其余部分与实施例1完全相同。

Claims (10)

1.一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，其特征是，
包括发射板、接收板、升降机构、距离传感器、电压传感器、电流传感器、无线通信模块、外壳和控制器，所述接收板安装在电动汽车底盘下方并与电动汽车电池包充电端连接，所述外壳上表面设有用于容纳所述升降机构的腔，所述升降机构安装在所述腔内，所述发射板安装在升降机构上，所述距离传感器安装在发射板上，所述距离传感器检测发射板与其上方物体的距离，所述电压传感器、电流传感器以及无线通信模块均安装在接收板上，所述电压传感器检测电动汽车电池包两端的电压，所述电流传感器检测电池端的输入电流，所述无线通信模块与控制器建立通信连接，所述升降机构以及距离传感器均与控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，其特征是，所述升降机构包括驱动电机、减速齿轮箱、丝杠、位移引导机构和支撑板，所述驱动电机以及位移引导机构与外壳固定连接，所述驱动电机通过减速齿轮箱与所述丝杠传动连接，所述支撑板与位移引导机构滑动连接，所述丝杠第二端与外壳转动连接，所述丝杠第一端与支撑板螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，其特征是，所述支撑板设有至少两个用于固定所述发射板的卡爪，两个所述卡爪位于发射板的两侧。
4.根据权利要求2所述的一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，其特征是，所述驱动电机通过固定支架与外壳连接。
5.根据权利要求2所述的一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，其特征是，所述位移引导机构包括滑轨和滑块，所述滑轨设置在嵌入腔的内壁，所述滑轨延伸方向与丝杆的轴心平行，所述支撑板上固定安装设有与所述滑轨卡接的滑块。
6.根据权利要求2所述的一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，其特征是，所述位移引导机构包括滑杆和滑套，所述滑杆与所述支撑板固定连接，所述滑套与外壳固定连接，所述滑杆延伸方向与丝杆的轴心平行，所述滑杆与滑套滑动连接。
7.根据权利要求2至6任一条所述的一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，其特征是，
所述驱动电机为伺服电机。
8.根据权利要求1所述的一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，其特征是，所述升降机构包括弹簧和可控开关，所述弹簧安装在外壳和发射板之间，所述弹簧两端分别与外壳和发射板固定连接，所述弹簧收缩时使发射板上升，所述弹簧第一端通过可控开关与发射板的供电电源第一端连接，所述弹簧第二端与发射板的供电电源第二端连接。
9.根据权利要求8所述的一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，其特征是，所述升降机构还包括柱塞、气缸和电磁阀，所述柱塞与发射板底部固定连接，所述气缸固定安装在外壳的腔的底部且开口向上，所述柱塞***所述气缸并形成气密连接，所述电磁阀与气缸连通，所述可控开关以及电磁阀的控制端均与控制器连接。
10.一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器的控制方法，适用于如权利要求1至9任一项所述的一种可自动调节线圈间距的电动汽车无线充电器，其特征是，
包括以下步骤：
步骤一、电动汽车停泊在充电区域，并使接收板基本位于发射板正上方，此时，发射板位于外壳腔内，控制器控制发射板以预设的发射线圈电压以及谐振频率工作，进行恒流充电；
步骤二、当电动汽车电池包两端的电压达到设定阈值时，控制器周期性读取电流传感器的检测电流值，若检测电流值大于预设的第一阈值，则控制器控制升降机构带动发射板靠近接收板，直到电流传感器的检测电流值小于预设的第二阈值或者发射板达到与接收板的最近距离，所述第二阈值略小于第一阈值，若发射板已达到与接收板的最近距离且检测电流值大于预设的第一阈值，则减小发射板的发射线圈两端的电压，直到检测电流值小于预设的第二阈值；
步骤三、若电流小于或等于预设的第三阈值，则停止充电，控制器控制升降机构带动发射板复位，完成充电。
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