基于激光測距的便攜式汽車無線充電系統(tǒng)

汝玉星　丁佳新　丁澤瑩　田小建　鄧軍

摘 要：無線充電是現(xiàn)階段發(fā)展快速的充電模式，為了提高不良環(huán)境下電動汽車的充電效率，本文提出一種基于激光測距的便攜式汽車無線充電系統(tǒng)。以電動汽車為模型，利用激光測距進行距離信息估計，找到最佳距離以提高充電效率。在電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用電機控制模塊、激光測距模塊、整流濾波電路模塊、降壓電路模塊、高頻逆變電路模塊、反饋電路模塊等，并對未來基于激光測距的無線充電技術(shù)進行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：激光測距;無線充電;萬向調(diào)平

1 引言

研究電動汽車的無線供電，不僅要研究如何為汽車供電，還要研究如何最大效率完成充電。無線充電可分為小功率無線充電和大功率無線充電，大部分的電動汽車使用大功率無線充電。自1890年，在偉大的物理學(xué)家特斯拉開始進行無線傳輸試驗后，后人就開始了無線傳輸?shù)难芯俊?007年，麻省理工學(xué)院的一個研究小組實現(xiàn)了電力的無線傳導(dǎo)。汽車無線充電可以避免繁雜的充電線帶來的困擾，實現(xiàn)隨時充電，攜帶方便的功能。

本文研究自適應(yīng)電動汽車無線供電移動平臺，利用激光測距技術(shù)解決了對于在某些不良環(huán)境下不能滿足與車底保持平行的問題。這樣就基本滿足無論汽車所在的路面是否平整，都可以滿足高效率充電。

2 無線充電

汽車無線充電技術(shù)利用電磁耦合，利用兩個電路之間存在互感的關(guān)系，通過一個電路的電流產(chǎn)生變化來影響另外一個電路，以此來達到無線傳輸。無線充電系統(tǒng)包含兩個部分，分別為發(fā)射部分和接收部分。以電動汽車為例，發(fā)射部分位于便攜式充電裝置上，接收部分位于電動汽車的底部。便攜式充電裝置的發(fā)射部分接入電源，通過設(shè)計電路，經(jīng)過一系列電能的轉(zhuǎn)化和傳輸，最終在發(fā)射部分形成高頻的交流電，交流電以此產(chǎn)生交變的磁場，并在汽車底部的接收線圈端感應(yīng)出交流電流，最終經(jīng)過整流產(chǎn)生直流電流來給電動汽車充電。

3 萬向調(diào)平裝置的設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)的概述和設(shè)計

如下圖所示：

3.2 內(nèi)旋殼、外旋殼的設(shè)計

外環(huán)殼體是嵌在裝置底座中的空心扁方環(huán)柱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體是嵌在外環(huán)殼體內(nèi)部的扁方柱體結(jié)構(gòu)，外環(huán)殼體和內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體高度相同，且初始狀態(tài)時上表面共面，內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體的上表面形狀為正方形，下表面的外圍形狀、周長均與上表面的相同，但中心為圓形鏤空，鏤空位置正下方裝有風(fēng)扇;外環(huán)殼體的兩個相對的外側(cè)面的中心處有參數(shù)相同的第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸，第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸能夠帶動外環(huán)殼體在裝置底座中旋轉(zhuǎn)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體的兩個相對的外側(cè)面的中心處有參數(shù)相同的第三承重旋轉(zhuǎn)軸和第四承重旋轉(zhuǎn)軸，第三承重旋轉(zhuǎn)軸和第四承重旋轉(zhuǎn)軸能夠帶動內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體在外環(huán)殼體中旋轉(zhuǎn)，第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸的中心軸線在一條直線上，所在直線記為直線A，第三承重旋轉(zhuǎn)軸和第四承重旋轉(zhuǎn)軸的中心軸線在另一條直線上，所在直線記為直線B，直線A與直線B垂直相交;在外環(huán)殼體的上表面有第一激光測距模塊、第二激光測距模塊，內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體的上表面有第三激光測距模塊、第四激光測距模塊;其中第一激光測距模塊和第二激光測距模塊的參數(shù)相同，它們的中心連線記為直線C，直線C與直線A垂直;第三激光測距和第四激光測距模塊的參數(shù)相同，它們的中心連線記為直線D，直線D與直線B垂直;內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體的上表面和裝置底座的下表面均有散熱孔;所述的市電接口和工作指示燈位于裝置底座的外側(cè)面，無線電能發(fā)射線圈位于內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體的內(nèi)部且其上表面與內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體的上表面平行且中心重合。內(nèi)外嵌套雙旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)萬向調(diào)節(jié)功能。其詳細結(jié)構(gòu)如下圖所示：

3.3 控制單元的設(shè)計

控制單元的設(shè)計目標是平臺通電以后，控制單元同時給四個激光測距模塊輸出驅(qū)動方波信號，位于外環(huán)殼體上的第一激光測距模塊、第二激光測距模塊收到驅(qū)動信號后，兩激光發(fā)射探頭同時發(fā)出光束信號，在由各自模塊中的接收探頭接收反射光束信號，兩信號經(jīng)過放大、脈沖整形、帶通濾波，最終由模塊輸出到控制單元。輸入到控制單元中的兩信號經(jīng)過時間測算等運算處理后，在控制單元與第一電機控制電路相連的I/O口上得到四個不同的信號，進而控制第一電機、第二電機的正傳、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)。

4 激光測距模塊的設(shè)計

如果平臺初始狀態(tài)就與車底面平行時，即這對激光測距模塊的激光頭表面到達車底面距離相等時，控制單元的I/O口輸出00狀態(tài)，進而負責(zé)帶動第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸的第一電機、第二電機不工作;當?shù)谝患す鉁y距模塊的激光頭表面到達車底面距離大于第二激光測距模塊的激光頭表面到達車底面距離時，該I/O口輸出01狀態(tài)，第一電機控制電路接到信號后，控制第一電機、第二電機正轉(zhuǎn)，進而第一電機、第二電機負責(zé)帶動的第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸正轉(zhuǎn)工作，直到這對激光測距模塊激光頭表面到達車底面距離相等時，I/O口輸出00狀態(tài)，第一電機、第二電機帶動第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸停轉(zhuǎn);當?shù)诙す鉁y距模的激光頭表面到達車底面距離大于第一激光測距模的激光頭表面到達車底面距離時，該I/O口輸出10狀態(tài)，第一電機控制電路接到信號后，第一電機、第二電機反轉(zhuǎn)，進而帶動第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸反轉(zhuǎn)工作，直到對激光測距模塊激光頭表面到達車底面距離相等時，I/O口輸出00狀態(tài)，第一電機、第二電機帶動第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸停轉(zhuǎn);通過上述工作過程，本發(fā)明平臺就實現(xiàn)了外環(huán)殼體水平角度的變化，也就實現(xiàn)了內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體跟隨外環(huán)殼體的一次水平角度變化。

5 外觀的設(shè)計

采用的是無線可移的拉箱式結(jié)構(gòu)，這樣可以使得本發(fā)明便攜靈活能應(yīng)付各種環(huán)境。其詳細結(jié)構(gòu)如下圖所示：

6 總結(jié)與未來

為解決不良環(huán)境下給電動汽車進行充電時，存在的充電效率較低的問題，在基于激光測距的基礎(chǔ)上開發(fā)了便攜式汽車無線充電裝置，以此來提高電動汽車的充電效率。首先設(shè)計出總體結(jié)構(gòu)模型，采用內(nèi)外嵌套雙旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)萬向調(diào)節(jié)功能，大大提升裝置的電能傳輸效率;采用激光測距方式來測量距離，確保其精確度;發(fā)射線圈采用蜂房式的繞制方式，可以有效抑制線圈寄生電容。除此之外，外觀上采用的是無線可移的拉箱式結(jié)構(gòu)，這樣可以使得本發(fā)明便攜靈活能應(yīng)付各種環(huán)境。與傳統(tǒng)的充電方式相對比，所提出的系統(tǒng)在電動汽車的充電效率以及適用的環(huán)境條件方面具有明顯的優(yōu)越性。未來將繼續(xù)對基于激光測距的便攜式汽車充電系統(tǒng)進行研究，爭取進一步對該系統(tǒng)進行優(yōu)化。

課題：長春市技術(shù)創(chuàng)新中心資助項目“長春市電動汽車無線充電技術(shù)創(chuàng)新中心”，編號18CX001。

參考文獻：

[1]李忠寶，劉寶松，劉月浩.基于激光測距技術(shù)的往復(fù)車精準定位應(yīng)用.電工技術(shù)，2019年第24期.