基于激光測(cè)距的便攜式汽車無(wú)線充電系統(tǒng)

汝玉星　丁佳新　丁澤瑩　田小建　鄧軍

摘 要：無(wú)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(dòng)汽車的充電效率，本文提出一種基于激光測(cè)距的便攜式汽車無(wú)線充電系統(tǒng)。以電動(dòng)汽車為模型，利用激光測(cè)距進(jìn)行距離信息估計(jì)，找到最佳距離以提高充電效率。在電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用電機(jī)控制模塊、激光測(cè)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(duì)未來(lái)基于激光測(cè)距的無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)距;無(wú)線充電;萬(wàn)向調(diào)平

1 引言

研究電動(dòng)汽車的無(wú)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(wú)線充電可分為小功率無(wú)線充電和大功率無(wú)線充電，大部分的電動(dòng)汽車使用大功率無(wú)線充電。自1890年，在偉大的物理學(xué)家特斯拉開(kāi)始進(jìn)行無(wú)線傳輸試驗(yàn)后，后人就開(kāi)始了無(wú)線傳輸?shù)难芯俊?007年，麻省理工學(xué)院的一個(gè)研究小組實(shí)現(xiàn)了電力的無(wú)線傳導(dǎo)。汽車無(wú)線充電可以避免繁雜的充電線帶來(lái)的困擾，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)充電，攜帶方便的功能。

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

2 無(wú)線充電

汽車無(wú)線充電技術(shù)利用電磁耦合，利用兩個(gè)電路之間存在互感的關(guān)系，通過(guò)一個(gè)電路的電流產(chǎn)生變化來(lái)影響另外一個(gè)電路，以此來(lái)達(dá)到無(wú)線傳輸。無(wú)線充電系統(tǒng)包含兩個(gè)部分，分別為發(fā)射部分和接收部分。以電動(dòng)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(dòng)汽車的底部。便攜式充電裝置的發(fā)射部分接入電源，通過(guò)設(shè)計(jì)電路，經(jīng)過(guò)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(chǎng)，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(guò)整流產(chǎn)生直流電流來(lái)給電動(dòng)汽車充電。

3 萬(wàn)向調(diào)平裝置的設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)的概述和設(shè)計(jì)

如下圖所示：

3.2 內(nèi)旋殼、外旋殼的設(shè)計(jì)

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(shí)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(zhǎng)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(gè)相對(duì)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(dòng)外環(huán)殼體在裝置底座中旋轉(zhuǎn)，內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體的兩個(gè)相對(duì)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(dòng)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(cè)距模塊、第二激光測(cè)距模塊，內(nèi)旋轉(zhuǎn)殼體的上表面有第三激光測(cè)距模塊、第四激光測(cè)距模塊;其中第一激光測(cè)距模塊和第二激光測(cè)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(cè)距和第四激光測(cè)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(wú)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(shí)現(xiàn)萬(wàn)向調(diào)節(jié)功能。其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

3.3 控制單元的設(shè)計(jì)

控制單元的設(shè)計(jì)目標(biāo)是平臺(tái)通電以后，控制單元同時(shí)給四個(gè)激光測(cè)距模塊輸出驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)，位于外環(huán)殼體上的第一激光測(cè)距模塊、第二激光測(cè)距模塊收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，兩激光發(fā)射探頭同時(shí)發(fā)出光束信號(hào)，在由各自模塊中的接收探頭接收反射光束信號(hào)，兩信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)間測(cè)算等運(yùn)算處理后，在控制單元與第一電機(jī)控制電路相連的I/O口上得到四個(gè)不同的信號(hào)，進(jìn)而控制第一電機(jī)、第二電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)。

4 激光測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)

如果平臺(tái)初始狀態(tài)就與車底面平行時(shí)，即這對(duì)激光測(cè)距模塊的激光頭表面到達(dá)車底面距離相等時(shí)，控制單元的I/O口輸出00狀態(tài)，進(jìn)而負(fù)責(zé)帶動(dòng)第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸的第一電機(jī)、第二電機(jī)不工作;當(dāng)?shù)谝患す鉁y(cè)距模塊的激光頭表面到達(dá)車底面距離大于第二激光測(cè)距模塊的激光頭表面到達(dá)車底面距離時(shí)，該I/O口輸出01狀態(tài)，第一電機(jī)控制電路接到信號(hào)后，控制第一電機(jī)、第二電機(jī)正轉(zhuǎn)，進(jìn)而第一電機(jī)、第二電機(jī)負(fù)責(zé)帶動(dòng)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(duì)激光測(cè)距模塊激光頭表面到達(dá)車底面距離相等時(shí)，I/O口輸出00狀態(tài)，第一電機(jī)、第二電機(jī)帶動(dòng)第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸停轉(zhuǎn);當(dāng)?shù)诙す鉁y(cè)距模的激光頭表面到達(dá)車底面距離大于第一激光測(cè)距模的激光頭表面到達(dá)車底面距離時(shí)，該I/O口輸出10狀態(tài)，第一電機(jī)控制電路接到信號(hào)后，第一電機(jī)、第二電機(jī)反轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)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(duì)激光測(cè)距模塊激光頭表面到達(dá)車底面距離相等時(shí)，I/O口輸出00狀態(tài)，第一電機(jī)、第二電機(jī)帶動(dòng)第一承重旋轉(zhuǎn)軸和第二承重旋轉(zhuǎn)軸停轉(zhuǎn);通過(guò)上述工作過(guò)程，本發(fā)明平臺(tái)就實(shí)現(xiàn)了外環(huán)殼體水平角度的變化，也就實(shí)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(jì)

采用的是無(wú)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(xì)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

6 總結(jié)與未來(lái)

為解決不良環(huán)境下給電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)，存在的充電效率較低的問(wèn)題，在基于激光測(cè)距的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了便攜式汽車無(wú)線充電裝置，以此來(lái)提高電動(dòng)汽車的充電效率。首先設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)萬(wàn)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(cè)距方式來(lái)測(cè)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(wú)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(duì)比，所提出的系統(tǒng)在電動(dòng)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(lái)將繼續(xù)對(duì)基于激光測(cè)距的便攜式汽車充電系統(tǒng)進(jìn)行研究，爭(zhēng)取進(jìn)一步對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

課題：長(zhǎng)春市技術(shù)創(chuàng)新中心資助項(xiàng)目“長(zhǎng)春市電動(dòng)汽車無(wú)線充電技術(shù)創(chuàng)新中心”，編號(hào)18CX001。

參考文獻(xiàn)：

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