[发明专利]电容耦合式电动汽车自动无线充电系统及充电方法

权利要求书

1.电容耦合式电动汽车自动无线充电方法，其特征在于，包括：

电容耦合式电动汽车自动无线充电系统，设置有：充电发射平台和车载接收设备；

所述充电发射平台包括：发射单元、发射电源柜、机械臂和移动底盘；所述机械臂的末端安装在所述发射电源柜的上方；所述发射电源柜安装在所述移动底盘的上方；所述发射单元安装在所述机械臂的前端，所述发射单元的中心位置安装有射频阅读器、光电开关发射器和两片发射极板；所述发射电源柜包括：外壳体，以及设置在所述外壳体内部的供电电源、PFC单元、逆变单元、发射谐振单元、补偿网络和发射通信控制器；

所述车载接收设备安装在电动汽车上，包括：接收谐振单元、整流单元、动力电池、直流变换器、蓄电池、接收通信控制器以及接收单元；所述接收单元上安装有光电开关接收器、四个有源射频标签和两片接收极板，所述四个有源射频标签分别安装在接收单元的左上、左下、右上和右下四角；所述接收通信控制器与电动汽车的整车控制器通过CAN总线建立通信连接，接收汽车的信息指令；

所述发射极板与接收极板间通过发射单元和接收单元的对准而形成了一个耦合电容，两片发射极板和两片接收极板形成的两个耦合电容连通了相当于单相交流回路里的火线和零线，在高频高压交流电作用下，交流电通过发射极板传输到接收极板上，实现了电能的无线传输；

所述接收通信控制器与发射通信控制器均内置有一个具备数据处理能力的处理单元和一个无线通信单元，所述发射通信控制器与接收通信控制器可以通过自身内置的无线通信单元进行数据间的无线通信；

还包括：基于电容耦合式电动汽车自动无线充电系统的无线充电方法，具体为：

步骤一、当电动汽车因电量低需要充电时，电动汽车进入可充电区域，电动汽车发出充电指令，通过接收通信控制器搜索通信信号，并与发射通信控制器建立通信；电动汽车在可充电区域范围的某个车位停泊，并将安装了接收单元的一侧靠近充电发射平台的移动通道，电动汽车通过接收通信控制器向发射通信控制器发出充电请求；

步骤二、所述发射通信控制器接收到充电请求，且充电发射平台处于空闲状态时，所述发射通信控制器向所述接收通信控制器发出确认可以充电的指令，由接收通信控制器向发射通信控制器发出四个射频标签的编码信息，每个射频标签分别对应一个二进制编码；

接收单元的四个有源射频标签通过内置的发射天线发出四个射频标签的编码信息，射频信号包含射频标签自身的二进制编码；

步骤三、所述发射通信控制器控制机械臂调整前端的发射单元使之与空间平面垂直，并将机械臂收回；

步骤四、发射单元的射频阅读器接收从每个有源射频标签发送来的射频信号，所述射频阅读器对接收到的射频信号进行解调解码，确定各个信号对应的射频标签的编码信息，并依次测量各个射频标签的信号强度；

发射单元的射频阅读器接收到射频信号后将每个有源射频标签的射频信号强度数据发送到发射通信控制器，所述发射通信控制器根据接收到的射频信号强度来判断发射单元与接收单元之间的距离d，射频信号强度会随距离d的增加而降低，信号强度P(d)与距离d之间符合下列公式：

其中P(d₁)和n分别为在1m处得到的射频信号强度和射频信号传播比例因子，这两个值与应用环境相关，可提前作好标定；

步骤五、根据发射单元与接收单元之间的距离d，及左侧与右侧有源射频标签之间的距离偏差，所述发射通信控制器控制充电发射平台上的机械臂沿X轴前进或后退，也可以控制移动底盘的驱动机构使充电发射平台在移动通道内沿X轴方向前进后退，并在运动过程中验证运动方向的正确性；

即按正确的方向移动时，所述射频阅读器接收并发送到发射通信控制器的射频信号强度越来越强，发射通信控制器计算出的距离d越来越小；当运动方向确定，发射通信控制器控制驱动移动底盘使充电发射平台向接收单元所在的方向移动；

当所述射频阅读器接收并发送至接收单元的左上有源射频标签与右上有源射频标签和左下有源射频标签与右下有源射频标签之间的射频信号强度相等，或左上有源射频标签与右上有源射频标签和左下有源射频标签与右下有源射频标签之间的射频信号强度之差无法再减小时，表示发射单元与接收单元在X轴方向已经初步对准；

步骤六、所述发射通信控制器控制充电发射平台上的所述机械臂沿Y轴方向伸展或收回，也可以控制移动底盘的驱动机构使充电发射平台在移动通道内沿Y轴方向前进或后退，以确定Y轴方向前进或后退的方向；

当所述射频阅读器接收并发送到发射通信控制器的射频信号强度越来越强，发射通信控制器计算出的距离d越来越小时为正确的运动方向；当运动方向确定，发射通信控制器控制移动底盘的驱动机构使充电发射平台向接收单元所在的方向靠近；当发射通信控制器计算出的距离d不断减小，并在Y轴方向满足机械臂伸展工作的范围之内时，发射通信控制器控制移动底盘停止移动；

步骤七、所述发射通信控制器控制所述充电发射平台上的机械臂在空间平面垂直方向上作向上或向下的运动，当所述射频阅读器接收并发送到所述发射通信控制器的四个射频标签的射频信号强度都相等，或各射频标签的射频信号强度之差无法再减小时，表示发射单元与接收单元在高度方向已经初步对准；

步骤八、通过所述射频信号的强度计算距离实现定位存在着一定的偏差，通过射频标签完成初步对准后，还需要进一步完成发射单元和接收单元的精确对准；

通过射频标签完成初步对准后，所述发射通信控制器和接收通信控制器分别打开光电开关发射器和光电开关接收器，光电开关发射器发出光信号，发射通信控制器控制机械臂以初步对准的位置为中心在空间平面垂直方向上作上、下、左、右的平行移动，移动范围以射频标签定位的理论偏差作为参考，此范围需要提前标定；当机械臂移动过程中接收通信控制器采集到光电开关接收器接收到光电开关发射器发出的光信号时，接收通信控制器将接收到光信号的信息发送给发射通信控制器，发射通信控制器控制机械臂停止平行移动，并缓慢地沿Y轴方向伸展并靠近接收单元，直至发射单元和接收单元完全接触贴合；

发射通信控制器将发射单元和接收单元接触贴合完成的信息发送给接收通信控制器，接收通信控制器接收到接触贴合完成的信息，并确认光电开关接收器仍然能接收到光电开关发射器发出的光信号，接收通信控制器确定发射单元和接收单元精确对准定位完成，并将精确对准完成的确认信号发送给发射通信控制器；

步骤九、发射通信控制器接收到发射单元和接收单元精确对准完成的确认信号后，发射通信控制器控制充电系统首先发送一个小功率的电能传输到电动汽车的接收端，如果接收通信控制器检测到接收到的电能功率满足系统设计值，则向发射通信控制器发出信息，由发射通信控制器控制逐步增加输出功率开始充电，如不满足所述系统设计值，则重复上述步骤重新进行定位；

电动汽车充电时，动力电池充电所需要的电压、电流通过接收通信控制器发送给发射通信控制器，并通过发射通信控制器控制PFC单元、逆变单元、发射谐振单元以及补偿网络完成相应的能量变换和传输；

电动汽车无线充电采用电场耦合的方式，充电发射平台上的供电电源通过可延长的柔性供电电缆与外部的交流输入端连接，供电电源为发射通信控制器、光电开关发射器、移动底盘和机械臂供电，同时供电电源与PFC单元连接；

步骤十、当车辆的动力电池的电量充满后，供电电源关闭传输到PFC单元的交流输入停止充电，所述机械臂将发射单元收回，充电发射平台离开充电位置。