无线充电系统的制作方法

1.本发明涉及无线充电领域，尤其涉及无线充电中所需的引导定位、生物体保护监测。


背景技术：

2.电动汽车无线充电时需要功率发射线圈和功率接收线圈之间尽量对齐，为了方便驾驶者或者车辆自动泊车系统将车辆驶入可充电区域内，系统需要提供一定作用距离的车辆引导对齐功能，帮助驾驶员或泊车系统在停车位内对车辆进行操纵，确保停车完成后车辆位置在无线充电系统定义的允许偏移范围内。如专利cn202110427849.7中，公开了一种引导和定位方法，需要借助地磁信息、数据库比对等，具有较高的实施门槛。
3.另外，电动汽车无线充电时，还需要防止动物或婴幼儿等生物体侵入功率发射线圈和功率接收线圈之间功率传输磁场所构成的空间以及功率传输磁场向外延伸的区域，以免无线充电时的强磁场可能对人和动物的健康造成损害。
4.现有技术中，对于上述引导定位和生物体检测功能，都是通过两套独立系统实现的，这就增加了设备的成本，会占用更多的安装空间。


技术实现要素：

5.本发明提供一种无线充电系统，能够实现充电的定位引导同时实现充电过程中的生物体保护监测。
6.无线充电系统包括发射端和接收端，所述发射端包括：功率发射线圈和监测模块；所述功率发射线圈的前侧、后侧、左侧和右侧中，每侧至少设置一个所述监测模块；所述监测模块包括：发射天线和至少两个接收天线，所述接收天线之间间隔设置；所述发射天线发射周期变化的工作电磁波，当有反射物时，反射所述电磁波形成反射回波，反射回波相比于所述工作电磁波具有差频，所述接收天线接收所述反射回波，并根据所述反射回波的参数计算反射物相对于所述发射天线的位置信息和夹角信息。
7.优选的，每个所述监测模块的工作方向，朝向相对的一侧。
8.优选的，每个位置处的所述监测模块发射独立的工作电磁波，每个所述工作电磁波具有独立的特征信号，对应的反射回波也具有相同的特征信号。
9.优选的，所述监测模块还包括：工作单元；所述工作单元连接所述发射天线和接收天线，用于控制所述发射天线工作，以及处理所述接收天线接收到的所述反射回波；所述工作单元还存储有每个所述工作电磁波的特征信号。
10.优选的，任意一个所述监测模块中的所述接收天线接收全部反射回波，并筛选出所在监测模块中的发射天线发出的工作电磁波对应的反射回波，计算反射物相对于所在监测模块中的发射天线的位置信息和夹角信息。
11.优选的，任意一个所述监测模块中的所述接收天线接收多个反射回波，并计算反射物相对于每个所述监测模块中的发射天线的位置信息和夹角信息，将其中反射物相对于
该接收天线所在监测模块中的发射天线的位置信息和夹角信息作为主信息，将其他发送给对应的监测模块作为辅信息；任意一个所述监测模块将主信息和从其他监测模块处获取的辅信息结合，形成反射物相对于自身的所述发射天线的位置信息和夹角信息。
12.优选的，所述特征信号为工作电磁波或反射回波的调频斜率的变化。
13.本发明无线充电系统中，通过监测模块的设置，能够实现车辆充电前的引导定位工作，并且在充电过程中，监测模块还能对功率发射线圈和功率接收线圈之间进行生物体保护监测。
附图说明
14.图1为无线充电系统中监测模块工作时频率、差频随时间的变化关系图；
15.图2为无线充电系统中监测模块获取反射物夹角的原理示意图；
16.图3为无线充电系统中发射端的工作情形示意图；
17.图4为无线充电系统中发射端工作范围的一种示意图；
18.图5为无线充电系统中发射端工作范围的另一种示意图；
19.图6为无线充电系统中发射端工作范围的再一种示意图。
20.附图标记：
21.发射天线1；接收天线2。
具体实施方式
22.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
23.本发明公开一种无线充电系统，包括发射端和接收端，为了方便说明，下面以电动汽车无线充电为例进行说明，在电动汽车无线充电中，发射端也被称为地端(地面端)，包括了功率发射线圈，接收端也被称为车端(车载端)，包括了功率接收线圈。具体无线充电的工作过程，本领域技术人员是知晓的，不再赘述。
24.本技术的无线充电系统，在此基础上能够实现对车辆的引导定位，以及对生物体的检测。这些都通过监测模块实现。
25.该监测模块包括：发射天线1和至少两个接收天线2，接收天线2之间间隔设置。
26.发射天线1发射工作电磁波，这个工作电磁波是周期变化的，其变化周期为t，变化周期包括上升周期和下降周期。一般的是连续的周期变化，并且上升周期和下降周期是对称的，也就是说有1/2t为上升周期，1/2t下降周期。当然，该工作电磁波的具体变化周期t是可以根据需要调整的。图1中以上升周期和下降周期对称为例示出的。工作电磁波的频率为：24
±
5ghz、77
±
5ghz、79
±
5ghz、95
±
5ghz中的一个。这些频段的确定是国家相关主管部门根据国际无线电规则规定，主要是保证各种行业和业务使用频谱资源彼此之间不会干扰。
27.发射天线1发送工作电磁波后，如果有反射物，就会产生反射回波，接收天线2，能够接收该反射回波。当然，接收天线2的工作原理是能够接收任意电磁波，反射回波也是电磁波的一种。像环境中的各种电磁波都有可能会被接收到，但是从监测角度来看，接收天线
2是通过反射物反射的反射回波，来分析计算反射物的位置、移动速度、移动方向等等信息，因此可以说，接收天线2是要使用反射回波完成工作。应用中，接收天线2可能接收到多种电磁波，但是可以根据这些电磁波的特征，筛选出对应的反射回波。下文会提到的特征信号，可以是做出该筛选的一个标准。
28.反射回波相对于工作电磁波，会有差频。接收天线2接收反射回波，并根据反射回波的参数计算反射物相对于发射天线1的位置信息和夹角信息。
29.本技术中，所述监测模块设置在功率发射线圈的四周，一般的，我们把功率发射线圈分为前侧、后侧、左侧和右侧，每侧至少设置一个监测模块。监测模块的工作朝向可以如图4所示，均朝外，即左侧的监测模块工作朝向朝左，右侧的监测模块的工作朝向朝右，依次类推。
30.当然在一些实施例中，可以将工作朝向设置为相对的一侧，即左侧的监测模块工作朝向朝右，右侧的监测模块的工作朝向朝左，依次类推。
31.这两种方式中，监测覆盖的范围不同，但是他们具有相同的工作原理。
32.上述前侧、后侧、左侧和右侧，为了方便理解，参见图3，我们将车辆驶入时，先经过的一侧定义为前侧，后经过的为后侧，并且在一个实施例中，后侧的监测模块设置了两个，一共采用五个监测模块。具体而言，监测模块可以集成功率发射线圈内部，也可以安装在功率发射线圈周边，安装在周边时监测模块与功率发射线圈有固定的位置关系。
33.以下是一个实施例：功率发射线圈中布置监测模块，分别以第一监测模块r1、第二监测模块r2、第三监测模块r3、第四监测模块r4和第五监测模块r5示出，其中，第二监测模块r2、第三监测模块r3安装在功率发射线圈与发射端设备电缆连接的一侧，相对应的是第五监测模块r5安装在迎向汽车行驶方向的一侧，即前侧。第一监测模块r1和第四监测模块r4则安装在两侧。也就是无论车辆是以前进还是倒退的方式进入该停车位置，都是先经过第五监测模块r5，也就是前侧的监测模块。
34.引导对齐的过程如下：在电动汽车进入到充电停车位后，进入到第五监测模块r5的探测范围，首先由第五监测模块r5获得电动汽车的位置数据(该位置数据即为反射物相对于第五监测模块r5中发射天线1的位置信息和夹角信息，反射物即为电动汽车，更具体而言可以是汽车轮胎)，如最先靠近功率发射线圈前侧的2个轮胎与第五监测模块r5之间的距离、角度以及汽车的移动速度。功率发射线圈的5个监测模块覆盖了四周一定距离内的360度目标，随着电动汽车不断接近，第一监测模块r1和第四监测模块r4可以探测功率发射线圈两侧的反射物，即与经过功率发射线圈两侧的轮胎之间的距离。而由于每个监测模块都具有一定的探测角度，监测模块发射的毫米电磁波呈现一个锥状的波束，越是靠近监测模块则其探测范围覆盖的区域越为狭窄，因此本实施例功率发射线圈后侧配置了第二监测模块r2和第三监测模块r3共2个监测模块。随着功率接收线圈与功率发射线圈逐渐对准，电动汽车前侧轮胎越过功率发射线圈，此时第五监测模块r5可以探测电动汽车后侧的两个轮胎，而前侧2个轮胎与功率发射线圈之间距离较近，前侧2个轮胎由第二监测模块r2和第三监测模块r3共同探测。
35.监测模块所测量的与反射物(上述汽车的轮胎即为反射物)之间的位置关系是基于监测模块的坐标系，而监测模块的安装位置决定了监测模块与以功率发射线圈为中心的坐标系的转换，根据监测模块所测量的与电动汽车之间的位置关系，以及功率接收线圈在
电动汽车的安装位置，获得功率接收线圈与功率发射线圈的相对位置，包括功率接收线圈与功率发射线圈在x轴和y轴方向的偏差，以及功率接收线圈相对于x轴、y轴的倾斜角度。
36.从上述可以知晓，多个监测模块是同时工作的，因此会具有多个反射回波，为了加以区分，每个位置处的监测模块都会发射独立的工作电磁波，每个独立的工作电磁波具有独立的特征信号，并且，经过反射物的反射，对应的反射回波也具有相同的特征信号。该特征可以是调频的周期、时间和斜率等的变化，或这些参数的组合变化，优选的特征是改变调频的斜率，即每个工作电磁波的调频斜率是不同的，对应的反射回波也具有不同的调频斜率特征，从而可以加区别。
37.为了实现上述区分和计算，所述监测模块还包括：工作单元；工作单元连接所述发射天线1和接收天线2，用于控制所述发射天线1工作，以及处理所述接收天线2接收到的所述反射回波。所述单元还存储有每个所述工作电磁波的特征信号，以供后续使用。
38.在工作中，一个位置处的监测模块，可以只对自己发射出的工作电磁波对应的反射回波进行计算。例如，第五监测模块r5的工作电磁波调频斜率为k5，第五监测模块r5中的接收天线2收到了多个周期的反射回波，但是只计算调频斜率为k5的反射回波的数据。计算的出的结果也是只包括反射物相对第五监测模块r5(或者是第五监测模块r5中的接收天线1)的位置信息和夹角信息。
39.在其他实施例中，每个监测模块会计算全部的数据，并发给对应的监测模块，从而每个监测模块都会有多个数据，再对多个数据进行处理，从而得到更进准的信息。当然也可以是位置相近的几个监测模块组成一组，计算组内监测模块的全部数据，并在组内互相验证校正。
40.为了方便说明，下面以一个实施例介绍工作过程。该实施例中，任意一个所述监测模块中的所述接收天线2接收多个反射回波，并计算反射物相对于每个所述监测模块中的发射天线1的位置信息和夹角信息，将其中反射物相对于该接收天线2所在监测模块中的发射天线1的位置信息和夹角信息作为主信息，将其他发送给对应的监测模块作为辅信息；任意一个所述监测模块将主信息和从其他监测模块处获取的辅信息结合，形成反射物相对于自身的所述发射天线1的位置信息和夹角信息。
41.在实际应用中，反射物可能存在多个，不同位置的监测模块接收到的反射回波，可能经过的反射次数不同，也可能存在因为工作方向设置的不同，每个监测模块接收到的反射回波的个数不同。这就需要根据实际情况，添加更多的限制条件。
42.例如图3中的五个监测模块的设置方式，可能就会因为工作朝向的问题，很难收到其他监测模块的发出的工作电磁波对应的反射回波。但如果是在同一方向上安装了多个监测模块，如图3中第二监测模块r2和第三监测模块r3可能会互相收到对应的反射回波，又或者是如图6所示的方式中，五个监测模块相邻在一条线的设置情况，这样他们就会互相接收到对应的反射回波。
43.以图6为例，每个接收天线2接收到了五个反射回波，他们的调频斜率各不相同，分别为k1、k2、k3、k4、k5，此时，第五监测模块r5会分别计算每个反射回波的数据，从而可以得到：
44.a、反射物相对于第一监测模块r1(第一监测模块r1中发射天线1)的位置信息和夹角信息；
45.b、反射物相对于第二监测模块r2(第二监测模块r2中发射天线1)的位置信息和夹角信息；
46.c、反射物相对于第三监测模块r3(第三监测模块r3中发射天线1)的位置信息和夹角信息；
47.d、反射物相对于第四监测模块r4(第四监测模块r4中发射天线1)的位置信息和夹角信息；
48.e、反射物相对于第五监测模块r5(第无监测模块r5中发射天线1)的位置信息和夹角信息。
49.将其中的e作为主信息，并将a发送给第一监测模块r1，将b发送给第二监测模块r2；将c发送给第三监测模块r3；将d发送给第四监测模块r4。对应的，其他监测模块也会将自己计算的反射物相对于第五监测模块r5(第无监测模块r5中发射天线1)的位置信息和夹角信息发送给第五监测模块r5。将其他监测模块发来的信息作为辅信息，再把主信息和辅信息组合，得到精确的信息内容，例如求平均值，或者加权平均值等。
50.对于第五监测模块r5而言，a
‑
d是要发给其他监测模块的辅信息，d是自己的主信息。其他监测模块的原理同第五监测模块r5相同。
51.一个监测模块之所以能够计算多个信息，是因为在位置等计算中，所需要的数据，是能够获取的。下面具体说明计算过程。
52.需要注意的是，以上是针对多个监测模块协同工作的说明，但是并不限制所有实施例的监测模块都需要协同工作。一般的，距离较近的监测模块可以选择使用协同工作的方式。
53.当有反射物反射所述电磁波时，反射回波相比于工作电磁波具有差频，在上升周期内的差频为fb

；在下降周期内的差频为fb
‑
；需要注意，此处使用的差频是对应期间内的最大差频——如图1所示，只有在反射回波相比于工作电磁波都处于上升周期内，或者都处于下降周期内，才有最大差频，二者处于不同周期时，差频会逐步减小。下面计算所使用的即为最大差频，上升周期内的最大差频为fb

；下降周期内的最大差频为fb
‑
。
54.所述监测模块距离所述反射物之间的距离s为：
[0055][0056]
其中c为光速、b为工作电磁波的带宽。可见，在计算距离时，fb

和fb
‑
能够通过反射回波直接获取，c是已知值，t和b可以存贮在工作单元中。对于多个监测模块而言，可以预设其他监测模块的数据，可以是每个监测模块中的工作单元之间是可以通讯的，从而实时共享数据。
[0057]
综上，可以根据反射回波在上升周期和下降周期内，相对于工作电磁波的差异，计算得出反射物的与监测模块之间的距离。这里认为发射天线1的位置，即为监测模块的位置。因为接收天线2的数量并非一个，但是由于多个接收天线2之间的距离远远小于反射物的与监测模块之间的距离，因此由于两个接收天线之间的距离所产生的误差可以忽略。计算中，两个接收天线2获取的上升周期内的差频为fb

、在下降周期内的差频为fb
‑
可能存在差异，此时，将多个接收天线2的数据做平均值，也可以指定一个接收天线2的数据作为基础。
[0058]
上述的差频通过对反射回波可以使用傅里叶变换分析算法获取，也可以根据实际需求，采用其他方案获得。
[0059]
考虑到实际应用中，监测模块可能具有外壳，外壳具有一定的厚度，且与发射天线1之间存在一定的安装间隙，实际计算中，可以将该厚度和安装间隙作为调整参数x，计入上述距离，即：
[0060][0061]
考虑到反射物与发射天线1之间可能存在角度，因此调整参数x可能会有变化，实际应用中该变化较小，可以忽略。当然，在精确监测中，该变化也可以计入变化，这就需要考虑反射物的夹角位置，下文会具体说明发射物与所述发射天线1之间的夹角计算。
[0062]
实际上，发射物与所述发射天线1之间的夹角不仅用于提高监测的精度，还要用来确定反射物的具体位置。如果只计算反射物的与监测模块之间的距离，使用一个接收天线2即可，但是不能确定与发射天线1之间的角度，反射物的具体位置，就是一个环形区域，并不利于监测，因此使用至少两个接收天线2，就能够得到反射无的具体位置，下面就说明如何获取该角度。
[0063]
两个接收天线2之间的间隔距离为d；反射物与所述发射天线1之间的夹角为：
[0064][0065]
其中λ是所述反射回波的波长，为两个所述接收天线2之间的信号相位差。
[0066]
除了上述的位置、角度，还能得到反射物相对接收天线2的移动速度。
[0067][0068]
上述描述为反射物与发射天线1之间的关系，实际上即为反射物与监测模块之间的关系。监测模块的外壳，也仅对距离关系有影响，反射物与发射天线1之间的速度和角度关系，即为反射物与监测模块之间的速度和角度关系。
[0069]
参见下图1，图中示出了工作电磁波和反射回波的坐标图，工作电磁波以实线示出，反射回波以虚线示出。的工作电磁波的频宽b，在一个变化周期t中，频率由f升至f b，再降至f。
[0070]
当反射物发生相对运动时，反射回波则存在多普勒频移，在三角波的上升周期和下降周期分别可得到一个差频，如图1所示，fb

为调制信号上升部分的差频，fb
‑
为调制信号下降部分的差频，差频可以通过对回波信号使用傅里叶变换分析算法得到。结合图1，可以看出差频随时间的变化，在工作电磁波和反射回波都处于上升周期或下降周期的时段内，差频是固定值，而当他们一个处于上升周期一个处于下降周期，则会出现差频变化。
[0071]
当探测范围内有多个目标(即多个反射物)时，由于回波时延的不同，会获得多个频率不同的反射回波。可以使用傅里叶变换分析算法对包含多个单频信号的反射回波加以处理，产生一个具有不同分离峰值的频谱，每个峰值表示在特定距离处存在一个反射物，从而可以分辨出不同的距离的反射物。
[0072]
接收天线2的个数大于等于2个时，反射物反射到每个接收天线的信号幅度和相位
都有差异，通过比较每个接收天线捕获的信号，可以得到反射物的方向角。
[0073]
以两个接收天线为例，发射天线1与两个接收天线2位于同一水平线上，两个个接收天线间距为d。发射天线1向空间发射一组工作电磁波，该工作电磁波在某一角度经反射物反射后被两个接收天线2接收，因为监测模块的尺寸小，发射天线1、接收天线2之间的距离一般是毫米级别，远远小于反射物距离监测模块距离，因此近似的认为反射物与发射天线1的夹角、反射物与接收天线2的夹角、反射物与监测模块的夹角同是θ。
[0074]
继续参见图2，两个接收天线2中，距离反射物较远的一个，接收到的反射回波相对而言传播了额外的距离，由于两个接收天线2与反射物的距离远大于两个接收天线2的间距d(如上述，该间距d是毫米级别一般可以是3
‑
5毫米)，可近似认为两个接收天线2接收到的反射回波是彼此平行传播的，则可以得到较远接收天线2收到的反射回波，额外传播的距离是dsinθ。此额外传播距离差会导致反射回波的相位发生变化，传播至不同接收天线2的距离差也可通过对应回波信号的相位差来表示，根据上述关系可获得反射物方向角与相位差之间的计算式：
[0075][0076]
其中λ是信号波长，为两个接收天线2之间的信号相位差，均是已知值或测量值。而当接收天线的个数多于2个时可以获得更高的方向角精度。
[0077]
在返回上述提到“考虑到反射物与接收天线2之间可能存在角度，因此调整参数x可能会有变化”的问题，在获取该角度后，监测模块距离所述反射物之间的距离s可以更精确的计算为：
[0078][0079]
再说回无线充电工作，一般还具有通信控制单元，将功率发射线圈和功率接收线圈之间的位置关系通过无线通信发送给电动汽车，由电动汽车的泊车控制系统或者车辆驾驶者根据线圈之间偏差值，操纵汽车使线圈之间尽量对准，并最终停泊在线圈对齐的可充电区域。当车辆泊车完成后，监测模块可以测量出功率发射线圈和功率接收线圈之间的偏差是否在工作范围内，如引导对齐完成，无线充电系统可以开始执行正常的充电流程。
[0080]
在充电过程开启后，为了防止在充电过程中有动物或婴幼儿等进入保护区域，无线充电系统一般需要配置生物体保护功能。所述保护区域对于电动汽车一般是指功率接收线圈安装位置所在的汽车底盘下方的部分区域，保护区域是指功率发射线圈和功率接收线圈之间功率传输磁场所构成的空间，以及功率传输磁场向外延伸的区域，在此区域内电磁场强度会超过人体曝露的限值。
[0081]
如下图4所示，保护区域为下方虚线方框内的区域，以配置区域一侧的第一监测模块r1为例，为实现生物体保护功能，保护区域方框两个角a、b与安装位置c构成的∠acb，第一监测模块r1的探测角度应大于等于∠acb，探测区域需覆盖∠acb所在区域，如一个监测模块不能满足上述条件，则可以增加探测模块的数量。同理在保护区域另外三侧配置第二监测模块r2到第五监测模块r5及探测角度，使物体进入到保护区域的路径都能被监测模块的探测区域所覆盖，并能同时满足前述引导对齐的功能。
[0082]
在充电过程中，各个监测模块不断发射毫米电磁波即上述的工作电磁波。探测范围内的目标物体(即反射物)的速度、距离和角度，当发现有活动物体(即上述移动速度v不等于0)，根据与监测模块的距离和角度判断已进入到保护区域范围内，则停止无线充电过程，并发出报警信息，使车主或工作人员做出清理或驱离生物体的动作。当充电中断后且并没有车主或工作人员响应报警信号，监测模块继续检测保护区域内的目标物体，跟踪目标物体的轨迹，当判断生物体已经离开保护区域，则可以恢复中断的充电过程。而生物体检测的过程中，系统根据与目标物体的距离和角度，判断活动物体是否处于保护区域之外，如有人在电动汽车车侧正常经过或停留，则系统继续维持充电过程。
[0083]
生物体检测也可以在电动汽车引导对齐之前实施，在充电之前持续检测保护区域内是否有目标物体进入，如发现有生物体则提前清理后再开始或继续引导对齐过程。
[0084]
从图4中我们可以知晓，这种布置在生物体监测中可能存在一定的盲区，但是对于一般环境而言，其覆盖了保护区域外周，从保护区域之外侵入的生物体是可以被发现的。在不考虑设备的成本的前提下，可以设置更多的监测模块，就可以将全部范围覆盖。
[0085]
另外，需要注意的是，本技术提到了“生物体”包括了婴儿、动物等可以活动的生物体，进入到监测模块的工作范围内。也可以包括非生物体，因为气流、外力等原因进入监测模块的工作范围内，例如被风吹动金属罐，同样也可以被检测到，而这些物体一般可以根据大小、轨迹和移动速度等信息来分辨。
[0086]
在其他实施例中，可以如图5所示，改变工作朝向，这样虽然可以覆盖功率发射线圈所在区域，但是有可能降低保护区域内其他位置的覆盖。当然，无论哪种设置方式，通过增加监测模块，都能够提高覆盖范围。
[0087]
现有技术检测生物体侵入一般通过在功率发射线圈配置多个多普勒雷达实现，其原理是根据检测范围内物体活动所造成的多普勒频移效应探测生物体，这种检测方式没有距离检测和位置定位的功能，保护区域四个方向多普勒雷达配置不足，探测范围覆盖不够就会出现检测盲区，配置过多则会使部分雷达的探测范围超出保护区域，导致如有人正常从车侧经过等情况出现频繁误报、停机的情况，降低了无线充电的体验效果。
[0088]
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。