电动汽车充电口、充电枪及其控制方法与流程

1.本发明涉及电动汽车充电口和充电枪技术领域，具体为电动汽车充电连接机构及其控制方法。


背景技术：

2.电动汽车通常设有交流充电接口和/或直流充电接口，现有技术下交流充电枪与交流充电接口配合的插拔力约为100n，直流充电枪与直流充电接口配合的插拔力约为140n。较大的插拔力对用户充电操作不够友好，尤其是对于力气较弱的用户可能难以将充电枪插入设定位置进而导致充电失败。在地下停车场等光照条件较差的场景用户难以看清充电接口的形状和位置，进而可能无法顺利地手持充电枪对准充电接口；尤其是交直流组合式充电口，对于不熟悉交流充电接口和直流充电接口结构差异的用户需要花费额外的时间匹配充电接口并对准插枪。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供电动汽车充电连接机构及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：电动汽车充电连接机构及其控制方法，包括电动汽车和充电设备，所述充电设备通过电缆连接有充电枪，所述电动汽车上设有与充电枪连接的充电口ⅰ和充电口ⅱ，所述电动汽车内设有电池包，所述充电枪通过充电口ⅰ为电池包进行充电，所述充电口ⅰ上的法兰端设有多个配对的第一接触端子和第二接触端子，所述充电枪与第一接触端子和第二接触端子耦合连接，所述法兰端内置有第一磁铁，所述充电口ⅰ的基座内置有第二磁铁，所述充电枪上的耦合口内置有第三磁铁，以通过设定的磁场产生的吸引力或排斥力部分抵消或减小充电枪与充电口ⅰ配合的插拔阻力，所述充电口ⅰ内设有位置传感器，以探测充电枪在充电口ⅰ内的位置以及通过位置变化判定充电枪处于插入或拔出状态。
5.优选的，所述充电口ⅰ沿s轴线向分布有多层磁铁，所述充电口ⅰ的法兰端上的第一磁铁位于充电口ⅰ的外层，充电口ⅰ的左上方设有磁铁a，磁铁a的s极朝向充电枪，充电口ⅰ的左下方设有磁铁b，磁铁b的n极朝向充电枪，充电口ⅰ的右下方设有磁铁c，磁铁c的n极朝向充电枪，充电口ⅰ的右上方设有磁铁d，磁铁d的s极朝向充电枪。
6.优选的，与外层相对的充电口ⅰ内层绕着轴线s轴向分布有多个第二磁铁，充电口ⅰ的左上方设有磁铁e，磁铁e的s极朝向充电枪，充电口ⅰ的左下方设有磁铁f，磁铁f的n极朝向充电枪，充电口ⅰ的右下方设有磁铁g，磁铁g的n极朝向充电枪，充电口ⅰ的右上方设有磁铁h，磁铁h的s极朝向充电枪。
7.优选的，设有第一磁铁的充电口ⅰ和设有第三磁铁的充电枪相吸。
8.优选的，所述充电枪的左上方设有磁铁i，磁铁i的n极朝向充电口ⅰ，充电枪的左下方设有磁铁j，磁铁j的s极朝向充电口ⅰ，充电枪的右下方设有磁铁k，磁铁k的s极朝向充电
口ⅰ，充电枪的右上方设有磁铁l，磁铁l的n极朝向充电口ⅰ。
9.优选的，所述充电口ⅱ包括交流充电口ⅱ和直流充电口ⅱ，交流充电口ⅱ按照第一状态布置磁铁，直流充电口ⅱ按照与第一状态差异化的第二状态布置磁铁，交流充电枪设置的磁铁极性与第一状态的磁铁极性相反。
10.所述交流充电枪与交流充电口ⅱ磁性相吸，直流充电枪与直流充电口ⅱ磁性相吸，所述充电枪插入充电口ⅰ内部后，所述充电枪的端面抵达充电口ⅰ的法兰端面完成耦合，第二磁铁的磁性强度根据充电枪位置实时调整，进而充电枪拔出过程的操作力平稳而不会急剧变化。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.该种方法引导充电枪便捷地对准充电口，对于光照条件较差的场景尤其有利；2.电动汽车上的交直流组合充电口可以通过差异化的磁铁设置，引导用户正确地选用充电口并对准插枪，而不需要依赖良好的视线条件下完成，也不需要用户对充电口有更深的研究；3.电动汽车根据充电枪在充电口内不同的位置以及插入/拔出状态调整第二磁铁的极性、磁性强度，从而实现在充电枪插入或拔出时都可以减小操作力，且操作力平稳而不会急剧变化。
附图说明
12.图1为电动汽车充电示意图；图2为电动汽车充电口示意图；图3为图2中a-a剖面视图；图4为图3中b-b剖面视图；图5为图3中c-c剖面视图；图6为充电枪结构示意图；图7为图6中d-d剖面视图；图8为图7中e-e剖面视图；图9为图1中充电口区域局部放大示图；图10为图9中f-f剖面视图；图11为图10中g-g剖面视图；图12为充电枪未对准充电口状态示意图；图13为充电枪与充电口相位偏差状态示意图；图14为充电枪即将插入充电口状态示意图；图15、图16、图17和图18示意充电枪相对充电口的不同相对位置；图19为另一实施例充电口示意图。
13.附图标记中：1、电动汽车；11、电池包；12、充电口ⅰ；13、充电口
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；13a、交流充电口ⅱ；13b、直流充电口ⅱ；121、法兰端；122、第一接触端子；123、第二接触端子；124、位置传感器；125、法兰端面；2、充电枪；21、耦合口；22、端面；3、电缆；4、充电设备；5、第一磁铁；51、磁铁a；52、磁铁b；53、磁铁c；54、磁铁d；6、第二磁铁；61、磁铁e；62、磁铁f；63、磁铁g；64、磁铁h；7、第三磁铁；71、磁铁i；72、磁铁j；73、磁铁k；74、磁铁l。
具体实施方式
14.下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底部”和“顶部”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
15.如图1、图2和图3，本发明提供一种技术方案：电动汽车充电连接机构及其控制方法，包括电动汽车1和充电设备4，充电设备4通过电缆3连接有充电枪2，电动汽车1上设有与充电枪2连接的充电口ⅰ12和充电口ⅱ13，电动汽车1内设有电池包11，充电枪2通过充电口ⅰ12为电池包11进行充电，充电口ⅰ12包括交流充电口ⅰ和直流充电口ⅰ，充电口ⅰ12上的法兰端121设有多个配对的第一接触端子122和第二接触端子123，充电枪2与第一接触端子122和第二接触端子123耦合连接，法兰端121内置有第一磁铁5，充电口ⅰ12的基座内置有第二磁铁6，充电枪2上的耦合口21内置有第三磁铁7，以通过设定的磁场产生的吸引力或排斥力部分抵消或减小充电枪2与充电口ⅰ12配合的插拔阻力，充电口ⅰ12内设有位置传感器124，以探测充电枪2在充电口ⅰ12内的位置以及通过位置变化判定充电枪2处于插入或拔出状态。
16.位置传感器124可以为超声波传感器，位置传感器124通过反射超声波至接受到充电枪2的枪头23反射回来的超声波之间的时间差测量充电枪2的位置并通过位置的变化状态判定充电枪2处于插入或拔出状态。
17.位置传感器124也可以通过光学地测量充电口ⅰ12与充电枪2的距离及距离变化状态进而识别充电枪2的位置以及插入/拔出状态。
18.如图2、图3、图4、图5、图14，充电口ⅰ12沿s轴线向分布有多层磁铁，充电口ⅰ12的法兰端121上的第一磁铁5位于充电口ⅰ12的外层，充电口ⅰ12的左上方设有磁铁a51，磁铁a51的s极朝向充电枪2，充电口ⅰ12的左下方设有磁铁b52，磁铁b52的n极朝向充电枪2，充电口ⅰ12的右下方设有磁铁c53，磁铁c53的n极朝向充电枪2，充电口ⅰ12的右上方设有磁铁d54，磁铁d54的s极朝向充电枪2，磁铁a51的偏移角度a与磁铁e61的偏移角度h相同，磁铁b52的偏移角度b与磁铁f62的偏移角度k相同，磁铁c53的偏移角度c与磁铁g63的偏移角度m相同，磁铁d54的偏移角度d与磁铁h64的偏移角度n相同，充电枪2在充电口ⅰ12中沿着轴线s运动需要插入一定深度才达到设定的连接状态，即充电枪2从充电口ⅰ12法兰端121插入依次受到第一磁铁5和第二磁铁6的磁场作用力。作为一种改进方案，第二磁铁为电磁铁，即第二磁铁6的磁性强度可以通过控制电流变化、第二磁铁6的极性可以通过控制电流方向而调整。
19.与外层相对的充电口ⅰ12内层绕着轴线s轴向分布有多个第二磁铁6，充电口ⅰ12的左上方设有磁铁e61，磁铁e61的s极朝向充电枪2，充电口ⅰ12的左下方设有磁铁f62，磁铁f62的n极朝向充电枪2，充电口ⅰ12的右下方设有磁铁g63，磁铁g63的n极朝向充电枪2，充电口ⅰ12的右上方设有磁铁h64，磁铁h64的s极朝向充电枪2。
20.如图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，充电枪2的耦合口21内部设有第三磁铁7，多个第三磁铁7围绕耦合口21的轴线v周向分布，磁铁i71沿着轴线v偏移角度α4，磁铁j72沿着轴线v偏移角度α3，磁铁k73沿着轴线v偏移角度α2，磁铁l74沿着轴线v偏移角度α1；结合图12看，充电枪2的左上方设有磁铁i71，磁铁i71的n极朝向充电口ⅰ12；充电枪2的左下方设有磁铁j72，磁铁j72的s极朝向充电口ⅰ12；充电枪2的右下方设有磁铁k73，磁铁k73的s极朝向
充电口ⅰ12；充电枪2的右上方设有磁铁l74，磁铁l74的n极朝向充电口ⅰ12；充电枪2插入充电口ⅰ12时充电口ⅰ12的轴线s与充电枪2的轴线v重合/同轴，至充电枪2的端面22抵达充电口ⅰ12的法兰端面125则完成耦合。磁铁i71的偏移角度α4与磁铁e61的偏移角度h相同，磁铁j72的偏移角度α3与磁铁f62的偏移角度k相同，磁铁k73的偏移角度α2与磁铁g63的偏移角度m相同，磁铁l74的偏移角度α1与磁铁h64的偏移角度n相同。即充电枪2插入充电口ⅰ12时，第三磁铁7分别与第一磁铁5、第二磁铁6径向对齐。
21.设有第一磁铁5的充电口ⅰ12和设有第三磁铁7的充电枪2相吸。
22.充电枪2的左上方设有磁铁i71，磁铁i71的n极朝向充电口ⅰ12，充电枪2的左下方设有磁铁j72，磁铁j72的s极朝向充电口ⅰ12，充电枪2的右下方设有磁铁k73，磁铁k73的s极朝向充电口ⅰ12，充电枪2的右上方设有磁铁l74，磁铁l74的n极朝向充电口ⅰ12，充电枪2靠近充电口ⅰ12时，充电口ⅰ12左上方的磁铁a51会吸引充电枪2左上方的磁铁i71、充电口ⅰ12左下方的磁铁b52会吸引充电枪2左下方的磁铁j72、充电口ⅰ12右下方的磁铁c53会吸引充电枪2右下方的磁铁k73、充电口ⅰ12右上方的磁铁d54会吸引充电枪2右上方的磁铁l74；上述第一磁铁5和第三磁铁7之间的吸引力f1、f2、f3、和f4的合力驱动充电枪2沿着路径p1运动，可以理解上述效果有利于引导充电枪2自动对准充电口ⅰ12，即使充电枪2相对充电口ⅰ12处于偏移/角度倾斜/相位偏差的位置，上述设置在充电口ⅰ12的第一磁铁5和设置在充电枪2的第三磁铁7造成的磁吸引力会引导充电枪2靠近/贴合充电口ⅰ12的设定位置。显然，上述方法可以辅助充电枪2自动对准充电口ⅰ12，而不需要建立在良好的视线条件下，这对于光照条件较差的场景尤其有利，磁力辅助定位有利于充电枪2在盲操作下顺利对准、插入充电口ⅰ12。
23.磁铁a51与磁铁i71相吸，磁铁b52与磁铁j72相吸，磁铁c53与磁铁k73相吸，磁铁d54与磁铁l74相吸。
24.充电枪2插入充电口ⅰ12内部后，充电枪2的端面22抵达充电口ⅰ12的法兰端面125完成耦合。
25.如图2、图3、图4、图5、图13，充电枪2靠近充电口ⅰ12时，第一磁铁5和第三磁铁7之间的磁场的吸引力引导充电枪2的左上方对准充电口ⅰ12的左上方、充电枪2的右下方对准充电口ⅰ12的右下方；如图13，即使手持充电枪2的初始姿态偏离以上正确对准状态，偏离状态可以是充电枪2绕着轴线s或v旋转了角度β，磁铁a51对磁铁i71存在吸引力f5，磁铁b52对磁铁j72存在吸引力f6，磁铁c53对磁铁k73存在吸引力f7，磁铁d54对磁铁l74存在吸引力f8，上述吸引力f5、f6、f7和f8的合力驱动充电枪2沿着轴线v按照路径p2旋转角度β。磁场的吸引力可以引导充电枪2旋转一定角度至上述充电枪2的耦合口21与充电口ⅰ12的法兰端121正确对准状态，充电口ⅰ12和充电枪2对应位置的磁铁极性相反，磁场的吸引力引导充电枪2靠近充电口ⅰ12；充电口ⅰ12周向的第一磁铁5呈不同极性地布置，充电枪2周向的第三磁铁7呈不同极性地布置，有利于在充电枪2相对充电口ⅰ12角度倾斜或相位偏差时校正充电枪2的位置驱动其调整至正确的空间姿态与充电口ⅰ12匹配。
26.如图14所示，充电枪2的耦合口21即将插入充电口ⅰ12，磁铁a51对磁铁i71施加吸引力f9，磁铁c53对磁铁k73施加吸引力f10，另外磁铁b52对磁铁j72的吸引力、磁铁d54对磁铁l74的吸引力未示出。磁铁e61对磁铁i71施加吸引力f11，磁铁g63对磁铁k73施加吸引力f12，另外磁铁f62对磁铁j72的吸引力、磁铁h64对磁铁l74的吸引力未示出。以上吸引力的
合力为充电枪2沿着路径p3运动提供助力作用，减小充电枪2插入充电口ⅰ12所需要的操作力。位置传感器124探测充电枪2的距离l1识别充电枪2的位置，进而电动汽车1根据充电枪2的位置调整第二磁铁6的磁性强度和磁场方向，进而实现对充电枪2施加预期的吸引力。容易理解的是，l1随着时间变化变小侧充电枪2为插入状态，l1随着时间变化侧充电枪2为拔出状态，位置传感器124以一定频率测量距离l1可以灵敏地探测l1的变化，例如位置传感器124的测量频率可以为100hz。
27.如图15所示，充电枪2的耦合口21插入至充电口ⅰ12，磁铁a51对磁铁i71施加排斥力f15，磁铁c53对磁铁k73施加排斥力f16，另外磁铁b52对磁铁j72的排斥力、磁铁d54对磁铁l74的排斥力未示出。磁铁e61对磁铁i71施加吸引力f13，磁铁g63对磁铁k73施加吸引力f14，另外磁铁f62对磁铁j72的吸引力、磁铁h64对磁铁l74的吸引力未示出。位置传感器124探测充电枪2的距离l2识别充电枪2的位置和插入/拔出状态，进而电动汽车1根据充电枪2的位置调整第二磁铁6的磁性强度和磁场方向，进而实现对充电枪2施加预期的吸引力或排斥力。当充电枪2为插入状态，第二磁铁6对第三磁铁7的吸引力克服第一磁铁5对第三磁铁7的排斥力，磁场作用力的合力为充电枪2沿着路径p4运动提供助力作用。当识别充电枪2为拔出状态，第二磁铁6对第三磁铁7的吸引力弱于第一磁铁5对第三磁铁7的排斥力，或者控制第二磁铁6的南北极对调以实现第二磁铁6对第三磁铁7施加排斥力，目的是磁场作用力的合力为充电枪2沿着与路径p4相反的方向运动提供合适的助力作用。
28.如图16所示，随着充电枪2进一步插入充电口ⅰ12，第三磁铁7运动至与第一磁铁5居中对齐位置，即第一磁铁5对第三磁铁7两端的排斥力平衡、在沿着轴线v方向无吸引力或排斥力作用；磁铁e61对磁铁i71施加吸引力f17，磁铁g63对磁铁k73施加吸引力f18，另外磁铁f62对磁铁j72的吸引力、磁铁h64对磁铁l74的吸引力未示出。位置传感器124探测充电枪2的距离l3识别充电枪2的位置和插入/拔出状态，进而电动汽车1根据充电枪2的位置调整第二磁铁6的磁性强度和磁场方向，进而实现对充电枪2施加预期的吸引力或排斥力。当充电枪2为插入状态，第二磁铁6对第三磁铁7的吸引力为充电枪2沿着路径p5运动提供助力作用，且助力的大小可以通过控制第二磁铁6的电流大小而调节。当识别充电枪2为拔出状态，则控制第二磁铁6的南北极对调（与图16所示极性相反）以实现第二磁铁6对第三磁铁7施加排斥力，目的是磁场作用力的合力为充电枪2沿着与路径p5相反的方向运动提供合适的助力作用，且第二磁铁6对第三磁铁7的排斥力大小可以通过控制第二磁铁6的电流大小而调节。
29.如图17所示，充电枪2进一步插入充电口ⅰ12，磁铁a51对磁铁i71施加排斥力f21，磁铁c53对磁铁k73施加排斥力f22，另外磁铁b52对磁铁j72的排斥力、磁铁d54对磁铁l74的排斥力未示出。磁铁e61对磁铁i71施加吸引力f19，磁铁g63对磁铁k73施加吸引力f20，另外磁铁f62对磁铁j72的吸引力、磁铁h64对磁铁l74的吸引力未示出，位置传感器124探测充电枪2的距离l4识别充电枪2的位置和插入/拔出状态，进而电动汽车1根据充电枪2的位置调整第二磁铁6的磁性强度和磁场方向，进而实现对充电枪2施加预期的吸引力或排斥力。图示状态充电枪2为插入状态，第二磁铁6对第三磁铁7的吸引力以及第一磁铁5对第三磁铁7的排斥力共同作用为充电枪2沿着路径p6运动提供助力作用，且助力的大小可以通过控制第二磁铁6的电流大小而调节。当识别充电枪2为拔出状态，则控制第二磁铁6的南北极对调（与图17所示极性相反）以实现第二磁铁6对第三磁铁7施加排斥力，目的是第二磁铁6对第
三磁铁7的排斥力克服/抵消第一磁铁5对第三磁铁7的排斥力、磁场作用力的合力为充电枪2沿着与路径p5相反的方向运动提供合适的助力作用，且第二磁铁6对第三磁铁7的排斥力大小可以通过控制第二磁铁6的电流大小而调节。
30.如图18所示，充电枪2进一步插入充电口ⅰ12，至充电枪2的端面22抵达充电口ⅰ12的法兰端面125完成耦合。充电枪2维持在耦合位置可以控制第二磁铁6的线圈电流为零，即第二磁铁6为无磁性状态。位置传感器124探测充电枪2为拔出状态时，则控制第二磁铁6的南北极对调（与图18所示极性相反）以实现第二磁铁6对第三磁铁7施加排斥力，目的是第二磁铁6对第三磁铁7的排斥力与第一磁铁5对第三磁铁7的吸引力共同作用下的合力为充电枪2从充电口ⅰ12拔出提供合适的助力作用，且第二磁铁6对第三磁铁7的排斥力大小可以通过控制第二磁铁6的电流大小而调节。
31.如图19，作为另一种实施方案，交直流组合充电口ⅱ13可以在交流充电口ⅱ13a区域按照第一状态布置磁铁，直流充电口ⅱ13b区域按照与第一状态差异化的第二状态布置磁铁；交流充电枪设置的磁铁极性与第一状态的磁铁极性相反，即交流充电枪与交流充电口ⅱ13a磁性相吸地设置；直流充电枪设置的磁铁极性与第二状态的磁铁极性相反，即直流充电枪与直流充电口ⅱ13b磁性相吸地设置；手持交流充电枪靠近交流充电口ⅱ13a会受到磁吸引力引导对准交流充电口ⅱ13a，相反地手持交流充电枪靠近直流充电口ⅱ13b会收到明显的磁排斥力；手持直流充电枪靠近直流充电口ⅱ13b会受到磁吸引力引导对准直流充电口ⅱ13b，相反地手持直流充电枪靠近交流充电口ⅱ13a会收到明显的磁排斥力；由此在光照条件较差的场景或者对于不熟悉交流充电口ⅱ13a和直流充电口ⅱ13b结构差异的用户则不需要花费额外的时间观察、匹配充电接口并对准插枪。
32.已知两个磁性强度不变的磁铁之间的磁力会随着两个磁铁之间的距离变化呈非线性变化，而两个磁铁中的一个或两个磁性强度可变则随着两个磁铁之间的距离变化时可通过调节磁性强度使得两个磁铁间的磁力可控，第一磁铁5和第二磁铁6配合工作，电动汽车1根据充电枪2在充电口ⅰ12内不同的位置以及插入/拔出状态调整第二磁铁6的极性、磁性强度，达到的效果是充电枪2插入充电口ⅰ12时辅助磁力的方向为充电枪插入方向；举例来说，交流充电枪与交流充电口配合的机械摩擦阻力为100n，如交流充电枪插入交流充电口过程交流充电口对交流充电枪的磁场吸引力为60n，则只需要对交流充电枪施加40n的力即可顺利地插入交流充电口；且得益于第二磁铁的磁性强度根据充电枪位置实时调整，进而充电枪插入过程的操作力平稳而不会急剧变化；充电枪从电动汽车充电口拔出时辅助磁力的方向为充电枪拔出方向，举例来说，交流充电枪与交流充电口配合的机械摩擦阻力为100n，如从交流充电口拔出交流充电枪过程交流充电口对交流充电枪的磁场排斥力为60n，则只需要对交流充电枪施加40n的力即可顺利地从交流充电口中拔出；且得益于第二磁铁的磁性强度根据充电枪位置实时调整，进而充电枪拔出过程的操作力平稳而不会急剧变化。第二磁铁6可以被构造为电磁铁，第二磁铁6的磁性强度可以通过控制电流的大小而变化、第二磁铁6的极性可以通过控制电流方向而调整，上述电流的大小和电量方向的随着充电枪2的位置及运动方向的具体调整方案可以通过试验或标定方式得出，进一步地电动汽车1根据预设的程序调整第二磁铁6的磁性强度和磁场方向，进而实现减小充电枪2插入/拔出过程的操作力并且维持上述操作力的稳定性。
33.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以
理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。