CN103872794B - 电动观光车电磁共振式无线电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种旅游观光定点运行电动观光车电磁共振式无线电能传输系统，包括设置在停车充电点的无线电能发射电路和安装在电动观光车上的无线电能接收电路；所述无线电能发射电路包括高频变换电源和无线发射天线谐振回路；无线电能接收电路包括依次连接的无线接收天线谐振回路、高频整流电路、电容组、电机调速模块，还包括接收端电压电流检测电路。本发明采用大功率、低频高效定点运行超级电容储能电动汽车电磁共振式无线快速充电的设计技术，开关器件采用常规的IGBT。对于旅游观光定点运行电动汽车，采用超级电容储能，高速定点充电，减小储能容量，达到减小体积、减少重量和减少成本的目标。

Description

电动观光车电磁共振式无线电能传输系统

技术领域

本发明涉及电动观光车电磁共振式无线电能传输系统，尤其是旅游观光定点运行电动观光车电磁共振式无线电能传输系统。

背景技术

电动汽车无线充电采用无接触电能传输技术，目前常用的三种无线充电技术：无线电波式或微波式、电磁感应式以及电磁共振式。无线电波式，由于磁通向空间全方位辐射，能够接收的功率很小；微波方式，容易对通信造成干扰，能量束难以集中，定向性差，传输效率低；电磁感应式通过磁场耦合感应相联系，但传输距离较短，多在mm级；电磁共振式，采用两个相同频率谐振电路，利用磁场通过近场传输，辐射小，具有方向性，中等距离传输，传输效率较高。电磁共振式无线充电为低耦合系数下高效能量传输提供了全新的思路。相对于感应式移动充电系统，共振式的传输距离更远，可达到几米，且可实现空间全方位的电能传输。目前采用MHz的工作频率，传输电能在几百瓦，离实用化还有很大的距离。电磁共振式无线充电因为效率较高更适合电动汽车供电场合。目前常用的电能储能有铅酸蓄电池、锂电子电池和超级电容，由于超级电容使用寿命长、环境适应力强、充放电时间短效率高、能量密度高的显著特点，更适合定点运行电动汽车储能。

发明内容

本发明结合旅游观光电动汽车大功率应用需求，提出一种旅游观光定点运行电动观光车电磁共振式无线电能传输系统，对于定点运行电动汽车，采用超级电容储能，高速定点充电，减小储能容量，达到减小体积、减少重量和减少成本的目标。

按照本发明提供的技术方案，所述电动观光车电磁共振式无线电能传输系统包括设置在停车充电点的无线电能发射电路和安装在电动汽车上的无线电能接收电路；所述无线电能发射电路包括高频变换电源和无线发射天线谐振回路；所述无线发射天线谐振回路由无线发射线圈L1和谐振补偿电容C1串联构成；所述高频变换电源的主电路包括：三相整流电路的输出端连接单相逆变电路，单相逆变电路的输出端连接到无线发射天线谐振回路；高频变换电源的控制电路包括依次连接的发射端电压电流检测电路、锁相环频率跟踪电路、移相控制电路和逆变驱动电路；所述发射端电压电流检测电路的输入端连接到无线发射天线谐振回路，逆变驱动电路的输出端连接单相逆变电路，移相控制电路的输入端连接无线数据接收电路；所述无线电能接收电路包括依次连接的无线接收天线谐振回路、高频整流电路、电容组、电机调速模块，接收端电压电流检测电路的输入端连接到无线接收天线谐振回路；所述无线接收天线谐振回路由接收线圈L2、谐振补偿电容C2串联构成，所述电容组包括超级电容储能装置和连接在超级电容储能装置充电端的超级电容充电电压电流检测电路，所述接收端电压电流检测电路和超级电容充电电压电流检测电路的输出端连接无线数据发送电路。

进一步的，所述三相整流电路为6个二极管组成的二极管三相桥式整流电路，二极管三相桥式整流电路的两个输出端之间连接滤波电容C0，所述单相逆变电路由4个IGBT开关管和其反并联二极管组成，其中二极管VD1和二极管VD3阴极相连并连接三相整流电路的输出正极，二极管VD2和二极管VD4阳极相连并连接到三相整流电路的输出负极，二极管VD2阴极和二极管VD1阳极连接到电路节点a1，二极管VD4阴极和二极管VD3阳极连接到电路节点b1；输入三相交流电压Ua、Ub、Uc经二极管三相桥式整流电路和滤波电容C0变换成直流电压，经单相逆变电路变换成高频交流电压，从a1、b1点输出。

所述高频整流电路为4个二极管组成的单相高频整流桥电路。

所述超级电容储能装置由超级电容串进行并联组成。

本发明的优点是：采用无线充电代替有线充电，消除电源插头在插拔过程中产生的电火花，影响插头寿命和接触不良带来的麻烦，方便充电操作；采用降低无线电能传送频率，大大减小电磁辐射对环境的影响；采用超级电容储能可以在定点停车时实现快速充电。

附图说明

图1是电动观光车磁耦合谐振式无线充电运行示意图。

图2是本发明电路结构框图。

图3是高频变换电源主电路和发射天线谐振回路原理图。

图4是接收天线谐振回路和高频整流电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，所述电动观光车电磁共振式无线电能传输系统包括设置在多个停车充电点的无线电能发射电路和安装在电动汽车上的无线电能接收电路。

如图2所示，所述无线电能发射电路包括高频变换电源和无线发射天线谐振回路；所述无线发射天线谐振回路由无线发射线圈L1和谐振补偿电容C1串联构成；所述高频变换电源的主电路包括：三相整流电路的输出端连接单相逆变电路，单相逆变电路的输出端连接到无线发射天线谐振回路；高频变换电源的控制电路包括依次连接的发射端电压电流检测电路、锁相环频率跟踪电路、移相控制电路和逆变驱动电路；所述发射端电压电流检测电路的输入端连接到无线发射天线谐振回路，逆变驱动电路的输出端连接单相逆变电路，移相控制电路的输入端连接无线数据接收电路。

所述无线电能接收电路包括依次连接的无线接收天线谐振回路、高频整流电路、电容组、电机调速模块，接收端电压电流检测电路的输入端连接到无线接收天线谐振回路；所述无线接收天线谐振回路由接收线圈L2、谐振补偿电容C2串联构成，所述电容组包括超级电容储能装置和连接在超级电容储能装置充电端的超级电容充电电压电流检测电路，所述接收端电压电流检测电路和超级电容充电电压电流检测电路的输出端连接无线数据发送电路。

发射端和接收端的电压电流检测电路使用串接在谐振回路中的电压传感器（电压检测元件）和电流传感器（电流检测元件）组成。

所述电机调速系统包括依次连接的转速检测模块、电动机控制器、电动机驱动器、无刷直流电动机，可使用常规的电动车电机调速系统。

如图1，所述多个停车充电点，其两点距离和电动汽车的运行功率决定每个充电点需要充电的电能能量。设两个停车充电点距离为L，电动汽车的运行功率为Pe，平均运行速度为v，则运行时间t=L/v，电动汽车充电点最少需要的充电电能为W=Pe*t。充电点要求的充电时间tc小于运行时间t，则充电功率为Pc=W/tc。所述充电点的电磁共振式无线电能发射电路中，高频变换电源将三相交流输入电压变换为高频交流方波电压，其频率跟踪无线发射谐振频率，无线发射天线谐振回路将高频变换电源输出的高频电压通过磁耦合串联谐振方式发射。所述安装在电动汽车上的电磁共振式无线电能接收电路中，无线接收天线谐振回路通过串联谐振接收电能，高频整流滤波电路将接收谐振回路的高频电压变换成直流电压，给电容组充电，电容组同时起到滤波的作用。电机调速系统控制电容组输出的电压，调节电动机的转速。控制电路包括接收端电压电流检测回路和电容组电压电流检测回路。

如图2，所述高频变换电源中，三相交流输入电压经整流电路变换成直流电压，全桥逆变电路将直流电压变换成可控的高频交流电压，发射端电压电流检测电路检测逆变器输出电压和电流，通过锁相环频率跟踪电路、移相控制电路和逆变驱动电路控制逆变器的输出电压和频率；所述无线发射天线谐振回路中发射线圈L1和谐振补偿电容C1组成串联谐振回路，将逆变器输出的电能通过电磁耦合发射；所述安装在电动汽车上的电磁共振式无线电能接收电路中，接收线圈L2和谐振补偿电容C2组成串联谐振回路接收电能，高频整流滤波电路将接收谐振回路的高频电压变换成直流电压，给电容组充电，电容组同时起到滤波的作用。电机调速系统控制电容组输出的电压，调节电动机的转速。控制电路包括接收端电压电流检测回路和电容组电压电流检测回路。

如图3所示，所述高频变换电源中三相整流电路为6个二极管D1-6组成的二极管三相桥式整流电路，二极管三相桥式整流电路的两个输出端之间连接滤波电容C0，所述单相逆变电路由4个IGBT开关管和其反并联二极管组成，其中二极管VD1和二极管VD3阴极相连并连接三相整流电路的输出正极，二极管VD2和二极管VD4阳极相连并连接到三相整流电路的输出负极，二极管VD2阴极和二极管VD1阳极连接到电路节点a1，二极管VD4阴极和二极管VD3阳极连接到电路节点b1。

输入三相交流电压Ua、Ub、Uc经二极管D1-6组成的二极管三相桥式整流电路和滤波电容C0变换成直流电压，经IGBT开关管VT1、VT2、VT3、VT4和其反并联二极管VD1、VD2、VD3、VD4组成的单相逆变电路变换成高频交流电压，从a1、b1点输出。逆变器从a1、b1点输出的直流电压，连接到由发射线圈L1和谐振补偿电容C1组成谐振回路的输入端L1a和L1b；无线发射天线谐振回路将逆变器a1、b1点的交流电压，通过由发射线圈L1和谐振补偿电容C1组成谐振回路发射电能。

如图4所示，安装在电动观光车上的无线电能接收电路包括由接收线圈L2和谐振补偿电容C2组成谐振接收回路、由二极管Dr1-4组成的单相高频整流桥电路、超级电容储能装置。

由接收线圈L2和谐振补偿电容C2组成谐振回路，通过电磁耦合接收来自发射线圈传输的电能，通过a2、b2连接点输出；单相高频整流桥电路将输入端a2、b2点的交流电压通过由二极管Dr1-4组成的单相整流电路变换成直流电压；超级电容储能装置由多个超级电容串并联组成，超级电容储能装置起到滤波作用。

本发明采用常规的电子开关器件可以实现对电动观光车超级电容无线快速充电。采用大功率、低频高效定点运行超级电容储能电动汽车电磁共振式无线快速充电的技术，开关器件采用常规的IGBT管。

Claims (4)

1.电动观光车电磁共振式无线电能传输系统，其特征是：包括设置在停车充电点的无线电能发射电路和安装在电动观光车上的无线电能接收电路；所述无线电能发射电路包括高频变换电源和无线发射天线谐振回路；所述无线发射天线谐振回路由无线发射线圈L1和谐振补偿电容C1串联构成；所述高频变换电源的主电路包括：三相整流电路的输出端连接单相逆变电路，单相逆变电路的输出端连接到无线发射天线谐振回路；高频变换电源的控制电路包括依次连接的发射端电压电流检测电路、锁相环频率跟踪电路、移相控制电路和逆变驱动电路；所述发射端电压电流检测电路的输入端连接到无线发射天线谐振回路，逆变驱动电路的输出端连接单相逆变电路，移相控制电路的输入端连接无线数据接收电路；

所述无线电能接收电路包括依次连接的无线接收天线谐振回路、高频整流电路、电容组、电机调速模块，接收端电压电流检测电路的输入端连接到无线接收天线谐振回路；所述无线接收天线谐振回路由接收线圈L2、谐振补偿电容C2串联构成，所述电容组包括超级电容储能装置和连接在超级电容储能装置充电端的超级电容充电电压电流检测电路，所述接收端电压电流检测电路和超级电容充电电压电流检测电路的输出端连接无线数据发送电路。

2.根据权利要求1所述的电动观光车电磁共振式无线电能传输系统，其特征是，所述三相整流电路为6个二极管组成的二极管三相桥式整流电路，二极管三相桥式整流电路的两个输出端之间连接滤波电容C0，所述单相逆变电路由4个IGBT开关管和其反并联二极管组成，其中二极管VD1和二极管VD3阴极相连并连接三相整流电路的输出正极，二极管VD2和二极管VD4阳极相连并连接到三相整流电路的输出负极，二极管VD2阴极和二极管VD1阳极连接到电路节点a1，二极管VD4阴极和二极管VD3阳极连接到电路节点b1；输入三相交流电压Ua、Ub、Uc经二极管三相桥式整流电路和滤波电容C0变换成直流电压，经单相逆变电路变换成高频交流电压，从a1、b1点输出。

3.根据权利要求1所述的电动观光车电磁共振式无线电能传输系统，其特征是，所述高频整流电路为4个二极管组成的单相高频整流桥电路。

4.根据权利要求1所述的电动观光车电磁共振式无线电能传输系统，其特征是，所述超级电容储能装置由超级电容串并联组成。