CN103944243A - 一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，包括电能发射端与电能接收端。电能发射端中，通过PWM整流电路、高频逆变电路使电能发射线圈产生高频交变磁场，向电能接收端中安装在车辆上的电能接收线圈发送能量。进而通过整流电路与降压电路为动力电池进行充电。同时通过获取电能发射线圈与电能接收线圈的中心位置信息，进行对比后，对电能发射线圈位置进行调节，实现电能发射线圈与电能接收线圈间的对中。本发明的优点为：能够高效率的进行电能传输；同时，利用机械传动装置，在电动汽车停稳后进行双边电能传递线圈的精确对中，进一步提高电能传输效率。
Description
技术领域
本发明属于新能源汽车工程领域，涉及一种非接触充电装置，具体涉及一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置。
背景技术
电动汽车采用传统导线式充电方式时，带电导体裸露在外，容易产生火花，发生接触不良、触电等事故，给用户带来安全隐患。在雨雪等恶劣天气环境条件时，不适合采用导线接触式充电，会影响到电动公交车辆、环卫车辆等公共车辆的室外充电和正常运行。另外，在特殊环境下全天候使用的电动车辆，如电动机场摆渡大巴，在雨雪天气中也面临着充电难题。
对于电动汽车，为了保证较大的续驶里程就必须使用大容量的蓄电池，随之而来的问题是电动汽车成本的升高和乘用空间的减小。与传统充电方式相比，非接触充电技术避免了插拔充电接头、充电位置限制等一系列不利于因素，为电动汽车多次充电提供了保障。多次、快速的充电，为小容量蓄电池的使用提供了条件，增加电动汽车的续驶里程。同时还可以降低电动汽车的成本、为电动汽车提供更多的乘用空间。所以说，电动汽车普及的关键是非接触充电。目前，国内小功率的非接触产品已经较多的应用在手机等领域。应用于电动汽车充电的大功率非接触充电技术尚处于研究阶段，国内电动汽车非接触充电大规模应用处于空白状态。
发明内容
针对电动汽车充电，本发明提出了一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，本发明能够实现较大功率(5kW～20kW)的电动汽车非接触充电，且具有很高的电能传输效率(85％以上)。
本发明电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，包括电能发射端与电能接收端。
其中，电能发射端包括PWM整流电路、高频逆变电路、电能发射线圈、机械传动装置、MCU控制器A以及无线通信单元A。电能发射线圈下表面安装在机械传动装置上，通过机械传动装置调节电能发射线圈的水平位置。所述电能接收端包括整流电路、降压电路、电能接收线圈、动力电池、无线通信单元B以及MCU控制器B，均安装在电动车辆上。
上述电能发射端中，PWM整流电路通过电缆接入电网中，从电网中获得三相交流电能或单相交流电能，三相交流电能或单相交流电能通过PWM整流电路进行整流和升压，将三相交流电能或单相交流电能转化为电压可调的高压直流电能。PWM整流电路与高频逆变电路相连，将高压直流电能传输至高频逆变电路，通过高频逆变电路将高压直流电能转换为高频交流电。电能发射线圈与高频逆变电路相连；高频逆变电路将高频交流电输入电能发射线圈，高频交流电流输入电能发射线圈，由电能发射线圈产生和高频交流电相同频率的高频交变磁场，向电能接收端中电能接收线圈发送能量。
电能接收端中，电能接收线圈在电能发射线圈产生的高频交变磁场中，产生高频交流电流并输出至整流电路。电能接收线圈与整流电路连接，通过整流电路将高频电流转换为直流电能。整流电路与降压电路相连，降压电路与动力电池相连。整流电路将直流电能输出至降压电路，降压电路将直流电能的电压、电流转换为动力电池充电需要的电压、电流，传输至动力电池。
所述电能发射端中MCU控制器A与电能发射线圈、无线通信单元A及可触控显示终端相连。电能接收端中的MCU控制器B与电能接收线圈、无线通信单元B相连；MCU控制器A与MCU控制器B分别获取安装在电能发射线圈和电能接收线圈圆心上的传感器所采集的电能发射线圈和电能接收线圈的位置信息；随后MCU控制器B将所采集到的电能接收线圈圆心位置信息通过导线连接的方式发送至无线通信单元B，进而由无线通信单元B将位置信息发送给无线通信单元A，最终由无线通信单元A通过导线连接的方式将电能接收线圈圆心位置信息发送至MCU控制器A。MCU控制器A通过将电能发射线圈圆心和电能接收线圈圆心位置信息进行对比，控制机械传动装置运动，直至电能发射线圈圆心位置和电能接收线圈圆心位置一致。
本发明的优点在于：
1、本发明所提供了一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，所提出的电动汽车非接触充电装置在没有机械、电气连接的基础上，能够有效的完成电能的非接触传输；
2、本发明所提供的漏感补偿技术，通过采用双边串联电容对漏感进行补偿，解决了漏感过大影响电能传输效率的问题，电能传输效率可达85％以上；
3、本发明所提供的电能发射端线圈与电能接收线圈精确对中方法，通过控制机械传动装置实现电能发射端线圈与电能接收线圈的精确对中，减少因为双边线圈未能精确对中所引发的电能传输效率降低的问题，为系统高效率运行提供有力保障；
4、本发明提供了一种闭环控制方法，实现非接触充电系统变功率输出电能，提供恒流、恒压充电方式，保证动力电池充电过程的安全与稳定，有效提高动力电池使用寿命。
附图说明
图1为电动汽车感应式非接触充电装置整体结构及安装位置意图；
图2为电动汽车感应式非接触充电装置中电能发射端与电能接收端结构框图。
图中：
A-充电桩 B-电动汽车 C-地面
1-电能发射端 2-电能接收端 11-PWM整流电路
12-高频逆变电路 13-谐振电容C1 14a-电能发射线圈
14b-机械传动装置 15-MCU控制器A 16-无线通信单元A
17-可触控显示终端 21-谐振电容C2 22-整流电路
23-降压电路 24-电能接收线圈 25-动力电池
26-无线通信单元B 27-MCU控制器B
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明提供一种电动汽车B用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，包括电能发射端1与电能接收端2，如图1所示。
其中，电能发射端1包括PWM整流电路11、高频逆变电路12、谐振电容C113、电能发射线圈14a、机械传动装置14b、MCU控制器A15、无线通信单元A16以及可触控显示终端17。PWM整流电路11、无线通信单元A16、MCU控制器A15、高频逆变电路12与谐振电容C113均安装在充电桩A内；机械传动装置14b设置于地下；电能发射线圈14a下表面安装在机械传动装置14b上，上表面与地面C齐平。通过机械传动装置14b可调节电能发射线圈14a的水平位置。
电能接收端2包括谐振电容C221、整流电路、降压电路23、电能接收线圈24、动力电池25、无线通信单元B26以及MCU控制器B27，均安装在电动车辆上；其中，电能接收线圈24安装在电动车辆底盘上,其他部件可安装在车上任意位置。
上述电能发射端1中，PWM整流电路11通过电缆接入电网中，从电网中获得三相交流电能或单相交流电能，三相交流电能或单相交流电能通过PWM整流电路11进行整流和升压，将三相交流电能或单相交流电能转化为电压可调的高压直流电能，由此通过PWM整流电路输出电压调节较高时，在同功率的情况下可以减小电能发射端1的电流，从而降低电能在主电路中传输所造成的损耗。PWM整流电路11与高频逆变电路12相连，将高压直流电能传输至高频逆变电路12，通过高频逆变电路12将高压直流电能转换为高频交流电；电能发射线圈14a通过谐振电容C113与高频逆变电路12相连；高频逆变电路12将高频交流电输入电能发射线圈14a，高频交流电流输入电能发射线圈14a，由电能发射线圈14a产生和高频交流电相同频率的高频交变磁场，向电能接收端2中电能接收线圈24发送能量。
电能接收端2中，电能接收线圈24在电能发射线圈14a产生的高频交变磁场中，产生高频交流电流并输出至整流电路22。电能接收线圈24通过谐振电容C221与整流电路22连接，通过整流电路22将高频电流转换为直流电能。整流电路22与降压电路23相连，降压电路23与动力电池25相连；整流电路22将直流电能输出至降压电路23，降压电路23将直流电能的电压、电流转换为动力电池25充电需要的电压、电流，传输至动力电池25，实现对动力电池25的充电。
由于电能发射端线圈14a与电能接收端线圈24之间由于距离较大(>10cm)，二者之间的漏感会非常大，如果不采用谐振电容对漏感进行补偿，电能发射端1中高频逆变电路12输出的交流电无法在电能发射端线圈14a内形成足够大的电流，导致高频交变磁场强度非常小，使得电能接收线圈24无法接收到足够的电能，最终导致电能发射端1和电能接收端2之间能够传递的能量效率非常低，无法有效完成非接触输电的过程；因此，本发明中通过谐振电容C113和谐振电容C221实现电能发射线圈14a与电能接收线圈14a之间的漏感补偿；还可使得电能发射端1、电能接收端2均能获得较好的谐振补偿的效果，达到电能高效率传输的目的。
所述电能发射端1中MCU控制器A15与电能发射线圈14a、无线通信单元A16及可触控显示终端17相连。电能接收端2中的MCU控制器B27与电能接收线圈24、无线通信单元B26相连。在需要充电服务的电动汽车B停稳在电能发射线圈14a上方时，MCU控制器A15与MCU控制器B27分别获取安装在电能发射线圈14a和电能接收线圈24圆心上的传感器所采集的电能发射线圈14a和电能接收线圈24的位置信息，随后MCU控制器B27将所采集到的电能接收线24圈圆心位置信息通过导线连接的方式发送至无线通信单元B26，进而由无线通信单元B26将位置信息发送给无线通信单元A16，最终由无线通信单元A16通过导线连接的方式将电能接收线圈24圆心位置信息发送至MCU控制器A15。MCU控制器A15通过将电能发射线14a圈圆心和电能接收线圈24圆心位置信息进行对比，控制机械传动装置14b运动，直至电能发射线14a圈圆心位置和电能接收线圈24圆心位置一致，从而保证电能以最优效率进行传输。
在动力电池25进行非接触充电过程中，为保证动力电池25充电安全，应进行恒流或恒压充电，恒流或恒压充电过程中所需的充电功率都是实时变化的，这对非接触充电系统的输出功率提出了要求，需要非接触充电系统能够做到实时的变功率输出。因此，本发明中，MCU控制器A15还与高频逆变电路12、PWM整流电路11相连；MCU控制器B27与降压电路23相连。通过MCU控制器B27对降压电路23进行监控，采集降压电路23的输出的电压信号与电流信号，经过无线通信单元B26和无线通信单元A16将电压信号与电流信号传输至MCU控制器A15中，MCU控制器A15根据当前的动力电池25充电电流和充电电压与之前的充电电流和充电电压进行比较，通过调节PWM整流电路11的输出电压值大小，实现动力电池25充电电流和充电电压的稳定，使动力电池25能够保持恒流和恒压充电，达到动力电池25充电功率的要求。
所述可触控显示终端17设定电能发射端的电流和电压值，显示动力电池充放电电压和电流，电能传输效率，所述的电压值的设定由供电电网的电压值确定，电流值的设定由充电功率确定。
Claims (6)
1.一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，其特征在于：包括电能发射端与电能接收端；
其中，电能发射端包括PWM整流电路、高频逆变电路电能发射线圈、机械传动装置、MCU控制器A以及无线通信单元A；电能发射线圈下表面安装在机械传动装置上，通过机械传动装置调节电能发射线圈的水平位置；所述电能接收端包括整流电路、降压电路、电能接收线圈、动力电池、无线通信单元B以及MCU控制器B，均安装在电动车辆上；
上述电能发射端中，PWM整流电路通过电缆接入电网中，从电网中获得三相交流电能或单相交流电能，三相交流电能或单相交流电能通过PWM整流电路进行整流和升压，将三相交流电能或单相交流电能转化为电压可调的高压直流电能；PWM整流电路与高频逆变电路相连，将高压直流电能传输至高频逆变电路，通过高频逆变电路将高压直流电能转换为高频交流电；电能发射线圈与高频逆变电路相连；高频逆变电路将高频交流电输入电能发射线圈，高频交流电流输入电能发射线圈，由电能发射线圈产生和高频交流电相同频率的高频交变磁场，向电能接收端中电能接收线圈发送能量；
电能接收端中，电能接收线圈在电能发射线圈产生的高频交变磁场中，产生高频交流电流并输出至整流电路。电能接收线圈与整流电路连接，通过整流电路将高频电流转换为直流电能；整流电路与降压电路相连，降压电路与动力电池相连；整流电路将直流电能输出至降压电路，降压电路将直流电能的电压、电流转换为动力电池充电需要的电压、电流，传输至动力电池；
所述电能发射端中MCU控制器A与电能发射线圈、无线通信单元A及可触控显示终端相连。电能接收端中的MCU控制器B与电能接收线圈、无线通信单元B相连；MCU控制器A与MCU控制器B分别获取安装在电能发射线圈和电能接收线圈圆心上的传感器所采集的电能发射线圈和电能接收线圈的位置信息，随后MCU控制器B将所采集到的电能接收线圈圆心位置信息通过导线连接的方式发送至无线通信单元B，进而由无线通信单元B将位置信息发送给无线通信单元A，最终由无线通信单元A通过导线连接的方式将电能接收线圈圆心位置信息发送至MCU控制器A。MCU控制器A通过将电能发射线圈圆心和电能接收线圈圆心位置信息进行对比，控制机械传动装置运动，直至电能发射线圈圆心位置和电能接收线圈圆心位置一致。
2.如权利要求1所述一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，其特征在于：所述PWM整流电路、无线通信单元A、MCU控制器A、高频逆变电路与谐振电容C1均安装在充电桩A内。
3.如权利要求1所述一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，其特征在于：所述机械传动装置与电能发射线圈设置于地下；电能发射线圈上表面与地面齐平。电能接收线圈安装在电动车辆底盘上。
4.如权利要求1所述一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，其特征在于：所述电能发射线圈通过谐振电容C1与高频逆变电路相连；电能接收线圈通过谐振电容C2与整流电路连接。
5.如权利要求1所述一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，其特征在于：所述MCU控制器A还与高频逆变电路、PWM整流电路相连；MCU控制器B与降压电路相连；通过MCU控制器B对降压电路进行监控，采集降压电路的输出的电压信号与电流信号，经过无线通信单元B和无线通信单元A将电压信号与电流信号传输至MCU控制器A中，MCU控制器A根据当前的动力电池充电电流和充电电压与之前的充电电流和充电电压进行比较，通过调节PWM整流电路的输出电压值大小，实现动力电池充电电流和充电电压的稳定，使动力电池能够保持恒流和恒压充电。
6.如权利要求1所述一种电动汽车用带有精确对中功能的感应式非接触充电装置，其特征在于：还包括可触控显示终端，用来设定输入电压值与电流值，并能够显示动力电池充放电电压和电流，电能传输效率。
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