CN104753150A - 一种电动汽车行进式无线充电装置及其控制方法 - Google Patents

一种电动汽车行进式无线充电装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车行进式无线充电装置及其控制方法，装置包括整流器、若干个磁耦合谐振发射极组、车载谐振接收极，每个磁耦合谐振发射极组包括第一谐振发射极和第二谐振发射极。车载谐振接收极中包括分置于电动汽车前后两端的第一接收极、第二接收极。谐振电路的发射线圈截面为长条形，横向布置，车载谐振接收极中的接收线圈截面为长条形，竖向布置。两个接收极工作在互补状态，即当一个接收极处于磁耦合谐振发射极组高效发射范围时，工作于谐振输电状态，另一个接收极则工作于对上述接收极进行补偿的状态。本发明通过结构和控制策略的合理设计，实现电动汽车的行进间连续高效无线充电。

Description

一种电动汽车行进式无线充电装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车行进间的无线充电技术研究领域，特别涉及一种电动汽车行进式无线充电装置及其控制方法。
背景技术
现有的针对电动汽车的无线充电技术，大致分为两类，一类是采用磁感应式无线输电技术，该技术是应用麦克斯韦方程组所阐述的电磁场理论，即变化中的电场会产生变化磁场，同样变化磁场又会转变成变化电场。该技术对充电的间距很敏感，要求传输距离需要非常近，一般在数十毫米之内，属于气隙级别的传输方案，同时它对中性也要求严格。综合上述特点，磁感应式无线输电技术不能实现一般情况下的电动汽车行进间高效充电。另一类是采用基于共振原理的磁耦合谐振式无线输电技术。该技术虽然对距离和对中性要求不高，但要实现对电动汽车行进过程中充电仍存在以下问题：1)无线输电中进行充电，两线圈的互感会发生变化，谐振点会发生偏移；2)蓄电池的阻抗特性会随着存储电量不同而变化，同样会影响谐振点的保持；3)若要实现电动汽车在行进过程中不间断充电，线圈铺设的成本很高。
因此，寻求一种针对行进中的电动汽车能进行高效稳定的无线充电的装置及方法具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有的电动汽车无线充电技术中存在的不足，提出一种电动汽车行进式无线充电装置，该装置基于磁耦合谐振式无线充电技术，通过结构设计，实现电动汽车的行进间能连续高效无线充电。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述电动汽车行进式无线充电装置的控制方法，通过该控制方法，可以实现电动汽车在行进间可连续高效无线充电。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种电动汽车行进式无线充电装置，包括整流器、若干个磁耦合谐振发射极组、车载谐振接收极，所述整流器的输入端与外部电网相连；磁耦合谐振发射极组等间距布置在行车道路的地下，均并联在直流母线上，每个磁耦合谐振发射极组包括第一谐振发射极和第二谐振发射极，第一谐振发射极和第二谐振发射极均包括DC/AC高频逆变器和谐振电路，其中整流器输出的直流电通过直流母线后输入到DC/AC高频逆变器，经DC/AC高频逆变器逆变成高频交流电后由谐振电路向外发送；所述车载谐振接收极设置在电动汽车上；所述第一谐振发射极和第二谐振发射极中谐振电路的发射线圈截面为长条形，横向布置，所述车载谐振接收极中的接收线圈截面为长条形，竖向布置。因此在有效输电区域内，发射线圈与接收线圈的重叠面积不变，从而可降低耦合谐振状态对相对位置变化的敏感性和对中性要求。
优选的，所述车载谐振接收极中包括第一接收极、第二接收极、充电电路和蓄电池，第一接收极、第二接收极分置于电动汽车的前后两端，二者并联后均与充电电路的输入端相连，充电电路输出端与蓄电池连接。前后两端的接收极中的接收线圈可以交替工作，实现了电动汽车行进间的连续充电。
更进一步的，所述车载谐振接收极还包括第一可控开关、第二可控开关和控制器，所述第一接收极与第一可控开关相连，第二接收极与第二可控开关相连，第一可控开关、第二可控开关均与控制器连接。通过控制器控制开关的闭合，可以在电动汽车进入充电路段后，第一接收极中的第一接收线圈与第二接收极中的第二接收线圈互为补偿，实现高效连续充电。
一种基于上述电动汽车行进式无线充电装置的控制方法，所述车载谐振接收极中包括第一接收极、第二接收极，两个接收极工作在互补状态，即当一个接收极处于磁耦合谐振发射极组高效发射范围(即耦合谐振输电的高效区域)时，其作为能量接收端工作于谐振输电状态，另一个接收极则工作于对上述接收极进行补偿的状态。从而保证在相对位置变化和存在蓄电池荷电状态差异性条件下的高效耦合谐振输电。
具体的，所述控制方法包括步骤：
(1)电网的交流电经整流器整流成直流电，然后输入到磁耦合谐振发射极组中的DC/AC高频逆变器，经DC/AC高频逆变器逆变成高频交流电后由谐振电路向外发送；
(2)当电动汽车中的第一接收极处于磁耦合谐振发射极组高效发射范围时，则第一接收极中的第一接收线圈作为能量接收线圈，控制器控制第一可控开关完全导通，第一接收极通过充电电路向蓄电池输电；同时，第二接收极中的第二接收线圈作为补偿电路，控制器通过控制第二可控开关的占空比使发射极线圈与第一接收极在变化条件下维持谐振状态；控制原理为：控制开关的开通关断的比例，使得一线圈作为另一线圈的补偿，从而保持谐振状态。
(3)当电动汽车中的第二接收极处于磁耦合谐振发射极组高效发射范围时，则第二接收极中的第二接收线圈作为能量接收线圈，控制器控制第二可控开关完全导通，第二接收极通过充电电路向蓄电池输电；同时，第一接收极中的第一接收线圈作为补偿电路，控制器通过控制第一可控开关的占空比使发射极线圈与第二接收极在变化条件下维持谐振状态。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明中发射线圈与接收线圈在输电过程中重叠面积不变，从而可降低耦合谐振状态对相对位置变化的敏感性和对中性要求，减少了互感变化的影响。
(2)本发明中第一接收极和第二第一接收极互为补偿电路，可以实现阻抗匹配，对由于蓄电池荷电状态差异和相对位置变化所造成的影响进行补偿，维持谐振状态的高效输电。
(3)本发明在电动汽车的前后端安装两个并联工作的接收极，接收极中的接收线圈交替工作，实现了电动汽车行进间的连续充电。
附图说明
图1为本发明的电动汽车行进式充电系统原理图。
图2为本发明中发射线圈与接收线圈布置示意图。
图3为本发明电动汽车行进间充电示意图。
图4为本发明耦合谐振工作机制原理图。
图示：1—电网，2—整流器，3—直流母线，4—第一谐振发射极，5—第二谐振发射极，6—车载谐振接收极，61—第一接收极，62—第二接收极，63—第一可控开关，64—第二可控开关，65—充电电路，66—蓄电池，67—控制器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
图1给出了本发明的电动汽车行进式充电系统原理图，包括整流器、若干个磁耦合谐振发射极组、车载谐振接收极，电网1与整流器2相连，将电网的交流电整流成直流电。多组磁耦合谐振发射极组(4、5)并联在直流母线3上，等间距布置在行车道路的地下，整流器输出的直流电通过直流母线3后输入到磁耦合谐振发射极组中向外发送，设置在电动汽车上的车载谐振接收极在经过有效输电区域内接收能量进行充电。
图2给出了本实施例发射线圈与接收线圈布置示意图。每个磁耦合谐振发射极组包括第一谐振发射极4和第二谐振发射极5，每个发射极均包括DC/AC高频逆变器和谐振电路。如图，第一谐振发射极4和第二谐振发射极5中谐振电路的发射线圈截面为长条形，横向布置。车载谐振接收极中的第一接收极61中的第一接收线圈和第二接收极62中的第二接收线圈截面为长条形，竖向布置。因此在有效输电区域内，发射线圈与接收线圈的重叠面积(见图2中的区域A)不变，从而可减少两个线圈之间的互感变化。
图3给出了本发明电动汽车行进间充电示意图。图中虚线给出了第一谐振发射极4和第二谐振发射极5的高效发射范围，两个高效发射范围之间的间距与车载谐振接收极中两个接收线圈之间的距离相等。这样可以保证双线圈互为备用。
参见图4，本实施例车载谐振接收极中包括第一接收极61、第二接收极62、第一可控开关63、第二可控开关64、控制器67、充电电路65、蓄电池66，第一接收极61与第一可控开关63相连，第二接收极26与第二可控开关64相连，第一可控开关、第二可控开关均分别与控制器、充电电路连接，充电电路输出端与蓄电池连接。
图4给出了耦合谐振工作机制，根据上述的结构设置，保证了第一接收极61和第二接收极62的线圈互为补偿，当汽车进入了充电路段后，第二接收极62的线圈作为能量接收线圈，控制器67控制可控开关64，使其完全导通，同时另外一个第一接收极61的线圈作为补充电路，通过控制器67的开关控制，使第二谐振发射极5的发射线圈与第二接收极62在变化条件下维持谐振状态，实现高效连续充电。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电动汽车行进式无线充电装置，其特征在于，包括整流器、若干个磁耦合谐振发射极组、车载谐振接收极，所述整流器的输入端与外部电网相连；磁耦合谐振发射极组等间距布置在行车道路的地下，均并联在直流母线上，每个磁耦合谐振发射极组包括第一谐振发射极和第二谐振发射极，第一谐振发射极和第二谐振发射极均包括DC/AC高频逆变器和谐振电路，其中整流器输出的直流电通过直流母线后输入到DC/AC高频逆变器，经DC/AC高频逆变器逆变成高频交流电后由谐振电路向外发送；所述车载谐振接收极设置在电动汽车上；所述第一谐振发射极和第二谐振发射极中谐振电路的发射线圈截面为长条形，横向布置，所述车载谐振接收极中的接收线圈截面为长条形，竖向布置。
2.根据权利要求1所述的电动汽车行进式无线充电装置，其特征在于，所述车载谐振接收极中包括第一接收极、第二接收极、充电电路和蓄电池，第一接收极、第二接收极分置于电动汽车的前后两端，二者并联后均与充电电路的输入端相连，充电电路输出端与蓄电池连接。
3.根据权利要求2所述的电动汽车行进式无线充电装置，其特征在于，所述车载谐振接收极还包括第一可控开关、第二可控开关和控制器，所述第一接收极与第一可控开关相连，第二接收极与第二可控开关相连，第一可控开关、第二可控开关均与控制器连接。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述电动汽车行进式无线充电装置的控制方法，其特征在于，所述车载谐振接收极中包括第一接收极、第二接收极，两个接收极工作在互补状态，即当一个接收极处于磁耦合谐振发射极组高效发射范围时，其作为能量接收端工作于谐振输电状态，另一个接收极则工作于对上述接收极进行补偿的状态。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，包括步骤：
(1)电网的交流电经整流器整流成直流电，然后输入到磁耦合谐振发射极组中的DC/AC高频逆变器，经DC/AC高频逆变器逆变成高频交流电后由谐振电路向外发送；
(2)当电动汽车中的第一接收极处于磁耦合谐振发射极组高效发射范围时，则第一接收极中的第一接收线圈作为能量接收线圈，控制器控制第一可控开关完全导通，第一接收极通过充电电路向蓄电池输电；同时，第二接收极中的第二接收线圈作为补偿电路，控制器通过控制第二可控开关的占空比使发射极线圈与第一接收极在变化条件下维持谐振状态；
(3)当电动汽车中的第二接收极处于磁耦合谐振发射极组高效发射范围时，则第二接收极中的第二接收线圈作为能量接收线圈，控制器控制第二可控开关完全导通，第二接收极通过充电电路向蓄电池输电；同时，第一接收极中的第一接收线圈作为补偿电路，控制器通过控制第一可控开关的占空比使发射极线圈与第二接收极在变化条件下维持谐振状态。
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