CN104901400B - 一种无轨道定位装置的电动汽车路面动态高效感应充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无轨道定位装置的电动汽车路面动态高效感应充电系统，包括供电电源、多相高频逆变网络、原边多相谐振补偿网络、原边多相导轨机构、副边磁能拾取机构、副边谐振补偿网络、电能变换与充电网络以及车载电池，通过电磁感应耦合原理，实现对行驶中的电动汽车动态充电。本发明通过优化各相导轨电缆位置布局，实现路面大范围内磁场的近似均衡，保证电动汽车在大范围内自由行驶时仍然保证高效的能量传输，从而为车载电池高效充电。本发明具有汽车控制难度低，建设成本低，充电效率高，电动汽车可自由行驶等优点。

Description

一种无轨道定位装置的电动汽车路面动态高效感应充电系统
技术领域
本发明涉及电动汽车路面动态感应充电领域，具体是一种无轨道定位装置的电动汽车路面动态高效感应充电系统。
背景技术
感应耦合电能传输技术通过电磁感应耦合原理，实现了电能的近距离无线传输，解决了传统接触式电能技术带来的器件磨损、接触不良、接触火花等问题，具有安全、灵活、方便、美观等优点。导轨式感应耦合电能传输技术在有轨电机车、电动汽车、港口龙门吊、电梯等大功功率移动设备无线供电领域有着广阔的市场应用前景。目前广泛研究与应用的导轨式感应耦合电能传输系统基本都采用单相导轨拓扑结构，对于有轨电机车、港口龙门吊、电梯等具有固定轨道运行的设备来说，该模式的导轨式感应耦合电能传输系统由于副边拾取机构与原边导轨位置相对固定，可以保证设备在移动过程中始终保证高效的能量拾取。而对于电动汽车等运行轨迹不固定的移动设备来说，单相导轨式感应耦合电能供电模式存在以下的问题：单相导轨式感应耦合电能传输系统对拾取机构与原边导轨之间的横向相对位置精度要求较高，拾取机构横向稍许偏离导轨正上方，拾取功率将受到很大影响。然而由于电动汽车都为有人驾驶，而人类不可能驾驶汽车实现如此高精度的定位要求。因此，为了实现电动汽车在行驶过程中高效的能量拾取，通常采用加大拾取机构或者为电动汽车加装高精度的轨道定位装置，这在一定程度上产生了昂贵的设备成本。而且由于定位装置本身误差等外在因素，电动车不能在运行过程中始终保证高效的能量拾取。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺陷，提供一种设计简单、成本低廉、电动汽车移动自由度高的导轨式感应耦合电能传输系统，保证电动汽车等无轨道移动设备在运行过程中高效的能量拾取，而无需昂贵的轨道定位技术与装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种无轨道定位装置的电动汽车路面动态高效感应充电系统，包括供电电源和车载电池，还包括，多相高频逆变网络、多相谐振补偿网络、原边多相导轨机构、副边磁能拾取机构、副边谐振补偿网络、电能变换与充电网络；
原边多相导轨机构的阵列上方设置有可自由移动的副边磁能拾取机构；
供电电源提供直流电，直流电经多相高频逆变网络和多相谐振补偿网络后，在原边多相导轨机构中产生高频交流电，原边多相导轨机构与副边磁能拾取机构之间形成互感耦合磁场，副边磁能拾取机构将拾取的磁能经过副边谐振补偿网络和电能变换与充电网络后给车载电池充电。
进一步的，多相高频逆变网络中使用的逆变器是全桥式多相高频逆变器，用于在原边各相导轨线圈中产生20kHz左右的高频交流电；
进一步的，所述多相谐振补偿网络以及副边谐振补偿网络采用串联、并联或者LCL谐振拓扑连接；
进一步的，所述原边多相导轨机构阵列采用三角型方式或星型方式连接；
进一步的，所述副边磁能拾取机构为长方体机构，在长方体磁芯机构上绕制三维线圈；
进一步的，所述副边磁能拾取机构上绕制的三维线圈经补偿网络之后，连接成先整流后串联连接模式，保证了每个线圈机构拾取能量的有效叠加，为后续电能变换与充电网络提供最大的直流电压。
与现有技术相比，本发明提出的一种无轨道定位装置的电动汽车路面动态高效感应充电系统，通过优化各相导轨电缆位置布局，实现路面大范围内磁场的近似均衡，保证电动汽车在大范围内自由行驶时仍然保证高效的能量传输，从而为车载电池高效充电。采用多相导轨布局，减少拾取机构的高精度定位要求，用一个简单拾取机构实现大范围功率的恒定拾取。本发明克服了在传统单相导轨式感应耦合电能传输装置中，电动汽车上安装的拾取机构需要准确定位原边导轨线圈，横向可移动范围小，功率传输能力受原边导轨位置严重影响，电动汽车移动自由度受限等缺点。具有汽车控制难度低，建设成本低，充电效率高，电动汽车可自由行驶等优点。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2是本发明的三相高频逆变主电路原理图。
图3是本发明一个实施例的三相导轨机构的星型连接示意图。
图4是本发明另一个实施例的三相导轨机构的三角型连接示意图。
图5是本发明的磁路机构及拾取机构正交绕制示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种无轨道定位装置的电动汽车路面动态高效感应充电系统，包括供电电源和车载电池，其特征是：还包括，多相高频逆变网络、多相谐振补偿网络、原边多相导轨机构、副边磁能拾取机构、副边谐振补偿网络、电能变换与充电网络；
原边多相导轨机构的阵列上方设置有可自由移动的副边磁能拾取机构；
供电电源提供直流电，直流电经多相高频逆变网络和多相谐振补偿网络后，在原边多相导轨机构中产生高频交流电，原边多相导轨机构与副边磁能拾取机构之间形成互感耦合磁场，副边磁能拾取机构将拾取的磁能经过副边谐振补偿网络和电能变换与充电网络后给车载电池充电。
进一步的，多相高频逆变网络中使用的逆变器是全桥式多相高频逆变器，用于在原边各相导轨线圈中产生20kHz左右的高频交流电。图2是本发明一个实施例的三相导轨式感应电能传输系统高频逆变电路，该高频逆变电路可采用电压型或电流型逆变电路；以电压型全桥逆变电路为例，输入直流电Vin经Lf、Cf组成的滤波电路之后送入由S1～S6开关器件组成的三相逆变电路，通过有效控制该逆变电路，输出A、B、C三相高频交流电。
进一步的，所述多相谐振补偿网络以及副边谐振补偿网络采用串联、并联或者LCL谐振拓扑连接。三相并联谐振连接，主要用于电流型三相逆变器；三相串联谐振连接，主要用于电压型三相逆变器；对于LCL谐振拓扑连接方式，通过合理选取谐振网络参数，只有有功功率可以传递到副边，而无功功率全部在LC电路中循环，从而减少了输入电源等级；同时LCL谐振网络使用了电压-电流变换器提供恒定轨道电流，具有较高的功率因数。针对不同电路工作场合，合理选择谐振补偿方式，可以有效减少系统中的无功功率，提高系统的功率传输能力和效率。
进一步的，所述原边多相导轨机构阵列采用三角型方式或星型方式连接。图3和图4是本发明一个实施例的三相导轨式感应电能传输系统导轨的连接方式示意图，其中，图3采用星型连接方式，图4采用三角型连接方式；高频逆变电路产生的三相交流电A、B、C相位依次相差120度，A+、B+、C+分别与A、B、C相连，由于A-、B-、C-中电流与A+、B+、C+电流方向相反，因此，A-、B-、C-中电流比A+、B+、C+相位依次落后180度，通过平衡分布三相轨道，从而产生一个A+、C-、B+、A-、C+、B-各相相差60度的高频交流导轨布局。原边多相导轨机构采用多相导轨布局技术，多相导轨布局减少了拾取机构的高精度定位要求，使用一个简单的拾取机构即可实现大范围功率的恒定拾取，通过适当的空间和电气隔离，在各相磁场之间产生结构干涉来满足能量传输。
进一步的，所述副边磁能拾取机构为长方体机构，在长方体磁芯机构上绕制三维线圈。图5所示为本发明一个实施例的磁路机构及拾取机构正交绕制示意图，由A+、C-、B+、A-、C+、B-共6根导轨组成的三相原边磁能导轨机构埋于地面下，副边磁能拾取机构由三维线圈正交绕制在长方体磁芯上构成，该拾取机构安置在电动汽车底盘上，随电动汽车一起移动，由于三相导轨分布广阔，三相拾取机构能够保证电动汽车在大范围内移动情况下高效的能量拾取。副边磁能拾取机构可在原边多相导轨上方大范围内自由移动，拾取机构将拾取到的磁能通过副边谐振补偿网络、电能变换与充电网络之后给电动汽车车载电池充电。
进一步的，所述副边磁能拾取机构上绕制的三维线圈经补偿网络之后，连接成先整流后串联连接模式，保证了每个线圈机构拾取能量的有效叠加，为后续电能变换与充电网络提供最大的直流电压。三相拾取线圈经谐振补偿网络之后可以连接成先整流后串联、先串联后整流、先并联后整流、先整流后并联4种模式：先串联后整流模式，这种模式存在的问题是当某些线圈对(原边线圈与一个副边线圈)耦合系数低时，能够激发的感应电势较低，相当于在电路中串联大电感，而且三个电感激发的感应电势相位不一定相同，不利于整个拾取机构连续工作；先并联后整流输出模式，存在的问题是当某些耦合系数低时，导致耦合系数较大的拾取电感被短路解耦，致使整个拾取机构不能工作；先整流后并联模式，存在的问题是给负载提供的电压是三个拾取机构中拾取电压的最大值，不利于其他两个线圈的利用，而先整流后串联将三个拾取线圈拾取电压叠加，实现了三个线圈拾取到的能量得到充分利用。

Claims (3)

1.一种无轨道定位装置的电动汽车路面动态高效感应充电系统，包括供电电源和车载电池，其特征是：还包括，多相高频逆变网络、多相谐振补偿网络、原边多相导轨机构、副边磁能拾取机构、副边谐振补偿网络、电能变换与充电网络；
原边多相导轨机构的阵列上方设置有可自由移动的副边磁能拾取机构；
供电电源提供直流电，直流电经多相高频逆变网络和多相谐振补偿网络后，在原边多相导轨机构中产生高频交流电，原边多相导轨机构与副边磁能拾取机构之间形成互感耦合磁场，副边磁能拾取机构将拾取的磁能经过副边谐振补偿网络和电能变换与充电网络后给车载电池充电；
所述原边多相导轨机构阵列采用三角型方式或星型方式连接；
所述副边磁能拾取机构为长方体机构，在长方体磁芯机构上绕制三维线圈；
所述副边磁能拾取机构上绕制的三维线圈经补偿网络之后，连接成先整流后串联连接模式。
2.根据权利要求1所述的一种无轨道定位装置的电动汽车路面动态高效感应充电系统，其特征是：多相高频逆变网络中使用的逆变器是全桥式多相高频逆变器。
3.根据权利要求1所述的一种无轨道定位装置的电动汽车路面动态高效感应充电系统，其特征是：所述多相谐振补偿网络以及副边谐振补偿网络采用串联、并联或者LCL谐振拓扑连接。
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