CN105109358A - 一种电动汽车无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电动汽车无线充电系统，包括与电网连接的无线充电发射机构和安装在电动汽车上的无线充电接收机构，本发明的优点在于通过增加计费计算程序，增加打印输出端口，刷卡输入端口，和上位机显示，增强了其操作性，和实用价值。在无线充电器的进线端和接收端的输出端增加两个继电器，在系统正常工作的时候合上，无论系统中有任何故障，开启两个继电器，使得系统与强电没有任何关系，最大程度上保证了系统的安全性。此外，分析接收端电压判断线圈的对位情况，提高充电效率，并且输出电磁干扰小，使用安全环保。

Description

一种电动汽车无线充电系统

技术领域

本发明涉及电动汽车无线充电领域。

背景技术

无线充电方式不需要车辆与供电系统之间电缆的连接，充电装置能够灵活地布置在停车场、住宅、路边等场所，使电动汽车随时随地充电成为可能。大功率无线充电技术的推广应用可以大幅提高电动汽车充电的便捷性，进而可以减小车载电池用量，延长车辆续航里程。这项技术的突破将会对我国电动汽车发展普及产生较强的推动作用，并带动无线充电技术在其它相关领域的蓬勃发展。

然而目前的汽车无线充电实用性较差，由于安全性、经济性、便捷性和环保性均不能满足投产要求，从而制约了无线充电技术的发展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种使用安全可靠，电磁污染小、经济合理的无线充电系统。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种电动汽车无线充电系统，包括与电网连接的无线充电发射机构和安装在电动汽车上的无线充电接收机构，所述的无线充电发射机构的整流器输入端连接电网，其输出端连接逆变器，所述的逆变器输出端设有发射线圈，所述的整流器输入端和电网之间设有接触器k1，所述的接触器k1由第一上位机控制通断，所述的第一上位机设有收费单元、打印单元和信息识别输入单元中的部分或全部。

所述的无线充电发射机构设有控制整流器和逆变器工作的第一控制系统，所述的第一控制系统通过第一辅助电源连接电网，所述的第一控制系统与第一上位机通信。

所述的无线充电接收机构设有与发射线圈匹配的接收线圈，所述的接收线圈经整流器、直流变换器将电能输送至汽车电池组，所述的无线充电接收机构设有控制其整流器和直流变换器工作的第二控制系统，所述的第一控制系统与第二控制系统之间无线信息通讯。

所述的直流变换器与电池组之间的电路上设有接触器k2，所述的接触器k2由第二上位机控制通断，所述的第二上位机通过整车通信与第二控制系统通信。

所述的无线充电接收机构设有与整流器输出端连接的第二辅助电源，所述的第二辅助电源为第二控制系统供电，所述的第二辅助电源的供电线路上还设有辅助工作电池。

所述的无线充电发射机构安装在道路旁的箱体内，箱体上设有与第一上位机连接的有显示屏，所述箱体旁的地面上设有发射线圈，所述无线充电接收机构的接收线圈安装在车辆底部，所述的接收线圈的上部和发射线圈下部均设有磁场屏蔽板。

所述的地面上固定有凸出的用于汽车无线充电位置确定的汽车后轮轮挡。

一种基于电动汽车无线充电系统的充电控制方法，无线充电发射机构开始工作，逆变器输出至发射线圈电压频率循环波动。

所述的逆变器输出至发射线圈电压频率的循环波动范围为60-68kHz。

一种基于电动汽车无线充电系统的停车辅助方法，其特征在于：

步骤1、驾驶员驾驶车辆使后轮抵住轮挡；

步骤2、当后轮碰到轮挡则电动汽车无线充电系统启动；

步骤3、若整流器输出电压达标，则维持充电状态，若整流器输出电压未达标，则返回步骤1。

本发明的优点在于通过增加计费计算程序，增加打印输出端口，刷卡输入端口，和上位机显示，增强了其操作性，和实用价值。在无线充电器的进线端和和接收端的输出端增加两个继电器，在系统正常工作的时候合上，无论系统中有任何故障，开启两个继电器，使得系统与强电没有任何关系，最大程度上保证了系统的安全性。此外，分析接收端电压判断线圈的对位情况，提高充电效率，并且输出电磁干扰小，使用安全环保。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为电动汽车无线充电系统结构示意图；

图2为无线充电器线圈布置方式示意图；

图3为轮挡安装示意图；

图4为最佳停车位判断原理图；

图5采用频率抖动前后的电感电流频谱特征；

图6驱动信号波形图；

图7逆变器交流输出端电压v_in；

图8发射端等效电路。

具体实施方式

如图1所示，电动汽车无线充电系统包括与电网连接的无线充电发射机构和安装在电动汽车上的无线充电接收机构，该系统具有计费功能，打印功能、刷卡消费功能、工作状态显示功能，保护功能的无线充电技术，从而方便公共场合使用。

无线充电发射机构的整流器(单相或者三相整流器)输入端连接电网(三相或者单相交流电)，整流器将整理后的交流电变为直流电能，然后由逆变器变换为高频交流电能经发射线圈以电磁能的形式发射出去；无线充电接收机构设有与发射线圈匹配的接收线圈，接收线圈接收到电磁能并转换为交流电能，之后通过整流器转换为直流电能，然后经直流变换器后汽车电池组充电。

无线充电发射机构和无线充电接收机构分别设有第一控制系统和第二控制系统，第一控制系统和第二控制系统均为计算机控制系统，二者之间可以无线信息通讯。

工作过程中发射、接收电路处于谐振状态，设工作频率为f，则电路满足第一控制系统控制无线充电发射机构的整流器和逆变器工作，使逆变器工作在全桥逆变状态；整流器工作在整流状态。

为了便于无线充电的运营管理，在电网与整流器之间增加了一个单相/三相接触器k1，该接触器受发射端第一上位机控制，第一上位机设有收费单元、打印单元和信息识别输入单元中的部分或全部。如果电动汽车的身份ID正确，或者司机买卡消费，无线充电发射机构的第一上位机确认该电动车拥有充电权限，则关闭接触器k1，无线充电器可以工作，从而方便进行收费管理。同时第一上位机接受第一控制系统的参数信号，用作充电量统计、系统监控等工作。

无线充电接收机构同样有一个接触器k2，接触器k2设置在直流变换器与电池组之间的电路上，接触器k2由第二上位机控制通断，第二上位机通过整车通信与第二控制系统通信，整车通信可以车辆上的CAN总线，而第二上位机可以是行车电脑或者另外安装的计算机，第二上位机接收第二控制系统的参数信号，用作电量统计、系统监控等工作。

由于第一上位机和第二上位机通过第一控制系统和第二控制系统实时监控充电状况，如果系统中有故障，无论是无线充电发射机构和无线充电接收机构，接触器k1、k2都将会断开，无线充电系统会完全和强电断开，从而保护整个充电系统。

无线充电发射机构设有的第一控制系统通过第一辅助电源连接电网，第一辅助电源是将电网电转换成控制系统需要的直流弱电，供控制系统正常工作需要。无线充电接收机构设有与整流器输出端连接的第二辅助电源，第二辅助电源为第二控制系统供电，第二辅助电源的供电线路上还设有辅助工作电池。第二辅助电源将高压直流转换成低压直流供给第二控制系统用，同时还可以给辅助工作电池供电。当线圈没有对准之前，第二辅助电源没有输入，此时辅助工作电池给控制系统供电；线圈对准后，第二辅助电源就可以正常工作。此时辅助工作电池如果电量不足，就可以用第二辅助电源给辅助工作电池充电。

为了提高无线传输效果并防止磁场泄露，两套线圈都贴近磁场屏蔽板进行布置，如图2所示，接收线圈的上部和发射线圈下部均设有磁场屏蔽板。

为了更加方便的使用汽车无线充电系统，无线充电发射机构安装在道路旁的箱体内，箱体上设有与第一上位机连接的有显示屏，显示屏用于提示显示操作，方便驾驶员观察充电状况和了解充电数据，同时箱体上还设有磁卡插口(用于插入银行卡或专用计费磁卡)、凭条出口(打出充电凭条)、键盘(用于输入参数、密码等)、扬声器(用于语音提示)、监控摄像头(记录充电状况)、现金收纳口(收取现金)等。箱体旁的地面上设有发射线圈，可以用醒目的黄色标记，无线充电接收机构的接收线圈安装在车辆底部。

但是司机停车过程中看不见两个线圈的对位情况，因此需要以某种形式将线圈的对位情况告知给司机。因此可以在地面上固定有凸出的用于汽车无线充电位置确定的汽车后轮轮挡，如图3所示，优选形状为截面为三角形的条形凸块，因为后轮一般非驱动轮，因此不会造成卡住汽车无法行驶的现象发生。司机第一次入库停车时，车辆后轮碰到轮挡，司机知道已经倒车到位。

两个线圈对准情况下，无线能量传输效率最高。因此司机停车中应尽量将车停靠在线圈对准较好的位置。为进一步方便驾驶员判定是否停靠到位，可以将轮挡制成截面为M形状条形结构，并在轮挡底部安装压力传感器，该压力传感器输出感应信号至第一上位机，并将压力传感器接收到压力信号作为控制接触器k1通路的必要条件之一，并轮挡设置两个，分别设有一个压力传感器，独立接收压力信号，这样可以判断两个后轮是否均倒车到位，从而帮助驾驶员停车，同时压力信号在显示器上显示，并且发出提示声音。

如图4所示，系统停车辅助方法如下：

步骤1、驾驶员驾驶车辆使后轮抵住轮挡，若抵住车辆后，驾驶员可以操作一次的控制按键，进行充电操作(刷卡、身份识别等)，若设有压力传感器，则给与提示，是否停车到位，当停车到位后可以自动进入下一步；

步骤2、电动汽车无线充电系统启动，此时可以是试运行；

步骤3、若整流器输出电压达标，则维持充电状态，若整流器输出电压未达标，则返回步骤1，同时系统提醒司机进行再次入库停车。

达标检测是接收线圈接收到无线能量后，经整流滤波后得到直流电，直流电压与线圈的对位情况直接相关，通过对比试验将线圈位置与电压的对应关系形成表格或者数据曲线，让计算机去判断即可以知道目前的线圈对位关系，帮助司机做好停车对位。

工程上通常采用磁场屏蔽的方法降低干扰源对外的电磁辐射水平，但是需要增加外部附属装置，增加了成本。本发明应用了一种主动降低电磁辐射水平的频率抖动技术，在额定工作频率点附近周期地改变功率MOSFET的驱动信号频率，从而改变干扰频率的频带分布。相比恒频工作模式，这种工作模式将相同的能量平均地分布在不同的谱线上，降低了对外电磁干扰水平。

由于无线充电系统采用了65kHz的频段，系统工作中谐振电路的Q值较低。采用频率抖动技术对系统效率以及其他电气参数影响极小。因此这是一种具有较强经济性的降噪方法。

如图5所示，如果采用恒定的64kHz驱动，其频率谱会集中在空间一个固定的频率点，大功率无线充电系统同时也是一个大功率电磁干扰源，会影响周围电子设备的正常工作并可能对周围生物体造成影响。降低无线充电系统对外界电磁辐射水平是非常重要的工作。

如图6所示，但是如果让逆变器驱动频率在64k左右周期的抖动：逐渐增加到68kHz，然后再逐渐递减到60kHz，步长1kHz，周而复始，图8中逆变器交流输出端电压v_in波形为图7所示，其基波的频谱应该也是分布在64kHz。图8为折算到发射端的电路，因为这是个弱非线性电路，发射线圈中的i_in基波成分也应该是在64kHz周围均匀分布。即对外磁场的频率谱也是在64kHz的频率点附近周期抖动。因此对外的电磁干扰水平会有效得到抑制。

上述循环波动性的充电方式可以在系统停车辅助方法试运行后，车辆停止到位后直接启动。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动汽车无线充电系统，包括与电网连接的无线充电发射机构和安装在电动汽车上的无线充电接收机构，所述的无线充电发射机构的整流器输入端连接电网，其输出端连接逆变器，所述的逆变器输出端设有发射线圈，其特征在于：所述的整流器输入端和电网之间设有接触器k1，所述的接触器k1由第一上位机控制通断，所述的第一上位机设有收费单元、打印单元和信息识别输入单元中的部分或全部。

2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的无线充电发射机构设有控制整流器和逆变器工作的第一控制系统，所述的第一控制系统通过第一辅助电源连接电网，所述的第一控制系统与第一上位机通信。

3.根据权利要求2所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的无线充电接收机构设有与发射线圈匹配的接收线圈，所述的接收线圈经整流器、直流变换器将电能输送至汽车电池组，所述的无线充电接收机构设有控制其整流器和直流变换器工作的第二控制系统，所述的第一控制系统与第二控制系统之间无线信息通讯。

4.根据权利要求3所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的直流变换器与电池组之间的电路上设有接触器k2，所述的接触器k2由第二上位机控制通断，所述的第二上位机通过整车通信与第二控制系统通信。

5.根据权利要求5所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的无线充电接收机构设有与整流器输出端连接的第二辅助电源，所述的第二辅助电源为第二控制系统供电，所述的第二辅助电源的供电线路上还设有辅助工作电池。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的无线充电发射机构安装在道路旁的箱体内，箱体上设有与第一上位机连接的有显示屏，所述箱体旁的地面上设有发射线圈，所述无线充电接收机构的接收线圈安装在车辆底部，所述的接收线圈的上部和发射线圈下部均设有磁场屏蔽板。

7.根据权利要求6所述的电动汽车无线充电系统，其特征在于：所述的地面上固定有凸出的用于汽车无线充电位置确定的汽车后轮轮挡。

8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的电动汽车无线充电系统的充电控制方法，其特征在于：无线充电发射机构开始工作，逆变器输出至发射线圈电压频率循环波动。

9.根据权利要求8所述的充电控制方法，其特征在于：所述的逆变器输出至发射线圈电压频率的循环波动范围为60-68kHz。

10.一种基于权利要求1-7中任一项所述的电动汽车无线充电系统的停车辅助方法，其特征在于：

步骤1、驾驶员驾驶车辆使后轮抵住轮挡；

步骤2、当后轮碰到轮挡则电动汽车无线充电系统启动；

步骤3、若整流器输出电压达标，则维持充电状态，若整流器输出电压未达标，则返回步骤1。