CN105119392A - 基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统及方法，该系统包括电源模块、整流滤波模块、功率震荡模块、定位模块、信号控制模块、发射单元切换控制模块、电磁场发射单元和电磁场接收单元；电源模块、整流滤波模块、功率震荡模块、发射单元切换控制模块、信号控制模块、定位模块依次相连，发射单元切换控制模块连接多个电磁场发射单元，电磁场接收单元设于电动汽车上。本发明可在电动汽车行驶过程进行动态充电，从而可克服传统电动汽车的续航距离短和静态充电站耗资巨大的问题；另外，施工方便，能力传输高，电磁辐射影响小，且能满足城市美化要求，市场前景广阔。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车无线供电技术领域，尤其涉及一种基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统及方法。
背景技术
电动汽车无线供电技术可以分为两种：第一种为感应磁耦合式无线供电技术，其利用电磁感应原理通过磁耦合方式对电动汽车进行能量供应，能量有效传输距离短，需将电动汽车停在合适位置与充电线圈对准才能进行能量传输，适合类似传统加油站的充电站等应用场合。第二种为谐振磁耦合式无线供电技术，其通过谐振器上电感与分布式电容发生谐振来传输能量，以对电动汽车进行能量供应，属于中等距离的能量传输方式，不需要车载共振线圈和电源共振线圈完全对准，适合于开发新型的充电模式，在电动汽车无线充电技术领域得到很大的关注。
目前，电动汽车的无线供电主要是静态方式，需将电动汽车停在有充电设备的地方进行静止充电。这种充电方式存在如下缺点：一是将电池电量充满需要消耗大量的时间；二是电动汽车需要搭载体积庞大的电池组，以维持较长距离续航；三是电动汽车行驶一段时间后需要停下来进行充电，无法持续续航。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统及方法，本发明可在电动汽车行驶过程中进行充电，提高了电动汽车充电的便捷性和安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一、基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统统，包括：
电源模块（1）、整流滤波模块（2）、功率震荡模块（3）、定位模块（4）、信号控制模块（5）、发射单元切换控制模块（6）、电磁场发射单元（7）和电磁场接收单元（8）；电源模块（1）、整流滤波模块（2）、功率震荡模块（3）、发射单元切换控制模块（6）、信号控制模块（5）、定位模块（4）依次相连，发射单元切换控制模块（6）连接多个电磁场发射单元（7），电磁场接收单元（8）设于电动汽车（9）上。
作为优选，定位模块（4）进一步包括GPS定位装置、红外传感器和超声波传感器。
上述发射单元切换控制模块（6）为若干分别与电磁场发射单元（7）相连的继电器开关。
作为一种具体实施方式，电磁场发射单元（7）中发射线圈为跑道状螺旋形平面线圈。
作为另一种具体实施方式，电磁场发射单元（7）中发射线圈包括从内向外顺次布置的若干层共中心的螺旋形平面线圈，螺旋形平面线圈上覆盖电磁屏蔽辐射层；相邻层的螺旋形平面线圈分别采用绝缘导线向相反方向绕制获得；所有螺旋形平面线圈的首端相连，且所有螺旋形平面线圈的尾端相连。所述的电磁屏蔽辐射层材料为氧化铁、钢、铜、铝或导电聚苯胺那复合材料。
作为一种具体实施方式，电磁场接收单元（8）中接收线圈是由若干线圈单元排列构成的阵列线圈，线圈单元为螺旋形平面线圈。
二、基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电方法，包括：
电磁场发射单元（7）埋设于地面下；
定位模块（4）定位电动汽车，将电动汽车位置信息发送至信号控制模块（5）；
信号控制模块（5）根据电动汽车位置获得电动汽车和各电磁场发射单元（7）的距离，根据该距离向发射单元切换控制模块（6）发送控制命令，具体为：
当电动汽车和其前方最近的电磁场发射单元（7）的距离达到第一阈值时，发送发射单元切换控制模块（6）连接该前方最近的电磁场发射单元（7）的控制命令；
当电动汽车和其后方最近的电磁场发射单元（7）的距离大于第二阈值时，发送发射单元切换控制模块（6）断开与该后方最近的电磁场发射单元（7）的连接的控制命令；
发射单元切换控制模块（6）根据接收的控制命令进行切换；
上述第一阈值和第二阈值为经验值，考虑汽车行驶速度和发射单元切换控制模块（6）的切换速度进行设定。
作为一种优选方式：
当电动汽车和电磁场发射单元（7）埋设处距离大于预设距离，采用GPS定位装置定位电动汽车位置；
当电动汽车和电磁场发射单元（7）埋设处距离不大于预设距离，采用红外传感器和超声波传感器共同定位电动汽车位置；
预设距离为经验值，考虑汽车行驶速度和发射单元切换控制模块（6）的切换速度进行设定。
本发明系统中电磁场发射单元（7）埋设于地面下，电磁场接收单元（8）设于电动汽车底盘。定位模块（4）定位电动汽车，信号控制模块（5）根据电动汽车定位信息判断电动汽车是否进入充电区。当电动汽车进入充电区时，信号控制模块（5）则通过发射单元切换控制模块（6）使功率震荡模块（3）和该充电区的电磁场发射单元（7）连接，从而给行驶中的电动汽车充电。当电动汽车离开充电区时，信号控制模块（5）则通过发射单元切换控制模块（6）使功率震荡模块（3）和该充电区的电磁场发射单元（7）断开。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1、扩展了电气汽车无需供电方式，可在电动汽车行驶过程进行动态充电，无需到充电站进行长时间充电，提高了电动汽车充电的便捷性、充电效率和安全性。
2、电动汽车可少搭载甚至不搭载体积庞大的电池组，从而可减轻电动汽车重量，降低电动汽车制作成本。
3、由于可在行驶过程中动态充电，从而可克服传统电动汽车的续航距离短和静态充电站耗资巨大的问题。
4、施工方便，能力传输高，电磁辐射影响小，且能满足城市美化要求，市场前景广阔。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图2是具体实施方式中定位模块结构示意图；
图3是具体实施方式中发射单元切换控制模块结构示意图；
图4是具体实施方式中发射线圈的一种结构示意图；
图5是具体实施方式中发射线圈的另一种结构示意图
图6是具体实施方式中接收线圈的结构示意图。
图中，10-外层螺旋形平面线圈，11-内层螺旋形平面线圈，12-电磁屏蔽辐射层，13-线圈单元。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明系统作进一步具体的说明。
图1所示为本发明动态无线供电系统的结构示意图，其中，电源模块（1）用来为供电系统提供输入功率，本实施例中预设电源模块（1）的输入电压为电网直接供电电压380V，电源模块（1）的输入电压可依照实际需求作出调整。整流滤波模块（2）进一步包括整流子模块和滤波子模块，整流子模块用来将电源模块（1）输出的交流电整流为直流电，滤波子模块用来消除整流子模块输出直流电中高次谐波，从而输出恒定电压直流电。功率震荡模块（3）用来将整流滤波模块（2）输出的恒定电压直流电转换为适应负载频率要求的交变电流，本实施例中功率震荡模块（3）输出交变电流的频率为100kHz，可依照实际需求调整输出交变电流的频率。定位模块（4）用来定位电动汽车行驶时位置。
信号控制模块（5）接收定位模块（4）发送的电动汽车位置信息，根据电动汽车位置信息获得电动汽车和其相邻电磁场发射单元（7）的距离，将该距离和距离阈值比较，从而做出工作决策，并向发射单元切换控制模块（6）发出控制命令。本发明中设有两个距离阈值：第一距离阈值和第二距离阈值。当电动汽车距离其前方的最近电磁场发射单元（7）的距离达到第一距离阈值时，通过发射单元切换控制模块（6）将该前方的最近电磁场发射单元（7）和功率震荡模块（3）连接，该前方的最近电磁场发射单元（7）开始工作。当电动汽车距离其后方的最近电磁场发射单元（7）的距离大于达到第二距离阈值时，通过发射单元切换控制模块（6）断开该后方的最近电磁场发射单元（7）和功率震荡模块（3）的连接。上述电动汽车的前方和后方均是相对其行驶方向的前方和后方。第一距离阈值和第二距离阈值的设定为经验值，考虑汽车行驶速度和发射单元切换控制模块（6）的切换速度进行设定，以确保电动汽车到达充电点时，该充电点处的电磁场发射单元处于工作状态；同时，确保电动汽车离开充电点时，该充电处的电磁场发射单元处于停止工作状态。本实施例中，第一距离阈值设为10m，第二距离阈值设为2m。
发射单元切换控制模块（6）接收信号控制模块（5）发送的控制命令，依据控制命令控制继电器开关的开断。见图3，发射单元切换控制模块（6）由若干分别与电磁场发射单元（7）相连的继电器开关构成，通过继电器开关的开和断来切换功率震荡模块（3）连接不同的电磁场发射单元（7），从而控制不同的电磁场发射单元（7）工作。
电磁场发射单元（7）中发射线圈埋设于地面下，与地面所在平面平行，用来发射调谐电路产生的交变电磁场。为实现本发明系统的高效谐振磁耦合式无线传能，电磁场发射单元中发射线圈、电磁场接收单元中接收线圈和电源模块的谐振频率要保持一致。可采用下述方法保持上述三者谐振频率的一致性：测定发射线圈谐振频率，通过串联或并联电容的方式调整发射线圈的谐振频率使其谐振频率和电源模块谐振频率一致；同样，通过串联或并联电容的方式调整接收线圈的谐振频率使其谐振频率和电源模块谐振频率一致。为有效降低电磁辐射影响，本发明中可使发射线圈和接收线圈调整后的谐振频率达到kHz级别，kHz级别频率为较低频率级别，可有效降低电磁辐射影响。
见图2，定位模块（4）由GPS定位装置、红外传感器和超声波传感器组成。当电动汽车距离充电点预设距离外时，采用GPS定位装置定位电动汽车位置；当电动汽车距离充电点预设距离内时，采用红外传感器和超声波传感器共同实现动汽车位置的精确定位。充点电即电磁场发射单元中发射线圈所在地。红外传感器和超声波传感器组合定位精度高于GPS定位，所以当电动汽车距离充点电较近时，进行精确定位，以获得电动汽车和电磁场发射单元的精确距离，信号控制模块（5）从而可准确做出工作决策，控制电磁场发射单元工作。当电动汽车距离充点电较远时，电磁场发射单元处于不工作状态，无需电动汽车的精确定位信息。预设距离为经验值，同样考虑汽车行驶速度和发射单元切换控制模块（6）的切换速度进行设定。
图4提供了一种具体的发射线圈结构图，该发射线圈是由金属导体绕制的跑道状螺旋形平面线圈，其两端呈半圆形，中间部分呈矩形。本具体实施方式中，发射线圈采用半径4mm铜线从内向外顺时针绕制获得，两端半圆部分的内半圆和外半圆半径分别为1000mm、1450mm，中间矩形部分长2000mm、径向节距为10mm。
图5为另一种具体的发射线圈结构图，从内向外顺次布置外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11），外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）共中心，外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）上还覆盖电磁屏蔽辐射层（12）。外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）均是采用绝缘导线从内向外绕制获得的跑道状螺旋形平面线圈，但两者的绕制方向相反，外层螺旋形平面线圈（10）是绝缘导线从内向外顺时针绕制获得，内层螺旋形平面线圈（11）是绝缘导线从内向外逆时针绕制获得。将外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）的首端相连，同时，也将外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）的尾端相连。
上述首端即绕制线圈时绝缘导线的起始端，尾端即绕制线圈时绝缘导线的终点端，图5中端点A和A’分别为外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）的首端，端点B和B’分别为外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）的尾端。
由于外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）反向并联，工作时外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）内电流方向相反，使得外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）间的磁场方向相同，电磁场强度叠加，从而可增强发射电磁场。电磁屏蔽辐射层（12）可用来约束发射线圈所产生的磁场单向传输，和两层反向并联的平面线圈共同作用，可增强传输磁场，提高传输效率。
具体实施方式中，外层螺旋形平面线圈（10）和内层螺旋形平面线圈（11）的两端呈半圆形，中间部分呈矩形。外层螺旋形平面线圈（10）由铜芯半径为4mm的绝缘铜线从内向外顺时针绕制获得，其两端半圆部分的内半圆和外半圆半径分别为1000mm、1076mm，中间矩形部分长2000mm、径向节距为20mm。外层螺旋形平面线圈（11）由铜芯半径为4mm的绝缘铜线从内向外逆时针绕制获得，其两端半圆部分的内半圆和外半圆半径分别为500mm、576mm，中间矩形部分长2000mm，径向节距为20mm。发射线圈的形状、尺寸、匝数、材质并不限于上述，可依照实际情况进行调整。
电磁场接收单元（8）中接收线圈的一种具体形式为由若干线圈单元（13）构成的阵列线圈，接收线圈安装于电动汽车底盘，与底盘所在平面平行。图6则提供了接收线圈结构图。图6中，线圈单元（13）为正六边形螺旋形平面线圈，阵列线圈由6个线圈单元绕1个线圈单元构成。本具体实施方式中，各线圈单元由半径2mm的铜线从内向外顺时针绕制构成，其内边轴线距其中心400mm，其外边轴线距其中心430mm，径向节距为10mm。线圈单元的形状、尺寸、匝数、材质及排列并不限于上述，可依照实际情况进行调整。例如，线圈单元可以为三角形螺旋形平面线圈、圆形螺旋形平面线圈、正方形螺旋形平面线圈等，线圈单元也可以排列成三角形、圆形、正方形等。
Claims (8)
1.基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统，其特征是，包括：
电源模块（1）、整流滤波模块（2）、功率震荡模块（3）、定位模块（4）、信号控制模块（5）、发射单元切换控制模块（6）、电磁场发射单元（7）和电磁场接收单元（8）；电源模块（1）、整流滤波模块（2）、功率震荡模块（3）、发射单元切换控制模块（6）、信号控制模块（5）、定位模块（4）依次相连，发射单元切换控制模块（6）连接多个电磁场发射单元（7），电磁场接收单元（8）设于电动汽车（9）上。
2.如权利要求1所述的基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统，其特征是：
所述的定位模块（4）进一步包括GPS定位装置、红外传感器和超声波传感器。
3.如权利要求1所述的基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统，其特征是：
所述的发射单元切换控制模块（6）为若干分别与电磁场发射单元（7）相连的继电器开关。
4.如权利要求1所述的基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统，其特征是：
所述的电磁场发射单元（7）中发射线圈为跑道状螺旋形平面线圈。
5.如权利要求1所述的基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统，其特征是：
所述的电磁场发射单元（7）中发射线圈包括从内向外顺次布置的若干层共中心的螺旋形平面线圈，螺旋形平面线圈上覆盖电磁屏蔽辐射层；相邻层的螺旋形平面线圈分别采用绝缘导线向相反方向绕制获得；所有螺旋形平面线圈的首端相连，且所有螺旋形平面线圈的尾端相连。
6.如权利要求1所述的基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统，其特征是：
所述的电磁场接收单元（8）中接收线圈是由若干线圈单元排列构成的阵列线圈，线圈单元为螺旋形平面线圈。
7.基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电方法，其特征是：
电磁场发射单元（7）埋设于地面下；
定位模块（4）定位电动汽车，将电动汽车位置信息发送至信号控制模块（5）；
信号控制模块（5）根据电动汽车位置获得电动汽车和各电磁场发射单元（7）的距离，根据该距离向发射单元切换控制模块（6）发送控制命令，具体为：
当电动汽车和其前方最近的电磁场发射单元（7）的距离达到第一阈值时，发送发射单元切换控制模块（6）连接该前方最近的电磁场发射单元（7）的控制命令；
当电动汽车和其后方最近的电磁场发射单元（7）的距离大于第二阈值时，发送发射单元切换控制模块（6）断开与该后方最近的电磁场发射单元（7）的连接的控制命令；
发射单元切换控制模块（6）根据接收的控制命令进行切换；
上述第一阈值和第二阈值为经验值，考虑汽车行驶速度和发射单元切换控制模块（6）的切换速度进行设定。
8.如权利要求7所述的基于谐振磁耦合技术的电动汽车动态无线供电系统，其特征是：
当电动汽车和电磁场发射单元（7）埋设处距离大于预设距离，采用GPS定位装置定位电动汽车位置；
当电动汽车和电磁场发射单元（7）埋设处距离不大于预设距离，采用红外传感器和超声波传感器共同定位电动汽车位置；
预设距离为经验值，考虑汽车行驶速度和发射单元切换控制模块（6）的切换速度进行设定。
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