CN105207374B - 无线电能传输系统、方法及跟踪型发射线圈装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供无线电能传输系统、方法及跟踪型发射线圈装置，在现有线圈阵列式无线充电技术的基础上，提出将原来固定的发射线圈设计成跟踪型发射线圈，沿路在路面下设置多套跟踪型发射线圈装置，设置汽车定位系统；每套跟踪型发射线圈装置包括发射线圈、导轨、滑轮和跟踪装置，导轨的铺设方向与电动汽车行进方向垂直，发射线圈固定在滑轮上，滑轮上装有电机；跟踪装置获取来自汽车定位系统的汽车位置信息，并且对滑轮的电机发出相应控制信号，使滑轮在导轨上左右移动，实现发射线圈对电动汽车的跟踪。本发明解决因为车辆不能恰好行驶在充电效率高的路线上时充电效率降低的问题，在其他无线充电技术中亦可应用跟踪型发射线圈装置来提高充电效率。

Description

无线电能传输系统、方法及跟踪型发射线圈装置

技术领域

本发明涉及一种无线充电技术，特别涉及一种线圈阵列式动态无线充电技术，尤其是涉及一种应用于线圈阵列式动态无线充电技术的跟踪型高效无线充电发射线圈装置。

背景技术

无线电能传输技术可分为三种：第一种为感应耦合式电能传输，它利用松耦合变压器原理进行充电，发射端与接收端一般存在降低回路磁阻的铁芯装置，适合小功率，短距离的应用场合。第二种为电磁耦合谐振式电能传输，通过高品质因数的谐振器上电感与分布式电容发生谐振传输能量适合中等距离的能量传输。第三种为电磁辐射式电能传输，在该技术中电能被转换为微波形式，传输距离超过数千米，可实现电能的远程传送。其中电磁耦合谐振技术利用非辐射电磁场近场区域完成电能传输，一方面较之电磁感应式充电，在传输距离上有了很大的扩展；另一方面相比电磁辐射式充电，近场区域能量具有非辐射的特点，该技术有较好的安全性，因此目前得到很大的关注和研究。

无线电能传输在电动车充电技术中有很大的应用前景。根据电能接入过程中电动车是处于停车状态还是行驶状态，可以分为静态（驻车）充电系统和动态（不停车）供电系统（包括行驶过程中的实时供电和充电），无线充电系统又可以分为线圈阵列式无线充电系统和导轨式无线充电系统线圈。阵列式动态无线供电系统的原边能量发射机构由一系列连续布置的集中式线圈组成，每个线圈都可以进行单独的开关控制。本发明提出的跟踪型高效无线充电发射线圈机构主要可应用于线圈阵列式动态无线供电。

发明内容

本发明主要解决现有线圈阵列式无线充电系统充电效率低的技术问题；提供了一种采用跟踪型高效无线充电发射线圈机构的技术，通过汽车定位系统来获取电动汽车位置信息从而实现对电动汽车的跟踪，可大大提高充电效率。

本发明还有一目地是解决现有无线供电技术中发射线圈固定的问题；提供了一种通过安装导轨、滑轮、跟踪装置和汽车定位系统来使发射线圈可移动并跟踪的技术来克服传统动态充电中由于电动汽车左右偏移带来的充电效率偏低的缺点。

本发明的技术方案提供一种无线电能传输系统，包括电网、初级电能变换系统和设于电动汽车的拾取线圈，沿路在路面下设置多套跟踪型发射线圈装置，设置汽车定位系统；

所述汽车定位系统，用于提供汽车位置信息；

每套跟踪型发射线圈装置包括发射线圈、导轨、滑轮和跟踪装置，导轨的铺设方向与电动汽车行进方向垂直，发射线圈固定在滑轮上，所述滑轮上装有电机；跟踪装置获取来自汽车定位系统的汽车位置信息，并且对滑轮的电机发出相应控制信号，使滑轮在导轨上左右移动，实现发射线圈对电动汽车的跟踪。

而且，所述汽车定位系统包括纵向测距系统和横向测距系统，

根据纵向测距系统提供的汽车位置信息，当电动汽车经过某个发射线圈上方时，则初级电能变换系统控制该发射线圈闭合，发射电磁场，电动汽车的拾取线圈接收电磁场；当发射线圈上方没有电动汽车时，则初级电能变换系统控制该发射线圈断开，不进行供电；

根据横向测距系统提供的汽车位置信息，当电动汽车发生左右偏移，未能行驶在充电效率最高的位置时，通过发射线圈对电动汽车的跟踪，并找到效率最高的充电位置。

而且，所述纵向测距系统包括红外发射阵列、红外接收阵列和电子移位电路，用于车箱长度和纵向位置的测量；所述横向测距系统包括超声波测距装置，用于车箱宽度和横向位置的测量。

本发明还相应提供一种无线电能传输方法，包括设置电网、初级电能变换系统和设于电动汽车的拾取线圈，沿路在路面下设置多套跟踪型发射线圈装置，通过设置汽车定位系统提供汽车位置信息；

每套跟踪型发射线圈装置包括发射线圈、导轨、滑轮和跟踪装置，导轨的铺设方向与电动汽车行进方向垂直，发射线圈固定在滑轮上，所述滑轮上装有电机；跟踪装置获取来自汽车定位系统的汽车位置信息，并且对滑轮的电机发出相应控制信号，使滑轮在导轨上左右移动，实现发射线圈对电动汽车的跟踪；

所述汽车定位系统包括纵向测距系统和横向测距系统，

根据纵向测距系统提供的汽车位置信息，当电动汽车经过某个发射线圈上方时，则初级电能变换系统控制该发射线圈闭合，发射电磁场，电动汽车的拾取线圈接收电磁场；当发射线圈上方没有电动汽车时，则初级电能变换系统控制该发射线圈断开，不进行供电；

根据横向测距系统提供的汽车位置信息，当电动汽车发生左右偏移，未能行驶在充电效率最高的位置时，通过发射线圈对电动汽车的跟踪，并找到效率最高的充电位置。

本发明还相应提供一种跟踪型发射线圈装置，包括发射线圈、导轨、滑轮和跟踪装置，导轨的铺设方向与电动汽车行进方向垂直，发射线圈固定在滑轮上，所述滑轮上装有电机；跟踪装置获取来自汽车定位系统的汽车位置信息，并且对滑轮的电机发出相应控制信号，使滑轮在导轨上左右移动，实现发射线圈对电动汽车的跟踪。

本发明提供一种跟踪型高效无线充电发射线圈装置，通过安装导轨、滑轮、跟踪装置和汽车定位系统使发射线圈不再固定，可以跟踪电动汽车，在其左右摆动时仍然能保持较高的充电效率。因此，本发明克服了线圈阵列式动态无线供电系统中发射线圈固定而导致的充电效率低的缺点，也为其他无线充电方式提供了新的提高充电效率的方法。本发明在环保节能方面具有重大意义，在规模应用下将有极高的商业效益。

附图说明

图1 本发明实施例的线圈阵列式无线充电系统示意图；

图2 本发明实施例的导轨铺设方式示意图；

图3 本发明实施例的跟踪型发射线圈机构构成图；

图4 本发明实施例的基于声光探测的汽车定位系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明技术方案进行具体描述。

本发明提出的跟踪型高效无线充电发射线圈装置，通过导轨、滑轮和跟踪装置，使发射线圈不再固定于路面上的某一位置，可以自行跟踪电动汽车并找到充电效率最高的位置。导轨与发射线圈、滑轮和跟踪装置等一起铺设在路面的下方，且导轨铺设方向与电动汽车行进方向垂直。实际应用时，线圈阵列式动态无线供电系统内线圈阵列中的每个集中式发射线圈都将相应安装导轨、滑轮和跟踪装置，构成一套跟踪型高效无线充电发射线圈装置，当电动汽车行驶在路面上时，能自动跟踪汽车，并对其进行动态充电。各跟踪型高效无线充电发射线圈装置，通过汽车定位系统对汽车进行定位，以此来实现对电动汽车的跟踪。

因此，本发明的技术方案提供一种无线电能传输系统，包括电网、初级电能变换系统和设于电动汽车的拾取线圈，沿路在路面下设置多套跟踪型发射线圈装置，设置汽车定位系统；

所述汽车定位系统，用于提供汽车位置信息；

每套跟踪型发射线圈装置包括发射线圈、导轨、滑轮和跟踪装置，导轨的铺设方向与电动汽车行进方向垂直，发射线圈固定在滑轮上，所述滑轮上装有电机；跟踪装置获取来自汽车定位系统的汽车位置信息，并且对滑轮的电机发出相应控制信号，使滑轮在导轨上左右移动，实现发射线圈对电动汽车的跟踪。

具体实施时，跟踪型发射线圈装置可以单独制造和出售，也在本发明所要求保护的范围内。

参见图1和图4，本发明实施例所采用的技术方案中，将跟踪型发射线圈装置应用于线圈阵列式动态无线供电系统。

在线圈阵列式动态无线供电系统实际应用场景中，

电网1为动态无线供电系统提供输入功率，输入初级电能变换系统2；

初级电能变换系统2控制线圈阵列中各发射线圈3分别的开断和闭合；

线圈阵列由多个发射线圈3构成，用于发射交变电磁场；

拾取线圈5，设于电动汽车4，用于接收各发射线圈3发射出的交变电磁场；

电动汽车4中，设置有能量变换及控制系统6、电机7和电池组8，能量变换及控制系统6将高频电流转换为直流供电机7和电池组8使用；

为每个发射线圈3相应设置导轨8、滑轮9、跟踪装置10，即每个发射线圈3和相应的导轨8、滑轮9、跟踪装置10组成一套跟踪型发射线圈装置；跟踪装置10用于电动汽车的跟踪以及滑轮移动的控制；具体实施时，跟踪装置10可以利用汽车定位系统获取电动汽车的位置信息。

进一步地，所述初级电能变换系统2，采用霍尔传感器、比例放大电路以及滤波电路依次连接，通过霍尔电流传感器将发射线圈电流转换成电压信号，同时为了提高检测精度，采用了电压跟随电路和比例放大电路，最终得到直流分量。线圈阵列采用电力电子电路的切换方式，采用单片机切换电力电子电路的工作方式，通过将直流分量输入单片机进而选择线圈阵列中合适的发射线圈3，达到快速切换要求，可通过获取来自汽车定位系统的汽车位置信息来控制单片机的工作方式，进而控制线圈阵列的开断和闭合。具体实施时，初级电能变换系统2的实现可参见渠浩,马凯雄,唐厚君,杨喜军. 一次侧线圈阵列的无线电能传输系统设计[J]-低压电器 2014(2):25-28

进一步地，所述发射线圈3可由一个或多个发射线圈单元组成，这些发射线圈单元的谐振频率与电源频率保持一致，以保证较低的反射系数，用于发射斩波功率振荡电路产生的交变电磁场。发射线圈3采用多个发射线圈单元时，即集中式发射线圈，发射功率较高。具体实施时，发射线圈3中多个发射线圈单元的布设可由本领域技术人员自行根据需要确定。

进一步地，所述的拾取线圈5由多匝金属导体绕制成的线圈组成，位于电动汽车的下方，接收线圈在制作时可预先考虑电源的频率，制作出的接收线圈与电源频率保持一致，以保证接收线圈在运行中保持谐振状态，以通过谐振耦合的方式实现能量的高效传递。

进一步地，所述能量变换及控制系统6由桥式整流电路、滤波电路和斩波电路依次连接组成，其中桥式整流电路将线圈获得的交流电整流成直流电，滤波电路消除电路中的高次谐波，随后斩波电路将滤波后的直流电转变成恒定输出电压的直流电。

进一步地，所述导轨8由金属构成，滑轮9在跟踪装置10的控制下在导轨8上移动。

进一步地，所述滑轮9上装有电机，电机通过跟踪装置10控制，可以实现正转和反转，从而实现滑轮的左右移动。

进一步地，所述跟踪装置10可以采用单片机等微处理器实现，通过单片机获取来自汽车定位系统的汽车位置信息，并且对滑轮9的电机发出控制信号（高低电平），使滑轮可以左右移动来实现发射线圈3对电动汽车4的跟踪。

所述的基于声光探测的汽车定位系统包括由单片机11、红外发射阵列12、红外接收阵列13和电子移位电路14构成的纵向测距系统，红外发射阵列12、红外接收阵列13和电子移位电路14形成的红外线电子移位电路逐行扫描，用于车箱长度和纵向位置的测量，由单片机15和超声波测距装置16构成的横向测距系统，用于车箱宽度和横向位置的测量。主机17对纵向检测和横向检测的数据进行综合处理和分析，计算出汽车在区域中的位置参数。具体实施时，汽车定位系统的实现可参见李立新,丁电宽. 声光探测技术在汽车定位中的应用[J]-压电与声光 2010(5)：724-727。

如图1所示，实施例所提供线圈阵列式动态无线充电系统的原边能量发射机构由一系列连续布置的集中式线圈-发射线圈3组成，每个发射线圈3都可以进行单独的开关控制。其中，电网1为动态无线供电系统提供输入功率；初级电能变换系统2，采用霍尔传感器、比例放大电路以及滤波电路，得到直流分量，线圈阵列中各线圈单元3采用电力电子电路的切换方式，达到快速切换要求，通过获取来自汽车定位系统的汽车位置信息来控制线圈阵列的开断和闭合；当电动汽车4经过某个发射线圈3上方时，则该发射线圈3闭合，流过高频电流；当发射线圈3上方没有电动汽车4时，则该发射线圈3断开，不进行供电；当发射线圈3闭合时，拾取线圈5接收高频磁场并将磁场能转化为电能；能量变换及控制系统6将高频电流转换为直流供电机7和电池组8使用。

如图2所示，以实施例所提供线圈阵列中的一个发射线圈3为例，导轨8作为跟踪型发射线圈移动的轨道，铺设在路面下方，且铺设方向与行车方向（v）垂直，当电动汽车4发生左右偏移，未能行驶在充电效率最高的位置时，发射线圈3能自行跟踪电动汽车4，并找到效率最高的充电位置来提高线圈阵列式动态无线充电系统的充电效率。

如图3所示，实施例所提供滑轮9可以在导轨8上移动，从而实现发射线圈3对电动汽车4的跟踪，以实现高效率传输；跟踪装置10可以接收来自基于汽车定位系统的电动汽车4的位置信息来跟踪电动汽车4；发射线圈3固定在滑轮9上，通过跟踪装置10控制滑轮9的移动来实现跟踪。

如图4所示，实施例中的汽车定位系统既可以测量汽车的纵向位置也可以测量汽车的横向位置，纵向测距系统中，红外发射阵列12、红外接收阵列13和电子移位电路14构成红外线电子移位逐行扫描电路，用于车箱长度和纵向位置的测量。单片机15和4个超声波测距装置16构成的横向测距系统，用于车箱宽度和横向位置的测量。其中红外发射阵列12和红外接收阵列13安装于工作区域两侧车箱中部的高度，分别由多个发射模块和多个接收模块组成，它们均匀平行排列，收发一一对应。4个超声波测距装置16安装在工作区域两侧，分成两组，分别测量前部车箱和后部车箱。主机17对纵向检测和横向检测的数据进行综合处理和分析，计算出汽车在区域中的位置参数。其中，纵向位置信息作为电力电子电路的直流信号，可以供初级电能变换系统2用于线圈阵列开断和闭合的控制；横向位置信息发送到跟踪装置10，可以供跟踪装置10内的单片机使用，单片机控制电机的正传和反转，用于滑轮9在导轨上移动的控制。

本发明提供了本领域技术人员能够实现的技术方案。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无线电能传输系统，包括电网、初级电能变换系统和设于电动汽车的拾取线圈，其特征在于：用于当电动汽车行驶在路面上时，自动跟踪汽车，并对其进行动态充电；沿路在路面下设置多套跟踪型发射线圈装置，设置汽车定位系统；

所述汽车定位系统，用于提供汽车位置信息；

每套跟踪型发射线圈装置包括发射线圈、导轨、滑轮和跟踪装置，导轨作为跟踪型发射线圈移动的轨道，铺设在路面下方，且铺设方向与电动汽车行进方向垂直，发射线圈固定在滑轮上，所述滑轮上装有电机；跟踪装置获取来自汽车定位系统的汽车位置信息，并且对滑轮的电机发出相应控制信号，使滑轮在导轨上左右移动，实现发射线圈对电动汽车的跟踪；

所述汽车定位系统包括纵向测距系统和横向测距系统，

根据纵向测距系统提供的汽车位置信息，当电动汽车经过某个发射线圈上方时，则初级电能变换系统控制该发射线圈闭合，发射电磁场，电动汽车的拾取线圈接收电磁场；当发射线圈上方没有电动汽车时，则初级电能变换系统控制该发射线圈断开，不进行供电；

根据横向测距系统提供的汽车位置信息，当电动汽车发生左右偏移，未能行驶在充电效率最高的位置时，通过发射线圈对电动汽车的跟踪，并找到效率最高的充电位置。

2.根据权利要求1所述无线电能传输系统，其特征在于：所述纵向测距系统包括红外发射阵列、红外接收阵列和电子移位电路，用于车箱长度和纵向位置的测量；所述横向测距系统包括超声波测距装置，用于车箱宽度和横向位置的测量。

3.一种无线电能传输方法，包括设置电网、初级电能变换系统和设于电动汽车的拾取线圈，其特征在于：当电动汽车行驶在路面上时，自动跟踪汽车，并对其进行动态充电；沿路在路面下设置多套跟踪型高效无线充电发射线圈装置，通过设置汽车定位系统提供汽车位置信息；

每套跟踪型发射线圈装置包括发射线圈、导轨、滑轮和跟踪装置，导轨作为跟踪型发射线圈移动的轨道，铺设在路面下方，且铺设方向与电动汽车行进方向垂直，发射线圈固定在滑轮上，所述滑轮上装有电机；跟踪装置获取来自汽车定位系统的汽车位置信息，并且对滑轮的电机发出相应控制信号，使滑轮在导轨上左右移动，实现发射线圈对电动汽车的跟踪；

所述汽车定位系统包括纵向测距系统和横向测距系统，

根据纵向测距系统提供的汽车位置信息，当电动汽车经过某个发射线圈上方时，则初级电能变换系统控制该发射线圈闭合，发射电磁场，电动汽车的拾取线圈接收电磁场；当发射线圈上方没有电动汽车时，则初级电能变换系统控制该发射线圈断开，不进行供电；根据横向测距系统提供的汽车位置信息，当电动汽车发生左右偏移，未能行驶在充电效率最高的位置时，通过发射线圈对电动汽车的跟踪，并找到效率最高的充电位置。

4.一种跟踪型发射线圈装置，其特征在于：用于在无线电能传输系统中，支持当电动汽车行驶在路面上时，能自动跟踪汽车，并对其进行动态充电；包括发射线圈、导轨、滑轮和跟踪装置，导轨作为跟踪型发射线圈移动的轨道，铺设在路面下方，且铺设方向与电动汽车行进方向垂直，发射线圈固定在滑轮上，所述滑轮上装有电机；跟踪装置获取来自汽车定位系统的汽车位置信息，并且对滑轮的电机发出相应控制信号，使滑轮在导轨上左右移动，实现发射线圈对电动汽车的跟踪；

所述无线电能传输系统包括电网、初级电能变换系统和设于电动汽车的拾取线圈、汽车定位系统，汽车定位系统包括纵向测距系统和横向测距系统，

根据纵向测距系统提供的汽车位置信息，当电动汽车经过某个发射线圈上方时，则初级电能变换系统控制该发射线圈闭合，发射电磁场，电动汽车的拾取线圈接收电磁场；当发射线圈上方没有电动汽车时，则初级电能变换系统控制该发射线圈断开，不进行供电；

根据横向测距系统提供的汽车位置信息，当电动汽车发生左右偏移，未能行驶在充电效率最高的位置时，通过发射线圈对电动汽车的跟踪，并找到效率最高的充电位置。