CN105406563A - 一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法，主要综合考虑多重影响因素，优化分段发射式电动汽车动态无线供电系统的分布式分段发射线圈切换策略。该系统主要由高频电源、分段发射线圈、补偿电容、接收线圈以及负载。该发明在考虑负载最低功率需求、功率波动需求以及程控开关命令发送频率三个要素的基础上，提出一种基于变宽度窗口搜索的分段发射线圈切换方案寻优策略，以寻求一种分段发射线圈通电个数以及对应切换点的最优选择方案，可满足负载最低需求功率、接收功率波动限制，以最低切换频率控制发射线圈的切换，为电动汽车分段发射式动态无线供电系统优化设计提供有效的思路。

Description

一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，特别是涉及一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法。

背景技术

随着化石能源的不断衰竭以及人们对于环境问题的日益关注，电动汽车得以迅猛发展，汽车正在逐步摆脱对化石能源的依赖，从传统汽车发展到混合动力车，最终过渡到纯电动汽车。然而目前车载电池的能量密度尚且难以与汽油相比，尽管随着电能存储技术的不断进步，锂离子电池逐步替代了铅酸蓄电池，部分问题得以改善，电动汽车仍需要庞大笨重的电池组作为动力能源存储设备，而有线充电方式在操作上不够便捷，难以满足电动汽车频繁充电的需求。

由于无线电能传输技术作为一种电动汽车电能补充方式具有操作便捷、无接触电火花、无机械结构磨损、无线路老化等优点，国内外相关研究人员在将无线电能传输技术应用于电动汽车静态无线充电方面已有较为深入的研究，主要包括系统拓扑结构研究、高频电源逆变器设计、能量耦合装置设计以及电磁安全性分析。为了进一步解决电动汽车需频繁充电、储能设备庞大以及续航能力有限等问题，相关研究人员在电动汽车静态无线充电的基础上研究了电动汽车动态无线供电技术(电动汽车在线供电技术)。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法，实现分段发射线圈通电个数以及对应切换点的最优选择。

技术方案：一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法，能量发射装置采用分段式电动汽车动态无线供电系统，切换方案包括发射线圈同时通电个数n以及切换点的位置，包括如下步骤：

1)，获取电动汽车上的接收线圈接收功率随发射线圈通电个数以及接收线圈位置变化的特性曲线；

2)，以电动汽车需求的最低功率P_Lmin为临界值，选取所述特性曲线中接收功率大于所述临界值的部分作为切换点选取的有效区域；

3)，采用变宽度的移动窗口法对所述有效区域进行搜索，得到最大采样窗口宽度对应的切换点的位置以及对应的发射线圈通电个数为最优切换方案。

进一步的，所述步骤3)中对所述有效区域进行搜索，包括如下具体步骤：

a)，初始化参数：设定发射线圈同时通电个数n的初始值为1；

b)，依次设定采样窗口的宽度为kd，其中k＝1,2,…,n，在特性曲线上的有效区域，沿特性曲线的水平轴方向从左至右逐次移动宽度为kd的采样窗口来进行搜索；每次搜索中，宽度为kd的采样窗口所对应的最小功率波动为ΔP_nk，记录ΔP_nk小于等于阈值ΔP的窗口位置为切换点的位置，并记录对应的采样窗口宽度；

c)，选取步骤b)中记录的最大宽度的采样窗口所对应的切换点的位置为发射线圈通电个数为n时的最优切换点位置；

d)，逐个增加发射线圈通电个数n，并重复步骤b)至c)，直至发射线圈通电个数n为分段式电动汽车动态无线供电系统中充电线圈最大个数m为止；

e)，在不同发射线圈个数下记录的切换点的位置所对应的所有采样窗口宽度中，选择采样窗口宽度最大值所对应的发射线圈通电个数以及对应的切换点的位置为最优切换方案。

进一步的，所述步骤1)中，所述特性曲线的获取方法包括：

第一步，对于有n个发射线圈的分段式电动汽车动态无线供电系统分析得到，位于电动汽车端的接收线圈的接收功率 $P_{outn}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M_{sum}}^2{U_s}^2{R}_L}{{\[(R_s+nR)(R+R_L)+{\mathrm{\ω}}^2{M_{sum}}^2\]}^2};$ 其中，ω＝2πf，f为系统工作的谐振频率，M_sum为收发装置等效总互感，U_s为发射线圈连接的高频电源输出电压，R_s为高频电源内阻，R_L为接收线圈连接的负载阻值大小、n为发射线圈同时通电个数，发射线圈和接收线圈的结构相同，R为各发射线圈和接收线圈的电阻；

第二步，所述接收线圈的接收功率P_outn中，变量仅为收发装置等效总互感M_sum以及发射线圈通电个数n，分析得到其中，M_i为同时接通的n个发射线圈中的第i个发射线圈与接收线圈之间的等效互感，N为各线圈匝数，μ_r为相对磁导率，μ₀为真空磁导率，l_i为第i个发射线圈电流回路，dl_i表示第i个发射线圈电流回路中的微元，l_r为接收线圈电流回路，dl_r表示接收线圈电流回路中的微元，R_i为第i个发射线圈与接收线圈的电流微元间距；

第三步，以Δx表示接收线圈的位置变化，所述M_sum与发射线圈通电个数n以及接收线圈的位置变化Δx相关，表示为M_sum～κ(n,Δx)，进而将接收线圈的接收功率表示为P_out～ξ″(n,Δx)，进而得到接收功率随发射线圈通电个数以及接收线圈位置变化的特性曲线。

有益效果：本发明的一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法，在能量发射装置采用分段发射线圈结构的电动汽车动态无线供电系统，根据接收线圈的接收功率随发射线圈通电个数以及接收线圈位置变化的特性曲线，通过一种基于变宽度窗口搜索的分段发射线圈切换方案寻优策略，得到最优的发射线圈切换方案，采用该方案可以在依次满足负载最低需求功率、接收功率波动限制的情况下，实现最低切换频率控制发射线圈的切换。

附图说明

图1为分段式电动汽车动态无线供电系统的结构示意图；

图2为电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法的流程图；

图3为随接收线圈位置变化的接收功率特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本实施例中，分段式电动汽车动态无线供电系统包括结构、尺寸均相同的m个方形发射线圈，该m个发射线圈依次铺设在电动汽车的行进路线上。每个发射线圈均串联一个谐振电容后通过一个程控开关串联接入高频电源回路，当某一发射线圈接入高频电源回路时，该发射线圈能够产生高频电磁场。电动汽车的底盘中央设置接收线圈，该接收线圈能够与发射线圈通过磁场耦合传输电能，接收线圈接收电能经控制电路输出到电池负载。其中，各个发射线圈和接收线圈的匝数相同均为N。

当电动汽车沿铺设有发射线圈的路径行驶时，接收线圈和发射线圈的相对垂直距离不变，为了给电动汽车提供不间断的电能，根据电动汽车的实时位置需同时为连续的若干个连续的发射线圈同时供电。在考虑负载最低功率需求、功率波动需求以及程控开关命令发送频率三个要素的基础上，本发明的电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法即寻找满足要求的发射线圈同时通电个数n以及切换点的位置。需要说明的是，若同时通电线圈个数为n时，随着汽车的行进位置，连续有n个发射线圈通电；切换点的位置即当前n个发射线圈通电切换到下一周期n个发射线圈通电时，接收线圈相对于n个同时接通的发射线圈所形成整体的位置。

首先，获取接收线圈端的接收功率随发射线圈通电个数n以及接收线圈位置变化Δx的特性曲线，其中接收线圈位置变化Δx即接收线圈相对于n个同时接通的发射线圈所形成整体的位置变化，该位置变化仅为接收线圈相对于m个发射线圈铺设的方向，其方法为：

对分段式电动汽车动态无线供电系统分析得到，位于电动汽车端的接收线圈的接收功率 $P_{outn}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M_{sum}}^2{U_s}^2{R}_L}{{\[(R_s+nR)(R+R_L)+{\mathrm{\ω}}^2{M_{sum}}^2\]}^2};$ 其中，ω＝2πf，f为系统工作的谐振频率，M_sum为收发装置等效总互感，U_s为发射线圈连接的高频电源输出电压，R_s为高频电源内阻，R_L为接收线圈连接的负载阻值大小、n为发射线圈同时通电个数，发射线圈和接收线圈的结构相同，R为各发射线圈和接收线圈的电阻；其中，收发装置等效总互感即通电的若干个发射线圈构成的整体与接收线圈之间的互感。本方法仅考虑收发装置等效总互感M_sum以及同时通电发射线圈个数n对接收功率P_outn的影响，控制其他影响因素不变。

对分段式电动汽车动态无线供电系统进行分析，收发装置等效总互感M_sum为：其中，M_i为同时接通的n个发射线圈中的第i个发射线圈与接收线圈之间的等效互感，N为各线圈匝数，μ_r为相对磁导率，μ₀为真空磁导率，l_i为第i个发射线圈电流回路，dl_i表示第i个发射线圈电流回路中的微元，l_r为接收线圈电流回路，dl_r表示接收线圈电流回路中的微元，R_i为第i个发射线圈与接收线圈的电流微元间距。

从收发装置等效总互感M_sum表达式中可以看出，当其他参数不变时，M_sum仅与发射线圈同时通电个数n以及第i个发射线圈与接收线圈的电流微元间距R_i有关；而当各个方形发射线圈尺寸一定且与接收线圈垂直高度一定时，R_i仅与接收线圈的位置变化Δx有关。从而得到M_sum与发射线圈同时通电个数n与接收线圈的位置变化Δx相关，表示为M_sum～κ(n,Δx)，κ(·)表示收发装置等效总互感与发射线圈同时通电个数以及接收线圈的位置变化的关系。M_sum～κ(n,Δx)为非线性，若已知n,Δx，则可唯一确定M_sum；则接收线圈的接收功率可表示为P_out～ξ″(n,Δx)，ξ″(·)表示接收线圈的接收功率与发射线圈同时通电个数以及接收线圈的位置变化的关系；进而得到接收功率随发射线圈通电个数以及接收线圈位置变化的特性曲线，其中特性曲线的水平轴为接收线圈的位置，纵轴为接收功率大小。其中，特性曲线水平轴对应于接收线圈的位置，对于含有n个发射线圈的模式而言，其接收功率特性曲线是指接收线圈从右往左，沿行驶方向，从进入到驶出n发射线圈构成的发射区域，在此过程中，每一个接收线圈位置与对应接收功率组成的曲线。

根据上述特性曲线寻求最优发射线圈切换方案，切换方案包括发射线圈通电个数以及切换点的位置，针对由m个可控发射线圈组成的系统，发射线圈同时通电个数n可取1,2,…,m；如图2所示，本发明方法包括如下步骤：

1)，以电动汽车负载需求的最低功率P_Lmin为临界值，选取特性曲线中接收功率大于该临界值的部分作为切换点选取的有效区域；

2)，采用变宽度的移动窗口法对有效区域进行搜索，得到最大采样窗口宽度对应的切换点的位置以及对应的发射线圈通电个数为最优切换方案，具体为：

a)，初始化参数：设定发射线圈同时通电个数n的初始值为1；

b)，依次设定采样窗口的宽度为kd，其中k＝1,2,…,n，d为相邻两发射线圈中心的间距，在特性曲线上的有效区域，沿特性曲线的水平轴方向从左至右逐次移动宽度为kd的采样窗口来进行搜索；每次搜索中，宽度为kd的采样窗口所对应的最小功率波动为ΔP_nk，记录ΔP_nk小于等于阈值ΔP的窗口位置为切换点的位置，并记录对应的采样窗口宽度；其中阈值ΔP值的选取取决于电动汽车充电用户的需求。可根据实际情况确定。如图3所示，以n＝1时的单发射线圈模式为例，图示曲线为单发射线圈模式的接收功率特性曲线，采样窗口为图3中四条虚线围成的矩形区域，切换点的位置为当前取样窗口两垂直边对应水平轴上的接收线圈位置，此时得到采样窗口内的一段特性曲线即为一个切换周期。

c)，选取步骤b)中记录的最大宽度的采样窗口所对应的切换点的位置为发射线圈通电个数为n时的最优切换点位置；

d)，逐个增加发射线圈通电个数n，并重复步骤b)至c)，直至发射线圈通电个数n为分段式电动汽车动态无线供电系统中充电线圈最大个数m为止；

e)，在不同发射线圈个数下记录的切换点的位置所对应的所有采样窗口宽度中，选择采样窗口宽度最大值所对应的发射线圈通电个数以及对应的切换点的位置为最优切换方案。采样窗口宽度越大意味着切换命令发送周期越大，切换命令发送频率越低，实现了在满足负载最低需求功率、接收功率波动限制的情况下，最低切换频率控制发射线圈的切换。

根据上述得到的发射线圈通电个数n以及切换点的位置，通过连接各个发射线圈的程控开关控制线圈的通断，实现对电动汽车的持续供电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法，其特征在于：能量发射装置采用分段式电动汽车动态无线供电系统，切换方案包括发射线圈同时通电个数n以及切换点的位置，包括如下步骤：

1)，获取电动汽车上的接收线圈接收功率随发射线圈通电个数以及接收线圈位置变化的特性曲线；

2)，以电动汽车需求的最低功率P_Lmin为临界值，选取所述特性曲线中接收功率大于所述临界值的部分作为切换点选取的有效区域；

3)，采用变宽度的移动窗口法对所述有效区域进行搜索，得到最大采样窗口宽度对应的切换点的位置以及对应的发射线圈通电个数为最优切换方案。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法，其特征在于：所述步骤3)中对所述有效区域进行搜索，包括如下具体步骤：

a)，初始化参数：设定发射线圈同时通电个数n的初始值为1；

b)，依次设定采样窗口的宽度为kd，其中k＝1，2，…，n，在特性曲线上的有效区域，沿特性曲线的水平轴方向从左至右逐次移动宽度为kd的采样窗口来进行搜索；每次搜索中，宽度为kd的采样窗口所对应的最小功率波动为ΔP_nk，记录ΔP_nk小于等于阈值ΔP的窗口位置为切换点的位置，并记录对应的采样窗口宽度；

c)，选取步骤b)中记录的最大宽度的采样窗口所对应的切换点的位置为发射线圈通电个数为n时的最优切换点位置；

d)，逐个增加发射线圈通电个数n，并重复步骤b)至c)，直至发射线圈通电个数n为分段式电动汽车动态无线供电系统中充电线圈最大个数m为止；

e)，在不同发射线圈个数下记录的切换点的位置所对应的所有采样窗口宽度中，选择采样窗口宽度最大值所对应的发射线圈通电个数以及对应的切换点的位置为最优切换方案。

3.根据权利要求1或2所述的一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述特性曲线的获取方法包括：

第一步，对于有n个发射线圈的分段式电动汽车动态无线供电系统分析得到，位于电动汽车端的接收线圈的接收功率其中，ω＝2πf，f为系统工作的谐振频率，M_sum为收发装置等效总互感，U_s为发射线圈连接的高频电源输出电压，R_s为高频电源内阻，R_L为接收线圈连接的负载阻值大小、n为发射线圈同时通电个数，发射线圈和接收线圈的结构相同，R为各发射线圈和接收线圈的电阻；

第二步，所述接收线圈的接收功率P_outn中，变量仅为收发装置等效总互感M_sum以及发射线圈通电个数n，分析得到其中，Mi为同时接通的n个发射线圈中的第i个发射线圈与接收线圈之间的等效互感，N为各线圈匝数，μ_r为相对磁导率，μ₀为真空磁导率，l_i为第i个发射线圈电流回路，dl_i表示第i个发射线圈电流回路中的微元，l_r为接收线圈电流回路，dl_r表示接收线圈电流回路中的微元，R_i为第i个发射线圈与接收线圈的电流微元间距；

第三步，以Δx表示接收线圈的位置变化，所述M_sum与发射线圈通电个数n以及接收线圈的位置变化Δx相关，表示为M_sum～κ(n，Δx)，进而将接收线圈的接收功率表示为P_out～ξ″(n，Δx)，进而得到接收功率随发射线圈通电个数以及接收线圈位置变化的特性曲线。