CN106314187A - 一种电动汽车短分段动态无线供电系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车短分段动态无线供电系统的控制方法，系统主要由频率可调高频电源、发射端固定补偿电容、分段方形发射线圈、切换控制开关、方形接收线圈、接收端固定补偿电容以及电动汽车负载组成。为了解决接收线圈处于两个发射线圈中间位置时，采用单发射线圈供电模式导致的接收功率跌落问题，本发明提出一种发射端拓扑变换及高频电源频率调整控制方法。采用本发明提出的系统及控制方法，可以实现电动汽车行驶中连续不断地拾取能量，有效解决电动汽车续航能力差的问题，本发明所述方法重点解决当接收线圈处于两初级线圈中间位置时接收功率跌落严重的问题。

Description

一种电动汽车短分段动态无线供电系统的控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车无线充电领域，特别是一种新型电动汽车分段动态无线供电系统及其控制方法。

背景技术

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，另外电动汽车相对有限的续航能力仍是制约电动汽车发展的关键因素。

无线电能传输技术是目前比较新型的电能传输技术之一，可通过空气等媒介，避开电缆线的直接物理连接实现能量的有效传递，依托感应、磁耦合谐振、微波等技术可实现传输距离为几厘米至几米，传输功率几瓦至几十千瓦，完全可满足电动汽车充放电功率和距离的需求，同时也具备了供电方式灵活，绿色环保、无接触电火花、充电过程中无人工插拔操作、无机构磨损等一系列优点。

随着无线电能传输技术的快速发展，电动汽车得以实现无线充电，摆脱了充电线缆的束缚，降低了电击的危险。为了进一步解决电动汽车面临的电池能量密度低、需要频繁充电以及储能电池笨重且成本较高等问题，相关研究人员提出了电动汽车动态无线充电方案，可以实现电动汽车在行驶过程中动态地补充电能，采用该方案可以使电动汽车少载甚至不载储能电池。然而对于短分段结构的电动汽车动态无线供电方案，当次级线圈位于两初级线圈中间位置时，若仅依靠单初级线圈供电，由于互感参数发生较大的变化，难以维持较高水平的接收功率；若短分段线圈全部通电则系统损耗较大。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种电动汽车短分段动态无线供电系统的控制方法，通过发射端拓扑变化及电源频率调整控制实现较为平稳的动态无线供电。

技术方案：一种电动汽车短分段动态无线供电系统的控制方法，所述系统的路面电能发射部分包括沿路径设置的分段方形发射线圈，各分段方形发射线圈通过开关串联接入高频电源回路，系统的电能接收部分包括方形接收线圈；

以接收线圈从一个发射线圈正上方移动到相邻发射线圈正上方为一个周期，随着接收线圈位置的变化，相邻的两个发射线圈中心点之间的路径上存在第一拓扑转换点和第二拓扑转换点，两个拓扑转换点均满足其中P_SS为单发射线圈接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率，为双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率；

在所述一个周期内，当所述接收线圈从前一个发射线圈正上方移动到第一拓扑转换点时，仅将所述前一个发射线圈接入所述高频电源回路，并且将所述高频电源的频率调整为f_SS；当所述接收线圈从所述第一拓扑转换点向拓第二拓扑转换点移动时，采用双发射线圈拓扑，将两个发射线圈串联接入所述高频电源回路，并且将高频电源的频率调整为当所述接收线圈从所述第二拓扑转换点向下一个发射线圈正上方移动时，仅将所述下一个发射线圈接入所述高频电源回路，并且将高频电源的频率调整为f_SS；其中，所述所述通过令双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率关于频率的偏导等于零求解得到。

作为本发明的优选方案，发射线圈切换控制方法为，首先根据单发射线圈以及双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率计算得到拓扑转换点处的系统接收功率理论值；在所述一个周期内，实时获取电能接收部分的无线电能接收功率检测值，并通过无线传输发送到控制侧，当所述无线电能接收功率检测值与所述系统接收功率理论值相等时，所述控制侧输出开关的控制信号，通过控制连接发射线圈的开关通断来进行单发射线圈与双发射线圈拓扑之间的切换。

有益效果：本发明的一种电动汽车短分段动态无线供电系统的控制方法，在不改变线圈及匹配电容设计的情况下，仅依靠发射线圈拓扑变换以及调整高频电源频率保证接收功率稳定，保证当接收线圈移动到两发射线圈中间位置时接收功率不出现较大的波动。

附图说明

图1为本发明一种电动汽车短分段动态无线供电系统的结构示意图；

图2为本方法中一个周期内两种初级拓扑接收功率随次级线圈位置变化的对比曲线。

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，本发明所基于的电动汽车短分段动态无线供电系统包括频率可调高频电源、分段方形发射线圈、切换控制开关、方形接收线圈、以及电动汽车负载组成。分段方形发射线圈沿路径设置，每个分段方形发射线圈及方形接收线圈均设计相同且采用固定电容补偿，每个分段方形发射线圈均能通过切换控制开关接入高频电源串联回路。单发射线圈模式下的系统工作频率固定为其中L为方形线圈电感，C为固定补偿电容。双发射线圈模式下的系统工作频率由如下步骤决定，首先由电路理论得到，当接收线圈位于相邻两个发射线圈的正中间位置时，双发射线圈串联模式下系统接收功率为：

$P_{S_{ssf}S}^{\′}=\frac{4M^2{U_{in}}^2{R}_L{\mathrm{\ω}}^2}{{\{\[R+R_L+j(\mathrm{\ω}L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C})\]\[R_{in}+2R+2j(\mathrm{\ω}L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C}+{\mathrm{\ωM}}_{12})\]+4{\mathrm{\ω}}^2{M}^2\}}^2}$

其中，ω＝2πf，对系统工作频率f求偏导，求得接收功率最大值在取得，将作为双发射线圈串联模式的最优工作频率。

发射端线圈接入拓扑及高频电源频率调整的控制方法如下。当接收线圈沿路径移动是，由电路定理可求得单发射线圈接入拓扑下的系统接收功率P_SS为：

$P_{SS}=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M_1}^2{U_{in}}^2{R}_L}{{\[(R_L+R)(R+R_{in})+{\mathrm{\ω}}^2{M_1}^2\]}^2}$

其中，U_in为高频电源电压，R_in为高频电源内阻，各发射线圈及接收线圈内阻均为R，R_L为电动汽车负载，单发射线圈与接收线圈之间的互感表示为M₁。

当接收线圈沿路径移动是，双发射线圈接入拓扑下的系统接收功率表达式为：

$P_{S_{ssf}S}=\frac{{(M_1+M_2)}^2{U_{in}}^2{R}_L{\mathrm{\ω}}^2}{{\{\[R+R_L+j(\mathrm{\ω}L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C})\]\[R_{in}+2R+2j(\mathrm{\ω}L-\frac{1}{\mathrm{\ω}C}+{\mathrm{\ωM}}_{12})\]+{\mathrm{\ω}}^2{(M_1+M_2)}^2\}}^2}$

其中，两个发射线圈与接收线圈之间的互感分别表示为M₁和M₂，两发射线圈之间的互感为M₁₂，以接收线圈从一个发射线圈正上方O₁移动到相邻发射线圈正上方O₂为一个周期，随着接收线圈位置x的变化，M₁和M₂发生变化，进而导致P_SS和发生变化，并且在接收线圈由O₁点移动到O₂点过程中，存在两个位置满足将这两个点作为发射端拓扑转换点，分别命名为SP₁和SP₂。如图2所示为本发明中所述一个周期内对应不同工作模式和不同系统工作频率的接收功率随次级线圈位置变化对比曲线。最终，在该周期内，当接收线圈从前一个发射线圈正上方O₁出发移动到拓扑转换点SP₁时，采用单发射线圈拓扑，仅将前一个发射线圈及补偿电容接入高频电源回路，并且将高频电源的频率调整为f_SS；当次级线圈从拓扑转换点SP₁向拓扑转换点SP₂移动时，采用双发射线圈拓扑，将两个发射线圈及补偿电容串联接入高频电源回路，并且将高频电源的频率调整为当接收线圈从拓扑转换点SP₂向下一个发射线圈正上方O₂移动时，仅将下一个发射线圈及补偿电容接入高频电源回路，并且将高频电源的频率调整为f_SS。随着电动汽车向前移动，循环采用上述控制方法控制初级线圈拓扑变化及调整高频电源的频率。

发射线圈切换控制方法为，首先根据单发射线圈以及双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率计算得到拓扑转换点处的系统接收功率理论值；在所述一个周期内，实时获取电能接收部分的无线电能接收功率检测值，并通过无线传输发送到控制侧，当所述无线电能接收功率检测值与所述系统接收功率理论值相等时，所述控制侧输出开关的控制信号，通过控制连接发射线圈的开关通断来进行单发射线圈与双发射线圈拓扑之间的切换。

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 (2)

1.一种电动汽车短分段动态无线供电系统的控制方法，其特征在于：所述系统的路面电能发射部分包括沿路径设置的分段方形发射线圈，各分段方形发射线圈通过开关串联接入高频电源回路，系统的电能接收部分包括方形接收线圈；

以接收线圈从一个发射线圈正上方(O₁)移动到相邻发射线圈正上方(O₂)为一个周期，随着接收线圈位置的变化，相邻的两个发射线圈中心点之间的路径上存在第一拓扑转换点(SP₁)和第二拓扑转换点(SP₂)，两个拓扑转换点均满足其中P_SS为单发射线圈接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率，为双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率；

在所述一个周期内，当所述接收线圈从前一个发射线圈正上方(O₁)移动到第一拓扑转换点(SP₁)时，仅将所述前一个发射线圈接入所述高频电源回路，并且将所述高频电源的频率调整为f_SS；当所述接收线圈从所述第一拓扑转换点(SP₁)向拓第二拓扑转换点(SP₂)移动时，采用双发射线圈拓扑，将两个发射线圈串联接入所述高频电源回路，并且将高频电源的频率调整为当所述接收线圈从所述第二拓扑转换点(SP₂)向下一个发射线圈正上方(O₂)移动时，仅将所述下一个发射线圈接入所述高频电源回路，并且将高频电源的频率调整为f_SS；其中，所述所述通过令双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率关于频率的偏导等于零求解得到。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车短分段动态无线供电系统的控制方法，其特征在于：发射线圈切换控制方法为，首先根据单发射线圈以及双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率计算得到拓扑转换点处的系统接收功率理论值；在所述一个周期内，实时获取电能接收部分的无线电能接收功率检测值，并通过无线传输发送到控制侧，当所述无线电能接收功率检测值与所述系统接收功率理论值相等时，所述控制侧输出开关的控制信号，通过控制连接发射线圈的开关通断来进行单发射线圈与双发射线圈拓扑之间的切换。