CN108448740B - 动态无线能量传输电路系统及其原边多线圈实时切换方法 - Google Patents

动态无线能量传输电路系统及其原边多线圈实时切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及动态无线能量传输系统的原边多线圈实时切换方法，该方法通过在每一个分段线圈的入口与出口处设置位置传感器检测车辆的位置信号发送给控制器，计算出车辆行驶速度。进而可以预测接收线圈在各个时刻位置，以及原副边线圈的耦合关系，并以此为依据判断发射端能量输出装置的开关状态。由此可以实现在有接收线圈经过时原边的能量注入装置处于工作状态，反之则处于断开状态，实现了动态能量传输的分段供电，有效的减少了动态无线系统的空载能量损耗，提高系统工作效率。

Description

动态无线能量传输电路系统及其原边多线圈实时切换方法
技术领域
本发明涉及动态无线能量传输，具体地指一种应用于动态无线能量系统的原边多线圈实时切换方法。
背景技术
众所周知，近年来环境污染和能源短缺等问题日益突出，而电动汽车因其环境友好、低排放、高效率、可靠性强等优点得以得到更加蓬勃的发展，具有良好的应用前景。但是目前的电动汽车受制于其续航能力较差、成本高等问题尚未能得到大规模的应用。基于电磁感应原理的动态无线能量传输技术是一种可以有效提高电动汽车续航能力、提高充电效率的新型电池充电技术。
基于电磁感应的无线充电技术实现了用电负载设备以一种非接触方式接入电网解决了传统充电技术面临的接口限制避免了导体连接部由于摩擦，腐蚀，和接触不良等原因造成的安全问题，特别适合应用于水下、易燃易爆等场合，而动态无线充电之于普通的静态的无线充电的优势又在于，可以是电动汽车边走边充，达到方便快捷省时等一系列显著地优点。
在感应充电系统中，为提高电能传输效率，工作频率通常在10-100kHz，同时为了减小电路中的集肤效应和邻近效应所带来的交流损耗，电路系统中的主线圈通常采用利兹线制作作为能量发射和接收装置。但是利兹线本身的电阻仍然与单芯导线相当，而在动态无线充电系统中线圈可能需要铺设数百米甚至上千米，其中的电流为数十千赫兹的高频交流电，这将产生大量的能量损耗严重降低了能量传输系统的工作效率。因此目前动态能量传输系统中的发射端通常采用多线圈设计。
采用多线圈设计可以避免由于导线铺设过长而产生的系统不稳定等问题，但也面临在没有车辆经过时而产生能量损耗的问题，所以需要一种可以实时切换线圈，控制能量注入的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服动态无线能量传输系统原边多线圈电路产生空载损耗的问题而设计的一种根据车辆行进位置控制发射装置能量注入状态的原边多线圈切换方法。
实现本发明目的采用的技术方案是一种动态无线电能传输电路系统，该系统包括原边的能量发射端、副边的能量接收端和原边多线圈切换控制部分，所述能量发射端由整流桥、逆变电路、原边谐振电路、原边发射线圈构成；所述能量接收端由副边接收线圈、副边谐振电路、DC/DC变换电路组成并最终将能量传递给车载电池组；原边线圈切换控制部分由位置检测模块、带保护的IGBT驱动模块、控制器构成。
此外，本发明还提供上述动态无线能量传输电路系统的原边多线圈实时切换方法，该方法包括：
在位置检测模块探测到车载接收线圈位置后，通过控制器计算车辆的行驶速度，并认为其速度在这段时间内保持恒定，进而通过车辆速度推测车辆的位置，由此判断车载接收端线圈与路面发射线圈的耦合关系，以此为依据通过控制器控制开关管的导通状态，使能量注入装置只在对应的原边线圈与接收线圈耦合时才投切入主电路中，达到减少能量发射装置空载损耗的目的，提升能量传输效率。
进一步地，在动态能量传输系统中，通过控制器计算车辆位置信息判断接收端与发射端线圈的耦合关系，以此为依据控制原边能量发射装置的开启与关断，使用IGBT模块作为能量注入装置的投切开关，并在逆变器前并联一个电容，通过PWM波控制其导通时间实现能量传输系统的软启动，使之逐步进入正常工作状态，减少冲击电流对电路各部分器件的损害。
更进一步地，通过设置在每个原边线圈的入口与出口位置检测模块，不断更新车辆的行驶速度和位置信息，提高控制器预测车载接收线圈位置的准确性，更好的判断原副边线圈的耦合关系；此外，通过动态系统的监控界面显示车辆信息，帮助进行车辆调度和运行，提高动态能量传输系统的安全性与稳定性。
本发明通过在每一个原边线圈的入口与出口处设置位置传感器检测车辆的位置信号发送给控制器，计算出车辆行驶速度，进而预测接收线圈在各个时刻位置，以及原副边线圈的耦合关系，并以此为依据判断发射端能量输出装置的开关状态，由此实现在有接收线圈经过时原边的能量注入装置处于工作状态，反之则处于断开状态，实现了动态能量传输的分段供电，有效的减少了动态无线系统的空载能量损耗，提高系统工作效率。
附图说明
图1为实施例动态无线能量传输系统原理图。
图2为实施例中原边多线圈实时切换原理图。
图3为实施例动态无线能量传输系统的供电流程图。
图4为实施例原边线圈切换中断流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，动态无线能量传输系统的原边能量发射装置由整流桥、逆变电路、原边谐振电路、原边发射线圈等构成，副边能量接收装置由副边接收线圈、副边谐振电路、DC/DC变换电路等组成能并最终将能量传递给负载电池。通过原副边的LCC谐振网络可以使系统实现单功率因数输出，DC/DC电路用以控制输出功率提高效率，由多个能量发射装置构成原边多线圈能量传输系统实现副边接收装置的动态无线充电。
由于采用原边多线圈设计，在副边接收装置未经过时将出现多个原边能量发射装置空载运行的情况，这将大大提高能量传输系统的能量损耗降低能量转换效率，因此需要实现原边多线圈的实时切换与分段供电减少能量损失。原边线圈切换部分由位置检测模块、控制器、IGBT驱动模块构成。
如图3所示，系统供电过程为：当有电动汽车驶来时，通过在各个原边线圈入口与出口处的位置检测模块探测车载接收线圈的位置，进而可以通过控制器计算出车辆的行驶速度，并认为车辆行驶速度在这段时间内是保持恒定的。之后，控制器将通过车辆的行驶速度预测接收线圈在每一时刻的位置，由此可以判断车载接收端线圈与路面发射线圈的耦合关系。
在预测到车辆在各时刻的位置之后将开启原边线圈切换中断请求流程如图4所示，其具体过程为：如图2所示，当通过车辆速度计算出接收线圈在Ti1时刻到达Si1位置时，则将在Ti1时刻通过控制器使开关管导通，原边能量注入装置工作为原边线圈Li供电；而若控制器预测出在Ti2时刻车载接收线圈A与Si2的位置偏移量将大于接收线圈宽度X时可以认为原边线圈Li与接收线圈已无耦合关系，控制器将在此时刻使开关管关断，从而实现了能量发射装置的分段供电。同理，当计算出接收线圈将在在下一时刻与原边线圈Li+1耦合时则开启下一次切换，至此原边线圈切换中断过程结束。
中断结束后，系统将判断是否结束供电，当计算出系统最后一个检测模块Sn与接收线圈A的位置偏移量大于X时则证明车辆已经驶离充电道路，充电过程结束，反之则继续预测车辆的行进位置继续原边线圈切换中断。此外，在车辆在充电道路的行驶过程中，位置检测装置和控制器也将不断测量车辆的速度保持位置预测的准确性。
因此，在有多个能量注入装置构成的动态能量传输系统中，在车辆通过时只会使与接收线圈存在耦合的能量发射装置工作，从而达到减少能量发射装置空载损耗的目的，提升了能量传输效率。
在原边能量注入装置开启的瞬间将会产生较大的瞬时导通电流为电路带来较大的电应力，因此选择使用IGBT模块作为能量注入装置的投切开关，并在逆变器前并联一个电容，通过PWM波控制其导通时间来实现能量传输系统的软启动，使之逐步进入正常工作状态，减少冲击电流对电路各部分器件的损害。

Claims (2)

1.一种动态无线能量传输电路系统的原边多线圈实时切换方法，其特征在于：
所述动态无线能量传输电路系统包括原边的能量发射端、副边的能量接收端和原边多线圈切换控制部分；
所述能量发射端由整流桥、逆变电路、原边谐振电路、原边发射线圈构成；来自电网的交流电经整流后转换成直流电输入逆变器，调节逆变器开关管的开关频率使其等于系统的谐振频率产生相应的谐振激励信号，系统的谐振频率取决于LCC谐振网络参数；
所述能量接收端由副边接收线圈、副边谐振电路、DC/DC变换电路构成并最终将能量传递给车载电池组；整流电路将谐振电路传过来的高频交流电转换成直流电；DC/DC 电路用于控制系统功率提升系统效率，最后能量传输给负载；
所述原边多线圈切换控制部分由位置检测模块、带保护的IGBT驱动模块、控制器构成；通过控制器处理检测到的车辆位置信息，并控制IGBT的通断实现发射端线圈的分段供电；在位置检测模块探测到车载副边接收线圈位置后，通过控制器计算车辆的行驶速度，并认为其速度在这段时间内保持恒定，进而通过车辆速度推测车辆的位置，由此判断副边线圈与路面原边发射线圈的耦合关系，以此为依据通过控制器控制IGBT开关管的导通状态，使能量注入装置只在对应的原边发射线圈与副边接收线圈耦合时才投切入主电路中，达到减少能量发射装置空载损耗的目的，提升能量传输效率；具体包括：当通过车辆速度计算出副边接收线圈在Ti1时刻到达Si1位置时，则将在Ti1时刻通过控制器使IGBT开关管导通，原边能量注入装置工作为原边发射线圈Li供电；而若控制器预测出在Ti2时刻车载副边接收线圈A与Si2的位置偏移量将大于副边接收线圈宽度X时认为原边发射线圈Li与副边接收线圈已无耦合关系，控制器将在此时刻使IGBT开关管关断，从而实现了能量发射装置的分段供电；当计算出副边接收线圈将在下一时刻与原边发射线圈Li+1耦合时则开启下一次切换；
在动态能量传输系统中，通过控制器计算车辆位置信息判断接收端与发射端线圈的耦合关系，以此为依据控制原边能量发射装置的开启与关断，使用IGBT模块作为能量注入装置的投切开关，并在逆变器前并联一个电容，通过PWM波控制其导通时间实现能量传输系统的软启动，使之逐步进入正常工作状态，减少冲击电流对电路各部分器件的损害；具体包括：中断结束后，系统将判断是否结束供电，当计算出系统最后一个检测模块Sn与副边接收线圈A的位置偏移量大于X时则证明车辆已经驶离充电道路，充电过程结束，反之则继续预测车辆的行进位置继续原边发射线圈切换中断；此外，在车辆在充电道路的行驶过程中，位置检测模块和控制器也将不断测量车辆的速度保持位置预测的准确性。
2.根据权利要求1所述的动态无线能量传输电路系统的原边多线圈实时切换方法，其特征在于：
在每个原边发射线圈的入口与出口各设置一个位置检测模块，从而不断更新车辆的行驶速度和位置信息，提高控制器预测车载副边接收线圈位置的准确性，更好的判断原副边线圈的耦合关系；此外，通过动态系统的监控界面显示车辆信息，帮助进行车辆调度和运行，提高动态能量传输系统的安全性与稳定性。
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