CN108583360A - 一种移动车辆无线充电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种移动车辆无线充电装置，该装置能够使电动车在道路行驶过程中，都能够连续接收到发射线圈所发出的能量，接收能量波动很小且连续，可以有效增加无线充电的应用范围和使用效果，包括车载磁芯、接收线圈、无线能量接收模块、蓄电池、发射线圈、路基磁芯、无线能量发射模块等；接收线圈安装在车辆底部水平位置，车载磁芯紧贴在接收线圈上并位于接收线圈和车辆的底盘之间，接收线圈与无线能量接收模块相连接并向蓄电池充电；发射线圈、无线能量发射模块均沿道路方向埋在路面下面，多个发射线圈紧贴路面下面沿道路方向排列，在发射线圈下面安装有路基磁芯，每个发射线圈均连接一个无线能量发射模块。

Description

一种移动车辆无线充电装置及方法
技术领域
本发明涉及一种移动车辆无线充电装置及方法，属于电动车应用中的无线能量传输领域。
背景技术
我国电动车发展迅速，制约电动车的最大瓶颈就是电池的能量密度小和充电速度较慢问题。为了解决这一难题，就需要在车辆移动中向其充电，因此能够进行无线充电的智能高速公路的想法逐渐被人们所接受。向移动中的车辆进行充电的技术还不成熟，尽管有很多发明介绍了无线充电方案，但是还存在一些问题。
中国专利CN201510131455.1公开了一种电动汽车行进式无线充电装置及其控制方法，该无线充电装置可以在电动车移动的时候对其进行充电。在电动车移动的路径上有多个发射线圈，相邻两个发射线圈之间间隔一个车的距离，在电动车的头部和尾部各有一个接收线圈。两个接收线圈工作在互补状态，无法同时高效率进行能量接收。当车辆移动到两个发射线圈中间时，接收效果会远远低于其他状态，因此，接收能量的波动比较大。
中国专利CN201510493524.3公开了一种电动汽车移动式无线充电装置的切换供电方法，该专利与专利CN201510131455.1所公开的专利不同，采用一个接收线圈，相邻发射线圈的间距也比较近。但是同样的，在接收线圈跨接在相邻两个发射线圈之间时，由于磁场的抵消，无法接收能量。因此必须检测接收线圈的位置，来关闭一个发射线圈，这样控制比较复杂，对接收线圈位置检测也增加了系统的成本，而且接收能量会发生比较大的波动，甚至会波动到零。
中国专利CN201510291779.1公开了一种给电动汽车无线移动充电的道路护栏充电系统与方法，该发明将发射线圈和接收线圈由电动车的底部改到了电动车的侧部，并不能解决跨接发射线圈时接收能量下降的问题。同时汽车的侧面一般都不是明面，在弯曲的弧面上安装接收线圈效果会更加受到影响。
中国专利CN201710189628.4、CN201710290892.7、CN201620747991.4、CN201610438208.0也公开了几种移动车辆无线充电装置，但是都没有对移动过程中接收线圈能量接收波动问题提出解决方案。
综上所述，要解决电动车辆在道路行驶过程中能够连续接收无线传输的能量问题是非常重要的，此外还要解决存在某一个位置接收能量很低的状态问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，提出了一种移动车辆无线充电装置及方法。该一种移动车辆无线充电装置及方法能够使电动车在道路行驶过程中，都能够连续接收到发射线圈所发出的能量，接收能量波动很小且连续，可以有效增加无线充电的应用范围和使用效果。
本发明采取的技术方案为：
一种移动车辆无线充电装置，其特征在于，包括车辆、车载磁芯、接收线圈、无线能量接收模块、蓄电池，路面、发射线圈、路基磁芯、无线能量发射模块，交流电缆；
所述接收线圈安装在车辆底部水平位置，车载磁芯紧贴在接收线圈上并位于接收线圈和车辆的底盘之间，接收线圈与无线能量接收模块相连接并向蓄电池充电；
所述发射线圈、路基磁芯、无线能量发射模块，交流电缆均沿道路方向埋在路面下面，多个发射线圈紧贴路面下面沿道路方向排列，在发射线圈下面安装有路基磁芯，每个发射线圈均连接一个无线能量发射模块，所有无线能量发射模块均连接到交流电缆上面。
所述的接收线圈和发射线圈，其特征在于，所述接收线圈和发射线圈的宽度相同，接收线圈的长度等于发射线圈长度的m倍，m>2，即一个接收线圈的长度与m个发射线圈的长度相同；所述接收线圈和发射线圈用利兹线在平面单层盘绕而成。
所述无线能量发射模块包括发射变换器、发射补偿网络、通讯线，多个发射变换器通过通讯线连接，相互传输状态信息，包括车辆位置及变化信息，所述发射变换器与交流电缆相连接，通过发射变换器中的功率因数矫正电路将交流电整成直流，再通过发射变换器中的逆变电路逆变为高频交流电，经过发射补偿网络和发射线圈将电能发射出去。
所述无线能量接收模块包括接收补偿网络、接收控制器，接收线圈接收到的高频交流电经过接收补偿网络传递给接收控制器，通过接收控制器中的整流电路整成直流，并通过其中的直流/直流变换器变换成适当的电流和电压向蓄电池充电。
通过所述通讯线的信号传递，使发射变换器控制在接收线圈正下方的多个发射线圈发射同相位的电磁场；通过所述通讯线的信号传递，使发射变换器控制间隔一定距离的发射线圈发出较弱的高频电磁场，用于检测是否有车辆通过。
所述路面标有行道线和引导线，引导线位于发射线圈的正上方，用于引导车辆行驶。
所述的一种移动车辆无线充电装置，在没有通讯线时的实现方法为分布式控制策略，包括无线能量发射模块处于发射状态控制策略、处于待机状态控制策略、处于检测状态控制策略。
无线能量发射模块处于发射状态的控制策略，实现步骤如下：
步骤A-1：利用发射变换器中的传感器检测得到的电压、电流、相位等数据计算反射阻抗；
步骤A-2：对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗增大，并超过一定阈值，就停止能量发射并返回；
步骤A-3:对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗没有增大，就继续发射能量。
无线能量发射模块处于待机状态的控制策略，实现步骤如下：
步骤B-1：利用发射变换器中的传感器检测发射线圈中的感应电压；
步骤B-2：对检测得到的感应电压进行判断，如果没有感应电压，就继续待机；
步骤B-3:对检测得到的感应电压进行判断，如果有感应电压，对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗减小，并超过一定阈值，就开始能量发射；
步骤B-4：对检测得到的感应电压进行判断，如果有感应电压，对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗没有减小，就继续待机。
无线能量发射模块处于检测状态的控制策略，实现步骤如下：
步骤C-1：利用发射变换器进行小功率发射；
步骤C-2：利用发射变换器中的传感器检测得到的电压、电流、相位等数据计算反射阻抗；
步骤C-3:对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗较大，继续小功率发射并返回；
步骤C-4:对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗减小，并超过一定阈值，就增加发射功率。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明的一个效果在于，电动车在移动过程中可以通过无线充电装置连续向电动车充电，充电的能量波动很小。
本发明的一个效果在于，无线能量发射装置由分布式多个单元组成，每个发射单元功率小，便于就近安装；而且可以提高系统的可靠性，即使线路中有一个或者几个少数无线能量发射装置发生故障，也不影响整个无线供电装置的功能。
本发明的一个效果在于，每个发射装置单独控制，通过通讯信号控制发射装置，只有在车辆到来前才开始工作，因此待机损耗较小。
本发明的一个效果在于，发射装置可以通过反射阻抗检测，分析出车辆是否在正上方，一旦车辆脱离，就立即停止发射，降低能量损耗。
本发明的一个效果在于，每间隔一定距离，设定一个发射装置，定时小功率发射，以便检测是否有车辆到达，因此无线能量发射装置也可以作为车辆位置检测装置使用。
本发明的一个效果在于，即使没有通讯线，分布式控制策略也能够使系统正常工作。
附图说明
图1是本发明中一种移动车辆无线充电装置示意图；
图2是本发明中发射和接收线圈结构示意图；
图3是本发明中发射与接收控制系统示意图；
图4是本发明中能量传输与控制示意图；
图5是本发明中路面引导线；
图6是本发明中发射模块控制流程图；
图7是本发明中待机模块控制流程；
图8是本发明中检测模块控制流程。
附图中，各标号所代表的部件：
1、车辆，2、车载磁芯，3、接收线圈，4、无线能量接收模块，5、蓄电池，6、路面，7、发射线圈，8、路基磁芯，9、无线能量发射模块，10、交流电缆；
401、接收补偿网络，402、接收控制器；
601、行道线，602、引导线；
701、强磁力线，702、弱磁力线，703、车前发射线圈，704、车后发射线圈，705、车下发射线圈，706、检测线圈；
901、发射变换器，902、发射补偿网络，903、通讯线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的介绍。
图1所示的移动车辆无线充电装置可以安装在路面6下面，也可以垂直安装在道路两侧的护栏上，这样适应需要在侧面接收电能的移动车辆1。无线充电装置由多个并排安装的发射线圈7组成一个可无线充电路段，并由引导线602标示出来，见图5。如图1所示，发射线圈7的下方靠近发射线圈7的地方安装路基磁芯8，主要为高频磁场提供一个磁路，从而提高系统发射效率。每个发射线圈7由无线能量发射模块9驱动，无线能量发射模块9将与之相连的电缆10的交流电整流后，再逆变成高频交流电通过发射线圈7产生高频磁场，当车辆1经过发射线圈7上方时，车辆1底部水平安装的接收线圈3在高频磁场的作用下感应出高频电压，经过与之相连接的无线能量接收模块4的转换和控制，将电能充入蓄电池5中。无线能量接收模块4包括接收补偿网络401、接收控制器402，接收线圈3接收到的高频交流电经过接收补偿网络401传递给接收控制器402，通过接收控制器402中的整流电路整成直流，并通过其中的直流/直流变换器变换成适当的电流和电压向蓄电池5充电。
在接收线圈3和车辆1之间安装有车载磁芯2，一方面为高频磁场提供磁路，一方面防止高频磁场对车辆1和乘员产生不良影响。所述车载磁芯2和路基磁芯8由高导磁、高电阻率材料组成，避免涡流损耗。通常采用整块或者条状的磁芯做背板材料，比如铁氧体、微晶材料、非晶材料等。
由于每个发射线圈7都有一个无线能量发射模块9，因此，单个无线能量发射模块9功率很小，体积重量也比较小，可以分布式安放在道路侧边，而不象集中式无线能量发射模块那样需要较大的安放空间。此外，分布式的无线能量发射模块9可以提高系统的可靠性，即使线路中有一个或者几个少数无线能量发射模块9发生故障，也不影响整个无线供电装置失去功能。而集中式无线能量发射模块不仅系统损耗更大，而且一旦出现故障，就会使整个系统瘫痪。
图2为发射线圈7和接收线圈3的结构示意图，所述接收线圈3和发射线圈7的宽度相同，接收线圈3的长度等于发射线圈7长度的m倍，m>2，即一个接收线圈3的长度与m个发射线圈7的长度相同，Lt＝m·Lr。这样可以保证随时都有至少m-1个发射线圈7所产生的磁场与接收线圈3匝链，保证连续能量传输。所述接收线圈3和发射线圈7用利兹线在平面单层盘绕而成。
图3是本发明中发射与接收控制系统示意图，所述无线能量发射模块9包括发射变换器901，发射补偿网络902，多个发射变换器901通过通讯线903连接，相互传输状态信息，包括车辆位置及变化信息等。所述发射变换器901与交流电缆10相连接，通过发射变换器901中的功率因数矫正电路将交流电整成直流，再通过发射变换器901中的逆变电路逆变为高频交流电，经过发射补偿网络902和发射线圈7将电能转换为高频磁场发射出去。通讯线903可以将车辆1的位置、速度及方向信息传递给所有的发射变换器901，使接收线圈3即将到达的发射线圈7及其无线能量发射模块9从待机状态及时转入发射状态，充分保证车辆1行驶过程中的不间断充电。通过控制系统的控制策略可以保证同时工作的发射线圈7为m或者m+1，使得与接收线圈3相匝链的高频磁场幅值保持基本不变，从而保证车辆1在行驶过程中充电的平稳性。
通过通讯线903的信号传递，使发射变换器901控制在接收线圈3正下方的多个发射线圈7发射同相位的电磁场；而且通讯线903使发射变换器901控制间隔一定距离的发射线圈7发出较弱的高频电磁场，用于检测是否有车辆通过，因此无线能量发射装置也可以作为车辆位置检测装置使用。
图4所示为能量传输与控制示意图，假设车辆1的行驶方向为A向，如果没有通讯线903，系统通过分布式控制策略也能较好地控制车辆1在行驶过程中获取电能。
发射线圈7包括强磁力线701、弱磁力线702、车前发射线圈703、车后发射线圈704、车下发射线圈705、检测线圈706。
当收线圈3从3-I位置沿A向移动到3-II位置时，见图4。如果没有通讯线903，这时车后发射线圈704在工作过程中不断利用发射变换器901中的传感器检测得到的电压、电流、相位等数据计算反射阻抗。通过对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗增大，并超过一定阈值，说明车辆1沿A向已经移动一定距离，接收线圈3已经脱离车后发射线圈704的正上方。这样发射变换器901自动停止能量发射，减小系统电能损耗。发射变换器901对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗没有增大，说明车辆1上安装的接收线圈3尚未脱离车后发射线圈704的正上方，就继续发射能量。上述控制流程见图6发射模块控制流程。
当接收线圈3从3-I位置沿A向移动到3-II位置时，见图4。如果没有通讯线903，这时车前发射线圈703利用发射变换器901中的传感器检测得到一个逐渐增大的感应电压，这个感应电压是由于车下发射线圈705引起的，当车前发射线圈703所连接的发射变换器901检测到感应电压后，开始检测车前发射线圈703电压、电流、相位等数据并计算计算反射阻抗。通过对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗增大，并超过一定阈值，说明车辆1沿A向已经移动一定距离，接收线圈3已经到达车前发射线圈703的正上方。这样发射变换器901自动开始能量发射，保证接收线圈3能够平稳接收能量。发射变换器901对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗没有增大，说明车辆1上安装的接收线圈3尚未到达车前发射线圈703的正上方，就继续待机状态。上述控制流程见图7待机模块控制流程。
从图4可以看出，在较长充电道路上间隔一定距离，将一个发射模块9设定成为检测模块，用于检测是否有车辆1通过。将处于检测状态的无线能量发射模块9的控制策略分为4个部分。利用发射变换器901通过检测线圈706进行小功率发射，产生一个较小的交变弱磁力线702。这样可以发射很小的能量，时刻检测是否有车辆1通过。利用发射变换器901中的传感器检测得到的电压、电流、相位等数据计算反射阻抗。对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗较大，说明没有车辆1通过，则继续小功率发射并返回。对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗减小，并超过一定阈值，说明有车辆1经过就增加发射功率，发出交变的强磁力线701。这时检测线圈的前后的发射线圈7就会感应出较高电压，然后经过阻抗判断，由待机状态进入发射状态，见图8检测模块控制流程。
对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种移动车辆无线充电装置，其特征在于，包括车辆(1)、车载磁芯(2)、接收线圈(3)、无线能量接收模块(4)、蓄电池(5)，路面(6)、发射线圈(7)、路基磁芯(8)、无线能量发射模块(9)，交流电缆(10)；
所述接收线圈(3)安装在车辆(1)底部水平位置，车载磁芯(2)紧贴在接收线圈(3)上并位于接收线圈(3)和车辆(1)的底盘之间，接收线圈(3)与无线能量接收模块(4)相连接并向蓄电池(5)充电；
所述发射线圈(7)、路基磁芯(8)、无线能量发射模块(9)，交流电缆(10)均沿道路方向埋在路面(6)下面，多个发射线圈(7)紧贴路面(6)下面沿道路方向排列，在发射线圈(7)下面安装有路基磁芯(8)，每个发射线圈(7)均连接一个无线能量发射模块(9)，所有无线能量发射模块(9)均连接到交流电缆(10)上面。
2.如权力要求1所述的一种移动车辆无线充电装置，所述的接收线圈(3)和发射线圈(7)，其特征在于，所述接收线圈(3)和发射线圈(7)的宽度相同，接收线圈(3)的长度等于发射线圈(7)长度的m倍，m>2，即一个接收线圈(3)的长度与m个发射线圈(7)的长度相同。
3.如权利要求1所述的一种移动车辆无线充电装置，其特征在于，所述无线能量发射模块(9)包括发射变换器(901)、发射补偿网络(902)、通讯线(903)，多个发射变换器(901)通过通讯线(903)连接，相互传输状态信息，包括车辆位置及变化信息，所述发射变换器(901)与交流电缆(10)相连接，通过发射变换器(901)中的功率因数矫正电路将交流电整成直流，再通过发射变换器(901)中的逆变电路逆变为高频交流电，经过发射补偿网络(902)和发射线圈(7)将电能发射出去。
4.如权利要求1所述的一种移动车辆无线充电装置，其特征在于，所述无线能量接收模块(4)包括接收补偿网络(401)、接收控制器(402)，接收线圈(3)接收到的高频交流电经过接收补偿网络(401)传递给接收控制器(402)，通过接收控制器(402)向蓄电池(5)充电。
5.如权利要求3所述的一种移动车辆无线充电装置，其特征在于，通过所述通讯线(903)的信号传递，使发射变换器(901)控制在接收线圈(3)正下方的多个发射线圈(7)发射同相位的电磁场；通过所述通讯线(903)的信号传递，使发射变换器(901)控制间隔一定距离的发射线圈(7)发出较弱的高频电磁场，用于检测是否有车辆通过。
6.如权利要求1所述的一种移动车辆无线充电装置，其特征在于，所述路面(6)标有行道线(601)和引导线(602)，引导线(602)位于发射线圈(7)的正上方，用于引导车辆(1)行驶。
7.基于权利要求1-6任意一项所述的一种移动车辆无线充电装置，在没有通讯线(903)时的实现方法为分布式控制策略，包括无线能量发射模块(9)处于发射状态控制策略、处于待机状态控制策略、处于检测状态控制策略。
8.基于权利要求7所述的一种移动车辆无线充电装置的实现方法，其特征在于，无线能量发射模块(9)处于发射状态的控制策略，实现步骤如下：
步骤A-1：利用发射变换器(901)中的传感器检测得到的电压、电流、相位等数据计算反射阻抗；
步骤A-2：对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗增大，并超过一定阈值，就停止能量发射并返回；
步骤A-3:对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗没有增大，就继续发射能量。
9.基于权利要求7所述的一种移动车辆无线充电装置的实现方法，其特征在于，无线能量发射模块(9)处于待机状态的控制策略，实现步骤如下：
步骤B-1：利用发射变换器(901)中的传感器检测发射线圈(7)中的感应电压；
步骤B-2：对检测得到的感应电压进行判断，如果没有感应电压，就继续待机；
步骤B-3:对检测得到的感应电压进行判断，如果有感应电压，对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗减小，并超过一定阈值，就开始能量发射；
步骤B-4：对检测得到的感应电压进行判断，如果有感应电压，对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗没有减小，就继续待机。
10.基于权利要求7所述的一种移动车辆无线充电装置的实现方法，其特征在于，无线能量发射模块(9)处于检测状态的控制策略，实现步骤如下：
步骤C-1：利用发射变换器(901)进行小功率发射；
步骤C-2：利用发射变换器(901)中的传感器检测得到的电压、电流、相位等数据计算反射阻抗；
步骤C-3:对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗较大，继续小功率发射并返回；
步骤C-4:对检测得到的反射阻抗进行判断，如果反射阻抗减小，并超过一定阈值，就增加发射功率。
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