CN109733215B - 一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统 - Google Patents

一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统 Download PDF

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Abstract

一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统，采用分层结构设计，每层保持相对独立的安装与调试，层与层之间通过接口连接，包括：系统控制层用于对车载主控设备的数据进行接收转发，电源切换层用于进行功率发射层的位置检测，同时控制相应的电源切换到工作状态；功率发射层用于供电功率的发射；支撑结构层用于支撑车辆负重，实现移动负载不同工况下的大功率耦合无线充电；接收整定层为行驶中的电动汽车电池负载供电；负载检控层用于保证功率传输；通过光伏及储能组成的微网系统为高速公路上的用电设备，提供清洁电力，大大降低了传统电力铺设带来的后期维护以及工作不稳定的不足。

Description

一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统
技术领域
本发明专利涉及无线充电技术领域，尤其是一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统。
背景技术
近年来，我国大力发展高速公路建设，高速公路里程和道路服务水平不断提高，对高速公路机电系统的建设要求也越来越高，传统的高速公路机电系统，其供电大多采用敷设供电电缆的方式，这种供电方式存在供电困难、供电成本过高的弊端；
太阳能光伏及储能系统是一套稳定可靠的分布式清洁电源系统，可满足多样化的用电需求和各种复杂苛刻的用电环境，将太阳能光伏及储能组成小型的微网系统，应用到高速公路领域，除了其利用的资源是绿色的、可再生的以外，还具有安装简单、维护方便、性价比高等优点，是一种较为理想的供电选择；可以满足外场监控摄像机(全天候供电)、路灯(非全天候供电)、可变信息标志等中小设备的用电需求；
而随着我国电动汽车和高速公路电气化的快速发展，为大功率的电动汽车加油供电，实现电动汽车边走边充将具有重大的现实意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统，该系统利用太阳能光储一体系统为技术手段，通过动态无线充电系统为高速公路上的包括电动汽车在内的用电设备提供电力。
一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统，采用分层结构设计，每层保持相对独立的安装与调试，层与层之间通过接口连接，该层状结构提高了系统的整体灵活性，并为后期的调试和维护提供了方便，具体包括：
①系统控制层：用于对车载主控设备的数据进行接收转发，以及对车载主控设备的无线远端控制,能够满足对数据和控制实时性的要求；
进一步的，所述系统控制层包括：智能电表、无线数据主控和总控平台；所述智能电表的一端与所述无线数据主控的一端电信号连接，所述无线数据主控的另一端与总控平台的一端电信号连接；
其中，所述智能电表负责对整个系统电气参数的采集，并上传到总控平台，无线数据主控为搭载主流的射频无线装置ZigBee，可以最大程度上的提高对数据处理和车载设备控制的灵活性，总控平台对整个系统进行监测，并对数据进行分类整理；
作为一种举例说明，所述电气参数包括：总电压、总电流、总功率与总电能；
作为一种举例说明，采用装置ZigBee具备克服无线传能过程中复杂的工况电磁环境的效果；
②电源切换层：用于进行功率发射层的位置检测，同时控制相应的电源切换到工作状态；
进一步的，所述电源切换层包括：电源以及电源切换主控；所述电源为无线传能产生高频交流电进行功率发射，采用IGBT功率管搭建的全桥逆变结构；电源切换主控负责对底层传感器检测，并通过功率继电器或IGBT管实现电能耦合线圈的依次切换，同时将电源的工作状态反馈给所述总控平台；
③功率发射层：用于供电功率的发射；
进一步的，所述功率发射层包括：多组功率发射线圈以及多组传感器；所述功率发射线圈安装在高速公路路面上，每个功率发射线圈采用单独的电源供电；多个线圈构成一组，每组之间并联后按顺序与光储一体化微网相连接；传感器采用位置传感器红外漫反射光电开关，该传感器能够准确的定位车辆位置，并可以防止无线传能过程中产生的强磁场对传感器带来的干扰；
作为一种举例说明，所述功率发射线圈以预制件的结构方式架空覆盖安装；
作为一种举例说明，所述功率发射线圈采用定制的利兹线圈，能够最大程度避免高频所导致的趋肤效应；
作为一种举例说明，所述光储一体化微网的电能耦合线圈采用PC40或更高牌号功率铁氧体，并按照要求试制不同结构的耦合循环单元，完成典型的耦合结构的对比分析；
作为一种举例说明，所述多个线圈为采用十个线圈为一组的结构单元；
④支撑结构层：用于支撑车辆负重，实现移动负载不同工况下的大功率耦合无线充电；
进一步的，所述支撑结构层采用铝合金型材及电木绝缘板加工制作成支撑结构平台；所述平台两端设有缓冲制动模块，帮助移动负载的减速制动以及双向运行；
作为一种举例说明，所述支撑结构平台采用多级分段、独立支撑，可以方便拆卸更换；
⑤接收整定层：
进一步的，所述接收整定层包括：多组接收线圈和多组整流装置，所述接收线圈同样为定制的利兹线圈，能够与所述功率发射线圈很好的进行耦合，适于接收大功率的高频电流；整流装置采用大功率高频整流器对电流进行整定，并通过有源滤波器产生直流电，为行驶中的电动汽车电池负载供电；
⑥负载检控层：用于保证功率传输；
进一步的，所述负载检控层包括：多组负载电池和车载主控制器，所述负载电池来自于电动汽车的自身锂电池，车载主控制器采用现有技术中的主控设备，与地面的主控协作进行数据传输，能够准确的进行负载数据的采集，以及执行地名端的命令，并通过大功率的ZigBee装置将车载数据反馈到地面端，完成整个系统闭环控制；
作为一种举例说明，本专利文献基于分布式光伏，在公路护坡、山坡两侧或直接在地面安装与面积相适应的光伏板，沿线布设，考虑到供电稳定性及太阳能的间歇性，配备蓄电池进行充放电控制，最大输出功率将根据负荷的要求进行设计，既可以给电动汽车提供电力，也可以为监控设备、照明设备、传感器等提供稳定电源；
本专利申请依据的原理依据为：
无线供电采用电磁共振耦合的电能传输方式进行，电磁耦合电能传输系统包括供电端和受电端两个部分，供电端和受电端完全电气隔离，通过电磁耦合机构(包括发射线圈和拾取线圈)实现能量由供电端到受电端的无线传递。供电端先通过原级电能变换装置将工频交流电转换为高频交流电，然后将该高频交流电经谐振补偿后注入到发射线圈，并在发射线圈周围的一定空间范围内产生高频交变磁场；受电端的接收线圈会捕获到部分高频交变磁场，并产生高频感应电压，次级电能变换装置对该高频交流电压进行变换与调节，使其最终满足不同负载的需求。
有益效果：
1、通过光伏及储能组成的微网系统为高速公路上的用电设备，如路灯、监控视频、传感器、信号灯、以及电动汽车等提供清洁电力，大大降低了传统电力铺设带来的后期维护以及工作不稳定的不足；
2、通过动态无线充电系统使动力运载装备能够在固定导轨路径上动态实现无线充电，让电动汽车高速远距离行驶成为可能；
3、可通过总控制台实时监控光伏发电状态、用电设备的耗能状态，电池的充电状态，具备较大的智能化管理。
附图说明
图1是本发明一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统的结构框图
图2是本发明一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统的原理依据示意图
具体实施方式
下面，参考附图1所示，一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统，采用分层结构设计，每层保持相对独立的安装与调试，层与层之间通过接口连接，该层状结构提高了系统的整体灵活性，并为后期的调试和维护提供了方便，具体包括：
①系统控制层101：用于对车载主控设备的数据进行接收转发，以及对车载主控设备的无线远端控制,能够满足对数据和控制实时性的要求；
进一步的，所述系统控制层101包括：智能电表107、无线数据主控108和总控平台109；所述智能电表107的一端与所述无线数据主控108的一端电信号连接，所述无线数据主控108的另一端与总控平台109的一端电信号连接；
其中，所述智能电表107负责对整个系统电气参数的采集，并上传到总控平台109，无线数据主控108为搭载主流的射频无线装置ZigBee，可以最大程度上的提高对数据处理和车载设备控制的灵活性，总控平台109对整个系统进行监测，并对数据进行分类整理；
作为一种举例说明，所述电气参数包括：总电压、总电流、总功率与总电能；
作为一种举例说明，采用装置ZigBee具备克服无线传能过程中复杂的工况电磁环境的效果；
②电源切换层102：用于进行功率发射层的位置检测，同时控制相应的电源切换到工作状态；
进一步的，所述电源切换层102包括：电源110以及电源切换主控111；所述电源110为无线传能产生高频交流电进行功率发射，采用IGBT功率管搭建的全桥逆变结构；电源切换主控111负责对底层传感器112检测，并通过功率继电器或IGBT管实现电能耦合线圈的依次切换，同时将电源110的工作状态反馈给所述总控平台109；
③功率发射层103：用于供电功率的发射；
进一步的，所述功率发射层103包括：多组功率发射线圈113以及多组传感器112；所述功率发射线圈113安装在高速公路路面上，每个功率发射线圈113采用单独的电源供电；多个线圈构成一组，每组之间并联后按顺序与光储一体化微网相连接；传感器112采用位置传感器红外漫反射光电开关，该传感器112能够准确的定位车辆位置，并可以防止无线传能过程中产生的强磁场对传感器112带来的干扰；
作为一种举例说明，所述功率发射线圈113以预制件的结构方式架空覆盖安装；
作为一种举例说明，所述功率发射线圈113采用定制的利兹线圈，能够最大程度避免高频所导致的趋肤效应；
作为一种举例说明，所述光储一体化微网的电能耦合线圈采用PC40或更高牌号功率铁氧体，并按照要求试制不同结构的耦合循环单元，完成典型的耦合结构的对比分析；
作为一种举例说明，所述多个线圈为采用十个线圈为一组的结构单元；
④支撑结构层104：用于支撑车辆负重，实现移动负载不同工况下的大功率耦合无线充电；
进一步的，所述支撑结构层104采用铝合金型材及电木绝缘板加工制作成支撑结构平台；所述平台两端设有缓冲制动模块，帮助移动负载的减速制动以及双向运行；
作为一种举例说明，所述支撑结构平台采用多级分段、独立支撑，可以方便拆卸更换；
⑤接收整定层105：
进一步的，所述接收整定层105包括：多组接收线圈114和多组整流装置115，所述接收线圈114同样为定制的利兹线圈，能够与所述功率发射线圈113很好的进行耦合，适于接收大功率的高频电流；整流装置115采用大功率高频整流器对电流进行整定，并通过有源滤波器产生直流电，为行驶中的电动汽车电池负载供电；
⑥负载检控层106：用于保证功率传输；
进一步的，所述负载检控层106包括：多组负载电池116和车载主控制器117，所述负载电池116来自于电动汽车的自身锂电池，车载主控制器117采用现有技术中的主控设备，与地面的无线数据主控108协作进行数据传输，能够准确的进行负载数据的采集，以及执行地名端的命令，并通过大功率的ZigBee装置将车载数据反馈到地面端，完成整个系统闭环控制；
作为一种举例说明，本专利文献基于分布式光伏，在公路护坡、山坡两侧或直接在地面安装与面积相适应的光伏板，沿线布设，考虑到供电稳定性及太阳能的间歇性，配备蓄电池进行充放电控制，最大输出功率将根据负荷的要求进行设计，既可以给电动汽车提供电力，也可以为监控设备、照明设备、传感器等提供稳定电源；
本专利申请依据的原理依据为：
参照图2所示，无线供电采用电磁共振耦合的电能传输方式进行，电磁耦合电能传输系统包括供电端和受电端两个部分，供电端和受电端完全电气隔离，通过电磁耦合机构(包括发射线圈和拾取线圈)实现能量由供电端到受电端的无线传递。供电端先通过原级电能变换装置将工频交流电转换为高频交流电，然后将该高频交流电经谐振补偿后注入到发射线圈，并在发射线圈周围的一定空间范围内产生高频交变磁场；受电端的接收线圈会捕获到部分高频交变磁场，并产生高频感应电压，次级电能变换装置对该高频交流电压进行变换与调节，使其最终满足不同负载的需求。
通过光伏及储能组成的微网系统为高速公路上的用电设备，如路灯、监控视频、传感器、信号灯、以及电动汽车等提供清洁电力，大大降低了传统电力铺设带来的后期维护以及工作不稳定的不足；通过动态无线充电系统使动力运载装备能够在固定导轨路径上动态实现无线充电，让电动汽车高速远距离行驶成为可能；可通过总控制台实时监控光伏发电状态、用电设备的耗能状态，电池的充电状态，具备较大的智能化管理。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统，其特征在于，采用分层结构设计，每层保持相对独立的安装与调试，层与层之间通过接口连接，包括：
系统控制层：用于对车载主控设备的数据进行接收转发，以及对车载主控设备的无线远端控制,能够满足对数据和控制实时性的要求；所述系统控制层包括：智能电表、无线数据主控和总控平台；所述智能电表的一端与所述无线数据主控的一端电信号连接，所述无线数据主控的另一端与总控平台的一端电信号连接；所述智能电表负责对整个系统电气参数的采集，并上传到总控平台，无线数据主控为搭载主流的射频无线装置ZigBee，可以提高对数据处理和车载设备控制的灵活性，总控平台对整个系统进行监测，并对数据进行分类整理；
电源切换层：用于进行功率发射层的位置检测，同时控制相应的电源切换到工作状态；所述电源切换层包括：电源以及电源切换主控；所述电源为无线传能产生高频交流电进行功率发射，采用IGBT功率管搭建的全桥逆变结构；电源切换主控负责对底层传感器检测，并通过功率继电器或IGBT管实现电能耦合线圈的依次切换，同时将电源的工作状态反馈给所述总控平台；
功率发射层：用于供电功率的发射；所述功率发射层包括：多组功率发射线圈以及多组传感器；所述功率发射线圈安装在高速公路路面上，每个功率发射线圈采用单独的电源供电；多个线圈构成一组，每组之间并联后按顺序与光储一体化微网相连接；传感器采用位置传感器，所述位置传感器为红外漫反射光电开关；
支撑结构层：用于支撑车辆负重，实现移动负载不同工况下的大功率耦合无线充电；所述支撑结构层采用铝合金型材及电木绝缘板加工制作成支撑结构平台；所述平台两端设有缓冲制动模块，帮助移动负载的减速制动以及双向运行；
接收整定层：所述接收整定层包括：多组接收线圈和多组整流装置，所述接收线圈与所述功率发射线圈采用利兹线圈，此举能够保证所述接收线圈与所述功率发射线圈进行耦合，适于接收大功率的高频电流；整流装置采用大功率高频整流器对电流进行整定，并通过有源滤波器产生直流电，为行驶中的电动汽车电池负载供电；
负载检控层：用于保证功率传输；所述负载检控层包括：多组负载电池和车载主控制器，所述负载电池来自于电动汽车的自身锂电池，车载主控制器与地面的主控协作进行数据传输，能够准确的进行负载数据的采集，以及执行地名端的命令，并通过大功率的ZigBee装置将车载数据反馈到地面端，完成整个系统闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统，其特征在于，所述电气参数包括：总电压、总电流、总功率与总电能。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统，其特征在于，所述功率发射线圈以预制件的结构方式架空覆盖安装。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统，其特征在于，所述多个线圈为采用十个线圈为一组的结构单元。
5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统，其特征在于，所述支撑结构平台采用多级分段、独立支撑，可方便拆卸更换。
6.根据权利要求1所述的一种基于太阳能光储一体的公路动态无线充电系统，其特征在于，基于分布式光伏，在公路护坡、山坡两侧或直接在地面安装与面积相适应的光伏板，沿线布设，配备蓄电池进行充放电控制，最大输出功率将根据负荷的要求进行设计，既可以给电动汽车提供电力，也可以为监控设备、照明设备、传感器提供稳定电源。
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