CN110143138A - 电动汽车动态无线充电系统及电磁耦合机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车动态无线充电系统及电磁耦合机构，包括发送端和接收端；发送端包括电源模块、高频逆变电路、原边谐振补偿网络、主线圈和次线圈，接收端包括天线、副边谐振补偿网络、功率调节模块、充电模块、储能设备和用电设备；电源模块将发送端接入电网、并将工业电源整流、滤波与变压生成直流电；高频逆变电路将直流电利用开关管高频交变导通，产生高频电流；原边谐振补偿网络与主线圈、次线圈连接构成谐振回路，高频电流在谐振回路中高频振荡，并通过主线圈和次线圈产生高频电磁场；处于高频电磁场中的天线与副边谐振补偿网络以磁耦合谐振方式感应出高频电流；功率调节模块将高频电流整流、滤波、调压生成直流电供充电模块使用；充电模块给储能设备充电；储能设备向用电设备供电。本发明还公开了所述用于电动汽车动态无线充电的电磁耦合机构。本发明通过采用主线圈和次线圈的技术方案，天线在主线圈和次线圈间随电动汽车无接触移动，能够保证电能安全、稳定、可靠与高效传输，提高了电动汽车的续航能力。

Description

电动汽车动态无线充电系统及电磁耦合机构
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，具体涉及一种电动汽车动态无线充电系统及电磁耦合机构。
背景技术
磁耦合谐振式无线电能传输(Magnetic Coupling Resonance Wireless PowerTransfer)技术，简称MCR-WPT技术，是一种通过磁耦合谐振方式进行电能传输的技术。该技术具有传输效率高、功率大、距离远和对介质依赖性小等优点，但也存在对线圈间耦合距离、角度偏转等变化敏感的缺点。因此，电能稳定无线传输仍是基础挑战，应用推广仍受技术瓶颈限制。电磁耦合机构设计是无线电能传输技术中的核心点，直接影响到系统的输出功率和传输效率的稳定性。
随着经济的快速发展，电动汽车保有量快速增长，目前电动汽车的充电方式主要分为有线充电和无线充电两种方式。有线充电，即接触式充电，存在接触机构复杂、易磨损、易产生接触火花、可靠性差以及使用寿命有限等缺点。而无线充电实现了电源与负载间的无接触连接，彻底摆脱了导线直接接触充电的束缚，传输过程具有灵活、安全与可靠等优点，具有广阔的应用前景。
无线充电可分为静态无线充电和动态无线充电两种方式。动态无线充电，即在电动汽车的行驶路线上安装发射线圈，在电动汽车车身上安装接收线圈，对行驶中的电动汽车进行移动式动态无线充电，以提高电动汽车的续航能力。移动中的电动汽车易导致线圈间耦合距离、角度偏转等变化，然而，系统输出功率和传输效率对这些变化非常敏感。因此，电能稳定无线传输仍是基础挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全、稳定、可靠与高效率的用于电动汽车动态无线充电系统及电磁耦合机构。
一种用于电动汽车动态无线充电系统及电磁耦合机构，其特征在于包括发送端和接收端；发送端包括电源模块、高频逆变电路、原边谐振补偿网络、主线圈和次线圈，接收端包括天线、副边谐振补偿网络、功率调节模块、充电模块、储能设备和用电设备；电源模块将发送端接入电网、并将工业电源整流、滤波与变压生成直流电；高频逆变电路将直流电利用开关管高频交变导通，产生高频电流；原边谐振补偿网络与主线圈、次线圈连接构成谐振回路，高频电流在谐振回路中高频振荡，并通过主线圈和次线圈产生高频电磁场；处于高频电磁场中的天线与副边谐振补偿网络以磁耦合谐振方式感应出高频电流；功率调节模块将高频电流整流、滤波、调压生成直流电供充电模块使用；充电模块给储能设备充电；储能设备向用电设备供电。
所述的电磁耦合机构，其特征在于包括主线圈、次线圈和天线，三个线圈结构为矩形绕制，主线圈和次线圈绕制方向相同，天线放置在主线圈和次线圈之间；主线圈和次线圈连接方式有串联连接和并联连接两种方式。
所述的电磁耦合机构，其安装方式为：主线圈和次线圈以一定距离间隔正对叠放安装在电动汽车运行路线上方，天线固定安装在电动汽车上，天线随电动汽车移动而在主线圈和次线圈之间无接触移动，以磁耦合谐振方式动态获取电能。
所述的发送端包括电源模块、高频逆变电路、原边谐振补偿网络、主线圈和次线圈；接收端包括天线、副边谐振补偿网络、功率调节模块、充电模块、储能设备和用电设备。
所述的电源模块是将发送端接入电网、并将工业电源整流、滤波和变压生成直流电；高频逆变电路是将直流电利用开关管高频交变导通，产生高频电流；原边谐振补偿网络与主线圈、次线圈连接构成谐振回路，高频电流在谐振回路中高频振荡，并通过主线圈和次线圈产生高频电磁场。
所述的天线，处于高频电磁场中，与副边谐振补偿网络以磁耦合谐振方式感应出高频电流；功率调节模块内含整流、滤波和调压电路，用于将高频电流整流、滤波、调压生成直流电供充电模块使用；充电模块按照充电规程给储能设备充电，保护充电过程的安全与可靠充电；储能设备为锂电池、蓄电池或超级电容，储能设备向用电设备供电。
本发明提供的这种用于电动汽车动态无线充电系统及电磁耦合机构，采用主线圈和次线圈的技术方案，很好地解决了单发射线圈条件下，发射线圈和接收线圈之间距离和角度发生变化时对输出功率和传输效率的稳定性影响，能够保证天线随电动汽车移动而在主线圈和次线圈之间无接触移动时，保持恒定的功率和效率输出，保证了电能安全、稳定、可靠与高效传输。
附图说明
构成本申请的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明优选实施例的电动汽车动态无线充电示意图。
图2为本发明优选实施例的功能模块图。
图3为本发明优选实施例的主线圈与次线圈结构示意图。
图4为本发明优选实施例的主线圈与次线圈串联连接示意图。
图5为本发明优选实施例的主线圈与次线圈并联连接示意图。
图6为本发明优选实施例的天线结构示意图。
其中，1、电源模块，2、高频逆变电路，3、原边谐振补偿网络，4、发送端，5、主线圈，6、次线圈，7、天线，8、接收端，9、副边谐振补偿网络，10、功率调节模块，11、充电模块，12、储能设备，13、用电设备，14、电动汽车。
具体实施方式
如图1所示为本发明优选实施例的电动汽车动态无线充电示意图：本发明提供的这种用于电动汽车动态无线充电系统及电磁耦合机构，包括发送端和接收端；发送端包括电源模块、高频逆变电路、原边谐振补偿网络、主线圈和次线圈，接收端包括天线、副边谐振补偿网络、功率调节模块、充电模块、储能设备和用电设备；电源模块将发送端接入电网、并将工业电源整流、滤波与变压生成直流电；高频逆变电路将直流电利用开关管高频交变导通，产生高频电流；原边谐振补偿网络与主线圈、次线圈连接构成谐振回路，高频电流在谐振回路中高频振荡，并通过主线圈和次线圈产生高频电磁场；处于高频电磁场中的天线与副边谐振补偿网络以磁耦合谐振方式感应出高频电流；功率调节模块将高频电流整流、滤波、调压生成直流电供充电模块使用；充电模块给储能设备充电；储能设备再向用电设备供电。
其中，在发送端中，电源模块将发送端接入电网、并将工业电源整流、滤波和变压生成直流电供给高频逆变电路；高频逆变电路将直流电利用开关管高频交变导通，产生高频电流；原边谐振补偿网络与主线圈、次线圈连接构成谐振回路，高频电流在谐振回路中高频振荡，并通过主线圈和次线圈产生高频电磁场。在接收端中，处于高频电磁场中的天线与副边谐振补偿网络构成接收回路，以磁耦合谐振方式感应出高频电流；功率调节模块将高频电流整流、滤波、调压生成直流电供充电模块使用；充电模块给储能设备充电；储能设备向用电设备供电。
在具体实施时，电磁耦合机构包括主线圈、次线圈和天线，主线圈和次线圈为发射线圈、天线为接收线圈，三个线圈结构为矩形绕制，主线圈和次线圈绕制方向相同，天线放置在主线圈和次线圈之间；主线圈和次线圈连接方式有串联连接和并联连接两种方式。电磁耦合机构的安装方式为：主线圈和次线圈以一定距离间隔正对叠放安装在电动汽车运行路线上方，天线固定安装在电动汽车上，天线随电动汽车移动而在主线圈和次线圈之间无接触移动，以磁耦合谐振方式动态获取电能。
如图2所示为本发明优选实施例的功能模块图：从图中可以看出，发送端包括电源模块、高频逆变电路、原边谐振补偿网络、主线圈和次线圈。电源模块将发送端接入电网、并将工业电源整流、滤波与变压生成直流电；高频逆变电路将直流电利用开关管高频交变导通，产生高频电流；原边谐振补偿网络与主线圈、次线圈连接构成谐振回路，高频电流在谐振回路中高频振荡，并通过主线圈和次线圈产生高频电磁场；接收端包括天线、副边谐振补偿网络、功率调节模块、充电模块、储能设备和用电设备。处于高频电磁场中的天线与副边谐振补偿网络以磁耦合谐振方式感应出高频电流；功率调节模块将高频电流整流、滤波、调压生成直流电供充电模块使用；充电模块给储能设备充电；储能设备再向用电设备供电。
发送端与接收端通过电磁耦合机构（即主线圈、次线圈和天线）发生能量耦合，以磁耦合谐振方式进行电能传输。
在具体实施时，使用220V交流电作为电源模块的接入电源，并将工业电源整流、滤波和变压生成直流电供给高频逆变电路。高频逆变电路将直流电利用2对开关管高频交变导通，产生200kHz的高频电流，原边谐振补偿网络与主线圈、次线圈连接构成谐振回路，高频电流在谐振回路中高频振荡，并通过主线圈和次线圈产生高频电磁场。当天线在主、次线圈间随电动汽车移动时，处于高频电磁场中的天线与副边谐振补偿网络以磁耦合谐振方式感应出高频电流；功率调节模块将高频电流整流、滤波、调压生成直流电供充电模块使用；充电模块给储能设备充电；储能设备向用电设备供电。由于发送端与接收端的谐振频率一致，收发端工作在磁耦合谐振状态。
根据实验测定，本发明的最大输出功率超过5kW，传输效率90%以上。天线在主、次线圈间随电动汽车无接触移动时，天线的位置和角度变化对输出功率和传输效率影响不超过5%。
如图3所示为本发明优选实施例的主线圈与次线圈结构示意图：为了保证主线圈与次线圈结构的一致性，采用同样的方法、材质进行绕制，绕制方法是从接线端子A由外到里进行绕制，形成“回”字结构，然后从内部引出接线端子B。接线端子A与B连接到原边谐振补偿网络中。
如图4所示为本发明优选实施例的主线圈与次线圈并联连接示意图：连接方式是主线圈A接线端子和次线圈的A接线端子连接在一起，主线圈B接线端子和次线圈的B接线端子连接在一起。主线圈和次线圈以一定距离间隔正对叠放时，线圈绕制方向相同。当主线圈与次线圈同时通以高频交变电流产生磁场时，主线圈与次线圈的磁场方向相同，并形成均匀磁场。
如图5所示为本发明优选实施例的主线圈与次线圈串联连接示意图：连接方式是主线圈B接线端子和次线圈的A接线端子连接在一起，形成串联结构。主线圈和次线圈以一定距离间隔正对叠放时，线圈绕制方向相同。当主线圈与次线圈同时通以高频交变电流产生磁场时，主线圈与次线圈的磁场方向相同，并形成均匀磁场。
如图6所示为本发明优选实施例的天线结构示意图：绕制方法是从外到里进行绕制，形成“回”字结构，然后从内部引出接线端子B。天线接线端子连接到副边谐振补偿网络中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于电动汽车动态无线充电系统及电磁耦合机构，其特征在于包括发送端和接收端；发送端包括电源模块、高频逆变电路、原边谐振补偿网络、主线圈和次线圈，接收端包括天线、副边谐振补偿网络、功率调节模块、充电模块、储能设备和用电设备；电源模块将发送端接入电网、并将工业电源整流、滤波与变压生成直流电；高频逆变电路将直流电利用开关管高频交变导通，产生高频电流；原边谐振补偿网络与主线圈、次线圈连接构成谐振回路，高频电流在谐振回路中高频振荡，并通过主线圈和次线圈产生高频电磁场；处于高频电磁场中的天线与副边谐振补偿网络以磁耦合谐振方式感应出高频电流；功率调节模块将高频电流整流、滤波、调压生成直流电供充电模块使用；充电模块给储能设备充电；储能设备向用电设备供电。
2.根据权利要求1所述的电磁耦合机构，其特征在于包括主线圈、次线圈和天线，三个线圈结构为矩形绕制，主线圈和次线圈绕制方向相同，天线放置在主线圈和次线圈之间；主线圈和次线圈连接方式有串联连接和并联连接两种方式。
3.根据权利要求1和2所述的电磁耦合机构，其安装方式为：主线圈和次线圈以一定距离间隔正对叠放安装在电动汽车运行路线上方，天线固定安装在电动汽车上，天线随电动汽车移动而在主线圈和次线圈之间无接触移动，以磁耦合谐振方式动态获取电能。
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