CN110320424A - 一种电动汽车动态无线充电试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车动态无线充电试验装置，属于电动汽车无线技术领域，所述试验装置包括发射端机构、接收端机构、电能传输机构，所述发射端机构和电能传输机构固定在地面上，接收端机构固定在电能传输机构上。本发明可以对无线充电过程中的不同系统性能进行测试，实现设备更高的使用率；本发明的电动汽车动态无线充电试验装置具有高效、安全、可靠，成本与维护费用低，操作简便，智能可控等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车无线技术领域，特别是涉及一种电动汽车动态无线充电试验装置。
背景技术
随着全球气候变暖、空气污染及石化能源储量下降等问题日益严重，人们开始寻求可取代传统汽车的方式，解决环境污染等问题的有效方法。电动汽车作为一种新能源汽车具有着低碳、无污染、环保清洁等优点，作为新能源汽车未来的重要发展方向。目前，电动汽车存在容易造成电池污染、续航能力差、单次充电时间要求较长等问题，在充电过程中耗费大量时间，同时其充电过程中存在着一定的安全隐患。
随无线充电标准的逐步普及，形成了发射端和接收端两大产业链，无线充电行业正在蓬勃发展，但是目前测试方面，由于无线充电采用频率较高，例如，汽车无线充电目前普遍采用85kHz，所以其测试难点在于功耗、效率测试，一般要求测试的是DC-DC端效率和发射端与接收端的AC-AC效率，DC-DC端很容易测试，难点在于AC-AC端的效率测试。现目前按照标准手动测量线圈所在的地方，位置校对的精度较差，测量的再现性较低，且手动进行测量的工作效率也不高，针对动态无线充电系统测试没有一个完整测试检测方案，且通用性不强。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供了一种电动汽车动态无线充电试验装置，以本装置作为载体进行动态无线充电的各项试验，包括系统性能试验测试、双边控制算法测试、耦合机构性能测试等，能有效真实地模拟出电动汽车动态无线充电系统的过程。
本发明通过下述技术方案得以解决：
一种电动汽车动态无线充电试验装置，包括发射端机构、接收端机构、电能传输机构，所述发射端机构和电能传输机构固定在地面上，所述接收端机构固定在电能传输机构上。工频电网一端连接发射端机构上的电源设备输入端，另一端连接发射端机构上的其他设备，其他设备包括高频电源、控制器，根据发射端机构上的发射线圈发射电能，与接收端机构的接收线圈进行电磁耦合，接收端机构上的接收线圈通过谐振接收到电能，并连接补偿网络、整流滤波器、电能转换器及负载，电能传输机构的丝杠导轨结构可实现接收端的行驶移动和横向侧移。本装置可以对无线充电过程中的不同系统性能进行测试，包括效率、传输距离、功率、侧移、移动速度等，实现了设备更高的使用率。
进一步地，所述发射端机构预有放置发射端所需设备的设备槽，分别有线圈放置槽、定位检测器件放置槽、补偿投切槽、电源放置槽、滤波器放置槽、阻抗匹配器放置槽、控制器槽，有利于发射端设备的安装和调试。
进一步地，所述定位检测器件放置槽设置有4个，分别设于每两个线圈放置槽的中间及两边。定位检测器件放置槽用于放置定位检测传感器，不限于放置哪一种传感器，包括霍尔传感器、磁阻传感器、激光传感器、光电传感器等。其中，霍尔传感器和磁阻传感器的使用需要接收端安装有永磁体，霍尔传感器和磁阻传感器接收到的磁场信号会发生变化，并将磁信号转换成电信号，经调理电路后回传给控制器。激光传感器需要接收端安装有配套的激光传感器进行对射，当激光传感器对射产生触发信号将直接发送给控制器，光电传感器直接检测接收端，当接收端于传感器上方将发送触发信号给控制器。定位检测器件将回馈相关信号给控制器，无线充电系统将通过检测接收端线圈的位置执行发射线圈的投切，以减少电能浪费。
进一步地，所述补偿投切槽包括补偿网络和投切两个部分，所述补偿网络一端连接发射线圈，另一端连接阻抗匹配器，投切部分置于补偿网络的一端电路中，控制电路通断。
进一步地，所述补偿网络可设置为S型补偿拓扑、P型补偿拓扑、LCL型补偿拓扑、LCC型补偿拓扑中的一种。本试验装置留有足够的尺寸空间放置不同的补偿拓扑，可以通过更换补偿拓扑测试拓扑的特性以及对系统的适用性，投切部分主要为程控投切开关，投切开关不限型号，要求可以满足快速投切的需求。
进一步地，所述接收端机构预有放置接收端所需设备的设备槽，设计为上下两层，下层为线圈放置槽，上层有补偿网络槽、整流滤波器放置槽、电能变换器放置槽、负载放置槽、控制器槽，有利于接收端设备的安装和调试。
进一步地，所述电能传输机构固定在地面上，加有四个地脚。
进一步地，所述电能传输机构由铝型材组装撘成框架，铝型材具有良好的铸造性能，能加工成不同形状的铝型材，铝型材具有密度小、质量轻、弹性系数小、化学性能稳定、无磁性的特点，有良好的导热性能和导电性能，在使用过程中完全不用考虑其需要的承重量，碰撞摩擦不起火花，不易对电能传输产生干扰。模拟电动汽车行驶移动和横向侧移采用滚珠丝杠结构配合光轨结构完成，由伺服电机或步进电机驱动。
进一步地，所述铝型材为直型铝型材。
进一步地，所述滚珠丝杠由螺杆、螺帽、螺帽支架组成。滚珠丝杠是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、传动可逆性和高传动效率的特点，并且具有很小的摩擦阻力。
本发明具有的优点在于：
(1)本发明采用磁耦合谐振无线电能传输技术，使得车辆无需行程到专用充电站进行停车充电，而只要正常行驶在铺设有发射线圈的路面上即可实现对移动的电动汽车进行动态无线充电。
(2)本发明通过改变发射端和接收端中耦合线圈的不同参数可以直观且清晰地得出耦合线圈的性能，有利于验证耦合线圈的适用性。
(3)本发明改变发射端和接收端中不同补偿网络，方便测试不同补偿网络的特性，对改进补偿网络有重要意义。
(4)本发明通过选择发射端和接收端的控制器是否连接，确定原边控制测试、副边控制测试、双边控制测试，且控制器所承载的算法可由用户自己设定编程，进一步测试控制算法的可行性和扩展性。
(5)本发明在充电过程中不需要人工进行操作，可以根据设定试验装置的参数，使装置自动运行，避免了手动操作带来的人工误差，提高测试精准度。
(6)本发明的电动汽车动态无线充电试验装置具有高效、安全、可靠，成本与维护费用低，操作简便，智能可控等优点。
附图说明
图1为本发明的电动汽车动态无线充电试验装置结构示意图；
图2为本发明的电动汽车动态无线充电试验装置发射端机构的结构示意图；
图3为本发明的电动汽车动态无线充电试验装置接收端机构的结构示意图；
图4为本发明的电动汽车动态无线充电试验装置滚珠丝杠的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚和清楚，下面将结合具体实施例并参考附图来清楚和完整地描述本发明实施例中的技术方案。应当注意，本发明的所述实施例是说明性的，但是这不是对本发明的限制，因此本发明不限于上述实施例。基于本发明原理，凡是本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
本发明模拟实际无线充电状况设计试验装置，通过在电动汽车行驶的沿路铺设发射线圈，当电动汽车行驶至两个相邻发射线圈之间，电动汽车上的接收线圈与两个相邻的发射线圈形成电磁耦合。一个激励源可供给给多个发射线圈，但同一时刻只有一个发射线圈导通，其余线圈则处于断开状态。电动汽车经过第一个发射线圈时，线圈处于正常工作状态，向电动汽车上的接收线圈传输能量，此时其他发射线圈处于断开状态，等待连接。与此同时，电动汽车一侧有信息检测与显示单元，可将监测接收端各电气量以及电池本身状态，并将信息反馈给驾驶者，以便根据实际情况对充电控制量进行调整，提高电池充电效率并且延长电池寿命。
如图1，电动汽车动态无线充电试验装置包括发射端机构1、接收端机构2、电能传输机构3，发射端机构1和电能传输机构3固定在地面上，接收端机构2固定在电能传输机构3上，工频电网一端连接发射端机构1上的电源设备输入端，另一端连接发射端机构1上的其他设备，其他设备包括高频电源、控制器，根据发射端机构1上的发射线圈发射电能，与接收端机构2的接收线圈进行电磁耦合，接收端机构2上的接收线圈通过谐振接收到电能，并连接补偿网络、整流滤波器、电能转换器及负载，电能传输机构3的丝杠导轨结构可实现接收端的行驶移动和横向侧移。本装置可以对无线充电过程中的不同系统性能进行测试，包括效率、传输距离、功率、侧移、移动速度等，实现了设备更高的使用率。
如图2，发射端机构1预有放置发射端所需设备的设备槽，分别有线圈放置槽11、定位检测器件放置槽12、补偿投切槽13、电源放置槽14、滤波器放置槽15、阻抗匹配器放置槽16、控制器槽17，有利于发射端设备的安装和调试。
发射端机构1共设置有3个线圈放置槽11，可方便测试发射端控制性能。为了能够保证无线充电试验装置测试的有效性，要求充电路段上铺设的发射线圈的排布数量，满足电动汽车充电的需求，本试验装置可根据需要适当扩展即可。线圈放置槽11可放置各类不同形状的线圈，包括圆形线圈、矩形线圈、螺旋线圈、DD型线圈、BP型线圈、DDQ线圈等，本试验装置设置可放最大线圈外径为500mm，螺旋形状线圈可以放高度为30mm线圈形状、匝数、线径可根据需要进行计算并更换，可以通过更换线圈以测试不同线圈的性能。在本发明实施例中，发射线圈为圆形平面线圈，放置的每个发射线圈大小、尺寸和形状均完全相同。此外，本试验装置的发射端机构1各个槽尺寸均可以调整，由于发射线圈采用的是单个开启的方式，因此实现无间断充电，所有发射线圈采用间隔铺设的方式，每2个相邻发射线圈之间的距离可根据需要进行调整以获得最佳测试效果。
发射端机构1共设置有4个定位检测器件放置槽12，分别设于每两个线圈放置槽11的中间及两边，定位检测器件放置槽12用于放置定位检测传感器，不限于放置哪一种传感器，包括霍尔传感器、磁阻传感器、激光传感器、光电传感器等。其中，霍尔传感器和磁阻传感器的使用需要接收端安装有永磁体，霍尔传感器和磁阻传感器接收到的磁场信号会发生变化，并将磁信号转换成电信号，经调理电路后回传给控制器。激光传感器需要接收端安装有配套的激光传感器进行对射，当激光传感器对射产生触发信号将直接发送给控制器，光电传感器直接检测接收端，当接收端于传感器上方将发送触发信号给控制器。定位检测器件将回馈相关信号给控制器，无线充电系统将通过检测接收端线圈的位置执行发射线圈的投切，以减少电能浪费。
补偿投切槽13包括补偿网络和投切两个部分，补偿网络一端连接发射线圈，另一端连接阻抗匹配器，投切部分置于补偿网络的一端电路中，控制电路通断，补偿网络可设置为S型补偿拓扑、P型补偿拓扑、LCL型补偿拓扑、LCC型补偿拓扑等，本试验装置留有足够的尺寸空间放置不同的补偿拓扑，可以通过更换补偿拓扑测试拓扑的特性以及对系统的适用性，投切部分主要为程控投切开关，本实例的程控投切开关为一个单刀单掷开关，为了能够保证发射单元的快速的开启，程控投切开关采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，也可用金氧半场效晶体管(MOSFET)，投切开关不限型号，要求可以满足快速投切的需求。
电源放置槽14用于放置高频电源，高频电源输入端连接工频电网，输出端连接低通滤波器，本试验装置所用高频电源不限型号和参数，可根据需要选择实验电源，包括电源频率、电源功率等，本实例采用2～30MHz可调高频电源，满足现阶段无线充电测试需求，若需采用其他电源，可以调节发射端机构中电源放置槽14的尺寸，满足试验需求。
滤波器放置槽15用于放置滤波器，滤波器输入端连接高频电源，输出端连接阻抗匹配器，本试验装置不限于低通、高通、带通、带阻、状态可调滤波器，可以根据工作频率选择合适的滤波器进行实验，本实例采用1～50MHz频率范围的低通滤波器，满足目前电动汽车无线充电系统的使用。
阻抗匹配器放置槽16用于放置自动阻抗匹配器，自动阻抗匹配器输入端连接滤波器，输出端连接补偿网络，进而连接发射线圈，本试验装置可改变阻抗匹配器的型号和参数，包括匹配器的工作频率、输入阻抗、工作功率等，本实例采用1.8～30MHz频率范围、45～55Ω阻抗范围的阻抗匹配器，用于配合本实例采用的高频电源的使用，若因改用其他型号电源而更改匹配器，可以调节发射端机构1中阻抗匹配器放置槽16的尺寸以配合更换的匹配器。
控制器槽17用于放置发射端控制器，控制器输出端连接补偿投切槽13中的投切开关，系统先检测车辆的位置，在控制器没有收到信号时，不进行投切转换操作，发射线圈处于关闭状态，当系统检测到有车辆时，系统将准备执行投切操作，在执行相应的发射线圈投切到逆变器的程序时，有电动汽车行驶位置判断的问题，从而确定开通哪个发射线圈。在进行系统的发射线圈投切控制之前，系统不投切但处于待机状态，逆变器不向发射线圈供电。当进行发射线圈切换时，要先执行电动汽车方向判断程序。传感器决定了控制器的输出控制状态，控制器相当于与门逻辑。当接收端接近时，定位检测传感器将定位信息传给控制器，控制器可以根据接收到的信号确定电动汽车的位置，而后控制器根据车辆位置发出相应投切信号使发射线圈接通电源或者切断电源。当发射线圈上方无接收线圈时，程控投切开关不投切使发射线圈处于断开状态。当发射线圈上方有接收线圈时，程控投切开关投切到逆变电路，实现发射线圈与发射线圈的能量传输，同时关闭无接收线圈于上方供电的发射线圈。
如图3，接收端机构2预有放置接收端所需设备的设备槽，设计为上下两层，下层为线圈放置槽21，上层有补偿网络槽22、整流滤波器放置槽23、电能变换器放置槽24、负载放置槽25、控制器槽26，有利于接收端设备的安装和调试。
接收端机构2设有一个线圈放置槽21用于放置接收线圈，线圈放置槽21可放置各类不同形状的线圈，具体适合线圈情况与发射端机构的线圈放置槽11相同，在本发明实施例中，接收线圈为圆形平面线圈，放置的接收线圈大小、尺寸和形状与发射线圈完全相同。线圈放置槽21还附有子槽用于放置与发射端机构定位检测器件配套的器件，可固定永磁体、激光对射传感器等，该槽尺寸也可根据具体器件尺寸进行调整。
补偿网络槽22只包含补偿网络，补偿网络一端连接接收线圈，另一端连接整流滤波器，补偿网络可设置为S型补偿拓扑、P型补偿拓扑、LCL型补偿拓扑、LCC型补偿拓扑等，通过发射端补偿网络和接收端补偿网络的选择，组成S-S补偿网络、S-P补偿网络、P-S补偿网络、P-P补偿网络、LCL-LCL补偿网络、LCC-LCC补偿网络等，还可放置一些自行开发的新型补偿拓扑，本装置可以通过改变补偿网络测试补偿网络的性能及应用性。
整流滤波器放置槽23用于放置整流滤波器，即将交流电转换为直流电，可选择可控整流器和不可控整流器。电能变换器放置槽24用于放置DC-DC电能变换器，用于将输入电压调整成负载适合的电压，不限于Buck变换器、Boost变换器和Buck-Boost变换器等。
负载放置槽25用于放置接收端负载，可选择用耐高压和大电流的功率电阻以及电动汽车电池等进行测试负载接收电能的能力，该槽尺寸可以根据选择的负载不同而进行调整。
控制器槽26用于放置接收端控制器，控制器的信号输出端可以根据控制对象不同进行连接，具体控制对象可以是接收端的可控整流滤波器和DC-DC变换器，输入端根据控制器所使用的控制算法确定。
电能传输机构3用于模拟电动汽车行驶状态，包括改变行驶移动方向和速度、侧移距离以及传输距离，电能传输机构固定在地面上，加有四个地脚，本试验装置电能传输机构由铝型材组装撘成框架，铝型材具有良好的铸造性能，能加工成不同形状的铝型材，本装置采用通用直型铝型材，通过不同组合安装即可实现。铝型材具有密度小、质量轻、弹性系数小、化学性能稳定、无磁性的特点，有良好的导热性能和导电性能，在使用过程中完全不用考虑其需要的承重量，碰撞摩擦不起火花，不易对电能传输产生干扰。
由于电动汽车底盘对应地面的距离保持不变，则接收线圈与地面的距离只与车型有关，因此电能传输距离可以通过改变支撑架的长度来设定，本实例取200mm传输距离模拟目前常见电动汽车底盘离地距离，不同车型底盘离地距离不同，可通过加接铝型材长度增大传输距离，可改变为200mm、250mm、300mm等传输距离。
如图4，模拟电动汽车行驶移动采用滚珠丝杠结构配合光轨结构完成，滚珠丝杠由螺杆31、螺帽32、螺帽支架33组成，其中，螺帽包括钢球、预压片、反向器、防尘器，滚珠丝杠是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反复作用力，同时兼具高精度、传动可逆性和高传动效率的特点，并且具有很小的摩擦阻力。光轨结构由光轴和直线轴承组成，其具备安装方便、行走顺畅且速度快、使用寿命长且耐脏性能好、维修方便等特点，由光轨结构辅助滚珠丝杠结构且由伺服电机或步进电机驱动滚珠丝杠结构，实现接收端机构2的移动。其中，接收端机构2固定在滚珠丝杠机构的滚珠轴承和光轨结构的直线轴承上，伺服电机和步进电机驱动丝杠实现移动速度的调节。模拟电动汽车横向侧移位置也采用滚珠丝杠结构配合光轨结构完成调节，使用伺服电机和步进电机驱动可以更好模拟行驶工况。
需注意滚珠丝杠结构和光轨结构的维护，滚珠丝杠副和直线轴承可用润滑来提高耐磨性及传动效率。润滑脂可采用锂基油脂，润滑脂加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。
尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。
Claims (10)
1.一种电动汽车动态无线充电试验装置，其特征在于，包括发射端机构、接收端机构、电能传输机构，所述发射端机构和电能传输机构固定在地面上，所述接收端机构固定在电能传输机构上。
2.根据权利要求1所述的电动汽车动态无线充电试验装置，其特征在于，所述发射端机构预有放置发射端所需设备的设备槽，分别有线圈放置槽、定位检测器件放置槽、补偿投切槽、电源放置槽、滤波器放置槽、阻抗匹配器放置槽、控制器槽。
3.根据权利要求2所述的电动汽车动态无线充电试验装置，其特征在于，所述定位检测器件放置槽设置有4个，分别设于每两个线圈放置槽的中间及两边。
4.根据权利要求2所述的电动汽车动态无线充电试验装置，其特征在于，所述补偿投切槽包括补偿网络和投切两个部分，所述补偿网络一端连接发射线圈，另一端连接阻抗匹配器，投切部分置于补偿网络的一端电路中。
5.根据权利要求4所述的电动汽车动态无线充电试验装置，其特征在于，所述补偿网络可设置为S型补偿拓扑、P型补偿拓扑、LCL型补偿拓扑、LCC型补偿拓扑中的一种。
6.根据权利要求1所述的电动汽车动态无线充电试验装置，其特征在于，所述接收端机构预有放置接收端所需设备的设备槽，设计为上下两层，下层为线圈放置槽，上层有补偿网络槽、整流滤波器放置槽、电能变换器放置槽、负载放置槽、控制器槽。
7.根据权利要求1所述的电动汽车动态无线充电试验装置，其特征在于，所述电能传输机构固定在地面上，加有四个地脚。
8.根据权利要求7所述的电动汽车动态无线充电试验装置，其特征在于，所述电能传输机构由铝型材组装撘成框架，模拟电动汽车行驶移动和横向侧移采用滚珠丝杠结构配合光轨结构完成，由伺服电机或步进电机驱动。
9.根据权利要求8所述的电动汽车动态无线充电试验装置，其特征在于，所述铝型材为直型铝型材。
10.根据权利要求8所述的电动汽车动态无线充电试验装置，其特征在于，所述滚珠丝杠由螺杆、螺帽、螺帽支架组成。
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