CN110492622A - 电动汽车不停车无线充电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，具体涉及一种电动汽车不停车无线充电系统及其控制方法。包括主控模块、电网和并联在电网上的若干个充电组块，每个充电组块均包括一个接收线圈、线圈控制器、电能参数检测单元和若干个发射线圈，接收线圈与发射线圈匹配且设置于车辆底部，发射线圈预埋于行车路面下。电能参数检测单元采集发射线圈的电流信号并发送至主控模块；主控模块的控制信号输出端与每个充电组块的线圈控制器连接。电动汽车在行驶过程中依次经过发射线圈，只有相邻的发射线圈工作，减少了能量损耗，并且与导轨式相比较，增大了电动汽车的充电范围。

Description

电动汽车不停车无线充电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，具体涉及一种电动汽车不停车无线充电系统及其控制方法。

背景技术

随着电动汽车的发展，越来越多的人出行使用电动汽车，而电动汽车在行驶过程中需要携带大容量电池供电且电池续航时间较短，这些缺点给人们出行使用电动汽车带来了诸多不便。目前电动汽车的充电方式有有线充电和无线充电方式，有线充电方式是通过在一块特定区域建造充电站，在充电站安装一系列的充电桩以满足电动汽车充电要求。有线充电方式占地面积较大，且用户使用不方便。人们从两百多前特斯拉做的无线充电实验得到启发，提出了无线能量传输的系统，并将该技术应用于电动汽车充电。

目前常用的无线充电技术有三种：磁场耦合式、电场耦合式、电磁辐射式。电动汽车无线充电技术主要采用磁场耦合式，其原理是在路面下埋设一系列的发射线圈，通过电能变换电路产生高频交变磁场，由路面上安装在电动汽车底部的拾取线圈拾取能量，从而为车载储能设备充电，这种方式大大减少电动汽车本身搭载的电池组数量，并能延长其续航里程。电动汽车无线充电方式可以分为电动汽车静态无线充电和电动汽车动态无线充电，这两种无线充电方式的主要区别是在磁路机构的设计上，其工作原理和系统参数设计方法均相同。电动汽车动态无线充电技术按照磁路机构可细分为线圈阵列式、分段导轨式和长导轨式这三种。

线圈阵列式电动汽车无线充电系统所需原边线圈较多，该系统能量传输效率高，且由于导轨线圈之间是两两独立的，单个线圈故障不会影响到其他导轨线圈，系统可靠性强。但其控制较为复杂，建造周期较长，且由于线圈切换的位置较多，导致输出电压不稳定。

分段导轨式电动汽车无线充电系统的能量传输效率较高，建造周期适中。但其原边导轨数量较多，控制较为复杂，且分段导轨产生的磁场具有横向偏移较大特点，充电范围受到限制。

长导轨式电动汽车无线充电系统仅有单个发射导轨，控制较为简单，输出电压波动小，建造周期较短。但系统效率较低，且当导轨出现故障会使得全线无法正常工作。

由于长导轨和分段导轨的区别在于磁路导轨的长度上，所以将长导轨和分段导轨统一称为导轨式。一般情况下，对全段导轨同时供电，导轨产生的损耗严重。传统线圈阵列式充电方式下，对整条线路的线圈进行供电，实现电动汽车动态充电，在电动汽车行驶过程中，互感的波动比较大。同时，当发射线圈与电动汽车接收线圈圆心重合时，大多数磁通量穿过电动汽车接收线圈，此时磁场横向偏移最小。随着电动汽车的行驶，发射线圈与电动汽车接收线圈的重合面积逐渐变小，磁场横向偏移增大，能量传输功率降低。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种的能耗低、充电范围大、磁场横向偏移小，能量传递功率(传输功率)高，充电快速的电动汽车不停车无线充电系统及其控制方法。

本发明一种电动汽车不停车无线充电系统，其技术方案为：包括主控模块、电网和并联在电网上的若干个充电组块，每个所述充电组块均包括一个接收线圈、线圈控制器、电能参数检测单元和若干个发射线圈，所述接收线圈与所述发射线圈匹配且设置于车辆底部，所述发射线圈预埋于行车路面下；

所述电能参数检测单元用于采集发射线圈的电流信号并发送至主控模块的采样电流信号接收端；

所述主控模块的控制信号输出端与每个充电组块的线圈控制器连接，所述主控模块用于根据采样电流信号的大小输出控制信号至相应的线圈控制器；

所述线圈控制器具有电平信号输出端和PWM信号输出端，所述电平信号输出端用于输出电平信号控制发射线圈的通断，所述PWM信号输出端用于输出PWM信号控制发射线圈的电流大小。

较为优选的，每个充电组块均包含三个线性紧密排列的发射线圈，所述发射线圈包括上层线圈和下层线圈，所述上层线圈与下层线圈在线圈排列的长度方向上具有位差，所述位差小于线圈的直径，三个发射线圈接收到的PWM信号彼此之间具有120°的相差。

较为优选的，所述发射线圈为利兹线绕制而成的圆形或方向结构，所述发射线圈的磁场方向与路面垂直。

较为优选的，电动汽车与互联网连接，所述主控模块通过互联网获取电动汽车的车速和位置数据。

较为优选的，所述充电组块与主控模块之间通过RS485总线或CAN总线进行数据传输。

较为优选的，所述线圈控制器与发射线圈之间连接有开关管，所述线圈控制器的电平信号输出端与开关管的控制端连接。

本发明一种电动汽车不停车无线充电系统的控制方法，其技术方案为：通过电能参数检测单元实时检测发射线圈上的电流大小，并根据采样电流信号的大小控制电平信号和PWM信号输出；

当检测到某个充电组块的采样电流信号突然变大时，持续输出高电平信号，同时减小PWM信号的周期，提高PWM信号的高电平占空比；

当检测到某个充电组块的采样电流信号突然变小，且该充电组块后标定距离内没有电动车出现，则每隔一个固定时间输出一段高电平信号，同时增大PWM信号的周期，减小PWM信号的高电平占空比。

较为优选的，在检测到某个充电组块的采样电流信号突然变大时，同时对车速进行判断；

当车速超过阈值时，PWM信号的周期为T1，高电平占空比为m；

当车速小于阈值时，PWM信号的周期为T2，高电平占空比为n；

所述T1<T2，所述m>n。

较为优选的，电动汽车的车速信息和位置信息均通过互联网获取。

本发明的有益效果为：

1、电动汽车在行驶过程中依次经过发射线圈，只有相邻的发射线圈工作，这种方式下，减少了一部分用在其他发射线圈的能量损耗，并且与导轨式相比较，增大了电动汽车的充电范围，在发射线圈相邻的区域仍然可以进行充电。

2、发射线圈采用双层交叠线圈结构，避免了单个线圈故障导致全线故障的弊端，并且在该结构下，通过相互交叠的线圈之间电流的导通角具有120°相位差，在高频电流下，由于电流频率大小远大于电动汽车行驶速度大小，于是当电动汽车到达每一组线圈时刻，通过每个发射线圈的磁通量达到最大，电动汽车车载电池进入连续充电状态。而该双层交叠线圈结构下线圈外围的磁场趋于均匀化。在双层交叠线圈切换过程中，其输出电压较之前单层线圈结构，能有效提高输出电压稳定性。同时，由于上层相邻的线圈彼此紧挨着，下层相邻的线圈与上层线圈之间在横向方向有一定的位移差，当电动汽车行驶在双层交叠线圈上，电动汽车接收线圈磁通变化率处于较大值，这就降低了磁场横向偏移对充电的影响。

3、每个发射线圈并联在电源端，单个发射线圈出现故障，系统仍然可以运行，提高了系统的可靠性。

4、针对不同车速的汽车，采用不同周期和占空比的PWM信号输出，使不同车速的电动车均能实现充电。

附图说明

图1为本发明一种电动汽车不停车无线充电系统的连接示意图；

图2为本发发射线圈示意图；

图3为本发明发射线圈形状示意图；

图4为本发明一种电动汽车不停车无线充电系统的控制方法流程图。

图中：1-电动汽车，2-上层线圈，3-下层线圈，4-线圈，5-锰锌铁氧体，6-电网，7-不停车无线充电中心单元，8-整流电源，9-逆变电源，10-主控模块，11-原边谐振补偿电路，12-充电组块，13-发射线圈，14-线圈控制器，15-电能参数检测单元。

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，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明一种电动汽车不停车无线充电系统由电网6、充电组块12、不停车无线充电中心单元7构成。其中，充电组块12包括发射线圈13、电能参数检测单元15、线圈控制器14和接收线圈(图中未示出)。不停车无线充电中心单元7包括整流电源8、逆变电源9、主控模块10。电网6接入整流电源8，从交流电转化为直流电，经过逆变电源9，输出高频交流电，逆变电源9与原边谐振补偿电路11连接，充电组块12彼此并联在逆变电源9输出交流母线上。接收线圈与发射线圈匹配且设置于电动汽车1底部，发射线圈13预埋于行车路面下。电能参数检测单元15用于采集发射线圈13的电流信号并发送至主控模块10的采样电流信号接收端；主控模块10的控制信号输出端与每个充电组块12的线圈控制器14连接，主控模块10用于根据采样电流信号的大小输出控制信号至相应的线圈控制器14。线圈控制器14具有电平信号输出端和PWM信号输出端，电平信号输出端用于输出电平信号控制发射线圈13的通断，PWM信号输出端用于输出PWM信号控制发射线圈13的电流大小。其中，本发明中的主控模块10可由DSP或者FPGA作为核心控制器，充电组块12与不停车无线充电中心单元7可通过RS485总线或CAN总线进行数据传输。

如图2、3所示，发射线圈分为上层线圈2和下层线圈3，上层线圈2和下层线圈3均包含线圈4和位于线圈4中心的锰锌铁氧体5。锰锌铁氧体为软铁材料，磁导率远大于空气，可减少与空气交链的磁通，可增大传输功率。线圈4可以是利兹线绕制而成的圆形或方形，其磁场方向垂直于道路。每层相邻的线圈4彼此紧密连接并成线性排列，上下层之间有一定的位置差，该位置差小于一个线圈的直径。每个充电组块12均包含三个发射线圈13，充电组块12的线圈控制器14给三个发射线圈13的脉冲依次相差120°，在时间上差120°，因此在一个充电组块上的每个发射线圈的最大磁通时刻分别在不同的时刻，当充电组块的第一个发射线圈脉冲占空比达到最大，即达到最大磁通时，其余两个发射线圈没有达到最大磁通，当三分之一的脉冲周期后，第二个发射线圈达到最大磁通，三分之二脉冲周期后第三个发射线圈达到最大磁通。脉冲周期可由充电组块的线圈控制器调整。而由于电源的频率大小远大于电动汽车的速度大小，在一小段时间内，充电组块上的磁通处于相对稳定的大小。由于磁场变化可以由磁通变化量化，所以充电组块的周围的磁场相对均匀化，电动汽车充电范围增大。

本发明的充电组块12有两种模式，分别是休眠模式和充电模式：

处于休眠模式下的充电组块每隔一个固定时间t输出一段高电平信号，同时具有较大的PWM信号的周期T3，且PWM信号具有较小的高电平占空比r。

处于充电模式下的充电组块持续输出高电平信号，同时PWM信号具有较高的高电平占空比和较小的周期，具体的：

当车速超过设定的阈值v时，线圈控制器14按以下方式输出：PWM信号的周期为T1，高电平占空比为m；

当车速小于设定的阈值v时，线圈控制器14按以下方式输出：PWM信号的周期为T2，高电平占空比为n；

其中T1<T2<T3，m>n>r。

如图4所示，当电动汽车行驶到充电区域，靠近电动汽车的充电组块12发射线圈13产生磁场，电动汽车1底部接收线圈由于电磁感应原理在其回路上感应出电流，电动汽车底部接收线圈电流所激发的磁场对充电组块12的发射线圈13产生作用，交变的磁链改变了充电组块12的发射线圈13回路电流，该电流变化呈突然变大显现，且能被电能参数检测单元15检测到，并将其传递到不停车无线充电中心单元7的主控模块10。主控模块10发出进入充电模式指令给当前充电组块12的线圈控制器14，线圈控制器14的电平信号输出端输出持续的高电平信给开关管，接通发射线圈13，充电组块12从休眠模式转化为充电模式。线圈控制器14的PWM信号输出端输出具有更高占空比和更小周期的PWM信号，发射线圈的供电功率增加。

在工作模式下，还需根据车辆的速度对PWM信号进行进一步调整，对于车速较大的车辆，其PWM信号的周期相较于车速较小的车辆，具有周期更小，高电平占空比更大的特点。当电动汽车速度变化太大，由于充电组块12状态切换需要一定时间，主控模块10的指令优先级高于充电组块12的线圈控制器14。于是在电动汽车行驶方向上与电动汽车1相邻的充电组块12提前被激活，并且充电组块12由充电模式转化为休眠模式只有在主控模块10发出休眠指令后执行。休眠指令仅在检测到当前充电组块12后方一个标定距离内没有新的电动汽车1出现时发出。即，当前充电组块12后方一个标定距离内没有新的电动汽车1出现，且发射线圈13回路的电流减小至极小值(即采样电流突然变小)，该极小值表征无电动汽车交变磁链的影响，于是充电组块12从充电模式转化到休眠模式。上述充电组块的模式切换过程中，电动汽车1可实现不停车无线充电。

为实现多辆电动汽车在充电车道上充电，电动汽车1需要接入互联网，电动汽车1准备行驶到无线充电区域。不停车无线充电中心单元7通过互联网获取电动汽车1的速度和位置数据以及车载电池的电量数据等信息，多车无线充电的关键在于多辆电动汽车充电功率匹配。电动汽车行驶的速度和位置信息作为依据，充电组块12提前接收到不停车无线充电中心单7指令，与电动汽车1相邻的充电组块12被唤醒进入工作状态。当后续的电动汽车1跟随第一辆电动汽车驶入无线充电区域，原来处于工作状态的充电组块12在没有接收到主控模块10的休眠指令前仍处于工作状态，工作指令优先级高于休眠指令。充电功率的匹配可根据电动汽车车载电池的电量信息和电动汽车速度信息作为依据，当电量较少及速度较小时，充电组块12的线圈控制器输出PWM信号的高电平占空比增大且周期减少，发射线圈13回路电流增大，充电组块12传输功率增加，若此时车载电池的电量信息和电动汽车1的速度信息增大，则充电组块12线圈控制器14继续增加PWM信号输出高电平脉冲占空比，供电功率增加，反之减少充电组块线圈14控制器输出PWM信号高电平脉冲占空比，实现供电功率动态调整。

此外，充电组块12在完成状态转化和相关操作后输出信号给主控模块10，主控模块10实时检测每个充电组块12的状态信息。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种电动汽车不停车无线充电系统，其特征在于，包括主控模块(10)、电网(6)和并联在电网(6)上的若干个充电组块(12)，每个所述充电组块(12)均包括一个接收线圈、线圈控制器(14)、电能参数检测单元(15)和若干个发射线圈(13)，所述接收线圈与所述发射线圈(13)匹配且设置于车辆底部，所述发射线圈(13)预埋于行车路面下；

所述电能参数检测单元(15)用于采集发射线圈(13)的电流信号并发送至主控模块(10)的采样电流信号接收端；

所述主控模块(10)的控制信号输出端与每个充电组块(12)的线圈控制器(14)连接，所述主控模块(10)用于根据采样电流信号的大小输出控制信号至相应的线圈控制器(14)；

所述线圈控制器(14)具有电平信号输出端和PWM信号输出端，所述电平信号输出端用于输出电平信号控制发射线圈(13)的通断，所述PWM信号输出端用于输出PWM信号控制发射线圈(13)的电流大小。

2.根据权利要求1所述的电动汽车不停车无线充电系统，其特征在于：每个充电组块(12)均包含三个线性紧密排列的发射线圈(13)，所述发射线圈(13)包括上层线圈(2)和下层线圈(3)，所述上层线圈(2)与下层线圈(3)在线圈排列的长度方向上具有位差，所述位差小于线圈的直径，三个发射线圈(13)接收到的PWM信号彼此之间具有120°的相差。

3.根据权利要求2所述的电动汽车不停车无线充电系统，其特征在于：所述发射线圈(13)为利兹线绕制而成的圆形或方向结构，所述发射线圈(13)的磁场方向与路面垂直。

4.根据权利要求1所述的电动汽车不停车无线充电系统，其特征在于：电动汽车(1)与互联网连接，所述主控模块(10)通过互联网获取电动汽(1)的车速和位置数据。

5.根据权利要求1所述的电动汽车不停车无线充电系统，其特征在于：所述充电组块(12)与主控模块(10)之间通过RS485总线或CAN总线进行数据传输。

6.根据权利要求1所述的电动汽车不停车无线充电系统，其特征在于：所述线圈控制器(14)与发射线圈(13)之间连接有开关管，所述线圈控制器(14)的电平信号输出端与开关管的控制端连接。

7.一种权利要求1所述的电动汽车不停车无线充电系统的控制方法，其特征在于：通过电能参数检测单元(15)实时检测发射线圈(13)上的电流大小，并根据采样电流信号的大小控制电平信号和PWM信号输出；

当检测到某个充电组块(12)的采样电流信号突然变大时，持续输出高电平信号，同时减小PWM信号的周期，提高PWM信号的高电平占空比；

当检测到某个充电组块(12)的采样电流信号突然变小，且该充电组块后标定距离内没有电动车出现，则每隔一个固定时间输出一段高电平信号，同时增大PWM信号的周期，减小PWM信号的高电平占空比。

8.如权利要求7所述的电动汽车不停车无线充电系统的控制方法，其特征在于：在检测到某个充电组块(12)的采样电流信号突然变大时，同时对车速进行判断；

当车速超过阈值时，PWM信号的周期为T1，高电平占空比为m；

当车速小于阈值时，PWM信号的周期为T2，高电平占空比为n；

所述T1<T2，所述m>n。

9.如权利要求7所述的电动汽车不停车无线充电系统的控制方法，其特征在于：电动汽车(1)的车速信息和位置信息均通过互联网获取。