CN110816323A - 一种基于发射线圈阵列聚焦的汽车无线充电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于发射线圈阵列聚焦的汽车无线充电系统和方法。所述系统包括整流器、谐振逆变器、谐振调理器、发射线圈阵列、阵列控制器、主控器、接收线圈、高频整流器和系统效率计算装置。本发明采用导通状态和角度可控的发射线圈阵列，根据接收线圈的对齐位置灵活选通线圈阵列中的某个区域，并且调整线圈的角度，完成发射端线圈磁场能量的聚焦，减小能量耗散，提高发射端线圈与接收端线圈之间的互感系数，同时实时调整系统的谐振频率，提高系统的充电效率。本发明有效解决了由于汽车停车位置不同以及接收线圈规格差异导致的系统充电效率降低的问题。

Description

一种基于发射线圈阵列聚焦的汽车无线充电系统和方法
技术领域
本发明属于汽车充电技术领域，特别涉及了一种汽车无线充电系统和方法。
背景技术
近年来，电动汽车无线充电(WPT)技术在电动汽车快速发展的趋势下，以其安全节能的优势愈益受到重视，成为了电动汽车领域关注和研究的热点之一，并逐步运用到各种汽车供电场合。无线充电是将电能转换为高频磁场能，经过磁场的耦合被转化的电能透过空气气隙将能量进行传输。实际应用中，铺设于地面的发射线圈通常是固定形状与大小的，当汽车每次停放的位置不能严格使发射线圈与接收线圈中心对齐时，发射线圈的一部分磁场能量将不能被接收线圈感应，造成能量耗散，从而使两者之间的互感系数降低，影响无线充电系统的效率。而且，当接收线圈规格不同时，系统的最优工作频率以及线圈之间的互感系数也会发生变化。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种基于发射线圈阵列聚焦的汽车无线充电系统和方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种基于发射线圈阵列聚焦的汽车无线充电系统，包括整流器、谐振逆变器、谐振调理器、发射线圈阵列、阵列控制器、主控器、接收线圈、高频整流器和系统效率计算装置；整流器的输入端连接电网，整流器的输出端连接谐振逆变器的输入端，谐振逆变器的第一输出端经第一电感与谐振调理器的输入端连接，谐振调理器的输出端经第一电容与谐振逆变器的第二输出端连接，谐振调理器的输出端经第二电容与发射线圈阵列的第一输入端连接，谐振逆变器的第二输出端连接发射线圈阵列的第二输入端，所述第一电感、第一电容、第二电容以及发射线圈阵列一同构成发射端LCCL谐振网络，接收线圈的第一输出端经依次串联的第三电容和第二电感与高频整流器的第一输入端连接，第三电容与第二电感的公共端经第四电容与接收线圈的第二输出端连接，接收线圈的第二输出端连接高频整流器的第二输入端，所述接收线圈、第三电容、第四电容以及第二电感一同构成接收端LCCL谐振网络，高频整流器的输出端连接车载电池的输入端，发射线圈阵列的控制端经阵列控制器与主控器的输出端连接，发射线圈阵列中的每个感应线圈的导通状态和角度均受阵列控制器的控制，谐振调理器的控制端连接主控器的输出端，系统效率计算装置的输入端分别连接整流器的输入端和高频整流器的输出端，系统效率装置的输出端连接主控器的输入端。
进一步地，所述发射线圈阵列包括若干单方向绕制的感应线圈、开关继电器和角度调整机构；开关继电器的输入端连接发射线圈阵列的第一输入端，开关继电器的各输出端对应连接每个感应线圈的一端，各感应线圈的另一端连接在一起并与发射线圈阵列的第二输入端连接，角度调整机构与各感应线圈接触，开关继电器和角度调整机构的控制端连接阵列控制器的输出端，根据阵列控制器输出的控制信号切换各感应线圈的导通状态、调整各感应线圈的角度。
进一步地，发射线圈阵列与接收线圈的互感系数越大，系统的充电功率越大，充电效率越高；
进一步地，当谐振逆变器的频率等于发射端LCCL谐振网络的谐振频率等于接收端LCCL谐振网络的谐振频率时，系统达到最大充电效率。
基于上述汽车无线充电系统的汽车无线充电方法，包括以下步骤：
(1)系统从电网接收电能，通过整流器将交流电转变为直流电，然后经由谐振逆变器将直流电转变为高频交流电传输到发射端LCCL谐振网络中，发射端的能量经由感应线圈传送到接收端，再由高频整流器将高频交流电转变为直流电传输到车载电池中；
(2)系统效率计算装置实时计算系统充电效率并将计算结果传送给主控器，主控器将当前系统的充电效率与设定的最优参考效率进行比较，若两者的差值超出了设定的容许范围，则转入步骤(3)，否则，保持系统状态不变，并重复执行步骤(2)；
(3)主控器生成发射线圈阵列控制指令，阵列控制器根据该控制指令控制发射线圈阵列中各感应线圈的导通状态，同时调整与接收线圈未中心对齐的感应线圈的角度，实现磁场能量的聚焦；
(4)主控器生成谐振调理器控制指令，谐振调理器根据该控制指令，对经过发射线圈导通切换和角度调整的系统进行谐振频率的调整；
(5)返回步骤(2)，通过循环实现系统充电效率的不断优化。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明采用导通状态和角度可控的发射线圈阵列，根据接收线圈的对齐位置灵活选通线圈阵列中的某个区域，并且调整线圈的角度，完成发射端线圈磁场能量的聚焦，减小能量耗散，提高发射端线圈与接收端线圈之间的互感系数，同时实时调整系统的谐振频率，提高系统的充电效率。本发明有效解决了由于汽车停车位置不同以及接收线圈规格差异导致的系统充电效率降低的问题。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图；
图2是本发明中发射线圈示意图；
图3是本发明中发射线圈与继电器开关的电路图；
图4是本发明方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种基于发射线圈阵列聚焦的汽车无线充电系统，如图1所示，包括整流器、谐振逆变器、谐振调理器、发射线圈阵列、阵列控制器、主控器、接收线圈、高频整流器和系统效率计算装置。整流器的输入端连接电网，整流器的输出端连接谐振逆变器的输入端，谐振逆变器的第一输出端经第一电感L1与谐振调理器的输入端连接，谐振调理器的输出端经第一电容C1与谐振逆变器的第二输出端连接，谐振调理器的输出端经第二电容C2与发射线圈阵列的第一输入端连接，谐振逆变器的第二输出端连接发射线圈阵列的第二输入端，所述第一电感L1、第一电容C1、第二电容C2以及发射线圈阵列一同构成发射端LCCL谐振网络，接收线圈的第一输出端经依次串联的第三电容C3和第二电感L2与高频整流器的第一输入端连接，第三电容C3与第二电感L2的公共端经第四电容C4与接收线圈的第二输出端连接，接收线圈的第二输出端连接高频整流器的第二输入端，所述接收线圈、第三电容C3、第四电容C4以及第二电感L2一同构成接收端LCCL谐振网络，高频整流器的输出端连接车载电池的输入端，发射线圈阵列的控制端经阵列控制器与主控器的输出端连接，发射线圈阵列中的每个感应线圈的导通状态和角度均受阵列控制器的控制，谐振调理器的控制端连接主控器的输出端，系统效率计算装置的输入端分别连接整流器的输入端和高频整流器的输出端，系统效率装置的输出端连接主控器的输入端。
在本实施例中，发射线圈阵列包括若干单方向绕制的感应线圈、开关继电器和角度调整机构。如图2、图3所示，开关继电器①的输入端连接发射线圈阵列的第一输入端，开关继电器的各输出端对应连接每个感应线圈②的一端，各感应线圈的另一端连接在一起并与发射线圈阵列的第二输入端连接。角度调整机构与各感应线圈接触，开关继电器和角度调整机构的控制端连接阵列控制器的输出端，根据阵列控制器输出的控制信号切换各感应线圈的导通状态、调整各感应线圈的角度。
由于汽车每次停靠的位置具有不确定性，导致发射线圈与接收线圈不能严格中心对齐，发射线圈阵列的一部分磁场能量并没有被接收线圈感应到，此时系统效率计算装置实时计算出的系统效率以及充电功率将低于系统最优的工作状态，主控器监测到充电功率以及系统效率的降低，发送控制信号使阵列控制器以及谐振调理器工作。设整流器的输入电流和电压分别为Iin和Uin，而高频整流器的输出电流和电压分别为Iout和Uout，则系统充电效率
Figure BDA0002253401220000051
发射线圈阵列与接收线圈的互感系数越大，系统的充电功率越大，充电效率越高。当谐振逆变器的频率等于发射端LCCL谐振网络的谐振频率等于接收端LCCL谐振网络的谐振频率时，系统达到最大充电效率。
本发明提出了一种基于上述系统的汽车无线充电方法，如图4所示：
步骤1：系统从电网接收电能，通过整流器将交流电转变为直流电，然后经由谐振逆变器将直流电转变为高频交流电传输到发射端LCCL谐振网络中，发射端的能量经由感应线圈传送到接收端，再由高频整流器将高频交流电转变为直流电传输到车载电池中；
步骤2：系统效率计算装置实时计算系统充电效率并将计算结果传送给主控器，主控器将当前系统的充电效率η与设定的最优参考效率ηref进行比较，若两者的差值超出了设定的容许范围δ，则转入步骤3，否则，保持系统状态不变，并重复执行步骤2；
步骤3：主控器生成发射线圈阵列控制指令，阵列控制器根据该控制指令控制发射线圈阵列中各感应线圈的导通状态，同时调整与接收线圈未中心对齐的感应线圈的角度，实现磁场能量的聚焦；
步骤4：主控器生成谐振调理器控制指令，谐振调理器根据该控制指令，对经过发射线圈导通切换和角度调整的系统进行谐振频率的调整；
步骤5：返回步骤2，通过循环实现系统充电效率的不断优化。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于发射线圈阵列聚焦的汽车无线充电系统，其特征在于：包括整流器、谐振逆变器、谐振调理器、发射线圈阵列、阵列控制器、主控器、接收线圈、高频整流器和系统效率计算装置；整流器的输入端连接电网，整流器的输出端连接谐振逆变器的输入端，谐振逆变器的第一输出端经第一电感与谐振调理器的输入端连接，谐振调理器的输出端经第一电容与谐振逆变器的第二输出端连接，谐振调理器的输出端经第二电容与发射线圈阵列的第一输入端连接，谐振逆变器的第二输出端连接发射线圈阵列的第二输入端，所述第一电感、第一电容、第二电容以及发射线圈阵列一同构成发射端LCCL谐振网络，接收线圈的第一输出端经依次串联的第三电容和第二电感与高频整流器的第一输入端连接，第三电容与第二电感的公共端经第四电容与接收线圈的第二输出端连接，接收线圈的第二输出端连接高频整流器的第二输入端，所述接收线圈、第三电容、第四电容以及第二电感一同构成接收端LCCL谐振网络，高频整流器的输出端连接车载电池的输入端，发射线圈阵列的控制端经阵列控制器与主控器的输出端连接，发射线圈阵列中的每个感应线圈的导通状态和角度均受阵列控制器的控制，谐振调理器的控制端连接主控器的输出端，系统效率计算装置的输入端分别连接整流器的输入端和高频整流器的输出端，系统效率装置的输出端连接主控器的输入端。
2.根据权利要求1所述基于发射线圈阵列聚焦的汽车无线充电系统，其特征在于：所述发射线圈阵列包括若干单方向绕制的感应线圈、开关继电器和角度调整机构；开关继电器的输入端连接发射线圈阵列的第一输入端，开关继电器的各输出端对应连接每个感应线圈的一端，各感应线圈的另一端连接在一起并与发射线圈阵列的第二输入端连接，角度调整机构与各感应线圈接触，开关继电器和角度调整机构的控制端连接阵列控制器的输出端，根据阵列控制器输出的控制信号切换各感应线圈的导通状态、调整各感应线圈的角度。
3.根据权利要求1所述基于发射线圈阵列聚焦的汽车无线充电系统，其特征在于：发射线圈阵列与接收线圈的互感系数越大，系统的充电功率越大，充电效率越高。
4.根据权利要求1所述基于发射线圈阵列聚焦的汽车无线充电系统，其特征在于：当谐振逆变器的频率等于发射端LCCL谐振网络的谐振频率等于接收端LCCL谐振网络的谐振频率时，系统达到最大充电效率。
5.基于权利要求1所述汽车无线充电系统的汽车无线充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)系统从电网接收电能，通过整流器将交流电转变为直流电，然后经由谐振逆变器将直流电转变为高频交流电传输到发射端LCCL谐振网络中，发射端的能量经由感应线圈传送到接收端，再由高频整流器将高频交流电转变为直流电传输到车载电池中；
(2)系统效率计算装置实时计算系统充电效率并将计算结果传送给主控器，主控器将当前系统的充电效率与设定的最优参考效率进行比较，若两者的差值超出了设定的容许范围，则转入步骤(3)，否则，保持系统状态不变，并重复执行步骤(2)；
(3)主控器生成发射线圈阵列控制指令，阵列控制器根据该控制指令控制发射线圈阵列中各感应线圈的导通状态，同时调整与接收线圈未中心对齐的感应线圈的角度，实现磁场能量的聚焦；
(4)主控器生成谐振调理器控制指令，谐振调理器根据该控制指令，对经过发射线圈导通切换和角度调整的系统进行谐振频率的调整；
(5)返回步骤(2)，通过循环实现系统充电效率的不断优化。
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