CN113511085B - 一种分段线圈式电动汽车无线充电系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种分段线圈式电动汽车动态无线充电系统及控制方法。本发明提出的电动汽车动态无线充电系统由原边直流母线、发射模块和接收模块三部分构成。其中发射模块包括逆变电源及原边电路补偿部分、原边控制器、电流传感器、控制耦合器和发射线圈。该系统可以由电动汽车驾驶人主动控制充电过程的启动，让电动汽车无线充电系统更加高效。通过提出一种电动汽车动态无线充电系统的拓扑结构，从而解决常规动态无线充电在无电动汽车经过时依然持续放电的问题，进而减少电磁损耗；通过提出一种新型的原边信号控制方法，避免突发干扰引起的无负载启动问题，同时减轻控制电路的冗杂度，从而提高整个系统的经济性。

Description

一种分段线圈式电动汽车无线充电系统及控制方法
技术领域
本发明属于电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种分段线圈式电动汽车动态无线充电系统及控制方法。
背景技术
目前环境污染和能源短缺问题日益成为世界性难题，电动汽车被认为是解决该难题的有效策略之一。随着电动汽车的不断普及，本身的问题也逐渐显现出来。由于电动汽车本身耗电量较大，电动汽车电池续航能力成为亟待解决的问题。
现阶段电动汽车普遍采用接触式充电方式，该充电方式存在机械磨损、接触损耗、传输效率低、漏电危险等弊端，这些都极大限制了电动汽车的发展和推广。无线充电技术能够在电动汽车行驶过程中对其进行电能的传输，从而有效弥补接触式充电方式的不足。
无线充电技术可分为三种：微波辐射式、电场耦合式和磁场耦合式。现阶段电动汽车无线充电技术主要采用的是磁场耦合式，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，由安装在电动汽车底部的接收线圈拾取能量，从而为车载储能设备充电。磁场耦合式无线充电方式可使电动汽车在搭载少量电池组的情况下，延长其续航能力。
电动汽车在无线充电方式上分为静态充电和动态充电两种方式，充电方式的工作原理和系统参数设计方法均相同，本质区别在于电动汽车的运行状态。电动汽车静态无线充电是充电过程中电动汽车静止不动，线圈之间的耦合系数不会发生变化。电动汽车动态无线充电系统的磁路机构的能量拾取端和静态无线充电系统中采用的线圈结构是相同的，而能量发射端线圈结构是不同的。按照发射线圈的形状，发射端主要分为长导轨式和分段导轨式。长导轨式和分段导轨式的特点是其长度都远远大于宽度，但两者有一定的区别，各有优缺点。以下将从建造周期及成本、电压波动、线圈数量和充电效率来简要叙述两者区别。
长导轨式电动汽车无线充电系统仅有单个发射导轨，优点在于建造周期短，成本低，电动汽车在行驶过程中输出电压波动小，控制简单。但是其系统效率较低，且当导轨出现故障时会使得全线无法正常工作。
分段导轨式电动汽车无线充电系统优点在于其能量传输效率较高，而且当导轨故障时，不会导致系统整体无法运行。但其建造周期相比较长，成本相比较高，电动汽车行驶过程中由于切换点数量较多，导致电压波动较大，且原边发射导轨数量较多，控制较复杂。
长导轨式线圈布局由于其具有较长移动距离内能保持互感耦合程度不变的特性，从而保持传输功率稳定。但长导轨式线圈一旦故障，维修成本巨大。相比于长导轨式布局，分段式线圈链布局采用局域激励，减少了漏磁和线圈损耗，因此提高了能量的传输效率，同时分段导轨式线圈是并联连接，一部分的损坏不会造成大面积维修。
本发明提出的电动汽车动态无线充电系统，可大大减少电能传输中的电能损耗。该系统可以由电动汽车驾驶人主动控制充电过程的启动，让电动汽车无线充电系统更加高效。本发明的主要目的是针对现有分段导轨式的电动汽车动态无线充电技术，提出一种新型的动态接力方法和一种新型的原边信号控制方法。通过提出一种电动汽车动态无线充电系统的拓扑结构，从而解决常规动态无线充电在无电动汽车经过时依然持续放电的问题，进而减少电磁损耗；通过提出一种新型的原边信号控制方法，避免突发干扰引起的无负载启动问题，同时减轻控制电路的冗杂度，从而提高整个系统的经济性。
发明内容
本发明提出具体的技术方案：一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，完成分段式导轨无线充电的接力过程。其中包括：
一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，其特征在于，应用于分段式导轨无线充电系统，包括
发射模块：用于提供电能以及控制动态充电接力过程，包括逆变电源及原边电路补偿部分，并联在原边直流母线两端，将直流电变成高频交流电；若干并联在逆变电源及原边电路补偿部分上的发射组件，原边控制器通过放大滤波电路与发射组件连接；
接收模块：用于接收电能以及主动激励充电的开始，包括依次连接的副边主动激励、副边DC/DC变换器、车载电池及负荷单元，以及与副边主动激励连接的接收线圈；副边控制器同时与副边主动激励部分、副边DC/DC变换器和车载电池及负荷单元连接。
在上述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，发射组件包括控制耦合器以及发射线圈；电流传感器串联在发射线圈和控制耦合器之间；发射线圈并联在逆变电源及原边电路补偿部分，放大滤波电路同时与电流传感器连接；控制耦合器、发射线圈和电流传感器构成上部闭环回路，并且控制耦合器连接在逆变电源及原边补偿部分构成下部闭环回路；
所述的逆变电源能够供给多组发射线圈电能，发射线圈之间并联连接；接收线圈安置于电动汽车底盘位置，而发射线圈组块放置预设充电道路地面下，并且沿着电动汽车行驶方向竖直排列。
在上述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，原边控制器能够接收来自每一个电流传感器采集电流信号并反馈相应的PWM信号，反馈的PWM信号作用于相应的控制耦合器中；副边控制器能够接受用户控制信号，从而控制副边主动激励部分向原边线圈发射主动激励信号。
在上述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，仅靠近逆变电源及原边电路补偿部分的两个电流传感器需通过放大滤波电路滤波后传递信号于原边控制器，其余的电流传感器输出信号直接传递到原边控制器；每个电流信号对应相应的PWM信号。
在上述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，靠近逆变电源及原边电路补偿部分的两个电流传感器作为主电流传感器，主电流传感器的信号通过放大滤波电路传递到原边控制器中，能够起到抗干扰的作用；其余的电流传感器作为副电流传感器，同理，对应的线圈为主发射线圈和副发射线圈；其中，若原边控制器未接收来自主电流传感器的电流信号，则无论何时副电流传感器对应的PWM信号不发生变化，及副发射线圈处于锁死状态，从而除去副电流传感器需要处理干扰的操作；原边控制器在接收主电流传感器的电流信号后开始计时，时间结束后副发射线圈恢复锁死，时间长短由原边控制器控制。
一种分段线圈式电动汽车无线充电系统的控制方法，其特征在于，包括：
充电模式：当电动汽车的接收模块请求无线充电时，副边控制器控制副边主动激励工作在逆变状态，发出主动激励型号；由于大多数充电区域单向行驶，电动汽车会从第一个发射线圈驶入，第一个发射线圈和第二个发射线圈为主发射线圈，当电动汽车经过主发射线圈时，电动汽车的副边主动激励会向发射模块的主发射线圈发射主动激励信号，电动汽车的接收线圈将产生磁场，电动汽车底部的接收线圈和主发射线圈由于电磁感应原理在其回路上会出现感应电流，此电流所产生的磁场会对发射模块的主发射线圈产生作用，交变的磁链会改变发射模块的主发射线圈与控制耦合器之间的回路电流，而主电流感应器能检测到这种电流变化，并将电流信号传输到放大滤波电路中，通过滤波后传递到原边控制器；此时原边控制器将会使整个系统激活为充电模式，副发射线圈取消锁死，并开始计时；原边控制器改变起始PWM信号于控制耦合器7中MOSFET的栅极，此时控制耦合器7处于ON状态，MOS管关断，从而达到主发射线圈并网的目的；
休眠模式：当电动汽车离开对应的主发射线圈时，电流信号逐渐减弱为0，控制耦合器切换到OFF状态，栅极驱动信号为高电平，使MOS管导通，从而使主发射线圈短路，主发射线圈停止供能，此时电动汽车到达副发射线圈，完成同样操作即可实现动态接力充电，整个充电过程需在计时结束前完成；其中，原边控制器采用DSP或者FPGA作为核心控制器，原边控制器、电流传感器和放大滤波电路通过RS485总线或CAN总线进行数据传输。
在上述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统的控制方法，在工作模式下，需对电动汽车的车速进行限制；当车速较小时，原边控制器5能够达到预期的效果；当汽车速度变化太大时，控制耦合器切换需要一定的时间完成，工作模式到休眠模式的转换只有在原边控制器发出指令后执行，因此需要对电动汽车的车速进行调整；若电动汽车不需要充电时，副边控制器不做操作，副边主动激励也不会发出电流信号，即使电动汽车的接收模块通过发射模块时，也不会做充电处理。
在上述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统的控制方法，当发射模块中驶入新的电动汽车，原边控制器的计时操作将会刷新，即可实现多辆电动汽车不停车充电操作。
在上述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统的控制方法，将电动汽车接入互联网中，可以实现多辆电动汽车更精准地充电，同时可不限制速度；在接入互联网中，原边控制器可以获取电动汽车的各种数据，包括速度大小和位置信息的数据以及电动汽车车载电池的电量数据等；以电动汽车的行驶速度和位置信息作为依据，发射模块2提前接收到动态无线充电单元指令，与电动汽车相邻的控制耦合器被唤醒进入充电工作状态；在实现多辆电动汽车，当后续的电动汽车的接收模块随着前一辆进入充电区域时，原来处于工作状态的发射线圈在没有接收到原边控制器的休眠工作指令前仍处于充电工作状态，充电工作指令优先级高于休眠工作指令；在系统中，可依据电动汽车速度大小和位置信息的数据来匹配充电功率，达到最佳充电状态。
与现有技术比较，本发明具有如下显著优点：
本发明提出了一种新型电动汽车动态无线充电系统，与典型的静态电动汽车无线充电系统相比，能够达到电动汽车在行驶过程中获得电能的效果，从而减少人为操作，减少触电事故。与典型动态电动汽车无线充电系统相比，本发明描述的系统能够更好地减少发射端的损耗问题。除此之外，由发射线圈组成的导轨链，能够给行驶中的电动汽车不间断供电，从而有效延长行驶里程，本发明对于长途行车尤为有效。
本发明提出了一种新型拓扑结构，能够达到导轨链接力传递电能的效果，而且使用MOS管反向串联的结构，能够使系统反应速度更加迅速，从而达到更好接力的效果。同时该拓扑结构能够实现无车即无磁，避免了磁辐射对外部的影响。
本发明提出了一种新型原边信号控制方法，能够减少控制电路过于冗杂的问题，主副电流传感器的设计能够很大程度上减少过多的控制操作，同时也增强了系统的抗干扰能力。两个主电流传感器增加了系统的容错率，同时可在主电流传感器出做市场监管，可避免整条供电线路发生“偷电”事件。
控制耦合器设计在发射模块能够减轻整车重量，减少电动汽车成本，有利于电动汽车行业发展。
动态充电的不停车操作可以适当减少电池容量，从而减轻汽车整车重量，减少整车工程师工作量。
本发明的其他特征和优点将在下文的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1为本发明的电动汽车动态无线充电系统的连接示意图。
图2为本发明的控制耦合器结构示意图。Q1,Q2为MOSFET，D1,D2为整流二极管。
图3为本发明的原边控制器信号输入输出图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对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。图中，1-原边直流母线，2-发射模块，3-接收模块，4-逆变电源及原边补偿部分，5-原边控制器，6-电流传感器，7-控制耦合器，8-发射线圈，9-接收线圈，10-副边主动激励，11-副边DC/DC变换器，12-车载电池及负荷单元，13-副边控制器。14-放大滤波电路。
附图如图1所示，本发明的电动汽车动态无线充电系统主要由原边直流母线1、发射模块2和接收模块3三部分构成。其中发射模块2包括逆变电源及原边电路补偿部分4、原边控制器5、电流传感器6、控制耦合器7和发射线圈8，其中电流传感器6a和6b为主电流传感器，其余电流传感器(电流传感器6c、电流传感器6d等)为副电流传感器；发射线圈8a和8b为主线圈，其余发射线圈(发射线圈8c、发射线圈8d等)为副线圈。接收模块3包括接收线圈9、副边主动激励10、副边DC/DC变换器11、车载电池及负荷单元12和副边控制器13。逆变电源及原边电路补偿部分4能够供给多组发射线圈8(图中表示为线圈a、线圈b、线圈c、线圈d等)电能。原边控制器5能够采集来自不同电流传感器6(图中表示为电流传感器a、电流传感器b、电流传感器c、电流传感器d等)的电流信号并反馈对应的PWM信号。副边控制器13能够接受人为控制信号从而控制副边主动激励10通过接收线圈9向原边线圈8发射主动激励信号。整个系统有充电和休眠两种模式。当电动汽车(接收模块3)请求无线充电时，副边控制器13控制副边主动激励10工作在逆变状态，发出主动激励型号。由于大多数充电区域单向行驶，电动汽车会从发射线圈8a驶入，当电动汽车经过主发射线圈(发射线圈8a或发射线圈8b)时，电动汽车的副边主动激励10会向发射模块2的主发射线圈发射主动激励信号，电动汽车的接收线圈9将产生磁场，电动汽车底部的接收线圈9和主发射线圈由于电磁感应原理在其回路上会出现感应电流，此电流所产生的磁场会对发射模块2的主发射线圈产生作用，交变的磁链会改变发射模块2的主发射线圈与控制耦合器7之间的回路电流，而主电流感应器能检测到这种电流变化，并将电流信号传输到放大滤波电路14中，通过滤波后传递到原边控制器5。此时原边控制器5将会使整个系统激活为充电模式，副发射线圈取消锁死，并开始计时。原边控制器5改变起始PWM信号于控制耦合器7中MOSFET的栅极，此时控制耦合器7处于ON状态，MOS管关断，从而达到主发射线圈并网的目的。当电动汽车离开对应的主发射线圈时，电流信号逐渐减弱为0，控制耦合器7切换到OFF状态，栅极驱动信号为高电平，使MOS管导通，从而使主发射线圈短路，主发射线圈停止供能，此时电动汽车到达副发射线圈，完成同样操作即可实现动态接力充电，整个充电过程需在计时结束前完成。其中，本发明中的原边控制器可由DSP或者FPGA作为核心控制器，原边控制器5、电流传感器和放大滤波电路通过RS485总线或CAN总线进行数据传输。
图2所示是本发明的控制耦合器结构示意图。控制耦合器7由两个金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)Q1、Q2反向串联构成，金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)Q1、Q2分别与整流二极管D1、D2并联。当控制耦合器7处于OFF状态，Q1、Q2的栅极处于高电平状态，Q1、Q2处于导通状态，当输入正弦电压为正值时，电流从Q1、D2流过，使发射线圈8处于短路状态。当输入正弦电压为负值时，电流从Q2、D1流过，发射线圈8依然处于短路状态，从而产生稳定的交流电，以此完成发射线圈8的去耦合。
此外，在工作模式下，需对电动汽车的车速进行限制。当车速较小时，原边控制器5能够达到预期的效果。当汽车速度变化太大时，控制耦合器7切换需要一定的时间完成，工作模式到休眠模式的转换只有在原边控制器5发出指令后执行，因此需要对电动汽车的车速进行调整。若电动汽车不需要充电时，副边控制器13不做操作，副边主动激励10也不会发出电流信号，即使电动汽车(接收模块3)通过发射模块2时，也不会做充电处理。
当发射模块2中驶入新的电动汽车，原边控制器5的计时操作将会刷新，即可实现多辆电动汽车不停车充电操作。
将电动汽车接入互联网中，可以实现多辆电动汽车更精准地充电，同时可不限制速度。在接入互联网中，原边控制器5可以获取电动汽车的各种数据，包括速度大小和位置信息的数据以及电动汽车车载电池的电量数据等。以电动汽车的行驶速度和位置信息作为依据，发射模块2提前接收到动态无线充电单元指令，与电动汽车相邻的控制耦合器7被唤醒进入充电工作状态。在实现多辆电动汽车(在充电道上充电中(以一条充电车道为例)，当后续的电动汽车(接收模块3)随着前一辆进入充电区域时，原来处于工作状态的发射线圈8在没有接收到原边控制器5的休眠工作指令前仍处于充电工作状态，充电工作指令优先级高于休眠工作指令。在系统中，可依据电动汽车速度大小和位置信息的数据来匹配充电功率，达到最佳充电状态。
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 (6)

1.一种分段线圈式电动汽车无线充电系统的控制方法，其特征在于，包括：
充电模式：当电动汽车的接收模块请求无线充电时，副边控制器控制副边主动激励工作在逆变状态，发出主动激励型号；由于大多数充电区域单向行驶，电动汽车会从第一个发射线圈驶入，第一个发射线圈和第二个发射线圈为主发射线圈，当电动汽车经过主发射线圈时，电动汽车的副边主动激励会向发射模块的主发射线圈发射主动激励信号，电动汽车的接收线圈将产生磁场，电动汽车底部的接收线圈和主发射线圈由于电磁感应原理在其回路上会出现感应电流，此电流所产生的磁场会对发射模块的主发射线圈产生作用，交变的磁链会改变发射模块的主发射线圈与控制耦合器之间的回路电流，而主电流感应器能检测到这种电流变化，并将电流信号传输到放大滤波电路中，通过滤波后传递到原边控制器；此时原边控制器将会使整个系统激活为充电模式，副发射线圈取消锁死，并开始计时；原边控制器改变起始PWM信号于控制耦合器中MOSFET的栅极，此时控制耦合器7处于ON状态，MOS管关断，从而达到主发射线圈并网的目的；
休眠模式：当电动汽车离开对应的主发射线圈时，电流信号逐渐减弱为0，控制耦合器切换到OFF状态，栅极驱动信号为高电平，使MOS管导通，从而使主发射线圈短路，主发射线圈停止供能，此时电动汽车到达副发射线圈，完成同样操作即可实现动态接力充电，整个充电过程需在计时结束前完成；其中，原边控制器采用DSP或者FPGA作为核心控制器，原边控制器、电流传感器和放大滤波电路通过RS485总线或CAN总线进行数据传输；
在工作模式下，需对电动汽车的车速进行限制；当车速较小时，原边控制器5能够达到预期的效果；当汽车速度变化太大时，控制耦合器切换需要一定的时间完成，工作模式到休眠模式的转换只有在原边控制器发出指令后执行，因此需要对电动汽车的车速进行调整；若电动汽车不需要充电时，副边控制器不做操作，副边主动激励也不会发出电流信号，即使电动汽车的接收模块通过发射模块时，也不会做充电处理；
当发射模块中驶入新的电动汽车，原边控制器的计时操作将会刷新，即可实现多辆电动汽车不停车充电操作；
将电动汽车接入互联网中，可以实现多辆电动汽车更精准地充电，同时可不限制速度；在接入互联网中，原边控制器可以获取电动汽车的各种数据，包括速度大小和位置信息的数据以及电动汽车车载电池的电量数据；以电动汽车的行驶速度和位置信息作为依据，发射模块提前接收到动态无线充电单元指令，与电动汽车相邻的控制耦合器被唤醒进入充电工作状态；在实现多辆电动汽车，当后续的电动汽车的接收模块随着前一辆进入充电区域时，原来处于工作状态的发射线圈在没有接收到原边控制器的休眠工作指令前仍处于充电工作状态，充电工作指令优先级高于休眠工作指令；在系统中，可依据电动汽车速度大小和位置信息的数据来匹配充电功率，达到最佳充电状态。
2.一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，适用于权利要求1所述的方法，其特征在于，应用于分段式导轨无线充电系统，包括
发射模块：用于提供电能以及控制动态充电接力过程，包括逆变电源及原边电路补偿部分，并联在原边直流母线两端，将直流电变成高频交流电；若干并联在逆变电源及原边电路补偿部分上的发射组件，原边控制器通过放大滤波电路与发射组件连接；
接收模块：用于接收电能以及主动激励充电的开始，包括依次连接的副边主动激励、副边DC/DC变换器、车载电池及负荷单元，以及与副边主动激励连接的接收线圈；副边控制器同时与副边主动激励部分、副边DC/DC变换器和车载电池及负荷单元连接。
3.根据权利要求2所述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，其特征在于，发射组件包括控制耦合器以及发射线圈；电流传感器串联在发射线圈和控制耦合器之间；发射线圈并联在逆变电源及原边电路补偿部分，放大滤波电路同时与电流传感器连接；控制耦合器、发射线圈和电流传感器构成上部闭环回路，并且控制耦合器连接在逆变电源及原边补偿部分构成下部闭环回路；
所述的逆变电源能够供给多组发射线圈电能，发射线圈之间并联连接；接收线圈安置于电动汽车底盘位置，而发射线圈组块放置预设充电道路地面下，并且沿着电动汽车行驶方向竖直排列。
4.根据权利要求2所述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，其特征在于，原边控制器能够接收来自每一个电流传感器采集电流信号并反馈相应的PWM信号，反馈的PWM信号作用于相应的控制耦合器中；副边控制器能够接受用户控制信号，从而控制副边主动激励部分向原边线圈发射主动激励信号。
5.根据权利要求2所述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，其特征在于，仅靠近逆变电源及原边电路补偿部分的两个电流传感器需通过放大滤波电路滤波后传递信号于原边控制器，其余的电流传感器输出信号直接传递到原边控制器；每个电流信号对应相应的PWM信号。
6.根据权利要求2所述的一种分段线圈式电动汽车无线充电系统，其特征在于，靠近逆变电源及原边电路补偿部分的两个电流传感器作为主电流传感器，主电流传感器的信号通过放大滤波电路传递到原边控制器中，能够起到抗干扰的作用；其余的电流传感器作为副电流传感器，同理，对应的线圈为主发射线圈和副发射线圈；其中，若原边控制器未接收来自主电流传感器的电流信号，则无论何时副电流传感器对应的PWM信号不发生变化，及副发射线圈处于锁死状态，从而除去副电流传感器需要处理干扰的操作；原边控制器在接收主电流传感器的电流信号后开始计时，时间结束后副发射线圈恢复锁死，时间长短由原边控制器控制。
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