CN113635789A - 一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，包括安装于汽车内的发射模块、供电导轨、位于供电导轨内部的接收模块以及导轨供电电路；所述发射模块用于对接收模块发射无线能量；所述接收模块用于接收发射模块发射的无线能量，并将接收的信息传递至导轨供电电路；所述导轨供电电路用于对汽车进行供电，本发明所提出的基于磁耦合无线能量传输技术的充电导轨开关系统能够使电动汽车动态充电系统的充电导轨在无车辆通过时处于断电状态，保证了道路的用电安全，而当有处于动态充电状态的车辆经过时，系统可以快速触发开关，导通充电导轨从而为车辆就行充电，该系统对于电动汽车动态充电系统的实施具有重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及车辆充电技术领域，具体是一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统。
背景技术
近年来随着新能源技术的不断发展，以化石燃料为主要动力来源的传统汽车将逐步被新能源汽车所取代。相比于传统内燃机汽车，以电动汽车为主要代表的新能源汽车具有无污染、零排放、运行成本低等特点，因此得到了世界各国的大力支持。然而现有的电动汽车往往存在着续航里程短、充电时间长等问题，导致电动汽车始终无法完全占据汽车市场。
意大利Ansaldo公司设计了一种名为TRAMWAVE的基于自然吸力的轨道车辆供电系统。到列车位于轨道上方时，该系统通过安装在受电靴底部的永磁体与安装在轨道内部的永磁体之间的磁力作用实现充电轨道的导通；当列车驶离时，轨道内部的导通装置会因重力作用下落从而实现充电导轨的断电。
该系统虽然能够完成车辆动态充电下导轨的实时开关，但由于流过轨道开关永磁体的电流为车辆充电的输电电流，电流值往往较大，容易导致永磁体温度过高而与开关端发送熔焊而导致永久性短路，安全隐患较大。
其他的汽车动态检测技术，例如GPS、图像识别等，近年来也得到了一定发展,但由于民用GPS精度有限，而图像识别受外部环境影响较大，因此均无法在短时间内投入实际使用中。相比之下，无线能量传输技术(WPT)因为具有工作状态稳定、不易受外界干扰等特点，近年来在信号检测领域受到了越来越多学者的重视。日本东京大学将无线能量传输技术运用于汽车动态检测当中,提出了一种无传感器的汽车动态检测系统。该系统的主要装置为安装在汽车底部的发射线圈和安装在路面的接收线圈，通过检测由于两线圈相对位置发生变化而引起的接收线圈电流变化来对汽车实时位置进行求解，最终得到车辆的准确位置。Karam Hwang等人在基于WPT的汽车检测技术上提出了ferrite position identification(FPID)system，该系统通过按照一定规律在路面铺设铁氧体，从而制造出规则的检测磁场，当汽车在该路面上通过时，检测磁场会引起接线圈中感应电压的周期性变化，最后通过将感应电压转换成逻辑信号即可得到汽车的实际位置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，包括安装于汽车内的发射模块、供电导轨、位于供电导轨内部的接收模块以及导轨供电电路；
所述发射模块用于对接收模块发射无线能量；
所述接收模块用于接收发射模块发射的无线能量，并将接收的信息传递至导轨供电电路；
所述导轨供电电路用于对汽车进行供电，并对供电导轨进行自动开关。
作为本发明进一步的方案：所述发射模块由车载电源、谐振网络一以及发射线圈组成，所述谐振网络一用于将电路中的电流转变为高频谐振交流电，并通过发射线圈进行无线能量传输。
作为本发明再进一步的方案：所述发射线圈安装于汽车底部充电机械臂的缓冲模块中。
作为本发明再进一步的方案：所述接收模块由铺设在供电导轨中间的接收线圈、谐振网络二、整流滤波模块及电压放大模块组成，所述接收线圈用于与谐振网络二相匹配使正常工作情况下的接收电流频率为接收模块电路的谐振频率，所述整流滤波模块用于将接收到的高频交流电转变为稳定的直流电流，所述电压放大模块用于将整流滤波后的电压按预定倍数进行放大。
作为本发明再进一步的方案：所述导轨供电电路由电网以及时间继电器组成，所述时间继电器用于控制供电导轨与电网的连通。
作为本发明再进一步的方案：所述电压放大模块放大的电压作为开关信号加载于时间继电器上。
作为本发明再进一步的方案：所述时间继电器为开关导通装置，并且所述时间继电器所控制的供电导轨为接收模块对应供电导轨的下一段。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明所提出的基于磁耦合无线能量传输技术的充电导轨开关系统能够使电动汽车动态充电系统的充电导轨在无车辆通过时处于断电状态，保证了道路的用电安全，而当有处于动态充电状态的车辆经过时，系统可以快速触发开关，导通充电导轨从而为车辆就行充电，且本发明中开关响应速度较快，能够满足工作需要，该系统对于电动汽车动态充电系统的实施具有重要的现实意义。
附图说明
图1为一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统的结构示意图。
图2为一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统中LC型磁耦合谐振等效电路图。
图3为一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统中系统传输效率变化关系示意图。
图4为一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统中电压增益变化关系示意图。
图5为一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统中耦合系数变化关系示意图。
图6为一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统中电压增益变化关系示意图。
图7为一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统中系统的理论电路模型图。
图8为一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统中系统开关响应状态示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～8，本发明实施例中，一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，包括安装于汽车内的发射模块、供电导轨、位于供电导轨内部的接收模块以及导轨供电电路；所述发射模块用于对接收模块发射无线能量；所述接收模块用于接收发射模块发射的无线能量，并将接收的信息传递至导轨供电电路；所述导轨供电电路用于对汽车进行供电，并对供电导轨进行自动开关。
所述发射模块由车载电源、谐振网络一以及发射线圈组成，所述谐振网络一用于将电路中的电流转变为高频谐振交流电，并通过发射线圈进行无线能量传输。
所述发射线圈安装于汽车底部充电机械臂的缓冲模块中，用于保障开关信号无线传输的稳定性，保证无线能量传输系统中发射线圈与接收线圈距离足够接近。
所述接收模块由铺设在供电导轨中间的接收线圈、谐振网络二、整流滤波模块及电压放大模块组成，所述接收线圈用于与谐振网络二相匹配使正常工作情况下的接收电流频率为接收模块电路的谐振频率，所述整流滤波模块用于将接收到的高频交流电转变为稳定的直流电流，所述电压放大模块用于将整流滤波后的电压按预定倍数进行放大。
所述导轨供电电路由电网以及时间继电器组成，所述时间继电器用于控制供电导轨与电网的连通，当汽车位于供电导轨上方且通过发射模块进行无线电能传输时，时间继电器可接收到接收模块传递来的开关电压从而导通导轨供电电路，当汽车驶离当前导轨时，时间继电器的开关电压下降从而使开关断开，此时充电导轨不再带电。
所述电压放大模块放大的电压作为开关信号加载于时间继电器上。
所述时间继电器为开关导通装置，并且所述时间继电器所控制的供电导轨为接收模块对应供电导轨的下一段，时间继电器是指当输入(失去)对应信号时，其开关动作需经过设定好的时间后才能实施的一种继电器，在实际应用中，将接收线圈布置于每段轨道的中部，当接收线圈接收到开关信号时，时间继电器立即触发下一段供电导轨的供电电路，经过设定的时间后时间继电器会自动断开电路。
继电器的延时时间T应为：
式中，L为单段充电导轨长度，ν为车辆动态充电状态所允许的最小行驶速度。在本系统中，单段供电导轨的长度设为1m，车辆动态充电状态下的允许速度范围为40-60km/h。
磁耦合无线能量传输系统是一种基于电磁场谐振的高效率无线能量传输技术，最早由美国麻省理工学院研究团队提出,并于2007年完成了原理验证实验。图2为LC型磁耦合谐振等效电路，本系统的其余部分可简化等效电路中的高频输入电源及负载。
其中，V0为高频交流电源输出电压，R0为电源内阻，L1为发射线圈电感，L2为接收线圈电感，R1、R2分别为发射线圈与接收线圈电阻，C1为发射线圈谐振电容，C2为接收线圈谐振电容，R为接收端负载电阻，I1、I2分别为发射端与接收端电流，M为发射线圈与接收线圈之间的互感。
式中，ω为交流电源工作频率，j为虚数单位。
由式(2)可得发射线圈回路电流与接收线圈回路电流之比为：
系统输出效率为：
式(4)中，PR为接收线圈电路中负载消耗功率，PV0为高频交流电源输出功率。
将式(3)代入式(4)中即可得到系统输出效率与互感、交流电频率之间的关系，如式(5)所示：
系统的电压增益为：
发射线圈与接收线圈的耦合系数为：
系统等效电路中各参数如表1所示，其中高频交流电源设为理想电源，即
R0＝0。
表1电路参数
将具体参数代入上述各关系式中，通过MATLAB就行数值分析，得到系统传输效率、电压增益与交流电源工作频率、耦合系数之间的关系如图3、4所示。
由图3可知，当系统交流电频率处于谐振频率，即
时，系统传输效率有最大值，这既是磁耦合无线能量传输的原理，并且系统的传输效率会随耦合系数的增大而增大。
由图4可以观察到，当系统的电压增益会随耦合系数的增大先增加后减小。由于本发明中的供电导轨开关系统是通过无线能量传输原理使电路负载得到一定的负载电压，再通过电压放大模块将负载电压按照预定倍数放大，从而达到时间继电器的触发值，因此要想确定实际工作中电压模块的发大倍数就必须研究实际工况下发射线圈与接收线圈耦合系数的变化情况。
由于本系统的发射线圈安装在充电机械臂的缓冲模块中，且与缓冲模块的外壳相固连，因此在车辆垂向振动与缓冲扭转弹簧的作用下，发射线圈与接收线圈的垂向距离会始终发生变化。当汽车行驶速度为60km/h时，悬架动桡度约为-0.03-0.03m。设当缓冲机构位于振动最低点时，两线圈距离为0.01m,故本系统在工作状态下发射线圈与接收线圈的最大垂向距离为0.07m。
设发射线圈与接收线圈参数相同，在Maxwell 3D仿真软件中按照实际参数搭建双线圈模型。线圈参数如表2所示。
表2线圈参数
| 外径 | 内径 | 导线直径 | 导线间距 | 匝数 |
| 43mm | 20mm | 1mm | 0.15mm | 10 |
然而在实际的应用场景中，为防止线圈产生的电磁场对下方轨道供电电路和充电机械臂导电电路产生影响，需要在发射线圈与接收线圈的外侧安放隔磁片。应用于本系统的隔磁片参数如表3所示。
表3磁隔片参数
| 外径 | 内径 | 厚度 | 材料 |
| 46mm | 5mm | 1mm | 铁氧体 |
在Maxwell 3D中，将两线圈的距离参数初始值设为10mm，步进值设为2.5mm,最大距离值设为70mm。通过仿真可得到加载隔磁片与不加载隔磁片两种情况下，两线圈在10-70mm间隔距离内耦合系数与距离变化之间的大致关系，结果如图5所示。
从仿真结果可以看出，增加磁隔片除了能够排除电磁场对电路的干扰外，在传输距离小于30mm时对系统耦合系数有较明显的提升作用。当传输距离大于30mm时，会出现加载磁隔片的线圈耦合系数略低于不加载磁隔片的线圈耦合系数，这主要是由于磁隔片的加载会阻隔两线圈异侧的磁场，导致两线圈的互感有所降低，尤其当线圈距离较大时，该影响更为明显。
将系统的工作频率设为耦合频率，将仿真得到的耦合系数代入式(6)与式(7)中，即可得到系统电压增益与线圈距离之间的变化关系，如图6所示。
由图5可知，在两线圈距离较近时，隔磁片的增加对于系统电压增益有较明显的促进作用；随着两线圈的距离增大，隔磁片对电压增益的影响将逐渐减小。
根据实际情况，设高频交流电源电压有效值为10V，时间继电器开关触发值为5V。根据Maxwell 3D的仿真结果可知，当两线圈的垂向距离为70mm时，在加载隔磁片情况下，线圈耦合系数为0.0059，电压增益为0.047，为保证在两线圈相隔距离最远时负载电压仍然能够触发继电器，将电压放大大模块的放大倍数设置为20。
根据上述设置的相关参数，在MATLAB/Simulink中建立系统的理论电路模型，如图7所示。
其中，系统交流电频率为耦合频率，互感模型耦合系数为0.0059。
设导轨供电电压为220V，通过对充电导轨电压就行仿真可得时间继电器开关触发响应状态如图8所示。
由仿真结果可得，系统的开关响应时间约为0.28ms。当汽车以动态充电状态下所允许的最低速度行驶时，由式(1)可得，导轨电路导通时间为135ms，开关触发时间仅为导轨工作状态时间的0.2％，因此认为该系统的导轨触发机构具有较快的反应时间，能够满足系统需要。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，其特征在于，包括安装于汽车内的发射模块、供电导轨、位于供电导轨内部的接收模块以及导轨供电电路；
所述发射模块用于对接收模块发射无线能量；
所述接收模块用于接收发射模块发射的无线能量，并将接收的信息传递至导轨供电电路；
所述导轨供电电路用于对汽车进行供电，并对供电导轨进行自动开关。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，其特征在于，所述发射模块由车载电源、谐振网络一以及发射线圈组成，所述谐振网络一用于将电路中的电流转变为高频谐振交流电，并通过发射线圈进行无线能量传输。
3.根据权利要求2所述的一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，其特征在于，所述发射线圈安装于汽车底部充电机械臂的缓冲模块中。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，其特征在于，所述接收模块由铺设在供电导轨中间的接收线圈、谐振网络二、整流滤波模块及电压放大模块组成，所述接收线圈用于与谐振网络二相匹配使正常工作情况下的接收电流频率为接收模块电路的谐振频率，所述整流滤波模块用于将接收到的高频交流电转变为稳定的直流电流，所述电压放大模块用于将整流滤波后的电压按预定倍数进行放大。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，其特征在于，所述导轨供电电路由电网以及时间继电器组成，所述时间继电器用于控制供电导轨与电网的连通。
6.根据权利要求1所述的一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，其特征在于，所述电压放大模块放大的电压作为开关信号加载于时间继电器上。
7.根据权利要求5所述的一种基于无线能量传输技术的充电导轨开关系统，其特征在于，所述时间继电器为开关导通装置，并且所述时间继电器所控制的供电导轨为接收模块对应供电导轨的下一段。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20211112 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |