CN114211976A - 一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统及方法，包括能量发射系统和能量接收系统，能量发射系统包括直流激励源、全桥逆变网络、若干个发射线圈以及补偿线圈，依次铺设在路面下方；能量接收系统包括接收线圈、副边谐振补偿电容、整流滤波电路；N组发射导轨并联连接在全桥逆变网络的输出端，每一组发射导轨含有发射线圈、原边谐振电容、交流供电开关，并且在每个发射导轨组前安装设有位置检测传感器。本发明通过在相邻发射导轨组之间连接一个切换开关以及补偿线圈，通过位置检测传感器反馈给切换开关的信号，使原边谐振补偿网络的谐振电容与补偿线圈发生新谐振，解决了导轨切换时副边拾取端充电电压不稳问题。

Description

一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统及方法
技术领域
本发明属于MCR-WPT(magnetic coupled resonant wireless power transfer)，磁耦合谐振式无线电能传输)技术领域，涉及一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统及方法。
背景技术
随着能源的短缺和环境的恶化，新能源技术的开发和利用已然成为研究热点。新能源技术在交通领域的应用，尤其是电动汽车，其节能环保的特点越来越受人们的关注。然而电动汽车技术的发展遇到了瓶颈，其中动力电池充电技术作为电动汽车开发的关键技术，对电动汽车的发展和推广有着至关重要的作用。传统电动汽车充电方式为有线充电(插电式)，由于受到电气接口及充电桩数量限制，同一时间内只能为一台或几台电动汽车进行充电，限制了电动汽车的大面积推广，无线充电技术的出现可有效解决这类问题。
电动汽车无线充电方式分为静态无线充电和动态无线充电，电动汽车静态无线充电一般是在车辆停在某个特定的区域内才能工作，电动汽车受制于电池容量的问题，每一次车辆通过无线充电段补充的能量并不支持电动汽车远距离行驶。针对静态无线充电技术的问题，提出了电动汽车动态无线充电技术，该技术使得车辆在行驶的过程中获得所需的电能，使得车辆的续航能力大大提升。
电动汽车动态无线充电技术的能量发射导轨可分为集中式和分段式，集中式电动汽车无线充电系统仅有单个发射导轨，这种系统由于导轨线圈自感和电阻都很大，导致系统效率低、系统不稳定等多方面问题。分段式导轨电动汽车无线充电系统是对交流供电导轨进行多个分段，是多个发射线圈在电动汽车行驶的路面下一次排列组成的分段发射导轨，其在导轨切换控制方面比较复杂。其优点在于系统效率会提升很多，高电磁干扰问题也大大降低。
现阶段铺设在路基下的方式通常采用的是分段式发射导轨，其原边发射导轨数量多，各自都有自己简易的控制系统。但是电动汽车在铺设有无线充电系统段路面上行驶的时候，原边发射线圈切换过程中，副边拾取电压会有较大的下降，导致电动汽车动态行驶过程中充电电压不稳定。原因是分段发射导轨组中每一个原边谐振网络开始工作时，必须有一个软启动过程，其目的是保护原边侧系统，在导轨切换后的软启动保护期间，原边系统参数值不能瞬时达到目标值，原边系统不能够及时传输所需电能，副边同样依靠储能电容来进行交流供电给电动汽车提供动力，导致副边侧交流供电电压持续下降。因此，副边侧拾取电压的波动问题，是由原边系统能量传输不连续产生的。
发明内容
本发明的目的是针对现有电动汽车动态无线充电时发射线圈切换过程中副边拾取充电电压不稳问题，提出一种在发射导轨组之间连接切换开关以及补偿线圈结构，以实现原边侧系统的能量连续使用，副边能量拾取端充电电压稳定。
为了实现上述目的，本发明采用的方案是：一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统。该系统含有能量发射系统和能量接收系统；所述能量发射系统包括直流激励源、全桥逆变网络、发射导轨组、补偿线圈、切换开关；所述发射导轨组含有交流供电开关、发射线圈、谐振电容，发射导轨组并联连接在全桥逆变网络的输出端；所述直流激励源给发射导轨组提供电能；所述全桥逆变网络用于实现电压调节与高频变换，系统采集来自位置检测传感器的反馈信号给切换开关，判断交流供电开关与切换开关的闭合与关断功能。其能量接收系统设置有接收线圈、副边谐振补偿电容、整流滤波电路；所述副边接收线圈与谐振电容用于实现原边与副边能量的接收，接收的电能通过所述的整流滤波电路后续处理为电动汽车充电。
上述方案中，所述发射导轨组中，第i组的发射线圈Li(i＝1,2,...,N)与谐振电容Ci(i＝1,2,...N)构成原边串联谐振，同时，发射线圈切换过程中第i组的谐振电容Ci(i＝1,2,...N)与补偿线圈Qi(i＝1,2,...,N)构成串联谐振。
上述方案中，发射导轨组中的发射线圈与连接在导轨组之间的补偿线圈形状设置为矩形线圈，且两个线圈依次排列放置。
上述方案中，在相邻发射导轨组之间连接一个切换开关和一个补偿线圈，且每一个补偿线圈与发射线圈之间的参数值设置一样。由于发射导轨谐振网络切换后需要马上对谐振电容中的能量进行释放，为了避免上一级发射导轨中谐振电容Ci(i＝1,2,...,N)能量的损耗，将上一级发射导轨中谐振电容Ci(i＝1,2,...,N)与补偿线圈串联形成一个新的谐振补偿网络，使得电动汽车收发端在能量传递过程中不会出现断续。
上述方案中，N组发射导轨中的发射线圈与补偿线圈沿电动汽车行驶方向依次铺设在路面下方，接收线圈安装在电动汽车底盘。
根据上述的一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统，本发明还提出了一种无线充电方法：
电动汽车行驶在铺设有所述无线充电系统的道路上，位置检测传感器检测到电动汽车到来，检测的反馈信号对切换开关与交流供电开关进行相应的控制。开关切换如图4(a)所示，属于系统切换前，安装在电动汽车底盘的接收线圈LS行驶至发射线圈L1位置，首先检测到的信号反馈给交流供电开关S1使其闭合,原边发射线圈L1与副边接收线圈LS进行线圈之间的耦合，实现原副边能量的传递，其余开关保持断开状态；电动汽车继续行驶时，原边位置检测传感器检测到车辆的到来，同时需要对原边发射线圈L1切换到下一个线圈，为了避免谐振网络中谐振电容C1能量损失，闭合切换开关SP1与下一级发射导轨组中的交流供电开关S2，同时断开前一级发射导轨组中的交流供电开关S1，两个相邻发射导轨组之间的补偿线圈Q1与前一级中谐振网络中谐振电容C1形成新的谐振网络，并且与副边接收线圈LS进行能量的变换，发射线圈L2与谐振电容C2发生谐振，等待电动汽车到来时进行电能的变换，开关切换图如图4(b)所示，此时属于系统切换后，安装在电动汽车底盘的接收线圈LS行驶至补偿线圈Q1位置。
本发明的有益效果为：
(1)该电动汽车无线充电系统采用了非接触式高频谐振技术，通过位置检测信号反馈给交流供电开关与切换开关进行相应的控制，达到前一级发射导轨中谐振电容与补偿线圈形成新的串联谐振，实现了能量的接力，解决了由于导轨切换时拾取电压不稳、交流供电品质下降，不能满足电动汽车动态充电需求的问题。
(2)由于使谐振电容Ci(i＝1,2,...,N)在切换后重新与补偿线圈Qi(i＝1,2,...,N)组成新的谐振腔，谐振电容Ci(i＝1,2,...,N)中的能量得到重新利用，从能量消耗的角度可以减少电能的浪费。
附图说明
图1为本发明一个实施案例中SS(串-串)型磁共振式无线电能系统拓扑结构；
图2为本发明实施案例中SS型拓扑结构等效电路图；
图3为本发明一个实施案例的分段式补偿线圈电动汽车动态无线电能传输系统结构框图；
图4为本发明实施案例中分段发射导轨组局部切换的示意图；
图5为本发明实施案例中发射导轨切换前与切换后的电流波形；
图6为本发明实施案例中副边拾取电压波形图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。通过以下特定的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书阐述的内容，了解本发明的其它优点。本发明还可以通过其它不同的具体实施方式加以应用。需要说明的是，以下实施案例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互结合。
实施例仅为示意说明，并非实物图，为了更好的说明本发明中的实施例，其中存在部件放大、缩小，并不代表产品的具体尺寸。
图1所示为SS(串-串)型磁共振式无线电能系统拓扑结构，由于发射导轨切换前与切换后的拓扑结构都是属于SS型拓扑结构，系统选用SS补偿拓扑结构是由于其对于原副边线圈耦合系数k不敏感且不受负载变化的影响等特点，适合于动态电能传输系统。
图2所示为SS型拓扑结构等效电路图，列写出基尔霍夫电压定律方程，得到方程组如下：
Figure BDA0003417398750000041
式中US为逆变得到的等效电压源；M为发射线圈Lp与接收线圈Ls之间的互感；w为系统的谐振频率。I1、IL分别为流经发射线圈Lp和接收线圈Ls的电流。
通过式(1)可求得发射和接收电路电流
Figure BDA0003417398750000042
分别为：
Figure BDA0003417398750000043
其中
Figure BDA0003417398750000051
分别为一次侧等效阻抗和二次侧等效阻抗。在电路中为了减小无功功率、提高系统的效率，应使系统的输入阻抗最小也就是使其虚部为零，令
Figure BDA0003417398750000052
其谐振频率满足
Figure BDA0003417398750000053
同时将原边等效电阻R1与副边等效电阻R2看成零，代入式(2)中，可得系统发射导轨切换前与切换后一次侧的电流为：
Figure BDA0003417398750000054
式中RL为负载等效电阻。
图3是一种分段式补偿线圈电动汽车无线充电系统框图，包括依次连接的直流激励源1、全桥逆变网络2、N组原边发射导轨组3以及其中切换开关、补偿线圈、位置检测传感器5、副边侧补偿电路4、整理滤波网络6以及电动汽车装置7，直流激励源1连接到全桥逆变网络2上并且产生系统所需频率的交流电,N组发射导轨组3并联连接在全桥逆变网络2的输出端，从而输出稳定的电能，原边与副边经过耦合实现无线电能的传输，原边侧全桥逆变网络2把直流电Edc逆变成系统所需频率的交流电US。所述N组原边发射导轨组3中每一组都含有发射线圈、谐振电容以及交流供电开关，所述补偿线圈与切换开关连接在相邻的发射导轨组之间，所述副边接收线圈与副边谐振电容形成谐振网络并且用于副边系统能量的接收，所述整流滤波网络6是由整流电路、滤波电路组成，用于处理接收的电能为电动汽车持续供电。
如图4所示是分段发射导轨局部切换时的无线充电方法示意图，电动汽车行驶在铺设有无线充电系统的道路上，位置检测传感器检测到电动汽车到来，检测的反馈信号对切换开关与交流供电开关进行相应的控制。开关切换如图4(a)所示，属于系统切换前，安装在电动汽车底盘的接收线圈LS行驶至发射线圈L1位置，此时位置检测传感器已检测到车辆的到来，首先检测到的信号经过系统反馈给交流供电开关S1使其闭合,原边发射线圈L1与副边接收线圈LS进行线圈之间的耦合，实现原副边能量的传递，切换开关SP1与交流供电开关S2此时处于断开状态。开关切换图如图4(b)所示，此时属于系统切换后，安装在电动汽车底盘的接收线圈LS行驶至补偿线圈Q1位置，当电动汽车继续行驶时，原边位置检测传感器检测到车辆的到来，原边发射线圈L1切换到下一个发射线圈L2过程中，为了避免谐振网络中谐振电容C1能量损失，闭合切换开关SP1与下一级发射导轨组中的交流供电开关S2，同时断开前一级发射导轨组中的交流供电开关S1，两个相邻发射导轨组之间的补偿线圈Q1与前一级中谐振网络中谐振电容C1形成新的谐振网络，并且与副边接收线圈LS进行能量的变换，发射线圈L2与谐振电容C2发生谐振，等待电动汽车到来进行电能的变换。
通过MAXWELL/SIUMLINK软件对电路模型进行搭建，搭建针对原边发射线圈L1与补偿线圈Q1两个线圈在切换的时候进行仿真验证，其各个部件设置的参数值如下：直流激励源Edc＝70V、原边发射线圈自感值L1＝115μH、原边谐振电容值C1＝10.88nF、原边谐振电容值C2＝10.88nF、补偿线圈自感值Q1＝115μH、副边接收线圈自感值LS＝75μH、副边谐振电容值CS＝17.356nF，电动汽车部分的负载参数用阻值为15Ω电阻表示，其流过发射线圈L1电流与流过补偿线圈Q1电流波形图如图5所示，从图5中可知，原边发射线圈L1在切换到补偿线圈Q1过程中，系统在切换前其值保持在17A左右，由于交流供电开关断开，所以切换后电流保持在零左右，补偿线圈Q1在切换前由于切换开关是断开，所以电流值为零，切换后电流值保持17A左右，从切换电流仿真值可看出，系统切换运行平稳。
图6是系统在切换前与切换后副边输出电压波形仿真图，结合图5、图6可知，在发射线圈切换到补偿线圈的电流的仿真过程中，在t＝0.5s时刻切换，副边输出电压保持在64V左右，并且在切换后的瞬间没有明显的下降，仿真结果与理论分析相符。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统，其特征在于，包括能量发射系统和能量接收系统；所述能量发射系统包括直流激励源、全桥逆变网络、发射导轨组、补偿线圈、切换开关、位置检测装置；所述发射导轨组含有交流供电开关、发射线圈、谐振电容，发射导轨组并联连接在全桥逆变网络的输出端；所述直流激励源给发射导轨组提供电能；所述全桥逆变网络用于实现电压调节与高频变换；
其能量接收系统设置有接收线圈、副边谐振补偿电容、整流滤波电路；所述副边接收线圈与谐振电容用于实现原边与副边能量的接收，接收的电能通过所述的整流滤波电路后续处理为电动汽车充电；
所述位置检测装置的信号反馈给切换开关，用于控制交流供电开关与切换开关的闭合与关断，使原边谐振补偿网络的谐振电容与补偿线圈发生新谐振，为电动汽车持续供电，实现原边谐振电容中存储的能量连续使用。
2.根据权利要求1所述的一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统，其特征在于，所述位置检测传感器安装在每个发射导轨组前。
3.根据权利要求1所述的一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统，其特征在于，所述发射导轨组中，第i组的发射线圈Li(i＝1,2,...,N)与谐振电容Ci(i＝1,2,...N)构成原边串联谐振，同时，发射线圈切换过程中第i组的谐振电容Ci(i＝1,2,...N)与补偿线圈Qi(i＝1,2,...,N)构成串联谐振。
4.根据权利要求1所述的一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统，其特征在于，所述发射导轨组中的发射线圈与连接在导轨组之间的补偿线圈形状设置为矩形线圈，且两个线圈依次排列放置。
5.根据权利要求1所述的一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统，其特征在于，在相邻发射导轨组之间连接一个切换开关和一个补偿线圈，且每一个补偿线圈与发射线圈的参数值相同；在发射导轨谐振网络切换后，将上一级发射导轨中谐振电容Ci(i＝1,2,...,N)与补偿线圈串联立即形成一个新的谐振补偿网络，释放谐振电容中的能量，使得电动汽车收发端在能量传递过程中不会出现断续。
6.根据权利要求1所述的一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统，其特征在于，N组发射导轨中的发射线圈与补偿线圈依次铺设在路面下方，接收线圈安装在电动汽车底盘。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统，其特征在于，所述无线充电系统可以应用于SS(串-串)型磁共振式无线电能系统，此时，列写系统的电学方程如下：
Figure FDA0003417398740000021
式中US为逆变得到的等效电压源；M为发射线圈Lp与接收线圈Ls之间的互感；w为系统的谐振频率。I1、IL分别为流经发射线圈Lp和接收线圈Ls的电流。
通过式(1)可求得发射和接收电路电流
Figure FDA0003417398740000022
分别为：
Figure FDA0003417398740000023
其中
Figure FDA0003417398740000024
分别为一次侧等效阻抗和二次侧等效阻抗；在电路中为了减小无功功率、提高系统的效率，使系统的输入阻抗最小，即使阻抗的虚部为零，令
Figure FDA0003417398740000025
其谐振频率满足
Figure FDA0003417398740000026
同时将原边等效电阻R1与副边等效电阻R2看成零，代入式(2)中，可得系统发射导轨切换前与切换后一次侧的电流为：
Figure FDA0003417398740000027
式中RL为负载等效电阻。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种分段式补偿线圈电动汽车动态无线充电系统的无线充电方法，其特征在于，电动汽车行驶在铺设有所述无线充电系统的道路上，位置检测传感器检测到电动汽车到来，检测的反馈信号对切换开关与交流供电开关进行相应的控制，首先检测到的信号反馈给交流供电开关S1使其闭合,原边发射线圈L1与副边接收线圈LS进行线圈之间的耦合，实现原副边能量的传递，其余开关保持断开状态；电动汽车继续行驶时，原边位置检测传感器检测到车辆的到来，同时需要对原边发射线圈L1切换到下一个线圈，为了避免谐振网络中谐振电容C1能量损失，闭合切换开关SP1与下一级发射导轨组中的交流供电开关S2，同时断开前一级发射导轨组中的交流供电开关S1，两个相邻发射导轨组之间的补偿线圈Q1与前一级中谐振网络中谐振电容C1形成新的谐振网络，并且与副边接收线圈LS进行能量的变换，发射线圈L2与谐振电容C2发生谐振，等待电动汽车到来时进行电能的变换，此时属于系统切换后，安装在电动汽车底盘的接收线圈LS行驶至补偿线圈Q1位置。
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