CN114312381B - 一种电动汽车动态无线能量信号同传系统 - Google Patents

一种电动汽车动态无线能量信号同传系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，具体公开了一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，包括能量信号发射端、切换电路和能量信号接收端。能量信号发射端包括多个分段设置的能量发射线圈和多个信号调制电路。能量信号接收端设有能量接收线圈、信号解调电路及位于能量接收线圈之上的屏蔽金属板。该系统根据能量收发线圈之间的对应关系选择对应的能量发射线圈开启，动态构建能量信号无线同传线路，此时能量发射线圈、能量接收线圈、屏蔽金属板作为信号无线传输通道进行信号传输，同时通过能量收发线圈实现能量的无线传输，无须为信号传输增加额外的耦合机构，最终实现了电动汽车能量与信号的动态并行传输，且能量与信号传输之间相互干扰比较小。

Description

一种电动汽车动态无线能量信号同传系统
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种电动汽车动态无线能量信号同传系统。
背景技术
随着电动汽车的不断普及，充电难问题逐渐显现。目前电动汽车普遍采用接触式充电方式，该充电方式存在着易漏电，接触损耗，机械磨损等弊端，并且电动汽车存在着续航里程短，电池成本高等问题，这些都极大限制了电动汽车的发展与推广。在这种背景下，非接触式传能的无线供电技术展现了其固有的优势，解决了制约电动汽车发展的瓶颈问题。由于单级导轨存在效率低、系统输入容量大等问题，无线供电系统多采用分段导轨的动态供电模式。
目前，相关学者就静态无线供电系统能量与信号并行传输技术已经展开了一些研究。按照能量传输通道与信号传输通道设计的不同，该技术目前主要分为：磁场共享通道式、磁场分离通道式。其中，磁场共享通道式是指能量与信号通过同一对耦合线圈间磁场通道进行传输，该方式的优点是不需要为信号传输额外增加耦合机构，但是缺点也比较明显，即能量传输与信号传输相互干扰较大。磁场分离通道式是指能量和信号通过不同耦合线圈进行传输，由于物理通道的阻隔，该方式下能量传输和信号传输的相互干扰较小，但是额外增加的信号传输机构无疑加大了系统耦合机构设计的复杂度。
目前在电动汽车的动态无线供能中，若需要同时实现信号传输，则基于上述静态无线供电系统能量与信号并行传输技术，容易实现磁场共享通道式、磁场分离通道式的通道设计，但如上所述，这些设计存在干扰较大或增加信号传输机构等弊端。
发明内容
本发明提供一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，解决的技术问题在于：如何在不增加耦合机构的条件下，实现电动汽车能量与信号的动态同传，且使得信号传输与能量传输之间的干扰较小。
为解决以上技术问题，本发明提供一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，包括设于地表的能量信号发射端、切换电路和设于电动汽车上的能量信号接收端；
所述能量信号发射端包括多个能量发射电路和多个信号调制电路，每个所述能量发射电路设有能量发射线圈，多个所述能量发射线圈沿道路方向均匀分段排布，相邻两个所述能量发射线圈之间连接一个所述信号调制电路；
所述能量信号接收端设有能量接收电路及信号解调电路；所述能量接收电路设有能量接收线圈；所述信号解调电路包括顺序连接的带通滤波器、运算放大器和解调模块，还包括位于所述能量接收线圈之上的屏蔽金属板，所述带通滤波器连接所述能量接收线圈及所述屏蔽金属板；
所述切换电路用于动态切换与电动汽车位置相对的相邻2个或3个所述能量发射电路开启；开启的所述能量发射电路与所述能量接收电路构成能量无线传输线路，开启的所述信号调制电路、所述能量发射线圈与所述能量接收线圈、所述信号解调电路构成信号无线传输线路。
优选的，所述能量发射线圈的长度表示为Hp，所述能量接收线圈的长度表示为Hs，则当所述能量接收线圈与相邻2个所述能量发射线圈相对时，所述切换电路控制该相邻2个所述能量发射线圈开启；当所述能量接收线圈与相邻3个所述能量发射线圈相对时，所述切换电路控制该相邻3个所述能量发射线圈开启。
优选的，每个所述能量发射电路还设有顺序连接的直流源、高频逆变器、原边谐振网络，所述原边谐振网络还连接对应的能量发射线圈。
优选的，所述原边谐振网络采用原边并联谐振电容(Cp)。
优选的，所述能量接收电路还设有顺序连接的副边谐振网络、整流滤波电路、负载(RL)，所述副边谐振网络还连接所述能量接收线圈。
优选的，所述副边谐振网络采用副边串联谐振电容(Cs)。
优选的，每个所述信号调制电路包括顺序连接的信号源、功率放大器、调制模块，所述调制模块的两输出端各连接相邻2个所述能量发射线圈的其中一个。
优选的，所述信号解调电路包括顺序连接的带通滤波器、运算放大器和解调模块，所述带通滤波器的两输入端分别连接所述能量接收线圈和所述屏蔽金属板。
优选的，所述信号解调电路还设有连接所述带通滤波器的两输入端的LC调谐电路；所述LC调谐电路包括并联的调谐电感(Ld)和调谐电容(Cd)。
优选的，所述切换电路在每个所述能量发射线圈与对应的所述直流源之间设有控制线路通断的切换开关。
本发明提供的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，根据能量收发线圈之间的对应关系选择对应的能量发射线圈开启，动态构建能量信号无线同传线路，此时能量发射线圈、能量接收线圈、屏蔽金属板作为信号无线传输通道(能量发射线圈与能量接收线圈，能量发射线圈与屏蔽金属板等效为不同电容，通过电容之间的电场进行无线信号传输)进行信号的无线传输，同时通过能量收发线圈实现能量的无线传输，最终实现了电动汽车能量与信号的动态并行传输，并且能量与信号传输之间相互干扰比较小，信号传输通道的存在几乎不影响能量传输。此外，信号无线传输通道由系统固有的结构构成，无须为信号传输增加额外的耦合机构。本系统整体结构简单、明了，成本低廉，并且系统效率较高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统的模块结构图；
图2是本发明实施例提供的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统在状态1时的状态展示图；
图3是本发明实施例提供的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统在状态1时的拓扑图；
图4是本发明实施例提供的图3中数据传输通道的电路拓扑(原电路)及其等效电路图；
图5是本发明实施例提供的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统在状态2时的状态展示图；
图6是本发明实施例提供的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统在状态2时的拓扑图；
图7是本发明实施例提供的图6中数据传输通道的电路拓扑(原电路)及其等效电路图；
图8是本发明实施例提供的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统在状态3时的状态展示图；
图9是本发明实施例提供的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统在状态3时的拓扑图；
图10是本发明实施例提供的图9中数据传输通道的电路拓扑(原电路)及其等效电路图；
图11是本发明实施例提供的能量传输线路的拓扑图；
图12是本发明实施例提供的LC调谐电路的连接图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
为了在不增加耦合机构的条件下，实现电动汽车能量与信号的动态同传，且使得信号传输与能量传输之间的干扰较小，本发明实施例提供一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，如图1所示，包括设于地表(地面上或地面下均可)的能量信号发射端、切换电路和设于电动汽车上的能量信号接收端。
如图1所示，能量信号发射端包括多个即N个能量发射电路(记为能量发射电路1～能量发射电路N)和多个即N-1个信号调制电路(记为信号调制电路1～信号调制电路N-1)，N≥3。每个能量发射电路设有能量发射线圈，多个能量发射线圈沿道路方向均匀分段排布，相邻两个能量发射线圈之间连接一个信号调制电路。每个能量发射电路还设有顺序连接的直流源、高频逆变器、原边谐振网络，原边谐振网络还连接对应的能量发射线圈。每个信号调制电路包括顺序连接的信号源、功率放大器、调制模块，调制模块的两输出端各连接相邻2个能量发射线圈的其中一个。
如图1所示，能量信号接收端设有能量接收电路及信号解调电路。能量接收电路设有能量接收线圈。信号解调电路包括顺序连接的带通滤波器、运算放大器和解调模块，还包括位于能量接收线圈之上的屏蔽金属板(比如铝板)，带通滤波器连接能量接收线圈及屏蔽金属板。能量接收电路还设有顺序连接的副边谐振网络、整流滤波电路、负载(RL)，副边谐振网络还连接能量接收线圈。信号解调电路包括顺序连接的带通滤波器、运算放大器和解调模块，带通滤波器的两输入端分别连接能量接收线圈和屏蔽金属板。
切换电路用于动态切换与电动汽车位置相对的相邻2个或3个能量发射电路开启；开启的能量发射电路与能量接收电路构成能量无线传输线路，开启的信号调制电路、能量发射线圈与能量接收线圈、信号解调电路构成信号无线传输线路。具体的，切换电路在每个能量发射线圈与对应的直流源之间设有控制线路通断的切换开关。
本例优选的，原边谐振网络采用原边并联谐振电容Cp、副边谐振网络采用副边串联谐振电容Cs。
若将能量发射线圈的长度表示为Hp，能量接收线圈的长度表示为Hs，则在实际设计中，一般设计可保证无线充电的高效率持续进行。当能量接收线圈与相邻2个能量发射线圈相对时，切换电路控制该相邻2个能量发射线圈开启；当能量接收线圈与相邻3个能量发射线圈相对时，切换电路控制该相邻3个能量发射线圈开启。
下面以电动汽车行进过程中的三个状态分析能量与信号的动态同传的实现过程。
状态1：如图2所示，接收线圈(即能量接收线圈)与相邻的2个能量发射线圈(发射线圈n、发射线圈n+1)相对时，这两个发射线圈被开启，而其他发射线圈则均处于断开状态，连接发射线圈n、发射线圈n+1的信号调制电路开始工作，此时的电路拓扑表示为图3。图3中，E表示直流源，电感L1、L2与MOS管S1、S2共同组成高频逆变器(推挽式逆变器)，Lp表示各个发射线圈，a、c分别表示发射线圈n、发射线圈n+1，Ls表示接收线圈，b、d分别表示接收线圈、屏蔽金属板，二极管D1、D2、D3、D4构成整流器与滤波电容C共同构成整流滤波电路，Cs1、Cs2、Cs11、Cs22为信号传输线路中的等效电容，其等效过程参考图4。图4的原电路中，US表示高频逆变器逆变输出的交流电压源，Rs表示后级电路被等效为的电阻，C1表示发射线圈n与接收线圈之间的分布电容，C2表示发射线圈n+1与屏蔽金属板之间的分布电容，C11表示发射线圈n与发射线圈n+1之间的分布电容，C22表示接收线圈与屏蔽金属板之间的分布电容，C12表示发射线圈n与屏蔽金属板之间的分布电容，C21表示发射线圈n+1与接收线圈之间的分布电容。原电路中的6个分布电容可等效为图4右边电路并标示在图3中。对等效后的电路模型进行分析，可以看出Cs1和Cs2是提供数据传输路径的主要电容，而Cs11、Cs22则是分流电容，可能会对数据的传输产生一定的影响，经过实验证明其产生的影响比较小。在信号传输时，一般选择的数据载波的频率远大于能量传输的频率，这样既减小了信号传输对能量传输效率的影响，又使得带通滤波器易于设计出来。正是因为数据载波的频率很高，而寄生电容又很小，所以其阻抗很大，这使得数据传输时，信号通道流过的电流很小，相对于能量传输的电流可以忽略不记，保证了能量传输的效率。在能量传输时，通过设计带通滤波器，该滤波器的中心频率远高于电源频率，可以减小信号传输对于能量传输的干扰。
状态2：如图5所示，此时，发射线圈n、n+1、n+2都处于开通状态，为电动汽车充电，相应有两个信号调制电路工作，一个信号调制电路工作时对应的电路拓扑如图6所示。图6中，a1为发射线圈n，a2为发射线圈n+2，b为接收线圈，c为发射线圈n+1，d为接收装置的屏蔽金属板，Cs1、Cs2、Cs3、Cs11、Cs22、Cs33为信号传输线路中的等效电容，其等效过程参考图7，其余部分与图3相同。图7的等效过程与图4相同，区别在于图7针对的是发射线圈n、发射线圈n+2、接收线圈、发射线圈n+1、屏蔽金属板这5个结构之间的分布电容，图7的原电路中，C1表示发射线圈n与接收线圈之间的分布电容，C2表示发射线圈n+1与屏蔽金属板之间的分布电容，C3表示发射线圈n+2与接收线圈间分布电容，其余结构间(除发射线圈n与发射线圈n+2间)的分布电容则表示为C13、C31、C32、C23、C33、C22。原电路中的9个分布电容可等效为图7右边电路并标示在图6中。对等效后的电路模型进行分析，可以看出Cs1、Cs2和Cs3是提供数据传输路径的主要电容，而Cs33、Cs22、Cs11则是分流电容，可能会对数据的传输产生一定的影响，经过实验证明其产生的影响比较小。
状态3：如图8所示，此时，发射线圈n+1、n+2都处于开通状态，为电动汽车充电，相应有1个信号调制电路工作，对应的电路拓扑如图9所示。图9中，a为发射线圈n+2，b为接收线圈，c为发射线圈n+1，d为接收装置的屏蔽金属板，Cs2、Cs3、Cs22、Cs33为信号传输线路中的等效电容，其等效过程参考图10，其余部分与图3相同。图10的等效过程与图4相同，区别在于图10针对的是发射线圈n+2、接收线圈、发射线圈n+1、屏蔽金属板这4个结构之间的分布电容，图10的原电路中，C2表示发射线圈n+1与屏蔽金属板之间的分布电容，C3表示发射线圈n+2与接收线圈间分布电容，其余结构间的分布电容则表示为C32、C23、C33、C22。原电路中的6个分布电容可等效为图10右边电路并标示在图9中。对等效后的电路模型进行分析，可以看出Cs3和Cs2是提供数据传输路径的主要电容，而Cs33、Cs22则是分流电容，可能会对数据的传输产生一定的影响，经过实验证明其产生的影响比较小。
而无线能量传输线路无论在什么状态均可表示为图11，这里Lp表示开启的每一个能量发射线圈。
对上述的状态说明进行分析，可发现状态1与状态3的数据传输过程实际是相同的，可看作一种状态。在电动汽车的行进过程中，状态1(或状态3)与状态2不断切换，能量无线传输线路与信号无线传输线路被动态开启，能够持续不断地传输能量和数据，实现了电动汽车能量与信号的动态并行传输。
需要说明的是，每个能量发射电路的直流源一般为同一个直流源，如图2。而各个信号调制电路的信号源则根据具体场景和应用需求设定为相同或不同。信号解调电路还设有连接带通滤波器的两输入端的LC调谐电路，以状态1为例，如图12所示，LC调谐电路包括并联的调谐电感Ld和调谐电容Cd，最大化输出载波Vo，Vd表示输入载波，Req表示整流滤波电路和负载被等效为的等效电阻，Rd表示带通滤波器的输入电阻。
综上，本发明实施例提供了一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，根据能量收发线圈之间的对应关系选择对应的能量发射线圈开启，动态构建能量信号无线同传线路，此时能量发射线圈、能量接收线圈、屏蔽金属板作为信号无线传输通道(能量发射线圈与能量接收线圈，能量发射线圈与屏蔽金属板等效为不同电容，通过电容之间的电场进行无线信号传输)进行信号的无线传输，同时通过能量收发线圈实现能量的无线传输，最终实现了电动汽车能量与信号的动态并行传输，并且能量与信号传输之间相互干扰比较小，信号传输通道的存在几乎不影响能量传输。此外，信号无线传输通道由系统固有的结构构成，无须为信号传输增加额外的耦合机构。本系统整体结构简单、明了，成本低廉，并且系统效率较高。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，其特征在于，包括设于地表的能量信号发射端、切换电路和设于电动汽车上的能量信号接收端；
所述能量信号发射端包括多个能量发射电路和多个信号调制电路，每个所述能量发射电路设有能量发射线圈，多个所述能量发射线圈沿道路方向均匀分段排布，相邻两个所述能量发射线圈之间连接一个所述信号调制电路；
所述能量信号接收端设有能量接收电路及信号解调电路；所述能量接收电路设有能量接收线圈；所述信号解调电路包括顺序连接的带通滤波器、运算放大器和解调模块，还包括位于所述能量接收线圈之上的屏蔽金属板，所述带通滤波器连接所述能量接收线圈及所述屏蔽金属板；
所述切换电路用于动态切换与电动汽车位置相对的相邻2个或3个所述能量发射电路开启；开启的所述能量发射电路与所述能量接收电路构成能量无线传输线路，开启的所述信号调制电路、所述能量发射线圈与所述能量接收线圈、所述信号解调电路构成信号无线传输线路；
所述能量发射线圈的长度表示为Hp，所述能量接收线圈的长度表示为Hs，则当所述能量接收线圈与相邻2个所述能量发射线圈相对时，所述切换电路控制该相邻2个所述能量发射线圈开启；当所述能量接收线圈与相邻3个所述能量发射线圈相对时，所述切换电路控制该相邻3个所述能量发射线圈开启。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，其特征在于：每个所述能量发射电路还设有顺序连接的直流源、高频逆变器、原边谐振网络，所述原边谐振网络还连接对应的能量发射线圈。
3.根据权利要求2所述的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，其特征在于：所述原边谐振网络采用原边并联谐振电容(Cp)。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，其特征在于：所述能量接收电路还设有顺序连接的副边谐振网络、整流滤波电路、负载(RL)，所述副边谐振网络还连接所述能量接收线圈。
5.根据权利要求4所述的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，其特征在于：所述副边谐振网络采用副边串联谐振电容(Cs)。
6.根据权利要求1所述的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，其特征在于：每个所述信号调制电路包括顺序连接的信号源、功率放大器、调制模块，所述调制模块的两输出端各连接相邻2个所述能量发射线圈的其中一个。
7.根据权利要求6所述的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，其特征在于：所述信号解调电路包括顺序连接的带通滤波器、运算放大器和解调模块，所述带通滤波器的两输入端分别连接所述能量接收线圈和所述屏蔽金属板。
8.根据权利要求7所述的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，其特征在于：所述信号解调电路还设有连接所述带通滤波器的两输入端的LC调谐电路；所述LC调谐电路包括并联的调谐电感(Ld)和调谐电容(Cd)。
9.根据权利要求2所述的一种电动汽车动态无线能量信号同传系统，其特征在于：所述切换电路在每个所述能量发射线圈与对应的所述直流源之间设有控制线路通断的切换开关。
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