CN102611204A - 一种具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车的无线供电装置，在结合“日”字型导线铺设方式的前提下，提出了通过伺服机构驱动次级线圈（pick-up线圈）的电动汽车无线供电装置，能够很好地解决车辆横向偏移时功率迅速下降的问题。当车辆偏离道路中线时，伺服机构可以利用多个空心传感线圈的输入计算出地面初级线圈的中间导线的位置，并据此移动次级线圈，使次级线圈处在地面初级线圈的中间导线的上方，因此可保证松散耦合变压器的初次级间耦合系数和互感没有太大变化，进而保证无线供电的功率没有太大变化，提高传输效率，使传输能量最大化。

Description

一种具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置

技术领域

本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种通过驱动次级线圈以保证车辆横向移动时传输功率基本不变的无线供电装置。

背景技术

目前，新能源在世界各地都得到了广泛的重视，新能源应用的一个重要场合就是电动汽车，电动汽车使用电能而非汽油，本身不排放污染大气的有害气体，电能则可来源于光能、风能、潮汐、地热等多种清洁能源，并且电能相对燃料油来说价格更为低廉，所以电动汽车具有广阔的发展前景。但是蓄电池技术制约了电动汽车的发展，现有蓄电池有成本高（如果采取换电模式成本更加高昂）、续航能力差、快速充电显著影响电池寿命等问题。这些问题仍在研究之中，尚未得到很好的解决。而且在短期内也难以取得突破性的进展。为此，多个大学和科研机构试图实现让电动汽车在行驶中获得电力。其中Auckland大学起步最早，他们在上世纪90年代就已经开始这方面的研究，采用的技术主要为感应能量传输技术（Inductive Power Transfer），这种技术通过高频磁场以无线方式传递能量，因而可以给电动汽车在行驶中提供电力。

附图1是现有技术的示意图，中国专利申请号为：“201110250742.6”的申请文件中介绍了地面电路用来把市电转换为10-50kHz的高频交流电的原理。地面电路可以采取多种形式，例如PWM变换，全桥/半桥电路或ZVS软开关、谐振变换器等。地面长导线和车载拾取装置(pick-up)则分别构成松散耦合变压器的初级和次级。能量以高频磁场的形式通过高频变压器耦合到次级线圈，整流后即可给车载电动机提供动力。

目前感应能量传输存在的主要问题是，当车辆发生横向偏移，离开道路中线后，获取到的能量就会迅速减少。最初的设计方案在横向偏移±100mm时能量就会迅速衰减到零，因而无法投入实用。为此，Auckland先后提出过多相方案、单相重复铺设方案等解决方法，韩国也提出过在道路中线铺设磁性材料的方案，以扩大横向允许范围。但是这些方案又会带来电路复杂、成本高、地面铺设的磁性材料容易损坏等新问题。

在最近的文献（A Study of Sectional Tracks in Roadway Inductive Power Transfer System,Wei Zhang; Siu-Chung Wong; Tse, C.K.; Qianhong Chen;Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2011 IEEE Digital Object Identifier: 10.1109/ECCE.2011.6063855 Publication Year: 2011 , Page(s): 822 - 826）中，出现了一种新的地面初级线圈铺设方式，即“日”字型导线，如图2所示为这种地面线圈铺设方式的俯视图。该文献主要讨论了新铺设方式在提高效率方面带来的好处。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置，能够保证车辆横向偏移时的传输功率最佳，进而保证无线供电的功率没有太大变化。

本发明采用下述技术方案：一种具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置，包括地面电路及变压器初级线圈、车载磁性材料板、变压器次级线圈、和车载电路，地面电路埋于地下，其输入端与电网连接，输出端与变压器初级线圈连接；变压器次级线圈设置在车载磁性材料板上，变压器次级线圈与车载电路的输入端连接，车载电路的输出端与电动汽车的电源供电端连接，其特征在于：所述的变压器初级线圈为“日”字型导线，还包括次级线圈驱动装置，次级线圈驱动装置的输出端连接次级线圈，使次级线圈在车载磁性材料板上滑动，使次级线圈和“日”字型导线的中心导线的距离最小。

所述的次级线圈驱动装置驱动次级线圈滑动，使其保持在变压器初级线圈的中心导线的正上方。

所述的次级线圈驱动装置为伺服机构，伺服机构包括空心传感线圈、中央控制单元与步进电机，空心传感线圈设置在车载磁性材料板周围，空心传感线圈的信号输出端通过信号处理电路连接中央控制单元的信号输入端，中央控制单元的信号输出端连接步进电机，步进电机的输出轴通过转动转换平动装置连接次级线圈，使次级线圈在车载磁性材料板上滑动。

所述的空心传感线圈通过支架固定在车身上。

所述的空心传感线圈为七个，七个空心传感线圈从车载磁性材料板中心向两边对称布置。

所述的七个空心传感线圈间隔25cm，横向布置在车载磁性材料板前方。

所述的次级线圈集中绕设在车载磁性材料板的中间。

本发明在结合“日”字型导线铺设方式的前提下，提出了通过伺服机构驱动次级线圈（pick-up线圈）的电动汽车无线供电装置，能够很好地解决车辆横向偏移时功率迅速下降的问题。当车辆偏离道路中线时，伺服机构可以利用多个空心传感线圈计算出地面初级线圈的中间导线的位置，并据此移动次级线圈，使次级线圈处在地面初级线圈的中间导线的上方，因此可保证松散耦合变压器的初次级间耦合系数和互感没有太大变化，进而保证无线供电的功率没有太大变化，提高传输效率，使传输能量最大化。该发明不需要多相电路或重复铺设导线，也不需要在地面铺设磁性材料，因而成本更低，性价比更高；这种地面初级线圈铺设方式在与本专利提出的方法结合时，还可很好的解决车辆横向偏移时功率迅速下降的问题。而且，这种方式还可显著提高初次级间的距离（由10厘米左右提高到30厘米左右），基本满足汽车底盘高度的要求，对投入实用也很有帮助。

附图说明

图1为现有技术的原理图；

图2为“日”字型导线铺设方式的俯视图；

图3为本发明中中央控制单元与次级线圈驱动装置的电路原理示意图；

图4为空心传感线圈的设置位置图；

图5为空心传感线圈测量磁场强度的原理图；

图6为初次级间互感随车辆偏离中间导线的变化情况图。

具体实施方式

下面详细解释本发明各部分的工作原理：

如图2所示，在任何时刻，中间导线内的电流方向和道路两侧返回导线内的电流方向都是相反的。这种铺设方式具有下面两个优点：

一、由于流过相反方向电流的导线距离比较远，中间导线在导线上面产生的横向磁场被相邻导线削弱的程度就有所减轻。这意味着，次级线圈的横向活动范围可以扩大，而且允许的初次级间隙也更大。

二、中间导线形成的横向磁场在道路中线±1m宽度范围内仅有一个峰值，这对通过空心传感线圈计算磁场分布和中间导线位置非常有利。

如图3、图4所示，所示，本发明通过伺服机构驱动次级线圈的电动汽车无线供电装置，包括地面电路及“日”字型导线铺设的地面初级线圈、车载磁性材料板1（铁氧体、非晶合金或坡莫合金）、次级线圈2、伺服机构和车载电路，地面电路埋于地下，其输入端与电网连接，输出端与“日”字型初级线圈连接；变压器次级线圈2设置在车载磁性材料板1上，次级线圈2与车载电路的输入端连接，车载电路的输出端与电动汽车的电源供电端连接。伺服机构包括空心传感线圈3、中央控制单元（单片机）、步进电机M。本实施例中有七个空心传感线圈，所述的空心传感线圈3设置在车载磁性材料板1的前方，距离车载磁性材料板1一定距离横向排布安装，从车载磁性材料板1的中心向两边对称布置；七个空心传感线圈3固定在支架上，支架固定在车身上。空心传感线圈3也可设置在车载磁性材料板1的后方，空心传感线圈3的信号输出端通过信号处理电路连接中央控制单元的信号输入端，信号处理电路是完成空心传感线圈感应出的信号的整流、放大滤波和A/D转换，为成熟的现有技术；步进电机M的信号控制端连接中央控制单元的信号输出端，步进电机M的输出轴连接转动转换平动装置（通过滚珠丝杠实现），转动转换平动装置连接次级线圈2，使次级线圈2在车载磁性材料板1上滑动。车载磁性材料板1安装于汽车底盘下，车载磁性材料板应在满足汽车结构要求的前提下尽可能宽，尽可能长，推荐的宽度数值为1.4～1.6m，长度数值不少于60cm。所述的次级线圈2应集中绕设在车载磁性材料板上，绕设松紧度满足在车载磁性材料板上滑动的要求，次级线圈宽度尽可能窄，这样才能提高耦合系数和互感。

本发明的工作原理如下所述：

对图2所示的地面导线布置，如图5所示，如果在其上某个高度h放置空心线圈测量横向磁场大小，且空心线圈距离中间导线距离为x，则空心线圈测量到的横向磁场大小可以用下式来计算得到：

（1）

公式中，I为地面中心导线的电流强度，a为中心导线到两边导线的距离， 

为磁导率，（

为中间导线的横向磁场、

为右边导线的横向磁场、

为左边导线的横向磁场）。

根据上面公式，可以计算得到距离中心导线±1m范围内的横向磁场强度，这个磁场强度分布峰谷差别比较明显，而且在横向上也有一定广度。因此可以通过在横向布置多个线圈检测横向磁场，来判断地面中心导线位置。本发明使用间隔25cm，横向布置的7个空心传感线圈作为传感器，由空心传感线圈感应出的信号可以间接得到此处的磁场强度。

中央控制单元得到七个空心传感线圈所在位置的磁场强度后，再对公式（1）描述的Bh曲线进行曲线拟合，就可以得到地面中心导线位置。中央控制单元得到地面初级线圈的中心导线的位置后，进而给步进电机发出指令，使次级线圈移动到相应的位置，以确保次级线圈位于地面中心导线正上方。

通过上述步骤，把次级线圈保持在地面中心导线上方，可以在车辆偏离道路中线（与中心导线为同一个位置）时保持互感基本不变。附图6为磁性材料板距离地面导线高度间隙30cm，磁性材料板宽1.4m,长0.6m，地面导线每段长4m，互感随车辆偏离中线的变化情况，横轴为车辆偏离道路中线的距离，纵轴为互感值。由图6可以看出，这种结构在横向移动为0、间隙30cm时最高互感可以达到0.5432uH,在横向移动40cm时互感仍有0.4059uH左右，为最大值的74.7%。进一步假设功率变化和互感变化平方成正比，则功率会降低到55.8%左右。和传统方式横向移动10cm左右功率降低到0相比，已经改善了很多。

在投入实用时，可以按照电动汽车需要取用功率的1.3倍到1.4倍来设计地面电路功率。这样在互感最大时，车载电路得到的功率会有富余，可以给车载电池或超级电容充电，在互感较小时，电容或电池则转而放电，满足车辆需求。

除上述之外，中央控制单元也可以采取其他的控制策略，例如，可以把空心传感线圈安装在和次级线圈一起运动的框架上，算法也相应的调整为：不断移动框架，直到对称分布的空心线圈输出电压差小于预设值为止。不过这种做法在汽车偏移中线较多（如超车）时会失效，因而需要更多的额外工作以处理特殊情况。

Claims (7)

1.一种具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置，包括地面电路及变压器初级线圈、车载磁性材料板、变压器次级线圈、和车载电路，地面电路埋于地下，其输入端与电网连接，输出端与变压器初级线圈连接；变压器次级线圈设置在车载磁性材料板上，变压器次级线圈与车载电路的输入端连接，车载电路的输出端与电动汽车的电源供电端连接，其特征在于：所述的变压器初级线圈为“日”字型导线，还包括次级线圈驱动装置，次级线圈驱动装置的输出端连接次级线圈，使次级线圈在车载磁性材料板上滑动，使次级线圈和“日”字型导线的中心导线的距离最小。

2.根据权利要求1所述的具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置，其特征在于：所述的次级线圈驱动装置驱动次级线圈滑动，使其保持在变压器初级线圈的中心导线的正上方。

3.根据权利要求1或2所述的具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置，其特征在于：次级线圈驱动装置为伺服机构，伺服机构包括空心传感线圈、中央控制单元与步进电机，空心传感线圈设置在车载磁性材料板周围，空心传感线圈的信号输出端通过信号处理电路连接中央控制单元的信号输入端，中央控制单元的信号输出端连接步进电机，步进电机的输出轴通过转动转换平动装置连接次级线圈，使次级线圈在车载磁性材料板上滑动。

4.根据权利要求3所述的具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置，其特征在于：所述的空心传感线圈通过支架固定在车身上。

5.根据权利要求4所述的具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置，其特征在于：所述的空心传感线圈为七个，七个空心传感线圈从车载磁性材料板中心向两边对称布置。

6.根据权利要求5所述的具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置，其特征在于：所述的七个空心传感线圈间隔25cm，横向布置在车载磁性材料板前方。

7.根据权利要求6所述的具有次级线圈驱动装置的电动汽车无线供电装置，其特征在于：所述的次级线圈集中绕设在车载磁性材料板的中间。

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