CN104283262B - 一种基于电场耦合的大功率无线充电方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电场耦合的大功率无线充电方法与装置，该充电装置的两个输出接线端均通过电容以电场耦合的方式与被充电设备充电线路相连，每个电容的一个极板在被充电设备上，另一个在充电装置上，被充电设备和充电装置之间各安装一个无线通信与位置感知***，以搜寻各自的位置，传输检测参数与充电设备线路参数，充电装置在被充电装置发出充电请求后，自行与被充电***对准、连接，然后将工业用电在逆变控制器的控制下通过AC‑AC转换成合适频率的中频交流电，以电场耦合的形式将能量耦合到被充电设备中，被充电设备重新将交流电整流成直流电，给蓄电池充电。本发明由于是电场耦合，因此不存在电磁辐射，安全性好。
Description
技术领域
本发明属于大功率传输的充电领域，具体涉及一种基于电场耦合的大功率无线充电方法与装置。
背景技术
大功率充电应用于诸多行业，且越来应用越来越广。例如，随着社会经济的快速发展，城市污染越来越严重，为减小城市的温室气体排放，新能源车型和保有量急剧增加。
现有大功率充电技术中，常规方法包括使用速更换蓄电池、用充电桩充电、市电充电等方式，以上方式对于纯电动车等充电设备的应用发展有极大的约束。例如，电动汽车进行充电的时候，必须具备电源接口以及充电线，电动汽车总是拖着充电线这条尾巴，给电动汽车充电带来了很大的不便，在一定程度上很大的制约电动车的发展；充电装置插座因频繁的插拔，损坏较快，若维护不及时，甚至还会造成人员的伤亡；裸露的插接头还受气候、环境的影响，户外的充电装置的插接头在暴雨天气可能沾水，导致短路。所以，亟待出现一种停车即可马上充电，且安全可靠的充电技术。
近年来，为了解决大功率充电的安全问题与便捷问题，尝试了多种方法，其中无线充电技术逐渐成为充电技术的研究重点之一。无线充电技术主要通过电磁感应原理、无线电波原理以及电磁共振原理三种方式来实现。其中无线电波只能用于小功率的无线充电。
比亚迪公司，采用电磁感应技术尝试电动汽车的大功率充电。但是该技术仍然局限于传统变压器能量耦合的范围能，无非将变压器铁芯分为两个部分，工作时仍然像传统变压器一样，绕制的线圈笨重又昂贵，若充电装置与被充电设备之间构成的变压器线圈距离不够近，电磁辐射很强，对附近的人体有伤害。
目前最好的现有技术是电磁共振技术，但其缺点也是很明显的，包括工作频率高、发射电感大、技术要求高、制作成本高、实用性相对较差、制作困难、辐射大、能量传输效率低。目前最先进的无线电能传输技术，能进行远距离电能传输2米左右，可用于小功率能量传输,但无法真正实现无线充电的目的。授权方面专利ZL 201210064442.3虽然提出了一种千瓦级的大功率无线充电方案，但线圈的降温问题，如果同时实施多目标充电，能力泄露与充电装置附近其他设备与人体的安全性等问题依然没有得到良好的解决，且没有得到实施，因此，实现加大功率的传输，还有待科学技术进一步发展。
此外，还有许多关于无线充电装置报道，这些装置在结构等方面做了许多改进，以期获得更为便捷的充电。例如，授权专利ZL 201210279907.7在公路上埋入感应线圈，当汽车经过时，感应线圈在压力传感器感知汽车经过时，发出感应磁场，使得汽车便行驶，边充电。一方面，在所有的公路上埋入充电线圈本身不切实际，不但成本高，而且由于感应线圈难以与发射线圈正对，效率很低。另一方面，安全也是一大隐患，难于维护。
综上所述，虽然目前已有许多无线充电相关专利，但依然没有安全可靠、便捷的大功率充电方法得到了良好的实施。
发明内容
本发明的目的在于针对安全、便捷大功率充电问题，提供了一种基于电场耦合的大功率无线充电方法与装置。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于电场耦合的大功率无线充电装置，包括第一整流桥和第二整流桥；其中，
第一整流桥的两个交流端连接至市电电网，第一整流桥的两个直流端通过电阻连接至并联的第一滤波电容和逆变器的两端，逆变器的两个输出端分别连接充电装置的第一充电装置极板和第二充电装置极板；
第二整流桥的两个直流端连接至并联的第二滤波电容和蓄电池的两端，第二整流桥的两个交流端分别连接被充电设备的第一被充电设备极板和第二被充电设备极板；
第一充电装置极板、第二充电装置极板、第一被充电设备极板以及第二被充电设备极板上均套有绝缘护套，使用时，第一充电装置极板与第一被充电设备极板平行设置，第二充电装置极板与第二被充电设备极板平行设置。
本发明进一步的改进在于：市电电网的电压为三相电380V或者两相电220V。
本发明进一步的改进在于：第一滤波电容采用单平行板电容或者叉形电极电容。
本发明进一步的改进在于：第二滤波电容采用单平行板电容或者叉形电极电容。
本发明进一步的改进在于：还包括与电阻并联的继电器。
本发明进一步的改进在于：充电装置中还包括无线信号传输与位置探测器、微型位置移动装置及其控制器；其中，微型位置移动装置分别与充电装置上的第一充电装置极板和第二充电装置极板相连，用于调整两个极板的位置，无线信号传输与位置探测器安装在两个极板的中间；被充电设备中还包括电流、电压以及电量检测***，无线信号传输与位置感知***以及充电指令开关，电流、电压以及电量检测***用来获取被充电设备的电流、电压以及电量，无线信号传输与位置感知***安装在被充电设备上的第一被充电设备极板和第二被充电设备极板的中间，充电装置与被充电设备上的无线信号传输***用来将所获取的被充电设备上电流、电压以及电量信息发送给充电装置，以便于充电装置进行反馈控制，保证充电过程的安全，位置感知***用来感知充电装置与被充电设备上极板之间的位置，作为微型位置移动装置控制***的反馈信号，以控制微型位置移动装置的运动。
本发明进一步的改进在于：无线信号传输与位置感知***采用超声波方式、光学方式或无线电波方式进行通信。
本发明进一步的改进在于：被充电设备中还包括微型位置移动装置及其控制器，用于调整被充电设备中两个极板的位置。
一种基于电场耦合的大功率无线充电方法，包括如下的步骤：
1)充电装置实时监测被充电设备的指令，若接收到充电指令，则继续接收被充电设备的技术参数，包括允许电压范围、允许电流范围、额定电压、额定电流、工作温度范围以及实际温度，若在实际温度在工作温度范围内，则将充电装置的第一充电装置极板和第二充电装置极板分别与被充电设备的第一被充电设备极板和第二被充电设备极板对接，将逆变器逆变频率调至最低，并启动充电；
2)接收被充电设备中的实测参数，包括电流、电压，若充电电压太低，低于充电装置输出电压的最小值，则关闭逆变器，并提示充电装置故障，包括充电装置的极板与被充电设备的极板没有对好，插接头没有插接好，充电装置的充电线路出现短路，或者输入电压过低；若电压在正常范围内，则进入步骤3)；
3)判断充电电流是否过高，若过高，即高于额定电流，则关闭逆变器，并提示被充电设备故障，或者是被充电设备中的充电线路发生了短路；否则，进入步骤4)；
4)判断充电电压是否偏低，充电电流是否偏高，若两者都在额定值之下，则提高逆变频率，直到其中一个达到额定值，同时保证另一个在允许范围内,否则，降低逆变频率；
5)监测是否收到关闭指令，以及蓄电池是否充电满，只要满足其一，关闭逆变器，收缩微型位置移动装置，移开充电装置的第一充电装置极板和第二充电装置极板，并拔出插接头。
本发明进一步的改进在于：在充电的过程中，逆变器在逆变控制器的控制下进行工作，具体地说，逆变控制器根据被充电设备发回来的蓄电池电压、实际充电电压和电流来控制逆变器。
与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：
相对于目前采用的电磁耦合、磁共振等无线充电方法相比，本发明由于是电场耦合，因此不存在电磁辐射，安全性好；
基于电场耦合的无线充电方法没有线圈，自身产生的热量少，传输效率高，且被充电设备不需要散热装置，结构简单，体积小；
进一步地，因被充电设备上只需两个平板电极，一个整流桥电路，电压、电流检测装置，以及无线通讯装置，极易在电动车的底盘上安装，因此本发明很容易对现有的电动车进行改装实现。
附图说明
图1(a)为单平行板电容的结构示意图，图1(b)为叉形电极电容的结构示意图；
图2为本发明基于电场耦合的大功率无线充电装置的结构示意图；
图中：1为逆变器，2为第一充电装置极板，3为第二充电装置极板，4为第一被充电设备极板，5为第二被充电设备极板，6为绝缘护套；
V1为市电电网，T1为第一整流桥，C1为第一滤波电容，V2为蓄电池，T2为第二整流桥，C2为第二滤波电容，R1为电阻，K1为继电器；
图3为本发明基于电场耦合的大功率无线充电方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图2，本发明一种基于电场耦合的大功率无线充电装置，包括第一整流桥T1和第二整流桥T2；其中，第一整流桥T1的两个交流端连接至市电电网V1，第一整流桥T1的两个直流端通过并联的电阻R1和继电器K1连接至并联的第一滤波电容C1和逆变器1的两端，逆变器1的两个输出端分别连接充电装置的第一充电装置极板2和第二充电装置极板3；
第二整流桥T2的两个直流端连接至并联的第二滤波电容C2和蓄电池V2的两端，第二整流桥T2的两个交流端分别连接被充电设备的第一被充电设备极板4和第二被充电设备极板5；
第一充电装置极板2、第二充电装置极板3、第一被充电设备极板4以及第二被充电设备极板5上均套有绝缘护套6，使用时，第一充电装置极板2与第一被充电设备极板4平行设置，第二充电装置极板3与第二被充电设备极板5平行设置。
进一步地，市电电网V1的电压为三相电380V或者两相电220V。
参见图1，其中，第一滤波电容C1采用单平行板电容或者叉形电极电容；第二滤波电容C2采用单平行板电容或者叉形电极电容。
进一步地，充电装置中还包括无线信号传输与位置探测器、微型位置移动装置及其控制器；其中，微型位置移动装置分别与充电装置上的第一充电装置极板2和第二充电装置极板3相连，用于调整两个极板的位置，使得他们与被充电设备上的极板的正对面积最大，距离近，无线信号传输与位置探测器安装在两个极板的中间，以充分利用空间；被充电设备中还包括电流、电压以及电量检测***，无线信号传输与位置感知***以及充电指令开关，电流、电压以及电量检测***用来获取被充电设备的电流、电压以及电量，无线信号传输与位置感知***安装在被充电设备上的第一被充电设备极板4和第二被充电设备极板5的中间，充电装置与被充电设备上的无线信号传输***用来将所获取的被充电设备上电流、电压以及电量信息发送给充电装置，以便于充电装置进行反馈控制，保证充电过程的安全，位置感知***用来感知充电装置与被充电设备上极板之间的位置，作为微型位置移动装置控制***的反馈信号，以控制微型位置移动装置的运动。
其中，无线信号传输与位置感知***采用超声波方式、光学方式或无线电波方式进行通信，用以探测充电装置中的两个极板与被充电设备中的两件极板相互之间的位置，传输额定电压、额定电流、电压范围、电流范围、工作温度范围等设备参数、实际工作电流、实际工作电压、实际工作温度、实际电量等检测参数与充电、关闭指令。
参见图3，本发明一种基于电场耦合的大功率无线充电装置的充电方法，包括如下的步骤：
1)充电装置实时监测被充电设备的指令，若接收到充电指令，则继续接收被充电设备的技术参数，包括允许电压范围、允许电流范围、额定电压、额定电流、工作温度范围、实际温度，若在实际温度在工作温度范围内，则将充电装置的第一充电装置极板2和第二充电装置极板3分别与被充电设备的第一被充电设备极板4和第二被充电设备极板5对接，将逆变器逆变频率调至最低，并启动充电；
2)接收被充电设备中的实测参数，包括电流、电压，若充电电压太低，低于充电装置输出电压的最小值，则关闭逆变器1，并提示充电装置故障，可能是电极板没对好，或者插接头没有插接好，还可能是充电装置的充电线路出现短路，或者输入电压过低；若电压在正常范围内，则进入步骤3)；
3)判断充电电流是否过高，若过高，高于额定电流，则关闭逆变器1，并提示被充电设备故障，或者是被充电设备中的充电线路发生了短路；否则，进入步骤4)；
4)判断充电电压是否偏低，充电电流是否偏高，若两者都在额定值之下，则提高逆变频率，直到其中一个达到额定值，同时保证另一个在允许范围内,否则，降低逆变频率；
5)监测是否收到关闭指令，以及蓄电池是否充电满，只要满足其一，关闭逆变器1，收缩微型位置移动装置，移开充电装置的第一充电装置极板2和第二充电装置极板3，并拔出插接头。
为了对本发明进一步了解，现结合实施例对其做进一步详细说明。
参见图2，本发明充电装置与被充电设备充电线路之间存在两个接线端，两个接线端都通过电容电场耦合相连，被充电设备和充电装置之间各安装一个无线通信与位置探测***，以搜寻各自的位置，传输设备参数与实时监测的参数，充电装置在被充电装置发出充电请求后，自行与被充电***对准，然后将工业用电在逆变控制器的控制下通过AC-AC转换成中频交流电，以电场耦合的形式将能量耦合到被充电设备中，被充电设备重新将交流电整流成直流电，给蓄电池充电，而在充电满，发现异常情况，或者收到关闭指令后，自动关闭充电线路，并撤离充电极板。
此外，充电装置和被充电设备之间有一个无线信号通信与位置探测***，该无线通信与位置探测***可以是超声波方式，也可以是光学方式，还可以是无线电波方式进行通信，用以探测相互之间的位置，传输额定电压、额定电流、电压范围、电流范围、工作温度范围等设备参数、实际工作电流、实际工作电压、实际工作温度、实际电量等检测参数与充电、关闭指令。
每个电容的一极与被充电设备相连，另一极与充电装置相连，每个电极可以是单平行板，也可以是多平行板组成的叉形电极，充电装置上的极板用绝缘材料进行密封，通过引线与逆变装置相连，被充电设备上的极板通过绝缘材料与被充电设备主体隔离，只与被充电设备上的整流装置相连，充电装置上的极板与插接头是可活动的，安装在一个可以水平移动，上下伸缩的装置上，在收到被充电设备上的充电指令后，该装置自动与被充电设备的极板对准，自动伸展贴近电极板；而在接收到关闭指令后、发现充电已满，或者发现有异常情况，向下收缩，撤开电极板。
充电装置的能量来源于市电电网，通过整流桥将交流电整流成直流电，然后在逆变控制器的控制下逆变成中频电压，并通过电场耦合到被充电设备中；被充电设备中有整流装置，将耦合过来的交流电转换成直流电，并经过滤波后，给蓄电池充电；被充电设备中有电压与电流检测装置，并将检测结果，以及被充电设备的蓄电池参数通过无线通信***反馈给充电装置中的逆变控制器，逆变控制器根据反馈的电压与电流，以及蓄电池参数调节逆变频率，使得被充电设备所得到的直流电适合于蓄电池充电。
参见图2，V1为市电电网，它可以是三相电，也可以是两相电，T1为第一整流桥，C1为第一滤波电容，第一整流桥T1滤波得到的直流电经逆变器1变成中频交流电，交流电的两个输出端分别通过两个不同的电容耦合与电动汽车的充电电路相连。每个电容的一个电极板在充电装置上，与逆变器1输出端相连，另一个电极板安装在电动汽车的底盘，基本与地面平行，与电动汽车的充电电路相连，且电极板由绝缘护套包被。电动汽车的充电电路相连中有第二整流桥T2、第二滤波电容C2，得到直流电压给蓄电池V2充电。由于电容通高频、阻低频的特性，逆变器1输出的交流电通过电容电场耦合到电动汽车的充电电路。由于电容的电极板被绝缘套包被，且电压是市电电网电压，因此对人体没有伤害，而且不管气候如何，充电装置的输出端是否浸泡在水中，也不会形成短路，大大提高了充电设备与充电过程的安全性、可靠性。而且，电容是电场耦合，能量散失很少，因此，本发明采用的充电方式效率很高。
除了上述充电电路外，充电装置和电动汽车上还有装有无线信号传输与位置探测装置，用以相互传输数据与指令，但传输距离很小，不超过一个车位的距离。电动汽车上还装有充电线路的电流、温度、电量与电压检测装置，以及充电指令开关，该开关可以用汽车钥匙上的锁车门按钮替代。按下关车门的按钮，表示启动充电，若按下开车门的按钮，则表示关闭充电。充电装置的电极板安装在一个可以在小范围内平行移动，可以上下移动的装置上。
当电动汽车挺入到车位后，按下启动充电按钮，充电装置和电动车按如图3所示的流程进行工作。电动汽车首先检测自身的电量，若电量足，表明无需再次充电，若蓄电池电量已有部分消耗，则需要充电，以保证下一次出现有足够的电能，于是向充电装置发出充电请求信号，同时，将自身电源***的电压参数、电流参数发给充电装置。充电装置接收到请求信号后，探测电动汽车的充电装置位置，然后将电极板与插接头移动到其正下方，对准位置后，向上顶起，直到电极板完全耦合，插接头连接好。最后，启动充电。
在充电的过程中，逆变器1在逆变控制器的控制下进行工作。逆变控制器根据电动车发回来的电瓶电压、实际充电电压和电流来控制逆变器1。首先，控制器将逆变器频率降低到其频率范围的下限，如果电动车充电电流超限且电压较低，则直接关闭逆变电路，提示电动汽车电路有问题；若电动汽车的充电电压基本为零，则说明没有电容耦合上，或者充电装置中的电路出现了问题，并提示出错。否则，比较充电电压与电瓶电压，若充电电压小于电瓶电压，则提高逆变频率，直到充电电压略高于电瓶电压，且电流在容许范围内，否则降低逆变频率。若收到关闭指令，则关闭逆变器，移开电极板，拔掉插接头。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (9)
1.一种基于电场耦合的大功率无线充电装置，其特征在于：包括第一整流桥(T1)和第二整流桥(T2)；其中，
第一整流桥(T1)的两个交流端连接至市电电网(V1)，第一整流桥(T1)的两个直流端通过电阻(R1)连接至并联的第一滤波电容(C1)和逆变器(1)的两端，逆变器(1)的两个输出端分别连接充电装置的第一充电装置极板(2)和第二充电装置极板(3)；
第二整流桥(T2)的两个直流端连接至并联的第二滤波电容(C2)和蓄电池(V2)的两端，第二整流桥(T2)的两个交流端分别连接被充电设备的第一被充电设备极板(4)和第二被充电设备极板(5)；
第一充电装置极板(2)、第二充电装置极板(3)、第一被充电设备极板(4)以及第二被充电设备极板(5)上均套有绝缘护套(6)，使用时，第一充电装置极板(2)与第一被充电设备极板(4)平行设置，第二充电装置极板(3)与第二被充电设备极板(5)平行设置；
充电装置中还包括无线信号传输与位置探测器、微型位置移动装置及其控制器；其中，微型位置移动装置分别与充电装置上的第一充电装置极板(2)和第二充电装置极板(3)相连，用于调整两个极板的位置，无线信号传输与位置探测器安装在两个极板的中间；被充电设备中还包括电流、电压以及电量检测***，无线信号传输与位置感知***以及充电指令开关，电流、电压以及电量检测***用来获取被充电设备的电流、电压以及电量，无线信号传输与位置感知***安装在被充电设备上的第一被充电设备极板(4)和第二被充电设备极板(5)的中间，充电装置与被充电设备上的无线信号传输***用来将所获取的被充电设备上电流、电压以及电量信息发送给充电装置，以便于充电装置进行反馈控制，保证充电过程的安全，位置感知***用来感知充电装置与被充电设备上极板之间的位置，作为微型位置移动装置控制***的反馈信号，以控制微型位置移动装置的运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于电场耦合的大功率无线充电装置，其特征在于：市电电网(V1)的电压为三相电380V或者两相电220V。
3.根据权利要求1所述的一种基于电场耦合的大功率无线充电装置，其特征在于：第一滤波电容(C1)采用单平行板电容或者叉形电极电容。
4.根据权利要求1所述的一种基于电场耦合的大功率无线充电装置，其特征在于：第二滤波电容(C2)采用单平行板电容或者叉形电极电容。
5.根据权利要求1所述的一种基于电场耦合的大功率无线充电装置，其特征在于：还包括与电阻(R1)并联的继电器(K1)。
6.根据权利要求1所述的一种基于电场耦合的大功率无线充电装置，其特征在于：无线信号传输与位置感知***采用超声波方式、光学方式或无线电波方式进行通信。
7.根据权利要求1所述的一种基于电场耦合的大功率无线充电装置，其特征在于：被充电设备中还包括微型位置移动装置及其控制器，用于调整被充电设备中两个极板的位置。
8.根据权利要求1所述的一种基于电场耦合的大功率无线充电装置的充电方法，其特征在于，包括如下的步骤：
1)充电装置实时监测被充电设备的指令，若接收到充电指令，则继续接收被充电设备的技术参数，包括允许电压范围、允许电流范围、额定电压、额定电流、工作温度范围以及实际温度，若在实际温度在工作温度范围内，则将充电装置的第一充电装置极板(2)和第二充电装置极板(3)分别与被充电设备的第一被充电设备极板(4)和第二被充电设备极板(5)对接，将逆变器逆变频率调至最低，并启动充电；
2)接收被充电设备中的实测参数，包括电流、电压，若充电电压太低，低于充电装置输出电压的最小值，则关闭逆变器(1)，并提示充电装置故障，包括充电装置的极板与被充电设备的极板没有对好，插接头没有插接好，充电装置的充电线路出现短路，或者输入电压过低；若电压在正常范围内，则进入步骤3)；
3)判断充电电流是否过高，若过高，即高于额定电流，则关闭逆变器(1)，并提示被充电设备故障，或者是被充电设备中的充电线路发生了短路；否则，进入步骤4)；
4)判断充电电压是否偏低，充电电流是否偏高，若两者都在额定值之下，则提高逆变频率，直到其中一个达到额定值，同时保证另一个在允许范围内,否则，降低逆变频率；
5)监测是否收到关闭指令，以及蓄电池是否充满电，只要满足其一，关闭逆变器(1)，收缩微型位置移动装置，移开充电装置的第一充电装置极板(2)和第二充电装置极板(3)，并拔出插接头。
9.根据权利要求8所述的一种基于电场耦合的大功率无线充电装置的充电方法，其特征在于，在充电的过程中，逆变器(1)在逆变控制器的控制下进行工作，具体地说，逆变控制器根据被充电设备发回来的蓄电池电压、实际充电电压和电流来控制逆变器(1)。
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