CN104779685A - 一种电动汽车的无线充电*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动汽车的无线充电***，包括车辆ID和位置识别模块、车载电子标签、控制模块、电源电路、发射线圈、接收线圈及充电电路，车辆ID和位置识别模块分别与车载电子标签、控制模块、发射线圈连接；电源电路分别与控制模块、发射线圈连接；电源电路外接电网；控制模块接收车辆ID和位置识别模块的信号，控制电源电路给发射线圈供电，发射线圈与接收线圈产生电磁共振，将来自电网的能量无线传输给充电电路，对电动汽车的电池组进行充电。本发明通过电磁共振技术，把电网的电能无线传输到车体，并储存在车体的电池中，充电过程还可进行实时监控，对充电***进行智能控制，从而实现电动汽车行驶过程中的无线充电。
Description
技术领域
本发明涉及车辆充电领域，特别涉及一种电动汽车的无线充电***。
背景技术
随着汽车工业的发展，地球资源过大消耗，电动汽车的发展前景广阔，在未来的一段时间里，电动汽车必会迅速进入千家万户。而随着电动汽车数量的激增，电动汽车的技术改革势在必行。新一代电动汽车在每一个领域都获得了显著的技术进步，而第一代充电技术以低压充电为主，第二代充电技术以快速充电进入电动汽车市场，然而快速充电存在功率过大所带来的一系列电力问题。
现有的接触式电动汽车充电方式，充电时间长，且需要建立充电站，占地面积大，成本高，难以大范围推广应用。如果可以实现在电动汽车行驶途中对其进行无线充电，这将根本上解决电动汽车充电难的问题，加速电动汽车普及，使交通更加发达。
发明内容
本发明为了解决电动汽车接触式充电技术所存在的技术问题，提出一种电动汽车的无线充电***，通过电磁共振技术，把电网的电能无线传输到车体，并储存在车体的电池中，充电过程还可进行实时监控，对充电***进行智能控制，从而实现电动汽车行驶过程中的无线充电。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：电动汽车的无线充电***，包括车辆ID和位置识别模块、车载电子标签、控制模块、电源电路、发射线圈、接收线圈及充电电路，车载电子标签、接收线圈及充电电路均设置在电动汽车上；车辆ID和位置识别模块、发射线圈均设有多个，且设置在公路上；车辆ID和位置识别模块分别与车载电子标签、控制模块、发射线圈连接；电源电路分别与控制模块、发射线圈连接；接收线圈分别与发射线圈、充电电路连接；
所述电源电路外接电网；控制模块接收车辆ID和位置识别模块所接收的车辆ID和位置信号，控制电源电路给发射线圈供电，发射线圈与接收线圈产生电磁共振，将来自电网的能量通过接收线圈无线传输给充电电路，从而对设置在电动汽车上的电池组进行充电。
所述控制模块包括单片机、三极管Q1，三极管Q1设置在单片机的***；单片机输出PWM脉宽调制的周期锯齿波信号，经三极管Q1放大后送到发射线圈。
所述车辆ID和位置识别模块包括线圈L1、光耦合器U6、三极管Q2和N沟道场效应管Q5，线圈L1同时还作为发射线圈；光耦合器U6的输入端与控制模块的PWM输出接口、三极管Q2集电极连接，输出端与N沟道场效应管Q5连接；三极管Q2的基极与控制模块的高低电平输出端口连接；线圈L1的一端接电网经电源电路整流后的直流电压的正极，另一端接N沟道场效应管Q5的漏极；
控制模块控制三极管Q2的通断状态，光耦合器U6受控于三极管Q2的通断状态及控制模块的PWM输出状态，N沟道场效应管Q5受控于光耦合器U6，电网经电源电路整流后的直流电压的通断受控于N沟道场效应管Q5。
本发明通过埋设在公路下的发射线圈，以电磁共振方式将电网的电能无线传输到车载接收线圈上，车载接收线圈将电能通过充电电路存储在电池组中；车载电子标签发射的特定频率信号，以检测公路上发射线圈的位置；发射线圈接收到车载电子标签发射的特定频率信号后传输给车辆ID和位置识别模块，由车辆ID和位置识别模块将所接收的信号经控制模块反馈到上位机终端；控制模块将根据电动汽车不同的位置状态开启不同的发射线圈，以便给电动汽车充电，实现“车在充电，车离关电”的智能充电模式。与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果:
(1)不同于有线充电和一般的无线充电，本发明能实现电动汽车在行驶过程中进行充电，大大增加了电动汽车的续航能力，减免了电动汽车进站充电的时间，减少充电站占地面积，解决了电动汽车充电慢、充电难且充电危险的问题，使得电动汽车的出行更为便利。
(2)每个车载电子标签可发射有唯一车辆ID号的信号，从而本发明可通过发射线圈识别到车辆ID号。充电时，发射线圈发射了多少电能就记录到这个车辆ID号，并且将数据反馈给上位机，上位机即可通过联网的方式进行充电计费等管理。
(3)具有路面实时监视和控制功能：上位机根据车载电子标签反馈的车辆ID，监控公路上方有多少车辆正在通过，从而获得路面上的车辆信息，通过车辆ID号和电源电路的功率统计得出单辆汽车的用电功率和公路总用电功率，若某时段总用电功率大于电网负载，***将在上位机显示报警，上位机即可限制***功率进而保护***。
(4)将车辆ID和位置识别模块的线圈与电磁能发射线圈一体化，极大减少了传感器在充电***中的加入，降低成本和功耗，也实现节能减排。
(5)操作简单：控制模块主要由单片机及其***电路组成，实现了对发射线圈开关的智能控制；另外，上位机具有人性化的工作界面，采用人工控制的方式，工作人员不需要很高的技术要求即可操控本发明，大大减轻交通部门的工作量。
附图说明
图1为本发明无线充电***的模块结构图；
图2为控制模块、发射线圈、车辆ID和位置识别模块的电路图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明电动汽车的无线充电***用于公路充电，包括：车辆ID和位置识别模块、车载电子标签、控制模块、电源电路、发射线圈、接收线圈、充电电路、上位机，车载电子标签、接收线圈及充电电路均设置在电动汽车上；车辆ID和位置识别模块、发射线圈均设有多个，且设置在公路上，优选埋设在道路底下。车辆ID和位置识别模块分别与车载电子标签、控制模块、发射线圈连接；控制模块还分别与电源电路、上位机连接；接收线圈分别与发射线圈、充电电路连接；电网、电源电路与发射线圈依次连接，发射线圈与接收线圈产生电磁共振，将来自电网的能量通过接收线圈无线传输给充电电路，从而对设置在电动汽车上的电池组进行充电。
所述车载电子标签为一个有源的射频发射器，可以发射特定频率的信号。上位机为人工控制终端，与控制模块相连，可实时监测和控制无线充电***。电源电路将电网的电能经过整流电路和逆变电路处理后，传输到发射线圈；整流电路通过变压器、整流主电路和滤波器把工业交流电能转换为直流电能，逆变电路通过控制桥式逆变电路开关的频率和电压的大小进而将直流电能转换为无线充电所需频率的交流电能。发射线圈为特制线圈，可通过震荡电路发出在特定频率共振的电磁能；相应地，接收线圈也为特制线圈，可接收特定频率共振的电磁能，将电磁能传输给充电电路。发射线圈和接收线圈为特制线圈指的是：均为一种表面光滑且导电性能好的紫铜材质线圈，通过耦合调试，能实现在特定频率共振，电感和频率都满足通信的要求的线圈。为满足作为通讯天线和无线充电天线的要求，并考虑到充电功率、充电效率和通信的稳定性，本***默认使用电感量为388uH的线圈，而线圈直径、匝数以及线径的具体参数则根据安装尺寸而定。
为防止***运行中线圈等设备对该***产生的电磁辐射等影响，控制模块、电源电路上设置有屏蔽装置，并通过屏蔽线连接。控制模块接收车辆ID和位置识别模块接收的信号，并且进行数模转换，通过程序控制电源电路给发射线圈供电，并且将所有动作反馈给上位机。上位机根据车辆ID号和电源电路的功率统计得出单辆汽车的用电功率和公路总用电功率，对充电费用进行计算和管理。
如图2，控制模块包括单片机STM32F103RCT6、晶振XT1、PNP型三极管Q1、电容C1和电容C2。单片机STM32F103RCT6供电端口由线性稳压芯片U2提供3.3V的工作电压，晶振XT1的一端接单片机STM32F103RCT6的OSCIN口，晶振XT1的另一端接单片机STM32F103RCT6的OSCOUT口，单片机的OSCOUT口接电容C1的一端，电容C1的另一端接地，单片机的OSCOUT口接电容C2的一端，电容C2的另一端接地。PNP型三极管Q1的基极接单片机STM32F103RCT6的PA8口，PNP型三极管Q1的发射极接3.3V工作电压，集电极接PWM输出口。STM32F103RCT6的PA8口输出PWM脉宽调制的周期为52KHz的锯齿波，经PNP型三极管Q1放大后送到发射线圈。
车辆ID和位置识别模块、发射线圈均受控于控制模块的PWM输出口控制输出PWM脉宽调制的周期为52KHz的锯齿波信号，所述锯齿波由光耦合器隔离后输出到N沟道场效应管的栅极，控制N沟道场效应管漏极产生52KHz的锯齿波电流输出到发射线圈，周期变化的电流通过发射线圈后产生用于无线充电的发射磁场。
车辆ID和位置识别模块主要用于单片机STM32F103RCT6对公路汽车的识别。在图2所示实施例的具体电路图中，车辆ID和位置识别模块、发射线圈均设有完全相同的三个，现在以其中一个为代表进行描述：包括光耦合器U3、线圈L1、肖特基二极管D1、光耦合器U6、三极管Q2、N沟道场效应管Q5、电阻R1、电阻R7及电阻R10；线圈L1同时还作为发射线圈，即车辆ID和位置识别模块上用于接收车辆ID和位置信号的线圈同时为发射线圈；肖特基二极管D1起保护作用，电阻R10为限流电阻，R1为分压电阻。
光耦合器U6的输入端与控制模块、三极管Q2连接，输出端与N沟道场效应管Q5连接。具体一点来说，光耦合器U6的引脚1与控制模块的PWM输出接口连接，光耦合器U6的引脚2与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的基极与单片机STM32F103RCT6的PC6口连接，三极管Q2的发射极接电源VCC-2的负极；电源VCC-2为电源电路整流后的输出电压，输出电压值为12-220V之间的直流电压或者是220V-380V的工业交流电经过整流电路后的直流电压，具体电压值和由无线充电所需电压决定，本实施例以直流12V作为默认工作电压。电阻R4一端接到3.3V电压的正极，另一端接到三极管Q2的集电极，作为上拉电阻。单片机STM32F103RCT6的PC6口的高低电平决定三极管Q2基极电流的大小，进而控制三极管Q2集电极电流的有无，从而控制通过光耦合器U6的PWM信号的有无。光耦合器U6的引脚4接电源VCC-2的正极，引脚3接N沟道场效应管Q5栅极和电阻R7一端，电阻R7另一端接电源VCC-2的负极GND-2。发射线圈L1的一端接电源VCC-2的正极，另一端接N沟道场效应管Q5的漏极，N沟道场效应管Q5的源极接电源VCC-2的负极。控制光耦合器U6的1脚和2脚之间电流的有无，则可决定光耦合器U6的3脚和4脚之间电阻的大小，进而控制N沟道场效应管Q5栅极电压的大小，控制场效应管漏极电流的有无，最终控制发射线圈L1电流的有无。由于光耦合器U6受控于控制模块的PWM输出状态及三极管Q2的通断状态，N沟道场效应管Q5受控于光耦合器U6，电网经电源电路整流后的直流电的通断受控于N沟道场效应管Q5。因此在控制模块的PWM输出接口的间接控制下，N沟道场效应管Q5输出PWM脉宽调制的周期为52KHz的锯齿波到发射线圈周期变化的电流通过线圈L1后产生用于无线充电的发射磁场。
电动汽车行驶至公路上的某一发射线圈时，车辆ID和位置识别模块感应到电动汽车接近并将此信息传递至控制模块，控制模块分析处理后将立即激活附近的发射线圈，对电动汽车进行无线传输电能，当电动汽车远离该发射线圈后，***将迅速关闭该发射线圈，并让下一发射线圈处于准备状态，以此类推，达到智能开启和关闭发射线圈的效果。本发明无线充电的过程，包括下述步骤：
S1、初始化设置：***供电正常，各设备工作正常。
S2、电动汽车上的车载电子标签发射无线信号。
S3、若公路上的某一车辆ID和位置识别模块感应到车载电子标签，该车辆ID和位置识别模块将无线信号反馈给控制模块，控制模块对无线信号进行处理，启动电源电路，将处理后的数据传输给上位机。
S4、若该车辆ID和位置识别模块继续接收到车载电子标签的无线信号，***默认电动汽车接近发射线圈，控制模块控制电源电路，将电网电能通过电源电路后输出到发射线圈，发射线圈通过震荡电路发出在特定频率的共振电磁能，发射到公路上。
S5、电动汽车上的接收线圈接收发射线圈发出的特定频率共振的电磁能，并且通过充电电路将电能储存到车载电池组中。
S6、当电动汽车远离发射线圈时，控制模块将关闭电源电路，发射线圈停止工作，车辆ID和位置识别模块开启，返回S2。
在整个充电过程中，上位机可以实时监控，并且拥有控制整个***的能力。
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所述实施例的限制，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 (8)
1.一种电动汽车的无线充电***，其特征在于，包括车辆ID和位置识别模块、车载电子标签、控制模块、电源电路、发射线圈、接收线圈及充电电路，车载电子标签、接收线圈及充电电路均设置在电动汽车上；车辆ID和位置识别模块、发射线圈均设有多个，且设置在公路上；车辆ID和位置识别模块分别与车载电子标签、控制模块、发射线圈连接；电源电路分别与控制模块、发射线圈连接；接收线圈分别与发射线圈、充电电路连接；
所述电源电路外接电网；控制模块接收车辆ID和位置识别模块所接收的车辆ID和位置信号，控制电源电路给发射线圈供电，发射线圈与接收线圈产生电磁共振，将来自电网的能量通过接收线圈无线传输给充电电路，从而对设置在电动汽车上的电池组进行充电。
2.根据权利要求1所述的无线充电***，其特征在于，所述车载电子标签为一个有源的射频发射器。
3.根据权利要求1所述的无线充电***，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈均采用表面光滑的紫铜材质。
4.根据权利要求1所述的无线充电***，其特征在于，所述控制模块包括单片机、三极管Q1，三极管Q1设置在单片机的***；单片机输出PWM脉宽调制的周期锯齿波信号，经三极管Q1放大后送到发射线圈。
5.根据权利要求1所述的无线充电***，其特征在于，所述车辆ID和位置识别模块、发射线圈均设有三个。
6.根据权利要求1所述的无线充电***，其特征在于，所述车辆ID和位置识别模块通过线圈接收车辆ID和位置信号，所述接收车辆ID和位置信号的线圈同时为所述发射线圈。
7.根据权利要求6所述的无线充电***，其特征在于，所述车辆ID和位置识别模块包括线圈L1、光耦合器U6、三极管Q2和N沟道场效应管Q5，线圈L1同时还作为发射线圈；光耦合器U6的输入端与控制模块的PWM输出接口、三极管Q2集电极连接，输出端与N沟道场效应管Q5连接；三极管Q2的基极与控制模块的高低电平输出端口连接；线圈L1的一端接电网经电源电路整流后的直流电压的正极，另一端接N沟道场效应管Q5的漏极；
控制模块控制三极管Q2的通断状态，光耦合器U6受控于三极管Q2的通断状态及控制模块的PWM输出状态，N沟道场效应管Q5受控于光耦合器U6，电网经电源电路整流后的直流电压的通断受控于N沟道场效应管Q5。
8.根据权利要求1所述的无线充电***，其特征在于，所述无线充电***还包括与控制模块连接的上位机，所述上位机根据车辆ID号和电源电路的功率统计得出单辆汽车的用电功率和公路总用电功率，对充电费用进行计算和管理。
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