CN105048650A - 用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置 - Google Patents

Abstract

一种用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置，由安装在电动汽车上的车载能量接收及变换装置(1)和安装在行车充电车道上的地面能量供给与发射装置(2)构成。电能通过感应无线能量传输的方式从地面能量供给与发射装置(2)传输到车载能量接收及变换装置(1)，最后储存到在行车充电车道上的电动汽车的动力电池里。所述行车充电无线能量传输装置根据电动汽车行驶位置实现按路段、分区段两级能量管理，实现电动汽车在整个行驶车道上边行驶边充电，并可兼容驻车充电。

Description

用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置

技术领域

本发明涉及一种用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置。

背景技术

电动汽车是未来发展新能源绿色交通的必然趋势，因此世界各国对电动汽车行业的发展都制定了相关的刺激性政策，然而电动汽车仍然没有得到广泛的普及。制约电动汽车发展的主要因素是充电不方便和电池成本太高。传统插电式充电方式采用笨重的充电枪，使用极不方便，不仅存在接插部件的机械磨损老化问题，而且在雨雪恶劣天气下还有漏电触电的安全隐患。无线能量传输技术是近几年来学术界新兴的一个热点研究方向，采用无线能量传输技术给电动汽车进行无线充电可以很好的解决上述充电问题，而且能够极大的提高充电方便性，用户只需要将电动汽车停好即可自动充电。另一方面，如果在电动汽车的行驶车道上铺装无线能量发射装置，给行进中的电动汽车进行动态充电，可大大减小满足同样的行驶里程时电动汽车所需装载的电池组容量，从而降低电动汽车成本。

为此，发明专利CN201410627463“一种支持电动汽车无线移动充电的动态磁耦合谐振阵列技术”提出了一种的动态磁耦合谐振阵列技术，在发射端和接收端分别采用多层多个发射线圈阵列和多层多个接收端谐振线圈阵列及电容阵列，实现电动汽车无线移动充电，该方案所涉及的充电接收毯、谐振型无线充电带、谐振型可充电轮胎以及谐振电磁柱，在设计、制造、安装上都过于复杂，工程实现难度较高，而且该发明未提出可行的地面端供电方案；发明CN201410043240“一种采用分段供电的移动式无接触供电***”针对移动式无接触充电，提出了较为可行的地面端供电管理方案，可以实现初级线圈绕组的奇偶分段供电，但是存在交流母线引线过长或谐振变流器数目过多的问题，而且每个初级线圈绕组都得配备双向交流开关和位置检测装置，控制复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置。本发明能够根据能量需求及道路情况，实现按路段和分区段两级高效能量管理，在满足电动汽车在行驶车道上边行驶边充电的同时，也可兼容驻车充电，避免了高频高压交流母线的长引线，具有良好的安全性和经济性。

本发明无线能量传输装置，由安装在电动汽车上的车载能量接收及变换装置，以及安装在行车充电车道上的地面能量供给与发射装置构成。车载能量接收及变换装置接收地面能量供给与发射装置通过无线传输发出的电能。安装了地面能量供给与发射装置的车道称为行车充电车道，无论电动汽车在行车充电车道上处于行驶状态还是停泊状态，电能都能通过感应无线能量传输的方式从地面能量供给与发射装置传输到车载能量接收及变换装置，最后储存到电动汽车的动力电池中。

车载能量接收及变换装置包括车载接收线圈、接收端谐振匹配网络以及接收端变换器。车载接收线圈是车载能量接收及变换装置中直接参与无线能量传输的部件，其功能是接收从地面能量供给与发射装置无线传输过来的高频交流电能，车载接收线圈连接到接收端谐振匹配网络的输入端，接收端谐振匹配网络的输出端连接接收端变换器的输入端，接收端变换器的输出端连接到电动汽车的动力电池的输入端，经过接收端变换器后，车载接收线圈输出的高频交流电能转化成直流电输入到电动汽车的动力电池。

地面能量供给与发射装置包括路段大功率整流器、区段直流母线开关、区段高频逆变器、位置检测装置、地面端谐振匹配网络及地面发射线圈。地面发射线圈是地面能量供给与发射装置中直接参与无线能量发射的部件，地面发射线圈沿着行车充电车道中心线依次排列，铺设在整个行车充电车道的路面表面或埋在车道路面下；地面端谐振匹配网络与地面发射线圈一一对应，每个地面发射线圈连接在各自对应的地面端谐振匹配网络的输出端。根据实际的地理、路况信息把单个或连续多个发射线圈合并成组，每组称之为一个区段，相邻区段之间安装有位置检测装置，每个区段配有一台区段高频逆变器。连续多个区段合并成大段，每一大段称之为一个路段，每个路段配有一台路段大功率整流器。同一个区段内的所有地面端谐振匹配网络的输入端并联，连接在该区段的区段高频逆变器上。各个区段的区段高频逆变器通过各自的区段直流母线开关并联在所在路段的路段大功率整流器上。路段大功率整流器就近通过城市配电***接入配电网。

本发明的工作过程如下：

本发明通过安装在区段之间的位置检测装置实时检测当前电动汽车的行驶位置，闭合电动汽车所在区段的直流母线开关，同时关断其他所有区段的直流母线开关，控制电动汽车所在区段供电而其他区段不供电。交流市电经过路段、区段两级传输，经由地面端谐振匹配网络，最后通过地面发射线圈阵列以感应耦合的方式将能量传输至车载能量接收及变换装置的车载接收线圈，实现电动汽车在整个车道上边行驶边充电。

所述行车充电车道的路段以及区段分别对应路段级能量管理和区段级能量管理。路段级能量管理通过路段大功率整流器、路段直流母线和区段直流母线开关管理直流形式的电能；区段级能量管理通过驱动高频逆变器管理高频交流形式的电能。区段级能量管理从属于路段级能量管理。

所述的区段分为行车充电区段和驻车充电区段。行车充电区段内，多个结构相同的地面发射线圈沿车道方向依次排列，形成发射线圈阵列。地面发射线圈的纵向长度与车载接收线圈的纵向长度在同一个数量级内，地面发射线圈的纵向长度小于车载接收线圈纵向长度的10倍，同一区段内的地面发射线圈的纵向长度相同。各个行车充电区段地面发射线圈的数量可以相同也可以不同，约等于该区段车道路线长度与该区段地面发射线圈长度的比值。驻车充电区段内地面发射线圈的数量、纵向长度均与车载接收线圈数量、纵向长度相近，以保证电动汽车停在驻车充电区段时，车载接收线圈与地面发射线圈之间的对准面积最大，保证较高的驻车充电功率和效率。所述线圈的纵向长度，是指汽车行进方向上的地面发射线圈或车载接收线圈的长度。

所述行车充电区段与驻车充电区段可以根据路况信息与能量需求在路段内任意交叉排列，本发明无线能量传输装置同时也兼容驻车充电。

所述区段直流母线开关是连接每个区段高频逆变器与所在路段直流母线的可控开关，用于控制该区段的供电与否。区段直流母线开关可以是机械开关，如接触器、功率型继电器，也可以是由双向功率电力电子器件组成的电力电子开关。

所述位置检测装置安装在区段与区段之间，即安装在本区段端首地面发射线圈与上一区段端尾地面发射线圈之间，以及本区段端尾地面发射线圈与下一区段端首地面发射线圈之间。当检测到电动汽车驶入某一区段时，闭合该区段直流母线开关，该区段内所有地面端发射线圈开始供电；当检测到电动汽车驶出某一区段时，断开该区段直流母线开关，该区段内所有地面端发射线圈停止供电。

无论是地面端谐振匹配网络还是接收端谐振匹配网络均采用T型阻抗匹配拓扑。T型阻抗匹配拓扑由左臂、右臂和下臂三个匹配元件组成，三个臂通过一个公共点连接在一起形成T形拓扑后，各自剩下一个自由端。作为地面端谐振匹配网络时，左臂自由端与下臂自由端连接高频逆变器。右臂自由端与下臂自由端连接地面端发射线圈。作为接收端谐振匹配网络时，左臂自由端与下臂自由端连接接收端变换器，右臂自由端与下臂自由端连接车载接收线圈。

T型阻抗匹配拓扑的下臂由电容元件或电感元件构成，右臂为电容元件或电感元件或不采用任何元件，左臂为独立的电容元件或独立的电感元件或电容元件与电感元件的串联。合理设计T型阻抗匹配拓扑的三臂参数，使得电动汽车驶入某一区段内时，接收线圈反射到电动汽车所覆盖的地面发射线圈和反射到电动汽车未覆盖的其它地面发射线圈的阻抗不同，电动汽车所覆盖的地面发射线圈工作在额定电流模式，而电动汽车未覆盖的地面发射线圈工作在小电流模式，可以最大化***效率，同时也降低了电动汽车未覆盖的地面发射线圈周围的电磁辐射。

与现有的技术方案相比，本发明具有如下优点：

1.根据能量需求及道路情况实现按路段、分区段两级能量管理；

2.每个区段供电独立可控，所用逆变器、直流开关、位置检测装置的数量较少，***成本和***复杂度较低；

3.线圈模块化设计，安装简单，便于工程实现；

4.可兼容驻车充电；

5.避免了高频高压交流母线长引线，兼具良好的安全性和经济性。

附图说明

图1本发明无线能量传输装置结构图；

图2应用在公交站台的本发明无线能量传输装置构成与接线图；

图3应用在公交车始发站或终点站给电动公交车进出站进行动态无线充电的无线能量传输装置结构图；

图中，1车载能量接收及变换装置，10车载接收线圈，11接收端谐振匹配网络，12接收端变换器，3电动汽车行驶车道，32电动汽车行车充电区域，2地面能量供给与发射装置，21-10～21-m0…2m-10～2m-k0地面发射线圈阵列，21-11～21-m1…2m-11～2m-k1地面端谐振匹配网络，2-1-2～2-(m-1)-m位置检测装置，21-2～2m-2区段高频逆变器，21-3～2m-3区段直流母线开关，21-4～2n-4路段大功率整流器，21-40～2n-40路段直流母线；

图4地面端或接收端谐T型阻抗匹配网络结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明无线能量传输装置由安装在电动汽车上的车载能量接收及变换装置，以及安装在行车充电车道上的地面能量供给与发射装置构成。安装有地面能量供给与发射装置的车道称为行车充电车道，无论电动汽车在行车充电车道上处于行驶状态还是停泊状态，电能都能通过感应无线能量传输的方式从地面能量供给与发射装置传输到车载能量接收及变换装置，最后储存到电动汽车的动力电池中。

如图1所示，车载接收线圈10，接收端谐振匹配网络11，以及接收端变换器12构成了车载能量接收及变换装置1。车载接收线圈10连接到接收端谐振匹配网络11的输入端，接收端谐振匹配网络11的输出端连接接收端变换器12的输入端，接收端变换器的输出端连接到电动汽车的动力电池的输入端，车载接收线圈10输出的高频交流电能经过接收端变换器12后转化成直流电，输入电动汽车的动力电池。

地面能量供给与发射装置2包括路段大功率整流器、区段直流母线开关、区段高频逆变器、位置检测装置、地面端谐振匹配网络及地面发射线圈。地面发射线圈沿着车道中心线依次排列，铺设在整个行车充电车道的路面表面或埋在车道路面下，地面端谐振匹配网络与地面发射线圈一一对应，每个地面发射线圈连接在各自对应的地面端谐振匹配网络的输出端。单个或连续多个发射线圈合并成为一个区段，相邻区段之间安装有位置检测装置，每个区段配有一台区段高频逆变器。连续多个区段合并成一个路段，每个路段配有一台路段大功率整流器。同一个区段内的所有地面端谐振匹配网络的输入端并联，连接在同一个区段的高频逆变器上。各个区段的高频逆变器通过各自的区段直流母线开关并联在所在路段的路段大功率整流器上。路段大功率整流器就近通过城市配电***接入配电网。

如图1所示，行车充电车道划分为n个路段，各个路段分别安装了路段大功率整流器21-4～2n-4，21-40～2n-40分别为各个路段的路段直流母线。这n个路段又细分为m个区段，其中第1到第i区段属于第1路段，第j区段到第m区段属于第n路段，第i+1区段到第j-1区段构成了第2路段第n-1路段。21-2～2m-2分别为各个区段的区段高频逆变器，21-3～2m-3分别为各个区段的区段直流母线开关，2-1-2～2-(m-1)-m分别为各相邻区段之间的位置检测装置。

特别的，第1区段、第j区段为驻车充电区段，驻车充电区段的地面发射线圈尺寸相对较小，整个区段只有一个地面发射线圈；第2区段、第m区段为行车充电区段，地面发射线圈尺寸相对较大，整个区段有k个地面发射线圈；m个区段总共有21-10～21-m0…2m-10～2m-k0地面发射线圈，21-11～21-m1…2m-11～2m-k1分别为这些发射线圈各自的地面端谐振匹配网络。

m、n、k均为正整数，n<＝m，k表示某个区段内的地面发射线圈的数量；k在数值上约等于该区段总长度除以该区段地面发射线圈纵向长度与排列间距之和所得的商。各个区段的k值不一定相等。

图2所示为应用在公交站台，为电动公交车进出站进行动态无线充电的本发明实施例。该实施例由一个大功率整流器21-4以及一段路段直流母线21-40供电，直流母线连接进站区段、站台驻车区段以及出站区段3个区段。21-2、21-3分别为进站区段的区段高频逆变器和进站区段的区段直流母线开关，22-2、22-3分别为站台驻车区段的区段高频逆变器和站台驻车区段的区段直流母线开关，23-2、23-3分别为出站区段的区段高频逆变器和出站区段的区段直流母线开关，站台驻车区段包含一个地面发射线圈22-10及其谐振匹配网络22-11，进站区段和出站区段机构对称，均包含k组地面发射线圈及其谐振匹配网络21-10…21-k0，21-11…21-k1(23-10…23-k0,23-11…23-k1)。22-10铺设在站台处，当电动公交车到站停车后乘客上下车的时间段内工作。22-2的容量按站台驻车充电功率设计，21-10…21-k0铺设在进站路线上，23-10…23-k0铺设在出站路线上。相应的，21-2、23-2的容量按进出站行车充电功率设计，较22-2的容量低。电动公交车进站时首先被位置检测装置2-0-1检测到，此时区段母线开关21-3闭合，启动进站区段逆变器以及相应发射线圈工作，开始给电动公交车进行动态充电，随后公交车经过2-1-2，并停靠在站台，此时区段母线开关21-3断开，22-3闭合，启动站台驻车区段逆变器以及相应发射线圈工作，开始给电动公交车进行大功率的驻车充电，出站过程与进站过程相反，依次断开22-3，23-3。

图3所示为应用在公交车始发站或终点站，给电动公交车进出站进行动态无线充电的本发明实施例。该实施例的结构组成为图1所示的公交站台给电动公交车进出站进行动态无线充电的实施例的一半，只有前者的进站过程或者出站过程，由于公交车到站具有更充裕的时间进行精确停车，可以保证驻车时地面发射线圈与车载接收线圈精确对准，因此始发站或终点站驻车区段的地面发射线圈20-10可以做得更小，大功率整流器21-4以及驻车区段逆变器22-2的容量可以设计得更大。

Claims (7)

1.一种用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置，其特征在于，所述无线能量传输装置由安装在电动汽车上的车载能量接收及变换装置(1)，以及安装在行车充电车道上的地面能量供给与发射装置(2)构成；电能通过感应无线能量传输的方式从地面能量供给与发射装置(2)传输到车载能量接收及变换装置(1)，最后储存到在行车充电车道上的电动汽车的动力电池中；行车充电车道为安装有地面能量供给与发射装置(2)的车道。

2.根据权利要求1所述的用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置，其特征在于，所述的车载能量接收及变换装置(1)由车载接收线圈(10)、接收端谐振匹配网络(11)，以及接收端变换器(12)构成；车载接收线圈(10)连接到接收端谐振匹配网络(11)的输入端，接收端谐振匹配网络(11)的输出端连接接收端变换器(12)的输入端，接收端变换器(12)的输出端连接电动汽车的动力电池的输入端。

3.根据权利要求1所述的用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置，其特征在于，所述的地面能量供给与发射装置(2)包括路段大功率整流器、区段直流母线开关、区段高频逆变器、位置检测装置、地面端谐振匹配网络及地面发射线圈；地面发射线圈沿着行车充电车道中心线依次排列，铺设在整个行车充电车道的路面表面或埋在车道路面下；地面端谐振匹配网络与地面发射线圈一一对应，每个地面发射线圈连接在各自对应的地面端谐振匹配网络的输出端；单个或连续多个发射线圈合并成组，每组称之为一个区段，相邻区段之间安装有位置检测装置，每个区段配有一台区段高频逆变器；连续多个区段合并成路段，每个路段配有一台路段大功率整流器；同一个区段内的所有地面端谐振匹配网络的输入端并联在该区段的区段高频逆变器上；各个区段的区段高频逆变器通过各自的区段直流母线开关并联在所在路段的路段大功率整流器上；路段大功率整流器就近通过城市配电***接入配电网。

4.根据权利要求2或3所述的用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置，其特征在于，所述的地面端谐振匹配网络和接收端谐振匹配网络(11)均采用T型阻抗匹配拓扑；T型阻抗匹配拓扑由左臂、右臂和下臂三个匹配元件组成，左臂、右臂和下臂通过一个公共点连接在一起形成T形拓扑后，各自剩下一个自由端；作为地面端谐振匹配网络时，左臂自由端与下臂自由端连接高频逆变器，右臂自由端与下臂自由端连接地面端发射线圈；作为接收端谐振匹配网络时，左臂自由端与下臂自由端连接接收端变换器，右臂自由端与下臂自由端连接车载接收线圈；T型阻抗匹配拓扑的下臂为电容元件或电感元件，右臂为电容元件或电感元件或不采用任何元件，左臂为独立的电容元件或独立的电感元件或电容元件与电感元件的串联；当电动汽车驶入某一区段内时，接收线圈反射到电动汽车所覆盖的地面发射线圈和其它电动汽车未覆盖的地面发射线圈的阻抗不同，电动汽车所覆盖的地面发射线圈工作在额定电流模式，而电动汽车未覆盖的地面发射线圈工作在小电流模式。

5.根据权利要求3所述的用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置，其特征在于，所述的位置检测装置安装在区段与区段之间，即安装在本区段端首地面发射线圈与上一区段端尾地面发射线圈之间，以及本区段端尾地面发射线圈与下一区段端首地面发射线圈之间。

6.根据权利要求3所述的用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置，其特征在于，所述的区段分为行车充电区段和驻车充电区段，行车充电区段和驻车充电区段根据路况信息与能量需求在路段内任意交叉排列。

7.根据权利要求3或6所述的用于电动汽车行车充电的无线能量传输装置，其特征在于，所述行车充电区段的地面发射线圈的纵向长度与车载接收线圈的纵向长度在同一个数量级内，地面发射线圈的纵向长度小于车载接收线圈纵向长度的10倍，同一区段内的地面发射线圈的纵向长度相同；驻车充电区段的地面发射线圈的数量、纵向长度均与车载接收线圈数量、纵向长度相近；所述线圈的纵向长度是指汽车行进方向上的地面发射线圈或车载接收线圈的长度。