CN106080233A - 一种一对多电动汽车路面供电***功率及效率调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一对多电动汽车路面供电***功率及效率调节方法，采用大尺寸的发射线圈给多个小尺寸的接收线圈同时供电。功率控制方法通过检测源端电流的变化判断充电汽车数量的变化，然后调节电源的输出电压，保证单台电动汽车的接收功率始终保持不变。效率优化方法通过接收侧的阻抗匹配网络调节负载特性，使得在为不同数量电动汽车供电时都能获得最大效率。

Description

一种一对多电动汽车路面供电***功率及效率调节方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术的应用领域，特别涉及电动汽车路面供电***的具体控制和优化方法。

背景技术

以电池组作为动力源的纯电动汽车具有低噪声、零排放的优点，是具有广阔发展前景的一种绿色交通工具，但充电难的问题仍然是阻碍其发展的一大绊脚石。与传统有线充电方式相比，无线充电的方式不需要频繁的操作，可以避免插头插座机械摩擦带来的漏电事故，另外也无需占用大量的土地资源。然而另一方面，由于动力电池技术的限制，电动汽车本身还存在以下问题：续航里程短，充电时间长，充电频繁，电池组笨重等。为此，电动汽车路面供电的技术被提出，在路面安装发射线圈，就可以实现电动汽车的边走边充，极大地提高了电动汽车的续航能力。但现有的电动汽车用路面无线供电技术多集中在“单发射线圈单接收线圈”(“一对一”)或“多发射线圈单接收线圈”(“多对一”)***的研究上，关于“单发射线圈多接收线圈”(“一对多”)的研究还鲜有涉足。与多发射线圈***相比，单发射线圈***的电能变换装置少，***的效率高，因此采用“一对多”路面供电***更具有实用性。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种一对多电动汽车路面供电***功率及效率调节方法，实现率和效率的调节。

技术方案：一种一对多电动汽车路面供电***功率及效率调节方法，所述一对多电动汽车路面供电***包括布置在路面的无线电能发射部分，设置在电动汽车上的无线电能接收部分，所述无线电能发射部分包括发射线圈、高频电源、发射侧阻抗匹配网络，所述无线电能接收部分包括接收线圈、负载以及接收侧阻抗匹配网络；设定接入该***的电动汽车的无线电能接收部分完全相同；包括如下步骤：

步骤1)，通过检测发射线圈回路的电流变化来判断电动汽车的接入或退出充电动作，具体为：若当前时刻有N辆电动汽车接入同一个发射线圈进行充电时，发射线圈回路的电流I₀(N)为：

$I_0\left(N\right)=\frac{U_0}{Z_0+{\mathrm{N\ω}}^2{M_0}^2/Z}$

其中，U₀为高频电源电压，Z₀为无线电能发射部分的阻抗，ω为***的工作频率，M₀为任一接收线圈与发射线圈之间的互感，Z为任一电动汽车的无线电能接收部分的阻抗；

当发生电动汽车接入或退出充电后，此时有N'辆电动汽车接入发射线圈进行充电，此时发射线圈回路的电流I₀(N)'为：

$I_0{\left(N\right)}^{\′}=\frac{U_0}{Z_0+{\mathrm{\ω}}^2{M_0}^2\underset{i=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}\frac{1}{Z}}$

步骤2)，根据实际接入***的电动汽车数量调节无线电能发射部分中高频电源的输出电压U₀'为：

${U_0}^{\′}=\frac{U_0}{I_0{\left(N\right)}^{\′}}{I}_0\left(N\right)$

步骤3)，调节接收侧阻抗匹配网络，当负载匹配系数T满足下式时，无线充电效率为最优；

$T=\sqrt{1+\frac{N^{\′}{k}^2{Q}_0{Q}_1}{1+T_0}}$

其中，k为任一接收线圈与发射线圈之间的耦合系数，Q₀为发射线圈的品质因数，Q₁为接收线圈的品质因数，T₀为电源侧的损耗系数。

有益效果：本发明的一种一对多电动汽车路面供电***功率及效率调节方法，通过在地面安装一个大尺寸的发射线圈，发射线圈上方均匀排布多个小尺寸接收线圈，即小尺寸接收线圈安装在电动汽车一侧，收发线圈之间通过磁场耦合接收到能量，进而为负载供电。本方法实现了稳定接收功率控制以及传输效率的最大化。稳定接收功率控制中，首先通过检测源端电流大小的变化来判断接收线圈数量的变化，接收线圈数量增加时源端电流减小，接收线圈数量减少时源端电流增加；然后根据检测到的接收线圈数量和单个接收线圈所需的功率来调节电源输出电压，以保证单个接收线圈的功率稳定。传输效率最大化控制中，根据不同接收线圈数量确定最优的匹配阻抗，使得***整体效率最高。

附图说明

图1为一对多电动汽车路面供电***的结构示意图；

图2为一对多电动汽车路面供电***等效电路图；

图3为不同负载数量下，单个负载接收功率与供电电压的关系；

图4为不同负载数量传输效率与负载大小的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

一对多电动汽车路面供电***，包括布置在路面的无线电能发射部分，设置在电动汽车上的无线电能接收部分，如图1所示的黑色区域为供电路段，路面的无线电能发射部分布置在该路段，灰色区域为普通路段，带方框小车代表正在充电的电动汽车，驾驶员根据电动汽车的实际电量发出充电请求，需要指出的是电动汽车路面供电***扮演的角色是电动汽车能量的补给方式之一，路面的控制***需要根据实际工况决定是否接受充电请求。

如图2所示，无线电能发射部分包括发射线圈、高频电源、发射侧阻抗匹配网络，无线电能接收部分包括接收线圈、负载以及接收侧阻抗匹配网络。设定接入该***的电动汽车的无线电能接收部分完全相同，R_S代表电源内阻，R_i和R₀分别代表收发线圈内阻，R_L代表接收线圈后端的等效电阻，R_L可以通过负载侧的阻抗匹配网络进行调节。L_i和L₀分别代表收发线圈的自感，C_i和C₀分别代表收发侧的谐振补偿电容。任一接收线圈与发射线圈之间的互感k为任一接收线圈与发射线圈之间的耦合系数。

基于上述***的功率及效率调节方法包括如下步骤：

步骤1)，通过检测发射线圈回路的电流变化来判断电动汽车的接入或退出充电动作，具体为：若当前时刻有N辆电动汽车接入同一个发射线圈进行充电时，根据基尔霍夫定律得到发射线圈回路的电流I₀(N)为：

$I_0\left(N\right)=\frac{U_0}{Z_0+{\mathrm{N\ω}}^2{M_0}^2/Z}$

其中，U₀为高频电源电压，Z₀为无线电能发射部分的阻抗，ω为***的工作频率，M₀为任一接收线圈与发射线圈之间的互感，Z为任一电动汽车的无线电能接收部分的阻抗；其中，Z₀＝jωL₀+1/jωC₀+R_S+R₀，Z＝jωL_i+1/jωC_i+R_L+R_i。

当发生电动汽车接入或退出充电后，此时有N'辆电动汽车接入发射线圈进行充电，此时发射线圈回路的电流I₀(N)'为：

$I_0{\left(N\right)}^{\′}=\frac{U_0}{Z_0+{\mathrm{\ω}}^2{M_0}^2\underset{i=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}\frac{1}{Z}}$

若电动汽车数量增大，则发射回路电流减小；反之，发射回路电流增大；通过检测上述I₀(N)'和I₀(N)的变化来判断电动汽车驶入或驶出充电路面。

步骤2)，根据实际接入***的电动汽车数量调节无线电能发射部分中高频电源的输出电压U₀'为：

${U_0}^{\′}=\frac{U_0}{I_0{\left(N\right)}^{\′}}{I}_0\left(N\right)$

通过上述控制，在充电电动汽车数量发生改变后发射侧的电流保持不变，保持负载端的接收功率不变。

步骤3)，调节接收侧阻抗匹配网络，根据实际充电汽车数量N'，当负载匹配系数T满足下式时，无线充电效率为最优；

$T=\sqrt{1+\frac{N^{\′}{k}^2{Q}_0{Q}_1}{1+T_0}}$

其中，k为任一接收线圈与发射线圈之间的耦合系数，Q₀为发射线圈的品质因数，Q₁为接收线圈的品质因数，T₀为电源侧的损耗系数。

在本发明的一对多电动汽车路面供电***中，当实际接入***的接收线圈数量为N'时，单个负载的接收功率P_i为：

$P_i=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M_0}^2{U_0}^2{R}_L}{{({\mathrm{ZZ}}_0+N^{\′}{\mathrm{\ω}}^2{M_0}^2)}^2}$

***的传输效率η为：

$\mathrm{\η}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}{P}_i}{U_0{I}_0}=\frac{N^{\′}{\mathrm{\ω}}^2{M_0}^2{R}_L}{Z({\mathrm{ZZ}}_0+N^{\′}{\mathrm{\ω}}^2{M_0}^2)}$

定义线圈的品质因数为Q，Q的大小表明了线圈损耗的大小，Q越大线圈的损耗就越小，反之损耗就越大，发射线圈和接收线圈的品质因数分别为负载匹配系数电源侧的损耗系数

***的传输效率η进一步表示为：

$\mathrm{\η}=\frac{N^{\′}{k}^2{Q}_0{Q}_{1}T}{(1+T)\left(\right(1+T\left)\right(1+T_0)+N^{\′}{k}^2{Q}_0{Q}_1)}$

将上式对T求导并置零求解可得，当时，效率取得极大值。

本实施例中电路模型的参数为：发射线圈电感L₀＝74.8μH，发射线圈内阻R₀＝0.53Ω，发射端补偿电容C₀＝47nF，接收线圈电感L_i＝21.4μH，接收线圈内阻R_i＝0.21Ω，接收端补偿电容C_i＝168nF。

固定接收负载R_L为10Ω，改变接入负载的数量，调节电源输出电压，得到单个负载接收功率与电压的关系如图3所示。接收相同功率50W时所对应的电压值分别为24V、25.5V和27.2V，与步骤2所述结论相一致。

改变接入负载R_L的大小，在不同负载个数情况下，分别测得输入和输出功率并计算得到***效率与负载大小的关系，如图4所示。负载个数N＝1、2、3所对应的最优负载值分别为4Ω、5.5Ω、7.1Ω，实验获得的效率最优点与理论求得的极大值点基本相同。

以上的分析结果表明，本发明提出的一对多电动汽车路面供电***功率及效率调节方法，一方面当充电汽车数量发生改变时通过调节电源输出电压可以稳定单台电动汽车的接收功率，另一方面通过接收侧的阻抗匹配可以显著提高***的工作效率。为电动汽车移动供电***的运行控制和优化提供了一定的参考价值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种一对多电动汽车路面供电***功率及效率调节方法，其特征在于：所述一对多电动汽车路面供电***包括布置在路面的无线电能发射部分，设置在电动汽车上的无线电能接收部分，所述无线电能发射部分包括发射线圈、高频电源、发射侧阻抗匹配网络，所述无线电能接收部分包括接收线圈、负载以及接收侧阻抗匹配网络；设定接入该***的电动汽车的无线电能接收部分完全相同；包括如下步骤：

步骤1)，通过检测发射线圈回路的电流变化来判断电动汽车的接入或退出充电动作，具体为：若当前时刻有N辆电动汽车接入同一个发射线圈进行充电时，发射线圈回路的电流I₀(N)为：

$I_0\left(N\right)=\frac{U_0}{Z_0+{\mathrm{N\ω}}^2{M_0}^2/Z}$

其中，U₀为高频电源电压，Z₀为无线电能发射部分的阻抗，ω为***的工作频率，M₀为任一接收线圈与发射线圈之间的互感，Z为任一电动汽车的无线电能接收部分的阻抗；

当发生电动汽车接入或退出充电后，此时有N'辆电动汽车接入发射线圈进行充电，此时发射线圈回路的电流I₀(N)'为：

$I_0{\left(N\right)}^{\′}=\frac{U_0}{Z_0+{\mathrm{\ω}}^2{M_0}^2\underset{i=1}{\overset{N^{\′}}{\Σ}}\frac{1}{Z}}$

步骤2)，根据实际接入***的电动汽车数量调节无线电能发射部分中高频电源的输出电压U₀'为：

${U_0}^{\′}=\frac{U_0}{I_0{\left(N\right)}^{\′}}{I}_0\left(N\right)$

步骤3)，调节接收侧阻抗匹配网络，当负载匹配系数T满足下式时，无线充电效率为最优；

$T=\sqrt{1+\frac{N^{\′}{k}^2{Q}_0{Q}_1}{1+T_0}}$

其中，k为任一接收线圈与发射线圈之间的耦合系数，Q₀为发射线圈的品质因数，Q₁为接收线圈的品质因数，T₀为电源侧的损耗系数。