CN107579585A - 电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路及其充电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路，是自上而下的四层结构，第二层内设置有光伏电池阵列、***及检测器和功率发射模块；光伏电池阵列与功率发射模块的连接关系包括下述两种情形之一，即光伏电池阵列与功率发射模块呈间隔交替串接或是各自相连；第三层内设置有集电装置及监控***、蓄电池、控制器和逆变器。当电动汽车行驶通过，其接收线圈的固有频率与电磁场频率相同时，接收电路产生振荡电流，完成磁场到电能的转换，为行驶的电动汽车内部蓄电池充电。本发明可充分利用太阳能、充电过程安全、充电效率高，解决电动汽车普遍存在的充电时间长、行驶距离短的瓶颈问题，显著提高电动汽车充电效率、延长电动汽车行驶距离。

Description

电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路及其充电方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车行驶中充电方法，特别是涉及一种利用磁共振耦合方式为电动汽车持续行驶中充电的***及相应光伏智能道路布设方法。
背景技术
随着世界经济快速发展，石油、天然气等化石能源加速消耗，为以石油为主要能源的汽车产业带来了能源危机；与此同时，环境保护意识的提升，人们更加注重低碳出行，电动汽车得到飞速发展。如果供应电动汽车的电力仍由化石燃料发电厂发出，简单地以电动汽车替代内燃机汽车并不足以缓解化石能源危机，另一方面，目前普及的电动汽车充电方式仍为静止充电。在静止充电模式下为了缩短充电时间需要提高供电功率，但提高充电功率相应就对充电装置的性能及电网功率提出更高的要求。通常家庭内个人充电桩和公共区域充电桩功率一般低于40kW，充电时间较长；快速充电站的功率较大，但其充电设施与公共电网的连接会造成供公共电网的运行不稳定。此外，现有电动汽车的蓄电池容量有限，使得电动汽车行驶距离较短，上述因素都是制约电动汽车发展的关键问题和瓶颈。为有效解决上述问题，必须改变现有充电模式，将静态充电改为动态充电。
要实现动态充电，需要从两个技术入手。首先是应用太阳能砖(内含电池)进行发电取代化石燃料发电方面。目前太阳能砖大多铺设于步行街、广场地面、建筑物墙壁，为附近设施供电、向输电网供电、墙面指示等。申请公布号为CN104485872A《一种集电式太阳能砖》的发明专利提出了一种集电式太阳能砖，通过将砖主体与太阳能电池板相对端的端面加工为内凹的弧形，增加太阳能电池板的受光角度，采用插接的方式将两太阳能砖串联在一起，避免外部复杂的线路布置，使用灵活性高；授权公布号为CN204059127U《具有光伏发电功能的地砖》的实用新型专利提出了一种包括多个电池片排列而成的电池片组件，构成方形电池片和三角形电池片，可根据使用的需要将其单独使用或组合使用，形成不同形状的地砖，从而有效利用地面进行光伏发电；授权公布号为CN201433521Y《太阳能砖瓦》的实用新型专利提出了一种利用太阳能发电的建筑用砖瓦，应用于楼体表面。上述三种太阳能砖发电后向输电网供电，再输出到用电设备，需要数千公里的电力线传送，传输过程中会造成大量电能损失，电能利用率较低。
授权公布号为CN202688815U《一种具有指示功能的太阳能砖》的实用新型专利提出了一种使用太阳能为指示牌提供能源的太阳能砖，砖体表面设置有太阳能电池板，利用太阳能发电为砖体上的LED供电，达到指示作用。该专利为太阳能砖产生的电能应用于LED显示提出了具体方案，但应用范围仍较为局限。授权公布号为CN205558391U《太阳能充电型立体车库》的实用新型专利提出了一种利用太阳能电力为电动汽车停放充电的立体车库，通过布置在车库屋顶或者侧壁上的多个太阳能电池板连接到驱动***和充电***，为电动汽车充电。该专利提出了将太阳能产生的电力就地为电动汽车充电的方案，但充电方式为充电桩式，占地面积大、充电时间长，较难推广。
近年来，国外也提出了诸多太阳能道路方案，其中专利号为USD712822《SolarRoadway Panel》美国设计专利提出了一种六边形造型的嵌有光伏电池板的钢化玻璃面板，该面板能利用太阳能发电，铺设在公路上，实现收集太阳能发电、提供LED照明等功能。同时提出了利用该面板产生的电能，为路边的充电桩提供电能，为电动汽车充电，但其本质仍为静态充电。
另一方面，现有技术中电动汽车的充电方法一般有充电桩、市电充电及速换电池等方式，其电池或汽车充电时间慢、充电装置大、充电过程繁琐，极大地约束电动汽车的推广。为了节省充电桩的空间位置，逐渐提出了电动汽车的无线充电方法。可应用的无线电能传输技术主要有电磁感应式、无线电波式和磁场共振式。申请公布号为CN103326447A《电动车无线充电***》的发明专利提出了一种包括安装于电动汽车底盘的无线充电接收模块、放置于停车充电区地面的无线充电发射模块和位置探测模块的电动车无线充电***；申请公布号为CN104682489A《电动车、无线充电***及电动车无线充电方法》的发明专利提出了一种包括信息获取模块和车载通讯模块的电动车，其特征在于：在无线充电***对电动车充电时，车载通讯模块和通讯服务模块之间可以基于通信连接传输信息，从而使得无线充电***能够实时监控电动汽车的充电状态；申请公布号CN105226745A《电动车用无线充电电池组及其充电方法及电动车》的发明专利提出了一种电动车用无线充电电池组及其充电方法及电动车，该充电方法需和无线充电装置配合使用，靠近无线充电装置的藕合接收线圈会产生感生电压，感生电压通过整流稳压模块进行全波整流和降压、稳压处理，输出恒定电压给充电管理模块，通过充电管理模块对电池组进行充电；申请公布号为CN104935020A《用于电动汽车的无线充电***及无线充电方法》的发明专利提出了一种基于磁场耦合原理的无线充电***，该***包括第一充电装置和第二充电装置，通过判定电池单体平均温度控制无线充电***充电模式，即第一充电装置与第二充电装置之间可以相互进行能量回馈，从而可以在低温环境下充电，并把多余的电能返还给第一无线充电装置。上述专利针对电动汽车无线充电方案的创新集中于实现充电过程中的通讯和监测充电状态的方法，对充电功率提及较少，且上述方法仍均需停车充电，对解决电动汽车现存的充电时间长、充电不方便的实际问题没有给出具体方案。
申请公布号为CN104319824A《电动车充电方法及***》的发明专利提出了一种能够延长电动汽车的行驶时间、使得电动汽车的电能得以及时补充的电动汽车充电***。通过位于公路上的电能发射器，对电动汽车内的电能接收器充电，其中电能发射器由磁场源组成，电能接收器由磁线圈组成，利用电动汽车切割磁感线运动产生电能。该专利提出的电动汽车充电方法虽理论上可以实现动态充电，但公路两边的磁场源极容易造成辐射污染，对周边生物及电子器件都存在危害，且充电效率不高。
2016年，国外高通科技提出一种动态无线充电技术，在公路上设置充电设备，电动车行驶在路上就可以实现自动充电。该方法应用无线充电方式，同样对于周边生物及电子器件都存在危害，且对于运行电网造成冲击。
从上述分析可以看到，目前还没有提出应用太阳能为电动汽车行驶充电的方案，特别是应用光伏电池铺路的方式。
发明内容
基于上述现有电动汽车充电技术存在问题，本发明目的在于提出一种电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路，道路结构包括光伏电池阵列、钢化玻璃保护层、集电装置及监控***、蓄电池、控制器、逆变器、***及检测器和功率发射模块，实现电动汽车行驶充电。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路，是自上而下的四层结构，最上层为钢化玻璃保护层，所述钢化玻璃层用于透光及保护设置在第二层和第三层内的器件；第二层内设置有光伏电池阵列、***及检测器和功率发射模块；所述光伏电池阵列与所述功率发射模块的连接关系包括下述两种情形之一，即所述光伏电池阵列与所述功率发射模块呈间隔交替串接或是各自相连；第三层内设置有集电装置及监控***、蓄电池、控制器和逆变器，第四层为隔离保护层起到防护支撑的作用；所述集电装置及监控***分别与所述光伏电池阵列和所述蓄电池相连，所述集电装置及监控***用以将所述光伏电池阵列产生的电能汇集到所述蓄电池并对所述光伏电池阵列的状态进行监控；所述蓄电池与所述逆变器相连，所述逆变器还与所述功率发射模块相连，所述逆变器用于将电能供给所述功率发射模块；所述集电装置及监控***、***及检测器、逆变器和所述蓄电池均连接至所述控制器，所述控制器通过所述***及检测器反馈的信息控制所述蓄电池实现电能的贮存、控制所述功率发射模块实现电能的发射。
利用上述电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路实现充电的方法是，在电动汽车的底盘上设有与所述***及检测器相匹配的***及发射器及与所述功率发射模块匹配的接收线圈；并包括以下步骤：
步骤一、所述光伏电池阵列在光照下产生电能，所述集电装置及监控***将所产生的电能集中并对所述光伏电池阵列状态进行监控，所述控制器判断当前光伏电池阵列中正常工作的光伏电池的数量是否≥60％光伏电池的总数，作以下处理：状态一、若光伏电池阵列中60％以上光伏电池正常工作，则显示该光伏智能道路可正常为行驶电动汽车充电，并将电能贮存到蓄电池或通过电力线输出；执行步骤二；状态二、若光伏电池阵列中小于60％光伏电池阵列正常工作，则显示该光伏智能道路不能为行驶电动汽车充电，并停止工作，等待维修；
步骤二、所述***及检测器判断光伏智能道路上是否有行驶的电动汽车，如果有行驶的电动汽车，所述***及检测器中的检测器启动；
步骤三、该检测器通过该电动汽车上的发射器判断该电动汽车是否需要充电，若需要充电，执行步骤四；否则，重复执行步骤三，直至该电动汽车驶出该光伏智能道路；
步骤四、所述***及检测器中的***确定该电动汽车的位置，控制器向逆变器发出指令，将所述蓄电池中的电能转换为高压交流电；根据电动汽车的***及发射器反馈的该电动汽车接收线圈的固有频率信息，所述功率发射模块调节发射电磁场频率与电动汽车接收线圈的固有频率一致，发射电磁波对该电动汽车进行磁共振充电，直至完成充电；返回步骤三。
进一步讲，本发明充电方法的步骤一中，经过电力线输出的电能用于路道辅助设施的供电。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路，道路面下功率发射线圈通过磁共振耦合方式实现电能-电磁场-电场的转换，其中的光伏电池在光照下产生电能，集电装置及监控***将电能汇集到蓄电池储存或由电力线输出，***判断电动汽车位置，检测器获取电动汽车电池状态，再经由控制器、逆变器及功率发射模块，电能由功率发射模块的自振发射线圈向外发射，将电能转换为电磁场，当电动汽车行驶通过，其接收线圈的固有频率与电磁场频率相同时，接收电路产生振荡电流，完成磁场到电能的转换，通过磁共振耦合方式为需要充电的行驶的电动汽车内部蓄电池实时充电，驱动电动汽车行驶；充电过程不影响行驶，显著提高电动汽车充电效率，增加电动汽车的行驶距离，同时无线充电距离近，对于周边生物及电子器件辐射危害较低。
本发明具有可充分利用太阳能、充电过程安全、充电效率高等优点，解决电动汽车普遍存在的充电时间长、行驶距离短的瓶颈问题，显著提高电动汽车充电效率、延长电动汽车行驶距离。
附图说明
图1为本发明电动汽车行驶充电的光伏智能道路的串行结构示意图；
图2为本发明电动汽车行驶充电的光伏智能道路的构成框图；
图3为本发明光伏智能道路对电动车进行行驶充电的示意图；
图4为利用本发明的光伏智能道路实现充电的流程图。
图中：
1-钢化玻璃保护层，2-光伏电池阵列，3-集电装置及监控***，4-蓄电池，5-***，6-功率发射模块，7-控制器，8-逆变器，9-隔离保护层，10-电动汽车***，11-电动汽车蓄电池，12-接收线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提出的一种电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路，是自上而下的四层结构。
如图1所示，最上层为钢化玻璃保护层1，所述钢化玻璃层1用于透光及保护设置在第二层和第三层内的器件。第二层内设置有光伏电池阵列2、***及检测器5和功率发射模块6，其中***可为红外***或GPS***；所述光伏电池阵列2与所述功率发射模块6的连接关系包括下述两种情形之一，即所述光伏电池阵列2与所述功率发射模块6呈间隔交替串接或是各自相连，连接方式根据道路具体情况而定，图1示出了串联的形式。第三层内设置有集电装置及监控***3、蓄电池4、控制器7和逆变器8。第四层为隔离保护层9起到防护支撑的作用。
如图2所示，所述集电装置及监控***3分别与所述光伏电池阵列2和所述蓄电池4相连，所述集电装置及监控***3用以将所述光伏电池阵列2产生的电能汇集到所述蓄电池4并对所述光伏电池阵列2的状态进行监控，当光伏电池阵列损坏过多或电压过低时，发出报警信号通知维修人员进行维修，同时该光伏智能道路停止工作。所述蓄电池4与所述逆变器8相连，所述逆变器8还与所述功率发射模块6相连，所述逆变器8用于将电能供给所述功率发射模块6。所述集电装置及监控***3分别与所述逆变器8和蓄电池4相连，集电装置通过将光伏电池阵列串联及并联，光伏电池阵列的电能汇集为高压直流电贮存于蓄电池4，所述逆变器8还与所述功率发射模块6相连，所述逆变器8用于将直流电转换为交流电，将电能供给所述功率发射模块6。所述集电装置及监控***3、***及检测器5、逆变器8和所述蓄电池4均连接至所述控制器7，所述控制器7通过所述***及检测器5反馈的信息控制所述蓄电池4实现电能的贮存、控制所述功率发射模块6实现电能的发射。
如图4所示，利用本发明提出的电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路实现电动汽车行驶中连续充电的方法，如图3所示，在电动汽车的底盘上设有与所述***及检测器5相匹配的***及发射器10及与所述功率发射模块6匹配的接收线圈12；并包括以下步骤：
步骤一、所述光伏电池阵列2在光照下产生电能，所述集电装置及监控***3将所产生的电能集中并对所述光伏电池阵列2状态进行监控，所述控制器7根据光伏电池阵列2的状态不同，即所述控制器7判断当前光伏电池阵列2中正常工作的光伏电池的数量是否≥60％光伏电池的总数，并作以下处理：
状态一，阵列中60％以上光伏电池正常工作，则显示该光伏智能道路可正常为行驶电动汽车充电，并将电能贮存到蓄电池或电力线输出经过电力线输出的电能可以用于路道辅助设施的供电，如供给路灯、指示牌等；执行步骤二；
状态二，阵列中小于60％光伏电池阵列正常工作，则显示该光伏智能道路不能为行驶电动汽车充电，并停止工作，直至进行维修；
步骤二、所述***及检测器5判断光伏智能道路上是否有行驶的电动汽车，如果有行驶的电动汽车，所述***及检测器5中的检测器启动，
步骤三、该检测器通过该电动汽车上的***及发射器10判断该电动汽车是否需要充电，电动汽车上的***及发射器10与路面***反馈位置信息及电动汽车蓄电池状况，若需要充电，执行步骤四；否则，重复执行步骤三，直至该电动汽车驶出该光伏智能道路；
步骤四、通过所述***及检测器5中的***与电动汽车上的***及发射器10中的***配对，确定该电动汽车的位置，反馈定位成功信号给控制器，控制器7向逆变器8发出指令，将所述蓄电池4中的电能转换为高压交流电，所述功率发射模块6发射电磁场，根据电动汽车的***及发射器10反馈的该电动汽车接收线圈的固有频率信息，所述功率发射模块6调节发射电磁场频率与电动汽车接收线圈12的固有频率一致，发射电磁波对该电动汽车进行磁共振充电，直至完成充电；返回步骤三。
本发明提出的电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路可充分利用太阳能发电，有效缓解化石能源危机，不仅可智能地供给电动汽车充电，还可以供给路灯、指示牌电能等。并提出了电动汽车行驶充电的方案，解决了电动汽车普遍存在的充电时间长、行驶距离短的瓶颈问题，显著提高电动汽车充电效率、拓展电动汽车应用范围。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路，是自上而下的四层结构，其特征在于，
最上层为钢化玻璃保护层(1)，所述钢化玻璃层(1)用于透光及保护设置在第二层和第三层内的器件；
第二层内设置有光伏电池阵列(2)、***及检测器(5)和功率发射模块(6)；所述光伏电池阵列(2)与所述功率发射模块(6)的连接关系包括下述两种情形之一，即所述光伏电池阵列(2)与所述功率发射模块(6)呈间隔交替串接或是各自相连；
第三层内设置有集电装置及监控***(3)、蓄电池(4)、控制器(7)和逆变器(8)；
第四层为隔离保护层(9)起到防护支撑的作用；
所述集电装置及监控***(3)分别与所述光伏电池阵列(2)和所述蓄电池(4)相连，所述集电装置及监控***(3)用以将所述光伏电池阵列(2)产生的电能汇集到所述蓄电池(4)并对所述光伏电池阵列(2)的状态进行监控；
所述蓄电池(4)与所述逆变器(8)相连，所述逆变器(8)还与所述功率发射模块(6)相连，所述逆变器(8)用于将电能供给所述功率发射模块(6)；
所述集电装置及监控***(3)、***及检测器(5)、逆变器(8)和所述蓄电池(4)均连接至所述控制器(7)，所述控制器(7)通过所述***及检测器(5)反馈的信息控制所述蓄电池(4)实现电能的贮存、控制所述功率发射模块(6)实现电能的发射。
2.一种实现电动汽车行驶中连续充电的方法，其特征在于，利用如权利要求1所述电动汽车行驶中连续充电的光伏智能道路，并在电动汽车的底盘上设有与所述***及检测器(5)相匹配的***及发射器(10)及与所述功率发射模块(6)匹配的接收线圈(12)；并包括以下步骤：
步骤一、所述光伏电池阵列(2)在光照下产生电能，所述集电装置及监控***(3)将所产生的电能集中并对所述光伏电池阵列(2)状态进行监控，所述控制器(7)判断当前光伏电池阵列(2)中正常工作的光伏电池的数量是否≥60％光伏电池的总数，作以下处理：
状态一、若光伏电池阵列(2)中60％以上光伏电池正常工作，则显示该光伏智能道路可正常为行驶电动汽车充电，并将电能贮存到蓄电池(4)或通过电力线输出；执行步骤二；
状态二、若光伏电池阵列(2)中小于60％光伏电池阵列正常工作，则显示该光伏智能道路不能为行驶电动汽车充电，并停止工作，等待维修；
步骤二、所述***及检测器(5)判断光伏智能道路上是否有行驶的电动汽车，如果有行驶的电动汽车，所述***及检测器(5)中的检测器启动；
步骤三、该检测器通过该电动汽车上的发射器(10)判断该电动汽车是否需要充电，若需要充电，执行步骤四；否则，重复执行步骤三，直至该电动汽车驶出该光伏智能道路；
步骤四、所述***及检测器(5)中的***确定该电动汽车的位置，控制器(7)向逆变器(8)发出指令，将所述蓄电池(4)中的电能转换为高压交流电；根据电动汽车的***及发射器(10)反馈的该电动汽车接收线圈的固有频率信息，所述功率发射模块(6)调节发射电磁场频率与电动汽车接收线圈(12)的固有频率一致，发射电磁波对该电动汽车进行磁共振充电，直至完成充电；返回步骤三。
3.根据权利要求2所示实现电动汽车行驶中连续充电的方法，其特征在于，步骤一中，经过电力线输出的电能用于路道辅助设施的供电。
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