CN112277669A - 一种分段线圈式电动汽车动态无线充电***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动汽车无线充电技术，具体涉及一种分段线圈式电动汽车动态无线充电***及方法，该充电***包括能量发射部分和能量接收部分；能量发射部分包括直流母线、原边激励源和多个动态无线充电单元；原边激励源包括分别逆变电源、原边控制器和原边串联补偿网络；各动态无线充电单元均包括多个充电组块、程控投切开关和电能参数检测单元；每个充电组块均包括第一发射线圈组块和第二发射线圈组块。该充电***在相同材料的基础上，发射线圈能够实现更高功率输出，同时具有更好的经济性。能够使发射线圈上方的磁通达到最大，实现高效率传输。避免了电磁辐射的影响，而且单个发射线圈故障不会导致总体充电***崩溃。

Description

一种分段线圈式电动汽车动态无线充电***及方法

技术领域

本发明属于电动汽车无线充电技术领域，尤其涉及一种分段线圈式电动汽车动态无线充电***及方法。

背景技术

目前汽车的发展正经历巨大的变化，越来越多的人出行选择电动汽车，从节能环保的角度来看，具有新型可代替能源的绿色智能交通电动汽车市场发展无疑是非常广阔的。

然而电动汽车的发展还不够成熟，一是现有动力电池技术发展遇到瓶颈，即在行驶过程中需要携带大容量的电池供电且续航时间较短，尤其在一些极端条件下，续航里程还会进一步降低。二是现有的充电基础设施和标准体系建设滞后，电动汽车充电桩有限，充电标准不统一，不能给用户提供便利的充电接口和服务。

现阶段的电动汽车在充电方式上分为有线充电和无线充电两种方式。有线充电方式是通过在一个特定的区域建造充电站，在充电站安装一系列的充电桩以满足电动汽车充电要求。该种方式占地面积大，且用户使用不方便。无线充电方式能大大改善前者的缺点。目前的无线充电技术可分为三种：微波辐射式、电场耦合式和磁场耦合式。现阶段电动汽车无线充电技术主要采用的是磁场耦合式，其原理是在路面下埋设一系列的发射线圈，通过电能变换电路产生高频交变磁场，由安装在电动汽车底部的拾取线圈拾取能量，从而为车载储能设备充电。磁场耦合式无线充电方式可使电动汽车在搭载少量的电池组的情况下，延长其续航里程使电能补给更加安全、便捷。

电动汽车无线充电方式又可分为静态无线充电和动态无线充电，两者充电方式的工作原理和***参数设计方法都相同，主要区别在于磁路机构的设计上。而电动汽车动态无线充电技术按照磁路机构的不同可以细分为三种：线圈阵列式、长导轨式、分段导轨式。下面将从线圈数量及充电效率、电压波动和建造周期及成本这三个方面简要叙述三种不同的磁路机构。

线圈阵列式电动汽车无线充电***所需的原边线圈数量较多，其控制较为复杂，建造周期较长，且由于线圈切换的位置较多，导致输出电压不稳定。优点在于***能量传输效率高，且由于导轨线圈之间是两两独立的，单个线圈故障不会影响到其他导轨线圈，***的可靠性强。

长导轨式电动汽车无线充电***仅有单个发射导轨，其***效率较低，且当导轨出现故障会使得全线无法正常工作。优点在于控制相较简单，输出电压波动小，建造周期较短。

分段导轨式电动汽车无线充电***所需的原边导轨数量较多，是多个相对小型的发射线圈依次排开组成的发射线圈链，控制较为复杂，且分段导轨产生的磁场具有横向偏移较大特点，充电范围受到限制。优点在于其能量传输效率较高，建造周期适中。

长导轨和分段导轨统一称为导轨式，区别在于磁路机构的长度不同。传统的线圈阵列式充电方式，对整条线路的线圈进行供电，实现电动汽车动态充电，但在电动汽车行驶过程中互感波动比较大。当发射线圈与电动汽车接收线圈圆心重合时，发射端与接收端的重合面积最大，磁场横向偏移为0，大多数磁通量穿过电动汽车接收线圈，能量传输功率最大。随着电动汽车沿行驶方向行驶，发射端与接收端的重合面积逐渐减小，磁场横向偏移增大，能量的传输功率就会降低。

发明内容

本发明的主要目的是针对现有的电动汽车无线充电技术，提出一种新型的磁路机构，改变电动汽车动态无线充电***结构，以实现增强发射端产生的场强，提高无线电能的传输效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种分段线圈式电动汽车动态无线充电***，包括能量发射部分和能量接收部分；能量发射部分包括直流母线、原边激励源和多个动态无线充电单元；原边激励源包括分别逆变电源、原边控制器和原边串联补偿网络；各动态无线充电单元均包括多个充电组块、程控投切开关和电能参数检测单元；每个充电组块均包括第一发射线圈组块和第二发射线圈组块；直流母线接入逆变电源，逆变电源与原边串联补偿网络连接，第一发射线圈组块和第二发射线圈组块并联在逆变电源输上；原边控制器与程控投切开关连接，程控投切开关分别与第一发射线圈组块和第二发射线圈组块和电能参数检测单元连接，第一、第二发射线圈组块并联后与电能参数检测单元串联连接；能量接收部分包括接收线圈，依次与之连接的高频整流电路、副边补偿网络以及负荷单元；多个充电组块采用分段式导轨排列预埋于行车路面下，接收线圈与发射线圈匹配且设置于电动汽车底部。

在上述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***中，第一发射线圈组块与第二发射线圈组块线性紧密连接，第一、第二发射线圈组块均包含四个海尔贝克排列的发射线圈，四个发射线圈纵向紧密排列，相邻两个发射线圈中心偏转角β＝45°，四个发射线圈串联连接；四个海尔贝克排列的发射线圈均选用稀土材料。

在上述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***中，第一、第二发射线圈组块绕线方向和结构相同，其中一个发射线圈组块反向接线，使第一、第二发射线圈组块具有180°的相位差。

在上述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***中，海尔贝克排列的各发射线圈采用利兹线绕制，其形状为圆柱形。

在上述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***中，电能参数检测单元与原边控制器之间通过RS485总线或CAN总线进行数据传输。

一种分段线圈式电动汽车动态无线充电***的充电方法，包括充电模式和休眠模式；

充电模式：处于充电模式下的动态无线充电单元将投切信号输入到程控投切开关，程控投切开关连通至原边控制器，实现连续充电；

无电动汽车经过无线充电路段时，充电组块连接在电能参数检测单元两端；有电动汽车经过无线充电路段时，其副边补偿网络为逆变状态，从副边向原边发出线圈电流信号，充电组块将产生磁场，接收线圈和充电组块的回路出现感应电流，交变磁链改变各发射线圈组块回流电流，电能参数检测单元检测到回流电流，并将检测结果传输至原边控制器中，原边控制器输出充电模式指令给程控投切开关，程控投切开关连通至充电组块，动态无线充电单元从休眠模式转化成充电模式；

在充电模式下，针对不同车速的电动汽车，对投切信号进行调整；车速较大的电动汽车投切信号的周期比车速较小的电动汽车投切信号的周期更小；若电动汽车车速变化很大，则原边控制器的指令优先级高于程控投切开关，充电模式到休眠模式的转换在原边控制器发出指令后执行；

休眠模式：处于休眠模式下的动态无线充电单元将投切信号输入到程控投切开关，程控投切开关连通至充电组块，使充电***进入休眠状态；

在休眠模式下，仅在检测到当前动态无线充电单元后方规定距离内无新的电动汽车出现时发出；当动态无线充电单元后方规定距离内无新的汽车出现，且充电组块回路的电流减小至最小值，则动态无线充电单元从充电模式转化为休眠模式。

在上述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***的充电方法中，该方法还包括将电动汽车接入互联网中，实现多辆电动汽车在充电车道上充电；

动态无线充电单元通过互联网获取电动汽车的速度大小和位置信息的数据以及电动汽车车载电池的电量数据；以电动汽车的速度和位置信息作为依据，充电模块提前接收到动态无线充电单元指令，与电动汽车所在处相邻的充电组块被唤醒进入充电工作状态；当后续的电动汽车随着前一辆进入无线充电路段时，原来处于工作状态的充电组块在没有接收到原边控制器的休眠工作指令前仍处于充电工作状态，充电工作指令优先级高于休眠工作指令；在充电***中，依据电动汽车的速度和位置信息的数据来匹配充电功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.与常规的线圈设计方式相比，本发明通过改变线圈组放置方向和排列结构，能够在相同的输入功率下，使发射线圈的漏磁通达到最小，从而达到更高的功率密度和传递效率。在相同材料的基础上，发射线圈能够实现更高功率输出，同时具有更好的经济性。

2.充电组块紧密排列且相差180°的设计，最大程度上避免单个线圈损坏导致一对发射线圈无法工作的问题，同时能够使发射线圈上方的磁通达到最大，实现高效率传输。

3.电动汽车无线充电不需要停车进行人为操作便可完成充电过程。原边发射线圈由多个发射线圈构成，能够避免电磁辐射的影响，同时单个发射线圈故障不会导致总体充电***崩溃。

4.动态充电的不停车操作可以适当减少电池容量，从而减轻汽车整车重量，从能源消耗角度减少电动汽车的经济成本。

附图说明

图1为本发明一个实施例的电动汽车动态无线充电***的结构示意图；

其中：1-直流母线，2-原边激励源，3-逆变电源，4-原边控制器，5-原边串联补偿网络，6-程控投切开关，7-电能参数检测单元，8-充电组块，9-第一发射线圈组块，10-第二发射线圈组块，11-动态无线充电单元，12-电动汽车；

图2为本发明一个实施例充电组块磁场方向示意图；其中箭头方向为磁感线方向；

图3为本发明一个实施例充电组块绕线形状及排列方式示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施例提出一种新型的磁路机构，将海尔贝克(Halbach)阵列的理念运用在电动汽车无线充电技术中。简单说海尔贝克(Halbach)阵列是一种磁体排列结构，可以利用特殊的磁体单元的排列，增强单位方向上的场强。本实施例的磁路机构在分段导轨式磁路机构的基础上运用海尔贝克(Halbach)阵列的理念改变发射端导轨的绕线方式和连接方式。不仅具备分段导轨式磁路机构的优点，而且还能增强发射端场强，使接收端接收更多的能量，达到提高能量传输效率的目的。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种分段线圈式电动汽车动态无线充电***，包括能量发射部分和能量接收部分，能量发射部分包括直流母线、原边激励源和多个动态无线充电单元；原边激励源包括原边串联补偿单元、逆变电源以及原边控制器。每个动态无线充电单元均包括多个充电组块、程控投切开关和电能参数检测单元。能量接收部分包括接收线圈、高频整流电路、副边补偿网络以及负荷单元。

并且，原边激励源能够给多个发射线圈供给电能，其原边控制器能够采集来自发射线圈的电流信号并反馈出投切信号。程控投切开关，能够接收原边激励源的投切信号，来实现原边激励源和电能参数检测单元的切换，从而进行电动汽车无线充电。电能参数检测单元用于采集发射线圈的电流信号并发送至原边控制器的采样电流信号接收端。

而且，接收线圈与充电组块相对应，接收线圈安置于电动汽车底盘位置，而发射线圈组块放置预设充电道路地面下，并且沿着电动汽车行驶方向竖直排列。

而且，每个充电组块均包括第一发射线圈组块和第二发射线圈组块，第一、第二发射线圈组块为一对，一对发射线圈线性紧密，第一、第二发射线圈组块并联后与电能参数检测单元串联连接。第一、第二发射线圈组块均包含四个海尔贝克(Halbach)排列的发射线圈，四个发射线圈纵向紧密排列，相邻两个发射线圈中心偏转角β＝45°，四个发射线圈串联连接。本实施例使用线圈匝数较多，虽然线圈的重量和成本增加，要求密合程度和成本也高，但传递效率也随之增高。

而且，第一、第二发射线圈组块绕线方向和结构完全相同，但其中一个发射线圈组块反向接线，使第一、第二发射线圈组块有180°的相位差。

而且，Halbach型线圈组列的各线圈用利兹线绕制，其形状为圆柱形。

而且，电能参数检测单元与原边控制器之间通过RS485总线或CAN总线进行数据传输。

具体实施时，如图1所示，本实施例分段线圈式电动汽车动态无线充电***包括原边激励源2、多个动态无线充电单元11、直流母线1和安装于电动汽车12底盘的接收线圈、高频整流电路和副边补偿网络。其中，原边激励源2包括逆变电源3、原边控制器4和原边串联补偿网络5。一个动态无线充电单元11包括多个充电组块8、程控投切开关6、电能参数检测单元7。一个充电组块8包括第一发射线圈组块和第二发射线圈组块。当直流母线1接入逆变电源3并输出高频交流电，逆变电源3与原边串联补偿网络5连接，第一发射线圈组块和第二发射线圈组块彼此并联在逆变电源3输出交流母线上。各充电组块8预埋于行车路面下，接收线圈与发射线圈匹配且设置于电动汽车12底部。电能参数检测单元7用于采集第一发射线圈组块和第二发射线圈组块的电流信号并发送至原边控制器4的采样电流信号接收端；原边控制器4的控制信号输出端与每个程控投切开关6连接，原边控制器4能根据采样线圈电流信号的大小，输出投切控制信号以控制对应的程控投切开关6。程控投切开关6可根据投切信号，将发射线圈组块投切到原边激励源2两端或者电能参数检测单元7。一个原边激励源2供给多对发射线圈组块，但是有电动汽车12经过时，相应的充电组块8接入原边激励源2，而其他对发射线圈组块则投切到电能参数检测单元7。由电能参数检测单元7采样的发射线圈电流峰值送入原边控制器4，作为投切判断的参考信号。其中，本实施例中的原边控制器10可由DSP或者FPGA作为核心控制器，原边激励源2与动态无线充电单元11可通过RS485总线或CAN总线进行数据传输。

如图2、3所示是电动汽车发射端海尔贝克(Halbach)线圈磁场方向示意图和结构示意图。本实施例线圈采用分段式导轨排列，每段导轨包括多个发射线圈组块，且每个发射线圈组块均使用Halbach排列方式排列。在充电时，这种缠绕的方式可以增强发射端上方的场强，而削弱发射端下方的场强，可大大提升传输效率。第一发射线圈组块和第二发射线圈组块由利兹线绕制而成的，充电组块8围绕的海尔贝克(Halbach)阵列完全由稀土材料构成，通过将不同的充磁方向的永磁体按照一定规律排列，可以在磁体的一侧汇聚磁力线(本实施例的磁力线汇聚于水平上方)，而在另外一侧削弱磁力线，以此来获得比较理想的单边磁场，具体排列方式如图2所示。充电组块8包含第一、第二发射线圈组块，其中第一发射线圈组块正向接入电路，而第二发射线圈组块则反向接在电路中，这种连接方式能使第一发射线圈组块和第二发射线圈组块的脉冲相位差180°，即第一发射线圈组块和第二发射线圈组块产生的磁场方向反向。

动态无线充电单元11有两种模式：充电模式和休眠模式。

处于充电模式下的动态无线充电单元11会将投切信号输入到程控投切开关6，投切开关连通至b，实现连续充电。

处于休眠模式下的动态无线充电单元11会将投切信号输入到程控投切开关6，投切开关连通至c，使***处于休眠状态。

当电动汽车12未经过时，充电组块8连接在电能参数检测单元7两端，当小车经过无线充电路段时，副边全桥电路为逆变状态，从副边向原边发出线圈电流信号，动态无线充电单元11的充电组块8将产生磁场，电动汽车12底部的接收线圈和充电组块8由于电磁感应原理在其回路上会出现感应电流，此电流所产生的磁场会对充电组块8的发射线圈组块产生作用，交变的磁链会改变充电组块8的发射线圈组块回流电流，且能被电能参数检测单元7所检测，并将检测结果传输到原边激励源2原边控制器4中。原边控制器4输出充电模式指令给当前动态无线充电单元11的程控投切开关6，程控投切开关6的电平信号输出端输出持续的高电平信号给开关管，投切开关连通至b，动态无线充电单元11从休眠模式转化为充电模式。

在工作模式下，对于不同车速的电动汽车需要进一步对投切信号进行调整。当车速较大时，其投切信号的周期比车速较小的汽车周期更小。当电动汽车速度变化太大时，动态无线充电单元11状态切换需要一定的时间完成，且原边控制器10的指令优先级高于动态无线充电单元11的程控投切开关7。工作模式到休眠模式的转换只有在原边控制器4发出指令后执行。

在休眠模式下的指令仅在检测到当前动态无线充电单元11后方规定距离内无新的汽车出现时发出。电动汽车12实现动态无线充电的过程是当动态无线充电单元11后方规定距离内无新的汽车出现，且充电组块8回路的电流减小至极小值，该极小值表征无电动汽车交变磁链的影响，于是动态无线充电单元11从充电模式转化为休眠模式。

将电动汽车12接入互联网中，可以实现多辆电动汽车在充电车道上充电。在接入互联网中，动态无线充电单元11可以获取电动汽车12的各种数据，包括速度大小和位置信息的数据以及电动汽车车载电池的电量数据等。以电动汽车的行驶速度和位置信息作为依据，充电模块12提前接收到动态无线充电单元11指令，与电动汽车12所在处相邻的充电组块8被唤醒进入充电工作状态。在实现多辆电动汽车在充电道上充电中(以一条充电车道为例)，当后续的电动汽车12随着前一辆进入充电区域时，原来处于工作状态的充电组块8在没有接收到原边控制器4的休眠工作指令前仍处于充电工作状态，充电工作指令优先级高于休眠工作指令。在***中，可依据电动汽车速度大小和位置信息的数据来匹配充电功率，达到最佳充电状态。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种分段线圈式电动汽车动态无线充电***，其特征是，包括能量发射部分和能量接收部分；能量发射部分包括直流母线、原边激励源和多个动态无线充电单元；原边激励源包括分别逆变电源、原边控制器和原边串联补偿网络；各动态无线充电单元均包括多个充电组块、程控投切开关和电能参数检测单元；每个充电组块均包括第一发射线圈组块和第二发射线圈组块；直流母线接入逆变电源，逆变电源与原边串联补偿网络连接，第一发射线圈组块和第二发射线圈组块并联在逆变电源输上；原边控制器与程控投切开关连接，程控投切开关分别与第一发射线圈组块和第二发射线圈组块和电能参数检测单元连接，第一、第二发射线圈组块并联后与电能参数检测单元串联连接；能量接收部分包括接收线圈，依次与之连接的高频整流电路、副边补偿网络以及负荷单元；多个充电组块采用分段式导轨排列预埋于行车路面下，接收线圈与发射线圈匹配且设置于电动汽车底部。

2.如权利要求1所述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***，其特征是，第一发射线圈组块与第二发射线圈组块线性紧密连接，第一、第二发射线圈组块均包含四个海尔贝克排列的发射线圈，四个发射线圈纵向紧密排列，相邻两个发射线圈中心偏转角β＝45°，四个发射线圈串联连接；四个海尔贝克排列的发射线圈均选用稀土材料。

3.如权利要求1所述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***，其特征是，第一、第二发射线圈组块绕线方向和结构相同，其中一个发射线圈组块反向接线，使第一、第二发射线圈组块具有180°的相位差。

4.如权利要求2所述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***，其特征是，海尔贝克排列的各发射线圈采用利兹线绕制，其形状为圆柱形。

5.如权利要求1所述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***，其特征是，电能参数检测单元与原边控制器之间通过RS485总线或CAN总线进行数据传输。

6.如权利要求1-5任意一项所述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***的充电方法，其特征是，包括充电模式和休眠模式；

充电模式：处于充电模式下的动态无线充电单元将投切信号输入到程控投切开关，程控投切开关连通至原边控制器，实现连续充电；

无电动汽车经过无线充电路段时，充电组块连接在电能参数检测单元两端；有电动汽车经过无线充电路段时，其副边补偿网络为逆变状态，从副边向原边发出线圈电流信号，充电组块将产生磁场，接收线圈和充电组块的回路出现感应电流，交变磁链改变各发射线圈组块回流电流，电能参数检测单元检测到回流电流，并将检测结果传输至原边控制器中，原边控制器输出充电模式指令给程控投切开关，程控投切开关连通至充电组块，动态无线充电单元从休眠模式转化成充电模式；

在充电模式下，针对不同车速的电动汽车，对投切信号进行调整；车速较大的电动汽车投切信号的周期比车速较小的电动汽车投切信号的周期更小；若电动汽车车速变化很大，则原边控制器的指令优先级高于程控投切开关，充电模式到休眠模式的转换在原边控制器发出指令后执行；

休眠模式：处于休眠模式下的动态无线充电单元将投切信号输入到程控投切开关，程控投切开关连通至充电组块，使充电***进入休眠状态；

在休眠模式下，仅在检测到当前动态无线充电单元后方规定距离内无新的电动汽车出现时发出；当动态无线充电单元后方规定距离内无新的汽车出现，且充电组块回路的电流减小至最小值，则动态无线充电单元从充电模式转化为休眠模式。

7.如权利要求6所述的分段线圈式电动汽车动态无线充电***的充电方法，其特征是，该方法还包括将电动汽车接入互联网中，实现多辆电动汽车在充电车道上充电；

动态无线充电单元通过互联网获取电动汽车的速度大小和位置信息的数据以及电动汽车车载电池的电量数据；以电动汽车的速度和位置信息作为依据，充电模块提前接收到动态无线充电单元指令，与电动汽车所在处相邻的充电组块被唤醒进入充电工作状态；当后续的电动汽车随着前一辆进入无线充电路段时，原来处于工作状态的充电组块在没有接收到原边控制器的休眠工作指令前仍处于充电工作状态，充电工作指令优先级高于休眠工作指令；在充电***中，依据电动汽车的速度和位置信息的数据来匹配充电功率。

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