技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電動汽車無線供電技術(shù)領(lǐng)域，主要是基于諧振磁耦合技術(shù)的電動汽車無限續(xù)航無線充電系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

如今，發(fā)展電動汽車是節(jié)能環(huán)保和低碳經(jīng)濟(jì)的需求，而充電卻成為阻礙電動汽車發(fā)展的最大問題。傳統(tǒng)的有線充電方式受到接口的限制，只能在同一時間為一臺電動車充電，且電器輸出高電壓，充電插頭在插拔過程中存在著發(fā)熱、電火花、漏電等安全隱患。

無線電能傳輸技術(shù)具有節(jié)約電線資源、更加美觀、更加安全可靠等優(yōu)良特性，是未來電動汽車供電技術(shù)的發(fā)展趨勢。常采用感應(yīng)磁耦合式無線電能傳輸技術(shù)和諧振磁耦合式無線電能傳輸技術(shù)這兩種無線充電技術(shù)對電動汽車供電。其中，感應(yīng)耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)通過電磁感應(yīng)原理進(jìn)行短程傳輸，通過產(chǎn)生高頻、高壓的交變電流產(chǎn)生電磁場，在兩個或多個相互隔離的端點(diǎn)之間進(jìn)行能量傳輸。但其最大缺陷就是能量傳輸?shù)木嚯x短，傳輸效率對距離的改變過于敏感，適合于傳統(tǒng)加油站的充電站等應(yīng)用場合。而諧振磁耦合無線電能傳輸是一種較為高效的無線電能傳輸方式。該方式通過諧振器上電感與分布式電容發(fā)生諧振來傳輸能量，對電動汽車進(jìn)行能量供應(yīng)。而對不同頻率的物體幾乎沒有影響，不需要車載共振線圈和電源共振線圈完全對準(zhǔn)，主要應(yīng)用于中程無線供電和高效率場合，適合于開發(fā)新型的充電模式。

在實(shí)際應(yīng)用中，用戶將車開到指定充電區(qū)域，便可自動進(jìn)行充電的方式稱為電動汽車靜態(tài)無線供電方式。這種靜態(tài)無線充電方式存在著充電時間長、續(xù)航里程短、電池組較為笨重等問題，此外，電動汽車在前往充電站充電時可能帶來不必要的空駛里程，浪費(fèi)額外的電能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對電動汽車靜態(tài)無線供電的不足，本發(fā)明提出了無限續(xù)航無線充電系統(tǒng)及方法，基于諧振磁耦合無線電能傳輸技術(shù)可較好地應(yīng)用于中程無線供電和高效率場合的特點(diǎn)，本發(fā)明可為行駛中的電動汽車實(shí)時地提供能量供給，使其續(xù)航里程得到延長，也使電能補(bǔ)給更加安全、便捷。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

非接觸式不間斷供電系統(tǒng)，其特征是，包括：依次連接的電源模塊、電源側(cè)功率變換器、電磁場發(fā)射單元、電磁場接收單元、汽車側(cè)功率變換器；激勵信號模塊和無線充電控制模塊同時與電磁場發(fā)射單元連接

所述的汽車側(cè)功率變換器安裝于電動汽車上，用于將接收到的高頻交流電整流為直流電，再經(jīng)過電壓變換，才能供給車載電池及負(fù)荷單元使用；所述的激勵信號模塊安裝于電動汽車上，用于將來自電動汽車電池的直流電轉(zhuǎn)化為所需的交流高頻激勵信號；所述的電磁場發(fā)射單元包括發(fā)射線圈和匹配電容，所述的電磁場接收單元包括接收線圈和匹配電容。

在上述的非接觸式不間斷供電系統(tǒng)，所述的電磁場發(fā)射單元的發(fā)射線圈為跑道狀螺旋形平面線圈。

在上述的非接觸式不間斷供電系統(tǒng)，所述的電磁場接收單元的接收線圈和激勵信號模塊中的激勵線圈均由若干線圈單元排列構(gòu)成的陣列線圈，線圈單元為螺旋形平面線圈。可經(jīng)過雙數(shù)層交錯重疊，讓下一層的線圈單元中心點(diǎn)處于上一層線圈單元的邊緣彎折點(diǎn)。

一種非接觸式不間斷供電系統(tǒng)的供電方法，其特征是：

步驟1，電磁場發(fā)射單元安裝在道路兩側(cè)以及中央護(hù)欄兩側(cè)，有兩種工作狀態(tài)，一是處于探測狀態(tài)，二是激勵狀態(tài)。處于探測狀態(tài)的電磁場發(fā)射單元與電容電阻相連，組成探測回路，不消耗電源模塊的功率，用于檢測來自電動汽車的激勵信號模塊產(chǎn)生的激勵信號；處于激勵狀態(tài)的電磁場發(fā)射單元與電源側(cè)功率變換器相連，用于向電動汽車傳輸能量。電磁場發(fā)射單元回路裝有電流傳感器；

步驟2，無線充電控制模塊根據(jù)電流傳感器的電流值來產(chǎn)生的控制信號實(shí)現(xiàn)電磁場發(fā)射單元在探測狀態(tài)與激勵狀態(tài)間切換，具體包括：

步驟2.1，電磁場發(fā)射單元在感應(yīng)到激勵信號之前，均處于探測回路。當(dāng)電動汽車產(chǎn)生充電請求，也就是電動汽車的激勵信號模塊產(chǎn)生激勵信號，與激勵信號模塊處于相對位置的電磁場發(fā)射單元正處于探測回路，產(chǎn)生感應(yīng)電流。無線充電控制模塊檢測出電磁場發(fā)射單元的感應(yīng)電流后，立刻對電動汽車發(fā)出準(zhǔn)備充電命令，并且無線充電控制模塊馬上啟動相應(yīng)的電磁場發(fā)射單元到激勵狀態(tài)。

步驟2.2，當(dāng)電動汽車接收到來自無線充電控制模塊的命令時，馬上停止發(fā)生激勵信號，并切換到電動汽車電池與電磁場接收單元相連的回路，準(zhǔn)備接收電能；作為響應(yīng)，電動汽車發(fā)送汽車行駛速度和方向信息給無線充電控制模塊。此時電磁場發(fā)射單元處于激勵狀態(tài)，而電動汽車電池正與電磁場接收單元相連，能量由電磁場發(fā)射單元向電磁場接收單元傳輸，電動汽車充電。

步驟2.3，當(dāng)無線充電控制模塊檢測到當(dāng)前激勵的電磁場發(fā)射單元電流值由滿載到空載變化時，停止該空載電磁場發(fā)射單元的的激勵并將其投入探測回路，同時啟動汽車行進(jìn)方向的下一個電磁場發(fā)射單元進(jìn)入激勵狀態(tài)。如此往復(fù)循環(huán)。

步驟2.4，電動汽車離開某段充電線路的最后一個電磁場發(fā)射單元的后，系統(tǒng)檢測到該電磁場發(fā)射單元的處于空載狀態(tài)，不再激勵下一個電磁場發(fā)射單元的，充電過程結(jié)束。

在上述的一種非接觸式不間斷供電系統(tǒng)的供電方法，無線充電控制模塊控制電磁場發(fā)射單元跳轉(zhuǎn)到激勵狀態(tài)，并對電動汽車（8）發(fā)送準(zhǔn)備充電命令，具體為：

使電動汽車停止發(fā)生激勵信號，切換到電動汽車電池與電磁場接收單元相連的回路，準(zhǔn)備接收電能；

作為響應(yīng)，電動汽車發(fā)送汽車行駛速度和方向信息給無線充電控制模塊。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、本系統(tǒng)電磁場發(fā)射單元安置于道路兩側(cè)，不耽誤必要時的道路下方的管道維修工程。2、本系統(tǒng)的無線充電過程中，電動汽車只對電動汽車此時所相對的電磁場發(fā)送單元主動發(fā)出要充電的激勵信號，無需傳感器來定位電動汽車。起到了準(zhǔn)確方便的效果。3、克服了傳統(tǒng)電動汽車的續(xù)航距離短的問題，可在電動汽車行駛過程進(jìn)行動態(tài)充電，節(jié)省了電動汽車前往靜態(tài)充電站往返的空駛里程，節(jié)省了電能。4、解決了電動汽車到充電站的充電過程耗時長的問題，并且充電過程無需手工操作，提高了電動汽車充電的便捷性與充電效率，為用戶帶來了方便。5、無線充電客車可減少電池配置，降低車輛負(fù)重，降低整車成本；解決了靜態(tài)充電站和充電站停車位占地面積大，充電站人力、管理成本大的問題，節(jié)省了資金。6、施工方便，電磁輻射影響小，且能滿足城市美化要求，市場前景廣闊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為電磁場發(fā)射單元的發(fā)射線圈在探測狀態(tài)和激勵狀態(tài)的切換示意圖。

圖3為一種具體的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)圖。

圖4為一種接收線圈和激勵線圈結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明系統(tǒng)作進(jìn)一步具體的說明。

圖1所示為本發(fā)明無限續(xù)航無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，電源模塊1用來為供電系統(tǒng)提供輸入功率，本實(shí)施例中預(yù)設(shè)電源模塊1的輸入電壓為電網(wǎng)直接供電電壓380V，電源模塊1的輸入電壓可依照實(shí)際需求做出調(diào)整。電源側(cè)的功率變換模塊2進(jìn)一步包括整流濾波模塊和功率震蕩模塊兩個部分，其中，整流濾波的作用是通過整流用來將電源模塊1輸出的交流電整流為直流電，再通過濾波用消除整流輸出直流電中的高次諧波，從而輸出恒定電壓直流電，再通過功率震蕩模塊將整流濾波后的恒定電壓直流電轉(zhuǎn)換為適應(yīng)負(fù)載頻率要求的交變電流。本實(shí)施例中功率震蕩模塊輸出交變電流的頻率為100kHz，可依照實(shí)際需求調(diào)整輸出交變電流的頻率。

電磁場發(fā)射單元3設(shè)于道路兩側(cè)以及道路中央護(hù)欄，充電道路采用分段式布局，在十字路等汽車流速慢的地方安裝足量電磁場發(fā)射單元3，在長道路中央安裝足量電磁場發(fā)射單元3以確保電動汽車不會出現(xiàn)在道路中央沒電的情況，若有需要，其余地方的安裝根據(jù)車流量而定。

電磁場發(fā)射單元3用來發(fā)射調(diào)諧電路產(chǎn)生的交變電磁場。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明系統(tǒng)的高效諧振磁耦合式無線傳能，要求電能發(fā)送側(cè)和電能接收側(cè)這兩部分工作在同一頻率?？刹捎孟率龇椒ū３蛛娔馨l(fā)送側(cè)的一致性：根據(jù)電源側(cè)功率變換器所輸出的高頻交流電頻率測定發(fā)射電能信號線圈的諧振頻率，通過串聯(lián)或并聯(lián)匹配電容的方式來調(diào)整該線圈的諧振頻率，同理，接收電能的線圈也可以通過串聯(lián)或并聯(lián)匹配電容的方式來調(diào)整出一致的諧振頻率。為有效降低電磁輻射影響，本發(fā)明中可使線圈調(diào)整后的諧振頻率達(dá)到kHz級別，kHz級別頻率為較低頻率級別，可有效降低電磁輻射影響。

電磁場發(fā)射單元3有兩種工作狀態(tài)，一是處于探測狀態(tài)，二是激勵狀態(tài)。處于探測狀態(tài)的電磁場發(fā)射單元3與電容電阻相連，不消耗電源模塊的功率，用于檢測來自電動汽車8的激勵信號；處于激勵狀態(tài)的電磁場發(fā)射單元3與電源側(cè)功率變換器相連，用于向電動汽車8傳輸能量。電磁場發(fā)射單元3在正常情況下處于探測狀態(tài)，只有當(dāng)感應(yīng)到電動汽車請求充電時主動發(fā)出的激勵信號時，所感應(yīng)到的那個電磁場發(fā)射單元3才會轉(zhuǎn)變成激勵狀態(tài)，其余的發(fā)射單元3仍處于探測狀態(tài)。

激勵信號模塊4安裝于電動汽車8上，用于產(chǎn)生主動激勵信號作為電動汽車8向系統(tǒng)申請無線充電的請求，可將來自電動汽車電池的直流電轉(zhuǎn)化為所需的交流高頻激勵信號。當(dāng)電動汽車8產(chǎn)生充電請求時，電動汽車的激勵信號模塊4產(chǎn)生激勵信號，此時與激勵線圈處于平行位置的電磁場發(fā)射單元3正處于探測回路，發(fā)射線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流。

無線充電控制模塊5檢測出發(fā)射線圈的感應(yīng)電流后，對電動汽車8發(fā)出準(zhǔn)備充電的命令，同時無線充電控制模塊5立刻將該感應(yīng)到激勵信號的電磁場發(fā)射單元3由探測狀態(tài)轉(zhuǎn)為激勵狀態(tài)。圖2為電磁場發(fā)射單元的發(fā)射線圈在探測狀態(tài)和激勵狀態(tài)的切換示意圖，電磁場發(fā)射單元3回路裝有電流傳感器，無線充電控制模塊5根據(jù)電流傳感器的電流值大小來產(chǎn)生繼電器開關(guān)的投切信號，控制圖中繼電器開關(guān)的投切，進(jìn)而切換電磁場發(fā)射單元3的兩種工作狀態(tài)。

電動汽車8在接收到無線充電控制模塊5的命令后，馬上停止發(fā)生激勵信號，并切換到電動汽車電池與電磁場接收單元6相連的回路，準(zhǔn)備接收電能；作為響應(yīng)，電動汽車8發(fā)送汽車行駛速度和方向信息給無線充電控制模塊5。此時電磁場發(fā)射單元3處于激勵狀態(tài)，而電動汽車電池正與電磁場接收單元6相連，能量由電磁場發(fā)射單元3向電磁場接收單元6傳輸，電動汽車8充電。

圖3提供了一種具體的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)圖，該發(fā)射線圈是由金屬導(dǎo)體繞制的跑道狀螺旋形平面線圈，其兩端呈半圓形，中間部分呈矩形。本具體實(shí)施方式中，發(fā)射線圈采用半徑4mm銅線從內(nèi)向外順時針繞制獲得，兩端半圓部分的內(nèi)半圓和外半圓半徑分別為1000mm、1450mm，中間矩形部分長2000mm、徑向節(jié)距為10mm。

電磁場接收單元6和激勵信號模塊4在在電動汽車8的兩側(cè)均有安裝，作為一種具體實(shí)施方式，電磁場接收單元6中的接收線圈和激勵信號模塊4中的激勵線圈均由若干線圈單元排列構(gòu)成的線圈組，線圈單元為螺旋形平面線圈?？山?jīng)過雙數(shù)層交錯重疊，讓下一層的線圈單元中心點(diǎn)處于上一層線圈單元的邊緣彎折點(diǎn)。圖4中提供了一種接收線圈和激勵線圈結(jié)構(gòu)圖。線圈單元為正六邊形螺旋形平面線圈，不同線圈單元之間的排列依照正六邊形的邊與邊相對應(yīng)進(jìn)行緊密排列。圖中4的正六邊形為簡化了的線圈單元，沒有體現(xiàn)出螺旋形環(huán)繞狀態(tài)。虛線部分與實(shí)現(xiàn)部分表示處于不同層的多個線圈單元，其中一層的線圈單元中心點(diǎn)正好處于另一層線圈單元的邊緣彎折點(diǎn)。在本具體實(shí)施方式中，各線圈單元由半徑2mm的銅線從內(nèi)向外順時針繞制構(gòu)成，其內(nèi)邊軸線距其中心100mm，其外邊軸線距其中心130mm，徑向節(jié)距為10mm。線圈單元的形狀、尺寸、匝數(shù)、材質(zhì)及排列并不限于上述，可依照實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。例如，線圈單元可以為三角形螺旋形平面線圈、圓形螺旋形平面線圈、正方形螺旋形平面線圈等，線圈單元也可以排列成三角形、圓形、正方形等。

汽車側(cè)功率變換器7安裝于電動汽車8上，用于將汽車充電接收到的高頻交流電整流為直流電，再經(jīng)過電壓變換，才能供給車載電池及負(fù)荷單元使用。電動汽車8的電池部分采用超級電容，能夠?qū)崿F(xiàn)短時間內(nèi)快速充電的效果。

當(dāng)無線充電控制模塊5檢測到當(dāng)前激勵的電磁場發(fā)射單元3電流值由滿載到空載變化時，停止該空載電磁場發(fā)射單元的3的激勵并將其投入探測回路，同時依據(jù)汽車行進(jìn)方向的信息，將下一個電磁場發(fā)射單元3進(jìn)入激勵狀態(tài)。如此往復(fù)循環(huán)。

電動汽車8離開某段充電線路的最后一個電磁場發(fā)射單元的3后，系統(tǒng)檢測到該電磁場發(fā)射單元的3處于空載狀態(tài)，不再激勵下一個電磁場發(fā)射單元的3，充電過程結(jié)束。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。