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CN106208420A - 一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统 - Google Patents

一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统，由固定频率高频电源、初级端分级可控补偿电容、分段可控初级线圈、切换控制开关、次级线圈、次级端固定补偿电容以及电动汽车负载组成。在不改变电源工作频率的情况下，仅依靠发射线圈拓扑变换以及补偿谐振电容切换保证接收功率始终处于较高水平，保证当接收线圈移动到两初级线圈中间位置时接收功率波动较小。解决电动汽车面临的电池能量密度低、需要频繁充电以及储能电池笨重且成本较高等问题，可以实现电动汽车在行驶过程中动态地补充电能，采用该方案可以使电动汽车少载甚至不载储能电池。

Description

一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统
技术领域
本发明涉及电动汽车无线充电领域，特别是一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统。
背景技术
电动汽车得以迅猛发展，汽车正在逐步摆脱对化石能源的依赖，从传统汽车发展到混合动力车，最终过渡到纯电动汽车。然而目前车载电池的能量密度尚且难以与汽油相比，尽管随着电能存储技术的不断进步，锂离子电池逐步替代了铅酸蓄电池，部分问题得以改善，电动汽车仍需要庞大笨重的电池组作为动力能源存储设备，另外电动汽车相对有限的续航能力仍是制约电动汽车发展的关键因素。
无线电能传输技术是目前比较新型的电能传输技术之一，可通过空气等媒介，避开电缆线的直接物理连接实现能量的有效传递，依托感应、磁耦合谐振、微波等技术可实现传输距离为几厘米至几米，传输功率几瓦至几十千瓦，完全可满足电动汽车充放电功率和距离的需求，同时也具备了供电方式灵活，绿色环保、无接触电火花、充电过程中无人工插拔操作、无机构磨损等一系列优点。
随着无线电能传输技术的快速发展，电动汽车得以实现无线充电，摆脱了充电线缆的束缚，降低了电击的危险。为了进一步解决电动汽车面临的电池能量密度低、需要频繁充电以及储能电池笨重且成本较高等问题，相关研究人员提出了电动汽车动态无线充电方案，可以实现电动汽车在行驶过程中动态地补充电能，采用该方案可以使电动汽车少载甚至不载储能电池。然而对于短分段结构的电动汽车动态无线供电方案，当次级线圈位于两初级线圈中间位置时，若仅依靠单初级线圈供电，由于互感参数发生较大的变化，难以维持较高水平的接收功率；若短分段线圈全部通电则系统损耗较大。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统，在不改变电源工作频率的情况下保证接收功率始终处于较高水平。
技术方案：一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统，所述系统的路面电能发射部分包括沿路径设置的分段方形发射线圈，各分段方形发射线圈均通过开关选择串联一个第一补偿电容Cp1或第二补偿电容Cp2后，再通过可控开关串联接入高频电源回路，系统的电能接收部分包括方形接收线圈；所述第一补偿电容第二补偿电容ω＝2πf；其中，f为固定高频电源的频率，L为单个初级线圈的电感，M12为两相邻发射线圈之间的互感；
以接收线圈从一个发射线圈正上方移动到相邻发射线圈正上方为一个周期，随着接收线圈位置的变化，相邻的两个发射线圈中心点之间的路径上存在第一拓扑转换点和第二拓扑转换点，两个拓扑转换点均满足P1＝P2，其中P1为单发射线圈接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率，P2为双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率；
在所述一个周期内，当所述接收线圈从前一个发射线圈正上方移动到第一拓扑转换点时，仅将所述前一个发射线圈串联第一补偿电容Cp1后接入所述高频电源回路；当所述接收线圈从所述第一拓扑转换点向拓第二拓扑转换点移动时，采用双发射线圈拓扑，将两个发射线圈分别串联一个第二补偿电容Cp2后串联接入所述高频电源回路；当所述接收线圈从所述第二拓扑转换点向下一个发射线圈正上方移动时，仅将所述下一个发射线圈串联第一补偿电容Cp1后接入所述高频电源回路。
作为本发明的优选方案，发射线圈以及补偿电容的切换控制方法为，首先根据单发射线圈以及双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率计算得到拓扑转换点处的系统接收功率理论值；在所述一个周期内，实时获取电能接收部分的无线电能接收功率检测值，并通过无线传输发送到控制侧，当所述无线电能接收功率检测值与所述系统接收功率理论值相等时，所述控制侧输出开关的控制信号，通过控制连接发射线圈的开关通断来进行单发射线圈与双发射线圈拓扑之间的切换，并进行对应发射线圈与所述第一补偿电容Cp1或第二补偿电容Cp2的切换连接。
有益效果：本发明的一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统，在不改变电源工作频率的情况下，仅依靠发射线圈拓扑变换以及补偿谐振电容切换保证接收功率始终处于较高水平，保证当接收线圈移动到两初级线圈中间位置时接收功率波动较小。解决电动汽车面临的电池能量密度低、需要频繁充电以及储能电池笨重且成本较高等问题，可以实现电动汽车在行驶过程中动态地补充电能，采用该方案可以使电动汽车少载甚至不载储能电池。
附图说明
图1为本发明接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统的结构示意图；
图2为本系统中一个周期内两种拓扑接收功率随接收线圈位置变化的对比曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统，包括固定频率的高频电源、初级端分级可控补偿电容、分段发射线圈、切换控制开关、接收线圈、次级端固定补偿电容以及电动汽车负载组成。分段发射线圈沿路径设置，每个分段发射线圈及接收线圈均设计相同，均为方形线圈。初级端分级可控补偿电容具有分级可控的特点，每个发射线圈均配置一个初级端分级可控补偿电容，每个初级端分级可控补偿电容均包括第一补偿电容Cp1和第二补偿电容Cp2，并通过切换控制开关Sj选择将第一补偿电容或第二补偿电容与该发射线圈串联。每个分段发射线圈及其相应的初级端分级可控补偿电容作为一个整体，均受到切换控制开关Si的控制，当Si处于1状态时，将含有补偿电容的发射线圈接入高频电源回路；当Si处于0状态时，将含有补偿电容的发射线圈与高频电源回路断开。
当系统工作于谐振状态的时候，单初级线圈拓扑下，即仅有一个发射线圈串联接入高频电源回路时，系统接收功率其中ω＝2πf，f为高频电源的频率，Uin为高频电源电压，Rin为高频电源内阻，各发射线圈及接收线圈内阻均为R，RL为电动汽车负载，单发射线圈与接收线圈之间的互感表示为M1。双初级线圈拓扑下，即相邻两个发射线圈同时串联接入高频电源回路时，系统的接收功其中两个发射线圈与接收线圈之间的互感分别表示为M1和M2。
以接收线圈从一个发射线圈正上方O1移动到相邻发射线圈正上方O2为一个周期，随着接收线圈位置x的变化，M1和M2发生变化，进而导致P1和P2发生变化，并且在接收线圈由O1点移动到O2点过程中，存在两个位置满足P1＝P2，将这两个点作为初级侧拓扑转换点，分别命名为SP1和SP2。
如图2所示为本发明中所述一个周期内接收功率随接收线圈位置变化的对比曲线。最终，在该周期内，当接收线圈从一个发射线圈正上方O1出发移动到拓扑转换点SP1时，采用单初级线圈拓扑，仅将前一个发射线圈及单初级线圈拓扑对应的补偿电容Cp1接入高频电源回路；当接收线圈从拓扑转换点SP1向拓扑转换点SP2移动时，采用双初级线圈拓扑，将前后相邻的两个发射线圈及双初级线圈拓扑对应的补偿电容Cp2接入高频电源回路；当接收线圈从拓扑转换点SP2向下一个发射线圈正上方O2移动时，仅将下一个发射线圈及单初级线圈拓扑对应的补偿电容Cp1接入电源回路。随着电动汽车向前移动，循环采用上述控制方法控制初级线圈拓扑变化及分级补偿电容的接入。
其中，用于补偿单初级线圈模式的补偿电容其中ω＝2πf，f为固定高频电源的频率，L为单个发射线圈的电感；用于补偿双初级线圈模式的补偿电容其中M12为两相邻发射线圈之间的互感。对于初级端分级可控补偿的控制由切换控制开关Sj动作控制，当Sj处于1状态时将单初级线圈模式对应的补偿电容Cp1与发射线圈串联；当Sj处于0状态时将单初级线圈模式对应的补偿电容Cp2与发射线圈串联。
本实施例中，发射线圈以及补偿电容的切换控制方法具体为，首先根据单发射线圈以及双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率计算得到拓扑转换点处的系统接收功率理论值。在一个周期内，实时获取电能接收部分的无线电能接收功率检测值，并通过无线传输发送到控制侧，当无线电能接收功率检测值与系统接收功率理论值相等时，控制侧输出开关的控制信号到开关Si和Sj，通过控制连接发射线圈的开关通断来进行单发射线圈与双发射线圈拓扑之间的切换，并进行对应发射线圈与第一补偿电容Cp1或第二补偿电容Cp2的切换连接。
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 (2)

1.一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统，其特征在于：所述系统的路面电能发射部分包括沿路径设置的分段方形发射线圈，各分段方形发射线圈均通过开关选择串联一个第一补偿电容Cp1或第二补偿电容Cp2后，再通过可控开关串联接入高频电源回路，系统的电能接收部分包括方形接收线圈；所述第一补偿电容第二补偿电容ω＝2πf；其中，f为固定高频电源的频率，L为单个初级线圈的电感，M12为两相邻发射线圈之间的互感；
以接收线圈从一个发射线圈正上方(O1)移动到相邻发射线圈正上方(O2)为一个周期，随着接收线圈位置的变化，相邻的两个发射线圈中心点之间的路径上存在第一拓扑转换点(SP1)和第二拓扑转换点(SP2)，两个拓扑转换点均满足P1＝P2，其中P1为单发射线圈接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率，P2为双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率；
在所述一个周期内，当所述接收线圈从前一个发射线圈正上方(O1)移动到第一拓扑转换点(SP1)时，仅将所述前一个发射线圈串联第一补偿电容Cp1后接入所述高频电源回路；当所述接收线圈从所述第一拓扑转换点(SP1)向拓第二拓扑转换点(SP2)移动时，采用双发射线圈拓扑，将两个发射线圈分别串联一个第二补偿电容Cp2后串联接入所述高频电源回路；当所述接收线圈从所述第二拓扑转换点(SP2)向下一个发射线圈正上方(O2)移动时，仅将所述下一个发射线圈串联第一补偿电容Cp1后接入所述高频电源回路。
2.根据权利要求1所述的一种接收功率低波动电动汽车分段动态无线供电系统，其特征在于：发射线圈以及补偿电容的切换控制方法为，首先根据单发射线圈以及双发射线圈串联接入高频电源回路拓扑下的系统接收功率计算得到拓扑转换点处的系统接收功率理论值；在所述一个周期内，实时获取电能接收部分的无线电能接收功率检测值，并通过无线传输发送到控制侧，当所述无线电能接收功率检测值与所述系统接收功率理论值相等时，所述控制侧输出开关的控制信号，通过控制连接发射线圈的开关通断来进行单发射线圈与双发射线圈拓扑之间的切换，并进行对应发射线圈与所述第一补偿电容Cp1或第二补偿电容Cp2的切换连接。
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