非接触式不间断供电系统及供电方法与流程

技术领域

本发明属于电动汽车无线供电技术领域，主要是基于谐振磁耦合技术的电动汽车无限续航无线充电系统及方法。

背景技术：

如今，发展电动汽车是节能环保和低碳经济的需求，而充电却成为阻碍电动汽车发展的最大问题。传统的有线充电方式受到接口的限制，只能在同一时间为一台电动车充电，且电器输出高电压，充电插头在插拔过程中存在着发热、电火花、漏电等安全隐患。

无线电能传输技术具有节约电线资源、更加美观、更加安全可靠等优良特性，是未来电动汽车供电技术的发展趋势。常采用感应磁耦合式无线电能传输技术和谐振磁耦合式无线电能传输技术这两种无线充电技术对电动汽车供电。其中，感应耦合式无线电能传输系统通过电磁感应原理进行短程传输，通过产生高频、高压的交变电流产生电磁场，在两个或多个相互隔离的端点之间进行能量传输。但其最大缺陷就是能量传输的距离短，传输效率对距离的改变过于敏感，适合于传统加油站的充电站等应用场合。而谐振磁耦合无线电能传输是一种较为高效的无线电能传输方式。该方式通过谐振器上电感与分布式电容发生谐振来传输能量，对电动汽车进行能量供应。而对不同频率的物体几乎没有影响，不需要车载共振线圈和电源共振线圈完全对准，主要应用于中程无线供电和高效率场合，适合于开发新型的充电模式。

在实际应用中，用户将车开到指定充电区域，便可自动进行充电的方式称为电动汽车静态无线供电方式。这种静态无线充电方式存在着充电时间长、续航里程短、电池组较为笨重等问题，此外，电动汽车在前往充电站充电时可能带来不必要的空驶里程，浪费额外的电能。

技术实现要素：

针对电动汽车静态无线供电的不足，本发明提出了无限续航无线充电系统及方法，基于谐振磁耦合无线电能传输技术可较好地应用于中程无线供电和高效率场合的特点，本发明可为行驶中的电动汽车实时地提供能量供给，使其续航里程得到延长，也使电能补给更加安全、便捷。

本发明采用的技术方案如下：

非接触式不间断供电系统，其特征是，包括：依次连接的电源模块、电源侧功率变换器、电磁场发射单元、电磁场接收单元、汽车侧功率变换器；激励信号模块和无线充电控制模块同时与电磁场发射单元连接

所述的汽车侧功率变换器安装于电动汽车上，用于将接收到的高频交流电整流为直流电，再经过电压变换，才能供给车载电池及负荷单元使用；所述的激励信号模块安装于电动汽车上，用于将来自电动汽车电池的直流电转化为所需的交流高频激励信号；所述的电磁场发射单元包括发射线圈和匹配电容，所述的电磁场接收单元包括接收线圈和匹配电容。

在上述的非接触式不间断供电系统，所述的电磁场发射单元的发射线圈为跑道状螺旋形平面线圈。

在上述的非接触式不间断供电系统，所述的电磁场接收单元的接收线圈和激励信号模块中的激励线圈均由若干线圈单元排列构成的阵列线圈，线圈单元为螺旋形平面线圈。可经过双数层交错重叠，让下一层的线圈单元中心点处于上一层线圈单元的边缘弯折点。

一种非接触式不间断供电系统的供电方法，其特征是：

步骤1，电磁场发射单元安装在道路两侧以及中央护栏两侧，有两种工作状态，一是处于探测状态，二是激励状态。处于探测状态的电磁场发射单元与电容电阻相连，组成探测回路，不消耗电源模块的功率，用于检测来自电动汽车的激励信号模块产生的激励信号；处于激励状态的电磁场发射单元与电源侧功率变换器相连，用于向电动汽车传输能量。电磁场发射单元回路装有电流传感器；

步骤2，无线充电控制模块根据电流传感器的电流值来产生的控制信号实现电磁场发射单元在探测状态与激励状态间切换，具体包括：

步骤2.1，电磁场发射单元在感应到激励信号之前，均处于探测回路。当电动汽车产生充电请求，也就是电动汽车的激励信号模块产生激励信号，与激励信号模块处于相对位置的电磁场发射单元正处于探测回路，产生感应电流。无线充电控制模块检测出电磁场发射单元的感应电流后，立刻对电动汽车发出准备充电命令，并且无线充电控制模块马上启动相应的电磁场发射单元到激励状态。

步骤2.2，当电动汽车接收到来自无线充电控制模块的命令时，马上停止发生激励信号，并切换到电动汽车电池与电磁场接收单元相连的回路，准备接收电能；作为响应，电动汽车发送汽车行驶速度和方向信息给无线充电控制模块。此时电磁场发射单元处于激励状态，而电动汽车电池正与电磁场接收单元相连，能量由电磁场发射单元向电磁场接收单元传输，电动汽车充电。

步骤2.3，当无线充电控制模块检测到当前激励的电磁场发射单元电流值由满载到空载变化时，停止该空载电磁场发射单元的的激励并将其投入探测回路，同时启动汽车行进方向的下一个电磁场发射单元进入激励状态。如此往复循环。

步骤2.4，电动汽车离开某段充电线路的最后一个电磁场发射单元的后，系统检测到该电磁场发射单元的处于空载状态，不再激励下一个电磁场发射单元的，充电过程结束。

在上述的一种非接触式不间断供电系统的供电方法，无线充电控制模块控制电磁场发射单元跳转到激励状态，并对电动汽车（8）发送准备充电命令，具体为：

使电动汽车停止发生激励信号，切换到电动汽车电池与电磁场接收单元相连的回路，准备接收电能；

作为响应，电动汽车发送汽车行驶速度和方向信息给无线充电控制模块。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、本系统电磁场发射单元安置于道路两侧，不耽误必要时的道路下方的管道维修工程。2、本系统的无线充电过程中，电动汽车只对电动汽车此时所相对的电磁场发送单元主动发出要充电的激励信号，无需传感器来定位电动汽车。起到了准确方便的效果。3、克服了传统电动汽车的续航距离短的问题，可在电动汽车行驶过程进行动态充电，节省了电动汽车前往静态充电站往返的空驶里程，节省了电能。4、解决了电动汽车到充电站的充电过程耗时长的问题，并且充电过程无需手工操作，提高了电动汽车充电的便捷性与充电效率，为用户带来了方便。5、无线充电客车可减少电池配置，降低车辆负重，降低整车成本；解决了静态充电站和充电站停车位占地面积大，充电站人力、管理成本大的问题，节省了资金。6、施工方便，电磁辐射影响小，且能满足城市美化要求，市场前景广阔。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

图2为电磁场发射单元的发射线圈在探测状态和激励状态的切换示意图。

图3为一种具体的发射线圈结构图。

图4为一种接收线圈和激励线圈结构图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明系统作进一步具体的说明。

图1所示为本发明无限续航无线充电系统的结构示意图，其中，电源模块1用来为供电系统提供输入功率，本实施例中预设电源模块1的输入电压为电网直接供电电压380V，电源模块1的输入电压可依照实际需求做出调整。电源侧的功率变换模块2进一步包括整流滤波模块和功率震荡模块两个部分，其中，整流滤波的作用是通过整流用来将电源模块1输出的交流电整流为直流电，再通过滤波用消除整流输出直流电中的高次谐波，从而输出恒定电压直流电，再通过功率震荡模块将整流滤波后的恒定电压直流电转换为适应负载频率要求的交变电流。本实施例中功率震荡模块输出交变电流的频率为100kHz，可依照实际需求调整输出交变电流的频率。

电磁场发射单元3设于道路两侧以及道路中央护栏，充电道路采用分段式布局，在十字路等汽车流速慢的地方安装足量电磁场发射单元3，在长道路中央安装足量电磁场发射单元3以确保电动汽车不会出现在道路中央没电的情况，若有需要，其余地方的安装根据车流量而定。

电磁场发射单元3用来发射调谐电路产生的交变电磁场。为实现本发明系统的高效谐振磁耦合式无线传能，要求电能发送侧和电能接收侧这两部分工作在同一频率。可采用下述方法保持电能发送侧的一致性：根据电源侧功率变换器所输出的高频交流电频率测定发射电能信号线圈的谐振频率，通过串联或并联匹配电容的方式来调整该线圈的谐振频率，同理，接收电能的线圈也可以通过串联或并联匹配电容的方式来调整出一致的谐振频率。为有效降低电磁辐射影响，本发明中可使线圈调整后的谐振频率达到kHz级别，kHz级别频率为较低频率级别，可有效降低电磁辐射影响。

电磁场发射单元3有两种工作状态，一是处于探测状态，二是激励状态。处于探测状态的电磁场发射单元3与电容电阻相连，不消耗电源模块的功率，用于检测来自电动汽车8的激励信号；处于激励状态的电磁场发射单元3与电源侧功率变换器相连，用于向电动汽车8传输能量。电磁场发射单元3在正常情况下处于探测状态，只有当感应到电动汽车请求充电时主动发出的激励信号时，所感应到的那个电磁场发射单元3才会转变成激励状态，其余的发射单元3仍处于探测状态。

激励信号模块4安装于电动汽车8上，用于产生主动激励信号作为电动汽车8向系统申请无线充电的请求，可将来自电动汽车电池的直流电转化为所需的交流高频激励信号。当电动汽车8产生充电请求时，电动汽车的激励信号模块4产生激励信号，此时与激励线圈处于平行位置的电磁场发射单元3正处于探测回路，发射线圈上产生感应电流。

无线充电控制模块5检测出发射线圈的感应电流后，对电动汽车8发出准备充电的命令，同时无线充电控制模块5立刻将该感应到激励信号的电磁场发射单元3由探测状态转为激励状态。图2为电磁场发射单元的发射线圈在探测状态和激励状态的切换示意图，电磁场发射单元3回路装有电流传感器，无线充电控制模块5根据电流传感器的电流值大小来产生继电器开关的投切信号，控制图中继电器开关的投切，进而切换电磁场发射单元3的两种工作状态。

电动汽车8在接收到无线充电控制模块5的命令后，马上停止发生激励信号，并切换到电动汽车电池与电磁场接收单元6相连的回路，准备接收电能；作为响应，电动汽车8发送汽车行驶速度和方向信息给无线充电控制模块5。此时电磁场发射单元3处于激励状态，而电动汽车电池正与电磁场接收单元6相连，能量由电磁场发射单元3向电磁场接收单元6传输，电动汽车8充电。

图3提供了一种具体的发射线圈结构图，该发射线圈是由金属导体绕制的跑道状螺旋形平面线圈，其两端呈半圆形，中间部分呈矩形。本具体实施方式中，发射线圈采用半径4mm铜线从内向外顺时针绕制获得，两端半圆部分的内半圆和外半圆半径分别为1000mm、1450mm，中间矩形部分长2000mm、径向节距为10mm。

电磁场接收单元6和激励信号模块4在在电动汽车8的两侧均有安装，作为一种具体实施方式，电磁场接收单元6中的接收线圈和激励信号模块4中的激励线圈均由若干线圈单元排列构成的线圈组，线圈单元为螺旋形平面线圈。可经过双数层交错重叠，让下一层的线圈单元中心点处于上一层线圈单元的边缘弯折点。图4中提供了一种接收线圈和激励线圈结构图。线圈单元为正六边形螺旋形平面线圈，不同线圈单元之间的排列依照正六边形的边与边相对应进行紧密排列。图中4的正六边形为简化了的线圈单元，没有体现出螺旋形环绕状态。虚线部分与实现部分表示处于不同层的多个线圈单元，其中一层的线圈单元中心点正好处于另一层线圈单元的边缘弯折点。在本具体实施方式中，各线圈单元由半径2mm的铜线从内向外顺时针绕制构成，其内边轴线距其中心100mm，其外边轴线距其中心130mm，径向节距为10mm。线圈单元的形状、尺寸、匝数、材质及排列并不限于上述，可依照实际情况进行调整。例如，线圈单元可以为三角形螺旋形平面线圈、圆形螺旋形平面线圈、正方形螺旋形平面线圈等，线圈单元也可以排列成三角形、圆形、正方形等。

汽车侧功率变换器7安装于电动汽车8上，用于将汽车充电接收到的高频交流电整流为直流电，再经过电压变换，才能供给车载电池及负荷单元使用。电动汽车8的电池部分采用超级电容，能够实现短时间内快速充电的效果。

当无线充电控制模块5检测到当前激励的电磁场发射单元3电流值由满载到空载变化时，停止该空载电磁场发射单元的3的激励并将其投入探测回路，同时依据汽车行进方向的信息，将下一个电磁场发射单元3进入激励状态。如此往复循环。

电动汽车8离开某段充电线路的最后一个电磁场发射单元的3后，系统检测到该电磁场发射单元的3处于空载状态，不再激励下一个电磁场发射单元的3，充电过程结束。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。