车辆道路移动充电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]该系统涉及到的技术领域包括:微波无线电力传输技术，相控阵天线阵列及其信号处理技术，移动通信技术。
【背景技术】
[0002]电动车无线充电技术包括三种类型:电磁感应式、磁场共振式和无线电波式。
[0003]电磁感应式充电设备包括初级线圈、次级线圈和整流电路。初级线圈把输入的交流电变为交变磁场，次级线圈感应磁场的变化产生电流，再通过整流设备把感应产生的交流电变换为直流输出。初级线圈通常安装在充电停车位的地面，次级线圈安装在电动车底盘，充电时次级线圈必须正对初级线圈。这种充电方式充电效率高、功率大、技术实现相对简单成熟。其传输距离通常在10厘米左右，效率可达90%。但是缺点也显而易见，传输距离短，初级线圈和次级线圈必须非常接近，而且必须位置对准，否则充电效率降低明显。目前不少公司都推出了电磁感应式充电设备，摆脱了充电粧笨重的电缆，使充电变得更加方便。
[0004]磁场共振式原理与电磁感应方式基本相同，电源传送部分有电流通过时，所产生的交变磁场使接收部分产电流。不同之处在于，磁共振方式加装了一个高频驱动电源，采用线圈和电容器组成的LC共振电路，而非由简单的初级和次级线圈构成的传送和接收单元。共振频率的数值，会随送电与接收单元之间距离的变化而改变。当传送距离发生改变时，传输效率也会像电磁感应一样迅速降低。为此，可通过控制电路调整共振频率，使两个单元的电路发生共振，传送距离增大至数米左右，同时将两单元电路的电阻降至最小以提高传送效率和传送距离，同时对初级线圈和次级线圈的位置要求也相对宽松。由于传输效率更高传输距离稍长，除了常见的停车位无线感应充电的应用之外，还可通过把初级线圈铺设在道路下面支持电动车行驶过程中充电。但是这种方式需要对现有路面进行施工，全程铺设造价极高。除此之外高频电磁波对周围的辐射也是非常严重的问题。
[0005]微波无线电力传输系统把直流电能转化为方向性强的微波能量束，通过自由空间传输到接收端，在接收端经过微波整流天线转化为直流电能。直流信号通过射频信号源产生稳定的要求频率下的微波信号，然后通过功率放大器把电能转化为特定频率的微波能量，最后通过特殊的天线把微波能量辐射到自由空间形成方向性极强的能量束。微波能量束在自由空间视距范围内传输衰减小，能量集中具有较高的传送效率。在接收端通过微波整流天线把接收到的微波能量转换为直流输出提供给负载。2003年法国在皮革努莱特岛上建造了 1KW的实验性质的微波输电系统，用2.4GHZ的频率向IKM外的格朗巴桑村进行供电。2015年一家企业将1KW的电力转换成微波的形式输送到500米以外的面板状接收装置，然后再将接收到的微波还原成电力，最终用电力成功点亮发光二极管。目前已有的微波无线电力传输系统都处于实验和探索阶段，转化效率、传输功率、设备尺寸、设备成本以及安全性都有待进一步提高。实用的微波电力传输主要用于远距离输电，在地形复杂的环境下用来代替架设高压输电线路。
[0006]前两种电动车充电方式虽然技术相对简单成熟、转换效率高、输出功率大，但是无法支持电动车在驾驶过程中充电。磁场共振方式中通过在行车道下面铺设充电线圈的方式施工成本高、管理维护困难、对周围的电磁辐射严重，而且对电动车在充电时的行驶轨迹要求苛刻，不利于移动充电系统的推广。微波方式目前只用于替代高压输电线路，设备尺寸大，还没有应用于车辆移动充电。
【发明内容】
[0007]该专利利用微波电力传输方向性强，传输效率高、距离远、功率大的优点，结合天线阵列信号处理以及移动通信的技术原理发明了车辆道路移动充电系统。该系统支持多用户移动充电，对电动车的行驶轨迹无特殊要求，充电无需寻找停车位而且不需花费额外的时间用于充电。系统的部署类似移动通信基站的架设，成本低部署灵活。通过微波主瓣方位和功率闭环控制保证电力传输的有效性和安全性。同时该系统方便的支持服务授权和计费管理便于商用。如果把该系统沿高速公路部署，车辆可以一边高速行驶一边充电，在不升级电池的情况下有效地拓展电动车的运行范围，同时缩短行程总时间，消除司机的里程焦虑，对电动车的普及具有重要推动作用。
[0008]如图1所示，车辆道路移动充电的系统包括:安装于电动车上的车载终端100，一系列沿道路部署的充电基站200，一套管理控制系统300，以及车辆道路移动充电系统协议栈400。车载终端100通过车辆道路移动充电系统协议栈400中的道路移动充电系统物理层协议与充电基站200建立通信链路，然后通过充电基站向管理控制系统进行注册，注册成功后充电基站200给车载终端分配上行参考信号，车载终端100向充电基站200发送上行参考信号，然后充电基站200根据上行参考信号计算车载终端100的方位，最后充电基站按照方位信息向车载终端发送微波功率束。移动充电过程中车载终端100监测微波功率束的方位和强度并且通过通信链路向充电基站200发送微波功率束方位和功率调整命令，从而实现对微波功率束的闭环控制。
[0009]
[0010]图2显示车载终端100的功能模块包括:车载终端通信天线101，车载终端通信模块102，车载能量收集天线103，整流模块104，微波能量分布监测模块105，电量统计模块106和用户信息存储模块107。其中通信天线101和能量收集天线103的几何中心重合并且两个天线阵列平面重合或者距离足够接近保证上行参考信号和下行微波能量束方向互逆。通信天线101可采用单一天线也可采用天线阵列控制主瓣方向对准充电基站的接收天线减小多径信号，从而提高到达角DOA估计的计算精度。能量收集天线把接收到的微波能量信号传送到整流模块104转化为直流输出为电动车的电池充电，同时能量收集天线上不同位置的天线单元的微波能量被微波能量分布监测模块量化，并分析其在不同区域的分布，根据能量分布信息按照方位和功率调整算法111产生位置和功率调整指令，最后通过通信模块102发送到充电基站200，最终保证微波能量束充电的安全和高效。实际应用中还会包含电量统计模块106和用户信息存储设备107。
[0011]
[0012]如图3所示，微波功率束的方位和功率调整算法111首先需要将能量收集天线103分为两个部分，位于中心的能量收集区域109和环绕109的能量收集保护区域110。能量收集保护区域110分为偶数个不同方向的子区域。对子区域设定两条微波强度门限Tl和T2，Tl大于T2，Tl不大于微波辐射安全门限，当任意一对位置相对的子区域中的最大微波强度相差超过门限T3那么发送向弱强度区域方向调整的指令，当任意一对位置相对的子区域中的微波强度相差小于门限T3那么在此相对的两个方向上不发送任何位置调整指令，当其中一个或者几个子区域中最大微波强度大于Tl那么发送功率下降指令，当所有子区域的最大微波强度都小于T2时发送功功率上升指令。以图三为例能量收集区域109分为四个区域水平方向上的保护区域4、2和垂直方向上的保护区域1、3。保护区域4上的微波功率最大值超过保护区域2上的微波功率最大值的差大于T3，由此判断主瓣方向偏离中心位置应当向右调整。而在垂直方向上保护区域1、3之间的最大功率差接近零，说明主瓣功率在垂直方向上基本处于中心位置无需调整。
[0013]
[0014]图4显示充电基站200拥有一套通信天线阵列201和通信控制模块202，能够通过特定的幀结构203发送和接收与车载终端100的通信信息，能够控制上下行专用信道和上行参考信号204的分配，能够通过天线阵列201接收上行参考信号20