一种电动汽车动态运行中的无线电能传输系统的制作方法

本发明涉及一种电动汽车动态运行中的无线电能传输系统，属于充电装置技术领域。

背景技术：

电动汽车无线充电技术(又称无接触式充电技术)在电能传输过程中没有导线的直接接触，不存在电力安全隐患，可以很好地解决采用充电桩插拔充电方式的不方便和不安全问题。无线充电技术存在多种充电方式，司机将车开到指定充电区域，便可自动进行充电，这种技术称为电动汽车静态无线充电技术。静态无线充电主要存在的问题包括充电频繁、续航里程短、储能设备容量大而笨重且成本高等问题，每次充电的续航里程由储能设备的容量决定。

电动汽车动态无线电能传输技术以非接触的方式为行驶中的电动车实时地提供能量供给。电动汽车可少量搭载储能设备容量，其续航里程得到延长，同时电能补给更加安全、便捷。

按照电动汽车平均车速100km/h，每100km消耗的电能为12kwh，每次充电后的运行距离为300km，则储能装置需要的容量为36kwh。路面下相近铺设的发射线圈的间距和储能装置的容量有关，间距越小，需要的储能装置的容量越小。如果两个发射线圈间的距离为10m，储能装置需要的容量为0.0012kwh，比静态无线充电需要的储能装置容量减小了30000倍。若每个充电线圈的充电时间为tc，则充电平均功率为pc＝w/tc＝单组电源需要的功率。如果传输线圈在运行方向的长为1.2m，电动汽车平均车速27.7m/秒(100km/h)，路面下的发射线圈和车载接收线圈的耦合时间为0.043秒，有效充电时间按50％计算，则充电平均功率为pc＝200kw，属于快速充电。

现有技术报道了采用并联无线电能传输技术，单逆变源供电、多初级绕组并联工作的分段导轨模块化动态充电方式，发射端采用一个逆变源和多个发射单元并联结构，每个发射单元由控制单元、发射线圈、补偿电容、程控开关组成。控制单元从交流母线上获取工作电压，程控开关接通的发射线圈工作于串联谐振，通过采用全桥逆变获得较大的输出功率。当电动车行驶的时候，无线传输的能量直接用来驱动车上直流电机，当电动车进入停靠点时，无线传输的能量用来为超级电容或电池组充电。然而这种采用程控开关来切换发射线圈的方式在实际应用中受到限制，即如果电动汽车按照100km的时速，发射线圈和车载接收线圈的耦合时间只有0.043秒，程控开关无法满足完成耦合时间所需的开关速度，并会受到程控开关寿命和安全性的限制，影响其广泛应用。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种能够满足电动汽车在运行过程中连续进行无线供电的电能传输系统，包括发射系统和车载接收系统；所述发射系统包括至少一组单电源组合系统；所述单电源组合系统包括桥臂组合多路输出逆变电源，发射侧谐振电路，和光电开关组合；所述车载接收系统包括接收侧谐振电路和整流、储能驱动电路；所述光电开关组合用于检测电动汽车的运行位置；所述桥臂组合多路输出逆变电源产生电能，由发射侧谐振电路向接收侧谐振电路传输电能；所述接收侧谐振电路接收来自发射系统的单电源组合系统无线传输的电能，通过所述整流、储能驱动电路对进行供电。

在本发明的一种实施方式中，所述发射侧谐振回路为10个由发射线圈和补偿电容组成的电路。

在本发明的一种实施方式中，所述光电开关组合由10个光电开关组成。

在本发明的一种实施方式中，所述接收侧谐振电路由车载接收线圈和补偿电容组成；所述整流、储能驱动电路包括充电电路和驱动电路；所述充电电路由车载高频变压器、高频整流桥、超级电容等快速充电储能装置组成；所述高频变压器将电压变换到符合储能装置和电机驱动的电压要求，高频整流桥将高频电压变换成直流电压，通过所述驱动电路对车载电机供电。

在本发明的一种实施方式中，所述桥臂组合多路输出逆变电源包括控制电路部分和主电路部分；控制电路部分由逆变采样电路、频率跟踪电路、逆变控制电路、驱动电路、传输功率控制电路、无线数据接收电路、逆变控制10选1逻辑电路组成，主电路部分由整流桥和桥臂组合多路输出的高频逆变主电路组成。

在本发明的一种实施方式中，所述桥臂组合多路输出的高频逆变主电路包括由开关管组成的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂，六个二极管组成三相桥式不控整流电路，电压传感器，电流传感器和四个高频交流互感器。

在本发明的一种实施方式中，第一光电开关闭合对应由第一桥臂和第二桥臂组成的第一组逆变控制逻辑电路工作；第二光电开关闭合对应由第一桥臂和第三桥臂组成的第二组逆变控制逻辑电路工作；第三光电开关闭合对应由第一桥臂和第四桥臂组成的第三组逆变控制逻辑电路工作；第四光电开关，闭合对应由第一桥臂和第五桥臂组成的第四组逆变控制逻辑电路工作；第五光电开关闭合对应由第二桥臂和第三桥臂组成的第五组逆变控制逻辑电路工作；第六光电开关闭合对应由第二桥臂和第四桥臂组成的第六组逆变控制逻辑电路工作；第七光电开关闭合对应由第二桥臂和第五桥臂组成的第七组逆变控制逻辑电路工作；第八光电开关闭合对应由第三桥臂和第四桥臂组成的第八组逆变控制逻辑电路工作；第九光电开关闭合对应由第三桥臂和第五桥臂组成的第九组逆变控制逻辑电路工作；第十光电开关闭合对应由第四桥臂和第五桥臂组成的第十组逆变控制逻辑电路工作。

在本发明的一种实施方式中，所述桥臂组合多路输出的高频逆变控制电路将高频电流互感器的采样电流分别经过逆变采样电路变换成高频电压，再分别经频率跟踪电路变换成脉冲频率信号；频率跟踪电路输出的脉冲频率信号同时送给逆变控制电路，实现频率跟踪控制。

在本发明的一种实施方式中，所述桥臂组合多路输出的高频逆变控制电路包括十组逆变控制电路和五组驱动电路，第一逆变控制电路输出到第一驱动电路和第二驱动电路，控制第一组高频逆变控制电路工作，第二逆变控制电路输出到第一驱动电路和第三驱动电路，控制第二组逆变电路高频逆变控制电路工作，第三逆变控制电路输出到第一驱动电路和第四驱动电路，控制第三组高频逆变控制电路工作，第四逆变控制电路输出到第一驱动电路和第五驱动电路控制第四组高频逆变控制电路工作，第五逆变控制电路输出到第二驱动电路和第三驱动电路，控制第五组高频逆变控制电路工作，第六逆变控制电路输出到第二驱动电路和第四驱动电路，控制第六组高频逆变控制电路工作，第七逆变控制电路输出到第二驱动电路和第五驱动电路，控制第七组高频逆变控制电路工作，第八逆变控制电路输出到第三驱动电路和第四驱动电路，控制第八组高频逆变控制电路工作，第九逆变控制电路输出到第三驱动电路和第五驱动电路，控制第九组高频逆变控制电路工作，第十逆变控制电路输出到第四驱动电路和第五驱动电路，控制第十组高频逆变控制电路工作。

在本发明的一种实施方式中，所述传输功率控制电路根据无线数据接收电路收到的接收侧电压、电流信号，将电流、电压信号与预先设定的电能传输曲线比较，同时向逆变控制电路输出控制信号，用于控制无线电能传输功率。

在本发明的一种实施方式中，所述逆变控制10选1逻辑电路根据光电开关的闭合状态，选择闭合的光电开关对应的逆变控制电路工作，从而控制对应的逆变桥、对应的传输线圈工作。在本发明的一种实施方式中，所述单电源组合系统铺设在路面下方，所述车载接受系统安装在电动汽车上。

本发明的第二个目的是提供应用所述无线电能传输系统对电动汽车进行动态充电的方法，所述方法是将所述单电源组合系统铺设在路面下方，将所述车载接受系统安装在电动汽车上，使电动汽车在安装有单电源组合系统的路面上行驶，进行动态电能的传输。

本发明还提供所述无线电能传输系统在电动汽车领域的应用。

有益效果：本发明的优点是采用电动汽车动态无线电能传输技术以非接触的方式为行驶中的电动车实时地提供能量供给，采用开关管组成的逆变桥动态组合轮换对多个发射线圈供电，无需继电器开关切换发射线圈，没有开关寿命限制，没有开关触点通断过程中存在的电弧引起安全问题。

附图说明

图1是电动汽车动态运行无线电能传输系统组成示意图；1，单电源组合系统；2，车载接收系统；11，桥臂组合多路输出高频逆变电源；21，接收侧谐振电路；22，整流、储能驱动电路；121～130，振荡回路；131～140，光电开关；br1～5，第一～五桥臂；

图2是电动汽车动态运行无线电能传输系统的单电源组合系统示意图；11，桥臂组合多路输出高频逆变电源；121～130，振荡回路；131～140，光电开关；br1～5，第一～五桥臂；

图3是电动汽车动态运行无线电能传输系统的车载接收系统示意图；21，接收侧谐振电路；22，整流、储能驱动电路；

图4是电动汽车动态运行无线电能传输发射系统结构图；11，桥臂组合多路输出高频逆变电源；12，发射侧谐振回路，13，光电开关组合；114，传输功率控制电路；115，无线数据接收电路；116，逆变控制10选1逻辑电路；117，桥臂组合多路输出的高频逆变主电路；121～130，振荡回路；1101-1104，逆变采样电路；1111-1114，频率跟踪电路；1121-1130，逆变控制电路；1131-1135，驱动电路；

图5是电动汽车动态运行无线电能传输车载接收系统结构图；21，接收侧谐振电路；22，整流、储能驱动电路；

图6是电动汽车动态运行无线电能传输系统逆变主电路组合过程原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～3，一种电动汽车动态运行无线电能传输系统，包括发射系统和车载接收系统；所述发射系统包括n组(n≥1)单电源组合系统1，所述单电源组合系统1包括桥臂组合多路输出逆变电源11，发射侧谐振回路12，和光电开关组合13；所述桥臂组合多路输出逆变电源11包括桥臂组合多路输出的高频逆变主电路117，逆变采样电路1101～1104，频率跟踪电路1111～1114，逆变控制电路1121～1130，驱动电路1131～1135，传输功率控制电路114，无线数据接收电路115，逆变控制10选1逻辑电路116；车载接受系统包括由车载接收线圈和补偿电容组成的接收侧谐振电路21，由整流电路，短时储能装置和电机驱动组成的整流、储能驱动电路22；所述发射线圈铺设在路面下，并与补偿电容组成电磁共振式无线电能发射侧谐振回路12；所述光电开关组合13用于检测电动汽车的位置。

所述桥臂组合多路输出逆变电源11包括控制电路部分和主电路部分；控制电路部分由逆变采样电路1101～1104、频率跟踪电路1111～1114、逆变控制电路1121～1130、驱动电路1131～1135、传输功率控制电路114、无线数据接收电路115和逆变控制10选1逻辑电路组成116，主电路部分由整流桥和桥臂组合多路输出的高频逆变主电路117组成。所述逆变采样电路1101-1104和频率跟踪电路1111-1114可通过专利号为zl200710190512.9的数字式脉冲固定时间超前移相电路和专利号为zl201310504018.0电磁共振式无线电能传输锁相频率跟踪电路实现；所述逆变控制电路1121-1130可采用移相控制电路uc2875或数字信号处理器dsp实现；所述驱动电路1131-1135可采用2sd315等igbt驱动电路实现。

进一步的，如图1-3所示，本发明的电动汽车动态运行无线电能传输系统工作原理为，每一组单电源组合系统1对应一段电动汽车的行程，第1段行程，电动汽车车头行驶到光电开关131位置，安装在路边的光电开关131被遮挡，光电开关131触点闭合，控制启动由br1和br2组成的第一组逆变电路组合，发射线圈l1和补偿电容组成的谐振回路121工作，对车载接收线圈和补偿电容组成的接收侧谐振电路21进行电能无线传输，通过整流、储能驱动电路22中的由车载高频变压器、高频整流桥、超级电容储能装置等组成的充电电路和驱动电路对车载电机供电，同时对车载超级电容进行充电；电动汽车行驶到关电开关132位置，启动由br1和br3组成的第二组逆变电路组合，谐振回路122工作，对接收侧谐振电路21进行电能无线传输，通过整流、储能驱动电路22提供电能，同时对车载备用储能设备超级电容进行充电；电动汽车行驶到光电开关133位置，启动由br1和br4组成的第三组逆变电路组合，谐振回路123工作，对接收侧谐振电路进行电能无线传输，通过整流、储能驱动电路22提供电能，同时对车载备用储能设备超级电容进行充电；电动汽车行驶到光电开关134位置，启动由br1和br5组成的第四组逆变电路组合，谐振回路124工作，对接收侧谐振电路21进行电能无线传输，通过整流、储能驱动电路22提供电能，同时对车载备用储能设备超级电容进行充电；电动汽车行驶到光电开关135位置，启动由br2和br3组成的第五组逆变电路组合，谐振回路125工作，对接收侧谐振电路21进行电能无线传输，通过整流、储能驱动电路22提供电能，同时对车载备用储能设备超级电容进行充电；电动汽车行驶到光电开关136位置，启动由br2和br4组成的第六组逆变电路组合，谐振回路126工作，对接收侧谐振电路21进行电能无线传输，通过整流、储能驱动电路22提供电能，同时对车载备用储能设备超级电容进行充电；电动汽车行驶到光电开关137位置，启动由br2和br5组成的第七组逆变电路组合，谐振回路127工作，对接收侧谐振电路21进行电能无线传输，通过整流、储能驱动电路22提供电能，同时对车载备用储能设备超级电容进行充电；电动汽车行驶到光电开关138位置，启动由br3和br4组成的第8组逆变电路组合，谐振回路128工作，对接收侧谐振电路21进行电能无线传输，通过整流、储能驱动电路22提供电能，同时对车载备用储能设备超级电容进行充电；电动汽车行驶到光电开关139位置，启动由br3和br5组成的第9组逆变电路组合，谐振回路129工作，对接收侧谐振电路21进行电能无线传输，通过整流、储能驱动电路22提供电能，同时对车载备用储能设备超级电容进行充电；电动汽车行驶到光电开关140位置，启动由br4和br5组成的第10组逆变电路组合，谐振回路130工作，对接收侧谐振电路21进行电能无线传输，通过整流、储能驱动电路22提供电能，同时对车载备用储能设备超级电容进行充电。

而后电动汽车依次行驶到第2段行程，第3段行程，……，第n段行程，完成从起点到终点的路程。

进一步的如图4，发射系统每一段行程由一组单电源组合系统1无线发射电能；所述单电源组合系统1包括桥臂组合多路输出逆变电源11，10个发射线圈和补偿电容组成的发射侧谐振电路121-130，和由10个光电开关131～140组成的光电开关组合13。桥臂组合多路输出逆变电源11包括控制电路部分和主电路部分；控制电路部分由逆变采样电路1101-1104、频率跟踪电路1111-1114、逆变控制电路1121-1130、驱动电路1131-1135、传输功率控制电路114、无线数据接收电路115、逆变控制10选1逻辑电路116组成，主电路部分由整流桥和桥臂组合多路输出的高频逆变主电路117组成。

所述桥臂组合多路输出的高频逆变主电路117包括由开关管vt11、vt12组成的第一桥臂br1，由开关管vt21、vt22组成的第二桥臂br2，由开关管vt31、vt32组成的第三桥臂br3，由开关管vt41、vt42组成的第四桥臂br4，由开关管vt51、vt52组成的第五桥臂br5，六个二极管d1-6组成的三相桥式不控整流电路，电压传感器lvi，电流传感器lai，和4个高频交流互感器la1～4；所述电压传感器lvi采样逆变桥输入直流电压；所述电流传感器lai采样逆变桥输入直流电流；所述高频交流互感器la1～4分别采样10组桥臂组合的逆变电流；所述开关管可选用igbt或mosfet。

高频电流互感器la1、la2、la3、la4的采样电流分别经过逆变采样电路1101、1102、1103、1104变换成高频电压，分别经频率跟踪电路1111、1112、1113、1114变换成脉冲频率信号，频率跟踪电路1111输出的脉冲频率信号同时送给逆变控制电路1121、1122、1123、1124；频率跟踪电路1112输出的脉冲频率信号同时送给逆变控制电路1125、1126、1127，频率跟踪电路1113输出的脉冲频率信号同时送给逆变控制电路1128、1129，频率跟踪电路1114输出的脉冲频率信号送给逆变控制电路1130，实现频率跟踪控制；逆变控制电路1121输出到驱动电路1131和1132，控制第一组逆变电路，逆变控制电路1122输出到驱动电路1131和驱动电路1133，控制第二组逆变电路，逆变控制电路1123输出到驱动电路1131和驱动电路1134，控制第三组逆变电路，逆变控制电路1124输出到驱动电路1131和驱动电路1135，控制第四组逆变电路，逆变控制电路1125输出到驱动电路1132和驱动电路1133，控制第五组逆变电路，逆变控制电路1126输出到驱动电路1132和驱动电路1134，控制第六组逆变电路，逆变控制电路1127输出到驱动电路1132和驱动电路1135，控制第七组逆变电路，逆变控制电路1128输出到驱动电路1133和驱动电路1134，控制第八组逆变电路，逆变控制电路1129输出到驱动电路1133和驱动电路1135，控制第九组逆变电路，逆变控制电路1130输出到驱动电路1134和驱动电路1135，控制第十组逆变电路。

传输功率控制电路114根据无线数据接收电路115收到的接收侧电压、电流信号，与预先设定的电能传输曲线比较，输出控制信号同时给逆变控制电路1121～1130，用于控制无线电能传输功率。

逆变控制10选1逻辑电路116根据电动汽车行驶所在位置，对应的光电开关131-140中的一个闭合，选择闭合的光电开关对应的逆变控制电路工作，对应的逆变桥工作，对应的传输线圈工作，根据光电开关的顺序依次对10个组合逆变电路进行控制。

进一步的如图5，所述电动汽车实动态运行无线电能传输车载接收系统2包括接收侧谐振电路21和整流、储能驱动电路22；所述接收侧谐振电路由车载接收线圈和补偿电容组成；接收侧谐振电路21接收来自发射系统的单电源组合系统1无线传输的电能，通过车载高频变压器、高频整流桥、超级电容等储能装置组成的充电电路和整流、储能驱动电路22对车载电机供电，高频变压器将电压变换到符合储能装置和电机驱动的电压要求，高频整流桥将高频电压变换成直流电压。

进一步如图6，所述桥臂组合多路输出的高频逆变主电路117，其特征在于：开关管vt11、vt12、vt21、vt22组成第一组逆变电路，线圈l1和电容c1a、c1b组成第一组谐振回路，高频电流互感器la1采样逆变电流，通过线圈l1向车载接收线圈lo发送电能，如图6a；开关管vt11、vt12、vt31、vt32组成第二组逆变电路，线圈l2和电容c2a、c2b组成第二组谐振回路，高频电流互感器la1采样逆变电流，通过线圈l2向车载接收线圈lo发送电能，如图6b；开关管vt11、vt12、vt41、vt42组成第三组逆变电路，线圈线圈l3和电容c3a、c3b组成第三组谐振回路，高频电流互感器la1采样逆变电流，通过线圈l3向车载接收线圈lo发送电能，如图6c；开关管vt11、vt12、vt51、vt52组成第四组逆变电路，线圈l4和电容c4a、c4b组成第四组谐振回路，高频电流互感器la1采样逆变电流，通过线圈l4向车载接收线圈lo发送电能，如图6d；开关管vt21、vt22、vt31、vt32组成第五组逆变电路，线圈l5和c5a、c5b组成第五组谐振回路，高频电流互感器la2采样逆变电流，通过线圈l5向车载接收线圈lo发送电能，如图6e；开关管vt21、vt22、vt41、vt42组成第六组逆变电路，线圈l6和电容c6a、c6b组成第六组谐振回路，高频电流互感器la2采样逆变电流，通过线圈l6向车载接收线圈lo发送电能，如图6f；开关管vt21、vt22、vt51、vt52组成第七组逆变电路，线圈l7和电容c7a、c7b组成第五组谐振回路，高频电流互感器la2采样逆变电流，通过线圈l7向车载接收线圈lo发送电能，如图6g；开关管vt31、vt32、vt41、vt42组成第八组逆变电路，线圈l8和电容c8a、c8b组成第八组谐振回路，高频电流互感器la3采样逆变电流，通过线圈l8向车载接收线圈lo发送电能，如图6h；开关管vt31、vt32、vt51、vt52组成第九组逆变电路，线圈l9和电容c9a、c9b组成第九组谐振回路，高频电流互感器la3采样逆变电流，通过线圈l9向车载接收线圈lo发送电能，如图6i；开关管vt41、vt42、vt51、vt52组成第十组逆变电路，线圈l10和电容c10a、c10b组成第十组谐振回路，高频电流互感器la4采样逆变电流，通过线圈l10向车载接收线圈lo发送电能，如图6j。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。