电动汽车负载随机接入无线充电的稳定控制系统及其方法与流程

本发明涉及一种电动汽车负载随机接入无线充电的稳定控制系统及其方法，属于电动汽车无线充电技术领域。

背景技术：

随着电动汽车的飞速发展，从混合动力电动汽车到纯电动汽车，汽车行业逐步摆脱对于化石能源的依赖。新的问题随之而来，当前电池的能量密度难以与汽油等传统能源相匹敌，能量补充速度也难及传统能源，导致电动汽车存在与生俱来的短板，充电操作复杂且频繁，电池笨重庞大以及续航能力差。

将电动汽车的动态充电与相对成熟的静态充电技术相结合，利用电动汽车在交通路口等红绿灯的间隙，将红灯停车等待区域改造成无线充电区，实现在等待红灯间隙为电动汽车准动态的补充电能。这对增加电动汽车的续航能力有很大的帮助，同时也有助于后续电动汽车全程路面动态无线供电方案的实施。

在多辆电动汽车随机接入无线充电系统过程中，由于系统充电功率比较大，而在红灯亮起时，车辆进入充电区域是一个动态过程，同时并不是每一个电动汽车都需要进行能量补充，因此，还需要对电动汽车需求进行监控，并确保后进入的充电汽车不会对现有已在充电的汽车造成较大的功率冲击，造成新增负载带来的电动汽车单体接收功率跌落问题，影响电池的寿命。

技术实现要素：

为了解决单一发射区域多接收电动汽车负载系统中新增负载带来的电动汽车单体接收功率跌落问题，本发明提出了一种电动汽车负载随机接入无线充电的稳定控制系统及其方法。

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。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明一种电动汽车负载随机接入无线充电的稳定控制系统，其包括如下：

初级线圈经补偿电容补偿后连接到高频逆变电路，构成能量无线发射端；

次级线圈经补偿电容补偿后连接到后端车载装置，构成能量无线接收端；

首计数器装置和尾计数器装置，分别安装在有效充电区域的前后；

控制器单元，连接首计数器装置和尾计数器装置，综合首计数器的计数信息nhead和尾计数器的计数信息ntail，获取当前处于有效区域内的负载个数n可以表示为n＝ntail-nhead，进而依据该负载个数实现后续精确调压控制。

进一步地，所述控制器单元为dsp(数字信号处理器，digitalsignalprocessing)。

进一步地，所述首计数器装置和尾计数器装置为磁传感器或者光电传感器。

本发明一种电动汽车负载随机接入无线充电的稳定控制方法，其采用调整电源电压的方法保证负载接收功率始终处于预期值pout0附近，稳态情况下，当前负载个数n和电源电压uin(n)满足以下关系：

其中，系统工作频率为f，角频率为ω＝2πf，rp为初级线圈内阻，rs为次级线圈内阻，rl为负载电阻，mrms为初级线圈与次级线圈在有效区域内的等效平均互感；

有效区域可表示为x1≤x≤x2，其中x1＝-(a2-a1)/2，x2＝(a2-a1)/2，mks为有效充电区域内互感，mrms的取值依据为

基于负载个数监控的稳态电源电压调控如下：当检测到一个负载时，随着检测到负载个数继续递增，可将电源电压以的增量有级调整。

根据稳态电源调压方法，进一步提出满足动态稳定需求的基于动态功率有界波动域的监测点选取方法。基于动态功率有界波动域的监测点选取方法具体如下：

当监测到负载个数增加时，电源电压依据上述提出的稳态电源调压方法调整，若此时新次级线圈未完全进入有效充电区域，将造成完全处于有效区域内的前n-1个负载的接收功率突变；

在新负载计入之后，前n-1个负载的接收功率可表示为：

第n个负载的接收功率可表示为：

其中，mns为第n个负载对应次级线圈与初级线圈之间的互感值，该值随着该负载的移动始终处于动态变化过程。

有益效果：

本发明综合稳态电源调压方法以及基于动态功率有界波动域的监测点选取方法，形成电动汽车负载随机接入无线充电的稳定控制方法，解决单一发射区域多接收电动汽车负载系统中新增负载带来的电动汽车单体接收功率跌落问题，随着新负载的接入仍能保证各负载接收功率稳定，且接入过程中不对其他负载接收功率产生较大冲击。

附图说明

图1为本发明电动汽车负载随机接入无线充电的稳定控制系统的示意图；

图2为本发明最优监测点位置选取方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1所示，为应用电动汽车负载随机接入无线充电的稳定控制系统的示意图。其适用于电动汽车负载数量不确定的路口无线充电情形。在有效充电区域的前面安装有首计数器装置，在有效充电区域的后面安装有尾计数器装置，首计数器装置和尾计数器装置可选取为磁传感器或者光电传感器。控制器单元与首计数器装置和尾计数器装置连接，其一般选取dsp(数字信号处理器，digitalsignalprocessing)等高精度快速微处理器。控制器单元综合首计数器的计数信息nhead和尾计数器的计数信息ntail，获取当前处于有效区域内的负载个数n可以表示为n＝ntail-nhead，进而依据该负载个数实现后续精确调压控制。初级线圈经补偿电容补偿后连接到高频逆变电路，构成能量无线发射端；次级线圈经补偿电容补偿后连接到后端车载装置，构成能量无线接收端；能量通过初级线圈和次级线圈的磁耦合作用，以无线的方式不接触即可实现电能传输。在发射端和接收端的补偿电容均以电容补偿电感的方式，降低各回路的阻抗虚部，从而实现更大的回路电流。

本发明综合稳态电源调压方法以及基于动态功率有界波动域的监测点选取方法，形成电动汽车负载随机接入无线充电的稳定控制方法。具体如下：

采用调整电源电压的方法保证负载接收功率始终处于预期值pout0附近，稳态情况下，当前负载个数n和电源电压uin(n)满足以下关系：

其中，系统工作频率为为f，角频率为ω＝2πf，rp为初级线圈内阻，rs为次级线圈内阻，rl为负载电阻，mrms为初级线圈与次级线圈在有效区域内的等效平均互感。

有效区域可表示为x1≤x≤x2，其中x1＝-(a2-a1)/2，x2＝(a2-a1)/2，mks为有效充电区域内互感，故在本发明中，mrms的取值依据为

基于负载个数监控的稳态电源电压调控如下：当检测到一个负载时，随着检测到负载个数继续递增，可将电源电压以的增量有级调整。

根据稳态电源调压方法，进一步提出满足动态稳定需求的基于动态功率有界波动域的监测点选取方法。基于动态功率有界波动域的监测点选取方法具体如下：

当监测到负载个数增加时，电源电压依据稳态电源调压方法调整，若此时新次级线圈未完全进入有效充电区域，将造成完全处于有效区域内的前n-1个负载的接收功率突变。在新负载计入之后，前n-1个负载的接收功率可表示为

第n个负载的接收功率可表示为

其中，mns为第n个负载对应次级线圈与初级线圈之间的互感值，该值随着该负载的移动始终处于动态变化过程。

考虑负载移动对各负载接收功率的影响，分别根据上式得到各负载接收功率随着新负载移动接入的变化曲线，假设允许接收功率波动不超过预期功率的5％，在各负载接收功率变化特性曲线图中分别设置正负5％的有界波动域。综合比较各情形下的域界线与特性曲线交点的横坐标值(即位置坐标)，选取横坐标值最大对应的位置作为尾端(进入端)最优监测点位置。进而选取尾端(进入端)最优监测点位置在有效区域内的对称位置作为首端(离开端)最优监测点位置。

如图2所示为系统包含不同负载情形下，新负载接入时导致各个负载的接收功率随新负载的位置变化曲线。图2(a)所示为单负载系统的负载接入时负载的接收功率随新负载的位置变化曲线；图2(b)所示为两个负载的系统，在前一个负载已经停在充电区域内时，第二个负载接入时导致的各负载接收功率随新负载的位置变化曲线；图2(c)所示为三个负载的系统，在前两个负载已经停在充电区域内时，第三个负载接入时导致的各负载接收功率随新负载的位置变化曲线；图2(d)所示为四个负载的系统，在前三个负载已经停在充电区域内时，第四个负载接入时导致的各负载接收功率随新负载的位置变化曲线。以允许波动范围在5％以内为例，各变化曲线与上下波动阈值的交点即为包含不同负载个数情形下的监测临界点，进而综合比较不同负载个数下的监测临界点，最终选取横坐标值最大对应的位置作为尾端(进入端)最优监测点位置。

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。