基于波束形成原理的静止状态下纯电动汽车无线充电方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种可对静止中的纯电动汽车进行无线充电的方法。

背景技术：

现有的纯电动汽车无线充电技术中，通常单个充电线圈固定安装在地面停车位上，电动汽车上的接收线圈必须准确停在特定位置，使电动汽车底盘上的接收线圈与地面的发射线圈处于正对位置后才能进行充电。整个充电过程中电动汽车底盘的接收线圈与充电线圈如果有错位，无线充电效率将会大幅下降。

本发明公开了一种运用波束形成原理的磁谐振式无线电能充电技术对静态下的纯电动汽车充电的方法。该方法可以显著的扩大充电线圈的充电覆盖范围，电动汽车不必使接收线圈完全正对充电线圈也能高效的充电。只要让汽车停在这个较为宽泛的充电范围之内，充电线圈便能高效地向接收线圈传输电能。

技术实现要素：

1、本发明的目的

为了克服上述现有技术的不足，本发明的第一目的是解决可扩大充电覆盖范围的问题；第二目的是解决停车位空闲时充电线圈依然工作造成的能源浪费的问题，从而提出了一种基于波束形成原理的静止状态下纯电动汽车无线充电方法。

2、本发明所采用的技术方案

为了扩大充电覆盖范围，本发明提出了一种基于波束形成原理的静止状态下纯电动汽车无线充电方法，包括以下步骤：

步骤1、由多个充电线圈组成的充电阵列均匀安装在停车位下方，安装在停车位中间；充电线圈通过电压/电流变换器从输电总线上取得被调制过的电能；接收线圈安装在纯电动汽车底盘上，尺寸大小由电动汽车地盘面积决定；

步骤2、对每一个充电线圈加独立的交流电，线圈中的电压、电流检测装置测出当前线圈中的初始电压vt1…vtn、电流信息i1…in；

步骤3、算出充电线圈之间的互感mik(i≠k)，共cn²个：

步骤3.1、mik为第i个和第k个充电线圈的互感，将第k个线圈的中的电压源断开形成开路；

步骤3.2、当线圈i上加载电压vti后，两个线圈间形成谐振耦合，虽然线圈k开路，线圈k上的电流为ik＝0，但断开处的压降依然可以测得，记为vtk，因此有：

步骤4、接收线圈的总阻抗为预设值，但该阻抗的值会因为充电电池组的内阻变化而改变；因此在接收线圈与电池组之间加入一个阻抗匹配装置；

步骤5、基于步骤1和步骤2的充电模型列出如下的基尔霍夫矩阵方程：

矩阵方程中，zi代表第i个充电线圈的总阻抗，zr代表接收线圈的总阻抗；因为整个无线充电系统始终工作在谐振状态下，线圈内的电容、电感相抵消，电路成阻性，因此zr＝jωlr+1/jωcr+rl＝rl；

步骤6、将步骤2、3、4得到的参数代入所述基尔霍夫矩阵方程，即可求出充电线圈与接收线圈的互感值m1…mn；

步骤7、应用波束形成无线充电算法处理步互感值m1…mn，mi(1≤i≤n)：

步骤7.1、设参数mi，同时

步骤7.2、设参数βi，令其中与mi互为复共轭，分母表示的是从m1到mn的绝对值的平方和；βi无量纲，为调整充电线圈中电流的系数；

步骤7.3、用βi乘以对应的充电线圈中的初始电流值ii，得到βiii，βiii即为充电线圈i应该通入实现最大效率充电的电流大小。

步骤7.4、将新的电流βiii重新代入基尔霍夫矩阵方程的第i行，即可求得实现最大充电效率的第i个充电线圈应输入电压值vti；

重复步骤7.1-7.4操作，即可求出所有的充电线圈的最优电压值vt1…vtn，将该最优电压值加载在相应充电线圈，此时整个无线充电处于最大效率状态下。

为了节省能源，还包括步骤8，充电线圈控制步骤：

步骤8、为了节省能源，完成电动车的全自动无线充、断电操作，在充电线圈处加入以下控制策略，实现自动化：

步骤8.1、当停车位中没有车时，充电线圈与接收线圈未发生耦合，充电线圈中的电流较大。此时电流检测装置检测到较大的电流后，关闭传输系统，停止充电；

步骤8.2、当电动车需要充电时，接收线圈与发射线圈发生耦合，充电线圈中的电流减小；此时电流检测装置检测发现电流较低，开始传输系统，开始充电；

步骤8.3、当电动车充满时，接收线圈中电路保护装置断开，使得接收线圈开路；充电线圈中的电流变大，此时电流检测装置检测到较大的电流后，关闭传输系统，停止充电；

步骤8.4、当电动车驶离停车位时，接收线圈离开，充电线圈中的电流变大；此时电流检测装置检测到较大的电流后，关闭传输系统，停止充电。

为了解决接收线圈的总阻抗与充电电池组阻抗匹配问题，所述的步骤4中，阻抗匹配装置，由buck-boost电路构成，它可以通过改变mos管的占空比d改变电路的工作状态，从而改变buck-boost电路的输入阻抗，进而改变总阻抗zr；

控制方程为：

更进一步，充电线圈尺寸以实际停车位大小决定，直径不小于1米。

3、本发明的有益效果

(1)本在停车位下方安装的多个充电线圈扩大充电范围，每个充电线圈中带有电压/电流检测装置。对每个充电线圈独立地通入不同幅值相位的交流电，利用本发明提出的方法估计出互感，再利用得到的互感进行波束形成运算，得出实现当前最大效率传输所对应的各个充电电流的值，最后将计算得到的电流大小施加在相应充电线圈上，从而实现纯电动汽车无线充电的最大效率。

(2)本发明可以使无线充电的纯电动汽车不必准确地停在充电线圈正上方，而是停在一个较大的充电区域内即可完成高效充电，解决了传统无线充电系统效率对线圈间相对位置的错位极为敏感的问题，使得无线充电系统更方便地用于实际的停车位中。

(3)发明提出了无线充电全自动控制策略，使得充电线圈根据当前情况自动判断是否需要进行充电，解决了当停车位空闲时充电线圈依然工作造成的能源浪费的问题。

附图说明

图1为纯电动汽车在静止中无线充电的示意图；

图2为多充电线圈/单接收线圈无线充电的电路示意图；

图3为发射端之间互感mik计算方法电路示意图；

图4为阻抗匹配buck-boost电路示意图；

图5为无线充电自动控制法控制流程与发射线圈电路关系图；

图6为5个充电线圈/单个接收线圈无线传输系统的相对位置示意图；

图7为接收线圈在不同位置时，5充电线圈无线传输系统传输效率的大小示意图；

图8为接收线圈在不同位置时，单充电线圈无线传输系统传输效率大小示意对比图。

具体实施方式

实施例1

本发明运用波束形成原理的磁谐振式无线电能充电技术对静止状态下的纯电动汽车充电的方法，其特点是包括以下步骤：

步骤1、由多个充电线圈组成的充电阵列均匀安装在停车位下方，接收线圈安装在纯电动汽车底盘上，接收线圈尺寸大小由电动汽车底盘面积决定。

步骤2、每一个充电线圈上均装有一个独立的可变交流电压源，还安装有电压/电流检测装置。在每个充电线圈上预先施加一个独立的拥有特定幅值/相位的交流电压，则在这个充电线圈周围产生一个电磁场，而充电线圈中电流、电压的幅值以及相位可由检测装置实时测出。当接收线圈进入充电线圈所产生的电磁场中时，根据电磁感应原理充电线圈与接收线圈之间会产生互感，而互感会改变充电线圈中电流的相位和幅值。

步骤3、求出充电线圈之间的互感大小。

步骤4、利用阻抗匹配电路调整接收线圈的阻抗大小，使得接收端阻抗始终为一个已知的定值。

步骤5、将步骤2、3、4中得到的参数(充电线圈上的电压与电流、充电线圈间的互感、接收线圈的阻抗)代入麦克斯韦方程中，求出充电线圈与接收线圈间的互感：

步骤6、计算得到互感值后，利用本发明提出的波束形成算法即可以求出能够获得当状态下前最大传输效率的电压和电流的大小。将该电压值加载到充电线圈中，即可使得最优的无线传输效率。

步骤7、为了节省能源，完成电动车的全自动无线充、断电操作，在充电线圈处加入以下控制策略，实现自动化：

步骤7.1、当停车位中没有车时，充电线圈与接收线圈未发生耦合，充电线圈中的电流较大。此时电流检测装置检测到较大的电流后，关闭传输系统，停止充电。

步骤7.2当电动车需要充电时，接收线圈与发射线圈发生耦合，充电线圈中的电流减小。此时电流检测装置检测发现电流较低，开始传输系统，开始充电。

步骤7.3当电动车充满时，接收线圈中电路保护装置断开，使得接收线圈开路。充电线圈中的电流变大。此时电流检测装置检测到较大的电流后，关闭传输系统，停止充电。

步骤7.4当电动车驶离停车位时，接收线圈离开，充电线圈中的电流变大。此时电流检测装置检测到较大的电流后，关闭传输系统，停止充电。

实施例2

由n个充电线圈和1个接收线圈组成的具体实施方式，参照图1，为本发明基于波束形成原理的静止状态下纯电动汽车无线充电方法的结构图。

充电步骤如下：

步骤1、图2是无线充电的基本电路示意图，其中vti和vtj(i≠j)分别代表第i个和第j个充电线圈的电压源，ci、li、ri、ii以及cj、lj、rj、ij则分别代表响应充电线圈的电容、电感、电阻、电流；接收线圈部分的参数同理。当无线充电系统设计完毕后，所有线圈中的电容、电感、电阻的值均为已知量。mi、mj分别表示第i个充电线圈以及第j个充电线圈与接收线圈之间的互感值；mij是两充电线圈之间的互感值。

步骤2、对每一个充电线圈加独立地交流电，线圈中的电压、电流检测装置测出当前线圈中的电压、电流信息。

步骤3、求充电线圈之间的互感。当充电线圈设计完成并安装在地面下后，充电线圈的电容、电感等电参数以及线圈间的相对位置均以固定。容易知道，谐振线圈间的互感只与它们的电学结构和相对位置有关，因此步骤3中充电线圈间的互感mik(i≠k)也为定值且可以计算得到。如图3所示，计算方法如下：

步骤3.1、以第i个和第k个充电线圈为例，其互感可写为mik(i≠k)。将第k个线圈的中的电压源断开，形成如图所示的开路。

步骤3.2、当线圈i上加载电压vti后，两个线圈间形成谐振耦合，谐振状态下满足jωl+1/jωc＝0。虽然线圈k开路，线圈k上的电流为ik＝0，但断开处的压降依然可以测得，记为vtk，因此有：

vti＝iizi

vtk＝jωmikii

两式联立可得：

公式中的右边的所有变量均可以测出，因此mik可以由该式求得。

步骤4、接收线圈的总阻抗zr必须为已知量且最好为定值，但该阻抗的值会因为充电电池组的内阻变化而改变。因此在接收线圈与电池组之间加入一个阻抗匹配装置，如图4所示。该装置由buck-boost电路构成，它可以通过控制mos管的占空比d改变电路的工作状态，从而改变buck-boost电路的输入阻抗，进而改变总阻抗zr。控制方程为：

步骤5、求出充电线圈与接收线圈间的互感。根据图2可以列出如下的基尔霍夫矩阵方程：

因为整个无线充电系统始终工作在谐振状态下，线圈内的电容、电感相抵消，电路成阻性，因此矩阵方程中，zi代表第i个充电线圈的总阻抗，zr代表接收线圈的总阻抗。将步骤2、三、四的结果代入后可求得充电线圈与接收线圈间的互感m。

步骤6、应用求出的互感值(m1…mn)进行波束形成无线充电最大效率的计算。以第i个充电线圈与接收线圈之间的互感mi(m1<mi<mn)为例：

步骤6.1、设参数mi，同时令

步骤6.2、设参数βi，令其中与mi互为复共轭，分母表示的是从m1到mn的绝对值的平方和。可以看出，βi无量纲，它是调整充电线圈中电流的系数。

步骤6.3、用βi乘以对应的充电线圈中的初始电流值ii，得到βiii。βiii就是充电线圈i应该通入实现最大效率充电的电流大小。

步骤6.4、将新的电流βiii重新代入公式(1)中的第i行，即可求得实现最大充电效率的第i个充电线圈应输入电压值vti。

步骤6.5、重复上述操作，即可求出所有的充电线圈的最优电压值vt1…vtn。将该最优电压值加载在相应充电线圈，此时整个无线充电处于最大效率状态下。

步骤7、为了节省能源，完成电动车的全自动无线充、断电操作，在充电线圈处加入以下控制策略，如图5所示，实现自动化：

步骤7.1、当停车位中没有车时，充电线圈与接收线圈未发生耦合，充电线圈中的电流较大。此时电流检测装置检测到较大的电流后，关闭传输系统，停止充电。

步骤7.2、当电动车需要充电时，接收线圈与发射线圈发生耦合，充电线圈中的电流减小。此时电流检测装置检测发现电流较低，开始传输系统，开始充电。

步骤7.3、当电动车充满时，接收线圈中电路保护装置断开，使得接收线圈开路。充电线圈中的电流变大。此时电流检测装置检测到较大的电流后，关闭传输系统，停止充电。

步骤7.4、当电动车驶离停车位时，接收线圈离开，充电线圈中的电流变大。此时电流检测装置检测到较大的电流后，关闭传输系统，停止充电。

本实施例图7给出了采用该种波束形成无线传输算法后的充电效率对比仿真图，图6为该仿真的电路安装示意图。如图6所示，该无线充电由5个充电线圈以及1个接收线圈组成，谐振频率为1mhz，接收线圈的负载rl为5ω，充电线圈的内阻为0.03ω，5个线圈直径均为1m，在谐振频率下处于共振状态，即线圈均呈纯阻性。为模拟接收线圈在不同位置的效率，接收线圈在图中的实线方框中缓慢移动，方框的面积为12×12m²。方框平行于充电线圈所在平面，高度为0.2m，用来模拟汽车底盘的高度。充电线圈上加载的初始电压值为五个随机初始驱动电压3+4i、5-2i、4-6i、2.5+3i和2-4.5i。

图7为应用本发明提出的波束形成算法后，接收线圈在不同位置下传输效率的值。图中可以看出在中心6×6m²的区域中，传输效率高达95％以上。证明了该波束形成算法在大范围内可以实现无线能量的高效传输。图8为单一充电线圈无线传输的效率对比图，可以看出，单线圈时高效率的区间范围远远小于波束形成5线圈的情况。通过对比证明，本发明提出的多线圈无线充电波束形成算法系统可以有效地扩大高效率充电空间，克服了线圈错位带来的传输损失，使电动车停车充电变得更加从容。