一种电动汽车无线充电电能接收系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种电动汽车无线充电电能接收系统，包括无线接收电能的无线电能接收器（4），接收转换电路、充电电路和充电电池，其中：所述无线电能接收器（4）接收到无线电能发射器（2）无线发射的电能后，通过所述接收转换电路对电能进行整流、稳压，然后通过所述充电电路传给所述充电电池。本发明提供的电动汽车无线充电电能接收系统弥补了电动汽车有线充电的不足。如果将电动汽车无线充电电能发射系统与道路建设结合，可实现电动汽车边走边充电的功能，极大地缓解了电动汽车动力电池不足，行驶距离短的缺陷，将极大地推动电动汽车的推广应用。
【专利说明】一种电动汽车无线充电电能接收系统和方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及无线充电领域，尤其是一种电动汽车无线充电电能接收系统和方法。【背景技术】
[0003]发展电动汽车，是世界公认的缓解能源短缺和环境污染的有效策略，而对于我国又显得至关重要。以我国的石油消耗为例，2009年石油净进口量约2.04亿吨，进口依存度达52%，远超过国际警戒线标准35%。其中车用燃油消耗占总石油消耗的1/3强。因此，开发、推广汽车代用燃料和电动汽车，降低燃料消耗，对缓解我国环境污染、保障能源安全和供给以及国家可持续发展具有重要的战略意义
随着环保理念的深入人心和石油价格的上涨，电动汽车也随之飞速发展，未来使用的前景将非常广泛。但受制于充电效率、充电电池的存储能力，电动汽车没有得到足够的发展。无线充电的原理就是闻名于世的特斯拉磁性谐振电感耦合技术，即电磁效应。当电动汽车驶过铺设在高速公路车道中央的磁性线圈时，车载线圈便首先获得电力，随即输入电池中，为汽车提供源源不断的动力。无线充电技术意味着不再受限于电线、连接器或接触点，电能和数据就能够有效在电器设备间传递。将无线充电技术应用于电动汽车，并解决实际使用中存在的技术问题，成为当务之急。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供了一种电动汽车无线充电电能接收系统和方法，为电动汽车无线充电，解决了电动汽车不能边走边充电的问题。
[0005]本发明提供了一种电动汽车无线充电电能接收系统，包括无线接收电能的无线电能接收器4，接收转换电路、充电电路和充电电池，其中:所述无线电能接收器4接收到无线电能发射器2无线发射的电能后，通过所述接收转换电路对电能进行整流、稳压，然后通过所述充电电路传给所述充电电池。
[0006]进一步，所述无线电能发射器2与所述无线电能接收器4有共同的共振频率，当所述无线电能发射器2提供的电磁波能量的频率与所述无线电能接收器4的共振频率相同时，能够实现最高的转换效率。
[0007]进一步，所述系统还包括通信单元，用于和无线电能发射系统通信，所述通信单元包括通信电路和通信协议，通信电路包括模拟和数字声脉冲发射模块，身份识别和配置模块和电能发射判断模块；通信协议用于所述模拟和数字声脉冲发射模块、身份识别和配置模块和电能发射判断模块之间的通信。
[0008]本发明还提供了一种电动汽车无线充电电能接收方法，包括无线电能发射器2、无线电能接收器4和通信单元，所述通信单元包括模拟和数字声脉冲发射模块，身份识别和配置模块和电能发射判断模块，其中: 51、无线电能发射器2的通过模拟脉冲检测到无线电能接收器4；
52、无线电能发射器2的数字脉冲为模拟脉冲的加长版，并使得无线电能接收器4在一定时间内回复一个信号强度包，如果该信息强度包有效，则无线电能发射器2会保持通电并进行下一步骤S3 ；
53、无线电能接收器4发送包含特定信息的数据包，对无线电能发射器2进行身份识另IJ，并向无线电能发射器2提供身份识别和配置信息；
54、无线电能接收器4向无线电能发射器2发送误差数据包，以增加或者减少电力。正常运行期间，每隔约250ms便发送所述误差数据包，而在大信号变化期间会每隔32ms发送一次；另外，在正常运行期间，无线电能发射器2会每隔5秒钟便发送一次电力包；
55、无线电能接收器4会发送一条“终止充电”消息，或者1.25秒时长内都不进行通信。两种事件中的任何一个都会让无线电能发射器2停止发射电力包，进入低功耗状态，从而实现无线电能发射和中断。
[0009]与现有技术相比，本发明提供的电动汽车无线充电电能接收系统弥补了电动汽车有线充电的不足。如果将电动汽车无线充电电能发射系统与道路建设结合，可实现电动汽车边走边充电的功能，极大地缓解了电动汽车动力电池不足，行驶距离短的缺陷，将极大地推动电动汽车的推广应用。
[0010]
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为电动汽车及充电结构示意图；
图2为图1中无线电能发射器放大示意图；
图3为图1中无线电能接收器放大示意图；
图4为电能发射电路的结构框图；
图5为供电交流电路的电路示意图；
图6为发射电路的电路意图；
图7为电能接收电路的结构框图；
图8为电能接收转换电路的电路结构示意图；
图9为充电电路的电路结构示意图；
图10为城市道路中边走边充电专用道路示意图；
图11为高速路中边走边充电专用道路示意图。
[0012]
【具体实施方式】
[0013]1914年11月，中国首条无轨电车(带辫子的电车)线路在上海开通，并从容驶过将近一个世纪。资料显示，上海无轨电车系统在1994年达到巅峰期，当时拥有电车线路20多条，营运车辆986辆，载客量占市区公交客运总量的30%以上。其营运规模曾排名亚洲第一、世界第三。最初轨道交通建设在租界内进行。1881年7月上海英商怡和洋行向法租界公董局提议开办电车事业，租界当局认为虽然有轨电车铺轨架线投资较大，但鉴于其行车成本低、乘客容量大、乘坐平稳舒适的优点，决定采纳，并着手研究。1898年3月法租界公董局与公共租界工部局联合组成电车设计委员会，因设计分歧未果。后两租界分别办理电车事宜，1905年3月公共租界选定英商布鲁斯.庇波尔公司承办电车工程，后其专营权转让给英商上海电车公司，1907年4月24日公共租界有轨电车工程开工。
[0014]城市人口激增和工、商业规模扩大，推动了城市公共交通的发展。到1927年底，市区辟有有轨电车线路22条，其中英商11条，法商7条，华商4条。营运地区东至外滩、杨树浦，西抵徐家汇、静安寺，南起卢家湾、高昌庙，北及北火车站、虹口公园。日均运客达48.6万人次。由市中心向四周延伸的车轨和穿梭其上的有轨电车，不仅给上海人带来了行路之便，也传递着都市生活快速的节奏。直至上世纪90年代中后期，随着大规模城市基础设施建设和道路改造工程的兴起，9路、12路、16路、27路等无轨电车先后退出营运舞台，曾经唯一一条过江电车线路隧道五线也改为汽车线路，18路、21路虽然保留了“番号”，但车队中早已没有无轨电车的身影。目前，上海的无轨电车线路只剩下10条左右。随着大城市交通运输的高速发展，传统的无轨电车、和有轨电车，已逐渐走完它的历史里程:一些城市的有轨电车轨线与无轨电车电杆线相继被拆除。
[0015]目前,城市的客运，百分之一，属于地铁,百分之九十九、属于常规燃油客车运营。可是，当今能源面临枯竭，未来的客运面临崩溃，庞大的人流漩涡靠什么方法来运转，这一问题如何应对，将是一个摆在面前的很严肃问题。
[0016]下面结合附图，对本发明做进一步详细的说明。
[0017]如图1所示，I为埋在路面下的电源线路，2为隐藏在路面下的无线电能发射器，3为覆盖在无线电能发射器上面的专线路面，4为安装在电动汽车内的无线电能接收器，5为电动汽车驱动电池，6为电动汽车驱动电机。
[0018]电源线路I与隐藏在路面下的无线电能发射器2连接，专线路面3空间以外下部处与隐藏空间以外路基处连接，专线路面3上部的表面与电动汽车驱动车轮接触(不能连接)，无线电能发射器2固定在专线路面3的下方，无线电能接收器4的正极与电动汽车驱动电池5的输入正极连接，无线电能接收器4的负极，与电动汽车驱动电池5的输入负极连接，电动汽车驱动电池5的输出正极与装在电动汽车轮毂上的驱动电机6的正极连接，电动汽车驱动电池5的输出负极与装在电动汽车轮毂上的驱动电机6的负极连接。
[0019]电动汽车无线充电的工作原理为:无线电能发射器2与无线电能接收器4通过通信单元建立通信，并确定开始传输电能，并在传输电能过程中通过通信单元传输误差数据包，以确定充电的具体需求和检测充电状态。当充电需求得到满足或充电异常时，充电终止。
[0020]图2为无线电能发射器2的放大示意图，电力传输方向始终是从无线电能发射器2到无线电能接收器4。无线电能发射器2的关键电路是用于向电力接收器传输电力的一次线圈、驱动一次线圈的控制单元以及解调一次线圈电压或者电流的通信电路。对无线电能发射器2设计的灵活性进行了限制，旨在向无线电能接收器4提供一致的电力和电压电平。无线电能发射器2连接至电源。符合标准的设备线圈起到了一个50%占空比谐振半桥的作用，如果无线电能接收器4需要或多或少的功率，则线圈频率会发生变化，具体取决于功率需求。
[0021]图3为无线电能接收器4的放大示意图，无线电能接收器4将自己作为电力发送器的一个兼容设备，同时也提供配置信息。当无线电能发射器2开始电能传输，无线电能接收器4就向电力发送器发送一些误差数据包，从而要求或多或少的电能。当接收到一个“终止电力”消息，或者如果1.25秒以上都没有接收到误差数据包，则无线电能发射器2停止供电。没有电力传输时，电能发送器2则进入低功耗待机模式。
[0022]无线电能发射器2与无线电能接收器4之间除了传输电能的电路外，还有通信单元，包括通信电路和通信协议，用于建立通信，确定电能传输的开始、结束以及传输误差数据包等。无线电能发射器2与无线电能接收器4有共同的共振频率，电能传输是需要透过预设好的共振频率来传送的，无线电能发射器2提供的电磁波能量之频率需要是接收器4的共振频率才能得到好的转换效率。通过标准的资料传送码或其它识别激活方式，无线电能发射器2需要对应到正确的无线电能接收器4才能开始送电。在任何一辆大小功率不同的电动汽车，只要装有无线电能接收器4，通过专用充电路面时，该车上的无线电能接收器4，就会自动向无线电能发射器2传递出自己所需功率信号，无线电能发射器2马上会源源不断的为该车提供动力电源，该电动汽车就会完成无限行走，从而也就完成了本发明目的。
[0023]如图4所示，电能发射电路的结构框图，包括直流电源、交流电源、发射电路、无线电能发射器2、无线电能接收器4和驱动电池5。无线电能发射器2，电源管理模块，接收到来自交流电源，或直流电源的电流信号，对其进行变压管理，后通过发射电路进入无线电能发射器2，将变压后的电流发射给无线电能接收4，然后进入驱动电池，再然后进行驱动电机。
[0024]如图5所示，供电交流电路的电路示意图。
[0025]如图6所示，发射电路的电路示意图，发射电路的主振电路采用2 MHz有源晶振作为振荡器。有源晶振输出的方波，经过二阶低通滤波器滤除高次谐波，得到稳定的正弦波输出，经三极管13003及其外围电路组成的丙类放大电路后输出至线圈与电容组成的并联谐振回路辐射出去，为接收部分提供能量，有效的达到发明目的。
[0026]如图7所示，电能接收电路的结构框图，包括无线发射电能的无线电能发射器2，无线接收电能的无线电能接收器4，接收转换电路、充电电路和充电电池。无线电能接收器4接收到无线电能发射器2无线发射的电能后，通过接收转换电路对电能进行整流、稳压，然后通过充电电路传给充电电池。
[0027]如图8所示，电能接收转换电路的电路结构示意图。
[0028]电能接收转换电路的具体指标，可以是，与电容组成的并联谐振回路的空芯耦合线圈的线径为0.5 mm，直径为7 cm,电感为47 uH，载波频率为2 MHz0根据并联谐振公式得匹配电容C约为140 pF。因而，发射部分采用2MHz有源晶振产生与谐振频率接近的能源载
波频率。
[0029]如图9所示，充电电路的电路结构示意图。
[0030]无线电能接收器为一种驱动充电设备。无线电能接收器的关键电路是用于从无线电能发射器接收电力的次级线圈、用于转换/整流电路、用于将未稳压转换的电流经过稳压转换电源调节电路以及用于将信号调制到合乎次级线圈的通信电路。无线电能发射器负责其身份认证和电源要求的所有通信，因为无线电能接收器相对于无线电能发射器(如果为“述说着”)，只是一个“收听者”。
[0031 ] 尽管为了让其符合标准，对无线电能发射器的设计进行了限制，但设计无线电能接收器时却可以有更多的自由。可以调节无线电能接收器的线圈尺寸，以满足设备的体积要求，对无线电能接收器的线圈电压进行全波整流。由于两个设备之间的通信是单向的，因此，无线电能接收器作为“收听者”。电感电能传输通过耦合一次，到次级线圈的磁场工作。非耦合磁力线围绕一次线圈旋转，且只要磁力线不耦合寄生负载，其便不会出现损耗(例如:金属的润流损耗等)。
[0032]通信电路包括模拟和数字声脉冲发射模块，身份识别和配置模块和电能发射判断模块。通信协议用于所述模拟和数字声脉冲发射模块、身份识别和配置模块和电能发射判断模块之间的通信。无线电能接收器4放置在无线电能发射器2上面时，典型启动顺序如下:
S1、无线电能发射器2的通过模拟脉冲检测到无线电能接收器4。
[0033]S2、无线电能发射器2的数字脉冲为模拟脉冲的加长版，并使得无线电能接收器4在一定时间内回复一个信号强度包，如果该信息强度包有效，则无线电能发射器2会保持通电并进行下一步骤S3。
[0034]S3、身份识别和配置阶段期间，无线电能接收器4发送包含特定信息的数据包，对无线电能发射器2进行身份识别，并向无线电能发射器2提供身份识别和配置信息。
[0035]S4、在电能发射阶段，无线电能接收器4向无线电能发射器2发送误差数据包，以增加或者减少电力。正常运行期间，每隔约250ms便发送所述误差数据包，而在大信号变化期间会每隔32ms发送一次。另外，在正常运行期间，无线电能发射器2会每隔5秒钟便发送一次电力包。
[0036]S5、为了终止电能发射，无线电能接收器4会发送一条“终止充电”消息，或者1.25秒时长内都不进行通信。两种事件中的任何一个都会让无线电能发射器2停止发射电力包，进入低功耗状态。从而实现无线充电和断电。
[0037]无线充电技术的实现，离不开无线电能发射器2、无线电能接收器4、通信电路和通信协议之间的配合。关于无线电能发射器2的实际使用，一般是将其设置在城市专用道路上，以实现电动汽车边走边充电的功能。
[0038]如图10所示，以城市八车道为例，向北四车道，最右侧I车道为人行道(或非机动车道)；1车道左侧为2车道，是电动汽车边走边充电车道；2车道左侧为3车道，是慢车道，3车道左侧为4车道，是快车道(超车车道)，向南四车道与向北四车道对称。边走边充电车道(2车道)中的圆圈，表示埋在路表下的无线电能发射器2，间距为5米，目前大功率无线充电的发射传输的可靠距离为5米，随着无线电能发射器2的技术发展，以后还可以再扩展。
[0039]如图1所示，电源线路I与隐藏在路面下的无线电能发射器2连接，专线路面3空间以外下部处与隐藏空间以外路基处连接，专线路面3上部的表面与电动汽车驱动车轮接触(不能连接)，无线电能发射器2固定在专线路面3的下方，无线电能接收器4的正极与电动汽车驱动电池5的输入正极连接，无线电能接收器4的负极，与电动汽车驱动电池5的输入负极连接，电动汽车驱动电池5的输出正极与装在电动汽车轮毂上的驱动电机6的正极连接，电动汽车驱动电池5的输出负极与装在电动汽车轮毂上的驱动电机6的负极连接。
[0040]结合图1与图10所示，城市中边走边充电的电动汽车专用道路可形成。
在有了能够边走边充电的无线充电技术后，电动汽车不仅用在城市中，做短距离或短时间的使用。
[0041]如图11所示，中央隔离带右侧为I车道，是小客车快速车道(超车车道)；I车道右侧为2车道，是小客车行车车道，2车道右侧为3车道，是客货车道，3车道右侧为4车道，是电动汽车边走边充电专用车道。4车道中的圆形符号为埋入路表下面的无线电能发射器2，发射器发射电能半径目前为5米，是目前比较稳定的最大功率的无线电能发射器，发射器间距为10米。
[0042]高速路电动汽车边走边充电专线技术方案，是最安全的方法，与无线信号的原理相同，利用两个线圈内的电力传送中，包含资料码一起传送，可变功率系统需建立在数据传输上。对现有道路的施工改造无需毁掉整个路面，只是慢车道改造即可，，应急车道不做改变；如果是新建道路，可以规划充电专用道路。电动汽车在高速专用车道行驶，超车时左右不超出5米，充电继续有效。
[0043]无线电能发射充电技术，是利用电磁波发射原理，及相关的交流感应技术，在发射和接收端/用相应的线圈，来发射和接收产生感应的交流信号，来完成电动汽车边走边充电的技术。使行驶里程无限，有效的达到了本发明目的。
[0044]上述各种场景仅是本发明较佳的实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭示的技术范围内，作出各种的变形、补充或替换都属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种电动汽车无线充电电能接收系统，包括无线接收电能的无线电能接收器(4)，接收转换电路、充电电路和充电电池，其特征在于:所述无线电能接收器(4)接收到无线电能发射器(2)无线发射的电能后，通过所述接收转换电路对电能进行整流、稳压，然后通过所述充电电路传给所述充电电池。
2.根据权利要求1所述的电能接收系统，其特征在于:所述无线电能发射器(2)与所述无线电能接收器(4)有共同的共振频率，当所述无线电能发射器(2)提供的电磁波能量的频率与所述无线电能接收器(4)的共振频率相同时，能够实现最高的转换效率。
3.根据权利要求1或2所述的电能接收系统，其特征在于:所述系统还包括通信单元，用于和无线电能发射系统通信，所述通信单元包括通信电路和通信协议，通信电路包括模拟和数字声脉冲发射模块，身份识别和配置模块和电能发射判断模块；通信协议用于所述模拟和数字声脉冲发射模块、身份识别和配置模块和电能发射判断模块之间的通信。
4.一种电动汽车无线充电电能接收方法，包括无线电能发射器(2)、无线电能接收器(4)和通信单元，所述通信单元包括模拟和数字声脉冲发射模块，身份识别和配置模块和电能发射判断模块，其特征在于: . 51、无线电能发射器(2)的通过模拟脉冲检测到无线电能接收器(4)； . 52、无线电能发射器(2)的数字脉冲为模拟脉冲的加长版，并使得无线电能接收器(4)在一定时间内回复一个信号强度包，如果该信息强度包有效，则无线电能发射器(2)会保持通电并进行下一步骤S3; . 53、无线电能接收器4发送包含特定信息的数据包，对无线电能发射器(2)进行身份识另O，并向无线电能发射器(2)提供身份识别和配置信息； . 54、无线电能接收器(4)向无线电能发射器(2)发送误差数据包，以增加或者减少电力；正常运行期间，每隔约250ms便发送所述误差数据包，而在大信号变化期间会每隔32ms发送一次；另外，在正常运行期间，无线电能发射器(2)会每隔5秒钟便发送一次电力包； . 55、无线电能接收器(4)会发送一条“终止充电”消息，或者1.25秒时长内都不进行通信；两种事件中的任何一个都会让无线电能发射器(2)停止发射电力包，进入低功耗状态，从而实现无线电能发射和中断。
【文档编号】H02J17/00GK103997105SQ201410157330
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】李复活 申请人:河南速达电动汽车科技有限公司