一种给电动汽车无线移动充电的道路护栏充电系统与方法与流程

本发明公开了一种支持电动汽车无线移动边行驶边充电的道路护栏型无线充电系统与充电方法，所述系统与方法既支持电动汽车在高速行驶中无线充电，也支持电动汽车在停泊中无线充电，属新能源汽车领域。

背景技术：

新能源汽车，特别是纯电动汽车已经成为未来汽车的发展方向。根据国务院的规划，到2020年，电动汽车的累计销量要超过500万辆。目前电动汽车的技术已经进入大规模商用的成熟期。随着电动汽车大规模商用，电动汽车的充电问题将日益突出，甚至成了限制电动汽车普及推广的咽喉。电动汽车的充电方法大体上可以分为有线静态充电，有线移动充电，无线静态充电和无线移动充电四种充电方式。有线移动充电在早期的有轨电车、无轨电车上已经有所应用，目前的地铁以及高铁还都是采用有线移动充电或供电方式。有线静态充电就是所谓的充电站和充电桩，目前正在大规模建设的有线接触型充电桩可以解决电动汽车在停泊中充电，但是由于充电时间相对较长，一般的充电桩需要6-8小时才能将一部电动汽车的电池充满，在路途中等待6-8小时充电是很难让大部分车主和乘客所接受的，因此，即便是旅行线路上建了很多的充电桩也很难解决旅途中充电的问题。大功率快速充电桩可以将充电时间缩短到20分钟左右，但是快速充电的能量消耗将是普通充电的几十倍，不但对电网将是个短期负载冲击，而且浪费能源。

无线静态充电技术十几年前就已在实验室实现了，近距离非接触无线充电技术几年前已经应用在电话机的充电器中、各种电动工具的充电器中。常用的技术主要有三种：一种是电磁耦合技术，第二种是电磁共振技术，第三种是微波技术。三种技术各有优缺点，微波技术传输能量的距离相对比较远，然而大功率的微波对人体有一定的伤害而且效率也比较低，因此就不予考虑用在民用电动汽车领域；电磁共振技术的能量传输距离可以达到几十厘米，但是传输功率相对没有电磁耦合技术的大；电磁耦合技术比较适合大功率能量传输，然而所使用的环境都是近距离：充电发射器和接收器之间的距离都小于几十毫米。随着新能源电动汽车技术的发展，无线充电在电动汽车领域的需求越来越高。不少人提出了将现有的电磁耦合充电技术和电磁共振充电技术应用于电动汽车领域。许多大专院校及企事业单位的科研团队，包括本发明人及其合作的国内外科研团队，都在大功率无线移动能量传输技术方面做了大量的研究工作，包括电磁耦合充电技术和电磁共振技术的应用。

在电磁共振技术方面，美国麻省理工学院的研究小组在2007年提出的突破性技术，他们在实验室使用两个半径30cm的螺旋线圈，在9.9MHz的频率下进行能量传输，相隔2m传输60W功率，成功点亮了一个60W的灯泡，传输效率为40%。后续在国内的几个科研团队，通过微调电磁共振技术及参数设置，使效率得到了进一步的提高，例如：哈尔滨工业大学对电磁共振式无线充电进行了相关实验和模型研究，实现了50W功率传输，效率达到60%。华南理工大学对电磁共振式无线充电技术进行了跟踪研究，在实验室实现了50厘米千瓦级无线功率传输，传输效率85%左右。而且这些技术还都停留在无线静态充电方面。本发明人及其合作的国内外科研团队也对电磁共振式无线充电技术进行了大量全面的实验研究与测试，首先提出了“电磁自动聚焦”技术和“电磁动态阵列自动聚焦”技术，以及“无线充电带”系统（专利申请号：2014105594928 、2014206066332、2014103885755、2014105593766）使无线移动充电能量传输效率提高到90%以上。

在电磁耦合充电技术方面，电磁耦合充电技术十几年前就已经应用于电话机及电动工具的无线充电器中，但一般都是小功率能量传输。近几年不少企事业单位的科研团队，包括本发明人及其合作的国内外科研团队，在将电磁耦合充电技术应用于电动汽车领域进行大功率充电方面做了大量的研究。由于现有电磁耦合充电技术的充电效率与充电发射器和接收器之间的距离的平方成反比，距离越远效率越低，而电动汽车的地盘离路面的距离一般都在200-500毫米之间，因此现有电磁耦合充电技术用于电动汽车领域的充电效率比较低。也有人提出了在汽车底盘下面安装一个可以调整高度的支架用于减小接收天线与路面的距离，这种方法用于停车场在电动汽车静止状态下进行非接触充电还可以接受，然而对于高速行驶中的电动汽车，过于减小接收天线与路面的距离，任何颠簸将会造成严重的安全隐患。一些研究人员直接使用空心线圈传输能量，输出功率2kW、传输距离15厘米时，系统效率为82%；而且也都是针对无线静态充电方法。本发明人及其合作的国内外科研团队提出的“导磁橡胶”，“导磁橡胶柱阵列”技术，“错位排列的充电接收线圈阵列组”技术，以及使用这些技术设计制作的“可充电导磁轮胎”（专利申请号：2014104028097、2014204622343）使无线充电接收线圈从电动汽车的底盘下面转移到了轮胎里面，缩短了无线充电带的发射线圈和接收线圈之间的距离并有效的提高了电磁耦合系数，使电动汽车的大功率无线移动充电能量传输效率提高到95%以上。然而，无线充电带需要铺设在行车道上面，在目前的体制下，这种对道路路面的变更需要许多的部门审批，牵扯到许多的监管部门以及互相踢皮球的状态，行政手续相当复杂。因此，所述无线充电带系统虽然技术上是可以实施的，但是，实际上目前是很难推广的。

综上所述，现有无线移动充电技术存在的缺点和不足包括：1、施工铺设审批相对比较麻烦；2、无线充电带铺设在路面上在下雨期间可能会引起路面积水，造成安全隐患；3、道路维护需将无线充电带系统先揭掉，影响路面施工。

针对现有技术的缺点和不足，本发明公开了一种支持电动汽车无线移动边行驶边充电的道路护栏型无线充电系统与充电方法，将无线充电系统集成在道路护栏中，不涉及任何道路路面。所述系统与方法既支持电动汽车在高速行驶中无线充电，也支持电动汽车在停泊中无线充电。有效的解决了上述现有技术的缺点和不足。

技术实现要素：

本发明公开了一种支持电动汽车无线移动边行驶边充电的道路护栏型无线充电系统与充电方法，所述道路护栏型无线充电系统包括储能型无线充电控制器、护栏发射环、护栏发射片、光伏片、无线充电接收片、电流传导器、接收器、无线充电管理后台、充电卡、连接电缆线、道路护栏。所述无线充电管理后台包括用户数据库模块、计费数据库模块和车辆移动性管理数据库模块；所述储能型无线充电控制器包括通信控制模块、储能模块、储能策略控制模块、充电电流频率转换模块和安全保护模块；所述护栏发射环或护栏发射片包括发射控制模块、发射控制开关、发射线圈、红外探头、电磁涡流探测模块、近距离通信模块、和电磁屏蔽板；所述光伏片是由太阳能光伏发电模块组成，安装在道路护栏上面可以将太阳能转换成电能并通过光伏网络传输和储存在储能型无线充电控制器中；所述无线充电接收片包括接收线圈、谐振电容器、红外探头、近距离通信模块或近距离通信天线、电磁屏蔽板；所述电流传导器包括多个电流传导环，可以将充电电流和通信信号通过高速旋转的轮轴传导到安装在电动汽车内的接收器中；所述接收器包括高频整流稳压模块、充电控制模块、近距离通信模块、充电显示单元和读卡器。所述无线充电管理后台放置在无线充电管理中心，通过通信电缆线与储能型无线充电控制器的通信控制模块相连；所述充储能型无线充电控制器安装在道路的两旁，其一端连接到市电电网以及太阳能光伏发电网上，另一端连接到安装在道路护栏上的护栏发射环或护栏发射片上；所述护栏发射环用于护栏两边均可进行无线充电的道路，而护栏发射片适用于仅在护栏一边进行无线充电的道路上；所述无线充电接收片安装在电动汽车的两侧，车门外侧或侧保险杠外侧，轮毂型无线充电接收片可以安装在电动汽车的轮毂外侧，并连接到电流传导器上，通过电流传导器将与车轮一起高速旋转的轮毂型无线充电接收片中的电流传导到安装在电动汽车内的接收器中；所述接收器的另一端与电动汽车的电池相连，通过接收器的充电控制模块和充电管理模块对电池进行充电控制和管理。

本发明还公开了一种光伏型无线充电护栏，所述光伏型无线充电护栏包括道路护栏、护栏发射环或护栏发射片、安装在道路护栏上的太阳能光伏片，所述光伏片是由太阳能光伏发电模块组成，安装在道路护栏上面可以将太阳能转换成电能并通过光伏网络传输和储存在储能型无线充电控制器中。

所述道路护栏型无线充电方法为：1、无线充电中心机构将所述道路护栏型无线充电系统安装在相关道路一侧或两侧的道路护栏上，并为需要充电的电动汽车安装无线充电接收片、电流传导器和接收器，开通无线充电账号；2、储能型充电控制器将根据储能策略将光伏电能或谷值的市电网电能储存在充电控制器的储存模块中，每一个储能型充电控制器可以控制1-2公里的护栏路段；3、安装在道路一侧或两侧的道路护栏上的护栏型无线充电系统通过其近距离无线通信模块实时的发送“可充电”信号；4、当持有有效无线充电账户的电动汽车接近安装有道路护栏型无线充电系统的相关道路上并收到“可充电”信号后，发送“充电认证请求”信息给充电管理后台，如果认证通过将得到一个“充电许可号码”并保存在相关充电控制器相连的所有护栏发射环或护栏发射片的发射控制模块中，保存时间是24小时；5、如果接收器设置为自动充电状态时，接收器将通过近距离通信模块发射“充电许可号”，每秒400次以上，护栏上的发射片收到“充电许可号”后与其保存的“充电许可号码”相比较后如果“充电许可号”存在就立即打开发射控制开关进行充电，如果接收器设置为手动充电状态将提示驾驶员“可以充电”；6、当电动汽车移动到下一个护栏后护栏上的发射片收到“充电许可号”后与其保存的“充电许可号码”相比较后如果“充电许可号”存在就立即打开发射控制开关进行充电；7、充电时将首先使用储能型充电控制器中的储能进行充电，当储能用完后就直接使用市电电网进行充电；8、连续4次未能收到“充电许可号”后所在发射片的发射控制开关将自动关闭。这样将节省不必要的充电电流的发射，提高充电效率。

所述护栏发射环或护栏发射片或接收片都包括有红外探头，当任何一边的红外探头探测到发射片和接收片之间有红外移动物体存在将会立即关闭发射片上的发射控制开关，在接收片上的红外探头探测到有红外移动物体存在时将通过近距离无线信号通知护栏发射环或护栏发射片关闭发射控制开关。所述护栏发射环或护栏发射片包括电磁涡流探测模块，当有金属物体接近所述护栏发射环或护栏发射片时，在电磁感应的作用下金属中将涡流，涡流将对护栏发射环或护栏发射片的磁场造成不平衡的分布，所述电磁涡流探测模块正是根据这一原理来探测电磁场的涡流从而确定是否有金属物体接近，当探测到护栏发射环或护栏发射片的磁场有不平衡的分布时将立即关闭发射控制开关。所述护栏发射环支持护栏的两边均可以有充电道路，而护栏发射片的一边安放有电磁屏蔽板，充电电磁流仅可以向一边发射，仅适用于护栏的一边有充电道路的情景。所述无线充电接收片靠电动汽车的一边也安装有电磁屏蔽板，以避免电磁流对汽车造成不必要的影响。

本发明由于采用以上所述技术方案及技术设计，其具有以下优点：1、不需要对道路进行任何的改动，只需将所述护栏型无线充电系统安装在道路的护栏上即可支持电动汽车无线移动充电；2、施工简单方便，对道路路面无任何影响；3、充电传输效率高，可达到90%以上；4、即可使用无线充电护栏，也可以将护栏型无线充电系统安装到现有的道路护栏上，不影响现有道路护栏的任何物理防护能力；5、仅开启需要充电的电动汽车所在的位置上的对应的护栏进行充电，电磁辐射小，节能环保。采用此技术方案电动汽车可以在任何安装有本发明的无线移动充电护栏的道路上边运行边充电，使电动汽车的续航里程得到了无限的扩展。

附图说明

图1是道路护栏型无线充电系统总体结构原理示意图。

图2是储能型充电控制器原理示意图。

图3是护栏发射环或护栏发射片原理示意图。

图4是无线充电接收片原理示意图。

图5是电流传导器原理示意图。

图6是接收器原理示意图。

图7是无线充电护栏结构原理示意图。

图8是安装在两条行车道中间的无线充电护栏的无线充电原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实际例子对本发明进行详细的描述。

图1展示了道路护栏型无线充电系统总体结构原理示意图。所述道路护栏型无线充电系统包括无线充电管理后台（100）、储能型充电控制器（101、102）、护栏发射环（201、202、203、204）、护栏发射片（201、202、203、204）、光伏片（104、105）、无线充电接收片（300）、电流传导器（10）、接收器(500)、充电卡(8)、连接电缆线(107、108）、道路护栏（200）、电池（60）；所述无线充电管理后台（100）放置在无线充电管理中心，通过通信电缆线与储能型无线充电控制器（101、102）的通信控制模块相连；所述充储能型无线充电控制器（101、102）安装在道路的两旁，其一端连接到市电电网（106）以及太阳能光伏发电网（103）上，另一端连接到安装在道路护栏（200）上的护栏发射环或护栏发射片（201、202、203、204）上；所述护栏发射环（201、202、203、204）用于护栏两边均可进行无线充电的道路，而护栏发射片（201、202、203、204）适用于仅在护栏一边进行无线充电的道路上；所述无线充电接收片（300）安装在电动汽车的两侧，车门外侧或侧保险杠外侧，轮毂型无线充电接收片（300）可以安装在电动汽车的轮毂外侧，并连接到电流传导器（10）上，通过电流传导器将与车轮一起高速旋转的轮毂型无线充电接收片（300）中的电流传导到安装在电动汽车内的接收器（500）中；所述接收器（500）的另一端与电动汽车的电池（60）相连，通过接收器（500）的充电控制模块和充电管理模块对电池（60）进行充电控制和管理。

图2是储能型充电控制器（101）原理示意图。所述储能型无线充电控制器（101）包括通信控制模块（111）、储能模块（114）、储能策略控制模块（113）、充电电流频率转换模块（112）和安全保护模块（115）；通信控制模块（111）的一端通过通信线路（118）与无线充电管理后台连接，另一端（116）通过通信线路与护栏发射片（201）的通信端口（218）相连；储能策略控制模块（113）通过接口（119）与市电电网（106）以及太阳能光伏发电网（103）相连，根据储能策略将电能储存的储能模块（114）；安全保护模块（115）通过接口（117、219）与护栏发射片（201）的发射控制开关（215）相连。

图3是护栏发射环或护栏发射片原理示意图。所述护栏发射环（201）或护栏发射片（201）包括发射控制模块（210）、发射控制开关（215）、发射线圈（216）、红外探头（213）、电磁涡流探测模块（212）、近距离通信模块（211）、和电磁屏蔽板（217）。所述光伏片（104、105）是由太阳能光伏发电模块组成，安装在道路护栏（200）上面可以将太阳能转换成电能并通过光伏网络（103）传输和储存在储能型无线充电控制器（101、102）中。

图4是无线充电接收片（300）原理示意图。所述无线充电接收片（300）包括接收线圈（316）、谐振电容器（315）、红外探头（312）、近距离通信模块或近距离通信天线（311）、电磁屏蔽板（318）；近距离通信模块或近距离通信天线（311）通过通信线路与接收器的通信模块（511）相连，或通过电流传导器与接收器的通信模块（511）相连，接收线圈（316）、谐振电容器（315）并联，并通过线路（317）与接收器（500）相连或通过电流传导器与接收器相连。

图5是电流传导器原理示意图。所述电流传导器（10）包括多个电流传导环（321、322、323、324、325）、中心轴孔（330）、接线板（320），可以将充电电流和通信信号通过高速旋转的轮轴（330）传导到安装在电动汽车内的接收器（500）中。

图6是接收器（500）原理示意图。所述接收器（500）包括高频整流稳压模块（512）、充电控制模块（513）、近距离通信模块（511）、充电显示单元（515）和读卡器（516），充电控制模块（513）通过电缆线（503）与电池（60）相连。

图7是无线充电护栏（600）结构原理示意图。所述无线充电护栏（600）包括道路护栏（602）、护栏发射环或护栏发射片（201）、太阳能光伏片（601）。

图8是安装在两条行车道中间的无线充电护栏（612、613）的无线充电原理示意图。所述无线充电护栏（612、613）安装在两个行车到中间，安装有无线充电接收设备的电动汽车（610）在行车道是行驶时就可以接收到无线充电护栏（611）发射的无线充电信号进行无线充电，只有安装有无线充电接收设备的电动汽车（610）所在位置的无线充电护栏开启无线充电信号，其它无线充电护栏上的无线充电信号关闭，以降低发射能耗，提高充电效率。

上述各实施例子仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸比例和连接方式都是可以有所变化的，凡根据本发明原理对个别部件的结构、尺寸或连接方式进行改进或等同变换，均不应该排除在本发明的保存范围之外。