一种基于电容或电感耦合的机动车无线充电系统的制作方法

本发明涉及无线充电技术领域，尤其是一种基于电容或电感耦合的机动车无线充电系统。

背景技术：

当前，发展电动汽车是节能环保和低碳经济的需求，其中电动汽车的问题是急需解决的重要环节。现有的无线充电技术主要应用于手机、牙刷、电脑等小型设备上，它们的充电方式大多以感应式电能传输为主，存在传输效率低、距离较近、对准要求高等一系列缺点，而将无线充电技术应用到电动汽车等大功率设备的电能传输上仍处于实验研究阶段。

迄今为止，无线充电方式主要分为四大类：电感耦合式、磁场共振式、电容耦合式和电磁波传送式。基于电容耦合式的充电方式相对于电感耦合式和磁场共振式的无线充电方式而言，其构造更为简单，制造成本更低，并对送电和受电电极的材料和形状没有特定的要求。但是电容耦合式的充电方式存在如下问题：随着传输距离的增大，耦合电容值变得很小，这使得系统谐振频率严重增加；且在很高频率的下，系统需要的高频电源难以制作，且高频电阻剧烈增加，从而导致系统总体效率的急速下降。基于磁场共振式的充电方式的缺点非常明显：包括工作频率高、发射电感大、技术要求高、制作成本高、实用性相对较差、制作困难、辐射大、能量传输效率低。与此同时，基于电磁波传送式的充电方式只能适用于小功率的无线充电，远远不能满足电动汽车等大功率设备的电能传输。

技术实现要素：

本发明的目的就是要解决现有的无线充电方式所存在的上述问题，为此提供一种构造简单、制作成本低，电能的传输效率和传输功率大的基于电容或电感耦合的机动车无线充电系统。

本发明的具体方案是：一种基于电容或电感耦合的机动车无线充电系统，包括依次作为发射端、接收端的充电站和机动车；其特征是：

在充电站设有充电公路，并配备有主控制器、电网匹配电路和直流母线以及若干模组单元，其中充电公路的车辆驶入端装有无线识别装置，每个模组单元均由逆变电路及与其匹配的分控制器组成；所述主控制器通讯连接无线识别装置，并与远程服务器进行通讯连接；所述电网匹配电路将电网电源转换成匹配的直流电源后输送给直流母线，直流母线分别为各个模组单元中的逆变电路提供直流电压；各个分控制器分别通过can总线通讯连接主控制器；

在机动车上设有车载控制器和整流滤波电路，整流滤波电路的直流输出端并联储能电容和蓄电池，在储能电容和蓄电池所构成的电路上串联有脉宽调制电路，车载控制器对脉宽调制电路的工作状态进行实时控制；

所述充电站中的每个逆变电路与每辆机动车上的整流滤波电路之间均通过一组谐振电路实现电能的无线转移；

所述谐振电路包括两种结构，其中一种结构由串联电感l和极板电容c11、c12以及整流滤波电路构成rlc谐振电路，其中极板电容c11由发射端极板a和接收端极板b组成，极板电容c12由发射端极板c和接收端极板d组成；所述发射端极板a、c预埋在充电公路上，极板a、c对应连接逆变电路的两个交流输出端；所述接收端极板b、d安装在机动车的底盘上，并且极板b、d对应连接整流滤波电路的交流输入端；所述谐振电路的另一种结构由串联电容c串、作为发射端的初级电感t1和作为接收端的次级电感t2以及整流滤波电路构成rlc谐振电路，其中逆变电路的交流输出端分别与串联电容c串、初级电感t1构成串联回路，其中初级电感t1预埋在充电公路上；次级电感t2与整流滤波电路的交流输入端相并联，次级电感t2设置于机动车的底盘上；

在机动车的底盘上装有沿着极板b、d排布或沿着次级电感t2排布的光发射器，在充电公路上装有沿着极板a和极板c排布或沿着初级电感t1排布的光接收器；所述光发射器连接车载控制器，光接收器连接分控制器，光发射器与光接收器之间构成对射，并用于光信号的无线传输。

本发明中所述脉宽调制电路由限流电阻r限和开关管g组成，车载控制器通过向开关管g的基极发送信号，以控制开关管g的导通与关断的频率。

本发明中所述机动车的底盘上装有伸缩机构，伸缩机构由车载控制器进行实时控制，用于实现控制接收端极板b、d与相对应的充电公路上发射端极板a、c之间的间隙，或者用于控制接收端的次级电感t2与相对应的发射端初级电感t1之间的间隙。

本发明中所述储能电容由多组超级电容器通过串并联而成；所述光发射器选用红外发射器，光接收器选用红外接收器。

本发明中所述接收端极板b、d与相对应的充电公路上发射端极板a、c之间的间隙为3～10cm;所述接收端的次级电感t2与相对应的发射端初级电感t1之间的间隙为3～10cm。

本发明结构简单、设计巧妙，不仅制作成本低、抗干扰性强、电磁辐射小，而且实现了在充电公路上对行驶中的机动车进行电容耦合式和电感耦合式充电，并且充电效率高、传输功率大，满足了各种大功率的机动设备的无线充电需求。

附图说明

图1是本发明的控制结构框图；

图2是在实施例1中，充电站中各个模块的信息传输示意图；

图3是在实施例1中，谐振电路的电气原理图；

图4是在实施例2中，谐振电路的电气原理图。

图中：1—充电站，2—机动车，3—充电公路，4—主控制器，5—电网匹配电路，6—直流母线，7—无线识别装置，8—逆变电路，9—分控制器，10—远程服务器，11—车载控制器，12—整流滤波电路，13—储能电容，14—蓄电池，15—脉宽调制电路，16—谐振电路，17—电网电源，18—伸缩机构，19—光发射器，20—光接收器。

具体实施方式

实施例1，本实施例以基于电容耦合的机动车无线充电系统为例，对本发明进行具体说明。

参见图1、图2，无线充电系统包括作为发射端的充电站1和作为接收端的机动车2；

在充电站1设有充电公路3，并配备有主控制器4、电网匹配电路5和直流母线6以及若干模组单元，各个模组单元依次编号为模组单元1、模组单元2······模组单元n,在充电公路3的车辆驶入端装有无线识别装置7，每个模组单元均由逆变电路8及与其匹配的分控制器9组成，其中在模组单元1中，相应的逆变电路编号为逆变电路1、分控制器编号为分控制器1，以此类推，在模组单元n中，相应的逆变电路编号为逆变电路n、分控制器编号为分控制器n；所述主控制器4通讯连接无线识别装置7，并与远程服务器10进行通讯连接；所述电网匹配电路5采用整流滤波电路，电网匹配电路5将电网电源17（ac220v）转换成匹配的直流电源以输送给对接的直流母线6，直流母线6分别为各个模组单元中的逆变电路8提供直流电压；各个模组单元中的分控制器9分别通过can总线通讯连接主控制器4，并且每个分控制器分别对相对应的模组单元中的逆变电路8所输出的脉冲波进行脉宽调制，以达到控制输出电压和频率的目的；

在机动车2上设有车载控制器11和整流滤波电路12，整流滤波电路12的直流输出端并联储能电容13和蓄电池14，在储能电容13和蓄电池14所构成的电路上串联有脉宽调制电路15，车载控制器11对脉宽调制电路15的工作状态进行实时控制，以实现对蓄电池14的充电电压和充电电流的控制；

所述充电站1中的每个逆变电路与每辆机动车2上的整流滤波电路之间均通过一组谐振电路16实现电能的无线转移；

参见图3，所述谐振电路16由串联电感l和极板电容c11、c12以及整流滤波电路12构成rlc谐振电路，其中整流滤波电路12和储能电容13以及蓄电池14构成等效负载，所述极板电容c11由发射端极板a和接收端极板b组成，极板电容c12由发射端极板c和接收端极板d组成；所述发射端极板a、c预埋在充电公路3上，极板a、c对应连接逆变电路8的两个交流输出端；所述接收端极板b、d安装在机动车2的底盘上，并且极板b、d对应连接整流滤波电路12的交流输入端；如图2所示，在充电公路3上，每个模组单元所对应的一组极板（极板a和极板c）在充电公路3上依次排布。

在机动车的底盘上装有沿着极板b、d排布的光发射器19，在充电公路3上装有沿着极板a和极板c排布的光接收器20；所述光发射器19连接车载控制器11，光接收器20连接分控制器9，光发射器19与光接收器20之间构成对射，并用于光信号的无线传输；

参见图3，本实施例中所述脉宽调制电路15由限流电阻r限和开关管g组成，车载控制器11通过向开关管g的基极发送信号，以控制开关管g的导通与关断的频率，从而实现对蓄电池14的充电电流和充电电压的实时控制。

本实施例中所述机动车2的底盘上装有伸缩机构18，伸缩机构18由车载控制器11进行实时控制，用于实现控制接收端极板b、d与相对应的充电公路上发射端极板a、c之间的间隙，并使得该间隙保持在3～10cm。

本实施例中所述储能电容13由多组超级电容器通过串并联而成；所述光发射器19选用红外发射器，光接收器20选用红外接收器。

本发明的工作原理如下:

首先，在充电站1，市电交流电源经过电网匹配电路5的整流、滤波处理后，将电能输送至直流母线6，直流母线6分别为各个模组单元提供母线电压；

当机动车2驶入充电站1的充电公路3上时，设置在充电公路3车辆驶入端的无线识别装置7对驶入的机动车2的身份信息进行识别，并将识别的身份信息上传至主控制器4，主控制器4将该身份与后台数据库进行配对，如果配对成功，则将该车辆的身份信息下载至各个分控制器9，此时各个模组单元为机动车的充电做好准备。

与此同时，机动车2在向前行驶的过程中，由车载控制器11控制伸缩机构18伸出，以便将电能接收端的极板b、d放下，并使得极板b、d与充电公路之间维持在3～10cm的间隙范围内。当机动车2驶过第一组预埋在充电公路上的发射端极板a、c时，设置在机动车底盘上的红外发射器发出的红外信号将恰好被地面上的红外接收器接收，通过红外发射器与红外接收器之间红外信息传递，便于充电站对正在进行充电的机动车的身份信息进行二次校验，分控制器1实现对电容板的对准面积的计算，并根据电容板的对准面积，采用pid算法实时控制逆变电路1的输出电压和频率。逆变电路1输出的电能通过谐振电路16的电容耦合，无线传输至作为负载端机动车中整流滤波电路12，在此过程中，整流滤波电路12对接收到的交流电进行整流和滤波处理后，由储能电容13将电能快速储存起来，并且车载控制器11通过脉宽调制电路15对蓄电池14的充电电流和充电电压的实时控制。

当机动车2行驶至第二组预埋在充电公路上的发射端极板a、c时，设置在模组单元2中的分控制器2采用与上述相同的控制原理对机动车进行无线充电。如此，以此类推，当机动车2行驶至第n组预埋在充电公路上的发射端极板a、c时,完成了整个过程的充电。

在整个过程中，各个分控制器将充电完毕后输出的电量信息通过can总线实时上传主控制器4，主控制器4将机动车的充电信息传输至远程服务器10，以便进行充电计费。

本实施例2，本实施例基于实施例1，但是本实施例采用的是电感耦合的方式进行机动车的无线充电，该充电方式的充电原理与电容耦合的充电原理基本相同，而其谐振电路在结构上区别于实施例1。

参见图4，本实施例中所述谐振电路16由串联电容c串、作为发射端的初级电感t1和作为接收端的次级电感t2以及整流滤波电路12构成rlc谐振电路，在每个模组单元中，逆变电路8的交流输出端分别与串联电容c串、初级电感t1构成串联回路，其中初级电感t1预埋在充电公路3上；次级电感t2与整流滤波电路12的交流输入端相并联，次级电感t2设置于机动车2的底盘上。所述光发射器19在机动车2的底盘上沿着次级电感t2排布，光接收器20沿着充电公路3上预埋的初级电感t1排布。在机动车2的底盘上装有伸缩机构18，伸缩机构18的工作动态由车载控制器11进行实时控制，用于控制接收端的次级电感t2与相对应的发射端初级电感t1之间的间隙，并使得该间隙保持在3～10cm。机动车2在充电公路3上行驶时，通过由串联电容c串、初级电感t1和次级电感t2以及整流滤波电路12所构成rlc谐振电路中，初级电感t1和次级电感t2之间的耦合而实现电能的无线转移。