动态无线充电能量发射端一带多控制系统及其控制方法

1.本发明涉及动态无线能量传输技术领域，具体涉及一种动态无线充电能量发射端一带多控制系统及其控制方法。


背景技术：

2.全球能源消耗的调查结果显示，人们的交通出行是能源消耗的重要组成部分，也是废气污染的一大排放源。因此，新型绿色交通工具应运而生。其中，新能源电动汽车因其零排放、无污染、成本低及节能等特点受到了高度重视。基于电磁感应原理的动态无线能量传输技术是一种可以有效提高电动汽车续航能力、提高充电效率的新型电池充电技术。
3.基于电磁感应的无线充电技术实现了用电负载设备以一种非接触方式接入电网解决了传统充电技术面临的接口限制避免了导体连接部由于摩擦，腐蚀，和接触不良等原因造成的安全问题，特别适合应用于水下、易燃易爆等场合，而动态无线充电之于普通的静态的无线充电的优势又在于，可以使电动汽车边走边充，达到方便快捷省时等一系列显著地优点。
4.目前对动态无线充电的研究中在线圈切换问题上采取的方式往往是对相邻铺设的发射线圈进行解耦，然后主要采用的是一个位置检测器、一个控制箱去控制一个发射端线圈来实现向接收端线圈传输能量的目的，这种线圈切换的控制方式不仅会使得整个系统采用大量控制器、谐振电感、补偿电容和继电器，使系统变的复杂、增加成本且降低其可靠性。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种动态无线充电能量发射端一带多控制系统及其控制方法，可以减少能量接收端的数量，同时实现单个逆变器带多个线圈之间的自动切换，且系统可保持较高效率，以此简化控制并且提高系统稳定性，系统结构简单，成本低廉，可靠性高。
6.本发明一种动态无线充电能量发射端一带多控制系统，包括n个能量发射端和设置于车辆上的一个能量接收端，所述能量发射端包括沿道路延续方向均匀铺设于路面下的原边发射线圈，还包括m个控制器和n个位置检测模块，每个原边发射线圈前均布置有一个位置检测模块，所述能量发射端还包括依次串联于直流母线与原边发射线圈之间的软启动电路、逆变电路、原边谐振电路和主功率线路继电器，控制器mi的信号输入端分别与第i、i+m、
…
、(n-1)m+i个位置检测模块的信号输出端连接，控制器mi的控制信号输出端分别与第i、i+m、
…
、(n-1)m+i个软启动电路及第i、i+m、
…
、(n-1)m+i个主功率线路继电器连接，i＝1、2、
…
、m；
7.其中，n为n个能量发射端根据控制器的数量被分为m组后，每组包含的能量发射端的数量。
8.较为优选的，所述m的数量通过公式m
·
w+(m-1)
·
x≤l≤m
·
w+m
·
确定；
9.其中，w为原边发射线圈的宽度，x为两个原边发射线圈之间的距离，l为电动汽车的车长，m取整数。
10.较为优选的，当n不能被m整除时，剩余的能量接收端和位置检测模块顺延连接各个控制器，包括：
11.从第一个控制器开始，剩余的第一个位置检测模块的信号输出端与第一个控制器的信号输入端连接，剩余的第一个能量接收端的软启动电路及主功率线路继电器的控制信号输入端与第一个控制器的控制信号输出端连接；
12.依次顺延，保证剩余的所有能量接收端和位置检测模块均分别连接至各个控制器。
13.较为优选的，还包括设置于软启动电路与逆变电路之间的输入滤波电容。
14.较为优选的，所述软启动电路包括串联的线路继电器、软启动继电器和与所述软启动继电器并联的软启动电阻，所述线路继电器、软启动继电器的控制信号输入端均与控制器的控制信号输出端连接。
15.较为优选的，n个所述原边发射线圈的编号分别为1、2、
…
、i、
…
、n，其电感值分别为l1、l2、
…
、li、
…
、ln，电感对应的补偿电容值分别为c1、c2、
…
、ci、
…
、cn；
16.所述原边谐振电路采用lcc谐振网络系统结构，所述原边谐振电路中谐振电感的电感值分别为l
f1
、l
f2
、
…
、l
fi
、
…
、l
fn
，谐振电感对应的补偿电容值分别为c
f1
、c
f2
、
…
、c
fi
、
…
、c
fn
；
17.所述原边发射线圈的电感值、电感对应的补偿电容值、原边谐振电路的谐振电感值、谐振电感对应的补偿电容值通过以下公式计算得到；
[0018][0019]
其中，ω0为系统的谐振频率。
[0020]
较为优选的，所述能量接收端包括副边接收线圈和依次串联设置于副边接收线圈与负载之间的副边谐振电路、副边整流电路和dc/dc变换电路。
[0021]
较为优选的，所述副边接收线圈的电感值为l
t
，电感对应的补偿电容值为c
t
，所述副边谐振电路采用lcc谐振网络系统结构，所述副边谐振电路的谐振电感的电感值为l
ft
，其谐振电感的补偿电容值为c
ft
；
[0022]
所述副边接收线圈的电感值、电感对应的补偿电容值、副边谐振电路的谐振电感值、谐振电感对应的补偿电容值通过以下公式计算得到；
[0023][0024]
其中，ω0为系统的谐振频率。
[0025]
较为优选的，m个控制器及n个能量发射端的软启动电路、逆变电路、原边谐振电路均设置于一个控制箱柜内。
[0026]
本发明提供一种动态无线充电能量发射端一带多控制系统的控制方法，包括：当接收到某一位置检测模块发送的信号时，控制器控制对应的能量发射端的软启动电路和主功率线路继电器开启，并控制上一个能量发射端的软启动电路和主功率线路继电器关闭。
[0027]
本发明的有益效果为：
[0028]
1、设置n个能量发射端和一个能量接收端，并采用m个控制器，n个能量发射端根据控制器的数量可被分为m组，通过控制器mi的信号输入端分别与第i、i+m、
…
、(n-1)m+i个位置检测模块的信号输出端连接，控制器mi的控制信号输出端分别与第i、i+m、
…
、(n-1)m+i个软启动电路及第i、i+m、
…
、(n-1)m+i个主功率线路继电器连接的方式，可实现控制器对于能量发射端的控制。使车辆行驶处的能量发射端与能量接收端的线圈耦合，实现电动车辆充电，而其余位置的能量发射端停止工作。一个接收端对应多个发射端，减少了动态无线系统的空载能量损耗，提高系统工作效率，降低系统使用成本。此外，将能量发射端分组后，每个控制器控制不同组中的各一个能量发射端，保证了足够的控制间隔，避免了控制器的控制对象同时工作造成的冲突，从而可采用最少的控制器控制最多的能量发射端，极大程度降低了控制器的使用数量，进一步节约了成本。
[0029]
2、根据公式m
·
w+(m-1)
·
x≤l≤m
·
w+m
·
x对m的数量进行配置，可以使控制器的控制与车辆的行驶过程更匹配，可靠保证车辆行驶处的能量发射端与能量接收端的线圈耦合，而其余能量发射端停止工作，进一步节约了能源。
附图说明
[0030]
图1为本发明的系统连接原理示意图；
[0031]
图2为本发明的控制器控制原边多线圈实时切换示意图；
[0032]
图3为本发明控制箱内部示意图；
[0033]
图4为本发明控制板与位置检测器和继电器连接示意图。
具体实施方式
[0034]
为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0035]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
[0036]
应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0037]
还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0038]
如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确
定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0039]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0040]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。“多个”表示“两个或两个以上”。
[0041]
实施例一
[0042]
如图1-4所示公开了本发明提供的一种动态无线充电能量发射端一带多控制系统较佳实施例的连接示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
[0043]
本发明的目的是提供一种可防止原边多线圈电路产生空载损耗的问题而又能够一带多实时切换的动态无线能量传输，一带多是指在动态无线充电系统中使用一套逆变器、谐振电感、补偿电容(ci和c
fi
)和软启动开关等控制多套发射端原边线圈。
[0044]
本发明的一种动态无线充电能量发射端一带多控制系统，包括n个能量发射端和设置于车辆上的一个能量接收端，所述能量发射端包括沿道路延续方向均匀铺设于路面下的原边发射线圈，还包括m个控制器和n个位置检测模块，每个原边发射线圈前均布置有一个位置检测模块，所述能量发射端还包括依次串联于直流母线与原边发射线圈之间的软启动电路、逆变电路、原边谐振电路和主功率线路继电器。来自电网的交流电经整流后转换成直流电输入逆变器，调节逆变器开关管的开关频率使其等于系统的谐振频率产生相应的谐振激励信号，系统的谐振频率取决于lcc谐振网络参数。能量接收端由副边接收线圈、副边谐振电路、副边整流电路、dc/dc变换电路构成，并最终将能量传递给车载电池组(即负载)。副边整流电路将谐振电路传过来的高频交流电转换成直流电；dc/dc电路用于控制系统功率提升系统效率，最后能量传输给负载。通过原副边的lcc谐振网络可以使系统实现单功率因数输出，dc/dc电路用以控制输出功率提高效率，由多个能量发射装置构成原边多线圈能量传输系统实现副边接收装置的动态无线充电。
[0045]
控制器mi的信号输入端分别与第i、i+m、
…
、(n-1)m+i个位置检测模块的信号输出端连接，控制器mi的控制信号输出端分别与第i、i+m、
…
、(n-1)m+i个软启动电路及第i、i+m、
…
、(n-1)m+i个主功率线路继电器连接，i＝1、2、
…
、m；
[0046]
其中，n为n个能量发射端根据控制器的数量被分为m组后，每组包含的能量发射端的数量，n也是一个控制器控制的发射线圈的个数，n＝m
·
n，m远小于n，从而实现一带多发射端线圈切换。
[0047]
较为优选的，所述m的数量通过公式m
·
w+(m-1)
·
x≤l≤m
·
w+m
·
确定；
[0048]
其中，w为原边发射线圈的宽度，x为两个原边发射线圈之间的距离，l为电动汽车的车长，m取整数。
[0049]
在位置检测模块qi检测到汽车行驶到来后，通过通讯信号与控制器mi通讯，控制器
mi计算汽车的行驶速度，并认为汽车在这一段时间内运行速度不变，从而推断接收端线圈所处的位置，由此产生相应的信号，控制本控制箱中继电器k1闭合，控制相应主功率线路继电器si闭合，使该线路的发射端线圈与接收端线圈耦合工作，同时汽车已经离开q
i-1
，其与m
i-1
控制器通讯控制本控制箱中的继电器k1、k2以及s
i-1
断开，但相应的q
i+1
位置检测器及之后其他位置检测器也检测到汽车到来，控制器m
i+1
控制相应控制箱的k1闭合，给c
in
充电，为后续实现软启动，但接收端线圈未到，则m
i+1
并未控制其控制箱中的k2闭合，故其他线圈处于继电器s关断状态，所述系统满足当接收器移动至接收线圈与某一发射线圈正对时，该发射线圈自动进行正常工作，其余发射线圈基本不工作，从而减少能量发射装置空载损耗的目的。其中，该部分的i取值不小于为2。
[0050]
当位置检测器qi工作后，相应的mi控制器进行工作，控制其内部继电器k1闭合，从母线经过整流桥整流后，经过电阻r提前给电容c
in
充电，直到接收到信号(即接受端线圈与qi处线圈正对时)控制继电器k2闭合，在此之前位置检测器已经完成对继电器si控制使其闭合，最终实现能量传输系统的软启动，使系统逐步进入正常工作状态，减少冲击电流对电路各部分器件的损害。
[0051]
在接收端线圈离开第qi个发射端线圈后，mi控制器控制继电器k2断开，直至接收端线圈与第q
i+m
个发射端线圈正对时，闭合继电器k2和s
i+m
；在接收端线圈离开第qi个发射端线圈直至其与第q
i+1
的发射端线圈正对时，重复上述qi发射端线圈工作模式。
[0052]
由于采用原边多线圈设计，在副边接收装置未经过时将出现多个原边能量发射装置空载运行的情况，这将大大提高能量传输系统的能量损耗降低能量转换效率，本发明通过以上控制方式实现原边多线圈的实时切换与分段供电减少能量损失。
[0053]
较为优选的，当n不能被m整除时，剩余的能量接收端和位置检测模块顺延连接各个控制器，包括：
[0054]
从第一个控制器开始，剩余的第一个位置检测模块的信号输出端与第一个控制器的信号输入端连接，剩余的第一个能量接收端的软启动电路及主功率线路继电器的控制信号输入端与第一个控制器的控制信号输出端连接；
[0055]
依次顺延，保证剩余的所有能量接收端和位置检测模块均分别连接至各个控制器。
[0056]
较为优选的，还包括设置于软启动电路与逆变电路之间的输入滤波电容。
[0057]
较为优选的，所述软启动电路包括串联的线路继电器、软启动继电器和与所述软启动继电器并联的软启动电阻，所述线路继电器、软启动继电器的控制信号输入端均与控制器的控制信号输出端连接。
[0058]
较为优选的，n个所述原边发射线圈的编号分别为1、2、
…
、i、
…
、n，其电感值分别为l1、l2、
…
、li、
…
、ln，电感对应的补偿电容值分别为c1、c2、
…
、ci、
…
、c n
；
[0059]
所述原边谐振电路采用lcc谐振网络系统结构，所述原边谐振电路中谐振电感的电感值分别为l
f1
、l
f2
、
…
、l
fi
、
…
、l
fn
，谐振电感对应的补偿电容值分别为c
f1
、c
f2
、
…
、c
fi
、
…
、c
fn
；
[0060]
所述原边发射线圈的电感值、电感对应的补偿电容值、原边谐振电路的谐振电感值、谐振电感对应的补偿电容值通过以下公式计算得到；
[0061][0062]
其中，ω0为系统的谐振频率。
[0063]
较为优选的，所述副边接收线圈的电感值为l
t
，电感对应的补偿电容值为c
t
，所述副边谐振电路采用lcc谐振网络系统结构，所述副边谐振电路的谐振电感的电感值为l
ft
，其谐振电感的补偿电容值为c
ft
；
[0064]
所述副边接收线圈的电感值、电感对应的补偿电容值、副边谐振电路的谐振电感值、谐振电感对应的补偿电容值通过以下公式计算得到；
[0065][0066]
其中，ω0为系统的谐振频率。
[0067]
较为优选的，m个控制器及n个能量发射端的软启动电路、逆变电路、原边谐振电路均设置于一个控制箱柜内。
[0068]
如图3所示，每个控制箱内部包含软启动装置、逆变电路、原边谐振电路和发射端线圈补偿电容。
[0069]
如图4所示，控制板接收位置检测器传来的信息，从而控制继电器k1、k2的工作，实现软启动。当位置检测器接收到车辆到来的信息后直接控制相应的继电器s闭合，使得主功率回路接通，等待控制器计算出接收端线圈的到来，闭合k2，完成发射端将能量通过接收端线圈传输给电池负载的过程。
[0070]
本发明还提供了一种动态无线充电能量发射端一带多控制系统的控制方法，包括：当接收到某一位置检测模块发送的信号时，控制器控制对应的能量发射端的软启动电路和主功率线路继电器开启，并控制上一个能量发射端的软启动电路和主功率线路继电器关闭。
[0071]
实施例二
[0072]
本实施例结合具体的系统对本发明的控制方法进行说明，具体如下：
[0073]
该具体的系统中，设定车长l满足：3w+2x≤l≤3(w+x)，即m＝3，故使用3个控制箱，控制器编号分别为m1，m2，m3。位置检测器编号为q1、q2、q3、
…
、q9、(或到q10、q11)。令图4中的i＝1。
[0074]
在位置检测模块q1检测到汽车行驶到来后，位置检测器q1工作，相应的m1控制器进行工作，控制其内部继电器k1闭合，从母线经过整流桥整流后，经过电阻r提前给电容c
in
充电，直到接收到信号(即接受端线圈与q1处线圈正对时)控制继电器k2闭合，最终实现能量传输系统的软启动，使系统逐步进入正常工作状态，减少冲击电流对电路各部分器件的损害。
[0075]
通过通讯信号与控制器m1通讯，控制器m1计算汽车的行驶速度，并认为汽车在这一段时间内运行速度不变，从而推断接收端线圈所处的位置，由此产生相应的信号，控制继电器k2闭合，使该线路的发射端线圈与接收端线圈耦合工作。
[0076]
当接收端线圈离开q1到达q2处时，汽车车头已经经过位置检测器q4，其与m1控制器通讯控制本控制箱中的继电器k2以及s1断开，此时k1闭合继续给c
in
充电。此时线圈到达q2处，则m2控制箱重复m1控制箱的工作流程，此时他线圈处于继电器s关断状态，所述系统满足当接收器移动至接收线圈与某一发射线圈正对时，该发射线圈自动进行正常工作，其余发射线圈基本不工作，从而减少能量发射装置空载损耗的目的。因此，在有多个能量注入装置构成的动态能量传输系统中，在车辆通过时只会使与接收线圈存在耦合的能量发射装置工作，从而达到减少能量发射装置空载损耗的目的，提升了能量传输效率。
[0077]
依次循环，完成一带多的动态无线能量传输系统。当n＝9时，恰好是每个控制器控制三个线圈，即m1控制q1、q4、q7，m2控制q2、q5、q8，m3控制q3、q6、q9。但是当n＝10时候，会多出一个线圈，该线圈与控制箱m1相连，再次完成一个闭环控制。若n＝11时，则将第10个线圈与m1相连，第11个线圈与m2相连。这样便可仅仅使用3个控制箱对全部线圈进行控制。
[0078]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。