一种电动汽车动态无线充电系统中充电位置的辨识方法

摘要

本发明公开了一种通过能量反射辨识电动汽车动态无线充电系统中充电位置的方法，所述动态无线充电系统包括沿道路铺设的地面发射线圈阵列和安装于电动汽车上的接收线圈，每个发射线圈和接收线圈连接补偿网络、控制电路和检测电路。汽车行驱入充电区域时，其接收线圈位于两相邻发射线圈之间，利用车上接收线圈作为中继，将处于能量传输的发射线圈的能量反射到相邻的处于检测状态的发射线圈，在相邻发射线圈中感应出电压和电流，通过检测感应的电压或电流实现对充电位置的辨识。所述方法利用能量反射对充电位置进行辨识，系统效率高，同时减少了位置传感器、检测线圈、检测激励源的使用，降低了系统成本。

说明书

技术领域

本发明属于无线充电技术领域，更具体地，是一种电动汽车动态无线充电系统充电位置的辨识方法。

背景技术

发展电动汽车(EV)，是世界公认的缓解能源短缺和环境污染的有效策略。将无线能量传输技术应用于电动汽车充电，可简化电动汽车的充电接口，是电动汽车充电技术的发展方向。因为没有电气上的直接连接，相较于传统的接触式充电，无线充电具有安全、高可靠性、低维护、便捷等优点。

电动汽车无线充电分为静止无线充电和动态无线充电。动态无线充电在电动汽车行驶的过程中边行驶边充电，可以大大延长电动汽车的续航里程，同时可以减小电动汽车搭载的电池容量。电动汽车动态无线充电的原边线圈有导轨式和分段线圈式。分段线圈式沿道路铺设和电动汽车尺寸大小差不多的发射线圈，只有当电动汽车行驶到对应发射线圈上时，对应发射线圈传输功率，当汽车离开后，发射线圈停止工作。这种工作方式相对于导轨式无线充电具有效率高、漏磁小等优点。

对于分段线圈式电动汽车动态无线充电，其优点主要来源于只有电动汽车下方的发射线圈处于能量传输状态，因此对电动汽车进行辨识是该技术的关键。目前对电动汽车的辨识主要是通过增加位置传感器、额外的探测线圈和探测激励源，这些措施增加了系统的复杂程度，增加了系统的成本，带来额外的损耗，降低了系统效率。

为此，充分利用现有动态无线充电系统的线圈和能量，采用能量反射的原理实现对电动汽车充电位置的辨识，该方法不增加额外检测装置，实施简单，不带来额外损耗，提高了系统的效率。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提出了一种电动汽车动态无线充电系统中充电位置的辨识方法，其目的是实现电动汽车位置的检测，为发射线圈阵列的切换提供控制信息。

为实现上述目的，本发明提出一种电动汽车动态无线充电系统中充电位置的辨识方法，该方式基于能量反射原理，利用电动汽车上的接收线圈，将两相邻发射线圈中处于功率传输的发射线圈1-1的能量反射到处于检测状态的发射线圈2-1，在发射线圈2-1及其连接的主电路中感应出电压和电流，通过检测感应的电压和电流的变化，实现对充电位置的辨识，该方法包括以下步骤：

(1)沿道路铺设发射线圈阵列，相邻发射线圈间隔一定间距D；当电动汽车行驶至两个相邻发射线圈之间，电动汽车上的接收线圈与两个相邻的发射线圈形成电磁耦合；发射线圈1-1处于正常工作状态，向电动汽车上安装的接收线圈传输能量；间距D可为等间距或不等间距，间距大小可结合实际主电路的参数确定；

所述发射线圈有两种工作状态，一种是能量发射状态(正常工作状态)，一种是检测状态；假设有三个依次排列的发射线圈，分别是1,2,3号，汽车依次驶过1,2,3号线圈；当汽车在1号线圈上方时，1号线圈处于能量发射状态，2号和3号处于检测状态；当汽车行驶到1号和2号之间，2号检测到汽车到来，此时1号切换成检测状态，2号切换成能量发射状态，3号维持检测状态不变；汽车继续行驶，当行驶到2号和3号之间，3号检测到汽车到来，3号切成能量发射状态，2号切成检测状态，1号维持检测状态不变，依次类推。工作时，每个线圈会在两种状态下切换。

(2)发射线圈2-1处于检测状态；发射线圈1-1传输到接收线圈的能量部分反射到发射线圈2-1，在发射线圈2-1及其连接的主电路中感应出电压和电流；通过检测感应出的电压或电流的大小，判断电动汽车的位置；

所述充电系统包括发射单元，所述发射单元包括主电路，所述发射线圈设在主电路中。

进一步的，所述步骤(1)中，发射线圈与接收线圈的间距D取值范围为0～5l_R；l_R为接收线圈的中心轴长。

进一步的，所述主电路包括AC/DC变换器、DC/AC变换器、补偿网络、发射线圈，三个部分依次连接；其中，所述AC/DC变换器用于将外部交流电转换成直流电，所述DC/AC变换器用于直流电变换到高频交流电压；所述补偿网络用于补偿发射线圈；所述发射线圈用于能量发射。

进一步的，所述发射单元还包括检测电路和控制电路；其中，所述检测电路用于检测电动汽车的位置，所述控制电路用于控制发射线圈的能量发射。

进一步的，所述的辨识方法的步骤(2)中，当电动汽车处在两个相邻发射线圈之间，处于检测状态的发射线圈2-1及其主电路包含m个元件，n条支路，各元件电压和各支路电流分别为U_ni(i＝1,2,…,m)和I_nj(j＝1,2,…,n)；

检测汽车行驶到两个线圈之间的判断条件是：发射线圈2-1及其主电路各元件电压和各支路电流达到一定的判断阈值U_xi和I_xij(i＝1,2,3...n)，判断阈值U_xi(i＝1,2,…,m)和I_xj(j＝1,2,…,n)是否满足条件U_xi≥1.1U_ni或者I_xj≥1.1I_nj(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)；是则认定汽车已驶入两个线圈之间，否则认定没有驶入两个线圈之间。

本发明中，电动汽车动态无线充电系统包括能量发射单元和能量接收单元，所述能量发射单元包括主电路的AC/DC变换器、DC/AC变换器、补偿网络、发射线圈，以及检测电路和控制电路；所述能量接收单元包括主电路的接收线圈、补偿网络、AC/DC变换器、DC/DC变换器，以及控制电路和动态充电的电动汽车。各组成部分中，发射线圈和接收线圈用于能量发射和接收，补偿网络用于补偿线圈，AC/DC变换器用于交流电压到直流电压的变换，DC/AC变换器用于直流电压到高频交流电压的变换，DC/DC变换器用于充电电压电流的调控，检测电路和控制电路用于系统正常工作的检测和控制。所述能量发射单元和能量接收单元通过线圈之间的电磁耦合来进行能量的传输，同时通过接收线圈与两相邻发射线圈的电磁耦合，利用能量反射，在发射线圈2-1及其连接的主电路中感应出电压和电流，通过检测感应的电压或电流的变化来对电动汽车位置进行辨识以及实现间接控制。

本发明中，当电动汽车位于两个相邻发射线圈中的发射线圈1-1上方时，电动汽车上的接收线圈与发射线圈1-1有较强的电磁场耦合，与发射线圈2-1有非常弱可以忽略的电磁耦合；发射线圈1-1处于能量传输状态，线圈中产生高频电流，通过电磁耦合将能量传输到接收线圈；发射线圈2-1处于检测状态，其连接的DC/AC变换器不工作，线圈及其连接的主电路中没有高频的电压和电流，或者只有非常小的由发射线圈1-1通过电磁耦合感应的高频电压和电流；当电动汽车行驶到两个发射线圈之间，接收线圈与发射线圈1-1的电磁耦合变弱，与发射线圈2-1的电磁耦合变强，发射线圈1-1仍然处于能量传输状态，通过接收线圈与两个发射线圈的电磁耦合，部分能量被反射到发射线圈2-1中，发射线圈2-1及其连接的主电路中感应出高频电压和电流；通过检测发射线圈2-1及其连接的主电路中感应出的高频电压或电流的大小，当其值达到一定阈值时可以辨识出电动汽车位于两相邻发射线圈中的特定位置，作为线圈切换的控制信号或其他控制用途。

本发明中，步骤(2)中辨识方法需要检测的感应电压和电流可以只是一个元件的电压或一条支路的电流，还可以是多个元件的电压或多条支路的电流。假设发射线圈及其连接的主电路包含m个元件，n条支路，当汽车位于发射线圈1-1上方，发射线圈2-1及其连接的主电路各个元件的电压为U_ni(i＝1,2,…,m)，各条支路的电流为I_nj(j＝1,2,…,n)。电动汽车位于两相邻线圈之间时，能够成功实现辨识的条件是至少一个元件电压U_xi(i＝1,2,…,m)或一条支路电流达到阈值I_xj(j＝1,2,…,n)，该阈值满足以下条件从而防止误检测：U_xi≥1.1U_ni，I_xj≥1.1I_nj(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)。具体用于辨识判断的元件电压、支路电流及其对应的阈值应根据实际的主电路确定。

本发明的优势是利用系统原有的线圈和能量，通过接收线圈作为中继将能量反射进行充电位置的辨识，该方法实施方便简单，不需要增加额外的位置传感器，不增加额外的检测线圈和检测激励源，降低了系统复杂度、系统成本。因为该方法不使用额外的检测激励源，没有带来额外的损耗，实施简单，降低了系统成本，提高了系统的效率。本发明提出的方法还具有可为行驶中行车充电的优点。

附图说明

图1电动汽车动态无线充电位置辨识系统的结构框图；

图2电动汽车行驶到不同位置检测电压U_C2的变化；

图3电动汽车动态无线充电位置辨识系统框图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

标记说明：1、能量发射单元1；1-1、发射线圈；1-2、补偿网络；1-3、DC/AC变换器；1-4、AC/DC变换器；1-5、检测电路；1-6、控制电路；2、能量发射单元2；2-1、发射线圈；2-2、补偿网络；2-3、DC/AC变换器；2-4、AC/DC变换器；2-5、检测电路；2-6、控制电路；3、能量接收单元；3-1、接收线圈；3-2、补偿网络；3-3、AC/DC变换器；3-4、DC/DC变换器；3-5、控制电路；4、电动汽车位于不同位置处接收线圈与发射线圈1-1的电磁耦合强度；5、电动汽车位于不同位置处接收线圈与发射线圈2-1的电磁耦合强度；6、电动汽车位于不同位置处补偿电容C₂的电压U_C2的变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明的电动汽车动态无线充电系统中充电位置的辨识方法，该方法是利用电动汽车上的接收线圈3-1，将两相邻发射线圈中处于功率传输的发射线圈1-1的能量反射到处于检测状态的发射线圈2-1，在发射线圈2-1及其连接的主电路中感应出电压和电流，通过检测电路2-5检测感应电压和电流的变化，实现对充电位置的辨识，该方法包括以下步骤：

(1)该电动汽车动态无线充电系统包括能量发射单元1、能量发射单元2和能量接收单元3，所述能量发射单元包括有AC/DC变换器、DC/AC变换器、补偿网络、发射线圈、检测电路和控制电路；所述能量接收单元包括有接收线圈、补偿网络、AC/DC变换器、DC/DC变换器、控制电路和动态充电的电动汽车。能量发射单元1和能量发射单元2沿电动汽车行驶方向依次安装在行驶道路上，和所述能量发射单元和能量接收单元通过线圈之间的电磁耦合来进行能量的传输，同时通过接收线圈与两相邻发射线圈的电磁耦合，利用能量反射，在发射线圈2-1及其连接的主电路中感应出电压和电流，通过检测电路2-5检测感应的电压或电流的变化来对电动汽车位置进行辨识以及实现间接控制。

(2)利用步骤(1)的系统结构对电动汽车动态无线充电系统充电位置进行辨识的具体方法按如下操作：当电动汽车位于两个相邻发射线圈中的发射线圈1-1上方时，电动汽车上的接收线圈3-1与发射线圈1-1有较强的电磁场耦合4，与发射线圈2-1有非常弱可以忽略的电磁耦合5；发射线圈1-1处于能量传输状态，其DC/AC变换器1-3以开关频率按照50％占空比工作，在发射线圈1-1中产生高频电流，通过电磁耦合4将能量传输到接收线圈3-1；发射线圈2-1处于检测状态，其连接的DC/AC变换器2-3的两个下桥臂开关管S₂₂和S₂₄导通，两个上桥臂开关管S₂₁和S₂₃断开，发射线圈2-1及其连接的主电路中没有高频的电压和电流；当电动汽车行驶到两个发射线圈之间，接收线圈3-1与发射线圈1-1的电磁耦合4变弱，与发射线圈2-1的电磁耦合5变强，发射线圈1-1仍然处于能量传输状态，通过接收线圈3-1与两个发射线圈的电磁耦合，部分能量被反射到发射线圈2-1中，发射线圈2-1及其连接的主电路中感应出高频电压和电流；检测电路2-5检测补偿网络2-2中的补偿电容C₂两端的电压U_C2，当其值达到一定阈值时可以辨识出电动汽车位于两相邻发射线圈中的特定位置，作为线圈切换的控制信号或其他控制用途。

所述步骤(2)中辨识方法检测的量为补偿网络2-2中的补偿电容C₂两端感应的电压U_C2，电动汽车沿道路行驶，当其位于发射线圈1-1上方时，接收线圈3-1与发射线圈1-1的电磁耦合4较强，这时候电容电压U_C2近似为零；随着电动汽车沿行驶方向y继续行驶，接收线圈3-1与发射线圈1-1的电磁耦合4逐渐变弱，与发射线圈2-1的电磁耦合5逐渐增强，电容电压U_C2逐渐变大，在两发射线圈之间的两个位置会出现两个峰值，这时候U_C2最大电压为0.64V。设定检测的阈值为0.4V，当U_C2第一次大于0.4V时，电动汽车位置在靠近发射线圈1-1处，当检测到U_C2第二次大于0.4V时，电动汽车位于靠近发射线圈2-1处，可将该信号作为发射线圈切换的控制信号。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。