| 专利名称： | 基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统 | ||
| 专利名称(英文)： | Electric automobile wireless charging system based on intelligent coil arrays | ||
| 专利号： | CN201510118278.3 | 申请时间： | 20150318 |
| 公开号： | CN104810906A | 公开时间： | 20150729 |
| 申请人： | 天津大学 | ||
| 申请地址： | 300072 天津市南开区卫津路92号天津大学26楼E座 | ||
| 发明人： | 张镇; 李彬; 王江; 邓斌; 魏熙乐; 于海涛 | ||
| 分类号： | H02J7/02; H02J17/00 | 主分类号： | H02J7/02 |
| 代理机构： | 天津才智专利商标代理有限公司 12108 | 代理人： | 吕志英 |
| 摘要： | 本发明提供一种基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统，该系统与直流微电网相连接，该系统包括有多个铺于路面下的智能线圈阵列单元、电动汽车上的能量接收单元；每个铺于路面下的智能线圈阵列单元中的多个发射线圈单元按照并联的方式相互连接，同时距离能量线圈单元最近的发射线圈单元与能量线圈单元通过电磁耦合相连接；能量线圈单元经由DC-AC电力变化单元与直流微电网相连接；所述电动汽车上的能量接收单元包括接收线圈单元与负载线圈单元，并与发射线圈单元通过电磁耦合相连接进行能量接收。有益效果是该系统结构的无线充电的有效范围为cm-m级，能使得能量传输覆盖整个路面，对汽车的行驶限制降低。节约充电系统成本开销，同时减小了系统设计的复杂性。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention provides an electric automobile wireless charging system based on intelligent coil arrays. The system is connected with a DC micro-grid. The system comprises multiple intelligent coil array units which are laid under the road and energy receiving units which are arranged on an electric automobile. Multiple transmitting coil units in each intelligent coil array unit laid under the road are connected with each other in a parallel mode, and the transmitting coil unit closest to energy coil units is connected with the energy coil units via electromagnetic coupling. The energy coil units are connected with the DC micro-grid via a DC-AC power change unit. The energy receiving units arranged on the electric automobile comprise a receiving coil unit and a load coil unit and are connected with the transmitting coil units to receive energy via electromagnetic coupling. The beneficial effects are that effective range of wireless charging of the structure of the system is cm-m level so that energy transmission is enabled to cover the whole road, driving restriction to the automobile is reduced, cost of the charging system is saved and complexity of the system design is reduced simultaneously. | ||
1.一种基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统，该系统与直流微 电网(6)相连接，其特征是：该系统包括有多个铺于路面下的智能线圈阵 列单元(1)、电动汽车上的能量接接收单元；每个铺于路面下的智能线圈阵 列单元(1)包括能量线圈单元(2)以及多个发射线圈单元(3)，多个发射 线圈单元(3)按照并联的方式相互连接，同时距离能量线圈单元(2)最近 的发射线圈单元(3)与能量线圈单元(2)通过电磁耦合相连接；所述能量 线圈单元(2)经由DC-AC电力变化单元(7)与直流微电网(6)相连接； 所述电动汽车上的能量接接收单元包括接收线圈单元(4)与负载线圈单元 (5)，并与发射线圈单元(3)通过电磁耦合相连接进行能量接收。
2.根据权利要求1所述的基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统， 其特征是：所述多个发射线圈单元(3)按照并联的方式实现连接为拓扑方 式，保证铺于路面下的智能线圈阵列单元(1)对电动汽车的自然定位。
3.根据权利要求1所述的基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统， 其特征是：所述直流微电网(6)的直流电能通过DC‐AC电力变换单元(7) 变换为交流电能，并传输给能量线圈单元(2)，所述能量线圈单元(2)所 获得的交流电能的频率以及能量线圈单元(2)、发射线圈单元(3)、接收线 圈单元(4)、负载线圈单元(5)固有频率均相同，保证系统通过能量线圈 单元(2)、发射线圈单元(3)、接收线圈单元(4)以及负载线圈单元(5) 的磁共振耦合连接实现对电动汽车无线充电。
1.一种基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统，该系统与直流微 电网(6)相连接，其特征是：该系统包括有多个铺于路面下的智能线圈阵 列单元(1)、电动汽车上的能量接接收单元；每个铺于路面下的智能线圈阵 列单元(1)包括能量线圈单元(2)以及多个发射线圈单元(3)，多个发射 线圈单元(3)按照并联的方式相互连接，同时距离能量线圈单元(2)最近 的发射线圈单元(3)与能量线圈单元(2)通过电磁耦合相连接；所述能量 线圈单元(2)经由DC-AC电力变化单元(7)与直流微电网(6)相连接； 所述电动汽车上的能量接接收单元包括接收线圈单元(4)与负载线圈单元 (5)，并与发射线圈单元(3)通过电磁耦合相连接进行能量接收。
2.根据权利要求1所述的基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统， 其特征是：所述多个发射线圈单元(3)按照并联的方式实现连接为拓扑方 式，保证铺于路面下的智能线圈阵列单元(1)对电动汽车的自然定位。
3.根据权利要求1所述的基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统， 其特征是：所述直流微电网(6)的直流电能通过DC‐AC电力变换单元(7) 变换为交流电能，并传输给能量线圈单元(2)，所述能量线圈单元(2)所 获得的交流电能的频率以及能量线圈单元(2)、发射线圈单元(3)、接收线 圈单元(4)、负载线圈单元(5)固有频率均相同，保证系统通过能量线圈 单元(2)、发射线圈单元(3)、接收线圈单元(4)以及负载线圈单元(5) 的磁共振耦合连接实现对电动汽车无线充电。
翻译：技术领域
本发明涉及无线充电技术，特别是一种基于智能线圈阵列的电动汽车无 线充电系统。
背景技术
电动汽车被认为是目前最环保的公路运输，但是存在两个重要问题限制 其普及，其一行驶里程短，其二初始成本高。由于电池技术的发展缓慢，从 改进电池角度很难为电动汽车的发展带来突破。针对行驶里程短的问题，常 规策略是设立足够多的充电站，并且提高充电速度。然而，区别于这种加油 站式的常规策略，可利用无线充电技术在电动汽车行驶过程中完成对其充电 过程。
无线充电技术源于无线电力输送技术，利用电磁耦合，供电设备将电能 传输至用电装置，该装置利用接受到的能量为电池充电，同时供其本身运作。 相比与有线充电技术，其能量传输不需要配电线路，因此非常适合对电动汽 车这样的移动设备进行电力供应。随着磁共振耦合原理(MRC)的推广，无线 充电技术的传输距离以及传输效率有了质的提高。
根据感应耦合无线电力传输(ICPT)技术，在路面下铺设由通电线圈 拼接的轨道，利用类似变压器传输电能的原理为行驶的电动汽车充电。由于 电磁感应式充电技术的传输距离很短且传输效率很低，对汽车的行驶范围要 求较为严格；同时，该类系统还需要配备定位系统，利用红外传感器等定位 汽车的位置来确定需要供电的线圈(轨道)。
发明内容
针对上述电磁感应式电动汽车无线充电系统的不足，本发明提出了一种 基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统，其目的一：提高能量传输覆盖 范围使得汽车行驶范围的限制降低，目的二：实现对电动汽车的自然定位， 目的三：实现对充电系统模块化，增加其可扩展性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于智能线圈阵列 的电动汽车无线充电系统，该系统与直流微电网相连接，其中：该系统包括 有多个铺于路面下的智能线圈阵列单元、电动汽车上的能量接接收单元；每 个铺于路面下的智能线圈阵列单元括能量线圈单元及多个发射线圈单元， 多个发射线圈单元按照并联的方式相互连接，同时距离能量线圈单元最近的 发射线圈单元与能量线圈单元通过电磁耦合相连接；所述能量线圈单元经由 DC-AC电力变化单元与直流微电网相连接；所述电动汽车上的能量接接收 单元包括接收线圈单元与负载线圈单元，并与发射线圈单元通过电磁耦合相 连接进行能量接收。
本发明的有益效果：基于ICPT技术的无线充电的有效范围为一般是 mm-cm级，而且能量传输效率低，而本系统结构的基于磁共振耦合(MRC) 的无线充电的有效范围为cm-m级，能使得能量传输覆盖整个路面，对汽车 的行驶限制降低。本系统结构利用智能线圈阵列能够自然定位电动汽车进行 能量供应,无需增加红外传感等定位系统，节约充电系统成本开销，同时减 小了系统设计的复杂性。缩减规模的实验表明：本发明充电系统的能量传输 效率可达到相同规模其他系统的两倍左右。本系统结构是一个模块化的电动 汽车无线充电系统，可以按照需求对系统进行灵活扩展。
附图说明
图1为本发明的智能线圈阵列拓扑结构的示意图；
图2为本发明的智能线圈阵列无线充电系统的等效电路图。
图中：
1、铺于路面下的智能线圈阵列单元 2、能量线圈单元 3、发射线圈单元 4、接收线圈单元 5、负载线圈单元 6、直流微电网 7、DC-AC电力变化单元 8、n位置 9、m位置 10、电动汽车接收线圈的电感L3 11、n位置的发射线圈的电感L2n 12、m位置的发射线圈的电感L2m 13智能线圈阵列电路 14、能量线圈电路 15、n位置的发射线圈单元 16、m位置的发射线圈单元
具体实施方式
结合附图对本发明的基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统加以 说明。
本发明的基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统解决关键一是利 用磁共振耦合技术设计无线充电系统；关键二是利用智能线圈阵列自然定位 负载也即电动汽车；关键三的技术是使智能线圈阵列单元化。
本发明的基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统，该系统与直流微 电网6相连接，该系统包括有多个铺于路面下的智能线圈阵列单元1、电动 汽车上的能量接接收单元；每个铺于路面下的智能线圈阵列单元1包括能量 线圈单元2以及多个发射线圈单元3，多个发射线圈单元3按照并联的方式 相互连接，同时距离能量线圈单元2最近的发射线圈单元3与能量线圈单元 2通过电磁耦合相连接；所述能量线圈单元2经由DC-AC电力变化单元7 与直流微电网6相连接；所述电动汽车上的能量接接收单元包括接收线圈单 元4与负载线圈单元5，并与发射线圈单元3通过电磁耦合相连接进行能量 接收。
所述多个发射线圈单元3按照并联的方式实现连接为拓扑方式，保证铺 于路面下的智能线圈阵列单元1对电动汽车的自然定位。
所述直流微电网6的直流电能通过DC‐AC电力变换单元7变换为交流电 能，并传输给能量线圈单元2，所述能量线圈单元2所获得的交流电能的频 率以及能量线圈单元2、发射线圈单元3、接收线圈单元4、负载线圈单元5 固有频率均相同，保证系统通过能量线圈单元2、发射线圈单元2、接收线 圈单元4以及负载线圈单元5的磁共振耦合连接实现对电动汽车无线充电。
如图1所示，为本发明的智能线圈阵列拓扑结构示意，本发明的电动汽 车无线充电系统包括多个铺于路面下的智能线圈阵列单元1，每个铺于路面 下的智能线圈阵列单元1由能量线圈单元2以及多个发射线圈单元3组成， 直流微电网6与能量线圈单元2经由DC-AC电力变化单元7相连接。图示 接收线圈单元4与负载线圈单元5为电动汽车上的能量接接收单元。
本发明的基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统利用磁共振耦合 技术实现对电动汽车的无线充电，能量线圈单元2、发射线圈单元3、接收 线圈单元5以及负载线圈单元6的固有频率f0都相同。其充电过程：直流微 电网6将直流电能传输给DC-AC电力变换单元7，DC-AC电力变换单元7 将直流电能变换成交流电能驱动能量线圈单元2，保证交流供电的频率等于 固有频率f0，根据磁共振耦合原理，能量经由发射线圈单元3和接收线圈单 元4的传递到达负载线圈单元5，从而实现对电动汽车电力供应。
本发明的基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统的主要结构是铺 于路面下的智能线圈阵列单元1，其由多个发射线圈单元3并联组成，这种 线圈拓扑结构能实现电动汽车的自然定位。根据图2所示的本发明的智能线 圈阵列无线充电系统的等效电路说明实现自然定位的过程：
如图2所示，当电动汽车位于n位置8时，电动汽车接收线圈的电感L310 与n位置的发射线圈电感L2n11存在互感M2n,3于是在智能线圈阵列电路13 中，n位置的发射线圈单元15的等效电感为L2n-M2n,3，相对于其他并联的发 射线圈元，其感抗较小，根据基尔霍夫定律以及欧姆定律可知：此时n位置 的发射线圈单元流过的电流相对于其他并联的发射线圈单元电流较大，从能 量线圈电路14传输到智能多线圈阵列电路13的能量主要汇聚在n位置8， 通过n位置的发射线圈单元15利用磁共振耦合原理为电动汽车无线充电。
同样，如图2所示，当电动汽车行驶到m位置时，电动汽车接收线圈 的电感L310与m位置的发射线圈电感L2m12存在互感，于是m位置的发射 线圈单元16等效电感较小，流过其的电流较大，从能量线圈电路14传输到 智能线圈阵列电路13的能量主要汇聚在m位置9，通过m位置的发射线圈 单元16利用磁共振耦合原理为电动汽车无线充电。
本发明的基于智能线圈阵列的电动汽车无线充电系统包括有多个铺于 路面下的智能线圈阵列单元1。配合电网供电，每个铺于路面下的智能线圈 阵列单元1都可以实现对电动汽车自然定位和无线充电。这样的阵列单元可 以按照需求扩展和减少；储备足够多的阵列单元，当某个阵列单元发生故障 时可以及时更换，节约成本和时间。
