一種基于電容或電感耦合的機動車無線充電系統的制作方法

本發明涉及無線充電技術領域，尤其是一種基于電容或電感耦合的機動車無線充電系統。

背景技術：

當前，發展電動汽車是節能環保和低碳經濟的需求，其中電動汽車的問題是急需解決的重要環節。現有的無線充電技術主要應用于手機、牙刷、電腦等小型設備上，它們的充電方式大多以感應式電能傳輸為主，存在傳輸效率低、距離較近、對準要求高等一系列缺點，而將無線充電技術應用到電動汽車等大功率設備的電能傳輸上仍處于實驗研究階段。

迄今為止，無線充電方式主要分為四大類：電感耦合式、磁場共振式、電容耦合式和電磁波傳送式。基于電容耦合式的充電方式相對于電感耦合式和磁場共振式的無線充電方式而言，其構造更為簡單，制造成本更低，并對送電和受電電極的材料和形狀沒有特定的要求。但是電容耦合式的充電方式存在如下問題：隨著傳輸距離的增大，耦合電容值變得很小，這使得系統諧振頻率嚴重增加；且在很高頻率的下，系統需要的高頻電源難以制作，且高頻電阻劇烈增加，從而導致系統總體效率的急速下降。基于磁場共振式的充電方式的缺點非常明顯：包括工作頻率高、發射電感大、技術要求高、制作成本高、實用性相對較差、制作困難、輻射大、能量傳輸效率低。與此同時，基于電磁波傳送式的充電方式只能適用于小功率的無線充電，遠遠不能滿足電動汽車等大功率設備的電能傳輸。

技術實現要素：

本發明的目的就是要解決現有的無線充電方式所存在的上述問題，為此提供一種構造簡單、制作成本低，電能的傳輸效率和傳輸功率大的基于電容或電感耦合的機動車無線充電系統。

本發明的具體方案是：一種基于電容或電感耦合的機動車無線充電系統，包括依次作為發射端、接收端的充電站和機動車；其特征是：

在充電站設有充電公路，并配備有主控制器、電網匹配電路和直流母線以及若干模組單元，其中充電公路的車輛駛入端裝有無線識別裝置，每個模組單元均由逆變電路及與其匹配的分控制器組成；所述主控制器通訊連接無線識別裝置，并與遠程服務器進行通訊連接；所述電網匹配電路將電網電源轉換成匹配的直流電源后輸送給直流母線，直流母線分別為各個模組單元中的逆變電路提供直流電壓；各個分控制器分別通過can總線通訊連接主控制器；

在機動車上設有車載控制器和整流濾波電路，整流濾波電路的直流輸出端并聯儲能電容和蓄電池，在儲能電容和蓄電池所構成的電路上串聯有脈寬調制電路，車載控制器對脈寬調制電路的工作狀態進行實時控制；

所述充電站中的每個逆變電路與每輛機動車上的整流濾波電路之間均通過一組諧振電路實現電能的無線轉移；

所述諧振電路包括兩種結構，其中一種結構由串聯電感l和極板電容c11、c12以及整流濾波電路構成rlc諧振電路，其中極板電容c11由發射端極板a和接收端極板b組成，極板電容c12由發射端極板c和接收端極板d組成；所述發射端極板a、c預埋在充電公路上，極板a、c對應連接逆變電路的兩個交流輸出端；所述接收端極板b、d安裝在機動車的底盤上，并且極板b、d對應連接整流濾波電路的交流輸入端；所述諧振電路的另一種結構由串聯電容c串、作為發射端的初級電感t1和作為接收端的次級電感t2以及整流濾波電路構成rlc諧振電路，其中逆變電路的交流輸出端分別與串聯電容c串、初級電感t1構成串聯回路，其中初級電感t1預埋在充電公路上；次級電感t2與整流濾波電路的交流輸入端相并聯，次級電感t2設置于機動車的底盤上；

在機動車的底盤上裝有沿著極板b、d排布或沿著次級電感t2排布的光發射器，在充電公路上裝有沿著極板a和極板c排布或沿著初級電感t1排布的光接收器；所述光發射器連接車載控制器，光接收器連接分控制器，光發射器與光接收器之間構成對射，并用于光信號的無線傳輸。

本發明中所述脈寬調制電路由限流電阻r限和開關管g組成，車載控制器通過向開關管g的基極發送信號，以控制開關管g的導通與關斷的頻率。

本發明中所述機動車的底盤上裝有伸縮機構，伸縮機構由車載控制器進行實時控制，用于實現控制接收端極板b、d與相對應的充電公路上發射端極板a、c之間的間隙，或者用于控制接收端的次級電感t2與相對應的發射端初級電感t1之間的間隙。

本發明中所述儲能電容由多組超級電容器通過串并聯而成；所述光發射器選用紅外發射器，光接收器選用紅外接收器。

本發明中所述接收端極板b、d與相對應的充電公路上發射端極板a、c之間的間隙為3～10cm;所述接收端的次級電感t2與相對應的發射端初級電感t1之間的間隙為3～10cm。

本發明結構簡單、設計巧妙，不僅制作成本低、抗干擾性強、電磁輻射小，而且實現了在充電公路上對行駛中的機動車進行電容耦合式和電感耦合式充電，并且充電效率高、傳輸功率大，滿足了各種大功率的機動設備的無線充電需求。

附圖說明

圖1是本發明的控制結構框圖；

圖2是在實施例1中，充電站中各個模塊的信息傳輸示意圖；

圖3是在實施例1中，諧振電路的電氣原理圖；

圖4是在實施例2中，諧振電路的電氣原理圖。

圖中：1—充電站，2—機動車，3—充電公路，4—主控制器，5—電網匹配電路，6—直流母線，7—無線識別裝置，8—逆變電路，9—分控制器，10—遠程服務器，11—車載控制器，12—整流濾波電路，13—儲能電容，14—蓄電池，15—脈寬調制電路，16—諧振電路，17—電網電源，18—伸縮機構，19—光發射器，20—光接收器。

具體實施方式

實施例1，本實施例以基于電容耦合的機動車無線充電系統為例，對本發明進行具體說明。

參見圖1、圖2，無線充電系統包括作為發射端的充電站1和作為接收端的機動車2；

在充電站1設有充電公路3，并配備有主控制器4、電網匹配電路5和直流母線6以及若干模組單元，各個模組單元依次編號為模組單元1、模組單元2······模組單元n,在充電公路3的車輛駛入端裝有無線識別裝置7，每個模組單元均由逆變電路8及與其匹配的分控制器9組成，其中在模組單元1中，相應的逆變電路編號為逆變電路1、分控制器編號為分控制器1，以此類推，在模組單元n中，相應的逆變電路編號為逆變電路n、分控制器編號為分控制器n；所述主控制器4通訊連接無線識別裝置7，并與遠程服務器10進行通訊連接；所述電網匹配電路5采用整流濾波電路，電網匹配電路5將電網電源17（ac220v）轉換成匹配的直流電源以輸送給對接的直流母線6，直流母線6分別為各個模組單元中的逆變電路8提供直流電壓；各個模組單元中的分控制器9分別通過can總線通訊連接主控制器4，并且每個分控制器分別對相對應的模組單元中的逆變電路8所輸出的脈沖波進行脈寬調制，以達到控制輸出電壓和頻率的目的；

在機動車2上設有車載控制器11和整流濾波電路12，整流濾波電路12的直流輸出端并聯儲能電容13和蓄電池14，在儲能電容13和蓄電池14所構成的電路上串聯有脈寬調制電路15，車載控制器11對脈寬調制電路15的工作狀態進行實時控制，以實現對蓄電池14的充電電壓和充電電流的控制；

所述充電站1中的每個逆變電路與每輛機動車2上的整流濾波電路之間均通過一組諧振電路16實現電能的無線轉移；

參見圖3，所述諧振電路16由串聯電感l和極板電容c11、c12以及整流濾波電路12構成rlc諧振電路，其中整流濾波電路12和儲能電容13以及蓄電池14構成等效負載，所述極板電容c11由發射端極板a和接收端極板b組成，極板電容c12由發射端極板c和接收端極板d組成；所述發射端極板a、c預埋在充電公路3上，極板a、c對應連接逆變電路8的兩個交流輸出端；所述接收端極板b、d安裝在機動車2的底盤上，并且極板b、d對應連接整流濾波電路12的交流輸入端；如圖2所示，在充電公路3上，每個模組單元所對應的一組極板（極板a和極板c）在充電公路3上依次排布。

在機動車的底盤上裝有沿著極板b、d排布的光發射器19，在充電公路3上裝有沿著極板a和極板c排布的光接收器20；所述光發射器19連接車載控制器11，光接收器20連接分控制器9，光發射器19與光接收器20之間構成對射，并用于光信號的無線傳輸；

參見圖3，本實施例中所述脈寬調制電路15由限流電阻r限和開關管g組成，車載控制器11通過向開關管g的基極發送信號，以控制開關管g的導通與關斷的頻率，從而實現對蓄電池14的充電電流和充電電壓的實時控制。

本實施例中所述機動車2的底盤上裝有伸縮機構18，伸縮機構18由車載控制器11進行實時控制，用于實現控制接收端極板b、d與相對應的充電公路上發射端極板a、c之間的間隙，并使得該間隙保持在3～10cm。

本實施例中所述儲能電容13由多組超級電容器通過串并聯而成；所述光發射器19選用紅外發射器，光接收器20選用紅外接收器。

本發明的工作原理如下:

首先，在充電站1，市電交流電源經過電網匹配電路5的整流、濾波處理后，將電能輸送至直流母線6，直流母線6分別為各個模組單元提供母線電壓；

當機動車2駛入充電站1的充電公路3上時，設置在充電公路3車輛駛入端的無線識別裝置7對駛入的機動車2的身份信息進行識別，并將識別的身份信息上傳至主控制器4，主控制器4將該身份與后臺數據庫進行配對，如果配對成功，則將該車輛的身份信息下載至各個分控制器9，此時各個模組單元為機動車的充電做好準備。

與此同時，機動車2在向前行駛的過程中，由車載控制器11控制伸縮機構18伸出，以便將電能接收端的極板b、d放下，并使得極板b、d與充電公路之間維持在3～10cm的間隙范圍內。當機動車2駛過第一組預埋在充電公路上的發射端極板a、c時，設置在機動車底盤上的紅外發射器發出的紅外信號將恰好被地面上的紅外接收器接收，通過紅外發射器與紅外接收器之間紅外信息傳遞，便于充電站對正在進行充電的機動車的身份信息進行二次校驗，分控制器1實現對電容板的對準面積的計算，并根據電容板的對準面積，采用pid算法實時控制逆變電路1的輸出電壓和頻率。逆變電路1輸出的電能通過諧振電路16的電容耦合，無線傳輸至作為負載端機動車中整流濾波電路12，在此過程中，整流濾波電路12對接收到的交流電進行整流和濾波處理后，由儲能電容13將電能快速儲存起來，并且車載控制器11通過脈寬調制電路15對蓄電池14的充電電流和充電電壓的實時控制。

當機動車2行駛至第二組預埋在充電公路上的發射端極板a、c時，設置在模組單元2中的分控制器2采用與上述相同的控制原理對機動車進行無線充電。如此，以此類推，當機動車2行駛至第n組預埋在充電公路上的發射端極板a、c時,完成了整個過程的充電。

在整個過程中，各個分控制器將充電完畢后輸出的電量信息通過can總線實時上傳主控制器4，主控制器4將機動車的充電信息傳輸至遠程服務器10，以便進行充電計費。

本實施例2，本實施例基于實施例1，但是本實施例采用的是電感耦合的方式進行機動車的無線充電，該充電方式的充電原理與電容耦合的充電原理基本相同，而其諧振電路在結構上區別于實施例1。

參見圖4，本實施例中所述諧振電路16由串聯電容c串、作為發射端的初級電感t1和作為接收端的次級電感t2以及整流濾波電路12構成rlc諧振電路，在每個模組單元中，逆變電路8的交流輸出端分別與串聯電容c串、初級電感t1構成串聯回路，其中初級電感t1預埋在充電公路3上；次級電感t2與整流濾波電路12的交流輸入端相并聯，次級電感t2設置于機動車2的底盤上。所述光發射器19在機動車2的底盤上沿著次級電感t2排布，光接收器20沿著充電公路3上預埋的初級電感t1排布。在機動車2的底盤上裝有伸縮機構18，伸縮機構18的工作動態由車載控制器11進行實時控制，用于控制接收端的次級電感t2與相對應的發射端初級電感t1之間的間隙，并使得該間隙保持在3～10cm。機動車2在充電公路3上行駛時，通過由串聯電容c串、初級電感t1和次級電感t2以及整流濾波電路12所構成rlc諧振電路中，初級電感t1和次級電感t2之間的耦合而實現電能的無線轉移。