專利名稱：電動汽車三相無線充電系統(tǒng)及其充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線電能傳輸系統(tǒng)及方法，具體地說，是一種電動汽車三相無線充電系統(tǒng)及其充電方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代城市汽車保有量的快速增加，不僅造成城市道路堵塞、產(chǎn)生大量噪聲，而且尾氣排放量的持續(xù)增加必將造成嚴(yán)重的溫室效應(yīng)和大氣污染。隨著能源危機(jī)的日益加劇以及人類對居住環(huán)境要求的不斷提高，除了大力推進(jìn)傳統(tǒng)汽車節(jié)能減排以外，發(fā)展噪聲小、零污染排放的電動汽車無疑是減輕汽車對城市大氣造成的污染具有積極的意義。目前電動汽車充電主要有兩種充電方式，①普通交流電直接充電模式在這種充電模式下，充電時間長，充電效率低；②快速直流電充電模式在這種充電模式下，充電時間短，充電效率高，但充電負(fù)荷大，不適合多個汽車同 時充電。雖然目前世界許多國家都投入了大量的資金用于大型高效電動汽車充電站的建設(shè)，但縱觀目前國內(nèi)外電動汽車充電技術(shù)發(fā)展與充電站的建設(shè)，依然存在以下幾個方面的問題電動汽車充電站充電時間較長，需浪費消費者大量時間； —個充電站同時充電汽車數(shù)量有限_ >戶外有線充電樁易受到侵害w建專用充電站占用大量用地等。還有一種利用無線電能傳輸技術(shù)通過電磁感應(yīng)耦合原理，實現(xiàn)了電能的近距離無線傳輸，基于該技術(shù)可實現(xiàn)電動汽車在家用車庫、公共停車位甚至街道邊等地點的方便靈活充電。而利用傳統(tǒng)的單相單原邊發(fā)射線圈無線電能傳輸系統(tǒng)對電動汽車實現(xiàn)無線充電，存在的一個明顯缺陷是原邊磁能發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場不均衡，線圈中央位置磁場強(qiáng)度大，周邊磁場強(qiáng)度小。為保證電動車充電效率，安裝于電動汽車上的拾取線圈機(jī)構(gòu)需要位于原邊磁能發(fā)射機(jī)構(gòu)的絕對正上方。否則將造成能量的大量流失，不利于電池的高效充電。而為了高效充電，除需要電動汽車加裝昂貴的磁能發(fā)射機(jī)構(gòu)定位裝置外，還需要汽車用戶具有較高的停車技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對傳統(tǒng)的單相單原邊發(fā)射線圈無線充電存在的電動汽車定位精度高、停車技術(shù)難的缺陷，提供一種電動汽車無線充電系統(tǒng)及其充電方法，既保證電動汽車在大范圍內(nèi)的靈活停車，又實現(xiàn)電動汽車高效可靠的充電。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的電動汽車充電包括無線充電系統(tǒng)和充電方法；無線充電系統(tǒng)由原邊供電裝置、副邊充電裝置和數(shù)字控制單元構(gòu)成，原邊供電裝置安裝在地面下，數(shù)字控制單元的輸出端與原邊供電裝置連接，副邊充電裝置安裝在汽車上；
所述的原邊供電裝置包括供電單元、原邊磁能發(fā)射陣列式線圈和原邊磁能發(fā)射陣列式線圈電流檢測單元；供電單元的輸出端與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈連接，原邊磁能發(fā)射陣列式線圈上串聯(lián)連接有線圈電流檢測單元；所述的副邊充電裝置包括副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)、車載充電器、車載電池和副邊諧振補(bǔ)償電路；副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)通過串聯(lián)的副邊諧振補(bǔ)償電路與車載充電器連接，車載充電器的輸出端與車載電池連接；
所述的數(shù)字控制單元的輸入端與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈電流檢測單元的輸出端連接，數(shù)字控制單元的輸出端與分別與DC-DC變換電路和高頻逆變電路連接。所述的供電單元包括輸入交流電源、整流濾波電路、DC-DC變換電路、高頻逆變電路和原邊諧振補(bǔ)償電路；交流電源、整流濾波電路、DC-DC變換電路和高頻逆變電路順序連接，高頻逆變電路的輸出端通過串聯(lián)的原邊諧振補(bǔ)償電路與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈連接。所述的原邊磁能發(fā)射陣列式線圈由3組，共3N個獨立的六邊形平面螺線管線圈在平面內(nèi)呈矩陣陣列分布，構(gòu)成大面積磁能供電區(qū)域；每個六邊形平面螺線管線圈都由單獨的供電單元供電；原邊磁能發(fā)射陣列式線圈中任意三個兩兩毗鄰的線圈由不同組的線圈 (Ax、By、Cz)呈“品”字形分布混合組成；所有3N個平面螺線管線圈的繞線材料、粗細(xì)、電感、螺線管半徑、匝數(shù)等參數(shù)完全相同；所述的3組分別為A組、B組和C組，C組線圈的螺旋方向與A組線圈和B組線圈的螺旋方向相反；每組各有N個線圈，分別為A1-An, B1-Bn, C1-Cn,共有3N個線圈。所述的副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)是一個六邊形平面螺線管線圈，安裝在充電電動汽車底部，跟隨電動汽車在原邊矩陣陣列式線圈上方自由移動。所述的車載充電器是一個寬電壓輸入開關(guān)電源充電器，電壓范圍為85VACT264VAC，保證拾取電壓在規(guī)定范圍內(nèi)波動時，車載電池的正常充電。所述的數(shù)字控制單元采用高性能DSP數(shù)字控制芯片。本系統(tǒng)的充電方法如下
(O開通所有線圈供電電路電動汽車進(jìn)入充電區(qū)域充電，DSP芯片發(fā)出頻率相同(20kHz)、相位分別相差0°、120°、240°三路PWM控制脈沖分別觸發(fā)A組、B組和C組所有原邊線圈供電單元中的高頻逆變電路開通工作，并給所有線圈供電單元中的DC-DC變換器高電平信號，同時給矩陣分布式排列的原邊所有線圈供電；
(2)最接近副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)的三個原邊線圈識別基于副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈中各個線圈位置的不相同，原、副邊線圈位置越近，互感耦合系數(shù)越大，副邊反射阻抗越大，原邊線圈中流過的電流越小，流過原邊磁能發(fā)射陣列式線圈各個線圈的電流不同，通過線圈電流檢測單元，檢測原邊磁能發(fā)射陣列式線圈中所有線圈的電流并送入DSP芯片，經(jīng)過計算比較，保留開通電流最小的三個兩兩毗鄰的原邊線圈Ax、By、Cz供電電路中的DC-DC開通信號，關(guān)閉其他所有線圈供電電路中的DC-DC開通信號；
(3)三線圈恒流控制再次通過線圈電流檢測單元檢測保留的三個線圈Ax、By、Cz中的電流，基于數(shù)字控制單元分別產(chǎn)生三線圈Ax、By、Cz供電電路中的DC-DC變換電路開關(guān)PWM脈沖控制信號和三路逆變電路控制脈沖，保證三線圈中通過幅值相等、相位分別相差0°、120°、240°的同頻交流電，任一時刻只有與副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)最接近的三個兩兩毗鄰的原邊線圈Ax、By、Cz組成的供電小組供電,實現(xiàn)為電動汽車高效靈活充電。有益效果
由于采用了上述方案，電動汽車無線充電系統(tǒng)中陣列式磁路機(jī)構(gòu)中的原邊磁能發(fā)射陣列式線圈是由一系列特定繞制方法和排列的小線圈組成的一個大面積磁能充電區(qū)域，電動汽車可?？吭谠叴竺娣e磁能區(qū)域中任意一點，無需精確定位原邊線圈，通過電流檢測單元，經(jīng)過數(shù)字控制單元，由與副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)最接近的三個原邊線圈組成一個供電小組供電，即可實現(xiàn)在大范圍內(nèi)都能保證高效充電，并且任一時刻只有與副邊線圈最接近的三個原邊線圈供電，其他線圈不通電，避免了因耦合系數(shù)較低的線圈工作在空載模式而帶來的電能損耗，極大的提聞了整體系統(tǒng)的效率。優(yōu)點原邊磁能發(fā)射機(jī)構(gòu)由矩陣線圈組成，大范圍內(nèi)都能保證可靠的能量拾取；通過設(shè)置原邊陣列式3組線圈不同繞向，避免了副邊線圈拾取電壓的零點；每個時刻只有與副邊拾取線圈最接近的三個原邊線圈組成的供電小組供電，避免了其他線圈運(yùn)行在空載模式，提高了整體系統(tǒng)的效率；充電效率高、控制簡單、電動汽車可移動范圍大。


圖I為本發(fā)明電動汽車三相無線充電系統(tǒng)原理圖。
圖2為本發(fā)明電動汽車三相無線充電系統(tǒng)陣列式磁路機(jī)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明原邊三相電流及拾取電壓矢量圖。圖4為本發(fā)明電動汽車三相無線充電系統(tǒng)主電路及控制電路圖。圖中，I、供電單元；2、原邊磁能發(fā)射陣列式線圈；3、副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)；4、車載充電器；5、車載電池；6、線圈電流檢測單元；7、數(shù)字控制單元；8、輸入交流電源；9、整流濾波電路；10、DC-DC變換電路；11、高頻逆變電路；12、原邊諧振補(bǔ)償電路；13、副邊諧振補(bǔ)償電路
具體實施方案實施例I :電動汽車充電包括無線充電系統(tǒng)和充電方法；無線充電系統(tǒng)由原邊供電裝置、副邊充電裝置和數(shù)字控制單元構(gòu)成，原邊供電裝置安裝在地面下，數(shù)字控制單元的輸出端與原邊供電裝置連接，副邊充電裝置安裝在汽車上；
所述的原邊供電裝置包括供電單元I、原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2和原邊磁能發(fā)射陣列式線圈電流檢測單元6 ;供電單元I的輸出端與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2連接，原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2上串聯(lián)連接有原邊磁能發(fā)射陣列式線圈電流檢測單元6 ；
所述的副邊充電裝置包括副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)3、車載充電器4、車載電池5和副邊諧振補(bǔ)償電路13 ;副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)3通過串聯(lián)的副邊諧振補(bǔ)償電路13與車載充電器4連接，車載充電器4的輸出端與車載電池5連接；
所述的數(shù)字控制單元7的輸入端與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈電流檢測單元6的輸出端連接，數(shù)字控制單元7的輸出端與分別與DC-DC變換電路10和高頻逆變電路11連接。數(shù)字控制單元7采用高性能DSP芯片。所述的供電單元I包括輸入交流電源8、整流濾波電路9、DC_DC變換電路10、高頻逆變電路11和原邊諧振補(bǔ)償電路12 ;交流電源8、整流濾波電路9、DC-DC變換電路10和高頻逆變電路11順序連接，高頻逆變電路11的輸出端通過串聯(lián)的原邊諧振補(bǔ)償電路12與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2連接；其中輸入交流電源為220V/50HZ交流電源；DC_DC變換電路10采用BUCK電路；高頻逆變電路11采用單相半橋逆變電路；每個供電單元中的輸入交流電源8大小相等，整流濾波電路9都采用全橋整流電容濾波電路，原邊諧振補(bǔ)償電路12采用串聯(lián)諧振電容補(bǔ)償模式，使得原邊各個諧振電路工作在全諧振模式。所述的原 邊磁能發(fā)射陣列式線圈2由3組，共3N個獨立的六邊形平面螺線管線圈在平面內(nèi)呈矩陣陣列分布，構(gòu)成大面積磁能供電區(qū)域；每個六邊形平面螺線管線圈都由單獨的供電單元供電；原邊磁能發(fā)射陣列式線圈中任意三個兩兩毗鄰的線圈由不同組的線圈(Ax、By、Cz)呈“品”字形分布混合組成；所有3N個平面螺線管線圈的繞線材料、粗細(xì)、電感、螺線管半徑、匝數(shù)等參數(shù)完全相同；所述的3組分別為A組、B組和C組，C組線圈的螺旋方向與A組線圈和B組線圈的螺旋方向相反；每組各有N個線圈，分別為A1-An, B1-Bn, C1-Cn,共有3N個線圈。原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2中的每個線圈上都安裝有串聯(lián)的線圈電流檢測單元6，通過將檢測到的電流送入數(shù)字控制單元7，從而控制各個供電單元I中的DC-DC變換電路10和高頻逆變電路11工作，保證電動汽車總是處在正常高效充電狀態(tài)。所述的副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)3同樣采用六邊形平面螺線管線圈，安裝在電動汽車底部，可跟隨電動汽車在原邊矩陣線圈上方自由移動。原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2嵌入在地面下，副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)3安裝在充電汽車底部，隨電動汽車一起移動。當(dāng)電動汽車需要充電時，將電動汽車停在原邊矩陣陣列式線圈2上方任何一個位置，副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)3與原邊陣列式線圈2位置平行，保持原副邊垂直距離小于5cm。由于電動汽車車載電池隨著充電階段的不同，呈現(xiàn)出不同的負(fù)載特性，從而改變反射阻抗，為保證無線充電系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性，所有原邊線圈和副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)都采用串聯(lián)諧振補(bǔ)償模式。通過原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2和副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)3之間的互感耦合，從而給車載充電器4供電，并對車載電池5充電。車載充電器4是一個寬電壓輸入開關(guān)電源充電器，電壓范圍為85V 264V,保證拾取電壓在規(guī)定范圍內(nèi)波動時，車載電池的正常充電。通過原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2上的電流檢測單元6及數(shù)字控制單元7，任一時刻只有與副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)最接近，也就是耦合系數(shù)最大的原邊矩陣中任意三個兩兩毗鄰的線圈Ax、By、Cz供電，其他線圈都停止供電，避免其他線圈運(yùn)行在空載模式，提高了整體系統(tǒng)的效率。通過原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2與數(shù)字控制單元7，對DC-DC變換電路10進(jìn)行控制，以保證為電動汽車充電的原邊矩陣線圈中的工作中的三個兩兩毗鄰的線圈Ax、By、Cz分別流過幅值相等、相位相差0°、120°、240°的20kHz同頻交流電。充電方法如下
(I)開通所有線圈供電電路電動汽車進(jìn)入充電區(qū)域充電，數(shù)字控制單元7發(fā)出頻率相同(20kHz)、相位分別相差0°、120°、240°三路逆變電路控制脈沖分別觸發(fā)A組、B組和C組所有原邊線圈所用高頻逆變電路11開通工作，并給所有充電線圈供電電路中的DC-DC變換電路10高電平信號，從而同時給原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2中的原邊所有線圈供電。(2)最接近副邊拾取線圈的三個原邊線圈識別基于副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)3與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2中各個線圈位置的不相同，原、副邊線圈位置越近，互感耦合系數(shù)越大，反射阻抗越大，原邊線圈中流過的電流越小，流過原邊磁能發(fā)射陣列式線圈中各個線圈的電流不同，通過線圈電流檢測單元6，檢測原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2中所有線圈的電流并送入DSP芯片，經(jīng)過計算比較，保留電流最小的三個線圈供電電路中的DC-DC變換10電路開通信號，關(guān)閉其他線圈供電電路中的DC-DC變換電路開通信號。(3)三線圈恒流控制再次通過線圈電流檢測單元6檢測保留的三個線圈Ax、By、Cz中的電流，數(shù)字控制單元7分別產(chǎn)生三線圈Ax、By、Cz供電電路中的DC-DC變換電路10開關(guān)PWM脈沖控制信號和高頻逆變電路11控制脈沖，保證三線圈中流過幅值相等，頻率相同、相位分別相差0°、120°、240°的20kHz高頻交流電。基于互感耦合電壓拾取原理，完成電動汽車在原邊磁能發(fā)射陣列式線圈2上方任一位置高效靈活充電。在電動汽車充電模式下，由于Ax、By、Cz三個毗鄰線圈分別流過幅值相等、相位相
差0°、120°、240°的同頻交流電
權(quán)利要求
1.一種電動汽車三相無線充電系統(tǒng)，其特征是無線充電系統(tǒng)由原邊供電裝置、副邊充電裝置和數(shù)字控制單元構(gòu)成，原邊供電裝置安裝在地面下，數(shù)字控制單元的輸出端與原邊供電裝置連接，副邊充電裝置安裝在汽車上； 所述的原邊供電裝置包括供電單元、原邊磁能發(fā)射陣列式線圈和線圈電流檢測單元；供電單元的輸出端與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈連接，原邊磁能發(fā)射陣列式線圈上串聯(lián)連接有線圈電流檢測單元； 所述的副邊充電裝置包括副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)、車載充電器、車載電池和副邊諧振補(bǔ)償電路；副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)通過串聯(lián)的副邊諧振補(bǔ)償電路與車載充電器連接，車載充電器的輸出端與車載電池連接； 所述的數(shù)字控制單元的輸入端與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈電流檢測單元的輸出端連接，數(shù)字控制單元的輸出端與分別與DC-DC變換電路和高頻逆變電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電動汽車三相無線充電系統(tǒng)，其特征在于所述的供電單元包括輸入交流電源、整流濾波電路、DC-DC變換電路、高頻逆變電路和原邊諧振補(bǔ)償電路；交流電源、整流濾波電路、DC-DC變換電路和高頻逆變電路順序連接，高頻逆變電路的輸出端通過串聯(lián)的原邊諧振補(bǔ)償電路與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電動汽車三相無線充電系統(tǒng)，其特征在于所述的原邊磁能發(fā)射陣列式線圈由3組，共3N個獨立的六邊形平面螺線管線圈在平面內(nèi)呈矩陣陣列分布，構(gòu)成大面積磁能供電區(qū)域；每個六邊形平面螺線管線圈都由單獨的供電單元供電；原邊磁能發(fā)射陣列式線圈中任意三個兩兩毗鄰的線圈由不同組的線圈(Ax、By、Cz)呈“品”字形分布混合組成；所有3N個平面螺線管線圈的繞線材料、粗細(xì)、電感、螺線管半徑、匝數(shù)等參數(shù)完全相同；所述的3組分別為A組、B組和C組，C組線圈的螺旋方向與A組線圈和B組線圈的螺旋方向相反；每組各有N個線圈，分別為A1-An, B1-Bn, C1-Cn，共有3N個線圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電動汽車三相無線充電系統(tǒng)，其特征在于所述的副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)是一個六邊形平面螺線管線圈，安裝在充電電動汽車底部，跟隨電動汽車在原邊矩陣陣列式線圈上方自由移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種電動汽車三相無線充電系統(tǒng)，其特征在于所述的車載充電器是一個寬電壓輸入開關(guān)電源充電器，電壓范圍為85VACT264VAC,保證拾取電壓在規(guī)定范圍內(nèi)波動時，車載電池的正常充電。
6.一種電動汽車三相無線充電方法，其特征在于數(shù)字控制單元采用高性能DSP數(shù)字控制芯片，其充電方法如下 (O開通所有線圈供電電路電動汽車進(jìn)入充電區(qū)域充電，DSP芯片發(fā)出頻率相同(20kHz)、相位分別相差0°、120°、240°三路PWM控制脈沖分別觸發(fā)A組、B組和C組所有原邊線圈供電單元中的高頻逆變電路開通工作，并給所有線圈供電單元中的DC-DC變換器高電平信號，同時給矩陣分布式排列的所有原邊線圈供電； (2)最接近副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)的三個原邊線圈識別基于副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)與原邊磁能發(fā)射陣列式線圈中各個線圈位置的不相同，原、副邊線圈位置越近，互感耦合系數(shù)越大，副邊反射阻抗越大，原邊線圈中流過的電流越小，流過原邊磁能發(fā)射陣列式線圈各個線圈的電流不同，通過線圈電流檢測單元，檢測原邊磁能發(fā)射陣列式線圈中所有線圈的電流并送入DSP芯片，經(jīng)過計算比較，保留開通電流最小的三個兩兩毗鄰的原邊線圈Ax、By、Cz供電電路中的DC-DC開通信號，關(guān)閉其他所有線圈供電電路中的DC-DC開通信號； (3)三線圈恒流控制再次通過線圈電流檢測單元檢測保留的三個線圈Ax、By、Cz中的電流，基于數(shù)字控制單元分別產(chǎn)生三線圈Ax、By、Cz供電電路中的DC-DC變換電路開關(guān)PWM脈沖控制信號和三路逆變電路控制脈沖，保證三線圈中通過幅值相等、相位分別相差0°、120°、240°的同頻交流電，任一時刻只有與副邊磁能拾取機(jī)構(gòu)最接近的三個兩兩毗鄰的原邊線圈Ax、By、Cz組成的供電小組供電,實現(xiàn)為電動汽車高效靈活充電。
全文摘要
一種電動汽車三相無線充電系統(tǒng)及其充電方法，屬于無線電能傳輸系統(tǒng)及方法。無線充電系統(tǒng)由原邊供電裝置、副邊充電裝置和數(shù)字控制單元構(gòu)成，原邊供電裝置安裝在地面下，數(shù)字控制單元的輸出端與原邊供電裝置連接，副邊充電裝置安裝在汽車上；原邊供電裝置中的磁能發(fā)射陣列式線圈上串聯(lián)連接有線圈電流檢測單元；線圈電流檢測單元的輸出端與數(shù)字控制單元的輸入端連接。優(yōu)點設(shè)置原邊磁能發(fā)射機(jī)構(gòu)由矩陣陣列式線圈組成，在大范圍內(nèi)保證電動汽車可靠的充電；設(shè)置原邊陣列式線圈繞向，避免了副邊線圈拾取電壓的零點；每個時刻只有與副邊拾取線圈最接近的三個兩兩毗鄰的原邊線圈組成的供電小組供電，避免了其他線圈運(yùn)行在空載模式，提高了整體系統(tǒng)的效率。
文檔編號H02J17/00GK102856964SQ201210381720
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月10日
發(fā)明者夏晨陽, 伍小杰, 賈娜, 劉志遠(yuǎn), 林俊杰, 于月森, 李森, 李國瑞, 左蘭 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)