一種一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)功率及效率調(diào)節(jié)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)功率及效率調(diào)節(jié)方法，采用大尺寸的發(fā)射線圈給多個(gè)小尺寸的接收線圈同時(shí)供電。功率控制方法通過(guò)檢測(cè)源端電流的變化判斷充電汽車數(shù)量的變化，然后調(diào)節(jié)電源的輸出電壓，保證單臺(tái)電動(dòng)汽車的接收功率始終保持不變。效率優(yōu)化方法通過(guò)接收側(cè)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)負(fù)載特性，使得在為不同數(shù)量電動(dòng)汽車供電時(shí)都能獲得最大效率。
【專利說(shuō)明】
_種_對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)功率及效率調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線電能傳輸技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)的具 體控制和優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以電池組作為動(dòng)力源的純電動(dòng)汽車具有低噪聲、零排放的優(yōu)點(diǎn)，是具有廣闊發(fā)展 前景的一種綠色交通工具，但充電難的問(wèn)題仍然是阻礙其發(fā)展的一大泮腳石。與傳統(tǒng)有線 充電方式相比，無(wú)線充電的方式不需要頻繁的操作，可以避免插頭插座機(jī)械摩擦帶來(lái)的漏 電事故，另外也無(wú)需占用大量的土地資源。然而另一方面，由于動(dòng)力電池技術(shù)的限制，電動(dòng) 汽車本身還存在以下問(wèn)題:續(xù)航里程短，充電時(shí)間長(zhǎng)，充電頻繁，電池組笨重等。為此，電動(dòng) 汽車路面供電的技術(shù)被提出，在路面安裝發(fā)射線圈，就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的邊走邊充，極大 地提高了電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。但現(xiàn)有的電動(dòng)汽車用路面無(wú)線供電技術(shù)多集中在"單發(fā)射 線圈單接收線圈""一對(duì)一"）或"多發(fā)射線圈單接收線圈""多對(duì)一"）系統(tǒng)的研究上，關(guān)于 "單發(fā)射線圈多接收線圈""一對(duì)多"）的研究還鮮有涉足。與多發(fā)射線圈系統(tǒng)相比，單發(fā)射 線圈系統(tǒng)的電能變換裝置少，系統(tǒng)的效率高，因此采用"一對(duì)多"路面供電系統(tǒng)更具有實(shí)用 性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)功率及效 率調(diào)節(jié)方法，實(shí)現(xiàn)率和效率的調(diào)節(jié)。
[0004] 技術(shù)方案:一種一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)功率及效率調(diào)節(jié)方法，所述一對(duì)多 電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)包括布置在路面的無(wú)線電能發(fā)射部分，設(shè)置在電動(dòng)汽車上的無(wú)線電 能接收部分，所述無(wú)線電能發(fā)射部分包括發(fā)射線圈、高頻電源、發(fā)射側(cè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，所述 無(wú)線電能接收部分包括接收線圈、負(fù)載以及接收側(cè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò);設(shè)定接入該系統(tǒng)的電動(dòng) 汽車的無(wú)線電能接收部分完全相同；包括如下步驟：
[0005] 步驟1)，通過(guò)檢測(cè)發(fā)射線圈回路的電流變化來(lái)判斷電動(dòng)汽車的接入或退出充電動(dòng) 作，具體為:若當(dāng)前時(shí)刻有N輛電動(dòng)汽車接入同一個(gè)發(fā)射線圈進(jìn)行充電時(shí)，發(fā)射線圈回路的 電流I〇(N)為：
[0007] 其中，UQ為高頻電源電壓，Z〇為無(wú)線電能發(fā)射部分的阻抗，ω為系統(tǒng)的工作頻率，Mo 為任一接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感，Z為任一電動(dòng)汽車的無(wú)線電能接收部分的阻抗；
[0008] 當(dāng)發(fā)生電動(dòng)汽車接入或退出充電后，此時(shí)有Ν'輛電動(dòng)汽車接入發(fā)射線圈進(jìn)行充 電，此時(shí)發(fā)射線圈回路的電流Ι〇(Ν)'為：
[0010]步驟2)，根據(jù)實(shí)際接入系統(tǒng)的電動(dòng)汽車數(shù)量調(diào)節(jié)無(wú)線電能發(fā)射部分中高頻電源的 輸出電壓Uo'為：
[0012]步驟3)，調(diào)節(jié)接收側(cè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)負(fù)載匹配系數(shù)T滿足下式時(shí)，無(wú)線充電效率 為最優(yōu)；
[0014] 其中，k為任一接收線圈與發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)，Qo為發(fā)射線圈的品質(zhì)因數(shù)，Qi 為接收線圈的品質(zhì)因數(shù)，To為電源側(cè)的損耗系數(shù)。
[0015] 有益效果:本發(fā)明的一種一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)功率及效率調(diào)節(jié)方法，通 過(guò)在地面安裝一個(gè)大尺寸的發(fā)射線圈，發(fā)射線圈上方均勻排布多個(gè)小尺寸接收線圈，即小 尺寸接收線圈安裝在電動(dòng)汽車一側(cè)，收發(fā)線圈之間通過(guò)磁場(chǎng)耦合接收到能量，進(jìn)而為負(fù)載 供電。本方法實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定接收功率控制以及傳輸效率的最大化。穩(wěn)定接收功率控制中，首先 通過(guò)檢測(cè)源端電流大小的變化來(lái)判斷接收線圈數(shù)量的變化，接收線圈數(shù)量增加時(shí)源端電流 減小，接收線圈數(shù)量減少時(shí)源端電流增加;然后根據(jù)檢測(cè)到的接收線圈數(shù)量和單個(gè)接收線 圈所需的功率來(lái)調(diào)節(jié)電源輸出電壓，以保證單個(gè)接收線圈的功率穩(wěn)定。傳輸效率最大化控 制中，根據(jù)不同接收線圈數(shù)量確定最優(yōu)的匹配阻抗，使得系統(tǒng)整體效率最高。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1為一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)等效電路圖；
[0018] 圖3為不同負(fù)載數(shù)量下，單個(gè)負(fù)載接收功率與供電電壓的關(guān)系；
[0019] 圖4為不同負(fù)載數(shù)量傳輸效率與負(fù)載大小的關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0021] 一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)，包括布置在路面的無(wú)線電能發(fā)射部分，設(shè)置在電 動(dòng)汽車上的無(wú)線電能接收部分，如圖1所示的黑色區(qū)域?yàn)楣╇娐范?，路面的無(wú)線電能發(fā)射部 分布置在該路段，灰色區(qū)域?yàn)槠胀范?，帶方框小車代表正在充電的電?dòng)汽車，駕駛員根據(jù) 電動(dòng)汽車的實(shí)際電量發(fā)出充電請(qǐng)求，需要指出的是電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)扮演的角色是電 動(dòng)汽車能量的補(bǔ)給方式之一，路面的控制系統(tǒng)需要根據(jù)實(shí)際工況決定是否接受充電請(qǐng)求。
[0022] 如圖2所示，無(wú)線電能發(fā)射部分包括發(fā)射線圈、高頻電源、發(fā)射側(cè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，無(wú) 線電能接收部分包括接收線圈、負(fù)載以及接收側(cè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。設(shè)定接入該系統(tǒng)的電動(dòng)汽 車的無(wú)線電能接收部分完全相同，Rs代表電源內(nèi)阻，RdPRo分別代表收發(fā)線圈內(nèi)阻，Rl代表 接收線圈后端的等效電阻，Rl可以通過(guò)負(fù)載側(cè)的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)節(jié)。U和Lo分別代表收 發(fā)線圈的自感，CjPCo分別代表收發(fā)側(cè)的諧振補(bǔ)償電容。任一接收線圈與發(fā)射線圈之間的互 感1" = 為任一接收線圈與發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)。
[0023] 基于上述系統(tǒng)的功率及效率調(diào)節(jié)方法包括如下步驟：
[0024]步驟1)，通過(guò)檢測(cè)發(fā)射線圈回路的電流變化來(lái)判斷電動(dòng)汽車的接入或退出充電動(dòng) 作，具體為:若當(dāng)前時(shí)刻有N輛電動(dòng)汽車接入同一個(gè)發(fā)射線圈進(jìn)行充電時(shí)，根據(jù)基爾霍夫定 律得到發(fā)射線圈回路的電流Io(N)為：
[0026] 其中，Uo為高頻電源電壓，Zo為無(wú)線電能發(fā)射部分的阻抗，ω為系統(tǒng)的工作頻率，Mo 為任一接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感，Z為任一電動(dòng)汽車的無(wú)線電能接收部分的阻抗;其 *，Z〇=jt〇L()+l/jt〇C()+Rs+R()，Z = jt〇Li+l/jt〇Ci+RL+Ri。
[0027] 當(dāng)發(fā)生電動(dòng)汽車接入或退出充電后，此時(shí)有Ν'輛電動(dòng)汽車接入發(fā)射線圈進(jìn)行充 電，此時(shí)發(fā)射線圈回路的電流Ιο(Ν)'為：
[0029] 若電動(dòng)汽車數(shù)量增大，則發(fā)射回路電流減?。环粗?，發(fā)射回路電流增大;通過(guò)檢測(cè) 上述Io(N)'和Io(N)的變化來(lái)判斷電動(dòng)汽車駛?cè)牖蝰偝龀潆娐访妗?br>[0030] 步驟2)，根據(jù)實(shí)際接入系統(tǒng)的電動(dòng)汽車數(shù)量調(diào)節(jié)無(wú)線電能發(fā)射部分中高頻電源的 輸出電壓Uo'為：
[0032] 通過(guò)上述控制，在充電電動(dòng)汽車數(shù)量發(fā)生改變后發(fā)射側(cè)的電流保持不變，保持負(fù) 載端的接收功率不變。
[0033] 步驟3)，調(diào)節(jié)接收側(cè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實(shí)際充電汽車數(shù)量Ν'，當(dāng)負(fù)載匹配系數(shù)T 滿足下式時(shí)，無(wú)線充電效率為最優(yōu)；
[0035]其中，k為任一接收線圈與發(fā)射線圈之間的耦合系數(shù)，Qo為發(fā)射線圈的品質(zhì)因數(shù)，Qi 為接收線圈的品質(zhì)因數(shù)，To為電源側(cè)的損耗系數(shù)。
[0036]在本發(fā)明的一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)中，當(dāng)實(shí)際接入系統(tǒng)的接收線圈數(shù)量為 Ν'時(shí)，單個(gè)負(fù)載的接收功率Pi為：
[0038]系統(tǒng)的傳輸效率η為：
[0040]定義線圈的品質(zhì)因數(shù)為Q，Q的大小表明了線圈損耗的大小，Q越大線圈的損耗就越 小，反之損耗就越大，發(fā)射線圈和接收線圈的品質(zhì)因數(shù)分別為
。負(fù)載匹配系 數(shù)
_，電源側(cè)的損耗系數(shù)
[0041 ]系統(tǒng)的傳輸效率η進(jìn)一步表示為：
[0043] 將上式對(duì)Τ求導(dǎo)并置零求解可得，當(dāng)：
時(shí)，效率取得極大值。
[0044] 本實(shí)施例中電路模型的參數(shù)為:發(fā)射線圈電感Lo = 74.8μΗ，發(fā)射線圈內(nèi)阻Ro = 0.53 Ω，發(fā)射端補(bǔ)償電容Co = 47nF，接收線圈電感U = 21.4μΗ，接收線圈內(nèi)阻Ri = 0.21 Ω，接收端 補(bǔ)償電容Ci=168nF。
[0045] 固定接收負(fù)載仇為10 Ω，改變接入負(fù)載的數(shù)量，調(diào)節(jié)電源輸出電壓，得到單個(gè)負(fù)載 接收功率與電壓的關(guān)系如圖3所示。接收相同功率50W時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值分別為24V、25.5V 和27.2V，與步驟2所述結(jié)論相一致。
[0046] 改變接入負(fù)載見(jiàn)的大小，在不同負(fù)載個(gè)數(shù)情況下，分別測(cè)得輸入和輸出功率并計(jì) 算得到系統(tǒng)效率與負(fù)載大小的關(guān)系，如圖4所示。負(fù)載個(gè)數(shù)N=l、2、3所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)負(fù)載值分 別為4Ω、5.5Ω、7.1Ω，實(shí)驗(yàn)獲得的效率最優(yōu)點(diǎn)與理論求得的極大值點(diǎn)基本相同。
[0047] 以上的分析結(jié)果表明，本發(fā)明提出的一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)功率及效率調(diào) 節(jié)方法，一方面當(dāng)充電汽車數(shù)量發(fā)生改變時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)電源輸出電壓可以穩(wěn)定單臺(tái)電動(dòng)汽車 的接收功率，另一方面通過(guò)接收側(cè)的阻抗匹配可以顯著提高系統(tǒng)的工作效率。為電動(dòng)汽車 移動(dòng)供電系統(tǒng)的運(yùn)行控制和優(yōu)化提供了一定的參考價(jià)值。
[0048]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種一對(duì)多電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)功率及效率調(diào)節(jié)方法，其特征在于:所述一對(duì)多 電動(dòng)汽車路面供電系統(tǒng)包括布置在路面的無(wú)線電能發(fā)射部分，設(shè)置在電動(dòng)汽車上的無(wú)線電 能接收部分，所述無(wú)線電能發(fā)射部分包括發(fā)射線圈、高頻電源、發(fā)射側(cè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，所述 無(wú)線電能接收部分包括接收線圈、負(fù)載W及接收側(cè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò);設(shè)定接入該系統(tǒng)的電動(dòng) 汽車的無(wú)線電能接收部分完全相同；包括如下步驟： 步驟1)，通過(guò)檢測(cè)發(fā)射線圈回路的電流變化來(lái)判斷電動(dòng)汽車的接入或退出充電動(dòng)作， 具體為:若當(dāng)前時(shí)刻有N輛電動(dòng)汽車接入同一個(gè)發(fā)射線圈進(jìn)行充電時(shí)，發(fā)射線圈回路的電流 I〇(N)為：其中，Uo為高頻電源電壓，Zo為無(wú)線電能發(fā)射部分的阻抗，ω為系統(tǒng)的工作頻率，Mo為任 一接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感，Z為任一電動(dòng)汽車的無(wú)線電能接收部分的阻抗； 當(dāng)發(fā)生電動(dòng)汽車接入或退出充電后，此時(shí)有Ν'輛電動(dòng)汽車接入發(fā)射線圈進(jìn)行充電，此 時(shí)發(fā)射線圈回路的電流Ι〇(Ν)'為：步驟2)，根據(jù)實(shí)際接入系統(tǒng)的電動(dòng)汽車數(shù)量調(diào)節(jié)無(wú)線電能發(fā)射部分中高頻電源的輸出 電壓化'為：步驟3)，調(diào)節(jié)接收側(cè)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)負(fù)載匹配系數(shù)Τ滿足下式時(shí)，無(wú)線充電效率為最 優(yōu)；其中，k為任一接收線圈與發(fā)射線圈之間的禪合系數(shù)，Qo為發(fā)射線圈的品質(zhì)因數(shù)，化為接 收線圈的品質(zhì)因數(shù)，To為電源側(cè)的損耗系數(shù)。
【文檔編號(hào)】B60L11/18GK106080233SQ201610431898
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】譚林林, 郭金鵬, 黃學(xué)良, 劉瀚, 顏長(zhǎng)鑫
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)