本發(fā)明涉及無線充電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電動汽車無線充電裝置。

背景技術(shù)：

隨著資源枯竭及環(huán)境污染的加劇，汽車作為主要污染源之一，在給人們生活帶來方便的同時，其對環(huán)境的污染也不容忽視。為了減少汽車對環(huán)境的污染，電動汽車在人們生活中的應(yīng)用越來越廣泛，電動汽車的推廣對解決能源問題和環(huán)境問題具有很大的幫助。采用無線充電的方式對電動汽車的推廣具有重要意義。

目前，電動汽車無線充電裝置的接收端設(shè)置在車輛底部，其發(fā)射端設(shè)置于地面上或埋設(shè)于地面下方，且當發(fā)射端與接收端位置相對時才會為電動汽車進行充電。但是在這種無線充電方式中存在如下問題：一、不同型號電動汽車的底部高度不同，因此造成發(fā)射端與接收端之間的距離不固定；二、當停車位置出現(xiàn)偏差時，導(dǎo)致發(fā)送端與接收端相對位置出現(xiàn)較大誤差，這兩個問題都會嚴重影響無線傳送效率。此外，現(xiàn)有的發(fā)射端設(shè)置有發(fā)射線圈和發(fā)射端放大線圈，接收端對應(yīng)設(shè)置有接收線圈和接收端放大線圈，這種配置有四種線圈的電動汽車無線充電裝置存在體積大，不易集成的問題。

因此，目前急需一種輸出功率大、傳輸效率高、自適應(yīng)能力強、且小型化的電動汽車無線充電裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供一種輸出功率大、傳輸效率高、自適應(yīng)能力強、且小型化的電動汽車無線充電裝置。

本發(fā)明實施例提供了一種電動汽車無線充電裝置，該電動汽車無線充電裝置包括連接在工頻電源的發(fā)射端和與負載相連的接收端；所述發(fā)射端包括功率校正單元、逆變單元、發(fā)射線圈單元、第一通信單元、第一控制單元和驅(qū)動單元；功率校正單元、逆變單元和發(fā)射線圈單元依次順序串聯(lián)連接；功率校正單元的輸入連接工頻電源；第一通信單元和第一控制單元串聯(lián)連接；驅(qū)動單元的反饋信號作為第一控制單元的輸入，同時第一控制單元控制驅(qū)動單元；驅(qū)動單元驅(qū)動逆變單元；所述接收端包括接收線圈單元、開關(guān)陣列單元、同步整流單元、升壓變換單元、第二通信單元和第二控制單元；接收線圈單元、同步整流單元，升壓變換單元依次順序串聯(lián)連接；升壓變換單元的輸出連接負載；第二通信單元和第二控制單元串聯(lián)連接；第二控制單元的輸出控制升壓變換單元和同步整流單元；負載的反饋信號作為第二控制單元的輸入；開關(guān)陣列單元的反饋作為第二控制單元的輸入，同時第二控制單元控制開關(guān)陣列單元；開關(guān)陣列單元包括若干相并聯(lián)的開關(guān)管，并通過所述第二控制單元控制不同開關(guān)管的導(dǎo)通來改變所述接收線圈單元的電感量；所述第一通信單元和第二通信單元通過無線信號進行通信；所述發(fā)射線圈單元包括發(fā)射線圈和與所述發(fā)射線圈相串聯(lián)的第一補償電容，所述發(fā)射線圈埋設(shè)于地下或者放置在地面上；所述接收線圈單元包括接收線圈和與所述接收線圈相串聯(lián)的第二償電容，所述接收線圈固定于電動汽車的底部。

優(yōu)選地，所述發(fā)射線圈和所述接收線圈之間采用磁耦合共振進行無線電力傳輸。

優(yōu)選地，所述開關(guān)陣列單元包括相并聯(lián)的第一關(guān)開管、第二關(guān)開管、以及第三關(guān)開管，所述接收線圈的兩端分別對應(yīng)連接導(dǎo)線和第一開關(guān)管，第二開關(guān)管和第三開關(guān)管分別對應(yīng)連接在所述接收線圈的不同位置。

優(yōu)選地，所述第一通信單元和第二通信單元均采用2.4g無線通信標準。

本發(fā)明實施例通過在接收端設(shè)置開關(guān)陣列單元，該開關(guān)陣列單元包括若干相并聯(lián)的開關(guān)管，第二控制單元通過控制不同開關(guān)管的導(dǎo)通來改變接收線圈單元的電感量。在發(fā)射端與接收端之間的距離改變或者發(fā)送端與接收端相對位置出現(xiàn)較大誤差時，此時磁耦合因數(shù)改變，在保證最大電力傳輸效率時來確定所需要的接收線圈的電感量，并依此動態(tài)調(diào)整開關(guān)陣列單元以使接收線圈達到所確定的電感量，從而提高該電動汽車無線充電裝置的輸出功率和傳輸效率，且具有自適應(yīng)能力強，動態(tài)調(diào)整范圍廣的優(yōu)點。此外，發(fā)射線圈單元和接收線圈單元中均采用一個線圈結(jié)構(gòu)，從而減小該電動汽車無線充電裝置的體積，以便實現(xiàn)小型化、集成化。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例提供的一種電動汽車無線充電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中開關(guān)陣列單元與接收線圈單元的連接示意圖；

圖3是圖1中發(fā)射線圈單元和接收線圈單元磁耦合的電路原理圖；

圖4是本發(fā)明實施例提供的動態(tài)匹配時負載的變化示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例提供的不同負載對應(yīng)的輸出功率曲線圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

參照圖1，本發(fā)明實施例提供的一種電動汽車無線充電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該電動汽車無線充電裝置1包括連接在工頻電源的發(fā)射端10和與負載相連的接收端20。在本發(fā)明實施例中，工頻電源為380v三相工業(yè)電源，負載為電動汽車的電池系統(tǒng)。該電動汽車無線充電裝置1通過發(fā)射端10與接收端20的磁耦合共振原理將三相交流電源的電能轉(zhuǎn)換為電動車電池系統(tǒng)所需的直流電能從而實現(xiàn)為電動汽車進行無線充電的功能。

發(fā)射端10包括功率校正單元11、逆變單元12、發(fā)射線圈單元13、第一通信單元14、第一控制單元15和驅(qū)動單元16；功率校正單元11、逆變單元12和發(fā)射線圈單元13依次順序串聯(lián)連接；功率校正單元11的輸入連接工頻電源；第一通信單元14和第一控制單元15串聯(lián)連接；驅(qū)動單元16的反饋信號作為第一控制單元15的輸入，同時第一控制單元15控制驅(qū)動單元16；驅(qū)動單元16驅(qū)動逆變單元12。

接收端20包括接收線圈單元21、同步整流單元22、升壓變換單元23、第二通信單元24、第二控制單元25、和開關(guān)陣列單元26；接收線圈單元21、同步整流單元22，升壓變換單元23依次順序串聯(lián)連接；升壓變換單元23的輸出連接負載；第二通信單元24和第二控制單元25串聯(lián)連接；第二控制單元25的輸出控制升壓變換單元23和同步整流單元22；負載的反饋信號作為第二控制單元25的輸入；開關(guān)陣列單元26的反饋作為第二控制單元25的輸入，同時第二控制單元25控制開關(guān)陣列單元26；開關(guān)陣列單元26包括若干相并聯(lián)的開關(guān)管，并通過第二控制單元26控制不同開關(guān)管的導(dǎo)通來改變接收線圈單元21的電感量。

第一通信單元14和第二通信單元24通過無線信號進行通信。優(yōu)選地，第一通信單元14和第二通信單元24均采用2.4g無線通信標準。具體地，2.4g無線通信頻段為處于2.405ghz-2.485ghz之間。2.4g無線通信的工作方式是全雙工模式傳輸，具有超強抗干擾性，高數(shù)據(jù)傳輸速率，以使其最大可達10米的傳輸距離。

發(fā)射線圈單元13包括發(fā)射線圈和與發(fā)射線圈相串聯(lián)的第一補償電容，接收線圈單元21包括接收線圈和與接收線圈相串聯(lián)的第二償電容。發(fā)射線圈將逆變單元12輸出的電能轉(zhuǎn)化為磁場能量，并通過磁場耦合原理將磁場能量傳遞至接收線圈，接收線圈將磁場能量轉(zhuǎn)化為電能并經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出給負載。發(fā)射線圈利用第一補償電容有效地將電能轉(zhuǎn)化為磁場能發(fā)射出去，接收線圈利用第二補償電容有效地將接收到的磁場能并轉(zhuǎn)化為電能。同時，發(fā)射線圈和接收線圈均起到了磁場放大作用，且各自的放大倍數(shù)可通過第一補償電容、第二補償電容進行調(diào)整。

發(fā)射線圈埋設(shè)于地下或者放置在地面上，接收線圈固定于電動汽車的底部。在本發(fā)明實施例中，發(fā)射線圈單元13與接收線圈單元21采用磁耦合共振進行無線電力傳輸，發(fā)射端10與接收端20之間沒有電線的連接。舉例說明，當電動汽車停留在預(yù)設(shè)停止位時，發(fā)射線圈和接收線圈相平行放置，且發(fā)射線圈和接收線圈的中心在同一軸線上。發(fā)射線圈和接收線圈均由多股漆包線繞成，需要說明的是發(fā)射線圈和接收線圈的大小、形狀、匝數(shù)、距離、材料可以根據(jù)實際情況不同而調(diào)整。

參照圖2，開關(guān)陣列單元與接收線圈單元的連接示意圖。如圖所示，在本發(fā)明實施例中，開關(guān)陣列單元26包括相并聯(lián)的第一關(guān)開管s1、第二關(guān)開管s2、以及第三關(guān)開管s3，接收線圈的一端和第一開關(guān)管s1相連，其另一端連接導(dǎo)線，第二開關(guān)管s2和第三開關(guān)管s3分別對應(yīng)連接在接收線圈的不同位置。需要說明的是，開關(guān)陣列單元26中的第一開關(guān)管s1、第二開關(guān)管s2以及第三開關(guān)管s3可以是任何具有開關(guān)作用的器件，如三極管等，且開關(guān)管的數(shù)量不作任何限定，用戶可根據(jù)實際需要進行設(shè)定。此外，接收線圈的兩端并局限此種連接結(jié)構(gòu)，如接收線圈的兩端可以分別連接第一開關(guān)管s1和第二開關(guān)管s2的，或者接收線圈的兩端分別連接第二開關(guān)管s2與第三開關(guān)管s3等，此處不作限定。第二控制單元25通過控制不同的開關(guān)管或多個開關(guān)管同時導(dǎo)通從而動態(tài)調(diào)節(jié)接收線圈在電路的電感量。

參照圖3，發(fā)射線圈單元和接收線圈單元磁耦合的電路原理圖。發(fā)射線圈單元13中包括相互串聯(lián)的電壓源vs、電壓源內(nèi)阻rs、第一補償電容ct、發(fā)射線圈電阻rt、以及發(fā)射線圈lt。其中，電壓源vs為逆變單元12的輸出電壓。接收線圈單元21包括接收線圈lr、接收線圈電阻rr、第二補償電容cr、以及負載電阻rl。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，對發(fā)射線圈和接收線圈列kcl方程如下：

vs＝(rs+rt+jωlt+1/jωct)it-jωmir

jωmit＝(rl+rr+jωlr+1/jωcr)ir

其中，vs表示電壓源幅值，it、ir分別表示發(fā)射線圈電流和接收線圈電流，m表示發(fā)射線圈和接收線圈間的互感，rt、rr分別表示發(fā)射線圈和接收線圈的電阻，rs、rl分別表示電壓源內(nèi)阻和負載電阻。

接收線圈單元21反射到發(fā)射線圈單元13的電阻為：

rflect＝(ωm)²/(rl+rr)＝(k²lt/crrr)×(k²lt/crrl)

其中，k＝m/{(lr×lt)^1/2}，k表示耦合系數(shù)；

由上述公式可知，接收線圈電阻rr和負載電阻rl在發(fā)射線圈單元側(cè)等效為兩個電阻的并聯(lián)。

可計算得到該電動汽車無線充電裝置1的最大效率為ηmax，最大效率對應(yīng)的最優(yōu)負載rlopt，

ηmax＝k²qtqr/{1+(1+k²qtqr)^1/2}

rlopt＝rr×{(1+k²qtqr)^1/2}＝(lr/cr)^1/2×{(1+k²qtqr)/qr}

其中，qt＝ωlt/(rt+rs)，qr＝ωlr/rr，qt、qr分別表示發(fā)射線圈和接收線圈的品質(zhì)因數(shù)。

由在保證該電動汽車無線充電裝置1擁有最大效率ηmax時，此時對應(yīng)的最優(yōu)負載為rlopt，且根據(jù)最優(yōu)負載rlopt的計算公式可知：影響最優(yōu)負載rlopt的兩個變化參數(shù)為接收線圈電感l(wèi)r和耦合系數(shù)k。

當發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離改變或者發(fā)送線圈與接收線圈相對位置出現(xiàn)較大誤差時，此時磁耦合因數(shù)k改變，在保證最大電力傳輸效率ηmax時，根據(jù)最優(yōu)負載rlopt來確定所需要的接收線圈電感，并依此動態(tài)調(diào)整開關(guān)陣列單元26以使接收線圈達到所確定的電感量，依此解決因不同型號電動汽車的底部高度不同及停車位置出現(xiàn)偏差造成的無線傳送效率下降的問題，并且藉由動態(tài)調(diào)整開關(guān)陣列單元25以使接收線圈達到所確定的電感量，且其動態(tài)調(diào)整范圍廣，從而使得該電動汽車無線充電裝置1具有較強的自適應(yīng)能力。

參照圖4，本發(fā)明實施例提供的動態(tài)匹配時負載的變化示意圖。如圖所示，圖中橫坐標表示耦合系數(shù)k，縱坐標表示最優(yōu)負載rlopt，圖中分別對應(yīng)10lr、lr、0.1lr時顯示耦合系數(shù)k與最優(yōu)負載rlopt的動態(tài)關(guān)系。從圖中可知，在接收線圈lr不變時，最優(yōu)負載rlopt隨耦合系數(shù)k的增大而增大；在耦合系數(shù)k不變時，最優(yōu)負載rlopt隨接收線圈lr的增大而增大。

參照圖5，本發(fā)明實施例提供的不同負載對應(yīng)的輸出功率曲線圖。如圖所示，圖中橫坐標表示負載rl，縱坐標表示輸出功率pout，且圖中分別對應(yīng)k＝0.01、k＝0.015、k＝0.02、k＝0.04、k＝0.1、k＝0.25、k＝0.5時顯示負載rl與輸出功率pout的動態(tài)變化曲線。從圖中可知，在耦合系數(shù)k不變時，輸出功率pout與負載rl基本呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢，即隨負載rl的增大輸出功率pout呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢，且當負載rl在一定范圍內(nèi)變化時，可以維持較高的輸出功率pout不變，并可通過調(diào)整開關(guān)矩陣單元來進一步增大輸出功率pout的調(diào)節(jié)范圍。

舉例說明，當發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離改變或者發(fā)送線圈與接收線圈相對位置出現(xiàn)較大誤差時，確定此時的耦合系數(shù)k的值，并根據(jù)圖5找到與在該耦合系數(shù)k對應(yīng)的曲線，并確定該曲線的最大輸出功率pout對應(yīng)的最優(yōu)負載rlopt的值。然后參照圖4，找到此時的耦合系數(shù)k及最優(yōu)負載rlopt的值所對應(yīng)的接收線圈電感l(wèi)r，從而確定在最大輸出功率pout時接收線圈對應(yīng)的電感量，并由第二控制單元25根據(jù)所確定的接收線圈電感來調(diào)整開關(guān)陣列中不同開關(guān)管的導(dǎo)通以到達所需的接收線圈電感。通過這種智能調(diào)整接收線圈電感量來適應(yīng)不同車型的電動汽車以及兼容更大的停止偏差，從而提高了該電動汽車無線充電裝置1的自適應(yīng)性和魯棒性。此外，該電動汽車無線充電裝置1的發(fā)射線圈單元13和接收線圈單元21中均采用一個線圈結(jié)構(gòu)，從而減小該電動汽車無線充電裝置1的體積，以便實現(xiàn)小型化、集成化。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護范圍為準。