車輛道路移動(dòng)充電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該系統(tǒng)涉及到的技術(shù)領(lǐng)域包括:微波無(wú)線電力傳輸技術(shù)，相控陣天線陣列及其信號(hào)處理技術(shù)，移動(dòng)通信技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]電動(dòng)車無(wú)線充電技術(shù)包括三種類型:電磁感應(yīng)式、磁場(chǎng)共振式和無(wú)線電波式。
[0003]電磁感應(yīng)式充電設(shè)備包括初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和整流電路。初級(jí)線圈把輸入的交流電變?yōu)榻蛔兇艌?chǎng)，次級(jí)線圈感應(yīng)磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生電流，再通過(guò)整流設(shè)備把感應(yīng)產(chǎn)生的交流電變換為直流輸出。初級(jí)線圈通常安裝在充電停車位的地面，次級(jí)線圈安裝在電動(dòng)車底盤，充電時(shí)次級(jí)線圈必須正對(duì)初級(jí)線圈。這種充電方式充電效率高、功率大、技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單成熟。其傳輸距離通常在10厘米左右，效率可達(dá)90%。但是缺點(diǎn)也顯而易見，傳輸距離短，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈必須非常接近，而且必須位置對(duì)準(zhǔn)，否則充電效率降低明顯。目前不少公司都推出了電磁感應(yīng)式充電設(shè)備，擺脫了充電粧笨重的電纜，使充電變得更加方便。
[0004]磁場(chǎng)共振式原理與電磁感應(yīng)方式基本相同，電源傳送部分有電流通過(guò)時(shí)，所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)使接收部分產(chǎn)電流。不同之處在于，磁共振方式加裝了一個(gè)高頻驅(qū)動(dòng)電源，采用線圈和電容器組成的LC共振電路，而非由簡(jiǎn)單的初級(jí)和次級(jí)線圈構(gòu)成的傳送和接收單元。共振頻率的數(shù)值，會(huì)隨送電與接收單元之間距離的變化而改變。當(dāng)傳送距離發(fā)生改變時(shí)，傳輸效率也會(huì)像電磁感應(yīng)一樣迅速降低。為此，可通過(guò)控制電路調(diào)整共振頻率，使兩個(gè)單元的電路發(fā)生共振，傳送距離增大至數(shù)米左右，同時(shí)將兩單元電路的電阻降至最小以提高傳送效率和傳送距離，同時(shí)對(duì)初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的位置要求也相對(duì)寬松。由于傳輸效率更高傳輸距離稍長(zhǎng)，除了常見的停車位無(wú)線感應(yīng)充電的應(yīng)用之外，還可通過(guò)把初級(jí)線圈鋪設(shè)在道路下面支持電動(dòng)車行駛過(guò)程中充電。但是這種方式需要對(duì)現(xiàn)有路面進(jìn)行施工，全程鋪設(shè)造價(jià)極高。除此之外高頻電磁波對(duì)周圍的輻射也是非常嚴(yán)重的問(wèn)題。
[0005]微波無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)把直流電能轉(zhuǎn)化為方向性強(qiáng)的微波能量束，通過(guò)自由空間傳輸?shù)浇邮斩耍诮邮斩私?jīng)過(guò)微波整流天線轉(zhuǎn)化為直流電能。直流信號(hào)通過(guò)射頻信號(hào)源產(chǎn)生穩(wěn)定的要求頻率下的微波信號(hào)，然后通過(guò)功率放大器把電能轉(zhuǎn)化為特定頻率的微波能量，最后通過(guò)特殊的天線把微波能量輻射到自由空間形成方向性極強(qiáng)的能量束。微波能量束在自由空間視距范圍內(nèi)傳輸衰減小，能量集中具有較高的傳送效率。在接收端通過(guò)微波整流天線把接收到的微波能量轉(zhuǎn)換為直流輸出提供給負(fù)載。2003年法國(guó)在皮革努萊特島上建造了 1KW的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的微波輸電系統(tǒng)，用2.4GHZ的頻率向IKM外的格朗巴桑村進(jìn)行供電。2015年一家企業(yè)將1KW的電力轉(zhuǎn)換成微波的形式輸送到500米以外的面板狀接收裝置，然后再將接收到的微波還原成電力，最終用電力成功點(diǎn)亮發(fā)光二極管。目前已有的微波無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)都處于實(shí)驗(yàn)和探索階段，轉(zhuǎn)化效率、傳輸功率、設(shè)備尺寸、設(shè)備成本以及安全性都有待進(jìn)一步提高。實(shí)用的微波電力傳輸主要用于遠(yuǎn)距離輸電，在地形復(fù)雜的環(huán)境下用來(lái)代替架設(shè)高壓輸電線路。
[0006]前兩種電動(dòng)車充電方式雖然技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單成熟、轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率大，但是無(wú)法支持電動(dòng)車在駕駛過(guò)程中充電。磁場(chǎng)共振方式中通過(guò)在行車道下面鋪設(shè)充電線圈的方式施工成本高、管理維護(hù)困難、對(duì)周圍的電磁輻射嚴(yán)重，而且對(duì)電動(dòng)車在充電時(shí)的行駛軌跡要求苛刻，不利于移動(dòng)充電系統(tǒng)的推廣。微波方式目前只用于替代高壓輸電線路，設(shè)備尺寸大，還沒(méi)有應(yīng)用于車輛移動(dòng)充電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]該專利利用微波電力傳輸方向性強(qiáng)，傳輸效率高、距離遠(yuǎn)、功率大的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合天線陣列信號(hào)處理以及移動(dòng)通信的技術(shù)原理發(fā)明了車輛道路移動(dòng)充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持多用戶移動(dòng)充電，對(duì)電動(dòng)車的行駛軌跡無(wú)特殊要求，充電無(wú)需尋找停車位而且不需花費(fèi)額外的時(shí)間用于充電。系統(tǒng)的部署類似移動(dòng)通信基站的架設(shè)，成本低部署靈活。通過(guò)微波主瓣方位和功率閉環(huán)控制保證電力傳輸?shù)挠行院桶踩?。同時(shí)該系統(tǒng)方便的支持服務(wù)授權(quán)和計(jì)費(fèi)管理便于商用。如果把該系統(tǒng)沿高速公路部署，車輛可以一邊高速行駛一邊充電，在不升級(jí)電池的情況下有效地拓展電動(dòng)車的運(yùn)行范圍，同時(shí)縮短行程總時(shí)間，消除司機(jī)的里程焦慮，對(duì)電動(dòng)車的普及具有重要推動(dòng)作用。
[0008]如圖1所示，車輛道路移動(dòng)充電的系統(tǒng)包括:安裝于電動(dòng)車上的車載終端100，一系列沿道路部署的充電基站200，一套管理控制系統(tǒng)300，以及車輛道路移動(dòng)充電系統(tǒng)協(xié)議棧400。車載終端100通過(guò)車輛道路移動(dòng)充電系統(tǒng)協(xié)議棧400中的道路移動(dòng)充電系統(tǒng)物理層協(xié)議與充電基站200建立通信鏈路，然后通過(guò)充電基站向管理控制系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)成功后充電基站200給車載終端分配上行參考信號(hào)，車載終端100向充電基站200發(fā)送上行參考信號(hào)，然后充電基站200根據(jù)上行參考信號(hào)計(jì)算車載終端100的方位，最后充電基站按照方位信息向車載終端發(fā)送微波功率束。移動(dòng)充電過(guò)程中車載終端100監(jiān)測(cè)微波功率束的方位和強(qiáng)度并且通過(guò)通信鏈路向充電基站200發(fā)送微波功率束方位和功率調(diào)整命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微波功率束的閉環(huán)控制。
[0009]
[0010]圖2顯示車載終端100的功能模塊包括:車載終端通信天線101，車載終端通信模塊102，車載能量收集天線103，整流模塊104，微波能量分布監(jiān)測(cè)模塊105，電量統(tǒng)計(jì)模塊106和用戶信息存儲(chǔ)模塊107。其中通信天線101和能量收集天線103的幾何中心重合并且兩個(gè)天線陣列平面重合或者距離足夠接近保證上行參考信號(hào)和下行微波能量束方向互逆。通信天線101可采用單一天線也可采用天線陣列控制主瓣方向?qū)?zhǔn)充電基站的接收天線減小多徑信號(hào)，從而提高到達(dá)角DOA估計(jì)的計(jì)算精度。能量收集天線把接收到的微波能量信號(hào)傳送到整流模塊104轉(zhuǎn)化為直流輸出為電動(dòng)車的電池充電，同時(shí)能量收集天線上不同位置的天線單元的微波能量被微波能量分布監(jiān)測(cè)模塊量化，并分析其在不同區(qū)域的分布，根據(jù)能量分布信息按照方位和功率調(diào)整算法111產(chǎn)生位置和功率調(diào)整指令，最后通過(guò)通信模塊102發(fā)送到充電基站200，最終保證微波能量束充電的安全和高效。實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)包含電量統(tǒng)計(jì)模塊106和用戶信息存儲(chǔ)設(shè)備107。
[0011]
[0012]如圖3所示，微波功率束的方位和功率調(diào)整算法111首先需要將能量收集天線103分為兩個(gè)部分，位于中心的能量收集區(qū)域109和環(huán)繞109的能量收集保護(hù)區(qū)域110。能量收集保護(hù)區(qū)域110分為偶數(shù)個(gè)不同方向的子區(qū)域。對(duì)子區(qū)域設(shè)定兩條微波強(qiáng)度門限Tl和T2，Tl大于T2，Tl不大于微波輻射安全門限，當(dāng)任意一對(duì)位置相對(duì)的子區(qū)域中的最大微波強(qiáng)度相差超過(guò)門限T3那么發(fā)送向弱強(qiáng)度區(qū)域方向調(diào)整的指令，當(dāng)任意一對(duì)位置相對(duì)的子區(qū)域中的微波強(qiáng)度相差小于門限T3那么在此相對(duì)的兩個(gè)方向上不發(fā)送任何位置調(diào)整指令，當(dāng)其中一個(gè)或者幾個(gè)子區(qū)域中最大微波強(qiáng)度大于Tl那么發(fā)送功率下降指令，當(dāng)所有子區(qū)域的最大微波強(qiáng)度都小于T2時(shí)發(fā)送功功率上升指令。以圖三為例能量收集區(qū)域109分為四個(gè)區(qū)域水平方向上的保護(hù)區(qū)域4、2和垂直方向上的保護(hù)區(qū)域1、3。保護(hù)區(qū)域4上的微波功率最大值超過(guò)保護(hù)區(qū)域2上的微波功率最大值的差大于T3，由此判斷主瓣方向偏離中心位置應(yīng)當(dāng)向右調(diào)整。而在垂直方向上保護(hù)區(qū)域1、3之間的最大功率差接近零，說(shuō)明主瓣功率在垂直方向上基本處于中心位置無(wú)需調(diào)整。
[0013]
[0014]圖4顯示充電基站200擁有一套通信天線陣列201和通信控制模塊202，能夠通過(guò)特定的幀結(jié)構(gòu)203發(fā)送和接收與車載終端100的通信信息，能夠控制上下行專用信道和上行參考信號(hào)204的分配，能夠通過(guò)天線陣列201接收上行參考信號(hào)20