一种车载无线供电系统以及车载系统的制作方法

1.本发明涉及车载无线充电技术领域，尤其涉及一种车载无线供电系统以及车载系统。


背景技术：

2.车辆在行驶过程中，通过磁场耦合的方式可以进行动态的无线电能的传输。具体来说，需要在路面埋设发射线圈，车载底部设置接收线圈，电能发射线圈以磁场辐射的形式发射出去，车辆通过接收线圈接收磁场辐射获取电能，如此，就可以实现车辆的无线电能传输。
3.参考图1，无线充电常用的线圈构型有平面圆形、平面长方形、两个长方形串联(即dd型)等结构。这些结构可以分成两类，单个线圈和多线圈。使用单个线圈无线传输电能存在磁力线发散不集中、对外泄露辐射大、两个发射线圈连接处的互感波动大的问题。多线圈虽然辐射较少，但线圈之间内部耦合导致互感降低，难以满足电能传输的功率和效率需要。
4.此外，目前的接收线圈普遍的等于或小于发射线圈的长度，造成接收线圈移动到发射线圈连接处时，互感波动大，接收电压不稳定。
5.另外，就是现有的设计方案中发射线圈多为长线圈，发射线圈沿车辆行驶方向的长度超过了普通车辆长度，导致发射线圈不能被车辆完全覆盖，对外辐射磁场造成严重电磁污染。而现有发射线圈为短线圈的设计方案都是一个逆变电源带动多个发射线圈，这些发射线圈互相并联，限制了线圈的控制只能为恒压控制，一组发射线圈中只要有一个线圈发生短路故障，其它发射线圈都不能正常工作，这种一个电源带多个发射线圈的方案也不利于发射装置的检修和更换。
6.可见，现有技术中的车载无线供电方案，存在辐射高、功率效率低、接收线圈在移动过程中互感不稳定、发射线圈对故障的容忍性差的问题。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述辐射高、功率效率低、线圈在移动过程中互感不稳定、发射线圈对故障的容忍性差的缺陷，提供一种车载无线供电系统以及车载系统。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种车载无线供电系统，包括：
9.设置在车载底盘且与底盘尺寸配套的第一线圈；
10.沿车载的行驶方向均匀排布、从同一电网电源取电且相互独立的多个电能发射单元，每一所述电能发射单元包括供电控制装置和第二线圈，第二线圈沿车载的行驶方向的长度短于第一线圈沿车载的行驶方向的长度且使得任意时刻第一线圈均覆盖多个第二线圈，所述供电控制装置用于从电网电源取电并产生高频电能，以及在检测到车载时通过所述第二线圈发射高频电能、未检测到车载时关闭高频电能；
11.其中，所述第一线圈和第二线圈均由反绕的分离式dd线圈构成，且dd线圈的组内
间距与第一线圈和第二线圈的之间的高度的差值不超过预设误差。
12.优选地，所述第一线圈沿车载的行驶方向的长度是所述第二线圈沿车载的行驶方向的长度的2至20倍，所述多个第二线圈沿车载的行驶方向紧密分布。
13.优选地，所述预设误差不超过第一线圈和第二线圈的之间的高度的10％。
14.优选地，所述供电系统还包括设置在所述车载的充电控制装置，所述充电控制装置用于在车载行驶的过程中通过所述第一线圈同步发送车载数据和接收高频电能；所述供电控制装置用于在通过所述第二线圈接收到车载数据时判定检测到车载，所述车载数据与所述高频电能处于互不干扰的频段。
15.优选地，所述车载数据包括车载身份信息，所述供电控制装置还用于对车载身份信息进行验证，并仅在车载身份信息验证通过时才通过所述第二线圈发射高频电能；
16.所述车载数据对应的频段高于与所述高频电能对应的频段，所述高频电能对应的频段高于正常市电频段。
17.优选地，各个所述供电控制装置还用于分别将电网电源进行滤波整流，以监测到的电网电源的频率、相位为参考，将各自整流得到的直流电统一转换为频率相同、相位相同的电能后通过对应的第二线圈发射出去。
18.优选地，所述车载数据对应的频段高于与所述电能对应的频段，所述电能对应的频段高于正常市电频段。
19.优选地，所述充电控制装置包括：
20.充电主控电路，用于输出携带了车载身份信息的数据信号；
21.信号放大电路，用于将携带了车载身份信息的数据信号进行放大；
22.小信号耦合电路，用于将信号放大电路输出的数据信号耦合到第一线圈输出；
23.高频整流稳压电路，用于将第一线圈接收的高频电能进行整流后得到稳定的直流电；
24.车载蓄能电路，用于利用所述直流电进行充电蓄能；
25.降压电路，用于将直流电降压后输出其他电路工作所需的工作电压；
26.电机驱动电路，用于利用直流电驱动电机。
27.优选地，所述供电控制装置包括：
28.滤波电路，用于将输入的电网电源进行滤波处理；
29.整流稳压电路，用于将滤波处理的电网电源整流得到稳定的直流电；
30.过零检测电路，用于跟踪电网电源过零点，并产生对应的方波信号；
31.锁相环倍频电路，对过零检测电路输出的方波信号进行整数倍频的处理后输出pwm信号；
32.pwm放大驱动电路，用于将所述pwm信号放大处理；
33.高频逆变电路，用于基于放大后的所述产生pwm信号，控制整流稳压电路输出的直流电逆变得到高频电能，并将高频电能耦合到第二线圈输出；
34.直流降压电路，用于将直流电降压后输出其他电路工作所需的工作电压。
35.优选地，所述供电控制装置还包括：
36.高频滤波电路，用于对第二线圈接收的信号进行滤波得到主要包含车载数据所处频段的信号；
37.放大及整形电路，用于将高频滤波电路输出的信号进行放大及整形处理成方波信号；
38.供电主控电路，用于根据放大及整形电路输出的方波信号，识别车载身份信息，对车载身份信息进行验证，并仅在车载身份信息验证通过时才允许所述pwm放大驱动电路输出pwm信号。
39.本发明另一方面还构造了一种车载系统，包括车载和对所述车载进行无线供电的如前任一项所述的车载无线供电系统。
40.本发明的车载无线供电系统以及车载系统，具有以下有益效果：
41.1)本发明通过分离式dd线圈传递电能，dd线圈的组内间距与第一线圈和第二线圈的之间的高度的差值不超过预设误差，如此，既能使得磁力线闭合，又能降低内部磁场耦合，具有较高的收发线圈互感值，而且还具有高功率效率；
42.2)任意时刻，第一线圈均覆盖多个第二线圈，供电控制装置仅在在检测到车载时通过所述第二线圈发射高频电能、未检测到车载时关闭电能，所以，可以保证车载底盘下方的磁场在整个接收长度内始终存在且强度不变，而且不会造成互感波动大、接收电压不稳定的问题，也基本解决了因线圈不能被车辆完全覆盖而导致的对外辐射磁场造成严重电磁污染的问题；
43.3)多个电能发射单元相互独立，各自独立取电、独立产生高频电能，相互之间不受影响，如此可以解决现有短线圈设计方案检修和更换的问题，提高了对故障的容忍性；
44.总的来说，本发明解决了以往线圈结构中泄露辐射大、功率效率低、接收线圈在行驶过程中互感不稳定的问题，以及短线圈的控制、检修更换等问题，从而可以实现低泄露、高功率效率、互感高稳定、对线路上的线圈故障容忍度高的无线电能传输。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
46.图1是无线充电常用的线圈的结构示意图；
47.图2是本发明车载无线供电系统的结构示意图；
48.图3是大型车载情况下第一线圈和第二线圈的长度关系示意图；
49.图4是小型车载情况下第一线圈和第二线圈的长度关系示意图；
50.图5是本发明中的分离式dd线圈的结构示意图；
51.图6是单线圈、常规dd线圈、分离式dd线圈的磁力线分布对比图；
52.图7是充电控制装置的结构示意图；
53.图8是供电控制装置的结构示意图。
具体实施方式
54.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所
描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
55.需要说明的是，本文所述“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
56.本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本发明的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。
57.参考图2，本发明总的思路是：构造一种车载无线供电系统，其包括设置在车载底盘的第一线圈和沿车载的行驶方向均匀排布、从同一电网电源取电且相互独立的多个电能发射单元，每一所述电能发射单元包括供电控制装置2和第二线圈。
58.其中，所述第一线圈和第二线圈均由反绕的分离式dd线圈构成，且dd线圈的组内间距与第一线圈和第二线圈的之间的高度的差值不超过预设误差；
59.其中，第二线圈沿车载的行驶方向的长度短于第一线圈沿车载的行驶方向的长度且使得任意时刻第一线圈均覆盖多个第二线圈，所述供电控制装置2用于从电网电源取电并产生高频电能，在检测到车载时通过所述第二线圈发射高频电能、未检测到车载时关闭高频电能；
60.基于以上方案，本发明解决了以往线圈结构中泄露辐射大、功率效率低、接收线圈在行驶过程中互感不稳定的问题，以及短线圈的控制、检修更换等问题，从而可以实现低泄露、高功率效率、互感高稳定、对线路上的线圈故障容忍度高的无线电能传输。
61.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本技术技术方案的详细的说明，而不是对本技术技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
62.参考图2，本发明实施例的车载无线供电系统，包括：设置在车载底盘的第一线圈，设置在所述车载的充电控制装置1，以及沿车载的行驶方向均匀排布、从同一电网电源取电且相互独立的多个电能发射单元。其中，每一所述电能发射单元包括供电控制装置2和第二线圈。
63.其中，所述多个第二线圈沿车载的行驶方向紧密分布，即相邻的第二线圈的缝隙非常小，相对于第二线圈在行驶方向的长度来说，基本可忽略不计。
64.其中，第一线圈与底盘尺寸配套，主要是指的第一线圈沿车载的行驶方向的长度略小于底盘的长度尺寸。第一线圈沿车载的行驶方向的长度与第二线圈沿车载的行驶方向的长度满足：任意时刻，第一线圈均覆盖多个第二线圈，此处的多个是指的两个以及两个以上。
65.如图3-4，大型车载对应的第一线圈沿车载的行驶方向的长度是明显大于小型车载的。如图3，对于该大型车载来说，其底盘设置的第一线圈可以同时覆盖7个第二线圈，如图4，对于该小型车载来说，其底盘设置的第一线圈可以同时覆盖2个第二线圈。本发明参考了众多车载底盘的第一线圈的尺寸，设计第二线圈的沿车载的行驶方向的长度，基本使得
目前的所有类型的车载的第一线圈沿车载的行驶方向的长度与所述第二线圈沿车载的行驶方向的长度的比值，是在2至20的范围内。
66.本发明为了减小辐射，一方面，参考图5，所述第一线圈和第二线圈均由反绕的分离式dd线圈构成。dd线圈相当于两个矩形线圈串联。所谓反绕，是指的dd线圈通电后左右两个线圈的电流方向相反，如图5所示，当电流从左侧引线流入线圈时，则左侧线圈的电流是顺时针，而右侧线圈的电流是逆时针。
67.本实施例中，dd线圈的组内间距(记为d)与第一线圈和第二线圈的之间的高度(假设为h)的差值(即|d-h|)不超过预设误差。预设误差不超过第一线圈和第二线圈的之间的高度的10％。经过仿真分析，d和h大致相当是最好的，即预设误差趋于零是最优的。
68.参考图6，顶部左图示意了现有技术中普遍采用单线圈的方案的磁力线分布情况，顶部右图示意了假设将单线圈改为常规dd线圈的方案下的磁力线分布情况，底图示意了本实施例中的分离式dd线圈的磁力线分布情况。
69.显然，左图采用单线圈时，即使是在第一线圈和第二线圈正对时，依然始终会有磁力线在外部，这样就会造成对外电磁辐射。而如果将线圈替换为常规dd线圈，如右图所示，在第一线圈和第二线圈正对时可以避免外部电磁辐射，但是dd线圈之间容易产生内部耦合。而参考底图，本实施例设计分离式dd线圈增加dd线圈的组内间距d，而且并不是随意增加间距d都可以实现本实施例的效果，而是将间距d拓展到与第一线圈和第二线圈的之间的高度相当，这样可以尽量降低组内线圈的耦合，从而保证同时通过第一线圈与第二线圈的磁力线最强，互感最大，电能收发效率和功率得以提高。而组内耦合降低，有利于减小第一、第二线圈自身的发热，降低它们的电阻，这又进一步提高电能收发的效率和功率。
70.其中，所述供电控制装置2用于从电网电源取电并产生高频电能，在检测到车载时通过所述第二线圈发射高频电能、未检测到车载时关闭高频电能，这样，对于第一线圈来说，下方的磁场在整个长度内始终存在且强度不变。
71.为了实现车载检测，有多种手段，比如可以在每一个电能发射单元中设置反射式传感器，一旦反射式传感器检测到有效反射信号，则代表该电能发射单元需要开启电能发送，而一旦检测到的有效反射信号消失，则代表该电能发射单元需要关闭电能发送。
72.本实施例中，采用的是另外一种车载检测方式，在不增加额外的硬件的基础上，实现车载检测。具体的，充电控制装置1在车载行驶的过程中通过所述第一线圈同步发送车载数据和接收高频电能，供电控制装置2在通过所述第二线圈接收到车载数据时，即可判定车载存在，进而通过所述第二线圈发射高频电能，反之，如果供电控制装置2未接收到车载数据，则判定车载不存在，从而关闭高频电能的发送。即，利用既有的第一线圈、第二线圈，来传输车载数据进而识别是否有车载存在，而且，所述车载数据与所述高频电能处于互不干扰的频段，两者的传输互不影响，也不会因为数据的传输而增加太多额外的消耗。
73.进一步优选的，所述车载数据包括车载身份信息，所述供电控制装置2还用于对车载身份信息进行验证，比如说，判断车载身份信息是否有充电权限，如果有充电权限则判断验证通过，并仅在车载身份信息验证通过时才通过所述第二线圈发射高频电能，反之，如果没有充电权限，则意味验证不通过，也就不在开启发射高频电能了。可以理解的是，供电控制装置2中可以在出厂时或者安装后，通过有线、无线等方式预先写入车载身份信息、充电权限等相关数据。
74.进一步的，因为各个电能发射单元是相互独立的，各自是独立从电网取电的，而在后期供电过程中，有可能因为各种硬件、外部环境变化等方面的原因，导致各个电能发射单元提供的高频电能存在频率、相位方面的差异，为了避免出现这种问题，本实施例的各个供电控制装置2是分别将电网电源进行滤波整流，以监测到的电网电源的频率、相位为参考，将各自整流得到的直流电统一转换为频率相同、相位相同的高频电能后通过对应的第二线圈发射出去。因为都是以电网电源的频率、相位为参考转换得到的高频电能，因此在所有电能发射单元之间没有通讯的情况下，也能保持高频电能的工作频率和相位相同。
75.下面结合图7、8，对本实施例的充电控制装置1和供电控制装置2进行具体说明。
76.参考图7，充电控制装置1主要包括充电主控电路101、信号放大电路102、小信号耦合电路103、高频整流稳压电路104、车载蓄能电路107、降压电路105、电机驱动电路106。其中，充电主控电路101、信号放大电路102、小信号耦合电路103依次连接，车载蓄能电路107、降压电路105、电机驱动电路106分别连接高频整流稳压电路104，高频整流稳压电路104和小信号耦合电路103还分别连接第一线圈。
77.充电主控电路101，一般采用主控芯片，其是用于控制车载充电过程，比如在车载行驶过程中输出携带了车载身份信息的数据信号。
78.信号放大电路102，其是用于将携带了车载身份信息的数据信号进行放大处理。
79.小信号耦合电路103，其是用于将信号放大电路102输出的数据信号耦合到第一线圈输出，输出后即可被车载底部的第二线圈接收。
80.高频整流稳压电路104，其是用于将所述第一线圈接收的高频电能进行整流后得到稳定的直流电。
81.车载蓄能电路107，其是用于利用所述直流电进行充电蓄能，比如说，车载蓄能电路107一般包括电池/超级电容以及电池/超级电容充电电路,电池/超级电容充电电路将直流电按照设定的充电参数对电池/超级电容进行充电。
82.电机驱动电路106，其是用于利用直流电驱动电机。
83.降压电路105，其是用于将直流电降压后输出其他电路工作所需的工作电压，比如说给主控芯片供电，再比如信号放大电路102中的各种元器件的供电，等等，总之其主要是保证充电控制装置1内的其他电路工作所需的电压。
84.参考图8，供电控制装置2包括滤波电路201、整流稳压电路202、直流降压电路204、过零检测电路205、锁相环倍频电路206、pwm放大驱动电路207、高频逆变电路203、高频滤波电路210、放大及整形电路209、供电主控电路208。其中，滤波电路201、整流稳压电路202、高频逆变电路203依次连接，过零检测电路205、锁相环倍频电路206、pwm放大驱动电路207依次连接，高频滤波电路210、放大及整形电路209、供电主控电路208依次连接，滤波电路201还连接电网电源，直流降压电路204连接整流稳压电路202，过零检测电路205还连接滤波电路，供电主控电路208还连接pwm放大驱动电路207。
85.滤波电路201，其是用于将输入的电网电源进行滤波处理，使之成为稳定干净的交流电源；
86.整流稳压电路202，其是用于将滤波处理的电网电源整流得到稳定的直流电；
87.过零检测电路205，其是用于跟踪电网电源过零点，并产生对应的方波信号，具体的，防波信号的每一个高低电平切换时刻对应电网电源的过零点。
88.锁相环倍频电路206，其是用于对过零检测电路205输出的方波信号进行整数倍频(比如预先将锁相环倍频电路206设定为输出信号的频率是输入信号的频率的预设数倍)的处理后输出pwm信号。
89.pwm放大驱动电路207，其是用于将所述pwm信号放大处理；
90.高频滤波电路210，用于对第二线圈接收的信号进行滤波得到主要包含车载数据所处频段的信号；
91.放大及整形电路209，其是用于将高频滤波电路210输出的信号进行放大及整形处理成方波信号；
92.供电主控电路208，一般采用主控芯片，其是用于根据所述方波信号，识别车载身份信息，对车载身份信息进行验证，并仅在车载身份信息验证通过时才允许所述pwm放大驱动电路207输出pwm信号。
93.高频逆变电路203，用于基于放大后的所述产生pwm信号，控制整流稳压电路202输出的直流电逆变得到高频电能，并将高频电能耦合到第二线圈输出。
94.直流降压电路204，其是用于将直流电降压后输出其他电路工作所需的工作电压，比如说给主控芯片供电，再比如放大及整形电路209中的各种元器件的供电，等等，总之其主要是保证供电控制装置2内的其他电路工作所需的电压。
95.可以理解的是，车载行驶过程中，携带了车载身份信息的数据信号是持续通过第一线圈发送的，第一线圈也是持续接收高频电能的，同理，第二线圈也是持续监测数据信号的，在开启供电时也是持续发射高频电能的。由于高频电能和数据信号频段不同，所以不会相互影响。一般，所述车载数据对应的频段高于与所述高频电能对应的频段，所述高频电能对应的频段高于正常市电频段，本实施例中，车载数据对应的频段、高频电能对应的频段、正常市电处于不同的量级，市电一般是50hz，高频电能是khz级别的电磁能，而车载数据设定为mhz级别的电磁能，比如高频电能的频率20-80khz间，车载数据的频率是1-5mhz间。
96.基于同一发明构思，本发明还要求保护一种车载系统，包括车载和对所述车载进行无线供电的如前实施例所述的车载无线供电系统。
97.综上所述，本发明的车载无线供电系统以及车载系统，具有以下有益效果：
98.1)本发明通过分离式dd线圈传递电能，dd线圈的组内间距与第一线圈和第二线圈的之间的高度的差值不超过预设误差，如此，既能使得磁力线闭合，又能降低内部磁场耦合，具有较高的收发线圈互感值，而且还具有高功率效率；
99.2)任意时刻，第一线圈均覆盖多个第二线圈，供电控制装置仅在在检测到车载时通过所述第二线圈发射高频电能、未检测到车载时关闭电能，所以，可以保证车载底盘下方的磁场在整个接收长度内始终存在且强度不变，而且不会造成互感波动大、接收电压不稳定的问题，也基本解决了因线圈不能被车辆完全覆盖而导致的对外辐射磁场造成严重电磁污染的问题；
100.3)多个电能发射单元相互独立，各自独立取电、独立产生高频电能，相互之间不受影响，如此可以解决现有短线圈设计方案检修和更换的问题，提高了对故障的容忍性；
101.总的来说，本发明解决了以往线圈结构中泄露辐射大、功率效率低、接收线圈在行驶过程中互感不稳定的问题，以及短线圈的控制、检修更换等问题，从而可以实现低泄露、高功率效率、互感高稳定、对线路上的线圈故障容忍度高的无线电能传输。
102.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。