CN101917071A - 无线取电汽车及公路非接触供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公路交通运输工具中的一种无线取电汽车及公路非接触供电系统，它包括不用电线直接连通来输入电源，只靠装在汽车头底盘下的无接触电磁感应变压器，来间接吸取埋设在公路上的专用供电电缆中的电能，在驱动汽车行驶的同时，还可为车上的蓄电池充电。特别是采用了电—磁—电的无接触供电和取电技术，将10kV/15-40KHz的高频高压电缆线埋设在公路路面上，产生高能垂直电磁波和交变磁场；而装在车下的变压器，只要靠近该电缆150-450mm的垂直距离，就会受到高频电磁波和交变电磁场的综合感应，在其线圈中感生合成电流，将磁能还原成电能，既为汽车提供前进动力又为车上的电池充电，以确保汽车在离开供电公路后，仍有足够的电能行驶较远的路程。此技术彻底解决了现有同类汽车的蓄电池储能有限与充电麻烦的难题，为汽车的节能减排探索出了一条崭新的道路。

Description

无线取电汽车及公路非接触供电系统

(一)技术领域：

本发明属机电一体化和专用公路无线供电系统建设技术领域，尤其是一种无线取电汽车及公路非接触供电系统。该发明可应用于电动汽车制造及专用可供电公路的建设和技术改造，是未来绿色环保汽车及其配套公路建设的技术发展方向。

(二)背景技术：

随着国内外节能减排和绿色环保交通理念的提出，世界各国都不惜投入巨资研发电动汽车。目前该类产品主要有纯电动式和油电混合式，但制约这类汽车发展的技术瓶颈，是大功率蓄电池的制造技术没有取得突破，汽车连续行驶距离小，充电麻烦，电池使用寿命短而价格昂贵的矛盾限制了这类汽车的普及。而一些城市内的公交无轨电车，都是采用有线供电技术；由于近年来无线供用电技术在国内彩色电视机和德国几家公司在无接触供电输送小车生产线上的成功应用，可以说从理论和实践上对本发明汽车是一种巨大的启示。

(三)发明内容：

本发明汽车的主要内容是以电—磁—电可通过非电线连接能相互进行能量转换的原理，和无线供用电技术为支持平台，针对现有电动汽车存在的瓶颈难题进行技术攻关，以根本不用油汽发动机，仅只用电能来驱动汽车实现远距离行驶为目标。其技术实施办法是在城市市内公路交通主线、环城公路，省道国道和来去车道中间设有显著隔离标志的公路来去路面上，分别埋设专用无接触供电电缆线，既不影响以油汽为动力的汽车行走，又能通过电磁感应方式向行驶在该路上的无线取电汽车提供电能；本发明的汽车上既装有大功率可快速充电蓄电池组，作为在普通公路上行驶的动力，又装有无线电磁感应取电系统，一旦进入可供电专用公路，该系统能自动通过无接触电磁感应系统吸取路面电缆中的电能，自动接通后轮左右直流电动机驱动汽车行走，并同时向车载蓄电池快速充电；当汽车下坡时，两台直流电动机则自动转为发电状态，向蓄电池充电。

本发明汽车采用的技术方案是：

1、本发明汽车的驱动电机由两台电压为400V，功率为17-27KW的外转式直流电动机组成，直接套装在后轴和左右轮圈上，还包括无级变速，转向，刹车，灯光，空调和各种自动检测控制系统。在普通公路上行驶时，采用大功率可快速充电的电池组为动力电源；在可供电公路行驶时，则通过汽车头底盘下安装的30-80KW无线电磁感应变压器，来吸取埋设在路面上的两条平行距离为200-400MM，10KV/15-40KHZ的高压高频大功率特制电缆线中的电能，经自动充电电流调节器按汽车实际负荷进行电流分配后，既可驱动汽车以平均100KM的时速前进，还可同时向车载电池组充电，以保证汽车在可供电公路连续行驶100KM或1个小时离开后，仍能继续在普通公路行驶100KM或1个小时以上的路程。另外，车上还装有电动机工作电源自动转换电路，当检测到变压器次级电压低于380V时，转换开关在0.1秒内，自动将工作电源转换到蓄电池上；当测出次级电压高于380V时，转换开关又可在0.1秒内自动将工作电源转换到外取电源上。同时，为了解决本车只能在专用充电站和专用公路进行大电流快速充电的问题，在电磁感应变压器的次级线圈又拉出了220V和380V抽头，使本车停在车库或外出应急情况下，可随便到附近的工民用电源上借用小电流慢速充电。另外，为了充分利用汽车在下坡时的高位势能，两台直流电动机在下坡时将会自动转变为发电状态，向蓄电池充电。

2、与本发明配套的专用公路非接触供电系统包括：110KV及以上的高压供电电源线路，110KV/10KV/5000-10000KVA大功率变压器，15-40KHZ大功率三相变频器，高频高压多股中空特制输电电缆，防碾压防散射双U型槽水泥预制块埋设和安全供电自动保护装置等组成。该系统根据各条专用供电公路的总长和设计通行车辆密度，按平均10-15KM为一台变压器的供电区段；在车辆来去的现有公路路面上分别用机械挖开一条宽约900MM，深约500MM的小沟，用来埋设带双U型槽水泥预制块保护的电缆线。汽车只要沿着这两条电缆线的中间行走，就可通过装在底盘下的电磁感应变压器来吸取路面电缆线中的电能，以驱动汽车行走和向车载电池充电。

3、本发明的供电电源频率选为15-40KHZ超声波频段，是既可使特制供电电缆线产生足够强大的垂直高频电磁波和交变磁场，以满足向150-450MM垂直空间高度的汽车电磁感应变压器线圈传送较大的合成感生电流；同时，还必须避免对无线电通信和其他电气设备产生电磁干扰，更不能对路面行人和其它生物产生电磁幅射危害。

4、因本发明的供电频率较高，考虑到高频电流在传输电缆中会产生集肤效应问题，为了节省电缆线的金属材料重量，即设计将高频电缆线采用外套PVC绝缘管，用约200股相互绝缘的高强绝缘铜线绕成筒状中空线(即电缆线的中心是发泡塑料)；另外，为了保护电缆线不被车轮压坏，以及电缆线电磁散射损失，又在电缆线外增设了一道双U型槽开口向上的外保护水泥预制块，并在两槽内加贴铝泊，中间用绝缘硅胶充填固定。

本发明汽车与现有电动汽车的共同技术特征：

1、本发明汽车与现有纯电动力汽车比较，二者都不用油汽发动机提供动力，只靠电能来驱动汽车行走；在用有线电源一次充足车载蓄电池的电能后，都可连续行走100公里或1个小时以上的路程。

2、两者在总重和时速相同时的电耗大致相近，且行驶噪音很低，无碳排放，无环境污染。

3、对现有已经投入运行的油电小汽车或其它客货汽车，只须在其底盘下加装一套35-120KW的无线电磁感应变压器取电系统，便可在专用供电公路上依靠电能作远程行驶。

本发明汽车与现有电动汽车的区别特征：

1、本发明与现有纯电动力汽车和油电混合动力汽车比较，其根本区别在于本发明的汽车上装了一套无线电磁感应取电装置，在无接触供电专用公路上行驶时，不但不会消耗油气能源和蓄电池的电能，反而还可边行走边对蓄电池充电。使本发明汽车在可连续行驶的距离、间隔充电时间、电池使用寿命，能源消耗，减排环保等关键指标上都大大优于现有的同类产品。

2、因本发明的无线电磁感应取电系统是装在小汽车头部底盘下的正中间，总重约150KG，使小汽车的重心大大降低，重力更加平衡。在专用供电公路上高速行驶时，比现有的各种小汽车更加平稳，更加安全。

3、从制造和使用成本比较：本发明与现有的纯电动汽车制造成本相差不大，但实用价值更高，技术更先进；与其他油汽电或油汽汽车比较，机械结构非常简单，制造成本要低得多，使用和维护成本更低；故障点显著减小，故障率非常低。现以节油型小汽车100KM耗油6升为例，按现行油价折合人民币约30元；而本发明汽车在专用公路行驶100KM后，行走加蓄电池充电的总电耗约60度，即使按民用电0.5元/度加供电系统折旧0.25元/度计价，折合人民币只有45元，但蓄电池充电后还能跑100KM。即电耗成本只有油耗的75％，对环境没有任何污染，节能减排效果显著。

4、本发明汽车在远距离行驶时，要求在公路上建设专用供电系统，虽一次性投资较大，但本发明汽车一旦普及，上可供电公路行驶的车辆达一定数量时，就能很快收回投资，且经济效益和社会效益巨大，节省石油能源的战略意义深远，比建高速铁路更加划算。

(四)附图说明：

图1：本发明汽车总体外形侧视图，两台电动机及蓄电池安装的车尾后视图和前视图。其中装在汽车头部底盘下面中间位置的是无线电磁感应取电变压器及其对应的路面供电电缆线；装在左右后车轮上的是两台外转式强磁直流电动机；装在车尾后备箱中的是蓄电池组。

图2：本发明汽车无线电磁感应变压器从路面供电电缆取电示意图。其中左图是变压器E型铁芯两缺口朝下正对着路面两根电缆线的正视图，右图是变压器下视图，左4和右4是E型冷轧硅钢片铁芯；左1和右1是套装在E型铁芯中柱上的变压器线圈塑料骨架；左2是环绕在骨架内层上的次级线圈；左3是环绕在骨架外层上的初级线圈；左A是同相电缆来回两线之间的埋设距离；左B是装在汽车头底盘下的电磁感应变压器下端面与公路路面的距离；左C、D是电缆线电磁场形成的闭合回路与变压器线圈磁路交连的示意图。

图3：本发明汽车取电、充电和驱动电机及其控制系统的电气原理结构框图。其中接在取电变压器初级线圈两端的C是谐振电容，其容量和耐压根据公路无接触供电电源频率和变压器初级线圈的电感量来选择；K是取电和去磁开关，防止变压器吸附钢铁金属材料。

图4：本发明专用公路高压供电及降压、整流、逆变、升频和输电系统电气原理框图。其中Q1是110KV/100A/50HZ高压三相断路器；Q2是10KV/600A/50HZ高压三相断路器；Q3是10KV/600A/20KHZ高频高压三相断路器；C1-C3是串接在1L1-1L3中的起振电容。

图5：本发明专用供电公路来去车辆路面无接触供电电缆铺设平面示意图。其中T1#是1#变压器及变频供电站；T2#是2#变压器及变频供电站；两站间距按该路设计通行车辆密度确定。

图6：本发明特制输电电缆线和防护双U型槽水泥预制块安装及公路埋设截面示意图。其中1是贴在U槽内的电缆线防电磁漏射铝泊；2是将电缆线固定在U型槽中的防水绝缘硅胶；3是多股高频高压中空输电电缆线截面图；4是电缆线的PVC绝缘外套管截面图；其中，双U型槽水泥块按上宽700MM、下宽800MM、长300MM、高350MM预制。

(五)具体实施方式：

本发明的具体实施方式如附图1，即本发明汽车的外型结构与现有各种小车没有太大区别，关键差别在于本发明汽车不用发动机和机械变速箱；在普通公路行驶时，依靠车载蓄电池向电动机提供动力驱动汽车行走；在专用无接触供电公路行驶时，依靠装在底盘下的电磁感应变压器来吸取路面两条电缆线传导出来的电磁波和交变磁场(如附图2)，在线圈中感生合成电流，并以此为动能来驱动汽车行走的同时，还可向车载蓄电池充电(如附图3)；只要汽车沿着路面两条电缆线的中间行走，就可以不要电源线的连接，而从路面的电缆中以非接触供用电的方式，源源不断地吸取电能；只须连续在专用供电公路上行驶100公里或1个小时，便可再在普通公路上连续行走100公里或1个小时以上。在专用公路供电系统的建设施工时，可按附图4的设计来安装高压高频供电系统，同时还必须在各断路器上安装自动保护装置，以确保供电系统的安全；本实施的供电系统按长30KM的来去双向公路设定，各车距的间隔为200M，平均车速100KM/时，最大可容纳300辆小汽车(按每车平均取电60KW)在该路段来去行驶；此路段共装2台110KV/10KV-10000KVA变压器及50HZ-20KHZ升频供电站，各站按10KM+10KM(交叉)的距离对双向路面电缆线供电。本试验公路路面的供电电缆线安装，可按附图5和附图6的设计来实施，具体方式是在来去路面上，分别用机械将水泥或沥青路面挖开一条深约500宽约900MM的沟槽，用来埋设双U型槽的水泥预制块，每件预制块的接头处用水泥粘接，U型槽的开口向上与路面平齐，铺好后再灌注水泥或沥青与路面固定。预制块埋好后再铺设带PVC绝缘管套的特制电缆线，电缆线与U型槽之间用硅胶充填固定，并在硅胶线上按30M间隔嵌装绿色反光片；在各相电缆线相邻接头处，必须注意该相电缆线的电流方向，其形成的磁场方向要始终垂直向上，且头尾要相互错开500MM，电缆内的每根铜线之间要绝缘，不能短路；在每相电缆回折相邻处，不能用两个90度回转，只能用一个30度和一个150度回折，两相电缆线相互对应错开；按照上述方式装好电缆线，接通高频高压电流，本发明汽车在此专用公路上行驶时，只依靠路面电缆传送的电磁能量就可快速奔跑。

Claims (5)

1.一种新型的能连续作远距离行驶的无线取电汽车及公路非接触供电系统，其特征是：在用车载蓄电池为动力的汽车头底盘下，加装一套无接触电磁感应变压器及自动充电和电动机工作电源自动切换控制系统；当汽车在普通公路上行驶时，可用蓄电池电能驱动，当汽车在专用供电公路上行驶时，则通过电磁感应变压器，来吸取埋设在路面电缆中的电能，既可驱动汽车前进，又能同时向车载蓄电池充电；其中，在无线取电汽车的自动化电控系统中，采用了充电电流自动调节和多级电流充电技术，蓄电池电源与外吸电源的自动切换供电技术，汽车无级调速和下坡时电动机变成发电机向蓄电池自动充电技术；在专用公路非接触供电系统中，采用了大功率高压变频技术，高压高频大电流输电电缆线设计技术，三相电缆线的交叉走向设计与安装技术等构成的全套技术体系，确保了本发明汽车在可供电公路作远程行驶时中途不停车充电，在离开供电公路后仍有足够的电能到达目标。

2.根据权利要求1所述，本发明采用了在汽车头底盘下安装电磁感应变压器，不用电线连接就可通过电磁波和交变电磁场感应技术来吸取埋设在公路电缆中的电能，为汽车行驶和电池组充电提供电源；其中，取电变压器的设计功率为30-120KW，初级线圈设计感应电压为3-7KV，线圈两端并接电容C，与初级线圈构成谐振于10-40KHZ的LC振荡电路；次级线圈两端设计感应电压为500V，中间分别拉出220V和380V抽头，在充电电流自动调节器的统一控制下，既能由专用汽车充电器300-500A大电流快速充电，也能通过在专用公路边行走边按电动机负荷大小自动调节充电电流，更便于汽车在车库或应急时到民用或工业用电源上慢速充电，使本发明汽车的适用范围进一步拓宽。

3.根据权利要求1所述，本发明采用了车载蓄电池电源与外吸电源可自动相互切换转移供电的技术；其中，当检测到外吸电压低于380V或断电时，可在0.1秒内自动将电动机供电接触器切换到蓄电池电源线上；当检测到外吸电压达到380V以上时，在0.1秒内又自动将供电接触器切换到外吸电源稳压电路上；保证了汽车在专用公路行驶时，不会因超车或让车而短暂离开两条专用供电电缆中心线路面后，由于外吸电源中断可能造成汽车急停而引发交通事故。

4.根据权利要求1所述，本发明在配套的公路非接触供电系统中采用了大功率高压变频技术，将10KV/50HZ/500A以上的三相供电电源，经整流逆变后，将频率调升到10-40KHZ，以确保铺设在路面上的两根多股电缆线能够产生足够强的电磁波和交变磁场，能越过150-450MM的垂直空气间距，在取电变压器的初级线圈中合成感生出足够的电能，以满足汽车边行走边充电的需要。

5.根据权利要求1所述，本发明在公路供电电缆铺设时，采用了三相电缆的头尾和两台变压器供电区段两相电缆相邻之处的头尾要相互错开500MM的技术，防止取电汽车在通过不同相供电电缆时产生电压跳变；其中，在电缆的电流方向上，要求始终按右手定则确保每相电缆所产生的电磁波和交变磁场垂直于地面；另外，在多股中空耐高压高频电缆线和双U型槽水泥预制块设计，在U型槽内加贴反射铝泊等技术，构成了本发明的供电技术体系，保证了取电汽车能够通过非电线连接方式间接获取路面电缆中的电能。

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