CN102025184A

CN102025184A - 电动汽车复合多功能电源的无线感应充电系统

Info

Publication number: CN102025184A
Application number: CN2010106075677A
Authority: CN
Inventors: 金建勋
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: Chengdu An Investment Co Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: CN102025184B

Abstract

电动汽车复合多功能电源的无线感应充电系统。本发明公开了一种核心技术方案，通过感应方式进行能力传输，并有效储能和调控，解决了电动汽车充电缓慢的技术难题，实现了电动汽车在行进中无线连接的充电。同时，将不同储能技术和不同的能量储存形式，进行优化组合，再利用合理的控制方案和控制机构一起，共同构成一个不同储能功能和不同能源提供形式与动力调控复合的完整能量转换和控制系统，即形成一种具有快速充放电特性的和可随时获得能量补充的大容量智能复合电池，进而可使电动汽车及其它运载工具具有优良的动力性能和长时间、长距离运行能力。

Description

电动汽车复合多功能电源的无线感应充电系统

技术领域

本发明为储能器的无线感应充电技术，一种尤其适用于复合电源电动汽车及运载工具的能量提供、补充、储存和控制的技术和装置。

背景技术

由于石油能源物质储量有限，随工业、经济和消费规模的迅速膨胀，目前的石油供应日驱紧张，尤其是传统燃油动力汽车的未来发展将被严重制约。开发利用不同能源形式的新型高效能汽车，势在必行。

电动汽车是传统燃油汽车的一个最有前景的替代方案。电源是电动汽车的重要核心部分，普通的电动汽车常用的车载电源为普通铅酸或鋰蓄电池。这些电池都有一个共同的特点，即需要有充电电源，通过导线连接进行长时间充电方能使用。单纯利用普通蓄电池的传统电动汽车，由于所用的这类电池的充放电特性，汽车的电能利用效率、动力性能和使用方便性，即充电时间和单次充电的行程等，也都受到限制。

一般电池充电接近满容量的充电时间，要在几小时以上。电动汽车实际推广的一个主要的障碍，是电动汽车电池难以实现短时快速有效充电，而给其实际使用带来很大不便。本发明的核心技术方案，通过感应方式进行能力传输，并有效储能和调控，解决了电动汽车充电缓慢的技术难题，实现了电动汽车在行进中无线连接的充电。同时，将不同储能技术和不同的能量储存形式，进行优化组合，再利用合理的控制方案和控制机构一起，共同构成一个不同储能功能和不同能源提供形式与动力调控复合的完整能量转换和控制系统，即形成一种具有快速充放电特性的和可随时获得能量补充的大容量智能复合电池，进而可使电动汽车及其它运载工具具有优良的动力性能和长时间、长距离运行能力。

发明内容

针对电动汽车充电缓慢而不便使用的技术难题，并发明利用强电磁感应技术，实现了一种无接触式的无线感应充电方法，解决了电动汽车不便充电的难题，为电动汽车的广泛应用解决了一个最关键的技术问题。本发明的充电技术和方法为利用车载感应器与路基感应器的相互感应作用，使电能从路基电源和路基感应器通过车载感应器，迅速传至车载储能器，而使电动汽车迅速获得电能，并可在不停车的情况下，完成充电过程。本发明具体提出了无线感应充电技术方案、电动汽车无线感应充电实施方案、和多源集成电动汽车电源技术。

A 无线感应充电技术方案，是由带有感应器的超导飞轮储能器和/或超导线圈电磁储能器，构成核心系统，如图1、3、4所示。该车载感应器与置于路面下的路基感应器通过互感获得的电能，由超导飞轮储能器和/或超导线圈储能器存储备用。车载感应器与路基感应器的相互感应作用，可利用具有铁芯的松耦合变压器感应式方法，也可以利用空气耦合变压器感应式方法。这里的车载感应器与路基感应器，是由超导线圈制作的，其也可以利用常规线圈制作，但效率会低一些。利用超导技术的感应器，由于超导的高电流密度和高场强特性、和高Q值特性，能明显提高感应的能力传输功率和效率。这里的超导飞轮储能器也可以是利用常规技术的飞轮储能器，但效率会低一些。这里的超导储能器还可以是超导线圈电磁储能器。

飞轮储能器是一种电能和机械动能相互转换的装置。飞轮转动时的动能（E=Iw²/2）与飞轮转子转动角速度的平方成正比。飞轮吸收能量也即充电时，飞轮转子转速可快速提高，以动能的形式吸收和储存能量。相反，飞轮可通过减小转速，快速将动能转化成电能，进行放电释放储存的能量。飞轮储能器的主要特点为：充放电速度非常快（ms），功率密度高和能量密度高。超导电磁储能器能快速吸收和释放电能（E=Li²/2）。由于超导体的高电流密度、高场强、高悬浮力、和零电阻损耗特征，使其制备的储能器具有明显高的功率密度和能量密度，且损耗小、效率高。

B 电动汽车无线感应充电方案的实施，可以是在道路旁建一个辅路，如图2所示，类似高速路旁的传统汽油站，不过只有一段铺设有路基感应器的道路和控制室。当装有车载感应储能系统的车辆经过这段辅路时，车载感应器通过与路基感应器快速的互感作用获得能量，并储存到超导储能器中。于是带有车载感应器的电动汽车的充电，在车辆行驶过程中，通过在道路路面下间隔铺设的路基感应器，实现了无线连接的行进中的能量获取。

C 复合电源型多源集成电动汽车技术，是由不同车载储能器、控制系统、感应系统、发电和电动机构成。复合电源型多源集成电动汽车在具有利用上述技术方案方便获取能量的优越性的同时，有效地具有下述特点和更好的实用特性：

i）单纯利用普通蓄电池的电动汽车，其正常行驶依靠电池的简单放电获取动力。汽车起动\加速\增加负载\爬坡需要提高功率时,要求电池大电流放电,以满足动力要求。普通电池不易设计持续大电流放电，且持续过大电流放电严重影响电池的性能和寿命。由于电池的放电特性，汽车的启动性能也因此受到限制。另一方面,由于普通电池的充放电是通过化学反应过程实现的，通常的充电过程较慢，不仅带来使用上的不便性，也在汽车下坡滑行和刹车减速时产生的能量无法有效地转化成电能储存利用。因此单纯利用普通电池的传统电动汽车的效能较低。

ii）这里的高效电动汽车动力方案 -- 高性能智能复合电池电源，它具有优良的瞬时大电流放电特性，快速充电特性，和实时能量补充功能。从而实现高效能量利用和提高电动汽车的动力特性。即电动汽车启动或加速或爬坡或大负荷时，这种电池大电流放电使汽车能快速提速或增加输出功率；在汽车刹车减速和下坡滑行时，将汽车的动能迅速转化并快速储存到这种电池中；在汽车行驶或停放时，能随时吸收光能并储存到这种电池中进行时时自动补偿。高性能复合电池智能电源的核心，就是为传统电池配以一个能快速充放的大功率大容量的快速充放器，并通过控制器进行整体功率和能量的高效调控。

方案包括的主要核心部分有:飞轮和/或电磁储能快速充放器，蓄电池和电容器构成的常备电源，太阳能光电板和风能发电机和感应器构成的辅助能量系统，控制器和电动机。其结构原理图如附图1所示。

电动汽车工作方式为:采用电池动力系统，利用普通电池进行常规储能和驱动；当需要大功率时，控制器将超导储能快速充放器中的能量迅速释放；当减速或下坡滑行不需能量驱动时，可自动减少和控制电源的能量输出并将汽车动能转化并储存到快速充放器中；汽车表面的太阳能电池可随时为汽车补偿能量。

化学蓄电池有很多种类：普通铅酸电池、鎳铬电池、鎳氢电池、锂电池、钠硫电池、金属空气电池等。超级电容器是一种大容量电容器，由于其容量大，因而可储存较大能量（E=CV²/2），并且电容器的充放电速度较快(s)。超级电容已有较好发展，已被考虑与传统蓄电池复合，构建高效汽车电源系统。尽管超级电容充放电速度较快，但仍不能满足实际快速充电的要求。目前飞轮技术发展日趋成熟，并具有实际应用可能。与超级电容相比，飞轮具有更快的充放电速度，更高的能量密度，更环保。飞轮的优越性可明显提高汽车的动力性能、更快的充电速度、更有效的能量利用与管理、避免了化学物污染非常利于环保。与超级电容相比，飞轮与蓄电池和电动汽车，具有更好的匹配性。

本发明高性能复合智能电源，集合了现有最先将的储能及绿色发电技术，通过合理的控制，使它具有优良的大电流放电特性，快速充电特性，和实时能量补充功能。从而实现能量高效的利用和提高电动汽车的动力特性和行程。即电动汽车启动或加速或爬坡或高负荷时，这种电源的大电流放电使汽车快速提速或增加输出功率；在汽车刹车减速和下坡滑行时，将自动减少和控制电源的能量输出，并将动能迅速转化并快速储存到这种电池中；在汽车行驶或停放时，能随时吸收能量并储存到这种电源中进行时时补偿。

本方案将充放快速的飞轮与电池高效复合，并采用了符合清洁环保机制的电能产生和电能储存方案，在提出的具有很强实施性的控制方案操控下，形成一种高效多功能复合电源，和产生利用这种电源的电动汽车具有高性能、低耗能和便于操作的有益效果。多种储能装置复合，合理的储能装置的配合方法，结合环保方便的时时能量补充方案，配以合理实用的控制方案，和不同的汽车充电和操作方案，集合构成先进高效实用的复合电源和利用这种电源系统的新型电动汽车方案。

本发明的有益效果：

本发明利用强电磁感应技术，实现了一种无接触式的无线感应充电方法，解决了电动汽车不便充电的难题。同时利用不同储能装置的特性，进行优化组合和调控，可实现电动汽车的高效能量利用，和提高电动汽车的动力性能，具有无需停车无线快速充电的方便使用性，或具有时时能量补充功能，及利用系统能量管理技术提高单次充电的行驶距离。

本方案有机地结合飞轮、电磁储能器、超级电容、普通蓄电池、太阳能板、风能发电机的特性，利用特殊和合理的控制方案，为电动汽车的发展提供了一种先进、高效和实用的动力电源方案，使电动汽车具有显著的高动力性、高能效性、和方便性。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为具有复合储能电源电动汽车或其它运载工具无线感应充电原理示意图。

图2为具有复合储能电源电动汽车无线感应充电道路规划原理示意图。

图3为超导无线感应充电及超导电磁储能原理和结构示意图。

图4为超导飞轮储能原理和结构示意图。

图5为利用智能复合电池电源构成多源电动汽车电源系统和控制系统的原理结构示意图。

图6为行驶状态对应的复合电池电源控制方案示意图。

图7为不同充电模式下的复合电池电源控制方案示意图。

其中：1-路基感应器，2-路基感应器的电源母线，3-车载感应器，4-车载感应器的容器，5-车载感应器电能输出及储能控制器，6-复合储能系统，7-复合储能系统母线，8-电池，9-超级电容，10-电磁储能线圈，11-储能飞轮，12-复合储能系统释能及电能输出控制器，13-包含路基感应器的道路路面。14-包含路基感应器道路的冲电辅路，15-包含路基感应器的路段。16-超导车载感应器，17-超导电磁储能线圈，18-包含制冷液或制冷机的低温容器，19-超导电磁储能线圈持续电流储能超导开关，20-超导电磁储能线圈释能超导开关。21-用于磁悬浮的高温超导块材，22-用于磁悬浮转子平衡的高温超导块材，23-真空区，24-转子释能发电高温超导线圈，25-转子驱动高温超导线圈，26-转子定位高温超导线圈，27-用于磁悬浮的永磁体块材，28-用于磁悬浮转子平衡的永磁体块材，29-转子轴，30-转子上用于释能发电的永磁块材，31-用于磁悬浮转子驱动的铁芯，32-用于转子转轴定位稳定的永磁块材。33-电动机，34-控制器，35-飞轮，36-电池，37-超级电容，38-太阳能板，39-风能发电机，40-制动能量转换器，41-电脑测控平台，42-控制线，43-总线。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1。高温超导飞轮储能

利用高温超导YBa₂Cu₃O_7-x导线制备如图1、3、4中的车载感应器和路基感应器的感应线圈（3和1），其置于由玻璃钢制成的液氮低温保温箱（4）中，构成感应器主体，其中车载感应器连接至高温超导飞轮储能器。高温超导飞轮储能器如图3所示，由高温超导YBa₂Cu₃O_7-x磁体（21），对嵌入了NdFeB永磁体（27）的飞轮转子进行悬浮。由另一组高温超导YBa₂Cu₃O_7-x磁体（22），对嵌入了永磁体（28）的飞轮转子进行悬浮与转轴平衡。飞轮转子上还有永磁体和铁芯组件（30、31、32），它们与含有液氮的低温保温箱中对应的高温超导YBa₂Cu₃O_7-x导线线圈定子（24、25、26），构成电动机构（24、30）、发电机构（25、31）和飞轮转子转轴平衡机构（26、32）。飞轮转子外为真空环境（23）。

当载有上述系统的电动车，进入如图2所示的含有路基感应器的充电辅路（14、15），路基感应器接通交流大电流（2），车载感应器通过与路基感应器进行大电流高磁场的空气变压器感应式谐振耦合，并由功率电子控制器（5）将感应获得的能量通过上述飞轮转子电动机构加速飞轮转速储存能量，即完成电动车的无线感应快速充电，并可按需要通过功率电子控制器（12）向负载放电。

实施例2。高温超导电磁储能

利用高温超导Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x导线制备图3中的车载感应器线圈（3），利用高温超导Bi₂Sr₂Ca₁Cu₂O_8-x导线制备路基感应器的感应线圈（1）。路基感应线圈置于由玻璃钢制成的液氢低温保温箱中，其中液氢可构成液氢能源供应系统的组成部分。车载感应线圈置于由玻璃钢制成的低温保温箱中并由制冷机对超导线圈冷却，其连接至高温超导电磁储能器。高温超导电磁储能器如图3所示，由高温超导YBa₂Cu₃O_7-x导线线圈制备超导电磁储能线圈（17），并置于含有液氮的低温保温箱中（18）。

当载有上述系统的电动车，进入如图2所示的含有路基感应器的充电路段时，路基感应器接通直流大电流形成高场，车载感应器切割路基感应器的高磁场而形成感应耦合，并通过功率电子控制器（5）对高温超导电磁储能线圈（17）充电，并由持续电流超导开关（19）形成超导闭合回路实现储能，随后可由释能超导开关（20）与（19）匹配通过（12）向负载放电。

实施例3。多源复合电源的充电

复合超导飞轮储能器（11）和电磁储能器（10），电池（9）和超级电容（8），太阳能光电扳（38）和风能发电机（38）和感应器（3）和制动能量转换器（40），控制器（5、12、41、42、43），共同构成一个电动车多源复合电源。

电动车多源复合电源的充电，利用传统有线充电方法进行夜间长时间常规充电，白天上路后可通过充电辅路（14、15）随时进行行进中的无线感应方式的能量补充。辅路（13）路面下的路基感应器（1），在附近的控制室控制下，通过液氢冷却的超导MgB₂电源母线（2）为其接通所需电源。

实施例4。电动汽车启动或加速或爬坡或承载大负荷时，功率提升方案。

电动汽车启动或加速或爬坡或承载大负荷时，控制器（34）通过功率电子开关控制将快速充放器飞轮（35）和超级电容（37）的能量快速释放，以实现大电流输出。这一过程中，快速充放器中的飞轮减速，飞轮的动能转化成电能释放，或快速充放器中的超级电容器放电，完成电源的大电流释放，电动汽车快速增加功率，获得快速提速或增大动力的效果。电动汽车的控制系统可选用如CAN总线系统，并由包含电脑的操控平台对所有装置进行完全控制，如图5示意。飞轮的能量交换控制方案，可选用如无刷永磁直流电机系统，通过受控功率电子构成的双向DC/DC变换器。蓄电池可采用性能较好的鋰电池。光电太阳能板（38）可选用敷在车体顶部的光电太阳能薄膜。风能发电机（39）可以是具有相应紧凑设计的小型风力发电机。

实施例5。电动汽车刹车减速和下坡滑行时，充电储能方案。

在电动汽车刹车减速和下坡滑行时，控制器（34）通过开关控制，将电动汽车的动能迅速通过快速储能器的飞轮转速提高，而将电动汽车的动能通过能量转换器快速转化并以动能的形式储存到飞轮储能器或超级电容中，所储存的能量，可通过控制器的控制，对汽车进行继续调控，同时可按需要将能量转化并逐渐充入电池4进行能量补充。风能发电机（39）可启动以提供补充电能。风能发电机可优选小型高效悬浮式风电机。风能发电机的引入，特别适合风力资源丰富的区域；也特别适用于例如海上游艇等运载工具。

实施例6。在汽车正常行驶或停放时，绿色能量补偿方案。

在电动汽车正常行驶或停放时，控制器（34）通过开关控制，利用架在车上的太阳能面板和复合在车体上的太阳能装饰面板和车体上的太阳能光电材料涂层，进行光电转换，随时产生电能并储存到飞轮或超级电容中进行随时补偿。风能发电机可根据需要和环境风力的许可，提供补充能量。使单次充电的汽车具有较长行驶距离。

实施例7。行驶状态对应的复合电池电源控制方案。

行驶状态对应的复合电池电源控制方案，可以采用如图6所示意的方法，即利用：

超导储能器 - 包括超导飞轮储能器和/或超导线圈储能器。

常规储能器 - 包括化学电池和/或超级电容，机械发条等。

能量辅助系统 - 包括车载感应器、太阳能光电板、风能发电机、和制动电能转换装置。

对应不同行驶状态的控制模式：

汽车加速：A-飞轮放电，B-超级电容放电，C-蓄电池放电；

汽车减速：a-飞轮充电，b-超级电容充电，c-蓄电池充电；

正常行驶 - 电池提供主要电能；包含有车载感应器、太阳能光电板、风能发电机、和制动电能转换装置的辅助能量系统，持续为常规储能器和超导储能器充电储能。

输出功率提升（加力/爬坡）过程 - 超导储能器放电，即飞轮快速降低转速放电，超导线圈通过超导开关断开超导闭合回路发电；电池和超级电容放可根据需要保持或提升放电水平；辅助能量系统保持能量输出。

输出功率下降（制动/下坡）过程 - 超导储能器充电，如飞轮快速提速充电，超导线圈通过超导开关接通超导闭合回路储存电能；同时电池和超级电容继续接受辅助能量系统和制动电能转换装置的充电。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种电动汽车复合多功能电源的无线感应充电系统，包括：路基感应器（1）、路基感应器的电源母线（2）、车载感应器（3）、车载感应器的容器（4）、车载感应器电能输出及储能控制器（5）、复合储能系统（6）、复合储能系统母线（7）、电池（8）、超级电容（9）、电磁储能线圈（10）、储能飞轮（11）、复合储能系统释能及电能输出控制器（12）、包含路基感应器的道路路面（13），其特征为：高温超导导线制备的车载感应器（3）线圈与路基感应器（1）线圈在包含路基感应器的道路路面（13）形成耦合，将电能由路基电源传输到与车载感应器（3）线圈相连的超导储能器。

2.根据权利要求1所述的储能器无线感应充电系统，其特征在于：所述超导储能器由高温超导块材磁体实现飞轮转子悬浮无摩擦转动，利用高温超导导线制备定子线圈驱动飞轮、发电和进行飞轮转轴的平衡稳定，并与车载感应线圈相连复合；所述超导储能器的具体储能过程是:

a)利用车载感应线圈获得的能量，通过车载感应器电能输出及储能控制器，传输到定子线圈驱动飞轮转子，提高飞轮转子转速，将吸收的电能以飞轮转子的转动动能形式储存；

b)利用飞轮的发电机构和复合储能系统释能及电能输出控制器，在需要时，将飞轮转子的转动动能转变成电能输出；在这一过程中，飞轮转子转速下降，释放动能。

3.根据权利要求1所述的电动汽车复合多功能电源的无线感应充电系统，其特征在于与车载感应器（3）线圈相连的所述超导储能器的具体储能过程是:

a)利用高温超导导线线圈吸收由车载感应线圈获得的能量;

b)利用超导开关构成超导闭合回路进行储能;

c)再利用超导开关组释放储存的电能。

4.根据权利要求1所述的电动汽车复合多功能电源的无线感应充电系统，其特征在于：所述超导储能器是与感应线圈复合形成整体，共同和同时具有能量吸收、储存和释放的功能。

5.根据权利要求1所述的储能器无线感应充电系统，其特征在于：是在正常道路中的路面建立一段有路基感应器的区域，当装有车载感应储能系统的车辆经过这段辅路时，车载感应器通过与路面下路基感应器快速的互感作用获得能量，并储存到超导储能器中。

6.根据权利要求1所述的电动汽车复合多功能电源的无线感应充电系统，其特征在于：其特征是在道路旁建一个设有路基感应器的辅路，当装有车载感应储能系统的车辆经过这段辅路时，车载感应器通过与路面下路基感应器快速的互感作用获得能量，并储存到超导储能器中，实现电动汽车无需停车而在行进中得到能量补充。

7.根据权利要求1所述的电动汽车复合多功能电源的无线感应充电系统，其特征在于：所述超导路基感应线圈是由相连的超导电源母线提供电能，超导路基感应线圈和与其相连的超导电源母线的冷却保温系统，作为液氢能源提供系统的储氢容器的一部分。

8.根据权利要求1所述的电动汽车复合多功能电源的无线感应充电系统，其特征在于：多源电动汽车和复合电池多功能电源，由超导飞轮储能器和超导电磁储能器、电池和超级电容、太阳能光电扳和风能发电机和无线感应器和制动能量转换器、控制器集成复合共同构成一个电动车多源复合电源；且其具有无线感应快速充电特性，时时能量补充特性，瞬时大功率输出特性，和智能能量调配特性。