CN102118069B - 高效率的非接触式充电系统和利用该系统充电的车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供高效率的非接触式充电系统、充电板和借助该非接触式充电系统充电的车辆。非接触式充电系统包括：适于设置在基础设施上的供电线圈；以及适于设置在车辆上的受电线圈阵列。优选地，受电线圈阵列包含以矩阵形式或交错形式设置在基板表面或内部的多个受电线圈，并且多个受电线圈中的至少两个的取向不同。由于车辆上安装了多个具有不同位置的受电线圈，因此即使车辆的行驶路径有变化，也可以保证始终有部分受电线圈与供电线圈是强耦合的。

Description

高效率的非接触式充电系统和利用该系统充电的车辆

本申请对2009年12月31日提交的题为“一种用于车辆的非接触充电方法和基础设施”的中国专利申请200910247792.1要求优先权。

技术领域

本发明涉及新能源技术，特别涉及为混合动力汽车和电动汽车提供非接触充电或感应充电的方法和基础设施，本发明还特别涉及一种高效率的非接触式充电系统和利用该系统充电的车辆。

背景技术

为了大幅减少汽车的二氧化碳排放量，汽车业正在投入大量的人力和物力来研发以电力作为动力源的新型汽车，例如混合动力汽车和电动汽车。在新型汽车中，电池被用来存储电能。考虑到安全性、成本和使用寿命，目前开发的电动汽车的电池能量密度并不高，这限制了其每次充电后的续航距离。显然，充电基础设施的完善是电动汽车获得普及的重要前提。实际上，企业与政府共同完善充电基础设施的行动正在世界各国如火如荼地开展着。

如果充电基础设施能够得到完善，那么对于用户来说，电动汽车每次充电后的续航距离就不再是问题。到时，用户更关注的将是电池的充电时间及充电方式。

“充电”的概念正在改变，原因在于出现了具有较长的使用寿命并可以快速充电的锂离子电池。寿命长且可快速充电的电池的出现也为电子设备的设计带来了新的选择。比如，设计工程师可以选择小容量的电池，通过频繁充电来解决容量不足的问题，只要电池的寿命够长，就无需在设备的使用寿命期内更换电池。

将上述电池与非接触充电技术相结合，就能够开发出可以随时随地进行充电的新设备。此类设备的出现也将促使非接触充电的基础设施得到完善。

但是数量众多的充电站将占据面积不菲的用地，而且在规划时还要充分考虑建造位置对交通流量的影响。

目前，已实用化的非接触充电系统主要采用电磁感应方式，也就是通过一个线圈给另一个线圈供电。但是，电磁感应式非接触充电系统存在的主要问题是当位置发生偏移时，会导致充电效率下降。

发明内容

考虑到上述情况，本发明旨在提供一种用于对车辆进行非接触充电的方法和基础设施，其可以在便捷和安全地对车辆进行充电的同时，避免兴建数量巨大的充电站。

按照本发明的一个方面，提出了一种用于车辆的非接触充电方法，其在基础设施上设置供电线圈，以使所述车辆上设置的受电线圈接收电磁能量而被充电。

在上述方法中，所述基础设施为道路，多个所述供电线圈以一定的间距设置在所述道路上，以确保所述车辆在行驶时能够不间断地被充电。

在上述方法中，所述基础设施为停车场和道路的路口，所述供电线圈被设置于其上。

在上述方法中，在所述基础设施和车辆上设置有通信装置，所述基础设施通过获取所述车辆的身份标识以实现对充电的计费。

在上述方法中，所述基础设施与移动通信系统相连，所述车辆的身份标识为用户的移动终端的身份标识，从而利用所述移动通信系统的计费系统实现对充电的计费。

在上述方法中，所述基础设施与移动通信系统相连，以通过所述移动通信系统提供增值服务。

在上述方法中，所述增值服务包括利用移动通信系统提供对车辆方位的查询。

在上述方法中，所述增值服务包括利用移动通信系统以短信信息方式提示所述用户所需服务设施的位置。

在上述方法中，在所述基础设施和车辆上设置有通信装置以与所述车辆上的电源控制单元进行通信，将电池SOC-荷电状态和SOH电池健康状态参数提供给所述基础设施，实现按需分配式智能充电。

在上述方法中，在所述基础设施和车辆上设置有通信装置，以实现充电厂商对车辆电池的保护及维护，客户电池及使用数据库记录，发展增值业务。

按照本发明的另一个方面，提出了一种用于对车辆进行非接触充电的基础设施，所述基础设施为道路，所述道路上设置多个供电线圈，以使所述车辆上设置的受电线圈接收电磁能量。

在上述基础设施中，所述供电线圈以一定的间距设置，以确保所述车辆在行驶时能够不间断地被充电。

按照本发明的还有一个方面，提出了一种用于车辆的非接触充电基础设施，所述基础设施为车辆停车场，所述车辆停车场包含多个供电线圈，以使所述车辆上设置的受电线圈接收电磁能量。

按照本发明的还有一个方面，提出了一种用于上述非接触充电基础设施的车辆，其包含受电线圈以从所述非接触充电基础设施的供电线圈接受电磁能量。

考虑到上述情况，本发明还旨在提供一种高效率的非接触式充电系统。该非接触式充电系统包括：

适于设置在基础设施上的供电线圈；以及

适于设置在车辆上的受电线圈阵列。

在上述非接触式充电系统中，所述基础设施为道路，多个所述供电线圈以一定的间距设置在所述道路的路基内，以确保所述车辆在行驶时能够不间断地被充电。

在上述非接触式充电系统中，所述受电线圈阵列包含以矩阵形式布置在基板上的多个受电线圈，并且所述多个受电线圈中的至少两个的取向不同。

在上述非接触式充电系统中，所述受电线圈阵列包含以交错方式布置在基板上的多个受电线圈，并且所述多个受电线圈中的至少两个的取向不同。

本发明还旨在提供一种高效率的用于车辆的充电板，包括：

基板；

设置在所述基板表面或内部的受电线圈阵列。

本发明还旨在提供一种高效率地进行非接触式充电的车辆，包括：

储能单元；

充电板，包括：

基板；

设置在所述基板表面或内部并且与所述储能单元电气连接的受电线圈阵列。

与兴建固定充电站的现行方式相比，按照本发明的实施例，供电线圈被设置在已建的基础设施上，因此无需占用额外的用地。另外，供电线圈位于道路之类车辆正常使用时必经的区域，因此提供了一种在车辆行驶过程中连续充电的方式，其便捷程度远超过现有的车辆静止状态下充电的技术。

此外，由于车辆上安装了多个具有不同位置的受电线圈，因此即使车辆的行驶路径有变化，也可以保证始终有部分受电线圈与供电线圈是强耦合的。

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方式的基础设施的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的安装受电线圈的车辆示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的安装受电线圈的车辆示意图；以及

图4是根据本发明的还有一个实施例的基础设施的示意图。

图5a和5b是根据本发明还有一个实施例的非接触式充电装置中的供电线圈的示意图。

图6a和6b是根据本发明还有一个实施例的非接触式充电装置中的受电线圈阵列的示意图。

具体实施方式

下面将根据表示本发明实施方式的附图具体说明本发明。

术语

在本说明书的描述中，基础设施是指为社会生产和居民生活提供公共服务的物质工程设施，例如包括但不限于公路、铁路、机场、通讯、水电煤气等公共设施。基础设施在形态上具有固定性，实物形态上大都是永久性的建筑，供城市生产和居民生活长期使用，一般不经常更新和随意拆除废弃。

在本说明书的描述中，公路或道路指的是一种通常供车辆、人和动物通行的可通行公共道路。

在本说明书的描述中，车辆指的是一种装有可自行驱动的用于陆地运输的交通工具，除非特别说明，车辆和汽车这两个术语在本说明书中可以互换使用。

在本说明书的描述中，非接触充电指的是一种充电装置与待充电装置无需通过物理上的接触就可以实现电能从前者输送到后者的充电方式，例如包括但不限于电磁感应方式和磁场共振方式。

电磁感应充电利用电磁感应原理，通过初级线圈与次级线圈(受电线圈)的耦合进行能量的传递。有关采用非接触式充电方式对车辆进行充电的内容可以参见“电动汽车的电源充电系统”(轻型汽车技术2001(9)总145第4-8页)，该篇论文以全文引用的方式包含在本说明书中。在共振充电方式中，当接收线圈的固有频率与发射线圈的电磁场频率一致时，就会产生共振，此时磁场耦合强度明显增强，电力的传输效率大幅度提高。在本说明书的描述中，初级线圈和发射线圈又称为供电线圈，次级线圈和接收线圈又称为受电线圈。

基础设施

本发明的其中一个要点是，在基础设施处设置供电线圈并且在车辆上设置受电线圈，这样，当车辆经过该基础设施时，由于电磁耦合或共振耦合，电能被传输给车辆的储能装置(例如电池)。

特别是，在一个较佳实施例中，可在路面下方或路基下面设置多个供电线圈，这些供电线圈例如沿着道路的延伸方向或车辆的行进方向排列并且连接到电力基础设施(例如市政电网)，如此，当车辆在道路上行驶时，其上的受电线圈依次与这些供电线圈发生电磁耦合或共振，从而对运动状态下的车辆的电池进行连续充电。虽然每个供电线圈提供的电量有限，但是当在道路的路基下面设置足够数量的供电线圈(例如在大部分道路上都设置这样的供电线圈)时，车辆只要行驶在道路上，其电池实际上就一直在被充电，因此车辆的行驶里程几乎不受电池储能量的限制，其续航能力甚至可以远超以石化燃料作为动力的传统技术车辆。另外，在本实施例中，考虑到车辆在道路路口的停留概率较大，可以在路口的路基下面设置功率更大的供电线圈。

按照本较佳实施例，由于供电线圈被设置在已有的道路上，因此可以避免在路边兴建大量的充电站，这与建设数量众多充电站的现有技术方案相比，大大节省了土地资源。此外，由于可以在行车过程中移动充电，因此提高了充电的便捷性。

除了上面所述的道路以外，本发明的原理同样也可应用于其它的基础设施。例如，在另一个较佳实施例中，可以将供电线圈设置在停车场或道路的停车位上，例如在停车位区域的下方埋设供电线圈，这样，停泊在停车位上的车辆的电池可被充电。图1是根据这样一种实施方式的基础设施的示意图，其中图1中示出了在道路停车位置处设置有供电线圈，见图中右下角的圆状物100。

车辆

按照本发明的较佳实施例，在车辆前下部安装受电线圈。图3是根据本实施例的安装受电线圈的车辆示意图。参见图3，车辆200包括安装在车辆前下部的受电线圈210，其经整流器220连接至电池230。当受电线圈210经过供电线圈100上方或停留在供电线圈100上方时，通过耦合或共振方式，电能由电网(未画出)输送给电池230。

为了提高电能传输效率，可以采用大型线圈。为此，可以如图4所示，在车辆后部安装大功率受电线圈。参见图4，车辆200包括安装在车辆后部的受电线圈210，其经整流器220连接至电池230。当受电线圈210经过供电线圈100上方或停留在供电线圈100上方时，通过耦合或共振方式，电能由电网(未画出)输送给电池230。

由本实施例可见，车辆上的受电线圈的安装可以采用现有的技术，因此在实施时明显降低了研发和制造成本。

充电计费

图4是根据本发明一个实施例的非接触充电方法的示意图。在本实施例的方法中，还提供了对充电电量进行计费的功能。

如图4所示，当车辆200经过或停留在设置于路面下方的供电线圈100时，电能被耦合到车辆上的受电线圈210，而后被传输到电池230。另一方面，在车辆的受电线圈210附近还设置了感应卡或传感器240，用于计量被受电线圈210接收的电量。感应卡240连接至无线通信装置250，将充电信息输出至无线通信装置250。相应地，无线通信250装置经空中接口将充电信息传送至计费服务器300。较佳的是，该无线通信装置为移动电话，计费服务器300为移动通信系统的计费服务器，这样可以利用移动电话中的SIM卡来标识用户的身份，并借助移动通信系统的计费系统来实现对充电的计费。这种方式的优点是，可以利用现有通信基础设施的计费功能，大大节省了投资成本。

增值服务

图4所示的实施例除了实现对充电电量进行计费的功能以外，还可以提供其它的增值服务，以下作进一步的描述。

目前车辆行驶中常采用全球定位系统(GPS)确定位置，这种方式依赖于车辆与卫星之间的通信，一旦通信受阻或卫星发生故障，则将导致定位系统的全局瘫痪，因此非常脆弱。在图4所示的实施例中，当采用移动通信系统实现计费功能时，实际上还可以对车辆进行定位。具体而言，位于车辆上的移动终端将与基站进行通信，由于每个基站都与单元小区或一个特定的地理区域相对应，因此移动通信系统可以实时确定车辆所在的单元小区，并在用户查询车辆位置时告知用户(例如通过短消息)。再者，当用户在行车过程中需要紧急服务时，移动通信系统也可以根据车辆所在位置，向用户提示附近的服务设施(例如通过短消息)。

可选的另一项增值服务涉及车辆本身的维护和管理。例如，车辆电池的使用记录和性能参数(例如充放电次数、电池电量等)可以借助移动通信系统发送给电池制造商，使得电池制造商能够为用户更好的电池维护。还如，汽车制造商可以通过移动通信系统与车辆上的电源控制单元(ECU)通信，将电池SOC-荷电状态和SOH电池健康状态等参数提供给充电基础设施，从而实现真正意义上的按需分配式智能充电。

非接触式充电系统

按照本发明的一个实施例的非接触式充电系统包括供电线圈和受电线圈，前者可以设置在车辆经过的基础设施上(例如道路、栏杆、停车场等)，后者被安装在车辆上，这样，当车辆经过基础设施时，电网的电能通过供电线圈与受电线圈之间的耦合被传递给车辆内的储能单元(例如电池或超级电容器)。

例如如图4所示，在道路下方或路基内设置供电线圈100并在车辆上安装受电线圈210，实现了电网(未画出)对车辆电池230的非接触式充电。

图5a和5b示出了在道路上设置供电线圈的示意图。如图5a和5b所示，一组供电线圈100以一定的间距设置在道路500下方(例如道路的路基501内)，这样，车辆的受电线圈在行驶时即能够不间断地感应到电能，并由此实现对车辆的储能单元的充电。

当供电线圈与充电线圈的轴心对准时，二者的耦合最强。但是由于车辆行驶时无法保证轴心的对准，因此将导致充电效率下降。为了解决该问题，按照本发明的实施例，可以在车辆上安装受电线圈阵列或一组受电线圈，由于它们分布在不同位置，因此即使车辆的行驶路径有变化，也可以保证始终有部分受电线圈与供电线圈是强耦合的。

图6a示出了按照本发明一个实施例的受电线圈阵列的示意图。如图6a所示，该受电线圈阵列600包含多个受电线圈601，这些受电线圈601以矩阵形式布置在基板700上。可选地，受电线圈601也可以埋设在基板700内。另一方面，这些受电线圈601可例如以并联的方式与车辆的储能单元相连，从而将电网的电能充入储能单元。考虑到地面的起伏，还可以使部分受电线圈与其它受电线圈的取向略微不同。

图6b示出了按照本发明另一个实施例的受电线圈阵列的示意图。如图6b所示，该受电线圈阵列600包含多个受电线圈602，这些受电线圈602交错布置在基板700上。同样，受电线圈602也可以埋设在基板700内，并且可以并联的方式与车辆的储能单元相连，从而将电网的电能充入储能单元。此外，也可以使部分受电线圈与其它受电线圈的取向略微不同。

充电板

为了更好地耦合电能，受电线圈阵列一般都安装在车辆的底部，然而储能单元的安装位置无需这样的限制。如图6a和6b所示，在本发明的一个实施例中，将受电线圈集成到基板上以制造成一个充电板，该充电板被安装在车辆的底部，并且通过导线将受电线圈阵列与安装在车辆内其它位置的储能单元相连。

由于可以在不背离本发明基本特征的精神下，以各种形式实施本发明，因此本实施方式是说明性的而不是限制性的，由于本发明的范围由所附权利要求定义，而不是由说明书定义，因此落入权利要求的边界和界限内的所有变化，或这种权利要求边界和界限的等同物因而被权利要求包涵。

Claims (6)

1.一种高效率的非接触式充电系统，包括：

适于设置在基础设施上的供电线圈；以及

适于设置在车辆上的受电线圈阵列，

其中，所述基础设施为道路，多个所述供电线圈以一定的间距设置在所述道路的路基内，以确保所述车辆在行驶时能够不间断地被充电，

其中，进一步包括：

计费服务器；

设置在所述受电线圈阵列附近的感应卡或传感器，用于计量被受电线圈阵列接收的电量；

无线通信装置，其与所述感应卡相连，并且经空中接口将充电信息传送至所述计费服务器，

其中，所述无线通信装置为移动电话，所述计费服务器为移动通信系统的计费服务器。

2.如权利要求1所述的非接触式充电系统，其中，所述受电线圈阵列包含以矩阵形式布置在基板上的多个受电线圈，并且所述多个受电线圈中的至少两个的取向不同。

3.如权利要求1所述的非接触式充电系统，其中，所述受电线圈阵列包含以交错方式布置在基板上的多个受电线圈，并且所述多个受电线圈中的至少两个的取向不同。

4.一种适于与权利要求1所述的非接触式充电系统协同工作的车辆，包括：

储能单元；

充电板，包括：

基板；

设置在所述基板表面或内部并且与所述储能单元电气连接的受电线圈阵列。

5.如权利要求4所述的车辆，其中，所述受电线圈阵列包含以矩阵形式设置在所述基板表面或内部的多个受电线圈，并且所述多个受电线圈中的至少两个的取向不同。

6.如权利要求4所述的车辆，其中，所述受电线圈阵列包含以交错方式布置在所述基板表面或内部的多个受电线圈，并且所述多个受电线圈中的至少两个的取向不同。