CN102791513B - 电动车 - Google Patents

Abstract

提供一种电动车(10)，在从路面(104)通过无线耦合而接收电力的电动车(10)中，明确了作为共振器的中继器(66)和受电线圈(81)向车身(16)的最佳配置构成。构成中继器(66)的第一线圈(71)与受电线圈(81)形成第一无线耦合(401)，第二线圈(72)与送电线圈(82)形成第二无线耦合(402)，将第一线圈(71)在车辆地板下面板(18)的上表面侧且受电线圈(81)的下侧以轴心与受电线圈(81)吻合的方式接近配置，将第二线圈(72)配置于车辆地板下面板(18)的下表面侧，从而增大从路面(104)下的送电线圈(82)到电动车(10)的受电线圈(81)的路径的性能指标k·Q。

Description

电动车

技术领域

本发明涉及一种靠由蓄电装置的电力驱动的电动机的驱动力行驶的电动车，尤其涉及一种可进行无线充电(非接触充电)的电动车。 

背景技术

一直以来，在通过经动力传递机构将由蓄电装置的电力驱动的电动机的旋转力矩传递给车轮而行驶的电动车中，由于普及而带来如下等的问题：第一、对所述蓄电装置充电一次后的行驶距离较短，第二、充电设备不充足，第三、充电时间长。 

另外，在电动车中，空调等电装构件也消耗电力，因此例如当遭遇堵车等时，有行驶距离变得极短的顾虑。 

最近，在电动车中，考虑了通过用充电缆线将在车辆上设置的充电口和充电桩或者家庭电源连接起来，从而对所述蓄电装置进行充电的所谓有线充电方法，但是，例如如果每天进行充电作业，则与充电缆线相关的连接器的连接作业及断开作业非常繁杂。 

为了消除该繁杂，希望一种无线充电，换言之，希望非接触充电。 

在日本特开2009-106136号公报中，公开了一种通过共鸣法从车辆外部的电源以非接触方式接受充电电力，从而对车载的蓄电装置进行充电的电动车(电动车辆)。而且，在日本特开2009-106136号公报的[0015]、[0033]等段中，记载着优选将两端打开(开放)的L C共振线圈即次级自共振线圈配置于车身下部。而且，还记载着优选相对于在车身下部与车辆平行配置的次级自共振线圈([0092]、图10)在同轴上配置次级线圈(受电线圈)(图1、[0034])。 

需要说明的是，关于基于共鸣方式的无线耦合(无线送电)及基于电磁感应方式的无线耦合，例如，已被公开在“EE  TIMES Jap  an”2009年10月9日发行，E 2Publishing株式会社(以下，称为非专利文献1。)的第27页～第31页的“第二部中距离送电技术”的项目中。 

在该非专利文献1中公开了：在以ω表示角频率、以L表示电感、以Rohm表示电阻分量(抵抗成分)、以Rrad表示放射电阻分量时，关于线圈的保持能量的指标Q由下述(1)式表示。 

Q＝{ωL/(Rohm+Rrad)}…    (1) 

在非专利文献1中还公开了：在设送电侧线圈的电感为Ls、设受电侧线圈的电感为Lr、设相互电感为M时，线圈间的耦合的强度k由下述(2)式表示。 

$k=M/{(\mathrm{Ls}\·\mathrm{Lr})}^{1/2}=(M/\sqrt{\mathrm{}}\mathrm{Ls}\·\mathrm{Lr})\·\·\·\left(2\right)$

在非专利文献1中还公开了：关于无线耦合的电力传送效率的性能指标(Figure Of Merit)由作为耦合的强度k与指标Q之积的下述(3)式表示。 

$k\·Q=(M/\sqrt{\mathrm{}}\mathrm{Ls}\·\mathrm{Lr})\·\{\mathrm{\ωLs}/(\mathrm{Rohm}+\mathrm{Rrad})\}\·\·\·\left(3\right)$

但是，上述的日本特开2009-106136号公报记载的自共振线圈是两端打开(非连接)的L C共振线圈，根据向车辆上的实际的配置的不同，C分量(电容分量)的变动大，因此电路设计及实际安装设计极其关键(制约变大)。而且，关于在车辆上配置的自共振线圈与次级线圈(受电线圈)的配置，也只不过仅仅记载着优选相对于在车身下部与车辆平行配置的自共振线圈在同轴上配置次级线圈(受电线圈)。 

发明内容

本发明是考虑这样的问题及上述非专利文献1的公开内容而提出的，其目的在于提供一种电动车，其可使用于增大无线充电中的性能指标k·Q的中继器(共振器)与受电线圈的向车辆上的最佳配置构成明确化，即使在电动车与地面间有距离的情况下，也能够以高电力传送效率对蓄电装置进行充电。 

本发明的电动车具有蓄电装置和由该蓄电装置的电力驱动的电动机，所述电动车在该电动机的驱动力的作用下行驶，其特征在于， 

所述电动车具备： 

受电线圈，其在车辆地板下面板的上表面侧配置，并对所述蓄电装置供电；以及 

中继器，其利用电磁感应方式及共鸣方式的至少一方引起的无线耦合，将由设置于地面的送电线圈引起的电力向所述受电线圈送电， 

所述中继器由第一线圈、第二线圈和电容器形成共振电路，所述第一线圈和所述受电线圈形成第一无线耦合，所述第二线圈和所述送电线圈形成第二无线耦合， 

将所述第一线圈接近配置于所述车辆地板下面板的上表面侧且所述受电线圈的下侧，以使所述第一无线耦合的耦合的强度  在此，L 1为第一线圈的电感，L r为受电线圈的电感，M为相互电感}高于所述第二无线耦合的耦合的强度k， 

将所述第二线圈配置在所述车辆地板下面板的下表面侧，并且使所述第二无线耦合的保持能量的指标Q(尤其关于送电线圈的保持能量的指标Q＝ωLs/r，在此，ω为角频率，Ls为送电线圈的电感，r为送电线圈的电阻分量和放射电阻分量的相加值)高于所述第一无线耦合的保持能量的指标Q。 

根据本发明，由于提高在设置于地面的送电线圈与相对于该送电线圈构成第二无线耦合的中继器的第二线圈之间的保持能量的指标Q，并且，使构成中继器的第一线圈和受电线圈接近配置，所以能够增大耦合的强度k。因此，能够增大从地面的送电线圈到电动车的受电线圈的路径的性能指标k·Q。结果是，即使在电动车与地面间有距离的情况下，也可以经中继器以高的电力传送效率对蓄电装置进行充电。 

在该情况下，通过使所述受电线圈和所述第一线圈的轴心吻合来配置，能够进一步增大耦合的强度k。 

需要说明的是，通过将构成所述中继器的所述电容器配置于所述车辆地板下面板的上表面侧，从而可将耐久性比线圈差的电容器配置在车辆之 中，因此电容器的选择变容易。 

根据本发明，在从地面通过磁耦合而接收电力的电动车中，通过适用作为共振器的中继器和受电线圈向车辆上的最佳配置构成，从而能够增大从地面的送电线圈到受电线圈的路径的性能指标k·Q。其结果是，能够实现下述效果：即使在电动车的车辆地板下面板与地面间有距离的情况下，也可以以高的电力传送效率对蓄电装置进行充电。 

附图说明

图1中的图1A、图1B及图1C分别是透视说明该实施方式的电动车的车辆搭载主要构件的配置的侧面说明图、背面说明图及俯视说明图。 

图2是说明图1A、图1B及图1C所示的电动车的车辆搭载主要构件与其配线、配管关系的模式概略框图。 

图3是中继器的实体构成图。 

图4是无线耦合送电·受电系统的电路图。 

图5是表示磁通的交链状态的模式图。 

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的电动车的一实施方式。 

图1A、图1B及图1C分别是透视说明该实施方式的电动车10的车辆搭载主要构件的配置的侧面说明图、背面说明图及俯视说明图。 

图2是说明图1A、图1B及图1C所示的电动车10的车辆搭载主要构件与其配线、配管关系的模式概略框图。 

如图1A、图1B、及图1C所示，电动车10(车辆)具备锂离子二次电池或者电容器等高压的蓄电装置12。薄型且长方体状的蓄电装置12从车身16的未图示的前部座席的下侧附近沿着车身16的地板下面板(车辆地板下面板)18延伸配置到后部行李箱20侧。 

在车身16的前部的前格栅的后方配置有散热器22，在散热器22的后方，沿车宽方向偏置配置有EWP(Electric WaterP ump：电动水泵)24(参照图1C)。当驱动E WP24时，穿过散热器 22及电动机30的配管31(参照图2)中的冷却剂流通，在散热器22进行热交换，冷却电动机30。 

在车身16的前部，在发动机罩下部的室26中配置有由电动机30和齿轮箱32一体构成的电动机动力机构34。 

与电动机30的输出轴(未图示)卡合的齿轮箱32内的齿轮组(未图示)通过驱动轴(未图示)驱动前轮50旋转。前轮50是驱动轮，后轮52是从动轮。 

前轮50的旋转由未图示的转速传感器检测，转速传感器的输出作为车速传感器60(参照图2)的输出、即车速V[km/h]被输入ECU58。ECU58具有CPU、ROM及RAM等，通过执行在ROM存储的各种程序，进行在车辆10上搭载的全部构成构件的控制、例如蓄电装置12的充放电控制等。 

进而，如图1A所示，在电动机动力机构34的上部侧配置有逆变器36及VCU(Voltage Control Unit：电压控制单元)38。 

另外，由在地板下面板18的上面侧且未图示的地板面下或者发动机罩内配置的第一线圈·电容器部61和在地板下面板18的下面侧配置的第二线圈部62构成中继器(共振器)66，该中继器(共振器)66通过无线耦合进行电力的送电·受电，并且被分割于车身16的地板下面板18的上下而配置。 

第二线圈部62和第一线圈·电容器部61通过在车辆地板下面板18上较小地开设的开口部96由两根电线部97连接(参照图1A及图2)。 

在第一线圈·电容器部61的上方，以与该第一线圈·电容器部61相对的方式配置有受电设备40，在受电设备40的上方配置有充电器44。另外，在第一线圈·电容器部61的上方，与受电设备40及充电器44并列配置有降压转换器(down converter)42。 

图3表示中继器66的实体构成图。中继器66如参考图1A及图2说明的那样，由遍及车身16的车辆地板下面板18的下侧的大致整面而配置的薄板长方体状的第二线圈部62以及在车辆地板下面板18的上侧配置的 长方体状的第一线圈·电容器部61构成。 

第二线圈部62具有沿着其长方体的内部4壁面(侧面)多次卷绕热粘电线等的第二线圈72，为了便于第二线圈72自身的固定以及第二线圈部62向地板下面板18的下面侧的固定等，第二线圈部62整体构成为树脂模制的薄型长方体状的结构。 

在该情况下，第二线圈部62的壁面的高度(图1A的Y方向的高度)低，使由第二线圈72形成的空间面即第二闭路面积A2成为大面积，使匝数成为多圈，因此若将第二线圈72作为有限长螺线管进行考虑的话，则可知可使构成中继器66的第二线圈72的电感增大。 

另一方面，第一线圈71虽然与第二线圈72同样形成为薄型长方体状，但是形成为沿着长方体的内部的4壁面多次卷绕热粘电线等的结构，为了便于向地板下面板18的上表面侧固定等，形成为树脂模制的结构。 

如此，在该实施方式的电动车10中，采用的是由第二线圈72形成的、没有电线的中心侧的区域即第二闭路面积A2大于由第一线圈71形成的、没有电线的中心侧的第一闭路面积A1的构成。而且，第一线圈71以轴心与受电设备40的受电线圈81匹配的方式接近且与受电线圈81相对配置(参照图1A、图1C)。 

如图3所示，第一线圈·电容器部61由第一线圈71和2个电容器64的串联电路构成。2个电容器64也可以汇总为1个。 

第一线圈·电容器部61和第二线圈部62如上所述，通过两根电线部97穿过在车辆地板下面板18较小地开设的开口部96内，从而第一及第二线圈71、72及电容器64作为闭电路的共振电路而构成。 

在此，若设串联连接的电容器64、64的合成电容为C，设第一线圈71和第二线圈72的电感的合成值(合成电感)为L，则作为共振器的中继器66具有 的共振频率 $f0(f0=1/2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{}}\mathrm{Lc}).$

图4表示无线耦合送电·受电系统200的电路图。如图4所示，无线耦合送电·受电系统200由在地面104(参照图2)下配置的道路基础部112(车辆载置面基础部)和在电动车10的车身16的下部侧配置的车辆受电部110构成。 

车辆受电部110由上述的中继器66和受电设备40构成。 

道路基础部112由具有上述的共振频率f0、例如f0＝10[MHz]左右的频率的高频电源100及信号特性阻抗103；送电设备80；以及连接它们的特性阻抗Z o的同轴缆线114构成。 

送电设备80由终端电阻器86以及共振器102构成，共振器102由电容器92及送电线圈82构成。共振器102的共振频率也为共振频率f 0。 

另一方面，构成车辆受电部110的中继器66如参照图2及图3说明的那样，作为第一线圈71、第二线圈72及电容器64的共振器(共振频率为f 0)而构成。 

另外，构成车辆受电部110的受电设备40由共振频率f0的共振器101(共振器)、阻尼用的电阻器84、以及用于向充电器44供给直流电压的整流器43构成，共振器101由受电线圈81和电容器91构成。 

在此，送电设备80的送电线圈82和中继器66的第二线圈72在电动车10停止时的送电·受电时，以送电线圈82与第二线圈彼此的闭路面积面相对的方式，优选以轴心吻合的方式在地面104上配置电动车10。需要说明的是，即使在电动车10行驶时，只要将多个道路基础部112连续设置在地面104下，就能够在送电线圈82和第二线圈72相对时进行送电·受电作用。 

另外，中继器66的第一线圈71和受电设备40的受电线圈81构成为轴心吻合且线圈的直径相同，进而两线圈71、81还以闭路面积尽可能地变大的方式构成，且接近而配置固定。由此，能够增大第一线圈71和受电线圈81之间的线圈间的耦合的强度 $k\{k=M/{(L1\·\mathrm{Lr})}^{1/2}=M$ $/\sqrt{\mathrm{}}L1\·\mathrm{Lr},$ 在此，L 1为第一线圈71的电感，L r为受电线圈81的电感，M为相互电感}。 

对于应用了基本如以上那样构成的无线耦合送电·受电系统200的电动车10的动作，下面还参照图5的磁通交链图进行说明。 

当电动车10在例如连续地在地面(道路面)104下附近配置有构成道路基础部112的送电设备80的道路上行驶中，送电设备80对蓄电装置12进行充电。 

或者，当电动车10在停止中，在送电设备80的正上方尽可能共有轴心而相对配置送电设备80的送电线圈82和中继器66的第二线圈72的状态下，对蓄电装置12进行充电。 

道路基础部112可配置于公用或者私用停车场。因此，当电动车10在配置有道路基础部112的送电设备80的公用或者私用停车场停车中或者停止中时，可以在送电设备80的送电线圈82与中继器66的第二线圈72共有轴心而相对配置的状态下对电动车10的蓄电装置12进行充电。 

在进行充电时，若驱动高频电源100，则高频电源100的高频电力通过同轴缆线114被供应给送电设备80。然后，当送电设备80的共振器102在所述高频电力作用下激振时，在由电容器92及电感较大地构成的送电线圈82构成的共振器102中流通大的共振电流，产生磁通线122(参照图5)，并且保持共鸣用能量。 

此时，如图4所示，在由基于磁通线122的电磁感应方式引起的无线耦合202及共鸣方式引起的无线耦合302的至少一方所构成的第二无线耦合402的作用下，中继器66激振，高频电力从地面104下的送电设备80的共振器102对车辆受电部110的中继器66进行送电·受电。 

需要说明的是，在图5中，示意地示出送电线圈82和第二线圈72由磁通线122耦合的状态。 

在该情况下，在构成送电设备80且配置在地面104下的送电线圈82与构成中继器66且配置于车辆地板下面板18的车身16的外面侧的第二线圈72之间，由于距离较长，因此相互电感小，因而耦合的强度k小，但是由于较大地构成送电线圈82及第二线圈72的各自的电感，因此能够增大指标Q(尤其关于送电线圈的保持能量的指标Q＝ωLs/r，在此，ω为角频率，Ls为送电线圈82的电感，r为送电线圈82的电阻分量和放射电阻分量的相加值)，各自的保持能量变大，结果是，可以提高从送电设备80相对于中继器66的电力的传送效率。当然，还需要提高形成中继器66的第二线圈72及第一线圈71(第二线圈72的电感值＞第一线圈的电感值)的指标Q。即，需要尽可能减少在中继器66流通的高频电流引起的电力的电阻分量造成的损失，且为了增大保持能量而尽可能增大电感分量，并尽可能减小电阻分量。

下面，对中继器66与受电设备40之间的送电·受电作用进行说明，对构成中继器66且配置于车辆地板下面板18的上面侧、换言之配置在车身16中的第一线圈71与受电设备40的受电线圈81之间进行交链的磁通线121由于两者接近配置，因此耦合的强度  在此，L1为第一线圈71的电感，Lr为受电线圈81的电感，M为相互电感}高，结果是，通过高的相互电感能够以基于磁通线121的电磁感应方式引起的无线耦合201来进行高效地耦合。进而，中继器66和受电设备40的共振器101也通过由共鸣方式引起的无线耦合301结合。即，中继器66和共振器101通过由电磁感应方式引起的无线耦合201及由共鸣方式引起的无线耦合301的至少一方的第一无线耦合401来耦合。 

在该情况下，由于较高地构成作为送电侧的线圈起作用的、上述的形成中继器66的第二线圈72及第一线圈71的指标Q，因此即使在共鸣方式的无线耦合301中也能够高效率地传送电力。 

因此，通过基于磁通线121的电磁感应方式所引起的无线耦合201及由共鸣方式引起的无线耦合301的至少一方的第一无线耦合401，进行从中继器66对受电设备40的电力的送电，由受电设备40接收电能。 

因此，由于中继器66的性能指标k·Q大，所以从地面104下的送电设备80经车身16的外部的中继器66到车身16的内部的受电设备40之间的电力送电·受电的综合的电力传送效率能够维持得较高。 

在受电设备40的共振器101的两端产生的电压通过电阻器84被导向整流器43，由整流器43转换为直流电压，并通过充电器44对蓄电装置12进行充电。需要说明的是，根据需要，可以在充电器44的输入侧设置DC/DC升压转换器。 

而且，在电动车10行驶时，被充电的蓄电装置12的输出即高压的直流电压由VCU38进一步被转换为高压的直流电压，并经逆变器36成为3相的交流驱动信号而使电动机30旋转。电动机30的旋转力矩(旋转)通过齿轮箱32及驱动轴传递给前轮50，由此电动车10行驶。另外，电动机30的再生电力通过VCU38对蓄电装置12进行充电。 

进而，蓄电装置12的高压的直流电压由降压转换器42转换为低压的直流电压并被供应给EWP24。EWP24使冷却电动机30的冷却剂经进行热交换的散热器22而循环。需要说明的是，由通过电动机30的旋转而被扬起的机油来冷却齿轮箱32。该机油通过流通有冷却剂的电动机30内的配管而被冷却。 

如以上说明那样，上述的实施方式的电动车10利用由蓄电装置12的电力驱动的电动机30的驱动力而行驶。 

该电动车10具备：在车辆地板下面板18的上表面侧配置且对蓄电装置12供电的受电线圈81；以及利用电磁感应方式及共鸣方式的至少一方引起的第二无线耦合402及第一无线耦合401，将在地面104下设置的送电线圈82引起的电力送电给受电线圈81的中继器66。 

在该情况下，中继器66由第一线圈71、第二线圈72和电容器64形成共振电路，第一线圈71形成受电线圈81和第一无线耦合401，第二线圈72形成送电线圈82和第二无线耦合402。 

为了使第一无线耦合401的耦合的强度 高于第二无线耦合402的耦合的强度 $k(k=M^{\′}/\sqrt{\mathrm{}}\mathrm{Ls}\·L2),$ 将第一线圈71接近配置于车辆地板下面板18的上表面侧且受电线圈81的下侧。 

将第二线圈72配置于车辆地板下面板18的下表面侧，并且使第二无线耦合402的保持能量的指标Q(尤其关于送电线圈82的保持能量的指标Q＝ωLs/r，在此，ω为角频率，Ls为送电线圈82的电感，r为送电线圈82的电阻分量和放射电阻分量的相加值)高于所述第一无线耦合401的保持能量的指标Q{尤其关于送电侧的第二线圈72和第一线圈71的保持能量的指标Q＝ω(L2+L1)/r}。 

根据该实施方式，由于提高在设置于地面104下的送电线圈82与构成第二无线耦合402的中继器66的第二线圈72之间的保持能量的指标Q，并且，使构成中继器66的第一线圈71与构成受电设备40的受电线圈81接近配置，所以能够增大耦合的强度k。结果是，即使在电动车10与地面104间有距离的情况下，也可以经中继器66以高的电力传送效率对蓄 电装置12进行充电。因此，能够增大从地面104的送电线圈82到电动车10的受电线圈81的路径的性能指标k·Q。 

在该情况下，由于使受电线圈81与第一线圈71的轴心吻合来配置，因此能够增大耦合的强度k。 

另外，为了提高第一无线耦合401的耦合的强度k，使第一线圈71在车辆地板下面板18的上表面侧且受电线圈81的下侧与受电线圈81以轴心吻合的方式接近配置，为了提高第二无线耦合402的共振电路的指标Q，将第二线圈72配置于车辆地板下面板18的下表面侧，使由第二线圈72形成的闭路面积A 2大于由第一线圈71形成的闭路面积A 1。 

根据如此构成的电动车10的无线耦合送电·受电系统200，由于能够增大第二线圈72的电感，所以能够增大中继器66的指标Q，并且，由于使第一线圈71和受电线圈81接近配置，所以能够增大耦合的强度k，结果是，能够增大有助于送电设备80与受电设备40之间的无线耦合的性能指标k·Q。 

需要说明的是，由于将构成中继器66的电容器64配置于车辆地板下面板18的上表面侧，因此与线圈相比耐久性差的电容器被配置在车身之中，构件的选择变容易。 

根据该实施方式，在从地面104通过无线耦合402、401接收电力的电动车10中，明确了作为共振器的中继器66与受电线圈81向车身16上的最佳配置构成，结果是，可以增大性能指标k·Q，即使在电动车10的车辆地板下面板18与地面104间有距离的情况下，也可以经中继器66以高的电力传送效率对蓄电装置12进行充电。 

需要说明的是，本发明不限于上述的实施方式，例如，也可以适用于并用电动机和发动机的混合动力车等，基于本说明书的记载内容，当然可以采用各种结构。 

Claims (3)

1.一种电动车(10)，其具有蓄电装置(12)和由该蓄电装置(12)的电力驱动的电动机(30)，所述电动车(10)在该电动机(30)的驱动力作用下行驶，其特征在于，

所述电动车(10)具备：

受电线圈(81)，其在车辆地板下面板(18)的上表面侧配置，并且其两端与整流器(43)侧连接，并对所述蓄电装置(12)供电；以及

中继器(66)，其利用由电磁感应方式及共鸣方式的至少一方引起的无线耦合，将在地面(104)设置且两端与高频电源(100)侧连接的送电线圈(82)引起的电力向所述受电线圈(81)送电，

所述中继器(66)由第一线圈(71)、第二线圈(72)和电容器(64)形成闭电路的共振电路，

所述第一线圈(71)和所述受电线圈(81)形成第一无线耦合(401)，

所述第二线圈(72)和所述送电线圈(82)形成第二无线耦合(402)，

使所述第一线圈(71)接近配置于所述车辆地板下面板(18)的上表面侧且所述受电线圈(81)的下侧，以使所述第一无线耦合(401)的耦合的强度(k)高于所述第二无线耦合(402)的耦合的强度(k)，

将所述第二线圈(72)配置于所述车辆地板下面板(18)的下面侧，并且使所述第二无线耦合(402)的保持能量的指标(Q)高于所述第一无线耦合(401)的保持能量的指标(Q)。

2.如权利要求1所述的电动车，其特征在于，

所述受电线圈(81)和所述第一线圈(71)的轴心吻合而配置。

3.如权利要求1或2所述的电动车，其特征在于，

构成所述中继器(66)的所述电容器(64)配置于所述第一线圈(71)的配置侧即所述车辆地板下面板(18)的上表面侧。