CN105966259B - 一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统。包括安装在车辆车轮上的能量接收组件和安装在行车道两旁的能量发射组件，多个能量发射组件沿行驶方向间隔地布置在行车道上，通过能量发射组件通电在行车道两旁产生交变磁场，车辆带有能量接收组件的车轮在交变磁场中行驶产生电能为电动汽车供电；利用电磁感应原理收集行车道两侧发射组件发送的能量，在车轮内能量接收组件收集的能量通过电滑环输入车体内供给电池和电动机，给车辆充电并驱动车辆不间断行驶。本发明对车辆的框架结构尺寸和底盘高度等影响小，不需要改造路面，具有接收效率高、系统部署简单、车辆适用性强的特点，可用在电动公交等系统中，促进节能环保。

Description

一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统

技术领域

本发明涉及一种车辆的无线供能系统，尤其涉及一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统。

背景技术

21世纪随着环境的恶化和石油资源的供应风险，需要一种新的节能环保的汽车供能方式来改善交通对各方面的负面影响。而采用电动的方式驱动汽车是绿色能源出行中的一种最具潜力的方法。现有的电动汽车主要采用有线充电的方式，需要较长的充电时间才能满足用户的用车要求。而已出现的无线供能汽车也需要在车辆静止的情况下进行长时间充电，使用方式上和有线充电方式比只是省去了线缆连接的步骤，没有本质上的区别。

还有一种新的无线供能的方式使得用户可以在车辆行驶过程中充电。这种方式的现有技术需要在路面下铺设发射线圈或路面上面架设电力线缆，因此必须挖开路面或铺设吊架来进行改造，道路改造成本很高，铺设不易。同时为了接收能量，需要对车体进行改造，在车辆底部或顶部安置能量接收组件。这对车体结构影响较大。底部安装会使得底盘距离路面的高度明显降低，会显著减弱汽车在路面有障碍物情况下的通过能力。而顶部安装会调高车体高度，同时需要的大量吊架影响城市美观。

发明内容

基于以上考虑，为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统，包括安置于车轮上的能量接收组件和安置于行车道侧面的能量发射组件，通过车轮收集能量在电动汽车行驶中进行无线能量供能，具有车体影响小、接收效率高、发射系统部署简单等优点。

本发明包括行车道上的供能系统和车辆上的接收系统，采用的具体技术方案是：

包括安装在车辆车轮上的能量接收组件和安装在行车道两旁的能量发射组件，多个能量发射组件沿行驶方向间隔地布置在行车道上，通过能量发射组件通电在行车道两旁产生交变磁场，车辆带有能量接收组件的车轮在交变磁场中行驶产生电能为电动汽车供电。

沿行车道一侧或两侧连续铺设的无线能量发射组件及其附属电路，发射组件上具有从地面开始与车轮高度一致的能量发射电磁线圈，为行驶经过的车辆提供能量。车辆结构上的能量接收组件包括能量收集和变换电路。它与多个车轮上电滑环引出的电线连接，可同时或分别接收多个车轮上能量接收电路获得的能量，同时进行电压和电流的变换，给车体内的电池供电，并驱动电动机的运行。由此，汽车行驶过程中，本发明的无线能量供能系统同时给车体内的电池充电电路和电动机供电。

所述的能量接收组件包括铁氧体磁芯、能量接收电磁线圈、附属电路、套在车轴上的电滑环组件和供电电路，供电电路固定在车体内部，铁氧体磁芯同轴固定在车轮外侧中间，能量接收电磁线圈缠绕在铁氧体磁芯周围，能量接收电磁线圈经附属电路与电滑环组件连接，附属电路将能量接收电磁线圈产生的交变电流转化为直流能量，输入电滑环组件，电滑环组件经供电电路与电动汽车的电池连接。

所述的电滑环组件包括非接触地套在车轴上的转子和定子，转子固定安装在轮毂内侧，定子通过固定架固定地套在转子和车轴之间，定子与车轴之间存在间隙，定子与转子之间通过电刷环连接。

所述的附属电路包括接收组件控制电路、整流电路和调谐电路。附属电路安装在车轮内侧。附属电路的一侧连接能量接收电磁线圈，输入交流能量，另一侧与电滑环组件的转子靠近车轮一侧的侧壁相连，输出直流能量。接收组件控制电路分别与整流电路和调谐电路相连接。

附属电路的调谐电路调节能量接收组件的工作频率，使其始终保持最佳的工作频率，同时将获得的能量传送给电滑环组件。

所述的能量发射组件包括380V的交流供电源、交直流转换电路、高频振荡驱动电路、能量发射电磁线圈和发射组件控制电路，能量发射电磁线圈倾斜地布置在行车道旁，交流供电源分别连接交直流转换电路和发射组件控制电路进行供电，交直流转换电路经高频振荡驱动电路与能量发射电磁线圈连接，发射组件控制电路分别与交直流转换电路和高频振荡驱动电路连接。

所述的车辆的每个车轮上均安装有能量接收组件。

所述的能量接收电磁线圈的尺寸与轮毂尺寸相同。

所述的能量发射电磁线圈朝向行车道外侧倾斜布置。

本发明通过供电电网传输的能量首先进行交直流变换，变为满足能量发射组件所需电压和功率的直流电源，然后通过能量发射组件的附属电路系统将电能变为高频交流能量。此高频能量进入一个发射线圈将能量无线发射出去。发射线圈从地面开始与车轮高度一致，保持一定的倾角侧立在行车道旁，这样易于兼容大部分车辆的车轮尺寸，并保持在不同距离下有效工作。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用电磁感应原理收集行车道两侧发射组件发送的能量，在车轮内能量接收组件收集的能量通过电滑环输入车体内供给电池和电动机，给车辆充电并驱动车辆不间断行驶。

本发明系统安装在车轮上，不需要对车体进行改造，不会降低汽车底盘或抬高车顶高度，只需要改造或更换汽车车轮结构，因此具有很高的兼容性。

本发明采用在行车道一侧或两侧安装无线能量发射组件，不需要挖开路面进行铺设改造，同时易于铺设安装，降低了无线汽车配套设施的改造成本，对车辆的框架结构尺寸和底盘高度等影响小，利于电动汽车的推广。

本发明系统具有接收效率高、系统部署简单、车辆适用性强的特点，可用在电动公交等系统中，促进节能环保。

附图说明

图1是本发明系统的车辆和行车道俯视示意图。

图2是本发明系统的车辆和行车道正视示意图。

图3是本发明车轮上的无线能量接收电磁线圈的侧视示意图。

图4是本发明车轮上的无线能量接收电磁线圈的正视示意图。

图5是本发明车轮上的无线能量接收组件的侧视示意图。

图6是本发明行车道上的无线能量发射组件的示意图。

图中：车辆101、行车道102、能量接收组件103、能量发射电磁线圈104、能量接收电磁线圈105、铁氧体磁芯106、车轴107、电滑环组件108、转子109、定子110、供电电路111、能量发射组件112、交流供电源113、交直流转换电路114、高频振荡驱动电路115、发射组件控制电路116、附属电路117。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，详细描述本发明的实施过程。

如图1和图2所示，本发明包括安装在车辆101车轮上的能量接收组件103和安装在行车道102两旁的能量发射组件112，采用了本发明车轮方案的车辆101行驶在车辆可通行的行车道102上。行车道102侧面安置了能量发射电磁线圈104，车辆101上四个车轮外侧安置了能量接收组件103，通过能量发射组件112通电在行车道102两旁产生交变磁场，车辆101带有能量接收组件103的车轮在交变磁场中行驶产生电能为电动汽车供电。

能量接收组件103包括铁氧体磁芯106、能量接收电磁线圈105、附属电路117、套在车轴107上的电滑环组件108和供电电路111。供电电路111固定在车体内部，铁氧体磁芯106同轴固定在车轮外侧中间，能量接收电磁线圈105缠绕在铁氧体磁芯106周围，由图3、图4所示，能量接收电磁线圈105与车辆的车轮103并行安装，在车轮中心安装铁氧体磁芯106以增强磁场。如图5所示，能量接收电磁线圈105经附属电路117与电滑环组件108连接。附属电路117将能量接收电磁线圈105产生的交变电流转化为直流后输出。直流能量通过电滑环组件108经供电电路111与电动汽车的电池连接。铁氧体磁芯106和能量接收电磁线圈105用于无线能量的接收，能量接收电磁线圈105的尺寸与轮毂尺寸相同。

如图5所示，电滑环组件108包括非接触地套在车轴107上的转子109和定子110，转子109固定安装在轮毂内侧，定子110通过固定架固定地套在转子109和车轴107之间，定子110与车轴107之间存在间隙。

电滑环主要由两个共轴的、可独立自由转动的圆环构成，两个圆环分别为定子和转子，每个圆环上有正负两根电线与另一圆环上的对应极性电线导通。电滑环与车轴共轴，一侧与轮胎连接固定，另一侧连接车体。它将电磁接收线圈接收的能量传递到车体内固定的电线上。

转子109车轮旋转而运动，定子110随车轴107静止，在汽车运动的过程中转子在旋转的同时将能量传递给定子110，定子110输入供电电路111为电池供电，经电动机驱动电路为电动汽车的电动机供能。

如图6所示，能量发射组件112包括380V的交流供电源113、交直流转换电路114、高频振荡驱动电路115、能量发射电磁线圈104和发射组件控制电路116，能量发射电磁线圈104沿行驶方向间隔地布置在行车道102上，能量发射电磁线圈104倾斜地布置在行车道102旁，如图2所示，交流供电源113分别连接交直流转换电路114和发射组件控制电路116进行供电，交直流转换电路114经高频振荡驱动电路115与能量发射电磁线圈104连接，发射组件控制电路116分别与交直流转换电路114和高频振荡驱动电路115连接。交流供电源113的交流电通过交直流转换电路114转化为直流电，再高频振荡驱动电路115输出交变电流到能量发射电磁线圈104，进而产生交变磁场。

本发明的具体实施工作呈如下：

如图2所示，当行车道上车辆驶入时，安装在行车道两侧的能量发射组件开始工作，通过电磁感应原理将能量通过能量发射电磁线圈104传递至车辆101的车轮的接收组件103上。

本系统中能量发射组件112的交流输入电压113为50Hz、380V。它进入交直流转换电路114，电路包括硅堆电桥加LC低通滤波电路和电压电流发射组件控制电路，获取电压为48V的直流输出。此直流信号进入高频振荡驱动电路115，驱动电路再将直流信号变换为能量发射电磁线圈104工作所需的高频交流信号13.3MHz。此电路采用大功率三极管构造的振荡电路构成。同时交直流转换电路114和高频振荡驱动电路115由发射组件控制电路116控制其工作与否，发射组件控制电路116耦合探测输入和输出的负载情况并控制输入和输出的信号通断。同时，发射组件控制电路116还需要通过调谐高频振荡驱动电路115上的可变电容来微调其振荡工作频率，使得能量发射电磁线圈104工作在最佳状态。发射电路的线圈104尺寸为500mm，并通过非金属支架以一定的角度侧立固定。这样的尺寸和安置方法可以确保各种尺寸和距离的车轮都能获得足够的无线能量。

本系统中的能量接收电磁线圈105尺寸为300mm，安置于车轮外侧。在线圈105中心放置直径为100mm的铁氧体磁芯106，磁芯可以加强磁场强度、提高能量接收效率。线圈105带有无源发射组件控制电路确保其振荡频率与发射线圈一致，并通过二极管和LC电路进行交直流变换输出0-20V范围内的直流电压。输出为正负两极的两根电线，它与电滑环108连接。电滑环108直径为内径75mm，外径90mm，与车轴同轴。它转子一侧109与轮胎103固定并连接线圈，定子110一侧与车体101固定并输出正负两根电线。输出的电线连接到车辆的供电电路和电动机驱动电路111中为车辆101提供能量。

当车轮103和能量发射电磁线圈104的圆心平行，并且收发线圈距离在1米以内时，将有60％-88％的能量被能量接收组件103收集。在车辆101连续行驶状态下，行车道102两旁每个能量发射组件轮流工作，可确保车辆101连续获得满足驱动能力的能量。对于一个车辆，4个接收组件同时工作，那么发射组件提供的能量可以控制在数千瓦量级。这样可减小系统的辐射和发射组件的制造成本。

Claims (6)

1.一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统，其特征在于：

包括安装在车辆（101）车轮上的能量接收组件（103）和安装在行车道（102）两旁的能量发射组件（112），多个能量发射组件（112）沿行驶方向间隔地布置在行车道（102）上，通过能量发射组件（112）通电在行车道（102）两旁产生交变磁场，车辆（101）带有能量接收组件（103）的车轮在交变磁场中行驶产生电能为电动汽车供电；

所述的能量接收组件（103）包括铁氧体磁芯（106）、能量接收电磁线圈（105）、附属电路（117）、套在车轴（107）上的电滑环组件（108）和供电电路，供电电路固定在车体内部，铁氧体磁芯（106）同轴固定在车轮外侧中间，能量接收电磁线圈（105）缠绕在铁氧体磁芯（106）周围，能量接收电磁线圈（105）经附属电路（117）与电滑环组件（108）连接，通过电滑环组件（108）将能量接收电磁线圈（105）产生的交变电流转化为直流，电滑环组件（108）经供电电路与电动汽车的电池连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统，其特征在于：所述的电滑环组件（108）包括非接触地套在车轴（107）上的转子（109）和定子（110），转子（109）固定安装在轮毂内侧，定子（110）通过固定架固定地套在转子（109）和车轴（107）之间，定子（110）与车轴（107）之间存在间隙，定子（110）与转子（109）之间通过电刷进行连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统，其特征在于：所述的能量发射组件（112）包括380V的交流供电源（113）、交直流转换电路（114）、高频振荡驱动电路（115）、能量发射电磁线圈（104）和发射组件控制电路（116），能量发射电磁线圈（104）倾斜地布置在行车道（102）旁，交流供电源（113）分别连接交直流转换电路（114）和发射组件控制电路（116）进行供电，交直流转换电路（114）经高频振荡驱动电路（115）与能量发射电磁线圈（104）连接，发射组件控制电路（116）分别与交直流转换电路（114）和高频振荡驱动电路（115）连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统，其特征在于：所述的车辆（101）的每个车轮上均安装有能量接收组件（103）。

5.根据权利要求1所述的一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统，其特征在于：所述的能量接收电磁线圈（105）的尺寸与轮毂尺寸相同。

6.根据权利要求3所述的一种基于车轮的电动汽车行驶中无线能量供能系统，其特征在于：所述的能量发射电磁线圈（104）朝向行车道（102）外侧倾斜布置。