CN106143185A - 一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统 - Google Patents

一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统。包括安装在车辆车轮上的多个能量接收组件和铺设在行车道下的能量发射系统，多个能量发射系统沿行驶方向间隔布置；能量发射系统在行车道表面附近产生电磁场，车辆带有能量接收组件的车轮感应电磁场产生能量，为行驶中的电动汽车提供电能。本发明采用近场耦合方式，辐射影响小，同时对车辆底盘高度没有影响，车辆适用性强，可用在电动汽车和公交等城市交通系统中，有利于节能环保。

Description

一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统
技术领域
本发明涉及一种车辆的无线供能系统，尤其涉及一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统。
背景技术
电动汽车是一种新兴的节能环保的交通工具，随着能源供应的紧缺和民众环保意识的提高，其市场前景越来越好，相关技术也在迅速发展。
目前电动汽车以电机驱动行驶，电池为其主要能量来源，这需要在静止情况下长时间充电才能满足长距离行驶的要求。在充电方式上主要采用充电桩有线充电的方式，对环境要求高并有一定的操作危险。
为了便于电动汽车的充电，出现了无线充电的技术。它不需要电缆连接充电桩，充电方式更加便捷和安全。但是仍然需要车辆在静止的情况下进行长时间充电，影响了车辆的出行效率。
车辆在行驶中获得电能的方式在有轨和无轨电车中长期使用，但是他们需要架设空中电缆或铺设路面轨道，车辆缺乏灵活性、影响城市美观，已经不是主流技术。对于已有的无线行驶中车辆供电技术，需要在车辆的底部安装能量接收组件，需要奖励底盘距离路面的高度来高效获取无线能量，这会削弱车辆通过障碍物的能力。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统，包括安置于车轮上的能量接收组件和铺设于行车道路面下的能量发射组件。本系统通过车轮收集能量，在电动汽车行驶中进行对车辆的无线供能，具有辐射影响小、车辆适用性高等优点。
本发明包括行车道上的能量发射组件和车辆上的能量接收组件，采用的具体技术方案是：
多个能量发射组件沿行驶方向间隔布置，通过能量发射组件通电在行车道表面附近产生交变电磁场，车辆带有能量接收组件的车轮在交变磁场中行驶，车辆通过带有能量接收组件的车轮感应电磁场产生能量，为行驶中的电动汽车提供电能。
本发明的多个能量发射组件沿行车道连续铺设，能量发射组件具有铺设在行车道表面下的能量发射电缆，为行驶经过的车辆提供能量。车轮上与路面最接近的几个能量接收组件会从能量发射电缆中获取电磁能量。能量接收组件可同时或分别接收多个车轮上获得的无线能量，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。
所述的多个能量接收组件沿圆周周向间隔均布地安装在车轮上，能量接收组件包括次级铁氧体线圈、接收电路和电滑环组件，次级铁氧体线圈固定在车轮轮胎的内周面上，多个能量接收组件的所有次级铁氧体线圈沿圆周周向间隔均布地固定在车轮轮胎的内周面上，即固定在车轮轮胎和车轮轮辋之间；接收电路也可固定在车轮轮辋上，电滑环组件套装在车轴上，次级铁氧体线圈经接收电路与电滑环组件连接，电滑环组件经供电电路与电动汽车的电池和电动机连接。
所述的电滑环组件包括固定在车轴上的转子和套在车轴外的定子，定子与车轴之间不接触，定子与转子端面之间通过电刷连接，电刷连通定子与转子之间的电信号。
所述的接收电路包括能量接收组件控制电路、直流能量提取电路和频率调谐电路，次级铁氧体线圈包括铁氧体磁芯和绕在铁氧体磁芯上的电磁线圈，电磁线圈依次经频率调谐电路和直流能量提取电路后与所述电滑环组件的转子连接，能量接收组件控制电路分别与频率调谐电路和直流能量提取电路连接。接收电路中的频率调谐电路与次级铁氧体线圈连接，输入射频能量，直流能量提取电路输出与靠近车轮轮毂的转子连接输出直流能量。电磁线圈作为接收线圈通过能量接收组件收集能量，并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。
所述的能量发射组件包括交流供电源、交直流转换电路、射频放大驱动电路、能量发射电缆和能量发射组件控制电路，交流供电源依次经交直流转换电路、射频放大驱动电路后与能量发射电缆的两端连接，能量发射组件控制电路分别与交直流转换电路和射频放大驱动电路连接。交流供电源连接交直流转换电路进行供电，射频放大驱动电路将电能变为射频电流信号，经能量发射电缆供给电磁能量。
所述的能量发射电缆铺设在行车道道路面下，并呈蛇形地布置于行车道车辆行驶的路面区域。这样可以保证车辆在行车道的任意位置行驶都能获取无线能量，并保证任意车型的车驶过行车道的时候能量发射组件都能有效工作。
具体地，多个能量发射组件并联安装并且通过供电电网提供能量。本发明通过供电电网传输的能量首先进行交直流变换，然后通过能量发射组件的射频放大驱动电路将电能变为满足能量发射电缆所需电压和功率的射频能量。此交流能量进入能量发射电缆将能量无线发射出去。
本发明具有的有益效果是：
本发明采用近场耦合的方式收集行车道表面下铺设的能量发射电缆发送的射频能量，车辆车轮内的能量接收组件收集的能量经过接收电路连接电滑环组件，输入车体内的供电电路，给电池充电并驱动电动机，使车辆不断行驶。
本发明系统安装在车轮上，对车辆的框架结构尺寸影响小，不会降低汽车底盘高度，只需要改造或更换汽车车轮结构，降低了无线汽车配套设施的改造成本，因此具有很高的兼容性，有利于电动汽车的推广。
本发明系统具有辐射影响小、车辆适用性强的特点，可用在电动汽车和公交等城市交通系统中，有利于节能环保。
附图说明
图1是本发明系统的车辆和行车道的俯视示意图。
图2是本发明系统的车辆和行车道的正视示意图。
图3是本发明系统的车辆和行车道的侧视示意图。
图4是本发明能量发射组件的俯视示意图。
图5是本发明车轮上能量接收组件的示意图。
图6是本发明车轮上能量接收组件的正视示意图。
图7是本发明能量接收组件接收电路和次级铁氧体线圈的正视示意图。
图8是本发明能量接收组件的侧视示意图。
图中：车辆101、行车道102、能量发射组件103、轮胎104、交流供电源105、交直流转换电路106、射频放大驱动电路107、能量发射组件控制电路108、能量发射电缆109、能量接收组件110、次级铁氧体线圈111、车轴112、接收电路113、直流能量提取电路114、频率调谐电路115、能量接收组件控制电路116、电磁线圈117、铁氧体磁芯118、电滑环组件119、定子120、转子121、供电电路122。
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，本发明包括安装在行车道102表面下的能量发射组件103和安装在车辆101车轮上的能量接收组件110，采用了本发明车轮方案的车辆101行驶在行车道102上。行车道102表面下连续铺设了多个能量发射组件103，车辆101上四个车轮轮胎104内安置了能量接收组件110，通过能量发射电缆109在行车道102表面附近产生电磁场，车辆101带有能量接收组件110的车轮在交变磁场中行驶产生电能为电动汽车供电。
如图3所示，能量发射组件103包括220V、50Hz交流供电源105、交直流转换电路106、射频放大驱动电路107、能量发射组件控制电路108、能量发射电缆109。能量发射组件103中的220V交流供电源105、交直流转换电路106、射频放大驱动电路107、能量发射组件控制电路108安装在行车道边缘。如图1所示，交流供电源105连接交直流转换电路106进行供电，交直流转换电路106经射频放大驱动电路107与能量发射电缆109连接，能量发射组件控制电路108分别与交直流转换电路106和射频放大驱动电路107连接。交流供电源105的交流电通过交直流转换电路106转化为直流电，再经过射频放大驱动电路107输出射频交变电流到能量发射电缆109，进而产生交变电磁场。如图3和图4，能量发射电缆109在行车道表面下蛇形安装，并且多个能量发射组件连续铺设。
如图5-6所示，多个能量接收组件110均匀地分布在车轮上。能量接收组件110包括次级铁氧体线圈111、接收电路113。次级铁氧体线圈111安装在车轮轮胎104以内，轮辋以外，包括电磁线圈117和铁氧体磁芯118。电磁线圈117以垂直于车辆行驶方向的角度缠绕在铁氧体磁芯118上以增强磁场。接收电路113安装在车轮轮辋上，包括直流能量提取电路114、频率调谐电路115和能量接收组件控制电路116。如图7所示，次级铁氧体线圈111连接频率调谐电路115，频率调谐电路115经直流能量提取电路114与电滑环组件119连接。能量接收组件控制电路116分别与直流能量提取电路114和频率调谐电路115连接。次级铁氧体线圈111接收的能量通过接收电路113转换为直流能量，输入电滑环组件。
接收线圈将交流电输入到接收电路113的电路里，直流能量提取电路114输入交流输出直流。直流电输入到控制电路116中，给控制电路116供电，然后控制电路116产生变化的电压来控制可变电容，也就是控制接收电路的工作频率。
如图8所示，能量接收组件110中的次级铁氧体线圈111、接收电路113安装在车轮上，电滑环组件119安装在车轴112上。次级铁氧体线圈111经接收电路113将接收的交流能量转换为直流能量并输入到电滑环组件119。电滑环组件119将能量输入车体内的供电电路122。电滑环组件119由定子120和转子121构成。转子121与车轴112固定在一起，在行驶过程中随车轮而旋转。定子120与车轴112没有接触，与车体固定在一起不动，不随车轮旋转。电刷连通定子120与转子121之间的电信号。定子120远离转子121的一侧与车体内的供电电路122相连，供电电路122为电池和电动机提供能量，驱动车辆不断行驶。
本发明的具体实施工作过程如下：
如图1所示，当行车道上车辆驶入时，能量发射组件103开始工作，通过电磁近场耦合将射频能量通过能量发射电缆109传递至车辆101车轮的能量接收组件110上。
能量发射组件103的交流供电源105的电压为220V、频率为50Hz。交直流转换电路106将输入的交流能量转换为直流能量，此电路包括整流二极管与低通滤波电路，获取直流电压输出信号。此直流电压信号驱动能量发射组件控制电路108工作，直流电压信号同时输入射频放大驱动电路107。驱动电路根据设计情况产生1MHz或13Mhz附近的射频信号的振荡输出电路，此振荡电路为由高功率三极管构成的反馈振荡电路结构。同时能量发射组件控制电路108控制交直流转换电路106和射频放大驱动电路107。能量发射组件控制电路108探测交直流转换电路107的电流并控制输入信号的通断。能量发射组件控制电路108同时通过电压信号控制射频放大驱动电路107上的压控可变电容，来调谐振荡电路的最佳工作频率。能量发射组件103的电路安置在道路侧面，与铺设在路面下的能量发射电缆109连接。能量发射电缆109由一对终端短路的平行电缆线构成，它在道路上蛇形铺设来覆盖一定区域的行驶路面。两根成对的能量发射电缆109平行于道路宽度方向铺并在折回时交换两根线的位置，这样可确保不同车轮在电缆附近时两根电缆都平行于轮轴并且电缆线的前后位置都保持一致。这样能量接收组件110可在相同的条件下接收能量。一套能量发射组件103的能量发射电缆109可以覆盖行车道有效宽度内长度50-200米的路面范围，多个这样的能量发射组件沿着路面排列布置可覆盖一定长度的道路。
本系统中的能量接收组件110安置在车辆的车轮上，车辆驶过铺设了能量发射电缆109的路面时，轮胎104内侧安置的电磁线圈117在接近路面的状态下会与能量发射电缆109会在相同的频率附近耦合获得射频能量。同时，轮胎104内侧的电磁线圈117内包裹了铁氧体形成接收能量的次级铁氧体线圈111，这样可以加强电磁耦合的效率。轮胎104内环形分布的多个次级铁氧体线圈111放置的位置为胎面橡胶的内侧。当轮胎104接触路面时，可保持有2-3个次级铁氧体线圈111距离能量发射电缆109在15厘米以内距离，可持续高效地进行无线能量的传输。次级铁氧体线圈111为矩形结构，其宽度为轮胎104内侧的宽度，这样可增加获取无线能量的截面积，提高无线能量获取的功率。
次级铁氧体线圈111获取的能量通过接收电路113进行交直流变换，主要是通过直流能量提取电路114获取直流能量。直流输出同时供给能量接收组件控制电路116，它可调控与次级铁氧体线圈111串联的频率调谐电路115，使得能量接收组件110与能量发射组件103工作在同一个频率，提高接收效率。车轮上多个接收电路113的直流输出汇集在轮毂上并联输出到电滑环组件119。电滑环组件119将车轮内的直流能量传送给车体。多个车轮的输出也并联汇集输入到车轮的供电电路122。
在车辆连续或停在铺设了能量发射组件103的行车道上时候，四个轮胎104内接近路面的多个能量接收组件110会同时工作。而没有车辆存在的能量发射组件103由于没有吸收能量的负载，不会消耗能量。

Claims (6)

1.一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统，其特征在于：包括安装在车辆(101)车轮上的多个能量接收组件(110)和铺设在行车道(102)下的能量发射组件(103)，多个能量发射组件(103)沿行驶方向间隔布置；能量发射组件(103)在行车道(102)表面附近产生电磁场，车辆(101)带有能量接收组件(110)的车轮感应电磁场产生能量，为行驶中的电动汽车提供电能。
2.根据权利要求1所述的一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统，其特征在于：所述的多个能量接收组件(110)沿圆周周向间隔均布地安装在车轮上，能量接收组件(110)包括次级铁氧体线圈(111)、接收电路(113)和电滑环组件(119)，次级铁氧体线圈(111)固定在车轮轮胎(104)的内周面上，即固定在车轮轮胎(104)和车轮轮辋之间；电滑环组件(119)套装在车轴(112)上，次级铁氧体线圈(111)经接收电路(113)与电滑环组件(119)连接，电滑环组件(119)经供电电路(122)与电动汽车的电池和电动机连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统，其特征在于：所述的电滑环组件(119)包括固定在车轴(112)上的转子(121)和套在车轴(112)外的定子(120)，定子(120)与转子(121)端面之间通过电刷连接。
4.根据权利要求2所述的一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统，其特征在于：所述的接收电路(113)包括能量接收组件控制电路(116)、直流能量提取电路(114)和频率调谐电路(115)，次级铁氧体线圈(111)包括铁氧体磁芯(118)和绕在铁氧体磁芯上的电磁线圈(117)，电磁线圈(117)依次经频率调谐电路(115)和直流能量提取电路(114)后与所述电滑环组件(119)连接，能量接收组件控制电路(116)分别与频率调谐电路(115)和直流能量提取电路(114)连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统，其特征在于：所述的能量发射组件(103)包括交流供电源(105)、交直流转换电路(106)、射频放大驱动电路(107)、能量发射电缆(109)和能量发射组件控制电路(108)，交流供电源(105)依次经交直流转换电路(106)、射频放大驱动电路(107)后与能量发射电缆(109)的两端连接，能量发射组件控制电路(108)分别与交直流转换电路(106)和射频放大驱动电路(107)连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于轮胎的新型电动汽车行驶中无线供电系统，其特征在于：所述的能量发射电缆(109)铺设在行车道(102)道路面下，并呈蛇形地布置于行车道(102)车辆行驶的路面区域。
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