CN114884183B

CN114884183B - 电动设备充电系统

Info

Publication number: CN114884183B
Application number: CN202210812410.0A
Authority: CN
Inventors: 王哲; 陆钧; 贺凡波; 葛俊杰; 马俊超; 鲁国希; 石晓峰
Original assignee: Hefei Yougan Technology Co ltd
Current assignee: Hefei Yougan Technology Co ltd
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2022-09-30
Anticipated expiration: 2042-07-12
Also published as: CN114884183A

Abstract

本发明公开了电动设备充电系统，包括：电池单元、接收电路、接收模块和共用线圈；所述共用线圈为电机绕组，并通过切换开关，择一地联通接收电路或者电池单元；所述接收模块具有由接收端电极、耦合线圈组成的接收端回路；在充电时，切换开关使共用线圈与所述接收电路联通，接收模块获取电能，并通过耦合线圈与共用线圈耦合，输送电能；在行驶时，切换开关使共用线圈与电池单元联通，由电池单元给电机供电。本申请中，共用线圈在行驶时作为电极绕组，充电时与耦合线圈耦合，实现一个零部件的共用，有效降低了整体的重量。

Description

电动设备充电系统

技术领域

本发明涉及充电领域，尤其涉及电动设备充电系统。

背景技术

随着新能源技术的不断发展，电动汽车已经成为新的趋势。目前困扰电动车的量大问题一个是充电，另一个是续航。

目前，主流的充电方式是使用充电枪有线充电，但是存在使用不便的问题，同时充电线拖拽缠绕也存在安全隐患。除此以外，也有无线充电的技术日渐兴起，在车辆底盘安装无线电能接收线圈，用于与地面的发射线圈匹配，进行无线电能传输，但额外增加的线圈，无疑使整车重量增加，影响电动汽车的续航。

发明内容

本发明提供一种电动设备充电系统，能够有效降低重量。

电动设备充电系统，包括：电池单元、接收电路、接收模块和共用线圈；所述共用线圈为电机绕组，并通过切换开关，择一地联通接收电路或者电池单元；所述接收模块具有由接收端电极、耦合线圈组成的接收端回路；在充电时，切换开关使共用线圈与所述接收电路联通，接收模块获取电能，并通过耦合线圈与共用线圈耦合，输送电能；在行驶时，切换开关使共用线圈与电池单元联通，由电池单元给电机供电。

优选的，所述接收端回路中，还串联有第一金属体。

优选的，所述接收模块用于有线充电；供电端具有充电枪，所述接收端电极与所述充电枪连接。

优选的，所述接收模块用于无线充电；供电端具有发射模块，所述接收端电极与所述发射模块匹配。

优选的，所述供电端还包括：电源和发射电路；所述发射电路具有第一线圈；所述发射模块具有激光器、聚焦透镜和发射端回路，所述发射端回路由发射端电极、第二线圈组成；所述发射端电极上具有通孔，所述激光器发射的辐射光束经过聚焦透镜，再穿过所述通孔射向所述接收端。

优选的，所述供电端还包括：第二金属体，串联在所述发射端回路中。

优选的，所述第二线圈向所述发射端电极加载电压，电压值大于1kV。

优选的，发射模块还具有反射单元，用于将所述激光器发出的辐射光束反射到所述发射端电极的通孔内。

本申请中，共用线圈在行驶时作为电极绕组，充电时与耦合线圈耦合，实现一个零部件的共用，有效降低了整体的重量。

在一些实施例中，激光器发射的辐射光束经过聚焦透镜形成聚焦辐射束，将空气电离，使导电通道被等离子体化，形成“虚拟导线”，使电能沿着导电通道传输，实现无线输电功能。等离子体化的导电通道电阻小，因此传输过程中消耗降低，提高了传输效率。

附图说明

图1为本发明电动设备充电系统接收侧的示意图；

图2为本发明电动设备充电系统一种实施例的示意图；

图3为本发明电动设备充电系统另一种实施例的示意图；

图4为本发明电动设备充电系统一个局部的等效电路图；

图5为本发明电动设备充电系统另一个局部的等效电路图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明公开一种电动设备充电系统，参见图1，包括电池单元21、接收电路22、接收模块23和共用线圈220。本文提到的电动设备，包括电动汽车、无人机、AGV小车等多种设备，通过电机驱动的设备，都被本申请所提到的电动设备涵盖。为了方便描述和理解，本申请下面均以电动汽车为例进行说明。图1是接收端的主要结构。

共用线圈220为电机绕组，并通过切换开关24，择一地联通接收电路22或者电池单元21；接收模块23具有由接收端电极231、耦合线圈230组成的接收端回路。

在充电时，切换开关24使共用线圈220与接收电路22联通，接收模块23获取电能，并通过耦合线圈230与共用线圈220耦合，输送电能，电能经过接收电路22处理，最终向电池单元21供电；在行驶时，切换开关24使共用线圈220与电池单元21联通，由电池单元21给电机供电。

相比于现有技术中无线充电汽车，接收线圈需要安装在地车底部，用于和发射线圈配合，尺寸大重量大，并且安装位置固定，不能移动，在接收线圈表面也不能存在金属物。而在本申请中，不需要通过发射线圈和接收线圈实现无线电能传输。共用线圈220不再有位置需求，与耦合线圈230能够耦合即可，因此，可以将耦合线圈230缠绕在电机上，以实现与共用线圈220的配合。

基于上述设置方案，在原有电机基础上，至少额外设置一个供线束经过的空间，以使耦合线圈230穿过该空间，与共用线圈220配合。

车辆行驶时，通过切换开关24，使共用线圈220与电机连接工作，此时耦合线圈230不需要移动位置，不会对电机工作造成影响。考虑到避免因为耦合使接收模块23内带电，可以在接收模块内设置开关，在不充电时，切断耦合线圈230与接收模块23内其他部件的连接。

在进行充电时，切换开关24，使共用线圈220与接收电路22联通。接收模块23可以用于有线充电，也可以适用于无线充电。

当用于有线充电时，供电端具有充电枪，接收端电极231与充电枪连接即可。

当用于无线充电时，供电端具有发射模块13，接收端电极231与发射模块13匹配。不同于现有技术中无线充电的方式，本申请适用的无线充电，并非传统的发射线圈与接收线圈耦合，而是通过激光器132等零部件，形成等离子化的导电通道136，下面就针对本申请所使用的无线充电技术进行说明。

我们先定义电动汽车一侧为接收端，对应的提供电能的一侧为发射端。

发射端包括电源11、发射电路12和发射模块13。电源11用于电力供应。发射电路12包括整流变换器121、逆变器122、发射补偿网络123和第一线圈120。发射模块13具有激光器132和由发射端电极131、第二线圈130组成的发射端回路。

接收端包括电池单元21、接收电路22和接收模块23。接收电路22具有滤波器221、直流变换器222、接收补偿网络223和共用线圈220。接收模块23具有由接收端电极231、耦合线圈230组成的接收端回路。

一般来说，发射端和接收端还各自包括控制器、传感器等（未在图上示出）。

发射端电极131上具有通孔，供激光器132发射的辐射光束通过；接收端电极231朝向发射端电极131。

第一线圈120和第二线圈130耦合，且第一线圈120的匝数小于第二线圈130的匝数；共用线圈220和耦合线圈230耦合，且共用线圈220的匝数小于耦合线圈230的匝数。

发射端的电源11输出到整流变换器121，电源11输出的工频交流电经过整流变换器121进行滤波、整流及功率因数调整后转换为直流电，直流电经过逆变器122转换成高频交流电，经发射补偿网络123输入到第一线圈120产生交变的磁场。第二线圈130位于第一线圈120外侧或与第一线圈120同轴，二者是紧耦合关系。

第一线圈120和第二线圈130组成一个升压变压器。第一线圈120和第二线圈130的线圈的直径分别为R1和R2，其中R1≥R2；当第一线圈120和第二线圈130的线圈同轴时，即第二线圈130插入到第一线圈120内，则R1>R2，或者两个线圈并绕在一起时，则R1=R2。第一线圈120产生的交变磁场的磁通量径直穿过第二线圈130，在第二线圈130中产生交变的感生电压，并使得在第二线圈130中产生流动电流。第二线圈130的匝数量120多于第一线圈120的匝数，即两者有高电压变比，两个耦合线圈之间遵循变压器效应，因此在第二线圈130内的感应交流电，比第一线圈120的电压更高。

在一些实施例中，发射模块13中还具有第二金属体133，第二线圈130的一端连接第二金属体133另一端连接发射端电极131，它们共同串联组成发射端回路。接收模块23中还具有第一金属体233，耦合线圈230的一端连接第一金属体233，另一端连接接收端电极231，它们同串联组成接收端回路。发射端电极131和接收端电极231，位于所述第二金属体133和第一金属体233之间。

第二金属体133和第一金属体233均具有较大的导体表面积，一般被制作成球形体、环形体或多面体等形式。

激光器132的工作需要电能输入，一般可以直接从电源11取电（未在图上示出连接关系），也可是独立的电源。

激光器132发射的辐射光束的路径上，还可以具有聚焦透镜134。激光器132发出辐射光束，聚焦透镜134将辐射光束聚焦为聚焦辐射束，之后再使聚焦辐射束通过发射端电极131的通孔，向接收端电极231方向传播，从而被接收端电极231接收到。发射端电极131的通孔的直径不小于聚焦辐射束的直径。辐射光束或者聚焦为聚焦辐射束所在路径，即为导电通道136。

激光器132设置的位置可以有根据需要调整。下面说明两种可以选的位置选择。

第一种位置选择，如图2所示，聚焦透镜134在激光器132和发射端电极131之间，激光器132工作的发射方向是朝向聚焦透镜134和发射端电极131的。发射端电极131、聚焦透镜134、接收端电极231以第二金属体133和第一金属体233同轴线设置。

第二种位置选择，如图3所示，激光器132并非朝向聚焦透镜134和发射端电极131，而是通过反射单元135反射。激光器132射出的辐射光束经由反射单元135反射，再通过聚焦透镜134。

上述两种设置方式，具有相同的工作原理。

发射端电极131和接收端电极231优选的使用如钛等难熔金属制成，或如石墨等难熔导电非金属制成。

第一种位置选择中激光器132、聚焦透镜134和发射端电极131的外部具有高压绝缘材料制作的外壳，可以隔绝当第二金属体133加载高电压时产生的电场。激光器132、发射端电极131、聚焦透镜134可以同第二金属体133安装在一起，中间以绝缘材料外壳等形式隔绝高压。

第二种位置选择中反射单元135、聚焦透镜134和发射端电极131的外部具有高压绝缘材料制作的外壳，可以隔绝当第二金属体133加载高电压时产生的电场。因为这种方式中激光器132的位置受到上述电场影响较小，所以可以不使用有高压绝缘材料制作的外壳，当然也可以使用。接收端电极231与第一金属体233的之间也设置绝缘材料隔绝高压，可以隔绝第一金属体233加载高电压时产生的电场。

发射端电极131的通孔位置的外壳具有透明的窗口，至少是对聚焦辐射束而言是透明的，即不阻碍聚焦辐射束通过，使其可以透过窗口向外发射，该窗口可以采用玻璃或透明塑料等绝缘材料制作，一般来说还涂有抗反射涂层。

上述激光器132发出的辐射光束是飞秒激光，即以脉冲形式发射辐射光束，脉冲持续时间为飞秒（10^-15秒左右）量级，激光器132发出的辐射光束的功率设置为大于自聚焦临界功率P，并有P=3.77λ²/（8πn₀n₂），其中n₀是介质的线性折射率，n₂代表介质非线非线性折射率（也称性克尔系数Kerr coefficient），λ为发射的辐射光束的中心波长。举例来说，激光器132发射的辐射光束中心波长为800nm，激光脉冲宽度为100飞秒，空气的线性折射率n₀≈1，空气的非线性折射率系数n₂=3.2*10^-23 m²/W，可以得到自聚焦临界功率P约为3*10⁹W。当飞秒激光在空气中传输时，当辐射光束被聚焦透镜134会聚（聚焦）到一定小的尺寸时，激光在空气介质中发生非线性光学克尔效应。非线性光学克尔效应对光束传输的作用相当于在光路中插入了正透镜，对聚焦辐射束起到进一步的会聚作用，即所谓的自聚焦效应。

自聚焦效应使光束峰值功率密度急剧上升，当激光器输出的辐射光束的功率超过自聚焦临界功率P时，聚焦辐射束的光强将大于10¹⁴ W/cm²，在此高光强下导电通道136内的空气将被电离，将产生高浓度的电子和带电离子，即导电通道136被等离子体化。

另一方面等离子体之间也存在着碰撞、电子复合等过程，它对聚焦辐射束传输的作用相当于在光路中插入了负透镜，使聚焦辐射束发散，即所谓的散焦效应。当离子体的自聚焦过程和等散焦过程两者之间达到平衡时，聚焦辐射束在时间空间上的分布上达到了相对稳定，形成了较远距离传播的等离子体束，而且在远距离传输过程中能保持其高能量和瞬态结构不变。

所述等离子体束的直径一般在40-200μm左右，等离子体束内的电子密度平均达到10¹⁴~10¹⁸/cm³，这种等离子体束单位长度的电阻在3.6*10⁵~6.4*10⁷Ω/m之间，较空气电阻（10¹³~10¹⁵Ω/m之间）降低了至少6个数量级，因此可以将等离子体化的导电通道136看作一根圆柱形的“虚拟导线”。

等离子体的鞘层是指等离子体与器壁或电极接触时,在两者之间形成的过渡区，聚焦辐射束从发射端电极131的通孔通过时，与发射端电极131之间形成鞘层，在接收端，与接收端电极231之间也形成鞘层。为了方便理解，我们认为鞘层与对应的发射端电极131、接收端电极231是接触的，在接收端和发射端都会产生接触电阻。两端的接触电阻与聚焦辐射束（等离子体束）共同导通两个电极（发射端电极131和接收端电极231）之间的空气。

当在发射端电极131上加载电压时，发射端电极131与接收端电极231之间存在交变的高电势差，因此从发射端电极131到接收端电极231之间在聚焦辐射束（等离子体束）内出现电流的流动，导电通道136即成为了从发射端电极131到接收端电极231电能传输的通路，从而实现了电能的无线输送。

聚焦辐射束（等离子体束）的等效电阻阻值随施加在发射端电极131上的电压增大而减小，增大电压可改善通道的导电性能。为提高导电通道136的传输能力，第二线圈130上经电压升高而加载的电压至少为1kV级别，一般在10kV-220kV。

聚焦辐射束基于飞秒级的脉冲束而形成，由于电子和离子的复合、电子与中性分子吸附作用等，在形成一定时间后，电子密度迅速下降，进而等离子体束在传播一段距离后出现衰变而消失，因此激光器132被配置为以脉冲形式发射辐射光束，脉冲间隙小于等于等离子体的衰变时间。在上一个等离子体束的衰变时将产生下一个激光脉冲束，各个时间内出现的等离子体束之间保持相互联接，以使电能可以持续地经过导电通道136从发射端电极131向接收端电极231传输。

第二线圈130上的高频交流电经导电通道136流入到耦合线圈230，进而在耦合线圈230产生交变的磁场。共用线圈220位于耦合线圈230的外侧或与耦合线圈230同轴，共用线圈220与耦合线圈230是紧耦合关系，匝数关系上文已经说明，可见耦合线圈230和共用线圈220组成一个降压变压器。耦合线圈230的直径小于等于共用线圈220的线圈的直径，即R3≥R4；当耦合线圈230的线圈回路与共用线圈220的线圈回路同轴，即耦合线圈230插入到共用线圈220内，则R3>R4，或者两个线圈并绕在一起时，则R3=R4。

基于电机结构考虑，优先选择两个线圈并绕在一起的设置方式，即R3=R4。

耦合线圈230产生的交变磁场的磁通量径直穿过共用线圈220，在共用线圈220中产生交变的感生电压，并使得在共用线圈220中产生流动电流，在共用线圈220内的感应交流电的电压相对于耦合线圈230的低。

共用线圈220输出连接于接收电路22。共用线圈220输出的低压感应交流电经接收补偿网络223传输到直流变换器222和滤波器221后转换为直流电，再传送给电池单元21供电。

发射端的第二线圈130和接收端的耦合线圈230均各自构成一个封闭谐振回路，即上述的发射端回路和接收端回路都是谐振回路。

图4是本发明电动设备充电系统一个局部的等效电路图，其主要由发射端回路、接收端回路以及导电通道136组成，其中LA和LB分别是第二线圈130和耦合线圈230的自电感，CA是发射端回路中的总电容总值，其包括第二线圈130中各匝之间的电容，也包括第二金属体133相对于导电通道136之间的等效电容值。同理CB是接收端回路中总电容总值，其包括耦合线圈230中各匝之间的电容，也包括第一金属体233相对于导电通道136之间的等效电容值。

RA是发射端回路中的电阻总值，包括第二线圈130的等效电阻值；RB是接收端回路中的电阻总值，包括耦合线圈230的等效电阻。

上述的CA和CB是忽略电路中其他杂散电容值的。

上述RA、CA、LA之间构成一个RLC谐振回路，也就是上文提到发射端回路是谐振回路的原理。RB、CB、LB之间构成一个RLC谐振回路，也就是上文提到接收端回路是谐振回路的原理。这两个谐振回路通过导电通道136连接。两个谐振回路的固有谐振频率的计算公式分别为：

，

上述两个谐振回路经配置具有相同的固有谐振频率，即通过配置发射端回路的和接收端回路中线圈及金属体的电感值、电容值，使接收端的谐振回路（接收端回路）的固有振动频率fB与发射端的谐振回路（发射端回路）的固有频率fA相同，同时发射端产生并耦合到第二线圈130的高频交流电的振荡频率也与fA和fB一致。

通过上述设置，在发射端和接收端两个回路产生共振而实现能量的传播。当两个发射端回路和接收端回路各自处于谐振状态时，整体相当于阻性状态，当两个回路谐振频率相同时，电源11到电池单元21构成的等效电路其阻抗的虚部等于零，或接近等于零，在电能传输时具有最大传输效率和/或最大的传输功率。

发射端和接收端分别配置了补偿电路（发射端补偿网络123、接收端补偿网络223），并分别配置控制器和实现控制所需要采集数据的传感器等，在电能传输过程中，根据用电需求调节供电电源的功率输出，根据负载电阻等参数变化等情况，通过调谐、调频等方式，或通过调节电能发射端和电能接收端的功率变换器，使两个回路始终处于谐振状态。

在第二线圈130内产生交变的感应交流电时，其感生电压也加载在第二金属体133上，形成相对于第一金属体233的电势差，第二金属体133和第一金属体233之间相当于一个耦合电容，两者空间中存在着交变的高压电场。由于导电通道136位于第二金属体133和第一金属体233之间，在外加电场的作用下（两个金属体之间的高压电场），等离子体束的碰撞电离得到增强，吸附作用相对减弱，随着电子平均能量的增加，因而抑制了等离子体复合，这有助于进一步延长等离子体束的寿命，并且外置电压对等离子体束的增强作用随着电压增加而变好，直至某个极限值后增加缓慢或停止。

而另一方面，图5是本发明电动设备充电系统另一个局部的等效电路图，主要由第二线圈130、耦合线圈230、第二金属体133、第一金属体233和导电通道136组成。第二线圈130和耦合线圈230通过导电通道136相连，其第二线圈130和耦合线圈230的自电感串联构成一个串联电感，而第二金属体133和第一金属体233之间存在着耦合电容，忽略其它杂散电感、电容，串联电感和耦合电容也构建了一个LC谐振电路，根据谐振电路的特点，电路中的能量在串联电感和耦合电容之间不断交换，整个电路中的无功功率是相互抵消的，导电通道的无功内阻不会造成额外的功率损耗，从而保证了导电通道能量传递的高效率。

相对于现有的无线能量传输方案，本申请不使用发射线圈和接收线圈，因此减少了零部件的使用。尤其是现有技术中，大功率无线充电设备的线圈尺寸都很大，对于电动汽车而言，无疑增加了车辆的重量，也增加了成本。本申请使用的方案，可以将电机的绕组共用，进一步降低充电系统的重量，该方法是现有技术无法达到的，其接收线圈不可能与电机绕组共用。

基于等离子体化的导电通道136，可以从原理机制层面克服传输空间路径中能量的损耗，并可以在提供大功率的供电同时提高系统传输的效率，实现电能的远距离直接输送。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种电动设备充电系统，其特征在于，包括：

电池单元（21）、接收电路（22）、接收模块（23）和共用线圈（220）；

所述共用线圈（220）为电机绕组，并通过切换开关（24），择一地联通接收电路（22）或者电池单元（21）；

所述接收模块（23）用于无线充电，所述接收模块（23）具有由接收端电极（231）、耦合线圈（230）组成的接收端回路；所述接收端回路中，还串联有第一金属体（233）；

在充电时，切换开关（24）使共用线圈（220）与所述接收电路（22）联通，接收模块（23）获取电能，并通过耦合线圈（230）与共用线圈（220）耦合，输送电能；

在行驶时，切换开关（24）使共用线圈（220）与电池单元（21）联通，由电池单元（21）给电机供电；

供电端具有发射模块（13），所述接收端电极（231）与所述发射模块（13）匹配；

所述供电端还包括：电源（11）和发射电路（12）；

所述发射电路（12）具有第一线圈（120）；

所述发射模块（13）具有激光器（132）、聚焦透镜（134）和发射端回路，所述发射端回路由发射端电极（131）、第二线圈（130）组成；

所述发射端电极（131）上具有通孔，所述激光器（132）发射的辐射光束经过聚焦透镜（134），再穿过所述通孔射向所述接收端；

所述供电端还包括：第二金属体（133），串联在所述发射端回路中。

2.根据权利要求1所述的电动设备充电系统，其特征在于，

所述接收模块（23）用于有线充电；

供电端具有充电枪，所述接收端电极（231）与所述充电枪连接。

3.根据权利要求1所述的电动设备充电系统，其特征在于，

所述第二线圈（130）向所述发射端电极（131）加载电压，电压值大于1kV。

4.根据权利要求1所述的电动设备充电系统，其特征在于，

发射模块（13）还具有反射单元（135），用于将所述激光器（132）发出的辐射光束反射到所述发射端电极（131）的通孔内。