CN206077030U - 一种电动公交车的无线充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线供电技术领域，公开了一种电动公交车的无线充电装置，包括设在道路上的电源模块、电源侧功率变换器和电磁场发射单元，以及设在电动公交车上的电磁场接收单元和汽车侧功率变换器；所述电源模块、电源侧功率变换器与电磁场发射单元依次连接，所述电磁场接收单元与汽车侧功率变换器连接。相比于现有技术，本实用新型的有益效果是：本实用新型可在公交车行驶过程中，在公交车即将到站时的减速过程以及等待乘客上下车的间隙进行动态充电，尽力减少无线充电装置数量，并克服了传统电动汽车的续航距离短和静态充电站耗资巨大的问题；此外，该装置施工方便，防损防盗，电磁辐射影响小，且能满足城市美化要求，市场前景广阔。

Description

一种电动公交车的无线充电装置

技术领域

本实用新型涉及无线供电技术领域，具体地，涉及一种应用于电动公交车的无线充电装置。

背景技术

在当今世界，发展电动汽车是节能环保和低碳经济的需求，其前景广泛被看好。但电动汽车的电池储电能量小、充电时间长、续航能力有限、充电基础设施不够完善等问题却成为电动汽车发展的重大阻碍。按充电介质的不同，电动汽车的充电方式可分为有线充电和无线充电方式。传统的有线充电方式受到接口的限制，只能在同一时间为一台电动汽车充电，且充电器输出高电压，充电插头在插拔过程中存在着发热、电火花、漏电等安全隐患。

无线充电方式是未来电动汽车供电技术的发展趋势，无线充电方式不存在与电网的物理连接，具有节约电线资源、更加灵活美观、更加安全可靠等优良特性。电动汽车的无线充电常采用感应磁耦合式和谐振磁耦合式这两种无线充电技术。其中，感应耦合式无线供电技术通过电磁感应原理进行能量传输，但其最大缺陷就是能量传输的距离短，传输效率对距离的改变过于敏感，适合于传统加油站的充电站等应用场合。谐振磁耦合式无线供电技术是通过谐振器上电感与分布式电容发生谐振来传输能量，进而对电动汽车进行能量供应。该无线充电方式是一种较为高效的无线电能传输方式，对不同频率的物体几乎没有影响，不需要车载共振线圈和电源共振线圈完全对准，适合应用于中程无线供电和高效率场合。

作为目前国际的前沿科技之一，无线充电技术产业化一直是全球各国全力推进的重点。目前，公交领域已成为电动汽车加速推广的重点领域。与普通的小轿车相比行驶路线不定相比，公交车有其固定的线路，在公交领域使用无线充电技术有利于充电设备的安置。在实际应用中，用户将车开到指定充电区域自行充电的方式称为电动汽车静态无线供电方式。然而，这种传统的静态无线供电方式存在着充电频繁、续航里程短、电池组较为笨重等问题，并且在电动汽车在前往充电站充电时可能带来不必要的空驶里程，浪费额外的电能。而是对于电动巴士这一类的公交车辆，连续续航能力是格外重要的。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电动公交车的无线充电装置，该装置可为行驶中的电动公交车实时充电，解决了电动公交车静态无线供电存在不足，提高电动公交车的续航能力，使电能补给更加便捷。

为了实现上述技术效果，本实用新型所采用的技术方案是：一种电动公交车的无线充电装置，包括设在道路上的电源模块、电源侧功率变换器和电磁场发射单元，以及设在电动公交车上的电磁场接收单元和汽车侧功率变换器；所述电源模块、电源侧功率变换器与电磁场发射单元依次连接，所述电磁场接收单元与汽车侧功率变换器连接。上述电源侧功率变换器将电源模块的交流电经过变压变频输送到上述电磁场发射单元，电磁场发射单元与电磁场接收单元相互配合，根据电磁感应原理无线传输电能；上述汽车侧功率变换器，用于将电磁场接收单元接收到的高频交流电整流为直流电，再经过电压变换，供给电动公交车的车载电池及负荷单元。电动公交车可以在行驶途中实时充电，无需驶进充电站等待较长时间。

作为优选，所述电磁场发射单元设于道路下方，所述电磁场接收单元设于电动公交车的底盘上。由于电动公交车的底盘与地面之间的高度较小，故此设计可缩短电磁场发射单元与电磁场接收单元之间的距离，进而提高电能的无线传输效率。

作为优选，所述的电磁场发射单元中的发射线圈是由金属导体顺时针绕制的多层螺旋形线圈，每层线圈的首端和尾端分别相连，不同层线圈并联绕制，起到增强磁场强度的作用。进一步地，作为优选，所述的电磁场接收单元中的接收线圈由若干六边形平面线圈单元排列构成的阵列线圈。再进一步地，所述接收线圈设有偶数层且互相交错重叠，奇数层的线圈单元中心点与偶数层线圈单元的边缘弯折点位置相对。为了进一步提高电动公交车的充电效率，车载电池采用了超级电容，能够实现短时间内快速充电的效果。

作为优选，所述电磁场发射单元还依次连接有无线充电控制模块和车辆识别模块。进一步地，所述车辆识别模块采用RFID射频技术，可依照实际需求调整RFID系统频段，车辆识别模块由设在电动公交车上的电子标签，及设在道路上的读写器和数据处理终端组成，所述数据处理终端优选为工控机。其中，读写器设有若干个，均与一个数据处理终端连接。在电动公交车行驶途中，经过电磁场发射单元之前先要经过读写器识别公交车电子标签内的公交车信息。电子标签作为确认电动公交车身份的依据，读写器和数据处理终端用于接收和处理电动公交车的身份信息。在数据处理终端确认电动公交车的身份信息后，会将数据发送至无线充电控制模块，避免对其他车辆误识别导致误充电。当无线充电控制模块开始工作，首先对电动公交车定位，当电动公交车坐标落在对应的电磁场发射单元的充电区域内，控制该电磁场发射单元与电源侧功率变换器间的继电器开关闭合，激励该电磁场发射单元，电动公交车开始充电。

再进一步地，所述电磁场发射单元的回路中设有电流传感器。当无线充电控制模块通过电流传感器检测到当前激励正在工作的电磁场发射单元回路中的电流值由满载到空载变化时，将该空载电磁场发射单元与电源侧功率变换器断开。直到电动公交车离开某段充电路段的最后一个电磁场发射单元后，无线充电控制模块将最后一个检测到空载的电磁场发射单元切除激励，并停止对电动公交车的定位，本段充电过程结束。

相比于现有技术，本实用新型的有益效果是：

1、可在电动公交车行驶过程进行动态充电，克服了传统电动汽车的续航距离短的问题，节省了电动公交车前往静态充电站往返的空驶里程消耗额外的电能。

2、解决了电动汽车在静态充电站的充电耗时长的问题，并且充电过程无需手工操作，提高了充电便捷性与充电效率。

3、无线充电客车可减少电池配置，降低车辆负重与整车成本；解决了静态充电站和充电站停车位占地面积大，充电站人力、管理成本大的问题，节省了资金。

4、本实用新型尤其充分利用了电动公交车在即将到站时的减速阶段以及乘客上下车阶段、红绿灯路口、窄桥等车速慢的路段进行充电，减少无线充电装置数量，增加了平均每个电磁场发射单元对电动公交车的充电时间。

5、本无线充电装置，加设了基于RFID技术的对电动公交车识别的模块，避免了普通传感器对其他车辆的误识别而可能导致的误充电，起到了准确充电的作用。

6、施工方便，防盗防损，电磁辐射影响小，无有害气体排放，满足城市美化要求，市场前景广阔。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的激励线圈和接收线圈中导线的横截面结构图；

图3为本实用新型的激励线圈和接收线圈中导线的A-A截面图；

图4为本实用新型的激励线圈与接收线圈的主视图；

图5为本实用新型的车辆识别模块的结构示意图；

附图中标记对应的部件名称如下：1为电源模块，2为电源侧功率变换器，3为电磁场发射单元，4为车辆识别模块，5为无线充电控制模块，6为电磁场接收单元，7为汽车侧功率变换器；41为电子标签，42为读写器，43为数据处理终端。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细介绍，以下文字的目的在于说明本实用新型，而非限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型可按照如下方式实施，一种电动公交车的无线充电装置，包括设在道路上的电源模块1、电源侧功率变换器2和电磁场发射单元3，以及设在电动公交车上的电磁场接收单元6和汽车侧功率变换器7；所述电源模块1、电源侧功率变换器2与电磁场发射单元3依次连接，所述电磁场接收单元6与汽车侧功率变换器7连接。所述电磁场发射单元3还依次连接有无线充电控制模块5和车辆识别模块4。

以下就各部分的具体结构和功能作具体说明：

所述电源模块1的输入电压可依照实际需求调整，本实用新型预设电源模块1的输入电压为电网供电电压380V。

所述电源侧功率变换器2电连接于电源模块1，接收来自电源模块1输入的电能。电源侧功率变换器2包括整流滤波模块和功率震荡模块两个部分。其中，整流滤波模块的作用是通过整流来将电源模块1输入的交流电整流为直流电，再通过滤波消除整流输出的直流电中的高次谐波，从而输出恒定电压直流电。功率震荡模块将整流滤波后的恒定电压直流电转换为适应负载频率要求的交变电流，功率震荡模块输出交变电流的频率可依照实际需求调整，本实用新型的输出交变电流的频率为100kHz。

所述电磁场发射单元3安装于道路下，与电源侧功率变换器2电连接，电磁场发射单元3的发射线圈在电源侧功率变换器2中功率震荡模块输出的交变电流的作用下，产生交变电磁场。电磁场接收单元6安装于电动公交车底盘上，磁通量的变换从而产生感应电流。为实现高效谐振磁耦合式电能的无线传输，要求电能发送侧和电能接收侧这两部分工作在同一频率。本实用新型采用下述方法保持频率的一致性：测定发射线圈的谐振频率，通过串联或并联电容的方式来调整该线圈的谐振频率；同理，接收线圈也通过串联或并联电容的方式来调整出一致的谐振频率。此外，为有效降低电磁辐射影响，本实用新型使线圈调整后的谐振频率达到kHz级别，kHz级别频率为较低频率级别，有效降低了电磁辐射影响。

如图2、3所示，电磁场发射单元3中的激励线圈和电磁场接收单元6中接受线圈的导线是由金属导体顺时针绕制的多层平面螺旋形线圈。金属导体采用半径4mm的铜线顺时针绕制获得，其内半圆半径为50mm，径向节距为50mm，从内向外按顺时针旋转方向逐次递加半径值直到达到想要的线圈大小即可，导线的截面结构图如图2所示。不同层次线圈并联绕制，每层线圈的绕制起始端相连，尾端也相连，起到增强磁场强度的作用，导线的轴线A-A截面图如图3所示。

如图4所示，电磁场发射单元3中的激励线圈和电磁场接收单元6中的接收线圈均由若干平面正六边形的线圈单元排列构成的线圈组，所述线圈单元为由上述导线弯折而成。不同线圈单元之间的排列依照正六边形的边与边相对应进行紧密排列。线圈组经过双数层交错重叠，让下一层的线圈单元中心点与上一层线圈单元的边缘弯折点位置相对应。图中正六边形为简化了的线圈单元，没有体现出螺旋形的环绕状态。虚线部分与实现部分表示处于不同层的线圈组。正六边形的内边轴线距其中心100mm，外边轴线距其中心130mm，径向节距为10mm。上述线圈单元的形状、尺寸、匝数、材质及排列等是本实用新型的优选方案，但并不限于上述内容，可依照实际情况进行调整。例如，线圈单元可以为平面三角形线圈、平面圆形线圈、平面正方形线圈等，线圈单元也可以排列成三角形、圆形、正方形等。

此外，电磁场发射单元3回路装有电流传感器，用于后续停止激励时检测回路电流值的变化判断发射线圈是否处于空载。

汽车侧功率变换器7用于将充电过程中电磁场接收单元6接收到的高频交流电整流为直流电，再经过电压变换，才能供给车载电池及负荷单元使用。电动公交车的电池部分采用超级电容，能够实现短时间内快速充电的效果。

无线充电控制模块5主要有两个功能：一是用于对进入充电区的电动公交车进行定位，采用红外传感器或超声波传感器来实现定位功能，优选使用红外传感器和超声波传感器组合定位，精度较高，有利于对公交车进行精确定位；二是根据控制电磁场发射单元3与电源侧功率变换器2的通断，不同的电磁场发射单元3和电源侧功率变换器2之间均通过继电器开关相连。当无线充电控制模块5开始工作时，对已识别的电动公交车实施定位，将公交车坐标与电磁场发射单元3坐标进行比对，公交车坐标一旦落在相应的电磁场发射单元3坐标范围内，控制电磁场发射单元3与电源侧功率变换器2间的继电器开关闭合。此时能量由电磁场发射单元3向电磁场接收单元6传输，电动公交车开始充电。

所述车辆识别模块4采用2.4GHz频段的RFID系统，如图5所示，由附在电动公交车车头上的电子标签41，及设在道路上的读写器42和数据处理终端43组成；其中，读写器42设有若干个，均与一个数据处理终端43连接，用于接收和处理读写器42传输的数据。所述数据处理终端43为工控机。电子标签中储存着公交车的具体信息；读写器采用固定式读写器，读写器安装于公交车站的站头处，在公交车行驶途中，在行经电磁场发射单元3之前先要经过读写器识别公交车车头处的电子标签信息，避免对其他车辆误识别导致误充电。当电子标签41进入读写器42的磁场区域后,接收到读写器42发出的信号,凭借感应电流所获得的能量将射频信号返回给读写器42，读写器42读取信息并译码后，送至数据处理终端43进行处理。数据处理终端43确认电动公交车身份后，启动无线充电控制模块5工作。

本实用新型的工作过程及原理为：

所述电磁场发射单元3和电磁场接收单元6均可设有多组。尤其是公交车站，还有红绿灯路口、窄桥等一些车速慢的路段，或者两相邻站台之间的距离较远且中途没有红绿灯的路段，可根据实际情况加装电磁场发射单元3。

在电动公交车行驶途中，经过电磁场发射单元3之前先要经过读写器42识别公交车电子标签41内的公交车信息，控制启动无线充电控制模块5开始工作。当无线充电控制模块开始工作，首先对电动公交车定位，当电动公交车坐标落在对应的电磁场发射单元的充电区域内，控制该电磁场发射单元与电源侧功率变换器间的继电器开关闭合，激励该电磁场发射单元，电动公交车开始充电。

当公交车离开电磁场发射单元3时，电磁场发射单元3回路的电流传感器将会检测到回路电流值的变化，无线充电控制模块5检测到原本处于激励状态的电磁场发射单元3回路中的电流值由满载到空载变化时，将该空载电磁场发射单元3与电源侧功率变换器2间的继电器开关断开，取消对其激励。直到电动公交车离开某段充电线路的最后一个电磁场发射单元3后，无线充电控制模块5将最后一个检测到空载的电磁场发射单元3切除激励，并停止对电动公交车的定位，本装置各个模块恢复充电前的状态，充电过程结束。

Claims (9)

1.一种电动公交车的无线充电装置，其特征在于：包括设在道路上的电源模块（1）、电源侧功率变换器（2）和电磁场发射单元（3），以及设在电动公交车上的电磁场接收单元（6）和汽车侧功率变换器（7）；

所述电源模块（1）、电源侧功率变换器（2）与电磁场发射单元（3）依次连接，所述电磁场接收单元（6）与汽车侧功率变换器（7）连接。

2.根据权利要求1所述的一种电动公交车的无线充电装置，其特征在于：所述电磁场发射单元（3）设于道路下方，所述电磁场接收单元（6）设于电动公交车的底盘上。

3.根据权利要求1所述的一种电动公交车的无线充电装置，其特征在于：所述电磁场发射单元（3）中的激励线圈和电磁场接收单元（6）中的接收线圈的导线为由多层金属导体绕制的螺旋形线圈首尾相连而成。

4.根据权利要求3所述的一种电动公交车的无线充电装置，其特征在于：所述激励线圈和接收线圈为由若干六边形平面线圈单元排列构成的阵列线圈。

5.根据权利要求4所述的一种电动公交车的无线充电装置，其特征在于：所述激励线圈和接收线圈设有偶数层且互相交错重叠，奇数层线圈单元的中心点与偶数层线圈单元的边缘弯折点位置相对。

6.根据权利要求1所述的一种电动公交车的无线充电装置，其特征在于：所述电磁场发射单元（3）还依次连接有无线充电控制模块（5）和车辆识别模块（4）。

7.根据权利要求6所述的一种电动公交车的无线充电装置，其特征在于：所述车辆识别模块（4）由设在电动公交车上的电子标签（41），及设在道路上的读写器（42）和数据处理终端（43）组成；其中，读写器（42）设有若干个，均与一个数据处理终端（43）连接。

8.根据权利要求7所述的一种电动公交车的无线充电装置，其特征在于：所述数据处理终端（43）为工控机。

9.根据权利要求7所述的一种电动公交车的无线充电装置，其特征在于：所述电磁场发射单元（3）的回路中设有电流传感器。