一种用于移动-静止兼容式电动汽车的无线电能传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线电能传输领域，涉及一种电动汽车，具体涉及一种用于移动-静止兼容式电动汽车的无线电能传输系统。
【背景技术】
[0002]充电技术一直是限制纯电动车行业迅速发展的主要瓶颈，动则五六个小时的充电时间让一般消费者望而却步，尤其在充电网络不发达的地区，用户存在严重“里程焦虑”，即使Tesla的超级充电粧也不能完全解决问题。此外电动汽车电池通常沉重而昂贵，且在充放电期间存在着较多的能量损失。
[0003]电动汽车无线充电采通常用以线圈电磁感应的方式，但由于线圈产生的磁场辐射到次级线圈时会有大量的能量损耗，且由于线圈在车体中占有较大分量，大大增加了电动汽车的重量。常规的方式对线圈的结构、位置等参数要求很高，相匹配的线圈必须处在某一固定的相对位置，这导致此方式不适用于电动汽车在行驶中充电，而必须静止充电。种种原因导致常规的电动汽车无线充电难以推广。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于解决现有无线充电技术带来的问题，提供一种用于移动-静止兼容式电动汽车的无线电能传输系统，该无线电能传输系统能够提高能量传输效率并实现汽车行驶无线充电。
[0005]一种用于移动-静止兼容式电动汽车的无线电能传输系统，包括电动汽车的金属轮毂、铺设于地下的两条金属轨道以及电动汽车内的充电网络；两条金属轨道与外部交流电源相连，并且在金属轨道上连接电感，用于与两条金属导轨之间形成的电容实现LC谐振；电动汽车两侧的金属轮毂通过设置在车轴两端的绝缘连接件绝缘，金属轮毂通过轮胎与金属轨道形成电容；金属轮毂上设置有用于引出电能的电刷，电刷与金属轮毂紧密接触；电动汽车同侧的金属轮毂上的电刷连接到充电网络的同一个输入端上；电动汽车同侧的金属轮毂与金属导轨形成的两个电容相并联。
[0006]所述充电汽车的底部两侧还设置有底板金属，底板金属与金属导轨之间形成电容与金属轮毂和金属导轨之间形成的电容相并联。
[0007]所述充电网络包括整流桥以及蓄电池，整流桥的输入端分别连接电动汽车两侧金属轮毂上的电刷，整流桥的输出端连接到蓄电池的两端。
[0008]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0009]本发明采用经轮胎、底座的方式充电，可以实现电动汽车在移动中迅速高效地无线充电，本发明利用了电动汽车轮胎内表面与导轨之间形成的电容，对电动汽车的改装难度较小，利用了汽车本身结构形成的电容，只需在车内增加整流装置即可给蓄电池充电。对汽车的结构、性能影响不大，降低了该项技术推广的难度。本发明既适用于静止充电也适用于行进中充电，且功率传输效率相同，保证了输出功率的稳定性。
【附图说明】
[0010]图1是本发明的模型仿真示意图；
[0011]图2是本发明的电路原理图；
[0012]图3是本发明充电电压的仿真结果图；
[0013]图4是本发明输入阻抗的仿真结果图。
[0014]其中，I为金属轮毂；2为金属导轨；3为底板金属；4为绝缘连接件；5为轮胎。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0016]参见图1，本发明由交流电源、埋在地下的金属轨道、外加电路、改装后的电动汽车、整流桥及蓄电池构成。具体结构包括电动汽车的金属轮毂1、铺设于地下的两条金属轨道2以及电动汽车内的充电网络；两条金属轨道2与外部交流电源相连，并且在金属轨道2上连接电感L，用于与两条金属导轨2之间形成的电容实现LC谐振；电动汽车两侧的金属轮毂I通过设置在车轴两端的绝缘连接件4绝缘，金属轮毂I通过轮胎5与金属轨道2形成电容；金属轮毂I上设置有用于引出电能的电刷，电刷与金属轮毂I紧密接触；电网络包括整流桥以及蓄电池，整流桥的输入端分别连接电动汽车两侧金属轮毂上的电刷，整流桥的输出端连接到蓄电池的两端。电动汽车同侧的金属轮毂上的电刷连接到充电网络的同一个输入端上；电动汽车同侧的金属轮毂与金属导轨形成的两个电容相并联。充电汽车的底部两侧还设置有底板金属3，底板金属3与金属导轨I之间形成电容与金属轮毂I和金属导轨I之间形成的电容相并联。汽车底部底板金属3之间、同轴金属轮毂I之间存在电容。
[0017]本发明基于电场耦合的无线电能传输技术，在电动汽车领域上应用的原理图如图2所示，通过以下原理实现:
[0018]I)通过对电动汽车的改装，形成了六个电容，包括金属轮毂与轨道之间形成的四个电容、汽车底部的底板金属分别与对应导轨形成的两个电容。使汽车同一侧的三个电容并联，轨道左右侧分别与汽车左右侧构成一个等效电容C。；
[0019]2)埋在地下的金属轨道之间形成电容C1，金属导轨与电动汽车整体可等效为一个电容二端口网络；
[0020]3)汽车底部底板金属之间、同轴轮毂之间存在电容，与整流桥输入端并联，在电路中等效为C2。
[0021]4)将蓄电池等效为一个电容C3，由于交流电经整流变为直流电，后接电容可视为断路，不考虑充电网络对前端网络的影响。蓄电池等效电容接在上述电容二端口网络的输出端，二端口输入端可等效为总电容C。
[0022]5)在供电电源与金属轨道间接入外加电路使输出端的功率最大。假设供电电源为电压源，从电源处看入的输入阻抗最小时，输入功率最大。由于等效电路中均为无源元件，在忽略损耗后可认为输出功率近似等于输入功率，故阻抗最小时输出功率最大；
[0023]6)外加电路为电感L，当参数满足Q2LC = I时，达到串联谐振状态，输入电阻最小。
[0024]对电动汽车的改装方案，具体包括以下步骤:
[0025]I)在汽车轮毂与车轴之间加上绝缘介质，阻断汽车左右两个轮毂之间的电联系，电动汽车轮胎部分形成了四个独立的电容；
[0026]2)在每个金属轮毂处安装固定于车内的电刷，并使轮毂与电刷紧密接触，通过电容传到轮毂处的电流可由电刷引出；
[0027]3)在电动汽车底板上安装两块分开的底板金属，安装形式与地底金属轨道安装形式相同，分别与对应的轨道形成电容；
[0028]4)汽车已形成六个电容。将位于汽车同一侧的前后轮对应电刷、底部的底板金属通过导线相连，使同一侧的三个电容并联，并引出导线向负载供电。左右两侧均如此，构成了两组电容；
[0029]5)左右两侧引出的导线连接到整流桥的输入端，整流桥将交流电转换为直流电，输出给蓄电池供电。
[0030]本发明基于无线电能传输的移动-静止兼容式电动汽车，没有局限于无线充电常规的磁场耦合思路，而是采取新的方式实现无线充电，实现了常规充电方式难以实现的移动中无线充电。该充电方式可实现在移动中经汽车轮胎、底座无线传输电力，并以谐振的方式实现迅速高效地无线充电；该经轨式无线充电技术可以应用于高速公路及普通公路上，可以避免过长的充电等待时间；同时，避免在车内安装笨重的线圈，对车改造所需空间小。采用本发明的无线充电电动汽车尤其可以用在充电网络不发达的地区，避免常规电动汽车沉重而昂贵的蓄电池，且在充放电期间存在着较小的能量损失。由于常规的方式对线圈的结构、位置等参数要求很高，相匹配的线圈必须处在某一固定的相对位置，这导致此方式不适用于电动汽车在行驶中充电，而必须静止充电。而该采用新型无线充电技术的电动汽车则可以有效地实现汽车在行驶中充电。
[0031]本发明利用阻抗分析仪测得轨道间电容、电动汽车改造后的六个电容，由蓄电池的参数算出蓄电池的等效电容值，可得到图2的部分参数。依据电源可产生的信号频率范围，合理选择电感参数，使满足ω2ΙΧ= I。将电源接到金属轨道两端供电，测量一定时间内蓄电池电压的变化量。以单位时间内给蓄电池充电的电量衡量充电效率。
[0032]根据搭建的充电模型参数进行电路仿真，其中L = 527uH, CO = 19.0pF,Cl = 9pF，C2 = 10pF。仿真结果如图3和图4所示，当电源频率为1.88Mhz时，整流桥前端输入电压达到峰值，输入阻抗达到最小值。由理论计算得出系统的谐振频率为1.86Mhz，二者较为吻合。说明系统确实在达到LC谐振时充电效果最好。
[0033]以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于移动-静止兼容式电动汽车的无线电能传输系统，其特征在于:包括电动汽车的金属轮毂(I)、铺设于地下的两条金属轨道(2)以及电动汽车内的充电网络；两条金属轨道(2)与外部交流电源相连，并且在金属轨道(2)上连接电感(L)，用于与两条金属导轨(2)之间形成的电容实现LC谐振；电动汽车两侧的金属轮毂(I)通过设置在车轴两端的绝缘连接件(4)绝缘，金属轮毂(I)通过轮胎(5)与金属轨道(2)形成电容；金属轮毂(I)上设置有用于引出电能的电刷，电刷与金属轮毂(I)紧密接触；电动汽车同侧的金属轮毂上的电刷连接到充电网络的同一个输入端上；电动汽车同侧的金属轮毂与金属导轨形成的两个电容相并联。
2.根据权利要求1所述的用于移动-静止兼容式电动汽车的无线电能传输系统，其特征在于:所述充电汽车的底部两侧还设置有底板金属(3)，底板金属(3)与金属导轨(I)之间形成电容与金属轮毂(I)和金属导轨(I)之间形成的电容相并联。
3.根据权利要求1所述的用于移动-静止兼容式电动汽车的无线电能传输系统，其特征在于:所述充电网络包括整流桥以及蓄电池，整流桥的输入端分别连接电动汽车两侧金属轮毂上的电刷，整流桥的输出端连接到蓄电池的两端。
【专利摘要】本发明公开了一种用于移动-静止兼容式电动汽车的无线电能传输系统，包括铺设于地下的两条通电金属轨道，电动汽车两侧的金属轮毂通过设置在车轴两端的绝缘连接件绝缘，金属轮毂通过轮胎与金属轨道形成电容；金属轮毂上设置有用于引出电能的电刷；电动汽车同侧的金属轮毂上的电刷连接到充电网络的同一个输入端上。本发明可实现在移动中经汽车轮胎、底座无线传输电力，并以谐振的方式实现迅速高效地无线充电；同时，避免在车内安装笨重的线圈，对车改造所需空间小。采用本发明的无线充电电动汽车尤其可以用在充电网络不发达的地区，避免常规电动汽车沉重而昂贵的蓄电池，且在充放电期间存在着较小的能量损失。
【IPC分类】B60L11-18, H02J7-02
【公开号】CN104816646
【申请号】CN201510155956
【发明人】方宇娟, 周全, 陈宇飞, 黄启航, 王曙鸿, 王一凯
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月2日