一种动态无线传电通道、道路、系统的制作方法

本发明属于无线传电领域，尤其涉及一种动态无线传电通道、道路、系统。

背景技术：

随着各国政府鼓励对新能源汽车的投入，电动汽车作为一个较为可行的选项，获得广泛支持。

传统电动汽车充电需要特定的充电桩，通过线缆与充电桩连接，以从充电桩获取电能，但是，如今最大的问题是电池技术不能跟上电动汽车的发展，一是电容器容量有限，不能支持电动汽车的长行程需求，二是充电速度慢，每次充电均需要数小时的时间，时间过长。

因此，因电池技术的限制，使得电动汽车不能进行长途行驶，严重影响了电动汽车的普及和发展。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种多段式动态无线传电通道、道路、系统，旨在解决因电池技术的限制，使得电动汽车不能进行长途行驶，严重影响了电动汽车的普及和发展的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种多段式动态无线传电通道，包括用于行车的路面，还包括：

多个磁共振无线传电装置，设置在所述路面之下，并沿路面行车方向成列排布，用于对需传电车辆进行磁共振无线传电；

其中，所述磁共振无线传电装置包括：

发射端线圈；以及

高频交流电源，对所述发射线圈提供高频交流电。

本发明实施例还提供一种动态无线传电道路，包括：

至少两条并列放置的如上所述的动态无线传电通道。

本发明实施例还提供一种动态无线传电系统，包括：

需传电车辆；以及

如上所述的动态无线传电道路，可对所述需传电车辆进行磁共振无线传电；

其中，所述需传电车辆包括：

接收端线圈，可与发射端线圈配合实现磁共振无线收电；以及

电容器，与所述接收端线圈连接，存储由所述接收端线圈接收的电能，可为所述需传电车辆供电。

本发明实施例中，采用多个磁共振无线传电装置组成的无线传电通道，可以利用发射端线圈与需传电汽车之间形成磁共振效应进行传电，使得汽车无需行驶至专门的充电桩进行充电，只需行驶在无线传电通道即可通过无线传电装置获取电能，大大节省了充电时间，汽车充电更加灵活、方便；且磁共振传电效率高，可以降低能源消耗，采用多个磁共振无线传电装置也可以节省建造成本，及维护成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的磁共振式无线传电的原理结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种动态无线传电系统的电路等效结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种动态无线传电通道的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的多个磁共振无线传电装置的结构连接示意图；

图5是本发明实施例提供的动态无线传电系统中发射端线圈以及接收端线圈结构示意图；

图6是本发明实施例提供的动态无线传电道路中两个发射端线圈之间的互感仿真结果图；

图7是本发明实施例提供的一种动态无线传电道路的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种动态无线传电系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的磁共振式无线传电的原理结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

磁共振无线传电系统，通常由高频交流电源12、发射端线圈11、接收端线圈21和负载22组成，并且使发射端与接收端的谐振频率一致，以产生磁共振效应。当系统正常工作，且高频交流电源12的工作频率与谐振频率一致时，接收端线圈21与发射端线圈11发生共振，从而实现磁共振无线传电。

图2、3示出了本发明实施例的一种动态无线传电系统及动态无线传电通道的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

一种动态无线传电通道，包括用于行车的路面，还包括：

多个磁共振无线传电装置，设置在路面之下，并沿路面行车方向成列排布，用于对需传电车辆进行磁共振无线传电；

其中，磁共振无线传电装置包括：

发射端线圈11；以及高频交流电源12，对发射线圈提供高频交流电。

采用多个磁共振无线传电装置组成的无线传电通道，可以利用发射端线圈11与需传电汽车2之间形成磁共振效应进行传电，使得汽车2无需行驶至专门的充电桩进行充电，只需行驶在无线传电通道即可通过无线传电装置获取电能，大大节省了充电时间，汽车2充电更加灵活、方便；且磁共振传电效率高，可以降低能源消耗，采用多个磁共振无线传电装置也可以节省建造成本，及维护成本。

在本发明实施例中，将一个磁共振无线传电装置的有效传电覆盖范围定义为一个子供电区域，其中，p1、p2…pn为大功率高频交流电源12，整个动态供电轨道被分成若干个子供电区域，每个区域均配备了一个发射端线圈11，每个发射端线圈11通过一个继电器13与高频交流电源12相连。

在磁共振无线传电装置中还设置有汽车感测模块14，当电动汽车2驶入某一个子供电区域时，相应的汽车感测模块14就会触发该磁共振无线传电装置中的继电器13，使之接通高频交流电源12，电动汽车2即可与该磁共振无线传电装置形成磁共振效应，获得电能。当电动汽车2离开某一个子供电区域时，相应的继电器13就断开高频交流电源12以节省电能。因此，当需传电汽车2在多段式供电区域内运行时，各个子供电区域将随小车的运行依次打开为需传电汽车2提供电能，从而实现对需传电汽车2的动态无线供电。

作为本发明一个实施例，优选的，汽车感测模块14为相位感测模块，该相位感测模块通过感测磁共振无线传电装置与需传电车辆之间的磁共振相位角变化，确定需传电车辆与磁共振无线传电装置的相对位置，以控制磁共振无线传电装置的启闭。

在本发明实施例中，参考图3，当汽车沿着动态供电通道行驶时，根据通道和电动汽车的线圈等参数，即可计算出线圈中电流滞后于高频交流电源12或信号电路电压的相位角的变化，根据该相位角的变化即可判断汽车与供电线圈边缘的相对位置。具体的，当系统判断该汽车与某一子供电区域的发射端线圈11与高频交流电源12之间有相角变化，并且，某一时间段内其相角差值小于一预设值，此时可以确定该汽车位于该子供电区域，则会对该汽车进行无线传电。当系统判断该汽车与某一子供电区域的发射端线圈11与高频交流电源12之间有相角变化，并且，某一时间段内其相角差值大于或等于一预设值，此时可以确定该汽车驶离该子供电区域，则会对无线传电单元进行关闭，以节约电能。

进一步的，相角可以通过公式获取：

具体的计算方法为，参考图2，首先令所有供电区域发射端的谐振角频率均一致为ωp0，接收端谐振角频率为ωs0，则发射端和接收端的品质因素qp和qs可以表示为：

映射阻抗即把接收端的阻抗换算到发射端时的等效阻抗，设为zsreflect，且有：

则可得：

设发射端与接收端工作频率相对于谐振频率的偏移量为fp和fs则有：

上式中，ω为工作角频率。把公式以及(3)、(5)和(6)代入式(4)中可得：

联合上述公式，则可得发射端的电压与电流间的相角公式。

磁共振无线传电装置通过使用相位感测模块，可以准确地获知汽车2与发射端线圈11边缘之间的相对位置，并且，通过相位感测模块感测汽车2的位置，可以适应路面状况，无需另外改造路面即可使用，能够降低建造成本，适合应用于磁共振无线传电技术上。

作为本发明另一个实施例，可以理解的，汽车感测模块14还可以采用红外传感器、压感传感器、图像传感器等一种或多种可感知车辆驶入的传感器，以提供准确的车辆位置判断，并通过传感器所获取的车辆位置数据，启停所述磁共振无线传电装置。

在实际应用当中，汽车感测模块14可以通过一独立的小功率供电模块获取电能，以保证在关闭高频交流电源12时获取足够的供电。当车辆驶入该磁共振无线传电装置的子供电区域时，汽车感测模块14可以获取车辆与发射端线圈11边缘之间的相对位置，当其进入到自供电区域时，触发启动高频交流电源12的指令，以使磁共振无线传电装置的发射端线圈11进入工作状态，为汽车2进行磁共振无线传电。当汽车感测模块14感测到车辆驶出该磁共振无线传电装置的子供电区域时，触发关闭高频交流电源12的指令，以节省能源。

汽车感测模块14可为磁共振无线传电装置提供汽车2的参考位置，使得磁共振无线传电装置只在汽车2驶经其所对应的子供电区域时，才为汽车2进行供电，并在汽车2驶离子供电区域时，关闭磁共振无线传电装置，可以有效节约能源，提高设备的使用寿命。

参见图4，在本发明实施例中，磁共振无线传电装置包括发射端线圈11，以及对发射线圈提供高频交流电的高频交流电源12。其中，高频交流电源12包括高压直流电源，以及将高压直流电源进行电流逆变处理，形成高频交流电源12，并输出至发射端线圈11的逆变器。

优选的，在动态无线传电通道中，多个磁共振无线传电装置中的高压直流电源为同一高压直流电源，可以理解的，高频交流电源12因其固有特性，若在通道上进行长距离传电，则会造成较大的能源损耗，并对线缆有较高的要求，提高无线传电通道的运营成本。而在本实施例中，采用高压直流电作为输电方案，具有传输损耗小，所产生的磁场干扰小等有益效果，使得磁共振无线传电装置的供电系统更加节能、可靠。

在本发明实施例中，磁共振无线传电装置还包括连接在所述高频交流电源12与发射端线圈11之间的可调补偿电容c。由于系统工作在高频状态下，发射端线圈11和接收端线圈的寄生电容不能忽略，需要利用可调补偿电容c进行补偿。该可调补偿电容c用于调节所述磁共振无线传电装置的谐振频率，以实现发射端线圈11的谐振频率与所述需传电车辆的接收端线圈一致，提高磁共振传电效率。

采用可调补偿电容c，可以根据装置实际的参数值，来灵活调整发射端线圈11的谐振频率，可以保证发射端线圈11的谐振频率尽量与汽车2的接收端线圈的谐振频率一致，提高磁共振传电的传输效率。

实际应用中，一定范围内相同频率的线圈之间，能量会以无线能量传输的方式进行传递。在本发明实施例中，由于各个子供电区域的发射端线圈11谐振频率均与电动汽车2一致，以至于相互之间谐振频率均一致，因此，当系统正常运行时，某一个子供电区域检测到汽车2接通高频交流电源12之后，能量不仅会从该子供电区域的发射端线圈11传递到轨道上运行的小车所搭载的接收端线圈，还会与相邻子供电区域的发射端线圈11内产生感应电流。

因此，进一步的，相邻两个磁共振无线传电装置之间的感生电流与工作电流间的比值应小于1:10。在实际中，当两线圈相应参数以及高频电压一定时，接收端线圈内感生电流的大小仅与互感m的大小有关。而当线圈参数一定时，m的大小仅与两线圈的距离有关，因此此时接收端线圈内的感生电流仅与距离有关。

参见图5，为本发明实施例提供的一种磁共振传电系统中发射端线圈以及接收端线圈的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

在本发明实施例中，参考图1，1号线圈视为发射端线圈11，相关参数分别为2w1＝650mm，2h1＝76mm，高度l1＝16mm，匝数n1＝15，自感l1＝186.7uh，内阻r1＝0.642ω，补偿电容c1＝18.76nf；2号线圈视为接收端线圈21，相关参数分别为2w2＝650mm，2h2＝76mm，高度l2＝16mm，匝数n2＝15，自感l2＝194.73uh，内阻r1＝0.612ω，补偿电容c1＝19.76nf，工作电压取uac＝40v，可得仿真图如图6所示。

由图6可以看出，当两模拟线圈中心距离约为s＝0.72m时，感生电流为零，当两线圈中心距离较远(s>1.2m)时，感生电流较小可忽略不计。

可以理解的，本发明在布设子供电区域线圈时，可将实际参数按照上述方法进行仿真寻找最佳的线圈布设间距，并结合仿真与真实条件的差异的实际情况适当调整线圈间距，使得当一个发射端线圈11接通大功率电源时，相邻的发射端线圈11中的感生电流与线圈内的工作电流间的比值应小于1:10，以使感生电流对系统的传输效率干扰降到最低，提高磁共振传电系统的能量传输效率。

在本发明实施例中，参考图4，磁共振无线传电装置在为汽车进行磁共振传电的过程中，为了节省能源，优选的，磁共振无线传电装置与需传电车辆之间的磁共振传电效率大于80％。具体的，磁共振传电效率由公式获得：

其中，pp发射端线圈11的功率，ps为接收端线圈21的功率，当磁共振传电效率大于80％时，磁共振传电系统可以获得较佳的传电效果，使得磁共振传电系统更加节能、高效，可缩短动态无线传电通道的布设距离，降低通道的建造成本。

并且，可以理解的，在子供电区域的发射端线圈11的设计中，线圈的宽度与需要充电的电动汽车的宽度相当即可，例如单车道动态无线充电通道，线圈宽度设计为2到3米即可。在子供电区域的发射端线圈11的设计中，线圈的长度可按照实际的需求与限制来确定。

在本发明实施例中，采用多个磁共振无线传电装置组成的无线传电通道，可以利用发射端线圈11与需传电汽车之间形成磁共振效应进行传电，使得汽车无需行驶至专门的充电桩进行充电，只需行驶在无线传电通道即可通过无线传电装置获取电能，大大节省了充电时间，汽车充电更加灵活、方便；且磁共振传电效率高，可以降低能源消耗，采用多个磁共振无线传电装置也可以节省建造成本，及维护成本。

参见图7，为本发明实施例提供的一种动态无线传电道路的结构。

在本发明实施例中，动态无线传电道路包括至少两条并列放置的如上述图1-5所示的动态无线传电通道。其中每条动态无线传电通道包括：

多个磁共振无线传电装置，设置在路面之下，并沿路面行车方向成列排布，用于对需传电车辆进行磁共振无线传电。

其中，磁共振无线传电装置包括：发射端线圈11；以及高频交流电源，对所述发射线圈提供高频交流电。

每一动态无线传电通道的原理可参考对上述图1-5的描述介绍，本发明实施例在此不再赘述。

作为本发明一个实施例，地形复杂弯道多的动态无线传电通道可采用线圈长度短数量多的设计。当然，地形简单直道多的动态无线传电通道也可采用长度长数量少的设计。这样可使需传电汽车始终与道路上的发射端线圈11形成较为高效的能量传输环境，且可以根据情况节省磁共振无线传电装置的建造成本。

在本发明实施例中，采用至少两条并列的无线传电通道，可以在一并列位置上使多辆需传电汽车与无线磁共振无线传电装置的发射端线圈11形成磁共振效应进行传电，使得汽车无需行驶至专门的充电桩进行充电，只需行驶在无线传电通道即可通过无线传电装置获取电能，大大节省了充电时间，汽车充电更加灵活、方便；且磁共振传电效率高，可以降低能源消耗，采用多个磁共振无线传电装置也可以节省建造成本，及维护成本。

进一步的，在相邻两条动态无线传电通道之间，相邻两个磁共振无线传电装置之间的感生电流与工作电流间的比值小于1:10。在实际中，当两线圈相应参数以及高频电压一定时，接收端线圈21内感生电流的大小仅与互感m的大小有关。而当线圈参数一定时，m的大小仅与两线圈的距离有关，因此此时接收端线圈21内的感生电流仅与距离有关。

参见图5、图6，本发明在布设子供电区域线圈时，可将实际参数按照上述方法进行仿真寻找最佳的线圈布设间距，并结合仿真与真实条件的差异的实际情况适当调整线圈间距，令两条动态无线充电通道相邻的发射端线圈11中的感生电流与线圈内的工作电流间的比值应小于1:10，以使感生电流对系统的传输效率干扰降到最低，提高磁共振传电系统的能量传输效率。

参见图8，为本发明实施例提供的一种动态无线传电系统。其中，该动态无线传电系统包括：

需传电车辆；以及

可对所述需传电车辆进行磁共振无线传电的如图7所示的动态无线传电道路。

其中，需传电车辆包括可与发射端线圈11配合实现磁共振无线收电的接收端线圈21；以及与所述接收端线圈21连接，存储由所述接收端线圈21接收的电能，可为所述需传电车辆的负载22供电的电容器23。

在本发明实施例中，该动态无线传电道路的详细结构可参考图1-7示出的动态无线传电通道、道路，本发明实施例在此不再赘述。

作为本发明一种实施例，接收端线圈21位于车辆内，优选的可以位于车辆下部，以靠近路面，提高电能传输效率。并且，该接收端线圈21的工作谐振频率应与动态无线传电道路上的发射端线圈11功率一致，以组成磁共振传电系统。

需传电车辆中的电容器23可以为锂离子或锂聚合物电池，或者其他可存储电能的电容器23，并与接收端线圈21连接，当车辆位于动态无线传电道路的磁共振无线传电装置子供电区域时，可以通过接收端线圈21获取电能，并将其进行存储，以保证车辆的负载22在动态无线传电道路外的供电。

在本发明实施例中，汽车感测模块可以通过一独立的小功率供电模块获取电能，以保证在关闭高频交流电源时获取足够的供电。当车辆驶入该磁共振无线传电装置的子供电区域时，汽车感测模块可以获取车辆与发射端线圈11边缘之间的相对位置，当其进入到自供电区域时，触发启动高频交流电源的指令，以使磁共振无线传电装置的发射端线圈11进入工作状态，为汽车进行磁共振无线传电。此时，汽车上的接收端线圈21会与发射端线圈11形成磁共振效应，并接受到发射端线圈11所传输的电能，存储到与之连接的电容器23内。

当汽车感测模块感测到车辆驶出该磁共振无线传电装置的子供电区域时，触发关闭高频交流电源的指令，汽车上的接收端线圈21会因磁共振无线传电装置关闭而与其结束磁共振效应，结束接收电能并往下一子供电区域驶去，重复上述步骤，直至离开动态无线传电道路的有效传电区域。

在本发明实施例中，动态无线传电通道与需传电车辆组成动态无线传电系统，可以利用发射端线圈11与需传电汽车之间形成磁共振效应进行传电，使得汽车无需行驶至专门的充电桩进行充电，只需行驶在无线传电通道即可通过无线传电装置获取电能，大大节省了充电时间，汽车充电更加灵活、方便；且磁共振传电效率高，可以降低能源消耗，采用多个磁共振无线传电装置也可以节省建造成本，及维护成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。