CN102848928B - 电动汽车、电动摩托车的无线供电驱动方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为有关电动汽车、电动摩托车的无线供电驱动方法及装置，属于机电类，其完全采用无线供电作为驱动能源：在车轮轮胎内增设接收线圈，按照电动汽车、电动摩托车行驶路线铺设能够为车轮轮胎内接收线圈无线供电的电磁振荡发射线圈的道路，其埋设于道路中的电磁振荡发射线圈发射出电能，设在车轮轮胎内的接收线圈通过电磁共振吸取电磁振荡发射线圈提供的电能，并通过外部电路模块的整流、稳压和控制，通过无线供电接收装置，实现电能从路面到电动汽车或电动摩托无线传输，驱动轮毂电机运转。

Description

电动汽车、电动摩托车的无线供电驱动方法及装置

技术领域

本发明属于机电类，涉及一种采用无线供电技术和轮毂电机技术相结合的驱动方式完成电动汽车、摩托车的驱动，特别涉及车轮轮胎内安装有提供能量给轮毂电机的无线供电接收装置，以及与地下的电磁震荡供电***共同完成能量传输的电动汽车、电动摩托车的无线供电驱动方法及装置。

背景技术

当今世界汽车工业面临能源紧张、环境保护问题严重的巨大挑战，发展电动汽车，从而实现汽车能源动力***的电气化，是目前国际上研究的热点。由于燃油汽车对环境造成的污染日益严重，以及用电成本的相对低廉，世界各国竞相支持和引导电动汽车行业的快速发展，并且国内外已经有相关产品出售，但是由于目前电动汽车存在许多技术障碍，例如受车载电池总容量的限制，其最大行程和最高输出功率无法完全满足实际使用的需要，并且充电电池的寿命目前一般为1-2年，由于电池寿命比较短，使汽车使用成本大为增加，不仅抵消了使用电能对于使用汽油节省的成本，而且还可能比使用汽油成本还高，并且还存在充电桩配套设施设置的问题。而目前由于成本的原因大部分电动摩托使用铅酸电池，该类电池太过笨重，充电时间又长，限制了电动汽车上的应用和市场空间。

通常电动汽车中的轮毂电机一般为设置在轮毂中的高速电机，高速电机直径比轮毂直径小很多，通过内置的齿轮减速机构实现与车轮要求速度的匹配。而在电动摩托车中轮毂电机一般为设置在轮毂中的永磁无刷直流低速电机，电机直径与轮毂直径相当，由于无须电刷，不设有转动齿轮，不存在电刷的机械磨损，由电机直接驱动车轮运动。但采用充电电动汽车还需要在城市内建设大量的充电桩，目前在世界范围内，只有日本东京市内和美国斯坦福大学校园内安装了一定数量的充电桩。尽管存在上述诸多问题，由于电动汽车在环保上的巨大优势，电动汽车还是未来汽车行业发展的方向。

美国麻省理工学院的J．D．琼诺保罗斯等在中国的专利申请号分别为：200680032299.2、201010214681.3和201110185992.6，专利申请号为名称为《无线辐射能量传递》的发明专利，公开一种无线非辐射能量传递方法，以及一种电磁能量传递设备；早在1900年，德国保时捷公司就首先制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车，在20世纪70年代，这一技术在矿山运输车等领域得到应用。而汽车用的轮毂电机，目前通用、丰田在内的国际汽车巨头处于领先地位。轮毂电机技术即车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大予以了简化。

但是，名称为《无线辐射能量传递》发明专利虽然公开一种无线非辐射能量传递方法，以及一种电磁能量传递设备，也提出了“无线接收机是自动机、车辆或接收机的任意之一”；德国的保时捷公司（Porsche）制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车。但至今尚不见将无线供电技术和轮毂电机技术有机结合起来而用于电动汽车、电动摩托车驱动装置技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动汽车、电动摩托车的无线供电驱动方法及装置，解决目前电动汽车、电动摩托车存在受车载电池总容量的限制，其最大行程和最高输出功率无法完全满足实际使用的需要，以及目前大部分电动汽车、电动摩托车使用铅酸电池过于笨重、充电时间又长，限制了电动汽车、电动摩托车上的应用和市场空间；采用充电电动汽车、电动摩托车还需要在城市内建设大量充电桩等的问题。

本发明是在现有轮毂电机技术的基础上，采用轮毂电机与无线供电技术有机结合的创新设计技术，完全采用无线供电的电能作为驱动能源，其是在车轮轮胎内增设接收线圈，按照电动汽车、电动摩托车行驶路线铺设能够为车轮轮胎内接收线圈无线供电的电磁振荡发射线圈的道路，其埋设于道路中的电磁振荡发射线圈将电能发射出来，设在车轮轮胎内的接收线圈通过电磁共振吸收电磁振荡发射线圈提供的电能，并通过外部电路模块的整流、稳压和控制，实现电能从道路路面内到电动汽车或电动摩托的电能无线传输。具体原理为：铺设于地下的发射线圈发射电池能量，其振动频率为ω1，固定于车轮轮胎内的接收线圈的固有频率通过电路设计与道路内的发射线圈的固有频率ω1完全一致，在这种情况下发生电磁耦合，亦称为磁共振，将电能传输给位于车轮轮胎内的接收线圈，通过外部电路模块的整流、稳压和控制，再输送给轮毂电机，使之按照车辆控制器给出信号设定的速度运行。

一种电动汽车、电动摩托车的无线供电驱动方法，其完全采用无线供电的电能作为驱动能源：

a、在车轮轮胎内增设接收线圈；

b、按照电动汽车、电动摩托车行驶路线铺设能够为车轮轮胎内接收线圈无线供电的电磁振荡发射线圈的道路，其埋设于道路中的电磁振荡发射线圈发射出电能;

c、设在车轮轮胎内的接收线圈通过电磁共振吸取电磁振荡发射线圈提供的电能，并通过外部电路模块的整流、稳压和控制，实现电能从道路路面内到电动汽车或电动摩托的电能无线传输。

一种电动汽车、电动摩托车的无线供电驱动装置，包括有主轴，该主轴上连接有定子线圈，通过轴承活动连接到该主轴上的至少2个轮毂，该轮毂内缘安装有轮毂电机的转子线圈，该轮毂外缘上安装有车轮轮胎，该主轴上设有用于传送接收线圈电能的复数导电滑环；该车轮轮胎内设置有能够接收位于地面内电磁振荡发射线圈电能的接收线圈；导电滑环连接有与外部电路模块相连接的连接导线和导线。

接收线圈与电磁振荡发射线圈具有相同的固有振动频率，并发生磁共振，将都能由电磁振荡发射线圈传递给接收线圈；

该电磁振荡发射线圈为由铜线绕制的电感与电容构成的LC振荡电路；

LC震荡电路与外部电路模块连接，其外部电路模块由振荡器和功率放大器构成。

本发明适用于所有电驱动的运载工具，同时也包括含有本发明装置的混合动力运载工具，如电动摩托车、电动汽车等纯电能驱动的工具；也可以是在下一代混合动力汽车中扮演辅助动力驱动***的角色。

本发明可以配合车载电池使用，在有地下发射装置的路段接收电能，并将多余的电能存贮于蓄电池中，在没有地下发射装置的路段依靠蓄电池驱动装置的运行。

本发明还可以有单电机驱动、多电机驱动和组合电机驱动等多种驱动形式，比如在电动汽车中可以采用四轮驱动，而在电动摩托中一般采用单电机驱动。

本发明适用于内转子电机、外转子电机、高速电机等各种形式的电机。

本发明用于驱动在特定的范围内行驶的汽车、电动摩托车、小型运载工具，例如在博物馆内、观光景点内运送游客的车辆，在车间内运送货物的车辆，以及在特定区域内巡逻等多种用途车辆；亦也可配合汽油发动机或柴油发动机使用，成为混合动力驱动的汽车、摩托车；还适用于各种因为具有特殊用途而开发的特殊场合下使用的移动装置，如在人体内移动的医疗装置，去完成一定的手术任务；如在跑道上进行比赛的赛车，以及具有带领技术创新的竞赛；如执行在污染环境中的运载工具，以及机器人的驱动装置。

本发明适用于采用无线供电驱动的运载工具，无论该运载工具是否采用轮毂电机技术，只要车轮轮胎内含有接收线圈即可视为本发明覆盖范围。由于车轮轮胎与地面直接接触，使磁共振耦合的效率最高，能量的损失最小。

本发明具有如下优点：

一、本发明有效地克服了现有电动汽车、电动摩托车由于电池能量输出平均功率的限制，存在动力不足的问题，因此只被广泛用于车速小于50km/h的各种非常规场地，如高尔夫球场等地，如需要进一步提高车速，需要安装更大容量的电池，目前存在技术和成本两方面的障碍。本发明克服了电动汽车、电动摩托车由于电池老化导致的成本过高问题，通常电动汽车的电池寿命为1-2年，其更换成本为6万元，除去充电的费用，每月仅电池成本就约合2500-5000元，严重限制了电动汽车的推广使用。本发明的电动汽车、电动摩托车在特定的区域内具有理论上无限的续航能力，不受携带电池能量的限制，而目前的电动汽车为了达到100公里以上的行程，必须要携带很大的电池组，这就要占据很大的车内空间，而本发明的电动汽车不携带电池组，节省了空间和运载重量；轮毂电机技术即车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。

二、本发明由于采用无线供电的方式提供汽车驱动能量，不用充电电池，所以不存在电池寿命问题，不存在电池笨重、充电时间长的问题。

三、本发明采用的无线供电功率由铺设于道路中的线圈发射功率决定的，可根据需要提供不同功率的发射装置，克服了现有技术存在的最大输出功率不能满足需要的问题。

四、本发明的车辆对环境不造成任何污染，目前铅酸电池存在泄漏问题、镍氢电池的安全问题有待验证。而本发明不存在任何安全隐患。目前的电动汽车采用电池充电的方式进行能量补充，充一次电往往需要很长时间，通常4-8小时才能完成充电过程，给电动汽车的使用带来很大的不方便，而本发明不存在充电休整时间，只要铺设的发射装置运行，就可以随时工作。

说明书附图

图1为本发明涉及的铺设了为车轮轮胎内充电装置的道路示意图。

图2为本发明轮胎内安装了充电装置与轮毂电机的整体车轮示意图。

图3 为本发明为无线供电外部电路模块控制电路图。

 附图中序号含义：1为道路边界、2. 电磁振荡发射线圈、3.接收线圈、4.车轮轮胎、5.轮毂，6.转子线圈，7.轴承，8.定子线圈，9.主轴，10.导电滑环、11.连接导线、12.导线、13.整流电路、14.滤波电路、15.稳压电路、16.控制电路。

具体实施方式

本发明的核心部分为两部分：铺设了为车轮轮胎内充电装置进行充电的道路，如附图1所示，和车轮轮胎内安装了充电装置与轮毂电机构成的整体车轮，如附图2所示。

铺设了充电装置的道路，其结构如附图1所示，其包括了道路边缘1、埋于地下5-10厘米的电磁振荡发射线圈2。如附图2所示，本发明的电动汽车机械和电气结构包括有主轴9，该主轴9上连接有轮毂电机的定子线圈8，通过轴承7活动连接到该主轴9上的轮毂5，该主轴9上设置有用于传送接收线圈3电能的导电滑环10；轮毂5内缘安装有轮毂电机的转子线圈6，该轮毂5外缘上安装有车轮轮胎4，该车轮轮胎4内设置有能够接收电磁振荡发射线圈2电能的接收线圈3；导电滑环10连接有与外部电路模块相连接的连接导线11和导线12。其中，该电磁振荡发射线圈2为由铜线绕制的电感线圈（其电感量为L）与电容（其电容值为C）构成的LC振荡电路；该电路振荡器和功率放大器构成的外部电路模块相连接，由于接收线圈3与电磁振荡发射线圈2具有相同的固有振动频率，由外部电路模块（ 是由城市电网供电的装置，该装置设置在充电道路旁边，是一个小型的电路，其功能是将220伏或者380伏50Hz的市电转换成90KHz  300伏的高频交流电，市场上有这类专门的电路模块出售。）来提供与该振荡电路频率一致的正弦信号电流，其携带的电能通过电磁共振的方式传递给位于车轮轮胎4内的接收线圈3，并发生磁共振，将电能传递给接收线圈3，该接收线圈3通过导线12将电能传输到导电滑环10，导电滑环10连接导线11中的两根导线将电能传出车轮外。传出车轮外的加载与正弦信号上的电能通过外部电路模块的整流、滤波、稳压，最后传递到直流轮毂电机专用的控制器，由控制器传递回导线11给轮毂电机供电，驱动电动汽车或者电动摩托车，使电动汽车和电动摩托车按照控制器给出供电参数的相应速度行驶。

附图3为无线供电外部电路模块控制电路图，如附图所示，其中包括整流电路13，其接收来自导线11的高频交流电，滤波电路14的主要功能是将整流电路13输出的电信号进行滤波，减小交流干扰，稳压电路15是将经过滤波的直流电进行稳压，使电压恒定，最终输入到控制电路16中去，通过控制电路控制电机的运行速度。

以采用本发明技术搭建的电动摩托原型车为例，采用的电磁振荡发射线圈2和接收线圈3的固有频率为90Khz，电磁振荡发射线圈2采用直径1.5毫米单股铜线绕制，共绕制6匝为一组，如附图1所示，电磁振荡发射线圈2的形状类似体育操场跑道的形状，两侧圆形，总长度2米，宽度0.4米，由30组铺设于路面，每组间距0.4米；电磁振荡发射线圈2的电感量为0.15毫亨，配以20皮法的电容构成基本的LC振荡电路，其固有频率为90Khz。接收线圈3采用直径1.2毫米单股铜线绕制，形状为圆形，采用的车轮轮胎直径为42厘米，所以线圈直径为40厘米，共绕制12匝为一组，其电感量为0.144毫亨，配以22皮法的电容构成基本的LC振荡电路，其固有频率也为90Khz。将接收线圈3固定于车轮轮胎4内部，如附图2所示。每个电磁振荡发射线圈2的平均功率为250瓦，该电磁振荡发射线圈2内输入90kHz交流电时，在单个接收线圈3内可耦合出100瓦的电能，通过整流、滤波、稳压后，输出给轮毂电机控制器，轮毂电机控制器提供永磁直流给轮毂电机供电，驱动电机运转。

Claims (1)

1.一种电动汽车、电动摩托车的无线供电驱动装置，包括有主轴（9），该主轴（9）上连接有定子线圈（8），通过轴承（7）活动连接到该主轴（9）上的至少2个轮毂（5），该轮毂（5）内缘安装有轮毂电机的转子线圈（6），该轮毂（5）外缘上安装有车轮轮胎（4），

其特征在于：主轴（9）上设有用于传送接收线圈（3）电能的复数导电滑环（10）；导电滑环（10）连接有与外部电路模块相连接的连接导线（11）和导线（12）；车轮轮胎（4）内设置有能够接收位于地面内电磁振荡发射线圈（2）电能的接收线圈（3）；接收线圈（3）为由直径1.2毫米单股铜线绕制的0.144毫亨电感与22皮法电容构成的LC振荡电路，其耦合功率为100瓦；接收线圈（3）与电磁振荡发射线圈（2）具有相同的固有振动频率90Khz，并发生磁共振，将电能由电磁振荡发射线圈（2）传递给接收线圈（3）；电磁振荡发射线圈（2）为由直径1.5毫米单股的铜线绕制的0.15毫亨电感与20皮法电容构成的LC振荡电路，其功率为250瓦；外部电路模块由振荡器和功率放大器所构成。