CN104362771A - 一种支持电动汽车无线移动充电的动态磁耦合谐振阵列技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持电动汽车无线移动充电的动态磁耦合谐振阵列技术，交叉谐振阵列技术，交叉谐振发射阵列技术，谐振频率自动跟踪调整技术和方法，高强度脉冲充电方法，以及由以上技术和方法制作的充电接收毯，谐振型无线充电带，谐振型可充电轮胎，和谐振电磁柱，充电带敏感物体感应器，用于支持电动汽车在行驶中或停止中高效率的充电。

Description

一种支持电动汽车无线移动充电的动态磁耦合谐振阵列技术

技术领域

本发明公开了一种支持电动汽车无线移动充电的动态磁耦合谐振阵列技术，交叉谐振阵列技术，交叉谐振发射阵列技术，谐振频率自动跟踪调整技术和方法，属新能源汽车领域。

背景技术

根据国务院的规划，到2020年，电动汽车的累计销量要超过500万辆。目前电动汽车的技术已经进入大规模商用的成熟期。随着电动汽车大规模商用，电动汽车的充电问题将日益突出，甚至成了限制电动汽车普及推广的咽喉。电动汽车的充电方法大体上可以分为有线静态充电，有线移动充电，无线静态充电和无线移动充电四种充电方式。有线移动充电在早期的有轨电车、无轨电车上已经有所应用，目前的地铁以及高铁还都是采用有线移动充电或供电方式。有线静态充电就是所谓的充电站和充电桩，目前正在大规模建设的有线接触型充电桩可以解决电动汽车在停泊中充电，但是由于充电时间相对较长，一般的充电桩需要6-8小时才能将一部电动汽车的电池充满，在路途中等待6-8小时充电是很难让大部分车主和乘客所接受的，因此，即便是旅行线路上建了很多的充电桩也很难解决旅途中充电的问题。大功率快速充电桩可以将充电时间缩短到20分钟左右，但是快速充电的能量消耗将是普通充电的几十倍，不但对电网将是个短期负载冲击，而且浪费能源。

无线静态充电技术十几年前就已在实验室实现了，近距离非接触无线充电技术几年前已经应用在电话机的充电器中、各种电动工具的充电器中。常用的技术主要有三种：一种是电磁耦合技术，第二种是电磁共振技术，第三种是微波技术。三种技术各有优缺点，微波技术传输能量的距离相对比较远，然而大功率的微波对人体有一定的伤害而且效率也比较低，因此就不予考虑用在民用电动汽车领域；电磁共振技术的能量传输距离可以达到几十厘米，但是传输功率相对没有电磁耦合技术的大；电磁耦合技术比较适合大功率能量传输，然而所使用的环境都是近距离：充电发射器和接收器之间的距离都小于几十毫米。随着新能源电动汽车技术的发展，无线充电在电动汽车领域的需求越来越高。不少人提出了将现有的电磁耦合充电技术和电磁共振充电技术应用于电动汽车领域。许多大专院校及企事业单位的科研团队，包括本发明人及其合作的国内外科研团队，都在大功率无线移动能量传输技术方面做了大量的研究工作，包括电磁耦合充电技术和电磁共振技术的应用。

在电磁共振技术方面，美国麻省理工学院的研究小组在2007年提出的突破性技术，他们在实验室使用两个半径30cm的螺旋线圈，在9.9MHz的频率下进行能量传输，相隔2m传输60W功率，成功点亮了一个60W的灯泡，传输效率为40%。后续在国内的几个科研团队，通过微调电磁共振技术及参数设置，使效率得到了进一步的提高，例如：哈尔滨工业大学对电磁共振式无线充电进行了相关实验和模型研究，实现了50W功率传输，效率达到60%。华南理工大学对电磁共振式无线充电技术进行了跟踪研究，在实验室实现了50厘米千瓦级无线功率传输，传输效率85%左右。而且这些技术还都停留在无线静态充电方面。本发明人及其合作的国内外科研团队也对电磁共振式无线充电技术进行了大量全面的实验研究与测试，首先提出了“电磁自动聚焦”技术和“电磁动态阵列自动聚焦”技术（专利申请号：2014105594928 、2014206066332、2014103885755）使无线移动充电能量传输效率提高到90%以上。

在电磁耦合充电技术方面，电磁耦合充电技术十几年前就已经应用于电话机及电动工具的无线充电器中，但一般都是小功率能量传输。近几年不少企事业单位的科研团队，包括本发明人及其合作的国内外科研团队，在将电磁耦合充电技术应用于电动汽车领域进行大功率充电方面做了大量的研究。由于现有电磁耦合充电技术的充电效率与充电发射器和接收器之间的距离的平方成反比，距离越远效率越低，而电动汽车的地盘离路面的距离一般都在200-500毫米之间，因此现有电磁耦合充电技术用于电动汽车领域的充电效率比较低。也有人提出了在汽车底盘下面安装一个可以调整高度的支架用于减小接收天线与路面的距离，这种方法用于停车场在电动汽车静止状态下进行非接触充电还可以接受，然而对于高速行驶中的电动汽车，过于减小接收天线与路面的距离，任何颠簸将会造成严重的安全隐患。一些研究人员直接使用空心线圈传输能量，输出功率2kW、传输距离15厘米时，***效率为82%；而且也都是针对无线静态充电方法。本发明人及其合作的国内外科研团队提出的“导磁橡胶”，“导磁橡胶柱阵列”技术，“错位排列的充电接收线圈阵列组”技术，以及使用这些技术设计制作的“可充电导磁轮胎”（专利申请号：2014104028097、2014204622343）使无线充电接收线圈从电动汽车的底盘下面转移到了轮胎里面，缩短了发射线圈和接收线圈之间的距离并有效的提高了电磁耦合系数，使电动汽车的大功率无线移动充电能量传输效率提高到95%以上。

综上所述，现有无线充电技术大部分都是基于静态无线充电方法，直接用于电动汽车无线移动充电领域将会有一定的效率损失。现有无线移动充电技术存在的缺点和不足包括：1、仅适应于静态无线充电；2、充电效率相对较低；3、有一定的高频损失。

针对现有技术的缺点和不足，本发明公开了一种支持电动汽车无线移动充电的动态磁耦合谐振阵列技术，以及采用动态磁耦合谐振阵列技术构建的支持电动汽车在高速行驶中或停止中充电的WIPA无线移动充电***。有效的解决了上述现有技术的缺点和不足。

发明内容

本发明公开了一种支持电动汽车无线移动充电的动态磁耦合谐振阵列技术，所述动态磁耦合谐振阵列技术的特征在于，该技术在无线充电的发射端采用了多层多个发射线圈阵列并在接收端采用多层多个接收端谐振线圈阵列及电容阵列，而且发射线圈阵列中发射线圈的个数随电动汽车的运行速度动态变化或采用静态预设个数（电动汽车的运行速度探测方法已经在本发明人前期的发明中公开），发射线圈阵列和接收线圈阵列内均安装有导磁橡胶或塑性导磁材料制成的高导磁橡胶柱或导磁柱阵列用以增强发射线圈和接收线圈之间的电磁耦合系数，接收端谐振线圈及电容的谐振频率与发射端的频率相等，谐振频率采用50KHz~5MHz的中等频率；所述动态磁耦合谐振阵列无线充电技术具有传输功率大、传输效率高、电磁辐射小、高频损耗小、适合无线高速移动充电等优点。

本发明还公开了一种支持电动汽车无线移动充电的电磁谐振无线充电***中谐振频率自动跟踪调整技术和方法，所述谐振频率自动跟踪调整技术和方法的特征在于，该技术和方法在无线移动充电***中采用中心设置的高精度石英频率发生器为整个***提供统一的谐振信号源，在充电接收端提供一个频率比较和控制电路单元，当频率比较和控制电路单元发现由于天气温度等原因造成接收端接收线圈的谐振频率和发射单元的谐振频率有差别时，将自动跟踪调控接收谐振电路中的谐振频率微调电容来使接收端的谐振频率与发射端的谐振频率完全相同。

本发明还公开了一种接收端谐振线圈阵列和谐振线圈内的导磁橡胶柱阵列1比n（n=1、2、3...）多层错位排列绕制技术和方法，称为“交叉谐振阵列技术”，所述1比n多层错位排列绕制技术和方法的特征在于，该技术和方法让接收端的多层多个谐振线圈阵列以及谐振线圈内的导磁橡胶柱阵列可以采用1比1设置，也可以采用1比2错位设置，或1比n多层错位排列；所述电磁线圈阵列组技术是由多个电磁线圈阵列按照错位排列的技术方法组成的电磁接收谐振线圈阵列组，也就是说是按照一定顺序错位排列的一组阵列，一组阵列可以是2个阵列或2个以上多个阵列，这种电磁谐振线圈和导磁橡胶柱交叉阵列组技术可以有效的提高充电接收效率，特别是无线移动充电的环境下的接收效率。

本发明还公开了一种发射端谐驱动线圈以及驱动线圈内的导磁橡胶柱与发射谐振线圈1比n（n=0、1、2、3...）多层错位排列绕制技术和方法，称为“交叉谐振发射阵列技术”，所述1比n多层错位排列绕制技术和方法的特征在于，该技术和方法让一个发射端驱动线圈可以驱动多个谐振发射线圈，谐振发射线圈起到对发射端磁场的谐振放大作用，从而有效的提高了谐振发射覆盖面积和发射效率；当n=0的情况下，发射端仅有驱动线圈直接驱动接收端的谐振线圈。

所述接收端谐振线圈阵列以及谐振线圈内的导磁橡胶柱阵列既可以用高强度塑料或橡胶封装成厚度小于5厘米，适合各种汽车底盘大小的毯状物体，称为充电接收毯，安放在汽车的底盘下面；也可以按照轮胎的胎面面积大小设计并封装在汽车轮胎的胎面里，构成谐振型可充电轮胎，并用本发明人前期发明的电流传导器将充电电流从飞速旋转的轮胎里导入到安放在电动汽车里的充电接收装置里，所述充电接收装置将充电接收电流整流滤波后转换成高强度脉冲充电电流对运行中的电动汽车蓄电池进行脉冲充电；还可以将每一个谐振线圈以及谐振线圈内的导磁橡胶柱单独用高强度塑料或橡胶封装成为高不超过30厘米，半径20-50厘米的柱状物体，称为谐振电磁柱，所述谐振电磁柱可以分别悬挂安装在电动汽车的底盘下面，如车轮内侧的车轴上，备胎下面，或底盘下面其它合适的位置上。

所述发射端的多层多个驱动线圈阵列、发射谐振线圈阵列以及发射谐振线圈内的导磁橡胶柱阵列可以用高强度塑料或橡胶封装成厚度小于5厘米（一般为0.5-1厘米），宽20-350厘米，长度可以是无限长的带状物体，称为谐振型无线充电带，所述无线充电带以及由无线充电带构成的无线充电***已经在本发明人前期的发明中给予了公开，本说明中就不再重复。

所述充电带***配备有敏感物体感应器，当有导磁性物体、磁性物体或者活物体，如动物或人靠近充电带时，充电带控制器将自动切断充电电流，当这些物体离开以后，充电带控制器将恢复对充电带供电。

本发明由于采用以上所述技术方案及技术设计，其具有以下优点：1、充电传输效率高，可达到98%以上；2、电磁辐射小，节能环保。采用此技术方案电动汽车可以在任何铺设有本发明的无线移动充电带的道路上边运行边充电，使电动汽车的续航里程得到了无限的扩展。

附图说明

图1是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端谐振阵列原理示意图。

图2是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端采用交叉谐振阵列技术原理示意图。

图3是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端采用错位排列谐振阵列原理示意图。

图4是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端采用多层排列谐振阵列原理示意图。

图5是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端采用多谐振阵列组原理示意图。

图6是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端采用错位排列谐振阵列组原理示意图。

图7是动态磁耦合谐振阵列技术接收端封装成“充电接收毯”后安装在电动汽车底部示意图。

图8是动态磁耦合谐振阵列技术接收端封装在“可充电轮胎”胎面内部后示意图。

图9是电动汽车同时安装了“充电接收毯”和“可充电轮胎”示意图。

图10是动态磁耦合谐振阵列技术接收端封装成“谐振橡胶柱”后示意图。

图11是“交叉谐振发射阵列技术”原理示意图。

图12是发射端谐振发射线圈阵列采用竖向长方排列示意图。

图13是发射端谐振发射线圈阵列采用方圆形式排列示意图。

图14是发射端谐振发射线圈阵列采用横向长方排列示意图。

具体实施方式

 下面结合附图和实际例子对本发明进行详细的描述。

 图1展示了动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端谐振阵列原理示意图。谐振发射端（200）包括8个谐振发射线圈和谐振驱动线圈阵列（201、202、203、204、205、206、207、208）和对应线圈的8个导磁橡胶柱阵列（211、212、213、214、215、216、217、218），谐振接收端（100）包括4个谐振接收线圈阵列（101、102、103、104）和对应的4个导磁橡胶柱阵列（111、112、113、114）。图中谐振发射线圈和谐振接收线圈的个数仅作原理举例说明之用，具体个数由产品的性能和要求确定。图2是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端采用交叉谐振阵列技术原理示意图。图中接收端（100）的谐振线圈（101、102、103、104）和导磁橡胶柱（121、122、123、124、125、126、127、128）采用1比2交叉缠绕，例如：导磁橡胶柱（121）和导磁橡胶柱（122）由谐振线圈（101）缠绕；导磁橡胶柱（122）和导磁橡胶柱（123）由谐振线圈（102）缠绕，以此类推。图3是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端采用错位排列谐振阵列原理示意图，如图所示，接收端（100）的谐振线圈（102）和谐振线圈（103）之间空出距离D，D小于一个谐振线圈的宽度。图4是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端采用多层排列谐振阵列原理示意图，图中接收端分为三层（150、160、170），每一层都对应有谐振线圈，每层的谐振线圈可以采用相同的谐振频率，也可以采用有差异的谐振频率用于补偿由于发射端谐振频率偏差所造成的谐振效率下降。图5是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端采用多谐振阵列组原理示意图，图中谐振接收端采用了多谐振阵列组（180）。图6是动态磁耦合谐振阵列技术发射端谐振阵列和接收端采用错位排列谐振阵列组原理示意图，如图所示，接收端（190）的谐振线圈（191、192、193、194、195、196、197、198、199）采用了错位排列，组成了错位排列谐振阵列组。

图7是动态磁耦合谐振阵列技术发射端封装成“无线充电带”，接收端封装成“充电接收毯”后安装在电动汽车底部示意图，如图所示，谐振驱动线圈和谐振发射线圈（208、218）封装在无线充电带（200）里面，无线充电带（200）铺设在路面上（具体铺设方法及铺设设备已经在本发明人前期的专利申请中公开），充电接收毯（301、302、303）安装在电动汽车的下面；充电接收毯也可以根据电动汽车的车型做成不同的形状，例如做成弧线型（305）等等。图8是动态磁耦合谐振阵列技术接收端封装在“可充电轮胎”胎面内部后示意图，“可充电轮胎”或称为“电磁轮胎”，或“导磁型可充电轮胎”已经在本发明人前期的专利申请中公开，在此就不再重复说明。图9是电动汽车同时安装了“充电接收毯”（302）和“可充电轮胎”（307、308）示意图。使用动态磁耦合谐振阵列技术的无线充电接收端还可以封装成“谐振橡胶柱”，图10是动态磁耦合谐振阵列技术无线充电接收端封装成“谐振橡胶柱”（511）后示意图，安装固定架（512）可以将“谐振橡胶柱”（511）固定在电动汽车轮胎里侧的车轴上。

图11是“交叉谐振发射阵列技术”原理示意图，如图所示，谐振发射端由发射层（600）和驱动层（610）组成，两层由导磁橡胶柱（605、606、608、609）贯穿，驱动层由一个驱动线圈（607）进行谐振驱动，谐振发射层由三个谐振发射线圈（601、602、603）交叉缠绕在4个导磁橡胶柱（605、606、608、609）上，如图11所示，驱动线圈（607）通过导磁橡胶柱（606、608）同时驱动三个谐振发射线圈（601、602、603）和相连的电容组成的谐振电路谐振，放大了谐振发射磁场。图11仅例举了一维交叉谐振线圈阵列，“交叉谐振发射阵列技术”可以同时驱动2维或多维交叉谐振线圈阵列。

图12是发射端谐振发射线圈阵列采用竖向长方排列示意图。图13是发射端谐振发射线圈阵列采用方圆形式排列示意图。图14是发射端谐振发射线圈阵列采用横向长方排列示意图。

上述各实施例子仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸比例和连接方式都是可以有所变化的，凡根据本发明原理对个别部件的结构、尺寸或连接方式进行改进或等同变换，均不应该排除在本发明的保存范围之外。

Claims (10)

1.一种支持电动汽车无线移动充电的动态磁耦合谐振阵列技术，所述动态磁耦合谐振阵列技术的特征在于，该技术在无线充电的发射端采用了多层多个发射线圈阵列并在接收端采用多层多个接收端谐振线圈阵列及电容阵列，而且发射线圈阵列中发射线圈的个数随电动汽车的运行速度动态变化或采用静态预设个数，发射线圈阵列和接收线圈阵列内均安装有导磁橡胶或塑性导磁材料制成的高导磁橡胶柱或导磁柱阵列用以增强发射线圈和接收线圈之间的电磁耦合系数，接收端谐振线圈及电容的谐振频率与发射端的频率相等，谐振频率采用50KHz~5MHz的中等频率；所述动态磁耦合谐振阵列无线充电技术具有传输功率大、传输效率高、电磁辐射小、高频损耗小、适合无线高速移动充电等优点。

2.一种交叉谐振阵列技术，或称为接收端谐振线圈阵列和谐振线圈内的导磁橡胶柱阵列1比n（n=1、2、3...）多层错位排列绕制技术和方法，所述1比n多层错位排列绕制技术和方法的特征在于，该技术和方法让接收端的多层多个谐振线圈阵列以及谐振线圈内的导磁橡胶柱阵列可以采用1比1设置，也可以采用1比2错位设置，或1比n多层错位排列；所述电磁线圈阵列组技术是由多个电磁线圈阵列按照错位排列的技术方法组成的电磁接收谐振线圈阵列组，也就是说是按照一定顺序错位排列的一组阵列，一组阵列可以是2个阵列或2个以上多个阵列，这种电磁谐振线圈和导磁橡胶柱交叉阵列组技术可以有效的提高充电接收效率，特别是无线移动充电的环境下的接收效率。

3.一种交叉谐振发射阵列技术，或称为发射端谐驱动线圈以及驱动线圈内的导磁橡胶柱与发射谐振线圈1比n（n=0、1、2、3...）多层错位交叉排列绕制技术和方法，所述1比n多层错位排列绕制技术和方法的特征在于，该技术和方法让一个发射端驱动线圈可以驱动多个谐振发射线圈或发射谐振线圈阵列，可以是一维阵列，也可以是多维阵列，谐振发射线圈起到对发射端磁场的谐振放大作用，从而有效的提高了谐振发射覆盖面积和发射效率；当n=0的情况下，发射端仅有驱动线圈直接驱动接收端的谐振线圈。

4.一种支持电动汽车无线移动充电的电磁谐振无线充电***中谐振频率自动跟踪调整技术和方法，所述谐振频率自动跟踪调整技术和方法的特征在于，该技术和方法在无线移动充电***中采用中心设置的高精度石英频率发生器为整个***提供统一的谐振信号源，在充电接收端提供一个频率比较和控制电路单元，当频率比较和控制电路单元发现由于天气温度等原因造成接收端接收线圈的谐振频率和发射单元的谐振频率有差别时，将自动跟踪调控接收谐振电路中的谐振频率微调电容来使接收端的谐振频率与发射端的谐振频率完全相同。

5.一种适合汽车底盘大小的毯状物体，称为充电接收毯，所述充电接收毯的特征在于，该充电接收毯是由所述接收端谐振线圈阵列以及谐振线圈内的导磁橡胶柱阵列用高强度塑料或橡胶封装成厚度小于5厘米，适合各种汽车底盘大小，可以方便的安放在电动汽车的底盘下面。

6.一种谐振型可充电轮胎，所述谐振型可充电轮胎的特征在于，该轮胎是由所述接收端谐振线圈阵列以及谐振线圈内的导磁橡胶柱阵列按照轮胎的胎面面积大小设计并封装在汽车轮胎的胎面里，并用电流传导器将充电电流从飞速旋转的轮胎里导入到安放在电动汽车里的充电接收装置里。

7.一种谐振电磁柱，所述谐振电磁柱的特征在于，该电磁柱是由单个或接收端谐振线圈阵列以及谐振线圈内的导磁橡胶柱阵列用高强度塑料或橡胶封装成高不超过30厘米，半径20-50厘米的柱状物体，所述谐振电磁柱可以分别悬挂安装在电动汽车的底盘下面，如车轮内侧的车轴上，备胎下面，或底盘下面其它合适的位置上。

8.一种谐振型无线充电带，所述谐振型无线充电带的特征在于，该充电带是由所述发射端的多层多个驱动线圈阵列、发射谐振线圈阵列以及发射谐振线圈内的导磁橡胶柱阵列，以及相应的连接导线用高强度塑料或橡胶封装成厚度小于5厘米（一般为0.5-1厘米），宽20-350厘米，长度可以是无限长的带状物体。

9.一种充电带敏感物体感应器，所述充电带敏感物体感应器的特征在于，该感应器可以感应出任何接近无线充电带的导磁性物体、磁性物体或者活物体，如动物或人，当有导磁性物体、磁性物体或者活物体，如动物或人靠近充电带时，充电带敏感物体感应器将自动切断充电电流，当这些物体离开以后，充电带控制器将恢复对充电带供电。

10.一种对运行中的电动汽车蓄电池充电的高强度脉冲充电方法，所述对运行中的电动汽车蓄电池充电的高强度脉冲充电方法的特征在于，该充电方法是将充电电压电流转换成高强度脉冲电压电流对在运行中的电动汽车蓄电池进行充电，高强度脉冲充电方法可以探测蓄电池的工作状态，并根据蓄电池的工作状态控制充电电流的模式，普通充电模式、脉冲充电模式和保养充电模式；电动汽车在运行中其蓄电池有两种状态：放电状态和空闲状态；在蓄电池空闲状态采用普通充电模式对蓄电池进行充电；而在蓄电池放电状态高强度脉冲充电方法将自动转换成脉冲充电模式，在脉冲充电模式下充将产生短暂的高强度脉冲电压电流对正在放电的蓄电池进行充电。