基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统的制作方法

1.本发明涉及一种基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统，属于电动汽车无线电能传输技术领域。


背景技术：

2.轮毂电机是将电动汽车的动力系统、传动系统、刹车系统集成到轮毂中的一种新型电机。由于将驱动系统安装在车轮内的轮毂电机，进一步推进了电机驱动系统的集成化、小型化和轻量化设计。轮毂电机作为未来新能源汽车驱动解决方案，其最大的特点在于将驱动、传动和制动装置都整合到轮毂内，省略了离合器、变速器、传动轴、差速器、分动器等传动部件，可以做到真正意义上的直接驱动，可以很容易做到全时四驱，并使得驱动效率提升与车辆空间扩大成为可能。
3.然而，传统的轮毂电机通过电缆线或接触式滑环实现供电，在电机高速旋转或长时间使用条件下容易存在磨损老化、线缆松动、短路漏电等安全隐患，给行车安全带来了诸多不利影响。综上，亟需发明一种应用于电动汽车轮毂电机的无线电能传输系统，摆脱传统线缆供电带来的设计约束，实现非接触式的高效电能供给。
4.而现有技术中的轮毂电机无线供电系统有采用磁耦合机构为侧装的平面式线圈的，这种结构没有仔细考虑轮毂电机与车身之间的轮轴对磁耦合谐振电磁场分布的影响，因而其实际应用和实施存在严重局限性，能量传递效率很低；此外，这种方案由车载电池实现对轮毂电机供电，并未真正解决电动汽车驱动系统电能来源问题，仍需要考虑电动汽车车载电池的电能供给。综上，现有方案的磁耦合机构方案具有严重局限性和低互操作性，且应用场景和应用范围较窄。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述背景技术中提到的现有方案的磁耦合机构方案具有严重局限性和低互操作性，且应用场景和应用范围较窄的技术问题，提出一种基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统，采用安装于电动汽车轮毂电机外壳下方的弧形磁耦合机构，可以使得磁耦合机构发射端和接收端间隙距离最小化，并针对上述方案分别提出了应用于静态无线电能传输、半动态和动态无线电能传输的应用案例。
6.本发明提出一种基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统，包括磁耦合机构发射端、磁耦合机构接收端、电力电子模块总成、屏蔽外壳、连接支架，所述电力电子模块总成与磁耦合机构接收端信号连接，所述磁耦合机构接收端直接连接于电动汽车轮毂电机的底部外壳，所述磁耦合机构接收端安装于磁耦合机构发射端的下方，所述电力电子模块总成安装于轮毂电机的传动轴的外周，所述磁耦合机构发射端嵌入并安装于电动汽车所行驶的道路表面。
7.优选地，所述磁耦合机构接收端为曲面结构，其弧度与轮毂外壳的弧度相同，所述磁耦合机构接收端与轮毂外壳固定且与轮毂电机同轴，且不旋转。
8.优选地，所述电力电子模块总成包括直流恒压源、逆变器、驱动器、原边控制器、整流器、副边控制器和降压稳压模块，所述轮毂电机与降压稳压模块、整流器和副边控制器依次连接，所述整流器还与副边谐振单元和磁耦合机构接收端依次连接，所述降压稳压模块还与锂电池组依次连接，所述直流恒压源、逆变器、驱动器和原边控制器依次连接，所述逆变器还与原边谐振单元和磁耦合机构发射端依次连接。
9.优选地，所述原边控制器和副边控制器均包含有电流传感器、调制解调模块、pi控制模块以及wi
‑
fi通讯模块，用以实现系统的恒压、恒流控制以及最大效率跟踪控制。
10.优选地，所述轮毂电机的外侧安装有屏蔽外壳。
11.优选地，所述磁耦合机构发射端包括发射端线圈和发射端磁芯，所述发射端磁芯铺设在发射端线圈的下方。
12.优选地，所述发射端线圈设计为方型、圆型、dd型、ddq型、三相叠放型、多小线圈型、长导轨型或双极型。
13.优选地，所述磁耦合机构接收端包括接收端线圈和接收端磁芯，所述接收端磁芯上设置有接收端线圈。
14.优选地，所述接收端线圈设计为方型、圆型、dd型、ddq型或三相叠放型。
15.优选地，所述原边谐振单元位于磁耦合机构发射端线圈内侧，所述副边谐振单元位于磁耦合机构接收端线圈内侧，所述原边谐振单元和副边谐振单元采用符合电路拓扑互操作性的补偿网络。
16.优选地，所述补偿网络为s
‑
s、s
‑
p、p
‑
p、p
‑
s、lcc
‑
s、lcc
‑
lcc、lcl
‑
lcl、lcl
‑
s或其他复杂高阶拓扑结构。
17.本发明所述的基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统的有益效果为：
18.1、本发明的结构可以实现比传统电动汽车无线充电系统更小的离地间隙，优于现有国标或sae
‑
j2954国际标准，更易于实现系统的高传输效率设计。
19.2、本发明的轮内线圈结构安装于轮毂电机和轮胎之间的位置，如图2所示，在路过复杂路况时，磁耦合机构接收端随轮胎一同上升或下降，不易受路边影响而导致剐蹭，相比于传统电动汽车无线充电系统具有很好的道路适应性和通过性。
20.3、本发明所设计的基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统，能够拓展适用于静态、准动态以及动态无线电能供电领域，具体详见实施例1
‑
4，具有广阔的应用前景。
21.4、本发明所设计的基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统的接收端线圈可设计为方型、圆型、dd型、ddq型、三相叠放型以及其他集成线圈结构形式，所述发射端线圈可设计为方型、圆型、dd型、ddq型、三相叠放型、多小线圈型、长导轨型、双极型以及其他集成线圈结构形式，所述的发射端和接收端线圈可以选取具有互操作性的结构进行任意搭配，具有很强的互操作性和拓展设计通用性。
22.5、本发明的轮内线圈(接收端线圈)直接安装于轮毂电机外壳，接收端电力电子模块总成集成于轮毂电机侧部，实现供电线路最短的设计，减少不必要的线路损耗，磁耦合机构接收端耦合获得的电能可以直接为轮毂电机驱动模块和传感器模块供电，并且能够将多余的电能储存到锂电池组中。
23.6、本发明的轮内线圈结构安装于车轮内侧，辐条状的金属车轮轮毂(通常为铝合金材质或钢材材质)可以对磁耦合机构所产生的空间电磁场实现屏蔽，仿真测试车轮外侧电磁场强度低于27ut，满足icnrp指南中所要求人体最大辐射值，因而在上下车过程中无线电能传输磁耦合机构的空间磁场不会对人体造成危害。
附图说明
24.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.在附图中：
26.图1为本发明所述的电力电子模块总成的电路示意图；
27.图2为本发明所述的原边控制器和副边控制器的电路示意图；
28.图3为基于轮内线圈的磁耦合机构的装配结构示意图；
29.图4为基于轮内线圈的磁耦合机构的主视图；
30.图5为基于轮内线圈的磁耦合机构示意图；
31.图6为实施例1所述的轮毂电机室内/室外停车位静态无线供电原理示意图；
32.图7为实施例2所述的轮毂电机红绿灯路口半动态无线供电原理示意图；
33.图8为实施例3所述的轮毂电机公交车停车站半动态无线供电原理示意图；
34.图9为实施例4所述的轮毂电机高速公路或城市快速路动态无线供电原理示意图；
35.其中，1
‑
直流恒压源，2
‑
逆变器，3
‑
驱动器，4
‑
原边控制器，5
‑
原边谐振单元，6
‑
磁耦合机构发射端，7
‑
磁耦合机构接收端，8
‑
副边谐振单元，9
‑
整流器，10
‑
副边控制器，11
‑
降压稳压模块，12
‑
轮毂电机，13
‑
锂电池组，14
‑
电力电子总成，15
‑
屏蔽外壳，16
‑
轮胎，17
‑
传动轴。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
37.具体实施方式一：参见图1
‑
9说明本实施方式。本实施方式所述的基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统，包括电力电子模块总成14、磁耦合机构发射端6和磁耦合机构接收端7，所述电力电子模块总成14与磁耦合机构发射端6和磁耦合机构接收端7信号连接，所述磁耦合机构发射端6安装于轮胎16与轮毂外壳之间，所述磁耦合机构接收端7安装于磁耦合机构发射端6的下方，所述电力电子模块总成14安装于轮毂电机12的传动轴17的外周。所述轮毂电机12的外侧安装有屏蔽外壳15。
38.所述磁耦合机构接收端7为曲面结构，其弧度与轮毂外壳的弧度相同，所述磁耦合机构接收端7与轮毂外壳固定且与轮毂电机12同轴，且不旋转。
39.所述电力电子模块总成14包括直流恒压源1、逆变器2、驱动器3、原边控制器4、整流器9、副边控制器10和降压稳压模块11，所述轮毂电机12与降压稳压模块11、整流器9和副边控制器10依次连接，所述整流器9还与副边谐振单元8和磁耦合机构接收端7依次连接，所述降压稳压模块11还与锂电池组13依次连接，所述直流恒压源1、逆变器2、驱动器3和原边控制器4依次连接，所述逆变器2还与原边谐振单元5和磁耦合机构发射端6依次连接。
40.其中，逆变器2用来实现dc
‑
ac变换，驱动器3用来产生驱动信号以驱动逆变器2中
的四路mosfet开关管，原、副边谐振单元5和8与磁耦合机构发射端6和磁耦合机构接收端7配合形成磁耦合谐振腔，用来产生空间交变磁场从而实现能量的无线传输，整流器9用来实现ac
‑
dc变换并通过降压稳压模块11实现dc
‑
dc直流变换，从而实现对轮毂电机12的驱动以及锂电池13的储能。原、副边控制器4和10均包含有电流传感器4
‑
1、调制解调模块4
‑
2、pi控制模块4
‑
3以及wi
‑
fi通讯模块4
‑
4，用以实现系统的恒压、恒流控制以及最大效率跟踪控制。原、副边谐振单元5和8可以采用符合电路拓扑互操作性的任意形式的补偿网络，包括但不限于s
‑
s、s
‑
p、p
‑
p、p
‑
s、lcc
‑
s、lcc
‑
lcc、lcl
‑
lcl、lcl
‑
s或其他复杂高阶拓扑结构。上述部件均由非金属外壳所包裹在内，材料可以选用pla、abs或pmma等。
41.直流电经过逆变器2后经过谐振腔，将电能转化为高频交变磁场，从而在磁耦合机构接收端中耦合产生相同频率的交流电，后经整流和降压稳压转换为适合轮毂电机驱动以及锂电池储能的电压电流参数等级，以实现电能的非接触式无线传输。
42.所述磁耦合机构发射端6包括发射端线圈6
‑
1和发射端磁芯6
‑
2，所述发射端磁芯6
‑
2位于发射端线圈6
‑
1的下侧。
43.所述发射端线圈6
‑
1可设计为方型、圆型、dd型、ddq型、三相叠放型、多小线圈型、长导轨型、双极型以及其他集成线圈结构形式。
44.所述磁耦合机构接收端7包括接收端线圈7
‑
1和接收端磁芯7
‑
2，所述接收端磁芯7
‑
2上设置有接收端线圈7
‑
1。
45.接收端线圈7
‑
1可设计为方型、圆型、dd型、ddq型、三相叠放型以及其他集成线圈结构形式。
46.所述的发射端和接收端线圈可以选取具有互操作性的结构进行任意搭配，具有很强的互操作性和拓展设计通用性。
47.所述原边谐振单元5位于磁耦合机构发射端线圈内侧，副边谐振单元8位于磁耦合机构接收端线圈内侧。
48.所述轮毂电机12位于轮胎16的内部，磁耦合机构接收端7安装于轮毂电机12的外壳底部，位于轮毂电机12和轮胎16之间，轮毂电机12侧面装有电力电子模块总成14。在轮胎内侧安装有磁耦合机构接收端7，轮胎外部安装有屏蔽外壳15，用以屏蔽磁耦合机构垂直方向所产生的空间电磁场。
49.通过图2可以看出，磁耦合机构接收端7直接连接于电动汽车轮毂电机12的底部外壳，但不随轮毂电机的转动而旋转，这是相比较于传统电动汽车无线电能传输系统最大的区别，也是本专利的重点保护点之一，通过这种轮毂电机12、电力电子模块总成14与磁耦合机构6、7的集成化设计，使得本发明的无线电能传输系统具有高效率和良好的道路适应性等优势。
50.实施例1：
51.参照图6具体说明本实施方式，本实施方式所述基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统，主要应用于电动汽车静态无线充电领域。本实施例的应用对象为停靠在固定停车位的电动汽车车辆，磁耦合机构发射端尺寸为800mm*400mm，采用0.05*3000股利兹线绕制22匝，磁耦合机构接收端尺寸为220mm*220mm，弧形设计弯曲角度约为60
°
，采用采用0.05*3000股利兹线绕制14匝。其中，一套磁耦合机构可以实现5kw的最大功率输出，全车四个轮毂共可以实现20kw的最大功率输出能力。此外，根据图5可以看出，汽车
停车于停车区内并且受停车限位器的限制，由于发射端尺寸在长度和宽度方向均大于接收端，因而本发明所提出的基于轮内线圈结构的磁耦合机构具有良好的偏移适应能力，即使在停车位置不完全位于停车区中心时，只要磁耦合机构双边包含覆盖面积，系统仍可以实现降额运行。发明所设计的基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统磁耦合机构发射端线圈6
‑
1可设计为方型、圆型、dd型、ddq型以及其他集成线圈结构形式；磁耦合机构接收端线圈7
‑
1可设计为方型、圆型、dd型、ddq型、三相叠放型以及其他集成线圈结构形式；发射端和接收端线圈可以选取具有互操作性的结构进行任意搭配，原、副边谐振网络可以采用符合电路拓扑互操作性的任意形式的补偿网络，包括但不限于s
‑
s、s
‑
p、p
‑
p、p
‑
s、lcc
‑
s、lcc
‑
lcc、lcl
‑
lcl、lcl
‑
s或其他复杂高阶拓扑结构。
52.实施例2：
53.参照图7具体说明本实施方式，本实施方式所述基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统，主要应用于电动汽车半动态无线充电领域。本实施例的应用对象为在道路十字路口停车等待信号灯的电动汽车车辆，磁耦合机构发射端尺寸为1000mm*400mm，采用0.05*3000股利兹线绕制22匝，磁耦合机构接收端尺寸为220mm*220mm，弧形设计弯曲角度约为60
°
，采用采用0.05*3000股利兹线绕制14匝。其中，一套磁耦合机构可以实现5kw的最大功率输出，全车四个轮毂共可以实现20kw的最大功率输出能力。
54.与实施例1不同的是，本实施例考虑应用于道路交通的十字路口的短时间停车充电，即半动态无线电能传输。经过相关调研和大数据计算，在城市主干道或其他车流量较大的红绿灯路口的20m～30m停车区铺设磁耦合机构发射线圈，如图6所示，可以最大程度上实现本实施例的优势。由于国内目前主干道红绿灯交替时间约2分钟，以目前20kw无线充电系统80km/h的充电续航里程速率，在一处十字路口等待时可以实现约2.6km的续航里程补给，完全足够驾驶到下一处充电区域继续补电。
55.此外，根据图7可以看出，汽车停车于停车区内并且受停车限位器的限制，由于发射端尺寸在长度和宽度方向均大于接收端，因而本发明所提出的基于轮内线圈结构的磁耦合机构具有良好的偏移适应能力，即使在停车位置不完全位于停车区中心时，只要磁耦合机构双边包含覆盖面积，系统仍可以实现降额运行。发明所设计的基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统磁耦合机构发射端线圈6
‑
1可设计为方型、圆型、dd型、ddq型以及其他集成线圈结构形式；磁耦合机构接收端线圈7
‑
1可设计为方型、圆型、dd型、ddq型、三相叠放型以及其他集成线圈结构形式；发射端和接收端线圈可以选取具有互操作性的结构进行任意搭配，原、副边谐振网络可以采用符合电路拓扑互操作性的任意形式的补偿网络，包括但不限于s
‑
s、s
‑
p、p
‑
p、p
‑
s、lcc
‑
s、lcc
‑
lcc、lcl
‑
lcl、lcl
‑
s或其他复杂高阶拓扑结构。
56.实施例3：
57.参照图8具体说明本实施方式，本实施方式所述基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统，主要应用于电动汽车半动态无线充电领域。本实施例的应用对象为停靠在公交车专用停车位等待乘客上下车的电动汽车车辆，磁耦合机构发射端尺寸为1000mm*400mm，采用0.05*3000股利兹线绕制22匝，磁耦合机构接收端尺寸为220mm*220mm，弧形设计弯曲角度约为60
°
，采用采用0.05*3000股利兹线绕制14匝。其中，一套磁耦合机构可以实现5kw的最大功率输出，全车四个轮毂共可以实现20kw的最大功率输出能力。
58.与实施例二相似，本实施例考虑应用于公交车停车站的短时间停车充电，即半动态无线电能传输。在公交车专用停车区铺设磁耦合机构发射线圈，如图7所示，可以最大程度上实现本实施例的优势。由于国内目前中大城市公交车平均停靠时间约40秒，以目前20kw无线充电系统80km/h的充电续航里程速率，在一处十字路口等待时可以实现约1km的续航里程补给，足够驾驶到下一处充电区域继续补电。
59.此外，根据图8可以看出，汽车停车于停车区内并且受停车限位器的限制，由于发射端尺寸在长度和宽度方向均大于接收端，因而本发明所提出的基于轮内线圈结构的磁耦合机构具有良好的偏移适应能力，即使在停车位置不完全位于停车区中心时，只要磁耦合机构双边包含覆盖面积，系统仍可以实现降额运行。发明所设计的基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统磁耦合机构发射端线圈6
‑
1可设计为方型、圆型、dd型、ddq型以及其他集成线圈结构形式；磁耦合机构接收端线圈7
‑
1可设计为方型、圆型、dd型、ddq型、三相叠放型以及其他集成线圈结构形式；发射端和接收端线圈可以选取具有互操作性的结构进行任意搭配，原、副边谐振网络可以采用符合电路拓扑互操作性的任意形式的补偿网络，包括但不限于s
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s、s
‑
p、p
‑
p、p
‑
s、lcc
‑
s、lcc
‑
lcc、lcl
‑
lcl、lcl
‑
s或其他复杂高阶拓扑结构。
60.实施例4：
61.参照图9具体说明本实施方式，本实施方式所述基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统，主要应用于电动汽车动态无线充电领域。本实施例的应用对象为在高速公路或城市快速路行驶中的电动汽车车辆，磁耦合机构发射端采用动态无线电能传输分段式导轨结构尺寸为1000mm*400mm，采用0.05*3000股利兹线绕制，磁耦合机构接收端尺寸为220mm*220mm，弧形设计弯曲角度约为60
°
，采用0.05*3000股利兹线绕制14匝。其中，一套磁耦合机构可以实现5kw的最大功率输出，全车四个轮毂共可以实现20kw的最大功率输出能力。
62.与上述实施例不同的是，本实施例考虑应用于电动汽车在高速公路或城市快速路的动态无线电能传输场景，在快速车道铺设磁耦合机构发射线圈，如图9所示，可以最大程度上实现本实施例的优势。动态无线导轨发射端采用分段式结构，当车辆行驶接近至磁耦合发射端导轨时，导轨自动预先开启充电模式，在离开此段导轨时滞后关闭，可以极大程度上避免因动态行驶而带来的过流冲击等问题。发射端和接收端的动态识别可以依靠射频、wi
‑
fi、蓝牙、激光雷达等手段实现，能够做到高精度分段导轨切换控制。
63.此外，根据图9可以看出，汽车停车于停车区内并且受停车限位器的限制，由于发射端尺寸在长度和宽度方向均大于接收端，因而本发明所提出的基于轮内线圈结构的磁耦合机构具有良好的偏移适应能力，即使在停车位置不完全位于停车区中心时，只要磁耦合机构双边包含覆盖面积，系统仍可以实现降额运行。发明所设计的基于轮内线圈结构的电动汽车轮毂电机无线电能传输系统磁耦合机构发射端线圈6
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1可设计为三相叠放型、多小线圈型、长导轨型、双极型以及其他动态导轨形式；磁耦合机构接收端线圈7
‑
1可设计为方型、圆型、dd型、ddq型、三相叠放型以及其他集成线圈结构形式；发射端和接收端线圈可以选取具有互操作性的结构进行任意搭配，原、副边谐振网络可以采用符合电路拓扑互操作性的任意形式的补偿网络，包括但不限于s
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s、s
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p、p
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p、p
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s、lcc
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s、lcc
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lcc、lcl
‑
lcl、lcl
‑
s或其他复杂高阶拓扑结构。
64.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。