电动车辆的电磁耦合压电供电的制作方法

电动车辆的电磁耦合压电供电
1.本技术要求于2019年8月15日提交的名称为“车载电池的电磁耦合压电充电系统及方法”的待审美国临时专利申请序列号62/886,994的优先权，该申请通过引用整体并入本文。


背景技术：

2.电动车辆(ev)可以分类为混合动力(hev)、插电式混合动力(phev)、电池电动车辆(bev)和燃料电池电动车辆(fcev)。hev将内燃机(ice)与电动机相结合，它们的电池使用将动能转换为电能的再生制动技术充电。phev与hev类似，但它们的电池也可以使用电源插座的电源充电。bev没有汽油发动机，它们配备了一个电动机，该电动机使用存储在车载电池中的电力运行，并通过电源插座充电。fcev还有一个电动机，该电动机由存储在车载储罐中的氢气与空气中的氧气结合产生的电力驱动。
3.尽管bev和fcev的尾气排放为零，但它们确实助推了全球排放。这些排放等级取决于用于生产为bev充电的电力或生产fcev用的氢燃料的能源。电动车辆(电动模式)的范围有限一直是限制这些车辆广泛采用的一个缺点。
4.另一个对ev采用率产生负面影响的障碍是充电时间。1级(家庭充电)使用120v 15amp的电源插座，夜间充电8小时可以增加40英里的里程。2级(家庭和公共充电)基于240v 30amp的电路，夜间充电8小时可增加到180英里。直流快速充电(公共充电)是目前可用的最快充电方法，通常可以在30分钟内增加50到90英里。
5.公共充电站需要大量基础设施开发，以使其使用成为可行的选择。显然，上述充电技术方案将增加国家电网负荷，这可能需要在发电和配电网络方面额外的基础设施，特别是在高峰用电时间。
6.电池成本是采用ev的另一个关注领域。目前，大多数ev都配备有锂离子(li-ion)电池。尽管在过去十年中，锂离子电池的成本(美元/千瓦时)大幅下降，但锂离子电池仍然占ev总成本的相当大的比例。此外，作为锂离子电池生产中不可或缺的材料，钴的开采和生产实践在过去几年受到国际社会越来越多的关注。


技术实现要素：

7.本发明公开了一种装置，其包括：充电部分，其具有嵌入到配置用于车辆的轮胎中的多个压电元件；电容器，其机械耦合到轮胎并且电耦合到多个压电元件；发射器线圈，其机械耦合到轮胎并通过放电部分电耦合到电容器；其中，响应于由于车辆运动导致的轮胎上的外部径向压力对多个压电元件产生的压力，多个压电元件在电容器上产生电荷，并且其中放电部分将电容器上的电荷电连接到发射器线圈，以向车辆发送电磁功率。
8.本发明公开了一种方法，其包括：围绕配置用于车辆的轮胎的圆周提供交替的充电部分和放电部分；当每个充电部分在轮胎旋转处于压缩状态下时，利用充电部分中的压电元件对轮胎中的电容存储层充电，使压电元件上产生压力；以及，通过放电部分使电容存储层向发射器线圈放电，以将电力传输到车辆上的接收器线圈，其中发射器线圈机械耦合
到轮胎并通过放电部分电耦合到电容器。
9.本发明公开了一种用于电动车辆的电磁耦合供电的系统，其包括：嵌入并围绕车辆轮胎的圆周依次布置的多个充电部分和放电部分，其中，所述多个充电部分包括多个元件模块，每个元件模块具有至少一个压电元件、一整流器和一电阻器；电容器，其嵌入在轮胎中并电耦合到多个压电元件，其中，所述压电元件被配置为响应于压电元件上的压力随时间的变化，在压电元件的顶面和压电元件的底面之间产生相应的时变电压差，其感应出到电容器的相应的充电电流；发射器线圈，其嵌入轮胎中并通过放电部分电耦合到电容器；其中，放电部分用作压力开关，以通过发射器线圈以时变电容器放电电流电压对电容器进行放电，并且发射器线圈被配置为响应于通过线圈的时变放电电流，在发射器线圈周围建立时变磁场；其中，响应于由车辆运动引起的轮胎上的外部径向压力对多个压电元件产生的压力，多个压电元件在电容器上产生电荷，其中，所述电容器是电容器存储层，其包括第一极板和与第一极板间隔开的第二极板，所述发射器线圈包括导体，该导体具有导体第一端、导体第二端和形成回路的部分，该回路具有第一绕组轴线，该绕组轴线与轮胎的中心轴线共线，所述导体第一端电耦合到第一极板并且导体第二端耦合到第二极板，其中，放电部分将电容器上的电荷电连接到发射器线圈，以将电磁功率发送到车辆上的接收器线圈，其中，接收器线圈通过接收器线圈支撑件支撑在车辆上，该接收器线圈支撑件被配置为将接收器线圈与发射器线圈对齐，并且接收器线圈支撑件还被配置为将接收器线圈相对于发射器线圈定位，以便响应于发射器线圈周围的时变磁场，通过接收器线圈感应时变接收器线圈电流。
10.提供以上发明概述是为了以简化形式介绍一部分构思，这些构思在下面的详细描述中进一步描述。上述发明概述并非旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，要求保护的主题不限于解决在本发明的任何部分中指出的任何或所有缺点的实施方式。
附图说明
11.附图仅作为示例而非限定性地描绘了本发明的一种或多种实施方式。在附图中，相同的附图标记指代相同或相似的元件。
12.图1示出了在静态中性状态下、在压缩下产生电压时以及在暴露于电势中变形时的压电材料的几何形状。
13.图2a示出了在轴向距离为z且径向距离为p的点处的圆形电流回路的磁场的轴向和径向分量。
14.图2b示出了表示由电流通过导体回路产生的磁场的磁力线。
15.图3a是磁场和感应emf随距圆形电流回路中心的径向距离的变化的曲线图。
16.图3b是磁场随距圆形电流回路中心的轴向距离变化的曲线图。
17.图4示出了安装在车轮上用于电动车辆的电磁耦合供电和充电的轮胎的示例性实施方式的局部剖视图。
18.图5示出了安装在车轮上用于电动车辆的电磁耦合供电和充电的轮胎的示例实施方式的侧视图。
19.图6是一实施方式的电气框图。
20.图7a示出了充电/放电层的充电部分的透视图。
21.图7b示出了充电部分的两个模块的分解图。
22.图7c示出了充电/放电层的充电部分的电气图。
23.图8描绘了充电/放电层的充电部分的分解图。
24.图9是轮胎组件的三维透视图，其显示了接收器和发射器线圈以及充电/放电层、电容存储层和母线的相应位置。
25.图10是轮胎的平面图，其显示了发射器和接收器线圈的尺寸。
26.图11是具有如本文所述的系统的车辆的图。
27.图12是实施用于电动车辆的电磁耦合供电和充电的过程的流程图。
具体实施方式
28.在以下详细描述中，通过示例阐述了许多具体细节以提供对相关教导的透彻理解。然而，应当清楚的是，可以在没有这些细节的情况下实施本主题。在其它情况下，公知的方法、过程、组件和/或电路以较高级别进行描述，没有详细说明，以避免不必要地模糊所公开主题的各方面。
29.附图标记列表
30.si单位
31.内燃机(ice)
32.混合动力电动车辆(hev)
33.插电式混合动力车辆(phev)
34.电池电动车辆/全电动车辆(bev)
35.燃料电池电动车辆(fcev)
36.零排放车辆(zev)
37.片上系统(soc)
38.单板计算机(sbc)
39.温室气体(ghg)
40.选定的电气测量定义
[0041][0042]
实施方式提供了一种用于电动车辆(ev)的电力生产的自给方法。这种自充电系统将能够在车辆行驶时永久发电为车辆电池充电。在不需要外部电源的情况下，该系统可以增加行驶里程，降低电动车辆的成本以及运营成本，减少温室气体排放，减少/消除充电所需的时间和基础设施，减轻电网压力，减少对化石燃料的依赖，并迎来真正的零排放电动车辆。
[0043]
实施方式使用施加在轮胎的接地片上的法向重力来压缩压电材料，该压电材料又将该力转换成电压。所产生的电压是压电材料的几何形状和施加在其上的力的函数。产生的电压可用于通过导体为电容器充电。一旦电容器被充电并且轮胎已经移动足够远以至于压电材料不再处于压缩状态，放电部分就将通过导体释放电容器的累积电压，使压电材料在其吸收(消散)电压时发生变形。导体由多个导电圆形电流回路(发射线圈)组成。一旦电容器通过发射器线圈放电，它将产生变化的磁场，因为发射器线圈中的电流随时间呈指数式变化。该产生的磁场可以在由紧邻发射器线圈的多个导电环形电流回路(接收器线圈)组成的第二线圈中产生感应emf。然后，接收器线圈中产生的电压(emf)可以通过电气调节电路提供给电动车辆。该调节电路对于熟悉本领域的人员来说是公知的，不在本说明书的描述范围之内。调节后的功率输出可用于为电动车辆上的车载电池充电和/或直接操作电动车辆。
[0044]
实施方式可以减小ev的车载电池的尺寸。这将减少电动车辆的净重，并通过更小的电池尺寸节省成本。此外，锂离子电池可以被替换和/或与其它较便宜的电池技术一起利用，例如(但不限于)镍镉(nicd)和镍金属氢化物(nimh)。实施方式还有效地增加了ev的行驶里程，因为可以在ev行驶时为电池充电。
[0045]
实施方式可以减少或消除给ev充电所需的时间和私人或公共充电基础设施的费用以及用于给ev充电的电力成本。它还将减少或消除对国家电网和配电网络的任何额外需求。可能最重要的是，实施方式可以减少包括co2在内的温室气体排放(ghg)。产生的任何多
余功率都可用于补偿电气调节电路中的损耗和/或维持电池温度以达到最佳性能(加热或冷却)。剩余功率的其它潜在用途包括(1)使用co2捕获技术，如吸附来进行活性炭捕获，(2)使用多个低成本、低功耗的片上系统(soc)、单板计算机(sbc)和高速无线数据网络的分布式计算。
[0046]
下面阐述的示例是针对bev，尽管它们实际上可以应用于任何类型的轮式ev，包括但不限于hev、phev、电动公共汽车、轻型、中型和重型商用车辆、电动滑板车、电动摩托车等。
[0047]
图1是根据压电效应在各种状态下的压电材料几何形状100的描绘。在静态中性状态110，压电材料没有被施加电力或机械力。在压缩状态112中，压电材料具有施加到其上的机械力，使得压电材料产生电压。当暴露于电势时，压电材料进入物理变形状态114。
[0048]
压电效应是某些材料响应施加在其上的机械力而产生电荷(材料极化)的能力。此外，这些材料在暴露于被称为逆压电效应的电场时会发生受控变形。上述力包括压缩和拉伸等。锆钛酸铅陶瓷就是这样一种材料。mil-std-1376b(海军型(navy type)压电材料)中描述了这些材料的性能特征和分类。虽然可以使用任何压电材料，但具有较高的机械质量因数和杨氏模量、更低的电阻和介电损耗的材料是可取的。硬性pzt、海军型(navy type)i和海军型(navy type)iii是符合要求的合适材料。
[0049]
在压电效应中，材料产生的电荷与所施加的力和压电材料的几何形状成正比。对于棒，压电材料的电压和位移(尺寸变化)由下式给出：
[0050]
其中g
33
＝电压常数
[0051]
静态位移
棒
＝δ高度＝d
33
v其中d
33
＝电荷常数
[0052]
开发无铅压电材料的研究已经进行了十多年。nbt，钛酸铋钠；knn，铌酸钾钠；bf，铁氧体铋；bt钛酸钡是该研究成果的新型材料。这些新开发的材料尚未取代锆钛酸铅(pzt)的市场主导地位。压电材料对压缩和随后的减压的响应可以近似为具有正负部分的三角波形，该波形可以使用全波整流电路对其进行整流以产生直流电压。可以看出，三角波形的平均电压等于峰值电压的1/2。
[0053]
图2a显示了在轴向距离为z且径向距离为p的点处的圆形电流回路的磁场的轴向和径向分量。图2b显示了表示电流通过导体回路产生的磁场的磁力线。
[0054]
电流和磁场。毕奥-萨伐尔(biot-savart)定律和更广义的安培定律将磁场与作为其源的电流联系起来。电流周围空间中的磁场与作为其源的电流成正比，正如空间中的电场与作为其源的电荷成正比一样。安培定律表明，对于任何闭合回路路径，长度元素的总和乘以长度元素方向上的磁场等于磁导率乘以封闭在回路中的电流。
[0055]
图3a是磁场和感应emf(示例1ev-a)随距圆形电流回路中心为径向距离变化的曲线图。该曲线图显示，随着距中心的距离增加，磁场达到最大值，随着径向距离大于圆形电流回路的半径，磁场急剧下降。
[0056]
圆形电流回路的磁场。由圆形电流回路产生的导体外的空间中的任意点处的磁场的轴向(bz)和径向(bp)分量可以使用广义公式计算：
[0057]
[0058][0059][0060]
其中
[0061]
a＝回路半径
[0062]
z＝轴向距离
[0063]
p＝径向距离
[0064]
i＝电流
[0065]
μ0＝自由空间的磁导率
[0066]
k，e＝第一类和第二类椭圆积分
[0067]
圆形电流回路的轴线上的磁场距回路的距离为z
[0068][0069]
可以看出，由于圆形电流回路几何形状的对称性，径向分量之和为零。回路中心处的圆形电流回路的磁场大小由下式给出：
[0070][0071]
多个圆形电流回路的磁场是相加的，因此回路中心的n个回路的磁场由下式给出：
[0072][0073]
由于磁场变化而产生的emf。法拉第感应定律指出，线圈的磁环境的任何变化都会导致线圈中“感应”电压(emf)。不管变化是如何产生的，都会产生电压。这种变化可以通过改变磁场强度、使磁铁移向或远离线圈、将线圈移入或移出磁场、相对于磁场旋转线圈等来产生。线圈中的感应emf等于磁通量变化率乘以线圈匝数的负数，并与通过线圈的磁通量的时间变化率成正比。
[0074]
其中
[0075][0076]
其中：
[0077]
n＝匝数
[0078]
φb＝ba
[0079]
b＝外部磁场
[0080]
a＝线圈面积
[0081]
θ＝入射角
[0082]
磁通量φ是磁场的平均法向分量与其穿透面积的乘积。楞次定律指出，感应emf的极性使得它倾向于产生电流，该电流将产生磁通量以对抗通过线圈的磁通量的变化。
[0083]
(图2a、2b)。
[0084]
图3b是磁场(示例1ev-a)随距圆形电流回路中心的轴向距离变化的曲线图。该曲线图显示了随着轴向距离的增加而减小的磁场。
[0085]
呈指数衰减的磁场。由于指数衰减的磁场而产生的emf可以计算如下：
[0086][0087]
对于a＝1/rc，其中rc是时间常数，可以使用以下公式计算emf
[0088][0089]
互感和耦合系数。两个同轴灯丝电流回路之间的互感，一个半径为r1，另一个半径为r2，中心之间的距离为x，可以使用诺依曼(neumann)公式计算：
[0090][0091]
可以通过以下形式求解：
[0092][0093][0094]
其中：
[0095]
m＝互感
[0096]
r1，r2＝两个圆形电流回路的半径
[0097]
x＝圆形电流回路中心之间的距离
[0098]
k，e＝第一类和第二类椭圆积分
[0099]
两个线圈之间的耦合系数定义为：
[0100][0101]
其中：
[0102]
m＝互感
[0103]
l1，l2＝两个线圈的自感
[0104]
使用自感和互感的关系，可以发现0《k
耦合
《1。
[0105]
自感l1和l2不取决于线圈间距x，而互感则取决于线圈间距x。
[0106]
惠勒近似。哈罗德
·
惠勒(harold a.wheeler)开发了公式来给出各种线圈配置的近似电感。它们主要基于经验测量，并且精确到几个百分点。
[0107]
对于多层空芯线圈
[0108][0109]
其中：
[0110]
a＝平均绕组半径
[0111]
b＝线圈长度
[0112]
c＝线圈外半径和内半径之差。
[0113]
n＝匝数
[0114]
l＝电感，单位为μh
[0115]
所有尺寸以英寸为单位。适用于具有矩形截面的线圈。
[0116]
导体的载流能力。i.m.昂德多克(i.m.onderdonk)在研究由于电弧(短路)导致的高压输电线路中的导体故障时开发了一个方程。它的方程将电流、时间和导体尺寸联系起来，并假设一个绝热过程。该等式可用于确定由于焦耳热导致导体中给定温度升高所需的时间。
[0117][0118]
其中：
[0119]
i＝电流，单位为安培
[0120]
a＝圆形密耳为单位的横截面积
[0121]
s＝施加电流的时间，单位为秒
[0122]
δt＝从环境或初始状态的温度上升
[0123]
ta＝参考温度，单位为摄氏度
[0124]
图4示出了安装在车轮412上的用于电动车辆的电磁耦合供电和充电的轮胎410的示例实施方式的局部截面图。轮胎410包括围绕轮胎圆周用于接触路面的胎面帘布层414。在胎面帘布层414下方是充电/放电层416。充电/放电层416被分成围绕轮胎圆周的连续充电部分和放电部分，如下面参照图5所述。在充电/放电层416下方是电容存储层418。电容存储层418可以包括在一个或多个层中的一个或多个电容器，如下文进一步描述。轮胎410还可以包括围绕轮胎圆周的多个嵌入式回路导体或母线，以电连接轮胎的其它元件。在图4所示的实施方式中，轮胎410包括正母线420、公共母线422和放电母线424。轮胎410还包括围绕轮胎圆周的发射器线圈426。在该实施方式中，发射器线圈426位于轮胎的侧壁中。轮胎410可包括图4中未明确示出的其它基本车辆轮胎结构，例如衬里层、胎体层、带束层、轮缘等。
[0125]
图5示出了用于上面介绍的电动车辆的电磁耦合充电的轮胎410和车轮412的示例性实施方式的侧视图。围绕轮胎410的圆周的充电/放电层416被分成连续的充电部分510和放电部分512。在所示的示例实施方式中，具有围绕轮胎410的圆周交替的10个充电部分510和10个放电部分512。充电部分510和放电部分512的长度被选择为大致等于或与轮胎接地片面积的长度有关，这取决于具体的轮胎尺寸。轮胎接地片面积是轮胎在任一时间与支撑面接触的面积，其特征在于补片(patch)长度和补片宽度。充电部分510和放电部分512的数量可以根据轮胎尺寸而变化。充电部分510由如下文进一步描述的模块阵列(m
×
n)组成。每个充电部分产生的电压是轮胎补片面积、轮胎补片面积上的力、最终对压电模块施加力的导电压力垫的尺寸、阵列模块的数量、每个模块的压电元件数量以及元件的高度和面积的函数。当每个充电部分510与支撑表面接触时，它通过母线向电容存储层418产生电荷，如下面进一步描述的。如上所述，每个充电部分510之后是放电部分512。放电部分512将由前一充电部分510对电容存储层418上的电荷进行放电。因此，当放电部分受到压缩时，放电部分用作闭合电容存储层和发射器线圈426(图4)之间的电路的接触开关。下面参照图8进一步
描述放电部分512。
[0126]
电容器是能够在电场中存储能量的无源两端电气设备。最基本形式的电容器包括由通常称为电介质的绝缘体隔开的两个导体。电容器的特征在于电容值(c)，它是两个平行导体的面积和它们之间的间隔距离(电介质材料的厚度)的函数。电容器的国际单位制单位是法拉。定义为每个导体上的正电荷或负电荷q与它们之间的电压v之比。存储在电容器上的能量可以使用e
cap
＝1/2cv2计算，其中c是电容，v是电压。存储在电容器上的能量可以通过导体快速放电。在dc(直流)充电/放电电路中，时间常数定义为τ＝rc，其中r是电路中的电阻，c是电容。电容器的充电和放电呈指数关系，通常认为它们在5个时间常数内完全(99％)充电或放电。rc电路中电容器的电压由下式控制：在充电期间v
cap
＝v
源
x(1-e-t/rc
)，在放电期间v
cap
＝v
源
xe-t/rc
。
[0127]
塑料薄膜电容器可大致分为薄膜/箔和金属化薄膜电容器。薄膜/箔电容器的基本结构由两个金属箔电极和它们之间的塑料薄膜电介质组成。金属化薄膜电容器由两片以塑料薄膜为电介质的金属化薄膜制成。塑料薄膜上涂有一层薄薄的锌或铝。一些最常用的塑料薄膜电介质包括聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)和聚丙烯(pp)。薄膜/箔电容器具有高绝缘电阻、高脉冲处理能力、出色的电流承载能力和良好的电容稳定性。
[0128]
图6是电动汽车或车辆的电磁耦合供电和充电实施方案的电气框图。图6中的电气框图分为位于轮胎中的轮胎电路610和位于车辆上或车辆中的车辆电路612。轮胎电路610包括多个如上所述的充电部分510。图6中所示的充电部分包括充电部分a 510a、充电部分b 510b和充电部分510n，其中n表示可根据具体实施方式使用可变数量的充电部分和放电部分。充电部分510a～510n统称为充电部分510。每个充电部分510都连接到电容存储层418。充电部分510到电容存储层的连接是通过正母线和公共母线(图6中未显示)来实现，如下文进一步描述。电容存储层418连接到放电部分512a～512n中的每一个，其中再次将放电部分512a～512n统称为放电部分512。电容层418也使用正母线和公共母线连接到放电部分512，如下文进一步描述。因此充电部分510和放电部分512都通过正母线连接到电容器。每个放电部分512经由放电母线和公共母线连接到发射器线圈426，如下文进一步描述。发射器线圈426产生电磁场以将功率传送给车辆上的接收器线圈614用于为车辆供电和充电，如本文所述。
[0129]
再次参照图6，电气框图进一步示出了车辆电路612。车辆电路612以如图11所示的方式位于车辆上或车辆中。车辆电路包括接收器线圈614。接收器线圈614优选位于发射线圈附近，如图10和11所示。接收器线圈614放置在车辆上，位于发射器线圈426的电磁场内，以接收轮胎电路610产生的电力。接收器线圈614连接到车辆上的调节电路616。调节电路616输入接收器线圈614的电力并将其提供给包括用于为车辆电池充电的充电电路(未示出)的车辆。调节电路616将根据具体的车辆实施方式而变化。
[0130]
发射器线圈426优选包括多个紧绕的导体，其特征在于w
tx
绕组和l
tx
层以及od
tx
外径和wg
tx
导体线规，嵌入在轮胎的侧壁中，在制动器侧，其中一个端子连接到公共母线422，另一个连接放电母线424(图4)。
[0131]
接收器线圈614优选包括多个紧绕的导体，其特征在于w
rx
绕组和l
rx
层以及od
rx
外径和wg
rx
导体线规。接收器线圈614封装在接收器线圈外壳中，用于保护该接收器线圈614免
受损坏并保持线圈的几何稳定性。接收器线圈外壳还提供用于将接收器线圈固定到车辆的车身、底盘或框架的锚点，如下所述。接收器线圈614向车辆上的功率调节电路提供两个端子。发射器线圈426的区域优选覆盖接收器线圈614的区域。此外，发射器线圈426和接收器线圈614优选是同心的，并且它们各自的外接(circumscribed)表面彼此平行，中心彼此相距轴向距离为z(如图10所示)，优选尽可能地靠近，并且在车辆运行期间保持线圈之间的这种相对几何形状。
[0132]
图7a描绘了上面介绍的充电/放电层416的充电部分510的顶部透视图。充电部分510可由封装在橡胶外壳712中的充电模块710的阵列(m
×
n)组成。图7所示示例中的模块阵列显示为串联连接。可以在阵列中使用串联和并联模块的其它组合。充电部分510包括整流器部分714，其对充电模块710的电输出进行整流。整流器部分714优选包括一个或多个二极管716，并且还可以包括如下文参照图7c所描述的电阻器。整流器部分714包括与公共母线422的公共连接718和与正母线420的正连接720。
[0133]
图7b示出了充电部分510的两个模块710的分解图。在该示例中，充电模块710各自包含封装在模块外壳724中的三个压电元件722。每个充电模块710具有顶部导电压力垫728和底部导电压力垫726。顶部导电压力垫728和底部导电压力垫726提供到压电元件的机械连接和电连接。在该示例中，底部导电压力垫726连接到相邻充电模块的顶部导电压力垫或与其一体形成。模块外壳724由较低硬度的弹性体制成，这将允许它在压力下被压缩，以便在轮胎片处于压缩状态时通过顶部和底部导电压力垫压缩压电元件722。此外，模块外壳724还将充当导电压力垫的支撑。充电模块710嵌入在位于轮胎胎面下方的轮胎中，并且当包含具有这些模块的充电部分的轮胎片与路面接触时被压缩。每个充电部分产生的电压是轮胎片面积、轮胎片面积上的力、最终对压电模块施加力的导电压力垫的尺寸、阵列模块的数量、每个模块的压电元件数量以及它们的高度的函数。多个压电元件用于力的分布以及减少故障点的数量。这些模块可以串联连接以增加产生的电压用于电容存储层充电。每个充电部分具有两个连接，一个连接到正母线，一个连接到公共母线。
[0134]
图7c示出了充电/放电层416(图4)的充电部分510(图5)的电气图。如上所述，每个充电部分510包括多个充电模块，每个充电模块包含多个压电元件。用于充电部分510的所有充电模块的压电元件被组合并在图7c中由压电元件730表示。压电元件730连接到整流器部分714，如上面参照图7a所述。在此示例中，整流器部分714包括作为全波整流器734连接的四个二极管732。全波整流器的正端736连接到正母线420(图4)，负端738连接到公共母线422(图4)。充电部分510可以包括在正端736和正母线420之间的整流器部分714中的电阻器740。电阻器740为对电容存储层418充电的rc时间常数提供电阻。
[0135]
所示实施方式中的电容存储层414由沿着轮胎的长度(周长)缠绕的多个薄膜/箔/介电层组成。薄膜/箔/介电层的宽度优选小于接地片宽度。薄膜/箔/介电层和端子封装在轮胎层的橡胶外壳中。电容存储层414具有两个连接，一个连接到正母线，一个连接到公共母线。电容存储层的额定电压优选比充电部分在正常操作期间产生的峰值电压高约50％或更高，以便能够应对可能由于路面不平而出现的突然电压尖峰。
[0136]
图8描绘了充电/放电层416的放电部分512的分解图。充电/放电层的放电部分512嵌入位于轮胎胎面下方的轮胎中，并在轮胎片与路面接触时被压缩。如上文参照图6所述，放电部分512用作将电路闭合以将电容存储层418连接到发射器线圈426的开关。在图示示
例中，放电部分512包括顶层810和底层812。放电部分512的底层812包括两个下部导体814、816，它们在放电部分512受到压缩时通过顶层810中的一个或多个顶部导体818接触。放电部分512可包括一个或多个间隔件，以在放电部分512未受压缩时保持下部导体814、816与顶部导体818的分开。在该示例中，放电部分包括中心间隔件822和在下部导体814、816的轮廓内的导体间隔件820。一个导体814通过连接器824连接到正母线420，而另一个导体816通过连接器826连接到放电母线424(图4)。放电部分512可以包括其它触点配置，以提供压敏开关使电容存储层418连接到发射器线圈426。例如，放电部分可以包括下部触点，其具有交错的导电指形件，当放电部分受到压缩时，该指形件通过顶部导体连接。
[0137]
图9是用于电动车辆的电磁耦合供电和充电的轮胎组件的三维视图。图9示出了轮胎410内部的发射器线圈426和位于接收器线圈外壳910内部的接收器线圈614的相应位置。接收器线圈外壳910通过一个或多个底盘附接臂912附接到车辆。图9进一步图示了轮胎410的切除部分中的充电/放电层416、正母线420、放电母线424和公共母线422的位置。存储层418(仅部分可见)在充电/放电层416下方。
[0138]
图10是车轮412上轮胎410的平面图，以说明发射器线圈426和接收器线圈614的尺寸。发射器线圈426如上所述位于轮胎410中。接收器线圈614位于接收器线圈外壳910中。发射器线圈426和接收器线圈614之间的水平距离以距离“z”表示。接收器线圈614距车轮412中心轴线的垂直距离为“p”，且发射器线圈426距车轮412中心轴线的垂直距离为“a”。接收器线圈614和发射器线圈426的垂直间隔距离可以通过从距离“a”中减去距离“p”来确定。
[0139]
图11是具有如本文所述的用于电动车辆的电磁耦合充电的系统的车辆1110的图。轮胎410包括具有发射器线圈(未示出)的上述部件。接收器线圈(不可见)安装在接收器线圈外壳910内，该接收器线圈外壳910通过多个底盘附接臂912安装到车辆110。本领域普通技术人员将认识到可以使用其它附接臂配置来将接收器线圈外壳910安装到车辆110。
[0140]
图12是用于电动车辆的电磁耦合供电和充电的过程的实施方式的流程图。示例性实施方式的第一步(1210)包括围绕为车辆配置的轮胎的圆周提供交替的充电部分和放电部分。充电部分可以包括一个或多个元件模块，每个元件模块在元件模块外壳中具有至少一个压电元件。模块还可以包括在元件模块外壳的顶表面上的下部导电压力垫、在元件模块外壳的底表面上的上部导电压力垫，其中元件模块外壳是比压电元件低硬度的材料，以使得施加在轮胎上的压缩力导致压电元件在电容器上产生电荷。放电部分用作压力开关，通过发射器线圈以时变放电电流对电容器进行放电，并且发射器线圈被配置为响应于通过线圈的时变放电电流，在发射器线圈周围建立时变磁场以将电力传送给车辆上的接收器线圈。
[0141]
图12的实施方式的第二步(1220)包括：在轮胎旋转、每个充电部分处于压缩状态下时，用充电部分中的压电元件对轮胎中的电容存储层进行充电。电容器存储层可以包括一个或多个电容器。电容存储层的电容器可以包括第一极板和与第一极板间隔开的第二极板，发射器线圈包括导体，该导体具有导体第一端、导体第二端和形成回路的部分，所述回路具有第一绕组轴线，所述绕组轴线与所述轮胎的中心轴线共线，所述导体第一端电耦合到所述第一极板，并且所述导体第二端耦合到所述第二极板。
[0142]
图12的实施方式的最后一步(1230)包括：使电容存储层向发射器线圈放电，其中放电部分将电力传送到车辆上的接收器线圈。该过程还可以包括：由车辆支撑的接收器线
圈；其中接收器线圈具有第二绕组轴线，接收器线圈由接收器线圈支撑件支撑在车辆上，接收器线圈支撑件被配置为将第二绕组轴线与第一绕组轴线共线对齐，并且接收器线圈支撑件还被配置为使接收器线圈相对于发射器线圈定位，从而响应于发射器线圈周围的时变磁场，通过接收器线圈感应时变接收器线圈电流。该过程可以进一步包括：接收器线圈连接到车辆上的调节电路，以使用时变接收器线圈电流向车辆供电，并且其中发射器线圈嵌入轮胎的侧壁结构中，以使得在将轮胎时安装到车轮上形成车轮轮胎组合，并且该车轮轮胎组合安装在车辆上，并且绕组轴线与该车轮轮胎组合的转动轴线共线。
[0143]
示例1-电动车辆a(ev-a)。在第一个示例中，车辆的整备质量为1,085公斤。车辆的重量以45/55的前后重量分布在两个后轮的轮胎片面积上施加大约2,927n的力。指定用于车辆后轮的oem轮胎为p185/60r15 84t轮胎，空载外径为603mm。轮胎周长为1.89m，以2.78m/s(大约10km/h)的速度，轮胎在一秒钟内转完一整圈。ev-a的平均功率需求为255w/mi(158w/km)。在40km/h时，平均功率需求约为6.3kw。
[0144]
在示例1中，轮胎的接地片长度为97mm(长度)，沿轮胎圆周分为9个充电/放电部分。电压生成(充电部分)由12个模块的任意阵列组成，以3x 4配置排列，每个直径15mm的模块外壳具有三(3)个海军型i压电元件，排列成模块的直径的一半的同心环。元件优选2.7mm外径和3mm高，等角度定位。这些元件与导电电连接器，例如上述导电压力垫串联。充电部分通过全波整流器和2欧姆电阻器(r1)连接到公共母线和正母线。存储层或电容存储层由额定电压为2,000伏的220微法拉电容器组成，连接到公共母线和正母线。放电部分由两个导体组成，它们在放电部分受到压缩时接触并完成正母线和放电母线之间的电路。发射器线圈(导电磁铁/漆包线的圆形电流回路)由3层4awg漆包线的2个绕组组成，外径为520mm，嵌入轮胎侧壁。发射器线圈长度为9.8米，重量为1.84kg。发射器线圈连接到放电和公共母线，这使得每当放电部分受到压缩时，容许电容存储层通过发射器线圈(与2欧姆泄放电阻器(r2)串联)放电。
[0145]
再次参照示例1，接收器线圈由6层10awg漆包线的6个绕组组成，其外径为460mm。发射器线圈长度为52米，重量为2.43kg。使用惠勒近似，发射器和接收器线圈之间的耦合系数为0.44。接收器线圈必须靠近发射器线圈定位，在这种情况下，两个线圈的外接表面相互平行，轴向距离为50mm。可以使用上述公式在空间中的任何点评估磁场的轴向分量(bz)。在接收器线圈中心计算的bzmax(图10)为8.89e-03特斯拉，这是一个呈指数式衰减的场。该场将在2.2欧姆的恒定负载上产生717瓦的平均功率((p＝i2r)，平均电压为24.76伏直流电，平均电流为11.23安培。在超过10kph的速度下，两个后轮组件的产生的总功率约为每转1,434瓦。功率输出随车速和轮胎旋转的增加而增加。例如，在当前配置下，在40km/h(～25mph)时总功率输出为7.2kw，在90km/h(～56mph)时功率输出约为18.6kw。
[0146]
示例2-电动车辆b(ev-b)。车辆的整备质量为1,343公斤。车辆的重量以50/50的前后重量分布在两个后轮的轮胎片面积上施加约3,294n的力。指定用于后轮的oem轮胎为p155/70r19 84q轮胎，空载外径为696mm。轮胎周长为2.18m，以2.78m/s(大约10km/h)的速度在一秒钟内转完一整圈。ev-b的平均功率需求为260wh/mi(161wh/km)。在40km/h时，平均功率需求约为6.5kw。轮胎的接地片长度为136mm(长度)，沿轮胎圆周分为8个充电/放电部分。电压产生(充电部分)由12个模块的任意阵列组成，以3x4配置排列，每个直径15mm模块外壳三(3)个海军型i压电元件，排列成模块的直径一半的同心环，元件等角度定位，外径
2.5mm、高度3mm的元件与导电电连接件例如上述导电压力垫串联。充电部分通过全波整流器和2欧姆电阻器(r1)连接到公共母线和正母线。
[0147]
电容存储层由额定电压为2,000伏的220微法拉电容器组成，并且还连接到公共母线和正母线。放电部分由两个导体组成，它们在放电部分受到压缩时接触并完成正母线和放电母线之间的电路。发射器线圈(导电磁体/漆包线的圆形电流回路)由3层4awg漆包线的2个绕组组成，外径为580mm，嵌入轮胎侧壁。发射器线圈的长度为11米，重量为2.1kg。发射器线圈连接到放电和公共母线，这使得每次放电部分受到压缩时，允许电容存储层通过发射器线圈(与2欧姆泄放电阻器(r2)串联)放电。接收器线圈由6层10awg漆包线的6个绕组组成，外径为520mm。发射器线圈长度为58.8米，重量为2.75kg。使用惠勒近似，发射器和接收器线圈之间的耦合系数为0.47。接收器线圈必须放置在靠近发射器线圈的位置，在这种情况下，两个线圈的外接表面相互平行，轴向距离为50mm。可以使用上述公式在空间中的任何点评估磁场的轴向分量(bz)。
[0148]
在接收器线圈的中心计算的bzmax(图3)是8.97e-03特斯拉，这是一个呈指数式衰减的场。该场将在2.8欧姆的恒定负载上产生925瓦的平均功率(p＝i2r)，平均电压为31.94伏直流电，平均电流为11.24安培。在超过10kph的速度下，两个后轮组件产生的总功率约为每转1,850瓦。功率输出将随车速和轮胎旋转的增加而增加。例如，在当前配置下，在40km/h(～25mph)时总功率输出为9kw，在90km/h(～56mph)时功率输出约为20kw。
[0149]
示例3-电动车辆c(ev-c)。车辆的整备质量为2,208公斤。车辆的重量以50/50的前后重量分布在两个后轮的轮胎片面积上施加约5,321n的力。指定用于后轮的oem轮胎为p235/65r18 106v轮胎，空载外径为758mm。轮胎的周长为2.38m，以2.78m/s(大约10km/h)的速度在一秒钟内转完一整圈。ev-c的平均功率需求为360wh/mi(224wh/km)。在40km/h时，平均功率需求约为9.3kw。轮胎的接地片长度为167mm(长度)，沿轮胎圆周分为7个充电/放电部分。电压生成(充电部分)由12个模块的任意阵列组成，以3x 4配置排列，每个直径15mm的模块包含三(3)个海军型i压电元件，排列成模块的直径一半的同心环，元件等角度定位，外径2.3mm、高度3mm的元件与导电连接件，例如上述导电压力垫串联。充电部分通过全波整流器和2欧姆电阻器(r1)连接到公共母线和正母线。
[0150]
电容存储层由额定电压为2,000伏的270微法拉电容器组成，并且连接到公共母线和正母线。放电部分由两个导体组成，它们在放电部分受到压缩时接触并完成正母线和放电母线之间的电路。发射器线圈(导电磁铁/漆包线的圆形电流回路)由3层4awg漆包线的2个绕组组成，外径为620mm，嵌入轮胎侧壁。发射器线圈长度为11.7米，重量为2.2公斤。
[0151]
发射器线圈连接到放电和公共母线，这使得每次放电部分受到压缩时，允许电容存储层通过发射器线圈(与2欧姆泄放电阻器(r2)串联)放电。接收器线圈由7层10awg漆包线的6个绕组组成，外径为560mm。发射器线圈长度为73.9米，重量为3.46kg。使用惠勒近似，发射器和接收器线圈之间的耦合系数为0.49。接收器线圈必须靠近发射器线圈定位，在这种情况下，两个线圈的外接表面相互平行，轴向距离为50mm。可以使用上述公式在空间中的任何点评估磁场的轴向分量(bz)。
[0152]
在接收器线圈的中心计算的bzmax(图3)是8.66e-03特斯拉，这是一个呈指数式衰减的场。该场将在3.2欧姆的恒定负载上产生984瓦的平均功率(p＝i2r)，平均电压为33.95伏直流电，平均电流为11.24安培。在超过10kph的速度下，两个后轮组件产生的总功率约为
每转1,969瓦。功率输出将随车速和轮胎旋转的增加而增加。例如，在当前配置下，在40km/h(～25mph)时总功率输出为7.8kw，在90km/h(～56mph)时功率输出约为19.6kw。
[0153]
上述示例中的线圈是简单圆形紧绕线圈，具有正方形和/或矩形横截面，但也可以使用具有其它横截面形状的线圈。接收器线圈需要牢固地固定在车辆上，以确保几乎没有位移，因为轴向距离和/或角度偏差会对接收器线圈的功率输出产生不利影响。轮胎的侧壁需要加固，类似于防爆安全轮胎，以减少发射器线圈上的应力，帮助保持线圈的几何形状，并在轮胎压力损失的情况下保护发射器线圈不变形。
[0154]
应当注意，参数的调整，例如(i)接收器线圈配置(层和绕组)，(ii)接收器线圈外径，(iii)电容器尺寸(电容)，(iv)调整发射器和接收器线圈之间的间隔距离、(v)发射器电压产生和线圈外径等可以定制以产生所需的功率输出。
[0155]
虽然前面已经描述了被认为是最佳模式和/或其它示例的内容，但是应当理解，可以在其中进行各种修改，并且可以以各种形式和示例来实施本文公开的主题，并且这些教导可以应用在许多应用中，这里仅描述了其中的一些。
[0156]
除非另有说明，否则在本说明书中包括在随后的总结点中阐述的所有测量值、值、额定值、位置、大小、尺寸和其它规格都是近似的，而不是精确的。它们旨在具有与它们所涉及的功能以及它们所涉及的领域中的惯例一致的合理范围。
[0157]
语言文字的意图和解释应尽可能地广泛，以符合在本技术的上下文中使用的语言的一般含义，并且包括所有结构和功能的等同物。
[0158]
除了上文所述外，任何陈述或说明都不旨在或不应被解释为对公众贡献任何组件、步骤、特征、对象、利益、优势或等同物。
[0159]
应当理解，除非本文另外阐述了特定含义，否则本文使用的术语和表达具有在它们各自的调查和研究领域中赋予这些术语和表达的普通含义。相关术语例如第一和第二等可仅用于将一个实体或动作与另一个区分开来，而不必要求或暗示此类实体或动作之间的任何实际此类关系或顺序。术语“含有”、“包含”及其任何其它变体旨在涵盖非排它性的包括，使得包括一系列元素的过程、方法、物品或装置不仅包括那些元素，而且可能包括未明确列出的其它元素或此类过程、方法、物品或装置所固有的元素。在没有进一步限制的情况下，以“一”或“一个”开头的元素不排除在包含该元素的过程、方法、物品或装置中其它的相同元素的存在。
[0160]
在前述详细描述中，可以看出，为了简化本技术的目的，在各种示例中将各种特征组合在一起。公开的方法不应被解释为反映任何需要比其明确列举的更多特征的概括点的意图。