一种电动汽车无线电能传输接收发射线圈及方法

1.本发明属于电动汽车无线电能传输技术领域，尤其涉及一种电动汽车无线电能传输接收发射线圈及方法。


背景技术：

2.传统燃油汽车会产生大量尾气给环境和资源带来了巨大的压力。新能源电动汽车的出现，加快了燃油汽车的换代，对于环境的保护和能源安全具有重要意义。
3.通常电动汽车充电会采用静态无线电能传输的方式供电，但静态充电还存在着一系列的问题。动态充电能够解决静态无线充电技术存在停车后充电、单次充电时间长、充电频繁等问题，大大增加了电动汽车的续航里程。现在常用的动态汽车无线电能传输主要通过埋在路面下面的功率发射装置以及汽车底盘上的功率拾取线圈构成。由于松耦合变压结构的限制，底盘和路面的距离过大就会导致传输功率大大减少，从而限制了基于松耦合变压器的动态汽车供电方式的推广。
4.公开(公告)号cn102306421b一种电动汽车高速公路充电系统，由于采用电弓及路面及轮胎设置导体供电方式，会极大影响路面及轮胎的摩擦力，从而对车辆安全行驶造成影响；公开(公告)号cn111404418a一种新型电动汽车公路供电系统，由于路面使用导电带供电的方式，绝缘击穿地面会带有电流，危及在路面行走行人的生命安全。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出一种电动汽车无线电能传输接收发射线圈及方法，减少了功率发射线圈和接收线圈之间的距离，增加了两个线圈的耦合系数，提高电能传输效率。
6.一方面为实现上述目的，本发明提供了一种电动汽车无线电能传输接收发射线圈，包括：
7.前级电能变换电路、发射线圈组合、接收线圈组合和后级电能传输电路；
8.所述前级电能变换电路与所述发射线圈组合连接，所述发射线圈组合铺设在路面下方区域，所述接收线圈组合安装在汽车轮胎内部，所述接收线圈组合与所述后级电能传输电路连接；
9.所述前级电能变换电路用于将工频交流电转换成符合所述发射线圈组合工作频率的高频交流电；
10.所述发射线圈组合用于基于所述高频交流电，产生高频磁场；
11.所述接收线圈组合用于基于所述高频磁场，产生感应电压，基于所述感应电压，产生感应电流；
12.所述后级电能传输电路用于基于所述感应电流，产生电能，并向电动汽车电池或者电动汽车电机传送所述电能。
13.可选地，所述接收线圈组合采用柔性电路板，所述柔性电路板包括：绝缘薄膜、金
属导体和粘接剂；
14.所述绝缘薄膜边缘通过所述粘接剂与稀疏钢帘线网格边缘所连接，将所述金属导体固定在稀疏帘线层。
15.可选地，所述稀疏帘线层由相互垂直的镀黄铜钢帘线交织而成，竖直方向的镀黄铜钢帘线作为经线，水平方向的钢帘线作为纬线。
16.可选地，所述绝缘薄膜由聚酷亚胺和聚酯一种或几种材料组成，在所述柔性电路板中形成基础层。
17.可选地，所述金属导体采用铜箔材料，在所述柔性电路板中形成导电层。
18.可选地，所述汽车轮胎包括：胎冠保护层、尼龙带束层、钢丝带束层和帘线层。
19.可选地，所述钢丝带束层的外层结构采用稀疏帘线网格构成、所述钢丝带束层的内层结构采用通用钢丝层结构。
20.另一方面为实现上述目的，本发明提供了一种电动汽车无线电能传输方法，包括以下步骤：
21.将工频交流电转换成符合工作频率的高频交流电；
22.基于所述高频交流电，产生高频磁场；
23.基于所述高频磁场，产生感应电压，基于所述感应电压，产生感应电流；
24.基于所述感应电流，产生电能，并向电动汽车电池或者电动汽车电机传送所述电能。
25.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
26.本发明的无线电能传输发射线圈安装在地面下方，在发射线圈中通入前级电能变换电路的产生的高频电流，高频电流在发射线圈中激发出高频磁场，产生的高频磁场会在处于轮胎内部的接收线圈中感应出高频电流，然后向后级电路传送，经过后级电能变换电路之后，产生出可以驱动电动汽车的电机或者为电动汽车上的电池充电的电流，因此本发明专利能够减小发射线圈和接收线圈之间的距离，提高两线圈之间的耦合系数，增加了电能传输效率。
附图说明
27.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
28.图1为本发明实施例一的基本icpt传输系统简化电路图；
29.图2为本发明实施例一的一种电动汽车无线电能传输接收发射线圈总体结构图；
30.图3为本发明实施例一的一种用于在路面下方产生高频磁场的线圈组发射线圈分布情况示意图；
31.图4为本发明实施例一的汽车轮胎内部所述接收线圈在稀疏帘线层中空的网格中的分布俯视图；
32.图5为本发明实施例一的汽车行驶过程中多个能量发射区域相互配合工作示意图。
33.附图中：1、路面；2、汽车；3、汽车轮胎；4、路面下方铺设有发射线圈组的区域；5、汽车运动的方向；6、汽车运动的反方向；7、总线；8、连接线；9、发射线圈；10、前级传感器；11后
级传感器；12、前级电能变换电路；13纵向稀疏钢帘线；14、横向稀疏钢帘线；15、金属导体；16、绝缘薄膜；17、粘接剂；20、第一区域；21、第二区域。
具体实施方式
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
35.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
36.实施例一
37.本发明提供了一种电动汽车无线电能传输接收发射线圈，包括：
38.前级电能变换电路12、发射线圈组合、接收线圈组合以及后级电能传输电路。
39.前级电能变换电路12与发射线圈组合连接，发射线圈组合铺设在路面下方区域，接收线圈组合安装在汽车轮胎3内部，接收线圈组合与所述后级电能传输电路连接。
40.前级电能变换电路12可以将工频交流电转换成符合该线圈工作频率的高频交流电。高频交流电流经发射线圈，在发射线圈周围的空气中通过电磁感应原理激起和高频交流电相同频率的感应磁场。同时处于轮胎内部的接收线圈运动到启动中的发射线圈上方时，所述接收线圈在高频磁场的激励下，产生感应电压，进而将感应电流向后级电路传送，向电动汽车电池或者电动汽车电机传送电能。
41.根据毕奥－萨伐尔定律，两线圈间的互感可以通过单匝线圈模型的互感求得两个单匝线圈之间的互感为：
[0042][0043]
多匝线圈间的互感可以通过每匝线圈间的互感和得到，并将其简化:
[0044][0045]
其中：r＝r1＝r2——线圈平均半径，n＝n1＝n2——线圈匝数，l——传输距离。
[0046]
此时两线圈间的耦合系数k可以计算：
[0047][0048]
其中：l1，l2——两线圈自感
[0049]
如图1所示，左侧为发射线圈回路，右侧为接收线圈回路。发射线圈在接收线圈感应出的电压为：
[0050][0051]
由此可见，针对现有动态无线电能传输技术中接受、发射线圈间距过大的问题而发明，本发明减少了功率发射线圈和接收线圈之间的距离，增加了两个线圈的耦合系数，提
高电能传输效率。通过路面下设置无线电能传输的发射线圈，前级电能变换电路12产生的高频电流通过发射线圈，在发射线圈中激发出高频磁场，产生的高频磁场会在接收线圈中感应出高频电流，然后向后级电路传送，经过电能变换之后，可以驱动电动汽车的电机或者为电动汽车上的电池充电。
[0052]
在本实施例中，如图2所示，汽车2在路面1上行驶；5为汽车运动的方向，6为汽车运动的反方向。汽车轮胎3和路面1直接接触，阴影部分4为路面下方铺设有发射线圈组的区域。汽车轮胎3内部含有接收线圈组，当汽车2运动到路面下方铺设有发射线圈组区域4时，处于汽车轮胎3中接收线圈组通过电磁感应原理在发射线圈组产生的高频磁场下产生感应电压，向后级电路供电。
[0053]
所述汽车轮胎3由胎冠保护层、尼龙带束层、钢丝带束层以及帘线层构成。所述钢丝带束层外层结构采用稀疏帘线网格构成、钢丝层内层结构采用通用钢丝层结构。所述轮胎还含有强化材料，强化材料为强化纤维。
[0054]
如图3所示，当前级传感器10检测到汽车运行到相应发射线圈工作区域时，所述发射线圈组开始工作。所述发射线圈组开始通入前级电能变换电路12变换的电流。在线圈组中每一个单独的发射线圈9都与前级电能变换电路12通过连接线8相连接；多个连接线8构成了总线7，总线7直接与前级电能变换电路12连接，保证每个所述发射线圈9单独工作，互不影响。当后级传感器11检测到汽车驶出相应发射线圈工作区域时，表明该区域产生的高频磁场不会再作用于汽车轮胎上的接收线圈，该区域发射线圈组停止工作。
[0055]
如图4所示，所述接收线圈整体采用了柔性电路板技术，每一个所述接收线圈金属导体15呈现矩形螺旋绕制填充在所述纵向稀疏钢帘线13与横向稀疏钢帘线14构成的网格之中，其中所述稀疏钢帘线为镀黄铜钢帘线。所述稀疏帘线层由相互垂直的镀黄铜钢帘线交织而成，纵向稀疏钢帘线13被称作帘线层的“经线”，横向稀疏钢帘线14被称为帘线层的“纬线”，用于增加电动汽车轮胎的强度和负荷能力以及承载接收线圈。所述柔性电路板由绝缘薄膜16、金属导体15和粘接剂17组成；所述绝缘薄膜16边缘通过粘接剂17与稀疏钢帘线网格边缘所连接，将整个接收线圈的金属导体15固定在稀疏帘线层。绝缘薄膜16通常由聚酷亚胺和聚酯等一种或几种材料组成，形成了电路的基础层；所述粘接剂17将金属导体15粘接至了绝缘薄膜16上，所述粘接剂17使电路与灰尘和潮湿相隔绝，并且能够降低在挠曲期间的应力，所述金属导体15采用铜箔材料，在柔性电路板中形成了导电层。粘接剂17除了用于将绝缘薄膜16粘接至金属导体15上以外，它同时用作覆盖层，作为防护性涂覆，以及覆盖性涂覆。
[0056]
当接收线圈处于发射线圈产生的高频变化的磁场中，由于电磁感应原理，高频磁场会在接收线圈中产生感应电压，所述接收线圈组中每一个接收线圈都会产生感应电压，后级电路将多个接收线圈连接起来使得接收线圈组共同供电。
[0057]
如图5所示，当汽车运行在所述路面1上时，每个能量发射区域配有传感器检测元件，所述传感器根据检测电动汽车的位置，从而判断所述发射线圈应该处于开始注入能量、停止注入能量、保持注入能量的哪一阶段。当所述汽车2处于第一区域18时，第一区域传感器检测到位置信息，第一区域18发射线圈组保持通入高频电流，其他区域发射线圈组处于关闭状态。随着汽车2的行驶，当接收线圈处于图中第二区域19的边界时，第一区域18传感器和第二区域19传感器都检测到汽车的位置信息，第一区域18发射线圈组维持电流，第二
区域19发射线圈组开始接入高频电流。所述汽车2接完全处于第二区域19时，只有第二区域19传感器检测到位置信息，第一区域18发射线圈停止通入高频电流，由第二区域19单独向汽车提供能量。
[0058]
高频电流流过发射线圈，并在发射线圈周围激发出磁场。汽车在路面行驶时，位于轮胎表层的接收线圈会在发射线圈产生的磁场下产生感应电压，和后级电路形成通路后，将电能传输到后级电路。采用此种接收线圈和发射线圈的结构，极大地缩小了两线圈之间的距离，增加了两线圈的耦合系数，提高传输效率。
[0059]
本发明还提供了一种电动汽车无线电能传输方法，包括以下步骤：
[0060]
将工频交流电转换成符合工作频率的高频交流电；
[0061]
基于所述高频交流电，产生高频磁场；
[0062]
基于所述高频磁场，产生感应电压，基于所述感应电压，产生感应电流；
[0063]
基于所述感应电流，产生电能，并向电动汽车电池或者电动汽车电机传送所述电能。
[0064]
本发明的有益效果是：本发明的无线电能传输发射线圈安装在地面下方，在发射线圈中通入前级电能变换电路的产生的高频电流，高频电流在发射线圈中激发出高频磁场，产生的高频磁场会在处于轮胎内部的接收线圈中感应出高频电流，然后向后级电路传送，经过后级电能变换电路之后，产生出可以驱动电动汽车的电机或者为电动汽车上的电池充电的电流，因此本发明专利能够减小发射线圈和接收线圈之间的距离，提高两线圈之间的耦合系数，增加了电能传输效率。
[0065]
以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。