一种大传输距离的电动汽车无线充电设备和路面结构

1.本发明涉及无线充电与道路的技术领域，具体涉及一种大传输距离的电动汽车无线充电设备和路面结构。


背景技术：

2.电动汽车以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，能够利用太阳能、风能等清洁可再生能源，较好地解决机动车排放污染和能源短缺问题，是我国战略性新兴产业。目前电动汽车的充电依赖于有线充电桩和充电器，有线充电的方式往往具有较大的安全隐患，容易发生漏电、触电事故，而且汽车电池容量有限也会导致用户出现里程焦虑。
3.无线充电技术是一种以电磁场作为媒介实现电能传输的新型充电方式。采用无线充电的方式来为电动汽车充电，不含外漏端口，无需人工操作，能够实现静止状态和行进状态充电，相对于有线充电方式，具有运行安全，方案配置灵活，无里程焦虑等优点。
4.目前在道路结构中采用无线充电技术的问题存在于，为了保护无线充电装置和满足路面平整度要求，应将无线充电面板嵌入路面结构中，但这使得无线充电发射线圈和接收线圈之间的传输距离增大，导致电动汽车无线充电效率降低，因此，为了缩短原边线圈和副边线圈之间的距离，有些研究提出采用凸起式路面，但这种凸起式路面不仅影响行车舒适性，更制造了安全隐患。另外，由于目前未考虑到原边线圈需埋设在路面中，目前大部分电动汽车无线充电研究中使用的线圈的传输距离小于250mm，进而，当现有的原副线圈的传输距离增大到300mm时线圈之间的耦合效果差，不能满足使用要求。


技术实现要素：

5.本发明目的是提供一种大距离传输的电动汽车无线充电设备和路面结构，实现无线原边线圈和副边线圈能够在最大传输距离达到300mm时仍具有较好的耦合效果，进而可以满足埋设到路面结构时的使用需求，并广泛应用于各种车型。
6.一种大传输距离的电动汽车无线充电设备，包括原边装置和副边装置，其中，原边装置从上到下依次由原边线圈、原边铁氧体板和原边铝板组成，副边装置从上到下依次由副边铝板、副边铁氧体板和副边线圈组成；所述的无线充电设备的最大传输距离为300mm，原边线圈和副边线圈之间的耦合系数不低于0.1。
7.进一步的，所述原边装置布设在路面结构内部，所述副边装置设置在汽车下端，并小于汽车底盘的大小。
8.进一步的，所述原边线圈和副边线圈绕线使用利兹线，线径为5mm。
9.进一步的，所述原边装置中，所述原边线圈的尺寸为：外径长宽分别为650mm和500mm，内径长宽分别为290mm和140mm，线圈匝数为8匝，使用双线并绕，匝间距为6.66mm，四周倒角45
°
；所述原边铁氧体板选用锰-锌铁氧体，相对磁导率为3300，尺寸为：长650mm，宽500mm，厚5mm，直接放置在原边线圈下，与原边线圈之间无空气间隙；所述原边铝板的尺寸为长750mm，宽600mm，厚3mm，原边铝板的上表面与原边铁氧体板的下表面之间的距离为
30mm。
10.进一步的，所述副边装置中，所述副边线圈采用正方形带倒角的结构，尺寸为：外径480mm，内径210mm，匝数为9匝，匝间距为11.25mm，四周倒角45
°
；所述副边铁氧体板为正方形，选用锰-锌铁氧体，相对磁导率为3300，尺寸为：边长500mm，厚5mm，直接放置在副边线圈上，与副边线圈之间无空气间隙；所述副边铝板为正方形，尺寸为：边长520mm,厚8mm，直接放置在副边铁氧体板上，与副边铁氧体板之间无空气间隙。
11.进一步的，所述原边装置先使用树脂进行封装起到防水效果，再使用水泥混凝土进行封装起到承受交通荷载的作用，树脂的封装厚度应至少有5mm，水泥混凝土的封装厚度应至少有30mm，所述树脂采用环氧树脂或聚氨酯。
12.进一步的，所述副边装置使用塑料外壳进行封装。
13.一种无线充电路面结构，所述路面结构内嵌有所述的无线充电设备中的原边装置，所述路面结构从上到下依次为路面上面层，原边装置层，路面下面层，路基层和路垫层。
14.进一步的，所述无线充电原边装置层布设在每条车道的中线位置，嵌在路面下面层中，沿车道长度方向依次相邻排列，与电网线路相连接；所述无线充电原边装置层布设时先将预制好的水泥混凝土放置在沟渠内，再浇筑路面下面层材料进行路面结构的铺设。
15.进一步的，所述路面上面层、下面层和路垫层使用常规路面材料；所述路基层使用经过防水处理的土石路基。
16.本发明的有益效果：
17.1.通过改造原边线圈和副边线圈的结构，克服电磁耦合结构传输距离有限的问题，有效减少电能损耗，提高充电效率。
18.2.同时采用矩形带倒角线圈结构布设在路面内部，与圆形线圈相比，采用矩形带倒角结构线圈，排列在路面结构中，在空间形成均匀的磁场，保证电动汽车动态行驶过程中能量传输的稳定性。
19.3.将本发明提出的无线充电路面结构将无线充电设备埋入地下，一方面不会对道路的平整度造成影响，保证车辆的正常通行；另一方面，由路面结构承担交通荷载和雨水、日晒等环境荷载，保证无线充电设备不受损伤，减少维修费用。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1(a)为本发明无线充电原边装置正视图；
22.图1(b)为本发明无线充电原边装置侧视图；
23.图1(c)为本发明无线充电原边装置俯视图；
24.图1(d)为本发明无线充电原边装置立视图；
25.图2(a)为本发明无线充电副边装置正视图；
26.图2(b)为本发明无线充电副边装置侧视图；
27.图2(c)为本发明无线充电副边装置俯视图；
28.图2(d)为本发明无线充电副边装置立视图；
29.图3为本发明嵌入无线充电设备的路面结构横截面简示图；
30.图4为本发明嵌入无线充电设备的路面结构纵截面简示图；
31.图5为本发明一条无线充电公路行车道的片段示意图；
32.图6为本发明汽车在无线充电路面上行驶的示意图。
33.附图标记说明：
34.1-原边铝板，2-原边铁氧体板，3-原边线圈，4-副边铝板，5-副边铁氧体板，6-副边线圈，7-原边装置，8-副边装置，9-路面上面层，10-路面下面层，11-路面基层，12-路面垫层，13-供电电网。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
36.实施例1
37.如图1和2所示，一种大传输距离的电动汽车无线充电设备，包括原边装置7和副边装置8，使用lcr测试仪测试本发明提出的装置在传输距离300mm时的耦合系数大小为0.011，满足使用要求。利用供电电网13为原边装置7输入65v的高频交流电压，电动汽车的负载取10ω，测试经过磁场传输后电动汽车接收的功率大小为3.23kw，传输效率为86.54％，满足规范要求。
38.其中，原边装置7从上到下依次由原边线圈3、原边铁氧体板2和原边铝板1组成，副边装置从上到下依次由副边铝板4、副边铁氧体板5和副边线圈6组成；所述的无线充电设备的最大传输距离为300mm，原边线圈3和副边线圈6之间的耦合系数不低于0.1。
39.所述原边装置7布设在路面结构内部，所述副边装置8设置在汽车下端，并小于汽车底盘的大小。
40.所述原边线圈3和副边线圈6绕线使用利兹线，线径为5mm。
41.所述原边线圈3的尺寸为：外径长宽分别为650mm和500mm，内径长宽分别为290mm和140mm，线圈匝数为8匝，使用双线并绕，匝间距为6.66mm，四周倒角45
°
；所述原边铁氧体板2选用锰-锌铁氧体，相对磁导率为3300，尺寸为：长650mm，宽500mm，厚5mm，直接放置在原边线圈3下，与原边线圈3之间无空气间隙；所述原边铝板1的尺寸为长750mm，宽600mm，厚3mm，原边铝板的上表面与原边铁氧体板2的下表面之间的距离为30mm。
42.所述副边装置8中，所述副边线圈6采用正方形带倒角的结构，尺寸为：外径480mm，内径210mm，匝数为9匝，匝间距为11.25mm，四周倒角45
°
；所述副边铁氧体板5选用锰-锌铁氧体，相对磁导率为3300，尺寸为：边长500mm，厚5mm，直接放置在副边线圈6上，与副边线圈6之间无空气间隙；所述副边铝板5的边长为520mm,厚8mm，直接放置在副边铁氧体板5上，与副边铁氧体板5之间无空气间隙。
43.所述原边装置7先使用树脂进行封装起到防水效果，再使用水泥混凝土进行封装起到承受交通荷载的作用，树脂的封装厚度应至少有5mm，水泥混凝土的封装厚度应至少有30mm，所述树脂采用环氧树脂或聚氨酯。
44.所述副边装置8使用塑料外壳进行封装。
45.实施例2
46.如图3和4所示，一种无线充电公路，包括路面系统和无线充电系统，路面系统由上到下包括路面上面层9，无线充电原边装置7，路面下面层10，路面基层11和路面垫层12。无线充电原边装置布设在每条车道中间位置，嵌于路面下面层10中。供电电网13设置于无线充电原边装置7下方。
47.所述供电电网13包括供电电源，另外有储能电站和电网交换设备设置在路侧，与供电电网相连为之供电。
48.本发明在具体实施时，首先在公路上铺设无线充电原边设备7和电源线13，在电动汽车的下端安装副边装置8，电动汽车沿道路中心行驶，当行驶到铺设有原边设备7的路面时，副边线圈6和原边线圈3之间发生磁感应耦合，实现电能从地面端向汽车端的传输，为电动汽车在行驶中充电。
49.实施例3
50.不同型号的电动汽车具有不同的离地间隙，本发明在具体实施时，对于原边装置和副边装置传输距离小于300mm的情况也可以应用，可以在副边装置8上加入通讯模块和电控模块，使驾驶员通过车内设备或手机来监测汽车充电情况，并决定是否继续在无线充电路面上行驶。
51.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。