基于車輪接收能量的行駛中電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（浙江大學(xué) 自貢創(chuàng)新中心，自貢 643000）

0 引言

21世紀(jì)隨著環(huán)境的惡化和石油資源的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)增大，需要一種新的節(jié)能環(huán)保的汽車供能方式來(lái)改善交通對(duì)各方面的負(fù)面影響。而采用電動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)汽車是綠色能源出行方法中最具潛力的一種。現(xiàn)有的電動(dòng)汽車主要采用有線充電的方式，需要較長(zhǎng)的充電時(shí)間才能滿足用戶的用車要求。而已出現(xiàn)的無(wú)線供能汽車也需要在車輛靜止的情況下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間充電，使用方式上和有線充電方式比只是省去了線纜連接的步驟，沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。

還有一種新的無(wú)線供能的方式使得用戶可以在車輛行駛過(guò)程中充電。這種方式的現(xiàn)有技術(shù)需要在路面下鋪設(shè)發(fā)射線圈或在路面上架設(shè)電力線纜，因此必須挖開(kāi)路面或鋪設(shè)吊架來(lái)進(jìn)行改造，道路改造成本很高，鋪設(shè)不易。同時(shí)為了接收能量，需要對(duì)車體進(jìn)行改造，在車輛底部或頂部安置無(wú)線能量接收裝置。這對(duì)車體結(jié)構(gòu)影響較大。底部安裝會(huì)使得底盤距離路面的高度明顯降低，會(huì)顯著減弱汽車在路面有障礙物情況下的通過(guò)能力。而頂部安裝會(huì)調(diào)高車體高度，同時(shí)需要的大量吊架影響城市美觀。

基于以上考慮，本文提出了基于車輪接收能量的行駛中電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)，具有車體影響小、接收效率高、發(fā)射系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

1 無(wú)線充電技術(shù)

無(wú)線電能傳輸方式包含遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)傳輸和近場(chǎng)區(qū)傳輸兩大類。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)傳輸包括微波式和激光式兩種。采用微波式電能傳輸技術(shù)會(huì)對(duì)人體有傷害，在軍事和航天等特殊行業(yè)有所應(yīng)用（文獻(xiàn)[1]），不適合于電動(dòng)汽車充電。采用激光式電能傳輸技術(shù)會(huì)對(duì)人體有傷害，由于大氣吸收和散射，損耗較大（文獻(xiàn)[2]），在軍事和航天等特殊行業(yè)有所應(yīng)用，不適合于電動(dòng)汽車充電。

近場(chǎng)無(wú)線電能傳輸技術(shù)可分為磁場(chǎng)耦合式和電場(chǎng)耦合式兩類（文獻(xiàn)[3]），而根據(jù)是否發(fā)生諧振，磁場(chǎng)耦合式又包括感應(yīng)耦合式和磁諧振耦合式兩類（文獻(xiàn)[4]）。感應(yīng)耦合技術(shù)線圈間互感相對(duì)漏感較強(qiáng)，近距離傳輸效率較高，但對(duì)于距離非常敏感，不適于稍遠(yuǎn)距離的無(wú)線充電，同時(shí)由于鐵磁性材料的存在，其繞組尺寸與質(zhì)量較大，高頻下鐵損較高（文獻(xiàn)[5]）。因此，該方案適合于充電距離小于線圈尺寸的低頻工作范圍。磁諧振耦合式無(wú)線充電技術(shù)，其顯著特點(diǎn)為電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中具有調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)漏感補(bǔ)償和頻率調(diào)諧，提高傳輸距離，且當(dāng)充電路徑中的障礙物離線圈距離較遠(yuǎn)時(shí)，不會(huì)對(duì)無(wú)線充電產(chǎn)生顯著影響（文獻(xiàn)[6]），適合于電動(dòng)汽車充電。電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射端和接收端分別連接金屬平板（文獻(xiàn)[7～8]），且為提高其傳輸效率，平板材料需采用高介電常數(shù)電介質(zhì)。由于電場(chǎng)被限定于平板間氣隙內(nèi)，因此對(duì)外界電磁干擾較低（文獻(xiàn)[9]），但是為了實(shí)現(xiàn)高效電能傳輸，平板間距需要很小，平板面積需要很大，并且對(duì)補(bǔ)償電感值要求較高，因而高頻下?lián)p耗較高，不適合于電動(dòng)汽車充電。

2 無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出了一種電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)，目的是解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，提供一種對(duì)車體影響小、接收效率高、發(fā)射系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單的無(wú)線充電系統(tǒng)。

無(wú)線能量發(fā)射裝置沿道路兩邊設(shè)置，且僅需將其設(shè)置在路表面即可，其中包括了在道路兩側(cè)地面鋪設(shè)電力電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)供電電源，鋪設(shè)容易，不需要將電纜埋入地下或在空中架設(shè)，避免了挖開(kāi)路面或鋪設(shè)吊架來(lái)進(jìn)行改造，節(jié)省了道路改造成本。無(wú)線能量接收裝置均設(shè)置在車輪或車軸上，如將電磁線圈設(shè)置在輪轂中，電滑環(huán)設(shè)置在車軸上，在沒(méi)有對(duì)車體本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)的同時(shí)也沒(méi)有影響其外部的美觀性。

1）無(wú)線能量發(fā)射裝置包括能量發(fā)射電磁線圈和依次串聯(lián)在一起的供電電源、交直流轉(zhuǎn)換電路、高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路；其中供電電源用于提供交流電，交直流轉(zhuǎn)換電路用于將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路用于將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流信號(hào)，能量發(fā)射電磁線圈用于接收高頻交流信號(hào)，并將高頻交流信號(hào)發(fā)射出去。高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路采用三極管振蕩電路構(gòu)成。

無(wú)線能量發(fā)射裝置還包括控制電路，控制電路分別與供電電源、交直流轉(zhuǎn)換電路、高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路相連接，用于控制交直流轉(zhuǎn)換電路和高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路的工作與否，及調(diào)諧高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路上的可變電容來(lái)微調(diào)其振蕩工作頻率。能量發(fā)射電磁圈以一非金屬支架為支承架固定，能量發(fā)射電磁圈的橫截面與水平面之間具有夾角。夾角的角度為75°～90°，其中較好的角度為75°～80°。能量發(fā)射電磁圈直徑為500mm。

2）無(wú)線能量接收裝置包括能量接收電磁線圈、能量轉(zhuǎn)換電路、電能傳遞裝置，能量轉(zhuǎn)換電路用于將能量接收電磁線圈接收的高頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電，能量傳遞裝置將直流電傳遞給汽車的供電電路。

能量轉(zhuǎn)換電路包含無(wú)源控制電路、二極管整流電路、調(diào)諧電容，調(diào)諧電容用于和能量接收電磁線圈構(gòu)成LC電路，對(duì)能量接收電磁線圈的工作頻率微調(diào)，二極管整流電路用于進(jìn)行交直流變換，將接收到的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，并?duì)無(wú)源控制電路提供直流電，無(wú)源控制電路用于確保能量接收電磁線圈的振蕩頻率與能量發(fā)射電磁線圈一致。其中無(wú)源控制電路、調(diào)諧電容、二極管整流電路均是現(xiàn)有技術(shù)，其各自的功能也是現(xiàn)有技術(shù)?？刂齐娐泛驼{(diào)諧電容具有連接關(guān)系，與二極管整流電路沒(méi)有必然連接關(guān)系。LC諧振中的調(diào)諧電容的大小決定了LC振蕩的交流工作頻率，而無(wú)源控制電路控制調(diào)諧電容的大小來(lái)使得此交流工作頻率發(fā)生變化，二極管整流電路接收此交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流能量。無(wú)源控制電路不需要額外的電源驅(qū)動(dòng)，它由二極管整流電路獲得的直流能量驅(qū)動(dòng)來(lái)工作，同時(shí)根據(jù)獲得的直流能量的大小來(lái)決定調(diào)整電容的具體數(shù)值。

LC電路中，能量接收電磁線圈表現(xiàn)為感性，因此加入調(diào)諧電容，與能量接收電磁線圈一起構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)。調(diào)諧電容可以調(diào)諧其工作頻率。能量接收電磁線圈帶有無(wú)源控制電路確保其振蕩頻率與能量發(fā)射電磁線圈一致，并通過(guò)二極管和LC電路進(jìn)行交直流變換輸出0～20V范圍內(nèi)的直流電壓，其輸出為正負(fù)兩極的兩根電線，兩根電線與能量傳遞裝置連接。

更進(jìn)一步的，所述能量傳遞裝置為電滑環(huán)，所述電滑環(huán)包含定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子外套設(shè)于定子上，其中定子與汽車車體固定在一起，轉(zhuǎn)子隨車輪的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)；定子通過(guò)電線與汽車的供電電路相連接，用于將直流電傳遞至供電電路；轉(zhuǎn)子通過(guò)電線與能量轉(zhuǎn)換電路相連接，用于接收直流電。電滑環(huán)外套設(shè)于汽車車軸上，與車軸同軸，其中定子與車體固定在一起，轉(zhuǎn)子隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。

車軸上的無(wú)線能量接收系統(tǒng)直徑為內(nèi)徑75mm，外徑90mm，與車軸同軸。轉(zhuǎn)子一側(cè)與輪胎固定并連接能量轉(zhuǎn)換電路，定子一側(cè)與車體固定并輸出正負(fù)兩根電線。輸出的電線連接到車輛的電池供電電路和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中為車輛提供能量。能量接收電磁線圈設(shè)置在汽車輪轂上，與汽車輪轂匹配。

無(wú)線能量接收裝置還包括磁場(chǎng)增強(qiáng)裝置，磁場(chǎng)增強(qiáng)裝置置于能量接收電磁線圈內(nèi)部。

更進(jìn)一步的，所述磁場(chǎng)增強(qiáng)裝置為鐵氧體磁芯。在線圈中心放置直徑為100mm的鐵氧體磁芯，磁芯可以加強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度、提高能量接收效率。

3 實(shí)施方案

本文提出了一種電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)包括設(shè)置在行車道上的無(wú)線能量發(fā)射裝置104和設(shè)置在車輛上的無(wú)線能量接收裝置103，如圖1、圖2所示。車輪方案的車輛101行駛在車輛可通行的行車道102上，行車道102側(cè)面安置了數(shù)個(gè)無(wú)線能量發(fā)射裝置104，車輛101上四個(gè)車輪外側(cè)分別安置了無(wú)線能量接收裝置103。其中無(wú)線能量發(fā)射裝置104的個(gè)數(shù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，盡管無(wú)線能量接收裝置103也不一定需要在所有的車輪上設(shè)置，但為了得到最好的充電效果，通常會(huì)在所有車輪上均設(shè)有無(wú)線能量接收裝置103。

圖1 基于車輪的無(wú)線充電系統(tǒng)以及車輛和行車道俯視示意圖

圖2 基于車輪的無(wú)線充電系統(tǒng)以及車輛和行車道主視示意圖

無(wú)線能量發(fā)射裝置104如圖3所示，包括能量發(fā)射電磁線圈112和依次串聯(lián)在一起的供電電源113（為交流電）、交直流轉(zhuǎn)換電路114、高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路115。其中供電電源113用于提供交流電，交直流轉(zhuǎn)換電路114用于將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路115用于將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流信號(hào)，能量發(fā)射電磁線圈112用于接收高頻交流信號(hào)，并將高頻交流信號(hào)發(fā)射出去。射頻工作頻率為13.3MHz，由二極管構(gòu)成的振蕩電路在該射頻工作頻率段很難達(dá)到設(shè)計(jì)目的，因此本實(shí)施例中所述高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路采用三極管構(gòu)成。三極管不僅可以產(chǎn)生振蕩，還可以在本申請(qǐng)的射頻工作頻率范圍內(nèi)有效工作，提供較大的輸出電流和電壓。

無(wú)線能量發(fā)射裝置104還包括控制電路116，控制電路116分別與供電電源113、交直流轉(zhuǎn)換電路114、高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路115相連接，用于控制交直流轉(zhuǎn)換電路114和高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路115的工作與否?？刂齐娐?16耦合探測(cè)輸入和輸出的負(fù)載情況并控制輸入和輸出的信號(hào)通斷。同時(shí)，控制電路116還需要通過(guò)調(diào)諧高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路115上的可變電容來(lái)微調(diào)其振蕩工作頻率，使得能量發(fā)射電磁線圈112工作在最佳狀態(tài)。

圖3 行車道上的無(wú)線能量發(fā)射裝置的示意圖

其中，為確保各種尺寸和距離的車輪都能在通過(guò)時(shí)獲得足夠的無(wú)線能量，所述能量發(fā)射電磁圈112以一非金屬支架為支承架121固定在地面上，且能量發(fā)射電磁圈的橫截面與水平面之間具有夾角α，如圖3中所示。所述夾角α的角度為75°～90°。較好的角度為75°～80°。

如圖4所示，所述無(wú)線能量接收裝置103包括能量接收電磁線圈105、能量轉(zhuǎn)換電路117、電能傳遞裝置108，能量轉(zhuǎn)換電路117用于將能量接收電磁線圈105接收的高頻交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電，能量傳遞裝置108將直流電傳遞給汽車的供電電路。所述能量接收電磁線圈105設(shè)置在汽車輪轂上，與汽車輪轂匹配。本系統(tǒng)中的能量接收電磁線圈105尺寸為300mm，安置于車輪外側(cè)。

圖4 安裝在車輪上的無(wú)線能量接收裝置的示意圖

其中，所述能量轉(zhuǎn)換電路117，如圖5中所示，包含無(wú)源控制電路118、二極管整流電路119、調(diào)諧電容120，其中調(diào)諧電容120用于和能量接收電磁線圈105構(gòu)成LC電路，對(duì)能量接收電磁線圈105的工作頻率微調(diào)，二極管整流電路119用于進(jìn)行交直流變換，無(wú)源控制電路118用于確保能量接收電磁線圈105的振蕩頻率與能量發(fā)射電磁線圈112一致，使無(wú)線能量發(fā)射裝置104發(fā)出的能量盡最大限度的被利用。

圖5 能量轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)示意圖

LC電路中，能量接收電磁線圈105表現(xiàn)為感性，因此加入調(diào)諧電容120，與能量接收電磁線圈105一起構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)。調(diào)諧電容120可以調(diào)諧其工作頻率。能量接收電磁線圈105帶有無(wú)源控制電路118確保其振蕩頻率與能量發(fā)射電磁線圈112一致，并通過(guò)二極管和LC電路進(jìn)行交直流變換輸出0～20V范圍內(nèi)的直流電壓，其輸出為正負(fù)兩極的兩根電線，兩根電線與能量傳遞裝置108連接。

本方案中所述的能量傳遞裝置108為電滑環(huán)，如圖4中所示，所述電滑環(huán)包含定子110和轉(zhuǎn)子109，具體的，電滑環(huán)外套裝在汽車車軸107上，其中轉(zhuǎn)子109外套設(shè)在定子110上，定子110與汽車車體固定在一起，轉(zhuǎn)子109隨車輪的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子109通過(guò)電線與能量轉(zhuǎn)換電路117相連接，用于接收直流電。定子110通過(guò)電線與汽車的供電電路111相連接，用于將直流電傳遞至供電電路111。

車軸上的無(wú)線能量接收系統(tǒng)108直徑為內(nèi)徑75mm，外徑90mm，與車軸同軸。轉(zhuǎn)子109一側(cè)與輪胎固定并連接能量轉(zhuǎn)換電路117，定子110一側(cè)與車體101固定并輸出正負(fù)兩根電線。輸出的電線連接到車輛的電池供電電路和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路111中為車輛101提供能量。

進(jìn)一步的，所述無(wú)線能量接收裝置103還包括磁場(chǎng)增強(qiáng)裝置，磁場(chǎng)增強(qiáng)裝置置于能量接收電磁線圈105內(nèi)部，本實(shí)施例中的磁場(chǎng)增強(qiáng)裝置為鐵氧體磁芯106，即在能量接收電磁線圈105內(nèi)放入鐵氧體磁芯即可，并將能量接收電磁線圈105安裝在車輪輪轂中心，如圖4或圖6中所示。本實(shí)施例中，在線圈105中心放置直徑為100mm的鐵氧體磁芯106，磁芯可以加強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度、提高能量接收效率，且經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，只有鐵氧體磁芯可以在高功率高頻下工作并增強(qiáng)磁場(chǎng)。

圖6 車輪上的能量接收線圈的主視示意圖

該電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)的工作過(guò)程是通過(guò)電動(dòng)汽車車輪上的無(wú)線能量接收裝置無(wú)線接收能量，驅(qū)動(dòng)車輛連續(xù)行駛。該系統(tǒng)包括在行車道兩側(cè)鋪設(shè)的無(wú)線能量發(fā)射裝置，在汽車輪外側(cè)加裝的無(wú)線能量接收裝置。利用電磁感應(yīng)原理收集行車道兩側(cè)發(fā)射裝置發(fā)送的能量，在車輪內(nèi)無(wú)線能量接收裝置收集的能量通過(guò)電滑環(huán)輸入車體內(nèi)供給電池和電動(dòng)機(jī)，給車輛充電并驅(qū)動(dòng)車輛不間斷行駛。

具體的，當(dāng)行車道上車輛駛?cè)霑r(shí)，安裝在行車道兩側(cè)的無(wú)線能量發(fā)射裝置104開(kāi)始工作，其中供電電源113提供50Hz、380V的交流輸入電壓，交流電進(jìn)入到交直流轉(zhuǎn)換電路114，該交直流轉(zhuǎn)換電路包括硅堆電橋加LC低通濾波電路和電壓電流控制電路，獲取電壓為48V的直流輸出。此直流信號(hào)進(jìn)入高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路115，高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路115再將直流變換為能量發(fā)射電磁線圈112工作所需的高頻交流信號(hào)13.3MHz。其中交直流轉(zhuǎn)換電路114和高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路115由控制電路116控制其工作與否，控制電路116耦合探測(cè)輸入和輸出的負(fù)載情況并控制輸入和輸出的信號(hào)通斷。同時(shí)，控制電路116還需要通過(guò)調(diào)諧高頻振蕩驅(qū)動(dòng)電路115上的可變電容來(lái)微調(diào)其振蕩工作頻率，使得能量發(fā)射電磁線圈112工作在最佳狀態(tài)。

能量轉(zhuǎn)換電路117將能量接收電磁線圈105接收到的交流能量變換為直流能量輸入電滑環(huán)的轉(zhuǎn)子109。在汽車運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子109在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)將能量傳遞給定子110，再通過(guò)與定子110連接的電線將直流電輸入汽車的電池供電電路111和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

整個(gè)充電過(guò)程中，無(wú)線能量發(fā)射裝置沿道路一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置，且僅需將其設(shè)置在路表面即可，鋪設(shè)容易，不需要將其埋入地下或鋪設(shè)吊架，避免了挖開(kāi)路面或鋪設(shè)吊架來(lái)進(jìn)行改造，不需要改造路面，節(jié)省了道路改造成本。而無(wú)線能量接收裝置均設(shè)置在車輪或車軸上，如將電磁線圈設(shè)置在輪轂中，電滑環(huán)設(shè)置在車軸上，與車體無(wú)關(guān)，對(duì)車輛的框架結(jié)構(gòu)尺寸和底盤高度等影響小。在沒(méi)有對(duì)車體本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)的同時(shí)也沒(méi)有影響其外部的美觀性。該系統(tǒng)具有接收效率高（經(jīng)檢測(cè)此種構(gòu)架的效率實(shí)測(cè)60%以上）、系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單、車輛適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，可用，在電動(dòng)公交等系統(tǒng)中，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保。

4 結(jié)論

現(xiàn)在采用的靜止的無(wú)線充電方式只是省去了線纜鏈接，而另一種行駛中無(wú)線充電系統(tǒng)需要在路面下鋪設(shè)發(fā)射線圈或在路面假設(shè)電力線纜。本文提出了一種基于車輪接收能量的行駛中電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)，具有車體影響小、接收效率高、發(fā)射系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。