基于車輪接收能量的行駛中電動汽車無線充電系統(tǒng)設計

（浙江大學 自貢創(chuàng)新中心，自貢 643000）

0 引言

21世紀隨著環(huán)境的惡化和石油資源的供應風險增大，需要一種新的節(jié)能環(huán)保的汽車供能方式來改善交通對各方面的負面影響。而采用電動的方式驅動汽車是綠色能源出行方法中最具潛力的一種?，F(xiàn)有的電動汽車主要采用有線充電的方式，需要較長的充電時間才能滿足用戶的用車要求。而已出現(xiàn)的無線供能汽車也需要在車輛靜止的情況下進行長時間充電，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，沒有本質上的區(qū)別。

還有一種新的無線供能的方式使得用戶可以在車輛行駛過程中充電。這種方式的現(xiàn)有技術需要在路面下鋪設發(fā)射線圈或在路面上架設電力線纜，因此必須挖開路面或鋪設吊架來進行改造，道路改造成本很高，鋪設不易。同時為了接收能量，需要對車體進行改造，在車輛底部或頂部安置無線能量接收裝置。這對車體結構影響較大。底部安裝會使得底盤距離路面的高度明顯降低，會顯著減弱汽車在路面有障礙物情況下的通過能力。而頂部安裝會調高車體高度，同時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汽車無線充電系統(tǒng)，具有車體影響小、接收效率高、發(fā)射系統(tǒng)部署簡單等優(yōu)點。

1 無線充電技術

無線電能傳輸方式包含遠場區(qū)傳輸和近場區(qū)傳輸兩大類。遠場區(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會對人體有傷害，在軍事和航天等特殊行業(yè)有所應用（文獻[1]），不適合于電動汽車充電。采用激光式電能傳輸技術會對人體有傷害，由于大氣吸收和散射，損耗較大（文獻[2]），在軍事和航天等特殊行業(yè)有所應用，不適合于電動汽車充電。

近場無線電能傳輸技術可分為磁場耦合式和電場耦合式兩類（文獻[3]），而根據(jù)是否發(fā)生諧振，磁場耦合式又包括感應耦合式和磁諧振耦合式兩類（文獻[4]）。感應耦合技術線圈間互感相對漏感較強，近距離傳輸效率較高，但對于距離非常敏感，不適于稍遠距離的無線充電，同時由于鐵磁性材料的存在，其繞組尺寸與質量較大，高頻下鐵損較高（文獻[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。磁諧振耦合式無線充電技術，其顯著特點為電路拓撲結構中具有調諧網(wǎng)絡，能夠實現(xiàn)漏感補償和頻率調諧，提高傳輸距離，且當充電路徑中的障礙物離線圈距離較遠時，不會對無線充電產(chǎn)生顯著影響（文獻[6]），適合于電動汽車充電。電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射端和接收端分別連接金屬平板（文獻[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。由于電場被限定于平板間氣隙內(nèi)，因此對外界電磁干擾較低（文獻[9]），但是為了實現(xiàn)高效電能傳輸，平板間距需要很小，平板面積需要很大，并且對補償電感值要求較高，因而高頻下?lián)p耗較高，不適合于電動汽車充電。

2 無線充電系統(tǒng)設計

本文提出了一種電動汽車無線充電系統(tǒng)，目的是解決現(xiàn)有技術問題，提供一種對車體影響小、接收效率高、發(fā)射系統(tǒng)部署簡單的無線充電系統(tǒng)。

無線能量發(fā)射裝置沿道路兩邊設置，且僅需將其設置在路表面即可，其中包括了在道路兩側地面鋪設電力電纜來實現(xiàn)供電電源，鋪設容易，不需要將電纜埋入地下或在空中架設，避免了挖開路面或鋪設吊架來進行改造，節(jié)省了道路改造成本。無線能量接收裝置均設置在車輪或車軸上，如將電磁線圈設置在輪轂中，電滑環(huán)設置在車軸上，在沒有對車體本身的結構進行改動的同時也沒有影響其外部的美觀性。

1）無線能量發(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、交直流轉換電路、高頻振蕩驅動電路；其中供電電源用于提供交流電，交直流轉換電路用于將交流電轉換成直流電，高頻振蕩驅動電路用于將直流電轉換成高頻交流信號，能量發(fā)射電磁線圈用于接收高頻交流信號，并將高頻交流信號發(fā)射出去。高頻振蕩驅動電路采用三極管振蕩電路構成。

無線能量發(fā)射裝置還包括控制電路，控制電路分別與供電電源、交直流轉換電路、高頻振蕩驅動電路相連接，用于控制交直流轉換電路和高頻振蕩驅動電路的工作與否，及調諧高頻振蕩驅動電路上的可變電容來微調其振蕩工作頻率。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）無線能量接收裝置包括能量接收電磁線圈、能量轉換電路、電能傳遞裝置，能量轉換電路用于將能量接收電磁線圈接收的高頻交流信號轉換成直流電，能量傳遞裝置將直流電傳遞給汽車的供電電路。

能量轉換電路包含無源控制電路、二極管整流電路、調諧電容，調諧電容用于和能量接收電磁線圈構成LC電路，對能量接收電磁線圈的工作頻率微調，二極管整流電路用于進行交直流變換，將接收到的交流電轉變?yōu)橹绷麟?，并對無源控制電路提供直流電，無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。其中無源控制電路、調諧電容、二極管整流電路均是現(xiàn)有技術，其各自的功能也是現(xiàn)有技術?？刂齐娐泛驼{諧電容具有連接關系，與二極管整流電路沒有必然連接關系。LC諧振中的調諧電容的大小決定了LC振蕩的交流工作頻率，而無源控制電路控制調諧電容的大小來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轉換為直流能量。無源控制電路不需要額外的電源驅動，它由二極管整流電路獲得的直流能量驅動來工作，同時根據(jù)獲得的直流能量的大小來決定調整電容的具體數(shù)值。

LC電路中，能量接收電磁線圈表現(xiàn)為感性，因此加入調諧電容，與能量接收電磁線圈一起構成選頻網(wǎng)絡。調諧電容可以調諧其工作頻率。能量接收電磁線圈帶有無源控制電路確保其振蕩頻率與能量發(fā)射電磁線圈一致，并通過二極管和LC電路進行交直流變換輸出0～20V范圍內(nèi)的直流電壓，其輸出為正負兩極的兩根電線，兩根電線與能量傳遞裝置連接。

更進一步的，所述能量傳遞裝置為電滑環(huán)，所述電滑環(huán)包含定子和轉子，轉子外套設于定子上，其中定子與汽車車體固定在一起，轉子隨車輪的旋轉而旋轉；定子通過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；轉子通過電線與能量轉換電路相連接，用于接收直流電。電滑環(huán)外套設于汽車車軸上，與車軸同軸，其中定子與車體固定在一起，轉子隨車輪轉動而轉動。

車軸上的無線能量接收系統(tǒng)直徑為內(nèi)徑75mm，外徑90mm，與車軸同軸。轉子一側與輪胎固定并連接能量轉換電路，定子一側與車體固定并輸出正負兩根電線。輸出的電線連接到車輛的電池供電電路和電動機驅動電路中為車輛提供能量。能量接收電磁線圈設置在汽車輪轂上，與汽車輪轂匹配。

無線能量接收裝置還包括磁場增強裝置，磁場增強裝置置于能量接收電磁線圈內(nèi)部。

更進一步的，所述磁場增強裝置為鐵氧體磁芯。在線圈中心放置直徑為100mm的鐵氧體磁芯，磁芯可以加強磁場強度、提高能量接收效率。

3 實施方案

本文提出了一種電動汽車無線充電系統(tǒng)包括設置在行車道上的無線能量發(fā)射裝置104和設置在車輛上的無線能量接收裝置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側面安置了數(shù)個無線能量發(fā)射裝置104，車輛101上四個車輪外側分別安置了無線能量接收裝置103。其中無線能量發(fā)射裝置104的個數(shù)可以根據(jù)實際情況進行設置，盡管無線能量接收裝置103也不一定需要在所有的車輪上設置，但為了得到最好的充電效果，通常會在所有車輪上均設有無線能量接收裝置103。

圖1 基于車輪的無線充電系統(tǒng)以及車輛和行車道俯視示意圖

圖2 基于車輪的無線充電系統(tǒng)以及車輛和行車道主視示意圖

無線能量發(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）、交直流轉換電路114、高頻振蕩驅動電路115。其中供電電源113用于提供交流電，交直流轉換電路114用于將交流電轉換成直流電，高頻振蕩驅動電路115用于將直流電轉換成高頻交流信號，能量發(fā)射電磁線圈112用于接收高頻交流信號，并將高頻交流信號發(fā)射出去。射頻工作頻率為13.3MHz，由二極管構成的振蕩電路在該射頻工作頻率段很難達到設計目的，因此本實施例中所述高頻振蕩驅動電路采用三極管構成。三極管不僅可以產(chǎn)生振蕩，還可以在本申請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、交直流轉換電路114、高頻振蕩驅動電路115相連接，用于控制交直流轉換電路114和高頻振蕩驅動電路115的工作與否。控制電路116耦合探測輸入和輸出的負載情況并控制輸入和輸出的信號通斷。同時，控制電路116還需要通過調諧高頻振蕩驅動電路115上的可變電容來微調其振蕩工作頻率，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時獲得足夠的無線能量，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，所述無線能量接收裝置103包括能量接收電磁線圈105、能量轉換電路117、電能傳遞裝置108，能量轉換電路117用于將能量接收電磁線圈105接收的高頻交流信號轉換成直流電，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。

圖4 安裝在車輪上的無線能量接收裝置的示意圖

其中，所述能量轉換電路117，如圖5中所示，包含無源控制電路118、二極管整流電路119、調諧電容120，其中調諧電容120用于和能量接收電磁線圈105構成LC電路，對能量接收電磁線圈105的工作頻率微調，二極管整流電路119用于進行交直流變換，無源控制電路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 能量轉換電路的結構示意圖

LC電路中，能量接收電磁線圈105表現(xiàn)為感性，因此加入調諧電容120，與能量接收電磁線圈105一起構成選頻網(wǎng)絡。調諧電容120可以調諧其工作頻率。能量接收電磁線圈105帶有無源控制電路118確保其振蕩頻率與能量發(fā)射電磁線圈112一致，并通過二極管和LC電路進行交直流變換輸出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和轉子109，具體的，電滑環(huán)外套裝在汽車車軸107上，其中轉子109外套設在定子110上，定子110與汽車車體固定在一起，轉子109隨車輪的旋轉而旋轉。轉子109通過電線與能量轉換電路117相連接，用于接收直流電。定子110通過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。轉子109一側與輪胎固定并連接能量轉換電路117，定子110一側與車體101固定并輸出正負兩根電線。輸出的電線連接到車輛的電池供電電路和電動機驅動電路111中為車輛101提供能量。

進一步的，所述無線能量接收裝置103還包括磁場增強裝置，磁場增強裝置置于能量接收電磁線圈105內(nèi)部，本實施例中的磁場增強裝置為鐵氧體磁芯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，磁芯可以加強磁場強度、提高能量接收效率，且經(jīng)過試驗，只有鐵氧體磁芯可以在高功率高頻下工作并增強磁場。

圖6 車輪上的能量接收線圈的主視示意圖

該電動汽車無線充電系統(tǒng)的工作過程是通過電動汽車車輪上的無線能量接收裝置無線接收能量，驅動車輛連續(xù)行駛。該系統(tǒng)包括在行車道兩側鋪設的無線能量發(fā)射裝置，在汽車輪外側加裝的無線能量接收裝置。利用電磁感應原理收集行車道兩側發(fā)射裝置發(fā)送的能量，在車輪內(nèi)無線能量接收裝置收集的能量通過電滑環(huán)輸入車體內(nèi)供給電池和電動機，給車輛充電并驅動車輛不間斷行駛。

具體的，當行車道上車輛駛入時，安裝在行車道兩側的無線能量發(fā)射裝置104開始工作，其中供電電源113提供50Hz、380V的交流輸入電壓，交流電進入到交直流轉換電路114，該交直流轉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。此直流信號進入高頻振蕩驅動電路115，高頻振蕩驅動電路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13.3MHz。其中交直流轉換電路114和高頻振蕩驅動電路115由控制電路116控制其工作與否，控制電路116耦合探測輸入和輸出的負載情況并控制輸入和輸出的信號通斷。同時，控制電路116還需要通過調諧高頻振蕩驅動電路115上的可變電容來微調其振蕩工作頻率，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)的轉子109。在汽車運動的過程中，轉子109在旋轉的同時將能量傳遞給定子110，再通過與定子110連接的電線將直流電輸入汽車的電池供電電路111和電動機驅動電路。

整個充電過程中，無線能量發(fā)射裝置沿道路一側或兩側設置，且僅需將其設置在路表面即可，鋪設容易，不需要將其埋入地下或鋪設吊架，避免了挖開路面或鋪設吊架來進行改造，不需要改造路面，節(jié)省了道路改造成本。而無線能量接收裝置均設置在車輪或車軸上，如將電磁線圈設置在輪轂中，電滑環(huán)設置在車軸上，與車體無關，對車輛的框架結構尺寸和底盤高度等影響小。在沒有對車體本身的結構進行改動的同時也沒有影響其外部的美觀性。該系統(tǒng)具有接收效率高（經(jīng)檢測此種構架的效率實測60%以上）、系統(tǒng)部署簡單、車輛適用性強的特點，可用，在電動公交等系統(tǒng)中，促進節(jié)能環(huán)保。

4 結論

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