基于车轮接收能量的行驶中电动汽车无线充电系统设计

（浙江大学 自贡创新中心，自贡 643000）

0 引言

21世纪随着环境的恶化和石油资源的供应风险增大，需要一种新的节能环保的汽车供能方式来改善交通对各方面的负面影响。而采用电动的方式驱动汽车是绿色能源出行方法中最具潜力的一种。现有的电动汽车主要采用有线充电的方式，需要较长的充电时间才能满足用户的用车要求。而已出现的无线供能汽车也需要在车辆静止的情况下进行长时间充电，使用方式上和有线充电方式比只是省去了线缆连接的步骤，没有本质上的区别。

还有一种新的无线供能的方式使得用户可以在车辆行驶过程中充电。这种方式的现有技术需要在路面下铺设发射线圈或在路面上架设电力线缆，因此必须挖开路面或铺设吊架来进行改造，道路改造成本很高，铺设不易。同时为了接收能量，需要对车体进行改造，在车辆底部或顶部安置无线能量接收装置。这对车体结构影响较大。底部安装会使得底盘距离路面的高度明显降低，会显著减弱汽车在路面有障碍物情况下的通过能力。而顶部安装会调高车体高度，同时需要的大量吊架影响城市美观。

基于以上考虑，本文提出了基于车轮接收能量的行驶中电动汽车无线充电系统，具有车体影响小、接收效率高、发射系统部署简单等优点。

1 无线充电技术

无线电能传输方式包含远场区传输和近场区传输两大类。远场区传输包括微波式和激光式两种。采用微波式电能传输技术会对人体有伤害，在军事和航天等特殊行业有所应用（文献[1]），不适合于电动汽车充电。采用激光式电能传输技术会对人体有伤害，由于大气吸收和散射，损耗较大（文献[2]），在军事和航天等特殊行业有所应用，不适合于电动汽车充电。

近场无线电能传输技术可分为磁场耦合式和电场耦合式两类（文献[3]），而根据是否发生谐振，磁场耦合式又包括感应耦合式和磁谐振耦合式两类（文献[4]）。感应耦合技术线圈间互感相对漏感较强，近距离传输效率较高，但对于距离非常敏感，不适于稍远距离的无线充电，同时由于铁磁性材料的存在，其绕组尺寸与质量较大，高频下铁损较高（文献[5]）。因此，该方案适合于充电距离小于线圈尺寸的低频工作范围。磁谐振耦合式无线充电技术，其显著特点为电路拓扑结构中具有调谐网络，能够实现漏感补偿和频率调谐，提高传输距离，且当充电路径中的障碍物离线圈距离较远时，不会对无线充电产生显著影响（文献[6]），适合于电动汽车充电。电场耦合式无线电能传输系统发射端和接收端分别连接金属平板（文献[7～8]），且为提高其传输效率，平板材料需采用高介电常数电介质。由于电场被限定于平板间气隙内，因此对外界电磁干扰较低（文献[9]），但是为了实现高效电能传输，平板间距需要很小，平板面积需要很大，并且对补偿电感值要求较高，因而高频下损耗较高，不适合于电动汽车充电。

2 无线充电系统设计

本文提出了一种电动汽车无线充电系统，目的是解决现有技术问题，提供一种对车体影响小、接收效率高、发射系统部署简单的无线充电系统。

无线能量发射装置沿道路两边设置，且仅需将其设置在路表面即可，其中包括了在道路两侧地面铺设电力电缆来实现供电电源，铺设容易，不需要将电缆埋入地下或在空中架设，避免了挖开路面或铺设吊架来进行改造，节省了道路改造成本。无线能量接收装置均设置在车轮或车轴上，如将电磁线圈设置在轮毂中，电滑环设置在车轴上，在没有对车体本身的结构进行改动的同时也没有影响其外部的美观性。

1）无线能量发射装置包括能量发射电磁线圈和依次串联在一起的供电电源、交直流转换电路、高频振荡驱动电路；其中供电电源用于提供交流电，交直流转换电路用于将交流电转换成直流电，高频振荡驱动电路用于将直流电转换成高频交流信号，能量发射电磁线圈用于接收高频交流信号，并将高频交流信号发射出去。高频振荡驱动电路采用三极管振荡电路构成。

无线能量发射装置还包括控制电路，控制电路分别与供电电源、交直流转换电路、高频振荡驱动电路相连接，用于控制交直流转换电路和高频振荡驱动电路的工作与否，及调谐高频振荡驱动电路上的可变电容来微调其振荡工作频率。能量发射电磁圈以一非金属支架为支承架固定，能量发射电磁圈的横截面与水平面之间具有夹角。夹角的角度为75°～90°，其中较好的角度为75°～80°。能量发射电磁圈直径为500mm。

2）无线能量接收装置包括能量接收电磁线圈、能量转换电路、电能传递装置，能量转换电路用于将能量接收电磁线圈接收的高频交流信号转换成直流电，能量传递装置将直流电传递给汽车的供电电路。

能量转换电路包含无源控制电路、二极管整流电路、调谐电容，调谐电容用于和能量接收电磁线圈构成LC电路，对能量接收电磁线圈的工作频率微调，二极管整流电路用于进行交直流变换，将接收到的交流电转变为直流电，并对无源控制电路提供直流电，无源控制电路用于确保能量接收电磁线圈的振荡频率与能量发射电磁线圈一致。其中无源控制电路、调谐电容、二极管整流电路均是现有技术，其各自的功能也是现有技术。控制电路和调谐电容具有连接关系，与二极管整流电路没有必然连接关系。LC谐振中的调谐电容的大小决定了LC振荡的交流工作频率，而无源控制电路控制调谐电容的大小来使得此交流工作频率发生变化，二极管整流电路接收此交流信号转换为直流能量。无源控制电路不需要额外的电源驱动，它由二极管整流电路获得的直流能量驱动来工作，同时根据获得的直流能量的大小来决定调整电容的具体数值。

LC电路中，能量接收电磁线圈表现为感性，因此加入调谐电容，与能量接收电磁线圈一起构成选频网络。调谐电容可以调谐其工作频率。能量接收电磁线圈带有无源控制电路确保其振荡频率与能量发射电磁线圈一致，并通过二极管和LC电路进行交直流变换输出0～20V范围内的直流电压，其输出为正负两极的两根电线，两根电线与能量传递装置连接。

更进一步的，所述能量传递装置为电滑环，所述电滑环包含定子和转子，转子外套设于定子上，其中定子与汽车车体固定在一起，转子随车轮的旋转而旋转；定子通过电线与汽车的供电电路相连接，用于将直流电传递至供电电路；转子通过电线与能量转换电路相连接，用于接收直流电。电滑环外套设于汽车车轴上，与车轴同轴，其中定子与车体固定在一起，转子随车轮转动而转动。

车轴上的无线能量接收系统直径为内径75mm，外径90mm，与车轴同轴。转子一侧与轮胎固定并连接能量转换电路，定子一侧与车体固定并输出正负两根电线。输出的电线连接到车辆的电池供电电路和电动机驱动电路中为车辆提供能量。能量接收电磁线圈设置在汽车轮毂上，与汽车轮毂匹配。

无线能量接收装置还包括磁场增强装置，磁场增强装置置于能量接收电磁线圈内部。

更进一步的，所述磁场增强装置为铁氧体磁芯。在线圈中心放置直径为100mm的铁氧体磁芯，磁芯可以加强磁场强度、提高能量接收效率。

3 实施方案

本文提出了一种电动汽车无线充电系统包括设置在行车道上的无线能量发射装置104和设置在车辆上的无线能量接收装置103，如图1、图2所示。车轮方案的车辆101行驶在车辆可通行的行车道102上，行车道102侧面安置了数个无线能量发射装置104，车辆101上四个车轮外侧分别安置了无线能量接收装置103。其中无线能量发射装置104的个数可以根据实际情况进行设置，尽管无线能量接收装置103也不一定需要在所有的车轮上设置，但为了得到最好的充电效果，通常会在所有车轮上均设有无线能量接收装置103。

图1 基于车轮的无线充电系统以及车辆和行车道俯视示意图

图2 基于车轮的无线充电系统以及车辆和行车道主视示意图

无线能量发射装置104如图3所示，包括能量发射电磁线圈112和依次串联在一起的供电电源113（为交流电）、交直流转换电路114、高频振荡驱动电路115。其中供电电源113用于提供交流电，交直流转换电路114用于将交流电转换成直流电，高频振荡驱动电路115用于将直流电转换成高频交流信号，能量发射电磁线圈112用于接收高频交流信号，并将高频交流信号发射出去。射频工作频率为13.3MHz，由二极管构成的振荡电路在该射频工作频率段很难达到设计目的，因此本实施例中所述高频振荡驱动电路采用三极管构成。三极管不仅可以产生振荡，还可以在本申请的射频工作频率范围内有效工作，提供较大的输出电流和电压。

无线能量发射装置104还包括控制电路116，控制电路116分别与供电电源113、交直流转换电路114、高频振荡驱动电路115相连接，用于控制交直流转换电路114和高频振荡驱动电路115的工作与否。控制电路116耦合探测输入和输出的负载情况并控制输入和输出的信号通断。同时，控制电路116还需要通过调谐高频振荡驱动电路115上的可变电容来微调其振荡工作频率，使得能量发射电磁线圈112工作在最佳状态。

图3 行车道上的无线能量发射装置的示意图

其中，为确保各种尺寸和距离的车轮都能在通过时获得足够的无线能量，所述能量发射电磁圈112以一非金属支架为支承架121固定在地面上，且能量发射电磁圈的横截面与水平面之间具有夹角α，如图3中所示。所述夹角α的角度为75°～90°。较好的角度为75°～80°。

如图4所示，所述无线能量接收装置103包括能量接收电磁线圈105、能量转换电路117、电能传递装置108，能量转换电路117用于将能量接收电磁线圈105接收的高频交流信号转换成直流电，能量传递装置108将直流电传递给汽车的供电电路。所述能量接收电磁线圈105设置在汽车轮毂上，与汽车轮毂匹配。本系统中的能量接收电磁线圈105尺寸为300mm，安置于车轮外侧。

图4 安装在车轮上的无线能量接收装置的示意图

其中，所述能量转换电路117，如图5中所示，包含无源控制电路118、二极管整流电路119、调谐电容120，其中调谐电容120用于和能量接收电磁线圈105构成LC电路，对能量接收电磁线圈105的工作频率微调，二极管整流电路119用于进行交直流变换，无源控制电路118用于确保能量接收电磁线圈105的振荡频率与能量发射电磁线圈112一致，使无线能量发射装置104发出的能量尽最大限度的被利用。

图5 能量转换电路的结构示意图

LC电路中，能量接收电磁线圈105表现为感性，因此加入调谐电容120，与能量接收电磁线圈105一起构成选频网络。调谐电容120可以调谐其工作频率。能量接收电磁线圈105带有无源控制电路118确保其振荡频率与能量发射电磁线圈112一致，并通过二极管和LC电路进行交直流变换输出0～20V范围内的直流电压，其输出为正负两极的两根电线，两根电线与能量传递装置108连接。

本方案中所述的能量传递装置108为电滑环，如图4中所示，所述电滑环包含定子110和转子109，具体的，电滑环外套装在汽车车轴107上，其中转子109外套设在定子110上，定子110与汽车车体固定在一起，转子109随车轮的旋转而旋转。转子109通过电线与能量转换电路117相连接，用于接收直流电。定子110通过电线与汽车的供电电路111相连接，用于将直流电传递至供电电路111。

车轴上的无线能量接收系统108直径为内径75mm，外径90mm，与车轴同轴。转子109一侧与轮胎固定并连接能量转换电路117，定子110一侧与车体101固定并输出正负两根电线。输出的电线连接到车辆的电池供电电路和电动机驱动电路111中为车辆101提供能量。

进一步的，所述无线能量接收装置103还包括磁场增强装置，磁场增强装置置于能量接收电磁线圈105内部，本实施例中的磁场增强装置为铁氧体磁芯106，即在能量接收电磁线圈105内放入铁氧体磁芯即可，并将能量接收电磁线圈105安装在车轮轮毂中心，如图4或图6中所示。本实施例中，在线圈105中心放置直径为100mm的铁氧体磁芯106，磁芯可以加强磁场强度、提高能量接收效率，且经过试验，只有铁氧体磁芯可以在高功率高频下工作并增强磁场。

图6 车轮上的能量接收线圈的主视示意图

该电动汽车无线充电系统的工作过程是通过电动汽车车轮上的无线能量接收装置无线接收能量，驱动车辆连续行驶。该系统包括在行车道两侧铺设的无线能量发射装置，在汽车轮外侧加装的无线能量接收装置。利用电磁感应原理收集行车道两侧发射装置发送的能量，在车轮内无线能量接收装置收集的能量通过电滑环输入车体内供给电池和电动机，给车辆充电并驱动车辆不间断行驶。

具体的，当行车道上车辆驶入时，安装在行车道两侧的无线能量发射装置104开始工作，其中供电电源113提供50Hz、380V的交流输入电压，交流电进入到交直流转换电路114，该交直流转换电路包括硅堆电桥加LC低通滤波电路和电压电流控制电路，获取电压为48V的直流输出。此直流信号进入高频振荡驱动电路115，高频振荡驱动电路115再将直流变换为能量发射电磁线圈112工作所需的高频交流信号13.3MHz。其中交直流转换电路114和高频振荡驱动电路115由控制电路116控制其工作与否，控制电路116耦合探测输入和输出的负载情况并控制输入和输出的信号通断。同时，控制电路116还需要通过调谐高频振荡驱动电路115上的可变电容来微调其振荡工作频率，使得能量发射电磁线圈112工作在最佳状态。

能量转换电路117将能量接收电磁线圈105接收到的交流能量变换为直流能量输入电滑环的转子109。在汽车运动的过程中，转子109在旋转的同时将能量传递给定子110，再通过与定子110连接的电线将直流电输入汽车的电池供电电路111和电动机驱动电路。

整个充电过程中，无线能量发射装置沿道路一侧或两侧设置，且仅需将其设置在路表面即可，铺设容易，不需要将其埋入地下或铺设吊架，避免了挖开路面或铺设吊架来进行改造，不需要改造路面，节省了道路改造成本。而无线能量接收装置均设置在车轮或车轴上，如将电磁线圈设置在轮毂中，电滑环设置在车轴上，与车体无关，对车辆的框架结构尺寸和底盘高度等影响小。在没有对车体本身的结构进行改动的同时也没有影响其外部的美观性。该系统具有接收效率高（经检测此种构架的效率实测60%以上）、系统部署简单、车辆适用性强的特点，可用，在电动公交等系统中，促进节能环保。

4 结论

现在采用的静止的无线充电方式只是省去了线缆链接，而另一种行驶中无线充电系统需要在路面下铺设发射线圈或在路面假设电力线缆。本文提出了一种基于车轮接收能量的行驶中电动汽车无线充电系统，具有车体影响小、接收效率高、发射系统部署简单等优点。