電動公交車站臺懸掛式無線充電系統的製作方法

2023-10-10 12:10:09 1

本實用新型屬於無線充電技術領域，更具體而言，本實用新型涉及一種電動公交車站臺懸掛式無線充電系統，能對停靠在站臺的電動公交車進行短時間大功率無線充電。

技術背景

隨著全球氣候變暖的加劇，節能減排已經成為了全世界關注的焦點問題，傳統的燃油動力公交已經無法滿足節能減排的需要，電動式新能源公共汽車可以大幅降低排放甚至實現零排放，既有利於節能減排，也能有效降低運營成本，已成為公交系統的最佳選擇，在國內具有巨大的發展潛力。據有關統計，我國每輛公交車日行駛裡程約220-280公裡，消耗燃油約90-120升，相當於30輛私家車的油耗和排放，如果使用電動車，二氧化碳減排為44噸左右。此外，電動車採用電動機代替發動機，幾乎無噪聲，有利於減少城市的噪音汙染。

現有的電動公交車基本採用鋰離子電池。鋰離子電池具有安全可靠、工作電壓高、無記憶效應等優點，但其能量密度仍較低，造成電動車單次充電續駛裡程較短，為了達到公交車較長的行駛線路，往往需要大容量電池組，重量一般在一噸左右，大大降低了公交車行駛效率。更重要的是電池成組循環壽命普遍較低，循環壽命在1000次左右。

現有的電動公交車充電基本採用有線式充電，分為慢充和快充兩種方式。慢充方式需要公交車停靠在公交車充電站進行長時間充電。為了每天充一次電滿足行駛裡程要求，就要至少裝載220千瓦時、約3100公斤的電池。為了少裝電池，減輕車體重量，就會出現一些示範項目中兩輛車當一輛車用的現象，也就是兩輛車一天輪班跑，而且普通有限充電站的數量是隨著電動公交車的數量增加而增大的，需要佔用大量的城市用地。快充方式由於需求的充電電流很大，一個充電站開啟充電機，功率就可能達到「兆瓦」級，需要訓練專門的操作人員，增加充電成本，另外充電操作也非常危險。另外，由於電池組基本處於完全放電狀態，會縮短鋰電池的壽命。

無線充電，又稱作感應充電，是利用近場感應，也就是電感耦合，由供電設備(充電器)將能量傳送至用電的裝置，該裝置使用接收到的能量對電池充電，並同時供其本身運作之用。由於充電器與用電裝置之間以電感耦合傳送能量，兩者之間不用電線連接，因此充電器及用電的裝置都可以做到無導電接點外露，比有線充電更為方便、安全。其次，進行無線充電是自動充電，不需要操作人員，可以避免觸電的危險。再次，無線充電電氣元 件無外露，不會被空氣中的水分、氧氣等侵蝕；無接點的存在，也因此不會有在連接與分離時的機械磨損及跳火等做成的損耗。

但是，感應式無線充電器的主要部分為發射線圈和接收線圈。發射和接收線圈之間有很大的氣隙，一般等於公交車底盤到地面的距離，氣隙大小是鬆耦合變壓器耦合係數的關鍵因素之一。為了達到額度的充電功率，需要增大發射線圈中的電流，從而電磁場的輻射增大。電磁場作為感應式無線充電系統的能量傳輸媒介，會對地面上的金屬物品產生渦流效應，直接加熱金屬物品，具有火災的風險。例如一片錫箔紙掉落在汽車底盤下，大功率無線充電系統產生的磁場迅速在錫箔上產生大電流，引燃錫箔紙。為了消除落在地上的金屬(例如硬幣，口香糖包裝紙，易拉罐等等)帶來的火災隱患，電磁感應式無線充電系統通常會配備金屬檢測裝置，大大增加了設計成本。電動汽車採用的高頻的電磁波對人體組織以及中樞神經均有傷害。國際非電離無線電保護委員會International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection(ICNIRP)對人體在高頻電磁場下的輻射強度有嚴格的規定。對於高功率的電動公交車無線充電，需用金屬板進行屏蔽。但是由於車底空間有限，不利於屏蔽系統的設計。此外高頻電磁場對於充電時位於底盤下的小動物，例如貓，狗，蛇等，更是有致命的傷害。另外，無線充電並不能解決電動公交車對大容量電池組的需求和電池壽命短的問題。

綜上所述，電動公交車充電缺點包括：1.電池體積重量大，降低公交車運行效率。2.電池壽命較短。對於電動公交車的無線充電，其缺點包括：1.地面距底盤的傳輸距離大，傳輸效率較低；2.地面金屬物體具有火災隱患；3.需要單獨設計金屬檢測裝置，成本高；4.車底空間有限，電磁場的屏蔽系統設計難度增大。

技術實現要素：

為克服上述的電動公交車充電缺點及電動公交車無線充電的缺點，本實用新型提出一種全新的電動公交車站臺懸掛式無線充電系統，可用於一般構造的電動公交車，可以有效提高電能傳輸效率，減少電池組的容量，延長鋰電池壽命，大大降低充電成本。

本實用新型所採用的技術方案是：

一種電動公交車站臺懸掛式無線充電系統，包括安裝在公交站臺上的電能發射裝置、安裝在電動公交車上的電能接收裝置；

所述電能發射裝置包括直線電機、位置感應調節系統、高度調節臂、發射線圈、初級電能調節裝置、信號接收處理系統，所述直線電機安裝在初級側軌道上，所述直線電機的次級側部分可沿初級側軌道雙向移動，所述次級側部分安裝並固定有所述高度調節臂，所述 固定調節臂的底端安裝並固定有所述發射線圈，所述次級側部分的一側設有信號接收處理系統；

所述電能接收裝置包括接收線圈、次級電能調節裝置、信號發射裝置、車載電池組、車載顯示控制裝置、屏蔽裝置，所述接收線圈、次級電能調節裝置、信號發射裝置和車載電池組安裝在電動公交車上，所述接收線圈的兩側設有所述屏蔽裝置，所述次級電能調節裝置和車載電池組之間的電路上設有功率監測裝置，所述功率監測裝置與所述車載顯示控制裝置電性連接。

進一步的，所述公交站臺包含頂棚以及支撐所述頂棚的支柱，所述頂棚延伸並覆蓋到所述電動公交車停靠的車道上方，在所述頂棚的下方固定有所述初級側軌道。

進一步的，所述公交站臺的地面上固定有金屬機櫃，所述初級電能調節裝置安裝在所述金屬機櫃中。

進一步的，所述屏蔽裝置為金屬板或閉合線圈。

進一步的，所述車載顯示控制裝置位於所述電動公交車內，可嵌入所述電動公交車的儀錶板上，所述車載顯示控制裝置具有實體開關或虛擬開關。

進一步的，所述發射線圈從上至下包含發射屏蔽層、發射軟磁材料和原邊繞組。

進一步的，所述接收線圈由接收屏蔽層、接收軟磁材料和副邊繞組三部分組成，從上至下的順序為接收屏蔽層、接收軟磁材料、副邊繞組。

進一步的，所述初級電能調節裝置主要由功率因數校正模塊、電壓調節模塊、控制電路、逆變器、原邊諧振電容、原邊電壓電流檢測保護裝置組成；所述控制電路引出一路與電壓調節模塊連接，所述電壓調節模塊與所述功率因數校正模塊電性連接，所述功率因數校正模塊外接有電網；所述控制電路引出另一路與所述逆變器連接，所述逆變器與所述電壓調節模塊電性連接，所述逆變器引出一路串聯有所述原邊諧振電容和所述發射線圈，所述逆變器與所述發射線圈之間設有所述原邊電壓電流檢測保護裝置，所述原邊電壓電流檢測保護裝置與所述控制電路電性連接；所述信號接收處理系統與所述控制電路電性連接，所述信號接收處理系統連接有位置控制模塊。

進一步的，所述電壓調節模塊和所述功率因數校正模塊之間引出的電路連接有太陽能電池板，所述太陽能電池板安裝在所述頂棚的上方。

更進一步的，所述次級電能調節裝置主要由副邊諧振電容、整流器、濾波器模塊、副邊電壓電流檢測保護裝置組成，所述副邊諧振電容與所述整流器、所述接收線圈串聯，所述整流器連接有濾波器模塊，所述濾波器模塊和所述整流器之間設有副邊電壓電流檢測保護裝置，所述副邊電壓電流檢測保護裝置與所述信號發射裝置電性連接，所述濾波器模塊 的輸出端與所述車載電池組電性連接，所述濾波器模塊和車載電池組之間的電路上設有功率監測裝置，所述功率監測裝置與所述車載顯示控制裝置電性連接，所述車載顯示控制裝置與所述信號發射裝置電性連接，所述信號發射裝置連接有位置傳感器。

當公交車行駛進公交站之前，將公交車以及車載電池信息發送到公交站臺側的電能發射裝置，其中包括公交車的進站時間，公交車接收線圈高度，車載電池信息以及所需的充電功率。公交車進站時，公交站臺側的發射線圈根據已知的接收線圈縱向位置控制高度調節臂，使接收線圈和發射線圈之間的氣隙控制在預設值。直線電機的位置感應調節系統監測接收線圈的位置，控制直線電機次級側以及發射線圈橫向位置移動，使發射線圈和接收線圈之間沒有相對位移，保證最大傳輸效率和傳輸功率，直到公交車出站或完成所需要的電能傳輸。

本實用新型由於採用以上所述技術方案，其具有以下優點：

1.線圈體積小，電能傳輸能力大，效率高。由於發射線圈和接收線圈之間的氣隙距離可控，並固定在一個較小的範圍內，再由於發射線圈的位置實時跟隨接收線圈，兩線圈之間沒有相對水平位移，使得發射和接收線圈之間的耦合係數高，從而減少線圈體積，增強電能傳輸能力，提高系統效率；

2.只需要一個發射線圈。由於發射線圈跟隨接收線圈移動，因此在整個60秒充電過程中，只需一個發射線圈即可完成，節省成本；

3.沒有火災隱患，不需要額外的金屬檢測和動物檢測功能，節約成本。由於無線電能傳輸在公交車頂部完成，不會對路面上或者地面上的金屬物體產生渦流效應，沒有火災隱患。不需要設計安裝額外的金屬檢測裝置，節約成本。另外，也無需設計安裝額外的動物檢測裝置。

附圖說明

圖1是電動公交車站臺懸掛式無線充電系統的公交車正面圖；

圖2是電動公交車站臺懸掛式無線充電系統的公交車側面圖；

圖3是發射線圈106和接收線圈107的截面圖；

圖4是電動公交車站臺懸掛式無線充電系統的電氣功能單元原理圖。

圖中：101-支柱 102-頂棚 103-初級側軌道 104-次級側部分 105-高度調節臂108-屏蔽裝置 110-信號接收處理系統 111-太陽能電池板 113-信號發射裝置 114-車載電池組 115-功率監測裝置 116-車載顯示控制裝置；

106-發射線圈 201-發射屏蔽層 202-發射軟磁材料 203-原邊繞組；

107-接收線圈 204-副邊繞組 205-接收軟磁材料 206-接收屏蔽層；

109-初級電能調節裝置 301-功率因數校正模塊 302-電壓調節模塊 303-控制電路304-逆變器 305-原邊諧振電容 310-原邊電壓電流檢測保護裝置；

112-次級電能調節裝置 306-副邊諧振電容 307-整流器 308-濾波器模塊 309副邊電壓電流檢測保護裝置；

311-位置傳感器 312-位置控制模塊。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本實用新型的技術方案，而不能以此來限制本實用新型的保護範圍。

圖1和圖2展示了電動公交車站臺懸掛式無線充電系統。此懸掛式無線充電系統由兩部分組成：公交站臺側的電能發射裝置和電動公交車側電能接收裝置。公交站臺應有頂棚102，頂棚102延伸並且覆蓋到電動公交車停靠的車道。無線充電系統的電能發射裝置安裝於公交站臺的頂棚102上。電能發射裝置包括：

直線電機以及位置感應調節系統，直線電機的初級側安裝並固定在站臺的頂棚102上，直線電機的次級側部分104橫向位置可調節，直線電機的次級側部分104的位置受位置感應調節系統控制；

高度調節臂105及高度感應調節系統，安裝在直線電機的次級側部分104上，隨著直線電機次級側部分104的橫向位置移動而移動；

發射線圈106，安裝在高度調節臂105上，其縱向位置受高度調節臂105控制，其橫向位置受直線電機控制，因此，發射線圈106的縱向和橫向位置都是可控制的，橫向可沿電動公交車行駛的方向來回移動，縱向可以調節發射線圈106的高度；

初級電能調節裝置109，用於將電網的低頻交流電轉換成高頻交流電，並傳輸到發射線圈。初級電能調節裝置109還具有控制輸出電壓(或電流)穩定、系統功率因數矯正等作用；

信號接收處理系統110，其中信號接收處理系統110可以接收來自於電動公交車側電能接收裝置的無線信號，其中包括電動公交車的進站時間，電動公交車頂部接收線圈107的橫向位置信息、縱向位置信息、車載電池組114信息等等，信號接收處理系統110將對接收到的信息進行運算處理，並產生控制信號，驅動直線電機以及高度調節臂105，控制初級電能調節裝置109的輸出功率等等。

初級電能調節裝置109通常安裝於公交站臺的地面上，位於金屬機櫃中，其作用是將 電網的低頻交流電轉換成高頻交流電供發射線圈106產生高頻磁場。另外還將給直線電機以及控制系統供電。初級電能調節裝置109接入電網，或者採用多種電源輸入，例如在陽光充足的城市，可以利用安裝在公交站臺頂棚102上方的太陽能電池板111作為電能輸入，如果只是太陽能電池板的電能輸入功率不足，則可以採用太陽能和電網多種電源同時輸入。

公交站臺包含頂棚102以及支撐頂棚的支柱101，頂棚102延伸並且覆蓋到電動公交車停靠的車道，既可以起到為行人擋雨(雪)的作用，同時在頂棚下方安裝直線電機的初級側軌道103。直線電機的次級側部分104可以沿初級側軌道103雙向移動。初級側軌道103的方向與電動公交車行進的方向相同。

直線電機的次級側部分104安裝並固定有高度調節臂105，高度調節臂105的底端安裝並固定發射線圈106。因此，發射線圈106的縱向位置(高度)可由高度調節臂105控制調節，發射線圈106的橫向(沿電動公交車行駛方向)位置可由直線電機調節控制。在直線電機的次級側部分104安裝信號接收處理系統110，並將接收到的信號通過導線傳輸到初級電能調節裝置109中進行控制。

此懸掛式無線充電系統的電動公交車側電能接收裝置包括：

接收線圈107，安裝並固定在電動公交車的車頂上，隨電動公交車的移動而移動，其作用是與發射線圈106耦合，將發射線圈106產生的磁場能量轉換成電能；

次級電能調節裝置112，用於將接收線圈107產生的高頻交流電轉換成穩定的直流電，以供車載電池組114充電；

車載顯示控制裝置116，車載顯示控制裝置116可以監測電池電量，傳輸功率，需要的充電時間等等，車載顯示控制裝置116可由公交車司機控制，隨時可以切斷或打開電能接收裝置；

信號發射裝置113，將電動公交車側電能接收裝置的信息用無線的方式，傳輸給電能發射裝置的信號接收處理系統110，其中包括電動公交車的進站時間、電動公交車頂部接收線圈107的橫向位置信息、縱向位置信息、車載電池組114信息等等；

屏蔽裝置108，屏蔽裝置108通常是金屬板或者閉合線圈，使電磁場對行人的輻射降低到安全標準以下。

電動公交車側的接收線圈107與發射線圈106之間磁場耦合，耦合係數的大小與兩線圈之間的氣隙長度有關。氣隙越大，耦合係數越小，電能傳輸能力越小，系統效率越低。在本實用新型中，氣隙的長度可由高度調節臂105控制發射線圈106的縱向位置調節，在充電過程中，儘量控制氣隙較小，可以達到更高的系統效率和電能傳輸能力。在路面不平顛簸時會使得接收線圈107縱向位移，氣隙的大小保證接收線圈107的最高位置不會碰觸 到發射線圈106即可。

在接收線圈107兩側設有針對電磁場的屏蔽裝置108，通常是金屬板或者閉合線圈，可以有效防止傳輸能量的電磁場對站臺的行人有輻射，防止對行人的電子便攜設備(如手機)有電磁幹擾。

接收線圈107與次級電能調節裝置112相連接，次級電能調節裝置112將高頻交流電轉換成可供電池充電用的恆定直流電。因此次級電能調節裝置112與車載電池組114相連接。功率監測裝置115實時檢測車載電池組114接收到的電能功率，並將電池信息(如電池電壓，剩餘電量等)傳輸給車載顯示控制裝置116。車載顯示控制裝置116位於車內，可嵌入電動公交車儀錶板，將電池信息顯示在儀錶盤上。並且，車載顯示控制裝置116具有實體或虛擬開關，公交車司機可以在任何時候控制開關關閉或打開懸掛式無線充電系統。

次級電能調節裝置112和車載電池組114可位於電動公交車頂部，或者任意其他可安裝的位置。信號發射裝置113可將車輛信息(是否為可充電的電動公交車)、電池信息、接收線圈107的橫向和縱向位置、以及電動公交車的進站時間通過Wi-Fi或其他無線信號傳輸方式發射給信號接收處理系統110。

圖3是發射線圈106和接收線圈107的截面圖。發射線圈106由原邊繞組203、發射軟磁材料202、發射屏蔽層201三部分組成，從上至下的順序為發射屏蔽層201、發射軟磁材料202和原邊繞組203。接收線圈107由副邊繞組204、接收軟磁材料205、接收屏蔽層206三部分組成，從上至下的順序為副邊繞組204，接收軟磁材料205和接收屏蔽層206。發射軟磁材料202和接收軟磁材料205一般為擁有高磁導率的材料，例如鐵氧體材料，可以增大兩線圈的耦合係數，並且使磁場被束縛在軟磁材料中，能夠減小對外電磁場輻射。發射線圈106中的發射屏蔽層201是為了屏蔽電磁場在高度調節臂105和直線電機上的初級側導軌103和次級側部分104的金屬材料中產生渦流效應。接收線圈107中的接收屏蔽層206是為了屏蔽電磁場在車頂的金屬材料中產生渦流效應，並減少對車內乘客的電磁場輻射。

圖4是電動公交車站臺懸掛式無線充電系統的電氣功能單元原理圖。

初級電能調節裝置109主要由功率因數校正模塊301、電壓調節模塊302、控制電路303、逆變器304、原邊諧振電容305、原邊電壓電流檢測保護裝置310組成；所述控制電路303引出一路與電壓調節模塊302連接，所述電壓調節模塊302與所述功率因數校正模塊301電性連接，所述功率因數校正模塊301外接有電網；所述控制電路303引出另一路與所述逆變器304連接，所述逆變器304與所述電壓調節模塊302電性連接，所述逆變器304引出一路串聯有所述原邊諧振電容305和所述發射線圈106，所述逆變器304與所述發射線圈106之間設有所述原邊電壓電流檢測保護裝置310，所述原邊電壓電流檢測保護裝置310與 所述控制電路303電性連接；所述信號接收處理系統110與所述控制電路303電性連接，所述信號接收處理系統110連接有位置控制模塊312。

所述次級電能調節裝置112主要由副邊諧振電容306、整流器307、濾波器模塊308、副邊電壓電流檢測保護裝置309組成，所述副邊諧振電容306與所述整流器307、所述接收線圈107串聯，所述整流器307連接有濾波器模塊308，所述濾波器模塊308和所述整流器307之間設有副邊電壓電流檢測保護裝置309，所述副邊電壓電流檢測保護裝置309與所述信號發射裝置113電性連接，所述濾波器模塊308的輸出端與所述車載電池組114電性連接，所述濾波器模塊308和車載電池組114之間的電路上設有功率監測裝置115，所述功率監測裝置115與所述車載顯示控制裝置116電性連接，所述車載顯示控制裝置116與所述信號發射裝置113電性連接，所述信號發射裝置113連接有位置傳感器311。

系統電源可以是由電網提供的三相或單相50或60Hz，380V或220V交流電，也可以是由太陽能電池板111提供的單向直流電，或者兩路輸入同時進行。採用電網供電，需要功率因數矯正模塊301，使得系統產生的無功功率最小化，同時將低頻50Hz或60Hz的交流電，轉換為直流電。直流電經過電壓調節模塊302，將直流電的電壓轉換成期望的電壓值。此電壓值跟車載電池組114電壓、發射線圈106和接收線圈107的耦合係數、所需的系統輸出功率等有關。電壓調節模塊302的輸出電壓經過逆變器304，將直流電轉換成高頻交流電，頻率通常大於等於20kHz，逆變器的輸出經過原邊諧振電容305，與發射線圈106相連接。

發射線圈106和接收線圈107通過磁場耦合，在接收線圈107中產生出感應電壓。接收線圈107經與之串聯的副邊諧振電容306與整流器307相連，將高頻交流電轉換成直流電。再經過濾波器模塊308，得到穩定的輸出電壓(或電流)給車載電池組114充電。功率監測裝置115實時檢測車載電池組獲得的能量，並將測量的數據傳輸到車載顯示控制裝置116並顯示給駕駛者。車載顯示控制裝置116可以位於駕駛室或整合在儀錶盤內，駕駛者或車內乘員可以時時監測電能傳輸數值，並可以通過控制開關切斷整個無線電能傳輸系統。

在初級電能調節裝置109中，逆變器304的輸出電流經過電流霍爾監測，並將監測到的電流信號發送到原邊電壓電流檢測保護模塊310。原邊電壓電流檢測保護模塊310與控制電路303相連接，一旦檢測到原邊電壓電流高於安全值，即切斷整個無線電能傳輸系統。在次級電能調節裝置112中，整流器307的輸出被副邊電壓電流檢測模塊309採樣監測，採樣的結果送到信號發射裝置113中。次級線圈107的電壓電流信號可已通過信號發射裝置113傳輸到信號接收處理系統110，並與控制電路303連接，一旦檢測到副邊電壓電流高於安全值，即切斷整個無線電能傳輸系統。此外，信號發射裝置113還將檢測公交車以及接收線圈107的位置信息，包括橫向位置和縱向位置，通過無線傳輸至信號接收處理系統 110，信號被用來控制懸掛的直線電機次級側部分104和高度調節臂105，從而使發射線圈106在整個充電過程中追蹤接收線圈107的位置。

該無線充電系統設計針對行駛進公交車站臺的電動公交車。每輛次公交車停靠公交站臺，分為進站，停靠以供乘客上下車，出站三個步驟，整個過程持續通常在一分鐘左右。對於出行高峰期，或者公交車繁忙的站臺，持續時間更長。該無線充電系統對每一輛進入停靠公交站臺的電動公交車進行無線充電，充電時常大於等於一分鐘，總傳輸的能量足夠使公交車行駛到下一個公交站臺即可。

根據計算，對於一分鐘的充電時間內，

因此，100千瓦的充電功率，足夠可以使公交車行駛1.6公裡。基本可以覆蓋城市內公交車兩站之間的距離。

因此電動公交車在運行期間，由於可以在沿途每個公交站臺進行充電，不需要攜帶大容量的電池組，大大減少了公交車的重量和成本。另外，由於電池組淺放電，因此可以增加電池組的壽命，降低更換電池的成本。

最後應說明的是：以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。