通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置的製作方法
2023-04-30 19:07:06
專利名稱：通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及電動汽車領域，尤其涉及一種利用地面及車載磁導材料構成的磁路、 高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置。
背景技術：
目前，新能源在世界各地都得到了廣泛的重視，新能源應用的一個重要場合就是電動汽車，電動汽車使用電能而非汽油，本身不排放汙染大氣的有害氣體，電能則可來源於光能、風能、潮汐、地熱等多種清潔能源，並且電能相對燃料油來說價格更為低廉，所以電動汽車具有廣闊的發展前景。但是蓄電池技術制約了電動汽車的發展，現有蓄電池有成本高 (如果採取換電模式成本更加高昂)、續航能力差、快速充電顯著影響電池壽命等問題。這些問題仍在研究之中，尚未得到很好的解決。而且在短期內也難以取得突破性的進展。為此， 多個大學和科研機構試圖實現讓電動汽車在行駛中獲得電力。其中Auckland大學起步最早，他們在上世紀90年代就已經開始這方面的研究，如圖1所示，他們的主要方法是在地面下鋪設兩根電纜，電纜上通過高頻(IOkHz以上)大電流，這樣在電纜周圍就會產生交變磁場。需要取用動力的車輛則通過E型的pick-up (耦合線圈)將兩根電纜嵌入，從而在 pick-up的線圈上感生出電力。這種方法的主要缺點是，由於初級線圈只有一匝，所以電流需要很大，此外，對車輛行駛要求比較高，車輛一旦偏離電纜，得到的功率就會迅速下降。若使用在地面上同時鋪設多相導線的方法來擴大車輛的橫向活動範圍，還會帶來相間互相干擾等新問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，能夠解決僅使用車載蓄電池的諸多問題。本發明採用下述技術方案一種通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，其特徵在於包括由磁導材料組成的鋪設在地面上的導軌，用於使汽車行駛在導軌上；
地面電路及變壓器初級線圈，地面電路埋於地下，其輸入端與電網連接，輸出端與變壓器初級線圈連接，用於將電網的市電變換為高頻交流電；變壓器初級線圈設置在導軌上，變壓器初級線圈和導軌將高頻交流電變換為導軌上的與電動汽車前進方向垂直的高頻交變磁場；
設置在電動汽車上的磁導材料，用於和地面導軌構成磁路，以接收導軌上的高頻交變磁場的能量；
變壓器次級線圈和車載電路，變壓器次級線圈設置在電動汽車上的磁導材料上；變壓器次級線圈與車載電路的輸入端連接，車載電路的輸出端與電動汽車的電源供電端連接， 用於將接收的高頻交變磁場的能量變換為電能傳輸給電動汽車進行供電。所述的電動汽車上的磁導材料包括水平部分和豎直部分，水平部分固定安裝在汽車前軸或後軸下面，豎直部分固定安裝在車輪內側。所述的電動汽車上的磁導材料包括水平部分和豎直部分，水平部分安裝在汽車前軸或後軸外，豎直部分安裝在車輪外側或內側或車輪內外兩側。所述的磁導材料的豎直部分採用分片的鉸鏈式安裝結構。所述的磁導材料的豎直部分採用硬質磁導材料，硬質磁導材料靠近地面的端部採用導磁橡膠。所述的導軌分段鋪設在地面上，所述地面電路的輸出端分別通過電子開關與各段導軌上的變壓器初級線圈連接。所述導軌的鋪設寬度使汽車左右偏離時電動汽車上的磁導材料跨在導軌的兩個磁極上。所述的地面電路包括第一整流橋、電容、IGBT構成的H橋，整流橋的輸入端與電網連接，輸出端連接電容，電容的兩端與H橋的輸入端連接，H橋的輸出端與變壓器初級線圈連接；所述的車載電路包括第二整流橋、濾波電容，第二整流橋的輸入端與變壓器次級線圈連接，第二整流橋的輸出端連接濾波電容，濾波電容的兩端為車載電路的輸出端。所述的地面電路與變壓器初級線圈之間還連接有電容補償電路，用於補償磁路的漏感；所述的車載電路與變壓器次級線圈之間還連接有電容補償電路，用於補償磁路的漏感。所述的車載電路的輸出端還與蓄電池的電源輸入端連接，所述車載電路的輸出端和蓄電池的輸出端通過切換電路與電動汽車的電源供電端連接。本發明通過在路面上鋪設由磁導材料組成的導軌、在電動汽車上設置磁導材料來構成鬆散耦合的高頻變壓器磁路，由磁路和變壓器初級線圈、次級線圈產生的高頻交變磁場轉換為電能可以給電動汽車在行駛中提供電力。汽車在導軌上行駛時即可獲得電力，只有在駛入未鋪導軌的地段才需要使用車載電池，這將大大減少車載電池的容量、成本和充電時間。和Auckland大學的方法比較，本發明的初級使用多匝線圈和磁芯，這樣磁場強度會大的多，同時導軌在道路上有一定寬度分布，所以即使汽車偏離一些，也不會過度影響能量傳遞；另外，次級不是使用單獨的pick-up，而是通過汽車上的磁導材料來接收能量，這樣可以減少初級與次級間的空氣間隙，改進能量傳遞效果，還具有更好的通過障礙的性能。 並且多段導軌均由同一個地面電路為其供電，節約能量；輪胎磁導材料底部的導磁橡膠能夠儘量減少與地面導軌間的距離，確保了能夠獲取儘可能多的能量，傳遞效率高。
圖1為現有技術結構示意圖2為本發明中地面電路與變壓器初級線圈的連接圖3是車載電路的電路原理圖4是地面導軌多段共同供電的原理示意圖5是實施例一中電動汽車的磁導材料的安裝示意圖6是實施例一中磁導材料的結構示意圖7是實施例二中電動汽車的磁導材料的安裝示意圖
圖8是實施例二中磁導材料的結構示意圖。
圖9是實施例二中磁導材料分片鉸鏈式安裝的示意圖； 圖10是圖9的左視圖11是實施例二中車輪上的磁導材料向兩邊分開的結構示意圖。
具體實施例方式如圖2、圖3所示，本發明包括磁導材料組成的導軌1，鋪設在地面上，用於使電動汽車行駛在導軌上；地面電路及變壓器初級線圈2，變壓器初級線圈2設置在導軌1上，地面電路埋於地下；設置在電動汽車上的磁導材料，來接收導軌上的高頻交變磁場的能量； 變壓器次級線圈和車載電路，變壓器次級線圈設置在電動汽車上的磁導材料上，變壓器次級線圈與車載電路的輸入端連接，車載電路的輸出端與電動汽車的電源供電端連接，變壓器次級線圈與車載電路用於將導軌上的高頻交變磁場的能量變換為電能傳輸給電動汽車進行供電。所述的磁導材料可以為鐵氧體、非晶合金或坡莫合金等，如圖2所示，地面電路包括整流橋、電容C1、IGBT構成的H橋。整流橋的輸入端與電網連接，輸出端連接電容Cl，電容Cl的兩端與H橋的輸入端連接，H橋的輸出端通過電容Cp構成的電容補償電路與變壓器初級線圈連接，地面電路將市電轉換為頻率為20 40kHz或者更高的交流電，地面電路和變壓器初級線圈用於將電網的電力變換為導軌上的與電動汽車前進方向垂直分布的高頻交變磁場，電容補償電路用於補償磁路的漏感。實現時，首先按照需要功率數值計算得到變壓器一次側電流有效值(設為I)。然後採用滯環控制技術，滯環帶取為h，當電流有效值低於(I-h)時，使一次側電流正半周期IGBT開關管Sp S4導通，負半周期S2、S3導通，向電路施加產生方波電壓脈衝，向二次側傳遞能量。當電流大於(I+h)時，兩個下橋臂IGBT開關管S3、S4導通，Sp S2關斷，一次側漏感Lp與補償電容Cp串聯諧振，繼續向二次側傳遞能量。這種做法，可以在不依賴次級電路反饋的情況下保證電路的正確諧振。除此之外，地面電路也可以採取其他形式，例如PWM變換，全橋/半橋電路或ZVS軟開關、諧振變換器等，只要把市電頻率轉換成高頻交流電即可。如圖3所示，車載電路包括補償電容Cs、整流橋，變壓器次級線圈通過補償電容Cs 與整流橋的輸入端連接，整流橋的輸出端連接濾波電容C2，濾波電容C2的兩端與電動汽車的電源供電端和蓄電池的電源輸入端連接，補償電容Cs用於補償磁路的漏感。所述車載電路的輸出端和蓄電池的輸出端通過切換電路與電動汽車的電源供電端連接，當電動汽車行駛在有導軌的道路上時，由車載電路向電動汽車供電，如果有剩餘給蓄電池充電，當電動汽車行駛在沒有導軌的道路上時，則通過切換電路轉為蓄電池供電，切換電路的實現為成熟的現有技術，不再贅述。如圖4所示，如果導軌1在前進方向上延伸太遠，則磁路太長，需要磁動勢過高，所以導軌1分段鋪設在地面上，地面電路的輸出端分別通過電子開關3與多段導軌上的變壓器初級線圈2連接，若干分段共由一個地面電路供電，而按照車輪前進位置依次讓若干電子開關導通，來分別給不同的分段供電，而讓電子開關導通的技術為成熟的現有技術，在此不再贅述。實施例一如圖5、圖6所示，電動汽車上的磁導材料包括水平部分4和豎直部分 5，水平部分4固定安裝在汽車前軸或後軸下面，豎直部分5固定在車身下方車輪內側，所述的變壓器次級線圈2設置在磁導材料的水平部分4上。這種磁導材料結構對車身構造改動小，但是和地面間氣隙較大。在鋪設地面導軌時，應使用合適的導軌形狀，形狀應在橫向具有相當寬度，但兩個磁極間仍需留有足夠的間隙，該形狀缺口寬度約為60cm，兩個磁極寬度則為80cm左右，這樣即使輪胎在導軌上有橫向士40cm的偏離，也能保證車身上的磁導材料跨在不同的磁極上，保證能量傳遞。實施例二 如圖7、圖8所示，電動汽車上的磁導材料包括水平部分4和豎直部分 5，水平部分4安裝在汽車前軸或後軸外，構成一個磁導材料組成的套管，套管可隨前軸或後軸轉動而轉動，也可固定在車身上。豎直部分5安裝在車輪的外側或車輪的內外兩側上， 可以是在車輪上增加的一個單獨的磁導材料層。採取這種安裝方式時，地面導軌可以更寬一些，兩個磁極間缺口寬度可以達到80cm，兩個磁極寬度則可達到IOOcm左右，這樣即使輪胎在導軌上有橫向士50cm的偏離，也能保證兩邊車輪跨在不同的磁極上，保證能量傳遞。 這種安裝方式，汽車通過各種障礙的性能更好，而且可以進一步減少車載磁導材料和地面導軌間的氣隙，提高初級和次級間的耦合係數。如圖9、圖10、圖11所示，輪胎上的磁導材料還可採用分片的鉸鏈安裝結構，這樣輪胎變形時磁導材料會向兩邊分開，可以減少輪胎未壓縮時磁導材料與地面導軌間的間隙，還可防止輪胎壓縮時磁導材料和地面接觸，造成磁導材料的磨損。此外，輪胎外的磁導材料層在靠近地面的端部可採用導磁橡膠，以延伸到接觸地面的程度，以獲取儘可能多的能量，提高傳遞效率。除此之外，實施例一和實施例二中所述的電動汽車上的磁導材料的安裝還可以採取其他形式，例如將磁導材料安裝在汽車的兩邊車輪上，只要磁導材料的截面積滿足設計功率和磁通量的要求即可。
權利要求
1.一種通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，其特徵在於包括由磁導材料組成的鋪設在地面上的導軌，用於使汽車行駛在導軌上；地面電路及變壓器初級線圈，地面電路埋於地下，其輸入端與電網連接，輸出端與變壓器初級線圈連接，用於將電網的市電變換為高頻交流電；變壓器初級線圈設置在導軌上，變壓器初級線圈和導軌將高頻交流電變換為導軌上的與電動汽車前進方向垂直的高頻交變磁場；設置在電動汽車上的磁導材料，用於和地面導軌構成磁路，以接收導軌上的高頻交變磁場的能量；變壓器次級線圈和車載電路，變壓器次級線圈設置在電動汽車上的磁導材料上；變壓器次級線圈與車載電路的輸入端連接，車載電路的輸出端與電動汽車的電源供電端連接， 用於將接收的高頻交變磁場的能量變換為電能傳輸給電動汽車進行供電。
2.根據權利要求1所述的通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，其特徵在於所述的電動汽車上的磁導材料包括水平部分和豎直部分，水平部分固定安裝在汽車前軸或後軸下面，豎直部分固定安裝在車輪內側。
3.根據權利要求1所述的通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，其特徵在於所述的電動汽車上的磁導材料包括水平部分和豎直部分，水平部分安裝在汽車前軸或後軸外，豎直部分安裝在車輪外側或內側或車輪內外兩側。
4.根據權利要求3所述的通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，其特徵在於所述的磁導材料的豎直部分採用分片的鉸鏈式安裝結構。
5.根據權利要求3所述的通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，其特徵在於所述的磁導材料的豎直部分採用硬質磁導材料，硬質磁導材料靠近地面的端部採用導磁橡膠。
6.根據權利要求1至5任意一項所述的通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，其特徵在於所述的導軌分段鋪設在地面上，所述地面電路的輸出端分別通過電子開關與各段導軌上的變壓器初級線圈連接。
7.根據權利要求6所述的通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，其特徵在於所述導軌的鋪設寬度使汽車左右偏離時電動汽車上的磁導材料跨在導軌的兩個磁極上。
8.根據權利要求7所述的通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，其特徵在於所述的地面電路包括第一整流橋、電容、IGBT構成的H橋，整流橋的輸入端與電網連接，輸出端連接電容，電容的兩端與H橋的輸入端連接，H橋的輸出端與變壓器初級線圈連接；所述的車載電路包括第二整流橋、濾波電容，第二整流橋的輸入端與變壓器次級線圈連接，第二整流橋的輸出端連接濾波電容，濾波電容的兩端為車載電路的輸出端。
9.根據權利要求8所述的通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，其特徵在於所述的地面電路與變壓器初級線圈之間還連接有電容補償電路，用於補償磁路的漏感；所述的車載電路與變壓器次級線圈之間還連接有電容補償電路，用於補償磁路的漏感。
10.根據權利要求9所述的通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置， 其特徵在於所述的車載電路的輸出端還與蓄電池的電源輸入端連接，所述車載電路的輸出端和蓄電池的輸出端通過切換電路與電動汽車的電源供電端連接。
全文摘要
本發明公開了一種通過高頻交變磁場給電動汽車在行駛中提供電力的裝置，包括磁導材料組成的導軌，用於使汽車行駛在導軌上；地面電路及變壓器初級線圈，地面電路埋於地下，其輸入端與電網連接，輸出端與變壓器初級線圈連接，用於將電網的市電變換為高頻交流電；變壓器初級線圈設置在導軌上，變壓器初級線圈和導軌將高頻交流電變換為導軌上的與電動汽車前進方向垂直的高頻交變磁場；變壓器次級線圈和車載電路，變壓器次級線圈設置在電動汽車上的磁導材料上，變壓器次級線圈與車載電路的輸入端連接，用於將導軌上的高頻交變磁場的能量變換為電能傳輸給電動汽車進行供電。本發明可以減少蓄電池的容量，降低其成本和充電時間，解決了現在完全使用車載蓄電池的帶來的一系列問題。
文檔編號H02J17/00GK102290875SQ20111025074
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月29日 優先權日2010年8月27日
發明者王廣柱, 郭為民, 魏強 申請人:河南電力試驗研究院