一种经于轮胎接收的电容型无线充电系统的制作方法

本实用新型属于无线充电技术领域，更具体而言，本实用新型涉及一种经于轮胎接收的电容型无线充电系统，应用于高速行驶中或者停止中的电动汽车无线充电。

背景技术：

随着电动汽车技术的发展，电动汽车充电问题日益突出，甚至成了限制电动汽车普及的关键技术问题。电动汽车的充电一般采用有线形式充电，但是，有线的接触式充电易磨损、易触电、多次插拔后可能造成电能传输不可靠以及不方便等缺点。因此，发展电动汽车无线充电技术意义重大。采用无线充电方式充电不仅方便，而且美观，减少数据线和电线的使用，避免电路老化造成火灾等危险。

现有的无线充电产品普遍采用电磁感应方式进行电力传输，这类产品具有功率大，效率高等优点。但是，这些优点是建立在传输距离与线圈尺寸比较小的条件下。通常，电能接收线圈要另行安装在现有的电动汽车上。为了减小车载接收线圈的体积和重量，通常安装在电动汽车底盘下的接收线圈要求尺寸200mm×200mm至300mm×300mm。无线传输距离应满足乘用车底盘离地高度(最小约100mm，最大可达250mm)，而无线传输效率应达到85％以上。满足以上需求存在设计上和经济上的困难。

其次，现有的电磁感应式无线充电系统采用大功率的电磁波作为能量传输媒介。电动汽车采用的高频(85kHz)的电磁波对人体组织以及中枢神经均有伤害。国际非电离无线电保护委员会International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection(ICNIRP)对人体在高频电磁场下的辐射强度有严格的规定。现行的3.3kW电动私人乘用车用感应式无线充电可以满足其辐射要求，但对于更高功率的快充(7kW)，或者电动公交车的超大功率感应式无线充电，却鲜有研究，且存在安全隐患。对于充电时位于电动汽车底盘下的小动物，例如猫、狗、蛇等，更是有致命的伤害。另外，电磁波对在其附近的设备，例如无线通信模块，车载收音机等会产生干扰。为了降低对外电磁场辐射，感应式无线充电需要用铁氧体材料和铝板进行电磁场屏蔽，更增加了设计和制造成本。

再次，电磁感应式无线充电系统会对电能发射线圈上或者附近的金属物品产生涡流效应，直接加热金属物品，具有火灾的风险。例如一片锡箔纸掉落在汽车底盘下，大功率无线充电系统产生的磁场迅速在锡箔上产生大电流，引燃锡箔纸。为了消除落在地上的金属(例如硬币，口香糖包装纸，易拉罐等等)带来的火灾隐患，电磁感应式无线充电系统通常会配备金属检测装置，大大增加了设计成本。

综上所述，感应式无线充电的缺点包括：1.接收线圈需要单独安装，增大电动汽车的重量，降低燃油经济性；2.地面距底盘的传输距离大，传输效率较低；3.电磁辐射对电动汽车附近人体组织和中枢神经有害，对位于电动汽车底盘下的动物具有致命伤害；4.电磁辐射对附近的电子设备产生干扰；5.具有火灾隐患；6.需要单独设计金属检测装置，成本高。

电容型无线充电系统，是用类似于平板电容器的装置来传输高频交流电。平板电容器两极板之间的电场作为能量传输的介质。电能被转换成高频电场，从电容器的一个极板传输到另一个极板，完成无线电能传输。

电容型无线充电系统不涉及磁场，电能的传输完全由电场完成。因此，对外的电磁波辐射极小，对附近的电子设备的干扰极小。根据A.Christ等人的研究("Evaluation of wireless resonant power transfer systems with human electromagnetic exposure limits"Electromagnetic Compatibility,IEEE Transactions on,vol.55,no.2pp.265-274,2013)，人体组织和中枢神经系统的影响主要来自于电磁波中的磁场对人体的耦合效应。因此，电容型电能传输系统对系统附近的人体辐射极小。对于掉落在极板间的金属物品，由于没有磁场作用，完全没有涡流加热效应，没有火灾隐患，因此，电容型电能传输系统不需要金属检测装置。

但是，由于平板电容器的电容大小与极板之间的距离成反比，对于电容极板之间距离100mm至250mm(电动汽车底盘距离地面)，平板电容器的容值很小，能量储存和传输能力很小，通常需要非常高的系统工作频率(>1MHz)和非常大的谐振电感，大大增加了系统的体积和重量。

技术实现要素：

本实用新型公开了一种经于轮胎接收的电容型无线充电系统，该系统可以使电动汽车在高速行驶中或停止中进行无线充电，有效提高了生产施工效率，降低了研发新型轮胎的成本，有利于使无线充电技术大面积迅速实施推广。

本实用新型所采取的技术方案是：

一种经于轮胎接收的电容型无线充电系统：

包括安装于电动汽车上的电能接收侧装置和安装在道路或地板下的若干个电能发射侧装置；

所述电能发射侧装置中包含一个或多个发射模块，所述发射模块沿道路汽车行驶的方向分布，所述发射模块包括电能发射极板；

所述电能接收模块包括电能接收极板、车载电池组、车载电能显示装置和车载电能总控装置，所述电能接收极板安装在电动汽车轮胎中，所述电能接收极板分为接收正极板和接收负极板；

所述电能发射极板和所述电能接收极板构成电容器。

进一步的，所述电能接收极板为采用高电导率材料制作的环形板，所述的电能接收极板安装于轮胎的橡胶内壁或安装于轮胎胎面内部，其宽度约等于轮胎宽度，其直径小于电动汽车的轮胎直径，其厚度在1-2mm。

进一步的，所述电能接收极板随轮胎的形状改变而发生相应的形变，所述电能接收极板上开设有形状规则或者不规则的孔洞。

进一步的，所述电能发射极板分为静态发射极板和动态发射极板。

进一步的，所述动态发射极板的数量为两个，分别为一个动态发射正极板和一个动态发射负极板，所述动态发射正极板与所述接收正极板构成电容器，所述动态发射负极板与所述接收负极板构成电容器。

进一步的，所述静态发射极板的数量大于等于两个，所述静态发射极板分为静态发射正极板和静态发射负极板，所述静态发射正极板为一个或者多个电气相连的静态发射极板组成，所述静态发射负极板为一个或者多个电气相连的静态发射极板组成。

进一步的，所述电能接收极板绝缘材料密封。

进一步的，所述电能接收极板、动态发射极板、静态发射极板由绝缘材料密封。

进一步的，所述电能接收侧装置还包含电能控制系统和整流模块。

更进一步的，所述电能发射侧装置还包含功率因数校正模块、电压调节模块、控制电路，所述功率因数校正模块的输入端连接有50～60Hz的工频交流电电源。

此电容型无线充电系统的电能接收极板安装于电动汽车的轮胎中，通过安装在道路或者地板下的电能发射极板之间的电场耦合，将电能以高频电场的形式从地面的电能发射极板传输到轮胎内的电能接收极板，经过电能转换给车载电池组充电。本实用新型可以使电动汽车在高速行驶中(动态无线充电)，或者停止时进行充电(静态无线充电)。

本实用新型由于采用以上所述技术方案及技术设计，其具有以下优点：

1.体积小，电能传输能力大。由于将接收极板嵌入轮胎，相比将其安装在电动汽车底盘上，使得发射极板和接收极板距离更小，发射极板和接收极板的电容更大，使得与其谐振的电感更小，减少了谐振电感体积。同时耦合电容的增大使得电能传输能力增加，可以实现更大的电能传输功率。

2.控制简单，整体效率高。由于电容型发射极板在待机时不消耗电能，可使系统一直处于待机状态。一旦有电动汽车驶入，有电场耦合即可实现无线电能传输。对于行驶中的电动汽车的动态充电，所有发射极板时时处于待机状态，不需要进行额外的电动汽车位置检测和发射侧切换控制。

3.没有磁场辐射。由于电容型无线电能传输中不涉及磁场，因此系统对人体的电磁辐射以及对周围设备的电磁干扰极低。

4.没有火灾隐患，不需要额外的金属检测和动物检测功能，节约成本。由于电能传输中不产生磁场，不会对路面上或者地面上的金属物体产生涡流效应，没有火灾隐患。不需要设计安装额外的金属检测装置，节约成本。另外，小动物一般不会位于车轮下，因此无需设计安装额外的动物检测装置。

5.成本低。相比较感应式无线充电而言，电容式无线充电采用金属极板，无需使用价格昂贵的多股绞线线圈，从而降低生产成本。

附图说明

图1是本实用新型一种经于轮胎接收的电容型电动汽车无线充电系统在汽车静止时(静态)的示意图；

图2是本实用新型一种经于轮胎接收的电容型电动汽车无线充电系统在汽车高速行驶时(动态)充电的示意图；

图3是高速公路铺设无线充电带，其发射极板分布示意图。每一对发射极板的长度设计根据道路限速、电动汽车功率需求以及最大传输功率决定；

图4是电能接收极板在轮胎内安装的横向截面示意图；

图5是电能接收极板在轮胎内安装的纵向截面示意图；

图6是本实用新型一种经于轮胎接收的电容型电动汽车无线充电系统的电气原理图。

图中：

101-静态发射极板 101a-静态发射正极板 101b-静态发射负极板；

201-动态发射极板 201a-动态发射正极板 201b-动态发射负极板；

102-电能接收极板 102a-接收正极板 102b-接收负极板；

103-电动汽车；

301-轮胎橡胶 302-钢丝束带层；

501-系统电源 502-功率因数校正模块 503-电压调节模块 504-控制电路 505-逆变器

506-原边谐振电感 515-无线信号收发装置 516-原边电压电流监测保护装置；

507-副边谐振电感 508-整流器 509-滤波器 510-功率测量装置 511-车载电池组

512-车内电能监测装置 513-副边电压电流监测保护装置 514-无线信号发射模块。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本系统由安装于电动汽车103上的电能接收侧装置和安装在道路或地板下的若干个电能发射侧装置组成。电能发射侧装置中包含一个或多个发射模块，发射模块沿道路汽车行驶的方向分布，发射模块包括电能发射极板；电能接收模块包括电能接收极板、车载电池组、车载电能显示装置和车载电能总控装置，电能接收极板安装在电动汽车轮胎中，电能接收极板分为接收正极板和接收负极板；电能发射极板和电能接收极板构成电容器。

电能接收侧装置适用于一般构造的，有轮胎的电动汽车103。上述电能接收侧中的电能接收极板采用金属材料。电能接收极板102是一块的圆形金属环，其宽度约等于轮胎的宽度。电能接收极板102的直径应略小于轮胎直径，厚度在1-2mm左右，宜采用硬度低、高电导率的金属材料，例如铜。电能接收极板102安装并贴合于轮胎的橡胶层内部，不需要改造现有轮胎结构，电能接收极板102应可随轮胎的形状改变而发生相应的形变，电能接收极板102上可存在形状规则或者不规则的孔洞。电能接收极板102安装于电动汽车103的某两个轮胎以至于所有的轮胎中。以四轮电动汽车103为例，四个轮胎可以全部安装电能接收极板102。左前轮和坐后轮的电能接收极板102电气连接，组成接收正极板102a，接收电能；右前轮和右后轮的接收极板102电气连接，组成接收负极板102b，为电能提供回路。

对于高速行驶中的电动汽车103的无线充电(动态无线充电)和停止时的电动汽车103的无线充电(静态无线充电)，电能发射侧装置中的发射模块数量是不同的，电能发射侧装置中含有发射模块，发射模块包括电能发射极板，电能发射极板根据高速行驶中的电动汽车103(动态无线充电)和停止时的电动汽车103的无线充电(静态无线充电)的不同分为动态发射极板201和静态发射极板101。

动态无线充电的电能发射侧装置包括一个或多个发射模块，沿电动汽车103行驶方向分布。每个发射模块之间是相互独立的系统，没有电气连接和电场耦合。

每个发射模块包括一对动态发射极板201。动态发射极板201通常埋在路面以下或者与路面高度平齐。动态发射极板201采用的材料宜采用高电导率的金属材料，厚度1-2mm左右。动态发射极板201由动态发射正极板201a和动态发射负极板201b两块构成，一块位于左侧车轮下方，另一块位于右侧车轮下方。每块动态发射极板201宽度略大于汽车轮胎宽度，保证电动汽车在有一定横向位移时仍然可以接收到足够的能量。动态发射极板201的长度根据道路限速、电动汽车103功率需求以及最大传输功率决定。电动汽车103在经过动态发射极板201上方时，动态发射极板201和车轮中嵌入的电能接收极板102经过电场耦合，形成回路，电能从动态发射极板201传输到电能接收极板102，经过转换对车载电池组511进行充电，从而实现无线电能传输。一对动态发射极板201给一辆或者多辆电动汽车103无线充电。系统的最大功率等于每一对动态发射极板201上所有电动汽车接收的电能之和。

由于最大功率受限于功率器件的耐压耐流，对于一条很长的道路，需要多个发射模块沿车行进方向分布，覆盖整条道路，保证电动汽车103沿道路行进时可以时时接收到电能。每个发射模块由一组电源501供电，各个发射模块间是独立系统。覆盖道路的这些对动态发射极板201保证时时连接电源，保持通电状态。由于动态发射极板201在待机时(没有电动汽车103行驶在其上)，一对极板之间保持恒定的电势差，没有电流流通，因此待机时完全没有能量损耗。

静态无线充电的电能发射侧装置只有一个发射模块，发射模块包括静态发射极板101。静态发射极板101采用同动态无线充电的动态发射极板201同样的材料、厚度，安装位置在地面以下或者与地面高度平齐，静态发射极板101的数量大于等于两个。以四轮电动汽车103为例，静态发射极板101数量为四块，分别位于静止的电动汽车103四个车轮下。其中左前车轮与左后车轮下的静态发射极板101电气连接，构成静态发射正极板101a；右前车轮与右后车轮下的静态发射极板101电气连接，构成静态发射负极板101b。每块静态发射极板101的宽度略大于汽车轮胎宽度，保证电动汽车103泊车时有一定横向位移时仍然可以接收到足够的能量。每块静态发射极板101的长度约等于轮胎直径，保证电动汽车泊车时有一定纵向位移时仍然可以接收到足够的能量。由于接收正极板102a是左前轮和左后轮电气连接，接收负极板102b是右前轮和右后轮电气连接，因此电动汽车停在发射极板上方时，电动汽车左侧静态发射正极板101a和左前轮、左后轮接收正极板102a构成电容器，电能通过电场耦合，给车载电池组充电。电动汽车右侧静态发射负极板101b和右前轮、右后轮接收负极板102b构成电容器，形成回路。静态发射极板101待机时也保持通电状态。

静态发射极板101和动态发射极板201与路面或者地面应保证绝缘。静态发射极板101和动态发射极板201可以由绝缘材料密封，再埋入地下。保证路面或者地面有积水、积雪时，一对发射极板之间不会联通。

在电动汽车103上的电能接受侧装置还包含电能控制系统和整流模块，电能控制系统位于汽车驾驶室，或整合在汽车仪表盘上。电能控制系统包括车内电能监测装置512、电能接收控制开关和无线信号收发装置515。车内电能监测装置512测量并记录本车接收到的无线电能，作为结算记录；电能接收控制开关由车内人员(司机)控制，可以随时打开或停止无线电能接收；无线信号收发装置515用于发送和接收控制信号，反馈信号等等。

一般家用电动汽车底盘距离地面100mm～150mm。如果将接收极板置于车底盘下，发射极板置于正对接收极板的地面上，由于上述的100mm～150mm气隙，发射极板和接收极板之间的电容很小，限制了电能传输能力。或需要非常大面积的发射和接收极板才能实现足够的能量传输。根据有限元仿真软件Maxwell 3D的静态场仿真结果，对于尺寸为1800mm×500m的一组发射和接收极板(发射极板和接收极板面积相同，各有两块)，120mm气隙时电容大小为88.47pF。因此，一对构成回路的发射极板和接收极板，发射极板总面积1.8mm²，接收极板总面积1.8mm²，总电容为44.24pF。作为对比，如果将电能接收极102板嵌入轮胎中，选择215/55R16规格的轮胎进行静态场仿真。每个圆环形电能接收极板102宽度200mm，直径600mm，每个发射极板长1000mm、宽300mm，电能接收极板102圆环底部距离电能发射极板15mm。仿真结果显示，一组发射和接收极板可以得到48.3pF的电容。四组发射和接收极板(四个轮胎均安装)两两串联再并联，最终可以获得同样48.3pF的电容值。四个电能发射极板总面积1.2m²，四个电能接收极板102总面积1.51m²。由此可见，将电能接收极板102置于电动汽车轮胎中，比置于底盘下，可以用更小的金属材料的面积得到更大的传输电容值和更大的电能传输能力。

图1展示了经于轮胎接收的电容型电动汽车无线充电系统在汽车静止时的静态发射极板101和电能接收极板102安装方式。电能接收极板102成圆环状，安装在轮胎胎面内部。在图1中，电动汽车103的左前、左后、右前、右后四个轮胎中全部安装了电能接收极板102。在具体实施中，可根据轮胎数量，传输功率等酌情增减，但通常保证有两个静态发射极板101和相对应的两个电能接收极板102，以保证电能传输闭合回路。因此如果电能接收极板102的数量大于2个，则应将电动汽车103一侧的电能接收极板102电气相连。例如图1中的四个轮胎中的电能接收极板102，应保证左前和左后轮胎中的电能接收极板102a电气相连，右前和右后轮胎中的电能接收极板102b电气相连。电能接收极板102采用硬度低，高电导率的金属材料，例如铜，厚度在1-2mm左右。对于静止充电系统，静态发射极板101的数量通常与电能接收极板102数量相同。在图1中静态发射极板101由四块组成，分别位于静止的电动汽车103四个车轮下。其中左前车轮与左后车轮下的静态发射极板101电气连接形成静态发射正极板101a，右前车轮与右后车轮下的静态发射极板101电气连接形成静态发射负极板101b。静态发射极板101由绝缘材料密封，安装于在地面以下或与地面高度平齐。每块静态发射极板101的宽度选择可略大于汽车轮胎宽度，长度大于等于汽车轮胎直径，保证电动汽车103泊车时有一定横向位移和纵向位移时仍然可以接收到足够的电能。静态发射极板101采用高电导率的金属材料，例如铜，铝等，厚度可在1-2mm左右。

图2展示了经于轮胎接收的电容型电动汽车无线充电系统在汽车高速行驶时(动态)的动态发射极板201和电能接收极板102安装方式。其中电能接收极板102的结构和安装方式与静止充电时完全一样，保证电动汽车103可以在静止和高速行驶中均可无线传输电能。动态发射极板201由动态发射正极板201a和动态发射负极板201b组成，分别位于高速行驶中的电动汽车103的左侧轮胎(左前轮和左后轮)和右侧轮胎(右前轮和右后轮)下。动态发射极板201由绝缘材料密封，安装于在路面以下或与路面高度平齐。动态发射极板201长度沿汽车行驶方向延长。动态发射极板201材料与厚度与上述静止时无线充电静态发射极板101相同。

图3是高速公路铺设的无线充电带，其电能发射模块分布示意图。静态发射极板101、动态发射极板201宽度选择可略大于汽车轮胎宽度，以保证电动汽车103不在公路正中行驶时仍可以接收到足够的电能。每个电能发射模块中一对动态发射极板201的长度相同，其长度根据道路限速、电动汽车功率需求以及最大传输功率决定。每个电能发射模块采用单独电源供电，相邻两部分没有电气连接，是相互独立的系统。系统的最大传输功率等于每部分电能发射极板上所有电动汽车103接收的电能之和。

图4和图5是电容型电动汽车无线充电系统的轮胎内电能接收极板102的安装示意图。在图4的轮胎截面中，钢丝束带层302位于轮胎橡胶301内部，钢丝束带层302采用的是金属材料。电能接收极板102紧贴于轮胎橡胶301内壁。由于无线充电采用的是电容型电能传输方式，位于电能接收极板102和电能发射极板101(201)之间的钢丝束带层302可以作为电能传输的介质，增强电能传输能力。电能接收极板102宽度与轮胎宽度相当，通常大于20cm。图5是轮胎的纵向切面示意图。

图6是本实用新型一种经于轮胎接收的电容型电动汽车无线充电系统的电气原理图。系统电源501是由电网提供的三相或单相50或60Hz，380V或220V交流电。经过功率因数矫正模块502，使得系统产生的无功功率最小化，同时将低频50Hz或60Hz的交流电，转换为直流电。直流电经过电压调节模块503，将功率因数矫正模块502输出的直流电的电压转换成期望的电压值。此电压值跟车载电池组511电压、电能发射极板和电能接收极板的电容值、系统输出功率等有关。电压调节模块503的输出电压经过逆变器505，将直流电转换成高频交流电，频率通常大于20kHz，低于10MHz。逆变器的输出经过原边谐振电感506，与两电能发射极板相连接。

电能发射极板和电能接收极板102之间形成平板电容器，经过电场耦合，高频交流电场经电能发射极板和电能接收极板间的介质(包括空气，橡胶，钢丝束带等)被电能接收极板102耦合，在车载侧感生出电流。电能接收极板102经与之串联的副边谐振电感507与整流器508相连，将高频交流电转换成直流电。再经过滤波器模块509，得到稳定的输出电压(或电流)给车载电池组511充电。功率测量装置510时时检测车载电池组获得的能量，并将测量的数据传输到车内电能监测装置512并显示给驾驶者。车内电能监测装置512可以位于驾驶室或整合在仪表盘内，驾驶者或车内乘员可以时时监测电能传输数值，并可以通过控制开关切断整个无线电能传输系统。

在发射侧，逆变器505的输出电流经过电流霍尔监测，并将监测到的电流信号发送到原边电压电流监测保护模块516。原边电压电流监测保护模块516与控制电路504相连接，一旦检测到原边电压电流高于安全值，即切断整个无线电能传输系统。在接收侧，车载电池组511的电压电流信号与副边监测保护模块513连接，进而与无线信号发射模块514连接。车载电池组511的电压电流信号可已通过车载的无线发射模块514传输到地面的无线信号接收模块515，并与控制电路504连接。一旦检测到副边电压电流高于安全值，即切断整个无线电能传输系统。

车内电能监测装置512可以显示实时电能的功率值。对于电动汽车高速行驶时(动态)无线充电，一旦电能功率值小于某设定值，即表明电动汽车较大程度的偏离了车道中心。此时，车内电能监测装置512即向司机发出一条警告消息或声音，提醒司机应驾驶车辆回归车道中心。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。