本實(shí)用新型屬于無線充電技術(shù)領(lǐng)域，更具體而言，本實(shí)用新型涉及一種經(jīng)于輪胎接收的電容型無線充電系統(tǒng)，應(yīng)用于高速行駛中或者停止中的電動(dòng)汽車無線充電。

背景技術(shù)：

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)汽車充電問題日益突出，甚至成了限制電動(dòng)汽車普及的關(guān)鍵技術(shù)問題。電動(dòng)汽車的充電一般采用有線形式充電，但是，有線的接觸式充電易磨損、易觸電、多次插拔后可能造成電能傳輸不可靠以及不方便等缺點(diǎn)。因此，發(fā)展電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)意義重大。采用無線充電方式充電不僅方便，而且美觀，減少數(shù)據(jù)線和電線的使用，避免電路老化造成火災(zāi)等危險(xiǎn)。

現(xiàn)有的無線充電產(chǎn)品普遍采用電磁感應(yīng)方式進(jìn)行電力傳輸，這類產(chǎn)品具有功率大，效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是，這些優(yōu)點(diǎn)是建立在傳輸距離與線圈尺寸比較小的條件下。通常，電能接收線圈要另行安裝在現(xiàn)有的電動(dòng)汽車上。為了減小車載接收線圈的體積和重量，通常安裝在電動(dòng)汽車底盤下的接收線圈要求尺寸200mm×200mm至300mm×300mm。無線傳輸距離應(yīng)滿足乘用車底盤離地高度(最小約100mm，最大可達(dá)250mm)，而無線傳輸效率應(yīng)達(dá)到85％以上。滿足以上需求存在設(shè)計(jì)上和經(jīng)濟(jì)上的困難。

其次，現(xiàn)有的電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)采用大功率的電磁波作為能量傳輸媒介。電動(dòng)汽車采用的高頻(85kHz)的電磁波對(duì)人體組織以及中樞神經(jīng)均有傷害。國際非電離無線電保護(hù)委員會(huì)International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection(ICNIRP)對(duì)人體在高頻電磁場(chǎng)下的輻射強(qiáng)度有嚴(yán)格的規(guī)定?，F(xiàn)行的3.3kW電動(dòng)私人乘用車用感應(yīng)式無線充電可以滿足其輻射要求，但對(duì)于更高功率的快充(7kW)，或者電動(dòng)公交車的超大功率感應(yīng)式無線充電，卻鮮有研究，且存在安全隱患。對(duì)于充電時(shí)位于電動(dòng)汽車底盤下的小動(dòng)物，例如貓、狗、蛇等，更是有致命的傷害。另外，電磁波對(duì)在其附近的設(shè)備，例如無線通信模塊，車載收音機(jī)等會(huì)產(chǎn)生干擾。為了降低對(duì)外電磁場(chǎng)輻射，感應(yīng)式無線充電需要用鐵氧體材料和鋁板進(jìn)行電磁場(chǎng)屏蔽，更增加了設(shè)計(jì)和制造成本。

再次，電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)會(huì)對(duì)電能發(fā)射線圈上或者附近的金屬物品產(chǎn)生渦流效應(yīng)，直接加熱金屬物品，具有火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。例如一片錫箔紙掉落在汽車底盤下，大功率無線充電系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)迅速在錫箔上產(chǎn)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(zāi)隱患，電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)通常會(huì)配備金屬檢測(cè)裝置，大大增加了設(shè)計(jì)成本。

綜上所述，感應(yīng)式無線充電的缺點(diǎn)包括：1.接收線圈需要單獨(dú)安裝，增大電動(dòng)汽車的重量，降低燃油經(jīng)濟(jì)性；2.地面距底盤的傳輸距離大，傳輸效率較低；3.電磁輻射對(duì)電動(dòng)汽車附近人體組織和中樞神經(jīng)有害，對(duì)位于電動(dòng)汽車底盤下的動(dòng)物具有致命傷害；4.電磁輻射對(duì)附近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾；5.具有火災(zāi)隱患；6.需要單獨(dú)設(shè)計(jì)金屬檢測(cè)裝置，成本高。

電容型無線充電系統(tǒng)，是用類似于平板電容器的裝置來傳輸高頻交流電。平板電容器兩極板之間的電場(chǎng)作為能量傳輸?shù)慕橘|(zhì)。電能被轉(zhuǎn)換成高頻電場(chǎng)，從電容器的一個(gè)極板傳輸?shù)搅硪粋€(gè)極板，完成無線電能傳輸。

電容型無線充電系統(tǒng)不涉及磁場(chǎng)，電能的傳輸完全由電場(chǎng)完成。因此，對(duì)外的電磁波輻射極小，對(duì)附近的電子設(shè)備的干擾極小。根據(jù)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)，人體組織和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響主要來自于電磁波中的磁場(chǎng)對(duì)人體的耦合效應(yīng)。因此，電容型電能傳輸系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)附近的人體輻射極小。對(duì)于掉落在極板間的金屬物品，由于沒有磁場(chǎng)作用，完全沒有渦流加熱效應(yīng)，沒有火災(zāi)隱患，因此，電容型電能傳輸系統(tǒng)不需要金屬檢測(cè)裝置。

但是，由于平板電容器的電容大小與極板之間的距離成反比，對(duì)于電容極板之間距離100mm至250mm(電動(dòng)汽車底盤距離地面)，平板電容器的容值很小，能量?jī)?chǔ)存和傳輸能力很小，通常需要非常高的系統(tǒng)工作頻率(>1MHz)和非常大的諧振電感，大大增加了系統(tǒng)的體積和重量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型公開了一種經(jīng)于輪胎接收的電容型無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以使電動(dòng)汽車在高速行駛中或停止中進(jìn)行無線充電，有效提高了生產(chǎn)施工效率，降低了研發(fā)新型輪胎的成本，有利于使無線充電技術(shù)大面積迅速實(shí)施推廣。

本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是：

一種經(jīng)于輪胎接收的電容型無線充電系統(tǒng)：

包括安裝于電動(dòng)汽車上的電能接收側(cè)裝置和安裝在道路或地板下的若干個(gè)電能發(fā)射側(cè)裝置；

所述電能發(fā)射側(cè)裝置中包含一個(gè)或多個(gè)發(fā)射模塊，所述發(fā)射模塊沿道路汽車行駛的方向分布，所述發(fā)射模塊包括電能發(fā)射極板；

所述電能接收模塊包括電能接收極板、車載電池組、車載電能顯示裝置和車載電能總控裝置，所述電能接收極板安裝在電動(dòng)汽車輪胎中，所述電能接收極板分為接收正極板和接收負(fù)極板；

所述電能發(fā)射極板和所述電能接收極板構(gòu)成電容器。

進(jìn)一步的，所述電能接收極板為采用高電導(dǎo)率材料制作的環(huán)形板，所述的電能接收極板安裝于輪胎的橡膠內(nèi)壁或安裝于輪胎胎面內(nèi)部，其寬度約等于輪胎寬度，其直徑小于電動(dòng)汽車的輪胎直徑，其厚度在1-2mm。

進(jìn)一步的，所述電能接收極板隨輪胎的形狀改變而發(fā)生相應(yīng)的形變，所述電能接收極板上開設(shè)有形狀規(guī)則或者不規(guī)則的孔洞。

進(jìn)一步的，所述電能發(fā)射極板分為靜態(tài)發(fā)射極板和動(dòng)態(tài)發(fā)射極板。

進(jìn)一步的，所述動(dòng)態(tài)發(fā)射極板的數(shù)量為兩個(gè)，分別為一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)射正極板和一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)射負(fù)極板，所述動(dòng)態(tài)發(fā)射正極板與所述接收正極板構(gòu)成電容器，所述動(dòng)態(tài)發(fā)射負(fù)極板與所述接收負(fù)極板構(gòu)成電容器。

進(jìn)一步的，所述靜態(tài)發(fā)射極板的數(shù)量大于等于兩個(gè)，所述靜態(tài)發(fā)射極板分為靜態(tài)發(fā)射正極板和靜態(tài)發(fā)射負(fù)極板，所述靜態(tài)發(fā)射正極板為一個(gè)或者多個(gè)電氣相連的靜態(tài)發(fā)射極板組成，所述靜態(tài)發(fā)射負(fù)極板為一個(gè)或者多個(gè)電氣相連的靜態(tài)發(fā)射極板組成。

進(jìn)一步的，所述電能接收極板絕緣材料密封。

進(jìn)一步的，所述電能接收極板、動(dòng)態(tài)發(fā)射極板、靜態(tài)發(fā)射極板由絕緣材料密封。

進(jìn)一步的，所述電能接收側(cè)裝置還包含電能控制系統(tǒng)和整流模塊。

更進(jìn)一步的，所述電能發(fā)射側(cè)裝置還包含功率因數(shù)校正模塊、電壓調(diào)節(jié)模塊、控制電路，所述功率因數(shù)校正模塊的輸入端連接有50～60Hz的工頻交流電電源。

此電容型無線充電系統(tǒng)的電能接收極板安裝于電動(dòng)汽車的輪胎中，通過安裝在道路或者地板下的電能發(fā)射極板之間的電場(chǎng)耦合，將電能以高頻電場(chǎng)的形式從地面的電能發(fā)射極板傳輸?shù)捷喬?nèi)的電能接收極板，經(jīng)過電能轉(zhuǎn)換給車載電池組充電。本實(shí)用新型可以使電動(dòng)汽車在高速行駛中(動(dòng)態(tài)無線充電)，或者停止時(shí)進(jìn)行充電(靜態(tài)無線充電)。

本實(shí)用新型由于采用以上所述技術(shù)方案及技術(shù)設(shè)計(jì)，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.體積小，電能傳輸能力大。由于將接收極板嵌入輪胎，相比將其安裝在電動(dòng)汽車底盤上，使得發(fā)射極板和接收極板距離更小，發(fā)射極板和接收極板的電容更大，使得與其諧振的電感更小，減少了諧振電感體積。同時(shí)耦合電容的增大使得電能傳輸能力增加，可以實(shí)現(xiàn)更大的電能傳輸功率。

2.控制簡(jiǎn)單，整體效率高。由于電容型發(fā)射極板在待機(jī)時(shí)不消耗電能，可使系統(tǒng)一直處于待機(jī)狀態(tài)。一旦有電動(dòng)汽車駛?cè)耄须妶?chǎng)耦合即可實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸。對(duì)于行駛中的電動(dòng)汽車的動(dòng)態(tài)充電，所有發(fā)射極板時(shí)時(shí)處于待機(jī)狀態(tài)，不需要進(jìn)行額外的電動(dòng)汽車位置檢測(cè)和發(fā)射側(cè)切換控制。

3.沒有磁場(chǎng)輻射。由于電容型無線電能傳輸中不涉及磁場(chǎng)，因此系統(tǒng)對(duì)人體的電磁輻射以及對(duì)周圍設(shè)備的電磁干擾極低。

4.沒有火災(zāi)隱患，不需要額外的金屬檢測(cè)和動(dòng)物檢測(cè)功能，節(jié)約成本。由于電能傳輸中不產(chǎn)生磁場(chǎng)，不會(huì)對(duì)路面上或者地面上的金屬物體產(chǎn)生渦流效應(yīng)，沒有火災(zāi)隱患。不需要設(shè)計(jì)安裝額外的金屬檢測(cè)裝置，節(jié)約成本。另外，小動(dòng)物一般不會(huì)位于車輪下，因此無需設(shè)計(jì)安裝額外的動(dòng)物檢測(cè)裝置。

5.成本低。相比較感應(yīng)式無線充電而言，電容式無線充電采用金屬極板，無需使用價(jià)格昂貴的多股絞線線圈，從而降低生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型一種經(jīng)于輪胎接收的電容型電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)在汽車靜止時(shí)(靜態(tài))的示意圖；

圖2是本實(shí)用新型一種經(jīng)于輪胎接收的電容型電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)在汽車高速行駛時(shí)(動(dòng)態(tài))充電的示意圖；

圖3是高速公路鋪設(shè)無線充電帶，其發(fā)射極板分布示意圖。每一對(duì)發(fā)射極板的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)根據(jù)道路限速、電動(dòng)汽車功率需求以及最大傳輸功率決定；

圖4是電能接收極板在輪胎內(nèi)安裝的橫向截面示意圖；

圖5是電能接收極板在輪胎內(nèi)安裝的縱向截面示意圖；

圖6是本實(shí)用新型一種經(jīng)于輪胎接收的電容型電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的電氣原理圖。

圖中：

101-靜態(tài)發(fā)射極板 101a-靜態(tài)發(fā)射正極板 101b-靜態(tài)發(fā)射負(fù)極板；

201-動(dòng)態(tài)發(fā)射極板 201a-動(dòng)態(tài)發(fā)射正極板 201b-動(dòng)態(tài)發(fā)射負(fù)極板；

102-電能接收極板 102a-接收正極板 102b-接收負(fù)極板；

103-電動(dòng)汽車；

301-輪胎橡膠 302-鋼絲束帶層；

501-系統(tǒng)電源 502-功率因數(shù)校正模塊 503-電壓調(diào)節(jié)模塊 504-控制電路 505-逆變器

506-原邊諧振電感 515-無線信號(hào)收發(fā)裝置 516-原邊電壓電流監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置；

507-副邊諧振電感 508-整流器 509-濾波器 510-功率測(cè)量裝置 511-車載電池組

512-車內(nèi)電能監(jiān)測(cè)裝置 513-副邊電壓電流監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置 514-無線信號(hào)發(fā)射模塊。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

本系統(tǒng)由安裝于電動(dòng)汽車103上的電能接收側(cè)裝置和安裝在道路或地板下的若干個(gè)電能發(fā)射側(cè)裝置組成。電能發(fā)射側(cè)裝置中包含一個(gè)或多個(gè)發(fā)射模塊，發(fā)射模塊沿道路汽車行駛的方向分布，發(fā)射模塊包括電能發(fā)射極板；電能接收模塊包括電能接收極板、車載電池組、車載電能顯示裝置和車載電能總控裝置，電能接收極板安裝在電動(dòng)汽車輪胎中，電能接收極板分為接收正極板和接收負(fù)極板；電能發(fā)射極板和電能接收極板構(gòu)成電容器。

電能接收側(cè)裝置適用于一般構(gòu)造的，有輪胎的電動(dòng)汽車103。上述電能接收側(cè)中的電能接收極板采用金屬材料。電能接收極板102是一塊的圓形金屬環(huán)，其寬度約等于輪胎的寬度。電能接收極板102的直徑應(yīng)略小于輪胎直徑，厚度在1-2mm左右，宜采用硬度低、高電導(dǎo)率的金屬材料，例如銅。電能接收極板102安裝并貼合于輪胎的橡膠層內(nèi)部，不需要改造現(xiàn)有輪胎結(jié)構(gòu)，電能接收極板102應(yīng)可隨輪胎的形狀改變而發(fā)生相應(yīng)的形變，電能接收極板102上可存在形狀規(guī)則或者不規(guī)則的孔洞。電能接收極板102安裝于電動(dòng)汽車103的某兩個(gè)輪胎以至于所有的輪胎中。以四輪電動(dòng)汽車103為例，四個(gè)輪胎可以全部安裝電能接收極板102。左前輪和坐后輪的電能接收極板102電氣連接，組成接收正極板102a，接收電能；右前輪和右后輪的接收極板102電氣連接，組成接收負(fù)極板102b，為電能提供回路。

對(duì)于高速行駛中的電動(dòng)汽車103的無線充電(動(dòng)態(tài)無線充電)和停止時(shí)的電動(dòng)汽車103的無線充電(靜態(tài)無線充電)，電能發(fā)射側(cè)裝置中的發(fā)射模塊數(shù)量是不同的，電能發(fā)射側(cè)裝置中含有發(fā)射模塊，發(fā)射模塊包括電能發(fā)射極板，電能發(fā)射極板根據(jù)高速行駛中的電動(dòng)汽車103(動(dòng)態(tài)無線充電)和停止時(shí)的電動(dòng)汽車103的無線充電(靜態(tài)無線充電)的不同分為動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201和靜態(tài)發(fā)射極板101。

動(dòng)態(tài)無線充電的電能發(fā)射側(cè)裝置包括一個(gè)或多個(gè)發(fā)射模塊，沿電動(dòng)汽車103行駛方向分布。每個(gè)發(fā)射模塊之間是相互獨(dú)立的系統(tǒng)，沒有電氣連接和電場(chǎng)耦合。

每個(gè)發(fā)射模塊包括一對(duì)動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201。動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201通常埋在路面以下或者與路面高度平齊。動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201采用的材料宜采用高電導(dǎo)率的金屬材料，厚度1-2mm左右。動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201由動(dòng)態(tài)發(fā)射正極板201a和動(dòng)態(tài)發(fā)射負(fù)極板201b兩塊構(gòu)成，一塊位于左側(cè)車輪下方，另一塊位于右側(cè)車輪下方。每塊動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201寬度略大于汽車輪胎寬度，保證電動(dòng)汽車在有一定橫向位移時(shí)仍然可以接收到足夠的能量。動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201的長(zhǎng)度根據(jù)道路限速、電動(dòng)汽車103功率需求以及最大傳輸功率決定。電動(dòng)汽車103在經(jīng)過動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201上方時(shí)，動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201和車輪中嵌入的電能接收極板102經(jīng)過電場(chǎng)耦合，形成回路，電能從動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201傳輸?shù)诫娔芙邮諛O板102，經(jīng)過轉(zhuǎn)換對(duì)車載電池組511進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸。一對(duì)動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201給一輛或者多輛電動(dòng)汽車103無線充電。系統(tǒng)的最大功率等于每一對(duì)動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201上所有電動(dòng)汽車接收的電能之和。

由于最大功率受限于功率器件的耐壓耐流，對(duì)于一條很長(zhǎng)的道路，需要多個(gè)發(fā)射模塊沿車行進(jìn)方向分布，覆蓋整條道路，保證電動(dòng)汽車103沿道路行進(jìn)時(shí)可以時(shí)時(shí)接收到電能。每個(gè)發(fā)射模塊由一組電源501供電，各個(gè)發(fā)射模塊間是獨(dú)立系統(tǒng)。覆蓋道路的這些對(duì)動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201保證時(shí)時(shí)連接電源，保持通電狀態(tài)。由于動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201在待機(jī)時(shí)(沒有電動(dòng)汽車103行駛在其上)，一對(duì)極板之間保持恒定的電勢(shì)差，沒有電流流通，因此待機(jī)時(shí)完全沒有能量損耗。

靜態(tài)無線充電的電能發(fā)射側(cè)裝置只有一個(gè)發(fā)射模塊，發(fā)射模塊包括靜態(tài)發(fā)射極板101。靜態(tài)發(fā)射極板101采用同動(dòng)態(tài)無線充電的動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201同樣的材料、厚度，安裝位置在地面以下或者與地面高度平齊，靜態(tài)發(fā)射極板101的數(shù)量大于等于兩個(gè)。以四輪電動(dòng)汽車103為例，靜態(tài)發(fā)射極板101數(shù)量為四塊，分別位于靜止的電動(dòng)汽車103四個(gè)車輪下。其中左前車輪與左后車輪下的靜態(tài)發(fā)射極板101電氣連接，構(gòu)成靜態(tài)發(fā)射正極板101a；右前車輪與右后車輪下的靜態(tài)發(fā)射極板101電氣連接，構(gòu)成靜態(tài)發(fā)射負(fù)極板101b。每塊靜態(tài)發(fā)射極板101的寬度略大于汽車輪胎寬度，保證電動(dòng)汽車103泊車時(shí)有一定橫向位移時(shí)仍然可以接收到足夠的能量。每塊靜態(tài)發(fā)射極板101的長(zhǎng)度約等于輪胎直徑，保證電動(dòng)汽車泊車時(shí)有一定縱向位移時(shí)仍然可以接收到足夠的能量。由于接收正極板102a是左前輪和左后輪電氣連接，接收負(fù)極板102b是右前輪和右后輪電氣連接，因此電動(dòng)汽車停在發(fā)射極板上方時(shí)，電動(dòng)汽車左側(cè)靜態(tài)發(fā)射正極板101a和左前輪、左后輪接收正極板102a構(gòu)成電容器，電能通過電場(chǎng)耦合，給車載電池組充電。電動(dòng)汽車右側(cè)靜態(tài)發(fā)射負(fù)極板101b和右前輪、右后輪接收負(fù)極板102b構(gòu)成電容器，形成回路。靜態(tài)發(fā)射極板101待機(jī)時(shí)也保持通電狀態(tài)。

靜態(tài)發(fā)射極板101和動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201與路面或者地面應(yīng)保證絕緣。靜態(tài)發(fā)射極板101和動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201可以由絕緣材料密封，再埋入地下。保證路面或者地面有積水、積雪時(shí)，一對(duì)發(fā)射極板之間不會(huì)聯(lián)通。

在電動(dòng)汽車103上的電能接受側(cè)裝置還包含電能控制系統(tǒng)和整流模塊，電能控制系統(tǒng)位于汽車駕駛室，或整合在汽車儀表盤上。電能控制系統(tǒng)包括車內(nèi)電能監(jiān)測(cè)裝置512、電能接收控制開關(guān)和無線信號(hào)收發(fā)裝置515。車內(nèi)電能監(jiān)測(cè)裝置512測(cè)量并記錄本車接收到的無線電能，作為結(jié)算記錄；電能接收控制開關(guān)由車內(nèi)人員(司機(jī))控制，可以隨時(shí)打開或停止無線電能接收；無線信號(hào)收發(fā)裝置515用于發(fā)送和接收控制信號(hào)，反饋信號(hào)等等。

一般家用電動(dòng)汽車底盤距離地面100mm～150mm。如果將接收極板置于車底盤下，發(fā)射極板置于正對(duì)接收極板的地面上，由于上述的100mm～150mm氣隙，發(fā)射極板和接收極板之間的電容很小，限制了電能傳輸能力?；蛐枰浅４竺娣e的發(fā)射和接收極板才能實(shí)現(xiàn)足夠的能量傳輸。根據(jù)有限元仿真軟件Maxwell 3D的靜態(tài)場(chǎng)仿真結(jié)果，對(duì)于尺寸為1800mm×500m的一組發(fā)射和接收極板(發(fā)射極板和接收極板面積相同，各有兩塊)，120mm氣隙時(shí)電容大小為88.47pF。因此，一對(duì)構(gòu)成回路的發(fā)射極板和接收極板，發(fā)射極板總面積1.8mm²，接收極板總面積1.8mm²，總電容為44.24pF。作為對(duì)比，如果將電能接收極102板嵌入輪胎中，選擇215/55R16規(guī)格的輪胎進(jìn)行靜態(tài)場(chǎng)仿真。每個(gè)圓環(huán)形電能接收極板102寬度200mm，直徑600mm，每個(gè)發(fā)射極板長(zhǎng)1000mm、寬300mm，電能接收極板102圓環(huán)底部距離電能發(fā)射極板15mm。仿真結(jié)果顯示，一組發(fā)射和接收極板可以得到48.3pF的電容。四組發(fā)射和接收極板(四個(gè)輪胎均安裝)兩兩串聯(lián)再并聯(lián)，最終可以獲得同樣48.3pF的電容值。四個(gè)電能發(fā)射極板總面積1.2m²，四個(gè)電能接收極板102總面積1.51m²。由此可見，將電能接收極板102置于電動(dòng)汽車輪胎中，比置于底盤下，可以用更小的金屬材料的面積得到更大的傳輸電容值和更大的電能傳輸能力。

圖1展示了經(jīng)于輪胎接收的電容型電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)在汽車靜止時(shí)的靜態(tài)發(fā)射極板101和電能接收極板102安裝方式。電能接收極板102成圓環(huán)狀，安裝在輪胎胎面內(nèi)部。在圖1中，電動(dòng)汽車103的左前、左后、右前、右后四個(gè)輪胎中全部安裝了電能接收極板102。在具體實(shí)施中，可根據(jù)輪胎數(shù)量，傳輸功率等酌情增減，但通常保證有兩個(gè)靜態(tài)發(fā)射極板101和相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電能接收極板102，以保證電能傳輸閉合回路。因此如果電能接收極板102的數(shù)量大于2個(gè)，則應(yīng)將電動(dòng)汽車103一側(cè)的電能接收極板102電氣相連。例如圖1中的四個(gè)輪胎中的電能接收極板102，應(yīng)保證左前和左后輪胎中的電能接收極板102a電氣相連，右前和右后輪胎中的電能接收極板102b電氣相連。電能接收極板102采用硬度低，高電導(dǎo)率的金屬材料，例如銅，厚度在1-2mm左右。對(duì)于靜止充電系統(tǒng)，靜態(tài)發(fā)射極板101的數(shù)量通常與電能接收極板102數(shù)量相同。在圖1中靜態(tài)發(fā)射極板101由四塊組成，分別位于靜止的電動(dòng)汽車103四個(gè)車輪下。其中左前車輪與左后車輪下的靜態(tài)發(fā)射極板101電氣連接形成靜態(tài)發(fā)射正極板101a，右前車輪與右后車輪下的靜態(tài)發(fā)射極板101電氣連接形成靜態(tài)發(fā)射負(fù)極板101b。靜態(tài)發(fā)射極板101由絕緣材料密封，安裝于在地面以下或與地面高度平齊。每塊靜態(tài)發(fā)射極板101的寬度選擇可略大于汽車輪胎寬度，長(zhǎng)度大于等于汽車輪胎直徑，保證電動(dòng)汽車103泊車時(shí)有一定橫向位移和縱向位移時(shí)仍然可以接收到足夠的電能。靜態(tài)發(fā)射極板101采用高電導(dǎo)率的金屬材料，例如銅，鋁等，厚度可在1-2mm左右。

圖2展示了經(jīng)于輪胎接收的電容型電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)在汽車高速行駛時(shí)(動(dòng)態(tài))的動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201和電能接收極板102安裝方式。其中電能接收極板102的結(jié)構(gòu)和安裝方式與靜止充電時(shí)完全一樣，保證電動(dòng)汽車103可以在靜止和高速行駛中均可無線傳輸電能。動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201由動(dòng)態(tài)發(fā)射正極板201a和動(dòng)態(tài)發(fā)射負(fù)極板201b組成，分別位于高速行駛中的電動(dòng)汽車103的左側(cè)輪胎(左前輪和左后輪)和右側(cè)輪胎(右前輪和右后輪)下。動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201由絕緣材料密封，安裝于在路面以下或與路面高度平齊。動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201長(zhǎng)度沿汽車行駛方向延長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201材料與厚度與上述靜止時(shí)無線充電靜態(tài)發(fā)射極板101相同。

圖3是高速公路鋪設(shè)的無線充電帶，其電能發(fā)射模塊分布示意圖。靜態(tài)發(fā)射極板101、動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201寬度選擇可略大于汽車輪胎寬度，以保證電動(dòng)汽車103不在公路正中行駛時(shí)仍可以接收到足夠的電能。每個(gè)電能發(fā)射模塊中一對(duì)動(dòng)態(tài)發(fā)射極板201的長(zhǎng)度相同，其長(zhǎng)度根據(jù)道路限速、電動(dòng)汽車功率需求以及最大傳輸功率決定。每個(gè)電能發(fā)射模塊采用單獨(dú)電源供電，相鄰兩部分沒有電氣連接，是相互獨(dú)立的系統(tǒng)。系統(tǒng)的最大傳輸功率等于每部分電能發(fā)射極板上所有電動(dòng)汽車103接收的電能之和。

圖4和圖5是電容型電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的輪胎內(nèi)電能接收極板102的安裝示意圖。在圖4的輪胎截面中，鋼絲束帶層302位于輪胎橡膠301內(nèi)部，鋼絲束帶層302采用的是金屬材料。電能接收極板102緊貼于輪胎橡膠301內(nèi)壁。由于無線充電采用的是電容型電能傳輸方式，位于電能接收極板102和電能發(fā)射極板101(201)之間的鋼絲束帶層302可以作為電能傳輸?shù)慕橘|(zhì)，增強(qiáng)電能傳輸能力。電能接收極板102寬度與輪胎寬度相當(dāng)，通常大于20cm。圖5是輪胎的縱向切面示意圖。

圖6是本實(shí)用新型一種經(jīng)于輪胎接收的電容型電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的電氣原理圖。系統(tǒng)電源501是由電網(wǎng)提供的三相或單相50或60Hz，380V或220V交流電。經(jīng)過功率因數(shù)矯正模塊502，使得系統(tǒng)產(chǎn)生的無功功率最小化，同時(shí)將低頻50Hz或60Hz的交流電，轉(zhuǎn)換為直流電。直流電經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)模塊503，將功率因數(shù)矯正模塊502輸出的直流電的電壓轉(zhuǎn)換成期望的電壓值。此電壓值跟車載電池組511電壓、電能發(fā)射極板和電能接收極板的電容值、系統(tǒng)輸出功率等有關(guān)。電壓調(diào)節(jié)模塊503的輸出電壓經(jīng)過逆變器505，將直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，頻率通常大于20kHz，低于10MHz。逆變器的輸出經(jīng)過原邊諧振電感506，與兩電能發(fā)射極板相連接。

電能發(fā)射極板和電能接收極板102之間形成平板電容器，經(jīng)過電場(chǎng)耦合，高頻交流電場(chǎng)經(jīng)電能發(fā)射極板和電能接收極板間的介質(zhì)(包括空氣，橡膠，鋼絲束帶等)被電能接收極板102耦合，在車載側(cè)感生出電流。電能接收極板102經(jīng)與之串聯(lián)的副邊諧振電感507與整流器508相連，將高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電。再經(jīng)過濾波器模塊509，得到穩(wěn)定的輸出電壓(或電流)給車載電池組511充電。功率測(cè)量裝置510時(shí)時(shí)檢測(cè)車載電池組獲得的能量，并將測(cè)量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰噧?nèi)電能監(jiān)測(cè)裝置512并顯示給駕駛者。車內(nèi)電能監(jiān)測(cè)裝置512可以位于駕駛室或整合在儀表盤內(nèi)，駕駛者或車內(nèi)乘員可以時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電能傳輸數(shù)值，并可以通過控制開關(guān)切斷整個(gè)無線電能傳輸系統(tǒng)。

在發(fā)射側(cè)，逆變器505的輸出電流經(jīng)過電流霍爾監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)到的電流信號(hào)發(fā)送到原邊電壓電流監(jiān)測(cè)保護(hù)模塊516。原邊電壓電流監(jiān)測(cè)保護(hù)模塊516與控制電路504相連接，一旦檢測(cè)到原邊電壓電流高于安全值，即切斷整個(gè)無線電能傳輸系統(tǒng)。在接收側(cè)，車載電池組511的電壓電流信號(hào)與副邊監(jiān)測(cè)保護(hù)模塊513連接，進(jìn)而與無線信號(hào)發(fā)射模塊514連接。車載電池組511的電壓電流信號(hào)可已通過車載的無線發(fā)射模塊514傳輸?shù)降孛娴臒o線信號(hào)接收模塊515，并與控制電路504連接。一旦檢測(cè)到副邊電壓電流高于安全值，即切斷整個(gè)無線電能傳輸系統(tǒng)。

車內(nèi)電能監(jiān)測(cè)裝置512可以顯示實(shí)時(shí)電能的功率值。對(duì)于電動(dòng)汽車高速行駛時(shí)(動(dòng)態(tài))無線充電，一旦電能功率值小于某設(shè)定值，即表明電動(dòng)汽車較大程度的偏離了車道中心。此時(shí)，車內(nèi)電能監(jiān)測(cè)裝置512即向司機(jī)發(fā)出一條警告消息或聲音，提醒司機(jī)應(yīng)駕駛車輛回歸車道中心。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。