專利名稱：高效率的非接觸式充電系統和利用該系統充電的車輛的制作方法
技術領域：
本發明涉及新能源技術，特別涉及為混合動力汽車和電動汽車提供非接觸充電或 感應充電的方法和基礎設施，本發明還特別涉及一種高效率的非接觸式充電系統和利用該 系統充電的車輛。
背景技術：
為了大幅減少汽車的二氧化碳排放量，汽車業正在投入大量的人力和物力來研發 以電力作為動力源的新型汽車，例如混合動力汽車和電動汽車。在新型汽車中，電池被用來 存儲電能。考慮到安全性、成本和使用壽命，目前開發的電動汽車的電池能量密度并不高， 這限制了其每次充電后的續航距離。顯然，充電基礎設施的完善是電動汽車獲得普及的重 要前提。實際上，企業與政府共同完善充電基礎設施的行動正在世界各國如火如荼地開展如果充電基礎設施能夠得到完善，那么對于用戶來說，電動汽車每次充電后的續 航距離就不再是問題。到時，用戶更關注的將是電池的充電時間及充電方式。“充電”的概念正在改變，原因在于出現了具有較長的使用壽命并可以快速充電的 鋰離子電池。壽命長且可快速充電的電池的出現也為電子設備的設計帶來了新的選擇。比 如，設計工程師可以選擇小容量的電池，通過頻繁充電來解決容量不足的問題，只要電池的 壽命夠長，就無需在設備的使用壽命期內更換電池。將上述電池與非接觸充電技術相結合，就能夠開發出可以隨時隨地進行充電的新 設備。此類設備的出現也將促使非接觸充電的基礎設施得到完善。但是數量眾多的充電站將占據面積不菲的用地，而且在規劃時還要充分考慮建造 位置對交通流量的影響。目前，已實用化的非接觸充電系統主要采用電磁感應方式，也就是通過一個線圈 給另一個線圈供電。但是，電磁感應式非接觸充電系統存在的主要問題是當位置發生偏移 時，會導致充電效率下降。
發明內容
考慮到上述情況，本發明旨在提供一種用于對車輛進行非接觸充電的方法和基礎 設施，其可以在便捷和安全地對車輛進行充電的同時，避免興建數量巨大的充電站。按照本發明的一個方面，提出了一種用于車輛的非接觸充電方法，其在基礎設施 上設置供電線圈，以使所述車輛上設置的受電線圈接收電磁能量而被充電。在上述方法中，所述基礎設施為道路，多個所述供電線圈以一定的間距設置在所 述道路上，以確保所述車輛在行駛時能夠不間斷地被充電。
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在上述方法中，所述基礎設施為停車場和道路的路口，所述供電線圈被設置于其 上。在上述方法中，在所述基礎設施和車輛上設置有通信裝置，所述基礎設施通過獲 取所述車輛的身份標識以實現對充電的計費。在上述方法中，所述基礎設施與移動通信系統相連，所述車輛的身份標識為用戶 的移動終端的身份標識，從而利用所述移動通信系統的計費系統實現對充電的計費。在上述方法中，所述基礎設施與移動通信系統相連，以通過所述移動通信系統提 供增值服務。在上述方法中，所述增值服務包括利用移動通信系統提供對車輛方位的查詢。在上述方法中，所述增值服務包括利用移動通信系統以短信信息方式提示所述用 戶所需服務設施的位置。在上述方法中，在所述基礎設施和車輛上設置有通信裝置以與所述車輛上的電源 控制單元進行通信，將電池SOC-荷電狀態和SOH電池健康狀態參數提供給所述基礎設施， 實現按需分配式智能充電。在上述方法中，在所述基礎設施和車輛上設置有通信裝置，以實現充電廠商對車 輛電池的保護及維護，客戶電池及使用數據庫記錄，發展增值業務。按照本發明的另一個方面，提出了一種用于對車輛進行非接觸充電的基礎設施， 所述基礎設施為道路，所述道路上設置多個供電線圈，以使所述車輛上設置的受電線圈接 收電磁能量。在上述基礎設施中，所述供電線圈以一定的間距設置，以確保所述車輛在行駛時 能夠不間斷地被充電。按照本發明的還有一個方面，提出了一種用于車輛的非接觸充電基礎設施，所述 基礎設施為車輛停車場，所述車輛停車場包含多個供電線圈，以使所述車輛上設置的受電 線圈接收電磁能量。按照本發明的還有一個方面，提出了一種用于上述非接觸充電基礎設施的車輛， 其包含受電線圈以從所述非接觸充電基礎設施的供電線圈接受電磁能量。考慮到上述情況，本發明還旨在提供一種高效率的非接觸式充電系統。該非接觸 式充電系統包括適于設置在基礎設施上的供電線圈；以及適于設置在車輛上的受電線圈陣列。在上述非接觸式充電系統中，所述基礎設施為道路，多個所述供電線圈以一定的 間距設置在所述道路的路基內，以確保所述車輛在行駛時能夠不間斷地被充電。在上述非接觸式充電系統中，所述受電線圈陣列包含以矩陣形式布置在基板上的 多個受電線圈，并且所述多個受電線圈中的至少兩個的取向不同。在上述非接觸式充電系統中，所述受電線圈陣列包含以交錯方式布置在基板上的 多個受電線圈，并且所述多個受電線圈中的至少兩個的取向不同。本發明還旨在提供一種高效率的用于車輛的充電板，包括基板；設置在所述基板表面或內部的受電線圈陣列。
本發明還旨在提供一種高效率地進行非接觸式充電的車輛，包括儲能單元；充電板，包括基板；設置在所述基板表面或內部并且與所述儲能單元電氣連接的受電線圈陣列。與興建固定充電站的現行方式相比，按照本發明的實施例，供電線圈被設置在已 建的基礎設施上，因此無需占用額外的用地。另外，供電線圈位于道路之類車輛正常使用時 必經的區域，因此提供了一種在車輛行駛過程中連續充電的方式，其便捷程度遠超過現有 的車輛靜止狀態下充電的技術。此外，由于車輛上安裝了多個具有不同位置的受電線圈，因此即使車輛的行駛路 徑有變化，也可以保證始終有部分受電線圈與供電線圈是強耦合的。從結合附圖的以下詳細說明中，將會使本發明的上述和其它目的及優點更加完全清楚。
圖1是根據本發明一個實施方式的基礎設施的示意圖；圖2是根據本發明一個實施例的安裝受電線圈的車輛示意圖；圖3是根據本發明另一個實施例的安裝受電線圈的車輛示意圖；以及圖4是根據本發明的還有一個實施例的基礎設施的示意圖。圖fe和恥是根據本發明還有一個實施例的非接觸式充電裝置中的供電線圈的示 意圖。圖6a和6b是根據本發明還有一個實施例的非接觸式充電裝置中的受電線圈陣列 的示意圖。
具體實施例方式下面將根據表示本發明實施方式的附圖具體說明本發明。術語在本說明書的描述中，基礎設施是指為社會生產和居民生活提供公共服務的物質 工程設施，例如包括但不限于公路、鐵路、機場、通訊、水電煤氣等公共設施。基礎設施在形 態上具有固定性，實物形態上大都是永久性的建筑，供城市生產和居民生活長期使用，一般 不經常更新和隨意拆除廢棄。在本說明書的描述中，公路或道路指的是一種通常供車輛、人和動物通行的可通 行公共道路。在本說明書的描述中，車輛指的是一種裝有可自行驅動的用于陸地運輸的交通工 具，除非特別說明，車輛和汽車這兩個術語在本說明書中可以互換使用。在本說明書的描述中，非接觸充電指的是一種充電裝置與待充電裝置無需通過物 理上的接觸就可以實現電能從前者輸送到后者的充電方式，例如包括但不限于電磁感應方 式和磁場共振方式。電磁感應充電利用電磁感應原理，通過初級線圈與次級線圈(受電線圈)的耦合進行能量的傳遞。有關采用非接觸式充電方式對車輛進行充電的內容可以參見“電動汽車 的電源充電系統”(輕型汽車技術2001 (9)總145第4-8頁)，該篇論文以全文引用的方式 包含在本說明書中。在共振充電方式中，當接收線圈的固有頻率與發射線圈的電磁場頻率 一致時，就會產生共振，此時磁場耦合強度明顯增強，電力的傳輸效率大幅度提高。在本說 明書的描述中，初級線圈和發射線圈又稱為供電線圈，次級線圈和接收線圈又稱為受電線 圈。基礎設施本發明的其中一個要點是，在基礎設施處設置供電線圈并且在車輛上設置受電線 圈，這樣，當車輛經過該基礎設施時，由于電磁耦合或共振耦合，電能被傳輸給車輛的儲能 裝置(例如電池)。特別是，在一個較佳實施例中，可在路面下方或路基下面設置多個供電線圈，這些 供電線圈例如沿著道路的延伸方向或車輛的行進方向排列并且連接到電力基礎設施(例 如市政電網)，如此，當車輛在道路上行駛時，其上的受電線圈依次與這些供電線圈發生電 磁耦合或共振，從而對運動狀態下的車輛的電池進行連續充電。雖然每個供電線圈提供的 電量有限，但是當在道路的路基下面設置足夠數量的供電線圈(例如在大部分道路上都設 置這樣的供電線圈)時，車輛只要行駛在道路上，其電池實際上就一直在被充電，因此車輛 的行駛里程幾乎不受電池儲能量的限制，其續航能力甚至可以遠超以石化燃料作為動力的 傳統技術車輛。另外，在本實施例中，考慮到車輛在道路路口的停留概率較大，可以在路口 的路基下面設置功率更大的供電線圈。按照本較佳實施例，由于供電線圈被設置在已有的道路上，因此可以避免在路邊 興建大量的充電站，這與建設數量眾多充電站的現有技術方案相比，大大節省了土地資源。 此外，由于可以在行車過程中移動充電，因此提高了充電的便捷性。除了上面所述的道路以外，本發明的原理同樣也可應用于其它的基礎設施。例如， 在另一個較佳實施例中，可以將供電線圈設置在停車場或道路的停車位上，例如在停車位 區域的下方埋設供電線圈，這樣，停泊在停車位上的車輛的電池可被充電。圖1是根據這 樣一種實施方式的基礎設施的示意圖，其中圖1中示出了在道路停車位置處設置有供電線 圈，見圖中右下角的圓狀物100。車輛按照本發明的較佳實施例，在車輛前下部安裝受電線圈。圖3是根據本實施例的 安裝受電線圈的車輛示意圖。參見圖3，車輛200包括安裝在車輛前下部的受電線圈210， 其經整流器220連接至電池230。當受電線圈210經過供電線圈100上方或停留在供電線 圈100上方時，通過耦合或共振方式，電能由電網(未畫出)輸送給電池230。為了提高電能傳輸效率，可以采用大型線圈。為此，可以如圖4所示，在車輛后部 安裝大功率受電線圈。參見圖4，車輛200包括安裝在車輛后部的受電線圈210，其經整流 器220連接至電池230。當受電線圈210經過供電線圈100上方或停留在供電線圈100上 方時，通過耦合或共振方式，電能由電網(未畫出)輸送給電池230。由本實施例可見，車輛上的受電線圈的安裝可以采用現有的技術，因此在實施時 明顯降低了研發和制造成本。充電計費
圖4是根據本發明一個實施例的非接觸充電方法的示意圖。在本實施例的方法 中，還提供了對充電電量進行計費的功能。如圖4所示，當車輛200經過或停留在設置于路面下方的供電線圈100時，電能被 耦合到車輛上的受電線圈210，而后被傳輸到電池230。另一方面，在車輛的受電線圈210 附近還設置了感應卡或傳感器240，用于計量被受電線圈210接收的電量。感應卡240連接 至無線通信裝置250，將充電信息輸出至無線通信裝置250。相應地，無線通信250裝置經 空中接口將充電信息傳送至計費服務器300。較佳的是，該無線通信裝置為移動電話，計費 服務器300為移動通信系統的計費服務器，這樣可以利用移動電話中的SIM卡來標識用戶 的身份，并借助移動通信系統的計費系統來實現對充電的計費。這種方式的優點是，可以利 用現有通信基礎設施的計費功能，大大節省了投資成本。增倌服各圖4所示的實施例除了實現對充電電量進行計費的功能以外，還可以提供其它的 增值服務，以下作進一步的描述。目前車輛行駛中常采用全球定位系統(GPQ確定位置，這種方式依賴于車輛與衛 星之間的通信，一旦通信受阻或衛星發生故障，則將導致定位系統的全局癱瘓，因此非常脆 弱。在圖4所示的實施例中，當采用移動通信系統實現計費功能時，實際上還可以對車輛進 行定位。具體而言，位于車輛上的移動終端將與基站進行通信，由于每個基站都與單元小區 或一個特定的地理區域相對應，因此移動通信系統可以實時確定車輛所在的單元小區，并 在用戶查詢車輛位置時告知用戶(例如通過短消息)。再者，當用戶在行車過程中需要緊急 服務時，移動通信系統也可以根據車輛所在位置，向用戶提示附近的服務設施(例如通過 短消息)。可選的另一項增值服務涉及車輛本身的維護和管理。例如，車輛電池的使用記錄 和性能參數(例如充放電次數、電池電量等)可以借助移動通信系統發送給電池制造商，使 得電池制造商能夠為用戶更好的電池維護。還如，汽車制造商可以通過移動通信系統與車 輛上的電源控制單元(ECU)通信，將電池SOC-荷電狀態和SOH電池健康狀態等參數提供給 充電基礎設施，從而實現真正意義上的按需分配式智能充電。非接觸式充電系統按照本發明的一個實施例的非接觸式充電系統包括供電線圈和受電線圈，前者可 以設置在車輛經過的基礎設施上(例如道路、欄桿、停車場等)，后者被安裝在車輛上，這 樣，當車輛經過基礎設施時，電網的電能通過供電線圈與受電線圈之間的耦合被傳遞給車 輛內的儲能單元(例如電池或超級電容器)。例如如圖4所示，在道路下方或路基內設置供電線圈100并在車輛上安裝受電線 圈210，實現了電網(未畫出)對車輛電池230的非接觸式充電。圖如和恥示出了在道路上設置供電線圈的示意圖。如圖如和恥所示，一組供 電線圈100以一定的間距設置在道路500下方(例如道路的路基501內)，這樣，車輛的受 電線圈在行駛時即能夠不間斷地感應到電能，并由此實現對車輛的儲能單元的充電。當供電線圈與充電線圈的軸心對準時，二者的耦合最強。但是由于車輛行駛時無 法保證軸心的對準，因此將導致充電效率下降。為了解決該問題，按照本發明的實施例，可 以在車輛上安裝受電線圈陣列或一組受電線圈，由于它們分布在不同位置，因此即使車輛的行駛路徑有變化，也可以保證始終有部分受電線圈與供電線圈是強耦合的。圖6a示出了按照本發明一個實施例的受電線圈陣列的示意圖。如圖6a所示，該受 電線圈陣列600包含多個受電線圈601，這些受電線圈601以矩陣形式布置在基板700上。 可選地，受電線圈601也可以埋設在基板700內。另一方面，這些受電線圈601可例如以并 聯的方式與車輛的儲能單元相連，從而將電網的電能充入儲能單元。考慮到地面的起伏，還 可以使部分受電線圈與其它受電線圈的取向略微不同。圖6b示出了按照本發明另一個實施例的受電線圈陣列的示意圖。如圖6b所示， 該受電線圈陣列600包含多個受電線圈602，這些受電線圈602交錯布置在基板700上。同 樣，受電線圈602也可以埋設在基板700內，并且可以并聯的方式與車輛的儲能單元相連， 從而將電網的電能充入儲能單元。此外，也可以使部分受電線圈與其它受電線圈的取向略 微不同。充電板為了更好地耦合電能，受電線圈陣列一般都安裝在車輛的底部，然而儲能單元的 安裝位置無需這樣的限制。如圖6a和6b所示，在本發明的一個實施例中，將受電線圈集成 到基板上以制造成一個充電板，該充電板被安裝在車輛的底部，并且通過導線將受電線圈 陣列與安裝在車輛內其它位置的儲能單元相連。由于可以在不背離本發明基本特征的精神下，以各種形式實施本發明，因此本實 施方式是說明性的而不是限制性的，由于本發明的范圍由所附權利要求定義，而不是由說 明書定義，因此落入權利要求的邊界和界限內的所有變化，或這種權利要求邊界和界限的 等同物因而被權利要求包涵。
權利要求
1.一種高效率的非接觸式充電系統，包括適于設置在基礎設施上的供電線圈；以及適于設置在車輛上的受電線圈陣列。
2.如權利要求1所述的非接觸式充電系統，其中，所述基礎設施為道路，多個所述供電 線圈以一定的間距設置在所述道路的路基內，以確保所述車輛在行駛時能夠不間斷地被充 電。
3.如權利要求1所述的非接觸式充電系統，其中，所述受電線圈陣列包含以矩陣形式 布置在基板上的多個受電線圈，并且所述多個受電線圈中的至少兩個的取向不同。
4.如權利要求1所述的非接觸式充電系統，其中，所述受電線圈陣列包含以交錯方式 布置在基板上的多個受電線圈，并且所述多個受電線圈中的至少兩個的取向不同。
5.一種用于車輛的充電板，包括基板；設置在所述基板表面或內部的受電線圈陣列。
6.如權利要求5所述的充電板，其中，所述受電線圈陣列包含以矩陣形式設置在所述 基板表面或內部的多個受電線圈，并且所述多個受電線圈中的至少兩個的取向不同。
7.如權利要求5所述的充電板，其中，所述受電線圈陣列包含以交錯方式布置在所述 基板表面或內部的多個受電線圈，并且所述多個受電線圈中的至少兩個的取向不同。
8.—種車輛，包括儲能單元；充電板，包括基板；設置在所述基板表面或內部并且與所述儲能單元電氣連接的受電線圈陣列。
9.如權利要求8所述的車輛，其中，所述受電線圈陣列包含以矩陣形式設置在所述基 板表面或內部的多個受電線圈，并且所述多個受電線圈中的至少兩個的取向不同。
10.如權利要求8所述的車輛，其中，所述受電線圈陣列包含以交錯方式布置在所述基 板表面或內部的多個受電線圈，并且所述多個受電線圈中的至少兩個的取向不同。
全文摘要
本發明提供高效率的非接觸式充電系統、充電板和借助該非接觸式充電系統充電的車輛。非接觸式充電系統包括適于設置在基礎設施上的供電線圈；以及適于設置在車輛上的受電線圈陣列。優選地，受電線圈陣列包含以矩陣形式或交錯形式設置在基板表面或內部的多個受電線圈，并且多個受電線圈中的至少兩個的取向不同。由于車輛上安裝了多個具有不同位置的受電線圈，因此即使車輛的行駛路徑有變化，也可以保證始終有部分受電線圈與供電線圈是強耦合的。
文檔編號H02J17/00GK102118069SQ20101020060
公開日2011年7月6日 申請日期2010年6月3日 優先權日2009年12月31日
發明者張崇生, 張海濤, 鄧恒, 郝飛 申請人:上海汽車集團股份有限公司