CN106300697B - 无线电能传输模块及利用其的轨道式无线电能传输结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种无线电能传输模块及利用其的轨道式无线电能传输结构，属于无线电传输技术领域。本发明的无线电能传输模块，包括逆变电路、补偿电路、整流电路，所述的逆变电路将接入的直流电转换为交流电，所述的补偿电路，通过电感和电容的谐振，将逆变电路转化后的交流电大功率传递给整流电路，整流电路将接收到的交流电转化为直流电接入负载，可将上述模块用于有轨道的非接触式供电形成轨道式无线电能传输结构，使轨道供电以无接触式的方式来传输功率，从而使轨道供电更加方便和安全。

Description

无线电能传输模块及利用其的轨道式无线电能传输结构
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输模块及利用其的轨道式无线电能传输结构，属于无线电传输领域。
背景技术
随着科技的发展，无线电能传输已经逐步进入人们的视野和生活，对于无线电能传输的方式和方法也得到越来越多的关注和研究。无线电能传输指的是电能从电源到负载的一种没有经过电气直接接触的能量传输方式。根据传输的机理，可分为电磁辐射式，电场耦合式，磁场耦合式和超声波等，但现在研究较多的是电场耦合式和磁场耦合式两种。
2013年韩国利用电感式无线电能传输的原理实现对公园轨道观览车车进行充电并发表文章“Charging up the road”在IEEE上。国内西南交通大学正在对无线式轨道供电进行研究，并在近几年会有重大成果。2015年密西根大学的几位教授在Nature上发表文章“A Double-sided LCLC-Compensated Capacitive Power Transfer System forElectric Vehicle Charging”证明了电容式无线传输大功率的可能性。现在的轨道供电利用受电弓从接触网上取得电能，由于这种形式需要不断的接触，容易发生火灾等情况，而且国家最近大力发展新能源，无线电能传输作为一种新型能源技术，且安全性能高，操作方便。
轨道供电在实际生活中已经得到广泛的应用，随着铁路的快速发展已经改善了我国的经济结构，方便了人民群众的出行，但也对铁路运行安全保障提高了更高的要求。现有的轨道供电的电能传输都是利用有线电气牵引，而线路的繁杂会有火灾隐患。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无线电能传输模块及利用其的轨道式无线电能传输结构，使轨道供电以无接触式的方式来传输功率，从而使轨道供电更加方便和安全。
本发明采用的技术方案是：一种无线电能传输模块，包括逆变电路2、补偿电路4、整流电路3，所述的逆变电路2将接入的直流电转换为交流电，所述的补偿电路4，通过电感和电容的谐振，将逆变电路2转化后的交流电大功率传递给整流电路3，整流电路3将接收到的交流电转化为直流电接入负载。
由于逆变电路2与补偿电路4之间、补偿电路4与整流电路3之间通过无线电感传输电能，无需实际的电连接，进而实现无线电能传输，安全可靠。
进一步地，所述的补偿电路4包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容CS1、电容CS2、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4；
电容CS1、电容CS2等效为电容CS,电容CS与电容C3串联再与电容C2并联后得到等效电容Ca，电容CS与电容C2串联再与电容C3并联后得到等效电容Cb，电感L2与电容Ca谐振，同时通过电感L1、电感L2产生的磁场将逆变电路2中的能量传递过来，电感L3与电容Cb谐振，同时通过电感L3、电感L4产生的磁场将能量传递到整流电路3中，电感L1与电容C1谐振，电感L4与电容C4谐振。
一种轨道式无线电能传输模块，包括上述的非接触式供电模块，所述的补偿电路4中的电容C2、电容C3、电容CS1、电容CS2由供电轨道6、金属部件7、绝缘外壳8等效形成，且供电轨道6、金属部件7不接触，供电轨道6与原轨道等同长度铺设，金属部件7与供电轨道6上的车相连并保持相对静止，绝缘外壳8铺设在供电轨道6外。
具体地，所述的供电轨道6由两块形金属板形成，金属部件7由两块形短金属板形成，一块形金属板与一块形短金属板对应设置，两块形短金属背对设置，金属部件7固定在原轨道的车身上且与车身保持相对静止，绝缘外壳8设置在供电轨道6外围并将供电轨道6与金属部件7罩在其中，绝缘外壳8接地，两块形金属板上端与绝缘外壳8形成电容C2，左侧形金属板和形短金属板各金属板之间形成电容CS1，右侧形金属板和形短金属板各金属板之间形成电容CS2，两块背对的形短金属板之间形成电容C3。
进一步地，还包括绝缘介质9，供电轨道6、金属部件7之间通过绝缘介质9隔离，使供电轨道6、金属部件7之间没有电气接触，更加安全。
进一步地，所述的金属部件7通过L形金属固定在原轨道的车上，使车身带着金属部件7一起动，也便于实现供电轨道6、金属部件7不相碰触。
本发明的工作原理是：基于电场的无线电能传输，逆变电路2将连接的直流电转换为交流电，补偿电路4通过电感和电容的谐振，将大功率交流电从逆变电路2传到整流电路3并获得较大效率，整流电路3将获得的交流电能转换为主流电能供给负载直接使用，实现电能的无线传输。
本发明的有益效果是：本发明通过无线电能传输方式，使轨道供电以另一种新型的无接触式的方式来传输功率，从而使轨道供电更加方便和安全。
附图说明
图1为整体系统结构图；
图2为系统等效电路图；
图3为供电轨道剖视图；
图4为供电轨道内部结构立体图；
图5为供电轨道整体结构立体图；
图中各标号：2-逆变电路，3-整流电路，4-补偿电路，6-供电轨道，7-金属部件，8-绝缘外壳，9-绝缘介质。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-5所示，一种无线电能传输模块，包括逆变电路2、补偿电路4、整流电路3，所述的逆变电路2将接入的直流电转换为交流电，所述的补偿电路4，通过电感和电容的谐振，将逆变电路2转化后的交流电大功率传递给整流电路3，整流电路3将接收到的交流电转化为直流电接入负载。
进一步地，所述的补偿电路4包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容CS1、电容CS2、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4；
电容CS1、电容CS2等效为电容CS,电容CS与电容C3串联再与电容C2并联后得到等效电容Ca，电容CS与电容C2串联再与电容C3并联后得到等效电容Cb，电感L2与电容Ca谐振，同时通过电感L1、电感L2产生的磁场将逆变电路2中的能量传递过来，电感L3与电容Cb谐振，同时通过电感L3、电感L4产生的磁场将能量传递到整流电路3中，电感L1与电容C1谐振，电感L4与电容C4谐振。电容Ca、电容Cb的等效计算公式为：
如图1所示，所述逆变电路2为现有技术中的电路，由S1、S2、S3、S4四个MOSFET连接形成半桥将直流转换为交流输入电路，所述整流电路3现有技术中的电路，利用由D1、D2、D3、D4四个二极管连接将交流转换为直流然后接入负载，补偿电路4中电容CS1与CS2的电流大小一样，它们是串联形式，可以等效为一个电容CS。由于Uin为直流电源，通过逆变电路2可转换为交流电源UAB，同样的，通过整流电路3将交流电源Uab转换为直流电源Ub，U12、U21、U34、U43分别为互感的感应电压源，互感可以用感应电压源来表示。
图2是图1的等效电路图，其中电感L1与电容C1谐振，电感L4与电容C4谐振，电感L1与L2之间有互感，L3与L4之间有互感。采用电路叠加理论，首先我们考虑只有UAB时，通过电路理论分析，此时电流I1和I3为零，电容Cs和C3串联，同时与C2并联，它们等效为一个电容并与L2谐振。同样的道理，当只有Uab时，电容CS和C2串联，同时与C3并联，它们同样等效为一个电容并与L3谐振。电感L1、电感L2、电感L3、电感L4利用漆包线缠绕形成，电感L1与L2利用螺旋式缠绕方式缠绕在同一个载体上形成两个电感并具有一定互感，电感L3与L4也以同样的方式缠绕。
一种轨道式无线电能传输模块，包括上述的非接触式供电模块，所述的补偿电路4中的电容C2、电容C3、电容CS1、电容CS2由供电轨道6、金属部件7、绝缘外壳8等效形成，且供电轨道6、金属部件7不接触，供电轨道6与原轨道等同长度铺设，金属部件7与供电轨道6上的车相连并保持相对静止，绝缘外壳8铺设在供电轨道6外。
具体地，所述的供电轨道6由两块形金属板形成，金属部件7由两块形短金属板形成，一块形金属板与一块形短金属板对应设置，两块形短金属背对设置，金属部件7固定在原轨道的车身上且与车身保持相对静止，绝缘外壳8设置在供电轨道6外围并将供电轨道6与金属部件7罩在其中，绝缘外壳8接地，可以屏蔽电场，两块形金属板上端与绝缘外壳8形成电容C2，左侧形金属板和形短金属板各金属板之间形成电容CS1，右侧形金属板和形短金属板各金属板之间形成电容CS2，两块背对的形短金属板之间形成电容C3。
供电轨道6与行驶轨道等长度铺设，供电轨道6利用绝缘外壳8裹住，里面是一种E型金属栅形结构，如图3所示，然后通过与车身相连的金属部件7与供电轨道内的金属结构形成电容，以此形成补偿结构的形式来传输功率。
图3是供电轨道原理剖视图，通过对补偿电路的分析和理解，由于补偿电路关键部分由三个电容组成，电容采用平板电容器形式，利用几块金属板形成电容。其中金属部件7只有一小块，而供电轨道6和绝缘外壳8与原轨道同等长度铺设。
进一步地，还包括绝缘介质9，供电轨道6、金属部件7之间通过绝缘介质9隔离，使供电轨道6、金属部件7之间没有电气接触，更加安全。
进一步地，图4是供电轨道内部构造立体图，所述的金属部件7通过L形金属固定在原轨道的车上，使车身带着金属部件7一起动，保证金属部件7与车身保持相对静止，由于金属部件7具有一定硬度，通过L形金属连接车身便可以使金属部件7与供电轨道6不接触并实现无接触式电能传输。
图5是供电轨道整体构造立体图，绝缘外壳8与供电轨道6同等长度并与轨道等同长度铺设，由于金属部件7与供电轨道6的距离保持不变，电容的大小也保持不变，所以在运行过程中可以保证电能传输的稳定性。由于绝缘外壳8的保护，且绝缘外壳8接地，使其形成回路，屏蔽电场，对外界没有危害和影响。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1.一种轨道式无线电能传输结构，其特征在于：包括无线电能传输模块, 无线电能传输模块包括逆变电路（2）、补偿电路（4）、整流电路（3），所述的逆变电路（2）将接入的直流电转换为交流电，所述的补偿电路（4），通过电感和电容的谐振，将逆变电路（2）转化后的交流电大功率传递给整流电路（3），整流电路（3）将接收到的交流电转化为直流电接入负载；
所述的补偿电路（4）包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容CS1、电容CS2、电感L1、电感L2、电感L3、电感L4；
电容CS1、电容CS2等效为电容CS,电容CS与电容C3串联再与电容C2并联后得到等效电容Ca，电容CS与电容C2串联再与电容C3并联后得到等效电容Cb，电感L2与电容Ca谐振，同时通过电感L1、电感L2产生的磁场将逆变电路2中的能量传递过来，电感L3与电容Cb谐振，同时通过电感L3、电感L4产生的磁场将能量传递到整流电路3中，电感L1与电容C1谐振，电感L4与电容C4谐振；
所述的补偿电路（4）中的电容C2、电容C3、电容CS1、电容CS2由供电轨道（6）、金属部件（7）、绝缘外壳（8）等效形成，且供电轨道（6）、金属部件（7）不接触，供电轨道（6）与原轨道等同长度铺设，金属部件（7）与原轨道上的车连接并保持相对静止，绝缘外壳（8）铺设在供电轨道（6）外；
所述的供电轨道（6）由两块形金属板形成，金属部件（7）由两块形短金属板形成，一块形金属板与一块形短金属板对应设置，两块形短金属背对设置，金属部件（7）固定在原轨道的车身上且与车身保持相对静止，绝缘外壳（8）设置在供电轨道（6）外围并将供电轨道（6）与金属部件（7）罩在其中，绝缘外壳（8）接地，两块形金属板上端与绝缘外壳（8）形成电容C2，左侧形金属板和形短金属板各金属板之间形成电容CS1，右侧形金属板和形短金属板各金属板之间形成电容CS2，两块背对的形短金属板之间形成电容C3。
2.根据权利要求1所述的轨道式无线电能传输结构，其特征在于：还包括绝缘介质（9），供电轨道（6）、金属部件（7）之间通过绝缘介质（9）隔离。
3.根据权利要求1所述的轨道式无线电能传输结构，其特征在于：所述的金属部件（7）通过L形金属固定在原轨道的车上。
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