CN107276241B - 基于有轨电车停车偏移误差的无线电能传输调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有轨电车停车偏移误差的无线电能传输调节方法。它包括以下步骤：A、对城轨列车的停车精度进行设定，并分析得到城轨列车到站停车的位置与目标位置偏差的分布规律；B、对不同停车位置时的效率及概率密度进行积分，形成在停车偏移正态分布规律下，以整体效率期望为优化目标，设计优化线圈；C、对线圈尺寸进行优化设计。采用上述方法后，在有轨电车无线充电系统的耦合线圈设计中，根据停车偏移误差分布特点，采用效率期望作为优化目标，经过对线圈长度、宽度的寻优设计和原边线圈的增长设计，达到固定于有轨电车和地面的线圈在线圈发生偏移时，达到效率期望值，保证了无线充电系统效率和传输功率，实现了系统长期的最优效率。

Description

基于有轨电车停车偏移误差的无线电能传输调节方法
技术领域
本发明涉及一种无线电能传输技术在有轨电车中的应用，具体地说是一种基于有轨电车停车偏移误差的无线电能传输调节方法。
背景技术
目前，无线电能传输系统（Wireless Power Transfer System，WPT）中，通过对耦合线圈的设计，可以提高系统的整体效率；无线电能传输系统的核心部分-线圈，与变压器不同，是两个分离的部分，通过原边线圈中的高频电流，建立高频磁场，副边线圈在高频磁场中通过电磁感应产生感应电流，能量通过这种方式进行传递。原副边通过串联补偿电容提高系统的功率因数和效率。由于线圈由铜线绕制，且在存在高频电阻，在原副边会产生损耗，影响了系统的效率；表征线圈间耦合关系的互感值M与原副边线圈间位置关系十分密切，考虑偏移位置关系对线圈进行优化设计，是十分重要的。
在现有的设计技术中，考虑在线圈发生偏移时，通过对线圈的形状、结构设计提高效率。现有技术中无偏移处（或者偏移最大处）的效率分别是如图1、图2所示的两种极端状况下的位置关系，现有技术均是利用这两种极端状态下的效率作为优化目标，对于线圈进行长度和宽度两个方向的抗偏移设计，设计出的线圈为正方形线圈；然而上述的技术方案，所设计出的线圈仅考虑某一点的效率作为优化的目标，设计出的线圈是在该点处的最优解。而由于线圈偏差是存在于各个位置的，因此上述设计方法缺乏整体的考虑，将其应用到有轨电车停车中，由于有轨电车在停车时存在一定的停车偏移误差，导致固定在车、地两侧的线圈不能够完全对正，影响无线充电系统效率和传输功率，另外，现有的技术方案，没有根据列车只存在前进方向的单一偏移关系这种实际情况进行，故得到的线圈是正方形，不是最合理的优化目标，不能实现效率最大化的目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够在长期规律性偏移误差情况下，保证无线充电系统效率和传输功率的基于有轨电车停车偏移误差的无线电能传输调节方法。
为了解决上述技术问题，本发明的基于有轨电车停车偏移误差的无线电能传输调节方法，包括以下步骤：
A、对城轨列车的停车精度进行设定，并通过仿真与实测数据的分析得到城轨列车到站停车的位置与目标位置偏差的分布规律；由概率统计知识可知，正态分布概率密度函数如下：
           （1）
B、通过对有轨电车停车偏移误差规律的总结，对不同停车位置时的效率及概率密度进行积分，积分公式如（2）所示，形成考虑停车偏移正态分布规律下，以整体效率期望为优化目标，设计优化线圈。
   （2）
C、对线圈尺寸进行优化设计，具体过程如下：
a、根据无线电能传输系统的参数计算得到对于线圈互感值的约束条件；根据其参数计算得到对于线圈自感值的约束条件；再根据车身尺寸合理约束线圈长度宽度的约束条件，约束结果如下：
（3）
b、利用穷举法，以线圈匝数，线圈尺寸为变量，分别计算互感和自感，将互感和自感的计算结果带入以上约束条件，若符合所有约束条件，则计算效率期望，并记录，若不符合其中任意一条约束条件，则舍弃该组参数；进行穷举，将符合约束的效率期望进行比较；将效率期望最高的一组参数取出，即为设计的最优参数;
c、以步骤b所得到的最优结果为基础，继续利用穷举法优化原边线圈，方法与步骤b一致，得到最终的设计最优参数。
所述步骤B中，会有较小的概率出现有轨电车停车偏差大于设定值；当有轨电车停车偏移误差超过设定值时，电车会进行再调整以进入设定值范围内，将此种情况下停车偏差统一为：二次停车到离调整前最近的位置，即将超出设定值的停车偏移误差，统计为设定值范围内。
采用上述的方法后，在有轨电车无线充电系统的耦合线圈设计中，根据停车偏移误差分布特点，采用效率期望作为优化目标，经过对线圈长度、宽度的寻优设计和原边线圈的增长设计，达到固定于有轨电车和地面的线圈在线圈发生偏移时，达到效率期望值，保证了无线充电系统效率和传输功率，实现了系统长期的最优效率。
附图说明
图1为线圈偏移状态一结构示意图；
图2为线圈偏移状态二结构示意图；
图3为本发明中具有无线充电系统的有轨电车停车状态结构示意图；
图4为本发明中的概率密度图；
图5为本发明中线圈间的互感值随偏移距离变化的曲线图；
图6为本发明中互感值与偏移距离的变化关系图；
图7为本发明中线圈尺寸优化流程图。
实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的基于有轨电车停车偏移误差的无线电能传输调节方法作进一步详细说明。
由于有轨电车停车偏移误差有两个特点，只存在前进方向的误差和停车偏移误差呈现一定分布规律，然而现有技术设计方法的单一、不合理性，因此，本发明提出在有轨电车停车偏移误差呈现一定分布条件下，以此停车分布规律所得到的效率期望为优化目标，进行线圈优化设计方案，并考虑到有轨电车只存在前进方向的单一偏移误差关系，使得优化出的线圈在整体存在长期规律性偏移误差情况下，系统的效率能够达到最优的结构，如附图3，本发明以应用于有轨电车间歇式无线充电系统为背景，考虑有轨电车在停车时存在一定的停车偏移误差，导致固定在车、地两侧的线圈不能够完全对正，影响无线充电系统效率和传输功率，来设计高效线圈；它包括以下步骤：
A、对城轨列车的停车精度进行设定，并通过仿真与实测数据的分析得到城轨列车到站停车的位置与目标位置偏差的分布规律；在实际运行中，为满足运行需求，城轨列车的停车精度通常被设定为±0.3m之内，通过仿真与实测数据的分析得到城轨列车到站停车的位置与目标位置偏差呈现一定的分布规律，例如停车偏移误差呈现正态分布，即停车偏移误差为0m的概率最高，误差在±0.3m时的概率较低，会有较小的概率出现使停车偏移误差超过±0.3m的情况，在数学上，我们把这超出±0.3m停车偏移误差的事件称为小概率事件，由概率统计知识可知，正态分布概率密度函数如下：由概率统计知识可知，正态分布概率密度函数如下：
                 （1）
从附图4中可以观察到：停车位置与目标位置偏差以0m为中心，概率密度最大，依次向两边减小，在0.3m之外的概率极小，左右呈现对称的概率密度。
结合效率表达式，在不同的停车偏移误差时，线圈间的互感不同，系统线圈拥有不同的效率，以偏差最大或者无偏差时的效率作为优化目标，不能准确描述各个位置的线圈效率，造成优化目标不合理。
B、通过对有轨电车停车偏移误差规律的总结，对不同停车位置时的效率及概率密度进行积分，积分公式如（2）所示，形成在停车偏移正态分布规律下，以整体效率期望为优化目标，更加准确合理地设计优化线圈，在这里需要说明一点的是，会有较小的概率出现有轨电车停车偏差大于设定值；当有轨电车停车偏移误差超过设定值时，电车会进行再调整以进入设定值范围内，将此种情况下停车偏差统一为：二次停车到离调整前最近的位置，即将超出设定值的停车偏移误差，统计为设定值范围内，在本实施例中，有较小的概率出现有轨电车停车偏差大于±0.3m，当有轨电车停车偏移误差超过±0.3m时，电车会进行再调整以进入±0.3m范围内，将此种情况下停车偏差统一为：二次停车到离调整前最近的位置，即将超出±0.3m的停车偏移误差，统计为±0.3m。
  （2）
由于两条铁轨的限制，以及电车空气悬挂的智能调节，有轨电车基本不存在纵向的偏移，垂直方向的高度变化也较小，即只存在由于停车偏移误差造成的横向偏移，附图5是根据互感数值计算式得到的等大的不同长度宽度的线圈间的互感值随偏移距离变化的曲线，可以看到，在线圈正对时，线圈的互感值为最大，但是随着偏移量达到最大0.3m，其互感值不断下降，当线圈的横向长度长于纵向长度时，在线圈正对时互感值略有下降，但是线圈互感随偏移距离增大，变化变缓，故需要对线圈的长度、宽度进行设计，以寻到最优方案。
在对于效率要求不高，特别是小功率设备中，例如手机充电台，设计者会将原边线圈做得比手机大很多，以满足手机不同放置位置时能够以额定功率为其充电，这种方式，原边使用了大量的导线，增大了线圈内阻，降低了传输效率，并且造成了大量的线圈磁场泄漏面积。大功率设备在设计线圈时，考虑到传输效率、应用场合尺寸的限制，需要对线圈增加的边长进行优化设计，以在满足限制条件的情况下，高效的输出能量。
如附图6所示，是将副边线圈形状固定为a2=0.8m，b2=0.8m， N2=10，原边固定a1=0.8m，N1=10，随着不同的原边b1，互感值与偏移距离的变化关系。可以看到，当b1=0.8m,两线圈的互感值M随着偏移距离e的增大而急剧减小，当b1逐渐增长，互感M随偏移的变化逐渐减弱。出现此现象的原因是：由于距离较大，原、副边纵向边a相互交链的磁链远小于原、副边横向边b所交链的磁链，故距离的变化导致纵向边交链的磁链变化对于线圈间互感的变化影响很小。在计算线圈的效率期望时，较小的b1造成互感急剧下降，从而在偏移最大时效率过低；过大的b1，互感趋于稳定，但由于原边绕线量增大，导致线圈内阻增大，从而降低线圈的效率。故需考虑效率期望对原边b1进行优化。
C、对线圈尺寸进行优化设计，具体过程如下：
已知有轨电车的车身尺寸以及无线充电系统的设计指标如下表所示
表 1 有轨电车车身参数
表 2 50kW无线电能传输系统参数
a、根据表2的参数以及公式(、、)计算得到对于线圈互感值的约束条件；根据表2的参数及式(、)计算得到对于线圈自感值的约束条件；再根据表1的车身尺寸合理约束线圈长度宽度的约束条件，约束结果如下：
（3）
b、利用穷举法，以线圈匝数N1、N2，线圈尺寸a1、a2、b1、b2，为变量，将其带入到式(4)中计算互感，带入式(5)中计算自感，将互感，自感的计算结果带入以上约束条件，若符合所有约束条件，则利用式(2)计算效率期望，并记录，若不符合其中任意一条约束条件，则舍弃该组参数；进行穷举，将符合约束的效率期望进行比较；将效率期望最高的一组参数取出，即为设计的最优参数;
     （4）
    （5）
c、以步骤b所得到的最优结果为基础，继续利用穷举法优化原边线圈b1，方法与步骤b一致，得到最终的设计最优参数。
所得到的结果与采用传统某一点效率最优的设计方法进行比较，如表(3)所示
表 3 不同设计目标设计方法优化结果对比
经过实践证明，采用本发明的基于有轨电车停车偏移误差的无线电能传输调节方法，其效率期望可以提高0.35%。

Claims (2)

1.一种基于有轨电车停车偏移误差的无线电能传输调节方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、对城轨列车的停车精度进行设定，并通过仿真与实测数据的分析得到城轨列车到站停车的位置与目标位置偏差的分布规律；由概率统计知识可知，正态分布概率密度函数如下：
            （1）
B、通过对有轨电车停车偏移误差规律的总结，对不同停车位置时的效率及概率密度进行积分，积分公式如（2）所示，形成在停车偏移正态分布规律下，以整体效率期望为优化目标，设计优化线圈；
    （2）
C、对线圈尺寸进行优化设计，具体过程如下：
a、根据无线电能传输系统的参数计算得到对于线圈互感值的约束条件；根据其参数计算得到对于线圈自感值的约束条件；再根据车身尺寸合理约束线圈长度宽度的约束条件，约束结果如下：
            （3）
b、利用穷举法，以线圈匝数，线圈尺寸为变量，分别计算互感和自感，将互感和自感的计算结果带入以上约束条件，若符合所有约束条件，则计算效率期望，并记录，若不符合其中任意一条约束条件，则舍弃；进行穷举，将符合约束的效率期望进行比较；将效率期望最高的一组参数取出，即为设计的最优参数；
c、以步骤b所得到的最优结果为基础，继续利用穷举法优化原边线圈，方法与步骤b一致，得到最终的设计最优参数。
2.按照权利要求1所述的基于有轨电车停车偏移误差的无线电能传输调节方法，其特征在于：步骤B中，会有较小的概率出现有轨电车停车偏差大于设定值；当有轨电车停车偏移误差超过设定值时，电车会进行再调整以进入设定值范围内，将此种情况下停车偏差统一为：二次停车到离调整前最近的位置，即将超出设定值的停车偏移误差，统计为设定值范围内。
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