CN108075575B - 无线传输地铁供电系统及其充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁谐振无线充电装置技术领域，尤其涉及一种无线传输地铁供电系统，包括电源、电源控制模块、高频发射模块、三抽头发射线圈、谐振线圈组、接收线圈、高频接收模块、电源管理模块、列车蓄电池；所述电源为本装置提供能量来源；所述三抽头发射线圈把高频电流转换为高频磁场发射出去；所述三抽头发射线圈采用平面螺旋式结构，使得匝与匝之间保持在一个平面上紧密结合；所述三抽头发射线圈沿着轨道分段铺设且垂直于轨道，三抽头发射线圈的下部埋于地下，列车从三抽头线圈内部穿过。同频率下能量经发射线圈、谐振线圈和接收线圈间高效传递，保证列车高效节能、稳定可靠的运行。由于列车穿梭于线圈内部，不存在线圈之间的工作间隙问题。

Description

无线传输地铁供电系统及其充电方法

技术领域

本发明涉及电磁谐振无线充电装置技术领域，尤其涉及一种无线传输地铁供电系统及其充电方法。

背景技术

近年来提供了很多磁感应列车供电系统例如中国专利公开了基于双层双向螺旋线圈的无线电能传输系统及方法,专利号:201410243642,该专利公开的内容中发射线圈是一个双层双向绕制的螺旋线圈，如图6所示，该双层双向绕制的螺旋线圈是由绕制方向相反并相连的内层线圈和外层线圈组成的，所述内层线圈和外层线圈具有相同的,匝数和匝距，仅线圈半径不同，所有线圈均由铜线绕制，对齐在同轴方向。双向螺旋线圈缺点是体积大，其不足之处在于，该线圈对发射与接收线圈的位置有非常严格的要求，两线圈的中心一旦偏离，会使能量传输效率急剧下降。

再如中国专利公开了一种无线供电型高速列车系统,专利号:201510569730.8,该专利公开的内容中供电端接收线圈沿轨道悬空架设于列车之上，受电端线圈安装于列车顶部；发射线圈沿轨道铺设施工繁琐，原来的单根线供电改成线圈供电浪费了大量有色金属，在高压强电下线圈密集堆放形成涡流，涡流产生的高温变化对列车极易造成损害。该专利特别描述了：允许存在几厘米的工作间隙,由于轨道地面起伏较大，加上列车运行中的起伏晃动，使接收的线圈与发射的线圈之间的工作间隙处于动态变化中，有可能使线圈在运行中与列车顶部发生碰撞或者摩擦，存在不安全隐患。高速运行中供电端和受电端工作间隙的急速变化造成整个供电系统的不稳定，波动的电源会对列车的运行带来冲击。

另外,目前的高频发射模块采用全桥式隔离的电压变换器电路，如图7所示，由于全桥式隔离的电压变换器电路中两组开关管交替关断与导通，由于正负半波控制脉冲宽度难以做到绝对相同，同时开关器件特性难以完全一致，导致开关管极易烧毁，及工作频率难以提高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种无线传输地铁供电系统及其充电方法，实现列车高效节能、稳定、可靠的运行。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种无线传输地铁供电系统，其特征在于，包括电源、电源控制模块、高频发射模块、三抽头发射线圈、谐振线圈组、接收线圈、高频接收模块、电源管理模块、列车蓄电池；所述电源为本装置提供能量来源；

电源控制模块用于控制电源是否给高频发射模块供电，还具有调节电源电压稳定等作用；

所述高频发射模块选用功率振荡电路产生高频交变电流；

所述三抽头发射线圈把高频电流转换为高频磁场发射出去；所述三抽头发射线圈采用平面螺旋式结构，使得匝与匝之间保持在一个平面上紧密结合；所述三抽头发射线圈沿着轨道分段铺设且垂直于轨道，三抽头发射线圈的下部埋于地下，列车从三抽头线圈内部穿过；

所述谐振线圈组组成能量传输中继通道，谐振线圈组布置在所述三抽头发射线圈的两侧；

所述接收线圈把空间高频交变磁场接受转换为高频电流，所述接收线圈同样采用平面螺旋式结构，接收线圈固定在每节车厢连接处的车框内部；

所述三抽头发射线圈、谐振线圈和接收线圈具有相同的谐振频率特性；

所述高频接收模块把收集的高频电磁波转化为电能；

所述电源管理模块对转化的电能进行管理供列车蓄电池使用。

优选地，所述高频发射模块包括高频信号发生电路、甲乙类推挽功率放大电路、发射电路；

所述高频信号发生电路由电容C1-电容C4、三极管Q2、电阻R1-R4、线圈L3组成的电容三点式振荡信号发生电路；甲乙类推挽功率放大电路由电容C1、电容C6、三极管Q1、R5-R8、MOS管T1、MOS管T2构成；

所述发射电路由电容C7、电容C8、线圈L1、线圈L2组成，所述电容C7的一端分别接甲乙类推挽功率放大电路的MOS管T1和线圈L1的一端，所述电容C7的另一端接线圈L1的另一端、电源、线圈L2的一端、电容C8的一端，所述电容C8的另一端接所述线圈L2的另一端和MOS管T2，所述线圈L1、线圈L2构成了一个带中心抽头的所述三抽头发射线圈，在半个周期内若输入高电平信号经MOS管T1门极，则MOS管T1导通，电流Ia流经线圈L1，能量由线圈L1发射出去，MOS管T2经过三极管Q1反向后MOS管T2端为低电平信号，则MOS管T2为高阻断状态；在另半个周期内若输入高电平信号经MOS管T2门极，则MOS管T2导通，电流Ib流经线圈L2，能量由线圈L2发射出去，这时MOS管T1门极电压为低电平信号，则MOS管T1为高阻断状态，电流Ia与Ib轮流出现。

优选地，还包括射频接收模块和射频发射模块，所述射频接收模块安装在轨道一侧，所述射频发射模块安装在列车的车头和车尾。

一种无线传输地铁充电方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、将三抽头发射线圈采用平面螺旋式绕发绕成三抽头发射线圈，使得匝与匝之间保持在一个平面上紧密结合，将三抽头发射线圈沿着轨道分段铺设且垂直于轨道，三抽头发射线圈的下部埋于地下，三抽头发射线圈的抽头与高频发射模块连接，高频发射模块、电源控制模块、电源依次连接完成；

步骤二、将谐振线圈组布置在所述三抽头发射线圈的两侧，下部埋于地下；

步骤三、将接收线圈固定在每节车厢连接处的车框内部，接收线圈与高频接收模块连接，高频接收模块、电源管理模块、列车蓄电池依次连接完成；

步骤四、将三抽头发射线圈、谐振线圈和接收线圈调制相同的谐振频率；

步骤五、启动电源、电源控制模块、高频发射模块、三抽头发射线圈，当列车驶入到三抽头发射线圈和谐振线圈组组成的空间后，再启动接收线圈、高频接收模块、电源管理模块、列车蓄电池；此时为列车蓄电池充电。

优选地，所述列车为静止状态。

优选地，所述列车为行进状态。

本发明的有益效果是:与现有技术相比较，1、本装置发射线圈采用平面螺旋式绕法，使得匝与匝之间保持在一个平面上紧密结合，L＝[(D×D)×(N×N)]/[(18×D)+(40×W)]N-----是线圈的匝数，D-----是线圈的直径，W------是线圈从一端到另一端的宽度，L是电感。电感随着线圈的直径增加，电感随着线圈匝数的平方增加，3倍的匝数产生9倍的电感。匝数为二到四匝，到减小寄生电容对其的影响，绕制材料选用材质较纯的铜管，因为频率越高趋肤效应越强烈，在高频下使用铜管和采用平面螺旋式绕制线圈同等电感阻抗下节约了有色金属材料，并联真空电容使频率可调制为f。使用平面螺旋式绕法，使得线圈之间面与面的传递能量，而不是上述文献中点与点的传递能量，进而平面螺旋式可以解决上述对心困难，并解决对心困难引起的能量剧烈波动。

2、发射线圈沿轨道分段铺设，现采用电磁谐振技术，增加了若干个谐振线圈，谐振线圈绕制材料选用材质较纯的铜管，匝数为两匝，并联真空电容使频率调制为f，谐振线圈与外部电源没有连接，谐振线圈与供电端发射线圈垂直于轨道架设部分埋于地下使负载从线圈内部穿梭。能量通过空间磁场传递，能量从发射线圈向两旁谐振线圈传递,电源模块给发射模块和发射线圈分别供电，发射模块作为本装置的磁场激励模块为本装置控制电路提供方波信号。带中心抽头的三抽头发射线圈由电源模块直接供电，并把发射模块激励的方波信号通过自身发射出去，利用谐振线圈作为本装置的电能传输中继，使的在一定传输距离下提高效率。

3、采用改进过的甲乙类推挽功率放大器电路，就解决了开关特性难以完全一致导致的开关管极易烧毁的现象，通过改用带中心抽头的三抽头线圈，使开关管的用量减少一半，工作频率也得到了提高，进而工作效率也随之提高。在管子型号相同时，乙类推挽放大器的输出功率可以提高到单管功率放大器的六倍左右。为解决这些问题，本发明利用无线电能谐振传输技术向地铁列车提供稳定、可靠的电能，且节约能源。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明中的高频发射模块原理图；

图3为本发明整体的示意图；

图4为本发明能量衰减示意图；

图5为本发明中平面螺旋式线圈示意图；

图6为现有技术中螺线管式线圈示意图；

图7为现有技术中全桥式隔离电压变换器电路。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实例详细说明本发明的具体实施方式。如图1-图5所示，一种无线传输地铁供电系统，包括电源1、电源控制模块2、高频发射模块3、三抽头发射线圈4、谐振线圈组5、接收线圈6、高频接收模块7、电源管理模块8、列车蓄电池(即为负载9)；所述电源为本装置提供能量来源；

电源控制模块用于控制电源是否给高频发射模块供电，还具有调节电源电压稳定等作用；

所述高频发射模块选用功率振荡电路产生高频交变电流；

所述三抽头发射线圈把高频电流转换为高频磁场发射出去；所述三抽头发射线圈采用平面螺旋式结构，使得匝与匝之间保持在一个平面上紧密结合；所述三抽头发射线圈沿着轨道分段铺设且垂直于轨道，三抽头发射线圈的下部埋于地下，列车从三抽头线圈内部穿过；本装置发射线圈采用平面螺旋式绕法，使得匝与匝之间保持在一个平面上紧密结合，L＝[(D×D)×(N×N)]/[(18×D)+(40×W)]，N-----是线圈的匝数，D-----是线圈的直径，W------是线圈从一端到另一端的宽度，L是电感。电感随着线圈的直径增加，电感随着线圈匝数的平方增加，3倍的匝数产生9倍的电感。匝数为二到四匝，到减小寄生电容对其的影响，绕制材料选用材质较纯的铜管，因为频率越高趋肤效应越强烈，在高频下使用铜管和采用平面螺旋式绕制线圈同等电感阻抗下节约了有色金属材料，并联真空电容使频率可调制为f。使用平面螺旋式绕法，使得线圈之间面与面的传递能量，而不是上述文献中点与点的传递能量，进而平面螺旋式可以解决上述对心困难，并解决对心困难引起的能量剧烈波动。

所述谐振线圈组组成能量传输中继通道，谐振线圈组布置在所述三抽头发射线圈的两侧；数量不为定值，可以根据实际需要增加谐振线圈的数量；

所述接收线圈把空间高频交变磁场接受转换为高频电流，线圈采用纯度较高的铜质材料制成，所述接收线圈同样采用平面螺旋式结构，接收线圈固定在每节车厢连接处的车框内部；线圈谐振频率为f，

线圈的谐振频率的调节方法是根据，通过改变真空电容的大小来改变谐振频率，使线圈之间谐振频率都为同一个频率f。

列车在接近发射线圈到离开发射线圈的过程中，能量传递示意图曲线如图3所示，a为谐振式能量衰减曲线，b为感应式能量衰减曲线。谐振式无线传输系统与感应式无线传输系统能量传输时间长，能量传输效率高。

所述三抽头发射线圈、谐振线圈和接收线圈具有相同的谐振频率特性；

所述高频接收模块把收集的高频电磁波转化为电能；所述电源管理模块对转化的电能进行管理供列车蓄电池使用。

做为本发明的进一步改进，所述高频发射模块包括高频信号发生电路、甲乙类推挽功率放大电路、发射电路；

所述高频信号发生电路由电容C1-电容C4、三极管Q2、电阻R1-R4、线圈L3组成的电容三点式振荡信号发生电路；甲乙类推挽功率放大电路由电容C1、电容C6、三极管Q1、R5-R8、MOS管T1、MOS管T2构成；以上两种电路都为现有电路，具体结构如电路图所示。

所述发射电路由电容C7、电容C8、线圈L1、线圈L2组成，所述电容C7的一端分别接甲乙类推挽功率放大电路的MOS管T1和线圈L1的一端，所述电容C7的另一端接线圈L1的另一端、电源、线圈L2的一端、电容C8的一端，所述电容C8的另一端接所述线圈L2的另一端和MOS管T2，所述线圈L1、线圈L2构成了一个带中心抽头的所述三抽头发射线圈，在半个周期内若输入高电平信号经MOS管T1门极，则MOS管T1导通，电流Ia流经线圈L1，能量由线圈L1发射出去，MOS管T2经过三极管Q1反向后MOS管T2端为低电平信号，则MOS管T2为高阻断状态；在另半个周期内若输入高电平信号经MOS管T2门极，则MOS管T2导通，电流Ib流经线圈L2，能量由线圈L2发射出去，这时MOS管T1门极电压为低电平信号，则MOS管T1为高阻断状态，电流Ia与Ib轮流出现。由于电磁感应得到的仍是一个正负交变的交流信号，正负半周都具有，基本上波形信号不失真输出，从而达到推挽放大输出。采用改进过的甲乙类推挽功率放大器电路，就解决了开关特性难以完全一致导致的开关管极易烧毁的现象，通过改用带中心抽头的三抽头线圈，使开关管的用量减少一半，工作频率也得到了提高，进而工作效率也随之提高。在管子型号相同时，乙类推挽放大器的输出功率可以提高到单管功率放大器的六倍左右。为解决这些问题，本发明利用无线电能谐振传输技术向地铁列车提供稳定、可靠的电能，且节约能源。

还包括射频接收模块10和射频发射模块11，所述射频接收模块安装在轨道一侧，所述射频发射模块安装在列车的车头和车尾。射频接收模块、射频发射模块采用射频技术，使得线圈在列车通过的时刻分段供电，这样列车达到哪段线圈，立即开启此段线圈的输出同时将关闭前一段线圈的输出，起到节约电能的作用。

本发明还公开了一种无线传输地铁充电方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、将三抽头发射线圈采用平面螺旋式绕发绕成三抽头发射线圈，使得匝与匝之间保持在一个平面上紧密结合，将三抽头发射线圈沿着轨道分段铺设且垂直于轨道，三抽头发射线圈的下部埋于地下，三抽头发射线圈的抽头与高频发射模块连接，高频发射模块、电源控制模块、电源依次连接完成；

步骤二、将谐振线圈组布置在所述三抽头发射线圈的两侧，下部埋于地下；

步骤三、将接收线圈固定在每节车厢连接处的车框内部，接收线圈与高频接收模块连接，高频接收模块、电源管理模块、列车蓄电池依次连接完成；

步骤四、将三抽头发射线圈、谐振线圈和接收线圈调制相同的谐振频率；

步骤五、启动电源、电源控制模块、高频发射模块、三抽头发射线圈，当列车驶入到三抽头发射线圈和谐振线圈组组成的空间后，再启动接收线圈、高频接收模块、电源管理模块、列车蓄电池；此时为列车蓄电池充电。

所述列车为静止状态列车为行进状态。也就是说可以是行进中充电也可以是静止状态下充电。

发射线圈沿轨道分段铺设，现采用电磁谐振技术，增加了若干个谐振线圈，谐振线圈绕制材料选用材质较纯的铜管，匝数为两匝，并联真空电容使频率调制为f，谐振线圈与外部电源没有连接，谐振线圈与供电端发射线圈垂直于轨道架设部分埋于地下使负载从线圈内部穿梭。能量通过空间磁场传递，能量从发射线圈向两旁谐振线圈传递,电源模块给发射模块和发射线圈分别供电，发射模块作为本装置的磁场激励模块为本装置控制电路提供方波信号。带中心抽头的三抽头发射线圈由电源模块直接供电，并把发射模块激励的方波信号通过自身发射出去，利用谐振线圈作为本装置的电能传输中继，使的在一定传输距离下提高效率。

采用电磁谐振技术供电端发射线圈垂直于轨道，发射线圈部分埋藏于地下使负载从线圈内部穿梭。能量通过空间磁场传递，能量从发射线圈向两旁谐振线圈传递。增加谐振线圈减少因距离造成的能量损耗，使能量不会急速衰减。谐振线圈布置在发射线圈的两旁；谐振线圈作为本装置的电能传输中继，提高了电能传输效率，保证列车运行平稳。接收线圈固定在每节车厢连接处的车框内部，线圈谐振频率为f。同频率下能量经发射线圈、谐振线圈和接收线圈间高效传递，保证列车高效节能、稳定可靠的运行。由于列车穿梭于线圈内部，不存在线圈之间的工作间隙问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无线传输地铁供电系统，其特征在于，包括电源、电源控制模块、高频发射模块、三抽头发射线圈、谐振线圈组、接收线圈、高频接收模块、电源管理模块、列车蓄电池；所述电源为本装置提供能量来源；

电源控制模块用于控制电源是否给高频发射模块供电，还具有调节电源电压稳定作用；

所述高频发射模块选用功率振荡电路产生高频交变电流；

所述三抽头发射线圈把高频电流转换为高频磁场发射出去；所述三抽头发射线圈采用平面螺旋式结构，使得匝与匝之间保持在一个平面上紧密结合；所述三抽头发射线圈沿着轨道分段铺设且垂直于轨道，三抽头发射线圈的下部埋于地下，列车从三抽头线圈内部穿过；

所述谐振线圈组组成能量传输中继通道，谐振线圈组布置在所述三抽头发射线圈的两侧；

所述接收线圈把空间高频交变磁场接受转换为高频电流，所述接收线圈同样采用平面螺旋式结构，接收线圈固定在每节车厢连接处的车框内部；

所述三抽头发射线圈、谐振线圈和接收线圈具有相同的谐振频率特性；

所述高频接收模块把收集的高频电磁波转化为电能；

所述电源管理模块对转化的电能进行管理供列车蓄电池使用；

所述高频发射模块包括高频信号发生电路、甲乙类推挽功率放大电路、发射电路；

所述高频信号发生电路由电容C1-电容C4、三极管Q2、电阻R1-R4、线圈L3组成的电容三点式振荡信号发生电路；甲乙类推挽功率放大电路由电容C1、电容C6、三极管Q1、R5-R8、MOS管T1、MOS管T2构成；

所述发射电路由电容C7、电容C8、线圈L1、线圈L2组成，所述电容C7的一端分别接甲乙类推挽功率放大电路的MOS管T1和线圈L1的一端，所述电容C7的另一端接线圈L1的另一端、电源、线圈L2的一端、电容C8的一端，所述电容C8的另一端接所述线圈L2的另一端和MOS管T2，所述线圈L1、线圈L2构成了一个带中心抽头的所述三抽头发射线圈，在半个周期内若输入高电平信号经MOS管T1门极，则MOS管T1导通，电流Ia流经线圈L1，能量由线圈L1发射出去，MOS管T2经过三极管Q1反向后MOS管T2端为低电平信号，则MOS管T2为高阻断状态；在另半个周期内若输入高电平信号经MOS管T2门极，则MOS管T2导通，电流Ib流经线圈L2，能量由线圈L2发射出去，这时MOS管T1门极电压为低电平信号，则MOS管T1为高阻断状态，电流Ia与Ib轮流出现；

所述的无线传输地铁供电系统还包括射频接收模块和射频发射模块，所述射频接收模块安装在轨道一侧，所述射频发射模块安装在列车的车头和车尾。

2.一种无线传输地铁充电方法，其特征在于：包括权利要求1所述的无线传输地铁供电系统，包括以下步骤：步骤一、将三抽头发射线圈采用平面螺旋式绕发绕成三抽头发射线圈，使得匝与匝之间保持在一个平面上紧密结合，将三抽头发射线圈沿着轨道分段铺设且垂直于轨道，三抽头发射线圈的下部埋于地下，三抽头发射线圈的抽头与高频发射模块连接，高频发射模块、电源控制模块、电源依次连接完成；

步骤二、将谐振线圈组布置在所述三抽头发射线圈的两侧，下部埋于地下；

步骤三、将接收线圈固定在每节车厢连接处的车框内部，接收线圈与高频接收模块连接，高频接收模块、电源管理模块、列车蓄电池依次连接完成；

步骤四、将三抽头发射线圈、谐振线圈和接收线圈调制相同的谐振频率；

步骤五、启动电源、电源控制模块、高频发射模块、三抽头发射线圈，当列车驶入到三抽头发射线圈和谐振线圈组组成的空间后，再启动接收线圈、高频接收模块、电源管理模块、列车蓄电池；此时为列车蓄电池充电。

3.根据权利要求2所述的无线传输地铁充电方法，其特征在于：所述列车为静止状态。

4.根据权利要求2所述的无线传输地铁充电方法，其特征在于：所述列车为行进状态。