CN113997804A - 一种船舶用无线供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及船舶无线充电技术领域，具体公开了一种船舶用无线供电系统，包括安装在岸基侧的岸基变换模块、功率提升模块、电能发射器，以及安装在船舶侧的电能接收器和艇载变换器。岸基变换模块包括2个以上岸基变换器，将接入的原始电源转变为2路以上第一高频交流电，功率提升模块对2路以上第一高频交流电进行并联接收及整合，输出第二高频交流电。艇载变换器将电能接收器接收的电能进行电流变换处理后，输出稳定的直流电为船舶充电或供电。本发明通过功率提升模块对各岸基变换器输出的第一高频交流电进行并合，得到功率成倍的第二高频交流电，再发射出去，能够实现更大功率的无线电能传输，且损耗更低，可大幅度提升船舶无线充电的效率。

Description

一种船舶用无线供电系统
技术领域
本发明涉及船舶无线充电技术领域，尤其涉及一种船舶用无线供电系统。
背景技术
为了响应国家节能环保政策，改善柴油机动力内河船舶所面临的环境污染及能源成本问题，我国开始关注新型内河船舶的动力研究。纯电动推进因其低能耗零污染而备受关注，船舶的动力来源也逐步由化石能源向电力方向发展。
然而，由于目前岸上充电方式的限制，当船舶进行充电时，需要先进行系缆作业，再连接岸上电缆为船舶供电，这种方式一方面需要人工进行电缆铺设和接插线，操作时十分不便；另一方面，船舶停靠后难免会出现摇晃，容易导致导线的磨损和老化，长此以往易产生导线打火等现场安全隐患，因此传统的单一导线式供电方式已无法满足船舶航运的需求。
发明内容
本发明提供一种船舶用无线供电系统及方法，解决的技术问题在于：如何采用无线电能传输方式为电动船舶进行高效率快速充电及无线供电。
为解决以上技术问题，本发明提供一种船舶用无线供电系统，包括安装在岸基侧的岸基变换模块、功率提升模块、电能发射器，以及安装在船舶侧的电能接收器和艇载变换器；
所述岸基变换模块包括2个以上岸基变换器，2个以上所述岸基变换器用于将接入的原始电源转变为2路以上第一高频交流电并传输至所述功率提升模块，所述功率提升模块对2路以上第一高频交流电进行并联接收及整合，输出第二高频交流电至所述电能发射器以向外辐射无线电能；
所述艇载变换器用于将所述电能接收器接收的电能进行电流变换处理后，输出稳定的直流电为船舶充电或供电。
效果在于：
1、在岸基侧设置2个以上岸基变换器，并通过功率提升模块对各岸基变换器输出的第一高频交流电进行并合，得到相比第一高频交流电功率成倍的第二高频交流电，再升压后通过电能发射器辐射，相比现在不采用功率提升模块的无线电能传输方式，能够实现更大功率的无线电能传输，且损耗更低，可大幅度提升船舶无线充电的效率。
优选的，所述功率提升模块包括第一变压器和第二变压器，所述第一变压器包括2个以上第一初级线圈及与该第一初级线圈一一耦合的2个以上第一次级线圈；
所述第二变压器包括耦合的第二初级线圈和第二次级线圈；
2个以上第一初级线圈与所述岸基变换器的输出端一一串联，2个以上第一次级线圈并联连接后连接所述第二初级线圈；
所述第二次级线圈连接所述电能发射器。
附加的效果在于：
2、在功率提升模块中设置第一变压器对多路第一高频交流电进行汇合，得到功率成倍的第二高频交流电并通过第二变压器传输至电能发射器，完成功率提升。
优选的，所述功率提升模块还包括连接在所述第一变压器与所述第二变压器之间的第一谐振电容，以及连接在所述第二变压器与所述电能发射器之间的第二谐振电容。
附加的效果在于：
3、第一谐振电容和第二谐振电容的加入使功率提升模块使电路传输效能更优。
优选的，所述功率提升模块还包括功率控制器，用于对所述第一变压器的输出电流、所述第二电压器的输入电压、所述第一谐振电容的电压、所述第二变压器的输出电流、所述电能发射器的输入电压和所述第二谐振电容的电压进行监测。
附加的效果在于：
4、通过功率控制器对功率提升模块的电流和电压进行实时监测并及时上传后台作数据分析，为系统的维修、维护、改进作参考。
优选的，一种船舶用无线供电系统还包括安装在岸基侧的岸基对接模块和安装在船舶侧的船舶对接模块；
所述岸基对接模块设有岸基对接控制器及与其连接的第一对接机构、识别机构，所述第一对接机构上安装有所述电能发射器；
所述船舶对接模块设有第二对接机构；
所述识别机构用于确定所述第二对接机构的位置；
所述岸基对接控制器用于根据所述第二对接机构的位置对所述第一对接机构进行位置调整，完成所述第一对接机构与所述第二对接机构的对位连接；还用于在需要时断开所述第一对接机构与所述第二对接机构的对位连接。
附加的效果在于：
5、在岸基侧设置岸基对接模块，在船舶侧设置船舶对接模块，岸基对接模块的岸基对接控制器对船舶对接模块进行对准及连接，以固定船舶并使电能发射器精准对位电能接收器，在充电过程中还予以保持，从而能够保证传输效率，因摆脱了导线的束缚，在确保充电效率的同时降低了船舶充电的安全隐患。
优选的，所述船舶对接模块还设有连接所述第二对接机构的船舶对接控制器，所述船舶对接控制器用于控制所述第二对接机构与所述第一对接机构进行配合，完成与所述第一对接机构的对位连接或断开连接。
附加的效果在于：
6、在船舶对接模块设置能够配合岸基对接控制器的船舶对接控制器，岸基对接控制器与船舶对接控制器相互配合，而不仅仅是单方面的岸基对接控制器动作，能够使得对位更加快速、精准且牢靠。
优选的，所述岸基变换器包括顺序连接的电源变换电路、原边谐振网络，所述电源变换电路用于将接入的所述原始电源转变为第一高频交流电并输入至所述原边谐振网络进行谐振后输出至所述第一变压器；
所述艇载变换器包括顺序连接的副边谐振网络、整流滤波电路和电流调节电路；所述副边谐振网络并联连接每个所述电能接收器并将接收的电能进行谐振后，由所述整流滤波电路进行整流滤波，再由所述电流调节电路进行调节，得到电压稳定的直流电。
优选的，所述岸基变换器还包括连接所述电源变换电路的原边控制器，以及连接所述原边控制器的原边无线通信模块，所述原边控制器用于控制所述电源变换电路的通断，还用于通过所述原边无线通信模块向所述艇载变换模块发送原边信号，还用于通过所述原边无线通信模块接收所述艇载变换模块发送的副边信号；
所述艇载变换器还包括连接所述整流滤波电路和所述电流调节电路的副边控制器，以及连接所述副边控制器的副边无线通信模块；所述副边控制器用于对所述整流滤波电路和所述电流调节电路进行监测，还用于通过所述副边无线通信模块向所述原边无线通信模块发送副边信号，还用于通过所述副边无线通信模块接收所述原边无线通信模块发送的原边信号。
附加的效果在于：
7、对应每个岸基变换器均设置有原边控制器及原边无线通信模块，而艇载变换模块设有副边控制器及副边无线通信模块，原副边控制器可对原副边充电电路进行实时监控，并通过各自的通信模块完成信息交互，方便系统实时保护、维护，提高系统的稳定性。
优选的，一种船舶用无线供电系统还包括设置在岸基侧的上位机，所述上位机连接所述岸基对接控制器、所述原边控制器及所述功率控制器；
所述上位机用于控制所述岸基对接控制器开启对所述第一对接机构和所述第二对接机构之间的对接程序；还用于
在所述第一对接机构与所述第二对接机构对位连接完成后，控制所述原边控制器开启充电程序；还用于
在充电过程中实时获取所述原边控制器、所述功率控制器的监测信息，在充电完成时断开所述第一对接机构与所述第二对接机构的连接；还用于
控制所述岸基对接控制器开启位置校正程序，根据实时获取的岸基对接控制器的检测信息对所述第一对接机构的位置进行调整。
附加的效果在于：
8、在岸基侧还设置上位机，上位机还连接岸基对接控制器，以控制对位程序的开启与关闭；上位机连接原边控制器以对原边充电电路进行控制、监测；上位机连接功率控制器，以实时监测功率提升模块的工作信息等。上位机及各个控制器的设置，实现了充电对接自动化，实现了系统的高度无人化。
优选的，一种船舶用无线供电系统还设有连接所述上位机的充电区监测模块，所述充电区监测模块用于监测充电区域是否有船舶驶入，所述上位机用于在所述充电区域有船舶驶入时控制所述岸基对接控制器进入对位连接程序。
附加的效果在于：
9、充电区监测模块可获取预设充电区域的船舶信息(是否有船舶进入)，从而根据该信息控制岸基对接控制器是否开启对接程序，进一步控制原边控制器是否开启充电电路等，做到了从船舶驶入充电区域、启动对接、完成对接、开启充电、断开充电、断开对接、驶离充电区域整个过程的无人化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种船舶用无线供电系统的大致结构图；
图2是本发明实施例提供的一种船舶用无线供电系统的电路图；
图3是本发明实施例提供的一种船舶用无线供电系统的细化结构图；
图4是本发明实施例提供的一种船舶用无线供电系统岸基侧的细化结构图；
图5是本发明实施例提供的一种船舶用无线供电系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
为实现电动船舶的高效率无线快速充电及无线供电，本发明实施例提供一种船舶用无线供电系统，如图1的结构图所示，包括安装在岸基侧的岸基变换模块、功率提升模块、电能发射器，以及安装在船舶侧的电能接收器和艇载变换器。
岸基变换模块包括2个以上岸基变换器，本例以3个为例进行说明。3个岸基变换器用于将接入的原始电源转变为3路以上第一高频交流电并传输至功率提升模块，功率提升模块对3路第一高频交流电进行并联接收及整合，输出第二高频交流电至电能发射器以向外辐射无线电能；
艇载变换器用于将电能接收器接收的电能进行电流变换处理后，输出稳定的直流电为船舶充电或供电。
其中电能发射器与电能接收器一起称为对接系统，在无线充电时需要将两者对准。
在岸基侧设置3个岸基变换器，并通过功率提升模块对各岸基变换器输出的第一高频交流电进行并合，得到相比第一高频交流电功率成3倍的第二高频交流电，再升压后通过电能发射器辐射，相比现在不采用功率提升模块的无线电能传输方式，能够实现更大功率的无线电能传输，且损耗更低，可大幅度提升船舶无线充电的效率。
进一步地，如图2的电路图所示，功率提升模块包括第一变压器和第二变压器，第一变压器包括3个第一初级线圈LA及与该第一初级线圈LA一一耦合的3个第一次级线圈LB；第二变压器包括耦合的第二初级线圈LC和第二次级线圈LD。
3个第一初级线圈L11与岸基变换器的输出端一一串联，3个第一次级线圈LB并联连接后连接第二初级线圈LC；
第二次级线圈LD连接电能发射器。
如图2所示，功率提升模块还包括连接在第一变压器与第二变压器之间的第一谐振电容C11，以及连接在第二变压器与电能发射器之间的第二谐振电容C12。
本例在功率提升模块中设置第一变压器对多路第一高频交流电进行汇合，得到功率成倍的第二高频交流电并通过第二变压器传输至电能发射器，完成功率提升。第一谐振电容C11和第二谐振电容C12的加入使功率提升模块使电路传输效能更优。
另外，功率提升模块还包括功率控制器，用于对第一变压器的输出电流、第二电压器的输入电压及第一谐振电容的电压、第二变压器的输出电流、电能发射器的输入电压和第二谐振电容的电压进行监测。通过功率控制器对功率提升模块的电流和电压进行实时监测并及时上传后台作数据分析，为系统的维修、维护、改进作参考。图2中的
Figure BDA0003322829600000071
表示测量电流的地方，
Figure BDA0003322829600000072
表示测量电压的地方。
如图2所示，岸基变换器包括顺序连接的电源变换电路、原边谐振网络，电源变换电路用于将接入的原始电源(Edc)转变为第一高频交流电并输入至原边谐振网络进行谐振后输出至第一变压器；
艇载变换器包括顺序连接的副边谐振网络、整流滤波电路和电流调节电路；副边谐振网络并联连接每个电能接收器并将接收的电能进行谐振后，由整流滤波电路进行整流滤波，再由电流调节电路进行调节，得到电压稳定的直流电。
优选的，如图3所示，岸基变换器还包括连接电源变换电路的原边控制器，以及连接原边控制器的原边无线通信模块，原边控制器用于控制电源变换电路的通断，还用于通过原边无线通信模块向艇载变换模块发送原边信号，还用于通过原边无线通信模块接收艇载变换模块发送的副边信号；
艇载变换器还包括连接整流滤波电路和电流调节电路的副边控制器，以及连接副边控制器的副边无线通信模块；副边控制器用于对整流滤波电路和电流调节电路进行监测，还用于通过副边无线通信模块向原边无线通信模块发送副边信号，还用于通过副边无线通信模块接收原边无线通信模块发送的原边信号。
图2所示为本例电源变换电路、原边谐振网络、功率提升模块、电能发射器、电能接收器、副边谐振网络、整流滤波电路和电流调节电路部分的具体电路图，根据具体需求，对这些电路可进行适应这些需求的改变。除这些基本电路外，本例对应每个岸基变换器均设置有原边控制器及原边无线通信模块，而艇载变换模块设有副边控制器及副边无线通信模块，原副边控制器可对原副边充电电路进行实时监控，并通过各自的通信模块完成信息交互，方便系统实时保护、维护，提高系统的稳定性。
如图4所示，本例船舶用无线供电系统还包括安装在岸基侧的岸基对接模块和安装在船舶侧的船舶对接模块。岸基对接模块设有岸基对接控制器及与其连接的第一对接机构、识别机构，第一对接机构上安装有电能发射器；
船舶对接模块设有第二对接机构；
识别机构用于确定第二对接机构的位置；识别方式优选采用图像识别，也可以采用其他识别方式，比如借助于传感设备的雷达定位等。
岸基对接控制器用于根据第二对接机构的位置对第一对接机构进行位置调整，完成第一对接机构与第二对接机构的对位连接；还用于在需要时断开第一对接机构与第二对接机构的对位连接。
本例在岸基侧设置岸基对接模块，在船舶侧设置船舶对接模块，岸基对接模块的岸基对接控制器对船舶对接模块进行对准及连接，以固定船舶并使电能发射器精准对位电能接收器，在充电过程中还予以保持，从而能够保证传输效率，因摆脱了导线的束缚，在确保充电效率的同时降低了船舶充电的安全隐患。
在具体实施时，通过合理设计第一对接机构和第二对接机构，满足本系统对其的要求。
为了使船舶和岸基对准更为快速、精准，船舶对接模块还设有连接第二对接机构的船舶对接控制器，船舶对接控制器用于控制第二对接机构与第一对接机构进行配合，完成与第一对接机构的对位连接或断开连接。即，这种情形不单单是第一对接机构动作，第二对接机构也进行简单配合，能够使得对位更加快速、精准且牢靠。
另外，如图4所示，为了及时检测到需要充电的船舶，本例还特别在岸基侧设置有充电区监测模块。为了进行全方位监控，本例还设有连接充电区监测模块、岸基对接控制器、原边控制器、功率控制器的上位机。
充电区监测模块用于监测充电区域是否有船舶驶入，并将相关检测信息及时上报至上位机。
上位机用于控制岸基对接控制器开启对第一对接机构和第二对接机构之间的对接程序；还用于
在第一对接机构与第二对接机构对位连接完成后，控制原边控制器开启充电程序；还用于
在充电过程中实时获取原边控制器、功率控制器的监测信息，在充电完成时断开第一对接机构与第二对接机构的连接；还用于
控制岸基对接控制器开启位置校正程序，根据实时获取的岸基对接控制器的检测信息对第一对接机构的位置进行调整。
本例在岸基侧还设置上位机，上位机还连接岸基对接控制器，以控制对位程序的开启与关闭；上位机连接原边控制器以对原边充电电路进行控制、监测；上位机连接功率控制器，以实时监测功率提升模块的工作信息等。上位机及各个控制器的设置，实现了充电对接自动化，实现了系统的高度无人化。充电区监测模块可获取预设充电区域的船舶信息(是否有船舶进入)，从而根据该信息控制岸基对接控制器是否开启对接程序，进一步控制原边控制器是否开启充电电路等，做到了从船舶驶入充电区域、启动对接、完成对接、开启充电、断开充电、断开对接、驶离充电区域整个过程的无人化。
本例无线供电系统在对接及充电过程中的控制流程图如图5所示。其中电源系统后台监控软件即上位机。艇载变换器后连接有艇载控制器，该艇载控制器可获取船舶的供电参数并通过总线(CAN BUS)反馈至各艇载变换器的副边控制器，副边控制器根据该供电参数可调节整流滤波电路及电流调节电路，还可将这些供电参数发送至原边控制器，原边控制器可控制其电源变换电路，进一步可将这些信息都发送至上位机，上位机可进一步进行调控。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船舶用无线供电系统，其特征在于，包括安装在岸基侧的岸基变换模块、功率提升模块、电能发射器，以及安装在船舶侧的电能接收器和艇载变换器；
所述岸基变换模块包括2个以上岸基变换器；2个以上所述岸基变换器用于将接入的原始电源转变为2路以上第一高频交流电并传输至所述功率提升模块；所述功率提升模块对2路以上第一高频交流电进行并联接收及整合，输出第二高频交流电至所述电能发射器以向外辐射无线电能；
所述艇载变换器用于将所述电能接收器接收的电能进行电流变换处理后，输出稳定的直流电为船舶充电或供电。
2.根据权利要求1所述的一种船舶用无线供电系统，其特征在于：
所述功率提升模块包括第一变压器和第二变压器，所述第一变压器包括2个以上第一初级线圈及与该第一初级线圈一一耦合的2个以上第一次级线圈；
所述第二变压器包括耦合的第二初级线圈和第二次级线圈；
2个以上第一初级线圈与所述岸基变换器的输出端一一串联，2个以上第一次级线圈并联连接后连接所述第二初级线圈；
所述第二次级线圈连接所述电能发射器。
3.根据权利要求2所述的一种船舶用无线供电系统，其特征在于：所述功率提升模块还包括连接在所述第一变压器与所述第二变压器之间的第一谐振电容，以及连接在所述第二变压器与所述电能发射器之间的第二谐振电容。
4.根据权利要求3所述的一种船舶用无线供电系统，其特征在于：所述功率提升模块还包括功率控制器，用于对所述第一变压器的输出电流、所述第二电压器的输入电压、所述第一谐振电容的电压、所述第二变压器的输出电流、所述电能发射器的输入电压和所述第二谐振电容的电压进行监测。
5.根据权利要求4所述的一种船舶用无线供电系统，其特征在于，还包括安装在岸基侧的岸基对接模块和安装在船舶侧的船舶对接模块；
所述岸基对接模块设有岸基对接控制器及与其连接的第一对接机构、识别机构，所述第一对接机构上安装有所述电能发射器；
所述船舶对接模块设有第二对接机构；
所述识别机构用于确定所述第二对接机构的位置；
所述岸基对接控制器用于根据所述第二对接机构的位置对所述第一对接机构进行位置调整，完成所述第一对接机构与所述第二对接机构的对位连接；还用于在需要时断开所述第一对接机构与所述第二对接机构的对位连接。
6.根据权利要求5所述的一种船舶用无线供电系统，其特征在于：所述船舶对接模块还设有连接所述第二对接机构的船舶对接控制器，所述船舶对接控制器用于控制所述第二对接机构与所述第一对接机构进行配合，完成与所述第一对接机构的对位连接或断开连接。
7.根据权利要求6所述的一种船舶用无线供电系统，其特征在于：所述岸基变换器包括顺序连接的电源变换电路、原边谐振网络，所述电源变换电路用于将接入的所述原始电源转变为第一高频交流电并输入至所述原边谐振网络进行谐振后输出至所述第一变压器；
所述艇载变换器包括顺序连接的副边谐振网络、整流滤波电路和电流调节电路；所述副边谐振网络并联连接每个所述电能接收器并将接收的电能进行谐振后，由所述整流滤波电路进行整流滤波，再由所述电流调节电路进行调节，得到电压稳定的直流电。
8.根据权利要求7所述的一种船舶用无线供电系统，其特征在于：
所述岸基变换器还包括连接所述电源变换电路的原边控制器，以及连接所述原边控制器的原边无线通信模块，所述原边控制器用于控制所述电源变换电路的通断，还用于通过所述原边无线通信模块向所述艇载变换模块发送原边信号，还用于通过所述原边无线通信模块接收所述艇载变换模块发送的副边信号；
所述艇载变换器还包括连接所述整流滤波电路和所述电流调节电路的副边控制器，以及连接所述副边控制器的副边无线通信模块；所述副边控制器用于对所述整流滤波电路和所述电流调节电路进行监测，还用于通过所述副边无线通信模块向所述原边无线通信模块发送副边信号，还用于通过所述副边无线通信模块接收所述原边无线通信模块发送的原边信号。
9.根据权利要求8所述的一种船舶用无线供电系统，其特征在于：还包括设置在岸基侧的上位机，所述上位机连接所述岸基对接控制器、所述原边控制器及所述功率控制器；
所述上位机用于控制所述岸基对接控制器开启对所述第一对接机构和所述第二对接机构之间的对接程序；还用于
在所述第一对接机构与所述第二对接机构对位连接完成后，控制所述原边控制器开启充电程序；还用于
在充电过程中实时获取所述原边控制器、所述功率控制器的监测信息，在充电完成时断开所述第一对接机构与所述第二对接机构的连接；还用于
控制所述岸基对接控制器开启位置校正程序，根据实时获取的岸基对接控制器的检测信息对所述第一对接机构的位置进行调整。
10.根据权利要求9所述的一种船舶用无线供电系统，其特征在于：还设有连接所述上位机的充电区监测模块，所述充电区监测模块用于监测充电区域是否有船舶驶入，所述上位机用于在所述充电区域有船舶驶入时控制所述岸基对接控制器进入对位连接程序。
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