CN114217153B - 一种包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置 - Google Patents

一种包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，其特征在于：包括环形保护墙，沿环形保护墙圆周可拆卸式设置的能量发射机构，沿环形保护墙中心轴转动的转动机构，连接在转动机构上的安装架，以及可拆卸式设置于安装架上的能量接收机构；所述能量发射机构包括能量发射线圈和磁芯，能量接收机构包括能与能量发射线圈产生水平方向感应磁场的能量接收线圈和磁芯。其效果是：能够充分模拟电动汽车、轨道交通列车在高速运行状态下的动态无线供电过程，对高速动态无线供电技术的研究提供了硬件支撑；所有器件均可拆卸替换，并重复使用，产生了良好的经济效益，所有实验数据均可通过上位机采集记录，而且具有更好的安全性。

Description

一种包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置
技术领域
本发明涉及无线供电技术，尤其涉及一种包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置。
背景技术
无线供电是一种非接触式的供电方式，通常利用电磁感应原理实现能量从发射端传递到接收端，发射端将电能转化为以电磁场能形式存在的中继能量，隔空传输一定距离后，再通过接收线圈将中继能量转化为电能，实现电能的无线传输。
动态磁耦合谐振式无线供电技术(下称“动态无线供电技术”)作为磁耦合谐振式无线供电技术的延伸，是实现电动汽车、轨道交通列车、自动导引车等设备在移动中无接触供电的可靠手段，也是提升此类设备续航里程，保障更高速度下安全稳定供电的理想方案。以图1所示电动汽车的动态无线供电系统为例，其整体系统包括直流源，高频逆变器，发射线圈和对应的谐振补偿网络，接收线圈和对应的谐振补偿网络，高频整流器，DC/DC直流变换器，车载储能以及牵引负荷。
电动汽车在动态无线充电的过程中，控制器根据车辆行驶的位置投切对应的高频逆变器进行工作；高频逆变器将直流电源转换为高频的交流电源，并通过谐振补偿提高提高电能质量；再利用电磁感应原理，将能量从发射线圈传递到接收线圈；接收线圈感应出的高频电源经过车载的整流滤波和电能变换最终使得电能为车辆负载所用。
目前，在国际范围内，已有几条动态无线供电示范线投入了调试和运行，但为保障供电效率及稳定性，其移动速度较低，大多集中在10～60km/h的低速范围。然而，要实现高速动态无线供电，还存在巨大的理论和技术难题，如：①在高速移动条件下，由于接收线圈快速切割发射线圈磁场，且发射线圈与接收线圈间耦合强度快速变化，是否会产生动生电势、谐振失效、电流畸变等附加效应影响系统能量传输？②由于分段发射线圈频繁切换，高速下动态无线供电系统高频磁场的均匀性和连续性难以保障，且随着速度的提升，分段切换暂态在总运行时间的占比越来越大，系统输出平稳性能否保障？③在高速移动过程中，负载需求功率、耦合参数(线圈互感、自感等)在宽范围内快速变化，且系统各环节功率损耗受耦合参数和负载功率影响极大，高速下系统传输效率平稳性能否维持？
为研究和解决以上难题，一套能模拟高速动态无线供电的科学装置必不可少，而其中，能够实现高速(200km/h)移动的实验平台则是其中最为关键的基础支撑。目前，针对动态无线供电系统的实验平台大多移动速度极慢，国内外尚无可以实现200km/h及以上速度的高速动态无线供电工况测试环境或实验平台。
为了研究高速移动条件下动态无线供电系统的运行特性，需要在有限空间内构造可实现高速相对运动的平台。目前，在高速接触受流、高速磁悬浮等领域，国内外的研究团队通过搭建高速旋转机构，实现了对高速铁路列车、高速磁浮列车的高速工况模拟。在已有的高速旋转机构中具备代表性的实现方案包含以下两种：
(1)旋转电机模式，如中国专利201721681285.5公开的一种底盘旋转型第三轨/集电靴受流与磨耗试验台，该方案中的旋转底盘通过电机带动集电靴快速转动，达到第三轨/集电靴受流与磨耗试验的目的，此类高速旋转机构虽然能够实现一定的移动速度要求，但其转臂由于其机械结构特性限制，机械臂旋转过程中底盘力矩不平衡，旋转速度和承重极为受限，而电动汽车，轨道交通列车在高速运动的情况下，方向稍有偏移就会产生很大的位移偏差，特别是对于动态无线供电系统来说，较大的位移偏差意味着线圈之间的耦合会受到严重的影响，因此该系统无法模拟高速动态无线供电系统的偏移特性；另外，该系统为了方便第三轨和集电靴的接触，将夹具和旋转圆盘之间的距离设计得很近，缺乏线圈的安装空间，因此该系统也不适用于高速动态无线供电系统。
(2)直线电机模式，西南交通大学研究团队在开发高温超导磁浮列车关键技术的过程中，搭建了一套采用直线电机驱动的旋转平台，可参考文献：胡博.高温超导磁悬浮动态测试系统的运动控制与数据检测[D].西南交通大学,2017。该平台采用了直线电机的模式，取消了旋转电机必须的滚动轴承、传动齿轮，提高了能源利用效率，增强了加速、减速以及爬坡能力，也减少了噪音污染，成功验证了直线电机推进、高精度控制等技术。然而，此类高速旋转机构虽然能够满足200km/h以上的移动速度要求，但此类测试平台主要用于高速接触供电系统和高速磁浮列车领域的研究，设计侧重点于研究直线电机牵引或是磁浮列车的超导特性，平台移动端无法搭载大体积的无线供电线圈、高频变流设备及信号采集、通讯和控制模块，并不适用于高速动态无线供电的研究领域。
综上可以看出，随着对动态无线供电系统运行速度需求的不断提升，系统在高速条件下的电流振荡、动生电势、谐振失效等特性也逐渐显现，极大地影响了动态无线供电系统的高效平稳运行，亟需明晰系统在更高速度下供电机理，由此催生了对研制高速动态无线供电实验验证装置的重大需求。当前，鲜有对于高速动态无线供电系统的理论和实验研究。在工业界，现有动态无线供电示范线由于运行速度较低、控制环节简单、对设备移动方式限制较多，难以实现高速动态无线供电系统的复刻和机理验证；在学术界，有较少文献在动态无线供电系统的分段供电策略、效率提升等方面提出了解决方案并搭建了原理样机，但对于研制高速动态无线供电装置仍有不足。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种高速动态无线供电模拟实验装置，该装置的研制对指导高速动态无线供电系统数学模型精确建立、明晰高速动态无线供电机理，验证高速动态无线供电系统高效平稳运行的基础理论和关键技术具有巨大的推动作用，并且平台可根据测试需求，更换不同的线圈和变流器，对不同的高速动态无线供电基础理论及关键技术进行实验验证。
为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，其关键在于：包括环形保护墙，沿所述环形保护墙圆周可拆卸式设置的能量发射机构，沿所述环形保护墙中心轴转动的转动机构，连接在所述转动机构上的安装架，以及可拆卸式设置于所述安装架上的能量接收机构；
所述能量发射机构包括能量发射线圈，所述能量接收机构包括能与所述能量发射线圈产生水平方向感应磁场的能量接收线圈。
可选地，所述转动机构包括直驱电机驱动柱，所述安装架为均匀分布在所述直驱电机驱动柱上的多根旋转臂。
可选地，在至少一根旋转臂的端部可拆卸式安装有密封舱体，所述能量接收机构设置在所述密封舱体内，在所述密封舱体中还设置有电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器，所述电压传感器用于检测所述能量接收线圈的拾取电压，所述电流传感器用于检测所述能量接收线圈的拾取电流，所述温度传感器用于检测所述能量接收线圈的工作环境温度，所述压力传感器用于检测所述能量接收线圈的受力数据；
所述电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器所检测的数据通过无线通信上传至上位机。
可选地，所述转动机构包括直驱电机驱动柱，所述安装架为设置在所述直驱电机驱动柱上的旋转圆盘。
可选地，所述旋转圆盘设置有两层，且在两层所述旋转圆盘的外侧壁上圆周均匀分布有多个垂直放置的所述能量接收机构。
可选地，在所述旋转圆盘的盘面上安装有电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器，所述电压传感器用于检测所述能量接收线圈的拾取电压，所述电流传感器用于检测所述能量接收线圈的拾取电流，所述温度传感器用于检测所述能量接收线圈的工作环境温度，所述压力传感器用于检测所述能量接收线圈的受力数据；
所述电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器所检测的数据通过无线通信上传至上位机。
可选地，所述能量发射机构还包括发射端磁芯，所述能量接收机构还包括接收端磁芯，所述发射端磁芯由多条竖向均匀分布在所述环形保护墙内壁上的条形磁芯构成。
可选地，还包括与所述上位机通信连接的本地控制器，所述本地控制器与所述直驱电机驱动柱的驱动电机以及所述能量发射机构的控制模块连接，所述本地控制器根据所述上位机反馈的数据控制所述直驱电机驱动柱的转速以及所述能量发射机构的供电状态。
可选地，所述能量发射线圈为利兹线绕制的回型线圈，所述能量发射机构中均匀分布有至少两段所述能量发射线圈，且相邻两段所述能量发射线圈的端部相互抵接。
可选地，所述环形保护墙的上端呈敞口状。
本发明的显著效果是：
(1)本装置能够充分模拟电动汽车、轨道交通列车在高速运行状态下的动态无线供电过程，对高速动态无线供电技术的研究提供了硬件支撑，填补了国内外在高速动态无线供电实验平台领域的空白；
(2)该装置的应用可节省大量经济成本，所有器件均可拆卸替换，并重复使用，产生了良好的经济效益，为高速动态无线供电的相关项目研究提供了强有力的工具，后续可应用到其他高速运动系统的研究，具有良好的科研潜力；
(3)该装置提高了高速动态无线供电实验的效率，所有实验数据均可通过上位机采集记录，具有更好的安全性，有利于高速动态无线供电实验的高效安全进行；
(4)该装置相对于开放式旋转平台而言，在旋转机构外侧加装了环形保护墙体，有效避免了由于高旋转速度导致转臂断裂带来的安全隐患，加之发射线圈阵列安装在墙体内侧，高速动态无线供电的运行场景也可得到有效还原。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是传统电动汽车动态无线供电系统结构示意图；
图2是本发明具体实施例1的安装结构示意图；
图3是图2拆解状态图；
图4是本发明具体实施例2的安装结构示意图；
图5是图4拆解状态图；
图6是本发明具体实施例中信号采集及通信系统的电路原理框图；
图7是本发明具体实施例中监测-保护-控制系统的电路原理框图。
图中标记：1-环形保护墙，2-能量发射机构，21-能量发射线圈，22-发射端磁芯，3-转动机构，4-安装架，5-能量接收机构。
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。
实施例1：
如图2、图3所示，本实施例提供一种包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，包括环形保护墙1，沿所述环形保护墙1圆周可拆卸式设置的能量发射机构2，沿所述环形保护墙1中心轴转动的转动机构3，连接在所述转动机构3上的安装架4，以及可拆卸式设置在所述安装架4上的能量接收机构5；
环形保护墙1可以采用砖墙或水泥混凝土墙，也可以采用木质或其它材质制作而成，环形保护墙1既可以作为能量发射线圈21的安装载体，又可以作为实验装置的安全防护墙，防止设备高速运转发生所引起的设备脱离而造成安全事故，具体实施时，根据实验场地的大小，环形保护墙1内径通常设置为3.5～4m，环形保护墙1的上端呈敞口状，既方便根据不同模拟场景的需求替换能量发射机构2和能量接收机构5，又方便对实验过程中设备的运行状态进行观察和记录。
能量发射机构2包括能量发射线圈21，为了提升无线供电的传输效率，能量发射机构2还包括发射端磁芯22，从图2和图3可以看出，本实施例中，能量发射线圈21为利兹线绕制的回型线圈，在能量发射机构2中均匀分布有至少两段所述能量发射线圈21，且相邻两段所述能量发射线圈21的端部相互抵接，整体构成圆环状，发射端磁芯22由多条竖向均匀分布在所述环形保护墙1内壁上的条形磁芯构成。
转动机构3包括直驱电机驱动柱，安装架4为均匀分布在所述直驱电机驱动柱上的多根旋转臂，通过直驱电机驱动柱带动多根旋转臂高速转动来模拟高速动态工况，以实现200km/h及以上速度的高速动态无线供电工况测试环境的模拟。
所述能量接收机构5包括能与所述能量发射线圈21产生水平方向感应磁场的能量接收线圈，通常在能量接收机构5中还设置有接收端磁芯。
为了便于能量接收线圈的安装以及实验数据的获取，在具体实施时，通常针对每个能量接收线圈配置有一个密封舱体，实验测试时，在至少一根旋转臂的端部可拆卸式安装密封舱体，能量接收机构5设置在所述密封舱体内，在所述密封舱体中还设置有电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器，所述电压传感器用于检测所述能量接收线圈的拾取电压，所述电流传感器用于检测所述能量接收线圈的拾取电流，所述温度传感器用于检测所述能量接收线圈的工作环境温度，所述压力传感器用于检测所述能量接收线圈的受力数据；
所述电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器所检测的数据通过无线通信上传至上位机。
为了模拟不同的能量发射机构2和能量接收机构5在不同偏移状况下的无线供电效果，通过安装架4改变密封舱体的位置，可以调节能量发射线圈21和能量接收线圈的水平间距、垂直间距及朝向角度。
为了便于转速的调节和能量发射状态的控制，本装置还包括与所述上位机通信连接的本地控制器，所述本地控制器与所述直驱电机驱动柱的驱动电机以及所述能量发射机构2的控制模块连接，所述本地控制器根据所述上位机反馈的数据控制所述直驱电机驱动柱的转速以及所述能量发射机构2的供电状态。
本实施例所提供的包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，运行时，首先导通为能量发射线圈供电的直流电源，使得逆变器等电气设备开始工作；根据不同模拟实验需求，逆变器将直流源转化为不同频率的交流电；能量发射线圈开始工作以后，开启直驱电机的电源，使得直驱电机驱动柱3带动安装架4高速转动；高速转动的过程中，位于安装架4末端密闭舱体内的能量接收线圈根据电磁感应原理产生相应的感应电动势，能量接收线圈产生的感应电动势经过整流滤波输出到负载侧进行供电。负载侧的电压、电流、温度、受力等运行工况通过信号采集和通讯模块实时发送到上位机进行实验数据的记录和分析。监测-保护-控制设备实时监测高速旋转平台的运行情况判断系统是否出现故障，并进行断电保护；同时，根据不同的速度模拟需求，上位机可通过监测-保护-控制设备调节直线电机转速。
可以看出，直线电机驱动高速转臂高速转动，其动态过程模拟了电动汽车、轨道交通列车等交通设备的高速运行工况。高速转臂末端密闭舱体中的能量接收线圈随转臂高速运动的过程中产生了感应电动势，从而真实地模拟了电动汽车、轨道交通列车的高速动态无线供电的过程。
实施例2：
如图4和图5所示，本实施例提供一种笼型包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，与实施例1的区别主要在于安装架4的结构以及能量接收机构5和各种传感器的安装方式调整，从图4和图5可以看出，本例中安装架4为设置在所述直驱电机驱动柱上的旋转圆盘，具体实施时，所述旋转圆盘设置有两层，且在两层所述旋转圆盘的外侧壁上圆周均匀分布有多个垂直放置的所述能量接收机构5，在所述旋转圆盘的盘面上安装电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器。
本实施例中通过上下两个圆盘来固定垂直放置的能量接收线圈，可根据实际的实验需求，增加或减少接收线圈的个数；运行时，直驱电机驱动柱带动上下两个圆盘同步旋转，使得固定在旋转圆盘末端的能量接收线圈与安装在环形保护墙上的能量发射线圈产生水平的感应磁场，实现无线供电。
具体实施时，该装置还可以配置独立的电气系统、信号采集及通讯系统以及监测-保护-控制系统，直驱电机带动高速转臂旋转用于模拟交通设备的高速动态过程，安装架为不同的模拟实验提供了安装载体。
电气系统可根据模拟高速动态无线供电的不同应用场景而更换不同的电气设备(如线圈、变流器、传感器等)。运行过程中，将能量接收端设备固定安装在高速转臂或旋转圆盘上，由高速电机带动转臂沿圆形路径高速运行，模拟高速动态无线供电系统的工作状态。
信号采集及通讯系统可以安装在高速转臂末端的密封舱体中，有可以直接安装在旋转圆盘上，用于实时采集电气系统在运行过程中电压/电流/温度/受力等实验数据，并通过无线通信的方式发送到上位机中进行记录和处理。
如图6所示，该系统主要包括安装在高速转臂末端的信号采集及发射器，和一个在环形安装墙体外部的信号接收器，每个信号采集及发射器包括的硬件设备有供电电源、信号采集模块(包括电压传感器、电流传感器、温度传感器、受力传感器等)、无线信号发射模块(如nRF24L01)以及采样控制器(如stm32f103c8t6)。接收端的硬件设备有通信模块(如nRF24L01)、控制器(如stm32f103c8t6)和上位计算机。
监测-保护-控制系统分用于监测高速旋转平台的实际运行状况，确保异常情况下系统快速预警及保护动作，并实现系统的实时反馈控制。为避免系统高速运行时产生安全问题，在密封舱体内部和外部安装多方位红外探头，在实验装置运行过程中产生电气故障、机械故障、结构损毁等问题时，及时预警并启动保护机制，实施断电操作并停止旋转设备运行。控制模块配套相应的控制单元，通过控制能量发射侧的变流器和电机控制器，实现相应的调压、调频、调速控制，以实现系统电气系统工况模拟，并提升系统供电的效率及可靠性。
如图7所示，在基于nRF24L01模块构成的采样通信系统基础上，本实验装置还构建了一种监测-保护-控制系统用于监测高速旋转平台的实际运行状况，确保异常情况下系统快速预警及保护动作，并实现系统的实时反馈控制。nRF24L01拥有6个通道，可工作在2.4GHz～2.5GHz，每次发送数据的容量为32字节，本装置的通信模块经配置平均速度可达900字节/秒，配合内部和外部安装多方位红外探头，每秒可对平台的电压、受力等参数进行900次监测。在检测到装置运行过程中产生电气故障、机械故障、结构损毁等问题时，及时预警并启动保护机制，实施断电操作并停止旋转设备运行。通信系统的信号接收端相应的控制单元，通过控制能量发射侧的变流器和电机控制器，实现相应的调压、调频、调速控制，以实现系统电气系统工况模拟，并提升系统供电的效率及可靠性。
值得注意的是，在转臂高速旋转的过程中，为防止由于转臂承载重量过大，高速条件下转臂断裂并飞出等造成安全事故，环形保护墙1可以采用砖墙或水泥混凝土墙，确保平台运行的安全性。
最后需要说明的是，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 (8)

1.一种包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，其特征在于：包括环形保护墙(1)，沿所述环形保护墙(1)圆周可拆卸式设置的能量发射机构(2)，沿所述环形保护墙(1)中心轴转动的转动机构(3)，连接在所述转动机构(3)上的安装架(4)，以及可拆卸式设置在所述安装架(4)上的能量接收机构(5)；
所述能量发射机构(2)包括能量发射线圈(21)，所述能量接收机构(5)包括能与所述能量发射线圈(21)产生水平方向感应磁场的能量接收线圈；
所述转动机构(3)包括直驱电机驱动柱，所述安装架(4)为均匀分布在所述直驱电机驱动柱上的多根旋转臂；或者所述安装架(4)为设置在所述直驱电机驱动柱上的旋转圆盘。
2.根据权利要求1所述的包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，其特征在于：在至少一根旋转臂的端部可拆卸式安装有密封舱体，所述能量接收机构(5)设置在所述密封舱体内，在所述密封舱体中还设置有电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器，所述电压传感器用于检测所述能量接收线圈的拾取电压，所述电流传感器用于检测所述能量接收线圈的拾取电流，所述温度传感器用于检测所述能量接收线圈的工作环境温度，所述压力传感器用于检测所述能量接收线圈的受力数据；
所述电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器所检测的数据通过无线通信上传至上位机。
3.根据权利要求1所述的包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，其特征在于：所述旋转圆盘设置有两层，且在两层所述旋转圆盘的外侧壁上圆周均匀分布有多个垂直放置的所述能量接收机构(5)。
4.根据权利要求3所述的包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，其特征在于：在所述旋转圆盘的盘面上安装有电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器，所述电压传感器用于检测所述能量接收线圈的拾取电压，所述电流传感器用于检测所述能量接收线圈的拾取电流，所述温度传感器用于检测所述能量接收线圈的工作环境温度，所述压力传感器用于检测所述能量接收线圈的受力数据；
所述电压传感器、电流传感器、温度传感器以及压力传感器所检测的数据通过无线通信上传至上位机。
5.根据权利要求2或3所述的包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，其特征在于：所述能量发射机构(2)还包括发射端磁芯(22)，所述能量接收机构(5)还包括接收端磁芯，所述发射端磁芯(22)由多条竖向均匀分布在所述环形保护墙(1)内壁上的条形磁芯构成。
6.根据权利要求2或3所述的包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，其特征在于：还包括与上位机通信连接的本地控制器，所述本地控制器与所述直驱电机驱动柱的驱动电机以及所述能量发射机构(2)的控制模块连接，所述本地控制器根据所述上位机反馈的数据控制所述直驱电机驱动柱的转速以及所述能量发射机构(2)的供电状态。
7.根据权利要求1所述的包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，其特征在于：所述能量发射线圈(21)为利兹线绕制的回型线圈，所述能量发射机构(2)中均匀分布有至少两段所述能量发射线圈(21)，且相邻两段所述能量发射线圈(21)的端部相互抵接。
8.根据权利要求1所述的包围式高速动态无线供电系统模拟实验装置，其特征在于：所述环形保护墙(1)的上端呈敞口状。
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