CN114374277A - 一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置 - Google Patents

一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置 Download PDF

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Abstract

一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置,包括岸电端、船舶端，岸电端包括电磁发射系统；所述船舶端包括电磁接收系统，电磁发射系统由激磁线圈和发射线圈组成；所述电磁接收系统由接收线圈和负载线圈组成，发射线圈与接收线圈之间通过空间磁场的谐振耦合实现电能的无线传输；还包括用于实现电磁发射系统和电磁接收系统对接的对接组件，所述对接组件包括固定单元以及设置在船舶上的拾取单元，所述固定单元包括基座、牵引机构、浮标；所述基座上设有电能变换装置，岸电端还包括与所述固定单元连接的海底电缆，基座与浮标之间通过牵引机构连接，所述电磁发射系统设置在浮标上。本发明可实现自动化的对接充电作业，充电效率以及安全性都有了较大提升。

Description

一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置
技术领域
本发明属于船舶无线充电技术领域，尤其是一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置。
背景技术
船舶岸电技术是指船舶在靠港期间停止使用船舶上的燃油辅机，改用由陆上电网直接提供电能的供电技术。船舶岸电受到有关部门的大力提倡和推广的原因主要是其在节能减排、减少污染的方面表现较为突出。有关部门也相继出台了对港口和船舶使用岸电的要求和计划。但是目前岸电的部分设施和技术存在一定的障碍，也存在一些明显的缺点。岸电按照电压的高低可分为低压岸电和高压岸电两种。1KV以下的为低压岸电，1～20KV为高压岸电。低压岸电对船舶供电工作比较容易实现，不需要进行复杂的码头改造。但在连接的过程中，不便于安放系统变电箱，需要驳船来进行充电，并且在连接时会产生额外的工作量。低压供电需要九根电缆来连接船舶受电系统与供电系统，安装和拆卸需要的时间就相应增加；在用高压岸电对船舶进行供电时，由高压变频变电设备变电输出到高压接线箱。与低压岸电相比，高压岸电仅需要使用一根电缆就可实现船舶受电系统与供电系统的连接，相应的工作流程有所减少。但是高压电在上船前需要进行降压操作，需要在船上安装变压器，改造过程过于复杂，变压设备会占据船舱内的有限空间。所以综合来看传统的“有线式”岸电供电系统的缺点和现状在于以下6方面:①变频问题②供电与受电系统的线制匹配问题③岸电端与船舶受电端的链接问题④安全问题⑤空间问题⑥投资维修问题。
无线充电技术是不以任何物理和金属介质作为载体，基于空气为介质的新型电能传输技术。所以与传统的有线充电方式相比，无线充电不需要借助复杂的线路，其安全性和便捷性都十分突出。因为无线供电技术在船舶供电方面的应用属于新型的岸电技术，所以其具有岸电替代船舶辅机供电的有利条件，本文对无线充电与船舶辅机发电相比的优缺点不进行阐述。与传统有线岸电相比，无线充电技术应用在船舶方面主要具有以下5个优点：①安全性好②维修量和人员工作量少③空间占用少④花费时间少⑤灵活性高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，可实现自动化的对接充电作业，充电效率以及安全性都有了较大提升。
本发明提供了一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，其解决技术问题的技术方案包括岸电端、船舶端，所述岸电端包括电磁发射系统；所述船舶端包括电磁接收系统，所述电磁发射系统由激磁线圈和发射线圈组成；所述电磁接收系统由接收线圈和负载线圈组成，发射线圈与接收线圈之间通过空间磁场的谐振耦合实现电能的无线传输；还包括用于实现电磁发射系统和电磁接收系统对接的对接组件，所述对接组件包括固定单元以及设置在船舶上的拾取单元，所述固定单元包括基座、牵引机构、浮标；所述基座上设有电能变换装置，所述岸电端还包括与所述固定单元连接的海底电缆，所述基座与浮标之间通过牵引机构连接，所述电磁发射系统设置在浮标上。
优选的，所述对接组件还包括设置在基座上的定位杆以及设置在船舶上的V型夹，所述V型夹可夹持所述定位杆实现拾取单元和固定单元的定位。
优选的，所述V型夹连接有驱动其开合的驱动装置，所述V型夹上设有转动连接的捕捉杆，所述捕捉杆与V型夹之间连接有弹簧。
优选的，所述拾取单元还设有锁紧机构，所述锁紧机构可实现对接组件的锁紧。
优选的，所述牵引机构包括钢缆，所述钢缆的一端连接在基座上，钢缆的另一端与浮标连接。
优选的，所述发射线圈和接收线圈均为拱形结构，所述发射线圈的宽度大于所述接收线圈的宽度。
优选的，所述岸电端还包括监测站，所述基座上还设有无线电能及数据传输系统，所述监测站与无线电能及数据传输系统通过海底电缆连接，所述无线电能及数据传输系统可检测船舶的电量信息以及充电信息并发送信息至监测站。
综上所述，运用本发明的技术方案，至少具有如下的有益效果：
1、本发明设计的电动船舶无线充电系统无需人工现场参与，只需要远程控制系统的工作即可完成无线充电，实现无人值守的目标，同时也大大提升了电动船舶的工作效率，也为无人船巡检的普及提供了技术支持。
2、本发明通过对接组件可实现船舶端的发射线圈和接收线圈的自动对接，提高了无线充电的对接耦合前工作准备的效率。
3、通过设置水下漂浮式对接的方式，成本低，全方位对接，对接简单，不需要海底电能拾取设备有很好的动力系统，可靠性高。
4、通过发射线圈和接收线圈的具体结构和二者不同大小的设计，可适应一定范围内的对接偏移达到更好的耦合充电效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明无线电能传输发射和接收模型示意图；
图2是本发明WPT系统等效电路模型示意图；
图3是本发明整体电磁耦合结构示意图；
图4是本发明耦合机构原副边线圈偏移等效示意图；
图5是本发明对接装置示意图；
图6是本发明对接装置结构示意图；
图7是本发明系统整体示意图；
图8是本发明原副边阻抗及电池电量关系图；
图9是本发明充电过程控制策略流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，如图1-9所示，包括岸电端、船舶端，所述岸电端包括电磁发射系统；所述船舶端包括电磁接收系统，所述电磁发射系统由激磁线圈和发射线圈组成；所述电磁接收系统由接收线圈和负载线圈组成，发射线圈与接收线圈之间通过空间磁场的谐振耦合实现电能的无线传输；其中，激磁线圈由激励源(高频功放)VS和单匝线圈组成，负载线圈由单匝线圈和负载组成，在充电时，通过电磁耦合机构实现能量由岸电端到船舶端的无线传递。岸电端首先通过原级电能变换装置将工频交流电转换为高频交流电，然后将该高频交流电经过谐振补偿后注入发射线圈，并在发射线圈周围一定空间内产生高频交变磁场；船舶端的接收线圈会捕捉到部分高频交变磁场，并产生高频感应电压，次级电能变换装置会对该高频感应电压进行变换与调节，使其最终满足不同负载的要求，其中发射线圈和接收线圈均由具有相同谐振频率的多匝线圈组成，这样可以更好的提高电能传输的效率，避免电能的浪费。
为了便于实现对船舶进行水下充电，本发明还包括用于实现电磁发射系统和电磁接收系统对接的对接组件，所述对接组件包括固定单元以及设置在船舶上的拾取单元，所述固定单元包括基座、牵引机构、浮标；所述基座上设有电能变换装置，所述岸电端还包括与所述固定单元连接的海底电缆，所述基座与浮标之间通过牵引机构连接，所述电磁发射系统设置在浮标上；其中牵引机构包括钢缆，所述钢缆的一端连接在基座上，钢缆的另一端与浮标连接。
本申请提出了一种水下漂浮式对接的方式；这种方式如图5所示，装置通过海下电缆供电，头部充电装置在浮标的浮力作用下漂浮，头部与底部通过钢缆和导线连接，受到海底基座的牵引，类似于海草存在于海洋中。该方式利用水下浮标上的捕捉装置捕捉水下电能拾取设备，然后利用头部的耦合装置通过电磁感应系统进行充电和信息传输。这种方式成本低，全方位对接，对接简单，不需要海底电能拾取设备有很好的动力系统，可靠性高。
捕捉式对接是指捕捉装置捕捉对接装置上的绳索、杆类等定位目标后，并向对接装置运动以完成装置对接，原理如图6所示。水下电能拾取设备依靠定位技术向对接装置横向运动，并通过V型夹捕捉定位杆，然后沿定位杆向对接装置纵向运动以对接工作。对接装置主要由V型夹、定位杆、锁紧机构和基座组成。当待充电船舶靠近对接机构时，船上的V型夹触发弹簧，捕捉杆会被定位杆顶到一侧，定位杆进入“V型夹”的槽中被捕捉杆锁住，同时上端锁紧机构落下并锁紧船舶上的对接装置，需要打开时，驱动装置拉动捕捉杆将定位杆放出。该对接方式需要在船舶侧对接装置上增加V型导向机构，具有全方位对接的优点，对定位精度要求不是很高，可靠性很高。
为了适应一定的对接误差，如附图4所示，本发明发射线圈和接收线圈均为拱形结构，所述发射线圈的宽度大于所述接收线圈的宽度，这样接收线圈在一定偏移的情况下均可以落在发射线圈的范围内，提高耦合的稳定性。
岸电端还包括监测站，所述基座上还设有无线电能及数据传输系统，所述监测站与无线电能及数据传输系统通过海底电缆连接，所述无线电能及数据传输系统可检测船舶的电量信息以及充电信息并发送信息至监测站。本申请还包括控制系统以及定位系统，所述定位系统可监测定位所述对接组件中各部件的位置，并通过控制系统实现自动对接，在整个对接充电过程中，通过控制系统和定位系统，可以实现完全自动化，在具体充电过程中，系统工作模式如图9所示，船舶靠岸后停靠在水下无线充电与数据传输平台上，平台通过谐振线圈电流大小识别负载，识别到负载之后发送握手指令，船舶应答指令并发送电池状态信息。平台与船舶握手成功后，平台对其无线充电，充电结束后船舶将航行数据通过平台传输到岸上的监测站。
本申请利用原边阻抗信息与副边输出电压、电流量的对应关系，直接在原边进行检测与控制。原边阻抗与副边阻抗存在一一对应关系。随着充电过程的进行，电池等效阻抗、原边阻抗与电池电量(SOC)三者之间的对应关系如图8。为了便于分析，原边阻抗记为，电池固有的阻抗特性曲线表示为，同理，对应的原边等效阻抗为。
在充电过程中，需要控制的量是副边的输出电压Uo与输出电流Io，根据公式
Figure BDA0003410612840000061
及图8，这两个变量可以用电池的等效阻抗来表示。当控制Zp为Zpref时便可知当前的充电电压。
在锂离子电池的充电过程中，首先是恒流充电阶段，电池充电电压缓慢上升。而在每个控制周期内，电池充电电压近似是不变的。计算得到当前的充电电压,通过调整Buck输出电压即可调整Zp使其跟随Zpref曲线。通过检测原边逆变输出电压Up和电流Ip，可以得到原边阻抗值，如果与当前原边阻抗Zpref参考值一致，就保持当前的控制。
在恒压充电阶段，电池的等效阻抗会因充电电流下降而快速上升，原边阻抗会继续减小。同样，通过检测Up和Ip，可以得到原边阻抗值，如果与原边阻抗参考值一致，就保持当前的占空比不变。整个充电过程的控制思想流程如图9所示，通过实时采集Up、Ip、Ubuck，得到原边反射阻抗并判断是否充电完成，如果原边阻抗Zp达到最小值Zpmin即电池阻抗Req达到最大，电池充满电，立即结束充电。
以上所述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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，其特征在于，包括岸电端、船舶端，所述岸电端包括电磁发射系统；所述船舶端包括电磁接收系统，所述电磁发射系统由激磁线圈和发射线圈组成；所述电磁接收系统由接收线圈和负载线圈组成，发射线圈与接收线圈之间通过空间磁场的谐振耦合实现电能的无线传输；还包括用于实现电磁发射系统和电磁接收系统对接的对接组件，所述对接组件包括固定单元以及设置在船舶上的拾取单元，所述固定单元包括基座、牵引机构、浮标；所述基座上设有电能变换装置，所述岸电端还包括与所述固定单元连接的海底电缆，所述基座与浮标之间通过牵引机构连接，所述电磁发射系统设置在浮标上。
2.根据权利要求1所述一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，其特征在于，所述对接组件还包括设置在基座上的定位杆以及设置在船舶上的V型夹，所述V型夹可夹持所述定位杆实现拾取单元和固定单元的定位。
3.根据权利要求2所述一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，其特征在于，所述V型夹连接有驱动其开合的驱动装置，所述V型夹上设有转动连接的捕捉杆，所述捕捉杆与V型夹之间连接有弹簧。
4.根据权利要求3所述一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，其特征在于，所述拾取单元还设有锁紧机构，所述锁紧机构可实现对接组件的锁紧。
5.根据权利要求1所述一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，其特征在于，所述牵引机构包括钢缆，所述钢缆的一端连接在基座上，钢缆的另一端与浮标连接。
6.根据权利要求1所述一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈均为拱形结构，所述发射线圈的宽度大于所述接收线圈的宽度。
7.根据权利要求1所述一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈均由具有相同谐振频率的多匝线圈组成。
8.根据权利要求1所述一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，其特征在于，所述岸电端还包括监测站，所述基座上还设有无线电能及数据传输系统，所述监测站与无线电能及数据传输系统通过海底电缆连接，所述无线电能及数据传输系统可检测船舶的电量信息以及充电信息并发送信息至监测站。
9.根据权利要求1所述一种基于磁耦合技术的船舶无线充电装置，其特征在于，还包括控制系统以及定位系统，所述定位系统可监测定位所述对接组件中各部件的位置，并通过控制系统实现自动对接。
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