一种储能式车辆非接触供电系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种储能式车辆非接触供电系统及方法，车辆行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，系统包括：布置于充电区域的轨道发射装置，及布置于车辆上的车载拾取装置，车载拾取装置包括储能单元。当车辆驶入充电区域时，通过轨道发射装置与车载拾取装置之间的电磁耦合完成电能传输及对储能单元的充电，并依靠储能单元的电力续航驶出无电区域，再进入下一个充电区域。通过应用本发明专利技术，不仅能够解决传统非接触供电系统面临的全线铺设轨道发射装置，建设、运营和维护成本高等技术问题，还可根据特殊地形合理布置轨道发射装置。

A contactless power supply system and method for energy storage vehicles

【技术实现步骤摘要】
一种储能式车辆非接触供电系统及方法
本专利技术涉及无线传输供电
，尤其是涉及一种应用于储能式(轨道交通)车辆的非接触供电系统及方法。
技术介绍
传统的轨道交通接触网供电系统供电线路连接错综复杂，环境适应性差，而且存在挂冰、舞动、导线磨损漏电、电火花、触电等安全隐患和使用寿命问题。同时，传统的受电弓受流方式又会带来极限问题以及大量的维护工作。而采用非接触式供电系统为轨道交通车辆进行供电，就可以实现车与电网完全的电气隔离，能够有效避免上述存在的技术问题。在现有技术中，主要有以下技术方案与本专利技术申请有关。方案1为哈尔滨工业大学于2015年09月06日申请，并于2015年12月23日公开，公开号为CN105186707A的中国专利技术专利申请《应用于电动汽车无线供电的空心T型供电轨道及含有该供电轨道的轨道设备》。该专利技术专利提出一种应用于电动汽车无线供电的空心T型供电轨道及含有该供电轨道的轨道设备，该专利技术技术方案中的磁极为横截面为矩形的空心块体，且矩形顶边的两端同时向外伸出。所有磁极的底部均固定在磁芯上，所有磁极均沿磁芯的长度方向依次排列，且相邻两个磁极之间的距离均相等。磁极的底部宽度等于磁芯的宽度。供电线缆分为左侧线缆和右侧线缆，左侧线缆呈正弦波的形式缠绕在所有磁极上，右侧线缆与左侧线缆呈镜像对称的形式缠绕在所有磁极上，且左侧线缆和右侧线缆在轨道的一端相连。该专利技术技术方案通过提高供电线缆与接收线圈间的耦合系数，以改善电动汽车无线充电系统性能。然而，该方案存在系统设备全轨道铺设，系统成本高等技术缺陷。方案2为东南大学于2015年11月24日申请，并于2016年03月16日公开，公开号为CN105406563A的中国专利技术专利申请《一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法》。该专利技术专利提出一种电动汽车动态无线供电系统分段发射线圈切换方法，系统主要由高频电源、分段发射线圈、补偿电容、接收线圈以及负载组成，能够实现分段发射线圈通电个数以及对应切换点的最优选择。该专利技术技术方案在考虑负载最低功率需求、功率波动需求以及程控开关命令发送频率三个要素的基础上，所提出的动态无线供电系统分段发射线圈切换方法即寻找满足要求的发射线圈同时通电个数n以及切换点的位置。然而，该方案存在供电线路所需的发射线圈个数多，需要复杂的控制来抑制受流线圈在两个临近发射线圈过渡时刻的电压、电流波动等技术缺陷。方案3为西南交通大学于2014年05月22日申请，并于2014年09月03日公开，公开号为CN104022581A的中国专利技术专利申请《一种机车无线供电系统的分段导轨切换方法》。该专利技术专利提出一种机车无线供电系统的分段导轨切换方法，能够更准确、可靠地判断出机车动态运行时所在的分段导轨。该专利技术方法将无线供电系统发送端的各能量发射导轨段通过检测开关管与低功耗交流电源相连，从而在各能量发射导轨段增设一可与高频工作回路切换的低功耗检测支路。在高频工作回路断电时，低功耗检测支路工作，检测支路中的电压及电流检测装置实时检测出能量发射导轨段的电压及电流，并进而计算出能量发射导轨段的阻抗。根据发射导轨阻抗的变换来判断机车位置，并对发射导轨进行相应的切换。然而，该方案存在机车未经过导轨时发射线圈都通有检测电流，由于低功耗电源供电，其检测电流较小，容易受到负载电磁环境干扰的技术缺陷。另外，该方案随着机车运行线路的增长，总的空载发射线圈检测损耗也相应增加，降低了系统效率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种储能式车辆非接触供电系统及方法，以解决传统非接触供电系统面临的全线铺设轨道发生装置，建设、运营和维护成本高的技术问题。为了实现上述目的，本专利技术具体提供了一种储能式车辆非接触供电系统的技术实现方案，储能式车辆非接触供电系统，车辆行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，所述系统包括：布置于充电区域的轨道发射装置，及布置于车辆上的车载拾取装置，所述车载拾取装置包括储能单元。当车辆驶入所述充电区域时，通过所述轨道发射装置与车载拾取装置之间的电磁耦合完成电能传输及对所述储能单元的充电，所述车辆依靠所述储能单元的电力续航驶出所述无电区域，再进入下一个充电区域。进一步的，当处于充电区域，所述车辆能进行静态充电，或以恒速状态进行动态充电。进一步的，在充电区域内，所述轨道发射装置的布置数量根据所述储能单元的需求进行布置。进一步的，在所述无电区域内布置有用于检测所述车辆实时位置的第一地面应答器。进一步的，在所述无电区域沿车辆行驶方向的头部和尾部均布置有第一地面应答器。进一步的，在所述车辆上与所述第一地面应答器相对应的位置布置有车载查询器，当车辆驶过第一地面应答器，且当所述车载查询器与第一地面应答器对准时，所述车载查询器与第一地面应答器完成包括车辆位置、速度在内的数据交互。进一步的，所述轨道发射装置包括发射绕组、整流单元、第一直流变换单元、高频逆变单元、第一谐振补偿单元、切换开关、地面控制器和第二地面应答器。所述整流单元将来自于牵引电网的交流电变换为直流电，所述第一直流变换单元对整流单元输出的直流电进行电压等级调节，所述高频逆变单元将第一直流变换单元输出的直流电压变换为高频方波电压。所述第一谐振补偿单元的输入端与高频逆变单元相连，用于降低无功和容量需求。所述第一谐振补偿单元的输出端与发射绕组、切换开关相连，所述发射绕组产生高频交变磁场，所述切换开关用于切入或断开轨道发射装置。所述地面控制器通过第二地面应答器与车载查询器交互获取车辆的位置信息。所述地面控制器完成整流单元、第一直流变换单元、高频逆变单元的开关管控制及故障保护，以及切换开关的切入和断开控制。优选的，彼此相邻的两个轨道发射装置共用同一套高频逆变单元。进一步的，当检测到所述车辆行进方向上最近的充电区域距离为lb＝V*Tb时，该充电区域内的所有轨道发射装置的切换开关闭合。其中，Tb为从切换开关闭合到所述轨道发射装置建立稳定磁场的耗时，V为车辆的行驶速度。进一步的，当检测到所述车辆的位置接近充电区域，但未进入充电区域上方时，闭合该充电区域内所有轨道发射装置的切换开关。当所述车辆驶入充电区域时，位于车辆下方区域的轨道发射装置中的高频逆变单元输出电流从最低值开始增加，车辆驶离的轨道发射装置的切换开关逐个断开。当输出电流增加到最大值开始降低时，表征车辆正在驶离充电区域。当电流降至最低值时，表征车辆已经完全驶离充电区域，此时所有轨道发射装置的切换开关断开。进一步的，所述车载拾取装置的拾取绕组布置于所述车辆的车厢底部，当所述车厢驶入某个轨道发射装置的上方时，该轨道发射装置的高频逆变单元输出电流从最低值开始增加，直至车厢正对所述轨道发射装置时，高频逆变单元的输出电流达到最大值，输出功率达到最大，在所述高频逆变单元的输出电流从最低值增加至最大值的时间段内所述轨道发射装置的切换开关保持闭合状态。进一步的，当所述车厢开始驶离某个轨道发射装置的上方时，该轨道发射装置的高频逆变单元输出电流从最大值开始减小，直至车厢完全驶离该轨道发射装置，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种储能式车辆非接触供电系统，其特征在于，车辆(1)行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，所述系统包括：布置于充电区域的轨道发射装置(3)，及布置于车辆(1)上的车载拾取装置(4)，所述车载拾取装置(4)包括储能单元(46)；当车辆(1)驶入所述充电区域时，通过所述轨道发射装置(3)与车载拾取装置(4)之间的电磁耦合完成电能传输及对所述储能单元(46)的充电，所述车辆(1)依靠所述储能单元(46)的电力续航驶出所述无电区域，再进入下一个充电区域。/n

【技术特征摘要】
1.一种储能式车辆非接触供电系统，其特征在于，车辆(1)行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，所述系统包括：布置于充电区域的轨道发射装置(3)，及布置于车辆(1)上的车载拾取装置(4)，所述车载拾取装置(4)包括储能单元(46)；当车辆(1)驶入所述充电区域时，通过所述轨道发射装置(3)与车载拾取装置(4)之间的电磁耦合完成电能传输及对所述储能单元(46)的充电，所述车辆(1)依靠所述储能单元(46)的电力续航驶出所述无电区域，再进入下一个充电区域。


2.根据权利要求1所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：当处于充电区域，所述车辆(1)能进行静态充电，或以恒速状态进行动态充电。


3.根据权利要求1或2所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：在充电区域内，所述轨道发射装置(3)的布置数量根据所述储能单元(46)的需求进行布置。


4.根据权利要求3所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：在所述无电区域内布置有用于检测所述车辆(1)实时位置的第一地面应答器(5)。


5.根据权利要求4所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：在所述无电区域沿车辆(1)行驶方向的头部和尾部均布置有第一地面应答器(5)。


6.根据权利要求4或5所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：在所述车辆(1)上与所述第一地面应答器(5)相对应的位置布置有车载查询器(2)，当车辆(1)驶过第一地面应答器(5)，且当所述车载查询器(2)与第一地面应答器(5)对准时，所述车载查询器(2)与第一地面应答器(5)完成包括车辆位置、速度在内的数据交互。


7.根据权利要求6所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：所述轨道发射装置(3)包括发射绕组(31)、整流单元(32)、第一直流变换单元(33)、高频逆变单元(34)、第一谐振补偿单元(35)、切换开关(36)、地面控制器(37)和第二地面应答器(38)；所述整流单元(32)将来自于牵引电网(7)的交流电变换为直流电，所述第一直流变换单元(33)对整流单元(32)输出的直流电进行电压等级调节，所述高频逆变单元(34)将第一直流变换单元(33)输出的直流电压变换为高频方波电压；所述第一谐振补偿单元(35)的输入端与高频逆变单元(34)相连，用于降低无功和容量需求；所述第一谐振补偿单元(35)的输出端与发射绕组(31)、切换开关(36)相连，所述发射绕组(31)产生高频交变磁场，所述切换开关(36)用于切入或断开轨道发射装置(3)；所述地面控制器(37)通过第二地面应答器(38)与车载查询器(2)交互获取车辆(1)的位置信息；所述地面控制器(37)完成整流单元(32)、第一直流变换单元(33)、高频逆变单元(34)的开关管控制及故障保护，以及切换开关(36)的切入和断开控制。


8.根据权利要求7所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：彼此相邻的两个轨道发射装置(3)共用同一套高频逆变单元(34)。


9.根据权利要求7或8所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：当检测到所述车辆(1)行进方向上最近的充电区域距离为lb＝V*Tb时，该充电区域内的所有轨道发射装置(3)的切换开关(36)闭合；其中，Tb为从切换开关(36)闭合到所述轨道发射装置(3)建立稳定磁场的耗时，V为车辆(1)的行驶速度。


10.根据权利要求9所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：当检测到所述车辆(1)的位置接近充电区域，但未进入充电区域上方时，闭合该充电区域内所有轨道发射装置(3)的切换开关(36)；当所述车辆(1)驶入充电区域时，位于车辆(1)下方区域的轨道发射装置(3)中的高频逆变单元(34)输出电流从最低值开始增加，车辆(1)驶离的轨道发射装置(3)的切换开关(36)逐个断开；当输出电流增加到最大值开始降低时，表征车辆(1)正在驶离充电区域；当输出电流降至最低值时，表征车辆(1)已经完全驶离充电区域，此时所有轨道发射装置(3)的切换开关(36)断开。


11.根据权利要求10所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：所述车载拾取装置(4)的拾取绕组(41)布置于所述车辆(1)的车厢(10)底部，当所述车厢(10)驶入某个轨道发射装置(3)的上方时，该轨道发射装置(3)的高频逆变单元(34)输出电流从最低值开始增加，直至车厢(10)正对该轨道发射装置(3)时，高频逆变单元(34)的输出电流达到最大值，输出功率达到最大，在所述高频逆变单元(34)的输出电流从最低值增加至最大值的时间段内所述轨道发射装置(3)的切换开关(36)保持闭合状态。


12.根据权利要求11所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：当所述车厢(10)开始驶离某个轨道发射装置(3)的上方时，该轨道发射装置(3)的高频逆变单元(34)输出电流从最大值开始减小，直至车厢(10)完全驶离该轨道发射装置(3)，该轨道发射装置(3)的切换开关(36)断开。


13.根据权利要求12所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：所述车厢(10)的长度与所述轨道发射装置(3)的长度一致。


14.根据权利要求11、12或13任一项所述的储能式车辆非接触供电系统，其特征在于：所述车载拾取装置(4)还包括第二谐振补偿单元(42)、高频整流单元(43)、第二直流变换单元(44)、电池管理单元(45)、车载控制器(47)和变频器(48)；所述拾取绕组(41)接收所述发射绕组(31)发射的磁场能量，所述第二谐振补偿单元(42)的输入端与拾取绕组(41)相连，用于降低无功和容量需求；第二谐振补偿单元(42)的输出端与所述高频整流单元(43)相连，高频整流单元(43)将所述拾取绕组(41)接收到的高频交流电压变换为直流电压；所述第二直流变换单元(44)对所述高频整流单元(43)输出的直流电进行电压等级调节；所述第二直流变换单元(44)输出的直流电压一路经变频器(48)提供给电机(6)使用，另一路通过所述电池管理单元(45)对储能单元(46)进行充电；所述车载控制器(47)完成高频整流单元(43)、第二直流变换单元(44)的开关管控制及故障保护。


15.根据权利要求14所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈江，刘华东，乐文韬，梅文庆，张志学，罗剑波，周凌波，罗文广，黄超，漆宇，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43