CN109435718B - 电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电能传输系统，包括：设置在地面上的供电电源和发射极板、设置在车辆底部的接收极板，设置在车辆上的电力变换设备和用电设备，其中，该接收极板为曲面型极板，且该接收极板的曲面弧度朝下，供电电源与发射极板连接，发射极板和接收极板在交流电的作用下形成交互磁场，电力变换设备与接收极板和所述用电设备连接。该技术方案中，电能传输系统的电能传输效率高，电磁辐射影响小。

Description

电能传输系统

技术领域

本申请涉及车辆技术领域，尤其涉及一种电能传输系统。

背景技术

现阶段，动车、机车或城市轨道车辆大都是通过接触网和第三轨实现电能传输，这表示车辆要运行多长的线路就要铺设多长的受流线路，同时需要建设配套的电线杆等基础设施，不仅占用了较大的城市空间，影响了城市美观，而且存在较大安全隐患。

现有技术中可以采用电磁感应式非接触供电方式，通过在沿线地面敷设供电装置为车辆提供牵引电能。具体的，地面上设置的感应系统在检测到有车辆通过时接通电源，感应系统内线圈产生的磁场受到车辆底部的受流器感应转化为电能供给车辆牵引系统。由于地面上的供电分区可以随车辆的运行而改变，因而保证了沿线人员和车辆的安全。

然而，上述电磁感应式非接触供电方式需要高频电磁场，高功率、高频率的电能传输容易引起电磁干扰问题，对周围环境的影响较大。

发明内容

本申请提供一种电能传输系统，以解决现有电能传输方式传输效率低、电磁干扰问题严重的问题。

本申请提供的一种电能传输系统，包括：设置在地面上的供电电源和发射极板、设置在车辆底部的接收极板，设置在车辆上的电力变换设备和用电设备，所述接收极板为曲面型极板，且所述接收极板的曲面弧度朝下；

所述供电电源与所述发射极板连接，所述发射极板和所述接收极板在交流电的作用下形成交互磁场，所述电力变换设备与所述接收极板和所述用电设备连接。

在本实施例中，通过使设置的接收极板为曲面型极板，且该接收极板的曲面弧度朝下，能够更大范围地接收设置在地面上的发射极板发射的能量，不仅提高了发射极板和接收极板间的无线电能传输效率，同时在一定程度上降低高频磁场对外界环境及车辆设备的电磁干扰，具有传输效率高、电磁屏蔽特性好的特点，解决了现有电能传输方式传输效率低、电磁干扰问题严重的问题。

可选的，在本申请的一实施例中，所述电能传输系统还包括：设置在所述车辆上的传动设备；

所述传动设备与所述接收极板连接，所述传动设备用于调整所述接收极板与所述车辆底部的距离。

在本实施例中，该接收极板与传动设备连接，这样接收极板在传动设备的调整作用下可以改变与车辆底部的距离，从而可以在车辆正常运行的各种环境情况下时，通过调整接收极板与地面的高度，来提高能量传输效率。

可选的，在本申请的另一实施例中，所述电能传输系统还包括：设置在所述车辆底部且位于所述接收极板两端的铰链式屏蔽网。

在本实施例中，通过在曲面型极板的前后两端(车辆行驶方向)置铰链式屏蔽网(即铰链式的柔性金属屏蔽网)，这样可以降低高频磁场对外界环境及车辆设备的电磁干扰。

可选的，在本申请的再一实施例中，所述接收极板由具备亚铁磁性的金属氧化物和环绕线圈封装形成。

通过接收极板由具备亚铁磁性的金属氧化物和环绕线圈封装形成，在电能传输时，能够提高电能传输系统传递能量的能力。

可选的，在本申请的上述实施例中，所述交流电为高频、高压交流电。

通过向发射极板通入高频交流电能够降低耦合机构的等效阻抗，减少电能传输系统的损耗，通过向发射极板通入高压交流电能够增强耦合交互磁场的强度，提升传输功率，因而，高频、高压交流电能够改善电能传输系统的性能，提高电能传输系统的传输效率。

可选的，在本申请的又一实施例中，所述系统还包括：设置在运行轨道内侧的供电线缆，所述供电线缆与所述运行轨道的距离大于或等于10毫米。

在本实施例中，可以由设置在运行轨道内侧的供电线缆形成发射极板，该供电线缆与运行轨道的距离大于或等于10毫米，能够避免产生的高频磁场在刚性轨道内产生涡流，保证车辆安全运行。

可选的，在本申请的上述实施例中，所述供电线缆呈环形设置。

供电线缆呈环形设置，可以使得供电线缆形成回路，进而保证发射极板和接收极板感应形成交互磁场。

可选的，在本申请的上述实施例中，所述供电线缆每间隔预设距离连接一补偿元件。

可选的，所述供电线缆每间隔预设距离连接一补偿元件，包括：

所述供电线缆每间隔预设距离串联或并联一补偿电容。

通过在供电线缆每间隔预设距离连接一补偿元件(例如，串联或并联一补偿电容)能够弥补供电线缆的漏感，提高有功功率和传输效率。

可选的，在本申请的又一实施例中，所述供电线缆分段设置，每段供电线缆之间具有绝缘区域。

可选的，所述绝缘区域内设置有信号读取器，所述车辆上设置有与所述信号读取器进行无线通信的信号接收器。

车辆上的信号接收器与绝缘区域设置的信号读取器进行无线通信，可以使车辆上的控制系统根据获取到的信号准确判断高频磁场的位置，保证列车停靠在效率最大的高频磁场覆盖区域。

可选的，在本申请的又一实施例中，所述车辆的车体材质为铝合金材质，所述车辆的车轮材质为强度大于预设阈值的树脂。

可选的，车体采用铝合金材质，车轮采用高强度树脂，即强度大于预设阈值，能够避免电磁干扰和高频磁场在车辆上感应涡流，进而保证车辆可以正常行驶。

本申请实施例提供的电能传输系统，通过使接收极板呈曲面型，能够更大范围地接收地面上由供电线缆形成的发射极板发射的能量，不仅提高了无线电能的传输效率，也可以在一定程度上降低高频磁场对外界环境及车辆设备的电磁干扰，具有传输效率高且良好的电磁屏蔽特性，解决现有电能传输方式传输效率低、电磁干扰问题严重的问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的电能传输系统实施例一的结构示意图；

图2为形状不同的接收极板接收能量的差异示意图；

图3为本申请实施例提供的电能传输系统实施例二的结构示意图。

附图标记说明：

11：供电电源； 12：发射极板；

13：接收极板； 14：电力变换设备；

15：用电设备； 16：储能元件；

10：铰链式屏蔽网； 21：曲面型接收极板；

22：矩形接收极板； 31：基站电源装置；

32：电能传输装置； 33：车载驱动装置；

34：运行轨道； 35：供电线缆；

36：绝缘区域； 37：信号读取器；

38：信号接收器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

无接触网大功率电能传输是指轨道车辆摒弃传统的“受电弓+接触网”受流方式而采用的一种新型、美观、安全的供电方式，其具有新型、绿色、环保和占用空间小特点。无接触网大功率电能传输系统及应用技术的研究与实现，为城市轨道交通、无轨交通车辆提供一种最新概念的发展思路，具有重大实际及战略意义。

现阶段，轨道车辆的供电系统可以采用地面感应线圈非接触供电技术。该供电系统利用磁场耦合方式进行非接触电能传输，通过在沿线地面铺设供电装置为列车提供牵引电能，具体是利用电能与磁场相互转化的原理实现能量传输。当地面上供电装置包括的感应系统检测到上方有车辆通过时接通电源，感应系统内线圈产生的磁场被列车底部安装的形状为矩形的受流器感应，并转化为电能供给车辆牵引系统。

在该供电系统中，线路沿线铺设有直流DC 750V供电线缆，且线路侧每隔一段距离均埋设一套逆变装置；一次侧线圈则铺设在地面两条走行轨中间，二次侧线圈安装在车辆上。在车辆经过地面的逆变装置上方时，逆变装置首先将DC 750V逆变为高频交流电，输入地面的一次侧线圈，当车辆上的二次侧线圈与一次侧线圈位置重合时，二次侧线圈感应产生高频交流电，经整流和逆变后为车辆的交流电机供电。只有当车辆进入相应区段时，地面一次侧线圈才接通电源，其他时刻地面一次侧线圈处于断电状态。由于地面上的逆变装置分段设置，因而，该供电系统的供电分区随车辆运行而改变，从而保障沿线人员和车辆的安全。

但是，上述地面感应线圈非接触供电技术存在以下多种问题：其一，上述供电技术还处于试验阶段，没有城市计划采用该技术：其二，在上述供电系统中，地面上的一次侧线圈和车辆上的二次侧线圈在高频交流电的作用下，会产生高频电磁场，其产生的电磁辐射对周边环境有一定的影响；其三，供电系统的高功率、高频率的电磁辐射或电磁干扰排放可能潜在地对转向架、车下设备及附近所有电子装置，也许包括乘客的起搏器，地面上的用于电源转换的供电线缆等产生影响，进而对车辆控制带来安全问题；其四，由于地面一次侧线圈和列车上的二次侧线圈的间隙较大，产生的高频电磁场中漏磁较大，致使供电系统的传输效率低。

综上可知，现有电磁感应式无接触供电的电能传输方式不仅传输效率低，而且电磁干扰问题严重。

针对上述问题，本申请实施例提供一种电能传输系统，用于解决上述电能传输方式传输效率低、电磁干扰问题严重的问题。下面，通过具体实施例对本申请的技术方案进行详细说明。

需要说明的是，下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

图1为本申请实施例提供的电能传输系统实施例一的结构示意图。如图 1所示，本实施例提供的电能传输系统，可以包括：设置在地面上的供电电源11和发射极板12、设置在车辆上的接收极板13、电力变换设备14和用电设备15，其中，该接收极板13为曲面型极板，且该接收极板13的曲面弧度朝下。

可选的，上述供电电源11与发射极板12连接，该发射极板12和接收极板13在交流电的作用下形成交互磁场，上述电力变换设备14与接收极板13、用电设备15连接。

可选的，在本实施例中，参照图1所示，供电电源11在车辆经过发射极板12上方时便向形成发射极板12的供电线缆通入交流电，因而，发射极板 12和接收极板13在该交流电的作用下可以形成交互磁场，上述接收极板13 可以接收发射极板12通过该交互磁场传输的交流电，上述电力变换设备14 位于接收极板13和用电设备15之间，可以将接收极板13接收到的交流电进行电力变换后提供给用电设备15。

作为一种示例，上述发射极板12由埋设在地面的线圈构成，上述接收极板13具体被安装在车辆的下方，且呈曲面型设置，其曲面弧度朝下。该发射极板12和接收极板13均为电容极板，在发射极板12中通入交流电时，通过发射极板12和接收极板13间产生的交互磁场实现能量的无线传输。

可选的，在本实施例中，供电电源11提供给发射极板12的交流电实际上是由直流电经过逆变得到的。可选的，该直流电可以是交流市电经过整流得到的，也可以是直流电源直接提供的。

示例性的，在本实施例中，该电能传输系统还包括：设置在车辆上的传动设备(未示出)。

其中，该传动设备与上述接收极板13连接，该传动设备用于调整接收极板13与车辆底部的距离。

在本实施例中，该接收极板与传动设备连接，这样接收极板在传动设备的调整作用下可以改变与车辆底部的距离，从而可以在车辆正常运行的各种环境情况下时，通过调整接收极板与地面的高度，来提高能量传输效率。

示例性的，如图1所示，在本实施例中，该电能传输系统还包括：设置在车辆底部且位于接收极板13两端的铰链式屏蔽网10。

在本实施例中，通过在曲面型极板的前后两端(车辆行驶方向)置铰链式屏蔽网(即铰链式的柔性金属屏蔽网)，这样可以降低高频磁场对外界环境及车辆设备的电磁干扰。

可选的，该铰链式屏蔽网10可以是由铜丝编制成的铰链式柔性屏蔽网，其可以进一步屏蔽高频电磁干扰，成本低。

值得说明的是，本实施例中的接收极板13呈曲面型，能够更大范围地接收地面上由供电线缆形成的发射极板12发射的能量，不仅提高了无线电能的传输效率，也可以在一定程度上降低高频磁场对外界环境及车辆设备的电磁干扰，具有传输效率高且电磁屏蔽特性好的特点，解决了现有电能传输方式传输效率低、电磁干扰问题严重的问题。

例如，图2为形状不同的接收极板接收能量的差异示意图。本实施例中以同等长度、宽度及高度的曲面型接收极板21和矩形接收极板22进行说明。如图2所示，当曲面型接收极板21和矩形接收极板22均设置在车辆下时，矩形接收极板22的接收效率不仅低，而且没有被矩形接收极板22接收的高频电磁波会通过极板的两端以辐射的形式进行传播，对转向架、车下设备及周围环境造成电磁干扰，危害很大。而曲面型接收极板21在同等长度、同等安装高度的情况下，曲面型接收极板21能够接收到矩形接收极板13前后两端接收不到的电磁波，从而能够吸收更多的能量，覆盖的面积更广，缩小了对其他设备的辐射范围，进而降低了对转向架、车下设备及周围环境的电磁干扰，具有传输效率高且良好的电磁屏蔽特性。

此外，曲面型接收极板21的曲面弧度朝下，这样曲面型接收极板21除中心区域外的其他区域均与发射极板12的距离变小，相应的，减少了漏磁，提高了能量传输效率。

进一步的，接收极板13在传动设备的控制作用下，能够可升降设置在车辆的底部，可升降模式可以根据车辆的运行环境，调整接收极板距离车辆底部(也即，地面)的距离，提高了能量传输效率。

综上所述，可升降、曲面化的接收极板和铰链式柔性金属屏蔽网的设计，使得本实施例中的无接触轨道车辆具有传输效率高且良好的电磁屏蔽特性。

可选的，在上述图1所示实施例的基础上，图3为本申请实施例提供的电能传输系统实施例二的结构示意图。如图3所示，在申请实施例中，该电能传输系统可以分为基站电源装置31、电能传输装置32和车载驱动装置33 三大部分。其中，基站电源装置31设置在地面上，可以包括电源类型变换器、基站整流器(未示出)、基站高频逆变器(未示出)、电源类型变换器(未示出)等部件。该基站电源装置31主要用于通过电源类型变换器、基站整流器、基站高频逆变器等对获取到的电能进行处理，转变成高频高压的交流电，通过供电电源11供给发射极板12。电能传输装置32除了包括上述发射极板 12、接收极板13外，还可以包括功率补偿电容(未示出)和分离式变压器(未示出)，该电能传输装置32主要用于保证电能传输装置的传输效率。车载驱动装置33除了包括上述的电力变换设备14和用电设备15外，还可以包括储能元件16。在本实施例中，电力变换设备14可以是车载变流器，用电设备 15可以是驱动电机等。

可选的，在本申请的上述实施例中，接收极板13由具备亚铁磁性的金属氧化物和环绕线圈封装形成。

由于亚铁磁性的金属氧化物的电阻率比单质金属或合金磁性材料大，而且介电性能高，这样由具备亚铁磁性的金属氧化物和环绕线圈封装形成的接收极板13在高频环境下磁导率高。由于铁氧体是一种具有亚铁磁性的金属氧化物，对于电特性，铁氧体的电阻率比单质金属或合金磁性材料大得多，而且还有较高的介电性能，对于磁性能，铁氧体的磁性能表现在高频时具有较高的磁导率。因而，铁氧体已成为高频弱电领域用途广泛的非金属磁性材料。所以，在接收极板13中添加铁氧体，能够提高电能传输系统传递能量的能力。可选的，作为一种示例，本实施例中的接收极板13可以由磁芯铁氧体和环绕线圈封装而成。

因而，通过接收极板由具备亚铁磁性的金属氧化物和环绕线圈封装形成，在电能传输时，能够提高电能传输系统传递能量的能力。

由上述可知，发射极板12和接收极板13在交流电的作用下形成交互磁场，可选的，在本申请的实施例中，发射极板12和接收极板13形成交互磁场的交流电为高频、高压交流电。

在本实施例提供的电能传输系统中，为了提高电能系统的电能传输功率，则需要在交互磁场耦合能量传输机构中的发射极板12上通以高压交流电，通过提高电压来增强耦合交互磁场的强度，提升传输功率。同时，为了提高电能传输系统的电能传输效率，减小器件的体积，提高功率密度，需要在交互磁场耦合能量传输机构中的发射极板12上通以高频交流电，通过高频来降低耦合机构的等效阻抗，减少电能传输系统的损耗，从而改善电能传输系统的性能，提高电能传输系统的传输效率。因而，在磁场耦合型无线的电能传输系统中，耦合机构的发射极板12中需要通高频、高压交流电。高频、高压交流电能够改善电能传输系统的性能，提高电能传输系统的传输效率。

可选的，在本申请的实施例中，参照图3所示，该电能传输系统还可以包括：设置在运行轨道34内侧的供电线缆35，该供电线缆35与运行轨道34 的距离大于或等于10毫米。

可选的，该电能传输系统可以应用于低地板轻轨车供电系统。在具体实施时，可以沿着城市公共交通的路线修建一条轻轨线路，轨面高度同地面齐平，电源基站装置安装在道路两侧的机柜内，机柜内安装有控制单元和控制开关等器件。可选的，线径等于125mm平方的供电线缆提前预埋到运行轨道内侧。

值得说明的是，在实际应用中，由于运行轨道34一般通过刚性轨道实现，因而，为了避免产生的高频磁场在刚性轨道内产生涡流，供电线缆距离运行轨道的距离需要大于或等于10毫米。

可选的，在本实施例中，上述供电线缆35呈环形设置。

由于供电线缆35要形成一个回路，因而供电线缆35要预埋成环型，这样有利于由供电线缆35形成的发射极板12和接收极板13建立交互磁场。

可选的，在上述实施例中，上述供电线缆35每间隔预设距离连接一补偿元件。

在一种可能的实现方式中，供电线缆之间每间隔预设距离连接一补偿元件，包括：

供电线缆每间隔预设距离串联或并联一补偿电容。

可选的，供电线缆每间隔预设距离连接一补偿元件(例如，串联或并联一补偿电容)能够弥补供电线缆的漏感，提高有功功率和传输效率。

可选的，在本申请的上述实施例中，如图3所示，上述供电线缆35分段设置，每段供电线缆之间具有绝缘区域36。

在本实施例中，上述绝缘区域36内设置有信号读取器37，车辆上设置有与该信号读取器37进行无线通信的信号接收器38。

在实际应用中，供电线缆35的具体长度视车辆的长度而定，即车辆在其正上方运行时，保证其形成的发射极板12与接收极板13建立的交互磁场全部为车辆所用，而尽量少的超出车辆的界限，尽量降低对周围车辆或行人产生影响。因此，供电线缆35的长度不易过长，铺设的每段供电线缆35之间设有绝缘区域36，在绝缘区域36预埋有信号读取器37，当车辆行驶到该绝缘区域36时，能够将车辆的位置信号传给附近的基站电源装置31中的控制单元，以使基站电源装置31的控制单元可以根据接收到的信号判断车辆的位置，同时给车辆正在行驶的区间供电线缆供电，建立高频磁场。

可选的，供电线缆的供电方式为恒流，电流值不小于150A，且其可以根据车辆负载的大小进行调节。

可选的，车辆本身装有信号接收器38，该信号接收器38可以与上述绝缘区域36内设置的信号读取器37进行无线通信，这样车辆上的控制系统可以根据通过与信号读取器37进行无线通信获取到的信号准确判断高频磁场的位置，保证列车停靠在效率最大的高频磁场覆盖区域。

可选的，在本申请的实施例中，上述车辆的车体材质为铝合金材质，该车辆的车轮材质为强度大于预设阈值的树脂。

在本实施例中，为了避免电磁干扰和高频磁场在车辆上感应涡流，车辆采用良好的屏蔽和保护措施，可选的，车体采用铝合金材质，车轮采用高强度树脂，即强度大于预设阈值的树脂，以保证车辆可以正常行驶。

由于现有技术中的城市轨道车辆和无轨车辆目前普遍采用接触网受流方式，而部分城市电动公共交通车辆通过定点插头进行充电，这两种方式都需要建造占地面积很大的基础设施，影响城市美观，同时存在极大的安全隐患。

针对上述问题，本申请实施例提供的电能传输系统采用无接触网大功率电能传输方式简化了充电方式，同时节省了充电插头，由于电能传输系统的供电线缆埋在地下，可靠性高，几乎免维护，节省了大量的人力成本，每条城市交通线路每年至少节省120人月。此外，该电能传输系统节省了建造整条线路的电线杆、接触网等公共设施。例如，按照一条20km线路进行计算，至少可以节省接触网40km，电线杆400个。进一步的，本申请的电能传输系统节省了车辆的受电弓和高压系统的设备，杜绝了摩擦损耗，每年20km公里的线路，每天运行20个来回，每年运行350天，如该线路配置20辆车，则一年至少节省费用100万。因而，本申请实施例中的电能传输系统效率高，能达到95％，而对比普通的家用汽油驱动的轿车效率仅为29％。

综上所述，该电能传输系统特别适用于城市公共交通，采用曲面型接收极板结构的无接触网大功率电能传输系统，既具有无接触电能传输系统所具有的保护城市人文景观，成本投入低的特点，又解决了无接触电能传输系统效率低及对外界的电磁干扰问题，具有极高的实际应用价值，未来将是城轨车辆的发展趋势。

值得说明的是，本申请实施例中的曲面型接收极板还可以是其他非矩形结构的接收极板，只要是具有一定弧度的曲面型结构的接收极板均属于本申请的保护范围，此处不再一一赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种电能传输系统，包括：设置在地面上的供电电源和发射极板、设置在车辆底部的接收极板，设置在车辆上的电力变换设备和用电设备，其特征在于，所述接收极板为曲面型极板，且所述接收极板的曲面弧度朝下；所述接收极板由具备亚铁磁性的金属氧化物和环绕线圈封装形成；所述发射极板由埋设在地面的线圈构成；

所述供电电源与所述发射极板连接，所述发射极板和所述接收极板在交流电的作用下形成交互磁场，所述电力变换设备与所述接收极板和所述用电设备连接；

所述电能传输系统还包括：设置在所述车辆上的传动设备；

所述传动设备与所述接收极板连接，所述传动设备用于调整所述接收极板与所述车辆底部的距离；

所述电能传输系统还包括：

设置在所述车辆底部且位于所述接收极板在车辆行驶方向的两端的铰链式屏蔽网；

设置在运行轨道内侧的供电线缆，所述供电线缆与所述运行轨道的距离大于或等于10毫米，所述供电线缆呈环形设置；

所述车辆的车体材质为铝合金材质，所述车辆的车轮材质为强度大于预设阈值的树脂。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供电线缆每间隔预设距离连接一补偿元件。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供电线缆分段设置，每段供电线缆之间具有绝缘区域。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述绝缘区域内设置有信号读取器，所述车辆上设置有与所述信号读取器进行无线通信的信号接收器。

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