一种用于轨道交通的电场耦合式移动供电系统的制作方法

本发明涉及一种用于轨道交通的电场耦合式移动供电系统，属于无线电能传输技术领域。

背景技术：

从20世纪90年代尼古拉·特斯拉，提出无线电能传输的概念到如今已将近有一个世纪，其中研究比较深入的无线电能传输方式为电磁耦合式无线电能传输(ipt)技术，ipt技术是基于电磁耦合实现无线电能传输。

传统基于高频电磁耦合的无线电能传输方式会被环境中一些电阻率较小的金属导体所屏蔽，并引起较大的涡流损耗，同时还会降低系统的传输能力和传输效率。因此，基于电磁耦合的无线电能传输方式在具有金属环境里应用收到极大的限制。相对而言，基于电场耦合的无线电能传输方式存在一定的优势，除了能够穿透金属导体传输能量，减小能量损耗外，还具有良好的抗磁场干扰能力。因此，越来越多的国内外研究团队开始对电场耦合式无线电能传输(cpt)技术进行研究，利用电场耦合代替电磁耦合来传输能量。传统的电场耦合式无线电能传输为固定的传输方式，这就导致在某些移动的场合其应用将会受到限制，且其灵活性较差，系统工作的稳定性差。

技术实现要素：

本发明的目的是实现电场耦合式无线电能传输在移动条件下供电，适用于移动条件下的供电，如电动汽车在移动过程中的充电；且其系统结构简单、工作稳定、控制方便和制造成本低。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：

一种用于轨道交通的电场耦合式移动供电系统，由发送部分、接收部分和能量传输机构组成，发送部分包括依次连接的直流电源e、高频逆变电路h和初级补偿网络n1；接收部分包括依次连接的次级补偿网络n2、整流滤波电路d和电阻负载r。所述能量传输机构采用电容耦合方式，包括发射极板和可在发射极板上方平行移动的接收极板；其中发射极板包括对称设置的两块边沿发射极板和一块中心发射极板p2，中心发射极板p2设置在两块边沿发射极板p1之间；接收极板包括中心接收极板p4和对称设置在中心接收极板p4两侧的两块边沿接收极板p3；所述发射极板沿轨道延伸铺设，两块边沿发射极板间呈电气导通；所述接收极板置于运行机车的底部，两块接收极板间亦呈电气导通；所述中心发射极板p2和边沿接收极板p3间形成耦合电容c23，中心发射极板p2和中心接收极板p4间形成耦合电容c24，边沿发射极板p1和中心接收极板p4间形成耦合电容c14，边沿发射极板p1和边沿接收极板p3间形成耦合电容c13，边沿发射极板p1和中心发射极板p2间形成伴随电容c12，中心接收极板p4和边沿接收极板p3间形成伴随电容c34；发射极板和接收极板均平行固定；在发射极板两端安装轨道，在接收极板上设置滑轮，通过移动接收极板实现移动供电。

进一步地，所述中心发射极板p2放置于两块边沿发射极板p1之间，中心接收极板p4放置于两块边沿接收极板p3之间，两块边沿发射极板p1分别与两块边沿接收极板p3正对，中心发射极板p2与中心接收极板p4正对；两块边沿发射极板p1用导线连接，两块边沿接收极板p3也用导线连接。

进一步地，所述初级补偿网络n1包括电容c1、电感l1和电感l2；次级补偿网络n2包括电容c4、电感l3和电感l4，电容cs、c2、c3为便于简洁表达而引入的等效电容；其中，所述初级补偿网络电容c1的电容值由式(1)确定：

其中：

所述初级补偿网络电感l1的电感值由式(5)确定：

其中ω为系统工作角频率；

所述初级补偿网络电感l2的电感值由式(6)确定：

所述次级补偿网络电感l3的电感值由式(7)确定：

所述次级补偿网络电感l4的电感值由式(8)确定：

所述次级补偿网络电容c4的电容值由式(9)确定：

这样，发射极板和接收极板均平行固定，并在发射极板两端安装轨道，在接收极板两端安装滑轮，通过移动接收极板实现移动供电。

本发明的工作原理是：基于电场耦合的无线电能传输，高频逆变电路h将接入的直流电源e转化为交流电，通过初级补偿网络、能量传输机构以及次级补偿网络电感和电容的谐振，将高频逆变电路h转化后的交流电传递给整流滤波电路d，整流滤波电路d将接收到的交流电转化为直流电供给电阻负载r直接使用，实现电能的无线传输。如图4所示，为能量传输机构的示意图，由于本发明在能量传输机构的接收极板两端安装了滑轮，在发射极板两端安装了轨道，所以通过移动接收极板实现电场耦合式无线电能传输的移动供电。

本发明方案中系统补偿网络的各电感、电容元件参数理论分析如下：

如图5所示，为系统能量传输机构中耦合电容与伴随电容的形成示意图，其中c13、c14、c23、c24为耦合电容，c12和c34为伴随电容。图6为能量传输机构中耦合电容的电路模型，假设令vp1＝0，则v1＝vp2，v2＝vp4-vp3。由基尔霍夫定律得：

对式(10)进行化简，得：

由于v1＝vp2，v2＝vp4-vp3，v1、i1和v2的关系化简为：

同理，v2、i2和v1的关系化简为：

此时，取：

代入，化简式(12)和式(13)，得：

化简之后的耦合机构如图7所示，令cs＝cm，c2＝c5-cm，c3＝c6-cm，即：

如图2所示，将等效后的电容cs、c2、c3三角型连接方式转换为星型连接方式，转换后的电容分别为ca、cb、cc，转换公式为：

将图1中的直流电源e及高频逆变电路h用等效电源vi代替，高频逆变电路输入电压与输出电压vi之间的关系为：

并将图1中的电阻负载r及整流滤波电路d用等效电阻req代替，等效电阻req与电阻负载r之间的关系为：

等效后的电路如图3所示，此时电路为clc和lcl结构，可知初级补偿网络电感l1满足电感l2满足电容c1满足

即

同理，次级补偿网络电感l3满足l4满足c4满足

即

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明通过在接收极板上安装滑轮以及在地面上安装轨道，通过移动接收极板实现电场耦合式移动供电，提高了系统的灵活性。

二、本发明通过使用3套极板，并分别将其中的两块发射极板p1和两块接收极板p3用导线连接，减少了极板面积和占用空间。

三、本发明通过对发射部分和接收部分参数的合理配置，减少了系统的无功功率，提高了的传输效率和传输功率，系统更加稳定。

附图说明

图1是本发明电场耦合式移动供电的系统电路图。

图2是能量传输机构中等效电容的三角型与星型等效替换。

图3是系统简化后的电路图。

图4是本发明电场耦合式移动供电的能量传输机构示意图。

图5是本发明电场耦合式移动供电系统中耦合电容形成示意图。

图6是能量传输机构中耦合电容的电路模型图。

图7是能量传输机构简化后的电路模型图

图中标号说明：e为直流电源，h为高频逆变电路，n1为初级补偿网络，n2为次级补偿网络，d为整流滤波电路，r为电阻负载，c12、c34为伴随电容，c13、c14、c23、c24为耦合电容，l1、l2为初级补偿网络中的补偿电感，c1为初级补偿网络中的补偿电容，l3、l4为次级补偿网络中的补偿电感，c4为次级补偿网络中的补偿电容，p1、p2为发射极板，p3、p4为接收极板，vi为高频逆变电路的等效输出电压，req为从整流滤波电路输入端口看进去的负载等效电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明：

如图1-7所示，一种电场耦合式移动供电系统，由发送部分、接收部分和能量传输机构组成，发送部分包括依次连接的直流电源e、高频逆变电路h和初级补偿网络n1；接收部分包括依次连接的次级补偿网络n2、整流滤波电路d和电阻负载r；能量传输机构包括发射极板和接收极板；所述的高频逆变电路h将接入的直流电源e转化为交流电，通过初级补偿网络、能量传输机构以及次级补偿网络电感和电容的谐振，将高频逆变电路h转化后的交流电传递给整流滤波电路d，整流滤波电路d将接收到的交流电转化为直流电接入电阻负载r，实现电能的无线传输。由于能量传输机构的发射极板和接收极板之间在高频交流电的作用下可以产生交变电场来进行电能的无线传输，无需实际的电线连接，进而实现无线电能传输，安全可靠。

能量传输机构包括发射极板和接收极板，其中发射极板包括边沿发射极板p1(二块)和中心发射极板p2，边沿接收极板包括接收极板p3(二块)和中心接收极板p4，总共6块极板。

中心发射极板p2放置于两块发射极板p1之间，中心接收极板p4放置于两块接收极板p3之间，两块发射极板p1分别与两块接收极板p3正对，中心发射极板p2与中心接收极板p4正对；两块发射极板p1用导线l1连接，两块接收极板p3也用导线l2连接。

中心发射极板p2和中心接收极板p3间形成耦合电容c23，中心发射极板p2和中心接收极板p4间形成耦合电容c24，边沿发射极板p1和中心接收极板p4间形成耦合电容c14，边沿发射极板p1和边沿接收极板p3间形成耦合电容c13，边沿发射极板p1和中心发射极板p2间形成伴随电容c12，边沿接收极板p3和中心接收极板p4间形成伴随电容c34。

发射极板和接收极板均平行固定，并在发射极板两端安装轨道，在接收极板安装滑轮，通过移动接收极板实现移动供电。

初级补偿网络n1包括电容c1、电感l1和电感l2，次级补偿网络n2包括电容c4、电感l3和电感l4。

初级补偿网络电容c1的电容值由式(1)确定：

其中：

初级补偿网络电感l1的电感值由式(5)确定：

其中ω为系统工作角频率。

初级补偿网络电感l2的电感值由式(6)确定：

次级补偿网络电感l3的电感值由式(7)确定：

次级补偿网络电感l4的电感值由式(8)确定：

次级补偿网络电容c4的电容值由式(9)确定：

即

同理，次级补偿网络电感l3满足l4满足c4满足

即