一种基于磁耦合技术的轨道交通系统补能装置、方法与流程

1.本发明涉及轨道交通技术领域，具体而言，涉及一种基于磁耦合技术的轨道交通系统补能装置、方法。


背景技术：

2.随着工业3.0时代的到来，轨道交通系统存在数以万计的传感节点，而如何为这些设备和传感节点供电，成为众多学者们所关心的话题。目前，轨道交通系统的能量供应大都是通过蓄电池来进行的，其能量供应能力有限，大大制约了轨道交通系统的智能化发展。而无线能量传输技术的出现，使轨道交通系统的无间断供电成为了可能。
3.现有的无线传能技术方案大都是通过磁耦合技术实现的，通过在导轨下方设置一组发射线圈阵列，接收线圈位于车辆底部，发射线圈和接收线圈的谐振频率一致。在系统工作过程中，通过对不同发射线圈的工作状态进行切换，使能量通过共振的形式耦合到接收线圈上，进行无线能量传输。现有技术方案存在如下技术缺陷：(1)易损坏，由于是多个发射线圈设置在导轨下方，在车辆行驶过程中易造成发射线圈损坏的现象，能量传输效果。(2)系统设计难度大，因为磁耦合式无线传能系统需要收发间的严格对准，如果位置存在偏差则会造成传输效率下降，这就需要该系统的工作状态切换的时延要小于车辆行驶速度，这就提升了系统的设计难度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供车辆行驶状态下实现供电，实现长时有效的获得外部能源补给，同时大幅度减少轨道和发射线圈的交叉。
5.本发明的第一方面提供了一种基于磁耦合技术的轨道交通系统补能装置，所述装置包括：
6.多个安装于导轨双线上的发射线圈；其中，选择导轨连接节点作为信号驻波点，连接驻波点处的导轨双线，形成一个发射线圈；
7.每个发射线圈均连接有包括由测距传感器、控制器、开关、信号源以及匹配网络组成的电路；其中，测距传感器，用于实时判断车辆位置，当车头距离所述测距传感器距离小于第一预设阈值时，输入第一反馈信号到控制器；
8.控制器，用于根据所述第一反馈信号控制所述开关切换至信号源；信号源经匹配网络给所述发射线圈供电；其中，所述发射线圈的谐振频率与车辆底部接收线圈的谐振频率一致，车辆底部的接收线圈和发射线圈产生共振，通过共振耦合将能量传输至车体接收线圈上，经整流变为直流信号为车辆供电。
9.进一步，通过向所述导轨双线馈入相位差180
°
的交变信号，交变信号在平行的导轨双线间传输，同时在垂直方向产生交变的磁场。
10.进一步，所述测距传感器，还用于：当车尾距离所述测距传感器的距离大于第二预设阈值时，输入第二反馈信号至控制器；
11.所述控制器，还用于根据所述第二反馈信号打开开关，使得开关与信号源断开。
12.此外，本发明第二方面还一种基于磁耦合技术的轨道交通系统补能方法，所述方法基于如上所述的补能装置来实现，所述方法包括：
13.s1，通过向所述导轨双线馈入相位差180
°
的交变信号，交变信号在平行的导轨双线间传输，同时在垂直方向产生交变的磁场；选择导轨连接节点作为信号驻波点，连接驻波点处的导轨双线，形成一个发射线圈；
14.s2，实时判断车辆位置，当车头距离所述测距传感器距离小于第一预设阈值时，输入第一反馈信号到控制器；
15.s3，控制器根据所述第一反馈信号控制开关切换到信号源，信号源经匹配网络给所述发射线圈供电；其中，所述发射线圈的谐振频率与车辆底部接收线圈的谐振频率一致，车辆底部的接收线圈和发射线圈产生共振，通过共振耦合将能量传输至车体接收线圈上，经整流变为直流信号为车辆供电。
16.进一步，所述s2，实时判断车辆位置，还包括：
17.当车尾距离所述测距传感器的距离大于第二预设阈值时，输入第二反馈信号至控制器；
18.控制器根据所述第二反馈信号打开开关，使得开关与信号源断开。
19.此外，本发明第三方面还提供一种轨道交通系统，包括导轨双线、行驶在导轨双线上的车辆以及如上所述的基于磁耦合技术的轨道交通系统补能装置。
20.本发明的方案中，通过向所述导轨双线馈入相位差180
°
的交变信号，交变信号在平行的导轨双线间传输，同时在垂直方向产生交变的磁场；选择导轨连接节点作为信号驻波点，连接驻波点处的导轨双线，形成一个发射线圈；实时判断车辆位置，当车头距离所述测距传感器距离小于第一预设阈值时，输入第一反馈信号到控制器；控制器根据所述第一反馈信号控制开关切换到信号源，信号源经匹配网络给所述发射线圈供电；其中，所述发射线圈的谐振频率与车辆底部接收线圈的谐振频率一致，车辆底部的接收线圈和发射线圈产生共振，通过共振耦合将能量传输至车体接收线圈上，经整流变为直流信号为车辆供电。相比于现有技术，避免了增设额外的对准机制来保证传输效率，通过在车辆行驶状态下实现供电，实现长时有效的获得外部能源补给，其寿命长、可靠性更高，同时大幅度减少轨道和发射线圈的交叉，造成输能设备损坏等问题。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
22.图1是本发明实施例1公开的基于磁耦合技术的轨道交通系统补能装置的结构示意图；
23.图2(a)、(b)是本发明实施例1公开的在导轨上形成的若干个线圈产生的磁场分布示意图；
24.图3是本发明实施例2公开的基于磁耦合技术的轨道交通系统补能方法的流程示
意图。
具体实施方式
25.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本技术将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
26.此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本技术的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本技术的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本技术的各方面。
27.附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
28.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
29.需要说明的是：在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。
30.以下对本技术实施例的技术方案的实现细节进行详细阐述：
31.请参阅图1，图1是本发明实施例1公开的一种基于磁耦合技术的轨道交通系统补能装置的结构示意图。如图1所示，所述装置包括：
32.多个安装于导轨双线上的发射线圈；其中，选择导轨连接节点作为信号驻波点，连接驻波点处的导轨双线，形成一个发射线圈。
33.本实施例，如图1所示，进一步，通过向所述导轨双线馈入相位差180
°
的交变信号，交变信号在平行的导轨双线间传输，同时在垂直方向产生交变的磁场。通过给双导线馈入相位差180
°
的交变信号，交变信号在平行双线间传输，同时在垂直方向产生交变信号的磁场，其中可以确定交变信号的频率。选择选择导轨连接节点作为信号驻波点，可以确定交变信号的频率。连接驻波点处的双线，形成一个大的发射线圈。如图1所示的长导轨(双线导轨)上，形成有线圈1、线圈2、线圈3
……
。
34.进一步，如图1所示，每个发射线圈均连接有包括由测距传感器、控制器、开关、信号源以及匹配网络组成的电路。
35.其中，测距传感器，用于实时判断车辆位置，当车头距离所述测距传感器距离小于第一预设阈值时，输入第一反馈信号到控制器。
36.通过测距传感模块判断车辆位置，当车头距离传感模块距离小于阈值a1时，输入反馈信号b1到控制模块(fpga或单片机等)，由控制模块控制开关切换到信号源。通过信号源经匹配网络给两侧线圈供电，此时线圈的谐振频率为f，与车辆底部接收线圈的谐振频率一致。
37.控制器，用于根据所述第一反馈信号控制所述开关切换至信号源；信号源经匹配网络给所述发射线圈供电；其中，所述发射线圈的谐振频率与车辆底部接收线圈的谐振频
率一致，车辆底部的接收线圈和发射线圈产生共振，通过共振耦合将能量传输至车体接收线圈上，经整流变为直流信号为车辆供电。
38.具体地，本实施例，由于车辆底部的接收线圈和大的发射线圈的频率一致两者产生共振，通过共振耦合将能量传输值车辆底部的接收线圈上，后经整流变为直流信号c，从而可以为车厢内部设施供电。
39.进一步，所述测距传感器，还用于：当车尾距离所述测距传感器的距离大于第二预设阈值时，输入第二反馈信号至控制器；所述控制器，还用于根据所述第二反馈信号打开开关，使得开关与信号源断开。
40.具体地，本实施例，测距传感模块一直工作，判断车辆位置，当车尾距离传感模块距离大于阈值a2时，输入反馈信号b2到控制模块，打开开关，使得开关与信号源断开，结束线圈1的供能过程。随着车辆的进一步运动至线圈2的范围内，则根据发射线圈2对应的“测距传感器”执行判断车辆的车头车尾距离，即，类似于线圈1的判断过程，若当前线圈2的测距传感器感测到车头距离传感器距离小于一定阈值时，输入反馈信号到线圈2的控制器中，控制控制线圈2的开关切换到信号源，从而进一步为线圈2供电，并基于线圈2与车辆底部的接收线圈发生共振耦合，从而将将能量传输值车辆底部的接收线圈上，实现为车厢内部设施供电。如图2所示为本实例在导轨上形成的发射线圈产生的交变磁场分布示意图，其中，图2(a)所示，为当馈入相差180
°
信号时，发射线圈平面上产生的磁场分布，可以清晰地看出：产生的交变的磁场方向垂直于线圈面。图2(b)所示，图表示发射线圈中心位置处产生的磁场分布图，其中，h field(a/m)，单位为安培/米，用于表示磁场强度。其中线圈的中心为“白色”表示磁场强度的区域。
41.相比于现有技术，本实施例通过选择导轨连接节点作为信号驻波点，连接驻波点处的导轨双线，形成一个发射线圈，每个发射线圈均连接有包括由测距传感器、控制器、开关、信号源以及匹配网络组成的电路；当车头距离所述测距传感器距离小于第一预设阈值时，输入第一反馈信号到控制器；控制器根据第一反馈信号控制开关切换至信号源，使得信号源经匹配网络给发射线圈供电从而为车辆供电。在车辆行驶状态下实现供电，实现长时有效的获得外部能源补给，其寿命长、可靠性更高，同时大幅度减少轨道和发射线圈的交叉，造成输能设备损坏等问题，且避免了增设额外的对准机制来保证传输效率。
42.实施例2
43.本实施例提出一种基于磁耦合技术的轨道交通系统补能方法，所述方法基于如上实施例1所述的补能装置来实现，如图3所示，所述方法包括：
44.s1，通过向所述导轨双线馈入相位差180
°
的交变信号，交变信号在平行的导轨双线间传输，同时在垂直方向产生交变的磁场；选择导轨连接节点作为信号驻波点，连接驻波点处的导轨双线，形成一个发射线圈；
45.s2，实时判断车辆位置，当车头距离所述测距传感器距离小于第一预设阈值时，输入第一反馈信号到控制器；
46.s3，控制器根据所述第一反馈信号控制开关切换到信号源，信号源经匹配网络给所述发射线圈供电；其中，所述发射线圈的谐振频率与车辆底部接收线圈的谐振频率一致，车辆底部的接收线圈和发射线圈产生共振，通过共振耦合将能量传输至车体接收线圈上，经整流变为直流信号为车辆供电。
47.进一步，所述s2，实时判断车辆位置，还包括：
48.当车尾距离所述测距传感器的距离大于第二预设阈值时，输入第二反馈信号至控制器；
49.控制器根据所述第二反馈信号打开开关，使得开关与信号源断开。
50.此外，本发明第三方面还提供一种轨道交通系统，包括导轨双线、行驶在导轨双线上的车辆以及如上实施例所述的基于磁耦合技术的轨道交通系统补能装置。
51.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
52.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
53.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
54.另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
55.所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网格设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
56.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。