一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法

摘要

本发明公开一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法，在煤矿中使用的电机车，主流电机驱动系统是直流电机驱动系统。可以使用蓄电池的来供应电机所需直流电。煤矿中基于无线输电的矿用电机车充电方法，其特征在于，电车的供电和电机车反馈信息传输都是无线方式，而非有线传输。提供矿用电机车供电的发射端、接收端，都具有分析处理功能，可以通过自动优化配置来为矿用电机车提供电能。包括第一电能调节模块、无线输电模块、无线接收模块、第二电能调节模块、匹配模块、蓄电池、数据反馈模块、数据分析模块、优化配置模块。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法。

背景技术

矿用蓄电池电机车是煤矿井下，水平巷道上，长距离运输的一种重要的运输工具。它在 矿井中的煤炭运输及其辅助运输中占着重要的地位。它的优点是成本较低，运输的能力较大， 操作较方便，有非工作储备系统等优点。

煤矿井下的架线电机车一直是较有争议设备，架线式的电机车是借受电弓从电路上取得 电能的。当电机车运行时，受电弓沿着架空线滑动，依靠受电弓接触架空线来获取电能，在 接触部分，滑动过程中容易产生电火花，直接暴露的电火花是很容易有事故隐患的。

矿用蓄电池电机车的充电方式主要是以有线方式来充电，由于煤矿下电气设备主要是隔 爆型电气设备，所以在矿井下电气设备之间的连接线是比较薄弱的环节，再加上这种“有线” 的传输方式的接口处频繁插拔、安装容易造成摩擦、损坏，电能传输中很容易产生火花，进 而会影响到安全指标。

无线输电技术产生比较早，但其发展比较缓慢。在2007年6月，美国麻省理工学院宣 布利用电磁共振技术成功的通过无线手段，点亮了一个离电源约2m远的60W灯泡。其开辟了 一种全新的无线传输方式，磁耦合共振传输方式，这种传输方式可以达到较长的传输距离， 传输效率也相当可观。

发明内容

为了克服矿用蓄电池电机车在充电时充电线路的来回插拔、安装带来的不便捷以及传输 线路存在的安全问题，本发明提出了一种方便快捷，安全系数高的为矿用蓄电池电机车供电 的装置，该装置能够在煤矿井下这种环境恶劣情况下，对矿用蓄电池电机车进行无线供电， 能够在短时间内快速、高效的为矿用电机车安全的供配电，有效的避免了在煤矿下，因为摩 擦、接触火花而引起事故，为煤矿井下提供更加便捷的电机车使用。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法， 包括位于煤矿井下底板下部的电能无线传输设备和位于煤矿井下底板上部的电能无线接收设 备，其中所述的电能无线传输设备和电能无线接收设备是通过无线方式连接的，所述的电能 无线传输设备包括第一电能调节模块(1)、无线输电模块(2)、数据分析模块(8)和优化 配置模块(9)，所述的电能无线接收设备包括无线接收模块(3)、第二电能调节模块(4)、 匹配模块(5)、蓄电池(6)和数据反馈模块(7)。

所述第一电能调节模块包括第一整流滤波单元、高频逆变单元和功率放大单元，第一整 流滤波单元用于将电网中低频50Hz交流电转化成直流电传输至高频逆变单元，高频逆变单元 将直流电变为高频的交流电再输送到功率放大单元将功率放大，为无线输电模块提供能量。

所述无线输电模块包括发射天线、发射天线控制模块；所述发射天线中设置有单匝线圈， 用于将高频交流电通过磁效应产生交变磁场，再经过发射天线与接收天线的磁耦合共振通道 传输能量；所述发射天线控制模块包括天线时分器、中央处理器、存储器；天线时分器用于 时分的控制正向电能传输和反向信息传输；中央处理器用于在不需要信息传输时，智能的控 制时分器关闭与否；存储器用于存储无线反馈回的数据的，防止丢失。

所述无线接收模块包括接收天线、接收天线控制模块；所述无线接收天线用于接收无线 输电模块通过磁耦合共振通道发射过来磁能，所述无线接收天线中设置有单匝线圈用于将接 收到的磁能通过电磁感应变成交流电能，所述无线接收天线用于发射数据反馈模块反馈的数 据传输至发射天线；所述接收天线控制模块和发射天线控制模块功能相同。

所述第二电能调节模块包括第二整流滤波单元，主要是用于将交流电转化为适合存储的 直流电，传输到所述匹配模块进行匹配。

所述匹配模块包括负载匹配模块和自动调节装置；匹配模块选择“T”型匹配网络，通过 自动调节装置调节相应参数使得电能通过匹配后更好的存储到矿用电机车的蓄电池中，使蓄 电池达到最理想的能量吸收。

所述数据反馈模块包括数据采集模块、数据处理模块；所述数据采集模块用于采集第二 电能模块输出的功率信息，所述数据处理器用于将采集到的功率信息转化成适合无线传输的 形式，加载到无线接收模块上，通过无线接收模块将信息以无线形式反向传送到无线输电模 块。

所述数据分析模块包括数据的解调模块、数据对比模块；所述数据解调模块用于将无线 接收到的数据进行解调，得到适合读取的数据；所述数据对比模块用于将解调后的数据进行 分析对比后得出需要优化、调节的信息，分析对比后的信息传输到所述的优化配置模块。

所述优化配置模块包括控制电机模块、电机和防爆保护模块，所述优化配置模块用于将 需要优化、调节的信息传入控制电机模块中控制电机的旋转，由于电机是和无线输电模块固 定着的，所以调节电机旋转就相当于调节无线输电模块相对煤矿井下底板的距离，提高电能 传输效率；防爆模块主要是在煤矿井下特殊环境中起保护作用。

矿用蓄电池电机车充电装置采用磁耦合共振方式，由电网向矿用蓄电池电机车进行无线 供电，在矿用蓄电池电机车中数据采集模块采集到的数据经过编码、调制后，加载到无线接 收模块，进行与电能无线传输方向相反的数据无线传输。时分器控制天线能够分时的进行收 发能量与数据，由同一个天线系统但方向互相相反的进行能量和数据的无线传输，包括第一 电能调节模块、无线输电模块、无线接收模块、第二电能调节模块、匹配模块、蓄电池和数 据反馈模块、数据分析模块、优化配置模块。

矿用蓄电池电机车优化配置装置分为两部分优化，一部分是在与电机车发生耦合谐振时 所需要调整的距离优化，另一部分是在距离确定后，负载的匹配优化。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的方法，使矿用电机车在煤矿下充电时不受输电线路的束缚和特殊环境影 响，将电能通过无线方式传输。

2.能够有效的提高电机车的充电效率。

3.能够提高蓄电池电能吸收能力，防止电能出现不必要的损耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

图1是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法结构图；

图2是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法的充电工作流程图；

图3是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法中的等效线圈耦合电路图；

图4是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法中的初级线路等效电路图；

图5是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法中的次级线路等效电路图；

图6是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法中的次级线路中的T型匹配电路 图；

图中，1、第一电能调节模块；2、无线输电模块；3、无线接收模块；4、第二电能调节 模块；5、匹配模块；6、蓄电池；7、数据反馈模块；8、数据分析模块；9、优化配置模块。

具体实施方式

参见图1，本发明的无线充电装置包括第一电能调节模块1，无线输电模块2，无线接收 模块3，第二电能调节模块4，匹配模块5，蓄电池6，数据反馈模块7，数据分析模块8， 优化配置模块9组成。

所述第一电能调节模块1包括第一整流滤波单元、高频逆变单元、功率放大单元，其中 第一整流滤波单元包括整流器和滤波器，整流器负责将电网中50Hz低频交流电转化成脉动直 流电，滤波器滤除脉动直流电压中交流成分，降低输出电压的纹波系数，而形成波形较平滑 的直流电，再传输至高频逆变单元，通过高频逆变单元将直流电逆变为所需的高频交流电， 再输送到功率放大单元将功率放大，从而提供无线输电模块能量来进行能量的无线传输，通 过所述第一电能调节模块将高频的交流电能输送至无线输电模块。

所述无线输电模块2包括发射天线、发射天线控制装置；发射天线中设置有单匝线圈； 发射天线控制装置包括发射天线时分器、中央处理器、存储器；其中单匝线圈的选择主要是 为了将高频的交流电能感应出交变的磁能，通过磁耦合共振通道传输；其中发射天线、接收 天线的材质选用铜管，目的是为了减少内阻、节约材料从而提高传输效率，其中铜管是根据 在实际中场和电流仅存在于导体表面很薄的一层内趋肤效应选择的；发射天线和接受天线都 分别选自身的电感和电容谐振，并且发射天线谐振频率、接收天线谐振频率、交流电频率这 三者相同，满足磁耦合共振无线输电的参数要求，这样可形成磁通道；发射天线控制装置主 要四个方面功能：(1)分时的进行电能的无线传输；(2)分时的进行数据信息的无线传输； (3)有效合理的分配能量与信息的传输时间；(4)安全可靠的数据的保存，通过所述无线 输电模块将能量通过无线的磁通道传输至无线接收模块。

所述无线接收模块3包括接收天线和接收天线控制装置；接收天线中的单匝线圈主要是 为了将磁能感应出电能来传输；无线接收模块主要有两方面功能：(1)通过无线方式接收到 无线输电模块发送过来的能量，并将能量传送到第二电能调节模块；(2)通过无线方式将数 据反馈模块反馈的信息传送到无线输电模块。

所述第二电能调节模块4包括第二整流滤波单元，其主要功能是将接收的高频交流电转 换为平稳的直流电；其传输方向主要有两方面：(1)将第二电能调节模块调节后的能量传输 至匹配模块中，进行匹配；(2)将第二电能调节模块调节后的功率数据传输到数据反馈模块。

所述匹配模块5包括负载匹配模块、自动调节装置；负载匹配模块主要选择T型的匹配 网络，主要是因为其能够提高电能的幅值和效率，并且会增加系统的频率范围和稳定性；自 动调节装置主要的操作方式是根据图4得出在谐振状态下和需要获得最大功率状态下有：最 佳互感$M=\frac{\sqrt{(R_D+R_W)·(R_{\mathrm{in}}+R_S)}}{\omega }$和MIT实验确定两互感虽然表示方 式不一，但如果在材料和元器件方面都满足两个式子，则传输效率会提高；

再根据图5有$R_W=\frac{{X_b}^2{R}_{\mathrm{load}}}{{R_{\mathrm{load}}}^2+{(X_b+X_c+X_{\mathrm{load}})}^2}$

$X_W=X_a+\frac{X_b{R_{\mathrm{load}}}^2+X_b(X_c+X_{\mathrm{load}})(X_b+X_c+X_{\mathrm{load}})}{{R_{\mathrm{load}}}^2+{(X_b+X_c+X_{\mathrm{load}})}^2}=0$

其中X_c可以预先设定一个值，则可以求出其余配件所需的数值，这样一来可以根据可 变阻抗器件来达到匹配效果。通过匹配好的能量就可以输入到矿用电机车的蓄电池中。

所述蓄电池6包括电池、电池管理部分，其中电池使用锂离子蓄电池；电池管理部分主 要功能是防止电池反接、过充、过放、过流、短路，内、外部电路的保护，均衡充电、放电。

所述数据反馈模块7包括数据采集模块、数据处理模块；其中数据采集模块主要用于采 集第二电能装置输出的功率信息；其中数据处理器主要是由编码单元、调制单元、功率放大 单元组成；主要是用于将采集到的功率信息转化成为适合无线传输的形式，加载到无线接收 模块上，由于电能无线传输谐振状态时，发射天线和接收天线彼此之间发生强烈的能量交换， 在此时能量是双向流动性的，既有输出也有返回，信息同时可加载至无线输电的天线上，双 向进行数据的无线传输，此时无线电能传输和无线数据传输是共用同一个传输通道的；为了 防止混乱，无线接收时分器将能量和数据分时的隔开传输。

所述数据分析模块8包括信息解调模块和数据对比模块，其主要功能是解调由无线输电 模块接收到的信息也就是无线接收模块发射的数据信息，并通过解调、分析、对比后，来决 定需要发生变化的调节值。并且将调节值发送至优化配置模块。

所述优化配置模块9包括控制电机模块、电机和防爆保护模块，其中控制电机模块主要 功能是将分析出的数据转化成机械式运作，控制和调节无线输电模块和无线接收模块的相对 位置从而提高天线传输能量的效率；防爆保护模块主要是为了防止矿井下的所有器件的潮湿、 漏电及矿井爆炸对器件的损坏。

图2是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法的充电工作流程图，电网中的 50Hz交流电经过第一整流滤波单元，高频逆变单元与功率放大单元得到高频大功率的电能输 送到无线输电模块，经过无线输电模块中的单匝线圈产生交变磁场，将磁能通过磁耦合共振 形成的第一通道传输至无线接收模块，再在无线接收模块中的单匝线圈感应出高频电流，高 频电流经过整流滤波转换为直流电，此时电能主要一路是通过匹配模块来使能量有效的存储 到蓄电池，而另一路是测量电功率，测量到的电功率数据信息经过编码、调制后加载到无线 接收模块进行数据无线传输，再通过第二通道将信息传输到无线输电模块，接收到的信息通 过解码后，将数据传入数据分析模块中，通过数据分析模块的分析、对比来决定电机旋转圈 数，从而增进与停止天线间距离，从而使距离达到最佳状态，其中对比方式中功率范围和增 进距离的数据是通过大量的实验，归类总结所形成，有一定的可靠性、有效性，旋转圈数和 增进距离是有一个固定比。

图3是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置简易及方法中的等效线圈耦合电路图， 是将整个装置电路系统等效分析的模型，这样可以有效的将复杂的系统化，易于分析。其中V_in表示电压源，R_in表示电压源内在电阻，R_S、R_D表示寄生电阻，主要是欧姆损耗和谐振是辐 射的损失，C_S、C_D分别表示等效电容，L_S、L_D分别表示等效电感，R_W表示负载部分反射到 线路的电阻。

图4是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法中的初级线路等效电路图，其中 Z_Sf是次级反射到初级的反射阻抗。

图5是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法中的次级线路等效电路图，其中 Z_Df是初级反射到次级的反射阻抗，是表示由于初级回路的耦合影响而反射在 次级回路的等效电动势。其中为使次级线圈获得最大功率应当满足

Z_S＝R_in+R_S，Z_D＝R_D+R_W，

Z_Df＝Z_D，Z_Sf＝Z_S

图6是一种基于无线输电的矿用电机车充电装置及方法中的次级线路中的T型匹配电路 图，其中Z_a＝jX_a，Z_b＝jX_b，Z_c＝jX_c，Z_W＝R_W+jX_W,Z_load＝R_load+jX_load是通过X_c可以预先设定一个值，来逆推所要满足的各个器件的阻抗数值，达到阻抗匹配效果。