用于地下隧道的轨道分布式电磁感应充电装置及充电方法

摘要

本发明公开了一种用于地下隧道的轨道分布式电磁感应充电装置，包括保护电路、初级电感、次级电感、整流滤波电路和充电管理电路，保护电路的输入端为交流电源输入端，初级电感与次级电感之间通过电磁感应连接，充电管理电路的输出端为充电输出端；保护电路和初级电感均为多个，多个初级电感分别与地下隧道内的轨道固定连接并依次排列；次级电感、整流滤波电路和充电管理电路安装于被充电车上。本发明还公开了一种充电方法，包括以下步骤：获得开始充电信号；开始充电；恒流充电；判断电池电压大于14.4V时开始恒压充电；判断充电电流小于0.05A时充电结束。本发明实现了非接触式高效充电，避免了隧道中接触充电火花导致爆炸的安全事故。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于地下隧道的充电装置及充电方法，尤其涉及一种用于 地下隧道的轨道分布式电磁感应充电装置及充电方法。

背景技术

在煤矿矿井、下水道和电力隧道等很多地下隧道场合，迫切需要一些轨道 式大移动范围视频监控设备。但是移动视频监控设备的电源供给成了制约了该 类产品进入实用阶段的障碍。

在目前已有的这类轨道式视频监控设备中，电源供给主要有如下几种方案： （1）尾拖供电电缆方式供电；（2）采用滑触线和集电器供电；（3）采用电流互 感器感应供电。上述三种供电方式在用于地下隧道时，均存在各自无法正常、 安全运行的缺陷：（1）对于尾拖供电电缆方式供电，其主要缺点是：移动范围 有限，原因是轨道车负载随轨道度增加而增加，随着负载增加，对轨道、供电 电缆、轨道车的驱动能力、轨道车重量以及功耗都会有较大的增加，最终导致 长距离下实用性大幅度降低；（2）对于滑触线和集电器供电方式，其主要缺点 是：不能做到防爆，在矿井、下水道和电力隧道等场合使用存在巨大风险，原 因是这些场合随时可能出现CO、CH4、H2S等可燃气体，而滑触线和集电器这 种非可靠连接的供电方式可能会由于接触不良产生火花、导致爆炸；（3）对于 电流互感器感应供电方式，其主要缺点是：输出功率小、性价比低，原因是当 前这种供电方式在一次侧电流高达50A以上的时候，互感器输出功率仅仅只有 8W，一方面，8W的功率不足以驱动轨道视频监控车，另一方面，如此大的电 流，配件和施工成本也是非常不菲，另外，电流互感器感应供电方式，一旦出 现一次侧开路或二次侧会出现超高电压，有人身和设备安全的风险。

综上，现有轨道式视频监控设备还无法在地下隧道中正常、安全使用，这 与迫切需要一些轨道式大移动范围视频监控设备的实际需求形成矛盾。但目前 还没有解决上述问题的技术方案在专利和非专利文献中报道，更没有解决上述 问题的技术方案被应用的先例。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于地下隧道的轨道分 布式电磁感应充电装置及充电方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述用于地下隧道的轨道分布式电磁感应充电装置，包括保护电路、 初级电感、次级电感、整流滤波电路和充电管理电路，所述保护电路的输入端 为交流电源输入端，所述保护电路的输出端与所述初级电感的输入端连接，所 述初级电感与所述次级电感之间通过电磁感应连接，所述次级电感的输出端与 所述整流滤波电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与所述充电管理 电路的输入端连接，所述充电管理电路的输出端为充电输出端；所述保护电路 和所述初级电感均为多个，多个所述初级电感分别与所述地下隧道内的轨道固 定连接，多个所述初级电感在所述轨道的轴向方向上依次排列；所述次级电感、 所述整流滤波电路和所述充电管理电路安装于被充电车上。

在被充电车需要充电时，被充电车移动到轨道上靠近初级电感的位置，此 时初级电感与次级电感之间的距离越近越好；轨道上的初级电感将交流电转换 为磁，被充电车上的次级电感将磁转换为交流电。初级电感和次级电感组成一 个220V50Hz线性变压器，实现非接触式的短距离的电能传输。次级电感将感应 得到的交流电通过整流滤波电路变成直流电，再在充电管理电路的控制下给被 充电车的电池充电。保护电路用于进行线路短路保护，具体为串联连接于火线 的可恢复保险丝。采用多个保护电路和初级电感，能够在其中一个保护电路和/ 或初级电感出问题时，采用其它的保护电路和初级电感进行充电，确保系统正 常工作。

所述轨道分布式电磁感应充电装置还包括用于遮挡红外线的定位挡片、红 外线发射管和红外线接收管，所述定位挡片为多个，多个所述定位挡片分别与 所述轨道固定连接，多个所述定位挡片在所述轨道的轴向方向上依次排列；所 述红外线发射管和所述红外线接收管安装于所述被充电车上。

具体地，所述充电管理电路包括微控制器、电压采样调理电路、电流采样 调理电路、驱动电路和降压电路，所述电压采样调理电路的输入端和所述电流 采样调理电路的输入端分别与被充电池的电源输出端连接，所述电压采样调理 电路的输出端和所述电流采样调理电路的输出端分别与所述微控制器的电池信 号输入端连接，所述微控制器的控制输出端与所述驱动电路的输入端连接，所 述驱动电路的输出端与所述降压电路的控制输入端连接，所述降压电路的电源 输入端与所述整流滤波电路的输出端连接，所述降压电路的电源输出端与所述 被充电池的电源输入端连接。降压电路受微控制器的控制并起到开关和提供低 压稳压电源的作用。

更具体地，所述降压电路包括开关电路和续流滤波电路，所述开关电路的 控制输入端与所述驱动电路的输出端连接，所述开关电路的电源输入端与所述 整流滤波电路的输出端连接，所述开关电路的电源输出端与所述续流滤波电路 的输入端连接，所述续流滤波电路的输出端与所述被充电池的电源输入端连接。

工作时，整流滤波电路输出的直流电源经过由开关电路、续流滤波电路组 成的降压电路进行降压，输出到被充电池两侧给电池充电；然后电压采样调理 电路将电池电压进行采集、滤波、放大后反馈到微控制器，同理，电流采样调 理电路将电池电流采样、放大、滤波后反馈到微控制器，微控制器通过内置的 10位ADC模数转换器将模拟电压转换成数字值，再经过运算处理，调节输出的 PWM即脉宽调制信号的占空比，实现调节降压电路输出电压值，以满足电池充 电过程中的电压、电流控制需要。在这个电路中，驱动电路用于加速MOS管开 关速度，保证PWM波形上升、下降边沿时间尽量短，使MOS管尽量不要工作 在线性区，减少MOS管发热和提高电路的效率。

本发明所述轨道分布式电磁感应充电装置采用的充电方法，通过所述充电 管理电路实现，包括以下步骤：（1）获得开始充电信号；（2）开始充电；（3） 恒流充电；（4）判断电池电压是否大于14.4V，如果是，则进入步骤（5），如果 不是，则返回步骤（3）；（5）恒压充电；（6）判断充电电流是否小于0.05A，如 果是，则进入步骤（7），如果不是，则返回步骤（5）；（7）充电结束。

作为优选，所述步骤（1）中所述获得开始充电信号的方法为：将定位挡片 与所述轨道固定连接，在所述被充电车上安装红外线发射管和红外线接收管， 当所述红外线发射管和所述红外线接收管之间的红外线被所述定位挡片挡住 时，所述充电管理电路获得开始充电信号。

本发明的有益效果在于：

本发明实现了非接触式高效充电，避免了隧道中接触充电火花导致爆炸的 安全事故，能够实现轨道式视频监控设备在地下隧道中的正常、安全使用，具 体体现为：

（1）本发明所述充电装置可以用于长距离轨道小车充电，解决了拖线供电 方式范围有限的问题；

（2）本发明所述充电装置采用感应供电方式，不会因接触问题产生火星， 完全满足防爆的要求，能够在可燃气体环境下工作；

（3）本发明所述充电装置的电源转换效率高，一次侧不需要通过大电流， 对电源设备和电源电缆要求降低，成本低廉；

（4）本发明所述充电装置使用分布式初级电感即感应充电点的方式，且可 以随时就近充电，能够降低电池容量，减小被充电车即轨道车及轨道的 重量；

（5）本发明所述充电装置采用多个初级电感，实现了初级电感的冗余备 份，个别初级电感的损坏不影响系统正常工作；

（6）本发明所述充电装置成本低廉，实现简单：采用分布式充电点，无需 大电流发生器、大电流电缆等昂贵设备、材料；

（7）本发明所述充电装置通过采用短路保护和初级分体式变压器，不会因 为短路、断路等出现超高压，带来设备、人身安全隐患。

附图说明

图1是本发明所述轨道分布式电磁感应充电装置的机械结构示意图；

图2是本发明所述轨道分布式电磁感应充电装置的电路框图；

图3是本发明所述轨道分布式电磁感应充电装置的供电结构示意图；

图4是本发明所述充电管理电路的电路结构框图；

图5是本发明所述充电管理电路的电路图；

图6是本发明所述充电方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步具体描述：

如图1和图2所示，本发明所述用于地下隧道的轨道分布式电磁感应充电 装置，包括保护电路、初级电感2、次级电感、整流滤波电路、充电管理电路、 定位挡片3、红外线发射管（图中未示出）和红外线接收管（图中未示出），保 护电路的输入端为交流电源输入端，与交流电线1连接，保护电路的输出端与 初级电感2的输入端连接，初级电感2与次级电感之间通过电磁感应连接，次 级电感的输出端与整流滤波电路的输入端连接，整流滤波电路的输出端与充电 管理电路的输入端连接，充电管理电路的输出端为充电输出端，与被充电车5 的电池连接；保护电路和初级电感2均为多个，保护电路和初级电感2之间为 一一对应关系，多个初级电感2分别与地下隧道内的轨道4固定连接，多个初 级电感2在轨道4的轴向方向上依次排列；次级电感、整流滤波电路和充电管 理电路安装于被充电车5上；定位挡片3用于遮挡红外线，定位挡片3为多个， 多个定位挡片3分别与轨道4固定连接，多个定位挡片3在轨道4的轴向方向 上依次排列；所述红外线发射管和所述红外线接收管安装于被充电车5上。整 流滤波电路采用常规全桥整流电路和电容滤波电路即可，在此不再赘述。

如图3所示，保护电路用于进行线路短路保护，具体为串联连接于火线L 的可恢复保险丝F，包括F1、F2、…、Fn。图3中的L11、L12、…、L1n分别 与图1中的多个初级电感2对应，在同一时间，始终只有一个初级电感2即L11、 L12、…、L1n中的一个与次级电感L21相接近，进行电磁感应传输电能。

如图1、图2和图3所示，本发明所述充电装置的分体式变压器即初级电感 和次级电感的设计步骤如下：

1、确定输出功率；

2、选择合适的初、次级线圈的铁芯；

3、计算初、级线圈匝数、线径和每匝电压；

4、计算次、级线圈匝数、线径和每匝电压；

5、轨道车设计的时候严格控制轨道车停车充电时初、次级之间的距离。

如图4所示，充电管理电路包括微控制器、电压采样调理电路、电流采样 调理电路、驱动电路、开关电路和续流滤波电路，电压采样调理电路的输入端 和电流采样调理电路的输入端分别与被充电池即轨道小车电池的电源输出端连 接，电压采样调理电路的输出端和电流采样调理电路的输出端分别与微控制器 的电池信号输入端即两个ADC端连接，微控制器的控制输出端即PWM端与 PMOS驱动电路的输入端连接，PMOS驱动电路的输出端与MOSFET开关电路 的控制输入端连接，MOSFET开关电路的电源输入端与整流滤波电路的输出端 连接，MOSFET开关电路的电源输出端与续流滤波电路的输入端连接，续流滤 波电路的输出端与被充电池即轨道小车电池的电源输入端连接。

如图4所示，工作时，整流滤波电路输出的直流电源经过由MOSFET开关 电路即金氧半场效晶体管电路、续流滤波电路组成的BUCK降压电路即降压式 变换电路进行降压，输出到被充电池两侧给被充电池即轨道小车电池充电；然 后电压采样调理电路将轨道小车电池的电压信号进行采集、滤波、放大后反馈 到微控制器的ADC即数模转换器的输入端，同理，电流采样调理电路将轨道小 车电池的电流信号采样、放大、滤波后反馈到微控制器的ADC端，微控制器通 过内置的10位ADC模数转换器将模拟电压转换成数字值，再经过运算处理， 调节输出的PWM波占空比，实现调节BUCK降压电路输出电压值的功能，以 满足轨道小车电池充电过程中的电压、电流控制需要。在这个电路中，PMOS 驱动电路用于加速MOSFET开关电路中的MOS管开关速度，保证PWM波形 上升、下降边沿时间尽量短，使MOS管尽量不要工作在线性区，减少MOS管 发热和提高电路的效率。

如图5所示，充电管理电路的具体工作过程如下：其中U1即图4中微控制 器是一个单片微控制器，U2是一个对射式红外线光电对管，当轨道车不在充电 点时，U2红外线发射管发出的红外线射向接收管，U2接收管导通，U1的INT0 脚输入为低电平，当轨道小车到达充电点时，轨道上的定位挡片挡住U2发射管 侧发出的红外线，接收管截止，U1的INT0脚输入为高电平，通过INT0脚电平 的高低变化即可获知到达充电点。Q1、R1、R2、R3、Q2、Q3、Q4、D5、L22、 C3、C4组成一个BUCK降压电路，U1输出PWM信号控制BUCK降压电路输 出电压给电池充电，U1A构成一个差分放大器，将轨道小车电池的电压返回给 U1，而R4则用于采集流过轨道小车电池的电流，经U1B组成的放大电路放大 后返回给U1，U1通过内部10位ADC转换器对轨道小车电池的电流电压进行 量化采样，同时再控制PWM输出，实现电池的恒流、恒压充电。轨道小车电池 B1为4串磷酸铁锂电池，其单体充电截止电压为3.6V，放电截止电压为2V， 磷酸铁锂电池相对于普通锂离子电池和聚合物锂离子电池，使用过程中无需额 外加平衡电路，直接串充即可。

如图4和图5所示，充电管理电路中，PMOS驱动电路是影响电路可靠性 的一个关键因素，采用图5的电路实测，通过选择不同的R2值，可实现MOS 管GATE端上下边沿小于100ns；实验数据如下：

  R2   MOS管GATE上升沿时间  MOS管GATE下降沿时间   2000欧姆   843ns  921ns   1000欧姆   448ns  468ns   510欧姆   159ns  214ns   270欧姆   68ns  89ns

所以最终确定R2的电阻值为270欧姆，考虑到当PWM占空比较大的情况 下，电阻本身耗散功率较大，且保留较大的裕量，R2选择2W的碳膜电阻。

如图6所示，本发明所述轨道分布式电磁感应充电装置采用的充电方法， 通过所述充电管理电路实现，包括以下步骤：（1）获得开始充电信号；（2）开 始充电；（3）恒流充电；（4）判断电池电压是否大于14.4V，如果是，则进入步 骤（5），如果不是，则返回步骤（3）；（5）恒压充电；（6）判断充电电流是否 小于0.05A，如果是，则进入步骤（7），如果不是，则返回步骤（5）；（7）充电 结束。结合图1，上述步骤（1）中所述获得开始充电信号的方法为：将定位挡 片3与轨道4固定连接，在被充电车5上安装红外线发射管和红外线接收管， 当红外线发射管和红外线接收管之间的红外线被定位挡片3挡住时，充电管理 电路获得开始充电信号。

结合图1-图6，在被充电车5需要充电时，被充电车5移动到轨道4上靠近 初级电感2的位置，此时初级电感2与次级电感之间的距离越近越好；轨道4 上的初级电感2将交流电转换为磁，被充电车5上的次级电感将磁转换为交流 电。初级电感2和次级电感组成一个220V50Hz线性变压器，实现非接触式的短 距离的电能传输。次级电感将感应得到的交流电通过整流滤波电路变成直流电， 再在充电管理电路的控制下给被充电车5的电池充电。