基于分段导轨均衡场强的可移动设备动态无线供电装置及其动态无线供电方法

摘要

基于分段导轨均衡场强的可移动设备动态无线供电装置及其动态无线供电方法，涉及一种可移动设备的动态无线供电装置及其动态无线供电方法，本发明为解决现有可移动设备无线供电技术电磁辐射高、成本高、距离长且供电磁耦合机构间互感不均匀的问题。本发明所述的动态无线供电方法，设定磁传感器的敏感边界，根据敏感边界对可移动设备进行定位，开通可移动设备侧受电端系统正下方的两级分段导轨，其余分段导轨处于关闭状态；控制器根据磁传感器的定位信号产生软开关控制信号，软开关控制信号经过隔离驱动器电气隔离和驱动后生成驱动信号，驱动信号控制开通两级分段导轨中高频逆变器的通断；实现动态无线供电。本发明用于可移动设备的动态无线供电。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可移动设备的动态无线供电装置及其动态无线供电方法。

背景技术

工业生产中，电机驱动的固定场地移动设备已被大量使用，如AGV无人搬运车、隧 道电缆巡检机器人、有轨交通、工厂自动化生产线等。由于节约能源，对环境污染小，电 动汽车受到了世界各国的大力推广。上述可移动执行机构往往需要内置电池组或外接电缆 供电，影响了其使用的连续性和灵活性。这就需要探索一种适合的能源加注技术，从能量 补给角度解决上述可移动设备进一步发展的供电问题。

传统的插拔充电方式由于受到接口的限制只能同一时间为一台设备充电，而且充电器 输出的高电压会引起一系列安全问题。无线充电技术可以很好的解决上述问题，用户只需 将设备开到指定充电区域，便可自动进行充电，该技术称为静态无线充电技术。对于可移 动执行机构而言，无线充电没有外露的连接器，彻底避免漏电、跑电等安全隐患，可大幅 增加其续航能力和移动灵活性。然而，传统的静态无线充电存在着续航里程短、充电时间 长、充电频繁、电池组体积重量大、成本高昂等问题。特别是对于电动巴士一类的公交车 辆，其连续续航能力格外重要。在这样的背景下，动态无线充电技术应运而生，它以非接 触的方式为行驶中的可移动设备实时地提供能量供给。可移动设备可少量搭载甚至无需搭 载电池组，其续航里程得到延长，同时电能补给更加安全、便捷。

现有的可移动设备动态无线供电技术，意在解决可移动设备动态无线供电时存在的电 能传输连续性问题。动态无线供电装置主要包括固定的地面设施和安装在可移动设备上的 能量接收及转换系统，主要考核指标包括：无线能量传输距离、效率、功率、路面横向侧 移距离等。因而，开发大功率、高效率、低电磁辐射、成本适中的动态无线供电系统，成 为国外各大研究机构当前的主要研究内容。新西兰奥克兰大学使用长导轨式线圈来解决车 辆运动过程中能量通道切换带来的问题，但该方法存在发射线圈结构与接收端线圈的互感 量小，这就导致传输距离小、传输效率低等问题。韩国科学技术院在线圈中加入经过优化 设计的磁芯结构，较奥克兰大学的解决方案提升了传输效率和传输距离，但是增加磁芯后 存在设备成本高，不适合大规模应用的缺点。美国橡树岭实验室采用的是多分体线圈连续 铺设的方案，其地面发射装置采用多单体线圈串接共同构成一个串联谐振腔并使用单一逆 变源的拓扑结构，但传输功率和效率在车辆行驶过程中受发射和接收线圈相对位置影响呈 现为不平均，在两发射线圈中间位置功率和效率极低。

特别是，现有技术存在电磁辐射的显著缺点，目前的解决办法只能通过采取一些有限 的电磁屏蔽措施，如在电动汽车底盘安装磁芯或铝板，以削弱车内人体的电磁辐射。但是 在公路上铺设大功率长导轨对行驶的电动汽车进行无线供电时，当行人过马路从通电的大 功率导轨上经过，将遭受强电磁照射影响，对人体安全构成严重威胁。根据国际非电离辐 射防护委员会(The International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection， ICNIRP)制定的标准，在100kHz电流密度公众暴露限值为200mA/m²，其值过高可能 对人体神经系统功能造成影响；比吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)限值为2W/kg， 功率密度限值为10W/m²，二者值过高将导致人体局部组织过热。因此，有必要提供一种 改进的方法和装置来解决上述技术问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有可移动设备无线供电技术电磁辐射高、成本高、距离长且 供电磁耦合机构间互感不均匀的问题，提供了一种基于分段导轨均衡场强的可移动设备动 态无线供电装置及其动态无线供电方法。

本发明所述基于分段导轨均衡场强的可移动设备动态无线供电装置，该可移动设备动 态无线供电装置包括网侧供电端系统和可移动设备侧受电端系统，网侧供电端系统将能量 传输至可移动设备侧受电端系统；

网侧供电端系统包括工频整流器、大功率直流母线、n级分段导轨和n级位置检测控 制电路，n为正整数；电网的电能通过工频整流器输送至大功率直流母线上；

n级分段导轨结构相同，均包括高频逆变器、复合谐振电路和发射绕组；各级的高频 逆变器均并联在大功率直流母线上，高频逆变器将电能输出至复合谐振电路，然后通过发 射绕组传输至空气介质中；

n级位置检测控制电路结构相同，均包括磁传感器，控制器和隔离驱动器，磁传感器 设置在相邻两个发射绕组之间的中心位置，磁传感器在可移动设备运动时检测磁场强度， 根据门限阈值对可移动设备进行定位，控制器根据磁传感器的定位信号产生软开关控制信 号，软开关控制信号经过隔离驱动器电气隔离和驱动后生成驱动信号，驱动信号控制对应 的高频逆变器的通断；

所述门限阈值是设定的磁传感器的敏感边界，通过设定门限阈值，开通可移动设备侧 受电端系统正下方的两级分段导轨，其余n-2级分段导轨处于关闭状态；

所述磁传感器的敏感边界设定为：其中：r表示发射绕组内切圆半径，d 表示相邻两发射绕组边界距离；

各级控制器产生的软开关控制信号的工作点频率均为f₀，各级复合谐振电路的谐振频 率均为f_k，且满足f_k＝f₀；

可移动设备侧受电端系统包括接收谐振电路、高频整流器、直流母线、DC-DC变换 器、DC-AC变换器、车载电池组和车载交流电机；

接收谐振电路接收网侧供电端系统中发射绕组传输的磁能量，并将磁能量转换成交流 电流形式的电能量，通过高频整流器整流成直流后输出至直流母线，DC-DC变换器和 DC-AC变换器并联连接在直流母线上，可移动设备运动时接收到的能量通过DC-AC变换 器驱动车载交流电机，可移动设备进入停靠点时接收到的能量通过DC-DC变换器为车载 电池组充电；

接收谐振电路上设置有接收绕组，接收绕组接收网侧供电端系统中发射绕组传输的磁 能量，在接收绕组的几何中心位置设置有磁道钉；

由开通的两级分段导轨上的发射绕组与可移动设备侧受电端系统中的接收绕组产生 磁场谐振耦合，完成动态无线供电。

本发明所述基于分段导轨均衡场强的可移动设备动态无线供电装置的动态无线供电 方法，该动态无线供电方法的具体过程为：

步骤1、将网侧供电端系统中的磁传感器和发射绕组安装在地面下方，网侧供电端系 统中的其余部件安装在地面上方，可移动设备侧受电端系统安装在电动车上；

步骤2、设定磁传感器的敏感边界为：其中：r表示发射绕组内切圆半径， d表示相邻两发射绕组边界距离；

步骤3、磁传感器测量电动车移动时水平轴输出的变化值，获取磁场强度，根据步骤 2设定的敏感边界对电动车进行定位，开通可移动设备侧受电端系统正下方的两级分段导 轨，其余n-2级分段导轨处于关闭状态；

步骤4、控制器根据磁传感器的定位信号产生软开关控制信号，软开关控制信号的工 作点频率为f₀，设定复合谐振电路的谐振频率为f_k，且满足f_k＝f₀；

步骤5、软开关控制信号经过隔离驱动器电气隔离和驱动后生成驱动信号，驱动信号 控制开通两级分段导轨中高频逆变器的通断；

步骤6、开通的高频逆变器将电能通过同级的发射绕组传输至空气介质中；

步骤7、可移动设备侧受电端系统中的接收绕组与开通的分段导轨中的发射绕组产生 磁场谐振耦合，接收绕组接收发射绕组传输的磁能量；

步骤8、电动车移动时接收到的能量通过DC-AC变换器驱动车载交流电机工作，电 动车进入停靠点时接收到的能量通过DC-DC变换器为车载电池组充电，完成动态无线供 电。

本发明的优点：本发明所述的基于分段导轨均衡场强的可移动设备动态无线供电装置 简单易行，无线传能效率高，输出功率稳定，耦合机构产生的磁场均匀，电磁辐射低，成 本低廉，系统可靠性较高。

附图说明

图1是本发明所述基于分段导轨均衡场强的可移动设备动态无线供电装置的电路结 构示意图；

图2是本发明所述网侧供电端系统的电路结构示意图；

图3是本发明所述发射绕组和接收绕组的尺寸以及磁传感器的敏感边界设置示意图；

图4是本发明所述驱动信号、高频逆变器电压、发射绕组电流波形图；

图5是本发明所述的实施例2开启两个发射绕组与接收绕组互感曲线图，曲线a表示 M1+M2，曲线b表示M1，曲线c表示M2；

图6是本发明所述的实施例2可移动设备运动过程中传输效率与输出功率波形图，曲 线d表示传输功率，曲线e表示输出功率；

图7是本发明所述基于分段导轨均衡场强的可移动设备动态无线供电装置的供电原 理图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述基于 分段导轨均衡场强的可移动设备动态无线供电装置，该可移动设备动态无线供电装置包括 网侧供电端系统1和可移动设备侧受电端系统2，网侧供电端系统1将能量传输至可移动 设备侧受电端系统2；

网侧供电端系统1包括工频整流器1-1、大功率直流母线1-2、n级分段导轨1-3和n 级位置检测控制电路1-4，n为正整数；电网的电能通过工频整流器1-1输送至大功率直 流母线1-2上；

n级分段导轨1-3结构相同，均包括高频逆变器1-3-1、复合谐振电路1-3-2和发射绕 组1-3-3；各级高频逆变器1-3-1均并联在大功率直流母线1-2上，高频逆变器1-3-1将电 能输出至复合谐振电路1-3-2，然后通过发射绕组1-3-3传输至空气介质中；

n级位置检测控制电路1-4结构相同，均包括磁传感器1-4-1，控制器1-4-2和隔离驱 动器1-4-3，磁传感器1-4-1设置在相邻两个发射绕组1-3-3之间的中心位置，磁传感器1-4-1 在可移动设备运动时检测磁场强度，根据门限阈值对可移动设备进行定位，控制器1-4-2 根据磁传感器1-4-1的定位信号产生软开关控制信号，软开关控制信号经过隔离驱动器 1-4-3电气隔离和驱动后生成驱动信号，驱动信号控制对应的高频逆变器1-3-1的通断；

所述门限阈值是设定的磁传感器1-4-1的敏感边界，通过设定门限阈值，开通可移动 设备侧受电端系统2正下方的两级分段导轨1-3，其余n-2级分段导轨1-3处于关闭状态；

所述磁传感器1-4-1的敏感边界设定为：其中：r表示发射绕组内切圆半 径，d表示相邻两发射绕组边界距离；

各级控制器1-4-2产生的软开关控制信号的工作点频率均为f₀，各级复合谐振电路 1-3-2的谐振频率均为f_k，且满足f_k＝f₀；

可移动设备侧受电端系统2包括接收谐振电路2-1、高频整流器2-2、直流母线2-3、 DC-DC变换器2-4、DC-AC变换器2-5、车载电池组2-6和车载交流电机2-7；

接收谐振电路2-1接收网侧供电端系统1中发射绕组1-3-3传输的磁能量，并将磁能 量转换成交流电流形式的电能量，通过高频整流器2-2整流成直流后输出至直流母线2-3， DC-DC变换器2-4和DC-AC变换器2-5并联连接在直流母线2-3上，可移动设备运动时 接收到的能量通过DC-AC变换器2-5驱动车载交流电机2-7，可移动设备进入停靠点时 接收到的能量通过DC-DC变换器2-4为车载电池组2-6充电；

接收谐振电路2-1上设置有接收绕组2-1-1，接收绕组2-1-1接收网侧供电端系统1 中发射绕组1-3-3传输的磁能量，在接收绕组2-1-1的几何中心位置设置有磁道钉2-1-2；

由开通的两级分段导轨1-3上的发射绕组1-3-3与可移动设备侧受电端系统2中的接 收绕组2-1-1产生磁场谐振耦合，完成动态无线供电。

本实施方式中，通过设定门限阈值，保证电能传输的连续性和高效性。

本实施方式中，在可移动设备的运动过程中，通过软开关切换高频逆变器1-3-1的工 作状态，始终保持可移动设备侧受电端系统2的下方只有2个发射绕组1-3-3工作，有效 避免电磁辐射的影响。

本实施方式中，当可移动设备运动时接收到的能量通过DC-AC变换器2-5驱动车载 交流电机2-7，当可移动设备进入停靠点时接收到的能量通过DC-DC变换器2-4为车载 电池组2-6充电，能够实现对电池和电机的双负载无线供电。

本实施方式中，由于磁传感器1-4-1设置在相邻两个发射绕组1-3-3间的几何中心位 置，能量传输产生的交变磁场对磁传感器1-4-1的影响全部集中在垂直轴方向，因而当接 收绕组2-1-1随可移动设备运动时，可通过网侧供电端系统1的磁传感器1-4-1水平轴的 输出变化检测到磁道钉2-1-2在可移动设备运动方向上的磁场强度变化，进而实现对可移 动设备的精确定位。

本实施方式中，磁传感器1-4-1还可安装在各发射绕组1-3-3的几何中心位置，磁传 感器1-4-1还可以设置成由其他压力、激光、红外传感器组成，同样可以实现对可移动设 备位置的检测。

本实施方式中，各级分段导轨1-3中的发射绕组1-3-3结构和尺寸均相同，且发射绕 组间边界距离亦相同，以产生均衡场强。

本实施方式中，磁道钉2-1-2设置在接收绕组2-1-1的几何中心位置，用于改变可移 动设备运动过程中行驶方向的磁场强度变化。

本实施方式中，f₀和f_k满足f_k＝f₀，f_k＝f₀的值为20kHz、85kHz或100kHz。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述工频整流器1-1包括 全波桥式整流电路和滤波电容C_pf，全波桥式整流电路的输入端连接电网，全波桥式整流 电路的输出端连接在大功率直流母线1-2上，滤波电容C_pf并联全波桥式整流电路的输出 端上。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述高频逆变器1-3-1为 四功率管全桥逆变电路。

具体实施方式四：下面结合图3说明本实施方式本实施方式对实施方式三作进一步说 明，设置接收绕组2-1-1的尺寸、发射绕组1-3-3的尺寸和发射绕组1-3-3间距分别为：

$\left(\begin{array}{c}w=2r\\ r<d<2r\\ 4r\le l<4r+d\end{array}\right)$

其中：w为接收绕组宽度，l为接收绕组长度，w和l根据可移动设备底盘大小确定， 发射绕组为方形，r为其内切圆半径；

根据基尔霍夫定律，系统等效交流阻抗输出功率P_ac和传输效率η分别表示为：

$\left(\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{ac}}=\frac{{\left(4{\pi }^2{f}_0^2{C}_{\mathrm{pk},1}\right)}^2{(M_1+M_2)}^2{R}_{\mathrm{ac}}}{{(R_s+R_{\mathrm{ac}})}^2}{V_1}^2\\ \eta =\frac{4{\pi }^2{f}_0^2{(M_1+M_2)}^2{R}_{\mathrm{ac}}}{(R_s+R_{\mathrm{ac}}){(2R_{\mathrm{pk}\mathrm{1,2}}{R}_s+2R_{\mathrm{pk}\mathrm{1,2}}{R}_{\mathrm{ac}}+4{\pi }^2{f}_0^2(M_1+M_2)}^2}\end{array}\right)$

其中：M₁为开启的第一个发射绕组与接收绕组的互感，M₂为开启的第二个发射绕组 与接收绕组的互感，V₁为网侧供电系统高频逆变器输出电压基波有效值，R_ac为可移动设 备等效交流负载，R_pk1,2和R_s为常数，分别表示接收绕组和发射绕组内阻。本实施方式中， 通过设定接收绕组2-1-1的尺寸、发射绕组1-3-3的尺寸和发射绕组1-3-3间距产生均衡场 强(互感稳定)，有效地避免电磁辐射的出现，同时提高系统动态无线供电的连续性和稳 定性，由于互感M₁+M₂不变，故功率P_ac和效率η稳定。

本实施方式的参数设置保证了开启的两个发射绕组1-3-3与接收绕组2-1-1形成的磁 场均衡，即互感恒定，同时实现了最大传输效率。

本实施方式中，各级软开关工作点频率f₀与输出基波电压有效值V₁完全相同。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式三作进一步说明，复合谐振电路1-3-2包括 补偿电感L_pk,1、第一电阻R_pk,1、第二电阻R_pk,2、第一补偿电容C_pk,1和第二补偿电容C_pk,2， 第一电阻R_pk,1为补偿电感L_pk,1的内阻，第二电阻R_pk,2为发射绕组L_pk,2的内阻，各级的复 合谐振电路1-3-2的全部参数均相同，即：

L_pk,1＝R_pk,1＝R_pk,2＝C_pk,1＝C_pk,2；

第一补偿电容C_pk,1和补偿电感L_pk,1谐振，满足：

$2\pi f_k{L}_{\mathrm{pk},1}-\frac{1}{2\pi f_k{C}_{\mathrm{pk},1}}=0;$

第二补偿电容C_pk,2和发射绕组1-3-3产生谐振，满足：

$2\pi f_k{L}_{\mathrm{pk},2}-\frac{1}{2\pi f_k{C}_{\mathrm{pk},2}}-\frac{1}{2\pi f_k{C}_{\mathrm{pk},1}}=0;$

其中：L_pk,2表示发射绕组1-3-3。

本实施方式中，复合谐振电路1-3-2还可以由其他T型、π型补偿谐振电路组成。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述接收绕组2-1-1的内 阻为电阻R_s，补偿电容C_s与接收绕组2-1-1产生谐振，谐振频率为f_s，且等于高频逆变器 1-3-1的软开关工作点频率f₀，即f_s＝f₀，且满足：

$2\pi f_s{L}_s-\frac{1}{2\pi f_s{C}_s}=0;$

其中：L_s表示接收绕组2-1-1。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述磁传感器1-4-1为高 灵敏度三轴磁传感器。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式一作进一步说明，各级分段导轨1-3的发射 绕组1-3-3均采用单独的高频逆变器1-3-1进行电能传输；各级高频逆变器1-3-1并联在同 一大功率直流母线1-2上。

具体实施方式九：本实施方式所述基于分段导轨均衡场强的可移动设备动态无线供电 装置的动态无线供电方法，该动态无线供电方法的具体过程为：

步骤1、将网侧供电端系统1中的磁传感器1-4-1和发射绕组1-3-3安装在地面下方， 网侧供电端系统1中的其余部件安装在地面上方，可移动设备侧受电端系统2安装在电动 车上；

步骤2、设定磁传感器1-4-1的敏感边界为：其中：r表示发射绕组内切 圆半径，d表示相邻两发射绕组边界距离；

步骤3、磁传感器1-4-1测量电动车移动时水平轴输出的变化值，获取磁场强度，根 据步骤2设定的敏感边界对电动车进行定位，开通可移动设备侧受电端系统2正下方的两 级分段导轨1-3，其余n-2级分段导轨1-3处于关闭状态；

步骤4、控制器1-4-2根据磁传感器1-4-1的定位信号产生软开关控制信号，软开关 控制信号的工作点频率为f₀，设定复合谐振电路1-3-2的谐振频率为f_k，且满足f_k＝f₀；

步骤5、软开关控制信号经过隔离驱动器1-4-3电气隔离和驱动后生成驱动信号，驱 动信号控制开通两级分段导轨1-3中高频逆变器1-3-1的通断；

步骤6、开通的高频逆变器1-3-1将电能通过同级的发射绕组1-3-3传输至空气介质 中；

步骤7、可移动设备侧受电端系统2中的接收绕组2-1-1与开通的分段导轨1-3中的 发射绕组1-3-3产生磁场谐振耦合，接收绕组2-1-1接收发射绕组1-3-3传输的磁能量；

步骤8、电动车移动时接收到的能量通过DC-AC变换器2-5驱动车载交流电机2-7 工作，电动车进入停靠点时接收到的能量通过DC-DC变换器2-4为车载电池组2-6充电， 完成动态无线供电。

本发明中，在可移动设备运动的过程中，始终保持只有接收绕组正下方的两个发射绕 组运行，有效避免了电磁辐射，同时双发射绕组与接收绕组之间形成均衡磁场，提高了系 统动态无线供电的连续性和稳定性。每次开启的两级分段导轨，其驱动信号、高频逆变器 电压、发射绕组电流波形的频率、幅度、相位完全相同，这样相邻两发射绕组叠加后的磁 场为均衡场强。

以下结合实施例1，给出该方法实现动态无线电能传输的过程。

实施例1：如图1所示，以第k级分段导轨为例，当磁传感器k未检测到可移动设备 时，高频逆变器k无输出电压，此时发射绕组k上无电流，没有向外传递能量，因而没有 效率损耗和电磁辐射。当磁传感器k检测到可移动设备经过时，控制器k和k-1立即产生 四路同步控制信号，分别经隔离驱动器k和k-1后生成驱动信号G_k,1，G_k,2，G_k,3，G_k,4和 G_k-1,1，G_k-1,2，G_k-1,3，G_k-1,4，同步驱动高频逆变器k和k-1工作。如图4所示，第k级分 段导轨的驱动信号与第k-1级驱动信号同相位，且高频逆变器k和k-1的输出电压u_k和u_k-1相等。此时发射绕组k和k-1上均有电流，且发射绕组k上电流i_k与发射绕组k-1上电流 i_k-1大小相等，相位相同，能够同时向接收绕组传递能量。最后被开通的2个发射绕组与 受电系统中的接收绕组产生磁场谐振耦合，完成能量的无线传输。

以下结合实施例2，说明如何产生均衡磁场以保证动态无线电能传输的稳定性和效率 均匀性。

实施例2：在本实施例中，接收绕组为边长20×40cm的矩形线圈，匝数为14，发射 绕组为边长20×20cm的矩形线圈，匝数也为14，各发射绕组边界间距为14cm，接收绕 组以速度2cm/ms在发射绕组正上方20cm高度移动。如图5所示，开启的双发射绕组与 接收绕组总互感M₁+M₂在接收绕组移动过程中始终恒定在8.2μH，最终实现了均衡磁场。 如图6所示，当可移动设备在多个发射绕组正上方连续移动时，输出功率连续稳定，传 输效率始终稳定在85％以上，保证了系统动态无线供电的稳定性和高效性。

如图7所示，因为在可移动设备移动过程中，系统始终保持只有其正下方的两个发射 绕组运行，有效避免了电磁辐射出现，同时双发射绕组之间形成均衡磁场，保证了能量传 输的均匀性和稳定性。

所述的高频整流器2-2由全波桥式整流电路和滤波电容C_sf组成，也可由其他桥式或 可控整流电路组成，实现交流电转变为直流电。所述的DC-DC变换器2-4由Buck电路 组成，连接车载电池组2-6，所述的DC-AC变换器2-5由全桥逆变电路组成，连接车载 交流电机2-7，其关键在于：DC-DC变换器2-4和DC-AC变换器2-5通过直流母线2-3 并联在高频整流器2-2的输出端，可实现一种对电池/电机双负载的无线供电。所述的 DC-DC变换器2-4还可由Boost、Buck-Boost或Boost-Buck电路等组成，所述的DC-AC 变换器2-5还可由半桥逆变电路组成，同样可以实现对受电侧负载的无线供电。