[发明专利]一种分段切换的无线电能传输系统原边供电装置及其切换方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分段切换的无线电能传输系统原边供电装置及其切换方法。

背景技术

无线电能传输技术是利用电磁波、电场或磁场耦合原理，将电能以非接触的方式为用电设备供电的技术。在轨道交通牵引供电中应用无线电能传输技术，避免了传统的接触网、第三轨等接触式供电方式中存在的碳积、磨损现象，同时避免了拉弧、触电等危险，因而具有维护成本更低、安全性更高等优点。

轨道交通无线电能传输技术的电能传输功率大、供电距离长，为了降低单个供电线圈上的电能损耗，需要避免采用过长的原边供电线圈，转而采用多段较短的原边供电线圈交替供电的方式，为副边拾取线圈提供感应电能。分段式无线电能传输系统一般包括地面供电装置和车载能量拾取装置两个部分。一般来说，地面供电装置由直流母线提供直流电能，并通过功率控制器和高频谐振逆变器为供电线圈提供交流电能，在供电线圈敷设范围内产生高频交变磁场。当车载能量拾取装置进入该高频交变磁场，即可在拾取线圈中产生高频感应电压，再经过高频整流器将交流电转换为直流电提供给用电负载。

在车辆运行过程中，为使用电负载从地面供电装置持续、高效获取电能，应保证车载能量拾取装置进入的分段供电线圈处于激活状态，而其它段的供电线圈处于关断状态。现有的分段切换方法多通过在分段供电线圈两端设置位置传感器或第三检测线圈的手段，当检测到车载拾取装置进入时激活该段供电线圈，驶出时关断该段供电线圈。然而，车载拾取装置从刚进入或即将驶出分段供电线圈时，由于两者之间电磁耦合强度(可用互感来表征)的减弱，感应拾取电压也随之降低，造成供电不稳定或间断现象。这种现象主要发生在分段式无线电能传输系统的跨段供电区域，由此带来的功率波动问题不仅导致电能质量下降、还会对用电设备或功率开关器件造成冲击，甚至使其烧毁。另外，当用电负载工作状态(启动、制动、惰性等)变化时，表现为在供电线圈中反射阻抗的变化，导致供电线圈电流波动，也会引起供电的不稳定。

现有无线电能传输系统分段切换技术的缺点在于：1)忽略了跨段供电区域的互感变化规律；2)未对分段供电线圈长度及相邻距离进行优化；3)位置传感器或第三检测线圈判断的分段切换时机不合理；4)为避免供电线圈电流的波动，需要附加对供电线圈电流信号的检测、处理及控制装置。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的第一目的是，提供一种分段切换的无线电能传输系统的原边供电装置；该装置的谐振补偿结构，在不增加电流信号的检测、处理及控制装置的前提下，维持供电线圈电流的恒定；同时，该装置的原边供电线圈间距和位置传感器安装位置的设计，使车载感应拾取电压在跨段区间保持平滑过渡，维持切换前后感应电压不变。

本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案为：

一种分段切换的无线电能传输系统原边供电装置，包括直流电源(Uin)、高频逆变器(INV)、n组LCC谐振补偿网络和n组原边供电线圈(Lp_i，i＝1,2,3…n)，并依次相连，其特征在于：

高频逆变器(INV)输出恒定交流电压U_p，并与n组LCC谐振补偿网络并联连接，每组LCC谐振补偿网络与一组原边供电线圈相连；所述LCC谐振补偿网络中，以第i组为例，从输入端到输出端依次连接串联滤波电感(Lf_i)，左切换开关(Ka_i)，并联滤波电容(Cf_i)、串联谐振电容(Cp_i)和右切换开关(Kb_i)，形成T型补偿拓扑；所述串联滤波电感(Lf_i)与并联滤波电容(Cf_i)在系统工作频率下谐振；所述串联谐振电容(Cp_i)与第i组供电线圈(Lp_i)的串联等效电感与并联滤波电容(Cf_i)在系统工作频率下谐振；所述LCC谐振补偿网络为原边供电线圈提供恒定交流电流I_p，并有

Lf₁＝Lf₂＝…＝Lf_i＝…＝Lf_n

其中，为原边线圈电流相量，为逆变器输出电压相量，j为虚数单位，ω为系统角频率，Lf_i为各组LCC谐振网络中的串联滤波电感；其中，i＝1,2,3…n；

所述的n组原边供电线圈沿轨道依次放置，相邻两个原边供电线圈(Lp_i，Lp_i+1)中点以最优间距放置；