智轨电车无线充电系统研究与应用.pdf

技术与市场2023年第3 0 卷第8 期创新与实践智轨电车无线充电系统研究与应用李京2，乐文韬”，肖石磊2,谢斌1.21.湖南中车智行科技有限公司，湖南长沙410 0 0 02.湖南省多铰接胶轮运输系统工程技术研究中心，湖南长沙410 0 0 03.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲412 0 0 1摘要随着智轨电车在国内的不断推广，智轨电车对充电的需求也变得更多样化。智轨电车现有的充电方式为首末站静态充电，该方式需要车辆停车并占用一定的场地。为了给智轨电车提供更多元的充电方式，减少停车充电的时间，提出了一种线路/站台式的无线充电系统。分析了该系统的组成、工作原理与充电过程，并在工程试验线路中得到应用验证，实现了智轨电车的线路/站台式的无线充电方式。关键词智轨电车；无线充电；车辆定位Research and applicationon wireless charging system of ARTLI Jing2,LE Wentao,XIAO Leil-2,XIE Bin.21.Hunan Zhongche Zhixing Technology Co.,Ltd.,Changsha 410000,China2.Hunan Multi-articulated Rubber Tire Transit Engineering Research Center,Changsha 410000,China3.CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Research Intitute Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,ChinaAbstract With the continuous promotion of autonomous rail rapid transit(ART)in China,the demand for charging by ARThas become more diverse.The current charging method for ART is static charging at the initial and final stations,which re-quires vehicles to park and occupy a certain space.In order to provide more diverse charging methods for ART and reduceparking charging time,a line/platform-based wireless charging system has been proposed.This article introduces the compo-sition,working principle,and charging process of the system.And it has been applied and verified in engineering test lines,realizing the wireless charging method of intelligent tram line/platform.Keywords autonomous rail rapid transit(ART);wireless charging system;vehicle localizationdoi:10.3969/j.issn.1006-8554.2023.08.0050引言现有的智轨电车采用无接触网的车载储能系统供电方式，在线路首末站设置充电站对运营车辆进行充电，通过合理地设置充电站的距离和充电时间，保证车辆能满足全天的运营要求。但是，这样的首末站充电方式限制了车辆运营的距离，并且每次充电也需要停车至少10 min。此外，充电站还需要专用的场地，会占用较大的公共面积。基于此，本文提出了一种智轨电车的无线充电系统，该系统可以满足车辆在运营线路上的动态与静态充电，同时也不需要架设接触网，避免了城市道路的视觉污染。110kV城市电网经整流降压之后向无线供电系统提供稳定的7 5 0 V直流电源，高频逆变器将直流电转化为高频交流电并注人发射线圈，利用电磁感应原理，发射线圈将电能转化磁能，并通过定位系统识别并传递给拾取线圈，而后经车载设备整流调压之后为动力电池及牵引供电。该系统可以安装在运营的线路与站台上。在车辆低速进站时与停车上下客时对车辆进行充电。系统设备的组成及功能如表1所示无线充电系统组成智轨电车无线充电系统的结构如图1所示。由19创新与实践TECHNOLOGYANDMARKETVol.30,No.8,2023变频器M站台拾取线圈整流装置直真流变换动力电池车载定位定位系统智轨电车车载设备供电轨道运行线路发射线圈发射线圈发射线圈发射线圈补偿装置补偿装置补偿装置补偿装置高频逆变750V直流母线轨旁供电柜高频逆变高频逆变高频逆变10kV50Hz图1智轨电车无线充电系统结构表1系统设备组成设备功能轨旁为无线供电系统提供稳定的7 5 0 V直流母线供电柜供电用水泥浇筑而成的沟道，用于放置发射线圈及补轨道偿装置，表面用耐压不导电、不导磁的材料压盖智轨搭载无线供电系统、动力电池、牵引逆变器及电机电车等设备车载无线供电系统采用单发射对四拾取结构，地面每个发射电路额定功率3 0 0 kW，对应车上共4个额定功率为7 5 kW的拾取线圈，每个拾取线圈分别配备1套SiC整流及Boost功率调节装置，最终4个Boost输出并联在车载直流母线上，共同为动力电池充电。车载无线供电系统主电路拓扑如图2 所示。STRL300kW高频逆变器MLst拾取1SiC整流1Boost1发射端MC4L4拾取4地面3 0 0 kW发射装置图2车载无线供电系统主电路拓扑SiC整流4车底共2 个拾取装置，车顶调功变流器，每个每个拾取装置包含2 个Boost变换器7 5 kW，4个75kW拾取线圈Boost变换器做成1个模块Boost42无线充电系统主电路参数设计无线充电系统采用LCC-S补偿，通过选择合适的电路参数，可以实现原边线圈电流与副边输出恒压20恒定，即不随负载的变化而变化，从而为智轨电车提供一个稳定的直流母线（见图2）。为方便分析，将图2的系统主电路拓扑简化（见图3），其中Um为输入技术与市场2023年第3 0 卷第8 期电压，L为前置串联电感，C，为原边并联补偿电感、Cur为原边串联补偿电容，M为互感，L为接收线圈电感量，C，为补偿电容,R,为等效阻抗。4个输出并联的接收线圈可简化为4个独立接收线圈，对应负载为化简前的4倍。LU图3系统简化主电路拓扑单个副边的等效阻抗为：*joc.1Z,=joL,+4R,那么，副边反射到原边等效阻抗为：Z2p(oM)?Z.因此，原边电路的等效阻抗为：1Zin=joLR+-1joC,+joL,+Z.2p发射线圈电流I，与系统输人电压Un关系如下。I=Zs2p(1-wLRC,)+jo(LR+L,为使整个系统呈纯阻性，令副边补偿电容C，、原边补偿电容Ctp分别为：C.L.1Cup=(L,-LR)1由式（3）（5）（6），可得谐振状态下系统的输入阻抗：(LR)ZiZ.2Pin通过式（7）可知，系统呈纯阻性，实现单位功率因数输入。另外，结合式（4）（5）（6），可得发射线圈电流I以及副边负载两端电压U。分别为：Uin1,joLR创新与实践MUULR由式(8)（9)可知，在系统处于谐振状态时，发射线圈电流只与原边输入电压有关，当输人电压不变，这样就能保持发射线圈时刻处于最大励磁状态；系统CsI的输出电压只受电路输入电压和耦合机构的互感影响，当输人电压及互感不变时，系统输出电压不变。MLs拾取1发射端L54拾取4MM(9)4RL基于上述理论推导，设计得到无线充电系统主电路参数，如表2 所示。表2无线充电系统电路计算参数参数数值4R输入电压/V前置串联电感/uH发射线圈电感/uH接收线圈电感/uH互感/uH(1)原边并联补偿电容/nF原边串联补偿电容/nF补偿电容/nF(2)开关频率/kHz3工作原理(3)根据系统参数搭建一条智轨电车无线充电试验线路（见图4）。地面动态供电轨道总长为5 0 m，分为5 个供电区，每个供电区长10 m。每个供电区由11套高频逆变电源、补偿装置和10 m长的发射线圈C组构成。当列车运行时，通过地面位置检测装置实时(4)监测车辆位置，进而控制供电逆变电源切换，实现发射线圈分段供电。另外，发射线圈和补偿装置铺设在水泥坑道之中，逆变电源安装在供电轨道旁边。(5)在整个动态供电线路内，无线供电系统的基本工作原理如下。(6)1)当列车未进人动态供电区时，车载控制器实时检测车顶变流器输人电压，将其与预设值进行比较，判断车载设备是否开始工作；地面控制器实时监测车辆位置，向各逆变电源发送窄脉冲，使得各发射(7)线圈处于预励磁状态。2)当地面控制器检测到列车进入地面发射线圈时，高频逆变电源开始软启动，而后向发射线圈提供高频电能；接收装置拾取到高频能量之后，车顶变流器的输人电压将会高于预设值，车载控制器向车顶变流器发送脉冲，无线供电系统为动力电池充电。(8)3）当地面控制器检测到列车驶离发射线圈时，2175020100653050712715650创新与实践发射线圈从传能状态变换为预励磁状态，此时车载变流器输入电压将会小于预设值，车载设备停止工作，进人待机状态。TECHNOLOGY ANDMARKETVol.30,No.8,20234)随着列车不断前进，会出现2 个接收装置分别处于2 组发射线圈上方的工况，此时2 个高频逆变电源同时工作，2 组发射线圈分别向车载设备供能图4无线供电系统动态供电方案4系统控制方案空比脉冲，发射线圈处于供能状态。地面控制系统的主要控制目标是在车辆静止或4.3车载控制方案移动时，将发射装置和接收装置进行耦合。车辆移动车载控制系统由1块控制板、1块数字量采集时，分段投切发射线圈，使得拾取线圈下方始终具有板、1块模拟量采集板、1块温度量采集板组成，其主较为均衡的高频磁场。由于地面共5 个供电区，分别要功能有：控制系统总功率和分配功率指令；控制四由5 个逆变器单独控制，因此地面控制系统只需实时路Boost变换器脉冲；控制各支路开关；与车载动力检测车辆位置，控制相应逆变器脉冲的发送，就能实电池通信。现地面发射线圈的分段供电。4.3.1启动策略4.1位置检测车辆位置检测采用的是UWB定位技术，其需要在车厢上安装2 个标签，地面安装1个基站。在车辆移动过程中，地面基站一直处于打开状态，标签不断广播定位信号，基站接收到信号后记录当前信号到达时间，将到达时间上传到数据处理中心，数据处理中心根据基站上传的不同标签节点信号到达时间计算标签节点到达基站的距离差，最后利用定位算法计算出标签的位置坐标!，如图5 所示。地面基站数据处理上传数据中心到达时间广播脉冲信号图5 位位置检测示意图4.2发射线圈工作模式根据拾取线圈是否处于发射线圈上方，发射线圈分为2 种工作模式：当拾取线圈未处于发射线圈上方时，控制器发送窄脉冲，发射线圈处于预励磁状态；当拾取线圈处于发射线圈上方时，控制器发送5 0%占22车载设备主电路如图6 所示，车载设备后端都带有支撑电容，因此为避免系统启动瞬间，支撑电容两端产生过高的dV/dt引起系统故障，故需要利用电池能量为各支撑电容进行预充电。另外，车载设备为间歇工作制，当接收装置处于发射线圈上方时，才处于充电状态，因此为避免开关管长期处于直通状态，制定了如下的启动策略。1)车载控制器与电池实时通信，接收到动力电池在线信号时，则闭合开关KM1、2、3、4、6 对整流器后端电容和车顶变流器后端电容进行预充电。2)当检测到整流器后端电压达到预设值时，则到达时间闭合KM5，断开KM6，支撑电容完成预充电，此时车载设备处于待机状态。3）当处于待机状态下的车载设备接收动力电池发送的充电指令时，则车载控制器下发脉冲至车顶变广播脉冲信号流器，车载设备开始工作，处于工作状态。4）当处于工作状态的车载设备接收动力电池发送的停止充电指令时，则车载控制器停发脉冲，系统重新变换为待机状态。5)当动力电池与车载直流母线断开时，电池向车载控制器发送下线信号，而后各支路开关全部断开。启动策略的逻辑框图如图7 所示。技术与市场2023年第3 0 卷第8 期创新与实践KM5KM1KM6KM2WKM3KM4否图6车载设备主电路开始动力电池启动，车载控制器接收到电池发送的上线信号，车载设备开始预充电车载控制器接收到停止指令是车载设备完成预充电，处于待机状态车载控制器停发脉冲，车载设备重新变回待机状态否车载控制器接收到充电指令动力电池断开，车载控制器接收到下线信号，各支路接触器断开，车载设备与列车是车载控制器下发脉冲，车载设备处于工作状态主电路分离结束图7车载设备启停逻辑框图4.3.2均流策略车载设备接收端共包括4个拾取电路，每个拾取电路经一个Boost变换电路后并联到直流母线上。由于各拾取线圈的参数不同，拾取端电压各不相同，为避免出现环流现象，需要考虑4个拾取的均流问题。四重并联变流器控制框图如图8 所示，整个均流控制采用电压外环，每重Boost变换器电流内环的控制方式，其中电压外环采用Pi调节和前馈控制，电流内环采用Pi调节。在此运行模式下，整个控制系统采用1个电压外环和4个电流内环。电压外环调节出总的有功电流，再平均分到每一个Boost变换器，使每一个Boost变换器输人电流一致，从而保持拾取线圈电流平衡。同时，为了防止Boost升压比过大，造成系统损耗增加，在控制环路中对每个拾取的整流电压进行检测，当其小于阈值电压后，切断该拾取，改由剩余的3 个拾取进行供电。5系统测试整个系统在5 0 m的线路上完成动态与静态测试。完成了静态最大充电3 0 0 kW、最大静态充电效率91%、动态5 km/h时平均效率8 6%的技术指标。当无线供电系统静态为智轨电车供电时，地面逆变器输出电压电流波形以及其中2 个接收线圈的电流波形如图9所示23创新与实践TECHNOLOGYANDMARKETVol.30,No.8,2023uPDutydcBoost1dcUdcuP4DutyBoost4dc图：四重并联变流器控制框图逆变器输出电压第一个接收线圈电流第二个接收线圈电流第一个整流器输出电压逆变器输出电流接收线圈电流1第二个整流器输出电压接收线圈电流2负载接收电压图9静态充电电压电流波形图10动态充电电压电流波形当无线供电系统动态为智轨电车供电时，车载接收端电压电流如图10 所示。利用功率分析仪测得无线供电系统静态、动态供电工况下的效率曲线分别如图11、图12 所示。100908070%率当6050403020100050100图11静态效率曲线150系统功率/kW200250300350(下转第2 7 页）24技术与市场2023年第30 卷第8 期激励，一次性计入高校、科研院所当年工资总额，但不纳人绩效工资总额基数，通过对人员的激励，调动高校及科研院所与创新主体开展合作的积极性 5 其次，可以探索创新券的双向补助。目前，达州创新券的补助模式是单独对购买了科技服务的创新主体进行的。在这种模式下，激活了创新主体向服务机构的协同需求，但是，服务机构只是被动接人协同创新环。如果创新券也加入对服务机构的资金补助，则可一定程度上鼓励高校和科研机构主动融人与创新主体的协同创新中，一方面缩短科研周期、提高科研效率，另一方面推动和加快科技成果的转化。创新券在运行一段时间之后，可由政府加以引导，促进创新主体与高校和科研院所的定线定向联络渠道形成，使其逐渐形成创新共同体 6 5结束语科技创新券政策的实施有效地激发了达州创新主体的“大众创业，万众创新”的热情，既提高了科研服务机构为创新主体提供技术支持的积极性，又推动了创新主体技术升级的进展 7 ，坚定了达州技术创新的决心与信心。未来，随着科技创新券政策的不断创新与实践完善，将会进一步激发达州创新主体的创新热情参考文献：1俞灵琦.科技创新券“助燃效应”J.华东科技，2 0 2 0(8):50-52.2郭铁成,骆庆生.新加坡的创新券实践 J.高科技与产业化,2 0 14(2)：31-34.3廖晓东，袁永，胡海鹏，等.新加坡创新驱动发展政策措施及其对广东的启示J.科技管理研究，2 0 18(10):53-59.4周松兰，何婷.国外创新券制度对我国产业自主创新的启示与借鉴 J.市场经济与价格，2 0 15（5）：5 5-5 7.5赵越春，翟亚贞，陈玲娣，等.创新券政策实施存在的问题及对策研究：基于南京市中小企业的调查 J.经济师,2 0 2 1(1)：5 3-5 5.6梁兴辉,王柳.创新券在我国的研究与应用综述及展望 J.河北企业,2 0 2 2(6)：10 0-10 5.7顾玮钰，陈小玉国内外创新券政策的对比研究 .中国商论,2 0 2 1(2)：10 3-10 4.作者简介：迟淼（19 8 3一），女，辽宁辽阳人，硕士，助理研究员，从事科技信息服务研究、科技创新券管理服务等工作。（上接第2 4页）100908070605040302010012345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637车辆移动距离/m图12动态效率曲线6结束语本文提出了一种线路/站台式的智轨电车无线充电系统，分析了系统的组成和相关的控制策略。该系统实现了对智轨电车在静态与动态下的在线补电，解决了智轨电车因为充电导致的运营的固有停车间隔。系统在实际铺设的5 0 m的线路上完成动态与静态测试验证，验证结果为工程化应用提供了基础参考文献：1朱自强.超宽带定位的关键技术研究 D.成都：电子科技大学,2 0 19.作者简介：李京（19 8 9 一），男，湖南邵东人，本科，工程师，研究方向：新能源与轨道交通车辆高压电气系统。27