CN110789544B - 一种储能式车辆非接触供电***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种储能式车辆非接触供电***及方法，车辆行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，***包括：布置于充电区域的轨道发射装置，及布置于车辆上的车载拾取装置，车载拾取装置包括储能单元。当车辆驶入充电区域时，通过轨道发射装置与车载拾取装置之间的电磁耦合完成电能传输及对储能单元的充电，并依靠储能单元的电力续航驶出无电区域，再进入下一个充电区域。通过应用本发明，不仅能够解决传统非接触供电***面临的全线铺设轨道发射装置，建设、运营和维护成本高等技术问题，还可根据特殊地形合理布置轨道发射装置。

Description

一种储能式车辆非接触供电***及方法

技术领域

本发明涉及无线传输供电技术领域，尤其是涉及一种应用于储能式(轨道交通)车辆的非接触供电***及方法。

背景技术

传统的轨道交通接触网供电***供电线路连接错综复杂，环境适应性差，而且存在挂冰、舞动、导线磨损漏电、电火花、触电等安全隐患和使用寿命问题。同时，传统的受电弓受流方式又会带来极限问题以及大量的维护工作。而采用非接触式供电***为轨道交通车辆进行供电，就可以实现车与电网完全的电气隔离，能够有效避免上述存在的技术问题。

在现有技术中，主要有以下技术方案与本发明申请有关。

方案1为哈尔滨工业大学于2015年09月06日申请，并于2015年12月23日公开，公开号为CN105186707A的中国发明专利申请《应用于电动汽车无线供电的空心T型供电轨道及含有该供电轨道的轨道设备》。该发明专利提出一种应用于电动汽车无线供电的空心T型供电轨道及含有该供电轨道的轨道设备，该发明技术方案中的磁极为横截面为矩形的空心块体，且矩形顶边的两端同时向外伸出。所有磁极的底部均固定在磁芯上，所有磁极均沿磁芯的长度方向依次排列，且相邻两个磁极之间的距离均相等。磁极的底部宽度等于磁芯的宽度。供电线缆分为左侧线缆和右侧线缆，左侧线缆呈正弦波的形式缠绕在所有磁极上，右侧线缆与左侧线缆呈镜像对称的形式缠绕在所有磁极上，且左侧线缆和右侧线缆在轨道的一端相连。该发明技术方案通过提高供电线缆与接收线圈间的耦合系数，以改善电动汽车无线充电***性能。然而，该方案存在***设备全轨道铺设，***成本高等技术缺陷。

方案2为东南大学于2015年11月24日申请，并于2016年03月16日公开，公开号为CN105406563A的中国发明专利申请《一种电动汽车动态无线供电***分段发射线圈切换方法》。该发明专利提出一种电动汽车动态无线供电***分段发射线圈切换方法，***主要由高频电源、分段发射线圈、补偿电容、接收线圈以及负载组成，能够实现分段发射线圈通电个数以及对应切换点的最优选择。该发明技术方案在考虑负载最低功率需求、功率波动需求以及程控开关命令发送频率三个要素的基础上，所提出的动态无线供电***分段发射线圈切换方法即寻找满足要求的发射线圈同时通电个数n以及切换点的位置。然而，该方案存在供电线路所需的发射线圈个数多，需要复杂的控制来抑制受流线圈在两个临近发射线圈过渡时刻的电压、电流波动等技术缺陷。

方案3为西南交通大学于2014年05月22日申请，并于2014年09月03日公开，公开号为CN104022581A的中国发明专利申请《一种机车无线供电***的分段导轨切换方法》。该发明专利提出一种机车无线供电***的分段导轨切换方法，能够更准确、可靠地判断出机车动态运行时所在的分段导轨。该发明方法将无线供电***发送端的各能量发射导轨段通过检测开关管与低功耗交流电源相连，从而在各能量发射导轨段增设一可与高频工作回路切换的低功耗检测支路。在高频工作回路断电时，低功耗检测支路工作，检测支路中的电压及电流检测装置实时检测出能量发射导轨段的电压及电流，并进而计算出能量发射导轨段的阻抗。根据发射导轨阻抗的变换来判断机车位置，并对发射导轨进行相应的切换。然而，该方案存在机车未经过导轨时发射线圈都通有检测电流，由于低功耗电源供电，其检测电流较小，容易受到负载电磁环境干扰的技术缺陷。另外，该方案随着机车运行线路的增长，总的空载发射线圈检测损耗也相应增加，降低了***效率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种储能式车辆非接触供电***及方法，以解决传统非接触供电***面临的全线铺设轨道发生装置，建设、运营和维护成本高的技术问题。

为了实现上述目的，本发明具体提供了一种储能式车辆非接触供电***的技术实现方案，储能式车辆非接触供电***，车辆行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，所述***包括：布置于充电区域的轨道发射装置，及布置于车辆上的车载拾取装置，所述车载拾取装置包括储能单元。当车辆驶入所述充电区域时，通过所述轨道发射装置与车载拾取装置之间的电磁耦合完成电能传输及对所述储能单元的充电，所述车辆依靠所述储能单元的电力续航驶出所述无电区域，再进入下一个充电区域。

进一步的，当处于充电区域，所述车辆能进行静态充电，或以恒速状态进行动态充电。

进一步的，在充电区域内，所述轨道发射装置的布置数量根据所述储能单元的需求进行布置。

进一步的，在所述无电区域内布置有用于检测所述车辆实时位置的第一地面应答器。

进一步的，在所述无电区域沿车辆行驶方向的头部和尾部均布置有第一地面应答器。

进一步的，在所述车辆上与所述第一地面应答器相对应的位置布置有车载查询器，当车辆驶过第一地面应答器，且当所述车载查询器与第一地面应答器对准时，所述车载查询器与第一地面应答器完成包括车辆位置、速度在内的数据交互。

进一步的，所述轨道发射装置包括发射绕组、整流单元、第一直流变换单元、高频逆变单元、第一谐振补偿单元、切换开关、地面控制器和第二地面应答器。所述整流单元将来自于牵引电网的交流电变换为直流电，所述第一直流变换单元对整流单元输出的直流电进行电压等级调节，所述高频逆变单元将第一直流变换单元输出的直流电压变换为高频方波电压。所述第一谐振补偿单元的输入端与高频逆变单元相连，用于降低无功和容量需求。所述第一谐振补偿单元的输出端与发射绕组、切换开关相连，所述发射绕组产生高频交变磁场，所述切换开关用于切入或断开轨道发射装置。所述地面控制器通过第二地面应答器与车载查询器交互获取车辆的位置信息。所述地面控制器完成整流单元、第一直流变换单元、高频逆变单元的开关管控制及故障保护，以及切换开关的切入和断开控制。

优选的，彼此相邻的两个轨道发射装置共用同一套高频逆变单元。

进一步的，当检测到所述车辆行进方向上最近的充电区域距离为l_b＝V*T_b时，该充电区域内的所有轨道发射装置的切换开关闭合。其中，T_b为从切换开关闭合到所述轨道发射装置建立稳定磁场的耗时，V为车辆的行驶速度。

进一步的，当检测到所述车辆的位置接近充电区域，但未进入充电区域上方时，闭合该充电区域内所有轨道发射装置的切换开关。当所述车辆驶入充电区域时，位于车辆下方区域的轨道发射装置中的高频逆变单元输出电流从最低值开始增加，车辆驶离的轨道发射装置的切换开关逐个断开。当输出电流增加到最大值开始降低时，表征车辆正在驶离充电区域。当电流降至最低值时，表征车辆已经完全驶离充电区域，此时所有轨道发射装置的切换开关断开。

进一步的，所述车载拾取装置的拾取绕组布置于所述车辆的车厢底部，当所述车厢驶入某个轨道发射装置的上方时，该轨道发射装置的高频逆变单元输出电流从最低值开始增加，直至车厢正对所述轨道发射装置时，高频逆变单元的输出电流达到最大值，输出功率达到最大，在所述高频逆变单元的输出电流从最低值增加至最大值的时间段内所述轨道发射装置的切换开关保持闭合状态。

进一步的，当所述车厢开始驶离某个轨道发射装置的上方时，该轨道发射装置的高频逆变单元输出电流从最大值开始减小，直至车厢完全驶离该轨道发射装置，该轨道发射装置的切换开关断开。

优选的，所述车厢的长度与所述轨道发射装置的长度一致。

进一步的，所述车载拾取装置还包括第二谐振补偿单元、高频整流单元、第二直流变换单元、电池管理单元、车载控制器和变频器。所述拾取绕组接收所述发射绕组发射的磁场能量，所述第二谐振补偿单元的输入端与拾取绕组相连，用于降低无功和容量需求。第二谐振补偿单元的输出端与所述高频整流单元相连，高频整流单元将所述拾取绕组接收到的高频交流电压变换为直流电压。所述第二直流变换单元对所述高频整流单元输出的直流电进行电压等级调节。所述第二直流变换单元输出的直流电压一路经变频器提供给电机使用，另一路通过所述电池管理单元对储能单元进行充电。所述车载控制器完成高频整流单元、第二直流变换单元的开关管控制及故障保护。

进一步的，在所述车厢的底部沿车辆的行驶方向前后布置有两个拾取绕组。

进一步的，在所述充电区域内需要布置的轨道发射装置数量为

其中，V为车辆的行驶速度，T_c为车载拾取装置的储能单元充满电所需用时，l为轨道发射装置的长度。

进一步的，所述充电区域的长度为l_c＝n*l，其中，n为充电区域内轨道发射装置的数量，l为轨道发射装置的长度。所述无电区域的长度为l_n＝V*T_con，其中，V为车辆的行驶速度，T_con为储能单元的续航时间。

本发明还另外具体提供了一种储能式车辆非接触供电方法的技术实现方案，储能式车辆非接触供电方法，包括以下步骤：

A)将车辆行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，在所述充电区域布置轨道发射装置，在车辆上布置车载拾取装置；

B)当所述车辆驶入所述充电区域时，通过所述轨道发射装置与车载拾取装置之间的电磁耦合完成电能传输及对储能单元的充电；

C)当所述车辆驶离所述充电区域时，依靠所述储能单元的电力续航驶出所述无电区域，再进入下一个充电区域。

进一步的，所述步骤A)包括：

在所述无电区域内布置用于检测所述车辆实时位置的第一地面应答器。

进一步的，所述步骤A)包括：

在所述车辆上与所述第一地面应答器对应的位置布置车载查询器。当车辆驶过第一地面应答器，且当所述车载查询器与第一地面应答器对准时，所述车载查询器与第一地面应答器完成包括车辆位置、速度在内的数据交互。

进一步的，在所述无电区域沿车辆行驶方向的头部和尾部布置所述第一地面应答器。

进一步的，所述步骤B)还包括轨道发射过程，该过程进一步包括以下步骤：

所述轨道发射装置将来自牵引电网的交流电变换为直流电，对变换后的直流电进行电压等级调节，将经过等级调节的直流电压逆变为高频方波电压，并将高频方波电压通过高频交变磁场的方式进行发射。每个轨道发射装置均包括第二地面应答器，通过所述第二地面应答器与车载查询器的交互以获取车辆的位置信息，并根据所述车辆的位置信息控制切换开关切入或断开高频交变磁场的发射。

进一步的，在所述充电区域内需要布置的轨道发射装置数量为

其中，V为车辆的行驶速度，T_c为车载拾取装置的储能单元充满电所需用时，l为轨道发射装置的长度。

进一步的，所述充电区域的长度为l_c＝n*l，其中，n为充电区域内轨道发射装置的数量，l为轨道发射装置的长度。所述无电区域的长度为l_n＝V*T_con，其中，V为车辆的行驶速度，T_con为储能单元的续航时间。

进一步的，当检测到所述车辆的位置接近充电区域，但未进入充电区域上方时，该充电区域内所有轨道发射装置的切换开关闭合。当所述车辆驶入充电区域时，位于车辆下方区域的轨道发射装置的高频逆变输出电流从最低值开始增加，车辆驶离的轨道发射装置的切换开关逐个断开。当高频逆变输出电流增加到最大值开始降低时，表征车辆正在驶离充电区域。当高频逆变输出电流降至最低值时，表征车辆已经完全驶离充电区域，此时所有轨道发射装置的切换开关断开。

进一步的，所述步骤B)还包括车载拾取过程，该过程进一步包括以下步骤：

所述车载拾取装置接收所述轨道发射装置发射的磁场能量，将接收到的高频交流电压变换为直流电压，对该直流电压进行电压等级调节，经过调节后的直流电压一路经变频后提供给电机使用，另一路对所述储能单元进行充电。

优选的，所述车载拾取装置通过拾取绕组接收所述轨道发射装置发射的磁场能量，所述步骤A)进一步包括：

在所述车辆的车厢底部沿车辆的行驶方向前后布置两个所述拾取绕组。

进一步的，当所述车厢驶入轨道发射装置的上方时，该轨道发射装置的高频逆变输出电流从最低值开始增加，直至车厢正对所述轨道发射装置时，高频逆变输出电流达到最大值，输出功率达到最大，在高频逆变输出电流从最低值增加至最大值的时间段内所述轨道发射装置的切换开关保持闭合状态。

进一步的，当所述车厢开始驶离轨道发射装置的上方时，该轨道发射装置的高频逆变输出电流从最大值开始减小，直至车厢完全驶离所述轨道发射装置，该轨道发射装置的切换开关断开。

进一步的，当检测到所述车辆行进方向上最近的充电区域距离为l_b＝V*T_b时，该充电区域内的所有轨道发射装置的切换开关闭合。其中，V为车辆的行驶速度，T_b为从切换开关闭合到所述轨道发射装置建立稳定磁场的耗时。

通过实施上述本发明提供的储能式车辆非接触供电***及方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明基于储能式车辆设计，轨道发射装置集中布置在充电区域，无电区域只放置地面应答器，能够解决传统非接触供电***面临的全线铺设轨道发射装置，建设、运营和维护成本高等技术问题，还可根据特殊地形合理布置轨道发射装置，能够有效避开铺设非接触供电发射端难度较大的特殊路段(主要指施工难度大、电源接入难度大、轨道复杂程度高等情况的特殊路段)；

(2)本发明在充电区域能够同时满足储能式车辆的静态(驻车)和动态(行驶)充电的需求，当车辆处于紧急制动、等车或者故障检修状态时，可在充电区域完成静态(驻车)充电；

(3)本发明当储能式车辆处于正常运行状态时，可恒速通过充电区域完成动态(行驶)充电，利用储能单元的电力续航驶出无电区域，再进入下一个充电区域，最大限度地实现了能源节约。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其它的实施例。

图1是本发明储能式车辆非接触供电***一种具体实施例的***结构框图；

图2是本发明储能式车辆非接触供电***另一种具体实施例的***结构框图；

图3是本发明储能式车辆非接触供电***一种具体实施例中充电区域的轨道参数示意图；

图4是本发明储能式车辆非接触供电***一种具体实施例中充电区域切换开关闭合时刻的距离检测示意图；

图5是本发明储能式车辆非接触供电***一种具体实施例中轨道发射装置功率输出最大时刻的示意图；

图6是本发明储能式车辆非接触供电***一种具体实施例中轨道发射装置切换开关断开时刻的示意图；

图中：1-车辆，2-车载查询器，3-轨道发射装置，4-车载拾取装置，5-第一地面应答器，6-电机，7-牵引电网，8-变压器，9-地面总控制器，10-车厢，20-动车，31-发射绕组，32-整流单元，33-第一直流变换单元，34-高频逆变单元，35-第一谐振补偿单元，36-切换开关，37-地面控制器，38-第二地面应答器，41-拾取绕组，42-第二谐振补偿单元，43-高频整流单元，44-第二直流变换单元，45-电池管理单元，46-储能单元，47-车载控制器，48-变频器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图6所示，给出了本发明储能式车辆非接触供电***及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如附图1所示，一种储能式车辆非接触供电***的实施例，车辆1行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，***具体包括：布置于充电区域的轨道发射装置3，及布置于车辆1上的车载拾取装置4，车载拾取装置4包括储能单元46。当车辆1驶入充电区域时，通过轨道发射装置3与车载拾取装置4之间的电磁耦合完成电能传输及对储能单元46的充电，轨道发射装置3与车载拾取装置4之间的能量传输通过电磁耦合完成，具体包括采用感应耦合和谐振耦合等方式。车辆1依靠储能单元46的电力续航驶出无电区域，再进入下一个充电区域。当处于充电区域，车辆1能进行静态充电，或以恒速状态进行动态充电。

在充电区域内，轨道发射装置3的布置数量根据储能单元46的需求进行布置。在无电区域内布置有用于检测车辆1实时位置的第一地面应答器5。作为本发明一种较佳的具体实施例，在无电区域沿车辆1行驶方向的头部和尾部均布置有一个第一地面应答器5。

在车辆1上与第一地面应答器5相对应的位置布置有车载查询器2，第一地面应答器5一般布置于轨道的中央或一根钢轨的外侧。当车辆1驶过第一地面应答器5，且当车载查询器2与第一地面应答器5对准时，车载查询器2与第一地面应答器5基于电磁感应原理完成包括车辆位置、速度在内的数据交互。

轨道发射装置3进一步包括发射绕组31、整流单元32、第一直流变换单元33、高频逆变单元34、第一谐振补偿单元35、切换开关36、地面控制器37和第二地面应答器38。整流单元32通过变压器8将来自于牵引电网7的交流电变换为直流电，第一直流变换单元33(也可以省略)对整流单元32输出的直流电进行电压等级调节，高频逆变单元34将第一直流变换单元33输出的直流电压变换为高频方波电压。第一谐振补偿单元35的输入端与高频逆变单元34相连，用于降低无功和容量需求。第一谐振补偿单元35的输出端与发射绕组31、切换开关36相连，发射绕组31产生高频交变磁场，切换开关36用于切入或断开轨道发射装置3。地面控制器37通过第二地面应答器38与车载查询器2交互获取车辆1的位置信息。地面控制器37采集整流单元32、第一直流变换单元33的输出电压、电流信号，以及高频逆变单元34的输出电压、电流信号，并完成整流单元32、第一直流变换单元33、高频逆变单元34的开关管控制及故障保护，以及切换开关36的切入和断开控制。每个轨道发射装置3都包括一个地面控制器37，而每一段充电区域又包括一个地面总控制器9，负责保持各个轨道发射装置3之间的通信和协同。每段充电区域的地面总控制器9还可以与其它充电区域的地面总控制器9，以及无电区域的第一地面应答器5进行通信，以更加准确、快速、实时地获取车辆1的位置信息。如：当车辆1行驶至无电区域时，下一个充电区域的地面总控制器9就可以预先得到车辆1即将进入该充电区域的信息，该充电区域的地面总控制器9可以提前将车辆1的位置信息发送至相应轨道发射装置3的地面控制器37，以控制相应的切换开关36动作。

如附图2所示，为了降低***成本，彼此相邻的两个轨道发射装置3共用同一套高频逆变单元34，这样可以大幅精简***结构，同时有效节省器件成本。在本实施例中，为了进一步精简***结构，降低***成本，两个车载拾取装置4还可以进一步共用电池管理单元45、变频器48，如附图3所示。

由于发射绕组31中的高频电流会在轨道发射装置3的线路中产生较大的损耗，因此发射绕组31不宜过长。为了进一步降低轨道发射装置3的线路损耗和轨道发射装置3交界处对供电***电力传输的影响，车厢10的长度设置为与轨道发射装置3的长度一致，但是实际车厢10与轨道发射装置3也可以根据需要设置为不完全等长。

车载拾取装置4进一步包括拾取绕组41、第二谐振补偿单元42、高频整流单元43、第二直流变换单元44、电池管理单元45、车载控制器47和变频器48。拾取绕组41通过电磁耦合接收发射绕组31发射的磁场能量，第二谐振补偿单元42的输入端与拾取绕组41相连，用于降低无功和容量需求，提高***效率。第二谐振补偿单元42的输出端与高频整流单元43相连，高频整流单元43将拾取绕组41接收到的高频交流电压变换为直流电压。第二直流变换单元44对高频整流单元43输出的直流电进行电压等级调节，并完成电路保护和输出功率调节。第二直流变换单元44输出的直流电压一路经变频器48(负责将直流电压变换为电机6需要的电源电压)提供给电机6使用，另一路通过电池管理单元45(负责储能单元46的充电控制和后端故障保护)对储能单元46进行充电。车载控制器47采集高频整流单元43的输出电压、电流信号，以及第二直流变换单元44的输出电压、电流信号，并完成高频整流单元43、第二直流变换单元44的开关管控制及故障保护。

作为本发明一种典型的具体实施例，充电区域的长度为l_c＝n*l，单位为m。其中，n为充电区域内轨道发射装置3的数量，l为轨道发射装置3的长度，单位为m。无电区域的长度为l_n＝V*T_con，单位为m。其中，V为车辆1的行驶速度，单位为m/s；T_con为储能单元46的续航时间，单位为s。

当车载拾取装置4经过轨道发射装置3的交界区时，作为能量发射端的轨道发射装置3与能量拾取端的车载拾取装置4之间的耦合参数波动较大，从而影响了供电***的传输效率，因此充电区域内的轨道发射装置3数量不宜过多。作为本发明一种较佳的具体实施例，进一步通过计算可知，在充电区域内需要布置的轨道发射装置3数量为

其中，V为车辆1的行驶速度，单位为m/s；T_c为车载拾取装置4的储能单元46充满电所需用时，单位为s；l为轨道发射装置3的长度，单位为m。

如附图4所示，当检测到车辆1行进方向上最近的充电区域距离为l_b＝V*T_b时，该充电区域内的所有轨道发射装置3的切换开关36闭合。其中，V为车辆1的行驶速度，单位为m/s；T_b为从切换开关36闭合到轨道发射装置3建立稳定磁场的耗时，单位为s；l_b单位为m。

当检测到车辆1的位置接近充电区域，但未进入充电区域上方时，闭合该充电区域内所有轨道发射装置3的切换开关36。当车辆1驶入充电区域时，位于车辆1下方区域的轨道发射装置3中的高频逆变单元34输出电流从最低值(如：零)开始增加，车辆1驶离的轨道发射装置3的切换开关36逐个断开。当输出电流增加到最大值开始降低时，表明车辆1正在驶离充电区域。当电流降至最低值(如：零)时，表明车辆1已经完全驶离充电区域，此时所有轨道发射装置3的切换开关36断开。

如附图5所示，车载拾取装置4的拾取绕组41布置于车辆1的车厢10底部，当车厢10驶入某个轨道发射装置3的上方时，该轨道发射装置3的高频逆变单元34输出电流从最低值开始增加，直至车厢10正对该轨道发射装置3时，供电***的传输效率达到最大值，高频逆变单元34的输出电流达到最大值，输出功率达到最大，在此段时间内(即高频逆变单元34的输出电流从最低值增加至最大值的时间段内)轨道发射装置3的切换开关36保持闭合状态。

如附图6所示，当车厢10开始驶离某个轨道发射装置3的上方时，该轨道发射装置3的高频逆变单元34输出电流从最大值开始减小，直至车厢10完全驶离该轨道发射装置3，该轨道发射装置3的切换开关36断开。

在如附图1-6所示的实施例当中，车辆1包括位于头、尾两端的动车20，以及位于两节动车20之间的车厢10，在车厢10的底部沿车辆1的行驶方向进一步前后布置有两个拾取绕组41，两个车载拾取装置4分别为位于车辆1两端动车20的电机6供电。包括储能单元46和电机6也是有两个，分别布置于车辆1两端的动车20上。位于车厢10顶部的电能变换及储能单元包括电能变换模块和储能单元46，电能变换模块进一步包括第一谐振补偿单元42、高频整流单元43、第一直流变换单元44、电池管理单元45等。车载查询器2进一步设置于车辆1两端的动车20底部，而位于车厢10底部的车载拾取端位置布置有拾取绕组41。但是以上所述的这些结构布置均是特例，具体情况还可以根据不同的车型灵活布置。

实施例2

一种储能式车辆非接触供电方法的实施例，具体包括以下步骤：

A)将车辆1行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，在充电区域布置轨道发射装置3，在车辆1上布置车载拾取装置4；

B)当车辆1驶入充电区域时，通过轨道发射装置3与车载拾取装置4之间的电磁耦合完成电能传输及对储能单元46的充电；

C)当车辆1驶离充电区域时，依靠储能单元46的电力续航驶出无电区域，再进入下一个充电区域。

步骤A)进一步包括：

在无电区域内布置用于检测车辆1实时位置的第一地面应答器5。

步骤A)进一步包括：

在车辆1上与第一地面应答器5对应的位置布置车载查询器2。在本实施例中，车载查询器2具体进一步布置于位于车辆1两端的动车20底部。当车辆1驶过第一地面应答器5，且当车载查询器2与第一地面应答器5对准时，车载查询器2与第一地面应答器5完成包括车辆位置、速度在内的数据交互。作为本发明一种较佳的具体实施例，在无电区域沿车辆1行驶方向的头部和尾部(即沿车辆1行驶方向V的两个端部)各布置一个第一地面应答器5。

车载拾取装置4通过拾取绕组41接收轨道发射装置3发射的磁场能量，步骤A)进一步包括：

在车辆1的车厢10底部沿车辆1的行驶方向前后布置两个拾取绕组41。

步骤B)还包括轨道发射过程，该过程进一步包括以下步骤：

轨道发射装置3将来自牵引电网7的交流电变换为直流电，对变换后的直流电进行电压等级调节，将经过等级调节的直流电压逆变为高频方波电压，并将高频方波电压通过高频交变磁场的方式进行发射。每个轨道发射装置3均包括第二地面应答器38，通过第二地面应答器38与车载查询器2的交互以获取车辆1的位置信息，并根据车辆1的位置信息控制切换开关36切入或断开高频交变磁场的发射。

在充电区域内需要布置的轨道发射装置3数量为

其中，V为车辆1的行驶速度，单位为m/s；T_c为车载拾取装置4的储能单元46充满电所需用时，单位为s；l为轨道发射装置3的长度，单位为m。

充电区域的长度为l_c＝n*l，单位为m。其中，n为充电区域内轨道发射装置3的数量，l为轨道发射装置3的长度，单位为m。无电区域的长度为l_n＝V*T_con，单位为m。其中，V为车辆1的行驶速度，单位为m/s；T_con为储能单元46的续航时间，单位为s。

当检测到车辆1的位置接近充电区域，但未进入充电区域上方时，该充电区域内所有轨道发射装置3的切换开关36闭合。当车辆1驶入充电区域时，位于车辆1下方区域的轨道发射装置3的高频逆变输出电流(即高频逆变单元34的输出电流)从最低值(如：零)开始增加，车辆1驶离的轨道发射装置3的切换开关36逐个断开。当高频逆变输出电流增加到最大值开始降低时，表征车辆1正在驶离充电区域。当高频逆变输出电流降至最低值(如：零)时，表征车辆1已经完全驶离充电区域，此时所有轨道发射装置3的切换开关36断开。

步骤B)还包括车载拾取过程，该过程进一步包括以下步骤：

车载拾取装置4接收轨道发射装置3发射的磁场能量，将接收到的高频交流电压变换为直流电压，对该直流电压进行电压等级调节，经过调节后的直流电压一路经变频后提供给电机6使用，另一路对储能单元46进行充电。

当车厢10驶入轨道发射装置3的上方时，该轨道发射装置3的高频逆变输出电流从最低值开始增加，直至车厢10正对轨道发射装置3时，高频逆变输出电流达到最大值，输出功率达到最大，在此段时间内(即高频逆变单元34的输出电流从最低值增加至最大值的时间段内)轨道发射装置3的切换开关36保持闭合状态。

当车厢10开始驶离轨道发射装置3的上方时，该轨道发射装置3的高频逆变输出电流从最大值开始减小，直至车厢10完全驶离轨道发射装置3，该轨道发射装置3的切换开关36断开。

当检测到车辆1行进方向上最近的充电区域距离为l_b＝V*T_b时，该充电区域内的所有轨道发射装置3的切换开关36闭合。其中，T_b为从切换开关36闭合到轨道发射装置3建立稳定磁场的耗时，单位为m/s；V为车辆1的行驶速度，单位为m/s。

实施例1和2给出了一种应用于储能式车辆，尤其是储能式轨道交通车辆的区域集中化管理非接触供电***及方法，该方案将整个轨道划分为充电区域和无电区域，并给出了区域参数的计算，充电区域包括多个轨道发射装置3，无电区域只布置第一地面应答器5，车辆1在充电区域可以完成储能单元46的静态充电，或以恒速状态完成高效动态充电。在无电区域车辆1依靠储能单元46的电力续航。尤其是，还可以在充电区域内多个轨道发射装置3共用一套逆变器(即高频逆变单元34)。实施例1和2描述的技术方案与传统供电***全线铺设供电设备的方案相比，大大减少铺设长度，不但精简了***结构，降低了***成本，更有利于后期***维护，以及有效降低运营和维护成本。

通过实施本发明具体实施例描述的储能式车辆非接触供电***及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的储能式车辆非接触供电***及方法基于储能式车辆设计，轨道发射装置集中布置在充电区域，无电区域只放置地面应答器，能够解决传统非接触供电***面临的全线铺设轨道发射装置，建设、运营和维护成本高的技术问题，还可根据特殊地形合理布置轨道发射装置，能够有效避开铺设非接触供电发射端难度较大的特殊路段(主要指施工难度大、电源接入难度大、轨道复杂程度高等情况的特殊路段)；

(2)本发明具体实施例描述的储能式车辆非接触供电***及方法，当储能式车辆在充电区域时能够同时满足静态(驻车)和动态(行驶)充电的需求，当车辆处于紧急制动、等车或者故障检修状态时，可在充电区域完成静态(驻车)充电；

(3)本发明具体实施例描述的储能式车辆非接触供电***及方法，当储能式车辆车辆处于正常运行状态时，可恒速通过充电区域完成动态(行驶)充电，利用储能单元的电力续航驶出无电区域，再进入下一个充电区域，最大限度地实现了能源节约。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (22)

1.一种储能式车辆非接触供电***，其特征在于，车辆(1)行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，所述***包括：布置于充电区域的轨道发射装置(3)，及布置于车辆(1)上的车载拾取装置(4)，所述车载拾取装置(4)包括储能单元(46)；当车辆(1)驶入所述充电区域时，通过所述轨道发射装置(3)与车载拾取装置(4)之间的电磁耦合完成电能传输及对所述储能单元(46)的充电，所述车辆(1)依靠所述储能单元(46)的电力续航驶出所述无电区域，再进入下一个充电区域；在所述无电区域内布置有用于检测所述车辆(1)实时位置的第一地面应答器(5)；在所述车辆(1)上与所述第一地面应答器(5)相对应的位置布置有车载查询器(2)，当车辆(1)驶过第一地面应答器(5)，且当所述车载查询器(2)与第一地面应答器(5)对准时，所述车载查询器(2)与第一地面应答器(5)完成包括车辆位置、速度在内的数据交互；当检测到所述车辆(1)行进方向上最近的充电区域距离为l_b＝V*T_b时，该充电区域内所有轨道发射装置(3)的切换开关(36)闭合；其中，T_b为从切换开关(36)闭合到所述轨道发射装置(3)建立稳定磁场的耗时，V为车辆(1)的行驶速度；当检测到所述车辆(1)的位置接近充电区域，但未进入充电区域上方时，闭合该充电区域内所有轨道发射装置(3)的切换开关(36)；当所述车辆(1)驶入充电区域时，位于车辆(1)下方区域的轨道发射装置(3)中的高频逆变单元(34)输出电流从最低值开始增加，车辆(1)驶离的轨道发射装置(3)的切换开关(36)逐个断开；当输出电流增加到最大值开始降低时，表征车辆(1)正在驶离充电区域；当输出电流降至最低值时，表征车辆(1)已经完全驶离充电区域，此时所有轨道发射装置(3)的切换开关(36)断开。

2.根据权利要求1所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：当处于充电区域，所述车辆(1)能进行静态充电，或以恒速状态进行动态充电。

3.根据权利要求1或2所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：在充电区域内，所述轨道发射装置(3)的布置数量根据所述储能单元(46)的需求进行布置。

4.根据权利要求3所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：在所述无电区域沿车辆(1)行驶方向的头部和尾部均布置有第一地面应答器(5)。

5.根据权利要求1、2或4所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：所述轨道发射装置(3)还包括发射绕组(31)、整流单元(32)、第一直流变换单元(33)、高频逆变单元(34)、第一谐振补偿单元(35)、地面控制器(37)和第二地面应答器(38)；所述整流单元(32)将来自于牵引电网(7)的交流电变换为直流电，所述第一直流变换单元(33)对整流单元(32)输出的直流电进行电压等级调节，所述高频逆变单元(34)将第一直流变换单元(33)输出的直流电压变换为高频方波电压；所述第一谐振补偿单元(35)的输入端与高频逆变单元(34)相连，用于降低无功和容量需求；所述第一谐振补偿单元(35)的输出端与发射绕组(31)、切换开关(36)相连，所述发射绕组(31)产生高频交变磁场，所述切换开关(36)用于切入或断开轨道发射装置(3)；所述地面控制器(37)通过第二地面应答器(38)与车载查询器(2)交互获取车辆(1)的位置信息；所述地面控制器(37)完成整流单元(32)、第一直流变换单元(33)、高频逆变单元(34)的开关管控制及故障保护，以及切换开关(36)的切入和断开控制。

6.根据权利要求5所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：彼此相邻的两个轨道发射装置(3)共用同一套高频逆变单元(34)。

7.根据权利要求5所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：所述车载拾取装置(4)的拾取绕组(41)布置于所述车辆(1)的车厢(10)底部，当所述车厢(10)驶入某个轨道发射装置(3)的上方时，该轨道发射装置(3)的高频逆变单元(34)输出电流从最低值开始增加，直至车厢(10)正对该轨道发射装置(3)时，高频逆变单元(34)的输出电流达到最大值，输出功率达到最大，在所述高频逆变单元(34)的输出电流从最低值增加至最大值的时间段内所述轨道发射装置(3)的切换开关(36)保持闭合状态。

8.根据权利要求7所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：当所述车厢(10)开始驶离某个轨道发射装置(3)的上方时，该轨道发射装置(3)的高频逆变单元(34)输出电流从最大值开始减小，直至车厢(10)完全驶离该轨道发射装置(3)，该轨道发射装置(3)的切换开关(36)断开。

9.根据权利要求8所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：所述车厢(10)的长度与所述轨道发射装置(3)的长度一致。

10.根据权利要求7、8或9所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：所述车载拾取装置(4)还包括第二谐振补偿单元(42)、高频整流单元(43)、第二直流变换单元(44)、电池管理单元(45)、车载控制器(47)和变频器(48)；所述拾取绕组(41)接收所述发射绕组(31)发射的磁场能量，所述第二谐振补偿单元(42)的输入端与拾取绕组(41)相连，用于降低无功和容量需求；第二谐振补偿单元(42)的输出端与所述高频整流单元(43)相连，高频整流单元(43)将所述拾取绕组(41)接收到的高频交流电压变换为直流电压；所述第二直流变换单元(44)对所述高频整流单元(43)输出的直流电进行电压等级调节；所述第二直流变换单元(44)输出的直流电压一路经变频器(48)提供给电机(6)使用，另一路通过所述电池管理单元(45)对储能单元(46)进行充电；所述车载控制器(47)完成高频整流单元(43)、第二直流变换单元(44)的开关管控制及故障保护。

11.根据权利要求10所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：在所述车厢(10)的底部沿车辆(1)的行驶方向前后布置有两个拾取绕组(41)。

12.根据权利要求1、2、4、6、7、8、9或11所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：在所述充电区域内需要布置的轨道发射装置(3)数量为

其中，V为车辆(1)的行驶速度，T_c为车载拾取装置(4)的储能单元(46)充满电所需用时，l为轨道发射装置(3)的长度。

13.根据权利要求12所述的储能式车辆非接触供电***，其特征在于：所述充电区域的长度为l_c＝n*l，其中，n为充电区域内轨道发射装置(3)的数量，l为轨道发射装置(3)的长度；所述无电区域的长度为l_n＝V*T_con，其中，V为车辆(1)的行驶速度，T_con为储能单元(46)的续航时间。

14.一种储能式车辆非接触供电方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)将车辆(1)行驶的轨道划分为交替布置的充电区域和无电区域，在所述充电区域布置轨道发射装置(3)，在车辆(1)上布置车载拾取装置(4)；在所述无电区域内布置用于检测所述车辆(1)实时位置的第一地面应答器(5)，在所述车辆(1)上与所述第一地面应答器(5)对应的位置布置车载查询器(2)；当车辆(1)驶过第一地面应答器(5)，且当所述车载查询器(2)与第一地面应答器(5)对准时，所述车载查询器(2)与第一地面应答器(5)完成包括车辆位置、速度在内的数据交互；

B)当检测到所述车辆(1)行进方向上最近的充电区域距离为l_b＝V*T_b时，该充电区域内的所有轨道发射装置(3)的切换开关(36)闭合；其中，V为车辆(1)的行驶速度，T_b为从切换开关(36)闭合到所述轨道发射装置(3)建立稳定磁场的耗时；当所述车辆(1)驶入所述充电区域时，通过所述轨道发射装置(3)与车载拾取装置(4)之间的电磁耦合完成电能传输及对储能单元(46)的充电；当检测到所述车辆(1)的位置接近充电区域，但未进入充电区域上方时，该充电区域内所有轨道发射装置(3)的切换开关(36)闭合；当所述车辆(1)驶入充电区域时，位于车辆(1)下方区域的轨道发射装置(3)的高频逆变输出电流从最低值开始增加，车辆(1)驶离的轨道发射装置(3)的切换开关(36)逐个断开；当高频逆变输出电流增加到最大值开始降低时，表征车辆(1)正在驶离充电区域；当高频逆变输出电流降至最低值时，表征车辆(1)已经完全驶离充电区域，此时所有轨道发射装置(3)的切换开关(36)断开；

C)当所述车辆(1)驶离所述充电区域时，依靠所述储能单元(46)的电力续航驶出所述无电区域，再进入下一个充电区域。

15.根据权利要求14所述的储能式车辆非接触供电方法，其特征在于，在所述无电区域沿车辆(1)行驶方向的头部和尾部布置所述第一地面应答器(5)。

16.根据权利要求14或15所述的储能式车辆非接触供电方法，其特征在于，所述步骤B)还包括轨道发射过程，该过程进一步包括以下步骤：

所述轨道发射装置(3)将来自牵引电网(7)的交流电变换为直流电，对变换后的直流电进行电压等级调节，将经过等级调节的直流电压逆变为高频方波电压，并将高频方波电压通过高频交变磁场的方式进行发射；每个轨道发射装置(3)均包括第二地面应答器(38)，通过所述第二地面应答器(38)与车载查询器(2)的交互以获取车辆(1)的位置信息，并根据所述车辆(1)的位置信息控制切换开关(36)切入或断开高频交变磁场的发射。

17.根据权利要求16所述的储能式车辆非接触供电方法，其特征在于：在所述充电区域内需要布置的轨道发射装置(3)数量为

其中，V为车辆(1)的行驶速度，T_c为车载拾取装置(4)的储能单元(46)充满电所需用时，l为轨道发射装置(3)的长度。

18.根据权利要求17所述的储能式车辆非接触供电方法，其特征在于：所述充电区域的长度为l_c＝n*l，其中，n为充电区域内轨道发射装置(3)的数量，l为轨道发射装置(3)的长度；所述无电区域的长度为l_n＝V*T_con，其中，V为车辆(1)的行驶速度，T_con为储能单元(46)的续航时间。

19.根据权利要求18所述的储能式车辆非接触供电方法，其特征在于，所述步骤B)还包括车载拾取过程，该过程进一步包括以下步骤：

所述车载拾取装置(4)接收所述轨道发射装置(3)发射的磁场能量，将接收到的高频交流电压变换为直流电压，对该直流电压进行电压等级调节，经过调节后的直流电压一路经变频后提供给电机(6)使用，另一路对所述储能单元(46)进行充电。

20.根据权利要求17、18或19所述的储能式车辆非接触供电方法，其特征在于，所述车载拾取装置(4)通过拾取绕组(41)接收所述轨道发射装置(3)发射的磁场能量，所述步骤A)进一步包括：

在所述车辆(1)的车厢(10)底部沿车辆(1)的行驶方向前后布置两个所述拾取绕组(41)。

21.根据权利要求20所述的储能式车辆非接触供电方法，其特征在于：当所述车厢(10)驶入轨道发射装置(3)的上方时，该轨道发射装置(3)的高频逆变输出电流从最低值开始增加，直至车厢(10)正对所述轨道发射装置(3)时，高频逆变输出电流达到最大值，输出功率达到最大，在高频逆变输出电流从最低值增加至最大值的时间段内所述轨道发射装置(3)的切换开关(36)保持闭合状态。

22.根据权利要求21所述的储能式车辆非接触供电方法，其特征在于：当所述车厢(10)开始驶离轨道发射装置(3)的上方时，该轨道发射装置(3)的高频逆变输出电流从最大值开始减小，直至车厢(10)完全驶离所述轨道发射装置(3)，该轨道发射装置(3)的切换开关(36)断开。

Images