CN212708983U - 车辆无线充电的混合储能装置及无网供电*** - Google Patents

车辆无线充电的混合储能装置及无网供电*** Download PDF

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Abstract

本实用新型提供了一种车辆无线充电的混合储能装置及无网供电***，混合储能装置包括无线充电回路和制动充电回路，所述无线充电回路包括在车辆底部设置的多个拾取线圈，各所述拾取线圈用于接收基站侧地面设置的无线供电单元经过电力磁场发射的电能，每一拾取线圈通过谐振补偿和整流器整流后电连接于储能单元，各所述拾取线圈均电连接于谐振补偿电路后通过整流器传输至储能单元，以将各所述拾取线圈接收的电能传输至所述储能单元；所述制动充电回路电连接于车辆的牵引电机，在牵引电机制动时回收电能，牵引电机回收的电能经过三相逆变器后向电容充电并存储于超级电容。本实用新型在站台通过多级拾取线圈结构以及混合储能等使得车辆能够在较短的时间获得足够的电能。

Description

车辆无线充电的混合储能装置及无网供电***
技术领域
本实用新型涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种车辆无线充电的混合储能装置及无网供电***。
背景技术
城市轨道交通(如智轨电车，有轨电车等)采用车载储能驱动技术的新能源城轨车辆发展十分迅速。目前主要有两种供电模式：全线无接触网供电模式和部分无接触网供电模式。其中，部分无网模式一般应用于线路经过交通路口、广场等地点。但架设接触网存在安全性差，影响城市美观等问题。全线无网模式在车辆进站停车时通过接触网对其车载储能***进行充电，在车辆行驶时通过该储能***提供牵引动力，能有效减小储能***的容量，减小车辆体积和重量。接触网充电方式一般要等车辆进站停稳后或者车辆启动前进行升降弓，存在有效充电时间短和受电弓频繁升降导致易损等问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提出一种车辆无线充电的混合储能装置及无网供电***，以解决车辆有线充电时有效充电时间短和受电弓频繁升降导致易损等问题。
基于上述目的，本实用新型提供了一种车辆无线充电的混合储能装置，所述装置包括无线充电回路和制动充电回路，所述无线充电回路包括在车辆底部设置的多个拾取线圈，各所述拾取线圈用于接收基站侧地面设置的无线供电单元经过电力磁场发射的电能，每一拾取线圈通过谐振补偿和整流器整流后电连接于储能单元，各所述拾取线圈均电连接于谐振补偿电路后通过整流器传输至储能单元；所述制动充电回路电连接于车辆的牵引电机，在牵引电机制动时回收电能，牵引电机回收的电能经过三相逆变器后向电容充电并存储于超级电容。
结合上述说明，在本实用新型实施例另一种可能的实施方式中，所述装置还包括切换开关，所述切换开关连接于所述无线充电回路与所述制动充电回路之间，以用于在车辆处于制动模式时打开所述制动充电回路。
结合上述说明，在本实用新型实施例另一种可能的实施方式中，所述储能单元包括电池模组、超级电容以及双向直流变换器，所述电池模组和所述超级电容通过所述双向直流变换器分别电连接于所述无线充电回路与所述电池模组的母线。
结合上述说明，在本实用新型实施例另一种可能的实施方式中，各所述无线供电单元埋设于站台侧地面的预设位置。
结合上述说明，在本实用新型实施例另一种可能的实施方式中，所述装置还包括检测单元，所述检测单元设置于车辆且于车辆进出站台发出进出站台的电信号时启动所述无线供电单元。
结合上述说明，在本实用新型实施例另一种可能的实施方式中，所述检测单元还用于检测车辆地进站后是否停于包括有无线供电单元的预设位置，并用于触发第一启动单元与第二启动单元，所述第一启动单元用于向站台侧发出充电信号，所述第二启动单元用于向车辆侧发出位置偏离提示。
结合上述说明，在本实用新型实施例另一种可能的实施方式中，所述装置还包括电磁屏蔽门，所述电磁屏蔽门设置于所述无线供电单元两侧，所述电磁屏蔽门在接收到车辆进出站的电信号时启动扫描单元，并且在扫描结果无异常时开启电磁屏蔽。
第二方面，本实用新型还提供了一种站台无线充电的无网供电***，所述***包括：设置于站台侧的位置检测单元、无线启动单元以及无线供电单元，以及在车辆侧设置的根据权利要求1至7任一所述的车辆无线充电的混合储能装置，所述位置检测单元用于检测车辆是否驶入站台的预设位置，所述启动单元连接于所述检测单元，用于在所述检测单元检测到车辆驶入站台预设位置时启动无线供电单元；当所述检测单元检测到车辆驶入站台侧的预设位置时，所述启动单元启动无线供电单元，以通过电力发射线圈通电时形成的电力磁场对所述车辆无线充电的混合储能装置中的储能单元进行充电，当车辆驶离所述预设位置时通过所述启动单元关闭所述无线供电单元。
结合上述说明，在本实用新型实施例另一种可能的实施方式中，所述车辆无线充电的混合储能装置包括对应于所述无线供电单元的多级拾取单元，每一级拾取单元依次电性连接于谐振补偿单元和整流器后电连接于车辆无线充电的混合储能装置中的储能单元。
结合上述说明，在本实用新型实施例另一种可能的实施方式中，所述***还包括：电磁屏蔽门，所述电磁屏蔽门设置于所述无线供电单元的两侧。
从上面所述可以看出，本实用新型提供的车辆无线充电的混合储能装置及无网供电***，在车辆行驶路段的站台侧设置无线供电单元、电磁屏蔽门，在车辆进站后出站前的时间段对车载的储能单元进行无线能量补给，使得车辆在站-站之间通过储能单元提供车辆牵引动力，车载的多拾取线圈结构以及混合储能等使得车辆能够在较短的时间获得足够的电能行驶较远的距离。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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得其他的附图。
图1为本实用新型实施例的无线供电***的结构示意图；
图2a-2e为本实用新型实施例的车辆进出站时充电示意图；
图3为本实用新型实施例的车辆进出站流程示意图；
图4为本实用新型实施例自适应位置检测流程示意图；
图5为本实用新型实施例的车载混合储能装置的电路结构示意图；
图6为本实用新型实施例的车辆进站时的电路结构示意图；
图7为本实用新型实施例的车辆充电时的电路结构示意图；
图8为本实用新型实施例的车辆出站时的电路结构示意图；
图9为本实用新型实施例的车辆出站后的电路结构示意图；
图10为本实用新型实施例的车辆进出站车载***控制流程图；
图11为本实用新型实施例的高频逆变器脉冲示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本实用新型实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
针对城市轨道交通或运行轨迹固定的储能车辆，其到站后到出站之间的时间段，通过站台侧的无线供电单元对车辆的储能单元无线充电，实现能量补给，在站台与站台之间，车辆通过储能单元提供动力，具体地，本实用新型的车载混合储能装置包括无线充电回路和制动充电回路，所述无线充电回路包括在车辆底部设置的多个拾取线圈，各所述拾取线圈用于接收基站侧地面设置的无线供电单元经过电力磁场发射的电能，每一拾取线圈通过谐振补偿和整流器整流后电连接于储能单元，各所述拾取线圈均电连接于谐振补偿电路后通过整流器传输至储能单元；所述制动充电回路电连接于车辆的牵引电机，在牵引电机制动时回收电能，牵引电机回收的电能经过三相逆变器后向电容充电并存储于超级电容。
结合图1所示，无线充电回路可表示为：站台三相380V民用电经过整流后，直流电压通过高频逆变器产生高频方波电压，经过谐振补偿后，连接于无线供电单元的高频线圈，产生高频电磁场。发射线圈铺设在电车运行轨迹的中央。在发射线圈两侧，布置有电磁屏蔽门，防止发射线圈的电磁能量辐射至站台上。
在车辆减速进入站台发射线圈充电区域，利用停车上下客到启动逐渐离开发射线圈充电区域之间的空隙时间，站台地面的发射线圈对车辆储能单元充电。在完全驶离充电区域至到达下一个站台充电区域的区间段，通过储能单元提供牵引功率。
本实用新型的示例性实施例中，车辆在进出站时，共包括5个位置状态。如图2a-2e所示，位置1表示车辆即将进站，发出预进站信息；位置2表示车辆部分拾取线圈已经进入到发射线圈区域内；位置3表示车辆已经停稳，完全覆盖发射线圈；位置4表示车辆正在缓慢出站，但车载部分拾取线圈仍在发射线圈范围内；位置5表示车辆拾取线圈已经不在发射线圈范围内，驶离车站。
车辆在进出站时的***控制流程如下：
a.车辆在即将进站时发出预进站信息，可对站台侧的预设位置处如在埋设位置的上方一定区域进行异物扫描启动，以排除人或物受到无线供电损伤，结合图11所示的高频逆变器脉冲示意图，检测结果无异物则对发射线圈开始窄脉冲激励，通过自适应位置检测算法，判断车辆部分拾取线圈位置是否已经进入到发射线圈区域，如果进入，则地面***开始启动发射功率，以并逐渐增大脉冲并稳定为一个较宽的脉冲后，开始对车载储能单元充电；
c.车辆停止后，电磁屏蔽门打开(由于此时车辆已将发射线圈覆盖，电磁辐射被车辆挡住，站台辐射量很小)，车辆开始上下客。在上下客的同时，地面***继续发射功率，对车载储能***充电；
d.车辆离开车站前，发出离站信号，通过自适应位置检测算法，判断车辆拾取线圈位置是否全部离开发射线圈区域，如果所有拾取线圈全部离开发射线圈区域，则停止地面发射***，等待下一列车进站。
结合图3所示车辆进出站地面***控制流程图，车辆即将进站时对无线供电线圈的预设位置处进行异物和活体扫描，通常也可对整个车辆覆盖范围进行扫描，扫描方式可为通过温度传感器、红外扫描及图像识别技术等，当扫描结果无异物和活体时启动电磁屏蔽门以对车辆在充电过程中形成电磁屏蔽，避免对车辆内外乘客产生影响，进站过程中站台侧的***通过发送窄脉冲进行自适应位置检测，以判断拾取线圈位置，当部分拾取线圈进入时判断为车辆正在驶往，则站台侧开始发放50％占空比脉冲进行充电，并且在车辆完全进入到预设位置后打开屏蔽门使乘客上下车，并在此过程中持续对储能单元进行充电，车辆出站时，关闭电磁屏蔽门，继续充电，自适应位置检测到车辆驶离预设位置时，判断拾取线圈位置，并在完全驶离拾取线圈位置时关闭地面发射装置，等待进入下一辆车辆。
充电时采用自适应位置检测方法，判断车辆部分线圈是否进入和离开地面发射线圈范围，其能够快速启停地面***，对车辆储能***进行充电，提高有效充电时间，结合图4所示车辆自适应位置检测流程图，车辆进站后站台侧的地面***发出指令进行预励磁，并根据线圈等效阻抗与阈值之间的关系及高频逆变器电压与电流相位是否重叠或接近重叠来判断车辆部分线圈是否进入预设位置。同样地，在车辆出站时高频逆变器发出50％占空比脉冲判断线圈等效阻抗是否等于阈值2，并根据判断结果选择关闭站台侧的地面充电***。
本实用新型示例性实施例的一种站台无线充电的无网供电***，包括：设置于站台侧的位置检测单元、无线启动单元以及无线供电单元，以及在车辆侧设置的车辆无线充电的混合储能装置，所述位置检测单元用于检测车辆是否驶入站台的预设位置，所述启动单元连接于所述检测单元，用于在所述检测单元检测到车辆驶入站台预设位置时启动无线供电单元；当所述检测单元检测到车辆驶入站台侧的预设位置时，所述启动单元启动无线供电单元，以通过电力发射线圈通电时形成的电力磁场对所述车辆无线充电的混合储能装置中的储能单元即电池模组进行充电，当车辆驶离所述预设位置时通过所述启动单元关闭所述无线供电单元。
本实用新型示例性实施例的一种实施场景中，所述车辆无线充电的混合储能装置包括对应于所述无线供电单元的多级拾取单元，每一级拾取单元依次电性连接于谐振补偿单元和整流器后电连接于车辆无线充电的混合储能装置中的储能单元。
本实用新型示例性实施例的一种实施场景中，所述***还包括电磁屏蔽门，所述电磁屏蔽门设置于所述无线供电单元的两侧。
结合图5所示，车载电路由多拾取线圈和混合储能构成，其中，混合储能包括超级电容直挂+电池模组连接DC-DC变换器(双向直流变换器)，具体如下：
车底布置多个拾取线圈(线圈布置数量根据车辆空间情况确定)接收地面发射线圈隔空传递过来的能量，经过全控整流器后，并联于直流母线，控制电池模组和超级电容组充电；超级电容直挂于直流母线，用于吸收制动峰值功率，提供牵引峰值功率；电池模组通过双向DC-DC变换器并联于直流母线，用于吸收无线充电功率，提供大部分牵引功率；一般地，为了提高储能单元的功率密度，电池模组电度数配置远大于超级电容。
其中，所述电池模组和所述超级电容通过所述双向直流变换器分别电连接于所述无线充电回路与所述电池模组的母线，双向DC-DC变换器与超级电容之间设置一个切换开关。车辆制动工况时，分开切换开关，让超级电容吸收全部的峰值功率，以保护电池模组不被损坏。制动峰值功率吸收完后，当检测直流电压Ud1和直流电压Ud2接近时，合上切换开关K，所述切换开关K连接于所述无线充电回路与所述制动充电回路之间，以用于在车辆处于制动模式时打开所述制动充电回路。
结合图6所示，电池模组和超级电容在车辆进站时的工作模式为：车辆进入地面充电区域，同时车辆处于制动模式，地面无线充电和制动充电两种状态同时存在，切换开关K打开，超级电容吸收制动功率。电池模组按照全控整流器和双向DC-DC变换器的控制策略来吸收无线充电功率。
结合图7所示，在车辆上下客时，切换开关合上，电池模块和超级电容按照双向DC-DC变换器和全控整流器的控制策略，吸收无线充电功率。
结合图8所示，车辆出站时切换开关合上，电池模块和超级电容按照双向DC-DC变换器和全控整流器的控制策略，吸收无线充电功率；同时，无线充电还给三相逆变器和牵引电机提供牵引功率。
结合图9所示，车辆驶离车站时，电池模组和超级电容共同给三相逆变器和牵引电机提供牵引功率。
结合图10所示车辆进出站车载***控制流程图，车辆的制动信号可根据车辆行车***中的传感器得到，制动时切换开关断开以使制动能量得以被超级电容充分吸收，进入无线供电线圈的预设范围时无线充电给超级电容充电使电池模组得以充电，无线供电单元跟踪直流母线电压，根据电压发出最大电流，使无线充电功率达到最大，同时向电池模组和超级电容充电，同时给牵引电机逆变器供电，车辆驶离站台时，超级电容带有部分电能，与电池模组共同向牵引电机提供牵引功率。
本实用新型的装置和***，在车辆进站、上下客，出站的时间段对车载储能单元进行无线能量补给，在站-站之间通过储能单元提供车辆牵引动力，能最大程度上提高有效充电时间，减少储能***容量配置，减小车辆体积和重量；车载电路采用新的拓扑及控制方案，包括车载多拾取线圈结构并实现混合储能。能够最大程度地吸收地面发射的功率和进站时的制动能量，提高车载储能***的能量密度和能量利用率。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本实用新型的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车辆无线充电的混合储能装置，其特征在于，所述装置包括无线充电回路和制动充电回路，所述无线充电回路包括在车辆底部设置的多个拾取线圈，各所述拾取线圈用于接收基站侧地面设置的无线供电单元经过电力磁场发射的电能，每一拾取线圈通过谐振补偿和整流器整流后电连接于储能单元，各所述拾取线圈均电连接于谐振补偿电路后通过整流器传输至储能单元；所述制动充电回路电连接于车辆的牵引电机，在牵引电机制动时回收电能，牵引电机回收的电能经过三相逆变器后向电容充电并存储于超级电容。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括切换开关，所述切换开关连接于所述无线充电回路与所述制动充电回路之间，以用于在车辆处于制动模式时打开所述制动充电回路。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能单元包括电池模组、超级电容以及双向直流变换器，所述电池模组和所述超级电容通过所述双向直流变换器分别电连接于所述无线充电回路与所述电池模组的母线。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，各所述无线供电单元埋设于站台侧地面的预设位置。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括检测单元，所述检测单元设置于车辆且于车辆进出站台发出进出站台的电信号时启动所述无线供电单元。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述检测单元还用于检测车辆进站后是否停于包括有无线供电单元的预设位置，并用于触发第一启动单元与第二启动单元，所述第一启动单元用于向站台侧发出充电信号，所述第二启动单元用于向车辆侧发出位置偏离提示。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括电磁屏蔽门，所述电磁屏蔽门设置于所述无线供电单元两侧，所述电磁屏蔽门在接收到车辆进出站的电信号时启动扫描单元，并且在扫描结果无异常时开启电磁屏蔽。
8.一种站台无线充电的无网供电***，其特征在于，所述***包括：设置于站台侧的位置检测单元、无线启动单元以及无线供电单元，以及在车辆侧设置的根据权利要求1至7任一所述的车辆无线充电的混合储能装置，所述位置检测单元用于检测车辆是否驶入站台的预设位置，所述启动单元连接于所述检测单元，用于在所述检测单元检测到车辆驶入站台预设位置时启动无线供电单元；当所述检测单元检测到车辆驶入站台侧的预设位置时，所述启动单元启动无线供电单元，以通过电力发射线圈通电时形成的电力磁场对所述车辆无线充电的混合储能装置中的储能单元进行充电，当车辆驶离所述预设位置时通过所述启动单元关闭所述无线供电单元。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述车辆无线充电的混合储能装置包括对应于所述无线供电单元的多级拾取单元，每一级拾取单元依次电性连接于谐振补偿单元和整流器后电连接于车辆无线充电的混合储能装置中的储能单元。
10.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述***还包括电磁屏蔽门，所述电磁屏蔽门设置于所述无线供电单元的两侧。
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