一种基于串联补偿的集成导轨分布切换供电拓扑

1.本发明属于无线电能传输和动态无线供电领域，具体地，涉及一种基于串联补偿的集成导轨分布切换供电拓扑。


背景技术：

2.动态无线供电技术可以在电动汽车行驶过程中实时补充电能，因而可以增加续航里程，减少动力电池的配比，克服传统有线充电方式带来的弊端，具有重要的研究价值。目前正朝着大功率、远距离、长里程的方向不断发展。国内外对动态无线供电技术的研究主要围绕长导轨式和多线圈排布式磁耦合机构展开，就其本身的结构及特性、磁芯配置方式、耦合性能特点、横向偏移能力、谐振补偿拓扑、动态切换方法、行进过程中功率波动等问题进行了研究，取得了一系列成果。此外，一些动态无线供电项目已经开发出成套系统，建立了多条动态无线供电试验线，逐步投入实际运行当中，使得动态无线供电技术改变传统有线充电方式真正成为可能。
3.动态无线供电系统中发射导轨的长度往往长于车载接收线圈，因此存在较大的漏磁。若发射导轨通电长度过长，则过多的漏磁一方面会降低发射导轨和接收端间的耦合系数，使系统效率降低；另一方面漏磁产生的辐射可能对周围的生物体产生危害。因此动态无线供电系统发射端有必要采用分段导轨+位置检测+导轨切换的方式，提高系统的供电效率，降低电磁辐射水平。导轨的分段排布和切换方式已成为该领域的研究热点之一。
4.当前动态无线供电系统导轨分段排布和切换方式主要有单源分段供电、多源独立供电、多源混合供电、多源混合交替供电等四种方案。
①
单源分段供电指的是所有导轨并联于同一台电源上，电源始终处于运行状态，通过串联开关切换实现导轨的投切。该方式结构简单，成本较低，但需要的供电线较多且长度较长，开关处于硬切换状态容易烧毁器件，同时开启两段导轨难度较大。
②
多源独立供电方案指的是为每一段供电导轨均配备一台发射电源，该方式省去了切换开关，结构简单，切换容易，但电源数量过多，成本较高。
③
多源混合供电方案是对单源分段供电的改进，减少了每一个电源驱动导轨的段数，以减小单电源压力，但在局部仍未解决硬切换和两段导轨同时供电的问题。
④
多源混合交替供电方案采用两台电源交替连接发射导轨，在减少电源数量的同时，允许相邻两段导轨同时工作，降低了成本，提高了接收功率的稳定性，但仍存在供电线较长，单电源驱动导轨长度受限及硬切换的缺点。
5.综上可知，对动态无线供电系统发射端供电导轨而言，低成本、高效率、在线软切换、多负载兼容的分段排布和切换方法有待进一步研究。


技术实现要素：

6.本发明提出了一种基于串联补偿的集成导轨分布切换供电拓扑，复用发射导轨供电段为相邻供电段补偿，无需为每个供电段配置补偿电感；复用谐振电容为两个供电段补偿，减少了电容的数量。系统的高度复用，减少了谐振器件数量，降低了系统的体积和成本，
减小了损耗，提高了系统效率。
7.本发明是通过以下方案实现的：
8.一种基于串联补偿的集成导轨分布切换供电拓扑：
9.所述供电拓扑包括发射电源和n段发射导轨供电段；
10.所述发射电源包括恒流母线u
dc
和4个开关管s1、s2、s3、s4；
11.开关管s1和s3的一端与u
dc
的正极相连接；开关管s2和s4的一端与u
dc
的负极相连接；开关管s1和s2的另一端与第一段发射导轨供电段相连接，开关管s3和s4的另一端与第n段发射导轨供电段相连接，n段发射导轨供电段串联；
12.所述n段发射导轨供电段的每段均包括n个串联发射导轨单元和一组反向串联的开关管s
pn+
和s
pn
‑
；
13.每段发射导轨供电段的等效自感为l
pn
，等效补偿电容为c
pn
；
14.所述发射导轨单元由发射线圈l
pnm
和集成在内部的补偿电容c
pnm
串联构成，n,m∈r；
15.所述一组反向串联的开关管s
pn+
和s
pn
‑
并联在对应的发射导轨供电段上。
16.进一步地，
17.所述供电拓扑的发射电压工作于恒流输出模式；
18.当切换开关导通时，相应的发射导轨供电段被短路而切出，不再流过发射电流；切换开关关断时，相应的发射导轨取消短路而投入，正常流过发射电流，向接收端供电。
19.进一步地，
20.当电路为单一接收端供电时，发射导轨动态切换过程为：
21.状态1：当检测到接收端运动至发射导轨供电段1上方时，控制供电段1两端并联切换开关s
p1+
和s
p1
‑
关断，使供电段1投入运行；其他上方没有接收端的供电段，控制其并联切换开关导通，将供电段短路并切出；
22.状态2：当检测到接收端运动至发射导轨供电段1和2之间时，控制供电段1和2两端并联切换开关s
p1+
、s
p1
‑
和s
p2+
、s
p2
‑
关断，使供电段1和2投入运行；其他上方没有接收端的供电段，控制其并联切换开关导通，将供电段短路并切出；
23.状态3：当检测到接收端运动至发射导轨供电段2上方时，控制供电段2两端并联切换开关s
p2+
和s
p2
‑
关断，使供电段2投入运行；供电段1及其他上方没有接收端的供电段，控制其并联切换开关导通，将供电段短路并切出；
24.接收端位移时重复切换状态1、状态2和状态3。
25.进一步地，
26.当电路为多个接收端供电时，发射导轨动态切换过程为：
27.状态1：当多个接收端位于同一个发射导轨供电段上方时，控制供电段1两端并联切换开关s
p1+
和s
p1
‑
关断，使供电段1投入运行；其他上方没有接收端的供电段，控制其并联切换开关导通，将供电段短路并切出；
28.状态2：当两个或多个接收端分别位于不同的发射导轨供电段上方时，控制对应的供电段1和2两端并联切换开关s
p1+
、s
p1
‑
和s
p2+
、s
p2
‑
关断，使供电段1和2投入运行；其他上方没有接收端的供电段，控制其并联切换开关导通，将供电段短路并切出；
29.多接收端位移时重复切换状态1和状态2。
30.本发明有益效果
31.本发明可以实现动态无线供电系统多段发射导轨的统一供电和接收端行进过程中的在线切换，主要优点如下
32.(1)仅需一台发射电源即可为一整条动态无线供电发射线路提供电能，减少了发射电源的使用数量，降低了系统成本；
33.(2)通过并联切换开关的导通和关断，控制上方有接收端的发射导轨供电段投入运行，上方无接收端的发射导轨供电段短路切除，可减小发射导轨通电的长度，降低导轨损耗，提高系统效率；
34.(3)将切换开关集成到发射导轨供电段内部，通过电流传感器检测，在切换开关电流过零时完成切换动作，可实现发射导轨的在线软切换，无需电源停机后动作，不影响线路中其他接收端的工作状态，提高了系统的响应速度，具有良好的动态特性；
35.(4)允许相邻两段导轨同时供电，也具备同时为多个接收端供电的能力。
附图说明
36.图1为本发明的提出的基于串联补偿的集成导轨分布切换供电拓扑；
37.图2为本发明的发射导轨动态切换过程，其中(a)为接收端在发射导轨供电段1上方，(b)接收端在发射导轨供电段1和2之间，(c)为接收端在发射导轨供电段2上方；
38.图3为两个接收端位于同一个发射导轨供电段上方的工作情况；
39.图4为两个接收端分别位于不同发射导轨供电段上方的工作情况。
具体实施方式
40.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.一种基于串联补偿的集成导轨分布切换供电拓扑，如图1所示：
42.所述供电拓扑包括发射电源和n段发射导轨供电段；
43.所述发射电源包括恒流母线u
dc
和4个开关管s1、s2、s3、s4；
44.开关管s1和s3的一端与u
dc
的正极相连接；开关管s2和s4的一端与u
dc
的负极相连接；开关管s1和s2的另一端与第一段发射导轨供电段相连接，开关管s3和s4的另一端与第n段发射导轨供电段相连接，n段发射导轨供电段串联；
45.所述n段发射导轨供电段的每段均包括n个串联发射导轨单元和一组反向串联的开关管s
pn+
和s
pn
‑
；
46.每段发射导轨供电段的等效自感为l
pn
，等效补偿电容为c
pn
；
47.所述发射导轨单元由发射线圈l
pnm
和集成在内部的补偿电容c
pnm
串联构成，n,m∈r；
48.所述一组反向串联的开关管s
pn+
和s
pn
‑
并联在对应的发射导轨供电段上。
49.所述供电拓扑的发射电压工作于恒流输出模式；
50.当切换开关导通时，相应的发射导轨供电段被短路而切出，不再流过发射电流；切
换开关关断时，相应的发射导轨取消短路而投入，正常流过发射电流，向接收端供电。
51.系统运行时，发射电源工作于恒流输出模式，为整条供电线路提供一条恒流母线。切换开关分布到每一个供电段处，可选用mosfet、igbt、固态继电器等器件，根据接收端位置检测结果与顶层控制器的指令执行切换。当切换开关导通时，相应的发射导轨供电段被短路而切出，不再流过发射电流；切换开关关断时，相应的发射导轨取消短路而投入，正常流过发射电流，向接收端供电。
52.当收到发射导轨供电段切换的指令时，通过电流传感器检测流过相应切换开关的发射电流，在下一次电流过零点时，完成切换开关的动作，可以实现动态发射导轨的在线软切换，无需先控制电源输出降为零后再完成切换动作，不影响线路中其他接收端的工作状态，提高了系统的响应速度，具有良好的动态特性。
53.当电路为单一接收端供电时，发射导轨动态切换过程为：
54.状态1：如图2(a)所示，当检测到接收端运动至发射导轨供电段1上方时，控制供电段1两端并联切换开关s
p1+
和s
p1
‑
关断，使供电段1投入运行；其他上方没有接收端的供电段，控制其并联切换开关导通，将供电段短路并切出；
55.状态2：如图2(b)所示，当检测到接收端运动至发射导轨供电段1和2之间时，控制供电段1和2两端并联切换开关s
p1+
、s
p1
‑
和s
p2+
、s
p2
‑
关断，使供电段1和2投入运行；其他上方没有接收端的供电段，控制其并联切换开关导通，将供电段短路并切出；
56.状态3：如图2(c)所示，当检测到接收端运动至发射导轨供电段2上方时，控制供电段2两端并联切换开关s
p2+
和s
p2
‑
关断，使供电段2投入运行；供电段1及其他上方没有接收端的供电段，控制其并联切换开关导通，将供电段短路并切出；
57.接收端位移时重复切换状态1、状态2和状态3。
58.当电路为多个接收端供电时，发射导轨动态切换过程为：
59.状态1：如图3所示，当多个接收端位于同一个发射导轨供电段上方时，控制供电段1两端并联切换开关s
p1+
和s
p1
‑
关断，使供电段1投入运行；其他上方没有接收端的供电段，控制其并联切换开关导通，将供电段短路并切出；
60.状态2：如图4所示，当两个或多个接收端分别位于不同的发射导轨供电段上方时，控制对应的供电段1和2两端并联切换开关s
p1+
、s
p1
‑
和s
p2+
、s
p2
‑
关断，使供电段1和2投入运行；其他上方没有接收端的供电段，控制其并联切换开关导通，将供电段短路并切出；
61.多接收端位移时重复切换状态1和状态2。
62.本发明可应用于电动汽车、轨道交通、自动引导运输车(automated guided vehicle,agv)、矿用运输车、单轨吊、巡检机器人等可移动电动设备的动态无线供电系统中。将其发射端供电导轨配置成本发明中基于串联补偿的集成导轨分布切换供电拓扑，采用一台发射电源即可完成整条动态无线供电线路的切换，减小供电段通电长度提高系统效率，同时可以实现发射导轨的在线软切换，具有多负载兼容的能力。其中切换开关可采用mosfet、igbt、固态继电器等器件实现。
63.以上对本发明所提出的一种基于串联补偿的集成导轨分布切换供电拓扑，进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明
的限制。