高頻信號采集傳輸方案在無線供電技術(shù)中的應(yīng)用

張 欣 李連鶴 楊慶新 張 獻 蘇 杭

（天津工業(yè)大學天津市電工電能新技術(shù)重點實驗室 天津 300387）

0 引言

《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中指出交通運輸作為國家重點發(fā)展方向，高速軌道作為首要的運輸載體。國務(wù)院批準實施《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》方案，使我國高速鐵路在較短時間內(nèi)取得了迅猛發(fā)展。2012 年，國務(wù)院通過了《“十二五”綜合交通運輸體系規(guī)劃》，其中指出中國要在2015 年建成“四橫四縱”的高鐵運輸網(wǎng)絡(luò)，3 個城際快速客運高鐵系統(tǒng)，建設(shè)周邊的延伸線、輔助線和聯(lián)絡(luò)線。預(yù)計2015 年中國將具有接近2 萬km 的高鐵總里程。我國的高速鐵路系統(tǒng)以嶄新的面貌，與日本新干線N70 系與E5 系、法國TGV 和德國ICE 系一起成為世界高速鐵路技術(shù)的典型代表。國內(nèi)以及國外的高速鐵路在建設(shè)中和運營中的經(jīng)驗表明了高速鐵路具有五大特點:高穩(wěn)定性、高可靠性、高安全性、高平順性、高精確度。處理好受電弓與接觸網(wǎng)之間的關(guān)系，解決高速下列車穩(wěn)定受流，是保證“五高特點”能夠?qū)崿F(xiàn)的必要途徑。高鐵列車在高速運行狀態(tài)下，摩擦、離線、振動、打弧和自然環(huán)境等都會給弓網(wǎng)關(guān)系帶來問題。這些問題的存在是制約高鐵列車迅速發(fā)展的瓶頸[1]。為解決這些問題，本文提出利用無線電能傳輸技術(shù)向高鐵列車提供穩(wěn)定、可靠的電能。

當前全球的自然環(huán)境不斷惡化，不可再生資源不斷衰減，電動車被視為綠色的交通工具越來越受到公眾的關(guān)注。目前，電動車一般采用傳統(tǒng)的電線來進行充電，這種充電方式有很多問題:為了減少充電時間，其充電電流大，使得充電的接插件十分的大而使用起來很不輕便，對電動車的美觀性造成一定的影響；電動車停車充電時需將充電器上的充電插頭連接到電動車的充電接口，使得充電過程繁瑣和耗時費力；電動車充電插座和電纜充電插頭之間必然存在機械摩擦，會導(dǎo)致接觸不良，影響了充電效果甚至可能產(chǎn)生電火花，帶來嚴重的后果；電纜老化、雨雪天氣充電結(jié)束后忘記拔下充電插頭以及不小心扯斷充電電纜等情況下，容易引起漏電，引發(fā)安全事故。此外，電動車電池組體積龐大，續(xù)航時間短，里程短，充電所需時間長，耗電時間快等問題對電動車也有一定的制約。基于磁場耦合諧振原理的電動車在線式無線供電技術(shù)利用磁耦合諧振式無線供電技術(shù)，電能的發(fā)送線圈埋在路面下，電能的接收線圈置于車身底部，能量從路面下傳遞到車身。省去了笨重的充電電纜，可以少用或不用車載儲能電池，延長續(xù)航里程，提高了電動車的美觀性、便捷性與安全性[2,3]。

1 在線式無線傳能系統(tǒng)需要解決的問題

以John T.Boys 教授為首的新西蘭奧克蘭大學研究團隊在理論方面，深入研究了無線電能傳輸?shù)幕驹?、系統(tǒng)頻率分析、多種補償電路系統(tǒng)特性分析和系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面。在應(yīng)用方面生產(chǎn)了單軌電車、有軌電車等軌道交通的感應(yīng)充電系統(tǒng)，以及電動汽車感應(yīng)耦合充電裝置[4-6]。文獻[7]通過有限差分法分析驗證了當線圈距離為1.98m 時，電能傳輸效率依然可以達到97%，并設(shè)想在高速公路上鋪設(shè)發(fā)射線圈，從而能夠?qū)崿F(xiàn)電動汽車無線供電行駛。文獻[8]中針對感應(yīng)耦合無線能量傳輸（Inductively Coupled Power Transmission，ICPT）主要研究無線充電在電動汽車應(yīng)用中的諧振結(jié)構(gòu)。文獻[9]討論了適用于電動汽車無線充電的ICPT 系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計方法和步驟。國內(nèi)也展開了對電動車無線充電技術(shù)的研究，主要是基于磁共振耦合模式，提出了共振條件下頻率穩(wěn)定性控制策略及能量接收裝置的設(shè)計方法，并對無線供電技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析[10,11]。

1.1 高速列車在線無線供電系統(tǒng)

以無線供電的方式給高速列車提供電能允許存在數(shù)十厘米的工作間隙，因此提高了絕緣強度，從而避免了弓網(wǎng)電弧頻繁出現(xiàn)的問題。在覆冰、大風等惡劣天氣下，依然能夠穩(wěn)定、可靠供電；當整個系統(tǒng)出現(xiàn)振動或位移時，高鐵列車獲得的功率并不會發(fā)生劇烈變化，從而顯著提高受流質(zhì)量。如果該設(shè)想獲得成功，將是高鐵供電方法的革命性突破，對高鐵發(fā)展具有里程碑意義。

本文提出將磁場耦合諧振式無線供電技術(shù)應(yīng)用于高速列車，并搭建了實物動態(tài)模型，圖1 為高速列車無線供電模型。

圖1 高速列車無線供電模型Fig.1 Physical diagram of wireless power transmission technology in high speed train system

為了分析運動體高速切割磁力線時的受力與系統(tǒng)損耗，模擬無線供電系統(tǒng)高速運行時的各相關(guān)物理量的實際數(shù)據(jù)，需要建立該系統(tǒng)的多物理場耦合模型并進行求解。非對稱電能耦合機構(gòu)不但要保證電磁場空間耦合性能，而且要滿足電路控制方程的需要。同時，高速高鐵列車無線供電與轉(zhuǎn)換問題涉及電磁場、空氣流體場、機械振動場、溫度場等多個物理場的相互作用。綜合考慮上述各物理場的相互作用關(guān)系，確定最優(yōu)的非對稱電能耦合機構(gòu)，以減少受電體在高速移動時的功率波動及負載變化時對供電體的反饋變化。當受電體快速沿供電體進行直線運動時，不僅通過感生磁場產(chǎn)生感生電動勢獲得電能，還將受到高速切割磁力線而帶來的動生電動勢的影響。一方面，兩種電勢同時存在并共同作用于非對稱耦合結(jié)構(gòu)，將對系統(tǒng)產(chǎn)生電磁應(yīng)力的作用。另一方面，交變磁場將在磁屏蔽材料上產(chǎn)生渦流并導(dǎo)致?lián)p耗。如何準確計算電磁應(yīng)力作用及渦流損耗大小是另一個研究重點。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，穿過回路的磁通量發(fā)生改變，回路中就會有感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。這里磁通量發(fā)生有兩種情況:①電路回路在磁場中沒有相對磁場的運動，可是磁場空間分布隨時間變化，這種情況下的感應(yīng)電動勢稱為感生電動勢；②電路回路相對于磁場有運動，這種情況下的感應(yīng)電動勢稱為動生電動勢。在高速運動狀態(tài)下，接收端將受到兩者共同的作用，前者的存在實現(xiàn)了電能的無線傳輸，同時在磁屏蔽結(jié)構(gòu)上感生渦流并產(chǎn)生損耗；后者的存在導(dǎo)致接收端將受到一定的洛倫茲力的作用。針對不同工作頻率及相對運動速度對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程進行求解分析，定量計算兩部分電勢對系統(tǒng)產(chǎn)生的損耗及受力影響是需要研究的重點問題。

1.2 電動車在線無線供電系統(tǒng)

本文基于磁場耦合諧振原理搭建了電動車在線無線供電平臺如圖2 所示。電能的發(fā)送線圈埋在路面下，電能的接收線圈置于電動車車身底部。能量從路面下傳遞到車身，之后經(jīng)過整流濾波功率變化將能量作用在電動機上。

圖2 在線式無線供電電動車模型Fig.2 On-line wireless power supply electric vehicle model

在線式的無線供電電動車負載大小具有明顯的動態(tài)性與不確定性，接收線圈與發(fā)射線圈相對位置的隨機性而引起的電磁耦合參數(shù)的變化十分嚴重，怎樣提升無線供電系統(tǒng)適應(yīng)這些參數(shù)變化情況的能力，以確保電動車接收電能的穩(wěn)定性，同樣是需要研究和解決的重要問題。當前對在線式無線供電電動車的研究還停留在靜態(tài)充電技術(shù)部分，并且已經(jīng)取得了一些研究成果[12-14]。然而對動態(tài)的在線無線供電技術(shù)的研究還很少，且大部分著眼于此技術(shù)的可行性分析、對應(yīng)用前景的設(shè)想、理論系統(tǒng)的開發(fā)、在線式電磁耦合機構(gòu)的設(shè)計與電磁屏蔽技術(shù)的應(yīng)用等方面[2,15,16]。

2 在線供電系統(tǒng)的信號采集方案

基于以上在線式無線供電系統(tǒng)的分析，在線式無線供電系統(tǒng)傳能結(jié)構(gòu)分為兩種，一種是能量發(fā)送線圈沿軌道懸空架設(shè)于車身之上，接收線圈在車身頂部，能量從上往下傳遞，如圖3a 所示；另一種是電能的發(fā)送線圈埋在路面下，電能的接收線圈置于車身底部。能量從路面下傳遞到車身，如圖3b 所示。

圖3 在線式無線供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 On-line wireless power supply system structure

為了推動無線供電高鐵技術(shù)與無線供電電動車的發(fā)展急需一種檢測物理動態(tài)的無線傳能系統(tǒng)的功率信號采集方案，這種檢測物理動態(tài)的受電體方案需滿足以下3 點:①能夠檢測高頻信號；②具有無線信號傳輸功能否則無法檢測動態(tài)的物體，例如普通的示波器；③采集裝置尺寸應(yīng)盡量小，以便降低對受電體的影響?，F(xiàn)提出一種采用高速A-D 轉(zhuǎn)換器和嵌入FPGA 架構(gòu)的ARM 為控制器的高頻信號采集系統(tǒng)方案，F(xiàn)PGA 實現(xiàn)對外接A-D 轉(zhuǎn)換器的FIFO管理控制和數(shù)據(jù)緩存。此方案可采集MHz 以上數(shù)量級高頻信號，可對無線供電過程的電壓、電流信號進行實時觀測。此外開發(fā)了上位機監(jiān)控平臺，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)遠程通信，滿足了對動態(tài)下無線供電系統(tǒng)二次側(cè)的信號實時動態(tài)檢測。同時可對一次側(cè)與二次側(cè)的無線供電系統(tǒng)的全程狀態(tài)信息進行對比分析與存儲及其任意的調(diào)用。上位機顯示平臺如圖4 所示。也可以說此方案是一個帶信號遠程無線傳輸功能的微型示波器，只是這種示波器由3 部分組成:①下位機檢測；②上位機界面；③實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)臒o線通信協(xié)議。

圖4 高頻采集方案上位機顯示界面Fig.4 PC display high frequency collection

3 測試與分析

基于在線式無線供電系統(tǒng)接收線圈的信號檢測困難等問題，提出一種以高性能FPGA 嵌入ARM架構(gòu)的高頻信號采集系統(tǒng)方案。應(yīng)用此方案對課題組的無線供電電動車進行測試，在合理使用屏蔽的基礎(chǔ)上，對電動車上接收線圈端進行了信號采集。測試過程系統(tǒng)框圖如圖5 所示。測試目錄及數(shù)據(jù)見表1。

圖5 在線式無線供電電動車信號采集框圖Fig.5 On-line wireless power supply electric diagram of the signal acquisition

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)通信正常，波形顯示清晰、穩(wěn)定，參數(shù)測量準確度高，完全達到采集在線式無線供電系統(tǒng)高頻功率信號的設(shè)計要求。圖6 為某一時刻的發(fā)送端與接收端的波形對比結(jié)果。

表1 在線無線供電電動車實測數(shù)據(jù)Tab.1 On-line wireless power supply electric vehicle measured data

圖6 在線式無線供電電動車發(fā)送端與接收端信號采集圖Fig.6 The sender and the receiver signal acquisition of on-line wireless power transmission

經(jīng)過測試與計算，此系統(tǒng)工作頻率為115.5kHz,一次側(cè)有功功率為63.4W，效率為34.9%。此在線式無線供電系統(tǒng)存在傳能效率低和電壓電流之間的相位角過大等問題。后續(xù)可以通過改變線圈結(jié)構(gòu)，利用多線圈分時供電等方法提高接收端的能量利用率，盡量降低磁場能量的丟失。提高屏蔽技術(shù)和磁場利用率。對供電部分進行進一步研發(fā)，利用軟開關(guān)頻率跟蹤技術(shù)進行研究探索，以便提高無線供電的傳能效率。

4 結(jié)論

針對在線式無線供電系統(tǒng)二次側(cè)信號難以檢測的問題提出一種信號采集方案。滿足了動態(tài)下無線供電系統(tǒng)接收端的信號檢測、存儲以及任意調(diào)用的需求，驗證了無線信號可以不受功率信號的干擾。對在線式無線供電系統(tǒng)的進一步發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。

對于無線供電技術(shù)在電動車及高速列車上的應(yīng)用，從實驗室到可能的實際應(yīng)用，存在以下問題:

1）在保證供、受電線圈所需空間安全距離以及受電體所需電能的前提下，需要確定供電頻率低、傳輸效率高的線圈組合結(jié)構(gòu)。

2）在受電體以高速切割磁力線狀態(tài)下，需要對影響因素進行分析，建立多物理場耦合模型，分析高速運動產(chǎn)生的電磁力以及移動負載帶來的阻抗變化，計算系統(tǒng)損耗與受力。

3）需要采用高導(dǎo)磁屏蔽材料的結(jié)構(gòu)將能量交換約束于有限區(qū)域?？v然如此，無線供電技術(shù)依然有應(yīng)用的可能性，還需接下來的深入研究，將在線式無線供電設(shè)備早日應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。

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