基于超級電容的有軌電車無線供電可行性

林云志， 李 磊， 賴一雄

(1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司， 北京 100036； 2.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司城鐵公司， 北京 100036)

隨著大功率電力電子變流技術(shù)發(fā)展，帶動無線電能傳輸技術(shù)在近十年來得到了極其迅猛的發(fā)展。尤其是磁耦合諧振無線電能傳輸(magnetic coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大功率高效的電能傳輸，為裝備的供電問題提供了一種全新的解決方案[1-3]。在電氣化交通領(lǐng)域，面向電動汽車的無線充電技術(shù)已邁入實(shí)用化階段，通過電力電子變換器將市電變換為高頻交流電，以此驅(qū)動地面上的發(fā)射線圈，產(chǎn)生特定頻率的交變磁場[4-5]。該磁場耦合到車載的接收線圈并在其中感應(yīng)出交變電流，從而實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，此后再通過變換器將高頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳎⒓右钥刂?，進(jìn)而給車載動力電池充電。

面向軌道交通的無線供電技術(shù)，當(dāng)前也正處于快速發(fā)展中，與電動汽車無線充電類似，如圖1所示。通過沿軌道鋪設(shè)線圈陣列或分段長導(dǎo)軌，并通以高頻交變電流，采用諧振式磁耦合方式向安裝于列車的接收端提供電能，以避免列車與供電線路的直接機(jī)械接觸而引起的電刷磨損、斷軌產(chǎn)生電弧、摩擦發(fā)熱量大等問題[6-8]。

圖1 軌道交通無線供電Fig.1 Wireless power supply for rail transportation

作為近年來的研究熱點(diǎn)，各類非接觸供電技術(shù)在電氣化交通中的應(yīng)用研究得以廣泛開展。其中，以韓國科科學(xué)技術(shù)院、新西蘭奧克蘭大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)等為代表的多家研究機(jī)構(gòu)均對列車無線充電技術(shù)進(jìn)行了研究[9-11]。

韓國鐵路研究所在2015年發(fā)表了其面向高鐵的動態(tài)無線供電系統(tǒng)，其額定功率等級為1 MW，無線電能傳輸系統(tǒng)的工作頻率為60 kHz。鋪設(shè)了長度為128 m的無線供電軌道，在型號為HEMU-430x的高鐵上進(jìn)行了實(shí)車實(shí)驗(yàn)。實(shí)測5 cm氣隙，輸出功率達(dá)到了818 kW，系統(tǒng)效率82.7%，列車測試車速為10 km/h[12]。

龐巴迪2013年推出的動態(tài)電氣化交通的無線充電/供電系統(tǒng)，針對軌距為1 m的城市低底盤輕軌電車，其采用單個(gè)100 kW的接收單元模塊，可組合為100～500 kW的充電/供電系統(tǒng)；此外發(fā)射端包含了車輛檢測功能和功率切換模塊，保證了僅當(dāng)列車位于特定線圈之上時(shí)，該線圈才通電運(yùn)行。該系統(tǒng)運(yùn)行車速據(jù)稱可達(dá)80 km/h[13]。

中國的天津工業(yè)大學(xué)就無線電能傳輸系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)、頻率分岔的相關(guān)規(guī)律和出現(xiàn)條件等問題做了許多研究工作，取得了一些初步成果，并研制出一套高速鐵路列車無線供電模型。此外，重慶大學(xué)、東南大學(xué)。南京航空航天大學(xué)、中科院電工所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)，圍繞系統(tǒng)效率分析與參數(shù)優(yōu)化、耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路補(bǔ)償拓?fù)?、傳輸功率控制與調(diào)節(jié)等問題進(jìn)行了深入的研究[14-17]。

基于超級電容儲能的現(xiàn)代有軌電車，通過車載超級電容儲能系統(tǒng)為有軌電車牽引系統(tǒng)供電。在有軌電車線路各車站設(shè)置充電裝置后可利用有軌電車停站時(shí)間，通過充電裝置為車載電容儲能系統(tǒng)快速充電。其運(yùn)營線路無觸網(wǎng)，綠色環(huán)保，在未來城市交通中具有廣闊應(yīng)用前景[18-20]。

現(xiàn)以互感耦合的方式實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸，根據(jù)超級電容有軌電車的各項(xiàng)要求，研究一種針對超級電容有軌電車無線傳能裝置的原型設(shè)計(jì)，對該方式的可行性進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)工作原理

通過埋在地下的軌道電纜為超級電容有軌電車進(jìn)行無線供電，有軌電車只要在行進(jìn)的軌道上，就能源源不斷的獲取動力。同時(shí)系統(tǒng)也給車載超級電容進(jìn)行高效充電，這樣在沒有軌道的區(qū)域，有軌電車依舊可以憑借車載超級電容行走，直到下一段軌道進(jìn)行充電。該系統(tǒng)還可以提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，通信模塊可以用來傳遞信息和檢查列車的位置。

圖2給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想圖，該系統(tǒng)由軌道電源柜、集成變流器功能的集電器、發(fā)射線圈、電容盒、通信模塊以及其他安裝模塊組成。通過地下敷設(shè)的軌道發(fā)射線圈為超級電容有軌電車進(jìn)行無線供電，車輛只要行進(jìn)在軌道上，就能源源不斷的獲取動力，同時(shí)系統(tǒng)也給車載超級電容進(jìn)行高效充電。在線路無充電軌道區(qū)域，由車載超級電容充當(dāng)車輛電源，直到進(jìn)入下一段充電區(qū)域進(jìn)行電能補(bǔ)充。該系統(tǒng)還可以提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，通信模塊可以用來傳遞信息和定位列車的位置。

圖2 超級電容有軌電車無線傳能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure illustration of wireless power transfer for the trams with super capacitors

圖3給出了發(fā)射端與接收端的等效電路模型，兩者的間隙控制在100 mm左右，滿足車輛各種工況與復(fù)雜地面狀況。集電器中電能拾取機(jī)構(gòu)通過整流器并聯(lián)。

圖3 發(fā)射端與接收端的等效模型Fig.3 Equivalent model of the transmitting and receiving terminal

圖4 系統(tǒng)等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit of the system

以圖3系統(tǒng)中二次側(cè)的一路為例，給出了該系統(tǒng)的等效電路如圖4所示，利用互感耦合模型，在原副邊串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)湎?。根?jù)基爾霍夫定律有[21-24]：

(1)

(2)

式中：U為軌道的等效高頻電發(fā)射源；Lp、Ls分別為發(fā)射端電感和接收端電感；Ip、Ls分別為發(fā)射端電流和接收端電流；Rp、Rs分別為發(fā)射端和接收端的等效電阻；Cp、Cs分別為發(fā)射端諧振電容和接收端補(bǔ)償電容；M表示發(fā)射端與接收端間的互感；RL表示等效負(fù)載；j表示虛部單位；ω表示頻率。

因此，為有軌電車提供穩(wěn)定的電壓VL，可以表示為

(3)

研究表明，當(dāng)電路工作在諧振狀態(tài)下時(shí)，可以得到較高的系統(tǒng)效率。因此，在諧振條件下式(3)可簡化為

VL=jωMIp-RsIs

(4)

根據(jù)式(2)可得到：

(5)

系統(tǒng)能量傳輸效率定義為接收端的輸出功率與發(fā)射端對的輸入功率之比值，由此η可表示為

(6)

當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)下時(shí)：

(7)

系統(tǒng)輸出功率為

(8)

發(fā)射和接收間耦合M越大，電阻越小，效率越高。負(fù)載電阻RL存在最優(yōu)值，超過最優(yōu)值時(shí)，效率就會降低。在式(7)中，當(dāng)分母為最小時(shí)，效率為最大；當(dāng)分母為0時(shí)，最優(yōu)的RL-opt值為

(9)

2 仿真分析

通過數(shù)值分析軟件進(jìn)行系統(tǒng)特性仿真分析，通過分析傳輸距離、線圈匝數(shù)對系統(tǒng)效率的影響，研究該無線供電系統(tǒng)的輸出效率是否滿足超級電容有軌電車的供電需求，一般超級電容有軌電車的充電系統(tǒng)的充電電流為最大為DC 1850A，電壓的波動范圍為DC 500～900 V。

圖5為系統(tǒng)的建模，動態(tài)仿真需要模擬有軌電車動態(tài)運(yùn)行過程中耦合機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的互感波動，但是Simulink 中的互感元件不支持仿真中的參數(shù)變換，因此參考使用一種新的耦合參數(shù)模型。

圖6給出了系統(tǒng)效率與接收線圈距離之間的仿真值。由圖6可知，采用互感方式的電能傳輸結(jié)構(gòu)，在距離100 mm內(nèi)線圈間傳輸效率都高于90%，之后隨著距離進(jìn)一步加大系統(tǒng)傳輸效率衰減的較大。但考慮到超級電容有軌電車距離軌道的高度變化在100 mm內(nèi)，所以系統(tǒng)的傳輸距離可滿足超級電容有軌電車需要。

圖7給出傳輸效率與線圈距離、接收線圈匝數(shù)之間的關(guān)系，在系統(tǒng)傳輸保持距離一定時(shí)，接收線圈的匝數(shù)越多，系統(tǒng)的傳輸效率越高。當(dāng)匝數(shù)超過15匝之后，傳輸效率保持恒定?？紤]車體負(fù)荷，線圈匝數(shù)需要兼顧傳輸效率及車體載荷參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 無線供電系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Wireless power supply system model

圖6 距離與傳輸效率Fig.6 Distance and transmission efficiency

圖7 線圈參數(shù)與傳輸效率Fig.7 Coil parameters and transmission efficiency

針對超級電容有軌電車的互感無線傳能機(jī)構(gòu)，建立軌道電纜與接收線圈之間的3D仿真模型，利用有限元軟件進(jìn)行仿真分析。

如圖8所示為接收線圈與傳輸軌道間隙為100 mm時(shí)，磁場強(qiáng)度的矢量分布圖，展現(xiàn)了該結(jié)構(gòu)的磁路走向。由圖8可知，當(dāng)軌道電纜施加激勵時(shí)，產(chǎn)生的磁場一部分耦合到了接收線圈上，實(shí)現(xiàn)了電能的傳輸；另一部分泄露到空氣中形成了漏磁，且在軌道電纜與接收線圈之間的區(qū)域，磁場數(shù)值較大。

圖8 磁場強(qiáng)度矢量分布Fig.8 Vector distribution of maqnetic field strength

3 縮比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

受設(shè)備功率限制，實(shí)驗(yàn)平臺不具備進(jìn)行傳輸功率超過1 MV以上的無線傳能實(shí)驗(yàn)，采用縮比的實(shí)驗(yàn)方法去驗(yàn)證該模型可適用于超級電容有軌電車的供電需求。

圖9給出了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)物圖。整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由系統(tǒng)電源：為平臺提供實(shí)驗(yàn)所需的高頻交流電、軌道電纜：充當(dāng)發(fā)射線圈產(chǎn)生空間磁場、接收線圈：獲取發(fā)射端電能、負(fù)載：進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化，等部分組成。其中軌道電纜為類長橢圓形軌道，長度為1.6 m，寬度為0.18 m，接收線圈為圓形，共16匝由利磁線圈繞制而成，系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)頻率定為500 kHz，實(shí)驗(yàn)的測量儀器選擇由美國Agilent/安捷倫生產(chǎn)的DSOX2004A型示波器。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺Fig.9 Experimental platform

圖10給出了系統(tǒng)在諧振頻率工作時(shí)，接收端線圈在移動過程時(shí)繞組中電流和電壓的波形。系統(tǒng)工作狀態(tài)處于感性區(qū)域，可以很好地抑制電壓波形發(fā)生畸變，進(jìn)一步減少了電壓在開關(guān)器件切換時(shí)產(chǎn)生的尖峰。

1為開關(guān)管驅(qū)動波形；2為開關(guān)管波形；3為系統(tǒng)供電電壓；4為負(fù)載波形圖10 實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveform

圖11 效率實(shí)驗(yàn)Fig.11 System efficiency experiment

圖11給出了10次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)效率情況。進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，記錄下負(fù)載端的相應(yīng)參數(shù)，包括電流、電壓、輸入功率以及輸出功率。由圖11可知，隨著充電電壓的逐步增加，線圈間的效率保持在80%左右，與仿真數(shù)據(jù)存在10%的誤差，且該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

研究了一種針對超級電容有軌電車無線傳能裝置的原型設(shè)計(jì)，在超級電容有軌電車的無線供電中有著良好的應(yīng)用前景。

(1)初步研究結(jié)果表明：該無線傳能裝置的原型設(shè)計(jì)，在傳輸距離在0.1 m以內(nèi)、接收線圈16匝的情況下，線圈間具有80%左右的理想傳輸效率，可用于超級電容有軌電車的實(shí)際供電。用無線傳能技術(shù)與超級電容相結(jié)合的供電方式替代接觸軌進(jìn)行超級電容有軌電車的無接觸供電具備可行性。

(2)區(qū)別于傳統(tǒng)的接觸軌式供電方法，提出了一種針對超級電容有軌電車的無線傳能結(jié)構(gòu)模型，解決了以往第三軌供電方式中電刷磨損、斷軌產(chǎn)生電弧、摩擦發(fā)熱量大等問題。進(jìn)一步，未來可以研究激勵信號頻率、線圈半徑、線圈形狀等其他因素對該方法的影響。