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(xiàn) 蘇 杭

（天津工業(yè)大學(xué)天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

0 引言

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中指出交通運(yùn)輸作為國家重點(diǎn)發(fā)展方向，高速軌道作為首要的運(yùn)輸載體。國務(wù)院批準(zhǔn)實(shí)施《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》方案，使我國高速鐵路在較短時(shí)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(yùn)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(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，3 個(gè)城際快速客運(yùn)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(jì)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(yùn)營中的經(jīng)驗(yàn)表明了高速鐵路具有五大特點(diǎn):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(diǎn)”能夠?qū)崿F(xiàn)的必要途徑。高鐵列車在高速運(yùn)行狀態(tài)下，摩擦、離線、振動(dòng)、打弧和自然環(huán)境等都會(huì)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(dāng)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(dòng)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(dòng)車一般采用傳統(tǒng)的電線來進(jìn)行充電，這種充電方式有很多問題:為了減少充電時(shí)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(dòng)車的美觀性造成一定的影響；電動(dòng)車停車充電時(shí)需將充電器上的充電插頭連接到電動(dòng)車的充電接口，使得充電過程繁瑣和耗時(shí)費(fèi)力；電動(dòng)車充電插座和電纜充電插頭之間必然存在機(jī)械摩擦，會(huì)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(yán)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(dòng)車電池組體積龐大，續(xù)航時(shí)間短，里程短，充電所需時(shí)間長，耗電時(shí)間快等問題對電動(dòng)車也有一定的制約。基于磁場耦合諧振原理的電動(dòng)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(chǔ)能電池，延長續(xù)航里程，提高了電動(dòng)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(xué)研究團(tuán)隊(duì)在理論方面，深入研究了無線電能傳輸?shù)幕驹怼⑾到y(tǒng)頻率分析、多種補(bǔ)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(dòng)汽車感應(yīng)耦合充電裝置[4-6]。文獻(xiàn)[7]通過有限差分法分析驗(yàn)證了當(dāng)線圈距離為1.98m 時(shí)，電能傳輸效率依然可以達(dá)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(dòng)汽車無線供電行駛。文獻(xiàn)[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(dòng)汽車應(yīng)用中的諧振結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[9]討論了適用于電動(dòng)汽車無線充電的ICPT 系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和步驟。國內(nèi)也展開了對電動(dòng)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(jì)方法，并對無線供電技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀進(jìn)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(qiáng)度，從而避免了弓網(wǎng)電弧頻繁出現(xiàn)的問題。在覆冰、大風(fēng)等惡劣天氣下，依然能夠穩(wěn)定、可靠供電；當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)或位移時(shí)，高鐵列車獲得的功率并不會(huì)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(shí)物動(dòng)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(yùn)動(dòng)體高速切割磁力線時(shí)的受力與系統(tǒng)損耗，模擬無線供電系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)的各相關(guān)物理量的實(shí)際數(shù)據(jù)，需要建立該系統(tǒng)的多物理場耦合模型并進(jìn)行求解。非對稱電能耦合機(jī)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(shí)，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(jī)械振動(dòng)場、溫度場等多個(gè)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(jī)構(gòu)，以減少受電體在高速移動(dòng)時(shí)的功率波動(dòng)及負(fù)載變化時(shí)對供電體的反饋?zhàn)兓．?dāng)受電體快速沿供電體進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅通過感生磁場產(chǎn)生感生電動(dòng)勢獲得電能，還將受到高速切割磁力線而帶來的動(dòng)生電動(dòng)勢的影響。一方面，兩種電勢同時(shí)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(zhǔn)確計(jì)算電磁應(yīng)力作用及渦流損耗大小是另一個(gè)研究重點(diǎn)。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(huì)有感應(yīng)電動(dòng)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(yùn)動(dòng)，可是磁場空間分布隨時(shí)間變化，這種情況下的感應(yīng)電動(dòng)勢稱為感生電動(dòng)勢；②電路回路相對于磁場有運(yùn)動(dòng)，這種情況下的感應(yīng)電動(dòng)勢稱為動(dòng)生電動(dòng)勢。在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，接收端將受到兩者共同的作用，前者的存在實(shí)現(xiàn)了電能的無線傳輸，同時(shí)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(yùn)動(dòng)速度對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程進(jìn)行求解分析，定量計(jì)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(diǎn)問題。

1.2 電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)上。

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

在線式的無線供電電動(dòng)車負(fù)載大小具有明顯的動(dòng)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(jī)性而引起的電磁耦合參數(shù)的變化十分嚴(yán)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(dòng)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(dāng)前對在線式無線供電電動(dòng)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(dòng)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(dòng)無線供電高鐵技術(shù)與無線供電電動(dòng)車的發(fā)展急需一種檢測物理動(dòng)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(dòng)態(tài)的受電體方案需滿足以下3 點(diǎn):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(dòng)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。現(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(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。此外開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信，滿足了對動(dòng)態(tài)下無線供電系統(tǒng)二次側(cè)的信號實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測。同時(shí)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(jìn)行對比分析與存儲(chǔ)及其任意的調(diào)用。上位機(jī)顯示平臺如圖4 所示。也可以說此方案是一個(gè)帶信號遠(yuǎn)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(jī)檢測；②上位機(jī)界面；③實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)臒o線通信協(xié)議。

圖4 高頻采集方案上位機(jī)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(dòng)車進(jìn)行測試，在合理使用屏蔽的基礎(chǔ)上，對電動(dòng)車上接收線圈端進(jìn)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(dòng)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(zhǔn)確度高，完全達(dá)到采集在線式無線供電系統(tǒng)高頻功率信號的設(shè)計(jì)要求。圖6 為某一時(shí)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(dòng)車實(shí)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(dòng)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(jì)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(shí)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(jìn)行進(jìn)一步研發(fā)，利用軟開關(guān)頻率跟蹤技術(shù)進(jìn)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(dòng)態(tài)下無線供電系統(tǒng)接收端的信號檢測、存儲(chǔ)以及任意調(diào)用的需求，驗(yàn)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(jìn)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(dòng)車及高速列車上的應(yīng)用，從實(shí)驗(yàn)室到可能的實(shí)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(jìn)行分析，建立多物理場耦合模型，分析高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電磁力以及移動(dòng)負(fù)載帶來的阻抗變化，計(jì)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。縱然如此，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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