高频信号采集传输方案在无线供电技术中的应用

张 欣 李连鹤 杨庆新 张 献 苏 杭

（天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室 天津 300387）

0 引言

《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中指出交通运输作为国家重点发展方向，高速轨道作为首要的运输载体。国务院批准实施《中长期铁路网规划》方案，使我国高速铁路在较短时间内取得了迅猛发展。2012 年，国务院通过了《“十二五”综合交通运输体系规划》，其中指出中国要在2015 年建成“四横四纵”的高铁运输网络，3 个城际快速客运高铁系统，建设周边的延伸线、辅助线和联络线。预计2015 年中国将具有接近2 万km 的高铁总里程。我国的高速铁路系统以崭新的面貌，与日本新干线N70 系与E5 系、法国TGV 和德国ICE 系一起成为世界高速铁路技术的典型代表。国内以及国外的高速铁路在建设中和运营中的经验表明了高速铁路具有五大特点:高稳定性、高可靠性、高安全性、高平顺性、高精确度。处理好受电弓与接触网之间的关系，解决高速下列车稳定受流，是保证“五高特点”能够实现的必要途径。高铁列车在高速运行状态下，摩擦、离线、振动、打弧和自然环境等都会给弓网关系带来问题。这些问题的存在是制约高铁列车迅速发展的瓶颈[1]。为解决这些问题，本文提出利用无线电能传输技术向高铁列车提供稳定、可靠的电能。

当前全球的自然环境不断恶化，不可再生资源不断衰减，电动车被视为绿色的交通工具越来越受到公众的关注。目前，电动车一般采用传统的电线来进行充电，这种充电方式有很多问题:为了减少充电时间，其充电电流大，使得充电的接插件十分的大而使用起来很不轻便，对电动车的美观性造成一定的影响；电动车停车充电时需将充电器上的充电插头连接到电动车的充电接口，使得充电过程繁琐和耗时费力；电动车充电插座和电缆充电插头之间必然存在机械摩擦，会导致接触不良，影响了充电效果甚至可能产生电火花，带来严重的后果；电缆老化、雨雪天气充电结束后忘记拔下充电插头以及不小心扯断充电电缆等情况下，容易引起漏电，引发安全事故。此外，电动车电池组体积庞大，续航时间短，里程短，充电所需时间长，耗电时间快等问题对电动车也有一定的制约。基于磁场耦合谐振原理的电动车在线式无线供电技术利用磁耦合谐振式无线供电技术，电能的发送线圈埋在路面下，电能的接收线圈置于车身底部，能量从路面下传递到车身。省去了笨重的充电电缆，可以少用或不用车载储能电池，延长续航里程，提高了电动车的美观性、便捷性与安全性[2,3]。

1 在线式无线传能系统需要解决的问题

以John T.Boys 教授为首的新西兰奥克兰大学研究团队在理论方面，深入研究了无线电能传输的基本原理、系统频率分析、多种补偿电路系统特性分析和系统稳定性等方面。在应用方面生产了单轨电车、有轨电车等轨道交通的感应充电系统，以及电动汽车感应耦合充电装置[4-6]。文献[7]通过有限差分法分析验证了当线圈距离为1.98m 时，电能传输效率依然可以达到97%，并设想在高速公路上铺设发射线圈，从而能够实现电动汽车无线供电行驶。文献[8]中针对感应耦合无线能量传输（Inductively Coupled Power Transmission，ICPT）主要研究无线充电在电动汽车应用中的谐振结构。文献[9]讨论了适用于电动汽车无线充电的ICPT 系统的最优化设计方法和步骤。国内也展开了对电动车无线充电技术的研究，主要是基于磁共振耦合模式，提出了共振条件下频率稳定性控制策略及能量接收装置的设计方法，并对无线供电技术的发展历史及现状进行了总结分析[10,11]。

1.1 高速列车在线无线供电系统

以无线供电的方式给高速列车提供电能允许存在数十厘米的工作间隙，因此提高了绝缘强度，从而避免了弓网电弧频繁出现的问题。在覆冰、大风等恶劣天气下，依然能够稳定、可靠供电；当整个系统出现振动或位移时，高铁列车获得的功率并不会发生剧烈变化，从而显著提高受流质量。如果该设想获得成功，将是高铁供电方法的革命性突破，对高铁发展具有里程碑意义。

本文提出将磁场耦合谐振式无线供电技术应用于高速列车，并搭建了实物动态模型，图1 为高速列车无线供电模型。

图1 高速列车无线供电模型Fig.1 Physical diagram of wireless power transmission technology in high speed train system

为了分析运动体高速切割磁力线时的受力与系统损耗，模拟无线供电系统高速运行时的各相关物理量的实际数据，需要建立该系统的多物理场耦合模型并进行求解。非对称电能耦合机构不但要保证电磁场空间耦合性能，而且要满足电路控制方程的需要。同时，高速高铁列车无线供电与转换问题涉及电磁场、空气流体场、机械振动场、温度场等多个物理场的相互作用。综合考虑上述各物理场的相互作用关系，确定最优的非对称电能耦合机构，以减少受电体在高速移动时的功率波动及负载变化时对供电体的反馈变化。当受电体快速沿供电体进行直线运动时，不仅通过感生磁场产生感生电动势获得电能，还将受到高速切割磁力线而带来的动生电动势的影响。一方面，两种电势同时存在并共同作用于非对称耦合结构，将对系统产生电磁应力的作用。另一方面，交变磁场将在磁屏蔽材料上产生涡流并导致损耗。如何准确计算电磁应力作用及涡流损耗大小是另一个研究重点。根据电磁感应定律，穿过回路的磁通量发生改变，回路中就会有感应电动势产生。这里磁通量发生有两种情况:①电路回路在磁场中没有相对磁场的运动，可是磁场空间分布随时间变化，这种情况下的感应电动势称为感生电动势；②电路回路相对于磁场有运动，这种情况下的感应电动势称为动生电动势。在高速运动状态下，接收端将受到两者共同的作用，前者的存在实现了电能的无线传输，同时在磁屏蔽结构上感生涡流并产生损耗；后者的存在导致接收端将受到一定的洛伦兹力的作用。针对不同工作频率及相对运动速度对系统稳态和瞬态过程进行求解分析，定量计算两部分电势对系统产生的损耗及受力影响是需要研究的重点问题。

1.2 电动车在线无线供电系统

本文基于磁场耦合谐振原理搭建了电动车在线无线供电平台如图2 所示。电能的发送线圈埋在路面下，电能的接收线圈置于电动车车身底部。能量从路面下传递到车身，之后经过整流滤波功率变化将能量作用在电动机上。

图2 在线式无线供电电动车模型Fig.2 On-line wireless power supply electric vehicle model

在线式的无线供电电动车负载大小具有明显的动态性与不确定性，接收线圈与发射线圈相对位置的随机性而引起的电磁耦合参数的变化十分严重，怎样提升无线供电系统适应这些参数变化情况的能力，以确保电动车接收电能的稳定性，同样是需要研究和解决的重要问题。当前对在线式无线供电电动车的研究还停留在静态充电技术部分，并且已经取得了一些研究成果[12-14]。然而对动态的在线无线供电技术的研究还很少，且大部分着眼于此技术的可行性分析、对应用前景的设想、理论系统的开发、在线式电磁耦合机构的设计与电磁屏蔽技术的应用等方面[2,15,16]。

2 在线供电系统的信号采集方案

基于以上在线式无线供电系统的分析，在线式无线供电系统传能结构分为两种，一种是能量发送线圈沿轨道悬空架设于车身之上，接收线圈在车身顶部，能量从上往下传递，如图3a 所示；另一种是电能的发送线圈埋在路面下，电能的接收线圈置于车身底部。能量从路面下传递到车身，如图3b 所示。

图3 在线式无线供电系统结构示意图Fig.3 On-line wireless power supply system structure

为了推动无线供电高铁技术与无线供电电动车的发展急需一种检测物理动态的无线传能系统的功率信号采集方案，这种检测物理动态的受电体方案需满足以下3 点:①能够检测高频信号；②具有无线信号传输功能否则无法检测动态的物体，例如普通的示波器；③采集装置尺寸应尽量小，以便降低对受电体的影响。现提出一种采用高速A-D 转换器和嵌入FPGA 架构的ARM 为控制器的高频信号采集系统方案，FPGA 实现对外接A-D 转换器的FIFO管理控制和数据缓存。此方案可采集MHz 以上数量级高频信号，可对无线供电过程的电压、电流信号进行实时观测。此外开发了上位机监控平台，实现实时数据远程通信，满足了对动态下无线供电系统二次侧的信号实时动态检测。同时可对一次侧与二次侧的无线供电系统的全程状态信息进行对比分析与存储及其任意的调用。上位机显示平台如图4 所示。也可以说此方案是一个带信号远程无线传输功能的微型示波器，只是这种示波器由3 部分组成:①下位机检测；②上位机界面；③实现数据远程传输的无线通信协议。

图4 高频采集方案上位机显示界面Fig.4 PC display high frequency collection

3 测试与分析

基于在线式无线供电系统接收线圈的信号检测困难等问题，提出一种以高性能FPGA 嵌入ARM架构的高频信号采集系统方案。应用此方案对课题组的无线供电电动车进行测试，在合理使用屏蔽的基础上，对电动车上接收线圈端进行了信号采集。测试过程系统框图如图5 所示。测试目录及数据见表1。

图5 在线式无线供电电动车信号采集框图Fig.5 On-line wireless power supply electric diagram of the signal acquisition

测试结果表明，系统通信正常，波形显示清晰、稳定，参数测量准确度高，完全达到采集在线式无线供电系统高频功率信号的设计要求。图6 为某一时刻的发送端与接收端的波形对比结果。

表1 在线无线供电电动车实测数据Tab.1 On-line wireless power supply electric vehicle measured data

图6 在线式无线供电电动车发送端与接收端信号采集图Fig.6 The sender and the receiver signal acquisition of on-line wireless power transmission

经过测试与计算，此系统工作频率为115.5kHz,一次侧有功功率为63.4W，效率为34.9%。此在线式无线供电系统存在传能效率低和电压电流之间的相位角过大等问题。后续可以通过改变线圈结构，利用多线圈分时供电等方法提高接收端的能量利用率，尽量降低磁场能量的丢失。提高屏蔽技术和磁场利用率。对供电部分进行进一步研发，利用软开关频率跟踪技术进行研究探索，以便提高无线供电的传能效率。

4 结论

针对在线式无线供电系统二次侧信号难以检测的问题提出一种信号采集方案。满足了动态下无线供电系统接收端的信号检测、存储以及任意调用的需求，验证了无线信号可以不受功率信号的干扰。对在线式无线供电系统的进一步发展起到至关重要的作用。

对于无线供电技术在电动车及高速列车上的应用，从实验室到可能的实际应用，存在以下问题:

1）在保证供、受电线圈所需空间安全距离以及受电体所需电能的前提下，需要确定供电频率低、传输效率高的线圈组合结构。

2）在受电体以高速切割磁力线状态下，需要对影响因素进行分析，建立多物理场耦合模型，分析高速运动产生的电磁力以及移动负载带来的阻抗变化，计算系统损耗与受力。

3）需要采用高导磁屏蔽材料的结构将能量交换约束于有限区域。纵然如此，无线供电技术依然有应用的可能性，还需接下来的深入研究，将在线式无线供电设备早日应用于生产生活中。

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