图10 江苏同里“三合一”电子公路
哈尔滨工业大学针对分段导轨式的动态无线供电系统研究,提出基于多发射绕组并联的供电方式及相应的导轨控制策略 。针对三相电动汽车动态无线供电系统展开研究,并搭建实验系统实现了接收端移动过程中稳定功率输出 。
2018年哈工大与中国电力科学研究院联合建设完成一条电动大巴移动式无线充电实验路段,如图11a所示 。路段共长180m,包含直道、弯道、上坡和静态充电位以模拟不同应用场合 。单个接收模块功率达到23kW,无线传输距离为21cm 。2019年哈工大与宇通公司开始联合建设电动大巴动态无线供电系统,如图11b所示 。功率等级80kW,供电路段长100m,于2020年底完成 。
图11 哈工大参与建设的电动大巴动态无线供电系统
西南交通大学针对用于轨道交通的动态无线供电系统进行了大量研究 。研制了非接触牵引供电轨道车实验平台,实现了12cm传输距离下100kW功率等级的能量传输 。在2018年和2019年,分别提出了两种高输出稳定性的三相动态无线供电系统 。天津工业大学设计了高铁无线供电系统演示模型,对耦合机构和效率分析展开系列研究 。东南大学、中科院电工所等机构也分别搭建了动态无线供电系统原理样机或演示系统进行研究 。
2 磁耦合机构的分类及特点
2.1 分类方式及特点
动态磁耦合机构一般可以根据其发射端和接收端延长度方向(车辆行进方向)的尺寸关系被分为长轨道型(Long Track)结构和阵列型(Short-individual Transmitter)结构 。其中,长轨道型磁耦合机构的发射端线圈长度大于接收端线圈,车辆行驶在发射端上方时可以持续供电,无需频繁地切换控制 。这种结构电路组成少,配电网络和控制简单 。
但由于开启的发射端较长导致损耗增加,效率下降 。阵列型磁耦合机构的发射端由一系列线圈组成,单个线圈长度与接收端线圈接近 。发射端线圈分别独立供电,只有当接收端位于其正上方时开启工作 。因此具有高效率和漏磁场范围小的优点 。但同时会导致成本增加,位置检测和切换控制的复杂性增加 。
该分类方式未考虑发射端线圈的磁场特性,不能充分反映磁耦合机构的传输特性 。而静态无线充电系统中磁耦合机构通常根据磁场特性进行区分,可以为动态系统结构分类提供参考:静态无线充电系统中磁耦合机构根据发射端线圈产生磁场特征分为单极型线圈(Unipolar Coil,或称为非极化线圈,Non-Polarized Pad)与双极型线圈(Bipolar Pad,或称为极化线圈,Polarized Pad),如图12所示 。
图12 静态无线充电系统中磁耦合机构分类与磁通形式
单极型的发射端线圈表面只有一个磁极方向,产生垂直线圈平面方向的磁通分量,如图12a所示 。该类型的线圈结构通常较为简单,如圆形和矩形线圈 。圆形线圈及其产生磁通形式如图12b所示 。但由于主磁通磁路的部分路径在线圈外侧,存在耦合较弱,对周围漏磁场较大的问题 。
双极型的发射端线圈表面产生两个磁极方向,产生平行和垂直线圈平面方向的磁通分量,如图12c所示 。该类型线圈结构通常更为复杂,如Double-D线圈(DDP)、Bipolar线圈(BPP)和磁通管结构线圈(Flux Pipe, FP) 。其中DD线圈及其产生的磁通形式如图12d所示 。与单极型相比,这种结构增强了发射端与接收端线圈的耦合,减弱了线圈周围的漏磁场 。
参考静态系统中的分类,动态系统根据发射端线圈产生磁场的方向特性也可以分为单极型轨道和双极型轨道 。单极型轨道在发射端线圈表面只产生一个磁极方向 。双极型轨道在发射端线圈表面产生两个磁极方向,其中平行于发射端线圈所在平面的磁通分量的方向与发射端的布置方式相关,与车辆行进方向相同时称为纵向布置,与车辆行进方向垂直时称为横向布置 。
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