CN102326311A - 用于在没有接触的情况下传送电能的系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于最小化传输区域附近的辐射磁场的无接触感应功率传送系统。该系统包括匝数为n₁的初级线圈(9)和匝数为n₂的次级线圈(10)。在操作时，在传送期间相同量的电流在所述初级线圈和所述次级线圈中循环，以及所述初级线圈(9)的匝数n₁乘以在所述初级线圈中循环的电流等于所述次级线圈(10)的匝数n₂乘以在所述次级线圈中循环的电流，在所述初级线圈和次级线圈中循环的电流是反相的，以便最小化由线圈产生的辐射磁场。本发明还涉及用于通过中间加载站(6)向移动车辆(14)供电的装置。

Description

用于在没有接触的情况下传送电能的系统和装置

本发明总体上涉及用于在没有接触的情况下通过感应传送电能的系统以及包括这样的传送系统的用于给配备电池的电动车辆加载(loading)的装置。更具体地，本发明涉及通过位于地上或地中的初级线圈与通常位于可移动车辆的下部分上的次级线圈之间的空气间隙的感应无接触电功率传输系统。虽然长久以来就已知在初级和次级电路之间没有接触和没有铁磁电路的感应耦合，但是在特定功率水平，例如适合于负载电池操作的公共或私有车辆的水平(10kW和500KW之间)下发生能量的传送时仍然存在未解决的问题。未解决的和特定的问题之一涉及由初级线圈和次级线圈之间的电磁耦合产生的磁场辐射。涉及无接触能量传送系统的现有技术文献没有一个解决了这个特定的问题。然而，除此以外，还存在欧洲的官方指令(directive)，其规定特别是对于在暴露环境中工作或站立的人所容许的辐射磁场的强度的最大值。这也适用于公共运输系统的用户，在该公共运输系统中车辆使用无接触传输的能量来供电。

因此，本发明的目的在于通过提供无接触能量传输系统和装置来解决这个问题，该无接触能量传输系统和装置实现了急剧减少围绕传输区域的磁场，同时在适合于操作公共或私有车辆的功率范围内保持传输效率＞95％。这个目标由具有权利要求1中记载的特征的无接触感应功率传输系统来实现。

通过阅读以下参照附图详细描述的优选实施方式，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中：

图1和图2是示出电能的无接触传输的示意图；

图3是用于计算由在线圈中循环的电流发射的辐射磁场和该电流的图形表示；

图4示出根据本发明的系统的电路；

图5示出根据本发明的系统的等效电路；

图6是示出对于恒定的频率，初级串联电容器C1s对功率因数

的影响的曲线；

图7是示出频率ff对功率因数

的影响的曲线；

图8是示出初级串联电容器C1s对传输功率Pu的影响的曲线；

图9是示出频率ff对传输功率Pu的影响的曲线；

图10是示出为了达到1的功率因数，频率ff对极限电压(limit tension)U_1lim的影响的曲线；

图11是示出为了达到1的功率因数，初级线圈的匝数n₁对极限电压U_1lim的影响的曲线；

图12是示出在从0.3m到2m的线圈的中间的两个线圈产生的相对总通量密度幅度(amplitude)的曲线；

图13是示出从对应于车辆中部的线圈的中间(xx＝1m)到车辆外部1m(xx＝3m)在地面高度(0.3m)处的两个线圈产生的相对总通量密度幅度的曲线；

图14是示出从线圈的中间(xx＝1m)到车辆外部1m(xx＝3m)、在距离地面2m高度处表示的两个线圈产生的相对总通量密度的曲线；

图15示意性示出具有无接触传送系统和加载站的装置的系统部件；以及

图16示出向无接触能量传送系统和车辆供电的加载站。

在图1和图2中示意性示出了无接触能量传送的原理，其中车辆的车轮1置在地面上。初级线圈2位于地中。然而应注意，初级线圈2也可平放在地面上。次级线圈3由车辆的下部(未示出)承载。这样的无接触能量传送系统基于在空气中或在磁导率为μ0的任何非导电材料中的两个同轴线圈2、3，其放置在相对短的距离(通常从0.1m到0.3m)处，并根据待传送的功率提供有从1到200kHz的高频电压。这两个线圈2、3在被供电时支持在周围产生磁场的电流。

磁场的确定是基于应用于线圈的两个导体的叠加原理。作为假设，将考虑在垂直于图3的平面的方向上的长线圈。该图可以确定在任何坐标点xx，yy处(在导体外部)由在n匝线圈中循环的电流i产生的磁场。由长线圈产生的坐标点(xx，yy)处的磁场根据以下关系来确定：

$H_1=\frac{\mathrm{ni}}{2\mathrm{\π}{r}_1}$ 其中 $r_1=\sqrt{{\mathrm{xx}}^2+{\mathrm{yy}}^2}$

该磁场可分解成2个分量——垂直和水平分量H_v1和H_h1，其中

$H_{v1}=\frac{\mathrm{ni}}{2\mathrm{\π}{r}_1}\cos \mathrm{\α}$ 以及 $H_{h1}=-\frac{\mathrm{ni}}{2\mathrm{\π}{r}_1}\sin \mathrm{\α}$

cosα＝xx/r₁     sinα＝yy/r₁

$H_{v1}=\frac{\mathrm{ni}}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{xx}}{{\mathrm{xx}}^2+{\mathrm{yy}}^2}$

$H_{h1}=\frac{-\mathrm{ni}}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{yy}}{{\mathrm{xx}}^2+{\mathrm{yy}}^2}$

类似地，由线圈的右部分产生的磁场是：

$H_{v2}=\frac{\mathrm{ni}}{2\mathrm{\π}}\frac{l-\mathrm{xx}}{{(l-\mathrm{xx})}^2+{\mathrm{yy}}^2}$

$H_{h2}=\frac{\mathrm{ni}}{2\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{yy}}{{(l-\mathrm{xx})}^2+{\mathrm{yy}}^2}$

在(xx，yy)处的磁场幅度由下式给出：

$H=\sqrt{{(H_{v1}+H_{v2})}^2+{(H_{h1}+H_{h2})}^2}$

以及相应的通量密度是：B＝μ₀H

这些表达式可应用于铜线圈之外的任何点。

使用2个线圈，叠加原理是可应用的。

伦兹定律将感应电流定义为产生与起因相反的场。这意味着在次级线圈中感应的瞬时电流大致在初级电流的相反方向上。因此，当这两个电流反相时且如果获得最小磁场，其中n₁是初级线圈的匝数，而n₂是次级线圈的匝数。

这些条件取决于线圈内部区域、匝数、所传送的功率、频率和电压，但也取决于电气方案。现在参照图4和图5，其中图4示出电路，而图5示出实现减小围绕传输区域的磁场的等效电路。附图的左侧代表给初级线圈9供电的交流电源4。U₁是在初级处的电压，而I₁是在初级线圈中循环的电流，Z₁表示初级电路的阻抗，而C1s是与该初级串联安装的电容器。在图5的右侧，次级的等效电路所示为具有表示次级的阻抗的Z₂和表示在次级中循环的电流的I2。串联电容器C2s也与次级电路串联安装。

作为示例，在初级线圈和次级线圈之间强加了频率、线圈面积、功率和距离，可以通过仔细地度量两个串联电容器C1s和C2s以及初级线圈中和次级线圈中的匝数来找到具有最小磁场的解决方案。

如前所述，为了获得最小辐射磁场，目的在于具有在初级线圈和次级线圈9、10中循环的且反相的相同量的电流，其中

这仅在初级电压、频率和初级线圈中的匝数以及所传送的功率之间的关系满足时才能实现。这一关系被确定为表示相等的负载次级电阻的值，实现恰好达到所需的功率；其使用以下定义给出如下：

f＝工作频率

n₁，n₂＝初级和次级线圈的匝数

L₁₂＝初级和次级之间的互感系数

Λ₁₂＝初级和次级之间的互磁导率

Pu＝次级处的有用功率

互感系数L₁₂＝n₁n₂Λ₁₂

允许在初级的电流i₁和在次级的电流i₂反相的极限初级电压U_1lim由以下等式给出：

$U_{1\lim }=\sqrt{\frac{2\mathrm{\πf}{L}_{12}{N}_1{P}_u}{2N_2}}=\sqrt{2\mathrm{\π}{\mathrm{fn}}_1^2{\mathrm{\Λ}}_{12}{P}_u}$

要满足的条件是向初级线圈供电的初级电压U₁低于或等于如上给出的U_1lim。

因此，考虑到待传送的功率由应用的类型确定并且工作频率通常由向初级线圈供电的源固定，可以确定匝数的值、分别在初级和次级处的两个串联电容器C1s和C2s的值、以及用于传送并满足上述要求的初级电压。应注意，可选的并联电容器可设置在初级处，但通常仅仅是可选的，因为从初级看到的功率因数

通常几乎等于1。然而，因为匝数显然仅能为整数，在消耗无功功率的情况下可在初级处使用并联电容器，以避免无功功率被源消耗。另一方面，在初级和次级处的两个串联电容器C1s和C2s是必不可少的，因为没有它们，就不能满足上面的条件。

还应注意，在没有正确地度量初级处的串联电容器C1s的情况下，将不能满足上述条件U₁＜U_1lim。在次级处的串联电容器C2s自动固定，因为其用于抵消在次级处的感应的无功分量，从而次级转换成等效电阻。然而，对于初级串联电容器C1s而言不是这样，因为它对仅仅谐振的系统是不够的，这明确地是本发明的中心所在，因为它可明显地表现为使用谐振系统。在初级和次级线圈中具有相同电流量和反相电流的条件不能在谐振条件下满足，因为应考虑从电源看到的作为整体的功率因数

用初级串联电容器C1s补偿初级处的感应是不够的，但互感也必须被补偿。如果初级电压U₁不低于如上定义的U_1lim，则这不能实现。

在初级处的最优串联电容器C1s还取决于在次级的匝数n₂以及在初级和次级处的漏抗。为了最小化成本，将尽量使初级和次级线圈中的匝数n₁和n₂保持最小。

图6到图11示出对特定概念参数的敏感性。图6示出对于恒定的频率，初级处的串联电容器C1s对功率因数的影响。

图7示出频率对功率因数的影响。图8示出初级串联电容器C1s对传输功率Pu的影响。

图9示出频率ff对传输功率Pu的影响。

图10示出为了达到1的功率因数，频率ff对极限电压U_1lim的影响，且最后图11示出为了达到1的功率因数，匝数n₁对极限电压U_1lim的影响。

为了说明上述条件(即，在初级和次级线圈中强加相同的电流量，且电流反相)并证实磁场辐射减少，使用以下参数建立原型(prototype)。

在图12，在从0.3m(地面)到2m(头部)的线圈的中间表示由两个线圈(初级和次级)产生的相对总通量密度幅度。其在垂直轴上作为被记录为地球峰值通量密度(50μT)的相对值给出。最大相对值在地面高度处是0.31(15.2)μT，而在2m处是0.06(3μT)。

在图13，在从对应于车辆中部的线圈的中间(xx＝1m)到车辆外部1m(xx＝3m)。在地面高度(0.3m)表示两个线圈所产生的相对总通量密度幅度，基准被记录到纵坐标上的地球峰值通量密度(50μT)。该曲线示出在仍然处于车辆之下的xx＝2.05m处的最大相对值是0.77，等效于38.5μT，而在对应于乘客的等待距离的xx＝2.6m处，该值是相应于13μT的.26。

在图14，从线圈的中间(xx＝1m)到车辆外部1m(xx＝3m)，在距离地面2m高度处表示两个线圈所产生的相对总通量密度，基准是相同的，峰值地球磁通量密度：50μT。在后面的情况下，在线圈的中间，通量密度的峰值是0.056(2.8μT)，而在对应于乘客的等待距离的2.6m处是.0046(2.3μT)。根据2004年4月29日的题为“THE EUROPEAN PARLIAMENT ANDOF THE COUNCIL”的涉及关于工人暴露于由物理因素(电磁场)产生的危险的最低健康和安全要求的欧洲官方指令2004/40/04，通量密度的极限值对于在65kHz和100kz之间的频率是大约20μT。这一值仅在仍处于车辆之下的大约yy＝0.3m和xx＝2.05的区域中被超过，因此容易使用常规装置，例如车辆地板上的薄打孔叠层结构来屏蔽，这实际上可抑制车辆本身中的任何场。问题在于车辆的侧向下部，由于相同的物理保护产生涡流损失，因此这些物理保护是成问题的。由于上述的功率传送系统，所以不再必须保护这些区域，因为在这些区域中辐射磁场保持在可接受的限度内。此外，应注意，避免了在车辆本身上或加载区域附近的侧向保护还减小了整个装置的成本。

根据本发明的另一方面，现在描述使用前述用于传送能量的系统的装置。将能量存储在电动车辆上的主要可能是化学电池和超级电容器。使用化学电池，从主电源通过整流器到车辆的传送时间通常很长(在小时的范围内)。然而超级电容器，相同时间可以非常短，在秒的范围内。

对于给定量的所传送的能量Wst，相应的平均功率Ptr等于：Ptr＝Wst/Ttr，其中Ttr是传送时间。

使用超级电容器，功率可以非常高。

作为具有大约1km的自主性(autonomy)的2吨车辆的示例，必需的能量在1MJ的范围内，且相应的功率在10s的传送时间内是100kW。

快速加载操作需要在主电源上具有相当大的功率峰值，这不是合乎需要的。下面的装置可以在通常连接到公共电网的主电源具有非常有限的功率幅度的情况下使这样的传送平稳。

为此，解决方案是在加载站处使用也基于超级电容器的中间储能设备超级电容器。该加载站使用来自主电源的恒定有限功率供电。作为示例，如果车辆每2分钟加载10秒，则从主电源去除的平均功率仅为8.33kW。

使用所公开的无接触功率传输系统不必将加载站连接车辆，因此实现非常短的时间对车辆重新加载。在例如公共运输系统的情况下，可在对应于公共汽车站的不同位置安装加载站。图15示意性示出实施这样的解决方案的系统部件。图15的左边示出连接到存储站6的主电源5，存储站6包括一组超级电容器7以及向地中或地上的固定线圈9供电的高频发生器8。该固定线圈对应于与前面公开的能量传送系统相关描述的初级线圈。该图的右边示出安装在车辆中的部件。车辆配备有用作连接到整流器11的次级线圈的线圈10，整流器11本身连接到安装在车辆中的一组或多组超级电容器12。现在参照图16，示出具有加载站6的整个装置的示例，加载站6包括用于控制整个过程的功率电子部件13、用于暂时存储能量的一组超级电容器7和至初级线圈9的连接。车辆14也配备有用于驱动该过程并至少在一组超级电容器12上的必要的功率电子部件4。次级线圈10位于车辆14的地板之下。优选地，车辆的推进使用车轮马达来实现。如前面所公开的，由于在加载区域中的能量传送系统，辐射磁场保持最小。还应注意，初级线圈9仅在车辆的超级电容器的加载期间被供电。

相同的原理也可应用于具有快速加载可能性的电池加载。由于这样的装置，可显著减小主电源的功率峰值，同时保持短的加载时间。

Claims (7)

1.一种无接触感应功率传送系统，用于最小化两个同轴线圈(9、10)的传输区域附近的辐射磁场，所述两个同轴线圈(9、10)包括匝数为n₁的初级线圈(9)和匝数为n₂的次级线圈(10)，所述无接触感应功率传送系统的特征在于：在传送期间，相同量的电流在所述初级线圈和所述次级线圈中循环，并且所述初级线圈(9)的匝数n₁乘以在所述初级线圈中循环的电流等于所述次级线圈(10)的匝数n₂乘以在所述次级线圈中循环的电流，在所述初级线圈和次级线圈中循环的电流是反相的。

2.根据权利要求1所述的无接触感应功率传送系统，其特征在于，包括连接至所述初级线圈(9)和所述次级线圈(10)的用于修改所述初级线圈和所述次级线圈之间的互感系数的装置。

3.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，用于改变所述初级线圈和所述次级线圈之间的互感系数的所述装置包括连接至所述初级线圈的串联电容器C1s和连接至所述次级线圈的串联电容器C2s。

4.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，向所述初级线圈(9)供电的初级电压U₁低于由以下公式

给出的值U_1lim，其中

n₁＝所述初级线圈的匝数

Λ₁₂＝所述初级和所述次级之间的互磁导率

f＝频率

Pu＝所述次级处的有用功率

5.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，所述初级线圈(9)安装在地上或地中，而所述次级线圈(10)位于车辆之下。

6.根据前述权利要求中的一项所述的系统，其特征在于，其用于以包括在1和200kHz之间的频率传送10kW到500kW的范围内的有用功率。

7.一种用于利用根据前述权利要求中的一项所述的功率传送系统向电动车辆(14)供电的装置，其特征在于，还包括中间加载站(6)，所述中间加载站(6)具有一组超级电容器(7)以及用于向位于地上或地中的初级线圈(9)供电的高频发生器(8)，并且其特征在于，所述次级线圈(10)位于所述车辆(14)的地板之下，所述车辆(14)也包括至少一组超级电容器(12)。

Images