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1 07 年 9 月电工技术学报 Vol.3 No. 8 第 3 卷第 8 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 07 DOI: /j.cnki tces 无线供电高铁列车非对称耦合机构 苑朝阳 张献 杨庆新 李阳 章鹏程 (. 天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津 河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津 30030) 摘要基于高铁列车动态负载的动态耦合基础问题, 提出一种发射端为单矩形线圈, 接收端为多方形线圈级联的非对称耦合机构 首先通过互感原理得到系统传输特性方程, 分析不同耦合程度下的电能传输可行性 同时, 建立电磁场路耦合仿真模型, 获得高铁系统实际工况下的空间磁场分布特性 为克服高铁列车运行过程中的振动影响, 提高系统的能量传输稳定性和传输效率, 提出集磁环结构对耦合机构进行优化, 通过仿真分析并且搭建实验平台进行实验验证 结果表明集磁环结构能够有效收聚磁场, 且系统在 5cm 传输距离下获得 9.4% 的传输效率 在接收线圈动态移动过程中, 集磁环结构能够有效提高高铁列车的无线供电稳定性和工作效率, 证明了高铁列车无线供电的可行性 关键词 : 无线电能传输高铁列车非对称耦合集磁环中图分类号 :TM7 Asymmetric Coupling Mechanism of Wireless Power Transmission System for High-Speed Train Yuan Zhaoyang Zhang Xian Yang Qingxin Li Yang Zhang Pengcheng (. Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic University Tianjin China. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin China) Abstract Based on the dynamic coupling system of high-speed train, an asymmetric coupling system with single rectangular transmitting coil and multi-square receiving coils in series is proposed in this paper. The transmission performance of system is obtained by mutual theory, and the feasibility of power transmission is analyzed under different coupling coefficients. By the field-circuit coupled simulation, the magnetic distribution character of high-speed train system is concluded. In order to overcome the vibration influence and improve the stability of power transmission stability and system transmission efficiency, the ferromagnetic collector circles are used to optimize the receiving coils. The simulation and experiment have verified the optimized system. The results show that the ferromagnetic collector circles could gather the magnetic around the coils, and the system transmission efficiency is 9.4% under 5cm air gap. The stability of power supply and transmission efficiency are improved when there is an offset, and the feasibility of wireless power supply for high-speed train is verified. Keywords:Wireless power transmission, high-speed train, asymmetric coupling mechanism, ferromagnetic concentrator ring 国家自然科学基金 ( ), 天津市科技支撑计划重点项目 (5ZCZDGX00980), 天津市自然科学基金青年项目 (5JCQNJC0900) 和国家电网公司科技项目 (DG ) 资助 收稿日期 改稿日期

2 第 3 卷第 8 期苑朝阳等无线供电高铁列车非对称耦合机构 9 0 引言高铁列车由于自身不具备能源驱动, 只能从外部供电网获取电能, 因此供电系统是整个高铁运行系统中至关重要的部分 传统的高铁供电方式是依靠列车顶部的受电弓与架空线路滑动接触来获取动力, 这种供电方式很容易受到外界环境的影响 在大风 沙尘天气, 弓网系统易发生振动 离线, 进而产生电弧问题, 影响列车安全运行 在高寒覆冰等恶劣天气下, 还会引发受电弓刮弓 脱弓等事故 此外, 弓网系统产生的高频噪声还对周围环境产生影响, 同时其摩擦磨损严重降低了其使用寿命 随着高铁列车不断提速, 滑动接触供电的缺点不仅严重增加了后期的维护成本, 而且给高铁列车的高速 安全 稳定运行带来挑战, 严重制约其发展 无线电能传输 (Wireless Power Transfer, WPT) 技术作为一种新型的电能传输方式 [-5], 尤其是动态无线电能传输技术 [6-8], 将此技术应用于高铁列车供电系统, 实现高铁列车无线供电 [9,0], 有效解决了摩擦磨损 电弧 覆冰的影响 ; 在大风天气, 传能线圈虽然会出现振动, 但相对位置的微小改变不会带来效率的下降或电能质量的剧烈波动 [8] 从高铁列车的长久运行来看, 高铁列车无线供电大大节约了成本, 是实现高铁列车的高速 安全 稳定运行的一种有效可行的方案 对于高铁列车动态无线供电, 德国 Conductix Wampfler 公司研发的 50kW 载人电动火车已经试验成功 [] ; 韩国铁道技术研究院在 50m 实验线路上对其研发的 HEMU(High-speed Electric Multiple Unit) 进行测试并且试验成功 [] 文献[3] 采用车厢底部放置接收线圈, 轨道上直接铺设发射线圈的非对称耦合机构作为高速列车的无线传能装置, 在 5mm 的传输距离下获得了 8.7% 的传输效率 文献 [4] 将 8 字形耦合机构装设在导轨与列车底盘, 列车运行过程中获得了稳定的传输功率 在以上研究中, 无线传能结构均基于列车底部进行设计, 由于列车底部与导轨间隙有限, 并且列车底部结构复杂, 导轨宽度一定, 会对无线传能装置的大小造成影响, 从而限制传输功率和效率 同时, 还需要对现有的高铁列车轨道进行改造, 所需要的改造成本巨大 其次, 列车运行过程中, 由于轮轨相互作用和轨道不平顺带来的阻力作用 [5], 地面及车体会产生明显振动, 影响无线传能装置的牢固性, 还会增大能量传输过程中接收端能量的波动, 从而对系统安全运行带来隐患 另一方面, 安装在列车底部的无线能量传输耦合装置产生的高频磁场还会增加钢轨的涡流损耗, 同时高频电磁力还会引起钢轨形变, 影响列车的安全运行 本文提出一种非对称方式的高铁列车磁耦合无线电能传输系统 耦合系统采用在列车顶部铺设的方式, 不需对原有导轨进行改造, 并且不受列车振动的影响 在建立高铁列车非对称耦合系统电路拓扑结构的基础上, 推导系统的传输效率与负载功率的表达式 并搭建高铁列车非对称耦合系统仿真模型, 分析非对称耦合系统的空间磁场分布以及系统传输效率 为进一步提高系统的传输效率 降低磁能耗散, 在此基础上提出优化方案, 并搭建实验平台进行验证, 采用集磁环结构可以有效提高系统的耦合程度和抗偏移能力, 并且在 5cm 的传输距离下获得了最大 9.4% 的传输效率 谐振耦合方式下高铁列车无线供电系统列车运行过程中轮轨之间的摩擦振动影响, 且车体具有减振措施, 因此, 本文耦合机构设计为在列车顶部铺设的方式 图 所示为高铁列车非对称无线传能耦合机构示意图 其中, 发射线圈为多匝矩形线圈, 架设在列车上方 ; 接收线圈安装在列车每节车厢的顶部, 设计为多个相同结构 与发射线圈等宽的多匝矩形线圈相串联的形式, 以减小传能区域内的漏磁, 增大传能线圈间的耦合程度 耦合机构采用分段开断模式, 实现两端线圈的一对一导通 当控制开关上的传感器检测到列车顶部的接收线圈处于发射线圈的电磁耦合范围内时, 使对应发射线圈导通并断开上一级线圈的供电回路, 保证每次只有一个发射线圈处于通电状态 图 高铁列车非对称耦合无线传能系统示意图 Fig. System diagram of asymmetric coupling wireless power transmission system of high-speed trains

3 0 电工技术学报 07 年 9 月 本文对高铁列车系统进行电路等效处理, 建立有损耗 RLC 谐振耦合等效电路, 如图 所示 设线圈之间的互感为 M i (i=,, 3, 4, 5),R S 为电源的内阻,L R 为发射线圈的电感和内阻抗,L i R 为接收线圈的电感和内阻抗,R L 为负载电阻, 电源 u S =U S e jωt, 系统工作角频率为 ω 图 非对称耦合系统有损耗 RLC 等效电路 Fig. Lossy RLC equivalent circuit of asymmetric coupling system 忽略同一水平面上相邻线圈间的互感 [5,6], 此系统的电路模型为 di di ( RS + R) i+ L M + uc = us dt dt () di di ( R + RL) i + L M + uc = 0 dt dt 式中,M 为互感,M=M +M +M 3 +M 4 +M 5 ;L 为接收线圈电感 L =L +L +L 3 +L 4 +L 5, 且 L =L =L 3 = L 4 =L 5 令 i = d/d i t, u = d u/dt, 由式 () 可得 i i i i = A + B u S () u u C C u C u C 式中, 系数矩阵为 L( RS + R) M( R + RL) L M M LL M LL M LL M LL M( RS + R) L( R + RL) M L M LL M LL M LL M LL A = C C L M B = 0 0 M LL M LL T 基于以上分析, 在零初始条件下有 i (0)=I 0, i (0)=0, 由式 () 可以求得系统在谐振状态时的时 域电流 i i 的解为 + j t Q Q ω Q Q i() t = I0 cos( Ωt) + sin( Ωt) e + 4QQ Ω U S ( ) ( R + R ) + QQ k e jωt S + j ωt ωk Q Q i() t = j I0sin( Ωt)e + Ω QQ ku j ( R+ RS)( R + RL) + QQ k 其中 S jωt ( ) ω 4 QQk ( Q Q) Ω = QQ M k = LL ωl Q = R+ RS ωl Q = R + RL e (3) 式中,k 为耦合系数 ;Q Q 分别为发射线圈 接 收线圈的有载品质因数 当列车稳定运行时, 可进一步得到系统近似负 载功率 P L 能量传输效率 η 分别为 USRL kqq L = IRL = ( RS + R)( R + RL) (+ kqq ) P η = Re( = ) + I RL RL k QQ * UI R + RL k QQ (4) (5) 由式 (4) 和式 (5) 可知, 对于非对称耦合无 线电能传输系统, 其传输效率及负载功率主要受耦合系数 k 的影响 适当增大 k, 可提高负载获得的功率及系统的传输效率, 在合适的参数条件下可以获得维持高铁列车系统运行的功率等级与效率水平 高铁列车非对称耦合机构仿真 高铁列车在高速运行时, 时速 V m 最高可以达到 00~500km/h 若系统谐振频率为 f =60kHz, 电磁波速度 c =3 0 8 m/s, 可得到该无线电能传输系统的电磁波波长为 λ = c f =5 000m 由 l= V m f 可知, 在

4 第 3 卷第 8 期苑朝阳等无线供电高铁列车非对称耦合机构 电磁波的一个周期内, 高铁列车所走路程为 ~ m, 即 l<<λ, 由此可知高铁列车在高速运行时, 由运动所产生的影响可以忽略不计 [7] 因此对系统进行多场耦合仿真时, 可以只考虑电场与磁场的耦合特性, 忽略运动场对该系统的影响 以 CRH 型动车组为例, 基于 COMSOL Multiphysics 有限元仿真软件, 搭建高铁列车非对称耦合系统场路耦合仿真模型, 如图 3 所示 其中磁场研究应用有限元方法, 电路部分采用谐振耦合方式 图 4 耦合线圈几何中心 z 方向磁感应强度分布 Fig.4 Magnetic flux densityalong z-axis of the geometrical center of coupler 图 3 高铁列车非对称耦合系统场路耦合仿真 Fig.3 The field-circuit coupled simulation for asymmetric coupling system of high-speed trains 安装在列车顶部的无线电能接收线圈采用多矩形线圈串联级联的形式, 以保证高铁列车的供电电压 系统工作频率 f 设定为 60kHz, 负载电阻 300Ω [3], 传输距离为 0.5m, 发射端电流 50A, 其他仿真参数见表 表 60kHz 下非对称耦合系统仿真参数 Tab. Parameters of asymmetric coupling mechanism in wireless power transmission system under 60kHz 参数发射线圈接收线圈 ( 单个 ) 材料铜铜线圈匝数 / 匝 0 0 线圈外部尺寸 /m 8 线圈内部尺寸 /m 线径 /m 取耦合机构几何中心为测量点, 测得其 z 方向的磁感应强度分布如图 4 所示 耦合传能机构间 z 方向的磁感应强度最大为 3.08mT, 从轴向的分布可知, 磁场大部分集中分布在耦合线圈之间, 但在耦合线圈外侧仍有大部分磁场分布 图 5 所示为耦合机构几何中心 xz 截面上的磁场分布情况 从图中可以看出, 在耦合线圈之外漏磁增多, 空间辐射损耗较大 测得此时负载功率为 69.33kW, 传输效率为 90.5% 根据发射端工作原 图 5 耦合线圈中心 xz 截面磁感应强度分布 Fig.5 Magnetic flux density distribution on xz cross-section of the geometrical center of coupler 理, 当接收线圈移动到下一个发射线圈开启位置时, 系统负载功率仅为 43.99kW, 传输效率为 69.58% 而 CHR 型动车组电机功率为 300kW, 最小接收功率无法满足列车正常运行的功率水平, 因此需要对耦合机构进行优化, 提高负载接收功率, 同时降低磁场漏磁辐射 针对以上问题, 为满足高铁列车无线供电需求, 降低磁场辐射, 提出磁屏蔽结构的非对称耦合系统 该结构目的主要是提高系统的能量传输功率和传输效率, 即提高系统的电磁耦合程度 考虑到高铁列车实际模型, 若在发射线圈处安设磁屏蔽装置, 会增加发射线圈的重量 因此, 提出如下可行性方案 : 仅在列车顶部的接收线圈处安设磁屏蔽装置, 在不改变发射线圈与接收线圈之间距离的基础上, 用以提高系统能量传输性能 磁屏蔽材料选用锰锌铁氧体, 几何尺寸与接收线圈相同, 厚度为 5cm 该材料适用于电磁场频率小于 MHz 的环境, 相对磁导率一般为 475~4 5, 具有较好的温度稳定性, 且功耗较小 优化后的非对称耦合系统磁场强度分布如图 6 所示 与图 4 和图 5 对比可知, 由于高磁导率的磁屏蔽材料的存在, 磁能被大部分集中于接收线圈处,

5 电工技术学报 07 年 9 月 (a) 耦合线圈几何中心 z 方向磁感应强度分布 (a) 耦合线圈几何中心 z 方向磁感应强度分布 (b) 耦合线圈中心 xz 截面磁感应强度分布图 6 磁屏蔽优化系统的磁感应强度分布 Fig.6 Magnetic flux density distribution under magnetic shielding 磁场强度最高达到 4mT, 且磁屏蔽材料也有效地减弱了磁能的耗散, 在磁屏蔽下方磁场分布明显较少, 磁感应强度迅速降低, 在距离接收线圈 0.5m 处, 磁感应强度仅为 0.40mT, 降低了系统的磁能损耗 经仿真分析得到, 此时系统负载功率和传输效率分别为 6.0kW 和 93.65%, 在发射线圈转换处, 负载功率和传输效率分别为 63.54kW 和 79.35%, 负载功率和接收效率明显提高, 证明了磁屏蔽方法的有效性 但在发射线圈切换过程中, 负载接收功率仍小于列车正常运行的功率水平, 需要进一步提高耦合机构的耦合程度 上述结果分析证明了磁屏蔽提高系统传输功率和效率的有效性, 因此提出了集磁环结构的接收线圈, 如图 7 所示 集磁环材料与磁屏蔽材料相同, 厚度为 3cm, 集磁环紧绕在接收线圈周围 系统仿真结果如图 8 所示 图 7 集磁环结构接收线圈 Fig.7 Receiving coil with ferromagnetic concentrator ring (b) 耦合线圈中心 xz 截面磁感应强度分布图 8 集磁环结构系统磁感应强度分布 Fig.8 Magnetic flux density distribution under ferromagnetic concentrator ring 由图 8 可知, 在磁屏蔽的基础上加入集磁环结构, 耦合系统的磁场分布进一步集中在有效传能区域内, 其磁感应强度能够达到 64mT, 进一步增强了耦合机构的耦合程度, 提高了耦合系数 在耦合线圈之外, 磁感应强度分布更稀疏, 大大降低了磁能耗散 与图 6a 相比, 集磁环结构线圈外侧磁感应强度下降更快, 在距其边缘 0.5m 处相比 z 方向最大值就已降低了 9.89%, 仅为 0.33mT 仿真得到此时系统的负载功率和传输效率分别为 53.40kW 和 94.44%, 集磁环结构进一步提高了系统负载功率和传输效率 在发射线圈切换处, 系统负载功率和传输效率分别为 38.05kW 和 8.%, 在动态供电过程中, 满足列车正常运行功率要求 由此可见, 集磁环机构对提高系统传输功率和效率, 降低磁场空间辐射损耗是可行的 有效的 列车正常运行过程中, 经过弯道或有其他列车经过时会发生晃动, 并且大风环境也会引起传能线圈的振动, 导致列车顶部的接收线圈与发射线圈相对位置发生偏移 图 9 所示为优化前后系统的传输效率 负载功率随线圈偏移距离变化的曲线 由图 9 可知, 接收线圈加磁屏蔽和集磁环结构可以有效提高系统工作效率和负载功率, 且集磁环结构在线圈水平偏移 0.m 的情况下传输效率仅降低了 0.3% 从系统的负载功率来看, 随着线圈水平

6 第 3 卷第 8 期苑朝阳等无线供电高铁列车非对称耦合机构 3 表 集磁环结构非对称耦合系统实验参数 Tab. Experimental parameters of asymmetric coupling mechanism with ferromagnetic collector circles 参 数 发射线圈 接收线圈 线圈电感 /μh 谐振电容 /nf 线圈外部尺寸 /cm 8 5 线径 /cm 线圈匝数 / 匝 0 0 图 9 系统传输效率和负载功率随线圈水平偏移量变化曲线 Fig.9 Curves of transmission efficiency and load power varying with offset 偏移量的增加, 优化后的线圈结构具有更好的抗偏移能力, 且集磁环结构的接收线圈要优于只加入磁屏蔽结构的接收线圈结构 当接收线圈引入集磁环结构, 在系统线圈偏移 0.m 的情况下, 负载功率降幅为 5.85%, 小于优化前系统的 6.56% 和磁屏蔽的 6.08% 由以上分析可知, 当非对称耦合系统的接收线圈采用集磁环结构时, 系统可以获得更稳定的能量传输过程的和高效的传输效率 因此, 采用集磁环结构的非对称耦合系统用于高铁列车的无线供电是可行 有效的 3 高铁列车非对称耦合机构模型搭建依照仿真模型, 按比例 0 缩小搭建高铁列车非对称耦合无线供电系统, 如图 0 所示 图中, 线圈均为漆包利兹线绕制, 接收线圈采用集磁环结构, 逆变电流恒定为 5A, 谐振频率为 60kHz, 传输距离 5cm, 负载功率 00W 实验参数见表 图 所示为实验获得的系统传输效率随水平线圈水平移动的变化曲线 由图可知, 随着接收线圈的水平移动, 系统传输效率下降 在移动过程中, 集磁环结构获得最大传输效率为 9.4%, 且系统移动过程中的传输效率更平稳, 在两发射线圈切换处系统效率降幅为 8.7%, 相比于磁屏蔽结构, 系统传输效率降幅提高了 6.34% 图 系统传输效率与接收线圈水平移动距离关系 Fig. Transmission efficiency varying with the movement of receiving coil 图 所示为实验获得的系统负载效率随水平线圈水平移动的变化曲线 由图可知, 磁屏蔽和集磁环有效提高了负载接收的功率水平, 最大负载功率为 39W, 为满足负载正常工作的功率要求提供了保证 并且集磁环结构的耦合线圈在两个发射线 图 0 高铁列车非对称耦合系统实验平台 Fig.0 Experimental installation of asymmetric coupling system for high-speed train 图 系统负载功率与接收线圈水平移动距离关系 Fig. Load power varying with the movement of receiving coil

7 4 电工技术学报 07 年 9 月 圈转换处接收功率为 35.4W, 是优化前两线圈系统的.8 倍, 可以有效避免移动负载在经过两发射线圈中间时出现功率不足的问题 为了进一步验证所设计结构的有效性 可行性, 对系统进行了偏移测试, 实验结果如图 3 所示 图 3 系统负载功率 传输效率与接收线圈偏移量关系 Fig.3 Measured results of load power and transmission efficiency varying with offset 随着线圈偏移量的增加, 系统传输效率和负载功率都逐渐降低, 而在线圈偏移量达到 cm 时, 集磁环结构系统的传输效率仅降低了.79%, 负载功率也仅降低了 7.64%, 优于磁屏蔽结构和优化前结构 且在偏移 cm 情况下, 集磁环结构仍具有 95W 的负载功率, 是优化前系统的.64 倍 从实验结果可知, 系统具有高效 稳定的能量传输过程和抗偏移能力 因此, 本文设计的集磁环结构的非对称耦合系统应用于高铁列车无线供电系统上的可行性高 4 结论针对高铁列车的无线供电问题, 提出了一种发射端为单矩形线圈 接收端为多方形线圈级联的高铁列车非对称耦合无线供电系统, 通过时域特性验证了系统的可行性 针对高铁列车运行过程中的震动问题, 提出集磁环优化结构 通过仿真分析获得了高铁系统实际工况下的空间磁场分布特性 : 高铁在正常运行过程中, 磁场被集磁环结构收聚在耦合线圈上, 在耦合线圈之外, 磁场强度迅速衰减 ; 当列车运行过程中线圈发生偏移时, 耦合线圈周围的磁场分布稳定, 仍被集磁环结构收聚在耦合线圈上, 有效抑制了磁场的扩散 系统在传输距离为 5cm 时, 在不同的线圈偏移程度下, 对系统输出特性进行了分析对比, 系统传输效率可达 9.4% 结合仿真及 实验结果, 集磁环结构能有效收聚磁场, 降磁能的耗散, 增强系统的耦合程度, 提高了非对称耦合系统的能量传输稳定性和传输效率, 验证了优化方案应用于高铁列车无线供电的可行性 参考文献 [] 刘晓明, 徐叶飞, 彭博, 等. 磁耦合双模无线电能传输系统研究 [J]. 电工技术学报, 05, 30(): Liu Xiaoming, Xu Yefei, Peng Bo, et al. Study on magnetically-coupled bi-module wireless power transfer[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 05, 30(): [] 张献, 金耀, 苑朝阳, 等. 电动汽车动态无线充电紧 强耦合模式分析 [J]. 电力系统自动化, 07, 4(): Zhang Xian, Jin Yao, Yuan Zhaoyang, et al. Analysis of tight-strong coupling mode for dynamic wireless charging of electric vehicle[j]. Automation of Electric Power Systems, 07, 4(): [3] 杨庆新, 章鹏程, 祝丽花, 等. 无线电能传输技术的关键基础与技术瓶颈问题 [J]. 电工技术学报, 05, 30(5): -8. Yang Qingxin, Zhang Pengcheng, Zhu Lihua, et al. Key fundamental problems and technical bottlenecks of the wireless power transmission technology[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 05, 30(5): -8. [4] 黄学良, 谭林林, 陈中, 等. 无线电能传输技术研究与应用综述 [J]. 电工技术学报, 03, 8(0): -. Huang Xueliang, Tan Linlin, Chen Zhong, et al. Review and research progress on wireless power transfer technology[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 03, 8(0): -. [5] 李阳, 张雅希, 杨庆新, 等. 磁耦合谐振式无线电能传输系统最大功率效率点分析与实验验证 [J]. 电工技术学报, 06, 3(): 8-4. Li Yang, Zhang Yaxi, Yang Qingxin, et al. Analysis and experimental validation on maximum power and efficiency in wireless power transfer system via coupled magnetic resonances[j]. Transactions of China Electrotechnical Society, 06, 3(): 8-4. [6] Shin Jaegue, Shin Seungyong, Kim Yangsu, et al.

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