本發(fā)明涉及一種無(wú)線電能傳輸技術(shù)在有軌電車(chē)中的應(yīng)用，具體地說(shuō)是一種基于有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差的無(wú)線電能傳輸調(diào)節(jié)方法。

背景技術(shù)：

目前，無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)(wirelesspowertransfersystem，wpt)中，通過(guò)對(duì)耦合線圈的設(shè)計(jì)，可以提高系統(tǒng)的整體效率；無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的核心部分-線圈，與變壓器不同，是兩個(gè)分離的部分，通過(guò)原邊線圈中的高頻電流，建立高頻磁場(chǎng)，副邊線圈在高頻磁場(chǎng)中通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，能量通過(guò)這種方式進(jìn)行傳遞。原副邊通過(guò)串聯(lián)補(bǔ)償電容提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和效率。由于線圈由銅線繞制，且在存在高頻電阻，在原副邊會(huì)產(chǎn)生損耗，影響了系統(tǒng)的效率；表征線圈間耦合關(guān)系的互感值m與原副邊線圈間位置關(guān)系十分密切，考慮偏移位置關(guān)系對(duì)線圈進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是十分重要的.

在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)技術(shù)中，考慮在線圈發(fā)生偏移時(shí)，通過(guò)對(duì)線圈的形狀、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高效率?，F(xiàn)有技術(shù)中無(wú)偏移處(或者偏移最大處)的效率分別是如圖1、圖2所示的兩種極端狀況下的位置關(guān)系，現(xiàn)有技術(shù)均是利用這兩種極端狀態(tài)下的效率作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)于線圈進(jìn)行長(zhǎng)度和寬度兩個(gè)方向的抗偏移設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的線圈為正方形線圈；然而上述的技術(shù)方案，所設(shè)計(jì)出的線圈僅考慮某一點(diǎn)的效率作為優(yōu)化的目標(biāo)，設(shè)計(jì)出的線圈是在該點(diǎn)處的最優(yōu)解。而由于線圈偏差是存在于各個(gè)位置的，因此上述設(shè)計(jì)方法缺乏整體的考慮，將其應(yīng)用到有軌電車(chē)停車(chē)中，由于有軌電車(chē)在停車(chē)時(shí)存在一定的停車(chē)偏移誤差，導(dǎo)致固定在車(chē)、地兩側(cè)的線圈不能夠完全對(duì)正，影響無(wú)線充電系統(tǒng)效率和傳輸功率，另外，現(xiàn)有的技術(shù)方案，沒(méi)有根據(jù)列車(chē)只存在前進(jìn)方向的單一偏移關(guān)系這種實(shí)際情況進(jìn)行，故得到的線圈是正方形，不是最合理的優(yōu)化目標(biāo)，不能實(shí)現(xiàn)效率最大化的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能夠在長(zhǎng)期規(guī)律性偏移誤差情況下，保證無(wú)線充電系統(tǒng)效率和傳輸功率的基于有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差的無(wú)線電能傳輸調(diào)節(jié)方法。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的基于有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差的無(wú)線電能傳輸調(diào)節(jié)方法，包括以下步驟：

a、對(duì)城軌列車(chē)的停車(chē)精度進(jìn)行設(shè)定，并通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析得到城軌列車(chē)到站停車(chē)的位置與目標(biāo)位置偏差的分布規(guī)律；由概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)可知，正態(tài)分布概率密度函數(shù)如下：

b、通過(guò)對(duì)有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差規(guī)律的總結(jié)，對(duì)不同停車(chē)位置時(shí)的效率及概率密度進(jìn)行積分(16)，形成考慮停車(chē)偏移正態(tài)分布規(guī)律下，以整體效率期望為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)優(yōu)化線圈。

c、對(duì)線圈尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體過(guò)程如下：

a、根據(jù)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)/計(jì)算得到對(duì)于線圈互感值的約束條件；根據(jù)其參數(shù)計(jì)算得到對(duì)于線圈自感值的約束條件；再根據(jù)車(chē)身尺寸合理約束線圈長(zhǎng)度寬度的約束條件，約束結(jié)果如下：

b、利用窮舉法，以線圈匝數(shù)，線圈尺寸為變量，分別計(jì)算互感和自感，將互感和自感的計(jì)算結(jié)果帶入以上約束條件，若符合所有約束條件，則計(jì)算效率期望，并記錄，若不符合其中任意一條約束條件，則舍棄該組參數(shù)；進(jìn)行窮舉，將符合約束的效率期望進(jìn)行比較；將效率期望最高的一組參數(shù)取出，即為設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)；

c、以步驟b所得到的最優(yōu)結(jié)果為基礎(chǔ)，繼續(xù)利用窮舉法優(yōu)化原邊線圈，方法與步驟b一致，得到最終的設(shè)計(jì)最優(yōu)參數(shù)。

所述步驟b中，會(huì)有較小的概率出現(xiàn)有軌電車(chē)停車(chē)偏差大于設(shè)定值；當(dāng)有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，電車(chē)會(huì)進(jìn)行再調(diào)整以進(jìn)入設(shè)定值范圍內(nèi)，將此種情況下停車(chē)偏差統(tǒng)一為：二次停車(chē)到離調(diào)整前最近的位置，即將超出設(shè)定值的停車(chē)偏移誤差，統(tǒng)計(jì)為設(shè)定值范圍內(nèi)。

采用上述的方法后，在有軌電車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)的耦合線圈設(shè)計(jì)中，根據(jù)停車(chē)偏移誤差分布特點(diǎn)，采用效率期望作為優(yōu)化目標(biāo)，經(jīng)過(guò)對(duì)線圈長(zhǎng)度、寬度的尋優(yōu)設(shè)計(jì)和原邊線圈的增長(zhǎng)設(shè)計(jì)，達(dá)到固定于有軌電車(chē)和地面的線圈在線圈發(fā)生偏移時(shí)，達(dá)到效率期望值，保證了無(wú)線充電系統(tǒng)效率和傳輸功率，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)長(zhǎng)期的最優(yōu)效率。

附圖說(shuō)明

圖1為線圈偏移狀態(tài)一結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為線圈偏移狀態(tài)二結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中具有無(wú)線充電系統(tǒng)的有軌電車(chē)停車(chē)狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中的概率密度圖；

圖5為本發(fā)明中線圈間的互感值隨偏移距離變化的曲線圖；

圖6為本發(fā)明中互感值與偏移距離的變化關(guān)系圖；

圖7為本發(fā)明中線圈尺寸優(yōu)化流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的基于有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差的無(wú)線電能傳輸調(diào)節(jié)方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

由于有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差有兩個(gè)特點(diǎn)，只存在前進(jìn)方向的誤差和停車(chē)偏移誤差呈現(xiàn)一定分布規(guī)律，然而現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)方法的單一、不合理性，因此，本發(fā)明提出在有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差呈現(xiàn)一定分布條件下，以此停車(chē)分布規(guī)律所得到的效率期望為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并考慮到有軌電車(chē)只存在前進(jìn)方向的單一偏移誤差關(guān)系，使得優(yōu)化出的線圈在整體存在長(zhǎng)期規(guī)律性偏移誤差情況下，系統(tǒng)的效率能夠達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，如附圖3，本發(fā)明以應(yīng)用于有軌電車(chē)間歇式無(wú)線充電系統(tǒng)為背景，考慮有軌電車(chē)在停車(chē)時(shí)存在一定的停車(chē)偏移誤差，導(dǎo)致固定在車(chē)、地兩側(cè)的線圈不能夠完全對(duì)正，影響無(wú)線充電系統(tǒng)效率和傳輸功率，來(lái)設(shè)計(jì)高效線圈；它包括以下步驟：

a、對(duì)城軌列車(chē)的停車(chē)精度進(jìn)行設(shè)定，并通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析得到城軌列車(chē)到站停車(chē)的位置與目標(biāo)位置偏差的分布規(guī)律；在實(shí)際運(yùn)行中，為滿足運(yùn)行需求，城軌列車(chē)的停車(chē)精度通常被設(shè)定為±0.3m之內(nèi)，通過(guò)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析得到城軌列車(chē)到站停車(chē)的位置與目標(biāo)位置偏差呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律，例如停車(chē)偏移誤差呈現(xiàn)正態(tài)分布，即停車(chē)偏移誤差為0m的概率最高，誤差在±0.3m時(shí)的概率較低，會(huì)有較小的概率出現(xiàn)使停車(chē)偏移誤差超過(guò)±0.3m的情況，在數(shù)學(xué)上，我們把這超出±0.3m停車(chē)偏移誤差的事件稱(chēng)為小概率事件，由概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)可知，正態(tài)分布概率密度函數(shù)如下：由概率統(tǒng)計(jì)知識(shí)可知，正態(tài)分布概率密度函數(shù)如下：

從附圖4中可以觀察到：停車(chē)位置與目標(biāo)位置偏差以0m為中心，概率密度最大，依次向兩邊減小，在0.3m之外的概率極小，左右呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)的概率密度。

結(jié)合效率表達(dá)式在不同的停車(chē)偏移誤差時(shí)，線圈間的互感不同，系統(tǒng)線圈擁有不同的效率，以偏差最大或者無(wú)偏差時(shí)的效率作為優(yōu)化目標(biāo)，不能準(zhǔn)確描述各個(gè)位置的線圈效率，造成優(yōu)化目標(biāo)不合理。

b、通過(guò)對(duì)有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差規(guī)律的總結(jié)，對(duì)不同停車(chē)位置時(shí)的效率及概率密度進(jìn)行積分(2)，形成在停車(chē)偏移正態(tài)分布規(guī)律下，以整體效率期望為優(yōu)化目標(biāo)，更加準(zhǔn)確合理地設(shè)計(jì)優(yōu)化線圈，在這里需要說(shuō)明一點(diǎn)的是，會(huì)有較小的概率出現(xiàn)有軌電車(chē)停車(chē)偏差大于設(shè)定值；當(dāng)有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，電車(chē)會(huì)進(jìn)行再調(diào)整以進(jìn)入設(shè)定值范圍內(nèi)，將此種情況下停車(chē)偏差統(tǒng)一為：二次停車(chē)到離調(diào)整前最近的位置，即將超出設(shè)定值的停車(chē)偏移誤差，統(tǒng)計(jì)為設(shè)定值范圍內(nèi)，在本實(shí)施例中，有較小的概率出現(xiàn)有軌電車(chē)停車(chē)偏差大于±0.3m，當(dāng)有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差超過(guò)±0.3m時(shí)，電車(chē)會(huì)進(jìn)行再調(diào)整以進(jìn)入±0.3m范圍內(nèi)，將此種情況下停車(chē)偏差統(tǒng)一為：二次停車(chē)到離調(diào)整前最近的位置，即將超出±0.3m的停車(chē)偏移誤差，統(tǒng)計(jì)為±0.3m。

由于兩條鐵軌的限制，以及電車(chē)空氣懸掛的智能調(diào)節(jié)，有軌電車(chē)基本不存在縱向的偏移，垂直方向的高度變化也較小，即只存在由于停車(chē)偏移誤差造成的橫向偏移，附圖5是根據(jù)互感數(shù)值計(jì)算式得到的等大的不同長(zhǎng)度寬度的線圈間的互感值隨偏移距離變化的曲線，可以看到，在線圈正對(duì)時(shí)，線圈的互感值為最大，但是隨著偏移量達(dá)到最大0.3m，其互感值不斷下降，當(dāng)線圈的橫向長(zhǎng)度長(zhǎng)于縱向長(zhǎng)度時(shí)，在線圈正對(duì)時(shí)互感值略有下降，但是線圈互感隨偏移距離增大，變化變緩，故需要對(duì)線圈的長(zhǎng)度、寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以尋到最優(yōu)方案。

在對(duì)于效率要求不高，特別是小功率設(shè)備中，例如手機(jī)充電臺(tái)，設(shè)計(jì)者會(huì)將原邊線圈做得比手機(jī)大很多，以滿足手機(jī)不同放置位置時(shí)能夠以額定功率為其充電，這種方式，原邊使用了大量的導(dǎo)線，增大了線圈內(nèi)阻，降低了傳輸效率，并且造成了大量的線圈磁場(chǎng)泄漏面積。大功率設(shè)備在設(shè)計(jì)線圈時(shí)，考慮到傳輸效率、應(yīng)用場(chǎng)合尺寸的限制，需要對(duì)線圈增加的邊長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以在滿足限制條件的情況下，高效的輸出能量。

如附圖6所示，是將副邊線圈形狀固定為a2＝0.8m，b2＝0.8m，n2＝10，原邊固定a1＝0.8m，n1＝10，隨著不同的原邊b1，互感值與偏移距離的變化關(guān)系?？梢钥吹?，當(dāng)b1＝0.8m,兩線圈的互感值m隨著偏移距離e的增大而急劇減小，當(dāng)b1逐漸增長(zhǎng)，互感m隨偏移的變化逐漸減弱。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是：由于距離較大，原、副邊縱向邊a相互交鏈的磁鏈遠(yuǎn)小于原、副邊橫向邊b所交鏈的磁鏈，故距離的變化導(dǎo)致縱向邊交鏈的磁鏈變化對(duì)于線圈間互感的變化影響很小。在計(jì)算線圈的效率期望時(shí)，較小的b1造成互感急劇下降，從而在偏移最大時(shí)效率過(guò)低；過(guò)大的b1，互感趨于穩(wěn)定，但由于原邊繞線量增大，導(dǎo)致線圈內(nèi)阻增大，從而降低線圈的效率。故需考慮效率期望對(duì)原邊b1進(jìn)行優(yōu)化。

c、對(duì)線圈尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體過(guò)程如下：

已知有軌電車(chē)的車(chē)身尺寸以及無(wú)線充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下表所示

表1有軌電車(chē)車(chē)身參數(shù)

表250kw無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)參數(shù)

a、根據(jù)表2的參數(shù)以及公式

計(jì)算得到對(duì)于線圈互感值的約束條件；根據(jù)表2的參數(shù)及式計(jì)算得到對(duì)于線圈自感值的約束條件；再根據(jù)表1的車(chē)身尺寸合理約束線圈長(zhǎng)度寬度的約束條件，約束結(jié)果如下：

b、利用窮舉法，以線圈匝數(shù)n1、n2，線圈尺寸a1、a2、b1、b2，為變量，將其帶入到式(4)中計(jì)算互感，帶入式(5)中計(jì)算自感，將互感，自感的計(jì)算結(jié)果帶入以上約束條件，若符合所有約束條件，則利用式(2)計(jì)算效率期望，并記錄，若不符合其中任意一條約束條件，則舍棄該組參數(shù)；進(jìn)行窮舉，將符合約束的效率期望進(jìn)行比較；將效率期望最高的一組參數(shù)取出，即為設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)；

c、以步驟b所得到的最優(yōu)結(jié)果為基礎(chǔ)，繼續(xù)利用窮舉法優(yōu)化原邊線圈b1，方法與步驟b一致，得到最終的設(shè)計(jì)最優(yōu)參數(shù)。

所得到的結(jié)果與采用傳統(tǒng)某一點(diǎn)效率最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較，如表(3)所示

表3不同設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，采用本發(fā)明的基于有軌電車(chē)停車(chē)偏移誤差的無(wú)線電能傳輸調(diào)節(jié)方法，其效率期望可以提高0.35％。