一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法，在煤礦中使用的電機車，主流電機驅(qū)動系統(tǒng)是直流電機驅(qū)動系統(tǒng)?？梢允褂眯铍姵氐膩砉?yīng)電機所需直流電。煤礦中基于無線輸電的礦用電機車充電方法，其特征在于，電車的供電和電機車反饋信息傳輸都是無線方式，而非有線傳輸。提供礦用電機車供電的發(fā)射端、接收端，都具有分析處理功能，可以通過自動優(yōu)化配置來為礦用電機車提供電能。包括第一電能調(diào)節(jié)模塊、無線輸電模塊、無線接收模塊、第二電能調(diào)節(jié)模塊、匹配模塊、蓄電池、數(shù)據(jù)反饋模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、優(yōu)化配置模塊。
【專利說明】一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 礦用蓄電池電機車是煤礦井下，水平巷道上，長距離運輸?shù)囊环N重要的運輸工具。 它在礦井中的煤炭運輸及其輔助運輸中占著重要的地位。它的優(yōu)點是成本較低，運輸?shù)哪?力較大，操作較方便，有非工作儲備系統(tǒng)等優(yōu)點。
[0003] 煤礦井下的架線電機車一直是較有爭議設(shè)備，架線式的電機車是借受電弓從電路 上取得電能的。當(dāng)電機車運行時，受電弓沿著架空線滑動，依靠受電弓接觸架空線來獲取電 能，在接觸部分，滑動過程中容易產(chǎn)生電火花，直接暴露的電火花是很容易有事故隱患的。
[0004] 礦用蓄電池電機車的充電方式主要是以有線方式來充電，由于煤礦下電氣設(shè)備主 要是隔爆型電氣設(shè)備，所以在礦井下電氣設(shè)備之間的連接線是比較薄弱的環(huán)節(jié)，再加上這 種"有線"的傳輸方式的接口處頻繁插拔、安裝容易造成摩擦、損壞，電能傳輸中很容易產(chǎn)生 火花，進而會影響到安全指標。
[0005] 無線輸電技術(shù)產(chǎn)生比較早，但其發(fā)展比較緩慢。在2007年6月，美國麻省理工學(xué) 院宣布利用電磁共振技術(shù)成功的通過無線手段，點亮了一個離電源約2m遠的60W燈泡。其 開辟了一種全新的無線傳輸方式，磁耦合共振傳輸方式，這種傳輸方式可以達到較長的傳 輸距離，傳輸效率也相當(dāng)可觀。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了克服礦用蓄電池電機車在充電時充電線路的來回插拔、安裝帶來的不便捷以 及傳輸線路存在的安全問題，本發(fā)明提出了一種方便快捷，安全系數(shù)高的為礦用蓄電池電 機車供電的裝置，該裝置能夠在煤礦井下這種環(huán)境惡劣情況下，對礦用蓄電池電機車進行 無線供電，能夠在短時間內(nèi)快速、高效的為礦用電機車安全的供配電，有效的避免了在煤礦 下，因為摩擦、接觸火花而引起事故，為煤礦井下提供更加便捷的電機車使用。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是：一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及 方法，包括位于煤礦井下底板下部的電能無線傳輸設(shè)備和位于煤礦井下底板上部的電能無 線接收設(shè)備，其中所述的電能無線傳輸設(shè)備和電能無線接收設(shè)備是通過無線方式連接的， 所述的電能無線傳輸設(shè)備包括第一電能調(diào)節(jié)模塊（1)、無線輸電模塊（2)、數(shù)據(jù)分析模塊
[8] 和優(yōu)化配置模塊（9)，所述的電能無線接收設(shè)備包括無線接收模塊（3)、第二電能調(diào)節(jié) 模塊（4)、匹配模塊（5)、蓄電池（6)和數(shù)據(jù)反饋模塊（7)。
[0008] 所述第一電能調(diào)節(jié)模塊包括第一整流濾波單元、高頻逆變單元和功率放大單元， 第一整流濾波單元用于將電網(wǎng)中低頻50Hz交流電轉(zhuǎn)化成直流電傳輸至高頻逆變單元，高 頻逆變單元將直流電變?yōu)楦哳l的交流電再輸送到功率放大單元將功率放大，為無線輸電模 塊提供能量。
[0009] 所述無線輸電模塊包括發(fā)射天線、發(fā)射天線控制模塊；所述發(fā)射天線中設(shè)置有單 匝線圈，用于將高頻交流電通過磁效應(yīng)產(chǎn)生交變磁場，再經(jīng)過發(fā)射天線與接收天線的磁耦 合共振通道傳輸能量；所述發(fā)射天線控制模塊包括天線時分器、中央處理器、存儲器；天線 時分器用于時分的控制正向電能傳輸和反向信息傳輸；中央處理器用于在不需要信息傳輸 時，智能的控制時分器關(guān)閉與否；存儲器用于存儲無線反饋回的數(shù)據(jù)的，防止丟失。
[0010] 所述無線接收模塊包括接收天線、接收天線控制模塊；所述無線接收天線用于接 收無線輸電模塊通過磁耦合共振通道發(fā)射過來磁能，所述無線接收天線中設(shè)置有單匝線圈 用于將接收到的磁能通過電磁感應(yīng)變成交流電能，所述無線接收天線用于發(fā)射數(shù)據(jù)反饋模 塊反饋的數(shù)據(jù)傳輸至發(fā)射天線；所述接收天線控制模塊和發(fā)射天線控制模塊功能相同。 [0011] 所述第二電能調(diào)節(jié)模塊包括第二整流濾波單元，主要是用于將交流電轉(zhuǎn)化為適合 存儲的直流電，傳輸?shù)剿銎ヅ淠K進行匹配。
[0012] 所述匹配模塊包括負載匹配模塊和自動調(diào)節(jié)裝置；匹配模塊選擇"T"型匹配網(wǎng) 絡(luò)，通過自動調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)使得電能通過匹配后更好的存儲到礦用電機車的蓄電 池中，使蓄電池達到最理想的能量吸收。
[0013] 所述數(shù)據(jù)反饋模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采 集第二電能模塊輸出的功率信息，所述數(shù)據(jù)處理器用于將采集到的功率信息轉(zhuǎn)化成適合無 線傳輸?shù)男问?，加載到無線接收模塊上，通過無線接收模塊將信息以無線形式反向傳送到 無線輸電模塊。
[0014] 所述數(shù)據(jù)分析模塊包括數(shù)據(jù)的解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)對比模塊；所述數(shù)據(jù)解調(diào)模塊用于 將無線接收到的數(shù)據(jù)進行解調(diào)，得到適合讀取的數(shù)據(jù)；所述數(shù)據(jù)對比模塊用于將解調(diào)后的 數(shù)據(jù)進行分析對比后得出需要優(yōu)化、調(diào)節(jié)的信息，分析對比后的信息傳輸?shù)剿龅膬?yōu)化配 置模塊。
[0015] 所述優(yōu)化配置模塊包括控制電機模塊、電機和防爆保護模塊，所述優(yōu)化配置模塊 用于將需要優(yōu)化、調(diào)節(jié)的信息傳入控制電機模塊中控制電機的旋轉(zhuǎn)，由于電機是和無線輸 電模塊固定著的，所以調(diào)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)就相當(dāng)于調(diào)節(jié)無線輸電模塊相對煤礦井下底板的距 離，提高電能傳輸效率；防爆模塊主要是在煤礦井下特殊環(huán)境中起保護作用。
[0016] 礦用蓄電池電機車充電裝置采用磁耦合共振方式，由電網(wǎng)向礦用蓄電池電機車進 行無線供電，在礦用蓄電池電機車中數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼、調(diào)制后，加載到 無線接收模塊，進行與電能無線傳輸方向相反的數(shù)據(jù)無線傳輸。時分器控制天線能夠分時 的進行收發(fā)能量與數(shù)據(jù)，由同一個天線系統(tǒng)但方向互相相反的進行能量和數(shù)據(jù)的無線傳 輸，包括第一電能調(diào)節(jié)模塊、無線輸電模塊、無線接收模塊、第二電能調(diào)節(jié)模塊、匹配模塊、 蓄電池和數(shù)據(jù)反饋模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、優(yōu)化配置模塊。
[0017] 礦用蓄電池電機車優(yōu)化配置裝置分為兩部分優(yōu)化，一部分是在與電機車發(fā)生耦合 諧振時所需要調(diào)整的距離優(yōu)化，另一部分是在距離確定后，負載的匹配優(yōu)化。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：
[0019] 1.本發(fā)明提供的方法，使礦用電機車在煤礦下充電時不受輸電線路的束縛和特殊 環(huán)境影響，將電能通過無線方式傳輸。
[0020] 2.能夠有效的提高電機車的充電效率。
[0021] 3.能夠提高蓄電池電能吸收能力，防止電能出現(xiàn)不必要的損耗。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0023] 圖1是一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法結(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖2是一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法的充電工作流程圖；
[0025] 圖3是一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法中的等效線圈耦合電路 圖；
[0026] 圖4是一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法中的初級線路等效電路 圖；
[0027] 圖5是一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法中的次級線路等效電路 圖；
[0028] 圖6是一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法中的次級線路中的T型匹 配電路圖；
[0029] 圖中，1、第一電能調(diào)節(jié)模塊；2、無線輸電模塊；3、無線接收模塊；4、第二電能調(diào)節(jié) 模塊；5、匹配模塊；6、蓄電池；7、數(shù)據(jù)反饋模塊；8、數(shù)據(jù)分析模塊；9、優(yōu)化配置模塊。

【具體實施方式】
[0030] 參見圖1，本發(fā)明的無線充電裝置包括第一電能調(diào)節(jié)模塊1，無線輸電模塊2,無線 接收模塊3,第二電能調(diào)節(jié)模塊4,匹配模塊5,蓄電池6,數(shù)據(jù)反饋模塊7,數(shù)據(jù)分析模塊8， 優(yōu)化配置模塊9組成。
[0031] 所述第一電能調(diào)節(jié)模塊1包括第一整流濾波單元、高頻逆變單元、功率放大單元， 其中第一整流濾波單元包括整流器和濾波器，整流器負責(zé)將電網(wǎng)中50Hz低頻交流電轉(zhuǎn)化 成脈動直流電，濾波器濾除脈動直流電壓中交流成分，降低輸出電壓的紋波系數(shù)，而形成波 形較平滑的直流電，再傳輸至高頻逆變單元，通過高頻逆變單元將直流電逆變?yōu)樗璧母?頻交流電，再輸送到功率放大單元將功率放大，從而提供無線輸電模塊能量來進行能量的 無線傳輸，通過所述第一電能調(diào)節(jié)模塊將高頻的交流電能輸送至無線輸電模塊。
[0032] 所述無線輸電模塊2包括發(fā)射天線、發(fā)射天線控制裝置；發(fā)射天線中設(shè)置有單匝 線圈；發(fā)射天線控制裝置包括發(fā)射天線時分器、中央處理器、存儲器；其中單匝線圈的選擇 主要是為了將高頻的交流電能感應(yīng)出交變的磁能，通過磁耦合共振通道傳輸；其中發(fā)射天 線、接收天線的材質(zhì)選用銅管，目的是為了減少內(nèi)阻、節(jié)約材料從而提高傳輸效率，其中銅 管是根據(jù)在實際中場和電流僅存在于導(dǎo)體表面很薄的一層內(nèi)趨膚效應(yīng)選擇的；發(fā)射天線和 接受天線都分別選自身的電感和電容諧振，并且發(fā)射天線諧振頻率、接收天線諧振頻率、交 流電頻率這三者相同，滿足磁耦合共振無線輸電的參數(shù)要求，這樣可形成磁通道；發(fā)射天線 控制裝置主要四個方面功能：（1)分時的進行電能的無線傳輸；（2)分時的進行數(shù)據(jù)信息的 無線傳輸；（3)有效合理的分配能量與信息的傳輸時間；(4)安全可靠的數(shù)據(jù)的保存，通過 所述無線輸電模塊將能量通過無線的磁通道傳輸至無線接收模塊。
[0033] 所述無線接收模塊3包括接收天線和接收天線控制裝置；接收天線中的單匝線圈 主要是為了將磁能感應(yīng)出電能來傳輸；無線接收模塊主要有兩方面功能：（1)通過無線方 式接收到無線輸電模塊發(fā)送過來的能量，并將能量傳送到第二電能調(diào)節(jié)模塊；（2)通過無 線方式將數(shù)據(jù)反饋模塊反饋的信息傳送到無線輸電模塊。
[0034] 所述第二電能調(diào)節(jié)模塊4包括第二整流濾波單元，其主要功能是將接收的高頻交 流電轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)的直流電；其傳輸方向主要有兩方面：（1)將第二電能調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)后的 能量傳輸至匹配模塊中，進行匹配；(2)將第二電能調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)后的功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù) 據(jù)反饋模塊。
[0035] 所述匹配模塊5包括負載匹配模塊、自動調(diào)節(jié)裝置；負載匹配模塊主要選擇T型的 匹配網(wǎng)絡(luò)，主要是因為其能夠提高電能的幅值和效率，并且會增加系統(tǒng)的頻率范圍和穩(wěn)定 性；自動調(diào)節(jié)裝置主要的操作方式是根據(jù)圖4得出在諧振狀態(tài)下和需要獲得最大功率狀態(tài) 下有：最佳互感

【權(quán)利要求】
1. 一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法，其特征在于：包括位于煤礦井下 底板下部時電能無線傳輸設(shè)備和位于煤礦井下底板上部的電能無線接收設(shè)備，所述的電能 無線傳輸設(shè)備和電能無線接收設(shè)備無線連接，所述的電能無線傳輸設(shè)備包括第一電能調(diào)節(jié) 模塊、無線輸電模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和優(yōu)化配置模塊，所述的電能無線接收設(shè)備包括無線接 收模塊、第二電能調(diào)節(jié)模塊、匹配模塊、蓄電池和數(shù)據(jù)反饋模塊； 所述第一電能調(diào)節(jié)模塊用于接收電網(wǎng)傳輸?shù)牡皖l交流電，并將電網(wǎng)中的低頻50HZ的 交流電能經(jīng)過整流、逆變成為高頻交流電能，并發(fā)送給無線輸電模塊； 所述的無線輸電模塊包括發(fā)射天線和發(fā)射天線控制模塊，所述無線接收模塊包括接收 天線和接收天線控制模塊，所述的發(fā)射天線控制模塊用于接收第一電能調(diào)節(jié)模塊發(fā)送的高 頻交流電，并通過發(fā)射天線內(nèi)設(shè)置的單匝線圈產(chǎn)生交變磁場，以及發(fā)射天線和接收天線的 共振耦合行成的磁通道，將磁能通過無線的磁通道傳輸至接收天線，接收天線將接收的磁 能通過其內(nèi)部設(shè)置的單匝線圈轉(zhuǎn)換為交流電，再經(jīng)過接收天線控制模塊分時的發(fā)送給第二 電能調(diào)節(jié)模塊； 所述第二電能調(diào)節(jié)模塊用于接收無線接收天線控制模塊發(fā)送的交流電，并轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定 的直流電，傳輸?shù)剿銎ヅ淠K進行匹配； 所述匹配模塊用于將第二電能調(diào)節(jié)模塊發(fā)送的直流電與蓄電池匹配，并傳輸?shù)叫铍姵?中進行存儲，使蓄電池達到最理想的能量吸收； 所述數(shù)據(jù)反饋模塊用于采集第二電能調(diào)節(jié)模塊對電能調(diào)節(jié)后輸出的功率數(shù)據(jù)，并將所 述的功率數(shù)據(jù)信息加載到無線接收模塊，通過無線接收模塊將信息以無線形式反向傳送到 無線輸電模塊； 所述數(shù)據(jù)分析模塊用于將無線輸電模塊接收到的功率數(shù)據(jù)進行分析處理，并傳輸?shù)剿?述的優(yōu)化配置模塊； 所述優(yōu)化配置模塊用于將數(shù)據(jù)分析模塊分析處理后的信息進行轉(zhuǎn)化，控制和調(diào)節(jié)無線 輸電模塊和無線接收模塊的相對位置，提高電能的傳輸效率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法，其特征在 于，所述第一電能調(diào)節(jié)模塊包括第一整流濾波單元、高頻逆變單元和功率放大單元，第一整 流濾波單元用于將電網(wǎng)中低頻交流電轉(zhuǎn)化成直流電傳輸至高頻逆變單元，高頻逆變單元將 直流電變?yōu)楦哳l的交流電再輸送到功率放大單元將功率放大，提供無線輸電模塊的能量供 應(yīng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法，其特征 在于，所述無線輸電模塊包括發(fā)射天線、發(fā)射天線控制模塊；所述發(fā)射天線中設(shè)置有單匝線 圈，用于將高頻交流電通過磁效應(yīng)產(chǎn)生磁場，再經(jīng)過發(fā)射天線與接收天線的磁共振通道傳 輸能量；所述天線控制模塊包括天線時分器、中央處理器、存儲器；天線時分器用于時分的 控制正向電能傳輸和反向信息傳輸；中央處理器用于在不需要信息傳輸時，智能的控制時 分器關(guān)閉與否；存儲器用于存儲無線反饋回的數(shù)據(jù)的，防止丟失。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法，其特征在 于，所述無線接收模塊包括接收天線、接收天線控制模塊，所述無線接收模塊用于接收無線 輸電模塊發(fā)射的能量和發(fā)射數(shù)據(jù)反饋模塊反饋的數(shù)據(jù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法，其特征在 于，所述第二電能調(diào)節(jié)模塊包括第二整流濾波單元，主要是用于將交流電轉(zhuǎn)化為適合存儲 的直流電。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法，其特征在 于，所述匹配模塊包括負載匹配裝置和自動調(diào)節(jié)裝置；負載匹配裝置選擇"T"型匹配網(wǎng)絡(luò)， 通過自動調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)使得電能通過匹配更好的存儲于礦用電機車的蓄電池中。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法，其特征在 于，所述數(shù)據(jù)反饋模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采集第二 電能調(diào)節(jié)模塊輸出的功率信息，所述數(shù)據(jù)處理器用于將采集到的功率信息轉(zhuǎn)化成適合無線 傳輸?shù)男问?，加載到無線接收模塊上，進行無線數(shù)據(jù)的傳輸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法，其特征在 于，所述數(shù)據(jù)分析模塊包括數(shù)據(jù)的解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)對比模塊；所述數(shù)據(jù)解調(diào)模塊用于將無線 接收到的數(shù)據(jù)進行解調(diào)，得到適合讀取的數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)對比模塊用于將解調(diào)后的數(shù)據(jù)進 行分析對比后得出需要優(yōu)化、調(diào)節(jié)的信息。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于無線輸電的礦用電機車充電裝置及方法，其特征在 于，所述優(yōu)化配置模塊包括控制電機模塊、電機和防爆保護模塊，所述優(yōu)化配置模塊用于將 需要優(yōu)化、調(diào)節(jié)的信息傳入控制電機模塊中控制電機的旋轉(zhuǎn)，由于電機是和無線輸電模塊 固定著的，所以調(diào)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)就相當(dāng)于調(diào)節(jié)無線輸電模塊相對煤礦井下底板的距離，防爆 模塊主要是在煤礦井下特殊環(huán)境中起保護作用； 礦用蓄電池電機車充電裝置采用磁耦合共振方式充電，由電網(wǎng)向礦用蓄電池電機車 進行無線供電，在礦用蓄電池電機車中數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼、調(diào)制后，加載 到無線接收裝置，進行與電能無線傳輸相反方向的數(shù)據(jù)無線傳輸。時分器控制天線能夠分 時的進行收發(fā)能量與數(shù)據(jù)，由同一個天線系統(tǒng)但方向互相相反的進行能量和數(shù)據(jù)的無線傳 輸，包括第一電能調(diào)節(jié)模塊、無線輸電模塊、無線接收模塊、第二電能調(diào)節(jié)模塊、匹配模塊、 蓄電池和數(shù)據(jù)反饋模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、優(yōu)化配置模塊； 礦用蓄電池電機車優(yōu)化配置裝置分為兩部分優(yōu)化，一部分是在與電機車發(fā)生耦合諧振 時所需要調(diào)整的距離優(yōu)化，另一部分是在距離確定后，負載的匹配優(yōu)化。
【文檔編號】H02J7/02GK104104139SQ201410353205
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】孫繼平, 林鵬, 林帥 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)