基于超级电容的有轨电车无线供电可行性

林云志， 李 磊， 赖一雄

(1.中铁电气化局集团有限公司， 北京 100036； 2.中铁电气化局集团有限公司城铁公司， 北京 100036)

随着大功率电力电子变流技术发展，带动无线电能传输技术在近十年来得到了极其迅猛的发展。尤其是磁耦合谐振无线电能传输(magnetic coupled resonant wireless power transfer, MCR-WPT)技术，实现大功率高效的电能传输，为装备的供电问题提供了一种全新的解决方案[1-3]。在电气化交通领域，面向电动汽车的无线充电技术已迈入实用化阶段，通过电力电子变换器将市电变换为高频交流电，以此驱动地面上的发射线圈，产生特定频率的交变磁场[4-5]。该磁场耦合到车载的接收线圈并在其中感应出交变电流，从而实现电能的无线传输，此后再通过变换器将高频交流电转变为直流，并加以控制，进而给车载动力电池充电。

面向轨道交通的无线供电技术，当前也正处于快速发展中，与电动汽车无线充电类似，如图1所示。通过沿轨道铺设线圈阵列或分段长导轨，并通以高频交变电流，采用谐振式磁耦合方式向安装于列车的接收端提供电能，以避免列车与供电线路的直接机械接触而引起的电刷磨损、断轨产生电弧、摩擦发热量大等问题[6-8]。

图1 轨道交通无线供电Fig.1 Wireless power supply for rail transportation

作为近年来的研究热点，各类非接触供电技术在电气化交通中的应用研究得以广泛开展。其中，以韩国科科学技术院、新西兰奥克兰大学、天津工业大学等为代表的多家研究机构均对列车无线充电技术进行了研究[9-11]。

韩国铁路研究所在2015年发表了其面向高铁的动态无线供电系统，其额定功率等级为1 MW，无线电能传输系统的工作频率为60 kHz。铺设了长度为128 m的无线供电轨道，在型号为HEMU-430x的高铁上进行了实车实验。实测5 cm气隙，输出功率达到了818 kW，系统效率82.7%，列车测试车速为10 km/h[12]。

庞巴迪2013年推出的动态电气化交通的无线充电/供电系统，针对轨距为1 m的城市低底盘轻轨电车，其采用单个100 kW的接收单元模块，可组合为100～500 kW的充电/供电系统；此外发射端包含了车辆检测功能和功率切换模块，保证了仅当列车位于特定线圈之上时，该线圈才通电运行。该系统运行车速据称可达80 km/h[13]。

中国的天津工业大学就无线电能传输系统建模与设计、频率分岔的相关规律和出现条件等问题做了许多研究工作，取得了一些初步成果，并研制出一套高速铁路列车无线供电模型。此外，重庆大学、东南大学。南京航空航天大学、中科院电工所、哈尔滨工业大学等科研机构，围绕系统效率分析与参数优化、耦合机构设计、电路补偿拓扑、传输功率控制与调节等问题进行了深入的研究[14-17]。

基于超级电容储能的现代有轨电车，通过车载超级电容储能系统为有轨电车牵引系统供电。在有轨电车线路各车站设置充电装置后可利用有轨电车停站时间，通过充电装置为车载电容储能系统快速充电。其运营线路无触网，绿色环保，在未来城市交通中具有广阔应用前景[18-20]。

现以互感耦合的方式实现无线电能传输，根据超级电容有轨电车的各项要求，研究一种针对超级电容有轨电车无线传能装置的原型设计，对该方式的可行性进行了研究。

1 系统工作原理

通过埋在地下的轨道电缆为超级电容有轨电车进行无线供电，有轨电车只要在行进的轨道上，就能源源不断的获取动力。同时系统也给车载超级电容进行高效充电，这样在没有轨道的区域，有轨电车依旧可以凭借车载超级电容行走，直到下一段轨道进行充电。该系统还可以提供稳定的数据传输，通信模块可以用来传递信息和检查列车的位置。

图2给出了系统的设计构想图，该系统由轨道电源柜、集成变流器功能的集电器、发射线圈、电容盒、通信模块以及其他安装模块组成。通过地下敷设的轨道发射线圈为超级电容有轨电车进行无线供电，车辆只要行进在轨道上，就能源源不断的获取动力，同时系统也给车载超级电容进行高效充电。在线路无充电轨道区域，由车载超级电容充当车辆电源，直到进入下一段充电区域进行电能补充。该系统还可以提供稳定的数据传输，通信模块可以用来传递信息和定位列车的位置。

图2 超级电容有轨电车无线传能结构图Fig.2 Structure illustration of wireless power transfer for the trams with super capacitors

图3给出了发射端与接收端的等效电路模型，两者的间隙控制在100 mm左右，满足车辆各种工况与复杂地面状况。集电器中电能拾取机构通过整流器并联。

图3 发射端与接收端的等效模型Fig.3 Equivalent model of the transmitting and receiving terminal

图4 系统等效电路图Fig.4 Equivalent circuit of the system

以图3系统中二次侧的一路为例，给出了该系统的等效电路如图4所示，利用互感耦合模型，在原副边串联补偿拓扑下。根据基尔霍夫定律有[21-24]：

(1)

(2)

式中：U为轨道的等效高频电发射源；Lp、Ls分别为发射端电感和接收端电感；Ip、Ls分别为发射端电流和接收端电流；Rp、Rs分别为发射端和接收端的等效电阻；Cp、Cs分别为发射端谐振电容和接收端补偿电容；M表示发射端与接收端间的互感；RL表示等效负载；j表示虚部单位；ω表示频率。

因此，为有轨电车提供稳定的电压VL，可以表示为

(3)

研究表明，当电路工作在谐振状态下时，可以得到较高的系统效率。因此，在谐振条件下式(3)可简化为

VL=jωMIp-RsIs

(4)

根据式(2)可得到：

(5)

系统能量传输效率定义为接收端的输出功率与发射端对的输入功率之比值，由此η可表示为

(6)

当系统处于谐振状态下时：

(7)

系统输出功率为

(8)

发射和接收间耦合M越大，电阻越小，效率越高。负载电阻RL存在最优值，超过最优值时，效率就会降低。在式(7)中，当分母为最小时，效率为最大；当分母为0时，最优的RL-opt值为

(9)

2 仿真分析

通过数值分析软件进行系统特性仿真分析，通过分析传输距离、线圈匝数对系统效率的影响，研究该无线供电系统的输出效率是否满足超级电容有轨电车的供电需求，一般超级电容有轨电车的充电系统的充电电流为最大为DC 1850A，电压的波动范围为DC 500～900 V。

图5为系统的建模，动态仿真需要模拟有轨电车动态运行过程中耦合机构出现的互感波动，但是Simulink 中的互感元件不支持仿真中的参数变换，因此参考使用一种新的耦合参数模型。

图6给出了系统效率与接收线圈距离之间的仿真值。由图6可知，采用互感方式的电能传输结构，在距离100 mm内线圈间传输效率都高于90%，之后随着距离进一步加大系统传输效率衰减的较大。但考虑到超级电容有轨电车距离轨道的高度变化在100 mm内，所以系统的传输距离可满足超级电容有轨电车需要。

图7给出传输效率与线圈距离、接收线圈匝数之间的关系，在系统传输保持距离一定时，接收线圈的匝数越多，系统的传输效率越高。当匝数超过15匝之后，传输效率保持恒定。考虑车体负荷，线圈匝数需要兼顾传输效率及车体载荷参数进行优化设计。

图5 无线供电系统仿真模型Fig.5 Wireless power supply system model

图6 距离与传输效率Fig.6 Distance and transmission efficiency

图7 线圈参数与传输效率Fig.7 Coil parameters and transmission efficiency

针对超级电容有轨电车的互感无线传能机构，建立轨道电缆与接收线圈之间的3D仿真模型，利用有限元软件进行仿真分析。

如图8所示为接收线圈与传输轨道间隙为100 mm时，磁场强度的矢量分布图，展现了该结构的磁路走向。由图8可知，当轨道电缆施加激励时，产生的磁场一部分耦合到了接收线圈上，实现了电能的传输；另一部分泄露到空气中形成了漏磁，且在轨道电缆与接收线圈之间的区域，磁场数值较大。

图8 磁场强度矢量分布Fig.8 Vector distribution of maqnetic field strength

3 缩比实验验证

受设备功率限制，实验平台不具备进行传输功率超过1 MV以上的无线传能实验，采用缩比的实验方法去验证该模型可适用于超级电容有轨电车的供电需求。

图9给出了系统实验平台的实物图。整套实验系统由系统电源：为平台提供实验所需的高频交流电、轨道电缆：充当发射线圈产生空间磁场、接收线圈：获取发射端电能、负载：进行电能转化，等部分组成。其中轨道电缆为类长椭圆形轨道，长度为1.6 m，宽度为0.18 m，接收线圈为圆形，共16匝由利磁线圈绕制而成，系统的实验频率定为500 kHz，实验的测量仪器选择由美国Agilent/安捷伦生产的DSOX2004A型示波器。

图9 实验平台Fig.9 Experimental platform

图10给出了系统在谐振频率工作时，接收端线圈在移动过程时绕组中电流和电压的波形。系统工作状态处于感性区域，可以很好地抑制电压波形发生畸变，进一步减少了电压在开关器件切换时产生的尖峰。

1为开关管驱动波形；2为开关管波形；3为系统供电电压；4为负载波形图10 实验波形Fig.10 Experimental waveform

图11 效率实验Fig.11 System efficiency experiment

图11给出了10次系统实验的系统效率情况。进行系统实验时，记录下负载端的相应参数，包括电流、电压、输入功率以及输出功率。由图11可知，随着充电电压的逐步增加，线圈间的效率保持在80%左右，与仿真数据存在10%的误差，且该系统具有良好的稳定性。

4 结论

研究了一种针对超级电容有轨电车无线传能装置的原型设计，在超级电容有轨电车的无线供电中有着良好的应用前景。

(1)初步研究结果表明：该无线传能装置的原型设计，在传输距离在0.1 m以内、接收线圈16匝的情况下，线圈间具有80%左右的理想传输效率，可用于超级电容有轨电车的实际供电。用无线传能技术与超级电容相结合的供电方式替代接触轨进行超级电容有轨电车的无接触供电具备可行性。

(2)区别于传统的接触轨式供电方法，提出了一种针对超级电容有轨电车的无线传能结构模型，解决了以往第三轨供电方式中电刷磨损、断轨产生电弧、摩擦发热量大等问题。进一步，未来可以研究激励信号频率、线圈半径、线圈形状等其他因素对该方法的影响。