基于港口岸电的多相紧耦合无线充电耦合装置及系统

技术领域

本发明涉及无线能量传输技术，具体地说，涉及一种基于港口岸电的多相紧耦合无线充电耦合装置及系统。

背景技术

随着我国经济的发展，交通运输、海上作业和旅游观光等行业发展越来越快，传统船舶采用燃油提供动力，其排放量大、污染重等特点严重阻碍了行业可持续发展。特别是船舶停靠港口作业期间，为了维持生产生活需要，就需要开动船上的辅助发电机发电以提供必要的动力，由此会产生大量的有害物质排放。根据统计，船舶靠港停泊期间由其辅助发电机所产生的碳排量占港口总排碳量的40％至70％，是影响港口及所在城市空气质量的重要因素。因此，为了降低船舶靠岸期间造成的污染，打造绿色港口，国内部分港口已经在推行船舶岸电技术。

船舶岸电充电装置是为了保证船舶在海上航行时各个用电设备能够正常工作，目前大部分系统都是采用的低压供电，因为其电源质量高，技术相对容易实现，且成本较低，成为目前国内大多数船舶岸电供电系统的首选。

然而，传统的船舶停靠码头时，都会进行系缆作业，固定船舶，当船舶需要充电时，通过岸上电缆连接即可为船舶供电，但是由于近岸设备所处环境空气潮湿，有线连接的方式容易造成接插件的磨损，易产生电火花，长期使用可能导致接触不良或是漏电，严重还可能造成船上设备短路损坏，甚至威胁工作人员的安全，因此对绝缘保护等级要求较高。此外，有线缆连接方式还存在零电位不同的风险，会导致船体和水发生电解作用，损坏船体。

相较于通过有线进行的充电方式，无线电能传输具有安全便捷，适应潮湿环境的优点，目前的无线电能传输的方式主要以磁场作为能量传输的介质，电感线圈将电能转换为磁能从发射端传递到接收端，然后转换为电能为电池充电，但用于船舶的无线电能传输系统传输效率易受以下两方面的影响：一是船舶容易波动移位，当发射端与接收端产生错位时，导致传输效率下降。此外，普通耦合机构磁场分布比较发散，单一线圈传输功率有限，而且容易对船舶上的电子设备产生电磁干扰，影响设备的正常运行甚至导致设备失效。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明首先提供一种基于港口岸电的多相紧耦合无线充电耦合装置，采用插拔式结构进行发射端与接收端的配合，限定耦合线圈的相对位置，避免传统船舶无线充电由于水流波动导致的原副边相对位置改变使得耦合机构互感变化和系统传输功率波动，耦合机构设置多个线圈，且磁场分布相对集中，有效避免能量传输过程中对其它电子设备造成干扰。

为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于港口岸电的多相紧耦合无线充电耦合装置，包括发射端和接收端，其关键在于：所述发射端设置呈矩形插槽结构，在所述矩形插槽结构的底面和四周侧面上分别设置一个发射线圈；所述接收端设置呈矩形插头结构，在所述矩形插头结构的顶面和四周侧面上分别设置一个接收线圈，所述矩形插头结构与所述矩形插槽结构的形状和尺寸相匹配，当所述矩形插头结构插入所述矩形插槽结构中时，每一个面上的发射线圈与对应的一个面上的接收线圈耦合实现无线能量传输。

可选地，在所述矩形插槽结构内部的每个角上倾斜设置有一块限位板，在所述矩形插头结构外侧的每个角上倾斜开设有一条与所述限位板相适应的限位槽。

可选地，所述矩形插槽结构和所述矩形插头结构的端部外轮廓呈正方形，所述限位板和所述限位槽在对应角落呈45°倾斜设置。

可选地，所述限位板采样铝质材料制作。

可选地，所述矩形插槽结构的槽口四周设置有内陷倾斜面，在所述内陷倾斜面上设置有卡接槽；所述矩形插头结构的后端设置有一圈凸沿，所述凸沿的四周的边壁面与所述矩形插槽结构的内陷倾斜面相适应，且在所述边壁面上设置有与所述卡接槽相匹配的卡接头。

可选地，所述矩形插槽结构的外部为铝质材料一体成型的槽体，在所述槽体的底面和四周侧面上均匀浇灌有绝缘防水层，所述发射线圈为平面螺旋线圈且埋设在对应面上的绝缘防水层中。

可选地，所述矩形插头结构的内部为铝质材料一体成型，在所述矩形插头结构的顶面和四周侧面上均匀浇灌有绝缘防水层，所述接收线圈为平面螺旋线圈且埋设在对应面上的绝缘防水层中。

可选地，每一个发射线圈接入独立的一相高频交流电源，相邻两相高频交流电源之间的相差为72°。

基于上述无线充电耦合装置，本发明还提供一种基于港口岸电的多相紧耦合无线充电系统，所述发射端设置有直流电源和多相高频逆变器，所述多相高频逆变器输出5路高频交流电源，相邻两相高频交流电源之间的相差为72°，每一相高频交流电源分别连接一路原边LCC谐振网络后送入对应的一个发射线圈中；每一个接收线圈分别连接有一路副边LCC谐振网络，在接收端还设置有副边整流机构和储能逆变器。

可选地，所述发射端安装在港口岸电充电箱中，所述接收端通过传输线缆连接在船舶用电设备上。

本发明的显著效果是：

(1)本发明设计的一种基于港口岸电的多相紧耦合无线充电耦合装置，既可以用于发射端与接收端的对准耦合充电，也可以作为船舶靠岸期间的系缆固定，占地面积小，操作便捷；

(2)通过设计插接式耦合装置，使发射端和接收端能够稳定进行磁耦合供电，无需电接触式的电缆接插即可为船舶供电，操作简单和安全可靠，避免了有线充电时拔插插头导致接插件磨损，产生电火花甚至接触不良、漏电等安全隐患。

(3)本发明采用多相紧耦合机构，可以在任何恶劣天气、任何潮湿环境下为船舶无线充电，提高了供电的可靠性，保证了人身和电网安全。

(4)相较于现有的平板式船舶无线充电系统由于船体在水中晃动和充电距离导致的充电效率低，功率波动大等问题，本发明提供的耦合机构能够有效确保发送端和接收端之间保持相对静止，充电稳定性高、功率波动小，充电效率极高，而且磁路闭合，电磁屏蔽效果好，能够有效避免影响周围的电子元件的正常工作。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明具体实施例中的系统连接关系图；

图2为本发明具体实施例中的多相紧耦合无线充电装置结构示意图；

图3为本发明具体实施例中发射端的结构示意图；

图4为本发明具体实施例中接收端的结构示意图；

图5为接收端展开状态的线圈分布关系图；

图6为本发明具体实施例中系统电路原理图。

图中标记：1-发射端、2-接收端、3-连接线缆、4-船舶、11-发射线圈、12-限位板、13-内陷倾斜面、14-卡接槽、21-接收线圈、22-限位槽、23-凸沿、24-卡接头。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本实施例针对港口岸电的应用场景提供一种基于港口岸电的多相紧耦合无线充电系统，可以在任何天气和环境下进行停岸船舶的无线充电，本系统中发射端1安装在港口岸电充电箱中，接收端2通过传输线缆3连接在船舶4的用电设备上。当船舶4靠岸停靠时，可以直接牵动传输线缆3并使接收端2插入发射端1中，既可以作为牵引线缆实现船舶的靠岸固定，又可以基于发射端1和接收端2之间的感应耦合实现无线电能传输。

为了更好的提升发射端1和接收端2之间的能量传输效率，本实施例提出了一种基于港口岸电的多相紧耦合无线充电耦合装置，如图2-图4所示，包括发射端1和接收端2；

通过图2和图3可以看出，发射端1设置呈矩形插槽结构，在矩形插槽结构的底面和四周侧面上分别设置一个发射线圈11，在矩形插槽结构内部的每个角上倾斜设置有一块限位板12，在矩形插槽结构的槽口四周设置有内陷倾斜面13，在内陷倾斜面13上设置有卡接槽14；

通过图2和图4可以看出，接收端2设置呈矩形插头结构，在矩形插头结构的顶面和四周侧面上分别设置一个接收线圈21，在矩形插头结构外侧的每个角上倾斜开设有一条限位槽22，矩形插头结构的后端设置有一圈凸沿23，凸沿23的四周的边壁面与矩形插槽结构的内陷倾斜面13相适应，且在边壁面上设置有与卡接槽14相匹配的卡接头24。

为了确保连接稳定并实现每个面上能量传输的均衡，具体实施时，矩形插头结构与矩形插槽结构的形状和尺寸相匹配，在本实施例中矩形插槽结构和矩形插头结构的端部外轮廓均呈正方形，且每个面上的相对面积相同，5个发射线圈均采用平面螺旋线圈，且尺寸和匝数相同；对应的5个接收线圈也采用平面螺旋线圈，且尺寸和匝数相同，以接收端2为例，其结构的展开状态如图5所示，当矩形插头结构插入矩形插槽结构中时，每一个面上的发射线圈11与对应的一个面上的接收线圈21耦合实现无线能量传输。

为了更好的实现每个面上线圈间的磁场聚集，限位板12和限位槽22在对应角落呈45°倾斜设置，且限位板12采样铝质材料制作，通过限位板12和限位槽22的结构设计，再配合卡接槽14和卡接头24的作用，可以确保接收端2稳定可靠的插接在发射端1中，维持每个相对面上发射线圈11和接收线圈21之间的相对距离，即使船体晃动也能维持耦合机构中各个线圈的相对静止，可以有效避免由于使用过程的碰撞或其他震动导致内部磁芯结构破碎或者能量线圈松动；同时利用铝质限位板12，针对四周侧面上的发射线圈11而言，每个发射线圈11的两侧等同于倾斜设置有一组屏蔽板，能够起到较好的磁场聚集效果，提升对应方向的能量传输效率，而且各个发射线圈的磁场不会互相扰乱，可以保障系统的可靠性。

为了进一步降低系统传输能量时对其它电子设备的影响，矩形插槽结构的外部为铝质材料一体成型的槽体，矩形插头结构的内部也为铝质材料一体成型，利用铝质板材的磁屏蔽效果有效避免系统露磁。

为了减少海边的海风对结构的腐蚀，并提升设备的防护性能，在槽体的底面和四周侧面上均匀浇灌有绝缘防水层，发射线圈11为平面螺旋线圈且埋设在对应面上的绝缘防水层中，对应的在矩形插头结构的顶面和四周侧面上也均匀浇灌有绝缘防水层，接收线圈21也为平面螺旋线圈且埋设在对应面上的绝缘防水层中。

由于耦合装置中设置有5组耦合线圈，对应形成5V5耦合机构，本实施例中采用多相传输方式，每一个发射线圈接入独立的一相高频交流电源，相邻两相高频交流电源之间的相差为72°。

结合上述无线充电耦合装置结构的描述，如图6示出了本实施例提供的一种基于港口岸电的多相紧耦合无线充电系统，通过图6可以看出，系统中发射端设置有直流电源和多相高频逆变器，所述多相高频逆变器输出5路高频交流电源，相邻两相高频交流电源之间的相差为72°，每一相高频交流电源分别连接一路原边LCC谐振网络后送入对应的一个发射线圈中；每一个接收线圈分别连接有一路副边LCC谐振网络，在接收端还设置有副边整流机构和储能逆变器。

将发射端安装在港口岸电充电箱中，将接收端通过传输线缆连接在船舶用电设备上，通过多相紧耦合无线充电耦合装置能够实现大功率无线电能传输，满足靠岸船舶快速充电需求。

最后需要说明的是，以上所揭露的技术方案仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。