專利名稱：用于地下隧道的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置及充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于地下隧道的充電裝置及充電方法，尤其涉及一種用于地下隧道的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置及充電方法。
背景技術(shù)：
在煤礦礦井、下水道和電力隧道等很多地下隧道場合，迫切需要一些軌道式大移動范圍視頻監(jiān)控設(shè)備。但是移動視頻監(jiān)控設(shè)備的電源供給成了制約了該類產(chǎn)品進(jìn)入實用階段的障礙。在目前已有的這類軌道式視頻監(jiān)控設(shè)備中，電源供給主要有如下幾種方案(1)尾拖供電電纜方式供電；(2)采用滑觸線和集電器供電；(3)采用電流互感器感應(yīng)供電。上述三種供電方式在用于地下隧道時，均存在各自無法正常、安全運行的缺陷(I)對于尾拖供電電纜方式供電，其主要缺點是移動范圍有限，原因是軌道車負(fù)載隨軌道度增加而增力口，隨著負(fù)載增加，對軌道、供電電纜、軌道車的驅(qū)動能力、軌道車重量以及功耗都會有較大的增加，最終導(dǎo)致長距離下實用性大幅度降低；(2)對于滑觸線和集電器供電方式，其主要缺點是不能做到防爆，在礦井、下水道和電力隧道等場合使用存在巨大風(fēng)險，原因是這些場合隨時可能出現(xiàn)CO、CH4、H2S等可燃?xì)怏w，而滑觸線和集電器這種非可靠連接的供電方式可能會由于接觸不良產(chǎn)生火花、導(dǎo)致爆炸；(3)對于電流互感器感應(yīng)供電方式，其主要缺點是輸出功率小、性價比低，原因是當(dāng)前這種供電方式在一次側(cè)電流高達(dá)50A以上的時候，互感器輸出功率僅僅只有8W，一方面，8W的功率不足以驅(qū)動軌道視頻監(jiān)控車，另一方面，如此大的電流，配件和施工成本也是非常不菲，另外，電流互感器感應(yīng)供電方式，一旦出現(xiàn)一次側(cè)開路或二次側(cè)會出現(xiàn)超高電壓，有人身和設(shè)備安全的風(fēng)險。綜上，現(xiàn)有軌道式視頻監(jiān)控設(shè)備還無法在地下隧道中正常、安全使用，這與迫切需 要一些軌道式大移動范圍視頻監(jiān)控設(shè)備的實際需求形成矛盾。但目前還沒有解決上述問題的技術(shù)方案在專利和非專利文獻(xiàn)中報道，更沒有解決上述問題的技術(shù)方案被應(yīng)用的先例。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種用于地下隧道的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置及充電方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案本發(fā)明所述用于地下隧道的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置，包括保護(hù)電路、初級電感、次級電感、整流濾波電路和充電管理電路，所述保護(hù)電路的輸入端為交流電源輸入端，所述保護(hù)電路的輸出端與所述初級電感的輸入端連接，所述初級電感與所述次級電感之間通過電磁感應(yīng)連接，所述次級電感的輸出端與所述整流濾波電路的輸入端連接，所述整流濾波電路的輸出端與所述充電管理電路的輸入端連接，所述充電管理電路的輸出端為充電輸出端；所述保護(hù)電路和所述初級電感均為多個，多個所述初級電感分別與所述地下隧道內(nèi)的軌道固定連接，多個所述初級電感在所述軌道的軸向方向上依次排列；所述次級電感、所述整流濾波電路和所述充電管理電路安裝于被充電車上。在被充電車需要充電時，被充電車移動到軌道上靠近初級電感的位置，此時初級電感與次級電感之間的距離越近越好；軌道上的初級電感將交流電轉(zhuǎn)換為磁，被充電車上的次級電感將磁轉(zhuǎn)換為交流電。初級電感和次級電感組成一個220V50HZ線性變壓器，實現(xiàn)非接觸式的短距離的電能傳輸。次級電感將感應(yīng)得到的交流電通過整流濾波電路變成直流電，再在充電管理電路的控制下給被充電車的電池充電。保護(hù)電路用于進(jìn)行線路短路保護(hù)，具體為串聯(lián)連接于火線的可恢復(fù)保險絲。采用多個保護(hù)電路和初級電感，能夠在其中一個保護(hù)電路和/或初級電感出問題時，采用其它的保護(hù)電路和初級電感進(jìn)行充電，確保系統(tǒng)正常工作。所述軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置還包括用于遮擋紅外線的定位擋片、紅外線發(fā)射管和紅外線接收管，所述定位擋片為多個，多個所述定位擋片分別與所述軌道固定連接，多個所述定位擋片在所述軌道的軸向方向上依次排列；所述紅外線發(fā)射管和所述紅外線接收管安裝于所述被充電車上。 具體地，所述充電管理電路包括微控制器、電壓采樣調(diào)理電路、電流采樣調(diào)理電路、驅(qū)動電路和降壓電路，所述電壓采樣調(diào)理電路的輸入端和所述電流采樣調(diào)理電路的輸入端分別與被充電池的電源輸出端連接，所述電壓采樣調(diào)理電路的輸出端和所述電流采樣調(diào)理電路的輸出端分別與所述微控制器的電池信號輸入端連接，所述微控制器的控制輸出端與所述驅(qū)動電路的輸入端連接，所述驅(qū)動電路的輸出端與所述降壓電路的控制輸入端連接，所述降壓電路的電源輸入端與所述整流濾波電路的輸出端連接，所述降壓電路的電源輸出端與所述被充電池的電源輸入端連接。降壓電路受微控制器的控制并起到開關(guān)和提供低壓穩(wěn)壓電源的作用。更具體地，所述降壓電路包括開關(guān)電路和續(xù)流濾波電路，所述開關(guān)電路的控制輸入端與所述驅(qū)動電路的輸出端連接，所述開關(guān)電路的電源輸入端與所述整流濾波電路的輸出端連接，所述開關(guān)電路的電源輸出端與所述續(xù)流濾波電路的輸入端連接，所述續(xù)流濾波電路的輸出端與所述被充電池的電源輸入端連接。工作時，整流濾波電路輸出的直流電源經(jīng)過由開關(guān)電路、續(xù)流濾波電路組成的降壓電路進(jìn)行降壓，輸出到被充電池兩側(cè)給電池充電；然后電壓采樣調(diào)理電路將電池電壓進(jìn)行采集、濾波、放大后反饋到微控制器，同理，電流采樣調(diào)理電路將電池電流采樣、放大、濾波后反饋到微控制器，微控制器通過內(nèi)置的10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，再經(jīng)過運算處理，調(diào)節(jié)輸出的PWM即脈寬調(diào)制信號的占空比，實現(xiàn)調(diào)節(jié)降壓電路輸出電壓值，以滿足電池充電過程中的電壓、電流控制需要。在這個電路中，驅(qū)動電路用于加速MOS管開關(guān)速度，保證PWM波形上升、下降邊沿時間盡量短，使MOS管盡量不要工作在線性區(qū)，減少MOS管發(fā)熱和提高電路的效率。本發(fā)明所述軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置采用的充電方法，通過所述充電管理電路實現(xiàn)，包括以下步驟(I)獲得開始充電信號；(2)開始充電；(3)恒流充電；(4)判斷電池電壓是否大于14. 4V，如果是，則進(jìn)入步驟(5)，如果不是，則返回步驟(3);(5)恒壓充電；
(6)判斷充電電流是否小于0. 05A，如果是，則進(jìn)入步驟(7)，如果不是，則返回步驟(5); (7)充電結(jié)束。作為優(yōu)選，所述步驟(I)中所述獲得開始充電信號的方法為將定位擋片與所述軌道固定連接，在所述被充電車上安裝紅外線發(fā)射管和紅外線接收管，當(dāng)所述紅外線發(fā)射管和所述紅外線接收管之間的紅外線被所述定位擋片擋住時，所述充電管理電路獲得開始充電信號。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明實現(xiàn)了非接觸式高效充電，避免了隧道中接觸充電火花導(dǎo)致爆炸的安全事故，能夠?qū)崿F(xiàn)軌道式視頻監(jiān)控設(shè)備在地下隧道中的正常、安全使用，具體體現(xiàn)為(I)本發(fā)明所述充電裝置可以用于長距離軌道小車充電，解決了拖線供電方式范圍有限的問題；(2)本發(fā)明所述充電裝置采用感應(yīng)供電方式，不會因接觸問題產(chǎn)生火星，完全滿足防爆的要求，能夠在可燃?xì)怏w環(huán)境下工作；
( 3 )本發(fā)明所述充電裝置的電源轉(zhuǎn)換效率高，一次側(cè)不需要通過大電流，對電源設(shè)備和電源電纜要求降低，成本低廉；(4)本發(fā)明所述充電裝置使用分布式初級電感即感應(yīng)充電點的方式，且可以隨時就近充電，能夠降低電池容量，減小被充電車即軌道車及軌道的重量；(5)本發(fā)明所述充電裝置采用多個初級電感，實現(xiàn)了初級電感的冗余備份，個別初級電感的損壞不影響系統(tǒng)正常工作；(6)本發(fā)明所述充電裝置成本低廉，實現(xiàn)簡單采用分布式充電點，無需大電流發(fā)生器、大電流電纜等昂貴設(shè)備、材料；(7)本發(fā)明所述充電裝置通過采用短路保護(hù)和初級分體式變壓器，不會因為短路、斷路等出現(xiàn)超高壓，帶來設(shè)備、人身安全隱患。


圖I是本發(fā)明所述軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所述軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置的電路框圖；圖3是本發(fā)明所述軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置的供電結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明所述充電管理電路的電路結(jié)構(gòu)框圖；圖5是本發(fā)明所述充電管理電路的電路圖；圖6是本發(fā)明所述充電方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步具體描述如圖I和圖2所示，本發(fā)明所述用于地下隧道的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置，包括保護(hù)電路、初級電感2、次級電感、整流濾波電路、充電管理電路、定位擋片3、紅外線發(fā)射管(圖中未示出)和紅外線接收管(圖中未示出)，保護(hù)電路的輸入端為交流電源輸入端，與交流電線I連接，保護(hù)電路的輸出端與初級電感2的輸入端連接，初級電感2與次級電感之間通過電磁感應(yīng)連接，次級電感的輸出端與整流濾波電路的輸入端連接，整流濾波電路的輸出端與充電管理電路的輸入端連接，充電管理電路的輸出端為充電輸出端，與被充電車5
的電池連接；保護(hù)電路和初級電感2均為多個，保護(hù)電路和初級電感2之間為--對應(yīng)關(guān)
系，多個初級電感2分別與地下隧道內(nèi)的軌道4固定連接，多個初級電感2在軌道4的軸向方向上依次排列；次級電感、整流濾波電路和充電管理電路安裝于被充電車5上；定位擋片3用于遮擋紅外線，定位擋片3為多個，多個定位擋片3分別與軌道4固定連接，多個定位擋片3在軌道4的軸向方向上依次排列；所述紅外線發(fā)射管和所述紅外線接收管安裝于被充電車5上。整流濾波電路采用常規(guī)全橋整流電路和電容濾波電路即可，在此不再贅述。如圖3所示，保護(hù)電路用于進(jìn)行線路短路保護(hù)，具體為串聯(lián)連接于火線L的可恢復(fù)保險絲F，包括F1、F2、…、Fn。圖3中的L11、L12、…、Lln分別與圖I中的多個初級電感2對應(yīng)，在同一時間，始終只有一個初級電感2即LU、L12、…、Lln中的一個與次級電感L21相接近，進(jìn)行電磁感應(yīng)傳輸電能 。如圖I、圖2和圖3所示，本發(fā)明所述充電裝置的分體式變壓器即初級電感和次級電感的設(shè)計步驟如下I、確定輸出功率；2、選擇合適的初、次級線圈的鐵芯；3、計算初、級線圈匝數(shù)、線徑和每匝電壓；4、計算次、級線圈匝數(shù)、線徑和每匝電壓；5、軌道車設(shè)計的時候嚴(yán)格控制軌道車停車充電時初、次級之間的距離。如圖4所示，充電管理電路包括微控制器、電壓采樣調(diào)理電路、電流采樣調(diào)理電路、驅(qū)動電路、開關(guān)電路和續(xù)流濾波電路，電壓采樣調(diào)理電路的輸入端和電流采樣調(diào)理電路的輸入端分別與被充電池即軌道小車電池的電源輸出端連接，電壓采樣調(diào)理電路的輸出端和電流采樣調(diào)理電路的輸出端分別與微控制器的電池信號輸入端即兩個ADC端連接，微控制器的控制輸出端即PWM端與PMOS驅(qū)動電路的輸入端連接，PMOS驅(qū)動電路的輸出端與MOSFET開關(guān)電路的控制輸入端連接，MOSFET開關(guān)電路的電源輸入端與整流濾波電路的輸出端連接，MOSFET開關(guān)電路的電源輸出端與續(xù)流濾波電路的輸入端連接，續(xù)流濾波電路的輸出端與被充電池即軌道小車電池的電源輸入端連接。如圖4所示，工作時，整流濾波電路輸出的直流電源經(jīng)過由MOSFET開關(guān)電路即金氧半場效晶體管電路、續(xù)流濾波電路組成的BUCK降壓電路即降壓式變換電路進(jìn)行降壓，輸出到被充電池兩側(cè)給被充電池即軌道小車電池充電；然后電壓采樣調(diào)理電路將軌道小車電池的電壓信號進(jìn)行采集、濾波、放大后反饋到微控制器的ADC即數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端，同理，電流采樣調(diào)理電路將軌道小車電池的電流信號采樣、放大、濾波后反饋到微控制器的ADC端，微控制器通過內(nèi)置的10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，再經(jīng)過運算處理，調(diào)節(jié)輸出的PWM波占空比，實現(xiàn)調(diào)節(jié)BUCK降壓電路輸出電壓值的功能，以滿足軌道小車電池充電過程中的電壓、電流控制需要。在這個電路中，PMOS驅(qū)動電路用于加速MOSFET開關(guān)電路中的MOS管開關(guān)速度，保證PWM波形上升、下降邊沿時間盡量短，使MOS管盡量不要工作在線性區(qū)，減少MOS管發(fā)熱和提高電路的效率。如圖5所示，充電管理電路的具體工作過程如下其中Ul即圖4中微控制器是一個單片微控制器，U2是一個對射式紅外線光電對管，當(dāng)軌道車不在充電點時，U2紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外線射向接收管，U2接收管導(dǎo)通，Ul的INTO腳輸入為低電平，當(dāng)軌道小車到達(dá)充電點時，軌道上的定位擋片擋住U2發(fā)射管側(cè)發(fā)出的紅外線，接收管截止，Ul的INTO腳輸入為高電平，通過INTO腳電平的高低變化即可獲知到達(dá)充電點。Ql、Rl、R2、R3、Q2、Q3、Q4、D5、L22、C3、C4組成一個BUCK降壓電路，Ul輸出PWM信號控制BUCK降壓電路輸出電壓給電池充電，UlA構(gòu)成一個差分放大器，將軌道小車電池的電壓返回給U1，而R4則用于采集流過軌道小車電池的電流，經(jīng)UlB組成的放大電路放大后返回給U1，U1通過內(nèi)部10位ADC轉(zhuǎn)換器對軌道小車電池的電流電壓進(jìn)行量化采樣，同時再控制PWM輸出，實現(xiàn)電池的恒流、恒壓充電。軌道小車電池BI為4串磷酸鐵鋰電池，其單體充電截止電壓為3. 6V，放電截止電壓為2V，磷酸鐵鋰電池相對于普通鋰離子電池和聚合物鋰離子電池，使用過程中無需額夕卜加平衡電路，直接串充即可。如圖4和圖5所示，充電管理電路中，PMOS驅(qū)動電路是影響電路可靠性的一個關(guān)鍵因素，采用圖5的電路實測，通過選擇不同的R2值，可實現(xiàn)MOS管GATE端上下邊沿小于IOOns ;實驗數(shù)據(jù)如下
權(quán)利要求
1.一種用于地下隧道的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置，其特征在于包括保護(hù)電路、初級電感、次級電感、整流濾波電路和充電管理電路，所述保護(hù)電路的輸入端為交流電源輸入端，所述保護(hù)電路的輸出端與所述初級電感的輸入端連接，所述初級電感與所述次級電感之間通過電磁感應(yīng)連接，所述次級電感的輸出端與所述整流濾波電路的輸入端連接，所述整流濾波電路的輸出端與所述充電管理電路的輸入端連接，所述充電管理電路的輸出端為充電輸出端；所述保護(hù)電路和所述初級電感均為多個，多個所述初級電感分別與所述地下隧道內(nèi)的軌道固定連接，多個所述初級電感在所述軌道的軸向方向上依次排列；所述次級電感、所述整流濾波電路和所述充電管理電路安裝于被充電車上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于地下隧道的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置，其特征在于所述軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置還包括用于遮擋紅外線的定位擋片、紅外線發(fā)射管和紅外線接收管，所述定位擋片為多個，多個所述定位擋片分別與所述軌道固定連接，多個所述定位擋片在所述軌道的軸向方向上依次排列；所述紅外線發(fā)射管和所述紅外線接收管安裝于所述被充電車上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于地下隧道的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置，其特征在 于所述充電管理電路包括微控制器、電壓采樣調(diào)理電路、電流采樣調(diào)理電路、驅(qū)動電路和降壓電路，所述電壓采樣調(diào)理電路的輸入端和所述電流采樣調(diào)理電路的輸入端分別與被充電池的電源輸出端連接，所述電壓采樣調(diào)理電路的輸出端和所述電流采樣調(diào)理電路的輸出端分別與所述微控制器的電池信號輸入端連接，所述微控制器的控制輸出端與所述驅(qū)動電路的輸入端連接，所述驅(qū)動電路的輸出端與所述降壓電路的控制輸入端連接，所述降壓電路的電源輸入端與所述整流濾波電路的輸出端連接，所述降壓電路的電源輸出端與所述被充電池的電源輸入端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于地下隧道的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置，其特征在于所述降壓電路包括開關(guān)電路和續(xù)流濾波電路，所述開關(guān)電路的控制輸入端與所述驅(qū)動電路的輸出端連接，所述開關(guān)電路的電源輸入端與所述整流濾波電路的輸出端連接，所述開關(guān)電路的電源輸出端與所述續(xù)流濾波電路的輸入端連接，所述續(xù)流濾波電路的輸出端與所述被充電池的電源輸入端連接。
5.一種如權(quán)利要求I所述的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置采用的充電方法，通過所述充電管理電路實現(xiàn)，其特征在于包括以下步驟(I)獲得開始充電信號；(2)開始充電；(3)恒流充電；(4)判斷電池電壓是否大于14. 4V，如果是，則進(jìn)入步驟(5)，如果不是，則返回步驟(3) ;(5)恒壓充電；(6)判斷充電電流是否小于0. 05A，如果是，則進(jìn)入步驟(7)，如果不是，則返回步驟(5) ;(7)充電結(jié)束。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的充電方法，其特征在于所述步驟(I)中所述獲得開始充電信號的方法為將定位擋片與所述軌道固定連接，在所述被充電車上安裝紅外線發(fā)射管和紅外線接收管，當(dāng)所述紅外線發(fā)射管和所述紅外線接收管之間的紅外線被所述定位擋片擋住時，所述充電管理電路獲得開始充電信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于地下隧道的軌道分布式電磁感應(yīng)充電裝置，包括保護(hù)電路、初級電感、次級電感、整流濾波電路和充電管理電路，保護(hù)電路的輸入端為交流電源輸入端，初級電感與次級電感之間通過電磁感應(yīng)連接，充電管理電路的輸出端為充電輸出端；保護(hù)電路和初級電感均為多個，多個初級電感分別與地下隧道內(nèi)的軌道固定連接并依次排列；次級電感、整流濾波電路和充電管理電路安裝于被充電車上。本發(fā)明還公開了一種充電方法，包括以下步驟獲得開始充電信號；開始充電；恒流充電；判斷電池電壓大于14.4V時開始恒壓充電；判斷充電電流小于0.05A時充電結(jié)束。本發(fā)明實現(xiàn)了非接觸式高效充電，避免了隧道中接觸充電火花導(dǎo)致爆炸的安全事故。
文檔編號H02J17/00GK102723787SQ201210159968
公開日2012年10月10日 申請日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者宋暉, 李金波, 楊莉君, 賈澄科, 鮮開義 申請人:成都慧拓自動控制技術(shù)有限公司