CN107276242B - 用于卫星上的非接触式能量传输装置及方法 - Google Patents

用于卫星上的非接触式能量传输装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种用于卫星上的非接触式能量传输装置及方法，所述用于卫星上的非接触式能量传输装置包括：谐振式磁耦合变压器、初级控制装置及次级控制装置；所述谐振式磁耦合变压器，包括：初级线圈及次级线圈；所述初级线圈与所述次级线圈之间通过磁耦合进行无线能量的传输；所述初级控制装置，与所述初级线圈连接，用于将输入直流转换所述初级线圈所需的脉冲电流，并将所述脉冲电流输入到所述初级线圈，并通过控制所述脉冲电流的频率使所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率；所述次级控制装置，与所述次级线圈相连，用于将所述次级线圈通过磁耦合从所述初级线圈接收的为交流的次级电流转换成输出直流电输出。

Description

用于卫星上的非接触式能量传输装置及方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及用于卫星上的非接触式能量传输装置及方法。
背景技术
非接触式能量传输装置，是通过无线的交变电磁场的方式进行能量传输的装置。目前卫星上常用的在相对运动的两部分之间传输电能的方案为滑环方案，通过电刷和滑环在两部分之间传输能量。这种方式传输功率较高，但两部分之间存在直接接触，长时间使用存在电刷磨损，产生金属碎屑等问题，严重影响系统可靠性。
在非接触式能量传输领域，现有技术中常见的无线能量传输装置包括以下三种：
第一种：磁耦合式的非接触式能量传输装置，但是这种方式通常会有能量外泄，有潜在干扰周边其他电子设备的可能，线圈耦合系数低，从而导致能量传输效率低。
第二种：电感谐振耦合式，相比磁耦合式，由于初级和次级工作频率自身谐振，故对周边设备的干扰较小，但是还是存在着严重的能量外泄及传输效率低的问题。
第三种：采用分离变压器式的非接触式能量传输装置，具体为初级和次级之间具有一定间隙的变压器进行能量传输，传输效率有所提高，但是由于自身间隙的问题，导致漏磁问题严重。
以上三种方式均存在能量外泄的问题，不利于提高传输效率，并且由于卫星上设备安装紧凑，设备间空间耦合较大，受重量空间限制，不易实施屏蔽措施，外漏磁场容易对星上其他设备产生影响，不适合应用于卫星系统。
综上所述，现有技术中使用的无线能量传输装置，要不存在着能量传输效率低、要不就存在能量外泄或漏磁等问题，故提出一种能量传输效率高且能量外泄低及漏磁率低的无线能量传输装置，是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供用于卫星上的非接触式能量传输装置及方法，以解决上述问题的至少其中之一。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例第一方面提供一种用于卫星上的非接触式能量传输装置，包括：谐振式磁耦合变压器、初级控制装置及次级控制装置；
所述谐振式磁耦合变压器，包括：初级线圈及次级线圈；所述初级线圈与所述次级线圈之间通过磁耦合进行无线能量的传输；
所述初级控制装置，与所述初级线圈连接，用于将输入直流转换所述初级线圈所需的脉冲电流，并将所述脉冲电流输入到所述初级线圈，并通过控制所述脉冲电流的频率使所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率；
所述次级控制装置，与所述次级线圈相连，用于将所述次级线圈通过磁耦合从所述初级线圈接收的为交流的次级电流转换成输出直流电输出。
基于上述方案，所述初级控制装置，还用于将待传输的数据转化成调制序列，基于所述调制序列对待输入到所述初级线圈的预备脉冲电流进行调制，形成调制后的脉冲电流；
所述次级控制装置，还用于从所述次级线圈输出的为交流的次级电流上提取所述数据。
基于上述方案，所述谐振式磁耦合变压器，还包括：第一磁芯和第二磁芯；
所述第一磁芯及所述第二磁芯均包括：一个环状体；所述环状体一端封闭形成封闭端端面，另一端开口形成开口端面；
所述初级线圈的起始端的所在平面及终止端的所在平面，均与所述第一磁芯的开口端面平齐；
所述次级线圈的起始端的所在平面及终止端的所在平面，均与所述第二磁芯的开口端面平齐。
基于上述方案，所述初级控制装置包括：主控制器、电压整形检测电路、电流检测电路、逆变电路；
所述主控制器，一端与所述逆变驱动电路相连，用于产生输入到所述逆变电路的初级控制信号；
所述逆变电路，与所述主控制器连接，用于根据所述初级控制信号，通过控制自身的开关状态将输入直流转换为所述脉冲电流；
所述电流检测电路，与所述主控制器相连，用于采集所述初级线圈的初级电流，获得传输给所述主控制器的电流采样信号；
所述电压整形检测电路，与所述主控制器相连，用于采集所述初级线圈的初级电压，获得传输给所述主控制器的电压采样信号；
所述主控制器，还用于根据所述电流采样信号及所述电压采样信号，调整控制所述脉冲电流的输出。
基于上述方案，所述电流检测电路，包括：与所述初级线圈连接的电阻及电容；所述电阻用于在第一时段对所述初级线圈的初级电流进行采样，在第二时段断开与所述初级线圈的连接，利用电容在所述第一时段存储的电能对外提供所述电流采样信号。
基于上述方案，所述逆变电路包括：功率驱动电路及高频开关；
所述功率驱动电路，与所述主控制器相连，用于放大所述初级控制信号，并将放大后的所述初级控制信号输入到所述高频开关；
所述高频开关，用于根据所述放大后的初级控制信号，所述输入直流转换脉冲电流。
基于上述方案，所述次级控制装置，包括：整流滤波电路、充放电电路及次级控制器；
所述整流滤波电路，与所述次级线圈相连，用于将所述次级线圈输出的所述为交流的次级电流整流成输出直流；
所述次级控制器，用于根据负载所需的功率及所述用于卫星上的非接触式能量传输装置的系统状态，产生次级控制信号；
所述充放电电路，输入端与所述整流滤波电路相连，输出端与负载相连，控制端与所述次级控制器相连，用于接收所述输出直流，并基于次级控制信号在所述初级线圈提供的输出功率大于负载所需的功率时，进行充电，用于在所述初级线圈提供的输出功率小于所述负载所需的功率进行放电，以向所述负载输出的直流电信号。
基于上述方案，所述次级控制器，还用于从所述为交流的次级电流上提取数据。
本发明实施例第二方面提供一种用于卫星上的非接触式能量传输方法，包括：
利用初级控制装置，将输入直流转换成谐振式磁耦合变压器的初级线圈所需的脉冲电流，并使通过控制所述脉冲电流的频率使所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率；
所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率，且所述初级线圈通过磁耦合向所述谐振式磁耦合变压器的次级线圈传输能量，使得所述次级线圈上产生为交流的次级电流；
次级控制装置将所述次级电流转换输出直流输出。
基于上述方案，所述利用初级控制装置，将输入直流转换成谐振式磁耦合变压器的初级线圈所需的脉冲电流，并使通过控制所述脉冲电流的频率使所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率，包括：
利用初级控制装置，设置输出到所述谐振式磁耦合变压器的初级线圈的脉冲电流的信号参数，其中，所述信号参数至少包括：占空比；频率；
对所述初级线圈的初级电流进行采样，获得电流采样信号；
对所述初级线圈的初级电压进行采样，获得电压采样信号；
根据所述电流采样信号及所述电压采样信号，调整初级控制信号；
根据所述初级控制信号，将输入直流转换成所述脉冲电流，并将调整后的所述脉冲电流输入到所述初级线圈；
所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率，且所述初级线圈通过磁耦合向所述谐振式磁耦合变压器的次级线圈传输能量，使得所述次级线圈上产生为交流的次级电流，包括：
所述初级线圈在接收到所述脉冲电流后产生所述初级电流，并通过磁耦合将能量，传输给所述谐振式磁耦合变压器的次级线圈，使得所述次级线圈上形成次级电流；
所述次级控制装置将所述次级电流转换输出直流输出，包括：
利用次级控制装置的整流滤波对所述次级电流进行滤波整理，转换成输出直流，输入到所述次级控制装置的充放电电路；
所述次级控制装置的次级控制器根据负载所需的功率及用于卫星上的非接触式能量传输装置的工作状态，产生次级控制信号；
所述充放电电路，根据所述次级控制信号，在所述初级线圈提供的输出功率大于负载所需的功率时，进行充电，用于在所述初级线圈提供的输出功率小于所述负载所需的功率进行放电，以向所述负载输出的直流电信号。
本发明实施例提供的用于卫星上的非接触式能量传输装置及方法，在进行电能的无线传输时，首先会采用谐振式磁耦合变压器进行初级线圈和次级线圈之间的磁耦合式的能量传输，且由于谐振式磁耦合变压器工作在谐振状态，在谐振状态所述谐振式磁耦合变压器自身的传输损耗小，初级线圈和次级线圈之间的耦合系数高，能量外泄少，故具有传输转换率高的特点；且由于耦合系数高，漏磁现象轻微，且不产生干扰周边设备的较强的交变磁场，故具有不仅能量传输效率高，且具有能量外泄少及漏磁现象轻微的特点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于卫星上的非接触式能量传输装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的初级控制装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的次级控制装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种用于卫星上的非接触式能量传输方法的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种初级控制装置的工作流程示意图；
图6为本发明实施例提供的一种谐振式磁耦合变压器的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种磁芯的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种次级控制装置的工作流程示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细阐述。
如图1所示，本实施例提供一种用于卫星上的非接触式能量传输装置，包括：谐振式磁耦合变压器110、初级控制装置120及次级控制装置130；
所述谐振式磁耦合变压器110，包括：初级线圈及次级线圈；所述初级线圈与所述次级线圈之间通过磁耦合进行无线能量的传输；
所述初级控制装置120，与所述初级线圈连接，用于将输入直流转换所述初级线圈所需的脉冲电流，并将所述脉冲电流输入到所述初级线圈，并通过控制所述脉冲电流的频率使所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率；
所述次级控制装置130，与所述次级线圈相连，用于将所述次级线圈通过磁耦合从所述初级线圈接收的为交流的次级电流转换成输出直流电输出。
在本实施例中所述用于卫星上的非接触式能量传输装置，采用进行无线能量传输的主体结构为谐振式磁耦合变压器，所述谐振式磁耦合变压器为工作在谐振频率，且初级线圈和次级线圈之间通过磁耦合进行能量传输的变压器。
在本实施例中采用谐振式磁耦合变压器110的非接触式的能量传输装置，还分别引入了初级控制装置及次级控制装置，初级控制装置可通过控制所述初级线圈的脉冲电流的信号参数，例如，脉冲的占空比和/或交流频率，使得所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率，从而能够提高初级线圈和次级线圈的耦合系数，进而减少因为不能工作在谐振频率导致的能量损耗大及传输效率低的问题。且在本实施例中提供的用于卫星上的非接触式能量传输装置的能量外泄率低，且漏磁现象少的特点。
在本实施例中所述脉冲电流为：包括传输部分和空白部分；在所述空白部分没有电流，在所述传输部分和空白部分的时间之和为一个传输周期，传输部分传输频率为传输周期倒数的2π倍的交流电。故在本实施例中通过控制将输入直流转换后的脉冲电流的占空比，及交流频率，使得整个装置工作在谐振频率上。所述占空比可为：一个传输周期内，空白部分占用的时长与一个周期总时间的时长比。
可选地，所述初级控制装置120，还用于将待传输的数据转化成调制序列，基于所述调制序列对待输入到所述初级线圈的预备脉冲电流进行调制，形成调制后的脉冲电流；
所述次级控制装置130，还用于从所述次级线圈输出的为交流的次级电流上提取所述数据。
在本实施例中所述用于卫星上的非接触式能量传输装置，还可以用于在需要复用为进行数据传输，则根据数据生成调制序列，然后将所述调制序列调整到所述脉冲电流上，从而形成输入到初级线圈的脉冲交流电路。
在本实施例中基于调制序列进行调制的方式，包括：频移键控，通过调整传输部分的各个子部分的传输频率，将调制序列调整到所述预备脉冲电流上。例如，所述预备交流电流在传输部分可由一个个半周期的正弦电流或余弦电流组成，若将半个周期的正弦电流视为一个电流方向不变的电流周期，则在传输部分上各处的频率都一致的，而基于调制序列进行调制之后，所述传输部分的交流频率至少存在两种，一种频率对应于调制序列中的数字“0”，另一种频率对应于调制序列中的数字“1”。
在一些实施例中所述基于调制序列进行调制，还可包括：幅度调制，这样的话，所述传输部分的多个交流载波的最大幅度至少存在两种，以传输调制序列中的“0”及“1”等。
当然，所述调制方式还可包括：相位调整等，在不改变传输部分的交流电的最大幅度及交流频率的状况下，仅修改多个周期的初始相位，实现所述调制序列的加载，从而实现数据的传输。
所述次级控制装置，在次级线圈获得与初级线圈中初级电流的次级电流之后，通过对应的解调方式，可以从所述次级电流上提取所述数据。在本实施例中所述初级电流就为所述脉冲电流。
这里的数据可为各种类型的数据，例如，可包括：用于通信同步的同步数据，也可以用于进行业务传输的业务数据和/或控制指令。在本实施例中所述用于卫星上的非接触式能量传输装置，可用于卫星内的无线能量传输及通信装置。所述初级控制装置可与卫星的卫星平台的平台总线相连，用于接收传输的业务数据和/或控制指令；所述次级控制装置可与卫星载荷的载荷总线相连，用于将所述业务数据和/或控制指令传输给卫星载荷。
可选地，所述谐振式磁耦合变压器110，还包括：第一磁芯和第二磁芯；
所述第一磁芯及所述第二磁芯均包括：一个环状体；所述环状体一端封闭形成封闭端端面，另一端开口形成开口端面。所述第一磁芯和所述第二磁芯的形状为杯子状或筒状的磁芯。
所述初级线圈的起始端的所在平面和终止端的所在平面，均与所述第一磁芯的开口端面平齐，所述初级线圈的终止端所在平面与所述第一磁芯的开口端面平齐；
所述次级线圈的起始端的所在平面及终止端的所在平面，均与所述第二磁芯的开口端面平齐。
在具体的实现过程中，所述初级线圈可以绕在所述第一磁芯上，所述起始端从所述第一磁芯的开口端口开始在所述第一磁芯上缠绕，缠绕封闭端面又往开口端面缠绕，一直到所述终止端所在平面与所述开口端面平齐。同样地，所述次级线圈可以绕在所述第二磁芯上，所述起始端从所述第二磁芯的开口端口开始在所述第二磁芯上缠绕，缠绕封闭端面又往开口端面缠绕，一直到所述终止端所在平面与所述开口端面平齐。
在一些实施例中，所述谐振式磁耦合变压器110还包括位于第一磁芯和第二磁芯内的线圈支架；所述初级线圈和所述次级线圈都是缠绕在线圈支架上的，缠绕有初级线圈的线圈支架位于所述第一磁芯内；缠绕有次级线圈的线圈支架位于所述第二磁芯内。但是所述初级线圈的起始端的所在平面和终止端的所在平面，均与所述第一磁芯的开口端面平齐。且所述次级线圈的起始端的所在平面和终止端的所在平面，均与所述第二磁芯的开口端面平齐。
在另一些实施例中所述第一磁芯和第二磁芯的环体上还设置有开口槽，当线圈的从开口端面绕道所述封闭端面之后，可以所述开口槽穿到磁芯内部，并从磁芯内部使得线圈的终止端的所在平面与所述开口端面平齐。
在本实施例为了提升传输效率，提升初级线圈和次级线圈之间的耦合系数，在本实施例中所述谐振式磁耦合变压器的初级线圈和次级线圈都缠绕在磁芯上。
在本实施例中谐振式磁耦合变压器的初级线圈和次级线圈都可包括：一个或多个。但是不管怎样，所述初级线圈和次级线圈起始端和终止端的所在平面都与对应的磁芯的端面平齐，以确保获得较高的耦合系数。
图7所示为第一磁芯和第二磁芯的一种示意图。
在本实施例中所述第一磁芯和第二磁芯的距离为预设距离，可选为2mm、可选范围可为0.5mm至3mm。采用这种结构设计，可以使得初级线圈和次级线圈之间的耦合系数高达0.9以上，远高于线圈的耦合系数，能量传输效率可达到95％以上。
可选地，如图2所示，所述初级控制装置120包括：主控制器121、电压整形检测电路122、电流检测电路123和逆变电路124；
所述主控制器121，一端与所述逆变电路124相连，用于产生输入到所述逆变电路124的初级控制信号；
所述逆变电路124，与所述主控制器121连接，用于根据所述初级控制信号，通过控制自身的开关状态将输入直流转换脉冲电流；
所述电流检测电路123，与所述主控制器121相连，用于采集所述初级线圈的初级电流，获得传输给所述主控制器121的电流采样信号；
所述电压整形检测电路122，与所述主控制器121相连，用于采集所述初级线圈的初级电压，获得传输给所述主控制器的电压采样信号；
所述主控制器121，还用于根据电流采样信号及所述电压采样信号，调整控制所述高频开关输出的所述脉冲电流。
在本实施例中所述主控制器121可为：基于控制器内部的内置电源，或与所述主控制器121连接的辅助电源，输出主控制信号的电路结构。
所述逆变电路124包括：功率驱动电路及高频开关；
所述功率驱动电路，与所述主控制器121相连，用于放大所述初级控制信号，并将放大后的所述初级控制信号输入到所述高频开关；
所述高频开关，用于根据所述放大后的初级控制信号，所述输入直流转换脉冲电流。
在本实施例中所述高频开关，可为能够以大于预定频次导通和断开的开关装置。所述功率驱动电路，用于放到所述初级控制信号，所述功率驱动电路实质上是一个放大电路，通过增益放大可以提升所述初级控制信号的电流值和/或电压值。所述功率放大电路输出的主控制信号的功率增大了，然后输入到所述高频开关。
所述高频开关可为功率管，所述功率管根据所述主控制信号，将输入直流转换对应的脉冲电流输出到初级线圈。在本实施例中，所述脉冲电流的占空比，是通过所述开关的自身的开状态时间长短来确定。在一些实施例中，所述功率管采用碳化硅型金属氧化物场效应管，该功率管的导通内阻，比普通功率管内阻小至少1到2个量级，从而可以减少功率管自身的功率消耗，从而减少整个装置的能量损耗，提升传输效率。
所述主控制信号，用于控制逆变器电路124中的高频开关输出的脉冲电流，具体可以用于控制所述脉冲电流的占空比和/或交流频率等。
所述高频开关直接与初级线圈相连，用于直接向所述初级线圈提供初级电流。
在所述主控制装置120中还包括：电流检测电路123，电流检测电路123与初级线圈相连，用于对初级线圈上流经的初级电流进行采样，形成电流采样信号。
所述主控制装置120中还包括：电压整形检测电路122，一端与所述逆变及逆变电路124相连，用于采集并处理初级线圈的电压，以获得对应于所述电流采样信号。在一些实施例中所述电压整形检测电路122，对采样到的电压采样信号进行处理，再将处理过的电压采样信号返回给控制器，具体如，所述电压整形检测电路122，可用于对电压采样信号中的电压值大于预设电压阈值进行削峰处理，从而使得调整后的电压采样信号的所有电压值都不大于所述预设电压阈值。
在一些实施例中所述电压检测电路123，还用于对电流采样信号进行处理，具体可包括：对电流采样信号进行放大处理等，例如等比放大采样电流，这样的话，处理后的采样信号与原始电流采样信号的信号频率及占空比等参数依然保持不变，从而确保所述主控制器121可以获得精确的反馈信号。
所述主控制器121可为弱电控制器，支持的工作电压及工作电流都很小，从而整体上自身的功耗很小，从而减少因能量传输所需的能量消耗，实现了主控制器121对高频开关的弱信号控制。
可选地，所述电流检测电路123，包括：与所述初级线圈连接的电阻及电容；所述电阻用于在第一时段对所述初级线圈的初级电流进行采样，在第二时段断开与所述初级线圈的连接，利用电容在所述第一时段存储的电能对外提供所述电流采样信号。
在本实施例中电流检测电路123，采用电容进行采样，先通过导通使得初级线圈内作为交流的初级电流对电容进行充电，然后电容充电到一定时间后，断开与所述初级线圈的连接，所述电容通过滤波电路将获得的初级线圈电流信号传输至主控制器，显然输入到所述主控制器121的电流采样信号即为所述电容上的信号，或与所述电容上的电信号对应的信号。
在一些实施例中，如图3所示，所述次级控制装置130，包括：整流滤波电路131、充放电电路132及次级控制器133；
所述整流滤波电路131，与所述次级线圈相连，用于将所述次级线圈输出的所述为交流的次级电流整流成输出直流；
所述次级控制器133，用于根据负载所需的功率及所述用于卫星上的非接触式能量传输装置的系统状态，产生次级控制信号；
所述充放电电路132，输入端与所述整流滤波电路131相连，输出端与负载相连，控制端与所述次级控制器133相连，用于接收所述输出直流，并基于次级控制信号在所述初级线圈提供的输出功率大于负载所需的功率时，进行充电，用于在所述初级线圈提供的输出功率小于所述负载所需的功率进行放电，以向所述负载输出的直流电信号。
本实施例中所述充放电电路132可包括：蓄电池，可以用于充电，也可以在有电时对外放电。所述充放电电路132还可包括：电容，电容可以用于充电，也可以在积攒有电量时对外放电，在本实施例中优选为包括蓄电池。
在本实施例中所述整流滤波电路131直接与次级线圈相连，所述次级线圈可直接将次级电流输入到所述整流滤波电路131中，该整流滤波电路131可为半桥整流滤波电路，也可以全桥整流滤波电路，具体的需求可以根据负载所需来确定。
通过整流滤波电路131的处理之后，所述次级线圈输出为交流的次级电流转换成输出直流，所述输出直流的输出功率大于负载所需功率时，多余部分的输出功率可用于向充放电电路132进行充电，将该部分功率暂时存储在充放电电路内；在所述输出直流的输出功率小于负载所需功率时，则之前充入到充放电电路132的能量可以用于补充负载所需的能量，从而实现对负载提供稳定的功率。这样的话，通过充放电电路132的设置，可以在输出功率较大时，进行电能的存储，相对于直接供另增负载消耗掉等浪费掉，显然减少了能量损耗，再次提升了能量传输效率。
可选地，所述次级控制器，还用于从所述为交流的次级电流上提取数据。
在本实施例中所述次级控制器，还可与所述次级线圈直接相连，通过采样等处理，可以从次级线圈的次级电流上提取出初级线圈传输的数据，这样不仅实现了能量的无线传输，还实现了数据的传输。
如图4所示，本实施例还提供一种用于卫星上的非接触式能量传输方法，包括：
步骤S110：利用初级控制装置，将输入直流转换成谐振式磁耦合变压器的初级线圈所需的脉冲电流，并使通过控制所述脉冲电流的频率使所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率；
步骤S120：所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率，且所述初级线圈通过磁耦合向所述谐振式磁耦合变压器的次级线圈传输能量，使得所述次级线圈上产生为交流的次级电流；
步骤S130：次级控制装置将所述次级电流转换输出直流输出。
本实施例提供一种应用于前述的用于卫星上的非接触式能量传输装置的能量传输方法。
首先利用初级控制装置，实现输入直流到脉冲电流的转换，并通过脉冲交流电路的信号参数的控制使得所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率上，从而减少能量损耗，提升能量传输效率。
次级控制装置用于将所述次级电流，转换成直流输出，从而向负载提供直流供电。
具体如，所述步骤S110可包括：
利用初级控制装置，设置输出到所述谐振式磁耦合变压器的初级线圈的脉冲电流的信号参数，其中，所述信号参数至少包括：占空比；频率；
对所述初级线圈的初级电流进行采样，获得电流采样信号；
对所述初级线圈的初级电压进行采样，获得电压采样信号；
根据所述电流采样信号及所述电压采样信号，调整初级控制信号；
根据所述初级控制信号，将输入直流转换成所述脉冲电流，并将调整后的所述脉冲电流输入到所述初级线圈。
在本实施例中所述主控制装置，通过对初级电流和电压的采样，生成满足需求的主控制信号，用于控制输入到初级线圈内的脉冲交流电路的信号参数。
所述步骤S120可包括：
所述初级线圈在接收到所述脉冲电流后产生所述初级电流，并通过磁耦合将能量，传输给所述谐振式磁耦合变压器的次级线圈，使得所述次级线圈上形成次级电流。
所述步骤S130可包括：
利用次级控制装置的整流滤波对所述次级电流进行滤波整理，转换成输出直流，输入到所述次级控制装置的充放电电路；
所述次级控制装置的次级控制器根据负载所需的功率及用于卫星上的非接触式能量传输装置的工作状态，产生次级控制信号；
所述充放电电路，根据所述次级控制信号，在所述初级线圈提供的输出功率大于负载所需的功率时，进行充电，用于在所述初级线圈提供的输出功率小于所述负载所需的功率进行放电，以向所述负载输出的直流电信号。
在本实施例中所述次级装置，不仅用于控制次级交流到输出直流的转换，而且还会控制输出功率在不同状态下的对充放电电路的充电和放电，以最大的限度的利用好当前传输的能量，从而减少能量损耗，用于从整体上提升能量传输效率。
在一些实施例中，所述方法还包括：
所述主控制装置根据待传输到次级的数据，生成调制信号；
基于所述调制信号，生成调制后的脉冲电流；
所述次级控制装置还会从所述次级电流上提取出所述数据，从而实现了初级和次级之间的数据传输，实现所述谐振式磁耦合变压器的无线能量传输装置的数据传输，实现一个结构既能实现能量的无线传输，同时实现数据传输，具有实现简单及结构精巧的特点。
所述调制后的脉冲电流，为承载有所述调制信号的脉冲电流。
以下结合上述任意实施例提供一个具体示例：
本示例提出一种用于卫星上的非接触式能量传输方法，主要包括以下部分：
1)初级控制装置，将输入直流转换为非接触传输装置所需的高频的脉冲电流，根据负载变化调整输入脉冲电流和开关频率，使能量传输装置工作在最佳工作点，并和次级进行无线通信，对次级状态进行监控。
2)非接触式能量传输装置，在初、次级之间进行能量传递。
3)次级控制装置，对传输装置转换得到的次级电流进行转换，输出稳定的直流电流，并实现次级输出保护、状态监控等功能。
以下详细介绍一下初级控制装置的结构及其工作状况。
(1)初级控制装置，用于将输入直流的电能转换为高频的交变电流，并负责监控系统工作状态。
所述初级控制装置，主要由以下部分组成：
初级电源控制部分及辅助电源等。由于整个系统元件参数会随时间改变，因此需要经常对控制参数进行校正，以使系统工作在最佳状态。
首先，初级控制器产生初始频率的驱动信号，驱动高频开关工作，此时次级不工作，同时电流检测电路检测初级电流和电压，以确定无线电能传输装置的谐振点，并以此作为后续控制的基准。
然后，初级控制器以上一步确定的频率作为控制频率，检测初级电流并根据负载情况调节初级控制脉宽，控制高频开关工作在最高效率点。
同时，初级控制器可用于判断检测初级电流和电压是否超过设定的保护点，若超过设定的保护点，则采取限流降压方式避免超过功率限制，并通过无线通信系统控制次级减小输出电流，以保证整个系统安全可靠工作。
初级控制器还会根据系统情况定时调整驱动频率，以抵消由于工作参数变化导致的系统谐振点改变，以减小能量损失，提高系统效率。
除此之外，初级控制器还负责无线通信控制。在需要进行无线通信时，由初级控制器将数据转换成控制信号，驱动高频开关将数据转换成电磁信号传输到次级。系统采用频移键控(FSK)调制方式，将数据转换成按一定规律组成的调制序列，然后在正常控制信号上叠加调制序列，并根据此调制序列控制高频开关，将数据转换成电磁信号传输给次级，并由次级控制装置将电磁信号还原成数据。除此之外，还可根据系统设计，采用调幅或调相等控制方式。
(2)逆变电路
逆变电路包括：功率驱动点路和功率管两部分，其中功率驱动电路将初级控制器产生的弱控制信号放大，推动功率管工作；功率管将输入的直流电转变为高频脉冲电流，电流频率为能量传输装置自身谐振频率。为减小损耗，本示例中功率管采用碳化硅型金属氧化物场效应管，其导通内阻相比普通功率管小1-2个量级，可有效减小自身损耗，提高系统效率。
(3)功率侦测部分，该部分主要包括：
电流放大及检测，谐振电压整形检测，电源电压检测部分。受到逆变驱动电路中逆变器的逆变开关的大电流开关影响，直接采样得到的电流信号干扰严重，无法用于控制，因此这部分采用采样-保持方式，使用电容对电流信号进行采样，然后断开电流采样端，再对电容储存的电流信号进行转换，有效降低逆变器开关对电流采样的影响，由此方法得到的采样信号质量较高，可以直接用于控制。
由于谐振电压较高，远超过初级控制器工作电压，因此需要对其进行限流削峰后才能提供给初级控制器使用。电压整形检测电路将谐振电压处理为初级控制器工作电压范围内的信号，然后提供给初级控制器。
电源电压检测部分用于提供电压保护需要的电压信号，同样经过限流降压后提供给初级控制器。
图5为初级控制装置的工作流程图，包括：
步骤S1：上电，这里的上电包括：向系统提供输入直流；
步骤S2：设定PWM初始频率，初始占空比，这里的PWM可理解前述的控制信号；
步骤S3：测量初级电流；
步骤S4：提高PWM频率，包括：基于初级电流的测量结果，发现当前需要提高PWM频率，则提高PWM的频率；
步骤S5：测量初级电流，具体为：在提高PWM频率之后的再次测量初级电流；
步骤S6：判断初级电流是否增加，若是进入步骤S7，若否返回步骤S4；
步骤S7：初始化结束；
步骤S8：设定比较器参考电压；
步骤S9：判断初级电压是否超过参考电压，这里的初级电压可为加载在初级线圈两侧的电压，具体可包括：将检测的初级电压，输入设定了参考电压的比较器中进行比较，若是进入步骤S10，若否返回步骤S9；
步骤S10：定时器开始计时；
步骤S11：判断初级电压是否等于参考电压，若是进入步骤S12，若否返回步骤S11；
步骤S12：定时器停止计时；
步骤S13：计算占空比，具体包括：根据等于参考电压的电压在一个周期内的所占的时长，计算所述占空比；
步骤S14：改变占空比，返回步骤S9。
以下详细介绍一下非接触式能量传输装置的结构及其工作状况。
非接触式能量传输装置，采用谐振式磁耦合变压器，有效的提高初次级线圈的耦合系数，从而提高能量传输效率，并减少电磁波泄露产生的影响。
图6为双绕组的谐振式磁耦合变压器的结构示意图图，初级线圈的电压u1，初级电流i1，次级线圈侧的电压u2，次级电流i2，其正方向如图6所示，即当电压和电流为正值时，瞬时功率p＝ui由外面流进初级线圈。
变压器电压方程为：
Figure BDA0001302691250000181
式中，L1为初级线圈所在侧的自感，R1初级线圈所在侧的电阻；
L2为初级线圈所在侧的自感，R2初级线圈所在侧的电阻；
M为初级与次级的互感。
变压器的磁链方程：
Figure BDA0001302691250000182
式中，
Figure BDA0001302691250000183
为初级线圈所在侧的磁链、
Figure BDA0001302691250000184
为次级线圈所在侧的磁链，
Figure BDA0001302691250000185
为励磁磁链。L1m为初级线圈所在侧的励磁电感和L2m次级线圈所在侧的励磁电感。
由互感模型及电压方程和磁链方程可以计算得出电压源供电时可分离变压器初级电流和次级电流：
Figure BDA0001302691250000186
Figure BDA0001302691250000187
式中，RL为负载电阻
LL为负载电感。
初级线圈绕组使用电压源供电时，次级线圈的输出功率为：
Figure BDA0001302691250000188
考虑到磁芯的铁损和线圈的铜损，电源转换效率η为：
Figure BDA0001302691250000191
Figure BDA0001302691250000192
P2为次级线圈所在侧的输出功率；
P1为次级线圈所在侧的输入功率；
pFe为磁芯的损耗功率；
pCu为线圈的损耗功率。
从上式中可以看出，谐振式变压器能量损失主要为初级线圈和次级线圈之间漏磁产生的能量耗散，其次是磁芯磁路损耗、线圈电阻损耗。
图7为本示例的非接触式能量传输装置的一种仿真模型。初级线圈和次级线圈分别安装在罐状的中空磁芯中，线圈平面和磁芯开口面平齐，上下方磁芯间距为2mm，通过优化设计，可以得到较高的耦合系数。仿真所得结果表明，在选取适当参数的情况下，初、次级线圈耦合系数可达0.9以上，远高于空心线圈耦合系数。在高初、次级耦合系数的情况下，能量传输装置效率可达95％以上，为提高整体效率提供良好条件。
以下详细介绍一下次级控制装置的结构及其工作状况。
次级控制装置由次级电源控制部分，整流滤波电路，电池充放电电路构成。在一些实施例中，所述次级控制装置还可包括无线通信模块。
次级电源控制部分，此部分包括次级控制器，主要负责控制次级工作状态，对次级工作状态进行监控，实现次级保护功能，并与初级进行通信。
在初级开始工作后，次级延迟一定时间开始工作，为初级参数校正提供条件。此后，次级首先进行自检，确定系统各部分功能正常，然后根据当前系统状态设定电池充电电流，并开始工作。工作中控制器定时检查系统状态和电池参数，并根据需要对电池进行电量平衡。
在需要进行数据传输时，次级控制装置会检测能量传输装置输出的功率信号中是否存在叠加的数据信号，如果存在，则将叠加的数据信号提取出来，并还原成原始数据输出。
非接触式能量传输装置输出的是高频交流，为电池充电、输出需要直流电，需要通过整流滤波电路将高频交流转换为直流电。为减少损耗，本示例整流滤波电路采用同步整流电路，利用场效应管导通电阻小的特点，可大大降低此部分损耗。
非接触式能量传输装置的输出功率可能会随着工况有所波动，负载所需的功率可能会短时超出可传输的最大功率，这些情况下需要蓄电池提供所需的能量。蓄电池充放电电路在传输的功率大于负载需要功率时将多余功率给电池充电，在负载需要功率大于可传输功率时将电池储存的能量转换为负载需要的电压，以保证负载可靠工作。
由于非接触式能量传输装置能够传输的能量会受到初、次级耦合系数的影响，而耦合系数又受实际安装精度的限制，因此在实际使用中，非接触式能量传输装置能够传输的能量会在一定范围内变化，对于外部系统来说可以等效于一个内阻变化的电源。为尽可能多的获得能量，电池充放电电路采用带有最大功率点追踪的控制芯片，能够自动适应能量传输装置参数变化，尽可能利用传输功率为电池充电。
图8为次级控制装置的工作流程图，包括：
步骤S21：上电；
步骤S22：等待初级完成初始化；
步骤S23：测量电池单体电压，在充放电电路中可能包括多个电池，这里的电池单体，可为单个电池；电池单体电压可为：单个电池的电压；
步骤S24：判断电池是否充放电平衡，若是进入步骤S25，若否步骤S26；
步骤S25：电池单体平衡；
步骤S26：检测电池充电状态；
步骤S27：开始充电和向外输出；
步骤S28：检测系统状态；
步骤S29：判断电池是否已充满，若否进入步骤S30，若是则进步步骤S34：
步骤S30：继续充电；
步骤S31：判断初级是否有传输数据，若是进入步骤S32，若否返回步骤S28；
步骤S32：提取数据；
步骤S33：判断是否完成数据提取，若是返回步骤S28，若否返回步骤S32。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于卫星上的非接触式能量传输装置，其特征在于，包括：谐振式磁耦合变压器、初级控制装置及次级控制装置；
所述谐振式磁耦合变压器，包括：初级线圈及次级线圈；所述初级线圈与所述次级线圈之间通过磁耦合进行无线能量的传输；
所述初级控制装置，与所述初级线圈连接，用于将输入直流转换所述初级线圈所需的脉冲电流，并将所述脉冲电流输入到所述初级线圈，并通过控制所述脉冲电流的频率使所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率；
所述次级控制装置，与所述次级线圈相连，用于将所述次级线圈通过磁耦合从所述初级线圈接收的为交流的次级电流转换成输出直流电输出；
其中，所述谐振式磁耦合变压器，还包括：第一磁芯和第二磁芯；
所述第一磁芯及所述第二磁芯均包括：一个环状体；所述环状体一端封闭形成封闭端端面，另一端开口形成开口端面；所述环状体上还设置有开口槽；
所述初级线圈的起始端的所在平面及终止端的所在平面，均与所述第一磁芯的开口端面平齐；
当所述初级线圈从所述开口端面绕到所述封闭端端面之后，从所述开口槽穿到所述第一磁芯内部，并从所述第一磁芯内部使得所述初级线圈的终止端的所在平面与所述开口端面平齐；
所述次级线圈的起始端的所在平面及终止端的所在平面，均与所述第二磁芯的开口端面平齐；
当所述次级线圈从所述开口端面绕到所述封闭端端面之后，从所述开口槽穿到所述第二磁芯内部，并从所述第二磁芯内部使得所述次级线圈的终止端的所在平面与所述开口端面平齐。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述初级控制装置，还用于将待传输的数据转化成调制序列，基于所述调制序列对待输入到所述初级线圈的预备脉冲电流进行调制，形成调制后的脉冲电流；
所述次级控制装置，还用于从所述次级线圈输出的为交流的次级电流上提取所述数据。
3.根据权利要求1至2任一项所述的装置，其特征在于，
所述初级控制装置包括：主控制器、电压整形检测电路、电流检测电路、逆变电路；
所述主控制器，一端与所述逆变电路相连，用于产生输入到所述逆变电路的初级控制信号；
所述逆变电路，与所述主控制器连接，用于根据所述初级控制信号，通过控制自身的开关状态将输入直流转换为所述脉冲电流；
所述电流检测电路，与所述主控制器相连，用于采集所述初级线圈的初级电流，获得传输给所述主控制器的电流采样信号；
所述电压整形检测电路，与所述主控制器相连，用于采集所述初级线圈的初级电压，获得传输给所述主控制器的电压采样信号；
所述主控制器，还用于根据所述电流采样信号及所述电压采样信号，调整控制所述脉冲电流的输出。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述电流检测电路，包括：与所述初级线圈连接的电阻及电容；所述电阻用于在第一时段对所述初级线圈的初级电流进行采样，在第二时段断开与所述初级线圈的连接，利用电容在所述第一时段存储的电能对外提供所述电流采样信号。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述逆变电路包括：功率驱动电路及高频开关；
所述功率驱动电路，与所述主控制器相连，用于放大所述初级控制信号，并将放大后的所述初级控制信号输入到所述高频开关；
所述高频开关，用于根据所述放大后的初级控制信号，将所述输入直流转换脉冲电流。
6.根据权利要求1至2任一项所述的装置，其特征在于，
所述次级控制装置，包括：整流滤波电路、充放电电路及次级控制器；
所述整流滤波电路，与所述次级线圈相连，用于将所述次级线圈输出的所述为交流的次级电流整流成输出直流；
所述次级控制器，用于根据负载所需的功率及所述用于卫星上的非接触式能量传输装置的系统状态，产生次级控制信号；
所述充放电电路，输入端与所述整流滤波电路相连，输出端与负载相连，控制端与所述次级控制器相连，用于接收所述输出直流，并基于次级控制信号在所述初级线圈提供的输出功率大于负载所需的功率时，进行充电，用于在所述初级线圈提供的输出功率小于所述负载所需的功率进行放电，以向所述负载输出的直流电信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述次级控制器，还用于从所述为交流的次级电流上提取数据。
8.一种用于卫星上的非接触式能量传输方法，其特征在于，包括：
利用初级控制装置，将输入直流转换成谐振式磁耦合变压器的初级线圈所需的脉冲电流，并使通过控制所述脉冲电流的频率使所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率；
所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率，且所述初级线圈通过磁耦合向所述谐振式磁耦合变压器的次级线圈传输能量，使得所述次级线圈上产生为交流的次级电流；
次级控制装置将所述次级电流转换输出直流输出；
其中，所述谐振式磁耦合变压器，还包括：第一磁芯和第二磁芯；
所述第一磁芯及所述第二磁芯均包括：一个环状体；所述环状体一端封闭形成封闭端端面，另一端开口形成开口端面；所述环状体上还设置有开口槽；
所述初级线圈的起始端的所在平面及终止端的所在平面，均与所述第一磁芯的开口端面平齐；
当所述初级线圈从所述开口端面绕到所述封闭端端面之后，从所述开口槽穿到所述第一磁芯内部，并从所述第一磁芯内部使得所述初级线圈的终止端的所在平面与所述开口端面平齐；
所述次级线圈的起始端的所在平面及终止端的所在平面，均与所述第二磁芯的开口端面平齐；
当所述次级线圈从所述开口端面绕到所述封闭端端面之后，从所述开口槽穿到所述第二磁芯内部，并从所述第二磁芯内部使得所述次级线圈的终止端的所在平面与所述开口端面平齐。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述利用初级控制装置，将输入直流转换成谐振式磁耦合变压器的初级线圈所需的脉冲电流，并使通过控制所述脉冲电流的频率使所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率，包括：
利用初级控制装置，设置输出到所述谐振式磁耦合变压器的初级线圈的脉冲电流的信号参数，其中，所述信号参数至少包括：频率；
对所述初级线圈的初级电流进行采样，获得电流采样信号；
对所述初级线圈的初级电压进行采样，获得电压采样信号；
根据所述电流采样信号及所述电压采样信号，调整初级控制信号；
根据所述初级控制信号，将输入直流转换成所述脉冲电流，并将调整后的所述脉冲电流输入到所述初级线圈；
所述谐振式磁耦合变压器工作在谐振频率，且所述初级线圈通过磁耦合向所述谐振式磁耦合变压器的次级线圈传输能量，使得所述次级线圈上产生为交流的次级电流，包括：
所述初级线圈在接收到所述脉冲电流后产生所述初级电流，并通过磁耦合将能量，传输给所述谐振式磁耦合变压器的次级线圈，使得所述次级线圈上形成次级电流；
所述次级控制装置将所述次级电流转换输出直流输出，包括：
利用次级控制装置的整流滤波对所述次级电流进行滤波整理，转换成输出直流，输入到所述次级控制装置的充放电电路；
所述次级控制装置的次级控制器根据负载所需的功率及用于卫星上的非接触式能量传输装置的工作状态，产生次级控制信号；
所述充放电电路，根据所述次级控制信号，在所述初级线圈提供的输出功率大于负载所需的功率时，进行充电，用于在所述初级线圈提供的输出功率小于所述负载所需的功率进行放电，以向所述负载输出的直流电信号。
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