CN110289699A - 一种航天器间近场无线能量传输系统 - Google Patents

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    • H02J50/20—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using microwaves or radio frequency waves

Abstract

本发明涉及了一种航天器间近场无线能量传输系统，包括在各航天器内分别设置的无线能量信号端，且各无线能量信号端均具备无线能量发射和无线能量接收两种工况状态；无线能量信号端包括依次双向连接的航天器电源控制器、逆变/整流电路和能量发射/接收电路，还包括单向连接于逆变/整流电路中的整流电路与航天器电源控制器之间的调压电路，航天器电源控制器控制航天器能源的输入、输出和能量传输的握手控制；逆变/整流电路将直流电逆变为高频交流电或者将高频交流电整流为直流电；能量发射/接收电路发射交变电磁场或者接收交变磁场；调压电路在能量接收时对整流后的直流电进行调压，该系统设置能量收发共用的结构主体，实现了双向对等无线传能。

Description

一种航天器间近场无线能量传输系统
技术领域
本发明涉及无线能量传输技术领域，具体涉及一种航天器间近场无线能量传输系统。
背景技术
随着我国航天技术的发展以及对外层空间未知领域的探索日益加深，提升航天器任务能力、保证航天器空间安全、延长航天器寿命、降低任务成本及失败风险等需求日渐强烈，这对开展航天器在轨接管、在轨组装、在轨维修、替换或拆卸等空间在轨服务与维护技术的研究及发展提出了迫切要求，其中，如何能够确保空间在轨服务与维护任务中航天器之间或设备(功能模块)之间电能传输的安全、可靠、便捷，对空间电源系统发展提出了新的需求。传统技术通过交会对接或机械臂抓取、捕获等方式连通航天器之间的有线电气接口、组建电源交互通道，其电接口会接触或暴露于外太空环境，在等离子体环境中，存在电弧放电风险、误操作风险和机械接口卡死风险，此外其对航天器对接精度、机械臂控制精度要求过高，无疑增加了生产成本和控制成本。
随着科技发展，人们开始采用激光无线能量传输技术进行卫星之间或模块航天器之间的无线能量传递，由此极大程度上克服了传统技术中利用有线电气接口、组建电源交互通道方式进行能量传输导致的电接口暴露存在电弧放电风险、操作控制困难的问题，能够增加航天器能量获取来源，延长航天器的使用寿命，尤其结合太阳能的激光无线能量传输技术，还加大对了太空资源的利用率。
但是现有技术中针对航天空间应用的激光无线能量传输技术，必须设置激光能量发射端机和激光能量接收端机的一对装置以及激光-电能转换装置，整体结构复杂、操作控制困难；该特定结构也决定了其只能是单向能量传递而不能实现双向能量传递；因为其激光束方向性强，应用过程中对激光器等各部件的对准精度要求就非常高；其必须通过光电转换过程后实现电能传输，故而使得整体的无线能量传输效率达到60％～70％后就再难提升，整体能量传输效率不够高；该技术的制造成本、应用成本都较高；其主要应用于远距离无线能量传输，对于近场无线能量传输作用不大。
所以亟待出现一种简单、高效、近场地实现航天期间无线能量传输的装置。
发明内容
本发明针对传统有线电气连接导致存在电解口暴露、容易放射电弧、机械接口卡死风险高以及现有星载激光无线能量传输技术中结构复杂操控困难、只能单向能量传递、对准精度要求过高、整体能量传输效率较低等缺陷提供了一种航天器间近场无线能量传输系统，该系统巧妙地设置能量收发共用的结构主体，简化了结构与操作，更实现了收发双向的无线能量传递，还极大地提高了能量传输效率，经济安全可靠且灵活性强。
本发明的技术方案如下：
一种航天器间近场无线能量传输系统，包括在各航天器内分别设置的无线能量信号端，无线能量传输过程发生在任意两个满足一定空间距离的所述无线能量信号端之间，且各无线能量信号端均具备无线能量发射和无线能量接收两种工况状态；
所述无线能量信号端包括依次双向连接的航天器电源控制器、逆变/整流电路和能量发射/接收电路，还包括单向连接于所述逆变/整流电路中的整流电路与所述航天器电源控制器之间的调压电路，所述航天器电源控制器控制航天器能源的输入、输出和能量传输的握手控制以及生成航天器能源状态信息；所述逆变/整流电路在能量发射时将直流电逆变为高频交流电或者在能量接收时将高频交流电整流为直流电；所述能量发射/接收电路在能量发射时发射交变电磁场或者在能量接收时接收交变磁场；所述调压电路在能量接收时对整流后的直流电进行调压。
优选地，所述无线能量信号端还包括无线通信单元，所述无线通信单元传输航天器能源状态信息。
优选地，所述无线通信单元采用Zigbee无线通信模块。
优选地，所述航天器电源控制器包括从母线发出能量的能量输出接口和与所述能量输出接口后端串接的第一二极管，包括接受能量传送至母线的能量输入接口和与所述能量输入接口前端串接的第二二极管，还包括能量信息置位显示装置。
优选地，所述能量信息置位显示装置生成航天器能源状态信息并以置信息位形式显示，当所述无线能量信号端需要接收能量时置信息位0，当所述无线能量信号端需要发射能量时置信息位1，任意两个满足一定空间距离的所述无线能量信号端的航天器能源状态的置位信息进行异或逻辑运算，结果为1时成功配对，启动无线能量传输过程。
优选地，所述逆变/整流电路采用有源全桥逆变与无源全桥整流共用主电路结构，采用四个MOS场效应晶体管组成的全桥逆变电路，同时各MOS场效应晶体管分别并联一个整流二极管形成无源全桥整流电路。
优选地，所述MOS场效应晶体管采用N沟道增强型MOS场效应晶体管；
和/或，所述整流二极管采用与相应MOS场效应晶体管的寄生二极管同极性的普通二极管。
优选地，所述调压电路采用四开关升降压拓扑结构，在能量接收时根据整流后的直流电的电压情况自动采取升压或降压方式进行调压；
所述调压电路在所述无线能量信号端置信息位为0时使能，置信息位为1时禁止。
优选地，所述能量发射/接收电路为发射线圈和接收线圈共用且采用双层平面螺旋线圈结构，所述发射线圈和接收线圈包括依次连接的上盖板、线圈、磁条与下盖板；
和/或，所述线圈和所述磁条之间集成有超薄谐振补偿电容；
和/或，所述线圈采用利兹线绕制。
优选地，所述发射线圈和接收线圈由拼接式高强度铁氧体材料制成且正面采用聚酰亚胺材料包覆。
本发明的技术效果如下：
本发明涉及了一种航天器间近场无线能量传输系统，适用于航天器间(主要是航天器电源系统间)的对接、航天器维修、空间机械臂机动作业、多航天器电源系统联网等应用场景，通过设置能量收发共用的结构主体，使得航天器电源控制器、逆变/整流电路、能量发射/接收电路、调压电路均存在于任意一个无线能量信号端内(无线能量信号端又设置于航天器内)，巧妙地简化了系统结构，实现收发共用，也即任意两个航天器间只要满足一定的空间距离要求，就能进行无线能量收发传递过程，且两个航天器中的任意一个都可以作为接收端或者发射端，也即能够实现无线能量的双向有效传输，在航天器间进行能量或功率传输时，无线能量传输相比于有线能量传输在安全性、灵活性及在轨操作等方面具有明显的优势，有效解决了航天器交会对接过程中有线对接要求对接精度高、存在机械接口卡死风险，以及电接口暴露于外太空环境，对接过程中存在较大的电弧放电风险等问题。并且本发明采用全桥拓扑，全桥整流技术、结合能量发射/接收电路优选采用的高电感量和品质因数的功率线圈，也可理解为，航天器配置一套线圈和主电路，考虑了航天器对小型化、高可靠的需求，对主电路和线圈均采取收发共用设计，在变换效率、体积、重量、可靠性等各方面可满足航天器的应用需求。针对航天器的特殊需求，为减小重量与安装体积、提高传输效率，优选使用有源全桥逆变与无源全桥整流共用主电路的方式，将逆变电路与整流电路集成在一起，既可以发射能量也可以接收能量，实现能量的对等双向传递，再结合调压电路实现高效率的调压功能，利用航天器电源控制器集中供电接口实现输出高稳定母线，在整体上大大提高了系统无线能量的传输效率，甚至能达到90％，还保证了近场无线能量的传输，比如两个航天器间可在50cm距离内对等双向传输无线能量，该系统实施简单、供电安全可靠，且有效降低了太空环境下的供电成本。
附图说明
图1：为本发明一种航天器间近场无线能量传输系统的第一种优选结构图。
图2：为本发明一种航天器间近场无线能量传输系统的第二种优选结构图。
图3：为本发明一种航天器间近场无线能量传输系统中调压电路的优选拓扑结构图。
图4a：为本发明一种航天器间近场无线能量传输系统能量发射/接收电路中的发射线圈和接收线圈共用形式的双层平面螺旋结构示意图。
图4b：为本发明一种航天器间近场无线能量传输系统能量发射/接收电路中的发射线圈或接收线圈的线圈具体结构的爆炸图。
图中标号列示如下：
1—上盖板；2—线圈；3—磁条；4—下盖板。
具体实施方式
本发明涉及了一种航天器间近场无线能量传输系统，包括在各航天器内分别设置的无线能量信号端，无线能量传输过程发生在任意两个满足一定空间距离的所述无线能量信号端之间，且各无线能量信号端均具备无线能量发射和无线能量接收两种工况状态；
所述无线能量信号端包括依次双向连接的航天器电源控制器、逆变/整流电路和能量发射/接收电路，还包括单向连接于所述逆变/整流电路中的整流电路与所述航天器电源控制器之间的调压电路，所述航天器电源控制器控制航天器能源的输入、输出和能量传输的握手控制以及生成航天器能源状态信息；所述逆变/整流电路在能量发射时将直流电逆变为高频交流电或者在能量接收时将高频交流电整流为直流电；所述能量发射/接收电路在能量发射时发射交变电磁场或者在能量接收时接收交变磁场；所述调压电路在能量接收时对整流后的直流电进行调压，该系统巧妙地设置了能量收发共用的结构主体，简化了结构与操作，更实现了收发双向的无线能量传递，还极大地提高了能量传输效率，经济安全可靠且灵活性强。
下面结合附图进一步对本发明进行详细说明。
本发明涉及的航天器间近场无线能量传输系统，如图1的第一种优选结构所示，包括在第一个航天器和第二个航天器内分别设置的无线能量信号端1和无线能量信号端2，无线能量传输过程发生在两个满足一定空间距离的所述无线能量信号端之间(即无线能量信号端1和无线能量信号端2之间)，且无线能量信号端1和无线能量信号端2均具备无线能量发射和无线能量接收两种工况状态，传输距离限定的范围大，最短甚至达到两个航天器间距为50cm内时完整实现无线能量对等双向传输；所述无线能量信号端1和无线能量信号端2均包括依次双向连接的航天器电源控制器、逆变/整流电路和能量发射/接收电路，如图1中部件及连接关系所示，还包括单向连接于所述逆变/整流电路中的整流电路与所述航天器电源控制器之间的调压电路(图1中未示出)，所述航天器电源控制器控制航天器能源的输入、输出和能量传输的握手控制以及生成航天器能源状态信息，且所述航天器电源控制器的输出端为稳定的母线电压，直接输出给航天器母线，品质受控；所述逆变/整流电路在能量发射时将直流电逆变为高频交流电或者在能量接收时将高频交流电整流为直流电；所述能量发射/接收电路在能量发射时发射交变电磁场或者在能量接收时接收交变磁场；所述调压电路在能量接收时对整流后的直流电进行调压，将整流后的直流电调节为稳定的航天器母线电压。本系统适用于航天器间(主要是航天器电源系统间)的对接、航天器维修、空间机械臂机动作业、多航天器电源系统联网等应用场景，采用堆成结构的SS型谐振补偿网络，发射线圈和接收线圈共用，通过设置能量收发共用的结构主体，使得航天器电源控制器、逆变/整流电路、能量发射/接收电路、调压电路均存在于任意一个无线能量信号端内(无线能量信号端又设置于航天器内)，巧妙地简化了系统结构，实现收发共用，也即任意两个航天器间只要满足一定的空间距离要求，就能实现无线能量的对等双向有效传输，在航天器间进行能量或功率传输时，无线能量传输相比于有线能量传输在安全性、灵活性及在轨操作等方面具有明显的优势，有效解决了航天器交会对接过程中有线对接要求对接精度高、存在机械接口卡死风险，以及电接口暴露于外太空环境，对接过程中存在较大的电弧放电风险等问题，在整体上大大提高了系统无线能量的传输效率，解决了近场无线能量传输的问题。
优选地，所述无线能量信号端还包括无线通信单元，所述无线通信单元传输航天器能源状态信息，进一步优选地，所述无线通信单元采用Zigbee无线通信模块，使得无线能量信号端1和无线能量信号端2以如图1所示的无线通信方式进行通信传输状态信息。
优选地，如图2第二种优选结构所示，所述航天器电源控制器包括从母线发出能量的能量输出接口和与所述能量输出接口后端串接的第一二极管DT，包括接受能量传送至母线的能量输入接口和与所述能量输入接口前端串接的第二二极管DR，还包括能量信息置位显示装置(图中未示出)，所述能量输入与能量输出通路均为单向通路。
优选地，所述能量信息置位显示装置生成航天器能源状态信息并以置信息位形式显示，当所述无线能量信号端需要接收能量时置信息位0，当所述无线能量信号端需要发射能量时置信息位1，任意两个满足一定空间距离的所述无线能量信号端的航天器能源状态的置位信息进行异或逻辑运算，结果为1时成功配对，启动无线能量传输过程。
优选地，如图2第二种优选结构所示，所述逆变/整流电路采用有源全桥逆变与无源全桥整流共用主电路结构，采用四个MOS场效应晶体管S1、S2、S3、S4组成的全桥逆变电路，同时各MOS场效应晶体管S1、S2、S3、S4分别并联一个整流二极管形成无源全桥整流电路。
进一步优选地，如图2所示，所述MOS场效应晶体管S1、S2、S3、S4均采用N沟道增强型MOS场效应晶体管；且所述整流二极管均采用与相应MOS场效应晶体管的寄生二极管同极性的普通二极管，发射模式时，N沟道增强型MOS场效应晶体管S1、S2、S3、S4均充当高频开关管工作，接收模式时，各普通二极管充当整流二极管工作。
优选地，所述调压电路采用四开关升降压拓扑结构，如图3所示，所述调压电路的输入端Vin和输出端Vout分别与逆变/整流电路中的整流电路和航天器电源控制器相连，在能量接收时所述调压电路根据整流后的直流电的电压情况通过自动执行四开关Buck-Boost拓扑结构中的四个开关G1、G2、G3、G4及相应元器件进而自动采取升压或降压方式进行调压，以输出稳定的母线电压；且所述调压电路在所述无线能量信号端置信息位为0时使能，置信息位为1时禁止。本发明优选采用四开关的升降压拓扑实现高效率的调压功能，利用航天器电源控制器集中供电接口实现输出高稳定母线电压。
优选地，如图4a所示，所述能量发射/接收电路为发射线圈和接收线圈共用且采用双层平面螺旋线圈结构，同时发射线圈和接收线圈也均采用高电感量和品质因数的功率线圈，所述双层平面螺旋线圈结构的设计，一方面能够在有限的轴向传输空间中获得最大的空间利用率，其次还能增大自感、降低所需的工作频率、提升系统效率，且不影响总绕线厚度，具体设计时，可根据具体的工程参数需求，如根据设计线圈最大直径、螺旋线中心距离、螺旋线直径、两线圈盘之间距离、线圈总匝数等参数需求，详细设计线圈的SS型串联结构谐振电容，进而提高线圈品质因数。并且进一步地，所述发射线圈和接收线圈具体的线圈结构如图4b所示爆炸图，发射线圈/接收线圈均包括依次连接的上盖板1、线圈2、磁条3与下盖板4，所述磁条3为磁场定向磁条；且所述线圈和所述磁条之间优选集成有超薄谐振补偿电容；且所述线圈采用利兹线绕制，充分降低高频电流在传输过程中的集肤效应；此外还可以设置线圈支架以对线圈进行支撑，并对磁条进行支撑和加固以及对整体结构进行加固。
优选地，所述发射线圈和接收线圈由拼接式高强度铁氧体材料制成且正面采用聚酰亚胺材料包覆，尤其其中的磁条3优选采用铁氧体材料，上盖板1和下盖板4的正面(上盖板和下盖板不与线圈2接触的外侧面)采用聚酰亚胺材料包覆满足航天力学强度要求，提高绝缘安全性并保证电磁波传输性能，线圈2的四周及背面采用拼接式高强度铁氧体材料，实现磁场定向，减小对外电磁辐射，提高系统传输效率。
综上，本发明采用全桥拓扑，全桥整流技术、结合能量发射/接收电路优选采用的高电感量和品质因数的功率线圈，也可理解为，航天器配置一套线圈和主电路，考虑了航天器对小型化、高可靠的需求，对主电路和线圈均采取收发共用设计，在变换效率、体积、重量、可靠性等各方面可满足航天器的应用需求，针对航天器的特殊需求，为减小重量与安装体积、提高传输效率，优选使用有源全桥逆变与无源全桥整流共用主电路的方式，将逆变电路与整流电路集成在一起，既可以发射能量也可以接收能量，实现能量的对等双向传递，再结合调压电路实现高效率的调压功能，利用航天器电源控制器集中供电接口实现输出高稳定母线，在整体上大大提高了系统无线能量的传输效率，甚至能达到90％，该系统实施简单、供电安全可靠，且有效降低了太空环境下的供电成本。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种航天器间近场无线能量传输系统，其特征在于，包括在各航天器内分别设置的无线能量信号端，无线能量传输过程发生在任意两个满足一定空间距离的所述无线能量信号端之间，且各无线能量信号端均具备无线能量发射和无线能量接收两种工况状态；
所述无线能量信号端包括依次双向连接的航天器电源控制器、逆变/整流电路和能量发射/接收电路，还包括单向连接于所述逆变/整流电路中的整流电路与所述航天器电源控制器之间的调压电路，所述航天器电源控制器控制航天器能源的输入、输出和能量传输的握手控制以及生成航天器能源状态信息；所述逆变/整流电路在能量发射时将直流电逆变为高频交流电或者在能量接收时将高频交流电整流为直流电；所述能量发射/接收电路在能量发射时发射交变电磁场或者在能量接收时接收交变磁场；所述调压电路在能量接收时对整流后的直流电进行调压。
2.根据权利要求1所述的航天器间近场无线能量传输系统，其特征在于，所述无线能量信号端还包括无线通信单元，所述无线通信单元传输航天器能源状态信息。
3.根据权利要求2所述的航天器间近场无线能量传输系统，其特征在于，所述无线通信单元采用Zigbee无线通信模块。
4.根据权利要求3所述的航天器间近场无线能量传输系统，其特征在于，所述航天器电源控制器包括从母线发出能量的能量输出接口和与所述能量输出接口后端串接的第一二极管，包括接受能量传送至母线的能量输入接口和与所述能量输入接口前端串接的第二二极管，还包括能量信息置位显示装置。
5.根据权利要求4所述的航天器间近场无线能量传输系统，其特征在于，所述能量信息置位显示装置生成航天器能源状态信息并以置信息位形式显示，当所述无线能量信号端需要接收能量时置信息位0，当所述无线能量信号端需要发射能量时置信息位1，任意两个满足一定空间距离的所述无线能量信号端的航天器能源状态的置位信息进行异或逻辑运算，结果为1时成功配对，启动无线能量传输过程。
6.根据权利要求1-5之一所述的航天器间近场无线能量传输系统，其特征在于，所述逆变/整流电路采用有源全桥逆变与无源全桥整流共用主电路结构，采用四个MOS场效应晶体管组成的全桥逆变电路，同时各MOS场效应晶体管分别并联一个整流二极管形成无源全桥整流电路。
7.根据权利要求6所述的航天器间近场无线能量传输系统，其特征在于，所述MOS场效应晶体管采用N沟道增强型MOS场效应晶体管；
和/或，所述整流二极管采用与相应MOS场效应晶体管的寄生二极管同极性的普通二极管。
8.根据权利要求1所述的航天器间近场无线能量传输系统，其特征在于，所述调压电路采用四开关升降压拓扑结构，在能量接收时根据整流后的直流电的电压情况自动采取升压或降压方式进行调压；
所述调压电路在所述无线能量信号端置信息位为0时使能，置信息位为1时禁止。
9.根据权利要求1所述的航天器间近场无线能量传输系统，其特征在于，所述能量发射/接收电路为发射线圈和接收线圈共用且采用双层平面螺旋线圈结构，所述发射线圈和接收线圈包括依次连接的上盖板、线圈、磁条与下盖板；
和/或，所述线圈和所述磁条之间集成有超薄谐振补偿电容；
和/或，所述线圈采用利兹线绕制。
10.根据权利要求9所述的航天器间近场无线能量传输系统，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈由拼接式高强度铁氧体材料制成且正面采用聚酰亚胺材料包覆。
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