CN110336388A - 激光无线能量传输系统的能量管理保护方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了激光无线能量传输系统的能量管理保护方法及装置，涉及激光无线能量传输系统的能量管理技术，属于电通信的技术领域。采用的智能能量管理策略分为自适应功率控制方法和断电重连方法。自适应功率控制方法由启动阶段和功率控制阶段组成，启动阶段逐渐增加激光器的发射光功率直至达到预设的最低功率，使光伏阵列的输出功率满足接收端通讯模块的最低需求，发射端和接收端之间建立通讯链路；功率控制阶段，控制激光器发射光功率使光伏阵列输出的平均功率满足负载的需求。断电重连方法针对障碍物阻断激光光路的情况，发射端重新进入启动阶段，维持预设最低功率直到障碍物消失，接收端通信模块恢复供能，重新建立通信链路后恢复功率控制。

Description

激光无线能量传输系统的能量管理保护方法及装置

技术领域

本发明公开了激光无线能量传输系统的能量管理保护方法及装置，涉及激光无线能量传输系统的能量管理技术，属于电通信的技术领域。

背景技术

随着电气设备的日益普及，以接触导电为主的传统供电模式存在着移动性差、不安全可靠等问题。尤其是在用电设备和供电设备存在相对移动的系统中，为满足物理接触需要较多的附加设备，给用电设备的应用带来不便。而无线激光电能传输具有传输距离远、定向性好的优点，适合于对无人机、坦克、车辆等快速移动目标进行非接触充电。

激光无线能量传输系统的通用结构如图1所示，在发射端，电网或储能单元中的电能经激光电源提供给激光器，激光器将电能转换成激光传输出去；在接收端，高聚光型的光伏电池将高能量密度的激光转换成电能，这些电能再经功率变换器变换后提供给负载和储能单元。

目前，对激光无线能量传输技术的研究多集中在系统各部分性能的提升方面，而从系统整体性能角度出发的研究较少。由于激光在大气中传输会因大气折射、气溶胶散射吸收等原因损失光功率，激光无线能量传输系统存在供电不稳定的问题。因此，需要实现发射端和接收端的有机结合，对系统功率进行实时协调控制。为了实现系统非接触式供电的特点，需要采用无线通信模块。

此外，在实际应用场景中，需要考虑障碍物出现并遮挡激光光路的意外情况。对于大功率激光供电系统，大功率激光长时间照射障碍物易引起安全问题，因此，需要针对意外情况设计相应的应对模式。

综上，探索提高激光无线能量传输系统整体性能的方法，并提出一种基于智能能量管理策略的激光无线能量传输系统，可以提升系统供电的稳定性和安全性，对发展激光无线能量传输基础理论和关键技术的研究具有重要理论意义和实际应用价值。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了激光无线能量传输系统的能量管理保护方法及装置，采用无线通信模块保证发射端和接收端完全分离，同时，通过简洁方便的控制策略来控制激光器输入电流的大小，在保证系统各部分之间功率平衡的同时提高了系统整体稳定性，同时针对实际应用场合下的意外情况设置了相应的复位重启模式，保证了系统安全性，解决了目前缺乏针对实际应用场合下激光无线能量传输系统进行能量管理的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

激光无线能量传输系统，由激光发射端以及激光接收端组成，其中，激光发射端包括：线性驱动电源、半导体激光器、无线通信模块，线性驱动电源为半导体激光器提供低纹波电流，无线通信模块负责获取接收端无线通信模块发出的光伏阵列实时输出功率，激光接收端包括：光伏阵列、DC/DC变换器、无线通信模块以及负载。本发明涉及的能量管理保护方法基于智能能量管理策略实现，包括：自适应功率控制方法和断电重连方法。

自适应功率控制方法具体为：在启动阶段，利用线性电源控制激光器流入电流i _DC 由零开始缓慢上升，逐渐增大激光器发射光功率至预设最低值，直至光伏阵列的输出功率满足接收端无线通信模块的最低需求，无线通信模块开始工作，在发射端与接收端之间建立通信链路，发射端进入下一阶段；在功率控制阶段，采样光伏阵列的输出电压v _pv 和电流i _pv ，以其输出功率P _pv 为控制量对激光器流入电流i _DC 大小进行反馈控制，当光伏阵列输出功率低于负载和蓄电池充电所需功率P _max1 时，增大激光器流入电流以提高激光器发射功率，反之，减小激光器流入电流以降低激光器发射功率，当能量监控模块监测到蓄电池充满电后，切断蓄电池的充电回路，降低光伏阵列输出功率至P _max2 仅对负载供能。

断电重连方法具体为：有障碍物阻断激光光路，此时，光伏阵列无功率输出，接收端无线通信模块停止工作，通信链路断开，发射端进入复位重启阶段，首先切断激光器流入电流，然后转入启动阶段，并维持预设的激光器发射光功率，直到障碍物消失，光伏阵列的输出功率满足最低需求，接收端无线通信模块开始工作，通信链路重建，转入正常功率控制阶段，在障碍物遮挡光路时，负载由蓄电池供电。

基于上述发明构思，本申请还提出了一种激光无线能量传输系统的能量管理装置，该装置包括：

乘法器，其一输入端接光伏阵列输出电压的采集信号，其另一输入端接光伏阵列输出电流的采集信号，输出光伏阵列实时输出功率，

接收端无线通信模块，在发射端和接收端之间的通信链路建立后传输光伏阵列实时输出功率至发射端，

发射端无线通信模块，接收光伏阵列实时输出功率，

第一减法器，其同相输入端接接收端所需充电功率，其反相输入端接光伏阵列实时输出功率，输出接收端所需充电功率与光伏阵列实时输出功率的差值至第一PI调节器的输入端，

第一PI调节器，对接收端所需充电功率与光伏阵列实时输出功率的差值进行PI调节后输出激光器输入电流基准信号的平均值，

第二加法器，其同相输入端接激光器输入电流基准的平均值，其反相输入端接激光器输入电流的采集信号，输出激光器实时输入电流与激光器输入电流基准信号平均值的差值至第二PI调节器的输入端，

第二PI调节器，对激光器实时输入电流与激光器输入电流基准信号平均值的差值进行PI调节后输出激光器激励源的数字控制信号，及，

DAC，其输入端接第二PI调节器的输出端，将激光器激励源的数字控制信号转换为模拟控制信号后输出。

激光无线能量传输系统的能量管理装置还包括用于在接收端的蓄电池充满时切断蓄电池供电回路的能量监控模块，该能量监控模块的输入端口接在蓄电池的两极之间，输出切断供电回路的控制信号至蓄电池供电回路中的变换器。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

（1）考虑到现有技术中针对激光无线能量传输系统整体的研究较少，本发明提出一种基于智能能量控制的能量管理保护方法，通过无线通信链路的建立将发射端和接收端有机结合，协同控制系统输出功率，采用的自适应功率控制方法保证接收端的功率供给，断电重连方法能够在障碍物遮挡激光光路时及时切断发射端的能量供给，能够有效避免大功率激光长时间照射障碍物易引起的安全问题，在障碍消除恢复通信后重新进入功率自适应控制，有效提升系统供电的稳定性和安全性。

（2）本发明还提出了基于智能能量控制策略的能量管理装置，该装置免去了复杂的逻辑切换，以简洁方便且计算量小的电路实现激光器流入电流的反馈控制，具有模式之间切换平滑的优点。

附图说明

图1是激光电能传输系统的整体结构图。

图2是光伏阵列在连续/脉冲光照射下的效率曲线图。

图3是智能能量控制策略的总体流程图。

图4是自适应功率控制方法的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

图1所示的激光无线能量传输系统中，半导体激光器(Laser Diode, LD)将电能转换成激光，经自由空间传输至远端的光伏接收器。在接收端，光伏阵列将激光重新转换成电能后提供给负载和储能单元。其中，LD是电流注入型器件，不同特征的输入电流对其发出的激光有决定性影响。图2为光伏阵列在连续/脉冲光照射下的效率曲线。由图2可知，平均入射的光功率越大，光伏阵列的热效应越严重，其效率越低，且光伏阵列在连续光照射下效率更优，而脉冲光照射下，光脉宽越窄，光伏阵列效率越低。由图2可知，LD输入电流的脉宽是影响光伏阵列电能转换效率的因素，且在传输相同光功率的情况下，电流脉宽越小效率越高。因此，LD的驱动电路选择线性电源，线性电源向LD输入稳定的低纹波电流，LD发出连续光以提高光伏阵列效率。

由图3所示，智能能量控制策略由自适应功率控制方法和断电重连方法组成。其中，自适应功率控制方法控制激光器的平均发射光功率，使光伏阵列输出的平均功率满足负载和蓄电池的实时需求。断电重连方法通过通信链路通断来判断意外情况是否发生，保证系统在障碍物阻断光路时重启驱动电路，仅保持最低发射光功率。

如图4所示，自适应功率控制方法分为启动阶段和功率控制阶段两阶段。

启动阶段，利用线性电源控制激光器流入电流i _DC 由零开始缓慢上升，逐渐增大激光器发射光功率至预设最低值，直至光伏阵列的输出功率满足接收端无线通信模块的最低需求，无线通信模块开始工作，在发射端与接收端之间建立通信链路，发射端进入下一阶段。

功率控制阶段，选择光电池的输出功率P _pv 作为控制变量，激光器输入电流基准的平均值i _ref 作为控制目标：在蓄电池未充满电的情况下，当光伏电池的输出功率不能满足负载和蓄电池充电所需功率的总和P _{_max1} 时，P _pv 与预设的功率P _{_max1} 进行比较后所得的误差ΔP将作为激光器输入电流基准的调整信号使注入激光器的电流基准的平均值i _ref 增加，即增加激光器的输出功率，从而增加光电池的输出功率，当光电池的输出功率大于负载和蓄电池充电所需功率的总和P _{_max1} 时，ΔP作为调整信号使注入激光器的电流基准的平均值i _ref 减小，即减小激光器的输出功率，从而降低光伏阵列的输出功率；在蓄电池充满电的情况下，当光电池的输出功率不能满足负载所需功率时，P _pv 与预设的负载所需充电功率P _{_max2} 进行比较后所得的误差ΔP将作为激光器输入电流基准的平均值进行同样方式的调节。

断电重连方法：当障碍物切断激光光路时，接收端通讯模块失去电能供给，停止发送信号，发射端随即切断LD的输入电流，防止大功率激光束引发安全事故，此时，负载转由蓄电池供电，发射端转入启动阶段，再缓慢增加激光器发射光功率至预设最低值后保持此状态，直到障碍物消失，接收端通讯模块恢复电能供给，转入正常功率控制阶段，负载由光伏阵列输出供能。

Claims (5)

1.激光无线能量传输系统的能量管理保护方法，其特征在于，包括根据光伏阵列的实时输出功率调节激光器的输入电流以使光伏阵列输出功率满足负载充电需求的自适应功率控制策略：

启动阶段，逐渐增大激光器的发射功率至光伏阵列实时输出功率满足无线通信最低要求的预设最低值，发射端和接收端之间的通信链路在激光器的发射功率增大至预设最低值时建立，

功率控制阶段，实时采集光伏阵列输出电压及输出电流，根据接收端所需充电功率与光伏阵列实时输出功率的差值确定激光器输入电流基准的平均值，再根据激光器实时输入电流偏离激光器输入电流基准信号平均值的情况调节激光器的发射功率。

2.根据权利要求1所述激光无线能量传输系统的能量管理保护方法，其特征在于，所述能量管理保护方法还包括针对障碍物阻断激光光路情况的断电重启策略，在通信链路中断时切断激光器的输入电流，缓慢增加激光器发射光功率至预设最低值后维持激光器的发射功率直至通信链路恢复，进入功率控制阶段。

3.根据权利要求1所述激光无线能量传输系统的能量管理保护方法，其特征在于，所述激光无线能量传输系统的接收端包含蓄电池和负载，蓄电池未充满时接收端所需充电功率为负载和蓄电池充电所需功率的总和，蓄电池充满时接收端所需充电功率为负载所需充电功率。

4.激光无线能量传输系统的能量管理装置，其特征在于，包括：

乘法器，其一输入端接光伏阵列输出电压的采集信号，其另一输入端接光伏阵列输出电流的采集信号，输出光伏阵列实时输出功率，

接收端无线通信模块，在发射端和接收端之间的通信链路建立后传输光伏阵列实时输出功率至发射端，

发射端无线通信模块，接收光伏阵列实时输出功率，

第一减法器，其同相输入端接接收端所需充电功率，其反相输入端接光伏阵列实时输出功率，输出接收端所需充电功率与光伏阵列实时输出功率的差值至第一PI调节器的输入端，

第一PI调节器，对接收端所需充电功率与光伏阵列实时输出功率的差值进行PI调节后输出激光器输入电流基准信号的平均值，

第二加法器，其同相输入端接激光器输入电流基准的平均值，其反相输入端接激光器输入电流的采集信号，输出激光器实时输入电流与激光器输入电流基准信号平均值的差值至第二PI调节器的输入端，

第二PI调节器，对激光器实时输入电流与激光器输入电流基准信号平均值的差值进行PI调节后输出激光器激励源的数字控制信号，及，

DAC，其输入端接第二PI调节器的输出端，将激光器激励源的数字控制信号转换为模拟控制信号后输出。

5.根据权利要求4所述激光无线能量传输系统的能量管理装置，其特征在于，所述装置还包括用于在接收端的蓄电池充满时切断蓄电池供电回路的能量监控模块，该能量监控模块的输入端口接在蓄电池的两极之间，输出切断供电回路的控制信号至蓄电池供电回路中的变换器。