CN112072800B - 一种基于电磁耦合的飞行器无线充电系统及方法 - Google Patents

一种基于电磁耦合的飞行器无线充电系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于电磁耦合的飞行器无线充电系统及方法，属于电学技术领域。本发明发射线圈和无线电能发射装置输出端通过地面馈线连接，无线电能发射装置的输入端与电源连接；无线电能发射装置接收电源输入，并将电能输送至弹上设备；无线电能发射装置接收弹上装备的反馈信息，并执行对应操作；无线电能接收装置输入端与接收线圈通过弹上馈线连接，无线电能接收装置输出端与弹上电池连接；接收线圈接收发射线圈输送的电能，并通过无线电能接收装置将高频交流电变换为电池需要的直流电压，并将反馈信息发送至无线电能发射装置。本发明取消了弹/箭地充电电缆连接，通过磁场耦合方式完成弹上锂电池的非接触充电和通信，消除了由于口盖开合造成的多重风险。

Description

一种基于电磁耦合的飞行器无线充电系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于电磁耦合的飞行器无线充电系统及方法，属于电学技术领域。
背景技术
飞行器锂电池传统日常充电、单体电压检测等工作需要打开飞行器口盖将电池连接测试电缆通过电池充放电仪进行维护，使用完毕后需再次封闭口盖。该种接触式电能传输方式有以下几点缺陷：
1)电池充放电仪与电池接口有一对一的关系，无线兼容电池选型的更换，兼容性较差。
2)对于操作者来说使用不便，存在由于裸露导体而触电的危险。
3)每次充电均需对口盖操作，频繁操作带来的集尘、接触损耗和多余物等隐患限制了充电的使用场地，无法在恶劣、极端环境下使用。
4)飞行器运往考虑到靶场发射阵地前，一般均已完成清封舱工作，在发射阵地不具备开盖充电条件，。此外为了保证飞行器可靠飞行和应急处置等对电池余量的需求，对于装有锂电池的飞行器，发射阵地常常不安排射前测试，这在一定程度上影响发射阵地的测试覆盖性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于电磁耦合的飞行器无线充电系统，取消了弹/箭地充电电缆连接，通过磁场耦合方式完成弹上锂电池的非接触充电和通信，消除了由于口盖开合造成的多重风险。
本发明的技术解决方案是：一种基于电磁耦合的飞行器无线充电系统，包括弹上设备和地面设备，两设备之间为设有玻璃窗口的金属舱壁；
所述地面设备包括发射线圈、地面馈线和无线电能发射装置；所述发射线圈和无线电能发射装置输出端通过地面馈线连接，无线电能发射装置的输入端与电源连接；所述无线电能发射装置接收电源输入，将输入工频交流市电变换为高频交流电，并通过发射线圈将电能输送至弹上设备；所述无线电能发射装置接收弹上装备的反馈信息，并执行对应操作；
所述弹上设备包括无线电能接收装置、弹上馈线和接收线圈；所述无线电能接收装置输入端与接收线圈通过弹上馈线连接，无线电能接收装置输出端与弹上电池连接；所述接收线圈接收发射线圈输送的电能，并通过无线电能接收装置将高频交流电变换为电池需要的直流电压，并将反馈信息依次通过接收线圈和发射线圈发送至无线电能发射装置；所述反馈信息包括电池参数及相关充电参数。
进一步地，所述无线电能发射装置包括EMC滤波器、整流滤波模块、DC-DC模块、高频逆变器、LCC补偿网络、第一控制/信息传输电路和显示控制器；
所述电源输入依次经过EMC滤波器、整流滤波模块、DC-DC模块、高频逆变器和LCC补偿网络处理后传输至发射线圈；
所述第一控制/信息传输电路与DC-DC模块、高频逆变器、显示控制器和发射线圈连接，用于通过发射线圈接收反馈信息，根据反馈信息控制DC-DC模块和高频逆变器，并向显示控制器实时发送弹上电池的充电状态信息。
进一步地，所述无线电能接收装置包括依次串联连接的S补偿网络、整流滤波、BUCK电路、保护板和开关，以及充电管理模块和第二控制/信息传输电路；
所述补偿网络为S串联补偿，用于控制接收线圈的感应电压恒定；
所述整流滤波用于将接收的高频交流电转换为直流电；
所述BUCK电路受充电管理模块控制，用于功率调节，完成电池充电方式切换；
所述保护板用于采样弹上电池的参数信息，并将参数信息发送至充电管理模块；
所述开关用于在无线电能发射装置不工作时保持常开，从物理上隔绝弹上电池与无线电能接收设备的充电电路的连接；
所述充电管理模块与保护板进行通信并通过第二控制和信息传输电路和接收线圈向发射端返回电池数据信息。
进一步地，所述反馈信息包括充电完成信息和故障信息；当第二控制/信息传输电路生成充电完成信息或故障信息的同时，切断BUCK电路的输出开关，断开控制开关，接着将充电完成信息或故障信息反馈至第一控制/信息传输电路，第一控制/信息传输电路收到充电完成信息或故障信息后关闭DC-DC模块的电能输出，同时将充电完成信息或故障信息报送至显示控制器进行显示。
进一步地，所述弹上电池与弹上设备之间设有保护电路，用于在弹上电池与充电电路之间产生物理隔断效果，避免飞行器在飞行过程中受到影响；所述保护电路包括两个二极管、继电器、一个三极管和两个电阻；第一二极管正端连接外部电源正极，第一二极管负端连接继电器公共端B；继电器常开触点C端输出电压；继电器电源输入正端连接外部24V电源和第二二极管负端、继电器电源输入负端端连接第二二极管正端与三极管集电极，三极管发射极与电阻R3并联连接且接地，三极管基极连接电阻R3另一端和电阻R2一端，所述电阻R2另一端连接继电器控制器。
一种基于电磁耦合的飞行器无线充电方法，包括如下步骤：
S1，弹上设备端口初始化后，关闭BUCK电路，关闭开关；
S2，延时等待高频逆变器软起；
S3，向保护板发送第一组数据；若保护板返回数据正确，则进入下一步，否则，关闭BUCK电路，关闭开关；
S4，弹上设备向第一控制/信息传输电路发送第一组数据的返回数据，并向保护板发送第二组数据；若保护板返回数据正确，则进入下一步，否则，关闭BUCK电路，关闭开关；
S5，弹上设备向第一控制/信息传输电路发送第二组数据的返回数据；
S6，由第二组数据的返回数据实时计算弹上电池的压差、电流和总电压；并据此判断弹上电池充电状态；若状态为充电完成、过流、欠压或过压，则关闭BUCK电路，关闭模拟芯片，关闭开关；若弹上电池状态为恒流或恒压状态，则打开BUCK电路，模拟开关恒流输出，打开开关，并返回S3。
进一步地，当弹上电池指标或舱体口盖需要调整时，不变动地面设备，通过调整补偿网络和接收线圈的参数实现。
进一步地，所述调整补偿网络和接收线圈的参数的方法具体为：
根据弹上变化要求确定发射线圈的激励电流和补偿电容值；
计算出绕线时电磁电磁耦合机构的互感值，得到接收线圈的自感值限制以及线圈的绕匝数。
进一步地，所述发射线圈和接收线圈为8字形绕线方式以减少热损耗。
进一步地，当弹上电池充电完成或充电参数异常时，将断电请求信号发送至地面设备，地面设备随即发出控制指令断开弹上设备的开关。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过磁场耦合技术完成弹上电池无线充电，避免了电池接口接插损耗，消除了由于口盖开合造成的多余物风险，减小了充电系统的体积及质量，可应对恶劣测试环境，为突发故障的应急处置提供动力续航支持。
(2)本发明通过无线电能和通讯信号共用无线通道的方式实现双线圈传输模式优势，完成能量和通信并行传输。
附图说明
图1为本发明原理框图；
图2为本发明地面、弹上设备示意图；
图3为电池管理系统程序流程图；
图4为电能与数据并行传输电路拓补图；
图5为本发明保护电路图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于电磁耦合的飞行器无线充电系统做进一步详细的说明。
如图1、2所示，本发明提出的无线充电系统包括弹上设备和地面设备，两设备之间为设有玻璃窗口的金属舱壁。
在本申请实施例所提供的方案中，所述地面设备包括发射线圈4、地面馈线5和无线电能发射装置6；所述发射线圈4和无线电能发射装置6输出端通过地面馈线5连接，无线电能发射装置6的输入端与电源连接；所述无线电能发射装置6接收电源输入，将输入工频交流市电变换为高频交流电，并通过发射线圈4将电能输送至弹上设备；所述无线电能发射装置6接收弹上装备的反馈信息，并执行对应操作。
进一步，地面无线电能发射装置包括EMC滤波器7、整流滤波模块8、DC-DC模块9、高频逆变器10、LCC补偿网络11、第一控制/信息传输电路12、显示控制器13。所述电源输入依次经过EMC滤波器7、整流滤波模块8、DC-DC模块9、高频逆变器10和LCC补偿网络11处理后传输至发射线圈4；所述第一控制/信息传输电路12与DC-DC模块9、高频逆变器10、显示控制器13和发射线圈4连接，用于通过发射线圈4接收反馈信息，根据反馈信息控制DC-DC模块9和高频逆变器10，并向显示控制器13实时发送弹上电池的充电状态信息。
具体的，在一种可能实现的方式中，EMC滤波器7、整流滤波模块8、DC-DC模块9将交流市电转换成直流电压，其中整流部分采用单相桥式全波不可控整流电路。
进一步地，在一种可能实现的方式中，高频逆变器10将直流电转化为发射线圈4工作所需的高频交流电，采用电压型全桥逆变电路，选取MOSFET作为逆变器开关器件以及软开关控制方式。
优选的，在一种可能实现的方式中，补偿网络11选择LCC补偿，使电能发射线圈中的电流始终恒定，不受外部(负载特性改变等)干扰，可以激发稳定的高频交变磁场。
具体的，在一种可能实现的方式中，第一控制/信息传输电路12能够与弹上设备通信，同时实时处理电池电压、电流、温度等信息，为电池充电提供所需的电压和电流。
在一种可能实现的方式中，显示控制器13选用MCGS组态软件，上位机软件显示电池信息，包括单体电池电压、总电压、单体电池压差、充放电电流、标称容量、剩余容量；参数设置包括弹体过压、欠压、充放电电流设置、充放电高温/低温等。
在本申请实施例所提供的方案中，所述无线电能接收装置1包括依次串联连接的S补偿网络14、整流滤波15、BUCK电路16、保护板17和开关18，以及充电管理模块19和第二控制/信息传输电路20。
进一步，在一种可能的实现方式中，补偿网络14选择S串联补偿的形式，使接收线圈的感应电压始终恒定，简化了控制环节，提升系统的可靠性。
具体的，在一种可能的实现方式中，整流滤波15将高频交流电转换为直流电，采用超快恢复二极管实现全桥不可控整流。滤波部分由滤波电容单独完成。
优选的，在一种可能的实现方式中，保护板17用于采样电池组的相关参数，并将信息发送至充电管理模块19。
在一种可能的实现方式中，开关18在无线电能发射装置不工作的时保持常开，从物理上隔绝电池与无线电能接收设备的充电电路的连接关系。
进一步，在一种可能的实现方式中，充电管理模块19与保护板17进行通信并通过控制和信息传输电路19向发射端返回电池数据信息。当充电完成或出现故障时(过压、过流、欠压)，第二控制/信息传输电路20首先切断BUCK电路16输出的开关，控制开关17断开和电池断开物理连接，接着将故障信息返回第一控制/信息传输电路12，第一控制/信息传输电路12收到故障信息后便会关闭DC-DC模块9的电能输出，同时将故障信息报送至显示控制器13报警，实现电能变换电路以及控制电路断电，保证无线电能接收装置对电池无影响。
具体的，在一种可能的实现方式中，所述反馈信息包括充电完成信息和故障信息；当第二控制/信息传输电路20生成充电完成信息或故障信息的同时，切断BUCK电路16的输出开关，断开控制开关17，接着将充电完成信息或故障信息反馈至第一控制/信息传输电路12，第一控制/信息传输电路12收到充电完成信息或故障信息后关闭DC-DC模块9的电能输出，同时将充电完成信息或故障信息报送至显示控制器13进行显示。
在一种可能的实现方式中，如图4、5所示，本系统通过同一发射线圈3、接收线圈4完成无线电能和信号传输，通过基于OFDM技术方案，将数据发送与接收电路并联在此部分能量线圈的两端，形成数据传输回路，将串行数据流转换成若干独立低速数据流，调制到响应子载波上。在数据耦合线圈Lp1和Ls1两端串接电容C1、C2，数据载波拾取电阻R1、R2和稳压管D1、D2构成数据发送与接收回路。它们组成RLC串联电路，此电路具有带通滤波器的特性，对信号传输回路呈现低阻抗特性，而对电能传输回路呈现高阻抗特性，这样可以减小电能对通信载波的影响。
基于与图1相同的发明构思，本发明还提供一种基于电磁耦合的飞行器无线充电方法，如图3，包括如下步骤：
S1，弹上设备端口初始化后，关闭BUCK电路16，关闭开关18；
S2，延时等待高频逆变器10软起；
S3，向保护板17发送第一组数据；若保护板17返回数据正确，则进入下一步，否则，关闭BUCK电路16，关闭开关18；
S4，弹上设备向第一控制/信息传输电路12发送第一组数据的返回数据，并向保护板17发送第二组数据；若保护板17返回数据正确，则进入下一步，否则，关闭BUCK电路16，关闭开关18；
S5，弹上设备向第一控制/信息传输电路12发送第二组数据的返回数据；
S6，由第二组数据的返回数据实时计算弹上电池的压差、电流和总电压；并据此判断弹上电池充电状态；若状态为充电完成、过流、欠压或过压，则关闭BUCK电路16，关闭模拟芯片，关闭开关18；若弹上电池状态为恒流或恒压状态，则打开BUCK电路16，模拟开关恒流输出，打开开关18，并返回S3。
进一步，在一种可能的实现方式中，当弹上电池指标或舱体口盖需要调整时，不变动地面设备，通过调整补偿网络14和接收线圈3的参数实现。
具体的，在一种可能的实现方式中，所述调整补偿网络14和接收线圈3的参数的方法具体为：
根据弹上变化要求确定发射线圈的激励电流和补偿电容值；
计算出绕线时电磁电磁耦合机构的互感值，得到接收线圈的自感值限制以及线圈的绕匝数。
优选的，在一种可能的实现方式中，所述发射线圈4和接收线圈3为8字形绕线方式以减少热损耗。
在一种可能的实现方式中，当弹上电池充电完成或充电参数异常时，将断电请求信号发送至地面设备，地面设备随即发出控制指令断开弹上设备的开关18。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种基于电磁耦合的飞行器无线充电系统，其特征在于：包括弹上设备和地面设备，两设备之间为设有玻璃窗口的金属舱壁；
所述地面设备包括发射线圈(4)、地面馈线(5)和无线电能发射装置(6)；所述发射线圈(4)和无线电能发射装置(6)输出端通过地面馈线(5)连接，无线电能发射装置(6)的输入端与电源连接；所述无线电能发射装置(6)接收电源输入，将输入工频交流市电变换为高频交流电，并通过发射线圈(4)将电能输送至弹上设备；所述无线电能发射装置(6)接收弹上设备的反馈信息，并执行对应操作；
所述弹上设备包括无线电能接收装置(1)、弹上馈线(2)和接收线圈(3)；所述无线电能接收装置(1)输入端与接收线圈(3)通过弹上馈线(2)连接，无线电能接收装置(1)输出端与弹上电池连接；所述接收线圈(3)接收发射线圈(4)输送的电能，并通过无线电能接收装置将高频交流电变换为电池需要的直流电压，并将反馈信息依次通过接收线圈(3)和发射线圈(4)发送至无线电能发射装置(6)；所述反馈信息包括电池参数及相关充电参数；
所述无线电能发射装置(6)包括EMC滤波器(7)、整流滤波模块(8)、DC-DC模块(9)、高频逆变器(10)、LCC补偿网络(11)、第一控制/信息传输电路(12)和显示控制器(13)；
所述电源输入依次经过EMC滤波器(7)、整流滤波模块(8)、DC-DC模块(9)、高频逆变器(10)和LCC补偿网络(11)处理后传输至发射线圈(4)；
所述第一控制/信息传输电路(12)与DC-DC模块(9)、高频逆变器(10)、显示控制器(13)和发射线圈(4)连接，用于通过发射线圈(4)接收反馈信息，根据反馈信息控制DC-DC模块(9)和高频逆变器(10)，并向显示控制器(13)实时发送弹上电池的充电状态信息；
所述无线电能接收装置(1)包括依次串联连接的S补偿网络(14)、整流滤波(15)、BUCK电路(16)、保护板(17)和开关(18)，以及充电管理模块(19)和第二控制/信息传输电路(20)；
所述补偿网络(14)为S串联补偿，用于控制接收线圈(3)的感应电压恒定；
所述整流滤波(15)用于将接收的高频交流电转换为直流电；
所述BUCK电路(16)受充电管理模块(19)控制，用于功率调节，完成电池充电方式切换；
所述保护板(17)用于采样弹上电池的参数信息，并将参数信息发送至充电管理模块(19)；
所述开关(18)用于在无线电能发射装置(6)不工作时保持常开，从物理上隔绝弹上电池与无线电能接收装置(1)的充电电路的连接；
所述充电管理模块(19)与保护板(17)进行通信并通过第二控制和信息传输电路(20)和接收线圈(3)向发射端返回电池数据信息；
所述反馈信息包括充电完成信息和故障信息；当第二控制/信息传输电路(20)生成充电完成信息或故障信息的同时，切断BUCK电路(16)的输出开关，断开开关(18)，接着将充电完成信息或故障信息反馈至第一控制/信息传输电路(12)，第一控制/信息传输电路(12)收到充电完成信息或故障信息后关闭DC-DC模块(9)的电能输出，同时将充电完成信息或故障信息报送至显示控制器(13)进行显示；
所述弹上电池与弹上设备之间设有保护电路，用于在弹上电池与充电电路之间产生物理隔断效果，避免飞行器在飞行过程中受到影响；所述保护电路包括两个二极管、继电器、一个三极管和两个电阻；第一二极管正端连接外部电源正极，第一二极管负端连接继电器公共端B；继电器常开触点C端输出电压；继电器电源输入正端连接外部24V电源和第二二极管负端、继电器电源输入负端连接第二二极管正端与三极管集电极，三极管发射极与电阻R3并联连接且接地，三极管基极连接电阻R3另一端和电阻R2一端，所述电阻R2另一端连接继电器控制器。
2.根据权利要求1所述的系统实现的一种基于电磁耦合的飞行器无线充电方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，弹上设备端口初始化后，关闭BUCK电路(16)，关闭开关(18)；
S2，延时等待高频逆变器(10)软起；
S3，向保护板(17)发送第一组数据；若保护板(17)返回数据正确，则进入下一步，否则，关闭BUCK电路(16)，关闭开关(18)；
S4，弹上设备向第一控制/信息传输电路(12)发送第一组数据的返回数据，并向保护板(17)发送第二组数据；若保护板(17)返回数据正确，则进入下一步，否则，关闭BUCK电路(16)，关闭开关(18)；
S5，弹上设备向第一控制/信息传输电路(12)发送第二组数据的返回数据；
S6，由第二组数据的返回数据实时计算弹上电池的压差、电流和总电压；并据此判断弹上电池充电状态；若状态为充电完成、过流、欠压或过压，则关闭BUCK电路(16)，关闭模拟芯片，关闭开关(18)；若弹上电池状态为恒流或恒压状态，则打开BUCK电路(16)，模拟开关恒流输出，打开开关(18)，并返回S3；
当弹上电池指标或舱体口盖需要调整时，不变动地面设备，通过调整补偿网络(14)和接收线圈(3)的参数实现；
所述调整补偿网络(14)和接收线圈(3)的参数的方法具体为：
根据弹上变化要求确定发射线圈的激励电流和补偿电容值；
计算出绕线时电磁耦合机构的互感值，得到接收线圈的自感值限制以及线圈的绕匝数；
所述发射线圈(4)和接收线圈(3)为8字形绕线方式以减少热损耗；
当弹上电池充电完成或充电参数异常时，将断电请求信号发送至地面设备，地面设备随即发出控制指令断开弹上设备的开关(18)。
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