CN112636482A - 一种双冗余度无线能量传输拓扑架构及控制方法 - Google Patents

一种双冗余度无线能量传输拓扑架构及控制方法 Download PDF

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CN112636482A CN202011423056.XA CN202011423056A CN112636482A CN 112636482 A CN112636482 A CN 112636482A CN 202011423056 A CN202011423056 A CN 202011423056A CN 112636482 A CN112636482 A CN 112636482A
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张玉才
明旭东
宗岩
赵建伟
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张振宇
李文晓
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Abstract

本发明提供一种双冗余度无线能量传输拓扑架构及控制方法，利用近场无线能量传输技术实现旋转机构非接触供电，避免了传统机械接触式供电机构磨损而导致的载荷供电故障，同时，初级逆变电路、发射线圈、接收线圈以及整流电路采用主、备份冗余设计模型，可以大大提高星载及其他关键设备无线能量传输供电的可靠性，防止单个功能模块故障导致的系统供电失效。

Description

一种双冗余度无线能量传输拓扑架构及控制方法
技术领域
本发明属于能源管理与功率变换技术领域，尤其涉及一种双冗余度无线能量传输拓扑架构及控制方法。
背景技术
为了保证卫星平台一次母线与关键载荷之间的旋转式供电以及其他旋转设备之间供电，通常采用导电滑环进行旋转接触式供电，对于转速不高的场合，该方案是可行的。但是，对于旋转周期在分钟级的应用场合，长期高速旋转将导致导电滑环与电刷之间发生磨损而导致损坏，不能满足2年以上应用需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种双冗余度无线能量传输拓扑架构及控制方法，利用近场无线能量传输技术实现旋转机构非接触供电，避免了传统机械接触式供电机构磨损而导致的载荷供电故障，大大提高了供电的可靠性。
一种双冗余度无线能量传输拓扑架构，包括主份初级逆变电路、备份初级逆变电路、主发射线圈、备发射线圈、主接收线圈、备接收线圈、主份次级整流电路以及备份次级整流电路；
所述主份初级逆变电路与备份初级逆变电路用于分时将外部直流输入转换为交流输出；
所述主发射线圈与备发射线圈用于分时在所述交流输出的激励下产生交变磁场；
所述主接收线圈与备接收线圈用于分时在所述交变磁场的作用下产生交流电能；
所述主份次级整流电路与备份次级整流电路用于分时将所述交流电能转换为直流输出。
进一步地，一种双冗余度无线能量传输拓扑架构，还包括继电器S1～S16；
其中，S1和S3串联后连接在主份初级逆变电路的输出正端和主发射线圈的一端，S2和S4串联后连接在主份初级逆变电路的输出负端与主发射线圈的另一端，S5和S6串联后连接在备份初级逆变电路的输出正端和备发射线圈的一端，S7和S8串联后连接在备份初级逆变电路的输出负端和备发射线圈的另一端，同时，S1和S3的串联点与S5和S6的串联点连接，S2和S4的串联点与S7和S8的串联点连接；
S9和S10串联后连接在主份次级整流电路的输入正端和主接收线圈的一端，S11和S12串联后连接在主份次级整流电路的输入负端和主接收线圈的另一端，S13和S14串联后连接在备份次级整流电路的输入正端和备接收线圈的一端，S15和S16串联后连接在备份次级整流电路的输入负端和备接收线圈的另一端，同时，S9和S10的串联点与S13和S14的串联点连接，S11和S12的串联点与S15和S16的串联点连接。
一种双冗余度无线能量传输控制方法，若闭合继电器S1/S2-S3/S4、S9/S11-S10/S12，则由主份初级逆变电路、主发射线圈、主接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S3/S4、S9/S11-S14/S16，则由主份初级逆变电路、主发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S3/S4、S13/S15-S14/S16，则由主份初级逆变电路、主发射线圈、备接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S3/S4、S13/S15-S10/S12，则由主份初级逆变电路、主发射线圈、备接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S6/S8、S9/S11-S10/S12，则由主份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S6/S8、S9/S11-S14/S16，则由主份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S6/S8、S9/S11-S10/S12，则由主份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈、主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S6/S8、S9/S11-S14/S16，则由主份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S3/S4、S9/S11-S10/S12，则由备份初级逆变电路、主发射线圈、主接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S3/S4、S9/S11-S14/S16，则由备份初级逆变电路、主发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S3/S4、S13/S15-S14/S16，则由备份初级逆变电路、主发射线圈、备接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S3/S4、S13/S15-S10/S12，则由备份初级逆变电路、主发射线圈、备接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S6/S8、S9/S11-S10/S12，则由备份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S6/S8、S9/S11-S14/S16，则由备份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S6/S8、S9/S11-S10/S12，则由备份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S6/S8、S9/S11-S14/S16，则由备份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输。
有益效果：
1、本发明提供一种双冗余度无线能量传输拓扑架构，利用近场无线能量传输技术实现旋转机构非接触供电，避免了传统机械接触式供电机构磨损而导致的载荷供电故障，同时，初级逆变电路、发射线圈、接收线圈以及整流电路采用主、备份冗余设计模型，可以大大提高星载无线能量传输供电的可靠性，防止单个功能模块故障导致的系统供电失效。
2、本发明提供一种双冗余度无线能量传输控制方法，通过闭合不同的继电器，控制主份初级逆变电路、备份初级逆变电路、主发射线圈、备发射线圈、主接收线圈、备接收线圈、主份次级整流电路以及备份次级整流电路之间形成不同的无线能量传输组合，可以大大提高星载无线能量传输供电的可靠性，防止单个功能模块故障导致的系统供电失效。
附图说明
图1为本发明提供的一种双冗余度无线能量传输拓扑架构的原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1，该图为本实施例提供的一种双冗余度无线能量传输拓扑架构的原理图。一种双冗余度无线能量传输拓扑架构，包括主份初级逆变电路、备份初级逆变电路、主发射线圈、备发射线圈、主接收线圈、备接收线圈、主份次级整流电路、备份次级整流电路以及继电器S1～S16；
所述主份初级逆变电路与备份初级逆变电路用于分时将外部直流输入转换为高频交流输出，也就是说，主份初级逆变电路与备份初级逆变电路不同时工作；
所述主发射线圈与备发射线圈用于分时在所述高频交流输出的激励下产生高频交变磁场，也就是说，主发射线圈与备发射线圈不同时工作；
所述主接收线圈与备接收线圈用于分时在所述高频交变磁场的作用下产生高频交流电能，也就是说，主接收线圈与备接收线圈不同时工作；
所述主份次级整流电路与备份次级整流电路用于分时将所述高频交流电能转换为直流输出，也就是说，主份次级整流电路与备份次级整流电路不同时工作。
需要说明的是，主份初级逆变电路与备份初级逆变电路可以根据实际需要选取电压型逆变电路或电流型逆变电路，则对应的，外部直流输入为直流电压或者直流电流；同时，外部直流输入实际分为两路，分别输入主份初级逆变电路与备份初级逆变电路的输入正端和输入负端。
S1和S3串联后连接在主份初级逆变电路的输出正端和主发射线圈的一端，S2和S4串联后连接在主份初级逆变电路的输出负端与主发射线圈的另一端，S5和S6串联后连接在备份初级逆变电路的输出正端和备发射线圈的一端，S7和S8串联后连接在备份初级逆变电路的输出负端和备发射线圈的另一端，同时，S1和S3的串联点与S5和S6的串联点连接，S2和S4的串联点与S7和S8的串联点连接；S9和S10串联后连接在主份次级整流电路的输入正端和主接收线圈的一端，S11和S12串联后连接在主份次级整流电路的输入负端和主接收线圈的另一端，S13和S14串联后连接在备份次级整流电路的输入正端和备接收线圈的一端，S15和S16串联后连接在备份次级整流电路的输入负端和备接收线圈的另一端，同时，S9和S10的串联点与S13和S14的串联点连接，S11和S12的串联点与S15和S16的串联点连接。
进一步地，继电器开关网络主要用于实现交叉备份，具体的，所述继电器S1～S8用于主份初级逆变电路、备份初级逆变电路、主发射线圈以及备发射线圈之间连接关系的切换，其中，当继电器S1～S4导通时，主份初级逆变电路与主发射线圈连接，且两者处于工作状态；
当继电器S1、S2、S6、S8导通时，主份初级逆变电路与备发射线圈连接，且两者处于工作状态；
当继电器S5、S6、S7、S8导通时，备份初级逆变电路与备发射线圈连接，且两者处于工作状态；
当继电器S5、S7、S3、S4导通时，备份初级逆变电路与主发射线圈连接，且两者处于工作状态；
所述继电器S9～S16用于主接收线圈、备接收线圈、主份次级整流电路以及备份次级整流电路之间连接关系的切换，其中，当继电器S9～S12导通时，主接收线圈与主份次级整流电路连接，且两者处于工作状态；
当继电器S9、S11、S14、S16导通时，主接收线圈与备份次级整流电路连接，且两者处于工作状态；
当继电器S13～S16导通时，备接收线圈与备份次级整流电路连接，且两者处于工作状态；
当继电器S13、S15、S10、S12导通时，备接收线圈与主份次级整流电路连接，且两者处于工作状态。
由此可见，通过控制不同继电器的导通和关断，本实施例提供的一种双冗余度无线能量传输拓扑架构具有如下16种工作模式，大大提高了供电的可靠性：
(1)主份初级逆变电路-S1/S2-S3/S4-主发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S10/S12-主份次级整流电路；
(2)主份初级逆变电路-S1/S2-S3/S4-主发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S14/S16-备份次级整流电路；
(3)主份初级逆变电路-S1/S2-S3/S4-主发射线圈-备接收线圈-S13/S15-S14/S16-备份次级整流电路；
(4)主份初级逆变电路-S1/S2-S3/S4-主发射线圈-备接收线圈-S13/S15-S10/S12-主份次级整流电路；
(5)主份初级逆变电路-S1/S2-S6/S8-备发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S10/S12-主份次级整流电路；
(6)主份初级逆变电路-S1/S2-S6/S8-备发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S14/S16-备份次级整流电路；
(7)主份初级逆变电路-S1/S2-S6/S8-备发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S10/S12-主份次级整流电路；
(8)主份初级逆变电路-S1/S2-S6/S8-备发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S14/S16-备份次级整流电路；
(9)备份初级逆变电路-S5/S7-S3/S4-主发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S10/S12-主份次级整流电路；
(10)备份初级逆变电路-S5/S7-S3/S4-主发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S14/S16-备份次级整流电路；
(11)备份初级逆变电路-S5/S7-S3/S4-主发射线圈-备接收线圈-S13/S15-S14/S16-备份次级整流电路；
(12)备份初级逆变电路-S5/S7-S3/S4-主发射线圈-备接收线圈-S13/S15-S10/S12-主份次级整流电路；
(13)备份初级逆变电路-S5/S7-S6/S8-备发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S10/S12-主份次级整流电路；
(14)备份初级逆变电路-S5/S7-S6/S8-备发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S14/S16-备份次级整流电路；
(15)备份初级逆变电路-S5/S7-S6/S8-备发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S10/S12-主份次级整流电路；
(16)备份初级逆变电路-S5/S7-S6/S8-备发射线圈-主接收线圈-S9/S11-S14/S16-备份次级整流电路。
因此，本实施例提供了一种适用于高可靠无线能量传输功率拓扑架构，实现卫星平台与载荷之间以及其他高速旋转设备之间旋转式非接触供电；同时，初级逆变电路、发射线圈、接受线圈以及整流电路采用主、备份冗余设计模型，利用继电器网络S1～S8实现初级逆变电路和发射线圈交叉冗余工作模式，利用继电器网络S9～S16实现接收线圈和次级整流电路交叉冗余工作模式，可以大大提高星载无线能量传输供电的可靠性，防止单个模块故障导致的系统供电失效。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种双冗余度无线能量传输拓扑架构，其特征在于，包括主份初级逆变电路、备份初级逆变电路、主发射线圈、备发射线圈、主接收线圈、备接收线圈、主份次级整流电路以及备份次级整流电路；
所述主份初级逆变电路与备份初级逆变电路用于分时将外部直流输入转换为交流输出；
所述主发射线圈与备发射线圈用于分时在所述交流输出的激励下产生交变磁场；
所述主接收线圈与备接收线圈用于分时在所述交变磁场的作用下产生交流电能；
所述主份次级整流电路与备份次级整流电路用于分时将所述交流电能转换为直流输出。
2.如权利要求1所述的一种双冗余度无线能量传输拓扑架构，其特征在于，还包括继电器S1～S16；
其中，S1和S3串联后连接在主份初级逆变电路的输出正端和主发射线圈的一端，S2和S4串联后连接在主份初级逆变电路的输出负端与主发射线圈的另一端，S5和S6串联后连接在备份初级逆变电路的输出正端和备发射线圈的一端，S7和S8串联后连接在备份初级逆变电路的输出负端和备发射线圈的另一端，同时，S1和S3的串联点与S5和S6的串联点连接，S2和S4的串联点与S7和S8的串联点连接；
S9和S10串联后连接在主份次级整流电路的输入正端和主接收线圈的一端，S11和S12串联后连接在主份次级整流电路的输入负端和主接收线圈的另一端，S13和S14串联后连接在备份次级整流电路的输入正端和备接收线圈的一端，S15和S16串联后连接在备份次级整流电路的输入负端和备接收线圈的另一端，同时，S9和S10的串联点与S13和S14的串联点连接，S11和S12的串联点与S15和S16的串联点连接。
3.一种基于权利要求2的双冗余度无线能量传输控制方法，其特征在于，
若闭合继电器S1/S2-S3/S4、S9/S11-S10/S12，则由主份初级逆变电路、主发射线圈、主接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S3/S4、S9/S11-S14/S16，则由主份初级逆变电路、主发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S3/S4、S13/S15-S14/S16，则由主份初级逆变电路、主发射线圈、备接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S3/S4、S13/S15-S10/S12，则由主份初级逆变电路、主发射线圈、备接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S6/S8、S9/S11-S10/S12，则由主份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S6/S8、S9/S11-S14/S16，则由主份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S6/S8、S9/S11-S10/S12，则由主份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈、主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S1/S2-S6/S8、S9/S11-S14/S16，则由主份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S3/S4、S9/S11-S10/S12，则由备份初级逆变电路、主发射线圈、主接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S3/S4、S9/S11-S14/S16，则由备份初级逆变电路、主发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S3/S4、S13/S15-S14/S16，则由备份初级逆变电路、主发射线圈、备接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S3/S4、S13/S15-S10/S12，则由备份初级逆变电路、主发射线圈、备接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S6/S8、S9/S11-S10/S12，则由备份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及主份次级整流电路进行无线能量传输；
若闭合继电器S5/S7-S6/S8、S9/S11-S14/S16，则由备份初级逆变电路、备发射线圈、主接收线圈以及备份次级整流电路进行无线能量传输；
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101951012A (zh) * 2010-09-28 2011-01-19 深圳市大富科技股份有限公司 一种电源装置及通信设备
CN106816962A (zh) * 2017-03-10 2017-06-09 西南交通大学 一种大功率感应电能传输系统的电磁耦合机构
CN108390469A (zh) * 2018-01-10 2018-08-10 西南交通大学 一种多发送多接收的大功率感应电能传输系统
CN111917194A (zh) * 2020-06-09 2020-11-10 中国科学院地质与地球物理研究所 一种旋转导向钻井工具的电能传输装置

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