CN112636484B - 一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统 - Google Patents

一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及磁场耦合的无线电能传输(MC‑WPT)技术领域，具体公开了一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统，包括导轨式耦合机构，导轨式耦合机构包括导轨式发射机构和接收机构；导轨式发射机构包括U形槽状磁芯，以及沿U形槽状磁芯的长度方向布置在U形槽状磁芯中的发射线圈；接收机构包括I形磁芯以及缠绕在I形磁芯上的接收线圈；无线传能时，接收机构位于所述U形槽状磁芯的上方。本发明设计了针对航天飞行器内壁为金属的环境下的导轨式耦合机构，U形槽状磁芯的设计可屏蔽金属对磁耦合的影响，实现了以无线的方式为用电设备提供电能，该技术接口简单、供电灵活，具有通用性，安全和可靠性高，且成本较低，易于实现，有利于工程推广应用。

Description

一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统
技术领域
本发明涉及磁场耦合的无线电能传输(MC-WPT，Magnetic Coupling WirelessPower Transfer)技术领域，尤其涉及一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统。
背景技术
随着航天工业及武器系统的发展，对于轻量化、小型化、模块化的供电设备的需求越来越急迫。对于特殊环境下的供电设备，例如航天飞行器、旋转机械等设备使用传统的导线供电会影响其灵活性，还会增加用电安全隐患，给工程实际应用带来了挑战。无线电能传输(WPT，Wireless Power Transfer)技术的出现提供了安全、环保、便捷、易维护的供电方式，得到了国内外众多学者的关注和研究，共同推动这一新型的供电方式不断发展。其中磁场耦合的无线电能传输(MC-WPT，Magnetic Coupling Wireless Power Transfer)技术是目前最受关注的技术之一，在电动汽车、家用电器、水下设备供电等领域逐步得到推广应用。
在航天飞行器中，当前主要通过供配电系统以导线的方式为电气设备或者传感器供电，该供电方式的主要缺点如下：
(1)接口复杂。由于航天飞行器中用电设备较多，各设备之间信号接口标准不一，导致电缆网接口较为复杂；
(2)灵活度低。航天飞行器中电缆长度一般固定，导致用电设备需固定安装位置，无法根据需要灵活调整；
(3)通用化水平低。航天飞行器中所有设备均通过电缆网连接实现电能的供给和信号的传输，不同型号的航天飞行器的电缆网一般不能通用，需要进行针对设计；
(4)安全性低。航天飞行器内所有用电设备均存在线缆连接的关系，一旦设备出现故障，难以实现与其它设备断开物理连接，存在一定的风险；
(5)经济成本高。航天飞行器中电缆网价格昂贵，成本较高。
发明内容
本发明提供一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统，解决的技术问题在于：提供一种适用于航天飞行器的无线供电系统，其接口简单、供电灵活，具有通用性，安全和可靠性高，且成本较低，易于实现。
为解决以上技术问题，本发明提供一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统，包括导轨式耦合机构，所述导轨式耦合机构包括导轨式发射机构和接收机构；
所述导轨式发射机构包括U形槽状磁芯，以及沿所述U形槽状磁芯的长度方向布置在所述U形槽状磁芯中的发射线圈；所述接收机构包括I形磁芯以及缠绕在所述I形磁芯上的接收线圈；
无线传能时，所述接收机构位于所述U形槽状磁芯的上方。
优选的，所述U形槽状磁芯的底面与航天飞行器的金属内壁间隔有空隙。
优选的，无线传能时，所述接收线圈的缠绕方向与所述U形槽状磁芯的长度方向一致。
优选的，所述发射线圈为导线，与所述U形槽状磁芯等长。
本发明提供的一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统，包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的发射端电能变换模块、发射端谐振网络模块、所述导轨式发射机构，所述接收端包括顺序连接的所述接收机构、接收端谐振网络模块以及接收端电能变换模块。
优选的，所述发射端电能变换模块采用电压型全桥逆变电路，用于将220V交流电经过整流后变成直流电，再经过变换后输出200kHz高频正弦波电流。
优选的，所述发射端谐振网络模块采用LCC型谐振补偿网络。
优选的，所述接收端谐振网络模块采用S型谐振补偿网络。
本发明提供的一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统，设计了针对航天飞行器内壁为金属的环境下的导轨式耦合机构，U形槽状磁芯的设计可屏蔽金属对磁耦合的影响，但对于非金属的情形也同样适用，实现了以无线的方式为用电设备提供电能，该技术接口简单、供电灵活，具有通用性，安全和可靠性高，且成本较低，易于实现，有利于工程推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统的拓扑图；
图2是本发明实施例提供的全桥逆变电路的电路图；
图3-1是本发明实施例提供的导轨式耦合机构的结构图；
图3-2是本发明实施例提供的导轨式发射机构的分布图；
图4-1是本发明实施例提供的导轨式耦合机构的剖视图；
图4-2是本发明实施例提供的导轨式耦合机构的侧视图；
图5是本发明实施例提供的接收端的电路图；
图6是本发明实施例提供的导轨式耦合结构的仿真磁场分布图；
图7是本发明实施例提供的系统仿真输出电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
鉴于当前航天飞行器供电方式存在的问题，本发明实施例提供了一种针对航天飞行器内用电设备的导轨式无线供能技术，以提高航天飞行器的供电系统的轻量化、小型化、模块化水平。本实施例设计了一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统，包括发射端电能变换模块、发射端谐振网络模块、导轨式耦合机构、接收端谐振网络模块以及接收端电能变换模块，完成电能从220V AC交流输入，接收端最大4.4V输出为飞行器上子节点用电设备供电，实现无线电能传输。
(1)系统概况
LCC-S型MC-WPT系统具有补偿拓扑网络易配谐、抗偏移性好等特性，被广泛应用在电动汽车等无线充电系统中。本实施例基于LCC-S型MC-WPT系统设计应用于航天飞行器中的无线供电系统。
图1为LCC-S型MC-WPT系统主电路拓扑，在系统发射端，系统输入电源Edc可以由直流电源直接提供或由交流电网经整流滤波后得到。开关管S1～S4构成高频逆变电路，输出高频交流电，经LCC型谐振补偿网络(由电感Lf1、电容Cf1和电容Cp组成)后由发射线圈Lp将能量发射到接收端。在系统接收端，接收线圈LS拾取到电能后经S型谐振补偿网络(电容CS)后进行整流滤波(整流桥和电容Cf)为等效负载RL供电。
(2)系统设计
1)发射端电路设计
在本实施例所设计的航天飞行器无线供电系统中，高频电能变换环节主要担负着为产生功率磁场的线圈提供稳定高频电流的任务，即将220V交流电经过整流后变成直流电，再经过该变换电路变换后给功率磁场激励线圈提供200kHz高频正弦波电流。作为系统高频电磁能转换的关键环节，该部分的工作效率、稳定性及可靠性直接决定整个系统的工作性能。
在无线电能传输系统中，高频逆变电路主要采用电压型或电流型的全桥拓扑结构。本实施例选取电压型全桥逆变电路，其电路图如图2所示。在功率元器件选型方面，由于MOSFET具有驱动电路简单，驱动功率小，而且开关速度快，工作频率高，热稳定性好等优点，根据系统的功率要求，选取MOSFET作为逆变器开关器件。
目前对开关管控制方式主要有硬开关控制方式和软开关控制方式两种，在硬开关控制方式中，开关的开通和关断过程中伴随着电压和电流的剧烈变化，产生较大的开关损耗和开关噪声，因此，得到的系统开关管波形较差，谐波较大，严重影响了系统工作的可靠性和效率。软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一，它应用谐振的原理，使开关器件中的电流(或电压)按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时，使器件关断(或电压为零时，使器件开通)，从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题，而且还能解决由硬开关引起的EMI等问题。因此，使用软开关技术可以大幅提高系统输出波形的质量，从而提高了系统工作的可靠性和效率。
由于航天飞行器中系统中存在多个用电设备，因此无线供能系统设计为一个发射机构，多个接收机构。为保证接收机构的拾取电压不随接收机构的移入移出变化，即发射线圈的激励电流与负载解耦，选择LCC拓扑作为发射端的补偿网络，发射端拓扑结构见图1。
2)导轨式耦合机构设计
航天飞行器内壁通常为金属材质，针对金属内壁环境下的无线电能传输系统，本实施例提供了一种应用于金属表面的导轨式无线能量耦合机构，包括导轨式发射机构和接收机构。在此耦合结构中，如图3-1、3-2和图4-1、4-2所示(接收机构中的箭头代表接收线圈的绕向)，导轨式发射机构由发射线圈与U形槽状磁芯构成，该U形槽状磁芯由三片磁芯粘贴而成，也可一体铸造而成。发射线圈为导线，且沿U形槽状磁芯的长度方向布置在U形槽状磁芯内，与U形槽状磁芯等长，利用磁芯的磁隔离作用屏蔽金属内壁对耦合机构参数的影响。U形槽状磁芯底部与金属内壁间应隔有空隙。接收机构包括I形磁芯以及缠绕在I形磁芯上的接收线圈，接收线圈为导线密绕于I形磁芯上，接收线圈横向放置于导轨上方。无线传能时，接收机构位于U形槽状磁芯的上方，接收线圈的缠绕方向与U形槽状磁芯的长度方向一致。
3)接收端电路设计
接收端电能变换环节主要由高频整流、DC-DC两部分组成，接收端谐振补偿网络为选用S型拓扑结构，接收端拓扑结构见图1所示。接收端高频整流电路采用二极管D1～D4实现全桥不可控整流，输出滤波电路(C0)利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。其中RL代表稳压芯片、充电管理芯片、电池及其外围电路的等效电阻。接收端电路图如图5所示，DC-DC变换器由MP2459芯片及其外围电路构成，MP2459是一个降压、内置功率MOSFET的开关型变换器，峰值输出电流0.5A，工作在4.5V至5.5V的宽输入范围，效率高达90％，其电流模式控制使瞬态响应快速，系统环路稳定。
(3)仿真验证
1)导轨式耦合机构仿真
在COMSOL软件中对本实施例所设计的导轨式耦合机构进行了仿真验证。为了使得仿真更加精确，仿真目标为单个的直导线与拾取线圈。由于仿真软件要求，所以长直导线由一个巨大的方形线圈代替，在线圈中部，即拾取线圈附近，磁场形状与长直导线结构基本一致。仿真磁场分布见图6。
在仿真中，在导线为两匝，每根导线通过的电流为3A时，接收线圈上的电压为5V，故只要接收线圈贴合在导轨表面，通过接收线圈拾取能量后再经接收端电能变换装置即可实现为航天飞行器内用电设备进行供电，此结构能够传输足够的功率。
仿真分析发射线圈取不同周长时，在只有底部磁芯、U形槽状磁芯以及U形槽状磁芯加空隙的情况下线圈自感的变化，仿真结果见表1所示。
表1仿真结果
Figure BDA0002825140740000061
从表1可知，选用U形槽状磁芯加一定空隙的发射导轨在增大发射线圈线圈自感上具有显著优势。
2)系统仿真
为了验证本实施例提出的航天飞行器无线供电系统的可行性和有效性，本实施例基于LCC-S型MC-WPT系统和上述导轨式耦合机构仿真模型建立Simulink仿真验证模型。该模型主要由3个部分组成：LCC-S型MC-WPT系统主电路，逆变电路信号发生模块，控制单元。控制单元通过采集负载输出电压调用控制算法使输出电压稳定在4.5V。仿真时间设置为0.02s，此时系统已经处于稳态，系统输出电压波形如图7所示，输出电压经0.01s后稳定在4.5V，能够满足用电设备要求。
(4)结论
综上所述，本发明实施例提出了一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统，该系统基于LCC-S型MC-WPT系统主电路，设计了针对航天飞行器内壁为金属的环境下的导轨式耦合机构，实现了以无线的方式为用电设备提供电能，接口简单、供电灵活，具有通用性，安全和可靠性高，且成本较低，易于实现，有利于工程推广应用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统，其特征在于，包括导轨式耦合机构，所述导轨式耦合机构包括导轨式发射机构和接收机构；
所述导轨式发射机构包括U形槽状磁芯，以及沿所述U形槽状磁芯的长度方向布置在所述U形槽状磁芯中的发射线圈；所述接收机构包括I形磁芯以及缠绕在所述I形磁芯上的接收线圈；
无线传能时，所述接收机构位于所述U形槽状磁芯的上方；
所述U形槽状磁芯的底面与航天飞行器的金属内壁间隔有空隙；
无线传能时，所述接收线圈的缠绕方向与所述U形槽状磁芯的长度方向一致；
所述发射线圈为导线，与所述U形槽状磁芯等长；
所述导轨式无线供能系统包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的发射端电能变换模块、发射端谐振网络模块、所述导轨式发射机构，所述接收端包括顺序连接的所述接收机构、接收端谐振网络模块以及接收端电能变换模块；
所述发射端谐振网络模块采用LCC型谐振补偿网络；
所述接收端谐振网络模块采用S型谐振补偿网络。
2.如权利要求1所述的一种应用于航天飞行器的导轨式无线供能系统，其特征在于：所述发射端电能变换模块采用电压型全桥逆变电路，用于将220V交流电经过整流后变成直流电，再经过变换后输出200kHz高频正弦波电流。
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