CN115313693A - 一种激光无线能量传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光能量传输技术领域，尤其涉及一种激光无线能量传输系统。系统包括激光电源、激光器、捕获跟踪瞄准系统、光伏阵列、光伏变换器、储能电池、控制模块；所述控制模块包括激光器输出功率控制模块和锂电池充电控制模块；所述光伏变换器由最大功率点搜索模块和恒流模块组成；所述锂电池充电控制模块为采用五阶段恒流充电策略进行充电。本发明建立了能反映光伏电池材料、温度、辐照度以及激光波长与光伏电池输出关系的模型；还建立了激光在大气中斜程传输的功率损耗模型；采用扰动观察法搜索最大功率点的输出情况，拟合激光器输出功率与光伏阵列输出最大功率点电流的函数。

Description

一种激光无线能量传输系统
技术领域
本发明涉及激光能量传输技术领域，尤其涉及一种激光无线能量传输系统。
背景技术
激光能量传输(LPT)系统具有能量密度高、方向性好、传输距离远和发射接收口径小(仅为微波能量传输系统的10％)等优点，同时激光频率与通信卫星所使用的频率没有相互干扰的风险，适合为飞行器、卫星和深空探测器等移动用电设备提供灵活方便、安全可靠的能量。但LPT系统电至电转换效率仅占10％～25％左右，严重限制了此项技术的应用与推广。
目前，提高LPT系统传输效率的研究集中在以下两个方面。一是激光发射技术：S.Feng等(S.Feng et al.Wang.An Optimal Driving Strategy for Maximum Electro-optical Conversion Efficiency of Laser Diode in Laser Power TransmissionSystem.2019 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2019,pp.3348-3352.)提出在不同工况下获得最大光电转换效率的最优驱动电流策略，并通过构造一个四相交错Buck变换器来验证，结果表明所提出的驱动策略能较好地提高激光二极管的光电转换效率。霍虹宇等(霍虹宇，苟于单，杨擎东等.激光无线能量传输接收端光束匀化装置设计[J/OL].红外与激光工程，2021,1-12.)基于分布式匀化思想设计一种激光接收装置，先用光学整形扩散片对光束进行初次匀化，再用光学漏斗进行二次匀化，有效提高接收端的光强均匀性和LPT系统的光电转换效率。韩明珠等(韩明珠，郭迎，林鑫等.三波长激光照射下砷化镓聚光电池光电转换效率的研究[J].半导体光电，2017,38(05):647-652.)研究 532、808和980nm三种激光在不同功率配比下对三结砷化镓光伏电池光电转换效率的影响，实验证明在合适的功率配比下，可提高三结砷化镓光伏电池的光电转换效率。
二是光伏接收技术上：何滔等(何滔，杨苏辉，张海洋等.高效激光无线能量传输及转换实验[J].中国激光，2013,v.40；No.435(03): 252-257.)理论分析激光波长、光电转换材料和照射强度等关键参量对传输效率的影响，实验表明，以793nm激光为传输介质、GaAs电池的LPT系统更有优势。R.B.Bollipo等(R.B.Bollipo,S.Mikkili and P.K.Bonthagorla.Hybrid,optimal,intelligent and classical PV MPPT techniques:Areview[J].CSEE Journal of Power and Energy Systems,vol. 7,no.1,pp.9-33.)总结了传统、智能、优化和混合四类最大功率点跟踪算法。传统算法简单易实现，但收敛速度慢、精度低和易陷入局部最优；智能算法跟踪精度高、收敛速度快、但控制电路复杂，系统需要预先训练；优化算法能够在动态环境下搜索出真的最大功率点，但目标函数复杂，收敛速度受参数影响。D.E.Raible(D.E.Raible.High intensity laser power beaming forwireless power transmission. Master’s Thesis,Department of Electrical andComputer Engineering, Cleveland State University,Cleveland,OH,May,2008.)基于激光高斯分布的对称性，提出一类对称式布局的光伏阵列空间结构，以光斑圆心为中心进行环状分组，每个环状区域以串联来减少失配损耗。J.T. Brain(J.T.Brain.Photovoltaicreceiver for beam power,U.S.Patent,No. 8736712B2,May.27,2014.)基于电池上的辐照度与光束入射角的余弦关系，提出角度匹配的光伏阵列结构，以辐照度相同来设置光伏电池的安装角度，克服不均匀辐照对光伏阵列转换效率的影响。T.S.Babu 等(T.S.Babu,etal.Particle Swarm Optimizationbased solar PV array reconfiguration of themaximum power extraction under partial shading conditions.in IEEETransactions on Sustainable Energy,vol.9,no.1,pp. 74-85,Jan.2018.)提出基于粒子群算法的动态重构方案，与数独法和遗传法相比，其曲线相对平滑且能产生最大的功率。张明锐等(张明锐，陈喆旸.一种基于最小均衡差的光伏阵列重构方案[J].电力自动化设备，2021,41(02):33-38.)提出基于最小均衡差的静态重构方法，能够减少PV曲线的极值点，降低阵列平均功率损失。
综上所述，从能量利用角度展开的研究不多，尤其是系统核心的功率闭环控制研究基本处于空白阶段。因此，我们围绕LPT系统的能量转换环节，提出相应的闭环控制方案，减少能量损失，提高系统转换效率，是对LPT技术的丰富与发展。由此，提出本发明的一种激光无线能量传输系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光无线能量传输系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种激光无线能量传输系统，包括：
激光电源、激光器、捕获跟踪瞄准系统、光伏阵列、光伏变换器、储能电池、控制模块；
所述控制模块包括激光器输出功率控制模块和锂电池充电控制模块；
所述光伏变换器由最大功率点搜索模块和恒流模块组成；
所述锂电池充电控制模块为采用五阶段恒流充电策略进行充电。
进一步地，所述储能电池为锂电池。
进一步地，所述锂电池充电控制模块采用RC等效电路模型，并进行五阶段恒流充电方式充电；
UT为锂离子电流的端电压，RB和CB分别为电池的电阻和电容。其中：
Figure RE-GDA0003858513790000041
式中，UINI为电池的初始电压；
截止电压是已知的，当施加电流I时，电池到达截止电压时所需时间为：
Figure RE-GDA0003858513790000042
Ut为电池截止电压，电池充电过程分为5个阶段，电池充电总时间为：
Figure RE-GDA0003858513790000051
对时间求导得：
Figure RE-GDA0003858513790000052
其中：
Figure RE-GDA0003858513790000053
当满足
Figure RE-GDA0003858513790000054
时，充电时间最短。
进一步地，所述最大功率点搜索模块利用扰动观察算法搜出最大功率点，保证输出在最大值。
进一步地，所述激光功率损耗分析模块所包括模型如下：
考虑水蒸气和二氧化碳的吸收效应，激光在大气中的透过率计算公式如下：
Figure RE-GDA0003858513790000055
Figure RE-GDA0003858513790000056
其中，r为相对湿度，f为饱和空气中的水蒸汽质量，L为传输距离，
Figure RE-GDA0003858513790000061
为激光传输仰角，μ为吸收系数；
考虑气溶胶的散射，激光在气溶胶中的透过率计算公式如下：
Figure RE-GDA0003858513790000062
Figure RE-GDA0003858513790000063
式中，λ为波长，Vm为能见度；
激光斜程传输大气透过率计算公式如下：
T(λ)＝TH2O(λ)·TCO2(λ)·TS(λ)
激光以一定的发散角度进行发射，在传输一段距离后到达接收端，光束会在空间里形成一个类似圆锥体的形态；
设发射功率为P，传输距离为L，光束发散角度为θ，接收端的接收面积为A，接收到的光功率为：
Figure RE-GDA0003858513790000064
其中，ε为跟踪精度，当
Figure RE-GDA0003858513790000065
时，接收端接收到的光功率为最大值。
进一步地，所述光伏电池等效模型用于体现不同光电材料和不同激光波长对光伏电池输出特性的影响，表达如下：
Figure RE-GDA0003858513790000066
式中，I为光伏电池输出电流，Isc为光伏电池短路电流，e为单位电荷，V为光伏电池输出电压，Voc为光伏电池开路电压，k是玻尔兹曼常数，T是光电池温度；
Figure RE-GDA0003858513790000071
式中，IQE为内量子效率，R为反射率，Plaser为入射光功率密度， S为光照面积，λ为激光波长；
Figure RE-GDA0003858513790000072
式中，αλ为光伏电池在波长为λ时的吸收系数，Lb为载流子扩散长度，σT为温度修正因子，T0为初始温度；
Figure RE-GDA0003858513790000073
式中，Is是反向饱和电流，νΔt为截止电压温度系数；
Figure RE-GDA0003858513790000074
式中，n为光伏电池的理想二极管因子；
Figure RE-GDA0003858513790000075
式中，Eg为光伏电池的禁带宽度。
进一步地，所述光伏电池温度估算模块的模型表达如下：
对于玻璃层：
Figure RE-GDA0003858513790000076
其中，Am是模块的面积，ρ为密度，d为厚度，C为热容，下标g为玻璃层的特性，Tg是玻璃层温度，Ta是环境温度，Tc是光伏电池温度，α1近似为0.2，hcd,g-c是玻璃层和电池层间的导热系数，可用dg/kg+dc/kc的倒数表示，hcv,a-g是玻璃和环境间的热对流系数，最常见的表达式为hcv,a-g＝5.7+3.8×Ws，Ws是风速；
对于光伏电池：
Figure RE-GDA0003858513790000081
其中，下标c为光伏电池层的特性，β为填充因子，Pm是标准测试条件下的输出功率，hcd,c-b是电池层和背板之间的导热系数，可用dc/kc+db/kb的倒数表示；
对于背板：
Figure RE-GDA0003858513790000082
其中，下标b为背板层的属性，Tg为地面温度，hcv,b-a为背板和环境之间的热对流系数，α2近似等于0.52；
热稳态模型表示为：
Figure RE-GDA0003858513790000083
进一步地，所述光伏阵列辐照度计算模块的模型表达如下：
Figure RE-GDA0003858513790000084
式中，Pi,j为光伏阵列第i行第j列光伏电池的入射光功率，Dx,y为光斑中某点到阵列中心距离，W0为光斑半径。
进一步地，所述最大功率点搜索模块用于在相同大气环境和光伏阵列下，通过扰动观察法，搜索出光伏阵列输出最大功率点的电流。
进一步地，所述控制模块根据最大功率点搜索模块搜索出的光伏阵列输出最大功率点的电流，拟合出光器输出功率PLD与光伏阵列输出最大功率点电流Im的函数关系，即：
PLD＝f(Im)
激光器外微分量子效率和阈值电流随温度变化是影响激光器输出光功率变化的主要原因，线性度较好的激光器，其输出光功率可表示为
Figure RE-GDA0003858513790000091
式中，PLD为激光器输出功率，ηD为外微分子量效率，h为普朗克常数，υ为光频率，e0为单个电子，I为注入电流，Ith为阈值电流；
在一定的温度变化范围内，温度和阈值电流的关系通常可以表示为：
Figure RE-GDA0003858513790000092
式中，Tr为室内温度，T0为半导体激光器特征温度，Ith(T)为半导体激光器在温度为T时的阈值电流，Ith(T0)为半导体激光器在温度为Tr时的阈值电流；
所述控制模块根据模型得出激光器的输出功率，检测光伏阵列最大功率点输出电流，若小于充电电流，则激光器的输出功率以一个单位进行叠加，直到输出电流值大于等于充电电流。
本发明至少具备以下有益效果：
(1)本发明的系统基于光伏阵列的输出特性，建立了能反映光伏电池材料、温度、辐照度以及激光波长与光伏电池输出关系的模型，同时对光伏电池在不同辐照下的温度进行估算，将辐照度与温度相关联，实现在相同激光和光伏电池材料下，可由辐照度来反映光伏电池的输出特性。
(2)本发明的系统还建立了激光在大气中斜程传输的功率损耗模型，包括大气损耗、跟踪损耗和几何损耗，同时采用扰动观察法搜索最大功率点的输出情况，拟合激光器输出功率与光伏阵列输出最大功率点电流的函数。
(3)本发明系统采用的充电方式为五阶段恒流充电方式，并能有效分析能量利用情况，分析不同充电电流下，锂电池的充电时间、荷电状态以及整过充电过程中的能量消耗情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为光伏组件结构层示意图；
图2为激光能量传输控制系统示意图；
图3为锂离子电池RC等效电路模型示意图；
图4为恒流输出仿真模型示意图；
图5为扰动观察法仿真模型示意图；
图6为接收端光功率与传输距离和接收端边长的关系示意图；
图7为最大功率点电流与激光器输出功率关系示意图；
图8为锂电池状态监测示意图：(a)荷电状态随时间变化，(b)充电电流随时间变化，(c)端电压随时间变化；
图9为锂电池状态监测示意图：(a)荷电状态随时间变化，(b)充电电流随时间变化，(c)端电压随时间变化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
1.系统模型
激光无线能量传输系统主要包括激光发射系统、激光接收系统和能源管理系统；其整体传输效率由激光驱动器的效率、激光器的电光转换效率、大气传输效率、光伏阵列的光电转换效率和功率变换器的效率决定。以下介绍激光功率损耗分析、光伏电池等效模型、光伏电池温度估计、光伏阵列辐照度计算。
1.1激光功率损耗分析
激光在大气中传输时会受到气体分子的吸收效应和气溶胶粒子的散射效应，造成激光能量损失。大气中包含多种气体，根据气体分子对激光的吸收强弱，主要考虑水蒸气和二氧化碳的吸收效应。其斜程传输时透过率计算公式如下：
Figure RE-GDA0003858513790000121
Figure RE-GDA0003858513790000122
其中，r为相对湿度，f为饱和空气中的水蒸汽质量，L为传输距离，
Figure RE-GDA0003858513790000123
为激光传输仰角，μ为吸收系数。
气溶胶对激光的衰减主要由散射造成，其透过率计算公式如下
Figure RE-GDA0003858513790000124
Figure RE-GDA0003858513790000125
式中，λ为波长，Vm为能见度。
综上可知，激光斜程传输大气透过率计算公式如下：
T(λ)＝TH2O(λ)·TCO2(λ)·TS(λ) (5)
激光以一定的发散角度进行发射，在传输一段距离后到达接收端，光束会在空间里形成一个类似圆锥体的形态。若发射功率为P，传输距离为L，光束发散角度为θ，接收端的接收面积为A，由此可以推断出接收到的光功率为：
P′＝4PA/π(Lθ)2 (6)
同时考虑大气衰减、几何损耗和跟踪精度，则光伏阵列接收到的总功率Pr为：
Figure RE-GDA0003858513790000131
其中，ε为跟踪精度，当
Figure RE-GDA0003858513790000132
时，接收端接收到的光功率为最大值。
1.2光伏电池等效模型
为了模拟整个光伏阵列，首先建立光伏电池的等效模型。常用的单二极管模型只能反映光照强度与环境温度对光伏电池的输出影响，无法体现不同光电材料和不同激光波长对光伏电池输出特性的影响，而由式8至13表示的等效模型，能反映光伏电池材料、温度、辐照度以及激光波长对光伏电池输出特性的影响。
Figure RE-GDA0003858513790000133
式中，I为光伏电池输出电流，Isc为光伏电池短路电流，e为单位电荷，V为光伏电池输出电压，Voc为光伏电池开路电压，k是玻尔兹曼常数，T是光电池温度。
Figure RE-GDA0003858513790000134
式中，IQE为内量子效率，R为反射率，Plaser为入射光功率密度，S为光照面积，λ为激光波长。
Figure RE-GDA0003858513790000135
式中，αλ为光伏电池在波长为λ时的吸收系数，Lb为载流子扩散长度，σT为温度修正因子，T0为初始温度。
Figure RE-GDA0003858513790000141
式中，Is是反向饱和电流，νΔt为截止电压温度系数。
Figure RE-GDA0003858513790000142
式中，n为光伏电池的理想二极管因子。
Figure RE-GDA0003858513790000143
式中，Eg为光伏电池的禁带宽度。
1.3光伏电池温度估算
光伏组件结构图如图1所示。与其它层相比，乙烯基醋酸乙烯酯具有很强的传热能力，温度变化可以忽略，只考虑玻璃罩、光伏电池和背板层的温度。假设每层温度均匀分布，则不同层的热平衡可描述如下。
对于玻璃层：
Figure RE-GDA0003858513790000144
其中，Am是模块的面积，ρ为密度，d为厚度，C为热容，下标 g为玻璃层的特性，Tg是玻璃层温度，Ta是环境温度，Tc是光伏电池温度，α1近似为0.2，hcd,g-c是玻璃层和电池层间的导热系数，可用 dg/kg+dc/kc的倒数表示，hcv,a-g是玻璃和环境间的热对流系数，最常见的表达式为hcv,a-g＝5.7+3.8×Ws，Ws是风速。
对于光伏电池：
Figure RE-GDA0003858513790000151
其中，下标c为光伏电池层的特性，β为填充因子，Pm是标准测试条件下的输出功率，hcd,c-b是电池层和背板之间的导热系数，可用 dc/kc+db/kb的倒数表示。
对于背板：
Figure RE-GDA0003858513790000152
其中，下标b为背板层的属性，g为地面温度，hcv,b-a为背板和环境之间的热对流系数，α2近似等于0.52。
辐射强度、空气温度和风速是影响电池温度的主要因素，兼顾模型的精度和复杂程度，采用赵志刚等(赵志刚，张纯杰，等.基于粒子群优化支持向量机的太阳电池温度预测[J].物理学报，2015,64 (08):380-386)提出的热稳态模型：
Figure RE-GDA0003858513790000153
1.4光伏阵列辐照度计算
激光发出近似高斯分布的光束，光伏阵列的光照不均匀，即光伏电池的光照不同。一般情况下，位于阵列中心的光伏电池的光照强度高于边界处的光照强度。为减少由辐照度不同而产生的失配损失，在重构光伏阵列和分析输出情况时，需计算出光伏阵列中光伏电池单体的辐照度。激光光功率具有如下变化规律：
Figure RE-GDA0003858513790000161
式中，Pi,j为光伏阵列第i行第j列光伏电池的入射光功率，Dx,y为光斑中某点到阵列中心距离，W0为光斑半径。
2.激光供能系统设计
系统由激光电源、激光器、捕获跟踪瞄准系统(Acquisition Tracking PointingSyster)、光伏阵列、光伏变换器、储能电池、控制模块组成，系统框图如图2所示。其中，光伏变换器由最大功率点搜索模块和恒流模块组成，锂电池充电控制模块采用五阶段恒流充电策略，闭环控制模块将充电所需能量和激光发射功率及光伏阵列输出情况联系起来，做到按需供电，减少各环节的能量损失。
2.1五阶段恒流充电策略
多阶段恒流充电具有充电时间短，充放电能量效率高，电池循环寿命长等优点。当充电电流阶数超过五阶时，施加不同充电电流阶数之间的差异几乎可以忽略不计。与三阶恒流充电相比，五阶恒流充电方法可以在更短的时间内获取更多电量。
为使锂离子电池在更短的时间内将电充满，采用RC等效电路模型对锂离子电池五阶充电电流进行优化，电路模型如图3所示。
UT为锂离子电流的端电压，RB和CB分别为电池的电阻和电容。其中：
Figure RE-GDA0003858513790000171
式中，UINI为电池的初始电压。
由于电池的最终截止电压是已知的，因此当施加电流I时，电池到达截止电压时所需时间为：
Figure RE-GDA0003858513790000172
其中，Ut为电池截止电压，电池充电过程分为5个阶段，电池充电总时间为：
Figure RE-GDA0003858513790000173
对时间求导得：
Figure RE-GDA0003858513790000174
各阶段充电电流满足式(24)时，锂电池充电时间最短。
Figure RE-GDA0003858513790000175
其中，I3也可以表示为：
Figure RE-GDA0003858513790000181
2.2光伏变换器
光伏变换器由最大功率点搜索模块和恒流模块组成。光伏阵列采用基于最小均衡差的全交叉连接结构，P-I特性为单峰值，因而采用扰动观察法实现最大功率点搜索。若搜索后最大功率点的电流小于锂电池的充电电流，则通过控制系统1和2 调节激光器的输出功率，直到光伏阵列最大输出功率点的电流等于锂电池的充电电流。考虑到激光器输出功率的调节精度，即最终得到的最大输出功率点的电流可能略大于锂电池的充电电流，此时，利用恒流模块，通过PID运算，改变开关信号的占空比，输出设定的电流值，其仿真模型见图4。
扰动观察法的原理是通过改变开关信号的占空比使光伏阵列的输出电压发生改变，根据改变后光伏阵列输出功率的变化决定下一步占空比改变方向来实现功率最大化。该算法仅需采样光伏阵列的输出电压和输出电流值，算法复杂度低，易于实现，其仿真模型见图5。
2.3闭环控制系统
在相同大气环境和光伏阵列下，通过扰动观察法，搜索出光伏阵列输出最大功率点的电流，拟合出激光器输出功率PLD与光伏阵列输出最大功率点电流Im的函数关系，即：
PLD＝f(Im) (25)
激光器外微分量子效率和阈值电流随温度变化是影响激光器输出光功率变化的主要原因。线性度较好的激光器，其输出光功率可表示为：
Figure RE-GDA0003858513790000191
式中，PLD为激光器输出功率，ηD为外微分子量效率，h为普朗克常数，υ为光频率，e0为单个电子，I为注入电流，Ith为阈值电流。
在一定的温度变化范围内，温度和阈值电流的关系通常可以表示为：
Figure RE-GDA0003858513790000192
式中，Tr为室内温度，T0为半导体激光器特征温度，Ith(T)为半导体激光器在温度为T时的阈值电流，Ith(T0)为半导体激光器在温度为Tr时的阈值电流。
控制系统1的功能：1)根据充电电流和式(25)，得出激光器的输出功率，并传输给控制系统2；2)考虑拟合函数是在理想情况下得出，在实际应用中，检测光伏阵列最大功率点输出电流，若小于当前阶段的充电电流，则激光器的输出功率以一个单位进行叠加，并传输给控制系统2，直到输出电流值大于等于充电电流；3)检测锂电池的端电压，当端电压超过截止电压时，切换充电电流。控制系统2 的功能：依据式(26)和(27)，控制激光驱动器的注入电流I。
3仿真分析
3.1光伏阵列输出分析
根据第二章的模型分析，在激光功率P为40W，传输仰角
Figure RE-GDA0003858513790000201
为60°，能见度Vm为14.96km，发散角θ为0.2mrad，跟踪精度
Figure RE-GDA0003858513790000202
条件下，仿真分析激光在大气中斜程传输的功率损耗。从图6中可知，在不同传输距离下有一个接收端边长的临界值，当接收端边长小于临界值时，功率损耗包括大气损耗和几何损耗，当接收端边长大于临界值时，功率损耗只有大气损耗。
3.2光伏阵列输出分析
考虑到系统的实用性和无人机载荷情况，传输距离选择 0.3536km，接收端边长选择5cm(即5×5的光伏阵列，光斑为光伏阵列的外切圆)，光伏阵列采用全交叉连接结构，并且基于最小均衡差原则进行阵列重构，采用扰动观察法搜索光伏阵列最大功率点的输出情况，光伏电池的参数如表1所示，仿真分析光伏阵列输出最大功率点电流与激光器输出功率关系。
表1光伏电池参数
Figure RE-GDA0003858513790000203
Figure RE-GDA0003858513790000211
图7为光伏阵列输出最大功率点电流与激光器输出功率关系，曲线拟合采用傅里叶逼近和幂逼近两种方法，通过表2可以看出，傅里叶逼近的误差平方和小于幂逼近，但傅里叶逼近的均方根误差高于幂逼近，且傅里叶逼近的拟合函数较为复杂。因此选择幂逼近的拟合方法，拟合后的函数为：Im＝0.02914×P1.001-0.0005992。
表2曲线拟合优度
Figure RE-GDA0003858513790000212
3.3充电方案效果分析
对第2部分所提闭环控制的五阶段恒流充电方案进行仿真分析，各阶段充电电流关系满足(23)式，其值如表3，每组第五阶段的电流一致，第一阶段的电流从2C依次减少0.2C。锂电池参数如表4所示，从图8(a)知，第五阶段电流相同时，电池充电截止时的荷电状态同为97.8535％，第一组的充电时间最短为2153.5s，第五组充电时间最长为3048.1s。即第五阶段电流相同时，第一阶段电流越大，整过充电过程所用时间越短。从图8(b)和(c)知，整过充电过程，以截止电压作为每阶段电流切换和充电终止条件。
表3五阶段充电方案的各组充电电流1
Figure RE-GDA0003858513790000213
Figure RE-GDA0003858513790000221
表4锂电池参数
Figure RE-GDA0003858513790000222
各阶段充电电流关系满足(23)式，其值如表5，每组第一阶段电流相同，第五阶段的电流从0.5C依次减少0.1C。从图9(a)可知，电池充电截止时的荷电状态从第六组的97.8535％增加到第十组的 99.1712％，增长率为1.3466％，充电时间从第六组的2153.5s增加到第十组的2665s，增长率为23.7520％。即第一阶段电流相同时，第五阶段的电流越小，截止充电时电池的荷电状态越大，但荷电状态的增长率小于时间的增长率。从图9(b)和(c)知，整过充电过程，以截止电压作为每阶段电流切换和充电终止条件，且第一阶段充电电流相同，电池第一阶段端电压变化相同。
表5五阶段充电方案的各组充电电流2
Figure RE-GDA0003858513790000223
Figure RE-GDA0003858513790000231
与闭环控制的五阶段恒流充电相比，开环控制的五阶段恒流充电，激光器发射功率恒定，光伏阵列输出最大功率点电流大于等于第一阶段充电电流，通过恒流控制模块输出所需充电电流。在给锂电池完成同等电能充电的情况下，开环控制与闭环控制的五阶段恒流充电所消耗的光能如表6所示。从表6可知，闭环控制的五阶段恒流充电可减少光能浪费，最大减少32.8248％，最小减少3.725％。
表6开环控制与闭环控制的五阶段恒流充电所消耗的激光能量
Figure RE-GDA0003858513790000232
对比分析恒流、五阶段恒流和恒流恒压三种充电方式。其中恒流充电电流为1.4C，五阶段恒流充电为表3第四组充电电流(即I1＝1.4C， I5＝0.5C)，恒流恒压充电电流为1.4C，充电电压为截止电压。在荷电状态为99.4092％时，恒流充电时间小于五阶段恒流充电时间小于恒流恒压充电时间，且恒流恒压充电的荷电状态最终为99.4092％，不再随着时间增加。五阶段恒流充电最终的电压超过截止电压，是因为最后一阶段以荷电状态作为截止条件。
对比恒流与五阶段恒流充电方法，其中恒流充电的电流选择2C、 1.8C和1.6C，五阶段恒流充电为表3第四组充电电流(即I1＝1.4C，I5＝0.5C)。在荷电状态为99.4092％时，恒流充电时间小于五阶段恒流充电时间，截止时的电压最大为5.4793V、最小为4.9698V。从表7 可知，1.4C五阶段恒流充电消耗的光能小于恒流充电消耗的光能，且能量消耗相较于2C、1.8C和1.6C恒流充电分别减少了0.02％、0.4％和0.1％。其中，五阶段恒流充电的第一阶段消耗的光能远大于其他几阶段，占总能量的86.9673％，这是因为第一阶段的充电时间为 2226.2s，占总充电时间的79.4079％，激光器发射功率最大。
表7恒流与五阶段恒流充电的数据统计
Figure RE-GDA0003858513790000241
4.总结
本发明提出一种激光能量传输系统的闭环控制充电策略，使得光伏阵列的能量利用率达到最大，以此来减少充电过程中光能的浪费。与开环控制充电相比，闭环控制的五阶段恒流充电最大可减少 32.8248％的光能浪费，最小可减少3.725％的光能浪费。同时，在闭环控制充电策略下，对比分析恒流、恒流恒压和五阶段恒流三种充电方式。在给锂电池完成同等电能充电的情况下，恒流充电时间小于五阶段恒流充电时间小于恒流恒压充电时间，1.4C五阶段恒流充电消耗的光能小于恒流充电消耗的光能，且能量消耗相较于2C、1.8C和 1.6C恒流充电分别减少了0.02％、0.4％和0.1％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种激光无线能量传输系统，其特征在于，包括：
激光电源、激光器、捕获跟踪瞄准系统、光伏阵列、光伏变换器、储能电池、控制模块；
所述控制模块包括激光器输出功率控制模块和锂电池充电控制模块；
所述光伏变换器由最大功率点搜索模块和恒流模块组成；
所述锂电池充电控制模块为采用五阶段恒流充电策略进行充电。
2.根据权利要求1所述的一种激光无线能量传输系统，其特征在于，所述锂电池充电控制模块采用RC等效电路模型，并进行五阶段恒流充电方式充电；
UT为锂离子电流的端电压，RB和CB分别为电池的电阻和电容，其中：
Figure FDA0003789472150000011
式中，UINI为电池的初始电压；
截止电压是已知的，当施加电流I时，电池到达截止电压时所需时间为：
Figure FDA0003789472150000012
Ut为电池截止电压，电池充电过程分为5个阶段，电池充电总时间为：
Figure FDA0003789472150000021
对时间求导得：
Figure FDA0003789472150000022
其中：
Figure FDA0003789472150000023
当满足
Figure FDA0003789472150000024
时，充电时间最短。
3.根据权利要求1所述的一种激光无线能量传输系统，其特征在于，所述最大功率点搜索模块利用扰动观察算法搜出最大功率点，保证输出在最大值。
4.根据权利要求3所述的一种激光无线能量传输系统，其特征在于，所述激光功率损耗分析模块所包括模型如下：
考虑水蒸气和二氧化碳的吸收效应，激光在大气中的透过率计算公式如下：
Figure FDA0003789472150000025
Figure FDA0003789472150000031
其中，r为相对湿度，f为饱和空气中的水蒸汽质量，L为传输距离，
Figure FDA0003789472150000032
为激光传输仰角，μ为吸收系数；
考虑气溶胶的散射，激光在气溶胶中的透过率计算公式如下：
Figure FDA0003789472150000033
Figure FDA0003789472150000034
式中，λ为波长，Vm为能见度；
激光斜程传输大气透过率计算公式如下：
T(λ)＝TH2O(λ)·TCO2(λ)·TS(λ)
激光以一定的发散角度进行发射，在传输一段距离后到达接收端，光束会在空间里形成一个类似圆锥体的形态；
设发射功率为P，传输距离为L，光束发散角度为θ，接收端的接收面积为A，接收到的光功率为：
Figure FDA0003789472150000035
其中，ε为跟踪精度，当
Figure FDA0003789472150000036
时，接收端接收到的光功率为最大值。
5.根据权利要求3所述的一种激光无线能量传输系统，其特征在于，所述光伏电池等效模型用于体现不同光电材料和不同激光波长对光伏电池输出特性的影响，表达如下：
Figure FDA0003789472150000041
式中，I为光伏电池输出电流，Isc为光伏电池短路电流，e为单位电荷，V为光伏电池输出电压，Voc为光伏电池开路电压，k是玻尔兹曼常数，T是光电池温度；
Figure FDA0003789472150000042
式中，IQE为内量子效率，R为反射率，Plaser为入射光功率密度，S为光照面积，λ为激光波长；
Figure FDA0003789472150000043
式中，αλ为光伏电池在波长为λ时的吸收系数，Lb为载流子扩散长度，σT为温度修正因子，T0为初始温度；
Figure FDA0003789472150000044
式中，Is是反向饱和电流，νΔt为截止电压温度系数；
Figure FDA0003789472150000045
式中，n为光伏电池的理想二极管因子；
Figure FDA0003789472150000046
式中，Eg为光伏电池的禁带宽度。
6.根据权利要求3所述的一种激光无线能量传输系统，其特征在于，所述光伏电池温度估算模块的模型表达如下：
对于玻璃层：
Figure FDA0003789472150000051
其中，Am是模块的面积，ρ为密度，d为厚度，C为热容，下标g为玻璃层的特性，Tg是玻璃层温度，Ta是环境温度，Tc是光伏电池温度，α1近似为0.2，hcd,g-c是玻璃层和电池层间的导热系数，可用dg/kg+dc/kc的倒数表示，hcv,a-g是玻璃和环境间的热对流系数，最常见的表达式为hcv,a-g＝5.7+3.8×Ws，Ws是风速；
对于光伏电池：
Figure FDA0003789472150000052
其中，下标c为光伏电池层的特性，β为填充因子，Pm是标准测试条件下的输出功率，hcd,c-b是电池层和背板之间的导热系数，可用dc/kc+db/kb的倒数表示；
对于背板：
Figure FDA0003789472150000053
其中，下标b为背板层的属性，Tg为地面温度，hcv,b-a为背板和环境之间的热对流系数，α2近似等于0.52；
热稳态模型表示为：
Tc＝1.136Ta+(2.622-0.237Ws+0.004Ws 2)+G(0.025+0.001Ws-0.005Ws 2)。
7.根据权利要求3所述的一种激光无线能量传输系统，其特征在于，所述光伏阵列辐照度计算模块的模型表达如下：
Figure FDA0003789472150000061
式中，Pi,j为光伏阵列第i行第j列光伏电池的入射光功率，Dx,y为光斑中某点到阵列中心距离，W0为光斑半径。
8.根据权利要求1所述的一种激光无线能量传输系统，其特征在于，所述最大功率点搜索模块用于在相同大气环境和光伏阵列下，通过扰动观察法，搜索出光伏阵列输出最大功率点的电流。
9.根据权利要求8所述的一种激光无线能量传输系统，其特征在于，所述控制模块根据最大功率点搜索模块搜索出的光伏阵列输出最大功率点的电流，拟合出光器输出功率PLD与光伏阵列输出最大功率点电流Im的函数关系，即：
PLD＝f(Im)
激光器外微分量子效率和阈值电流随温度变化是影响激光器输出光功率变化的主要原因，线性度较好的激光器，其输出光功率可表示为
Figure FDA0003789472150000062
式中，PLD为激光器输出功率，ηD为外微分子量效率，h为普朗克常数，υ为光频率，e0为单个电子，I为注入电流，Ith为阈值电流；
在一定的温度变化范围内，温度和阈值电流的关系表示为：
Figure FDA0003789472150000071
式中，Tr为室内温度，T0为半导体激光器特征温度，Ith(T)为半导体激光器在温度为T时的阈值电流，Ith(T0)为半导体激光器在温度为Tr时的阈值电流；
所述控制模块根据模型得出激光器的输出功率，检测光伏阵列最大功率点输出电流，若小于充电电流，则激光器的输出功率以一个单位进行叠加，直到输出电流值大于等于充电电流。
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