CN116231880B - 一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备及方法，可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备包括一次侧设备和二次侧设备；所述一次侧设备包括：一次侧滤波电路、一次侧逆变电路、一次侧耦合器、一次侧调压电路、一次侧控制电路、一次侧隔离驱动电路和一次侧电流采样电路；所述二次侧设备包括：二次侧耦合器、二次侧整流电路、二次侧稳压电路和二次侧升压电路。本装置具有无线供电和无线充电功能，可用于空间飞行装置的移动式无线供电和充电领域，能够满足28V和33V两种供电接口设备的同时供电。

Description

一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备及方法
技术领域
本发明属于无线供电技术领域，具体涉及一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备及方法。
背景技术
空间飞行器，是按照天体力学规律在太空运行，执行探索、开发等特定任务的各类飞行器，空间飞行器在轨飞行时，需要为各类负载设备供电，以保证负载设备的正常运行。
现有技术中，空间飞行器供电设备仅能对一种供电接口的负载设备进行供电，供电方式单一，无法满足各种具有不同类供电接口的负载设备的用电需求。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备及方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备，包括一次侧设备和二次侧设备；
所述一次侧设备包括：一次侧滤波电路、一次侧逆变电路、一次侧耦合器、一次侧调压电路、一次侧控制电路、一次侧隔离驱动电路和一次侧电流采样电路；
按电流传输方向，所述一次侧滤波电路、所述一次侧逆变电路和所述一次侧耦合器串联连接；所述一次侧控制电路的输入端，分别与所述一次侧调压电路、上层控制设备和所述一次侧电流采样电路的输出端连接；所述一次侧控制电路的输出端，通过所述一次侧隔离驱动电路，与所述一次侧逆变电路的控制端连接；所述一次侧电流采样电路的输入端，与所述一次侧耦合器的输出端连接；
所述二次侧设备包括：二次侧耦合器、二次侧整流电路、二次侧稳压电路和二次侧升压电路；按电流传输方向，所述二次侧耦合器、所述二次侧整流电路、所述二次侧稳压电路和所述二次侧升压电路串联连接；所述二次侧升压电路的输出端，与外部电池的充电端连接；所述二次侧稳压电路的输出端，与外部设备的用电端连接；
其中：所述一次侧耦合器和所述二次侧耦合器之间为非接触式感应连接。
优选的，所述一次侧逆变电路采用全桥拓扑和串联电容补偿方式的结构。
优选的，所述一次侧控制电路采用FPGA芯片，具有RS422接口通信和模拟量电流采集接口。
优选的，所述一次侧电流采样电路，采用三角积分调制型采样芯片。
优选的，所述一次侧耦合器和所述二次侧耦合器的线圈采用高频低阻抗的利兹线，进行平面无骨架绕制；
所述一次侧耦合器和所述二次侧耦合器的端面采用圆盘型布局。
优选的，所述二次侧整流电路采用全桥整流拓扑结构；所述二次侧稳压电路采用隔离型DC-DC。
本发明还提供一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备的供电方法，包括以下步骤：
步骤1，28V±1V直流电通过一次侧滤波电路进行滤波处理，得到滤波后的直流电；
步骤2，滤波后的直流电通过一次侧逆变电路，一次侧逆变电路将滤波后的直流电逆变为高频交流电；
其中：所述一次侧控制电路，根据一次侧电流采样电路采集的电流参数，对一次侧逆变电路进行驱动控制，使一次侧电流峰值保持在设定值的恒定控制，进而使一次侧耦合器和二次侧耦合器之间保持15mm±10mm的距离；
具体方法为：
步骤2.1，一次侧电流采样电路采集一次侧过零电流和一次侧电流峰值，并传输给一次侧控制电路；
步骤2.2，调频控制：
一次侧控制电路比较采集到的一次侧过零电流和一次侧过零电流设定值，对输出频率进行调频控制，使输出96kHz~120kHz的频率，使一次侧耦合器和二次侧耦合器之间保持15mm±10mm的距离；
步骤2.3，电流占空比控制：
一次侧控制电路根据采集到的一次侧电流峰值和步骤2.2输出的频率值，输出0~45%的电流占空比值；
步骤2.4，对逆变电路的驱动控制：
一次侧控制电路根据步骤2.2输出的频率值和步骤2.3输出的电流占空比值，对逆变电路的驱动进行控制，使一次侧电流峰值保持在设定值的恒定控制；
步骤3，高频交流电流入一次侧耦合器，在一次侧耦合器的激励作用下，产生交变磁场；
步骤4，二次侧耦合器和一次侧耦合器非接触式感应连接，二次侧耦合器通过与一次侧耦合器产生的交变磁场作用，感应出交变电动势；
步骤5，交变电动势依次通过二次侧整流电路的整流作用，以及二次侧稳压电路的稳压作用后，输出27.5V~28.5V电压的电流；
步骤6，27.5V~28.5V电压的电流，具有两个支路，一个支路直接与外部设备连接，向外部设备供应27.5V~28.5V电压的电能；另一个支路通过二次侧升压电路升压，将电压提升到33V~34V，得到33V~34V电压的电流；33V~34V电压的电流向外部电池充电。
本发明提供的一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备及方法具有以下优点：
本装置具有无线供电和无线充电功能，可用于空间飞行装置的移动式无线供电和充电领域，能够满足28V和33V两种供电接口设备的同时供电。
附图说明
图1为本发明提供的一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备的结构示意图；
图2为本发明提供的逆变电路基本结构图；
图3为本发明提供的逆变电路的驱动控制图；
图4为本发明提供的耦合器结构端面图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备，参考图1，包括一次侧设备和二次侧设备；
所述一次侧设备包括：一次侧滤波电路、一次侧逆变电路、一次侧耦合器、一次侧调压电路、一次侧控制电路、一次侧隔离驱动电路和一次侧电流采样电路；
按电流传输方向，所述一次侧滤波电路、所述一次侧逆变电路和所述一次侧耦合器串联连接；所述一次侧控制电路的输入端，分别与所述一次侧调压电路、上层控制设备和所述一次侧电流采样电路的输出端连接；所述一次侧控制电路的输出端，通过所述一次侧隔离驱动电路，与所述一次侧逆变电路的控制端连接；所述一次侧电流采样电路的输入端，与所述一次侧耦合器的输出端连接；
所述二次侧设备包括：二次侧耦合器、二次侧整流电路、二次侧稳压电路和二次侧升压电路；按电流传输方向，所述二次侧耦合器、所述二次侧整流电路、所述二次侧稳压电路和所述二次侧升压电路串联连接；所述二次侧升压电路的输出端，与外部电池的充电端连接；所述二次侧稳压电路的输出端，与外部设备的用电端连接；
其中：所述一次侧耦合器和所述二次侧耦合器之间为非接触式感应连接。
下面对一次侧设备和二次侧设备的具体结构和原理进行详细介绍：
（1）一次侧滤波电路：用于对输入的28V±1V直流电进行滤波处理，抑制传导干扰，能够将500KHz以上的高频信号抑制到60dB以下，减少对同一条供电总线上其他设备的高频干扰。
（2）一次侧逆变电路：采用全桥拓扑和串联电容补偿方式的结构，能够在15mm±10mm距离内，提供28V移动供电和33V移动充电的50W以上输出功率。其电路结构如图2所示；
（3）一次侧调压电路：用于将5V电压调节到3.3V、1.2V，为一次侧控制电路提供工作电压。
（4）一次侧控制电路：采用FPGA芯片，具有RS422接口通信和模拟量电流采集接口，能够将设备的内部工作参数通过RS422接口传输给上层设备，对设备一次侧的电流进行采集。
（5）一次侧隔离驱动电路：能够产生12V、5V的隔离电压，为一次侧逆变电路和一次侧电流采样电路提供驱动控制电压。
（6）一次侧电流采样电路：采用三角积分调制型采样芯片，采用sinc3数字滤波器获得15位的数字量，对电流的采样分辨率为0.0625A。
（7）一次侧耦合器和二次侧耦合器
一次侧耦合器和二次侧耦合器的线圈采用高频低阻抗的利兹线，进行平面无骨架绕制；
利兹线的绕组漆包线股数计算公式为：
为工作频率；/>，为真空磁导率；/>为导线材料电导率，铜的电导率为/>S/m（20℃）；/>为导线材料电导率的温度系数，对于铜导线/>。
无线供电和充电设备基准工作频率=100kHz，选用漆包线线径小于0.2mm，按照电流有效值10A、线径Φ0.1mm、电流密度5A/mm2计算，绕组中漆包线股数应不小于255股。
二次侧耦合器磁芯采用纳米晶合金材料，采用片型结构切割压接而成；并且通过设计一次侧逆变电路的谐振电容值，改变一次侧线圈的电流相位，使设备工作期间的电磁干扰力降低到450uN以下，电磁干扰力计算依据为：/>。
为了在径向运动状态下保证电磁场分布基本不变，一次侧和二次侧的耦合器端面采用圆盘型布局，尺寸包络为≤Φ190mm×20mm，形状如图4所示。
（8）二次侧整流电路
二次侧整流电路采用全桥整流拓扑结构，整流二极管耐压达到650V， TVS管耐压达到350V，最大电流可达20A，满足50%的电流降额设计。
（9）二次侧稳压电路
二次侧稳压电路采用隔离型DC-DC，能够将120V~420V的输入电压转换成28V/13.40A的输出。
本申请中，33V充电电路和28V供电电路可以同时支持外部设备的工作，并与外部设备实现RS422通信。
本发明还提供一种基于可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备的供电方法，包括以下步骤：
步骤1，28V±1V直流电通过一次侧滤波电路进行滤波处理，得到滤波后的直流电；
步骤2，滤波后的直流电通过一次侧逆变电路，一次侧逆变电路将滤波后的直流电逆变为高频交流电；
其中：所述一次侧控制电路，根据一次侧电流采样电路采集的电流参数，对一次侧逆变电路进行驱动控制，使一次侧电流峰值保持在设定值的恒定控制，进而使一次侧耦合器和二次侧耦合器之间保持15mm±10mm的距离；
具体方法如图3所示：
步骤2.1，一次侧电流采样电路采集一次侧过零电流和一次侧电流峰值，并传输给一次侧控制电路；
步骤2.2，调频控制：
一次侧控制电路比较采集到的一次侧过零电流和一次侧过零电流设定值，对输出频率进行调频控制，使输出96kHz~120kHz的频率，使一次侧耦合器和二次侧耦合器之间保持15mm±10mm的距离，保证移动供电和移动充电的电源传输效率至少为55%；
步骤2.3，电流占空比控制：
一次侧控制电路根据采集到的一次侧电流峰值和步骤2.2输出的频率值，输出0~45%的电流占空比值；
步骤2.4，对逆变电路的驱动控制：
一次侧控制电路根据步骤2.2输出的频率值和步骤2.3输出的电流占空比值，对逆变电路的驱动进行控制，其中，逆变电路采用移相全桥ZVS控制，使一次侧电流峰值保持在设定值的恒定控制；例如，一次侧电流峰值为10A。
步骤3，高频交流电流入一次侧耦合器，在一次侧耦合器的激励作用下，产生交变磁场；
步骤4，二次侧耦合器和一次侧耦合器非接触式感应连接，二次侧耦合器通过与一次侧耦合器产生的交变磁场作用，感应出交变电动势；
步骤5，交变电动势依次通过二次侧整流电路的整流作用，以及二次侧稳压电路的稳压作用后，输出27.5V~28.5V电压的电流；
步骤6，27.5V~28.5V电压的电流，具有两个支路，一个支路直接与外部设备连接，向外部设备供应27.5V~28.5V电压的电能；另一个支路通过二次侧升压电路升压，将电压提升到33V~34V，得到33V~34V电压的电流；33V~34V电压的电流向外部电池充电。
由此可见，本发明提供一种可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备及方法，本发明无线供电及充电设备，包括一次端和二次端，二次端与一次端的无接触距离为15mm±10mm，输出功率不低于50W，并且在设备工作期间的电磁干扰力降低到450uN以下，同时实现对外部设备的27.5V~28.5V供电、外部电池33V~34V的充电。因此，本装置具有无线供电和无线充电功能，可用于空间飞行装置的移动式无线供电和充电领域，能够满足28V和33V两种供电接口设备的同时供电。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备的方法，其特征在于，可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备包括一次侧设备和二次侧设备；
所述一次侧设备包括：一次侧滤波电路、一次侧逆变电路、一次侧耦合器、一次侧调压电路、一次侧控制电路、一次侧隔离驱动电路和一次侧电流采样电路；
按电流传输方向，所述一次侧滤波电路、所述一次侧逆变电路和所述一次侧耦合器串联连接；所述一次侧控制电路的输入端，分别与所述一次侧调压电路、上层控制设备和所述一次侧电流采样电路的输出端连接；所述一次侧控制电路的输出端，通过所述一次侧隔离驱动电路，与所述一次侧逆变电路的控制端连接；所述一次侧电流采样电路的输入端，与所述一次侧耦合器的输出端连接；
所述二次侧设备包括：二次侧耦合器、二次侧整流电路、二次侧稳压电路和二次侧升压电路；按电流传输方向，所述二次侧耦合器、所述二次侧整流电路、所述二次侧稳压电路和所述二次侧升压电路串联连接；所述二次侧升压电路的输出端，与外部电池的充电端连接；所述二次侧稳压电路的输出端，与外部设备的用电端连接；
其中：所述一次侧耦合器和所述二次侧耦合器之间为非接触式感应连接；
所述一次侧耦合器和所述二次侧耦合器的线圈采用高频低阻抗的利兹线，进行平面无骨架绕制；所述一次侧耦合器和所述二次侧耦合器的端面采用圆盘型布局；
利兹线的绕组漆包线股数计算公式为：
；/>为工作频率；/>，为真空磁导率；/>为导线材料电导率，铜的电导率20℃为/>S/m；/>为导线材料电导率的温度系数，对于铜导线；
无线供电和充电设备基准工作频率=100kHz，选用漆包线线径小于0.2mm，按照电流有效值10A、线径Φ0.1mm、电流密度5A/mm2计算，绕组中漆包线股数应不小于255股；
二次侧耦合器磁芯采用纳米晶合金材料，采用片型结构切割压接而成；并且通过设计一次侧逆变电路的谐振电容值，改变一次侧线圈的电流相位，使设备工作期间的电磁干扰力降低到450uN以下；
为了在径向运动状态下保证电磁场分布基本不变，一次侧和二次侧的耦合器端面采用圆盘型布局，尺寸包络为≤Φ190mm×20mm；
方法包括以下步骤：
步骤1，28V±1V直流电通过一次侧滤波电路进行滤波处理，得到滤波后的直流电；
步骤2，滤波后的直流电通过一次侧逆变电路，一次侧逆变电路将滤波后的直流电逆变为高频交流电；
其中：所述一次侧控制电路，根据一次侧电流采样电路采集的电流参数，对一次侧逆变电路进行驱动控制，使一次侧电流峰值保持在设定值的恒定控制，进而使一次侧耦合器和二次侧耦合器之间保持15mm±10mm的距离；
具体方法为：
步骤2.1，一次侧电流采样电路采集一次侧过零电流和一次侧电流峰值，并传输给一次侧控制电路；
步骤2.2，调频控制：
一次侧控制电路比较采集到的一次侧过零电流和一次侧过零电流设定值，对输出频率进行调频控制，使输出96kHz~120kHz的频率，使一次侧耦合器和二次侧耦合器之间保持15mm±10mm的距离；
步骤2.3，电流占空比控制：
一次侧控制电路根据采集到的一次侧电流峰值和步骤2.2输出的频率值，输出0~45%的电流占空比值；
步骤2.4，对逆变电路的驱动控制：
一次侧控制电路根据步骤2.2输出的频率值和步骤2.3输出的电流占空比值，对逆变电路的驱动进行控制，使一次侧电流峰值保持在设定值的恒定控制；
步骤3，高频交流电流入一次侧耦合器，在一次侧耦合器的激励作用下，产生交变磁场；
步骤4，二次侧耦合器和一次侧耦合器非接触式感应连接，二次侧耦合器通过与一次侧耦合器产生的交变磁场作用，感应出交变电动势；
步骤5，交变电动势依次通过二次侧整流电路的整流作用，以及二次侧稳压电路的稳压作用后，输出27.5V~28.5V电压的电流；
步骤6，27.5V~28.5V电压的电流，具有两个支路，一个支路直接与外部设备连接，向外部设备供应27.5V~28.5V电压的电能；另一个支路通过二次侧升压电路升压，将电压提升到33V~34V，得到33V~34V电压的电流；33V~34V电压的电流向外部电池充电。
2.根据权利要求1所述的一种基于可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备的方法，其特征在于，所述一次侧逆变电路采用全桥拓扑和串联电容补偿方式的结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备的方法，其特征在于，所述一次侧控制电路采用FPGA芯片，具有RS422接口通信和模拟量电流采集接口。
4.根据权利要求1所述的一种基于可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备的方法，其特征在于，所述一次侧电流采样电路，采用三角积分调制型采样芯片。
5.根据权利要求1所述的一种基于可用于空间飞行装置的双输出无线供电设备的方法，其特征在于，所述二次侧整流电路采用全桥整流拓扑结构；所述二次侧稳压电路采用隔离型DC-DC。
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