一种航天器间无线配电系统及控制方法与流程

本发明涉及无线配电技术领域，具体涉及一种航天器间无线配电系统及控制方法。

背景技术：

随着我国航天技术的发展以及对外层空间未知领域的探索日益加深，各种航天器的功能逐步完善，应用于航天器间的无线配电系统也正变得日益复杂化和多样化，除了传统的有线供电方式之外，无线配电或者说无线能量传输技术的方式也逐渐成为航天器间供电方式之一，无线配电技术在高效蓄能电池技术外，可以为航天器提供一种新型的能量供给方式，为提高航天器的续航能力提供了有效的解决方法。

无线配电主要是利用无线充电技术，是利用一种特殊的设备将电能转变为电磁波或者其他形式的能量，从而能够实现在非接触的情况下，仍可以为相应的电气设备充电。现有技术通常包括两大类无线充电技术方案：1)电磁感应式无线充电，是指以一定频率的交流电通入初级线圈，利用电磁感应原理在次级线圈中产生一定的电流，以此来实现电能的无线传输；2)磁共振式无线充电，其原理和电磁感应式无线充电的电磁感应原理基本类似，只是其要求发射端和接收端的功率信号的频率一致，即让发射端和接收端工作在相同频率，达到谐振点，通过电磁耦合原理实现电能的无线传输。两种无线充电技术方案均摆脱了传统有线充电形式的困扰使得充电操作方便快捷，但是两者也各有缺陷。磁谐振式无线充电技术中，发射线圈和接收线圈之间通常采用SS型基本谐振补偿结构，适应于传输距离较远，而不适应于传输距离近的情况。磁感应式无线充电技术中，发射线圈和接收线圈之间采用了LCC型谐振补偿结构，适应传输距离较近的情况，这就导致二者只能特定地应用于符合特定传输距离的航天器之间，并且不能兼顾传输距离和能量传输效率。而对于有些航天器，可能会根据航天任务情况进行变轨，或者存在靠近或远离的动态变化间距的航天器之间产生进行无线充电的需求的情况，上述二者技术方案就明显不再适用。

技术实现要素：

本发明针对现有无线充电技术中不能兼顾传输距离与能量传输效率的问题提供了一种航天器间无线配电系统，该系统在现有技术基础上巧妙地进行改进，增设了开关组合和补偿电容，成功将LCC补偿结构和SS补偿结构进行了结合，并且仅通过开关组合的控制就能够实现两种补偿形式的切换，由此兼顾到了传输距离和能量传输效率，结构简单可靠且操作便捷，还能适用于动态变化间距的航天器之间的无线配电过程中，实用性强。本发明还提供了一种航天器间无线配电系统的控制方法。

本发明的技术方案如下：

一种航天器间无线配电系统，包括依次连接的发射端电源、高频逆变电路、发射端LCC补偿电路、发射线圈、接收线圈、接收端LCC补偿电路、整流电路和接收端负载，所述发射线圈与所述接收线圈为非接触式连接，所述发射端LCC补偿电路包括相互串并联耦合的原边补偿电感、原边第一串联补偿电容和原边并联补偿电容，所述接收端LCC补偿电路包括相互串并联耦合的副边第一串联补偿电容、副边并联补偿电容和副边补偿电感，系统还包括与原边补偿电感串联的第一开关、相互串联的第二开关和原边第二串联补偿电容、与副边补偿电感串联的第三开关以及相互串联的第四开关和副边第二串联补偿电容，且第二开关和原边第二串联补偿电容形成的串联支路与第一开关、原边补偿电感和原边第一串联补偿电容形成的串联支路相互并联，第四开关和副边第二串联补偿电容形成的串联支路与第三开关、副边补偿电感和副边第一串联补偿电容形成的串联支路相互并联。

优选地，所述航天器间无线配电系统，还包括监测并控制系统各种状态信息参数的主控制器，四个开关均与所述主控制器相连，所述主控制器手动或自动发送指令控制四个开关的闭合与断开。

优选地，所述航天器间无线配电系统，还包括与主控制器相连的距离监测装置，所述距离监测装置监测两航天器之间的实际距离并将信息数据传输给主控制器，主控制器根据距离监测装置的信息数据自动发送指令控制四个开关的闭合与断开，在实际距离大于距离阈值时控制第一开关、第三开关断开同时第二开关、第四开关闭合，在实际距离小于距离阈值时控制第一开关、第三开关闭合同时第二开关、第四开关断开。

优选地，所述发射端电源直接由航天器母线电压供直流电。

优选地，发射端和接收端通过非接触式的Zigbee无线通信单元进行无线通信以传输工作信号或状态信息。

一种根据上述的航天器间无线配电系统的控制方法，所述方法首先监测航空空间内航天器自身的电源状态，当若干航天器之间需要有电能传输时，再监测航天器间的距离关系，对满足距离关系的两个航天器间无线配电系统进行控制，在距离关系大于距离阈值时，控制第一开关、第三开关断开同时第二开关、第四开关闭合，电路补偿拓扑为SS串联型，实现磁共振式无线传能；在距离关系小于距离阈值时，控制第一开关、第三开关闭合同时第二开关、第四开关断开，电路补偿拓扑为LCC型，实现磁感应式无线传能；通过控制第一开关、第二开关、第三开关、第四开关的闭合和断开状态进而控制系统工作形式的切换以满足不同间距下无线电能传输的需求。

优选地，所述控制方法，还在系统中设置监测并控制系统各种状态信息参数的主控制器，利用所述主控制器手动或自动发送指令控制四个开关的闭合与断开。

优选地，所述控制方法，还设置与主控制器相连的距离监测装置，利用所述距离监测装置监测两航天器之间的实际距离并将信息数据传输给主控制器，再利用主控制器根据距离监测装置的信息数据自动发送指令控制四个开关的闭合与断开，在实际距离大于距离阈值时控制第一开关、第三开关断开同时第二开关、第四开关闭合，系统进入SS补偿网络拓扑结构形式工作以实现远距离无线电能传输，在实际距离小于距离阈值时控制第一开关、第三开关闭合同时第二开关、第四开关断开，系统进入LCC补偿网络拓扑结构形式工作以实现近距离无线电能传输。

优选地，在无线电能传输过程中，利用航天器母线电压对无线配电系统的发射端电源进行直流供电。

优选地，在无线电能传输过程中，无线配电系统的发射端和接收端通过非接触式的Zigbee无线通信单元进行无线通信以传输工作信号或状态信息。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及了一种航天器间无线配电系统，适用于航天器间的无线配电场景，尤其适用于动态变化间距的航天器之间的无线配电过程中，在现有技术基础上巧妙地进行改进，增设了第一开关、第二开关、第三开关、第四开关这些开关组合以及原边第二串联补偿电容和副边第二串联补偿电容，使得LCC补偿结构和SS补偿结构进行了完美结合，该系统结构紧凑，其既可以适应谐振耦合，同时可用于磁感应耦合，并且仅通过开关组合的控制就能够实现两种补偿形式的切换，结构简单可靠且操作便捷，既可以应用在远距离航天器间无线配电(远距离是相对于近距离而言的，其也可对应实际情况下航天器间的中长距离)，又可以应用于近距离航天器间无线配电(近距离也可称为短距离)，解决了现有无线充电技术中不能兼顾传输距离与能量传输效率的问题，适配性强，整体上大大提升了系统工作质量与工作效率，且有效降低了太空环境下的无线配电经济成本。

本发明还涉及了一种航天器间无线配电系统的控制方法，是针对上述航天器间无线配电系统的控制方法，适用于航天器间的无线配电场景，首先监测航空空间内航天器自身的电源状态，当若干航天器之间需要有电能传输时，监测航天器间的距离关系，对满足距离关系的两个航天器间无线配电系统进行控制，通过控制第一开关、第二开关、第三开关、第四开关的闭合和断开状态进而控制系统工作形式的切换以满足不同间距下无线电能传输的需求，使得LCC补偿结构和SS补偿结构进行了完美结合和自由切换，本发明通过改变航天器无线配电的控制方式，可以实现谐振耦合与磁感应耦合的两种无线能量传输方式的切换，既可以应用在中长距离航天器间无线配电，又可以应用于短距离航天器间无线配电，兼顾了传输距离和能量传输效率，整体上大大提升了系统工作质量与工作效率。

附图说明

图1：为本发明一种航天器间无线配电系统的第一种优选结构示意图。

图2：为本发明一种航天器间无线配电系统的第二种优选结构示意图。

图3：为本发明一种航天器间无线配电系统的第三种优选结构示意图。

图4：为本发明一种航天器间无线配电系统的第四种优选结构示意图。

图5：为本发明一种航天器间无线配电系统的控制方法的优选流程图。

附图标记列示如下：

1—发射端电源；2—高频逆变电路；3—发射端LCC补偿电路；4—发射线圈；5—接收线圈；6—接收端LCC补偿电路；7—整流电路；8—接收端负载；9—主控制器；10—距离监测装置；11—Zigbee无线通信单元；

Lf1—原边补偿电感；C1—原边第一串联补偿电容；Cf1—原边并联补偿电容；Lf2—副边补偿电感；C2—副边第一串联补偿电容；Cf2—副边并联补偿电容；S1—第一开关；S2—第二开关；C3—原边第二串联补偿电容；S3—第三开关；S4—第四开关；C4—副边第二串联补偿电容。

具体实施方式

本发明涉及一种航天器间无线配电系统，包括依次连接的发射端电源、高频逆变电路、发射端LCC补偿电路、发射线圈、接收线圈、接收端LCC补偿电路、整流电路和接收端负载，所述发射线圈与所述接收线圈为非接触式连接，所述发射端LCC补偿电路包括相互串并联耦合的原边补偿电感、原边第一串联补偿电容和原边并联补偿电容，所述接收端LCC补偿电路包括相互串并联耦合的副边第一串联补偿电容、副边并联补偿电容和副边补偿电感，该系统还包括与原边补偿电感串联的第一开关、相互串联的第二开关和原边第二串联补偿电容、与副边补偿电感串联的第三开关以及相互串联的第四开关和副边第二串联补偿电容，且第二开关和原边第二串联补偿电容形成的串联支路与第一开关、原边补偿电感和原边第一串联补偿电容形成的串联支路相互并联，第四开关和副边第二串联补偿电容形成的串联支路与第三开关、副边补偿电感和副边第一串联补偿电容形成的串联支路相互并联，利用增设部件使得LCC补偿结构和SS补偿结构进行了完美结合，解决了现有无线充电技术中不能兼顾传输距离与能量传输效率的问题，适配性强，有效提升了系统工作效率。

下面结合附图进一步对本发明进行详细说明。

如附图1所示，为本发明提出的一种航天器间无线配电系统的第一种优选结构示意图，该系统包括依次连接的发射端电源1、高频逆变电路2、发射端LCC补偿电路3、发射线圈4(即原边电感线圈L1)、接收线圈5(即副边电感线圈L2)、接收端LCC补偿电路6、整流电路7和接收端负载8，所述发射线圈4与所述接收线圈5为非接触式连接，也即图中原边电感线圈L1和副边电感线圈L2为电磁感应式连接，二者之间会产生互感及自感以传输能量(图中M即为互感)，所述发射端LCC补偿电路3包括相互串并联耦合的原边补偿电感Lf1、原边第一串联补偿电容C1和原边并联补偿电容Cf1，所述接收端LCC补偿电路6包括相互串并联耦合的副边第一串联补偿电容C2、副边并联补偿电容Cf2和副边补偿电感Lf2，此外该系统还包括与原边补偿电感Lf1串联的第一开关S1、相互串联的第二开关S2和原边第二串联补偿电容C3、与副边补偿电感Lf2串联的第三开关S3以及相互串联的第四开关S4和副边第二串联补偿电容C4，且第二开关S2和原边第二串联补偿电容C3形成的串联支路与第一开关S1、原边补偿电感Lf1和原边第一串联补偿电容C1形成的串联支路相互并联，第四开关S4和副边第二串联补偿电容C4形成的串联支路与第三开关S3、副边补偿电感Lf2和副边第一串联补偿电容C2形成的串联支路相互并联，发射端电源1提供的电压经过调整后输入到高频逆变电路2中，利用高频逆变电路2将调整过电压的直流电转换为符合谐振频率的交流电，变化的高频交流电在发射线圈4(即原边电感线圈L1)的周围产生交变磁场，进而接收线圈5(即副边电感线圈L2)在高频磁场中感生出相同频率的电压，经过整流电路7整流、滤波后供给接收端负载8使用。该系统适用于航天器间的无线配电场景，尤其适用于动态变化间距的航天器之间的无线配电过程中，其在现有技术基础上巧妙地进行改进，增设了第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4这些开关组合以及原边第二串联补偿电容C3和副边第二串联补偿电容C4，使得LCC补偿结构和SS补偿结构进行了完美结合，整体结构紧凑，既可以适应谐振耦合，同时可用于磁感应耦合，并且仅通过开关组合的控制就能够实现两种补偿形式的切换，结构简单可靠且操作便捷，既可以应用在远距离航天器间无线配电(远距离是相对于近距离而言的，其也可对应实际情况下航天器间的中长距离)，又可以应用于近距离航天器间无线配电(近距离也可称为短距离)，当应用于中长距离时，控制各开关动作使得原边第二串联补偿电容C3和副边第二串联补偿电容C4接入电路，电路补偿拓扑结构为SS串联型，调整频率使电容电感达到谐振状态进而电路进行磁谐振式无线传能；当应用于短距离时，控制开关动作使得原边补偿电感Lf1、原边第一串联补偿电容C1和原边并联补偿电容Cf1和副边第一串联补偿电容C2、副边并联补偿电容Cf2和副边补偿电感Lf2接入电路，电路补偿拓扑结构为LCC型，调整频率使电容电感达到谐振状态进而电路进行磁感应式无线传能，也即系统采用数字控制方式实现中长距离和短距离无线传能的有效切换，解决了现有无线充电技术中不能兼顾传输距离与能量传输效率的问题，为航天器提供了一种新型能量供给方式，适配性强，整体上大大提升了无线充电过程的工作质量与工作效率，有效提升航天器的续航能力，且有效降低了太空环境下的无线配电经济成本。

如图2第二种优选结构示意图所示，航天器间无线配电系统除图1所示实施例的结构外，还包括监测并控制系统各种状态信息参数的主控制器9，四个开关均与所述主控制器9相连，所述主控制器9手动或自动发送指令控制四个开关的闭合与断开，通过系统的主控制器9，可控制各开关进行手动或自动的操作：1)手动模式：主控制器9向各开关发出闭合或断开的指令，从而切换长距离和近距离的传输模式；2)纯自动模式：该系统优选还包括如图3所示的与主控制器9相连的距离监测装置10，所述距离监测装置10监测两航天器之间的实际距离并将监测到的结果信息数据传输给主控制器9，并在主控制器9中预设距离阈值，主控制器9根据距离监测装置10的信息数据自动发送指令控制四个开关的闭合与断开，在实际距离大于距离阈值时控制第一开关S1、第三开关S3断开同时第二开关S2、第四开关S4闭合，使得原边第二串联补偿电容C3和副边第二串联补偿电容C4接入电路，电路补偿拓扑结构为SS串联型，调整频率使电容电感达到谐振状态进而电路进行磁谐振式无线传能；在实际距离小于距离阈值时控制第一开关S1、第三开关S3闭合同时第二开关S2、第四开关S4断开，使得原边补偿电感Lf1、原边第一串联补偿电容C1和原边并联补偿电容Cf1和副边第一串联补偿电容C2、副边并联补偿电容Cf2和副边补偿电感Lf2接入电路，电路补偿拓扑结构为LCC型，调整频率使电容电感达到谐振状态进而电路进行磁感应式无线传能。

优选地，系统中所述发射端电源1直接由航天器母线电压供直流电。

优选地，如图4所示，发射端和接收端通过非接触式的Zigbee无线通信单元11进行无线通信以传输工作信号或状态信息，尤其是该系统旨在实现非接触式航天期间的无线充电，系统原边、副边之间需要进行完全的电气隔离，所以原边、副边之间的通信也不能采用线路连接，只能采用无线通信方式，而采用非接触式的Zigbee无线通信单元11进行无线通信以传输工作信号或状态信息，功耗低、数据传输可靠安全、兼容性强且实现成本低。

算例：

远距离传输时，控制第一开关S1、第三开关S3断开同时第二开关S2、第四开关S4闭合，使得原边第二串联补偿电容C3和副边第二串联补偿电容C4接入电路，电路补偿拓扑结构为SS串联型，调整频率使电容电感达到谐振状态进而电路进行磁谐振式无线传能方式。

通过电路原、副边进行谐振耦合来完善原、副边电路功能，促使系统具备高功率工作的能力，能快速产生谐振，串、并联耦合电容元件等能够消除电路中的部分感抗。原边耦合电容是为了平衡原边漏感抗和副边反应感抗，从而减小系统的视在功率，提高功率因数，副边耦合电容是为了减小无功功率，增大输出功率，整体提升工作效率。

系统的工作频率可以表示为：

f＝ω/2π (1)

对于此时的SS串联型补偿拓扑结构，当原边电感线圈L1、副边电感线圈L2分别和其对应的谐振电容串联时，为达到最优性能，原边电感线圈L1和副边电感线圈L2的固有谐振角频率w一般取值为：

式中，C1为原边第一串联补偿电容，C2为副边第一串联补偿电容，L1、L2分别为原边电感线圈、副边电感线圈。原副边电感线圈的电感量可以通过如下公式来计算：

式中，μ0＝4π×10^-7H/m，表示真空磁导率；r表示线圈半径；N表示线圈匝数；a表示导线截面半径。

SS串联型谐振无线配电系统模型可以用以下矩阵方程表示：

近距离传输时，控制第一开关S1、第三开关S3闭合同时第二开关S2、第四开关S4断开，使得原边补偿电感Lf1、原边第一串联补偿电容C1和原边并联补偿电容Cf1和副边第一串联补偿电容C2、副边并联补偿电容Cf2和副边补偿电感Lf2接入电路，电路补偿拓扑结构为LCC型，调整频率使电容电感达到谐振状态进而电路进行磁感应式无线传能。

LCC型补偿方式具有增益交点处输入阻抗角为零、增益交点值不随变压器耦合系数改变的特点，同时，其原边电流恒定的特性，使得系统可以工作在某个固定频率点达到单位功率因数的要求，电压电流应力小。原边电感线圈L1与副边电感线圈L2的自感值可由万用表测量得到。

LCC型补偿电路中原边补偿电感Lf1、副边补偿电感Lf2的计算公式如下：

结合串联谐振式无线电能传输中，当系统产生谐振的条件为：

LCC型补偿电路中并联部分的原边并联补偿电容Cf1和副边并联补偿电容Cf2容值计算如下：

LCC型补偿电路中串联部分的原边第一串联补偿电容C1和副边第一串联补偿电容C2为：

C2＝C1+ΔC2 (9)

本发明还涉及了一种航天器间无线配电系统的控制方法，是针对上述如图1-4所示实施例的航天器间无线配电系统的控制方法，适用于航天器间的无线配电场景，如图5本发明航天器间无线配电系统的控制方法的优选流程图所示，所述方法一开始首先监测航空空间内航天器自身的电源状态，当若干航天器之间需要有电能传输时，再监测航天器间的距离关系即监测航天期间的实际距离，对满足距离关系的两个航天器间无线配电系统进行控制，在实际距离大于距离阈值时，控制第一开关S1、第三开关S3断开同时第二开关S2、第四开关S4闭合，电路补偿拓扑为SS串联型，调节工作频率使原副边达到谐振状态，实现磁共振式无线传能；在实际距离小于距离阈值时，控制第一开关S1、第三开关S3闭合同时第二开关S2、第四开关S4断开，电路补偿拓扑为LCC型，调节工作频率使原副边达到谐振状态，实现磁感应式无线传能；通过控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4的闭合和断开状态进而控制系统工作形式的切换以满足不同间距下无线电能传输的需求。该控制方法使得LCC补偿结构和SS补偿结构进行了完美结合和自由切换，通过改变航天器无线配电的数字化控制方式，可以实现谐振耦合与磁感应耦合的两种无线能量传输方式的切换，既可以应用在中长距离航天器间无线配电，又可以应用于短距离航天器间无线配电，兼顾了传输距离和能量传输效率，整体上大大提升了系统工作质量与工作效率。

优选地，所述控制方法还在系统中设置监测并控制系统各种状态信息参数的主控制器9，利用所述主控制器9手动或自动发送指令控制四个开关的闭合与断开。所述主控制器9，可控制各开关进行手动或自动的操作：1)手动模式：主控制器9向各开关发出闭合或断开的指令，从而切换长距离和近距离的传输模式；2)纯自动模式：所述控制方法还设置与主控制器9相连的距离监测装置10，利用所述距离监测装置10监测两航天器之间的实际距离并将监测到的结果信息数据传输给主控制器9，并在主控制器9中预设距离阈值，再利用主控制器9根据距离监测装置10的信息数据自动发送指令控制四个开关的闭合与断开，在实际距离大于距离阈值时控制第一开关S1、第三开关S3断开同时第二开关S2、第四开关S4闭合，使得原边第二串联补偿电容C3和副边第二串联补偿电容C4接入电路，系统进入SS补偿网络拓扑结构形式工作以实现远距离无线电能传输，调整频率使电容电感达到谐振状态进而电路进行磁谐振式无线传能；在实际距离小于距离阈值时控制第一开关S1、第三开关S3闭合同时第二开关S2、第四开关S4断开，使得原边补偿电感Lf1、原边第一串联补偿电容C1和原边并联补偿电容Cf1和副边第一串联补偿电容C2、副边并联补偿电容Cf2和副边补偿电感Lf2接入电路，系统进入LCC补偿网络拓扑结构形式工作以实现近距离无线电能传输，调整频率使电容电感达到谐振状态进而电路进行磁感应式无线传能。

优选地，在无线电能传输过程中，所述控制方法利用航天器母线电压对无线配电系统的发射端电源1进行直流供电。

优选地，所述控制方法的无线电能传输过程中，无线配电系统的发射端和接收端通过非接触式的Zigbee无线通信单元11进行无线通信以传输工作信号或状态信息，功耗低、数据传输可靠安全、兼容性强且实现成本低。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。