一種無線電能傳輸電路及其設計方法技術

本發明專利技術公開了一種無線電能傳輸電路，包含：電源模塊；能量發射端，與電源模塊連接；能量接收端，與能量發射端連接，并向負載供電；能量發射端包含依次電路連接的逆變電路及導抗變換器，逆變電路與電源模塊連接；松耦合變壓器，包含一原邊發射線圈，原邊發射線圈設置在能量發射端，與導抗變換器連接；至少一副邊接收線圈，副邊接收線圈設置在能量接收端，通過整流電路連接至對應的負載；原邊諧振電容，與原邊發射線圈串聯；副邊諧振電容，與副邊接收線圈串聯。本發明專利技術還公開了一種無線電能傳輸電路的設計方法。本發明專利技術基于導抗變換器原理的改進型電路，以達到增強松耦合變壓器的輸出能力和輸出電壓穩定性的目的。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及電路設計領域，具體涉及一種無線電能傳輸電路及其設計方法。
技術介紹
在空間軌道上運行的人造航天器系統稱為“在軌系統”或“空間系統”，包括在軌衛星、飛船、航天飛機、空間站(實驗室)、空間探測器和太空望遠鏡等。在軌系統往往遇到以下幾種困境：航天器在軌故障通常只是個別部件出問題，整星報廢損失太大；一次性可攜帶的消耗品有限且難以補給航天器上可消耗流體物質。以在軌維修為代表的在軌服務可以徹底解決這個問題，因此，以在軌維修為主要任務的在軌服務飛行器受到很多國家的關注，近些年來，在軌服務技術得到快速發展。在軌能源補給是在軌維修的一個重要內容，在軌能源補給分為兩種方式：在軌能源模塊的更換和在軌能源補給。對于一些平均壽命短和取代成本高的航天器，通過在軌能源補給可以有效提高航天器的壽命，具有重要意義。無線電能傳輸技術具有方便快捷，安全可靠的特點，在航天領域越來越受到重視，尤其在飛行器在軌能源補給方面，是一種有效的解決方案，如圖1所示，維修服務航天器系統通過能量發射電路的發射線圈向接受維修服務航天器系統的能量接收電路的接收線圈傳輸能量。但是，現有的無線電能傳輸系統設計方法復雜，諧振電路的參數匹配難度大，輸出電壓波動大，輸出功率不穩定。因此，現有的設計技術應用于航天器的無線電能傳輸系統，勢必不能得到滿意的結果。在軌維修電源系統要求的無線電能傳輸功率較大，一般大于1kW，無線傳輸距離較遠，一般大于30cm，為保證在軌維修電源工作可靠性，同時要求無線電能傳輸系統的輸出電壓具有不隨負載變化的特點。如圖2所示，采用串聯或并聯諧振網絡的無線電能傳輸系統無法滿足上述要求。專利
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種無線電能傳輸電路及其設計方法，基于導抗變換器原理的改進型電路，以達到增強松耦合變壓器的輸出能力和輸出電壓穩定性的目的，改善原邊串聯-副邊串聯型無線電能傳輸諧振網絡的頻率特性，增強無線傳輸系統在低耦合系數時的輸出電壓穩定性，使得無線電能傳輸技術更好得應用于在軌維修電源系統及統一無線充電平臺。為了達到上述目的，本專利技術通過以下技術方案實現：一種無線電能傳輸電路，其特點是，包含：電源模塊，用于提供電能，所述的電源模塊包含一與市電連接的工頻整流電路及與工頻整流電路并聯的直流母線電容；能量發射端，與所述電源模塊連接，用于將電源模塊的電能以無線形式發出；能量接收端，與所述能量發射端連接，用于接收能量發射端發出的電能，并向負載供電；所述的能量發射端包含依次電路連接的逆變電路及導抗變換器，所述的逆變電路與所述電源模塊連接；松耦合變壓器，包含一原邊發射線圈，所述的原邊發射線圈設置在能量發射端，與所述導抗變換器連接；至少一副邊接收線圈，所述的副邊接收線圈設置在能量接收端，通過整流電路連接至對應的負載；原邊諧振電容，與所述的原邊發射線圈串聯；副邊諧振電容，與所述的副邊接收線圈串聯；其中松耦合變壓器、原邊諧振電容及副邊諧振電容構成一諧振網絡。所述的無線電能傳輸電路還包含一檢測與保護電路，所述的檢測與保護電路電路連接在工頻整流電路與直流母線電容之間，用于檢測直流母線電容電壓。所述的無線電能傳輸電路還包含一負載整流濾波及保護電路，所述的負載整流濾波及保護電路電路連接在整流電路與負載之間。所述的無線電能傳輸電路還包含一近場通信線路，所述的近場通信線路包含成對信號收發電路，其中，數據發射端設置在副邊接收線圈一側，數據接收端設置在原邊發射線圈一側，用于獲取負載接入的配對信息。所述的導抗變換器為串聯LCL型導抗變換器，所述的導抗變換器包含串聯的第一串聯電感和第二串聯電感，及與所述第一串聯電感并聯的并聯電容。一種如上述的無線電能傳輸電路的設計方法，其特點是，用于在軌維修電源系統的非接觸式供電，包含以下步驟：S1、根據在軌維修電源系統對原邊發射線圈直徑、副邊接收線圈直徑、無線傳輸功率及傳輸距離的要求，計算松耦合變壓器參數，即確定松耦合變壓器的原邊發射線圈匝數、副邊接收線線圈匝數、原邊發射線圈電感值、副邊接收線線圈電感值、及原副邊互感值；S2、根據負載的等效電阻值及原副邊互感值，計算得到導抗變換器的諧振頻率；S3、根據電源模塊的輸入電壓值及在軌維修電源系統預設電壓輸出值，計算得到諧振網絡的輸出電壓增益值；S4、根據諧振網絡的輸出電壓增益值、原副邊互感值及導抗變換器的諧振頻率，計算的到導抗變換器的參數；S5、根據原邊發射線圈電感值及導抗變換器的諧振頻率，計算得到原邊諧振電容的電容值，根據副邊接收線線圈電感值及導抗變換器的諧振頻率，計算得到副邊諧振電容的電容值；S6、計算諧振網絡的傳輸效率，若符合預設傳輸效率值，則完成無線電能傳輸電路的設計，如否則返回步驟S1，重新確定松耦合變壓器參數。所述的步驟S4包含：S4.1、根據諧振網絡的輸出電壓增益值、原副邊互感值及導抗變換器的諧振頻率，計算得到導抗變換器的特征阻抗值；S4.2、根據導抗變換器的特征阻抗值及導抗變換器的諧振頻率，計算得到導抗變換器的第一串聯電感的電感值及并聯電容的電容值；S4.3、根據導抗變換器的導抗變換器的第一串聯電感的電感值，計算得到導抗變換器的第二串聯電感的電感值。所述的步驟S1中，原邊電感值與副邊電感值相等；所述的步驟S4.3中，導抗變換器的第一串聯電感的電感值與第二串聯電感的電感值相等。一種如上述的無線電能傳輸電路的設計方法，其特點是，用于一統一無線充電平臺向多個小功率設備供電，包含以下步驟：步驟一、根據統一無線充電平臺對傳輸功率、原邊發射線圈和副邊接收線圈之間距離的要求，確定原邊發射線圈的電感值及多個副邊接收線圈的電感值；步驟二、根據多個小功率設備的負載功率，確定原邊發射線圈的輸入電流；步驟三、根據原邊發射線圈的輸入電流、電源模塊的輸入電壓值和開關頻率，計算得到導抗變換器的特征阻抗；步驟四、根據導抗變換器的特征阻抗及開關頻率，計算得到導抗變換器的串聯電感的電感值和并聯電容的電容值；步驟五、根據原邊發射線圈電感值及開關頻率，得到原邊諧振電容的電容值；步驟六、根據多個小功率設備的負載功率、多個副邊接收線圈的電感值及開關頻率，計算得到副邊諧振電容的電容值，已完成無線電能傳輸電路的設計。本專利技術一種無線電能傳輸電路及其設計方法與現有技術相比具有以下優點：本專利技術的原邊發射線圈的電流不隨負載電阻的改變而改變，輸出電壓不隨負載改變而改變；本專利技術特別適用于遠距離、低耦合系數的無效電能傳輸系統，具有較高的輸出電壓穩定性；本專利技術的電路原理清晰、設計方法簡單；本專利技術的電路和設計方法同時也適用于多負載輸出的無線電能傳輸系統。附圖說明圖1為現有技術中的在軌維修電源系統示意圖；圖2為現有技術中的一種無線電能傳輸電路示意圖；圖3為本專利技術的一種無線電能傳輸電路示意圖；圖4為本專利技術中原邊發射線圈恒流特性示意圖；圖5為本專利技術中諧振網絡輸出電壓特性示意圖。具體實施方式以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本專利技術做進一步闡述。本專利技術是在現有技術中的串聯-串聯補償型無線電能傳輸電路前串聯LCL型導抗變換器，如圖3所示，一種無線電能傳輸電路，包含：電源模塊，用于提供電能，所述的電源模塊包含一與市電連接的工頻整流電路及與工頻整流電路并聯的直流母線電容Cf1；能量發射端，與所述電源模塊連接，用于將電源模塊的電能以無線形式發本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種無線電能傳輸電路，其特征在于，包含：電源模塊，用于提供電能，所述的電源模塊包含一與市電連接的工頻整流電路及與工頻整流電路并聯的直流母線電容；能量發射端，與所述電源模塊連接，用于將電源模塊的電能以無線形式發出；能量接收端，與所述能量發射端連接，用于接收能量發射端發出的電能，并向負載供電；所述的能量發射端包含依次電路連接的逆變電路及導抗變換器，所述的逆變電路與所述電源模塊連接；松耦合變壓器，包含一原邊發射線圈，所述的原邊發射線圈設置在能量發射端，與所述導抗變換器連接；至少一副邊接收線圈，所述的副邊接收線圈設置在能量接收端，通過整流電路連接至對應的負載；原邊諧振電容，與所述的原邊發射線圈串聯；副邊諧振電容，與所述的副邊接收線圈串聯；其中松耦合變壓器、原邊諧振電容及副邊諧振電容構成一諧振網絡。

【技術特征摘要】
1.一種無線電能傳輸電路，其特征在于，包含：電源模塊，用于提供電能，所述的電源模塊包含一與市電連接的工頻整流電路及與工頻整流電路并聯的直流母線電容；能量發射端，與所述電源模塊連接，用于將電源模塊的電能以無線形式發出；能量接收端，與所述能量發射端連接，用于接收能量發射端發出的電能，并向負載供電；所述的能量發射端包含依次電路連接的逆變電路及導抗變換器，所述的逆變電路與所述電源模塊連接；松耦合變壓器，包含一原邊發射線圈，所述的原邊發射線圈設置在能量發射端，與所述導抗變換器連接；至少一副邊接收線圈，所述的副邊接收線圈設置在能量接收端，通過整流電路連接至對應的負載；原邊諧振電容，與所述的原邊發射線圈串聯；副邊諧振電容，與所述的副邊接收線圈串聯；其中松耦合變壓器、原邊諧振電容及副邊諧振電容構成一諧振網絡。2.如權利要求1所述的無線電能傳輸電路，其特征在于，進一步包含一檢測與保護電路，所述的檢測與保護電路電路連接在工頻整流電路與直流母線電容之間，用于檢測直流母線電容電壓。3.如權利要求1所述的無線電能傳輸電路，其特征在于，進一步包含一負載整流濾波及保護電路，所述的負載整流濾波及保護電路電路連接在整流電路與負載之間。4.如權利要求1所述的無線電能傳輸電路，其特征在于，進一步包含一近場通信線路，所述的近場通信線路包含成對信號收發電路，其中，數據發射端設置在副邊接收線圈一側，數據接收端設置在原邊發射線圈一側，用于獲取負載接入的配對信息。5.如權利要求1所述的無線電能傳輸電路，其特征在于，所述的導抗變換器為串聯LCL型導抗變換器，所述的導抗變換器包含串聯的第一串聯電感和第二串聯電感，及與所述第一串聯電感并聯的并聯電容。6.一種如權利要求5所述的無線電能傳輸電路的設計方法，其特征在于，用于在軌維修電源系統的非接觸式供電，包含以下步驟：S1、根據在軌維修電源系統對原邊發射線圈直徑、副邊接收線圈直徑、無線傳輸功率及傳輸距離的要求，計算松耦合變壓器參數，即確定松耦合變壓器的原邊發射線圈匝數、副邊接收線線圈匝數、原邊發射線圈電感值、副邊接收線線圈電感值、及原副邊互感值；S2、根據負載的等效電阻值及原副邊互感值，計算得到導抗變換器的諧振...

【專利技術屬性】
技術研發人員：藍建宇，何小斌，楊楠，劉世超，劉濤，黃軍，
申請(專利權)人：上海空間電源研究所，
類型：發明
國別省市：上海;31