基于参量集的无线电能传输系统的制作方法

1.本发明涉及电源技术领域，尤其涉及一种基于参量集的无线电能传输系统。


背景技术：

2.由于电磁感应无线电能传输技术可实现电源与负载之间能量的非接触传输，具有高效率、高可靠、灵活应用的优点，因此在旋转关节、密闭空间等无法通过导线直接连接的场合，都有着广泛的应用前景。但是近年来随着无线电能传输的深入研究和在不同领域对无线电能传输需求的增加，目前，无线电能传输常规控制系统尚不能满足复杂的输入/输出条件的变化，如当卫星电能传输技术应用于卫星，替代现有的sada机构，无线电能传输系统输入为太阳电池阵，其特性随光照和温度条件变化，输出接卫星的不同载荷，其功率随卫星工况而变化，卫星电能传输存在复杂的输入/输出条件的变化。因此，研究无线电能传输的先进控制技术，对于无线电能传输技术的发展和应用，特别是将新技术应用于航天领域，解决传统方法无法解决的技术难题具有重要的意义。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
4.本发明提供了一种基于参量集的无线电能传输系统，该基于参量集的无线电能传输系统包括：boost电路模块、逆变电路模块、谐振电路模块、整流电路模块和多参量集控制器；boost电路模块由外部太阳电池阵供电，boost电路模块用于提升太阳电池阵的输出电压；逆变电路模块与boost电路模块连接，逆变电路模块用于将直流电逆变为交流电；谐振电路模块分别与逆变电路模块和整流电路模块连接，谐振电路模块用于将交流电传输至整流电路模块；整流电路模块用于将交流电整流成供给负载的直流电；多参量集控制器分别与外部太阳电池阵、boost电路模块、谐振电路模块和整流电路模块连接，以根据各模块的参数对各模块进行控制。
5.进一步地，boost电路模块包括电感l1、二极管d1和mosfet开关sa，电感l1和mosfet开关sa分别与太阳电池阵连接，二极管d1分别与电感l1和mosfet开关sa连接。
6.进一步地，逆变电路模块为全桥逆变电路模块，全桥逆变电路模块包括四个mosfet开关s1、s2、s3和s4，多参量集控制器分别与四个mosfet开关s1、s2、s3和s4连接，以分别控制每个mosfet开关的开启和关闭。
7.进一步地，谐振电路模块可配置为包括原边谐振电容c1、副边谐振电容c2和松耦合变压器t1。
8.进一步地，整流电路模块包括全桥整流电路模块，全桥整流电路模块包括二极管d2、d3、d4和d5。
9.进一步地，整流电路模块还包括电容cf，电容cf与全桥整流电路模块并联，电容cf用于起到滤波和储能作用。
10.进一步地，多参量集控制器的输入为多参数，包括：太阳电池阵输出电流和输出电
压、boost电路模块输出电流和输出电压、松耦合变压器t1的电流以及无线传能系统输出电压。
11.进一步地，多参量集控制器采用dsp控制，包括前级boost电路和后级无线传能电路。
12.进一步地，前级boost电路采集太阳电池阵的输出电压u
sa
和输出电流i
sa
，经过mppt运算得到太阳电池阵输出电压的参考值u
ref_sa
；太阳电池阵输出电压的参考值u
ref_sa
用作boostmppt环的给定参考电压，输入至boostmppt环运算放大器的同相输入端，太阳电池阵的输出电压u
sa
输入至boostmppt环运算放大器的反向输入端；boost恒压环的给定参考电压u
ref_boost1
输入至boost恒压环运算放大器的反相输入端，boost电路模块输出电压u
boost
输入至boost恒压环运算放大器的同向输入端；通过mppt环和恒压环的竞争，实现boostmppt环和boost恒压环两种模式的切换，竞争逻辑为较大的一方作为输出；竞争后的输出与boost恒压环的给定参考电流i
ref_boost
输入至boost电流内环的反相输入端，boost电路输出电流i
boost
输入至boost电流内环的同向输入端，boost电流内环输出boost电路的占空比d和mosfet开关sa的控制策略。
13.进一步地，后级无线传能电路中，wpt输入恒压环的给定参考电压u
ref_boost2
输入至wpt输入电压恒压环运算放大器的同相输入端，采样电压u
sam_boost
输入至wpt输入电压恒压环运算放大器的反向输入端；wpt输出电压恒压环的给定参考电压u
ref_res
输入至wpt输出电压恒压环运算放大器的反相输入端，无线传能系统输出电压u
res
输入至wpt输出电压恒压环运算放大器的同向输入端；通过wpt输入电压恒压环和wpt输出电压恒压环的竞争，实现wpt输入电压恒压环和wpt输出电压恒压环两种模式的切换，竞争逻辑为较大的一方作为输出；竞争后的输出与wpt输出电压恒压环的给定参考电流i
ref_res
输入至wpt电流内环的同相输入端，松耦合变压器t1的电流i
res
输入至wpt电流内环的反相输入端，wpt电流内环输出逆变电路的移相角θ和mosfet开关s1、s2、s3及s4的控制策略。
14.应用本发明的技术方案，提供了一种基于参量集的无线电能传输系统，该基于参量集的无线电能传输系统通过多参量集控制器分别与外部太阳电池阵、boost电路模块、谐振电路模块和整流电路模块连接连接，进而根据各模块的参数对各模块进行有效控制，通过基于参量集的控制方法实现了无线传能系统在太阳电池阵在不同的光照和温度条件下，高效率和高稳定的能量传输，同时满足卫星载荷在不同工况下的输出电压稳定性的要求。与现有技术相比，本发明能够解决无线电能传输技术中sada机构的传统接触式滑环传能因存在接触磨损导致可靠性降低的技术问题。
附图说明
15.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
16.图1示出了根据本发明的具体实施例提供的基于参量集的无线电能传输系统示意图；
17.图2示出了根据本发明的具体实施例提供的多参量集控制器中前级boost电路的
控制逻辑图；
18.图3示出了根据本发明的具体实施例提供的多参量集控制器中后级无线传能电路的控制逻辑图。
具体实施方式
19.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
21.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
22.如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于参量集的无线电能传输系统，该基于参量集的无线电能传输系统包括：boost电路模块、逆变电路模块、谐振电路模块、整流电路模块和多参量集控制器。boost电路模块由外部太阳电池阵供电，boost电路模块用于提升太阳电池阵的输出电压；逆变电路模块与boost电路模块连接，逆变电路模块用于将直流电逆变为交流电；谐振电路模块分别与逆变电路模块和整流电路模块连接，谐振电路模块用于将交流电传输至整流电路模块；整流电路模块用于将交流电整流成供给负载的直流电。多参量集控制器分别与外部太阳电池阵、boost电路模块、谐振电路模块和整流电路模块连接，以根据各模块的参数对各模块进行控制。
23.应用此种配置方式，提供了一种基于参量集的无线电能传输系统，该基于参量集的无线电能传输系统通过多参量集控制器分别与外部太阳电池阵、boost电路模块、谐振电路模块和整流电路模块连接连接，进而根据各模块的参数对各模块进行有效控制，通过基于参量集的控制方法实现了无线传能系统在太阳电池阵在不同的光照和温度条件下，高效率和高稳定的能量传输，同时满足卫星载荷在不同工况下的输出电压稳定性的要求。与现有技术相比，本发明能够解决无线电能传输技术中sada机构的传统接触式滑环传能因存在接触磨损导致可靠性降低的技术问题。
24.进一步地，在本发明中，boost电路模块包括电感l1、二极管d1和mosfet开关sa，电
感l1和mosfet开关sa分别与太阳电池阵连接，二极管d1分别与电感l1和mosfet开关sa连接。boost电路模块可实现太阳电池阵升压功能，实现对太阳电池阵的最大功率跟踪，通过对boost电路模块中mosfet开关sa的占空比的调节，实现boost电路模块输出电压的控制，以满足负载在不同工况下的需求，实现太阳电池阵在最大功率输出和恒压输出的切换。
25.进一步地，在本发明中，为了实现电流逆变，逆变电路模块可配置为全桥逆变电路模块，全桥逆变电路模块包括四个mosfet开关s1、s2、s3和s4，多参量集控制器分别与四个mosfet开关s1、s2、s3和s4连接，以分别控制每个mosfet开关的开启和关闭。全桥逆变电路模块将boost电路模块输出的直流逆变为高频交流电压，开关频率一般大于100khz。
26.进一步地，在本发明中，为了实现电能的无线传递，谐振电路模块可配置为包括原边谐振电容c1、副边谐振电容c2和松耦合变压器t1。谐振电路模块实现了将电磁能量从原边无接触地传输到副边，原边谐振电容c1和副边谐振电容c2的作用是补偿因为松耦合变压器t1漏感过大而带来的无功损耗，从而实现原边到副边的高效率传输。
27.进一步地，在本发明中，为了将高频交流电整流成负载可用的直流电，整流电路模块可配置为包括全桥整流电路模块，全桥整流电路模块包括二极管d2、d3、d4和d5。全桥整流电路模块实现了将谐振网络输出的高频交流能量转换为直流输出，以给负载r供电。
28.此外，整流电路模块还包括电容cf，电容cf与全桥整流电路模块并联，电容cf用于起到滤波和储能作用。
29.进一步地，在本发明中，为了实现多参量集控制器对各模块的高效控制，多参量集控制器可配置为采用dsp(digitalsignalprocess)控制。多参量集控制器的输入为多参数，包括：太阳电池阵输出电流和输出电压、boost电路模块输出电流和输出电压、松耦合变压器t1的电流以及无线传能系统输出电压。多参量集控制器根据其输入参数的值，实时调整各开关策略、boost电路的占空比和逆变电路的移相角，以实现对系统输出电压的控制和太阳电池阵输出电压的控制，进而实现对负载的稳定供电，和对太阳电池阵的最大功率跟踪，通过多参量集控制器可实现太阳阵在恒压和最大功率两种模式的切换，满足不同负载功率的需求。
30.本发明的关键之处是多参量集控制器，其作用是通过控制器实现对无线传能系统的稳定控制，满足负载在不同工况下的电压稳定性要求，同时根据负载功率需求，对太阳阵的输出进行mppt(最大功率点跟踪)和恒压输出两种模式的平滑切换。
31.作为本发明的一个具体实施例，多参量集控制器包括前级boost电路和后级无线传能电路，前级boost电路用于实现boostmppt环和boost恒压环之间的模式切换：后级无线传能电路用于实现wpt输入恒压环和wpt输出恒压环之间的模式切换。
32.其中，如图2所示，前级boost电路采集太阳电池阵的输出电压u
sa
和输出电流i
sa
，经过mppt(最大功率点跟踪)运算得到太阳电池阵输出电压的参考值u
ref_sa
；太阳电池阵输出电压的参考值u
ref_sa
用作boostmppt环的给定参考电压，输入至boostmppt环运算放大器的同相输入端，太阳电池阵的输出电压u
sa
输入至boostmppt环运算放大器的反向输入端；boost恒压环的给定参考电压u
ref_boost1
输入至boost恒压环运算放大器的反相输入端，boost电路模块输出电压u
boost
输入至boost恒压环运算放大器的同向输入端；通过mppt环和恒压环的竞争，实现boostmppt环和boost恒压环两种模式的切换，竞争逻辑为较大的一方作为输出；竞争后的输出与boost恒压环的给定参考电流i
ref_boost
输入至boost电流内环的
反相输入端，boost电路输出电流i
boost
输入至boost电流内环的同向输入端，boost电流内环输出boost电路的占空比d和mosfet开关sa的控制策略。
33.如图3所示，后级无线传能(wpt)电路中，wpt输入恒压环的给定参考电压u
ref_boost2
输入至wpt输入电压恒压环运算放大器的同相输入端，boost电路模块输出电压u
boost
输入至wpt输入电压恒压环运算放大器的反向输入端；wpt输出电压恒压环的给定参考电压u
ref_res
输入至wpt输出电压恒压环运算放大器的反相输入端，无线传能系统输出电压u
res
输入至wpt输出电压恒压环运算放大器的同向输入端；通过wpt输入电压恒压环和wpt输出电压恒压环的竞争，实现wpt输入电压恒压环和wpt输出电压恒压环两种模式的切换，竞争逻辑为较大的一方作为输出；竞争后的输出与wpt输出电压恒压环的给定参考电流i
ref_res
输入至wpt电流内环的同相输入端，松耦合变压器t1的电流i
res
输入至wpt电流内环的反相输入端，wpt电流内环输出逆变电路的移相角θ和mosfet开关s1、s2、s3及s4的控制策略。
34.本发明的基于参量集的无线电能传输系统在实现电能的无线传输的同时，可实现对太阳阵进行最大功率跟踪，通过多参量集控制器实现在不同的功率输出情况下负载电压的稳定，同时在太阳阵输出在最大功率和恒压输出模式切换时实现平滑过渡。
35.综上所述，本发明提供了一种基于参量集的无线电能传输系统，该基于参量集的无线电能传输系统通过多参量集控制器分别与外部太阳电池阵、boost电路模块、谐振电路模块和整流电路模块连接连接，进而根据各模块的参数对各模块进行有效控制，通过基于参量集的控制方法实现了无线传能系统在太阳电池阵在不同的光照和温度条件下，高效率和高稳定的能量传输，同时满足卫星载荷在不同工况下的输出电压稳定性的要求。与现有技术相比，本发明能够解决无线电能传输技术中sada机构的传统接触式滑环传能因存在接触磨损导致可靠性降低的技术问题。
36.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。