基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统技术方案

基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统，包括地面电源变换器、发射线圈、接收线圈、能量接收处理器；地面电源变换器、发射线圈分别放置于地面发射平台或摆杆上，接收线圈、能量接收处理器安装于箭上，地面电源变换器将交流电转换为高频交流电能输入到发射线圈内，接收线圈将耦合到的磁场能量转换为高频交流电能输入给能量接收处理器，能量接收处理器进行处理后输出满足箭上负载供电需求的供电电压。本发明专利技术实现运载火箭在地面测发过程中供电的非接触、免分离，可以取代现有脱插、脱拔技术，实现火箭供电的自动对接，避免了脱插、脱拔电缆操作复杂、难度大、消耗较多人员和时间、对辅助设备依赖程度高等不足。

High power wireless power supply system of launch vehicle based on electromagnetic resonance

【技术实现步骤摘要】
基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统
本专利技术涉及基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率(千瓦级)无线供电系统，属于无线供电领域。
技术介绍
长期以来，运载火箭普遍采用脱插、脱拔等机械电连接器作为箭地连接的重要电气接口，在发射场测试及发射准备过程中，根据测试及发射流程，在分系统及总检查测试中需要进行多次脱插和脱拔连接器分离、对接操作，由于分离电连接器及所带电缆的重量、体积均较大，再加上操作空间和位置(例如尾部脱插连接、脱插电缆上摆杆)的限制，脱拔和脱插电缆接器的相关操作往往成为高难度、高风险操作项目，需要严格按照操作流程操作，操作过程复杂，并进行多媒体摄像记录和多岗位检查，需要大量人员保证。此外，我国运载火箭在脱插、脱拔连接过程和脱落测试过程中历史上出现过多次连接不可靠、脱落分离不正常等问题，虽然目前脱插、脱拔分离连接器采用的机械分离结构经过多年的改进性设计产品的可靠性得到了长足的提升，但是从原理上分离机构仍较难进行冗余设计，从本质上提升分离可靠性存在一定难度。脱拔、脱插连接器除自身分离外，还需要摆杆、防回弹机构、分离钢索等机构进行辅助，因此还引入了更多的操作环节，进一步降低了系统可靠性。综上所述，运载火箭目前普遍采用的脱插、脱拔等机械电连接器存在设计及操作使用约束多、操作复杂、难度大、消耗较多人员和时间、对辅助设备依赖程度高、无法自动对接等问题。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有运载火箭脱插、脱拔等机械电连接技术的上述缺陷，提出一种不借助于电导线连接，基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统，实现了运载火箭在地面测发控过程中的大功率无线供电。本专利技术的技术解决方案：基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统，包括：地面电源变换器、发射线圈、接收线圈、能量接收处理器；地面电源变换器、发射线圈分别放置于地面发射平台或摆杆上，接收线圈、能量接收处理器安装于箭上，地面电源变换器将220V交流市电转换为高频交流电能，输入到发射线圈内，发射线圈和接收线圈是磁场能量耦合线圈，接收线圈将耦合到的磁场能量转换为高频交流电能输入给能量接收处理器，能量接收处理器进行整流滤波以及降压稳压处理后输出满足箭上负载供电需求的供电电压，所述供电电压与箭上电池、配电器共同完成运载火箭的地面测试和飞行任务的供配电需求。地面电源变换器包括整流电路和高频逆变电路，整流电路将220V交流市电进行整流，整流后输出给高频逆变电路；高频逆变电路将其转化为谐振需要的高频交流电能，实现能量传输的高频化。高频逆变电路为双MOSFET并联、双续流二极管并联的拓扑结构，双MOSFET并联结构包括八个MOSFET，每四个MOSFET构成一个全桥拓扑结构，八个MOSFET构成两个并联的全桥拓扑结构，并且为每个MOSFET并联一个陶瓷电容；双续流二极管并联结构包括四个双续流二极管D1、D2、D3和D4，两个并联全桥拓扑结构的每个输出端连接有一个双续流二极管。在发射线圈上设置发射端LCC复合补偿拓扑电路，在接收线圈上设置接收端LCC复合补偿拓扑电路，实现谐振补偿，使发射和接收回路进行谐振，提高系统传输的功率因数，保证系统可靠性和鲁棒性，使得线圈的谐振频率与耦合系数和负载条件无关。发射端LCC复合补偿拓扑电路包括电容C1、电容Cf1和电感Lf1；高频逆变电路的一个输出端与电感Lf1的一端连接，另一个输出端与电容Cf1的一端以及发射线圈的一端连接，电感Lf1的另一端同时与电容C1的一端以及电容Cf1的另一端连接，电容C1的另一端与发射线圈的另一端连接。接收端LCC复合补偿拓扑电路包括电容C2、电容Cf2和电感Lf2；接收线圈的一端与电容C2一端连接，接收线圈的另一端同时与电容Cf2一端以及能量接收处理器的一个输入端连接，电容Cf2另一端同时与电容C2另一端以及电感Lf2的一端连接，电感Lf2的另一端与能量接收处理器的另一个输入端连接。能量接收处理器整流滤波后通过多相交错并联的buck电路实现降压稳压处理，得到可供蓄电池充电或箭上负载使用的28V直流电。地面电源变换器得到的高频交流电能频率与发射线圈的固有频率相同。接收线圈的固有频率与发射线圈的固有频率相同。发射线圈产生的交变磁场频率与接收线圈的固有频率相同。本专利技术相对于现有技术，具有如下有益效果：(1)本专利技术提出了一种不借助于电导线连接，利用空间电磁场谐振耦合技术实现的无线供电系统，实现了运载火箭在地面测发控过程中的大功率无线供电。相对于现有技术采用的脱插、脱拔等机械电连接器，不需要人为操作连接，加快测试流程，不需要辅助设备，极大节省了人力和物力，提高了连接的可靠性。(2)本专利技术高频逆变电路采用双MOSFET并联、双续流二极管并联的拓扑结构，较大幅度的提升了高频逆变电路的耐流性能，与单管电路相比，其耐流能力提升接近一倍，同样续流二极管的选择也采用双管并联的方式增大耐流能力；另外四个桥臂上八个MOSFET上分别并联了高压陶瓷电容，在MOSFET切换的过程中，对MOSFET寄生器件所引起的电压脉冲进行了缓冲，增加高频逆变电路工作稳定性的同时，起到了减小了开关管切换过程中的电能损耗的作用，高频逆变电路的工作效率得到了进一步的提升。(3)针对运载火箭测试和工作过程中负载特性不断变动的应用情况，接收端的等效电阻不为恒值；同时发射线圈和接收线圈相对位置的变化会导致互感值在工作情况下不可能保持为一个常数，为保证系统可靠性和鲁棒性，使得线圈的谐振频率与耦合系数和负载条件无关，本专利技术提出了双边LCC复合补偿拓扑电路。利用此补偿拓扑电路，无线供电系统可以在恒定的频率下工作，从而减轻了对频率带宽的占用。在整个耦合和负载条件范围内，发射端和接受端几乎都可以实现单位功率因数，从而实现高效率的电能传输。附图说明图1无线供电系统组成框图；图2运载火箭箭地无线供电方案框图；图3高频逆变电路拓扑框图；图4双边LCC复合补偿拓扑框图；图5多相交错并联buck电路原理框图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术提出一种无线供电系统，可以取代传统脱插、脱拔等机械电连接，实现运载火箭箭地之间无缆化的自动连接，满足运载火箭的智能化地面测发控需求。如图1所示，本专利技术基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统，包括地面电源变换器、发射线圈、接收线圈、能量接收处理器；地面电源变换器、发射线圈分别放置于地面发射平台或摆杆上，接收线圈、能量接收处理器安装于箭上，地面电源变换器将220V交流市电转换为高频交流电能，经发射端LCC复合补偿拓扑电路输入到发射线圈内，发射线圈和接收线圈是磁场能量耦合线圈，接收线圈将耦合到的磁场能量转换为高频交流电能输入给能量接收处理器，能量接收处理器进行整流滤波以及降压稳压处理后输出满足箭上负载供电需求的供电电压，所述供电电压与箭上电池、配电器等设备共同完成运载火箭的地面测试和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统，其特征在于包括：地面电源变换器、发射线圈、接收线圈、能量接收处理器；地面电源变换器、发射线圈分别放置于地面发射平台或摆杆上，接收线圈、能量接收处理器安装于箭上，地面电源变换器将220V交流市电转换为高频交流电能，输入到发射线圈内，发射线圈和接收线圈是磁场能量耦合线圈，接收线圈将耦合到的磁场能量转换为高频交流电能输入给能量接收处理器，能量接收处理器进行整流滤波以及降压稳压处理后输出满足箭上负载供电需求的供电电压，所述供电电压与箭上电池、配电器共同完成运载火箭的地面测试和飞行任务的供配电需求。/n

【技术特征摘要】
1.基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统，其特征在于包括：地面电源变换器、发射线圈、接收线圈、能量接收处理器；地面电源变换器、发射线圈分别放置于地面发射平台或摆杆上，接收线圈、能量接收处理器安装于箭上，地面电源变换器将220V交流市电转换为高频交流电能，输入到发射线圈内，发射线圈和接收线圈是磁场能量耦合线圈，接收线圈将耦合到的磁场能量转换为高频交流电能输入给能量接收处理器，能量接收处理器进行整流滤波以及降压稳压处理后输出满足箭上负载供电需求的供电电压，所述供电电压与箭上电池、配电器共同完成运载火箭的地面测试和飞行任务的供配电需求。


2.根据权利要求1所述的基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统，其特征在于：地面电源变换器包括整流电路和高频逆变电路，整流电路将220V交流市电进行整流，整流后输出给高频逆变电路；高频逆变电路将其转化为谐振需要的高频交流电能，实现能量传输的高频化。


3.根据权利要求2所述的基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统，其特征在于：高频逆变电路为双MOSFET并联、双续流二极管并联的拓扑结构，双MOSFET并联结构包括八个MOSFET，每四个MOSFET构成一个全桥拓扑结构，八个MOSFET构成两个并联的全桥拓扑结构，并且为每个MOSFET并联一个陶瓷电容；
双续流二极管并联结构包括四个双续流二极管D1、D2、D3和D4，两个并联全桥拓扑结构的每个输出端连接有一个双续流二极管。


4.根据权利要求1所述的基于电磁谐振的运载火箭箭地大功率无线供电系统，其特征在于：在发射线圈上设置发射端LCC复合补偿拓扑电路，在接收线圈上设置接收端LCC复合补偿拓扑电路，实现谐振补偿，使发射和接收回路进行谐振，提高系统传输的功率因数，保证系...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国辉，夏国江，周广铭，张金刚，容易，李亚群，耿胜男，路娟，张大铭，俞达，
申请(专利权)人：北京宇航系统工程研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11