[發明專利]一種基于電磁耦合的飛行器無線充電系統及方法

有效

• 申請號: 202010752725.1
• 申請日: 2020-07-30
• 公開（公告）號: CN112072800B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 郭心怡;潘明健;榮利霞;張伯煒;袁延榮;崔同鍇;劉箭言;王亨;張晶瑩;趙良
• 申請（專利權）人: 北京臨近空間飛行器系統工程研究所
• 主分類號: H02J50/10
• 分類號: H02J50/10;H02J50/80
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 程何

1.一種基于電磁耦合的飛行器無線充電系統，其特征在于：包括彈上設備和地面設備，兩設備之間為設有玻璃窗口的金屬艙壁；

所述地面設備包括發射線圈(4)、地面饋線(5)和無線電能發射裝置(6)；所述發射線圈(4)和無線電能發射裝置(6)輸出端通過地面饋線(5)連接，無線電能發射裝置(6)的輸入端與電源連接；所述無線電能發射裝置(6)接收電源輸入，將輸入工頻交流市電變換為高頻交流電，并通過發射線圈(4)將電能輸送至彈上設備；所述無線電能發射裝置(6)接收彈上設備的反饋信息，并執行對應操作；

所述彈上設備包括無線電能接收裝置(1)、彈上饋線(2)和接收線圈(3)；所述無線電能接收裝置(1)輸入端與接收線圈(3)通過彈上饋線(2)連接，無線電能接收裝置(1)輸出端與彈上電池連接；所述接收線圈(3)接收發射線圈(4)輸送的電能，并通過無線電能接收裝置將高頻交流電變換為電池需要的直流電壓，并將反饋信息依次通過接收線圈(3)和發射線圈(4)發送至無線電能發射裝置(6)；所述反饋信息包括電池參數及相關充電參數；

所述無線電能發射裝置(6)包括EMC濾波器(7)、整流濾波模塊(8)、DC-DC模塊(9)、高頻逆變器(10)、LCC補償網絡(11)、第一控制/信息傳輸電路(12)和顯示控制器(13)；

所述電源輸入依次經過EMC濾波器(7)、整流濾波模塊(8)、DC-DC模塊(9)、高頻逆變器(10)和LCC補償網絡(11)處理后傳輸至發射線圈(4)；

所述第一控制/信息傳輸電路(12)與DC-DC模塊(9)、高頻逆變器(10)、顯示控制器(13)和發射線圈(4)連接，用于通過發射線圈(4)接收反饋信息，根據反饋信息控制DC-DC模塊(9)和高頻逆變器(10)，并向顯示控制器(13)實時發送彈上電池的充電狀態信息；

所述無線電能接收裝置(1)包括依次串聯連接的S補償網絡(14)、整流濾波(15)、BUCK電路(16)、保護板(17)和開關(18)，以及充電管理模塊(19)和第二控制/信息傳輸電路(20)；

所述補償網絡(14)為S串聯補償，用于控制接收線圈(3)的感應電壓恒定；

所述整流濾波(15)用于將接收的高頻交流電轉換為直流電；

所述BUCK電路(16)受充電管理模塊(19)控制，用于功率調節，完成電池充電方式切換；

所述保護板(17)用于采樣彈上電池的參數信息，并將參數信息發送至充電管理模塊(19)；

所述開關(18)用于在無線電能發射裝置(6)不工作時保持常開，從物理上隔絕彈上電池與無線電能接收裝置(1)的充電電路的連接；

所述充電管理模塊(19)與保護板(17)進行通信并通過第二控制和信息傳輸電路(20)和接收線圈(3)向發射端返回電池數據信息；

所述反饋信息包括充電完成信息和故障信息；當第二控制/信息傳輸電路(20)生成充電完成信息或故障信息的同時，切斷BUCK電路(16)的輸出開關，斷開開關(18)，接著將充電完成信息或故障信息反饋至第一控制/信息傳輸電路(12)，第一控制/信息傳輸電路(12)收到充電完成信息或故障信息后關閉DC-DC模塊(9)的電能輸出，同時將充電完成信息或故障信息報送至顯示控制器(13)進行顯示；

所述彈上電池與彈上設備之間設有保護電路，用于在彈上電池與充電電路之間產生物理隔斷效果，避免飛行器在飛行過程中受到影響；所述保護電路包括兩個二極管、繼電器、一個三極管和兩個電阻；第一二極管正端連接外部電源正極，第一二極管負端連接繼電器公共端B；繼電器常開觸點C端輸出電壓；繼電器電源輸入正端連接外部24V電源和第二二極管負端、繼電器電源輸入負端連接第二二極管正端與三極管集電極，三極管發射極與電阻R3并聯連接且接地，三極管基極連接電阻R3另一端和電阻R2一端，所述電阻R2另一端連接繼電器控制器。

2.根據權利要求1所述的系統實現的一種基于電磁耦合的飛行器無線充電方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1，彈上設備端口初始化后，關閉BUCK電路(16)，關閉開關(18)；

S2，延時等待高頻逆變器(10)軟起；

S3，向保護板(17)發送第一組數據；若保護板(17)返回數據正確，則進入下一步，否則，關閉BUCK電路(16)，關閉開關(18)；

S4，彈上設備向第一控制/信息傳輸電路(12)發送第一組數據的返回數據，并向保護板(17)發送第二組數據；若保護板(17)返回數據正確，則進入下一步，否則，關閉BUCK電路(16)，關閉開關(18)；

S5，彈上設備向第一控制/信息傳輸電路(12)發送第二組數據的返回數據；

S6，由第二組數據的返回數據實時計算彈上電池的壓差、電流和總電壓；并據此判斷彈上電池充電狀態；若狀態為充電完成、過流、欠壓或過壓，則關閉BUCK電路(16)，關閉模擬芯片，關閉開關(18)；若彈上電池狀態為恒流或恒壓狀態，則打開BUCK電路(16)，模擬開關恒流輸出，打開開關(18)，并返回S3；

當彈上電池指標或艙體口蓋需要調整時，不變動地面設備，通過調整補償網絡(14)和接收線圈(3)的參數實現；

所述調整補償網絡(14)和接收線圈(3)的參數的方法具體為：

根據彈上變化要求確定發射線圈的激勵電流和補償電容值；

計算出繞線時電磁耦合機構的互感值，得到接收線圈的自感值限制以及線圈的繞匝數；

所述發射線圈(4)和接收線圈(3)為8字形繞線方式以減少熱損耗；

當彈上電池充電完成或充電參數異常時，將斷電請求信號發送至地面設備，地面設備隨即發出控制指令斷開彈上設備的開關(18)。