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CN111431297B - 具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统 - Google Patents

具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统 Download PDF

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CN111431297B
CN111431297B CN202010335553.8A CN202010335553A CN111431297B CN 111431297 B CN111431297 B CN 111431297B CN 202010335553 A CN202010335553 A CN 202010335553A CN 111431297 B CN111431297 B CN 111431297B
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power supply
power
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load
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高胜含
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刘晓胜
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Harbin Institute of Technology Shenzhen
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Abstract

具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，属于无线电能传输技术领域。本发明了解决现有多级火箭箭上各级间供电系统复杂、笨重、可靠性低的问题，本发明地面供电单元用于向一级供电单元供电；一级供电单元用于利用地面供电单元提供的电能进行自身充电，同时向二级供电单元和一级负载供电；二级供电单元用于利用一级供电单元提供的电能进行自身充电，同时向三级供电单元和二级负载供电；三级供电单元用于利用二级供电单元提供的电能进行自身充电，同时向三级负载供电。本发明适用于多级火箭供电使用。

Description

具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统。
背景技术
多级火箭的供电系统非常复杂，箭地间和箭上各级间通过专门设计的机械接口进行电能传输，为保证飞行过程中供电系统的可靠性，箭上各级间的机械接口通常较重，降低了火箭的有效载荷，增加了火箭的发射成本。在发射过程中，火箭先离开地面，继而各推进器逐级脱落，在离开地面以及各推进器脱落过程中，一旦发生机械接口无法脱落的情况，将对火箭飞行造成灾难性的影响。
无线电能传输技术具有灵活方便、电气隔离、无机械接触、环境适应性好等优点，将其应用于多级火箭箭地间和箭上各级间的供电，可以很好地解决上述问题。但是，传统的无线电能传输系统只包含原边和副边电路，无法满足多级系统的供电需求。
实际应用中，箭地间和箭上各级间都存在较大的相对位移，导致输出电压波动很大，在负载和电池前加入Buck或Boost变换器无法实现全范围稳压的要求。现有的多级火箭箭上各级间供电系统存在结构复杂、笨重、可靠性低的问题。
发明内容
本发明为了解决现有的多级火箭箭上各级间供电系统存在结构复杂、笨重、可靠性低的问题，提出了一种具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统。
本发明所述的具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，包括地面供电单元1、一级供电单元2、二级供电单元3和三级供电单元4；所述地面供电单元1与一级供电单元2之间通过耦合机构MC1耦合连接，一级供电单元2与二级供电单元3之间通过耦合机构MC2耦合连接，二级供电单元3与三级供电单元4之间通过耦合机构MC3耦合连接；
地面供电单元1用于向一级供电单元2供电；
一级供电单元2用于利用地面供电单元1提供的电能进行自身充电，同时向二级供电单元3和一级负载供电；
二级供电单元3用于利用一级供电单元2提供的电能进行自身充电，同时向三级供电单元4和二级负载供电；
三级供电单元4用于利用二级供电单元3提供的电能进行自身充电，同时向三级负载供电。
进一步地，地面供电单元1包括交流电源101、地面电能变换器102和第一补偿拓扑结构103；交流电源101用于为整个系统提供交流电信号；地面电能变换器102用于将交流电信号整流成直流信号，再将直流信号转换为高频交流信号；所述地面电能变换器102的高频交流信号输出端连接第一补偿拓扑结构103的交流信号输入端，所述第一补偿拓扑结构103用于利用高频交流信号驱动耦合机构MC1的发射端向接收端感应供电；
一级供电单元2包括第二补偿拓扑结构201、第三补偿拓扑结构202、继电开关K1、第一功率变换单元203、继电开关K3、继电开关K4和一级蓄电池204；
所述第二补偿拓扑结构201一侧的两个电源端与耦合机构MC1接收线圈的两端连接；所述第二补偿拓扑结构201另一侧的两个电源端端通过继电开关K1连接第一功率变换单元203的正向电源输入端，所述第一功率变换单元203的正向电源输入端还连接第三补偿拓扑结构202一侧正向电源端；
第一功率变换单元203的负向电源输入端同时与第二补偿拓扑结构201另一侧的负向电源端和第三补偿拓扑结构202一侧的负向电源端连接；
第一功率变换单元203的正向电源输出端通过继电开关K3与一级蓄电池204的正极连接；
第一功率变换单元203的正向电源输出端还通过继电开关K4与一级负载的正向供电端连接；
第一功率变换单元203的负向电源输出端同时与一级蓄电池204的负极和一级负载的负向供电端连接；
第三补偿拓扑结构202另一侧的两个电源端连接耦合机构MC2的发射线圈的两端；
二级供电单元3包括第四补偿拓扑结构301、第五补偿拓扑结构302、继电开关K2、第二功率变换单元303、继电开关K5、继电开关K6和二级蓄电池304；
第四补偿拓扑结构301一侧的两个电源端连接耦合机构MC2的接收线圈的两端；
第四补偿拓扑结构301的另一侧的两个电源端通过继电开关K2连接第二功率变换单元303的正向电源输入端，所述第二功率变换单元303的正向电源输入端还连接第五补偿拓扑结构302一侧正向电源端；
第二功率变换单元303的负向电源输入端同时与第四补偿拓扑结构301另一侧的负向电源端和第五补偿拓扑结构302一侧的负向电源端连接；
第二功率变换单元303的正向电源输出端通过继电开关K5与二级蓄电池304的正极连接；
第二功率变换单元303的正向电源输出端还通过继电开关K6与二级负载的正向供电端连接；
第二功率变换单元303的负向电源输出端同时与二级蓄电池304的负极和二级负载的负向供电端连接；
第五补偿拓扑结构302另一侧的两个电源端连接耦合机构MC3的发射线圈的两端；
三级供电单元4包括第六补偿拓扑结构401、第三功率变换单元402、继电开关K7、继电开关K8和三级蓄电池403；
第六补偿拓扑结构401一侧的两个电源端连接耦合机构MC3的接收线圈的两端；
第六补偿拓扑结构401的另一侧的两个电源端连接第三功率变换单元402交流信号输入端；
第三功率变换单元402的正向电源输出端通过继电开关K7与三级蓄电池403的正极连接；
第三功率变换单元402的正向电源输出端还通过继电开关K8与三级负载的正向供电端连接；
第三功率变换单元402的负向电源输出端同时与三级蓄电池403的负极和三级负载的负向供电端连接。
进一步地，第一补偿拓扑结构103、第三补偿拓扑结构202和第五补偿拓扑结构302的结构相同，对第一补偿拓扑结构103的具体结构进行说明；
第一补偿拓扑结构103包括电感Lf1、电容Cf1和电容Cp1；
电感Lf1的一端连接地面电能变换器102一个交流输出端，电感Lf1的另一端连接电容Cf1的一端，电容Cf1的另一端连接地面电能变换器102另一个交流输出端；
电感Lf1的另一端还连接电容Cp1的一端，电容Cp1的另一端连接耦合机构MC1发射线圈Lp1的同名端，耦合机构MC1发射线圈Lp1的异名端连接电容Cf1的另一端。
进一步地，第二补偿拓扑结构201、第四补偿拓扑结构301和第六补偿拓扑结构401的结构相同，对第二补偿拓扑结构201的具体结构进行说明；
第二补偿拓扑结构201包括电容Cs1；所述电容Cs1一端连接耦合机构MC1接收线圈Ls1的同名端，所述电容Cs1的另一端连接继电开关K1的一端。
进一步地，地面电能变换器102包括PFC电路、Buck-Boost变换器和全桥逆变器；所述PFC电路的交流信号输入端连接交流电源，将电网220V交流电压变换为320V直流电压；
PFC电路的直流输出端连接Buck-Boost变换器的直流输入端，所述Buck-Boost变换器根据耦合机构MC1的发射线圈Lp1和接收线圈Ls1的间距调整自身开关管的占空比，使第一级交流母线电压ubus1稳定；
Buck-Boost变换器的直流输出端连接全桥逆变器的直流输入端；
所述全桥逆变器用于将Buck-Boost变换器输出的直流电变换为高频交流电输出至第一补偿拓扑结构103。
进一步地，第一功率变换单元203、第二功率变换单元303和第三功率变换单元402的结构相同，对第一功率变换单元203进行说明；
第一功率变换单元203包括第一桥式同步整流电路和第一双向DC/DC变换器，所述第一桥式同步整流电路的一个交流信号输入端连接耦合机构MC1发射线圈Lp1的异名端；第一桥式同步整流电路的另一个交流信号输入端连接继电开关K1的另一端；
第一桥式同步整流电路的正向直流信号输出端连接第一双向DC/DC变换器的正向直流信号输入端，第一桥式同步整流电路的负向直流信号输出端连接第一双向DC/DC变换器的负向直流信号输入端；
第一双向DC/DC变换器的正向直流信号输出端为第一功率变换单元203的正向直流信号输出端；
第一双向DC/DC变换器的负向直流信号输出端为第一功率变换单元203的负向直流信号输出端。
进一步地，耦合机构MC1、耦合机构MC2和耦合机构MC3均采用平面螺线管型耦合机构。
进一步地，第一补偿拓扑结构103的电感Lf1、电容Cf1和电容Cp1与第二补偿拓扑结构201的电容Cs1的参数计算方法为：
计算获得，电感Lf1的感值Lf1，电容Cf1的容值Cf1，电容Cp1的容值Cp1，电容Cs1的容值Cs1；其中，uAB1为全桥逆变器输出电压基波有效值，ubus1为第一级交流母线电压，即第一桥式同步整流电路输入电压，k1为耦合机构MC1的耦合系数，ω0为系统工作角频率，即全桥逆变器的开关角频率，Lp1为耦合机构MC1发射线圈自感，Ls1为耦合机构MC1接收线圈自感；
第一级交流母线电压ubus1计算公式如下：
进一步地，一级供电单元2为一级负载或者一级蓄电池供电的电压Ud1为：
其中，D为Buck-Boost变换器中开关管的占空比，U1为PFC电路的直流输出电压。
进一步地，第三补偿拓扑结构202的电感Lf2、电容Cf2和电容Cp2与第四补偿拓扑结构301的电容Cs2的参数计算方法为：
计算获得的电感Lf2的感值Lf2，电容Cf2的容值Cf2，电容Cp2的容值Cp2，电容Cs2的容值Cs2；其中，ubus2为第二级交流母线电压，即第二桥式同步整流电路输入电压，k2为耦合机构MC2的耦合系数，Lp2为耦合机构MC2发射线圈自感，Ls2为耦合机构MC2接收线圈自感；
第二级交流母线电压ubus2计算公式如下：
进一步地，二级供电单元3为二级负载或者二级蓄电池供电的电压Ud2为：
进一步地，第五补偿拓扑结构302的电感Lf3、电容Cf3和电容Cp3与第六补偿拓扑结构401的电容Cs3的参数计算方法为：
计算获得的电感Lf3的感值Lf3，电容Cf3的容值Cf3，电容Cp3的容值Cp3，电容Cs3的容值Cs3；其中，ubus3为第三级交流母线电压，即第三桥式同步整流电路输入电压，k3为耦合机构MC3的耦合系数，Lp3为耦合机构MC3发射线圈自感，Ls3为耦合机构MC3接收线圈自感；
第三级交流母线电压ubus3计算公式：
进一步地，三级供电单元4为三级负载或者三级蓄电池供电的电压为：
本发明采用所提多中继多负载双向无线电能传输系统，解决多级火箭箭上各级间供电系统复杂、笨重、可靠性低等问题，简化箭上供电系统的设计，降低供电系统的重量，增大火箭有效载荷，彻底消除传统供电方式正常供电时机械结构锁不紧、逐级脱落时机械结构无法脱扣的潜在隐患。具有强抗偏移性能，对系统对正精度要求低，能够适应各个发射场、各型号火箭箭地级供电要求，在进行地面测试时，工程师不需到现场手动插拔线缆，只需在控制室控制充电启停即可，操作简单便捷，用户体验好。为保证传统供电系统的可靠性，各级推进器所载电池容量均留有裕量，从系统角度来看，火箭所载电池容量有些冗余。采用本发明所述系统，能量可以双向流动，各级间可以能量互济，有效降低系统所载电池容量。
附图说明
图1是本发明所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统地面状态原理框图；
图2是具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统电路原理图；
图3是具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统发射过程中原理框图；
图4是Buck-Boost变换器电路图；
图5是桥式同步整流与双向DC/DC变换器电路图；
图6是平面螺线管型耦合机构；
图7是k1＝kmax1、k2＝kmax2、k3＝kmax3时各直流电压仿真波形图；
图8是k1＝kmin1、k2＝kmax2、k3＝kmax3时各直流电压仿真波形图；
图9是k1＝kmin1、k2＝kmin2、k3＝kmin3时各直流电压仿真波形图。
具体实施方式
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。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的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，包括地面供电单元1、一级供电单元2、二级供电单元3和三级供电单元4；所述地面供电单元1与一级供电单元2之间通过耦合机构MC1耦合连接，一级供电单元2与二级供电单元3之间通过耦合机构MC2耦合连接，二级供电单元3与三级供电单元4之间通过耦合机构MC3耦合连接；
地面供电单元1用于向一级供电单元2供电；
一级供电单元2用于利用地面供电单元1提供的电能进行自身充电，同时向二级供电单元3和一级负载供电；
二级供电单元3用于利用一级供电单元2提供的电能进行自身充电，同时向三级供电单元4和二级负载供电；
三级供电单元4用于利用二级供电单元3提供的电能进行自身充电，同时向三级负载供电。
进一步地，地面供电单元1包括交流电源101、地面电能变换器102和第一补偿拓扑结构103；交流电源101用于为整个系统提供交流电信号；地面电能变换器102用于将交流电信号整流成直流信号，再将直流信号转换为高频交流信号；所述地面电能变换器102的高频交流信号输出端连接第一补偿拓扑结构103的交流信号输入端，所述第一补偿拓扑结构103用于利用高频交流信号驱动耦合机构MC1的发射端向接收端感应供电；
一级供电单元2包括第二补偿拓扑结构201、第三补偿拓扑结构202、继电开关K1、第一功率变换单元203、继电开关K3、继电开关K4和一级蓄电池204；
所述第二补偿拓扑结构201一侧的两个电源端与耦合机构MC1接收线圈的两端连接；所述第二补偿拓扑结构201另一侧的两个电源端端通过继电开关K1连接第一功率变换单元203的正向电源输入端，所述第一功率变换单元203的正向电源输入端还连接第三补偿拓扑结构202一侧正向电源端；
第一功率变换单元203的负向电源输入端同时与第二补偿拓扑结构201另一侧的负向电源端和第三补偿拓扑结构202一侧的负向电源端连接；
第一功率变换单元203的正向电源输出端通过继电开关K3与一级蓄电池204的正极连接；
第一功率变换单元203的正向电源输出端还通过继电开关K4与一级负载的正向供电端连接；
第一功率变换单元203的负向电源输出端同时与一级蓄电池204的负极和一级负载的负向供电端连接；
第三补偿拓扑结构202另一侧的两个电源端连接耦合机构MC2的发射线圈的两端；
二级供电单元3包括第四补偿拓扑结构301、第五补偿拓扑结构302、继电开关K2、第二功率变换单元303、继电开关K5、继电开关K6和二级蓄电池304；
第四补偿拓扑结构301一侧的两个电源端连接耦合机构MC2的接收线圈的两端；
第四补偿拓扑结构301的另一侧的两个电源端通过继电开关K2连接第二功率变换单元303的正向电源输入端，所述第二功率变换单元303的正向电源输入端还连接第五补偿拓扑结构302一侧正向电源端；
第二功率变换单元303的负向电源输入端同时与第四补偿拓扑结构301另一侧的负向电源端和第五补偿拓扑结构302一侧的负向电源端连接；
第二功率变换单元303的正向电源输出端通过继电开关K5与二级蓄电池304的正极连接；
第二功率变换单元303的正向电源输出端还通过继电开关K6与二级负载的正向供电端连接；
第二功率变换单元303的负向电源输出端同时与二级蓄电池304的负极和二级负载的负向供电端连接；
第五补偿拓扑结构302另一侧的两个电源端连接耦合机构MC3的发射线圈的两端；
三级供电单元4包括第六补偿拓扑结构401、第三功率变换单元402、继电开关K7、继电开关K8和三级蓄电池403；
第六补偿拓扑结构401一侧的两个电源端连接耦合机构MC3的接收线圈的两端；
第六补偿拓扑结构401的另一侧的两个电源端连接第三功率变换单元402交流信号输入端；
第三功率变换单元402的正向电源输出端通过继电开关K7与三级蓄电池403的正极连接；
第三功率变换单元402的正向电源输出端还通过继电开关K8与三级负载的正向供电端连接；
第三功率变换单元402的负向电源输出端同时与三级蓄电池403的负极和三级负载的负向供电端连接。
本发明所述系统有两种工作模式，工作模式一为地面测试过程，其原理如图1所示，图中双斜线“//”表示长导线，MC1、MC2、MC3分别是箭地间、箭上一二级间、二三级间的耦合机构。此时箭地间无线连接，市电是唯一的电能来源，继电开关K1、K2闭合，继电开关K3～K8根据需要进行开闭。各耦合机构的发射端与接收端之间存在气隙，两者无机械连接，但通过各耦合线圈间的电磁耦合，电能从左向右单向流动，经功率变换后为各级电池和负载进行恒压供电。
工作模式二为飞行过程，其原理如图3所示，此时火箭已离开地面，失去与电网和耦合机构MC1发射线圈的联系，各级蓄电池是电能来源，此时继电开关K1断开，K2闭合，继电开关K3～K8根据需要进行开闭。蓄电池在给本级负载供电的同时，能实现三级蓄电池之间的能量互济，即通过耦合机构的电磁耦合，电能可以在各级之间双向流动，如果某级蓄电池的电压下降，其他级蓄电池进行能量补给。当火箭第一级脱落后，耦合机构MC1接收线圈、一级供电单元2和耦合机构MC2发射线圈相应脱落，继电开关K2断开，二、三级蓄电池的电能双向流动，实现能量互济。当火箭第二级脱落后，耦合机构MC2接收线圈、二级供电单元3和耦合机构MC3发射线圈相应脱落，第三功率变换单元402不工作，继电开关K7、K8闭合，三级蓄电池403为三级负载供电。
进一步地，结合图2说明本实施方式，第一补偿拓扑结构103、第三补偿拓扑结构202和第五补偿拓扑结构302的结构相同，对第一补偿拓扑结构103的具体结构进行说明；
第一补偿拓扑结构103包括电感Lf1、电容Cf1和电容Cp1；
电感Lf1的一端连接地面电能变换器102一个交流输出端，电感Lf1的另一端连接电容Cf1的一端，电容Cf1的另一端连接地面电能变换器102另一个交流输出端；
电感Lf1的另一端还连接电容Cp1的一端，电容Cp1的另一端连接耦合机构MC1发射线圈Lp1的同名端，耦合机构MC1发射线圈Lp1的异名端连接电容Cf1的另一端。
进一步地，第二补偿拓扑结构201、第四补偿拓扑结构301和第六补偿拓扑结构401的结构相同，对第二补偿拓扑结构201的具体结构进行说明；
第二补偿拓扑结构201包括电容Cs1；所述电容Cs1一端连接耦合机构MC1接收线圈Ls1的同名端，所述电容Cs1的另一端连接继电开关K1的一端。
图2为系统总体结构图，电路主要包括地面部分和箭上部分。地面部分包括功率因数校正(PFC)电路、Buck-Boost变换器、全桥逆变器、第一补偿拓扑结构和耦合机构MC1发射线圈Lp1，由于耦合机构MC1的发射线圈Lp1和接收线圈Ls1间相对位移很大，为保证第一、二、三级交流母线电压ubus1、ubus2、ubus3基本稳定，在地面部分增加Buck-Boost变换器。箭上部分包括第二至第六补偿拓扑结构、第一至第三桥式同步整流电路、第一至第三双向DC/DC变换器、继电开关K1～K8、各耦合机构的接收线圈Ls1～Ls3、各耦合机构的发射线圈Lp2～Lp3、一级至三级蓄电池和一级至三级负载～3。第一、三、五补偿拓扑结构采用LCC拓扑，第二、四、六补偿拓扑结构采用串联补偿。
进一步地，地面电能变换器102包括PFC电路、Buck-Boost变换器和全桥逆变器；所述PFC电路的交流信号输入端连接交流电源，将电网220V交流电压变换为320V直流电压；
PFC电路的直流输出端连接Buck-Boost变换器的直流输入端，所述Buck-Boost变换器根据耦合机构MC1的发射线圈Lp1和接收线圈Ls1的间距调整自身开关管的占空比，使第一级交流母线电压ubus1稳定；
Buck-Boost变换器的直流输出端连接全桥逆变器的直流输入端；
所述全桥逆变器用于将Buck-Boost变换器输出的直流电变换为高频交流电输出至第一补偿拓扑结构103。
进一步地，第一功率变换单元203、第二功率变换单元303和第三功率变换单元402的结构相同，对第一功率变换单元203进行说明；
第一功率变换单元203包括第一桥式同步整流电路和第一双向DC/DC变换器，所述第一桥式同步整流电路的一个交流信号输入端连接耦合机构MC1发射线圈Lp1的异名端；第一桥式同步整流电路的另一个交流信号输入端连接继电开关K1的另一端；
第一桥式同步整流电路的正向直流信号输出端连接第一双向DC/DC变换器的正向直流信号输入端，第一桥式同步整流电路的负向直流信号输出端连接第一双向DC/DC变换器的负向直流信号输入端；
第一双向DC/DC变换器的正向直流信号输出端为第一功率变换单元203的正向直流信号输出端；
第一双向DC/DC变换器的负向直流信号输出端为第一功率变换单元203的负向直流信号输出端。
图4为Buck-Boost变换器电路图，图5为第一桥式同步整流与第一双向DC/DC变换器电路图。在工作模式一下，PFC电路将电网220V交流电变换为320V直流电。Buck-Boost变换器根据耦合机构MC1的发射线圈Lp1和接收线圈Ls1的间距调整开关管的占空比，保证第一级交流母线电压ubus1稳定。全桥逆变器将Buck-Boost变换器输出的直流电变换为高频交流电，经过第一补偿拓扑结构驱动耦合机构MC1的发射线圈Lp1。耦合机构MC1的发射线圈自感为Lp1，耦合机构MC1接收线圈自感为Ls1。
进一步地，耦合机构MC1、耦合机构MC2和耦合机构MC3均采用平面螺线管型耦合机构。
进一步地，第一补偿拓扑结构103的电感Lf1、电容Cf1和电容Cp1与第二补偿拓扑结构201的电容Cs1的参数计算方法为：
计算获得，电感Lf1的感值Lf1，电容Cf1的容值Cf1，电容Cp1的容值Cp1，电容Cs1的容值Cs1；其中，uAB1为全桥逆变器输出电压基波有效值，ubus1为第一级交流母线电压，即第一桥式同步整流电路输入电压，k1为耦合机构MC1的耦合系数，ω0为系统工作角频率，即全桥逆变器的开关角频率，Lp1为耦合机构MC1发射线圈自感，Ls1为耦合机构MC1接收线圈自感；
第一级交流母线电压ubus1计算公式如下：
进一步地，一级供电单元2为一级负载或者一级蓄电池供电的电压Ud1为：
其中，D为Buck-Boost变换器中开关管的占空比，U1为PFC电路的直流输出电压。
由式2可知，当耦合机构MC1的发射线圈Lp1与接收线圈Ls1相对位置固定，若全桥逆变器输出电压基波有效值uAB1恒定，则第一级交流母线电压ubus1恒定，不随负载的变化而变化。一级负载和一级蓄电池由继电开关K3、K4根据实际工况进行切换，一级负载和一级蓄电池通过第一双向DC/DC变换器及第一桥式同步整流电路连接到第一级交流母线上，第一桥式同步整流电路将第一级交流母线电压ubus1整流成直流电压Ud1，第一双向DC/DC变换器将第一桥式同步整流电路输出电压Ud1变换为28V直流电。第一级交流母线电压ubus1在小范围变化时，通过调整第一双向DC/DC变换器的占空比来保持一级负载电压U1-out稳定。当耦合机构MC1的发射线圈Lp1与接收线圈Ls1相对位置发生变化，通过调整地面部分Buck-Boost变换器的输出电压，保证第一级交流母线电压ubus1稳定为200V。
进一步地，第三补偿拓扑结构202的电感Lf2、电容Cf2和电容Cp2与第四补偿拓扑结构301的电容Cs2的参数计算方法为：
计算获得的电感Lf2的感值Lf2，电容Cf2的容值Cf2，电容Cp2的容值Cp2，电容Cs2的容值Cs2；其中，ubus2为第二级交流母线电压，即第二桥式同步整流电路输入电压，k2为耦合机构MC2的耦合系数，Lp2为耦合机构MC2发射线圈自感，Ls2为耦合机构MC2接收线圈自感；
第二级交流母线电压ubus2计算公式如下：
进一步地，二级供电单元3为二级负载或者二级蓄电池供电的电压Ud2为：
由式6可知，当耦合机构MC2的发射线圈Lp2与接收线圈Ls2相对位置固定，若第一级交流母线电压ubus1恒定，则第二级交流母线电压ubus2恒定，不随负载的变化而变化。二级负载和二级蓄电池由继电开关K5、K6根据实际工况进行切换，二级负载和二级蓄电池通过第二双向DC/DC变换器及第二桥式同步整流电路连接到第二级交流母线上，第二桥式同步整流电路将第二级交流母线电压ubus2整流成直流电压Ud2，第二双向DC/DC变换器将第二桥式同步整流电路输出电压Ud2变换为28V直流电。第二级交流母线电压ubus2在小范围变化时，通过调整第二双向DC/DC变换器的占空比来保持二级负载电压U2-out稳定。
进一步地，第五补偿拓扑结构302的电感Lf3、电容Cf3和电容Cp3与第六补偿拓扑结构401的电容Cs3的参数计算方法为：
计算获得的电感Lf3的感值Lf3，电容Cf3的容值Cf3，电容Cp3的容值Cp3，电容Cs3的容值Cs3；其中，ubus3为第三级交流母线电压，即第三桥式同步整流电路输入电压，k3为耦合机构MC3的耦合系数，Lp3为耦合机构MC3发射线圈自感，Ls3为耦合机构MC3接收线圈自感；
第三级交流母线电压ubus3计算公式：
进一步地，三级供电单元4为三级负载或者三级蓄电池供电的电压为：
由式9可知，当耦合机构MC3的发射线圈Lp3与接收线圈Ls3相对位置固定，若第二级交流母线电压ubus2恒定，则第三级交流母线电压ubus3恒定，不随负载的变化而变化。三级负载和三级蓄电池由继电开关K7、K8根据实际工况进行切换，三级负载和三级蓄电池通过第三双向DC/DC变换器及第三桥式同步整流电路连接到第三级交流母线上，第三桥式同步整流电路将第三级交流母线电压ubus3整流成直流电压Ud3，第三双向DC/DC变换器将第三桥式同步整流电路输出电压Ud3变换为28V直流电。第三级交流母线电压ubus3在小范围变化时，通过调整第三双向DC/DC变换器的占空比来保持三级负载电压U3-out稳定。
在工作模式二下，当火箭离开地面后，首先通过继电开关K1将耦合机构MC1的接收线圈Ls1和电容Cs1切出。系统工作过程中，若某级蓄电池的电量不满足对应级负载的需求(例如一级蓄电池)，电量最多的蓄电池(例如二级蓄电池)通过第二双向DC/DC变换器、第二桥式同步整流电路变换产生稳定的第二级交流母线电压ubus2，在电磁感应作用下建立稳定的第一级交流母线电压ubus1，再通过第一桥式同步整流电路、第一双向DC/DC变换器为一级负载和一级蓄电池供电，其他情况类似。各级蓄电池的电压由电压传感器采集并通过双向无线通信模块传输给系统控制器，系统控制器进行功率流控制。箭上各级脱落后的情况类似，下一级继电开关首先断开，系统控制器协调控制剩余各级蓄电池和各级负载间的功率流动，实现能量互济。
为保证各耦合机构的发射、接收线圈间发生较大偏移时系统仍能输出额定电压，系统采用平面螺线管型耦合机构，如图6所示，绕线平行于X轴方向。
具体实施例
表1为系统主要电气参数。表2为不同偏移时耦合机构MC1仿真参数及仿真结果，表中所有尺寸单位均为mm，Dgap1表示耦合机构MC1的发射线圈Lp1和接收线圈Ls1的间距，变化范围是100～300mm。表3为不同偏移时耦合机构MC2仿真参数及仿真结果，表中所有尺寸单位均为mm，Dgap2表示耦合机构MC2的发射线圈Lp2和接收线圈Ls2的间距，变化范围是90～110mm。耦合机构MC3和耦合机构MC2完全相同。所提系统中屏蔽壳和磁芯材料分别为铝和锰锌铁氧体。各耦合机构的发射线圈与接收线圈间无横向偏移且气隙最小时，耦合系数最大；发射线圈与接收线圈间横向偏移最大且气隙最大时，耦合系数最小。
表1系统主要电气参数
表2不同偏移时耦合机构MC1仿真参数及仿真结果
表3不同偏移时耦合机构MC2仿真参数及仿真结果
由表2的仿真结果可知，耦合机构MC1的最低耦合系数kmin1为0.131，最高耦合系数kmax1为0.498，无偏移时耦合系数krated1为0.262，总体而言，耦合机构MC1的耦合系数较高。最大最小耦合系数比RCC1为3.8，当耦合系数变化时，通过调节Buck-Boost变换器的占空比使全桥逆变器输入电压U2在137～520V范围内变化，保证第一级交流母线电压ubus1保持不变，降低第一、第二和第三双向DC/DC变换器调节难度。
图7为k1＝kmax1、k2＝kmax2、k3＝kmax3(kmax3等于kmax2)时各直流电压仿真波形，此时U2＝137V，Ud1＝200V，Ud2＝250V，Ud3＝323V。图8为k1＝kmin1、k2＝kmax2、k3＝kmax3时各直流电压仿真波形，通过调节Buck-Boost变换器的占空比，改变全桥逆变器输入电压U2，以保持第一级交流母线电压ubus1恒定，图8中U2＝520V，Ud1＝200V，Ud2＝250V，Ud3＝323V。由图7和图8的仿真结果可知，通过改变Buck-Boost变换器的占空比，能够保持第一级交流母线电压ubus1恒定不变。
由表3的仿真结果可知，耦合机构MC2的最低耦合系数kmin2为0.113，最高耦合系数kmax2为0.18，无偏移时耦合系数krated2为0.152，最大最小耦合系数比RCC2为1.59。当耦合机构MC2的耦合系数k2从0.18变为0.113，第二桥式同步整流电路输出电压Ud2从250V变为158V，通过调节第二双向DC/DC变换器的占空比来保证二级负载电压U2-out在28±3V范围内。
当耦合机构MC3的发射线圈Lp3和接收线圈Ls3的间距在90～110mm范围变化，耦合机构MC3的耦合系数k3在0.18～0.113之间变化，由于耦合机构MC2的耦合系数k2也在0.18～0.113之间变化，可知第三级交流母线电压ubus3在323～128V之间变化，通过调节第三双向DC/DC变换器的占空比来保证三级负载电压U3-out在28±3V范围内。
图9为k1＝kmin1、k2＝kmin2、k3＝kmin3(kmin2等于kmin3)时各直流电压仿真波形，此时全桥逆变器输入电压U2为520V，从图9可以看出，当各耦合系数均取最小值时，Ud1＝200V，Ud2＝158V，Ud3＝128V。
地面部分及箭上各级均设置控制器及电压、电流传感器，在工作模式一下，一级供电单元2将采集到的第一级交流母线电压ubus1传输给地面部分，地面部分控制Buck-Boost变换器的占空比实现第一级交流母线电压ubus1的恒定。各级桥式同步整流电路及双向DC/DC变换器均由本级控制器控制，实现28±3V恒压输出。各级电流传感器采集各自母线电流，实现过流保护功能。在工作模式二下，三级供电单元4的控制器充当系统控制器，各级电压传感器采集各自蓄电池电压，通过双向无线通信模块传输给系统控制器，由其协调进行系统功率流的控制。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (12)

1.具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，包括地面供电单元(1)、一级供电单元(2)、二级供电单元(3)和三级供电单元(4)；所述地面供电单元(1)与一级供电单元(2)之间通过耦合机构MC1耦合连接，一级供电单元(2)与二级供电单元(3)之间通过耦合机构MC2耦合连接，二级供电单元(3)与三级供电单元(4)之间通过耦合机构MC3耦合连接；
地面供电单元(1)用于向一级供电单元(2)供电；
一级供电单元(2)用于利用地面供电单元(1)提供的电能进行自身充电，同时向二级供电单元(3)和一级负载供电；
二级供电单元(3)用于利用一级供电单元(2)提供的电能进行自身充电，同时向三级供电单元(4)和二级负载供电；
三级供电单元(4)用于利用二级供电单元(3)提供的电能进行自身充电，同时向三级负载供电；
地面供电单元(1)包括交流电源(101)、地面电能变换器(102)和第一补偿拓扑结构(103)；交流电源(101)用于为整个系统提供交流电信号；地面电能变换器(102)用于将交流电信号整流成直流信号，再将直流信号转换为高频交流信号；所述地面电能变换器(102)的高频交流信号输出端连接第一补偿拓扑结构(103)的交流信号输入端，所述第一补偿拓扑结构(103)用于利用高频交流信号驱动耦合机构MC1的发射端向接收端感应供电；
一级供电单元(2)包括第二补偿拓扑结构(201)、第三补偿拓扑结构(202)、继电开关K1、第一功率变换单元(203)、继电开关K3、继电开关K4和一级蓄电池(204)；
所述第二补偿拓扑结构(201)一侧的两个电源端与耦合机构MC1接收线圈的两端连接；所述第二补偿拓扑结构(201)另一侧的两个电源端端通过继电开关K1连接第一功率变换单元(203)的正向电源输入端，所述第一功率变换单元(203)的正向电源输入端还连接第三补偿拓扑结构(202)一侧正向电源端；
第一功率变换单元(203)的负向电源输入端同时与第二补偿拓扑结构(201)另一侧的负向电源端和第三补偿拓扑结构(202)一侧的负向电源端连接；
第一功率变换单元(203)的正向电源输出端通过继电开关K3与一级蓄电池(204)的正极连接；
第一功率变换单元(203)的正向电源输出端还通过继电开关K4与一级负载的正向供电端连接；
第一功率变换单元(203)的负向电源输出端同时与一级蓄电池(204)的负极和一级负载的负向供电端连接；
第三补偿拓扑结构(202)另一侧的两个电源端连接耦合机构MC2的发射线圈的两端；
二级供电单元(3)包括第四补偿拓扑结构(301)、第五补偿拓扑结构(302)、继电开关K2、第二功率变换单元(303)、继电开关K5、继电开关K6和二级蓄电池(304)；
第四补偿拓扑结构(301)一侧的两个电源端连接耦合机构MC2的接收线圈的两端；
第四补偿拓扑结构(301)的另一侧的两个电源端通过继电开关K2连接第二功率变换单元(303)的正向电源输入端，所述第二功率变换单元(303)的正向电源输入端还连接第五补偿拓扑结构(302)一侧正向电源端；
第二功率变换单元(303)的负向电源输入端同时与第四补偿拓扑结构(301)另一侧的负向电源端和第五补偿拓扑结构(302)一侧的负向电源端连接；
第二功率变换单元(303)的正向电源输出端通过继电开关K5与二级蓄电池(304)的正极连接；
第二功率变换单元(303)的正向电源输出端还通过继电开关K6与二级负载的正向供电端连接；
第二功率变换单元(303)的负向电源输出端同时与二级蓄电池(304)的负极和二级负载的负向供电端连接；
第五补偿拓扑结构(302)另一侧的两个电源端连接耦合机构MC3的发射线圈的两端；
三级供电单元(4)包括第六补偿拓扑结构(401)、第三功率变换单元(402)、继电开关K7、继电开关K8和三级蓄电池(403)；
第六补偿拓扑结构(401)一侧的两个电源端连接耦合机构MC3的接收线圈的两端；
第六补偿拓扑结构(401)的另一侧的两个电源端连接第三功率变换单元(402)交流信号输入端；
第三功率变换单元(402)的正向电源输出端通过继电开关K7与三级蓄电池(403)的正极连接；
第三功率变换单元(402)的正向电源输出端还通过继电开关K8与三级负载的正向供电端连接；
第三功率变换单元(402)的负向电源输出端同时与三级蓄电池(403)的负极和三级负载的负向供电端连接。
2.根据权利要求1所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，第一补偿拓扑结构(103)、第三补偿拓扑结构(202)和第五补偿拓扑结构(302)的结构相同，对第一补偿拓扑结构(103)的具体结构进行说明；
第一补偿拓扑结构(103)包括电感Lf1、电容Cf1和电容Cp1；
电感Lf1的一端连接地面电能变换器(102)一个交流输出端，电感Lf1的另一端连接电容Cf1的一端，电容Cf1的另一端连接地面电能变换器(102)另一个交流输出端；
电感Lf1的另一端还连接电容Cp1的一端，电容Cp1的另一端连接耦合机构MC1发射线圈Lp1的同名端，耦合机构MC1发射线圈Lp1的异名端连接电容Cf1的另一端。
3.根据权利要求2所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，第二补偿拓扑结构(201)、第四补偿拓扑结构(301)和第六补偿拓扑结构(401)的结构相同，对第二补偿拓扑结构(201)的具体结构进行说明；
第二补偿拓扑结构(201)包括电容Cs1；所述电容Cs1一端连接耦合机构MC1接收线圈Ls1的同名端，所述电容Cs1的另一端连接继电开关K1的一端。
4.根据权利要求1所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，地面电能变换器(102)包括PFC电路、Buck-Boost变换器和全桥逆变器；所述PFC电路的交流信号输入端连接交流电源，将电网220V交流电压变换为320V直流电压；
PFC电路的直流输出端连接Buck-Boost变换器的直流输入端，所述Buck-Boost变换器根据耦合机构MC1的发射线圈Lp1和接收线圈Ls1的间距调整自身开关管的占空比，使第一级交流母线电压ubus1稳定；
Buck-Boost变换器的直流输出端连接全桥逆变器的直流输入端；
所述全桥逆变器用于将Buck-Boost变换器输出的直流电变换为高频交流电输出至第一补偿拓扑结构(103)。
5.根据权利要求1所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，第一功率变换单元(203)、第二功率变换单元(303)和第三功率变换单元(402)的结构相同，对第一功率变换单元(203)进行说明；
第一功率变换单元(203)包括第一桥式同步整流电路和第一双向DC/DC变换器，所述第一桥式同步整流电路的一个交流信号输入端连接耦合机构MC1发射线圈Lp1的异名端；第一桥式同步整流电路的另一个交流信号输入端连接继电开关K1的另一端；
第一桥式同步整流电路的正向直流信号输出端连接第一双向DC/DC变换器的正向直流信号输入端，第一桥式同步整流电路的负向直流信号输出端连接第一双向DC/DC变换器的负向直流信号输入端；
第一双向DC/DC变换器的正向直流信号输出端为第一功率变换单元(203)的正向直流信号输出端；
第一双向DC/DC变换器的负向直流信号输出端为第一功率变换单元(203)的负向直流信号输出端。
6.根据权利要求1所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，耦合机构MC1、耦合机构MC2和耦合机构MC3均采用平面螺线管型耦合机构。
7.根据权利要求3所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，第一补偿拓扑结构(103)的电感Lf1、电容Cf1和电容Cp1与第二补偿拓扑结构(201)的电容Cs1的参数计算方法为：
计算获得，电感Lf1的感值Lf1，电容Cf1的容值Cf1，电容Cp1的容值Cp1，电容Cs1的容值Cs1；其中，uAB1为全桥逆变器输出电压基波有效值，ubus1为第一级交流母线电压，即第一桥式同步整流电路输入电压，k1为耦合机构MC1的耦合系数，ω0为系统工作角频率，即全桥逆变器的开关角频率，Lp1为耦合机构MC1发射线圈自感，Ls1为耦合机构MC1接收线圈自感；
第一级交流母线电压ubus1计算公式如下：
8.根据权利要求7所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，一级供电单元(2)为自身充电，同时向二级供电单元(3)和一级负载供电的电压Ud1为：
其中，D为Buck-Boost变换器中开关管的占空比，U1为PFC电路的直流输出电压。
9.根据权利要求3所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，第三补偿拓扑结构(202)的电感Lf2、电容Cf2和电容Cp2与第四补偿拓扑结构(301)的电容Cs2的参数计算方法为：
计算获得的电感Lf2的感值Lf2，电容Cf2的容值Cf2，电容Cp2的容值Cp2，电容Cs2的容值Cs2；其中，ubus2为第二级交流母线电压，即第二桥式同步整流电路输入电压，k2为耦合机构MC2的耦合系数，Lp2为耦合机构MC2发射线圈自感，Ls2为耦合机构MC2接收线圈自感；
第二级交流母线电压ubus2计算公式如下：
10.根据权利要求9所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，二级供电单元(3)为自身充电，同时向三级供电单元(4)和二级负载供电的电压Ud2为：
11.根据权利要求10所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，第五补偿拓扑结构(302)的电感Lf3、电容Cf3和电容Cp3与第六补偿拓扑结构(401)的电容Cs3的参数计算方法为：
计算获得的电感Lf3的感值Lf3，电容Cf3的容值Cf3，电容Cp3的容值Cp3，电容Cs3的容值Cs3；其中，ubus3为第三级交流母线电压，即第三桥式同步整流电路输入电压，k3为耦合机构MC3的耦合系数，Lp3为耦合机构MC3发射线圈自感，Ls3为耦合机构MC3接收线圈自感；第三级交流母线电压ubus3计算公式：
12.根据权利要求11所述具有强抗偏移性能的多中继多负载双向无线电能传输系统，其特征在于，三级供电单元(4)进行自身充电，同时向三级负载供电的电压为：
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