技术领域
[0001] 本
发明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。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
发明内容
[0005] 本发明解决的技术问题是：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。
[0006] 本发明的技术解决方案：
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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；
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 发射端LCC复合补偿拓扑电路包括电容C1、电容Cf1和电感Lf1；
[0013] 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。
[0014] 接收端LCC复合补偿拓扑电路包括电容C2、电容Cf2和电感Lf2；
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 接收线圈的固有频率与发射线圈的固有频率相同。
[0019] 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。
[0020] 本发明相对于
现有技术，具有如下有益效果：
[0021] (1)本发明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。
[0022] (2)本发明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。
[0023] (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，本发明提出了双边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
[0025] 图2运载火箭箭地无线供电方案框图；
[0026] 图3高频逆变电路拓扑框图；
[0027] 图4双边LCC复合补偿拓扑框图；
[0028] 图5多相交错并联buck电路原理框图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和具体
实施例对本发明进行详细说明。
[0030] 本发明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。
[0031] 如图1所示，本发明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飞行任务的供配电需求，总体实现方案如图2所示。
[0032] 根据实际应用情况，在运载火箭芯一级上布置接收线圈和能量接收处理器，发射线圈和地面电源变换器放置在地面发射平台上，发射线圈和接收线圈位置相对。在运载火箭芯二级上设置接收线圈和能量接收处理器，发射线圈和地面电源变换器放置在与芯二级相对应的摆杆上，同时发射线圈和接收线圈位置相对。在运载火箭芯三级上设置接收线圈和能量接收处理器，发射线圈和地面电源变换器放置在与芯三级相对应的摆杆上，同时发射线圈和接收线圈位置相对。
[0033] 地面电源变换器采用以下设计：
[0034] (1)为了实现电能的高功率传输，地面电源变换器在传统的直接将交流输入
变压器环节之前，加入了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。
[0035] (2)220V交流市电经过整流电路变换为直流电，其电压值可用于电路的监控和反馈调节；直流电压输入到高频逆变电路中，经过高频逆变电路的转化变换为高频的交流电能输入到发射端LCC复合补偿拓扑电路内，高频交流电能的频率与发射线圈的固有频率是相同的，这样电能会在发射线圈和发射端LCC复合补偿拓扑电路之间发生谐振，产生同样频率的正弦
电流，从而将电能从发射线圈经由高频交变磁场向接受线圈输出。
[0036] (3)高频逆变电路提供了谐振需要的高频交流电，是无线供电系统的重要组成部分。为了增加系统的耐流能力、安全性，本发明提出了一种改进型的全桥逆变拓扑，如图3所示，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。
[0037] 采用双MOSFET并联的全桥拓扑结构，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。
[0038] 发射线圈和接收线圈设计：
[0039] (1)由于传输的距离远，发射线圈和接收线圈之间的空气间隙很大导致整个
电磁感应能量传导部分的漏磁较为严重，降低了系统的电压增益、功率因数和传输能量的能力。
[0040] (2)运载火箭测试和工作过程中负载特性不断变动，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。
[0041] 为了解决上述两个问题，本发明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，发射端LCC复合补偿拓扑电路和接收端LCC复合补偿拓扑电路构成双边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，最小化电源的VA额定值以及分别调整发射回路和接收回路的电流值。
[0042] 同时，双边LCC复合补偿拓扑电路的应用，保证了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。
[0043] 如图4所示，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。
[0044] 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。
[0045] 图4中UAB是高频逆变电路的
输出电压，Uab是能量接收处理器的输入电压，i1、i2、iLf1、iLf2是L1、L2、Lf1、Lf2上的电流； 是相应变量上的电压、电流向量形式，M是发射线圈和接收线圈之间的互感，D11～D14是能量接收处理器的
整流二极管，ω0是系统谐振
角频率，k是耦合系数，L1、L2分别是发射线圈和接收线圈的自感，将接收线圈与发射线圈的
匝数比定义为： U'ab、L'f2表示接收线圈等效到发射线圈的影响变量， 表示电流是由 贡献的， 表示电流是由 贡献的。
[0046] 计算由 和 生成的电流：
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] 输入电压与输入电流同相，谐振变换器系统功率因数为1。输出电流与输出电压同相，输出
整流器上功率因数也为1。此外，公式也反映了
相位关系不依赖于耦合系数和最终输出电压。因此，无论耦合和负载情况如何变化都可以实现高效的谐振条件。传输功率为：
[0052]
[0053] 可以看出，输出功率与耦合系数k、输入电压UAB和输出电压Uab成正比。
[0054] 因此，利用上述补偿拓扑电路，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。
[0055] 电能发射线圈和接收线圈的设计关系到整个系统的工作效率与输出功率，因此，无线供电系统高频状态下电能发射与接收线圈的设计时，需考虑趋肤效应、电气参数、磁场形状等因素。
[0056] 高频输电的工程中，必须考虑到趋肤效应。趋肤深度的表达式如下：
[0057]
[0058] 其中，μ为
铜线的磁导率，μ＝1.2567×10-6s/m；σ为铜线的电导率，σ＝59.6×106H/m。不同频率下，趋肤深度的大小如下表：
[0059] 表1趋肤深度
[0060]频率(kHz) 趋肤深度(mm)
40 0.32
50 0.29
70 0.25
85 0.22
[0061] 根据上表，在设计传输频率为80～85kHz下，发射线圈和接收线圈选用直径为Φ＝0.2mm的
利兹线，能够很好的避免趋肤效应的发生。线圈采用盘式线圈设计。
[0062] 能量接收处理器设计：
[0063] 能量接收处理器的作用是将接收线圈感应到的高频交流电变换成直流电源输出。本发明能量接收处理器采用基于SiC的二极管完成全桥整流，其输出效率较高。将交流电转换成直流电，供给后级降压稳压电路。降压稳压电路采用多相交错并联的buck电路，并采用同步整流技术，进一步降低了体积、重量和热耗，得到可供蓄电池充电或箭上负载使用的
28V直流电。多相交错并联的buck电路如图5所示。
[0064] 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。电能接收线圈固有频率与交变磁场频率相同，能够最大程度的接收到发射线圈所发出的高频交变磁场，高频交变磁场在电能接收线圈转化为同样频率的交流电。
[0065] 本发明提出的基于电磁谐振技术的无线供电系统，实现了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，避免了传统发射场测试脱插、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，提升了火箭测发过程的自动化、智能化程度。
[0066] 本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
