一种高效能空间电源传能系统

技术领域

本发明涉及无线传能技术领域，尤其涉及一种用于空间初级能源平台近场传能的高效能空间电源传能系统。

背景技术

近年来，随着航天器载荷功率和数量的增加，航天器的能源持续补给成为急迫的需求。微波以及激光传能方法具有传输距离远、传输功率大、多目标移动供电的特点，为航天器的能量补给提供了可行手段。

为了实现载荷的连续平稳可靠供电，传统的传能系统架构是采用分立的功率变换单元来实现不同端口间的能量传递，这样的传能系统结构存在结构复杂、比功率低、功耗大、成本较高等缺点，而随着功率单元和控制电路数量的增加，传能系统潜在的可靠性隐患也会随之增加。

空间微波无线传能系统能够在自由空间传输一定功率的微波能量，在接收端通过变换器对微波能量进行高效接收和高精度控制，使得输出的母线电压稳定在一定范围，并直接或者间接提供给航天器载荷使用。

由于卫星在太空中飞行过程中受环境温度及光照强度的影响，太阳电池阵最大功率点工作电压和工作电流会发生较大的变化，故为了提升对能源的利用效率，实现对太阳电池帆板输出功率的最大输出成为至关重要的手段。

最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking MPPT)方式是在太阳电池阵与蓄电池组或负载之间引入一个开关调节器，用来调节太阳电池阵的输出功率。当航天器需要最大功率时，可以随时跟踪太阳电池阵的最大功率点，把太阳电池阵能够输出的全部功率都发挥出来。

因此，提供一种能够用于近场电能传输平台，并能充分利用太阳电池阵电能的空间电源无线传能系统，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供一种高效能空间电源传能系统，通过S

为了达到上述目的，本发明提供一种高效能空间电源传能系统，包含：

太阳翼，其包含N个太阳能电池阵，分别为太阳能电池阵Sa

S

所述MPPT运算器基于直流MPP母线电压U

所述分流调节器，包含连接设置在太阳能电池阵Sa

无线传能部分，用于将直流MPP母线的电能通过无线传能方法传输给直流恒压母线；

DC/DC变换器和蓄电池组，DC/DC变换器的输入端连接直流恒压母线，DC/DC变换器的输出端通过直流不调节母线连接蓄电池组第一端、载荷的第一端；蓄电池组第二端、载荷的第二端接地；通过DC/DC变换器转换直流恒压母线的电压为蓄电池、载荷工作的直流电压；通过蓄电池组存储直流恒压母线提供的电能，或向载荷供电。

优选的，所述功率开关管S

N个二极管Ds

功率开关管S

滤波电容C

优选的，所述高效能空间电源传能系统，还包含二极管D；二极管D的阳极连接滤波电容C

优选的，所述无线传能部分包含：

谐振网络，包含主边和副边，所述主边、副边各包含第一端和第二端；

逆变器，其包含第一桥臂、第二桥臂、电容C

第一桥臂包含N型场效应管Q

整流器，其包含四个功率二极管D

优选的，所述谐振网络的拓扑结构为S-S、LCC-S、LCC-LCC、LCL-LCL型拓扑结构中的任一种。

优选的，所述DC/DC变换器包含：电容C

C

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明能够适用于卫星在太空环境工作的工况。在不同轨道的光照期及阴影期的场景下，通过采用S

2)本发明还通过蓄电池调整向载荷输送的电能，对于直流恒压母线输出的电流起到“平峰填谷”的作用，有效保证载荷稳定用电。

3)本发明能够通过控制逆变器的第一桥臂与第二桥臂间的相位差实现控制逆变器输出电压的等效幅值，因而可以控制谐振网络副边输出的电压稳定在一定范围内，进一步保证了载荷用电的稳定性。

4)本发明的高效能空间电源传能系统根据S

5)本发明可广泛适用于有近场电能传输需求的能源平台，同时拓展性较好，不受直流恒压母线的功率等级及电压限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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：

图1为本发明的高效能空间电源传能系统架构示意图；

图2为本发明传能系统中的太阳能电池阵以及采用的S

图3为本发明实施例中采用的无线传能部分示意图；

图4为本发明中采用的DC/DC变换器原理电路图；

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做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。

本发明提供一种高效能空间电源传能系统，包含：太阳翼、S

如图1所示，所述太阳翼包含N个太阳能电池阵，分别为太阳能电池阵Sa

如图1、图2所示，所述S

所述MPPT控制器包含MPPT运算器和MEA控制器：所述MPPT运算器基于直流MPP母线电压U

如图1、图2所示，所述分流调节器，连接设置在太阳能电池阵的输出端与直流MPP母线之间，包含与太阳能电池阵Sa

如图2所示，二极管Ds

在本发明的实施例中功率开关管S

滤波电容C

所述二极管D的阳极连接太阳电池阵的输出端、开关管S

如图1所示，无线传能部分包含：逆变器、谐振网络、整流器。所述无线传能部分用于将直流MPP母线的电能输送至逆变器，经过DC/AC逆变后通过谐振网络将能量由无线方式传输方式到谐振网络副边的整流器，经AC/DC整流后输出至直流恒压母线。

所述谐振网络包含主边和副边，所述主边、副边各包含第一端和第二端。本发明谐振网络的拓扑结构为S-S、LCC-S、LCC-LCC、LCL-LCL型拓扑中的任一种。图3中示出了本发明的实施例中所采用的S-S型的谐振网络。如图3所示，在本发明的实施例中，所述谐振网络的主边包含电感L

如图3所示，所述逆变器包含第一桥臂、第二桥臂、输入滤波电容C

如图3所示，第一桥臂包含N型场效应管Q

如图3所示，所述整流器包含四个功率二极管D

所述DC/DC变换器用于转换所述直流恒压母线的电压为载荷工作的直流电压。如图1所示，DC/DC变换器的输入端连接直流恒压母线，DC/DC变换器的输出端通过直流不调节母线连接载荷、蓄电池组。本发明的实施例中，DC/DC变换器选用升降压调节器，针对不同电压等级的直流恒压母线，均能够通过此DC/DC变换器进行功率调节。应用电压范围宽，结构简单，拓展性较强。

如图4所示，所述DC/DC变换器包含：电容C

C

如图1所示，蓄电池组连接DC/DC变换器的输出端(即连接直流不调节母线)；当直流不调节母线能量多于后端载荷需求的能量时(即能量充足时)，向后端载荷输送电能以满足其需求，多余的能量给蓄电池组充电；当直流不调节母线能量不足时，直流不调节母线和蓄电池组共同向载荷输送电能以满足其能量需求。

本发明的空间电源传能系统适用于卫星电源平台。通过本发明的S

本发明的高效能空间电源传能系统根据S

下面给出不同场景下，本发明传能系统的具体工作状态。

场景1：传能系统处于光照期且载荷需求的能量(包含损耗)小于单个太阳能电池阵的最大功率输出能量。

此时太阳翼输出的能量过剩最大。S

场景2：传能系统处于光照期且载荷需求的能量大于太阳翼单个太阳能电池阵的最大功率输出能量。

此时，太阳翼输出的能量依旧过剩。S

场景3：传能系统处于光照期且载荷需求的能量等于太阳翼所有太阳能电池阵的最大功率输出能量之和。

此时，S

场景4：传能系统处于光照期且载荷需求的能量大于太阳翼所有太阳能电池阵的最大功率输出能量之和。

此时，太阳翼的所有太阳能电池阵处于最大功率输出状态。直流MPP母线为太阳翼的最大功率点电压。针对该模式下，传能系统有三种工作状态：

状态一：载荷需求的能量大于太阳翼所有太阳能电池阵的最大功率输出能量。经无线传能部分传输电能后，此时处于联合供电模式，由蓄电池和太阳翼释放的能量联合给载荷供电。

状态二：载荷需求的能量等于太阳翼所有太阳能电池阵的最大功率输出能量。经无线传能部分传输电能后，此时处于单独供电模式，仅由太阳翼释放的能量给载荷供电，蓄电池不放电。

状态三：载荷需求的能量小于太阳翼所有太阳能电池阵的最大功率输出能量。经无线传能能量传输后，此时处于单独供电模式，由太阳翼释放的能量给载荷供电且蓄电池处于充电状态。

场景5：传能系统处于阴影期。

太阳翼无能量输出。此时，蓄电池处于放电状态，由蓄电池给给载荷供电。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。