一种机器人宇航员的无触点无线充电系统技术方案

本发明专利技术公开了一种机器人宇航员的无触点无线充电系统，包括发射端和接收端。发射端安装在航天器的充电平台上，接收端安装在空间机器人的能量包上；能量包上设置电池管理模块与接收端连接。发射端与接收端通过载波通信进行信息交互，接收端的逆变模块将航天器母线的直流电源转换为交流电，发送线圈与接收线圈通过电磁感应完成电能的无线、无触点传递。接收端配置电池管理模块，实现高精度充放电、均衡控制，保证电池在安全域运行。充电过程中，没有金属直接裸露在太空环境，彻底消除短路、拉弧、机械接口卡死的风险，满足安全性、稳定性和空间环境适应性要求，实现无人化、智能化的即停即充、即充即走，有效提升机器人航天员的工作效能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种机器人宇航员的无触点无线充电系统


[0001]本专利技术涉及机器人无线充电
，具体涉及一种机器人宇航员的无触点无线充电系统。

技术介绍

[0002]空间站任务期间，航天员需要长期在轨驻留，需要完成飞行器的操控、在轨科学实验操作、健康保障、科学演示等一系列工作，这些工作复杂、耗时、工作量大，对航天员身体素质和心理素质有更高的要求，对空间站的工作效能产生很大的影响。
[0003]在航天器上，应用机器人航天员分担航天员在轨期间简单的手动操作工作，减少航天员的工作量，提高航天员的工作效率。应用机器人航天员进行精细科学试验操作，可以克服航天员失重产生的操作困难，而且操作精准，从而更加出色的完成操作任务。机器人航天员可以长期驻守舱外，替代宇航员完成风险较大的操作，提高航天员的工作效率，降低安全风险。
[0004]机器人航天员的位置移动、关节动作、信息收集处理与交互等操作离不开电源作为能量支撑。能量包作为能量存储装置可以让机器人航天员摆脱线缆束缚，实现无人化、智能化的即停即充、即充即走，有效提升机器人航天员的工作效能。因此，目前亟需一种充电技术，能够对能量包有效充电，同时满足能量包充电传输过程中的安全性、稳定性和空间环境适应性。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种机器人宇航员的无触点无线充电系统，能够实现机器人航天员能量包的无线充电，满足能量包充电传输过程中的安全性、稳定性和空间环境适应性，实现无人化、智能化的即停即充、即充即走，有效提升机器人航天员的工作效能。/>[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种机器人宇航员的无触点无线充电系统，包括发射端和接收端；
[0008]发射端中，
[0009]发射端控制模块采集逆变模块的逆变电压有效值，传输给发射端载波通信模块；检测发射线圈的交流电压的相位，结合整流电压有效值和发射线圈的交流电压的相位，发出激励信号传输给逆变模块。
[0010]发射端载波通信模块根据逆变电压有效值调制发射端调制载波，传输给接收端载波通信模块；解调接收端调制载波得到整流电压有效值。
[0011]逆变模块连接航天器的直流电源，根据激励信号将直流电压转换成交流电压，传输给发射线圈。
[0012]发射线圈接收交流电压并传输给接收线圈。
[0013]接收端中，
[0014]接收线圈接收交流电压并传输给整流模块。
[0015]接收端控制模块检测到接收线圈的交流电压的相位，结合逆变电压有效值和接收线圈的交流电压的相位，产生激励信号，驱动整流模块；采集整流模块的整流电压有效值，传输给接收端载波通信模块。
[0016]接收端载波通信模块解调发射端调制载波得到逆变电压有效值，传输给接收端控制模块；根据整流电压有效值调制接收端调制载波，传输给发射端载波通信模块。
[0017]整流模块根据激励信号将交流电压转化为直流电压，传输给电池管理模块。
[0018]进一步的，逆变模块采用全桥逆变技术完成电压逆变；整流模块采用同步整流技术完成电压整流。
[0019]进一步的，能量包还包括蓄电池组，与电池管理模块连接；蓄电池组包括至少一节电池单体；电池管理模块将直流电压转化为能量包的充电电压，对能量包进行充电，具体方式为：
[0020]电池管理模块内设置充电电流环和电压环双环控制电路；当蓄电池组电压未达到充电电压设定值时，充电电流环进入工作状态，控制电路按照设定的电流值充电；在蓄电池组达到充电电压档位设定值后，电压环处于工作状态，电池充电进入恒压状态。
[0021]进一步的，电池管理模块中，充电电流环使用BUCK降压电路，将直流电压转化为蓄电池组的充电电压。
[0022]进一步的，电池管理模块还包括采样及均衡电路，持续采样蓄电池组中的电池单体的单体电压；当单体电压不平衡时，开启均衡电路，使单体电压保持一致。
[0023]进一步的，逆变模块和整流模块的电路设置完全相同，都采用控制器U1实现收发切换，使用4个MOSFET组成全桥型拓扑实现逆变与整流功能。
[0024]进一步的，接收端控制模块驱动整流模块的方法为：接收端控制模块检测接收线圈的交流电压相位和逆变电压有效值，产生双路互补PWM高频的激励信号，驱动整流模块按照相位开关MOSFET，实现整流。
[0025]发射端控制模块驱动逆变模块的方法为：发射端控制模块检测发射线圈的交流电压相位和整流电压有效值，产生双路互补PWM高频的激励信号，驱动逆变模块按照相位开关MOSFET，实现逆变。
[0026]进一步的，接收线圈内设置高阶补偿网络；接收线圈和发射线圈为利兹线绕制的径向螺旋线圈，采用铁氧体平面磁性材料。
[0027]有益效果：
[0028]1、本专利技术提出一种机器人宇航员的无触点无线充电系统，包括发射端和接收端。发射端安装在航天器的充电平台上，接收端安装在空间机器人的能量包上；能量包上设置电池管理模块与接收端连接，实现电能从发射端
‑
接收端
‑
能量包的传递。发射端与接收端通过载波通信的方式交互整流模块和逆变模块输出的电压有效值。接收端的逆变模块将航天器母线的直流电源转换为交流电压，发送线圈与接收线圈通过交流电产生感应磁场，接收线圈通过电磁感应产生交流电，完成电能的无线且无触点传递。接收端配置电池管理模块，实现高精度充放电、均衡控制，保证电池在安全域运行。航天器与移动机器人之间能量传输无需触点连接，没有金属直接裸露在太空环境的问题，彻底消除短路、拉弧、机械接口卡死的风险；同时，本专利技术系统能够实现机器人航天员能量包的无线充电，满足能量包充电传输过程中的安全性、稳定性和空间环境适应性，实现无人化、智能化的即停即充、即充即
走，有效提升机器人航天员的工作效能。
[0029]2、本专利技术中采用无线电能传输技术，其中发射端与接收端有一定的角度和距离容忍度(厘米级别)，降低航天器与移动机器人之间对接的精度要求。
[0030]3、在整流模块和逆变模块的设计上，本专利技术分别采用同步整流和全桥逆变的方式，提高传输效率，降低热控负担。
[0031]本专利技术中，能量包含有蓄电池组与电池管理模块连接。电池管理模块内设置BUCK降压电路结构的充电电流环和电压环的双环控制电路，实现对蓄电池组的恒流
‑
恒压充电。当蓄电池组电压未达到充电电压设定值时，充电电流环进入工作状态，控制电路按照设定的电流值充电；在蓄电池组达到充电电压档位设定值后，电压环处于工作状态，电池充电进入恒压状态。
[0032]4、本专利技术中，电池管理模块还设置一个采样及均衡电路，持续采样电池单体的单体电压；当单体电压不平衡时，开启均衡电路，使单体电压保持一致，实现均衡充电的效果，提高充电效率。采样及均衡电路还具有快速过流、过压、和过温的保护作用，保证逆变模块和蓄电池组的安全运行。
[0033]5、针对航天器的特殊需求，为减小重量与安装体积、提高传输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机器人宇航员的无触点无线充电系统，其特征在于，包括发射端和接收端；发射端中，发射端控制模块采集逆变模块的逆变电压有效值，传输给发射端载波通信模块；检测发射线圈的交流电压的相位，结合整流电压有效值和发射线圈的交流电压的相位，发出激励信号传输给逆变模块；发射端载波通信模块根据逆变电压有效值调制发射端调制载波，传输给接收端载波通信模块；解调接收端调制载波得到整流电压有效值；逆变模块连接航天器的直流电源，根据激励信号将直流电压转换成交流电压，传输给发射线圈；发射线圈接收交流电压并传输给接收线圈；接收端中，接收线圈接收交流电压并传输给整流模块；接收端控制模块检测到接收线圈的交流电压的相位，结合逆变电压有效值和接收线圈的交流电压的相位，产生激励信号，驱动整流模块；采集整流模块的整流电压有效值，传输给接收端载波通信模块；接收端载波通信模块解调发射端调制载波得到逆变电压有效值，传输给接收端控制模块；根据整流电压有效值调制接收端调制载波，传输给发射端载波通信模块；整流模块根据激励信号将交流电压转化为直流电压，传输给电池管理模块。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，逆变模块采用全桥逆变技术完成电压逆变；整流模块采用同步整流技术完成电压整流。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量包还包括蓄电池组，与电池管理模块连接；蓄电池组包括至少一节电池单体；电池管理模块将直流电压转化为能量包的充电电压，对能量包进行充电，具体方式为：电池管理模块内设...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋鼎，孟洋洋，刘治钢，李海津，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：