[发明专利]一种调制激光供能系统

说明书

本发明公开了一种非连续调制光源能量信号同步传输的光供能装置，包括主控装置、信号发生装置、激光器系统、激光光束整形系统、光束指向系统，激光‑光伏电池、脉冲变换装置、用电负载和通讯装置。主控装置根据通讯装置发来用电负载所需波形，通过信号发生装置，加载到激光器系统上，经由激光光束整型系统和光束指向系统发射出带有载波信息的能量光束，将能量和信号同步传输到接收端。带有载波信息的能量光束是经过脉冲的宽度、位置、幅度或正弦载波等调制的功率光束，经激光‑光伏电池输出带有载波信息的电能，再经过脉冲变换装置，进而输出幅值、相位以及频率可控的载波电能。该系统可应用于电动无人机等电驱动设备的激光无线供能。

技术领域

本申请涉及光电技术领域中的激光无线能量传输技术领域，尤其涉及采用非连续调制光源的光供能装置。

背景技术

电驱动无人机由于其体积小，重量轻，噪音小成本低等优点，广泛应用于航拍、侦查等领域。然而，由于当前电动无人机储能主要依靠锂电池供能，其能量密度有限，需要频繁起降更换电池。电动无人机储能装置的限制，往往成为其无法充分发挥效能的关键问题。为此，有研究提出采用激光无线供能的方式实现电驱动无人机的能源补给。激光无线能量传输技术在发射接收装置尺寸、传输距离、功率密度等方面，有着其他方式无线供能技术无法比拟的优势。因此在中远距离的电驱动无人机无线能量补给中具有极大的应用前景。激光无线能量传输技术是以激光器系统作为电光转换的装置，激光光束作为能量传输的载体，通过激光-光伏电池接收激光能量并转换为电能，最后电能通过电源管理系统加以利用，以此实现能量无线传输的技术。一个完整的激光无线能量传输系统主要包括，完成能源到激光光束能量转换的激光器系统，激光光束整形发射系统，实现目标捕获、跟踪、指向(ATP)的光束指向系统，作为光电转换装置的激光-光伏电池，电源管理系统以及收发装置的通信系统。除激光(半导体激光器系统，固体激光器系统、气体激光器系统等人造光源)供能外，还可以采用其他可控的人造光源供能，如LED供能。

为实现电驱动装置激光无线供能系统的高效传输，传能激光光束须与激光-光伏电池实现对准。然而，对于处于运动中的，例如电动无人机等电驱动装置，其运动轨迹难以预测，因此较难长时间的实现光束与激光-光伏电池的实时高精度对准；此外，为了提高系统运行效能，供能系统需要满足短时充电长时续航.因此，需要激光无线能量传输系统在有限的时间内，完成储能电池的快速充电。当前对于锂电池和铅酸蓄电池，一般采用脉冲充电的方式提高充电速度，此外，变脉冲的充电方式还可以一定程度上对蓄电池起到保护作用，延长其使用寿命。具体方式为，采用脉冲电流或脉冲电压的形式，依据所需电流或电压调整脉冲的幅值或宽度完成快速充电。传统的恒定激光无线能量传输快速充电系统，采用两级变换的方式来实现脉冲的输出。激光器系统输出恒定光强的激光光束，激光-光伏电池接收恒定光强的激光光束后，首先通过直流变换装置将其变换为具有恒定电压值的电能，再经次级变换电路生成脉冲电能，将恒定直流电能转换为锂电池或铅酸素电池充电所需的脉冲电能波形。这种方式，存在以下缺点：首先能量变换装置是若干由功率器件构成的，因此每增加一级能量变换装置，就会带来一定的能量损失；其次，传统的脉冲电能产生方式在脉冲间隔期，大部分能量被耗散，无法得到有效利用，进一步极大的影响了系统效率；而且，直流变换器与次级能量变换装置的结构复杂，同时增加了电驱动装置的自重，挤压载荷量，降低其续航时间。

此外，对于有刷直流电机，其转速与输入电能的电压平均值有关，输入平均电压越高转速越快，其调速方式通常采用脉冲宽度调制(PWM)输入电压的方法实现，即使得电机的输入电压为具有一定占空比的方波电压，不同占空比的方波具有不同平均电压以实现不同的转速控制。对于例如电动无人机、电动无人车等电机驱动装置，其主要耗电负载为采用脉冲调制方式驱动和调速的电机。在恒定激光无线电机供电系统中，激光器以恒定输出功率模式运转，激光-光伏电池接收恒定光强的激光光束后，经过直流变换装置转换为具有恒定电压值的电能，再经次级电能变换模块变换为具有脉冲宽度或脉冲幅度调制特征的电能进而完成对电动机转速的控制。与脉冲蓄电池充电系统类似，两级的能量变换结构降低了系统效率，增加了系统复杂度和重量，挤压了系统载荷量，降低了系统的续航时间。

发明内容