CN114696642A - 一种能量库拓扑结构及电磁发射装置 - Google Patents

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Abstract

本文提供了一种能量库拓扑结构及电磁发射装置，能量库拓扑结构包括多个子能量库，每个所述子能量库均包括相互连接的储能***和变流***，各储能***用于存储能量和输出直流电，各变流***用于将所述储能***输出的直流电转变为参数可变的交流电；本文提供的一种能量库拓扑结构，安全可靠、通用性强、可扩展能力强，可根据推进侧的功率需求输出幅值、频率和相位均可变的交流电，实现存储能量的等级和能量输出等级的拓展。

Description

一种能量库拓扑结构及电磁发射装置
技术领域
本发明涉及储能及能量变换技术领域，尤其是一种能量库拓扑结构及电磁发射装置。
背景技术
电磁发射技术是利用脉冲功率发生装置产生的电磁力推动负载运动，其实质是将电磁能变换为发射载荷动能的能量变换技术。电磁发射技术在科学实验、军事和工业交通等多种领域具有广泛的应用前景。作为科学研究手段，可以用于受控核聚变试验和高压物理等领域；作为军事应用，可以进行电磁炮弹和导弹的发射，用于地面防空、拦截弹道导弹、摧毁军事卫星，还可以用于航母上的飞机弹射***等；在工业交通领域，可以用于电磁抽油机和高速电磁列车等。
电磁发射装置主要由脉冲能量库和能量变换器两部分组成，其中脉冲能量库需满足电磁发射装置超大功率、脉冲输出、间歇循环的工作特性，能够以小功率存储能量、以脉冲功率输出能量；能量变换器则要求能够将脉冲能量库存储的能量变换为载荷的动能。现有技术中脉冲能量库一旦设计和制造完成后，其存储的能量和输出的能量均是唯一确定的，无法进行扩容，因此需要根据使用场景的实际需求针对性的设计，从而导致了能量库设计成本高昂。
因此，如何实现能量库的可扩展性，已成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本文的目的在于，提供一种能量库拓扑结构，以解决现有技术中能量库存储的能量和输出的能量固定、不能扩容导致设计成本高昂的问题。
为了解决上述技术问题，本文的具体技术方案如下：
一方面，本文提供一种能量库拓扑结构，包括多个子能量库，每个所述子能量库均包括相互连接的储能***和变流***，各储能***用于存储能量和输出直流电，各变流***用于将所述储能***输出的直流电转变为参数可变的交流电。
具体地，所述储能***包括多个储能单元，所述变流***包括多个变流单元，同一子能量库的所述储能***与所述变流***通过所述储能单元和所述变流单元相连接。
进一步地，所述变流单元依次级联，每个所述储能单元的输出与其对应的所述变流单元的输入相连接。
优选地，所述变流***中还设有可控开关，所述可控开关与各所述变流单元相连，所述可控开关用于控制级联的所述变流单元的数量。
具体地，所述储能单元包括相互连接的储能装置和储能变流器，所述储能装置用于存储直流电和/或交流电，所述储能变流器用于将所述储能装置存储的直流电和/或交流电转变为直流电后输出至相连的变流单元。
进一步地，所述储能装置与所述储能变流器均设有多个，所述储能装置与所述储能变流器一一对应，多个所述储能变流器并联连接，每个所述储能装置的输出分别和与之对应的所述储能变流器的输入相连接。
进一步地，所述储能单元还包括第一多项选择器和第二多项选择器，所述储能装置包括多个直流储能装置和多个交流储能装置，所述储能变流器包括直流/直流变流器和交流/直流变流器，所述第一多项选择器的输入端与各所述直流储能装置相连接，所述第一多项选择器的输出端与所述直流/直流变流器相连接；所述第二多项选择器的输入端与各所述交流储能装置相连接，所述第二多项选择器的输出端与所述交流/直流变流器相连接。
具体地，所述变流单元包括第一变流桥臂组和第二变流桥臂组，所述第一变流桥臂组与所述第二变流桥臂组并联设置，所述第一变流桥臂组与所述第二变流桥臂组的并联端构成直流输入端，所述第一变流桥臂组的中心点和所述第二变流桥臂组的中心点构成交流输出端。
优选地，所述储能装置为发电机、超级电容、电池、飞轮中的一种或几种的组合。
另一方面，本文还提供一种电磁发射装置，包括上述技术方案提供的一种能量库拓扑结构。
采用上述技术方案，本文提供的一种能量库拓扑结构，通过设置多个子能量库，各子能量库中的变流***将储能***输出的直流电转变为参数可变的交流电，能够实现对存储能量等级的扩容和对输出能量等级的扩容，且能够根据推进侧装置或设备的需求输出多相参数可变的交流电。
为让本文的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本文实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本文的一些实施例，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示出了本文提供的一种能量库拓扑结构第一实施例的结构示意图；
图2示出了本文提供的一种能量库拓扑结构第二实施例的结构示意图；
图3示出了本文提供的一种能量库拓扑结构第三实施例的结构示意图；
图4示出了储能装置第一实施例的结构示意图；
图5示出了储能装置第二实施例的结构示意图；
图6示出了储能装置第三实施例的结构示意图；
图7示出了储能装置第四实施例的结构示意图；
图8示出了储能装置第五实施例的结构示意图；
图9示出了变流单元第一实施例的结构示意图；
图10示出了变流单元第二实施例的结构示意图。
附图符号说明：
1000、子能量库；
100、储能***；
10、储能单元；
11、储能装置；
111、直流储能装置；
112、交流储能装置；
12、储能变流器；
121、直流/直流变流器；
122、交流/直流变流器；
200、变流***；
20、变流单元；
21、第一变流桥臂组；
211、第一上桥臂；
212、第一下桥臂；
22、第二变流桥臂组；
221、第二上桥臂；
222、第二下桥臂；
30、可控开关；
40、第一多项选择器；
50、第二多项选择器。
具体实施方式
下面将结合本文实施例中的附图，对本文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文一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本文中的实施例，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，都属于本文保护的范围。
需要说明的是，本文的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本文的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
还应当理解的是，在本文实施例中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
电磁发射技术是继化学能发射之后出现的一种新概念动能发射技术，按结构和原理的不同，可分为电磁轨道式和电磁线圈式两种。电磁发射技术其实质是借助电磁能做功，将电磁能转化为弹丸等有效载荷的动能的一种发射技术。与常规的化学发射方式相比，电磁发射方式能提供较大动能，可将弹丸等有效载荷加速到化学发射方式难以达到的超高初速和射速，且速度可任意调控，精度高，射程远，威力大，发射过程不易受到干扰，无噪声，无烟雾效应产生，***生存能力强。因此该技术在超远程压制、防空反导、微小卫星发射等领域具有重要的应用前景。
电磁发射装置主要由脉冲能量库和能量变换器两部分组成，其中脉冲能量库需输出能够满足电磁发射装置工作特性需求的能量；能量变换器则要求能够将脉冲能量库存储的能量变换为载荷的动能。然而，现有技术中的脉冲能量库一旦设计、生产及搭建完成后就无法进行扩容、只能以额定功率输出，使得设计和制造成本高昂。
针对现有技术存在的上述缺陷，本文实施例提供了一种具有通用性、模块化、可扩展的能量库拓扑结构，以满足未来定向能武器、电磁发射等先进装备设备的需求，如图1所示，所述能量库拓扑结构包括多个子能量库1000，每个所述子能量库均包括相互连接的储能***100和变流***200，各储能***100用于存储能量和输出直流电，各变流***200用于将所述储能***100输出的直流电转变为参数可变的交流电。
本说明书实施例中，所述变流***输出的交流电进一步的提供给能量变换器，在能量变换器的作用下转化为推进侧电磁发射装置、定向能武器等装置或设备所需的动能。
当推进侧的装置或设备需要M相交流电时，则可设置有M个子能量库，并使得M个子能量库输出的交流电的相位各不相同，从而本说明书实施例提供的一种能量库拓扑结构最终可输出M相交流电；除此之外，也可以设置L个子能量库(L>M)，当输出的交流电满足推进侧M相的需求时，则可能存在有多个或多组子能量库输出的相位相同，此时，将输出的交流电相位相同的若干子能量库共同作为某相交流电提供者；当设置的L个子能量库的数量多于推进侧设备需求的M相交流电的相数时，还可以控制L-M个子能量库不工作，而剩下的M个子能量库输出相位互不相同的交流电。因此，本说明书实施例提供的能量库拓扑结构，由多个子能量库构成，可实现多相交流电输出。
由于各储能***100用于存储能量和输出直流电，当各储能***存储和输出的直流电幅值不尽相同，则经变流***200转化后的交流电的幅值也不尽相同；各子能量库在交流电输出时还可以通过载波移相器进行频率调节，从而实现对子能量库输出的交流电的频率的调节。因此，本说明书实施例提供的一种能量库拓扑结构能够根据推进侧装置或设备的能量功率需求，输出参数(即输出的交流电的幅值、频率和相位)可变的交流电，实现根据推进侧功率需求的拓展。
如图2所示，所述储能***100包括多个储能单元10，所述变流***200包括多个变流单元20，同一子能量库1000下的所述储能***100与所述变流***200通过所述储能单元10和所述变流单元20相连接。
本说明书实施例中，不同子能量库中的储能单元10的数量可不尽相同，不同子能量库中的变流单元也可不尽相同，以满足推进侧对各项子能量库输出功率的需求，且提高子能量库输出功率调节的灵活性。可选地，同一子能量库中的所述储能单元10和所述变流单元20一一对应。
具体地，所述变流单元20依次级联，每个所述储能单元10的输出与其对应的所述变流单元20的输入相连接。通过将多个变流单元20级联的方式(即前一个变流单元的输出是与之相连后一个的变流单元的输入)，所示变流***200输出的交流电能够是多个变流单元输出的交流电的总和，与多个变流单元20分别输出的方式相比，本说明书实施例中，将多个变流单元相互级联可扩展单个子能量库所能够输出的交流电的概率。
当然，同一子能量库中的所述储能单元10的数量也可以多于所述变流单元20的数量，则可根据需要将多个储能单元10的输出与同一个变流单元20的输入相连接。
所述变流***200中还设有可控开关30，所述可控开关30与各所述变流单元20相连，所述可控开关30用于控制参与级联的所述变流单元20的数量；从而实现对储能单元输出功率等级的调节。
在一种可行的实施例中，如图3所示，所示可控开关30的数量与所述变流单元20的数量相等，每个所述变流单元均并联有一个可控开关30，当闭合某个可控开关时，与该可控开关30相并联的变流单元被短路，即与该可控开关并联的变流单元20不参与交流电输出工作，与该变流单元相连的储能单元10同样不参与工作。从而通过控制参与级联的变流单元的数量，实现对该子能量库交流输出功率的调节。
进一步地，如图4所示，所述储能单元10包括相互连接的储能装置11和储能变流器12，所述储能装置11用于存储直流电和/或交流电，所述储能变流器12用于将所述储能装置11存储的直流电转变为电性参数改变的直流电后输出至相连的变流单元；和/或所述储能变流器12用于将所述储能装置11存储的交流电转变为直流电后输出至相连的变流单元。
所述储能装置11为发电机、超级电容、电池、飞轮中的一种或几种的组合。
超级电容和电池作为功率型储能元件和能量型储能元件的典型代表，在功率密度、能量密度、循环寿命、高低温性能等关键特性上具有很强的互补性，本说明书实施例中可以将两者进行混合使用，使得储能单元具有大幅提升储能性能的潜力。
在一种可行的实施例中，如图5所示，所述储能装置11与所述储能变流器12均设有多个，所述储能装置11与所述储能变流器12一一对应，多个所述储能变流器12并联连接，每个所述储能装置11的输出分别和与之对应的所述储能变流器12的输入相连接。例如，有X个储能变流器12顺次并联，则该所示储能单元10输出的直流电为该X个储能变流器输出的直流电之和。当任意一个储能装置11中存储的交流电/直流电发生变化时，则与之相应的储能变流器12输出的直流电也会发生变化，进而能够调节该储能单元10总的直流电输出。
在一种可行的实施例中，如图6所示，所述储能单元10包括第一多项选择器40，所述储能装置11包括多个直流储能装置111和多个交流储能装置112，所述储能变流器12包括直流/直流变流器121和交流/直流变流器122，所述第一多项选择器40的输入端与各所述直流储能装置111相连接，所述第一多项选择器40的输出端与所述直流/直流变流器121相连接，各直流储能装置111存储的直流电经所述直流/直流变流器121的变化作用输出符合要求的直流电。所述交流/直流变流器122可设置有多个，每个所述交流储能装置112均有一个交流/直流变流器122与之对应相连，所述交流储能装置112存储的交流电在其各自对应的交流/直流变流器122的变流作用下，转变为符合要求的直流电。通过第一多项选择器40，可以控制参与直流电输出工作的直流储能装置111的数量，进而控制储能单元10输出的直流电的功率。
本说明书中，上述直流/直流变流器121是指将直流电(Direct Current，简称DC)转换为幅值和/或频率等电性能参数可变的直流电的器件，例如，将小电压的直流电转换为高电压的直流电；上述交流/直流变流器122是把交流电(Alternating Current，简称为AC)转换成直流电的装置，例如整流器。
在一种可行的实施例中，如图7所示，所示储能单元10包括第二多项选择器50，所述储能装置11包括多个直流储能装置111和多个交流储能装置112，所述储能变流器12包括直流/直流变流器121和交流/直流变流器122，所述第二多项选择器50的输入端与各所述交流储能装置112相连接，所述第二多项选择器50的输出端与所述交流/直流变流器122相连接，各交流储能装置112存储的交流电经所述交流/直流变流器122的变化作用输出符合要求的直流电。所述直流/直流变流器121可设置有多个，使得每个所述直流储能装置111均有一个直流/直流变流器121与之对应相连，所述直流储能装置111存储的直流电在其各自对应的直流/直流变流器121的变流作用下，转变为符合要求的直流电。通过第二多项选择器50，本说明书实施例中能够通过控制参与输出工作的交流储能装置112的数量，进而实现对所述储能单元10输出的直流电的功率的调节。
在一种可行的实施例中，如图8所示，所示储能单元10包括第一多项选择器40和第二多项选择器50，所述储能装置11包括多个直流储能装置111和多个交流储能装置112，所述储能变流器12包括直流/直流变流器121和交流/直流变流器122，所述第一多项选择器40的输入端与各所述直流储能装置111相连接，所述第一多项选择器40的输出端与所述直流/直流变流器121相连接；所述第二多项选择器50的输入端与各所述交流储能装置112相连接，所述第二多项选择器50的输出端与所述交流/直流变流器122相连接。通过对第一多项选择器40和对第二多项选择器50控制，实现对参与输出的直流储能装置111的数量和交流储能装置112数量的控制，最终实现对所述储能单元输出的总的直流电功率的控制。
如图9所示，本说明书实施例中，所述变流单元20包括第一变流桥臂组21和第二变流桥臂组22，所述第一变流桥臂组21与所述第二变流桥臂组22并联设置，所述第一变流桥臂组21与所述第二变流桥臂组22的并联端构成直流输入端，所述第一变流桥臂组21的中心点和所述第二变流桥臂组22的中心点构成交流输出端。
具体地，本说明书实施例中，所述第一变流桥臂组21与所述第二变流桥臂组22可分别包括多个级联的二电平H桥，如图10所示，所述变流单元20中所述第一变流桥臂组21包括多个第一上桥臂211和多个第一下桥臂212，所述第一上桥臂211和所述第一下桥臂212一一对应，各所述第一上桥臂211的上端与各所述第二上桥臂221的上端相连构成直流输入端的一侧，各所述第一下桥臂212的下端与各所述第二下桥臂222的下端相连构成直流输入端的另一侧，所述第一上桥臂211的下端和与之对应的所述第一下桥臂212的上端相连接构成交流输出端的一侧，即所述第一上桥臂211与所述第一下桥臂相连接的端为所述第一变流桥臂组21中各桥臂的中心点(当第一变流桥臂组21中仅有一个桥臂时，该桥臂的中心点即为该第一变流桥臂组21的中心点；当第一变流桥臂21中有多个桥臂时，每个桥臂的中心点并联为该第一变流桥臂组的中心点)；所述第二上桥臂221的下端和与之对应的第二下桥臂222的上端相连构成交流输出端的另一侧，即所述第二上桥臂221与所述第二下桥臂222相连接的端为所述第二变流桥臂22中各桥臂的中心点。
当然了，所述第一变流桥臂组21与所述第二变流桥臂组22还可以分别由多个级联的多电平H桥构成。变流单元采用多个桥臂或多电平拓扑结构，实现各子能量库交流电输出的功率等级。
本说明书实施例提供的一种能量库拓扑结构采用模块化设计，可应用于电磁弹射、激光武器、电磁助推发射等多个领域，具有安全可靠、通用性强、可扩展能力强等显著优势。
本说明书实施例还提供一种电磁发射装置，所述电磁发射装置包括上述技术方案提供的一种能量库拓扑结构，所述能量拓扑结构输出的能量供所述电磁发射装置运行。
在本文所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。
本文中应用了具体实施例对本文的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本文的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本文的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本文的限制。

Claims (10)

1.一种能量库拓扑结构，其特征在于，包括多个子能量库，每个所述子能量库均包括相互连接的储能***和变流***，各储能***用于存储能量和输出直流电，各变流***用于将所述储能***输出的直流电转变为参数可变的交流电。
2.根据权利要求1所述的一种能量库拓扑结构，其特征在于，所述储能***包括多个储能单元，所述变流***包括多个变流单元，同一子能量库的所述储能***与所述变流***通过所述储能单元和所述变流单元相连接。
3.根据权利要求2所述的一种能量库拓扑结构，其特征在于，所述变流单元依次级联，每个所述储能单元的输出与其对应的所述变流单元的输入相连接。
4.根据权利要求3所述的一种能量库拓扑结构，其特征在于，所述变流***中还包括多个可控开关，所述可控开关与各所述变流单元相连，所述可控开关用于控制级联的所述变流单元的数量。
5.根据权利要求2所述的一种能量库拓扑结构，其特征在于，所述储能单元包括相互连接的储能装置和储能变流器，所述储能装置用于存储直流电和/或交流电，所述储能变流器用于将所述储能装置存储的直流电和/或交流电转变为直流电后输出至相连的变流单元。
6.根据权利要求5所述的一种能量库拓扑结构，其特征在于，所述储能装置与所述储能变流器均设有多个，所述储能装置与所述储能变流器一一对应，多个所述储能变流器并联连接，每个所述储能装置的输出分别和与之对应的所述储能变流器的输入相连接。
7.根据权利要求5所述的一种能量库拓扑结构，其特征在于，所述储能单元还包括第一多项选择器和第二多项选择器，所述储能装置包括多个直流储能装置和多个交流储能装置，所述储能变流器包括直流/直流变流器和交流/直流变流器，所述第一多项选择器的输入端与各所述直流储能装置相连接，所述第一多项选择器的输出端与所述直流/直流变流器相连接；所述第二多项选择器的输入端与各所述交流储能装置相连接，所述第二多项选择器的输出端与所述交流/直流变流器相连接。
8.根据权利要求6或7任意一项所述的一种能量库拓扑结构，其特征在于，所述变流单元包括第一变流桥臂组和第二变流桥臂组，所述第一变流桥臂组与所述第二变流桥臂组并联设置，所述第一变流桥臂组与所述第二变流桥臂组的并联端构成直流输入端，所述第一变流桥臂组的中心点和所述第二变流桥臂组的中心点构成交流输出端。
9.根据权利要求5所述的一种能量库拓扑结构，其特征在于，所述储能装置为发电机、超级电容、电池、飞轮中的一种或几种的组合。
10.一种电磁发射装置，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的能量库拓扑结构。
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