陳 強(qiáng)，張俊亭，陶建秋，費春梅，周肖楠，衛(wèi) 倩

（上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

目前，電能主要是導(dǎo)線經(jīng)過電連接器直接接觸進(jìn)行傳輸?shù)?，由于存在物理接觸和電氣接觸，電能傳輸在一些應(yīng)用場景中會受到限制，且安全性和可靠性低。相比有線傳輸，無線能量傳輸具有成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、兼容性好、防水防塵等優(yōu)點［1-3］。2006 年，磁耦合諧振無線能量傳輸技術(shù)被美國麻省理工學(xué)院（MIT）學(xué)者正式提出，現(xiàn)在，無線能量傳輸技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車充電、智能家居、醫(yī)療設(shè)備及航空航天等領(lǐng)域，是一種安全、可靠、靈活、高效的供電方式［4-5］。

隨著航天技術(shù)不斷發(fā)展，空間應(yīng)用不斷深入，對衛(wèi)星的靈活性和抗風(fēng)險能力的要求也越來越高，衛(wèi)星載荷的形式也更加多樣化，單一的電能直接傳輸?shù)姆绞揭苍絹碓讲荒軡M足星載電源的應(yīng)用需求［6］。因此，對高傳輸功率和高效率的星載無線能量傳輸技術(shù)進(jìn)行研究具有重要的科研意義。

實現(xiàn)磁耦合諧振無線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分是初、次級可分離的耦合變壓器，由于耦合變壓器磁路中存在空氣磁路，變壓器漏感較大，耦合系數(shù)不高，嚴(yán)重影響了能量傳輸功率和效率，無線能量傳輸技術(shù)的應(yīng)用因此受限［7-8］。

文獻(xiàn)［6］提出一種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模型，使系統(tǒng)在不同負(fù)載條件下均能達(dá)到最大傳輸效率；文獻(xiàn)［7］提出了一種垂直雙中繼級聯(lián)系統(tǒng)，可使無線傳輸距離大幅增加；文獻(xiàn)［8］提出一種基于逆變器輸出電壓和電流的頻率跟蹤方法，實施跟蹤系統(tǒng)固有諧振頻率，從而提高效率。

為解決上述問題，本文提出了一種可用于星載電源的無線能量傳輸系統(tǒng)，利用串聯(lián)補(bǔ)償諧振技術(shù)，采用平面螺旋線圈結(jié)構(gòu)的耦合變壓器，將直流輸入60 V 電壓通過無線傳輸，轉(zhuǎn)換為31.5 V 電壓輸出，供給負(fù)載使用和蓄電池充電。搭建原理樣機(jī)，在220 W 工作條件下，測得無線傳輸環(huán)節(jié)效率可達(dá)90%，整個無線能量傳輸系統(tǒng)的效率在82%以上。

1 系統(tǒng)設(shè)計和磁耦合諧振能量傳輸原理

1.1 無線能量傳輸系統(tǒng)設(shè)計

本文研究了具有2 個相同頻率的線圈，由于耦合作用產(chǎn)生諧振，進(jìn)而生成能量傳輸?shù)母咚偻ǖ溃罱K實現(xiàn)能量的高效率傳遞。由于在此傳播過程中非諧振物體幾乎沒有能量的傳遞，因此不會產(chǎn)生干擾，傳輸效率相應(yīng)較高。本文的線圈采用螺旋線圈并在發(fā)射端加入了補(bǔ)償電容，一旦發(fā)射線圈中有高頻交流流過，同時對串聯(lián)補(bǔ)償電容進(jìn)行充電，接收端便會產(chǎn)生相應(yīng)的電流［12］。但是如果想要產(chǎn)生“強(qiáng)耦合”的話就需要2 個線圈的工作頻率保持一致，保證電能持續(xù)輸送到接收端，同時實現(xiàn)電能的無線高效傳輸。磁耦合諧振無線能量傳輸?shù)脑砜驁D如圖1 所示。

圖1 磁耦合諧振無線能量傳輸原理框圖Fig.1 Schematic diagram of WPT based on strongly coupled magnetic resonances

1.2 磁耦合諧振能量傳輸?shù)刃Ｐ?/h3>

發(fā)射線圈串聯(lián)諧振的無線能量傳輸系統(tǒng)等效電路如圖2 所示。

圖2 無線能量傳輸系統(tǒng)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuits of WPT

圖中：US為交流激勵電源；RS為電源內(nèi)阻；R1、R2為線圈等效內(nèi)阻；L1、L2為線圈的電感；M為兩個線圈之間的耦合系數(shù)；C1為串聯(lián)諧振電容；RL為負(fù)載電阻。

ω=為系統(tǒng)的諧振頻率，根據(jù)環(huán)路電流定理，得到接收線圈的回路電流iL為

式中：ω為諧振頻率；M為耦合線圈的互感系數(shù)。

通過輸出功率表達(dá)式可以看出：無線能量傳輸?shù)妮敵龉β逝c輸入電壓、供電直流源內(nèi)阻、耦合線圈的內(nèi)阻、負(fù)載、諧振頻率ω和耦合線圈的互感系數(shù)M有關(guān)。其中，ω由諧振電容的容值決定，M則與耦合線圈之間的相對位置及耦合介質(zhì)有關(guān)。

2 無線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 無線能量傳輸發(fā)射調(diào)節(jié)器設(shè)計

無線能量發(fā)射調(diào)節(jié)器主要包括全橋逆變電路和驅(qū)動電路組成，如圖3 所示。

圖3 發(fā)射調(diào)節(jié)器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of emission regulator circuit

驅(qū)動信號發(fā)生電路選擇SG1525 脈寬調(diào)制芯片，可以通過調(diào)節(jié)PWM 波的輸出頻率，控制耦合器的諧振頻率。電壓型全橋逆變電路上管所需要的驅(qū)動是浮地的，因此，驅(qū)動電路選擇IR2110 驅(qū)動芯片，每個IR2110 芯片可以輸出兩路交替的驅(qū)動信號。MOS管選擇771所生產(chǎn)的LCS7583T1RH 型抗輻射N 溝道場效應(yīng)晶體管，MOS 管是為空間環(huán)境應(yīng)用研制的高可靠場效應(yīng)晶體管，該器件開關(guān)速度快、易于并聯(lián)、溫度穩(wěn)定性好，具有低導(dǎo)通電阻和低柵電荷特點，可有效降低開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)供電效率。

2.2 無線能量傳輸接收調(diào)節(jié)器設(shè)計

無線能量傳輸接收調(diào)節(jié)器的原理框圖如圖4 所示，主要包括全橋整流濾波電路和Superbuck 變換器。整流后Superbuck 變換器的輸入電壓范圍為60～90 V，輸出穩(wěn)壓點設(shè)置為31.5 V，輸出額定電流7 A?？刂齐娐凡捎秒妷弘娏鞣答伩刂疲?2］，考慮到載荷含有蓄電池，因此，在控制電路加入了限流保護(hù)功能，當(dāng)輸出電流小于7.5 A 時，電壓環(huán)輸出，電流環(huán)不輸出，電路實現(xiàn)穩(wěn)壓的功能；當(dāng)輸出電流超過7.5 A 時，電壓環(huán)不輸出，電流環(huán)輸出，實現(xiàn)對電路的限流保護(hù)。Superbuck 的特點是輸入端電感有利于減小輸入電流紋波，同時具有較好的浪涌抑制效果，有利于抑制電路的電流沖擊。

圖4 接收調(diào)節(jié)器電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of receiver-regulator circuit

2.3 無線能量傳輸耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計

無線能量傳輸?shù)年P(guān)鍵部分之一在于耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計。耦合機(jī)構(gòu)的線圈一般分為兩種形式：一種稱為平面螺旋線圈，即導(dǎo)線呈螺旋形繞線并布滿整個線圈面積；另一種稱為空間螺旋盤式線圈，當(dāng)盤式螺旋線圈在諧振狀態(tài)時，其磁場具有較強(qiáng)的方向性，即磁場強(qiáng)度隨線圈軸向距離的衰減速度較慢。因此，在長距離大功率能量傳輸場合多采用這一類線圈［13］。但是，具有相同電感量的空間螺旋線圈，其所耗材料與占用空間均高于平面盤式線圈，因此限制了這類線圈在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。本設(shè)計中采用的平面螺旋線圈如圖5 所示。在發(fā)射線圈和接收線圈安裝面上，分別增加了8 個對稱分布的L 型磁芯，以此對線圈產(chǎn)生的磁場增加束縛作用，有利于能量從發(fā)射線圈到接收線圈的傳輸。

圖5 平面螺旋線圈耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計Fig.5 Coupling mechanism design of plane spiral coils

3 實驗

基于上述設(shè)計理論分析，設(shè)計并搭建了一個220 W 的無線能量傳輸系統(tǒng)的原理樣機(jī)。該原理樣機(jī)的發(fā)射調(diào)節(jié)器輸入電壓為60 V，輸出負(fù)載電流從空載到7.5 A 可調(diào)，輸出電壓恒定為31.5 V。本設(shè)計中所繞制平面螺旋線圈發(fā)射線圈的電感值118 μH；接收線圈電感值為143 μH，兩線圈距離設(shè)置為10 cm，諧振電容C1選擇的是4326 廠的CBB22 型金屬化聚丙烯薄膜電容器，容值為0.2 μF，耦合器的諧振頻率為43 kHz，濾波電容C3容值為270 μF。在兩個耦合線圈正對的條件下，調(diào)節(jié)負(fù)載變化，測量無線能量傳輸系統(tǒng)的輸入輸出電壓和電流，測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 無線能量傳輸系統(tǒng)效率測試Tab.1 Efficiency test results of WPT

測得負(fù)載在7 A 時的電路工作波形，如圖6 所示。圖6（a）是負(fù)載母線紋波波形，實測為244 mV；圖6（b）和圖6（c）分別是諧振電容兩端電壓波形和諧振電流波形，可以看出，諧振電流和電壓波形呈現(xiàn)出很好的正弦波，此時諧振電路傳輸效率最高。

圖6 無線能量傳輸系統(tǒng)主要工作波形Fig.6 Main working waveforms of WPT

由表中測試數(shù)據(jù)分析可知：本文所設(shè)計的無線能量傳輸系統(tǒng)在輕載時傳輸效率較低；隨著負(fù)載增加，傳輸效率也隨著增加，在負(fù)載為4 A 時傳輸效率達(dá)到最大85.7%；隨著負(fù)載再增加時，傳輸效率又稍微有點降低，但始終在82%以上。對原理樣機(jī)進(jìn)行分析計算，Superbuck 變換器的工作效率在94%左右，全橋逆變電路的4 個MOS 管也有一定的開關(guān)損耗，而對傳輸效率影響最大的是耦合器的能量傳輸，耦合器的形狀、線圈匝數(shù)與大小、磁芯材料、系統(tǒng)頻率等都影響著系統(tǒng)的傳輸效率。

4 結(jié)束語

本文對磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對無線傳輸系統(tǒng)基本模型的等效電路進(jìn)行了理論分析；推導(dǎo)出基于發(fā)射端串聯(lián)補(bǔ)償電路的輸出功率關(guān)系式，對無線能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行理論分析及硬件電路設(shè)計；最后搭建無線能量傳輸系統(tǒng)的原理樣機(jī)。經(jīng)過測試，本文所設(shè)計的無線能量傳輸系統(tǒng)在輸出220 W 的條件下，整個系統(tǒng)的無線傳輸效率可以達(dá)到82%以上。本文所提出的無線能量傳輸系統(tǒng)，適用于衛(wèi)星上特殊負(fù)載的供電及蓄電池充電，電源與負(fù)載間無電氣連接和物理連接，供電可靠性高，同時傳輸功率較大、效率高，對今后無線能量傳輸系統(tǒng)在衛(wèi)星上的應(yīng)用具有一定的參考價值。