劉 飛 劉文文 張聲艷 王健康 曾貴明

(中國運載火箭技術(shù)研究院，北京100076)

1 引言

開發(fā)并利用空間，首先需要發(fā)展航天運輸，提高航天運輸?shù)男?，降低運輸成本。20世紀80年代以來，各航天大國在改進飛行器自重、降低航天運輸成本方面做了許多研究工作。飛行器內(nèi)部存在大量的用電設(shè)備，其供電方式主要為傳統(tǒng)的有線電能傳輸，這就需要大量的供電線纜。同時內(nèi)部設(shè)備間均需要信息傳輸，傳統(tǒng)的有線方式需要大量的通信線纜，傳統(tǒng)的無線方式又需要增加較多的通信裝置。因此設(shè)計一種電能和信息一體化無線傳輸系統(tǒng)，對于實現(xiàn)飛行器艙內(nèi)及器地間的無纜化，降低系統(tǒng)的自重，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性，滿足未來飛行器輕質(zhì)化和快速集成發(fā)射，有著重要的意義。

無線電能傳輸又稱為非接觸電能傳輸(Contactless Power Transfer，CPT)，是利用各種方式將電能從電源非接觸地傳遞到負載的一種能量傳輸方式，可實現(xiàn)從小功率到大功率、近距離到遠距離的無線電能傳輸。由于擺脫了傳統(tǒng)有線電力傳輸對導(dǎo)線等電導(dǎo)體的依賴，避免了傳統(tǒng)的導(dǎo)線直接接觸供電方式帶來各種問題，是電能傳輸?shù)囊环N全新形式。因此，將無線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用到飛行器艙內(nèi)及器地的供電當中，減少了大量供電線纜，同時采用電能與信息一體化設(shè)計，將通信系統(tǒng)集成到供電系統(tǒng)中，對于減輕飛行器自重，節(jié)省飛行器內(nèi)部空間，有著極其重要的意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對電能和信息同步無線傳輸技術(shù)，國內(nèi)外研究成果相比于單獨的無線電能傳輸技術(shù)較少，國內(nèi)幾家單位的研究成果具有一定的代表性。

最為常見的解決方案是在無線電能傳輸線圈的基礎(chǔ)上增加一組通信線圈，能量與信息通過各自的線圈傳輸，但是這種設(shè)計大大增加了耦合機構(gòu)的設(shè)計成本，相互之間干擾也較大。江蘇大學(xué)設(shè)計的一種電能與信息同步傳輸系統(tǒng)[1]，系統(tǒng)原邊具有一個發(fā)射線圈，副邊具有兩個接收線圈分別接收電能與信息。系統(tǒng)原邊發(fā)射線圈電流采用了三角波，副邊能量線圈接收電流的基波分量傳輸電能，副邊信息線圈接收電流的三次諧波分量來實現(xiàn)信息傳輸，如圖1所示。

更為理想解決方案是電能與信息的無線傳輸采用同一組發(fā)射與接收線圈，這樣的設(shè)計會避免多個線圈的交叉耦合，大幅簡化設(shè)計難度的同時也減少了系統(tǒng)體積。根據(jù)文獻2所述，該系統(tǒng)具有兩個諧振頻率分別設(shè)計為100kHz以及900kHz，文中選用100kHz作為電能傳輸頻率、900kHz作為信號傳輸頻率如圖2所示。該系統(tǒng)電能傳輸連續(xù)且穩(wěn)定，通信速率較高，最佳配置時可以達到57kbps。

圖2 信息加載方式Fig.2 Information loading mode

此外還有一種稱為共享通道式通信方法。如圖3所示，這一方法的設(shè)計思想是：信息傳輸僅利用電能傳輸系統(tǒng)的一對耦合機構(gòu)，相比較原有技術(shù)，這一設(shè)計方法中信號不經(jīng)過系統(tǒng)補償網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)文獻3所述，系統(tǒng)信號傳輸支路以并聯(lián)的形式加載到接收與發(fā)射線圈的兩端，在補償網(wǎng)絡(luò)與耦合機構(gòu)間增加阻波器以實現(xiàn)對信號的隔離。文中實驗采用諧振頻率約為40kHz的串-串電能傳輸拓撲時，引入基頻1.5MHz的信號，其實驗表明該系統(tǒng)能夠在傳輸258W的電能同時進行速率為19.2kb/s的半雙工信息傳輸。

圖3 共享信道傳輸Fig.3 Shared channel transmission

磁耦合諧振式無線攜能通信技術(shù)是一項十分新穎的技術(shù)。從有關(guān)資料中可以了解到早期的磁耦合諧振式無線通信技術(shù)是以串串、串并結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。信號的調(diào)制方式以FSK、ASK為主，由于解調(diào)存在較大的問題，ASK逐漸不被設(shè)計人員考慮。采用串串結(jié)構(gòu)雖然可以傳輸一定的功率，但實際上由于電路存在響應(yīng)時間，此時的功率傳輸并不穩(wěn)定，同時由于系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)較大、元件參數(shù)隨溫度變化無法保障諧振頻率的穩(wěn)定性，進一步增加了傳輸?shù)睦щy。進而部分學(xué)者提出了通過載波的方式傳輸能量和信息并在接收端分別提取，這樣就有效地保障了功率傳輸?shù)姆€(wěn)定性，本文就是在這一基礎(chǔ)上開展技術(shù)應(yīng)用研究。

3 無纜飛行器的電能和信息一體化無線傳輸原理設(shè)計

飛行器電氣設(shè)備一般均由集中的電源統(tǒng)一進行供配電，同時設(shè)備間要進行信息的交互，可簡單歸納為每臺電氣設(shè)備均同時有供電和通信的需求，傳統(tǒng)上這些信息和電能的傳輸均是通過有線電纜實現(xiàn)。針對這些傳輸需求，本文研究了電能和信息一體化無線傳輸技術(shù)通過同一條無線鏈路滿足上述需求。

3.1 通信原理設(shè)計

本設(shè)計中采用電能與信息的一體化傳輸方式，該技術(shù)現(xiàn)階段的解決方案主要有以下幾種：

(1)將能量傳輸頻率自身調(diào)制為FSK波形，這種方式需要逆變器在傳輸能量時頻率可變，其缺點是由于頻率的不斷切換導(dǎo)致傳輸能量不穩(wěn)定。

(2)增加WIFI等通信模塊，這種方式需要增加射頻通信模塊，由于電磁波的特性，該種無線通信方法保密性及抗干擾能力較弱。

(3)注入式電能和信息一體化傳輸技術(shù)，該技術(shù)采用同為磁耦合諧振式原理的通信技術(shù)，能夠保障穩(wěn)定的功率傳輸以及通信的保密性，目前該方式能夠滿足一般電氣系統(tǒng)的傳輸需求。

本文中的電能和信息一體化傳輸系統(tǒng)采用了雙邊LCC補償結(jié)構(gòu)進行構(gòu)建，在能量傳輸?shù)耐瑫r引入通信回路，其特殊的加載方式能夠保障較高速率的通信需求，具體電路如圖4所示。

圖4所示為基于雙邊LCC結(jié)構(gòu)的電能和信息一體化傳輸系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，其中能量回路參數(shù)為Lp1、Cp1、Lp2、Cp2、Ls1、Cs1、Ls2、Cs2以及等效負載RL，通信回路的參數(shù)包含Ld1、Cd1、Ld2、Cd2以及通信負載R，R表示信號處理電路的輸入阻抗。通信回路發(fā)射端采用了串聯(lián)結(jié)構(gòu)以使發(fā)射端適應(yīng)高耦合系數(shù)，當單刀雙擲開關(guān)切換至1時實現(xiàn)正向通信，當單刀雙擲開關(guān)切換至2時實現(xiàn)反向通信。

圖4 通信原理圖Fig.4 Communication schematic diagram

圖5 阻波器Fig.5 Wave blocker

圖4中ZT表示阻波電路，如圖5所示，由一個并聯(lián)諧振腔組成，該電路諧振于通信頻率以上用以阻止信號向該電路傳輸，同時為了補償該諧振腔對于能量信號產(chǎn)生的額外感抗還需再并聯(lián)諧振腔的基礎(chǔ)上引入串聯(lián)電容。

3.2 能量傳輸原理設(shè)計

3.2.1 耦合機構(gòu)原理設(shè)計

耦合機構(gòu)設(shè)計采用正向建模和逆向參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合的設(shè)計方法。正向建模指的是根據(jù)系統(tǒng)對傳輸功率和效率的要求，結(jié)合艙內(nèi)設(shè)備供電的特殊需求，構(gòu)建耦合機構(gòu)電磁模型；逆向參數(shù)優(yōu)化指的是在分析模型特性的基礎(chǔ)上，以優(yōu)化傳輸效率為目標，對耦合機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)進行逆向優(yōu)化，該過程反復(fù)迭代，最終實現(xiàn)耦合機構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計。

根據(jù)平面線圈電磁場分布規(guī)律，尺寸相同、安匝數(shù)相同時，原副邊線圈耦合系數(shù)最大，有利于實現(xiàn)傳輸效率的最優(yōu)化。線圈安匝數(shù)反映了系統(tǒng)功率傳輸能力，根據(jù)系統(tǒng)傳輸功率等級可確定磁場仿真時線圈模型的尺寸。

系統(tǒng)輸出功率Pout為

式中：j——虛部符號；ω——角頻率；M——互感；Ip——原邊電流；Is——副邊電流。

設(shè)原、副邊安匝數(shù)相同，即NpIp=NsIs

式中：L0——線圈自感系數(shù)；k——耦合系數(shù)；Lp——原邊電感；Np—— 原邊匝數(shù)；Ls—— 副邊電感；Ns—— 副邊匝數(shù)。

因此，輸出功率可寫作

進一步可得到線圈安匝數(shù)

按照上述過程計算可得，為達到輸出功率600W的要求，結(jié)合線圈尺寸要求以及仿真得到的線圈自感系數(shù)，此處設(shè)置安匝數(shù)為NpIp=NsIs=30A。

線圈間的能量傳輸效率可按以下方式計算

式中：Us——副邊電壓；Rs——副邊電阻；Rp——原邊電阻；Qp、Qs——分別為原副邊線圈的品質(zhì)因數(shù)，Qp=Qs=Q；Q——品質(zhì)因數(shù)設(shè)計值。

3.2.2 補償拓撲原理設(shè)計

圖6 補償電路拓撲圖Fig.6 Compensation circuit topology

為避免多負載工作狀態(tài)不同給原邊帶來影響，在原邊采用LCC補償拓撲，如圖6所示。相比于串聯(lián)-串聯(lián)和串聯(lián)-并聯(lián)等傳統(tǒng)諧振補償拓撲，LCC補償拓撲具有輸出電流不受負載工作狀態(tài)影響的特點，可實現(xiàn)多發(fā)射端-多接收端供電系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，解決了艙內(nèi)設(shè)備供電時負載個數(shù)不定、負載工作狀態(tài)不定的特殊問題。當原邊工作在LCC補償拓撲的固有諧振頻率滿足下式時

線圈電流為

顯然發(fā)射線圈中的電流與負載個數(shù)或工作狀態(tài)無關(guān)，證明原邊采用LCC補償拓撲能夠穩(wěn)定地給多負載提供能量。

由前文所述可知，當原副邊固有諧振頻率相同且等于fprimary時，系統(tǒng)輸出電流呈現(xiàn)與負載無關(guān)的特性，即輸出電流恒定。為滿足大多數(shù)艙內(nèi)設(shè)備恒壓供電的需求，設(shè)計時將副邊LCL補償拓撲參數(shù)進行修改，使其固有諧振頻率發(fā)生偏移。當副邊固有諧振頻率滿足下列關(guān)系時

負載電壓僅與供電電壓、互感等有關(guān)，不受負載影響，系統(tǒng)工作在近似恒壓輸出模式，負載電壓為

可知系統(tǒng)輸出特性基本滿足艙內(nèi)設(shè)備恒壓供電的需求。進一步分析系統(tǒng)整體輸入阻抗可知，當原副邊固有諧振頻率分別為fprimary和fsecondary時，系統(tǒng)輸入阻抗呈現(xiàn)純阻性，一定程度上解決了原邊LCC補償拓撲引起的逆變器輸出電流畸變的問題。

4 無纜飛行器的電能和信息一體化無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 高效高速電路拓撲與魯棒穩(wěn)定性控制技術(shù)

磁耦合無線傳輸系統(tǒng)的常規(guī)電路拓撲，普遍對耦合系數(shù)的波動十分敏感，對于電能和信息一體化無線傳輸系統(tǒng)而言，需要設(shè)計具有寬耦合系數(shù)適應(yīng)能力的傳輸電路拓撲結(jié)構(gòu)，以降低飛行器應(yīng)用環(huán)境中存在的負載模式切換、機械振動導(dǎo)致的耦合機構(gòu)位置偏移、溫度變化等因素引起的系統(tǒng)參數(shù)漂移對信息與電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性的影響。同時為進一步保障系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，引入魯棒穩(wěn)定性控制技術(shù)，研究基于阻抗匹配和激勵源頻率調(diào)節(jié)的自適應(yīng)復(fù)合控制策略，在保證系統(tǒng)軟開關(guān)可靠工作的前提下，充分發(fā)揮阻抗匹配和激勵源頻率調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，提高系統(tǒng)控制精度、響應(yīng)速度及擾動適應(yīng)能力。研究中重點關(guān)注控制的預(yù)測性和快速性，最大限度保證電能和信息的高質(zhì)量傳輸。

4.2 耦合機構(gòu)機電磁一體化建模與優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

在飛行器艙內(nèi)及器地電能和信息一體化無線傳輸系統(tǒng)中，磁耦合機構(gòu)是研究的重點之一。磁耦合機構(gòu)的結(jié)構(gòu)需要簡單輕便，以適應(yīng)飛行器應(yīng)用的尺寸和重量限制。同時，綜合考慮空間形狀、外界金屬環(huán)境、磁場分布及負載間交叉耦合等因素，保證磁耦合機構(gòu)設(shè)計方案在實際應(yīng)用中的可行性。在初步確定磁耦合機構(gòu)的方案之后，還需要對磁耦合機構(gòu)的參數(shù)進行優(yōu)化，綜合評價體積、重量、成本、電磁兼容性、電能傳輸功率和效率、信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性等因素，研究將磁耦合機構(gòu)機械尺寸、電路以及磁路部分相結(jié)合，對機電磁進行一體化正向建模，進而通過逆向參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)磁耦合機構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)配置。

4.3 信息與電能無線傳輸系統(tǒng)電磁兼容性技術(shù)

信息與電能無線傳輸系統(tǒng)采用高頻磁場傳輸電能和信息，自身工作頻率較高，電磁環(huán)境復(fù)雜，為保證儀器設(shè)備正常工作，電磁兼容(EMC)設(shè)計不可或缺。尤其在飛行器艙內(nèi)，為多金屬材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)，電子無線通信設(shè)備眾多，需對磁場空間分布進行約束。研究共振耦合場與金屬環(huán)境相互作用機理，以及降低金屬環(huán)境影響的磁路優(yōu)化設(shè)計原則，分析與測控系統(tǒng)各無線鏈路間的電磁相容性。建立復(fù)雜金屬環(huán)境影響下的信息電能傳輸模型，深入分析金屬材料屬性(鐵磁性金屬材料、非鐵磁性金屬材料)、尺寸、相對空間位置等因素對能量傳輸磁場空間分布、共振頻率、能量傳輸性能的影響；在此基礎(chǔ)上，研究降低金屬環(huán)境對共振系統(tǒng)傳輸性能負面影響的措施，維持系統(tǒng)諧振、高效傳能的工作狀態(tài)，實現(xiàn)復(fù)雜金屬環(huán)境影響下的信息電能的高效可靠傳輸。

5 結(jié)束語

采用電能與信息傳輸一體化設(shè)計，將通信系統(tǒng)集成到供電系統(tǒng)中，通過對信息電能同步無線傳輸技術(shù)的研究，可以實現(xiàn)飛行器電氣系統(tǒng)的無纜化集成，有效地降低了系統(tǒng)的自重，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性，滿足未來飛行器信息化和快速集成發(fā)射的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

同時，該技術(shù)的采用也將導(dǎo)致飛行器電氣系統(tǒng)的復(fù)雜度提高，多專業(yè)間的耦合度增強，對系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計要求更高，因而在技術(shù)研究的同時也需要研究其后續(xù)在工程應(yīng)用中對型號研制模式、研制流程和接口關(guān)系的影響。