左 非，潘 瑛，鄭紅星，徐 航，席曉文

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引言

無線電能傳輸(wireless power transfer, WPT)技術(shù)借助磁場(chǎng)、電場(chǎng)、激光、微波等軟介質(zhì)實(shí)現(xiàn)電能從電源系統(tǒng)到用電設(shè)備的無電氣接觸傳輸,徹底擺脫了導(dǎo)體連接的束縛,從而具有便捷、靈活、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)[1]。作為一種電能柔性接入與傳輸方式,其廣大的市場(chǎng)前景和科學(xué)研究價(jià)值,正日益引起同行的高度重視,現(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程及自動(dòng)化領(lǐng)域研究與開發(fā)的熱點(diǎn),并于2012年和2013年連續(xù)兩次被世界經(jīng)濟(jì)論壇列為“對(duì)世界影響最大、最有可能為全球面臨的挑戰(zhàn)提供答案的十大新興技術(shù)之一”[2-3]。

而WPT技術(shù)在跨介質(zhì)智能彈藥等武器裝備領(lǐng)域的工程應(yīng)用也是近年來研究的新方向,WPT技術(shù)在水下特殊環(huán)境下得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì),并伴隨著陸上應(yīng)用研究不斷發(fā)展和大量成果涌現(xiàn),引發(fā)了水下技術(shù)科研工作者的關(guān)注。

傳統(tǒng)武器裝備電能傳輸需要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接電氣接觸,即有線電能傳輸,該方式雖然簡單、技術(shù)成熟,但設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)較復(fù)雜、裝配及使用操作繁瑣、安裝條件較苛刻、體積和重量大,在水下應(yīng)用時(shí)還存在漏水、漏電等安全隱患,從而對(duì)裝備及人員本身都會(huì)造成危險(xiǎn)[4-5]。采用傳統(tǒng)有線電氣互聯(lián)方式已不能較好滿足水下環(huán)境電氣互聯(lián)的需要。為了解決有線電能傳輸存在的種種問題,人們基于磁感應(yīng)、諧振等原理提出無線電能傳輸方式,該方式避免直接的電氣接觸,能夠做到完全防水密封,使用安全,不存在傳統(tǒng)水密連接器可靠連接及分離防短路的問題。

目前技術(shù)研究比較成熟的無線電能傳輸技術(shù),根據(jù)傳輸機(jī)理不同一般可分為4類:電磁感應(yīng)耦合式、磁諧振耦合式以及電容式和電波式[6],其中電磁感應(yīng)耦合式、諧振耦合式技術(shù)利用的是近區(qū)磁場(chǎng)傳輸,電磁輻射式利用的是遠(yuǎn)區(qū)磁場(chǎng)傳輸[7],各自的特點(diǎn)如表1所示。

表1 幾種無線電能傳輸技術(shù)的特點(diǎn)Table 1 Characteristics for some kinds of WPT technique

由于傳輸功率大、實(shí)現(xiàn)難度小等特點(diǎn),電磁感應(yīng)耦合式電能傳輸技術(shù)在無線供電技術(shù)中應(yīng)用范圍最廣[8]。結(jié)合水下智能彈藥與運(yùn)載器、適配器之間無線電能傳輸距離、結(jié)構(gòu)尺寸、空間布局、跨介質(zhì)傳輸?shù)葘?shí)際工況要求,選擇電磁感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)在跨介質(zhì)智能彈藥上的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1 電磁感應(yīng)及耦合原理

磁場(chǎng)耦合無線電能傳輸技術(shù)基于電磁感應(yīng)及耦合原理,綜合利用現(xiàn)代電力電子電能變換技術(shù)(包括諧振變換技術(shù)等),借助現(xiàn)代控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)電能的非接觸傳遞。作為一種中小尺度電能傳輸技術(shù),其解決的是用電設(shè)備以非接觸方式接入電網(wǎng)的供電問題,是目前移動(dòng)設(shè)備電能接入的最佳解決方案[9]。圖1為基于磁場(chǎng)耦合的無線電能傳輸技術(shù)原理圖。

圖1 基于磁場(chǎng)耦合的無線電能傳輸技術(shù)原理圖Fig.1 Schematic of WPT technique based on magnetic coupling

磁耦合諧振式無線供電裝置主要包括:原級(jí)電能變換模塊、原邊諧振網(wǎng)絡(luò)模塊、副邊諧振網(wǎng)絡(luò)模塊以及次級(jí)電能變換模塊4部分。

1)原級(jí)電能變換模塊的功能為:將輸入工頻交流市電變換為高頻交流電(10～100 kHz)。即:輸入工頻交流市電經(jīng)EMC濾波,整流濾波(AC-DC變換),直流斬波(DC-DC變換)及高頻逆變(DC-HFAC變換)4個(gè)環(huán)節(jié)變換為高頻交流電,以在原邊線圈上激發(fā)出高頻磁場(chǎng)。

2)原邊諧振網(wǎng)絡(luò)模塊的功能為:發(fā)射高頻磁場(chǎng)。原邊諧振網(wǎng)絡(luò)由原邊線圈及其調(diào)諧電容組成,調(diào)諧電容用以補(bǔ)償線圈的無功功率,提升系統(tǒng)的功率傳輸能力。原邊線圈是高頻電流的主要載體,此高頻電流用以在線圈周圍產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)。

3)副邊諧振網(wǎng)絡(luò)模塊的功能為:接收高頻磁場(chǎng)。副邊諧振網(wǎng)絡(luò)由原邊線圈及其調(diào)諧電容組成,調(diào)諧電容用以補(bǔ)償線圈的無功功率,提升系統(tǒng)的功率傳輸能力。副邊線圈利用電磁感應(yīng)原理,從高頻交變磁場(chǎng)中感應(yīng)出同頻電流,提供給次級(jí)電能變換模塊。

4)次級(jí)電能變換模塊的功能為:將高頻交流電變換為負(fù)載需要的直流電壓。即:副邊線圈感應(yīng)到的高頻交流電經(jīng)高頻整流濾波(HFAC-DC變換),直流斬波(DC-DC變換)兩個(gè)環(huán)節(jié)變換為負(fù)載需要的直流電壓,提供給后級(jí)負(fù)載。

2 智能彈藥WPT裝置設(shè)計(jì)

2.1 智能彈藥WPT裝置組成及應(yīng)用環(huán)境

通過上述磁場(chǎng)耦合的WPT技術(shù)原理可知,WPT傳統(tǒng)工程應(yīng)用為一發(fā)一收式的,即一個(gè)能量信息發(fā)射組件對(duì)應(yīng)一個(gè)能量信息接收組件。而文中研究的智能彈藥WPT裝置是由一臺(tái)能量信息發(fā)射組件對(duì)應(yīng)兩臺(tái)能量信息接收組件,并且發(fā)射與接收組件之間的能量信息傳輸跨多種介質(zhì)環(huán)境,智能彈藥WPT裝置組成及局部應(yīng)用環(huán)境示意見圖2,發(fā)射組件安裝在平臺(tái)中間,接收組件A和接收組件B分別安裝在兩個(gè)智能彈藥上,位于發(fā)射組件的兩邊。要求一臺(tái)發(fā)射組件能跨越多種介質(zhì)(海水、非金屬、空氣)與上下兩個(gè)方向上的兩臺(tái)接收組件同時(shí)工作,同時(shí)傳輸接收能量及信息。當(dāng)發(fā)射組件與接收組件相對(duì)位置處于可正常工作距離范圍內(nèi),且發(fā)射組件的控制電路上電,即可分別識(shí)別接收組件A和B。

圖2 WPT裝置組成及應(yīng)用環(huán)境示意圖Fig.2 Schematic of WPT device composition and application environment

2.2 WPT裝置設(shè)計(jì)

WPT裝置主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:輸入輸出、結(jié)構(gòu)尺寸、傳輸效率、傳輸連續(xù)性、工作時(shí)間、啟動(dòng)時(shí)間、線圈工作頻率等幾個(gè)方面。

1)輸入輸出設(shè)計(jì)

發(fā)射組件有兩路隔離的電源輸入,即:控制電源DC1(入)與脈沖電源DC2(入);單個(gè)接收組件有兩路隔離的電源輸出,即:控制電源DC1(出)與脈沖電源DC2(出)。

a)控制電源DC1(入):電壓取+22 V～+30 V,電流≤20 A;

b)脈沖電源DC2(入):電壓取+22 V～+30 V,電流≤10 A;

c)控制電源DC1(出):電壓取27 V±3 V,電流≥6 A;

d)脈沖電源DC2(出):電壓取27 V±3 V,當(dāng)帶直流負(fù)載為1.0～1.5 Ω時(shí),帶載時(shí)間為50 ms,電流≥8 A。

2)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

能量信息發(fā)射組件尺寸(長×寬)≤100 mm×100 mm,厚度≤15 mm。能量信息接收組件尺寸(長×寬)≤100 mm×50 mm,厚度≤20 mm。能量信息收、發(fā)組件間距≥55 mm。

3)傳輸效率設(shè)計(jì)

能量信息發(fā)射組件與能量信息接收組件在相互間距≤55 mm時(shí),無線能量的傳輸效率≥70%。

4)傳輸連續(xù)性設(shè)計(jì)

能量信息發(fā)射組件與能量信息接收組件在正常進(jìn)行無線能量傳輸過程中,不得出現(xiàn)≥0.2 ms的能量中斷現(xiàn)象。

5)工作時(shí)間設(shè)計(jì)

系統(tǒng)單次連續(xù)工作時(shí)間≥30 min。

6)啟動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)

從能量信息發(fā)射組件上電到能量信息接收組件可以正常穩(wěn)態(tài)輸出電源時(shí)間間隔≤500 ms。

7)線圈工作頻率設(shè)計(jì)

控制電源線圈的工作頻率設(shè)計(jì)為85 kHz,脈沖電源線圈的工作頻率設(shè)計(jì)為450 kHz,控制電源與脈沖電源的工作頻率相隔較遠(yuǎn),避免了兩套線圈工作時(shí)的相互干擾。此外,采用鐵氧體導(dǎo)磁材料對(duì)能量收發(fā)線圈的磁場(chǎng)進(jìn)行了約束,以減小對(duì)周圍環(huán)境的電磁干擾[10-11]。

WPT裝置耦合線圈安裝示意如圖3所示,控制電源與脈沖電源采用了兩套獨(dú)立的耦合線圈,其中雙向電能復(fù)合發(fā)射線圈由控制電源發(fā)射線圈與脈沖電源發(fā)射線圈組成[12],A位電能接收線圈由A位控制電源接收線圈與A位脈沖電源接收線圈組成,B位電能接收線圈由B位控制電源接收線圈與B位脈沖電源接收線圈組成。

圖3 WPT裝置耦合線圈安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of coupling coil of WPT device

3 耦合機(jī)構(gòu)仿真模型

根據(jù)需求,建立耦合機(jī)構(gòu)的Comsol仿真模型,圖4為控制電源與脈沖電源耦合機(jī)構(gòu)仿真模型的示意圖。圖4(a)中藍(lán)色部分為控制電源的能量收發(fā)線圈,圖4(b)中藍(lán)色部分為脈沖電源的能量收發(fā)線圈。

圖4 耦合機(jī)構(gòu)仿真模型示意圖Fig.4 Diagram of simulation model of coupling mechanism

其中,控制電源與脈沖電源的能量發(fā)射線圈完全相同,其線圈為平面圓環(huán)形結(jié)構(gòu),內(nèi)徑為10 mm,外徑為100 mm,采用線徑1.2 mm的李茲線繞制而成,共計(jì)4層120匝?？刂齐娫碅位接收線圈與脈沖電源B位接收線圈完全相同,其線圈為平面長方形結(jié)構(gòu),長為100 mm,寬為50 mm,采用線徑1.5 mm的利茲線繞制而成,共計(jì)5層70匝?？刂齐娫碆位接收線圈與脈沖電源A位接收線圈完全相同,其線圈為平面長方形結(jié)構(gòu),長為100 mm,寬為50 mm,采用線徑1.5 mm的利茲線繞制而成,共計(jì)8層100匝?？刂齐娫窗l(fā)射線圈與脈沖電源發(fā)射線圈的總厚度為10 mm,A位控制電源接收線圈與A位脈沖電源接收線圈的總厚度為20 mm,B位控制電源接收線圈與B位脈沖電源接收線圈的總厚度也為20 mm。各組能量收發(fā)線圈的間距均大于或等于55 mm。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

在控制電源發(fā)射線圈上施加有效值為2 A、頻率為85 kHz的高頻電流,可得到如圖5(a)所示的控制電源能量收發(fā)線圈的磁場(chǎng)分布圖。由圖5(a)可知,由于A位接收線圈與發(fā)射線圈的間距略小于B位接收線圈與發(fā)射線圈的間距,因而發(fā)射線圈與A位接收線圈間的磁場(chǎng)強(qiáng)度略強(qiáng)于發(fā)射線圈與B位接收線圈間的磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁場(chǎng)主要分布于能量收發(fā)線圈之間,向周圍空間散射的磁場(chǎng)強(qiáng)度較小,特別是位于接收線圈背部的磁場(chǎng)強(qiáng)度十分微弱,對(duì)位于線圈背部的設(shè)備干擾很小,可忽略不計(jì)。

圖5 能量收、發(fā)線圈磁場(chǎng)分布圖Fig.5 Magnetic field scatter diagram of power transceiver coil

在脈沖電源發(fā)射線圈上施加有效值為2 A、頻率為450 kHz的高頻電流,可得到如圖5(b)所示的脈沖電源能量收發(fā)線圈的磁場(chǎng)分布圖。由圖5(b)可知,由于B位接收線圈與發(fā)射線圈的間距略小于A位接收線圈與發(fā)射線圈的間距,因而發(fā)射線圈與B位接收線圈間的磁場(chǎng)強(qiáng)度略強(qiáng)于發(fā)射線圈與A位接收線圈間的磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁場(chǎng)主要分布于能量收、發(fā)線圈之間,向周圍空間散射的磁場(chǎng)強(qiáng)度較小,特別是位于接收線圈背部的磁場(chǎng)強(qiáng)度十分微弱,對(duì)位于線圈背部的設(shè)備干擾可以忽略不計(jì)。

用于控制電源與脈沖電源的兩套獨(dú)立的能量收發(fā)線圈的幾何參數(shù)與電氣參數(shù)以及得到線圈的自感以及互感如表2所示。

表2 線圈參數(shù)表Table 2 Parameter of coil

經(jīng)計(jì)算得到耦合機(jī)構(gòu)的功效特性曲線見圖6所示,從圖中可以看出,當(dāng)發(fā)射與接收線圈之間互感系數(shù)為20 μH時(shí),輸出功率為544 W,傳輸效率94.33%。當(dāng)耦合機(jī)構(gòu)等效負(fù)載為8.1 Ω時(shí),傳輸效率達(dá)到94.34%,輸出功率為550.5 W,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)關(guān)于輸出功率與傳輸效率的要求。

圖6 耦合機(jī)構(gòu)功效特性曲線Fig.6 Functional characteristic curve of coupling mechanism

由圖6曲線可以得出,當(dāng)發(fā)射、接收線圈之間互感系數(shù)持續(xù)增大時(shí),輸出功率逐漸降低,但傳輸效率基本不變。

5 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)雙向WPT裝置并進(jìn)行建模、仿真計(jì)算,得出以下結(jié)論:

1)WPT裝置工作時(shí)的磁場(chǎng)主要分布于雙向收發(fā)線圈之間,向周圍環(huán)境散射的磁場(chǎng)強(qiáng)度較小,對(duì)于適配器及智能彈藥內(nèi)部的電氣設(shè)備干擾很小,可忽略不計(jì)。

2)適度提高發(fā)射與接收線圈之間的互感系數(shù)可實(shí)現(xiàn)無線電能的高效傳輸,但互感系數(shù)也不宜過高,因?yàn)檩敵龉β室彩侵匾闹笜?biāo)因素。

3)耦合機(jī)構(gòu)等效負(fù)載設(shè)計(jì)范圍值極其重要,不匹配的等效負(fù)載電阻會(huì)影響傳輸效率。

4)該設(shè)計(jì)可為智能彈藥跨運(yùn)載器與適配器之間進(jìn)行能量及信息傳輸提供數(shù)據(jù)支撐,對(duì)于“多對(duì)一”情況如何提高傳輸效率,同時(shí)降低電磁干擾還需要深入研究。