一種適應箭載電磁環境的無線電能傳輸系統屏蔽優化方法

夏興達 張 潔 鄭 偉

北京航天自動控制研究所，北京 100854

0 引言

無線電能傳輸技術(Wireless power transfer)不需要導線或者其他的物理接觸，而是利用近場耦合，將電能由發射端傳輸到接收端[1-3]，因此也被稱為非接觸電能傳輸技術。與有線供電相比，無線供電的優缺點都十分明顯：有線設備更為簡單且實用，經濟性強，電能的傳輸一目了然，電磁干擾更少一些，并且各領域的有線技術經多年發展，早已成熟，發生故障更易維修；而無線供電技術是新興工程，在航天工程的應用可行性也在論證中，但是其可以有效減少裸露導體造成的安全問題，實現完全的電氣隔離，安全性更強，還可以避免有線設備的線路因磨損老化、反復插拔造成的接口損壞、不能隨意移動等問題。

正因此無線供電得到各地學者的關注，并廣泛應用于交通運輸、生物醫學、精密儀表儀器等領域[4-6]。在各種研究方向中，感應線圈的參數優化近年成為研究的熱點。文獻[7]提出了基于LCL-S拓撲結構的感應電能傳輸系統，提出了一個基于互感耦合參數的性能優化指標。文獻[8-9]則詳細分析了不同金屬障礙物對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統的影響。文獻[10]設計了一種具有聚磁作用的導軌式非接觸變壓器。目前，無線供電技術還沒有在航天方面的應用，但為了擺脫復雜電纜的束縛，運載火箭的無線供電有著較好的前景。然而無線電能傳輸系統很可能影響箭上復雜的電磁環境，所以設計時務必要考慮其電磁兼容性。文獻[11]對飛行器上的電磁脈沖輻射環境進行了仿真分析，本文將基于實例具體分析不同屏蔽環境下的耦合諧振器對系統整體性能的影響，并提出優化方案。

本文通過對SS諧振型感應電能傳輸系統的分析，分別求出系統的傳輸功率與傳輸效率，分析其特性。在特定系統中，互感對性能有著很大的影響，而不同的電磁屏蔽方式直接影響了感應線圈的自感和互感。本文通過COMSOL有限元仿真軟件，仿真出不同屏蔽環境下電感的變化規律，并將其應用在諧振器的線圈優化中。最后，針對特定的系統，提出了各種優化指標，設計了相應的電磁屏蔽方案，并設計了實物實驗，驗證理論的準確性。

1 SS型感應電能傳輸系統特性分析

本文以SS型無線供電系統為例進行分析，SS拓撲結構如圖1所示。

圖1 SS型WPT系統拓撲結構

圖1采用了串聯電容補償發射線圈和接收線圈的無功功率。其中，L1與L2為兩線圈電感，M為L1與L2互感；C1與C2為兩線圈補償電容；R1與R2為兩線圈內阻；RL為接收線圈負載。uin為電壓源的電壓。

由圖1可得SS型感應無線電能傳輸系統的電路方程相量式如下：

(1)

(2)

為了使系統工作在最佳狀態，要進行無功補償。首先根據接收端串聯諧振，確定接收線圈的補償電容：

(3)

發射線圈等效輸入阻抗Z1in為：

(4)

使其虛部為0，解得：

(5)

(6)

可得SS型感應無線電能傳輸系統的輸入功率Pin、輸出功率Pout與傳輸效率η如式(7)：

(7)

對于傳輸效率，由公式可以得出：當耦合強度增強時，系統傳輸效率增強，輸出功率則未必。我們也發現，一味增加耦合強度確實可以使系統傳輸效率盡可能高。

針對特定條件下的無線系統，可以仿真系統輸出功率與互感的關系,仿真參數為Uin=220V,f=150kHz,L1=153μH,L2=112μH,R1=2Ω,R2=0.01Ω,RL=842Ω。

圖2 SS型WPT系統傳輸功率特性

(8)

代入式(7)，可得此時傳輸效率為50%。

2 自由空間與屏蔽環境下的線圈感應特性

對于一個特定的磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統，其工作頻率、線圈自感以及輸入電壓等都是確定的。為了使其工作在目標諧振頻率，補償電容值也是一個與自感相關的定值，因此影響系統性能的最大因素即諧振器收發線圈間的互感。線圈的自感和互感與線圈的匝數、形狀、線徑、材料等相關，而 COMSOL電磁場仿真軟件可以直接計算線圈在特定環境下的自感和互感。

當將無線電能傳輸系統應用在精密儀器(如運載火箭飛行控制系統)上時，各種電磁效應很可能影響系統電磁兼容性。故在火箭上應用無線供電系統時，應該對線圈進行電磁屏蔽設計。但不同材料的屏蔽效能會對系統性能產生不同的影響，因此，使用不同材料，分別在COMSOL上進行了仿真。

非鐵磁性材料(如鋁)在屏蔽過程中，由于渦流效應，自感和互感均降低，系統性能惡化。下面對特定線圈進行電磁場仿真，探索非鐵磁性材料(鋁板)和線圈的距離大小對線圈自感和互感的影響。

仿真參數為：工作頻率150kHz；發射線圈外半徑7.5cm，接收線圈外半徑4.5cm；傳輸距離5cm；線徑1.5mm。并在兩線圈外側各放置一塊同樣尺寸的磁場屏蔽層，其材料為鋁，研究發射線圈自感和兩線圈互感：

圖3 鋁板存在時發射線圈自感與兩線圈互感的變化曲線

由仿真結果可以看出，非鐵磁性材料的屏蔽使線圈自感和互感降低，且距離越近，參數惡化越嚴重。另外，在不放置屏蔽層的情況下，互感約為21μH,即鋁板距離線圈10cm以上時，對線圈影響可忽略，互感參數已近似于自由空間。

當鐵磁性材料位于無線電能傳輸系統附近時，流過線圈的電流產生的磁場外加給鐵磁材料，形成比較強的磁化矢量與感應磁場，使得自感與互感值增大。在發射線圈和接收線圈上貼1cm寬均勻磁條，長度覆蓋住線圈，相對磁導率為2400。

對其線圈進行電磁場仿真，得出非磁性材料(磁條)數量對線圈自感和互感產生的影響。參數同上。

由仿真結果可以看出，磁條存在時自感與互感均有增加，但互感增幅不大。為了進一步調節系統參數以及優化屏蔽效應，可以使用鐵磁性與非鐵磁性材料聯合屏蔽法，既增強了屏蔽效能，又可以調節互感值。在發射線圈外側3cm處放置鋁板，再觀察磁條數量對互感的影響，COMSOL仿真示意圖如下：

圖4 磁條成對存在時線圈自感與互感的影響曲線

圖5 雙屏蔽狀態下COMSOL仿真示意圖

在COMSOL中仿真互感并觀察磁場，圖6為互感值變化曲線，圖7為磁場屏蔽效果圖，磁場集中在屏蔽層內部，屏蔽效能較好。

圖6 雙屏蔽狀態下線圈互感的變化曲線

圖7 雙屏蔽狀態下磁場COMSOL仿真圖

由仿真結果可知，鋁板屏蔽雖然使感應特性變差，但鋁的存在不影響鐵磁性材料對互感的優化作用，使用雙屏蔽方法既可以增強屏蔽效能，又能更精確地控制線圈的互感值。在第1章的分析中得知，互感決定了整個系統的性能，因此可以通過控制不同屏蔽方式來優化整個系統的性能。

3 優化指標的提出與屏蔽實現

針對SS型無線電能傳輸系統的傳輸效率與傳輸功率不可兼得這一特性，可以引出功效積概念：

(9)

當系統工作在最大功效積狀態時，無線電能傳輸系統可在高功率與高效率間取得最優解。在設計SS型無線供電系統時功效積這一指標的優化非常重要。由式(9)可以看出功效積與互感相關，基于圖6中的仿真模型，可以計算諧振器在雙屏蔽環境下的功效積變化。

圖8 雙屏蔽狀態下功效積的變化曲線

經過分析發現，一味增加磁條數量提高線圈耦合程度(即提升互感)未必使系統傳輸品質提高。鋁板屏蔽使互感降低，磁芯聚磁使互感增加，雙屏蔽方式則既能增強屏蔽效能，又能使互感可控，非常適合應用在箭載無線電能傳輸系統中。由圖5可知，在以上實驗參數時，最佳屏蔽方式應為：3cm外接鋁板屏蔽的同時加4塊磁芯聚磁，此時在增強屏蔽效能的同時，線圈的互感值使系統工作在最大功效積的情況下。(注：線圈的自感也隨之發生變化，如果不改變相對應的配諧電容值，系統將發生諧振點偏移。而本文的優化基礎是基于電容值隨自感值變化，且工作頻率保持150kHz不變的情況。)

經過以上分析，本文設計了符合最大功效積屏蔽方式的耦合線圈，以及相應的無線電能傳輸系統，封裝好的線圈如圖9所示。工作時線圈間隔5cm，與仿真參數相對應，實際互感約為20μH：

圖9 屏蔽封裝后線圈實物圖

無線電能傳輸系統整流后的高頻逆變使其工作在150kHz頻率下，輸入端電壓有效值為220V，接收端經整流與直流斬波變換后，分兩路傳輸。電容電感與負載值如上文仿真所示，此無線電能傳輸系統示意圖如圖10。

圖10 無線電能傳輸系統實物

連接后系統正常工作，測得輸出功率約為5300W，功效積約為3530，符合圖8分析結果。說明這種通過電磁屏蔽的方式改進線圈互感值，進一步提升系統性能的方法是可行的。

對于箭載環境，最大功效積未必是最佳工作點。分析功效積公式，可得此時無線供電系統效率僅為66.6%。在箭載環境中，效率過低，功率過高，考慮其散熱性與經濟性，可知工程應用性較差。因此，對于不同的工程應用環境，選擇不同的優化指標很重要，單獨優化輸出功率、效率、功效積，都不能使箭載無線電能傳輸系統有較好的工程應用性。

分別計算不同輸出效率下的輸出功率，得表1，可進一步分析系統的最佳工作點。

表1 功率效率對應表

綜合分析可知，對于運載火箭系統，工作在90%效率的情況下，工程應用性較好。此時互感值遠高于最大功效積狀態。為達到90%效率的工作狀態，增大互感值，可以改變屏蔽方式(進一步增加磁芯或者降低鋁板到線圈的距離)，或者改變線圈間距等。

由于改變屏蔽方式也要相應地改變電路結構，所以用改變線圈間距做實驗：對圖9所示結構減小氣隙，增大互感值至27.6μH，測得功率與效率符合表1?？偨Y分析與實驗結果可知，如果追求最大的輸出功率，應降低互感，直至效率為50%；當系統處在散熱性較好的環境中，且需要同時考慮輸出功率和效率時，應工作在最大功效積狀態；當工作在散熱性較差的箭載環境時，需要適當增大互感減小輸出功率，此時效率增大，而90%的效率比較符合。系統工作后測出輸出功率與效率分別為2.05KW與88%，與上文分析結果基本一致。

綜上所述，通過鋁板磁芯雙屏蔽的方法可以改變互感值，并進一步滿足系統性能，對于不同的工程應用環境，最佳性能點也不同，所選的屏蔽方式也不同?？赏ㄟ^控制屏蔽方式的方法來控制系統性能。

4 總結

提出了一種基于電磁屏蔽理論的線圈優化方式，先以功效積為優化指標，通過用不同屏蔽方式(包括非磁性金屬、磁性金屬與二者聯合屏蔽)調節互感值以優化線圈，仿真驗證出在特定參數下的最佳屏蔽方式。不但減小了電磁場對箭上復雜電磁環境的影響，提升其電磁兼容性，而且能夠通過改變互感值進一步調節無線電能傳輸系統的各項指標。功效積這一指標的優化滿足了SS型拓撲結構的高輸出功率與高傳輸效率平衡的需求，而后通過分析不同效率情況下的工程適用性，進一步調節互感值，并實驗驗證。另外也為其他拓撲結構、其他初始條件的無線供電系統提供了一種選擇屏蔽優化材料的方法，即在鋁-磁雙屏蔽方式中通過改變鋁板到線圈間距、磁芯數量來對系統進行不同層面的優化。