一種高效率星載電源無線能量傳輸系統

陳 強，張俊亭，陶建秋，費春梅，周肖楠，衛 倩

（上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

目前，電能主要是導線經過電連接器直接接觸進行傳輸的，由于存在物理接觸和電氣接觸，電能傳輸在一些應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、適應性強、兼容性好、防水防塵等優點［1-3］。2006 年，磁耦合諧振無線能量傳輸技術被美國麻省理工學院（MIT）學者正式提出，現在，無線能量傳輸技術已經廣泛應用于電動汽車充電、智能家居、醫療設備及航空航天等領域，是一種安全、可靠、靈活、高效的供電方式［4-5］。

隨著航天技術不斷發展，空間應用不斷深入，對衛星的靈活性和抗風險能力的要求也越來越高，衛星載荷的形式也更加多樣化，單一的電能直接傳輸的方式也越來越不能滿足星載電源的應用需求［6］。因此，對高傳輸功率和高效率的星載無線能量傳輸技術進行研究具有重要的科研意義。

實現磁耦合諧振無線能量傳輸的關鍵部分是初、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，耦合系數不高，嚴重影響了能量傳輸功率和效率，無線能量傳輸技術的應用因此受限［7-8］。

文獻［6］提出一種阻抗匹配網絡模型，使系統在不同負載條件下均能達到最大傳輸效率；文獻［7］提出了一種垂直雙中繼級聯系統，可使無線傳輸距離大幅增加；文獻［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，利用串聯補償諧振技術，采用平面螺旋線圈結構的耦合變壓器，將直流輸入60 V 電壓通過無線傳輸，轉換為31.5 V 電壓輸出，供給負載使用和蓄電池充電。搭建原理樣機，在220 W 工作條件下，測得無線傳輸環節效率可達90%，整個無線能量傳輸系統的效率在82%以上。

1 系統設計和磁耦合諧振能量傳輸原理

1.1 無線能量傳輸系統設計

本文研究了具有2 個相同頻率的線圈，由于耦合作用產生諧振，進而生成能量傳輸的高速通道，最終實現能量的高效率傳遞。由于在此傳播過程中非諧振物體幾乎沒有能量的傳遞，因此不會產生干擾，傳輸效率相應較高。本文的線圈采用螺旋線圈并在發射端加入了補償電容，一旦發射線圈中有高頻交流流過，同時對串聯補償電容進行充電，接收端便會產生相應的電流［12］。但是如果想要產生“強耦合”的話就需要2 個線圈的工作頻率保持一致，保證電能持續輸送到接收端，同時實現電能的無線高效傳輸。磁耦合諧振無線能量傳輸的原理框圖如圖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等效模型

發射線圈串聯諧振的無線能量傳輸系統等效電路如圖2 所示。

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

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

ω=為系統的諧振頻率，根據環路電流定理，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。

通過輸出功率表達式可以看出：無線能量傳輸的輸出功率與輸入電壓、供電直流源內阻、耦合線圈的內阻、負載、諧振頻率ω和耦合線圈的互感系數M有關。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有關。

2 無線能量傳輸系統的設計與實現

2.1 無線能量傳輸發射調節器設計

無線能量發射調節器主要包括全橋逆變電路和驅動電路組成，如圖3 所示。

圖3 發射調節器電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of emission regulator circuit

驅動信號發生電路選擇SG1525 脈寬調制芯片，可以通過調節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動是浮地的，因此，驅動電路選擇IR2110 驅動芯片，每個IR2110 芯片可以輸出兩路交替的驅動信號。MOS管選擇771所生產的LCS7583T1RH 型抗輻射N 溝道場效應晶體管，MOS 管是為空間環境應用研制的高可靠場效應晶體管，該器件開關速度快、易于并聯、溫度穩定性好，具有低導通電阻和低柵電荷特點，可有效降低開關損耗，提高系統供電效率。

2.2 無線能量傳輸接收調節器設計

無線能量傳輸接收調節器的原理框圖如圖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，輸出穩壓點設置為31.5 V，輸出額定電流7 A。控制電路采用電壓電流反饋控制［12］，考慮到載荷含有蓄電池，因此，在控制電路加入了限流保護功能，當輸出電流小于7.5 A 時，電壓環輸出，電流環不輸出，電路實現穩壓的功能；當輸出電流超過7.5 A 時，電壓環不輸出，電流環輸出，實現對電路的限流保護。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 接收調節器電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of receiver-regulator circuit

2.3 無線能量傳輸耦合機構設計

無線能量傳輸的關鍵部分之一在于耦合機構的設計。耦合機構的線圈一般分為兩種形式：一種稱為平面螺旋線圈，即導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，當盤式螺旋線圈在諧振狀態時，其磁場具有較強的方向性，即磁場強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域的應用。本設計中采用的平面螺旋線圈如圖5 所示。在發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，以此對線圈產生的磁場增加束縛作用，有利于能量從發射線圈到接收線圈的傳輸。

圖5 平面螺旋線圈耦合機構設計Fig.5 Coupling mechanism design of plane spiral coils

3 實驗

基于上述設計理論分析，設計并搭建了一個220 W 的無線能量傳輸系統的原理樣機。該原理樣機的發射調節器輸入電壓為60 V，輸出負載電流從空載到7.5 A 可調，輸出電壓恒定為31.5 V。本設計中所繞制平面螺旋線圈發射線圈的電感值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，調節負載變化，測量無線能量傳輸系統的輸入輸出電壓和電流，測試數據見表1。

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

測得負載在7 A 時的電路工作波形，如圖6 所示。圖6（a）是負載母線紋波波形，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 無線能量傳輸系統主要工作波形Fig.6 Main working waveforms of WPT

由表中測試數據分析可知：本文所設計的無線能量傳輸系統在輕載時傳輸效率較低；隨著負載增加，傳輸效率也隨著增加，在負載為4 A 時傳輸效率達到最大85.7%；隨著負載再增加時，傳輸效率又稍微有點降低，但始終在82%以上。對原理樣機進行分析計算，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、線圈匝數與大小、磁芯材料、系統頻率等都影響著系統的傳輸效率。

4 結束語

本文對磁耦合諧振式無線能量傳輸系統進行了研究，對無線傳輸系統基本模型的等效電路進行了理論分析；推導出基于發射端串聯補償電路的輸出功率關系式，對無線能量傳輸系統進行理論分析及硬件電路設計；最后搭建無線能量傳輸系統的原理樣機。經過測試，本文所設計的無線能量傳輸系統在輸出220 W 的條件下，整個系統的無線傳輸效率可以達到82%以上。本文所提出的無線能量傳輸系統，適用于衛星上特殊負載的供電及蓄電池充電，電源與負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在衛星上的應用具有一定的參考價值。