無纜飛行器的電能和信息一體化無線傳輸技術(shù)研究

劉 飛 劉文文 張聲艷 王健康 曾貴明

(中國運(yùn)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(yùn)輸，提高航天運(yùn)輸?shù)男?，降低運(yùn)輸成本。20世紀(jì)80年代以來，各航天大國在改進(jìn)飛行器自重、降低航天運(yùn)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(shí)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(jì)一種電能和信息一體化無線傳輸系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)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(fù)載的一種能量傳輸方式，可實(shí)現(xiàn)從小功率到大功率、近距離到遠(yuǎn)距離的無線電能傳輸。由于擺脫了傳統(tǒng)有線電力傳輸對(duì)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(dāng)中，減少了大量供電線纜，同時(shí)采用電能與信息一體化設(shè)計(jì)，將通信系統(tǒng)集成到供電系統(tǒng)中，對(duì)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(duì)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(dú)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(jì)大大增加了耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)成本，相互之間干擾也較大。江蘇大學(xué)設(shè)計(jì)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(gè)發(fā)射線圈，副邊具有兩個(gè)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(shí)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(jì)會(huì)避免多個(gè)線圈的交叉耦合，大幅簡化設(shè)計(jì)難度的同時(shí)也減少了系統(tǒng)體積。根據(jù)文獻(xiàn)2所述，該系統(tǒng)具有兩個(gè)諧振頻率分別設(shè)計(jì)為100kHz以及900kHz，文中選用100kHz作為電能傳輸頻率、900kHz作為信號(hào)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(shí)可以達(dá)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(jì)思想是：信息傳輸僅利用電能傳輸系統(tǒng)的一對(duì)耦合機(jī)構(gòu)，相比較原有技術(shù)，這一設(shè)計(jì)方法中信號(hào)不經(jīng)過系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)文獻(xiàn)3所述，系統(tǒng)信號(hào)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與耦合機(jī)構(gòu)間增加阻波器以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的隔離。文中實(shí)驗(yàn)采用諧振頻率約為40kHz的串-串電能傳輸拓?fù)鋾r(shí)，引入基頻1.5MHz的信號(hào)，其實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠在傳輸258W的電能同時(shí)進(jìn)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(xiàng)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(hào)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(jì)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(shí)際上由于電路存在響應(yīng)時(shí)間，此時(shí)的功率傳輸并不穩(wěn)定，同時(shí)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(jìn)一步增加了傳輸?shù)睦щy。進(jìn)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(jì)

飛行器電氣設(shè)備一般均由集中的電源統(tǒng)一進(jìn)行供配電，同時(shí)設(shè)備間要進(jìn)行信息的交互，可簡單歸納為每臺(tái)電氣設(shè)備均同時(shí)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(shí)現(xiàn)。針對(duì)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(jì)

本設(shè)計(jì)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(shí)頻率可變，其缺點(diǎn)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(bǔ)償結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，在能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)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(fù)載RL，通信回路的參數(shù)包含Ld1、Cd1、Ld2、Cd2以及通信負(fù)載R，R表示信號(hào)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(dāng)單刀雙擲開關(guān)切換至1時(shí)實(shí)現(xiàn)正向通信，當(dāng)單刀雙擲開關(guān)切換至2時(shí)實(shí)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(gè)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(hào)向該電路傳輸，同時(shí)為了補(bǔ)償該諧振腔對(duì)于能量信號(hào)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(jì)

3.2.1 耦合機(jī)構(gòu)原理設(shè)計(jì)

耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用正向建模和逆向參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。正向建模指的是根據(jù)系統(tǒng)對(duì)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(jī)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(biāo)，對(duì)耦合機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行逆向優(yōu)化，該過程反復(fù)迭代，最終實(shí)現(xiàn)耦合機(jī)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(shí)，原副邊線圈耦合系數(shù)最大，有利于實(shí)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(jí)可確定磁場仿真時(shí)線圈模型的尺寸。

系統(tǒng)輸出功率Pout為

式中：j——虛部符號(hào)；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(jìn)一步可得到線圈安匝數(shù)

按照上述過程計(jì)算可得，為達(dá)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(jì)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(jì)值。

3.2.2 補(bǔ)償拓?fù)湓碓O(shè)計(jì)

圖6 補(bǔ)償電路拓?fù)鋱DFig.6 Compensation circuit topology

為避免多負(fù)載工作狀態(tài)不同給原邊帶來影響，在原邊采用LCC補(bǔ)償拓?fù)?，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(bǔ)償拓?fù)?，LCC補(bǔ)償拓?fù)渚哂休敵鲭娏鞑皇茇?fù)載工作狀態(tài)影響的特點(diǎn)，可實(shí)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(shí)負(fù)載個(gè)數(shù)不定、負(fù)載工作狀態(tài)不定的特殊問題。當(dāng)原邊工作在LCC補(bǔ)償拓?fù)涞墓逃兄C振頻率滿足下式時(shí)

線圈電流為

顯然發(fā)射線圈中的電流與負(fù)載個(gè)數(shù)或工作狀態(tài)無關(guān)，證明原邊采用LCC補(bǔ)償拓?fù)淠軌蚍€(wěn)定地給多負(fù)載提供能量。

由前文所述可知，當(dāng)原副邊固有諧振頻率相同且等于fprimary時(shí)，系統(tǒng)輸出電流呈現(xiàn)與負(fù)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(jì)時(shí)將副邊LCL補(bǔ)償拓?fù)鋮?shù)進(jìn)行修改，使其固有諧振頻率發(fā)生偏移。當(dāng)副邊固有諧振頻率滿足下列關(guān)系時(shí)

負(fù)載電壓僅與供電電壓、互感等有關(guān)，不受負(fù)載影響，系統(tǒng)工作在近似恒壓輸出模式，負(fù)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(jìn)一步分析系統(tǒng)整體輸入阻抗可知，當(dāng)原副邊固有諧振頻率分別為fprimary和fsecondary時(shí)，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(bǔ)償拓?fù)湟鸬哪孀兤鬏敵鲭娏骰兊膯栴}。

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?fù)渑c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?fù)?，普遍?duì)耦合系數(shù)的波動(dòng)十分敏感，對(duì)于電能和信息一體化無線傳輸系統(tǒng)而言，需要設(shè)計(jì)具有寬耦合系數(shù)適應(yīng)能力的傳輸電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以降低飛行器應(yīng)用環(huán)境中存在的負(fù)載模式切換、機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致的耦合機(jī)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(duì)信息與電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性的影響。同時(shí)為進(jìn)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(lì)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(lì)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(dòng)適應(yīng)能力。研究中重點(diǎn)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(jī)構(gòu)機(jī)電磁一體化建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)是研究的重點(diǎn)之一。磁耦合機(jī)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(shí)，綜合考慮空間形狀、外界金屬環(huán)境、磁場分布及負(fù)載間交叉耦合等因素，保證磁耦合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。在初步確定磁耦合機(jī)構(gòu)的方案之后，還需要對(duì)磁耦合機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，綜合評(píng)價(jià)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(jī)構(gòu)機(jī)械尺寸、電路以及磁路部分相結(jié)合，對(duì)機(jī)電磁進(jìn)行一體化正向建模，進(jìn)而通過逆向參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)磁耦合機(jī)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(jì)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(duì)磁場空間分布進(jìn)行約束。研究共振耦合場與金屬環(huán)境相互作用機(jī)理，以及降低金屬環(huán)境影響的磁路優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)空間位置等因素對(duì)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(duì)共振系統(tǒng)傳輸性能負(fù)面影響的措施，維持系統(tǒng)諧振、高效傳能的工作狀態(tài)，實(shí)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(jì)，將通信系統(tǒng)集成到供電系統(tǒng)中，通過對(duì)信息電能同步無線傳輸技術(shù)的研究，可以實(shí)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(shí)，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(qiáng)，對(duì)系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計(jì)要求更高，因而在技術(shù)研究的同時(shí)也需要研究其后續(xù)在工程應(yīng)用中對(duì)型號(hào)研制模式、研制流程和接口關(guān)系的影響。