智能彈藥無線電能傳輸裝置設計

左 非，潘 瑛，鄭紅星，徐 航，席曉文

(西安現代控制技術研究所，西安 710065)

0 引言

無線電能傳輸(wireless power transfer, WPT)技術借助磁場、電場、激光、微波等軟介質實現電能從電源系統到用電設備的無電氣接觸傳輸,徹底擺脫了導體連接的束縛,從而具有便捷、靈活、安全、可靠等優點[1]。作為一種電能柔性接入與傳輸方式,其廣大的市場前景和科學研究價值,正日益引起同行的高度重視,現已成為現代電氣工程及自動化領域研究與開發的熱點,并于2012年和2013年連續兩次被世界經濟論壇列為“對世界影響最大、最有可能為全球面臨的挑戰提供答案的十大新興技術之一”[2-3]。

而WPT技術在跨介質智能彈藥等武器裝備領域的工程應用也是近年來研究的新方向,WPT技術在水下特殊環境下得天獨厚的優勢,并伴隨著陸上應用研究不斷發展和大量成果涌現,引發了水下技術科研工作者的關注。

傳統武器裝備電能傳輸需要點對點的直接電氣接觸,即有線電能傳輸,該方式雖然簡單、技術成熟,但設計機構較復雜、裝配及使用操作繁瑣、安裝條件較苛刻、體積和重量大,在水下應用時還存在漏水、漏電等安全隱患,從而對裝備及人員本身都會造成危險[4-5]。采用傳統有線電氣互聯方式已不能較好滿足水下環境電氣互聯的需要。為了解決有線電能傳輸存在的種種問題,人們基于磁感應、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,不存在傳統水密連接器可靠連接及分離防短路的問題。

目前技術研究比較成熟的無線電能傳輸技術,根據傳輸機理不同一般可分為4類:電磁感應耦合式、磁諧振耦合式以及電容式和電波式[6],其中電磁感應耦合式、諧振耦合式技術利用的是近區磁場傳輸,電磁輻射式利用的是遠區磁場傳輸[7],各自的特點如表1所示。

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

由于傳輸功率大、實現難度小等特點,電磁感應耦合式電能傳輸技術在無線供電技術中應用范圍最廣[8]。結合水下智能彈藥與運載器、適配器之間無線電能傳輸距離、結構尺寸、空間布局、跨介質傳輸等實際工況要求,選擇電磁感應式無線電能傳輸技術在跨介質智能彈藥上的應用進行研究。

1 電磁感應及耦合原理

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

圖1 基于磁場耦合的無線電能傳輸技術原理圖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:原級電能變換模塊、原邊諧振網絡模塊、副邊諧振網絡模塊以及次級電能變換模塊4部分。

1)原級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個環節變換為高頻交流電,以在原邊線圈上激發出高頻磁場。

2)原邊諧振網絡模塊的功能為:發射高頻磁場。原邊諧振網絡由原邊線圈及其調諧電容組成,調諧電容用以補償線圈的無功功率,提升系統的功率傳輸能力。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生高頻交變磁場。

3)副邊諧振網絡模塊的功能為:接收高頻磁場。副邊諧振網絡由原邊線圈及其調諧電容組成,調諧電容用以補償線圈的無功功率,提升系統的功率傳輸能力。副邊線圈利用電磁感應原理,從高頻交變磁場中感應出同頻電流,提供給次級電能變換模塊。

4)次級電能變換模塊的功能為:將高頻交流電變換為負載需要的直流電壓。即:副邊線圈感應到的高頻交流電經高頻整流濾波(HFAC-DC變換),直流斬波(DC-DC變換)兩個環節變換為負載需要的直流電壓,提供給后級負載。

2 智能彈藥WPT裝置設計

2.1 智能彈藥WPT裝置組成及應用環境

通過上述磁場耦合的WPT技術原理可知,WPT傳統工程應用為一發一收式的,即一個能量信息發射組件對應一個能量信息接收組件。而文中研究的智能彈藥WPT裝置是由一臺能量信息發射組件對應兩臺能量信息接收組件,并且發射與接收組件之間的能量信息傳輸跨多種介質環境,智能彈藥WPT裝置組成及局部應用環境示意見圖2,發射組件安裝在平臺中間,接收組件A和接收組件B分別安裝在兩個智能彈藥上,位于發射組件的兩邊。要求一臺發射組件能跨越多種介質(海水、非金屬、空氣)與上下兩個方向上的兩臺接收組件同時工作,同時傳輸接收能量及信息。當發射組件與接收組件相對位置處于可正常工作距離范圍內,且發射組件的控制電路上電,即可分別識別接收組件A和B。

圖2 WPT裝置組成及應用環境示意圖Fig.2 Schematic of WPT device composition and application environment

2.2 WPT裝置設計

WPT裝置主要設計內容包括:輸入輸出、結構尺寸、傳輸效率、傳輸連續性、工作時間、啟動時間、線圈工作頻率等幾個方面。

1)輸入輸出設計

發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,當帶直流負載為1.0～1.5 Ω時,帶載時間為50 ms,電流≥8 A。

2)結構尺寸設計

能量信息發射組件尺寸(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、發組件間距≥55 mm。

3)傳輸效率設計

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

4)傳輸連續性設計

能量信息發射組件與能量信息接收組件在正常進行無線能量傳輸過程中,不得出現≥0.2 ms的能量中斷現象。

5)工作時間設計

系統單次連續工作時間≥30 min。

6)啟動時間設計

從能量信息發射組件上電到能量信息接收組件可以正常穩態輸出電源時間間隔≤500 ms。

7)線圈工作頻率設計

控制電源線圈的工作頻率設計為85 kHz,脈沖電源線圈的工作頻率設計為450 kHz,控制電源與脈沖電源的工作頻率相隔較遠,避免了兩套線圈工作時的相互干擾。此外,采用鐵氧體導磁材料對能量收發線圈的磁場進行了約束,以減小對周圍環境的電磁干擾[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立的耦合線圈,其中雙向電能復合發射線圈由控制電源發射線圈與脈沖電源發射線圈組成[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 耦合機構仿真模型

根據需求,建立耦合機構的Comsol仿真模型,圖4為控制電源與脈沖電源耦合機構仿真模型的示意圖。圖4(a)中藍色部分為控制電源的能量收發線圈,圖4(b)中藍色部分為脈沖電源的能量收發線圈。

圖4 耦合機構仿真模型示意圖Fig.4 Diagram of simulation model of coupling mechanism

其中,控制電源與脈沖電源的能量發射線圈完全相同,其線圈為平面圓環形結構,內徑為10 mm,外徑為100 mm,采用線徑1.2 mm的李茲線繞制而成,共計4層120匝。控制電源A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構,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5層70匝。控制電源B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構,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8層100匝。控制電源發射線圈與脈沖電源發射線圈的總厚度為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。各組能量收發線圈的間距均大于或等于55 mm。

4 計算結果與分析

在控制電源發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線圈的磁場分布圖。由圖5(a)可知,由于A位接收線圈與發射線圈的間距略小于B位接收線圈與發射線圈的間距,因而發射線圈與A位接收線圈間的磁場強度略強于發射線圈與B位接收線圈間的磁場強度。磁場主要分布于能量收發線圈之間,向周圍空間散射的磁場強度較小,特別是位于接收線圈背部的磁場強度十分微弱,對位于線圈背部的設備干擾很小,可忽略不計。

圖5 能量收、發線圈磁場分布圖Fig.5 Magnetic field scatter diagram of power transceiver coil

在脈沖電源發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線圈的磁場分布圖。由圖5(b)可知,由于B位接收線圈與發射線圈的間距略小于A位接收線圈與發射線圈的間距,因而發射線圈與B位接收線圈間的磁場強度略強于發射線圈與A位接收線圈間的磁場強度。磁場主要分布于能量收、發線圈之間,向周圍空間散射的磁場強度較小,特別是位于接收線圈背部的磁場強度十分微弱,對位于線圈背部的設備干擾可以忽略不計。

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

表2 線圈參數表Table 2 Parameter of coil

經計算得到耦合機構的功效特性曲線見圖6所示,從圖中可以看出,當發射與接收線圈之間互感系數為20 μH時,輸出功率為544 W,傳輸效率94.33%。當耦合機構等效負載為8.1 Ω時,傳輸效率達到94.34%,輸出功率為550.5 W,滿足設計指標關于輸出功率與傳輸效率的要求。

圖6 耦合機構功效特性曲線Fig.6 Functional characteristic curve of coupling mechanism

由圖6曲線可以得出,當發射、接收線圈之間互感系數持續增大時,輸出功率逐漸降低,但傳輸效率基本不變。

5 結論

通過設計雙向WPT裝置并進行建模、仿真計算,得出以下結論:

1)WPT裝置工作時的磁場主要分布于雙向收發線圈之間,向周圍環境散射的磁場強度較小,對于適配器及智能彈藥內部的電氣設備干擾很小,可忽略不計。

2)適度提高發射與接收線圈之間的互感系數可實現無線電能的高效傳輸,但互感系數也不宜過高,因為輸出功率也是重要的指標因素。

3)耦合機構等效負載設計范圍值極其重要,不匹配的等效負載電阻會影響傳輸效率。

4)該設計可為智能彈藥跨運載器與適配器之間進行能量及信息傳輸提供數據支撐,對于“多對一”情況如何提高傳輸效率,同時降低電磁干擾還需要深入研究。