空間無人作業車無線充電系統設計

趙 健，李嘉祿，曾憲瑞，魯 偉，馬力君,

(1.中電科藍天科技股份有限公司能源系統事業部，天津 300384；2.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

隨著我國航天技術的迅猛發展，對空間無人作業車的各方面性能提出了更高的要求，高效便捷地獲取能量是其必然的發展趨勢。傳統的有線充電方式存在頻繁插拔的物理接口，易受空間輻照的影響，具有易老化、易接觸不良的特點，降低了系統的可靠性；同時空間無人作業車自主導航對正能力有限，可能需要采用額外的機械手去對接有線充電裝置，增加了系統的發射成本。無線充電方式可以較好地克服上述缺點，提高空間無人作業車的供電可靠性。不同于地面環境，宇航環境條件惡劣，對無線充電系統提出了更高的設計要求，主要體現在強抗偏移能力、強抗輻照能力、強溫度適應性等方面。

當前空間無人作業車無線充電技術的相關研究主要集中在國外。2018 年東京大學設計了一套用于空間無人車的無線充電系統，實現了48.6 W 以及62.1%的技術指標[1]。2020 年密歇根理工大學提出了一種用于無線充電線圈對準的視覺識別導航算法，并實現了24 W 的無線功率傳輸，在復雜環境下對準成功率達73%[2]。2022 年日本宇航研究機構提出了一種利用無線充電方式對空間無人車艙加熱保溫的方法，接收線圈置于艙板上，外面覆蓋多層新型的導磁隔熱材料，相比傳統隔熱材料系統渦流損耗大大減小，線圈間效率由54%提升至90.7%[3-4]。2020 年加拿大卡爾頓大學的學者為應對宇航空間復雜環境下系統失諧的問題，提出了一種無線充電自適應調諧方法，可使無線充電系統失諧時自適應調諧。2022年，在博世、華盛頓大學和NASA 格倫研究中心的協助下，Astrobotic 公司和WiBotic 公司設計的月面無線充電系統成功通過了測試，系統傳輸效率為80%～85%，可以使月球車順利通過長達14 d 的月夜。同年在巴黎舉行的第73 屆國際宇航大會上，Astrobotic 公司宣布推出LunaGrid，其可以通過無線充電方式向月球車以及其他月球表面系統提供瓦級的能量。

國內有關空間無人作業車無線充電系統的研究較少，為了填補領域空缺，本文從系統的硬件拓撲以及控制策略等方面對無線充電系統展開研究，并設計了一個空間無人作業車無線充電系統的初步樣機，驗證設計方案的可行性。

1 無線電能傳輸系統拓撲

空間無人作業車無線充電系統的原理框圖如圖1 所示，由位于能源補給站的發射側裝置以及位于空間無人作業車上的接收側裝置組成。太陽電池板以及其他形式的能源通過電能變換裝置轉為直流電，再經過高頻逆變電路、發射側補償電路以及發射線圈轉換為高頻磁場，接收線圈將捕獲的高頻磁場轉換為高頻交流電，再經過接收側補償網絡、電能變換裝置等為蓄電池供電。

原邊高頻逆變環節采用全橋逆變，具有器件應力較小且輸出諧波成分小的優點，副邊電能變換環節采用全橋不控整流與DC 模塊級聯的拓撲結構，具有結構簡單、充電控制響應快速且穩定的優點。

1.1 補償網絡

由圖1 可知，補償網絡是無線電能傳輸系統中的關鍵環節。文獻[5]指出采用無功補償網絡補償系統的無功功率是實現無線充電系統高效傳能的關鍵條件之一，所以需要使系統在變負載以及變耦合工況下仍可滿足零相角輸入條件。串串(series-series,SS)、雙邊LCC(inductor-capacitance-capacitance)、雙邊LCL(inductor-capacitance-inductor)、LCC/S(inductorcitance-capacitance/series)、LCL/S(inductor-capacitance-inductor/series)等補償拓撲的零相角輸入頻率不會受負載以及互感的影響[6-7]，其中LCC-S 補償拓撲具有輸出恒壓、發射線圈電流恒定、空載啟動安全以及魯棒性高等優勢。因此，LCC/S 補償拓撲更適合應用于空間無人作業車無線充電系統，LCC/S 補償拓撲的拓撲結構圖如圖2 所示。

圖2 LCC/S補償拓撲圖

圖中：Up為原邊補償拓撲輸入電壓；Lps為原邊串聯補償電感；RLps為原邊串聯補償電感的寄生電阻；Cpp為原邊并聯補償電容；Cps為原邊串聯補償電容；Lp為發射線圈；RLp為發射線圈寄生電阻；Ip為發射線圈電流；Ips為原邊輸入電流；Ls為接收線圈；RLs為接收線圈寄生電阻；Cs為副邊補償電容；Is為接收線圈電流；RL為補償網絡的等效負載。

系統的輸出功率為：

系統的傳輸效率為：

可以得到系統輸出功效指標隨負載RL以及互感M的曲面圖，如圖3 所示。

圖3 LCC/S補償拓撲輸出功效指標隨負載RL以及互感M的曲面圖

由圖3(a)可知，在確定互感M下，LCC/S 補償拓撲存在最優的負載值RL_Popt使輸出功率達到最高，RL_Popt較小可以近似認為LCC/S 補償拓撲輸出功率隨負載RL的增大而減小；在確定負載RL下，LCC/S 補償拓撲存在最優的互感值MPopt使輸出功率達到最高，MPopt較大可以近似認為LCC/S 補償拓撲輸出功率隨互感M的增大而增大。由圖3(b)可知，在確定互感M下，LCC/S 補償拓撲存在最優的負載值RL_ηopt使傳輸效率達到最高；在確定負載RL下，LCC/S 補償拓撲存在最優的互感值Mηopt使傳輸效率達到最高。

因此，對于LCC/S 補償拓撲的系統，為了實現電能的高效無線傳輸，需要協同設計補償電路參數以及磁耦合機構參數。

1.2 DC 變換器

常用的DC 變換器拓撲包括以Buck 電路為代表的降壓電路、以Boost 電路為代表的升壓電路以及以Buck-Boost 為代表的升降壓電路三種電路拓撲。其中，Buck 電路具有降壓以及阻抗放大的特性，Boost電路具有升壓以及阻抗衰減特性，Buck-Boost 結合了前兩者的優勢，具有全范圍升降壓以及阻抗變換特性[8]，具有更強的調節能力。考慮到宇航空間環境的復雜性，且對無線充電系統的抗偏移性能要求較高，因此需要選用調節能力更強的四開關Buck-Boost 電路，其電路拓撲結構如圖4 所示。

由圖4 可知，當開關管Q7常開通、Q8常關斷時，通過交替開通關斷開關管Q5以及Q6，電路工作在降壓模式；當開關管Q5常開通、Q6常關斷時，通過交替開通關斷開關管Q7以及Q8，電路工作在升壓模式。

基于上述分析，建立的空間無人作業車無線充電系統的電路拓撲結構如圖5 所示。

圖5 空間無人作業車無線充電系統電路拓撲圖

2 系統控制策略

已建立的空間無人作業車無線充電系統電路拓撲結構保障了無線供電的可靠性，為確保無線供電的質量，本文還提出了一種調節范圍寬、魯棒性強的雙邊控制策略。

2.1 傳統控制方法

無線電能傳輸系統傳統的控制方式主要分為原邊控制、副邊控制以及雙邊控制三類控制方法，其特點如表1 所示[9]。

表1 三種傳統控制方式的特點

考慮到空間無人作業車無線充電系統對性能的要求較高，且系統相關運行參數需要實時遙測，因此雙邊控制方式更適合于空間無人作業車無線充電系統。

2.2 本文所提控制方法

為了降低通信延時對系統控制魯棒性的影響，本文提出了一種副邊DC 主調節、原邊逆變移相次調節的雙邊控制方式，即副邊DC 電路實現輸出恒流恒壓的高精度控制，原邊逆變電路根據接收側反饋的接收整流電壓控制移相角，從而實現系統高控制精度、寬調節范圍、高運行可靠的無線充電。

原邊移相次調節控制方式的逆變驅動波形如圖6 所示，VT1～VT4分別為開關管Q1～Q4的驅動信號，占空比均為49%，定義VT2驅動信號落后于VT1驅動信號的相角為θ。由圖6 可以看出，θ 角越大逆變輸出電壓UP的正負脈沖寬度越小，即原邊移相控制通過控制θ 角可以控制逆變輸出電壓UP的有效值，從而達到調節接收端整流輸出電壓的目的。

圖6 移相控制開關管驅動信號和逆變輸出電壓波形

副邊DC 主調節控制方式采用平均電流控制算法，無需額外的電流保護電路，且具有寬范圍輸入輸出等特點。其通過檢測輸入輸出電壓來控制開關管調制信號，進而控制變換器工作模式，實現電路在Buck、Buck-Boost、Boost 三種模式下的平滑切換。

基于上述分析，本文提出的原邊移相、副邊DC閉環的控制方式對通信速率、通信延遲以及原邊逆變器調節能力的要求較低，降低了系統的設計難度，且系統控制響應速度快，環路穩定性高，適用于復雜的宇航空間環境。

3 實驗驗證

為了驗證本文所提控制方式的可行性，研制了如圖7 所示的空間無人作業車無線充電樣機，系統輸入電壓為56 V，工作頻率為85 kHz，輸出恒壓恒流指標為22 V/5 A。

圖7 空間無人作業車無線充電樣機

當收發線圈傳輸距離為6.5 cm 且保持正對時，系統發射側逆變器的輸出電壓電流以及接收側整流輸入電壓電流波形如圖8 所示。此時，接收側整流輸出電壓遠大于系統的輸出電壓，系統通過增大發射側逆變電路的移相角，降低接收側整流輸出電壓，后級Buck-Boost 電路工作于降壓模式，實驗波形如圖9(a)所示。當收發線圈之間的偏移距離達到9.5 cm時，接收側整流輸出電壓遠小于系統的輸出電壓，系統通過降低發射側逆變電路的移相角，增加接收側整流輸出電壓，后級Buck-Boost 電路工作于升壓模式，實驗波形如圖9(b)所示。

圖9 不同偏移情況下的實驗波形

實驗結果表明，樣機在6.5 cm 傳輸距離的條件下，實現了22 V/5 A 的恒壓恒流充電，系統最大傳輸效率達到88%，驗證了方案設計的可行性。

4 結論

基于空間無人作業車的應用背景，本文得到了LCC/S 補償拓撲以及Buck-Boost 級聯拓撲結構更適合應用于空間無人作業車無線充電系統。提出了一種副邊DC 主調節、原邊逆變移相次調節的雙邊控制方式，該方案對通信速率、通信延遲以及原邊逆變橋調節能力的要求較低，且控制系統的響應速度快，控制環路穩定性高，適用于復雜的宇航空間環境。搭建了樣機，按照22 V/5 A 的充電曲線，在6.5 cm 傳輸距離條件下，實現了88%傳輸效率以及9.5 cm 偏移距離的無線電能傳輸，驗證了設計方案的有效性，為將來成功建立月球科研站無線充電系統提供了設計參考。