智能弹药无线电能传输装置设计

左 非，潘 瑛，郑红星，徐 航，席晓文

(西安现代控制技术研究所，西安 710065)

0 引言

无线电能传输(wireless power transfer, WPT)技术借助磁场、电场、激光、微波等软介质实现电能从电源系统到用电设备的无电气接触传输,彻底摆脱了导体连接的束缚,从而具有便捷、灵活、安全、可靠等优点[1]。作为一种电能柔性接入与传输方式,其广大的市场前景和科学研究价值,正日益引起同行的高度重视,现已成为现代电气工程及自动化领域研究与开发的热点,并于2012年和2013年连续两次被世界经济论坛列为“对世界影响最大、最有可能为全球面临的挑战提供答案的十大新兴技术之一”[2-3]。

而WPT技术在跨介质智能弹药等武器装备领域的工程应用也是近年来研究的新方向,WPT技术在水下特殊环境下得天独厚的优势,并伴随着陆上应用研究不断发展和大量成果涌现,引发了水下技术科研工作者的关注。

传统武器装备电能传输需要点对点的直接电气接触,即有线电能传输,该方式虽然简单、技术成熟,但设计机构较复杂、装配及使用操作繁琐、安装条件较苛刻、体积和重量大,在水下应用时还存在漏水、漏电等安全隐患,从而对装备及人员本身都会造成危险[4-5]。采用传统有线电气互联方式已不能较好满足水下环境电气互联的需要。为了解决有线电能传输存在的种种问题,人们基于磁感应、谐振等原理提出无线电能传输方式,该方式避免直接的电气接触,能够做到完全防水密封,使用安全,不存在传统水密连接器可靠连接及分离防短路的问题。

目前技术研究比较成熟的无线电能传输技术,根据传输机理不同一般可分为4类:电磁感应耦合式、磁谐振耦合式以及电容式和电波式[6],其中电磁感应耦合式、谐振耦合式技术利用的是近区磁场传输,电磁辐射式利用的是远区磁场传输[7],各自的特点如表1所示。

表1 几种无线电能传输技术的特点Table 1 Characteristics for some kinds of WPT technique

由于传输功率大、实现难度小等特点,电磁感应耦合式电能传输技术在无线供电技术中应用范围最广[8]。结合水下智能弹药与运载器、适配器之间无线电能传输距离、结构尺寸、空间布局、跨介质传输等实际工况要求,选择电磁感应式无线电能传输技术在跨介质智能弹药上的应用进行研究。

1 电磁感应及耦合原理

磁场耦合无线电能传输技术基于电磁感应及耦合原理,综合利用现代电力电子电能变换技术(包括谐振变换技术等),借助现代控制技术,实现电能的非接触传递。作为一种中小尺度电能传输技术,其解决的是用电设备以非接触方式接入电网的供电问题,是目前移动设备电能接入的最佳解决方案[9]。图1为基于磁场耦合的无线电能传输技术原理图。

图1 基于磁场耦合的无线电能传输技术原理图Fig.1 Schematic of WPT technique based on magnetic coupling

磁耦合谐振式无线供电装置主要包括:原级电能变换模块、原边谐振网络模块、副边谐振网络模块以及次级电能变换模块4部分。

1)原级电能变换模块的功能为:将输入工频交流市电变换为高频交流电(10～100 kHz)。即:输入工频交流市电经EMC滤波,整流滤波(AC-DC变换),直流斩波(DC-DC变换)及高频逆变(DC-HFAC变换)4个环节变换为高频交流电,以在原边线圈上激发出高频磁场。

2)原边谐振网络模块的功能为:发射高频磁场。原边谐振网络由原边线圈及其调谐电容组成,调谐电容用以补偿线圈的无功功率,提升系统的功率传输能力。原边线圈是高频电流的主要载体,此高频电流用以在线圈周围产生高频交变磁场。

3)副边谐振网络模块的功能为:接收高频磁场。副边谐振网络由原边线圈及其调谐电容组成,调谐电容用以补偿线圈的无功功率,提升系统的功率传输能力。副边线圈利用电磁感应原理,从高频交变磁场中感应出同频电流,提供给次级电能变换模块。

4)次级电能变换模块的功能为:将高频交流电变换为负载需要的直流电压。即:副边线圈感应到的高频交流电经高频整流滤波(HFAC-DC变换),直流斩波(DC-DC变换)两个环节变换为负载需要的直流电压,提供给后级负载。

2 智能弹药WPT装置设计

2.1 智能弹药WPT装置组成及应用环境

通过上述磁场耦合的WPT技术原理可知,WPT传统工程应用为一发一收式的,即一个能量信息发射组件对应一个能量信息接收组件。而文中研究的智能弹药WPT装置是由一台能量信息发射组件对应两台能量信息接收组件,并且发射与接收组件之间的能量信息传输跨多种介质环境,智能弹药WPT装置组成及局部应用环境示意见图2,发射组件安装在平台中间,接收组件A和接收组件B分别安装在两个智能弹药上,位于发射组件的两边。要求一台发射组件能跨越多种介质(海水、非金属、空气)与上下两个方向上的两台接收组件同时工作,同时传输接收能量及信息。当发射组件与接收组件相对位置处于可正常工作距离范围内,且发射组件的控制电路上电,即可分别识别接收组件A和B。

图2 WPT装置组成及应用环境示意图Fig.2 Schematic of WPT device composition and application environment

2.2 WPT装置设计

WPT装置主要设计内容包括:输入输出、结构尺寸、传输效率、传输连续性、工作时间、启动时间、线圈工作频率等几个方面。

1)输入输出设计

发射组件有两路隔离的电源输入,即:控制电源DC1(入)与脉冲电源DC2(入);单个接收组件有两路隔离的电源输出,即:控制电源DC1(出)与脉冲电源DC2(出)。

a)控制电源DC1(入):电压取+22 V～+30 V,电流≤20 A;

b)脉冲电源DC2(入):电压取+22 V～+30 V,电流≤10 A;

c)控制电源DC1(出):电压取27 V±3 V,电流≥6 A;

d)脉冲电源DC2(出):电压取27 V±3 V,当带直流负载为1.0～1.5 Ω时,带载时间为50 ms,电流≥8 A。

2)结构尺寸设计

能量信息发射组件尺寸(长×宽)≤100 mm×100 mm,厚度≤15 mm。能量信息接收组件尺寸(长×宽)≤100 mm×50 mm,厚度≤20 mm。能量信息收、发组件间距≥55 mm。

3)传输效率设计

能量信息发射组件与能量信息接收组件在相互间距≤55 mm时,无线能量的传输效率≥70%。

4)传输连续性设计

能量信息发射组件与能量信息接收组件在正常进行无线能量传输过程中,不得出现≥0.2 ms的能量中断现象。

5)工作时间设计

系统单次连续工作时间≥30 min。

6)启动时间设计

从能量信息发射组件上电到能量信息接收组件可以正常稳态输出电源时间间隔≤500 ms。

7)线圈工作频率设计

控制电源线圈的工作频率设计为85 kHz,脉冲电源线圈的工作频率设计为450 kHz,控制电源与脉冲电源的工作频率相隔较远,避免了两套线圈工作时的相互干扰。此外,采用铁氧体导磁材料对能量收发线圈的磁场进行了约束,以减小对周围环境的电磁干扰[10-11]。

WPT装置耦合线圈安装示意如图3所示,控制电源与脉冲电源采用了两套独立的耦合线圈,其中双向电能复合发射线圈由控制电源发射线圈与脉冲电源发射线圈组成[12],A位电能接收线圈由A位控制电源接收线圈与A位脉冲电源接收线圈组成,B位电能接收线圈由B位控制电源接收线圈与B位脉冲电源接收线圈组成。

图3 WPT装置耦合线圈安装示意图Fig.3 Installation diagram of coupling coil of WPT device

3 耦合机构仿真模型

根据需求,建立耦合机构的Comsol仿真模型,图4为控制电源与脉冲电源耦合机构仿真模型的示意图。图4(a)中蓝色部分为控制电源的能量收发线圈,图4(b)中蓝色部分为脉冲电源的能量收发线圈。

图4 耦合机构仿真模型示意图Fig.4 Diagram of simulation model of coupling mechanism

其中,控制电源与脉冲电源的能量发射线圈完全相同,其线圈为平面圆环形结构,内径为10 mm,外径为100 mm,采用线径1.2 mm的李兹线绕制而成,共计4层120匝。控制电源A位接收线圈与脉冲电源B位接收线圈完全相同,其线圈为平面长方形结构,长为100 mm,宽为50 mm,采用线径1.5 mm的利兹线绕制而成,共计5层70匝。控制电源B位接收线圈与脉冲电源A位接收线圈完全相同,其线圈为平面长方形结构,长为100 mm,宽为50 mm,采用线径1.5 mm的利兹线绕制而成,共计8层100匝。控制电源发射线圈与脉冲电源发射线圈的总厚度为10 mm,A位控制电源接收线圈与A位脉冲电源接收线圈的总厚度为20 mm,B位控制电源接收线圈与B位脉冲电源接收线圈的总厚度也为20 mm。各组能量收发线圈的间距均大于或等于55 mm。

4 计算结果与分析

在控制电源发射线圈上施加有效值为2 A、频率为85 kHz的高频电流,可得到如图5(a)所示的控制电源能量收发线圈的磁场分布图。由图5(a)可知,由于A位接收线圈与发射线圈的间距略小于B位接收线圈与发射线圈的间距,因而发射线圈与A位接收线圈间的磁场强度略强于发射线圈与B位接收线圈间的磁场强度。磁场主要分布于能量收发线圈之间,向周围空间散射的磁场强度较小,特别是位于接收线圈背部的磁场强度十分微弱,对位于线圈背部的设备干扰很小,可忽略不计。

图5 能量收、发线圈磁场分布图Fig.5 Magnetic field scatter diagram of power transceiver coil

在脉冲电源发射线圈上施加有效值为2 A、频率为450 kHz的高频电流,可得到如图5(b)所示的脉冲电源能量收发线圈的磁场分布图。由图5(b)可知,由于B位接收线圈与发射线圈的间距略小于A位接收线圈与发射线圈的间距,因而发射线圈与B位接收线圈间的磁场强度略强于发射线圈与A位接收线圈间的磁场强度。磁场主要分布于能量收、发线圈之间,向周围空间散射的磁场强度较小,特别是位于接收线圈背部的磁场强度十分微弱,对位于线圈背部的设备干扰可以忽略不计。

用于控制电源与脉冲电源的两套独立的能量收发线圈的几何参数与电气参数以及得到线圈的自感以及互感如表2所示。

表2 线圈参数表Table 2 Parameter of coil

经计算得到耦合机构的功效特性曲线见图6所示,从图中可以看出,当发射与接收线圈之间互感系数为20 μH时,输出功率为544 W,传输效率94.33%。当耦合机构等效负载为8.1 Ω时,传输效率达到94.34%,输出功率为550.5 W,满足设计指标关于输出功率与传输效率的要求。

图6 耦合机构功效特性曲线Fig.6 Functional characteristic curve of coupling mechanism

由图6曲线可以得出,当发射、接收线圈之间互感系数持续增大时,输出功率逐渐降低,但传输效率基本不变。

5 结论

通过设计双向WPT装置并进行建模、仿真计算,得出以下结论:

1)WPT装置工作时的磁场主要分布于双向收发线圈之间,向周围环境散射的磁场强度较小,对于适配器及智能弹药内部的电气设备干扰很小,可忽略不计。

2)适度提高发射与接收线圈之间的互感系数可实现无线电能的高效传输,但互感系数也不宜过高,因为输出功率也是重要的指标因素。

3)耦合机构等效负载设计范围值极其重要,不匹配的等效负载电阻会影响传输效率。

4)该设计可为智能弹药跨运载器与适配器之间进行能量及信息传输提供数据支撑,对于“多对一”情况如何提高传输效率,同时降低电磁干扰还需要深入研究。