空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 健，李嘉祿，曾憲瑞，魯 偉，馬力君,

(1.中電科藍(lán)天科技股份有限公司能源系統(tǒng)事業(yè)部，天津 300384；2.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

隨著我國(guó)航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)空間無(wú)人作業(yè)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(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)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(diǎn)，降低了系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)空間無(wú)人作業(yè)車自主導(dǎo)航對(duì)正能力有限，可能需要采用額外的機(jī)械手去對(duì)接有線充電裝置，增加了系統(tǒng)的發(fā)射成本。無(wú)線充電方式可以較好地克服上述缺點(diǎn)，提高空間無(wú)人作業(yè)車的供電可靠性。不同于地面環(huán)境，宇航環(huán)境條件惡劣，對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)提出了更高的設(shè)計(jì)要求，主要體現(xiàn)在強(qiáng)抗偏移能力、強(qiáng)抗輻照能力、強(qiáng)溫度適應(yīng)性等方面。

當(dāng)前空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電技術(shù)的相關(guān)研究主要集中在國(guó)外。2018 年?yáng)|京大學(xué)設(shè)計(jì)了一套用于空間無(wú)人車的無(wú)線充電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了48.6 W 以及62.1%的技術(shù)指標(biāo)[1]。2020 年密歇根理工大學(xué)提出了一種用于無(wú)線充電線圈對(duì)準(zhǔn)的視覺(jué)識(shí)別導(dǎo)航算法，并實(shí)現(xiàn)了24 W 的無(wú)線功率傳輸，在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)準(zhǔn)成功率達(dá)73%[2]。2022 年日本宇航研究機(jī)構(gòu)提出了一種利用無(wú)線充電方式對(duì)空間無(wú)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(dǎo)磁隔熱材料，相比傳統(tǒng)隔熱材料系統(tǒng)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(xué)的學(xué)者為應(yīng)對(duì)宇航空間復(fù)雜環(huán)境下系統(tǒng)失諧的問(wèn)題，提出了一種無(wú)線充電自適應(yīng)調(diào)諧方法，可使無(wú)線充電系統(tǒng)失諧時(shí)自適應(yīng)調(diào)諧。2022年，在博世、華盛頓大學(xué)和NASA 格倫研究中心的協(xié)助下，Astrobotic 公司和WiBotic 公司設(shè)計(jì)的月面無(wú)線充電系統(tǒng)成功通過(guò)了測(cè)試，系統(tǒng)傳輸效率為80%～85%，可以使月球車順利通過(guò)長(zhǎng)達(dá)14 d 的月夜。同年在巴黎舉行的第73 屆國(guó)際宇航大會(huì)上，Astrobotic 公司宣布推出LunaGrid，其可以通過(guò)無(wú)線充電方式向月球車以及其他月球表面系統(tǒng)提供瓦級(jí)的能量。

國(guó)內(nèi)有關(guān)空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)的研究較少，為了填補(bǔ)領(lǐng)域空缺，本文從系統(tǒng)的硬件拓?fù)湟约翱刂撇呗缘确矫鎸?duì)無(wú)線充電系統(tǒng)展開(kāi)研究，并設(shè)計(jì)了一個(gè)空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)的初步樣機(jī)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示，由位于能源補(bǔ)給站的發(fā)射側(cè)裝置以及位于空間無(wú)人作業(yè)車上的接收側(cè)裝置組成。太陽(yáng)電池板以及其他形式的能源通過(guò)電能變換裝置轉(zhuǎn)為直流電，再經(jīng)過(guò)高頻逆變電路、發(fā)射側(cè)補(bǔ)償電路以及發(fā)射線圈轉(zhuǎn)換為高頻磁場(chǎng)，接收線圈將捕獲的高頻磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為高頻交流電，再經(jīng)過(guò)接收側(cè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、電能變換裝置等為蓄電池供電。

原邊高頻逆變環(huán)節(jié)采用全橋逆變，具有器件應(yīng)力較小且輸出諧波成分小的優(yōu)點(diǎn)，副邊電能變換環(huán)節(jié)采用全橋不控整流與DC 模塊級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、充電控制響應(yīng)快速且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

由圖1 可知，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[5]指出采用無(wú)功補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率是實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電系統(tǒng)高效傳能的關(guān)鍵條件之一，所以需要使系統(tǒng)在變負(fù)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(bǔ)償拓?fù)涞牧阆嘟禽斎腩l率不會(huì)受負(fù)載以及互感的影響[6-7]，其中LCC-S 補(bǔ)償拓?fù)渚哂休敵龊銐?、發(fā)射線圈電流恒定、空載啟動(dòng)安全以及魯棒性高等優(yōu)勢(shì)。因此，LCC/S 補(bǔ)償拓?fù)涓m合應(yīng)用于空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)，LCC/S 補(bǔ)償拓?fù)涞耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 LCC/S補(bǔ)償拓?fù)鋱D

圖中：Up為原邊補(bǔ)償拓?fù)漭斎腚妷?；Lps為原邊串聯(lián)補(bǔ)償電感；RLps為原邊串聯(lián)補(bǔ)償電感的寄生電阻；Cpp為原邊并聯(lián)補(bǔ)償電容；Cps為原邊串聯(lián)補(bǔ)償電容；Lp為發(fā)射線圈；RLp為發(fā)射線圈寄生電阻；Ip為發(fā)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(bǔ)償電容；Is為接收線圈電流；RL為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的等效負(fù)載。

系統(tǒng)的輸出功率為：

系統(tǒng)的傳輸效率為：

可以得到系統(tǒng)輸出功效指標(biāo)隨負(fù)載RL以及互感M的曲面圖，如圖3 所示。

圖3 LCC/S補(bǔ)償拓?fù)漭敵龉πе笜?biāo)隨負(fù)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(bǔ)償拓?fù)浯嬖谧顑?yōu)的負(fù)載值RL_Popt使輸出功率達(dá)到最高，RL_Popt較小可以近似認(rèn)為L(zhǎng)CC/S 補(bǔ)償拓?fù)漭敵龉β孰S負(fù)載RL的增大而減小；在確定負(fù)載RL下，LCC/S 補(bǔ)償拓?fù)浯嬖谧顑?yōu)的互感值MPopt使輸出功率達(dá)到最高，MPopt較大可以近似認(rèn)為L(zhǎng)CC/S 補(bǔ)償拓?fù)漭敵龉β孰S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(bǔ)償拓?fù)浯嬖谧顑?yōu)的負(fù)載值RL_ηopt使傳輸效率達(dá)到最高；在確定負(fù)載RL下，LCC/S 補(bǔ)償拓?fù)浯嬖谧顑?yōu)的互感值Mηopt使傳輸效率達(dá)到最高。

因此，對(duì)于LCC/S 補(bǔ)償拓?fù)涞南到y(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)電能的高效無(wú)線傳輸，需要協(xié)同設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路參數(shù)以及磁耦合機(jī)構(gòu)參數(shù)。

1.2 DC 變換器

常用的DC 變換器拓?fù)浒ㄒ訠uck 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?fù)洹Ｆ渲?，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(jié)合了前兩者的優(yōu)勢(shì)，具有全范圍升降壓以及阻抗變換特性[8]，具有更強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力?？紤]到宇航空間環(huán)境的復(fù)雜性，且對(duì)無(wú)線充電系統(tǒng)的抗偏移性能要求較高，因此需要選用調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)的四開(kāi)關(guān)Buck-Boost 電路，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。

由圖4 可知，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q7常開(kāi)通、Q8常關(guān)斷時(shí)，通過(guò)交替開(kāi)通關(guān)斷開(kāi)關(guān)管Q5以及Q6，電路工作在降壓模式；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q5常開(kāi)通、Q6常關(guān)斷時(shí)，通過(guò)交替開(kāi)通關(guān)斷開(kāi)關(guān)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(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)電路拓?fù)鋱D

2 系統(tǒng)控制策略

已建立的空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保障了無(wú)線供電的可靠性，為確保無(wú)線供電的質(zhì)量，本文還提出了一種調(diào)節(jié)范圍寬、魯棒性強(qiáng)的雙邊控制策略。

2.1 傳統(tǒng)控制方法

無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)傳統(tǒng)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(diǎn)如表1 所示[9]。

表1 三種傳統(tǒng)控制方式的特點(diǎn)

考慮到空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)性能的要求較高，且系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)需要實(shí)時(shí)遙測(cè)，因此雙邊控制方式更適合于空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)。

2.2 本文所提控制方法

為了降低通信延時(shí)對(duì)系統(tǒng)控制魯棒性的影響，本文提出了一種副邊DC 主調(diào)節(jié)、原邊逆變移相次調(diào)節(jié)的雙邊控制方式，即副邊DC 電路實(shí)現(xiàn)輸出恒流恒壓的高精度控制，原邊逆變電路根據(jù)接收側(cè)反饋的接收整流電壓控制移相角，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高控制精度、寬調(diào)節(jié)范圍、高運(yùn)行可靠的無(wú)線充電。

原邊移相次調(diào)節(jié)控制方式的逆變驅(qū)動(dòng)波形如圖6 所示，VT1～VT4分別為開(kāi)關(guān)管Q1～Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，占空比均為49%，定義VT2驅(qū)動(dòng)信號(hào)落后于VT1驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(fù)脈沖寬度越小，即原邊移相控制通過(guò)控制θ 角可以控制逆變輸出電壓UP的有效值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)接收端整流輸出電壓的目的。

圖6 移相控制開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和逆變輸出電壓波形

副邊DC 主調(diào)節(jié)控制方式采用平均電流控制算法，無(wú)需額外的電流保護(hù)電路，且具有寬范圍輸入輸出等特點(diǎn)。其通過(guò)檢測(cè)輸入輸出電壓來(lái)控制開(kāi)關(guān)管調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而控制變換器工作模式，實(shí)現(xiàn)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(huán)的控制方式對(duì)通信速率、通信延遲以及原邊逆變器調(diào)節(jié)能力的要求較低，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，且系統(tǒng)控制響應(yīng)速度快，環(huán)路穩(wěn)定性高，適用于復(fù)雜的宇航空間環(huán)境。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電樣機(jī)，系統(tǒng)輸入電壓為56 V，工作頻率為85 kHz，輸出恒壓恒流指標(biāo)為22 V/5 A。

圖7 空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電樣機(jī)

當(dāng)收發(fā)線圈傳輸距離為6.5 cm 且保持正對(duì)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)射側(cè)逆變器的輸出電壓電流以及接收側(cè)整流輸入電壓電流波形如圖8 所示。此時(shí)，接收側(cè)整流輸出電壓遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的輸出電壓，系統(tǒng)通過(guò)增大發(fā)射側(cè)逆變電路的移相角，降低接收側(cè)整流輸出電壓，后級(jí)Buck-Boost 電路工作于降壓模式，實(shí)驗(yàn)波形如圖9(a)所示。當(dāng)收發(fā)線圈之間的偏移距離達(dá)到9.5 cm時(shí)，接收側(cè)整流輸出電壓遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的輸出電壓，系統(tǒng)通過(guò)降低發(fā)射側(cè)逆變電路的移相角，增加接收側(cè)整流輸出電壓，后級(jí)Buck-Boost 電路工作于升壓模式，實(shí)驗(yàn)波形如圖9(b)所示。

圖9 不同偏移情況下的實(shí)驗(yàn)波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)在6.5 cm 傳輸距離的條件下，實(shí)現(xiàn)了22 V/5 A 的恒壓恒流充電，系統(tǒng)最大傳輸效率達(dá)到88%，驗(yàn)證了方案設(shè)計(jì)的可行性。

4 結(jié)論

基于空間無(wú)人作業(yè)車的應(yīng)用背景，本文得到了LCC/S 補(bǔ)償拓?fù)湟约癇uck-Boost 級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更適合應(yīng)用于空間無(wú)人作業(yè)車無(wú)線充電系統(tǒng)。提出了一種副邊DC 主調(diào)節(jié)、原邊逆變移相次調(diào)節(jié)的雙邊控制方式，該方案對(duì)通信速率、通信延遲以及原邊逆變橋調(diào)節(jié)能力的要求較低，且控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，控制環(huán)路穩(wěn)定性高，適用于復(fù)雜的宇航空間環(huán)境。搭建了樣機(jī)，按照22 V/5 A 的充電曲線，在6.5 cm 傳輸距離條件下，實(shí)現(xiàn)了88%傳輸效率以及9.5 cm 偏移距離的無(wú)線電能傳輸，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的有效性，為將來(lái)成功建立月球科研站無(wú)線充電系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)參考。