F6系統無線電能傳輸的優化分析

摘要：實現航天器模塊之間的電能傳輸，對未來衛星的設計將產生重要的影響，而無線電能傳輸技術被認為是F6(分離模塊)系統中成熟度最低的技術。采用電流型諧振耦合傳輸系統，研究了系統的電能傳輸效率特性，提出了加入阻抗變換電路來改變負載等效阻抗的方法，改善了系統的電能傳輸效率。
關鍵詞：F6系統；阻抗變換；效率優化；Buck-Boost電路

0 引言
“分離模塊航天器”(F6)英文全稱為：Future，Fast，Flexible，Fractionated，Free-Flying Spacecraft United byInformation Exchange，直譯為通過信息交換連接的“未來、快速、靈活、分離模塊、自由飛行航天器”。分離模塊空間系統組成決定了單個分離模塊提供的能量不能滿足大功率設備的能量消耗，需要無線電能傳輸模塊為其提供能量，因此無線電能傳輸是分離模塊空間系統的重要組成部分，也是分離模塊系統功能實現的保障。
在研究無線電能傳輸機理的基礎上，構建系統分析的等效互感模型，對各種諧振拓撲和工作模式下的電能傳輸系統的傳輸特性進行了全面分析，給出了一種適用于諧振耦合電能傳輸系統的分析方法，采用Buck-Boost電路進行優化等效阻抗，從而實現整個系統電能輸出的性能的最優化。

1 電流型諧振耦合傳輸系統
諧振耦合電能傳輸技術利用了電磁感應理論與松耦合變壓器理論，結合了當今最新的電力電子技術與微電子技術，實現了電能的非接觸式傳輸，典型的磁諧振耦合電能傳輸技術的原理框圖如圖1所示。系統主要由工頻整流濾波電路部分、高頻逆變電路部分、磁共振耦合部分、接收線圈的整流及穩壓部分、用電設備的供電控制部分等五部分組成。為了減少系統的無功功率容量，提高系統的傳輸效率，通常對原、副邊電感采用諧振補償的方式來提高系統傳輸效率，但是采用補償網絡以后系統很容易發生失諧，失諧條件下，很難完成電能的有效傳輸，原因主要有：線圈內阻、開關損耗、負載阻抗變化等。這些因素在頻率較低時對傳輸效率的影響不明顯，但系統高頻(MHz)工作時它們的影響卻不能忽視。其中，線圈內阻和開關損耗都能改進，負載阻抗的變化則需要通過特定的電路設計來優化。

2 基于阻抗變換的效率優化
在接收電路之后加入整流和Buck-Boost環節，如圖2所示。副邊接收電壓經過電容Cs諧振補償，再經過整流濾波電路之后，得到直流電U1，該直流電經過Buck-Boost環節后給負載RL供電，其輸出電壓為Uo。其中，Ropt是諧振網絡之后的等效電阻，隨著傳輸距離的改變而變化，R1為整流濾波電路之后的等效電阻，是固定值。