无缆飞行器的电能和信息一体化无线传输技术研究

刘 飞 刘文文 张声艳 王健康 曾贵明

(中国运载火箭技术研究院，北京100076)

1 引言

开发并利用空间，首先需要发展航天运输，提高航天运输的效能，降低运输成本。20世纪80年代以来，各航天大国在改进飞行器自重、降低航天运输成本方面做了许多研究工作。飞行器内部存在大量的用电设备，其供电方式主要为传统的有线电能传输，这就需要大量的供电线缆。同时内部设备间均需要信息传输，传统的有线方式需要大量的通信线缆，传统的无线方式又需要增加较多的通信装置。因此设计一种电能和信息一体化无线传输系统，对于实现飞行器舱内及器地间的无缆化，降低系统的自重，提高系统的可靠性和灵活性，满足未来飞行器轻质化和快速集成发射，有着重要的意义。

无线电能传输又称为非接触电能传输(Contactless Power Transfer，CPT)，是利用各种方式将电能从电源非接触地传递到负载的一种能量传输方式，可实现从小功率到大功率、近距离到远距离的无线电能传输。由于摆脱了传统有线电力传输对导线等电导体的依赖，避免了传统的导线直接接触供电方式带来各种问题，是电能传输的一种全新形式。因此，将无线电能传输技术应用到飞行器舱内及器地的供电当中，减少了大量供电线缆，同时采用电能与信息一体化设计，将通信系统集成到供电系统中，对于减轻飞行器自重，节省飞行器内部空间，有着极其重要的意义。

2 国内外研究现状

针对电能和信息同步无线传输技术，国内外研究成果相比于单独的无线电能传输技术较少，国内几家单位的研究成果具有一定的代表性。

最为常见的解决方案是在无线电能传输线圈的基础上增加一组通信线圈，能量与信息通过各自的线圈传输，但是这种设计大大增加了耦合机构的设计成本，相互之间干扰也较大。江苏大学设计的一种电能与信息同步传输系统[1]，系统原边具有一个发射线圈，副边具有两个接收线圈分别接收电能与信息。系统原边发射线圈电流采用了三角波，副边能量线圈接收电流的基波分量传输电能，副边信息线圈接收电流的三次谐波分量来实现信息传输，如图1所示。

更为理想解决方案是电能与信息的无线传输采用同一组发射与接收线圈，这样的设计会避免多个线圈的交叉耦合，大幅简化设计难度的同时也减少了系统体积。根据文献2所述，该系统具有两个谐振频率分别设计为100kHz以及900kHz，文中选用100kHz作为电能传输频率、900kHz作为信号传输频率如图2所示。该系统电能传输连续且稳定，通信速率较高，最佳配置时可以达到57kbps。

图2 信息加载方式Fig.2 Information loading mode

此外还有一种称为共享通道式通信方法。如图3所示，这一方法的设计思想是：信息传输仅利用电能传输系统的一对耦合机构，相比较原有技术，这一设计方法中信号不经过系统补偿网络。根据文献3所述，系统信号传输支路以并联的形式加载到接收与发射线圈的两端，在补偿网络与耦合机构间增加阻波器以实现对信号的隔离。文中实验采用谐振频率约为40kHz的串-串电能传输拓扑时，引入基频1.5MHz的信号，其实验表明该系统能够在传输258W的电能同时进行速率为19.2kb/s的半双工信息传输。

图3 共享信道传输Fig.3 Shared channel transmission

磁耦合谐振式无线携能通信技术是一项十分新颖的技术。从有关资料中可以了解到早期的磁耦合谐振式无线通信技术是以串串、串并结构作为系统结构。信号的调制方式以FSK、ASK为主，由于解调存在较大的问题，ASK逐渐不被设计人员考虑。采用串串结构虽然可以传输一定的功率，但实际上由于电路存在响应时间，此时的功率传输并不稳定，同时由于系统品质因数较大、元件参数随温度变化无法保障谐振频率的稳定性，进一步增加了传输的困难。进而部分学者提出了通过载波的方式传输能量和信息并在接收端分别提取，这样就有效地保障了功率传输的稳定性，本文就是在这一基础上开展技术应用研究。

3 无缆飞行器的电能和信息一体化无线传输原理设计

飞行器电气设备一般均由集中的电源统一进行供配电，同时设备间要进行信息的交互，可简单归纳为每台电气设备均同时有供电和通信的需求，传统上这些信息和电能的传输均是通过有线电缆实现。针对这些传输需求，本文研究了电能和信息一体化无线传输技术通过同一条无线链路满足上述需求。

3.1 通信原理设计

本设计中采用电能与信息的一体化传输方式，该技术现阶段的解决方案主要有以下几种：

(1)将能量传输频率自身调制为FSK波形，这种方式需要逆变器在传输能量时频率可变，其缺点是由于频率的不断切换导致传输能量不稳定。

(2)增加WIFI等通信模块，这种方式需要增加射频通信模块，由于电磁波的特性，该种无线通信方法保密性及抗干扰能力较弱。

(3)注入式电能和信息一体化传输技术，该技术采用同为磁耦合谐振式原理的通信技术，能够保障稳定的功率传输以及通信的保密性，目前该方式能够满足一般电气系统的传输需求。

本文中的电能和信息一体化传输系统采用了双边LCC补偿结构进行构建，在能量传输的同时引入通信回路，其特殊的加载方式能够保障较高速率的通信需求，具体电路如图4所示。

图4所示为基于双边LCC结构的电能和信息一体化传输系统的电路结构，其中能量回路参数为Lp1、Cp1、Lp2、Cp2、Ls1、Cs1、Ls2、Cs2以及等效负载RL，通信回路的参数包含Ld1、Cd1、Ld2、Cd2以及通信负载R，R表示信号处理电路的输入阻抗。通信回路发射端采用了串联结构以使发射端适应高耦合系数，当单刀双掷开关切换至1时实现正向通信，当单刀双掷开关切换至2时实现反向通信。

图4 通信原理图Fig.4 Communication schematic diagram

图5 阻波器Fig.5 Wave blocker

图4中ZT表示阻波电路，如图5所示，由一个并联谐振腔组成，该电路谐振于通信频率以上用以阻止信号向该电路传输，同时为了补偿该谐振腔对于能量信号产生的额外感抗还需再并联谐振腔的基础上引入串联电容。

3.2 能量传输原理设计

3.2.1 耦合机构原理设计

耦合机构设计采用正向建模和逆向参数优化相结合的设计方法。正向建模指的是根据系统对传输功率和效率的要求，结合舱内设备供电的特殊需求，构建耦合机构电磁模型；逆向参数优化指的是在分析模型特性的基础上，以优化传输效率为目标，对耦合机构关键参数进行逆向优化，该过程反复迭代，最终实现耦合机构整体优化设计。

根据平面线圈电磁场分布规律，尺寸相同、安匝数相同时，原副边线圈耦合系数最大，有利于实现传输效率的最优化。线圈安匝数反映了系统功率传输能力，根据系统传输功率等级可确定磁场仿真时线圈模型的尺寸。

系统输出功率Pout为

式中：j——虚部符号；ω——角频率；M——互感；Ip——原边电流；Is——副边电流。

设原、副边安匝数相同，即NpIp=NsIs

式中：L0——线圈自感系数；k——耦合系数；Lp——原边电感；Np—— 原边匝数；Ls—— 副边电感；Ns—— 副边匝数。

因此，输出功率可写作

进一步可得到线圈安匝数

按照上述过程计算可得，为达到输出功率600W的要求，结合线圈尺寸要求以及仿真得到的线圈自感系数，此处设置安匝数为NpIp=NsIs=30A。

线圈间的能量传输效率可按以下方式计算

式中：Us——副边电压；Rs——副边电阻；Rp——原边电阻；Qp、Qs——分别为原副边线圈的品质因数，Qp=Qs=Q；Q——品质因数设计值。

3.2.2 补偿拓扑原理设计

图6 补偿电路拓扑图Fig.6 Compensation circuit topology

为避免多负载工作状态不同给原边带来影响，在原边采用LCC补偿拓扑，如图6所示。相比于串联-串联和串联-并联等传统谐振补偿拓扑，LCC补偿拓扑具有输出电流不受负载工作状态影响的特点，可实现多发射端-多接收端供电系统的稳定控制，解决了舱内设备供电时负载个数不定、负载工作状态不定的特殊问题。当原边工作在LCC补偿拓扑的固有谐振频率满足下式时

线圈电流为

显然发射线圈中的电流与负载个数或工作状态无关，证明原边采用LCC补偿拓扑能够稳定地给多负载提供能量。

由前文所述可知，当原副边固有谐振频率相同且等于fprimary时，系统输出电流呈现与负载无关的特性，即输出电流恒定。为满足大多数舱内设备恒压供电的需求，设计时将副边LCL补偿拓扑参数进行修改，使其固有谐振频率发生偏移。当副边固有谐振频率满足下列关系时

负载电压仅与供电电压、互感等有关，不受负载影响，系统工作在近似恒压输出模式，负载电压为

可知系统输出特性基本满足舱内设备恒压供电的需求。进一步分析系统整体输入阻抗可知，当原副边固有谐振频率分别为fprimary和fsecondary时，系统输入阻抗呈现纯阻性，一定程度上解决了原边LCC补偿拓扑引起的逆变器输出电流畸变的问题。

4 无缆飞行器的电能和信息一体化无线传输关键技术分析

4.1 高效高速电路拓扑与鲁棒稳定性控制技术

磁耦合无线传输系统的常规电路拓扑，普遍对耦合系数的波动十分敏感，对于电能和信息一体化无线传输系统而言，需要设计具有宽耦合系数适应能力的传输电路拓扑结构，以降低飞行器应用环境中存在的负载模式切换、机械振动导致的耦合机构位置偏移、温度变化等因素引起的系统参数漂移对信息与电能传输的稳定性的影响。同时为进一步保障系统工作的稳定性，引入鲁棒稳定性控制技术，研究基于阻抗匹配和激励源频率调节的自适应复合控制策略，在保证系统软开关可靠工作的前提下，充分发挥阻抗匹配和激励源频率调节的优势，提高系统控制精度、响应速度及扰动适应能力。研究中重点关注控制的预测性和快速性，最大限度保证电能和信息的高质量传输。

4.2 耦合机构机电磁一体化建模与优化设计技术

在飞行器舱内及器地电能和信息一体化无线传输系统中，磁耦合机构是研究的重点之一。磁耦合机构的结构需要简单轻便，以适应飞行器应用的尺寸和重量限制。同时，综合考虑空间形状、外界金属环境、磁场分布及负载间交叉耦合等因素，保证磁耦合机构设计方案在实际应用中的可行性。在初步确定磁耦合机构的方案之后，还需要对磁耦合机构的参数进行优化，综合评价体积、重量、成本、电磁兼容性、电能传输功率和效率、信息传输的稳定性等因素，研究将磁耦合机构机械尺寸、电路以及磁路部分相结合，对机电磁进行一体化正向建模，进而通过逆向参数优化，实现磁耦合机构的最优参数配置。

4.3 信息与电能无线传输系统电磁兼容性技术

信息与电能无线传输系统采用高频磁场传输电能和信息，自身工作频率较高，电磁环境复杂，为保证仪器设备正常工作，电磁兼容(EMC)设计不可或缺。尤其在飞行器舱内，为多金属材料复杂结构，电子无线通信设备众多，需对磁场空间分布进行约束。研究共振耦合场与金属环境相互作用机理，以及降低金属环境影响的磁路优化设计原则，分析与测控系统各无线链路间的电磁相容性。建立复杂金属环境影响下的信息电能传输模型，深入分析金属材料属性(铁磁性金属材料、非铁磁性金属材料)、尺寸、相对空间位置等因素对能量传输磁场空间分布、共振频率、能量传输性能的影响；在此基础上，研究降低金属环境对共振系统传输性能负面影响的措施，维持系统谐振、高效传能的工作状态，实现复杂金属环境影响下的信息电能的高效可靠传输。

5 结束语

采用电能与信息传输一体化设计，将通信系统集成到供电系统中，通过对信息电能同步无线传输技术的研究，可以实现飞行器电气系统的无缆化集成，有效地降低了系统的自重，提高系统的灵活性和可靠性，满足未来飞行器信息化和快速集成发射的要求，具有广阔的应用前景。

同时，该技术的采用也将导致飞行器电气系统的复杂度提高，多专业间的耦合度增强，对系统的协同设计要求更高，因而在技术研究的同时也需要研究其后续在工程应用中对型号研制模式、研制流程和接口关系的影响。