F6系統(tǒng)無線電能傳輸?shù)膬?yōu)化分析

摘要：實(shí)現(xiàn)航天器模塊之間的電能傳輸，對未來衛(wèi)星的設(shè)計(jì)將產(chǎn)生重要的影響，而無線電能傳輸技術(shù)被認(rèn)為是F6(分離模塊)系統(tǒng)中成熟度最低的技術(shù)。采用電流型諧振耦合傳輸系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)的電能傳輸效率特性，提出了加入阻抗變換電路來改變負(fù)載等效阻抗的方法，改善了系統(tǒng)的電能傳輸效率。
關(guān)鍵詞：F6系統(tǒng)；阻抗變換；效率優(yōu)化；Buck-Boost電路

0 引言
“分離模塊航天器”(F6)英文全稱為：Future，F(xiàn)ast，F(xiàn)lexible，F(xiàn)ractionated，F(xiàn)ree-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(tǒng)組成決定了單個(gè)分離模塊提供的能量不能滿足大功率設(shè)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(tǒng)的重要組成部分，也是分離模塊系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的保障。
在研究無線電能傳輸機(jī)理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建系統(tǒng)分析的等效互感模型，對各種諧振拓?fù)浜凸ぷ髂Ｊ较碌碾娔軅鬏斚到y(tǒng)的傳輸特性進(jìn)行了全面分析，給出了一種適用于諧振耦合電能傳輸系統(tǒng)的分析方法，采用Buck-Boost電路進(jìn)行優(yōu)化等效阻抗，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)電能輸出的性能的最優(yōu)化。

1 電流型諧振耦合傳輸系統(tǒng)
諧振耦合電能傳輸技術(shù)利用了電磁感應(yīng)理論與松耦合變壓器理論，結(jié)合了當(dāng)今最新的電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電能的非接觸式傳輸，典型的磁諧振耦合電能傳輸技術(shù)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)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(wěn)壓部分、用電設(shè)備的供電控制部分等五部分組成。為了減少系統(tǒng)的無功功率容量，提高系統(tǒng)的傳輸效率，通常對原、副邊電感采用諧振補(bǔ)償?shù)姆绞絹硖岣呦到y(tǒng)傳輸效率，但是采用補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以后系統(tǒng)很容易發(fā)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(nèi)阻、開關(guān)損耗、負(fù)載阻抗變化等。這些因素在頻率較低時(shí)對傳輸效率的影響不明顯，但系統(tǒng)高頻(MHz)工作時(shí)它們的影響卻不能忽視。其中，線圈內(nèi)阻和開關(guān)損耗都能改進(jìn)，負(fù)載阻抗的變化則需要通過特定的電路設(shè)計(jì)來優(yōu)化。

2 基于阻抗變換的效率優(yōu)化
在接收電路之后加入整流和Buck-Boost環(huán)節(jié)，如圖2所示。副邊接收電壓經(jīng)過電容Cs諧振補(bǔ)償，再經(jīng)過整流濾波電路之后，得到直流電U1，該直流電經(jīng)過Buck-Boost環(huán)節(jié)后給負(fù)載RL供電，其輸出電壓為Uo。其中，Ropt是諧振網(wǎng)絡(luò)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。