航天器多通道近场无线能量传输系统设计

刘治钢; 朱立颖; 张晓峰; 杨世春; 刘卿君

doi:10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0174

航天器多通道近场无线能量传输系统设计

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0174

刘治钢¹,
朱立颖^1, ,,
张晓峰¹,
杨世春²,
刘卿君^{2, 3}

1.
北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094
2.
北京航空航天大学交通科学与工程学院, 北京 100083
3.
北京林业大学工学院, 北京 100083

详细信息

作者简介:
刘治钢男, 博士, 高级工程师。主要研究方向:航天器电源技术

朱立颖女, 博士, 高级工程师。主要研究方向:航天器电源技术

通讯作者:
朱立颖, E-mail:350909269@qq.com

中图分类号: V19;TM46
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出版历程
- 收稿日期: 2019-04-22
- 录用日期: 2019-07-05
- 网络出版日期: 2020-01-20

Design of spacecraft multi-channel near-field wireless energy transfer system

1.
Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China
2.
School of Transportation Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100083, China
3.
School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

More Information

Corresponding author: ZHU Liying, E-mail:350909269@qq.com

摘要

摘要:
针对航天领域空间交会对接、航天器配电、在轨服务与维护等领域对无缆化的需求，提出了多通道近场无线能量传输系统，建立了多通道磁耦合近场无线能量传输系统数学模型，分析了影响系统传输效率的重要参数，并对关键参数对系统效率的影响进行了仿真分析。通过线圈高效耦合设计，实现了多通道近场无线能量传输系统的效率最优。所提系统解决了能量的无线传输，并实现多负载接收的问题。通过一台1 000 W多通道近场无线能量传输样机进行了实验研究，结果表明，所提多通道近场无线能量传输装置具有传输效率高的特点，解决了航天器无线能量传输的多负载问题。
- 大功率 /
- 高效率 /
- 升降压变换器 /
- 控制 /
- 过渡
Abstract:
For the non-cable requirement in space rendezvous and docking, spacecraft power distribution, and on-orbit service and maintenance, the multi-channel near-field wireless energy transmission system is proposed. The multi-channel magnetic coupling near-field wireless energy transmission mathematical model is established, the important parameters that affect the transmission efficiency of the system are analyzed, and the simulation analysis of the influence of key parameters on system efficiency is carried out. Through the efficient coupling design of the coil, the efficiency of the near-field wireless energy transmission system is optimized. The multi-channel near-field wireless energy transmission system proposed in this paper solves the problem of wireless transmission of energy and realization of multi-load reception. Finally, an experimental study was carried out on a 1 000 W multi-channel near-field wireless energy transmission prototype. The experimental results show that the proposed multi-channel near-field wireless transmission device has high transmission efficiency and solves the multi-load problem of spacecraft wireless energy transmission.
- high power /
- high efficiency /
- step-up/step-down converter /
- control /
- transition

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图 1 多通道近场无线能量传输系统

Figure 1. Multi-channel near-field wireless energy transfer system

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图 2 多通道近场无线能量传输系统等效电路模型

Figure 2. Multi-channel near-field wireless energy transfer system equivalent circuit model

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图 3 多通道近场无线能量传输系统的MATLAB电路仿真模型

Figure 3. MATLAB circuit simulation model of multi-channel near-field wireless energy transfer system

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图 4 副边电压曲线

Figure 4. Secondary voltage curve

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图 5 副边电流曲线

Figure 5. Secondary current curve

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图 6 传输效率曲线

Figure 6. Transmission efficiency curve

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图 7 多通道近场无线能量传输系统磁场仿真模型

Figure 7. Magnetic field simulation model of multi-channel near-field wireless energy transfer system

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图 8 线圈磁通密度主视图

Figure 8. Coil flux density main view

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图 9 线圈磁通密度俯视图

Figure 9. Coil flux density top view

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图 10 多通道近场无线能量传输系统实物图

Figure 10. Photo of multi-channel near-field wireless energy transfer system

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图 11 圆盘形线圈示意图

Figure 11. Schematic diagram of a disc coil

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图 12 长方形跑道形线圈

Figure 12. Rectangle-racetrack coil

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图 13 非同轴线圈模型

Figure 13. Non-coaxial coil model

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图 14 实际绕制的原副边线圈实物图

Figure 14. Actually wound original secondary coil photo

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图 15 输入端电压电流波形

Figure 15. Waveforms of input voltage and current

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图 16 输出端电压电流波形

Figure 16. Waveforms of output voltage and current

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图 17 单线圈位置变化传输效率

Figure 17. Single coil position change transmission efficiency

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图 18 单线圈空间变化传输效率

Figure 18. Transmission efficiency when single coil space change

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图 19 双线圈负载变化传输效率

Figure 19. Transmission efficiency of double coil when load change

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表 1 系统参数

Table 1. System parameters

参数	数值
工作频率/kHz	50
初级线圈1输入电压/V	100±10
初级线圈1输入电流/A	0~10
次级线圈2输出功率/W	50~300
次级线圈2输出电压/V	28±1
次级线圈3输出功率/W	300~500
次级线圈3输出电压/V	42±1

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表 2 线圈尺寸参数

Table 2. Coil size parameters

参数	线圈1	线圈2	线圈3
外径D₀/mm	238	238	238
内径D₁/mm	167.4	105	105
线圈层数c	2	2	2
线径d/mm	3.5	3.5	3.5
单层线圈匝数N	8	15	15

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表 3 线圈距离参数

Table 3. Coil distance parameters

相对的线圈	横向距离t/mm	径向距离h/mm
1和2	119	100
1和3	119	100
2和3	238	0

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表 4 单线圈水平移动实验结果

Table 4. Single coil horizontal movement experimental results

原边		横向位置	副边1		传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
电压/V	电流/A	横向位置	电压/V	电流/A	传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
100	7.87	0	77.80	7.57	74.83	70.34
100	10.17	1/4	90.50	8.63	75.96	71.40
100	10.50	3/8	91.93	8.77	76.76	72.15
100	9.43	1/2	87.13	8.43	77.90	73.22
100	9.37	5/8	86.17	8.23	75.74	71.20
100	8.20	3/4	80.07	7.73	75.51	70.98
100	7.47	0	76.93	7.30	75.22	70.70

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表 5 单线圈轴向移动实验结果1

Table 5. Single coil axial movement experimental results 1

原边		横向距离/cm	副边1		传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
电压/V	电流/A	横向距离/cm	电压/V	电流/A	传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
100	8.03	5	84.03	8.03	84.03	78.99
100	7.83	10	77.50	7.40	73.21	68.82
100	4.27	15	48.70	4.60	52.50	49.35
100	3.47	20	30.07	2.80	24.28	22.83

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表 6 单线圈轴向移动实验结果2

Table 6. Single coil axial movement experimental results 2

原边		横向距离/cm	副边1		传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
电压/V	电流/A	横向距离/cm	电压/V	电流/A	传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
100	7.13	5	80.10	7.57	84.97	79.87
100	8.73	10	84.33	7.93	76.61	72.01
100	5.03	15	56.27	5.27	58.88	55.35
100	3.03	20	35.17	3.23	37.49	35.24

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表 7 单线圈轴向移动实验结果3

Table 7. Single coil axial movement experimental results 3

原边		横向距离/cm	副边1		传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
电压/V	电流/A	横向距离/cm	电压/V	电流/A	传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
100	7.73	5	82.27	7.77	82.62	77.66
100	8.97	10	85.37	8.03	76.48	71.89
100	5.47	15	59.47	5.53	60.19	56.58
100	3.27	20	37.53	3.43	39.45	37.08

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表 8 双线圈轴向移动实验结果

Table 8. Double coils' axial movement experimental results

原边			副边1			副边2		传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
电压/V	电流/A	横向距离/cm	电压/V	电流/A	横向距离/cm	电压/V	电流/A	传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
100	5.40	5	46.37	4.33	5	51.97	4.87	84.04	79.00
100	7.53	5	70.67	6.83	10	39.47	3.67	83.34	78.34
100	7.80	5	78.67	7.63	15	24.43	2.17	83.75	78.73
100	7.80	5	81.33	7.83	20	14.30	1.20	83.84	78.81
100	9.90	10	65.33	6.27	10	61.53	5.70	76.80	72.19
100	8.33	10	70.67	6.77	15	38.30	3.47	73.39	68.99
100	7.37	10	70.33	6.73	20	23.37	2.03	70.66	66.42
100	6.20	15	47.40	4.53	15	42.97	3.90	61.66	57.96
100	4.97	15	47.83	4.57	20	25.73	2.27	55.73	52.39
100	3.83	20	30.93	2.90	20	28.50	2.57	42.54	39.99
注:副边线圈加入DC-DC变换器调节电压后, 使接收端电压分别为:(28±1) V和(42±1) V。

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表 9 双线圈负载变化实验结果

Table 9. Double coils' load change experimental results

原边		副边1			副边2			传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
电压/V	电流/A	电压/V	电流/A	电阻/Ω	电压/V	电流/A	电阻/Ω	传输效率/%	加入DC-DC变换器后的传输效率/%
100	9.10	49.20	9.37	5	52.70	4.90	10	79.02	74.28
100	9.90	65.33	6.27	10	61.53	5.70	10	76.80	72.19
100	10.10	71.00	4.50	15	70.97	6.73	10	78.94	74.20
100	10.73	75.40	4.17	20	74.53	7.03	10	78.11	73.42
100	9.83	76.33	3.13	25	75.60	6.90	10	77.37	72.73
100	9.73	77.67	2.47	30	76.67	7.37	10	77.71	73.05

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