应用于无人机的无线充电技术研究

　　摘要：针对无人机有线充电不便利、需要人工干预的问题，采用磁耦合谐振式无线充电技术，设计一种无人机无线充电系统。提出一种适用于无人机无线充电耦合装置，其发射装置具有双极性磁场特性，接收装置采用在小型铁氧体条上绕制线圈的方式，接收装置装设在起落架底端。利用有限元分析方法分析耦合装置磁场分布，发现磁场被约束在接收装置附近，避免无线充电系统对无人机产生漏磁干扰。

　　根据系统恒压输出要求选择原边LCL一副边串联补偿拓扑，建立系统电路数学模型，获得输入输出电压关系，以指导系统参数设计。搭建样机系统，结果表明：系统实测与电路模型计算理论值一致;所设计系统可以在错位30mm的范围内对80w无人机正常充电。

　　关键词：无人机;无线充电;磁耦合谐振;耦合装置;补偿

　　《中国无线电》(月刊)创刊于1990年，由工业和信息化部主管。杂志紧紧依托国家无线电管理机构，以为无线电管理机构服务为宗旨，是无线电管理机构的重要喉舌和宣传阵地。

　　0引言

　　无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)具有高灵活性的优点，已经在侦查、勘测、巡检、救援等领域发挥重要作用。受负重能力的限制，无人机搭载电池容量有限，续航能力不足、巡航范围受限成为限制无人机进一步发展的瓶颈问题之一。目前，无人机充电主要依赖于人工手动插拔插头的方式，这种方式降低了无人机的作业范围，即使利用中继充电站对无人机进行电能补给也无法摆脱充电过程中人的作用。而且，传统接触式充电方式自动化程度低，降低了无人机的工作效率，也无法实现无人机无人值守的目标。无线充电技术避免了导线的直接接触，省去了人工插拔插头的步骤，为无人机充电过程实现全自动提供了可能。

　　磁耦合谐振式无线充电是无线充电领域应用最为广泛的一种方式，其基本原理是在原边发射线圈通人交变励磁电流后产生交变磁场，完成电能到磁能的转变，该交变磁场与接收线圈耦合后感生出电动势，实现磁能到电能的转化，最终以非导线直接接触的方式实现电能传递。此外，通过调整电路参数，使发射端和接收端工作在相同的谐振频率下，可以提高系统的电能传递能力及效率。当前，已有一些学者尝试对无人机进行无线充电，以提高无人机作业范围、实现其无人值守。

　　韩国庆尚大学将发射线圈和接收线圈设计为平面空心线圈，接收线圈装设在机架侧面，实现充电功率51w，最大效率63.4%。印度学者采用沿无人机机架四周绕制空心线圈的方式，实现35W、效率71%的无人机无线充电。意大利罗马大学采用将空心平面接收线圈装设在无人机腹部的方式，在对准良好的条件下实现功率70w、效率89%的电能传递。

　　受接收线圈装配位置的影响，以上几种方案的接收线圈与发射线圈之间距离较远，耦合能力弱，而高的耦合能力是确保系统高效率无线传输电能的基础。为提高耦合能力，香港城市大学采用沿无人机起落架底端四周绕制接收线圈的方式。这种方式提高了耦合能力，但只能针对腹部没装设云台或其他作业设备的无人机。如果无人机装设这些设备，设备会直接暴露在耦合装置的交变磁场中，影响设备性能，甚至遭到损坏。同样，之前提到的几种方案也存在耦合装

　　置与无人机之问的漏磁干扰问题。对于以上问题，F.Maradei提出在起落架底端装设一个小平面线圈的方案，该方案既适用于无人机腹部装设设备的无人机，也有高的耦合能力，但对于错位的容忍能力低，需要通過外加辅助设备移动发射装置实现精确对准。

　　为扩大无人机巡航范围、实现无人值守、提高无人机工作效率，有必要研究无人机无线充电技术。搭载云台或其他设备是无人机完成侦查、巡检等任务的必要手段，必须考虑无线充电系统与无人机设备之间的漏磁干扰问题。为保证充电性能的可靠性，耦合装置必须具备一定容忍错位的能力。因此，设计一种对于错位容忍能力强，同时又能有效约束磁场，避免对无人机产生漏磁干扰的无线充电系统就显得尤为重要。基于以上问题，本文将提出一种应用于无人机无线充电的耦合装置，分析该装置磁场分布以及对于错位的敏感性;设计无人机的无线充电系统拓扑结构，并建模分析，利用模型设计系统参数;最终，搭建样机并测试系统性能。

　　1无人机无线充电系统设计

　　典型的无线充电系统如图1所示，其主要包含3部分。原边激励电路产生10～100kHz的正弦电流，此正弦高频电流通过原边发射装置后激励出交变磁场。副边接收装置通过磁场耦合方式接收原边发出的电能，从而实现电能的无线传输。副边电能处理电路先将交流电变换成电池需要的直流电，再经过DC-DC及电池管理电路后给电池充电。

　　原边直流电源为整个系统提供电能，其可以由市电整流得到，也可以直接由蓄电池来充当。考虑到无人机巡航路线中部分区域离电网较远，需要使用新能源发电加蓄电池储能的方式作为充电站电源，本文采用48V直流电源进行供电。逆变电路实现直流到交流的电能转换，其主要有2种结构，即电压型逆变电路和电流型逆变电路。电流型逆变电路具备短路保护能力，并且电感的寿命比电解电容寿命长。

　　相比电流型逆变电路来说，电压型逆变电路只需要在直流侧并接大电容就可实现，制作成本低，所以本文采用电压型逆变电路。相比于传统电机、变压器等强耦合系统来说，用于无线充电系统的耦合装置漏感较大，如果不进行补偿，将会有较大的无功功率流过逆变电路，这既会增加系统损耗，同时也增加了器件应力。通过在发射端添加补偿电路，可使逆变电路电压和电流同相位，从而避免无功功率流经逆变桥引起额外损耗;通过在接收端添加补偿电路，可有效提升电能传递能力。本次系统设计的详细要求如表1所示，无人机采用的电池电压为14.8V，最大充电电流5.2A。DC-DC及电池管理电路正常工作要求的输入电压范围为10～18V。

　　无线充电系统常用的4种基本补偿方式有：原边串联一副边串联(series-series，SS)、原边串联一副边并联(series-parallel，SP)、原边并联一副边串联(parallel-series，PS)、原边并联一副边并联(parallel-parallel，PP)。并联补偿由于电容的作用，电压无法突变，在采用电压型逆变桥时需采用SS或SP补偿方式。sP补偿方式存在反映电抗，而且该反映电抗与负载电阻相关，系统充电过程中会改变电路功率因数，影响系统效率;ss补偿只有纯阻性的反映电阻，系统功率因数不受负载电阻影响。

　　但SS输出是恒流特性，而本文无人机无线充电系统的DC-DC及电池管理电路要求有较稳定的电压，即要求系统具有恒压输出特性。对比之下，本文在发射端选用电感一电容一电感(inductor-capaci-tor-inductor，LCL)混合补偿方式，该补偿方式优势在于：工作在谐振状态时，输出励磁电流不受负载电阻和耦合系数的影响。

　　此外，LCL补偿的功率因数不受耦合系数、负载等参数变化的影响，能在恒频控制方式下保持逆变桥高效率工作。当耦合装置原边发射线圈通入恒定励磁电流后，副边采用并联补偿即可恒流输出，副边采用串联补偿即可恒压输出，因此本文采用原边LCL一副边串联(LCL-S)的补偿拓扑。本文采用的无线充电系统电路拓扑结构如图2所示。添加补偿电容C1是为得到相应的输入与输出电压增益，其还能防止直流成分流过耦合装置引起磁芯饱和，该部分将在后文进一步分析。

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文章名称： 应用于无人机的无线充电技术研究

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