無人機的無線電能傳輸研究

駱新然

(西安高新唐南中學,陜西 西安710075)

1 無人機與無線電能傳輸

無人機的優(yōu)點在于小巧便捷,但與此相對應,它的電池注定也不能很大。我們對市面上主流的無人機的電池及其充電特性進行了調研,發(fā)現(xiàn)大部分無人機電池容量在4000～7000m A·h之間,平均在5000～6000m A·h,所以市面上常見的無人機平均續(xù)航時間都在20～40分鐘,平均30分鐘,針對一些服務業(yè)項目還難以滿足,但無線充電技術正好可以滿足這個需求。如果使用無線充電技術,在戶外分布安裝充電平臺,當無人機快沒電時可以飛到最近的平臺上進行充電,通過設置適當的電壓電流,可以讓無人機在較短的時間內完成充電,而且只要能在一定間隔的距離內都安裝充電平臺,就能大大加強無人機的續(xù)航時間,可以讓無人機從事更加遠距離和持久的工作。

目前常見的無線電力傳輸主要有四類,分別是超聲波等非電磁場方式、電磁輻射式、電場耦合式和磁場耦合式。其中超聲波無線電能傳輸技術是將電能轉化為超聲波發(fā)射出去,接收端再將超聲波轉化為電能,其最大缺點是功率小和效率低。電磁輻射式,電場耦合式和磁場耦合式都是利用電磁場效應進行的無線電能傳輸技術。其中電磁輻射式分為無線電波式和激光式,其傳輸距離遠,但需定向裝置,并且對人體的危害明顯。電場耦合式是利用耦合的電場進行電能傳輸,其最大的缺點是傳輸距離短和效率低。磁場耦合式是利用耦合的磁場進行電能傳輸,其最大的特點是傳輸距離較遠,效率較高,其中諧振式效果更為明顯。由于無人機有支架,當?？吭诔潆娖脚_上時,無人機上的充電裝置和充電平臺上的供電裝置會有一定的距離,因此通過比較各種無線電能傳輸技術,我們最終選擇最適合無人機充電的磁場耦合式中的諧振式。

2 無人機的無線電能傳輸設計

在戶外搭建無人機充電平臺,并將電源和無線電能發(fā)射部分安裝在充電平臺中,相應的無線電能接受部分和充電器安裝在無人機上,只有無人機停降在充電平臺上就能夠實現(xiàn)自主無線充電。無人機的無線能量傳輸系統(tǒng)具體拓撲結構如圖1所示,其中包括電網,發(fā)射端整流器,發(fā)射端逆變器,發(fā)射線圈部分,接受線圈部分,接收端整流器,BUCK變換器和無人機電池,下面將逐一介紹。

2.1 發(fā)射端整流部分

發(fā)射端整流部分如圖1第一部分所示,它是由四個二極管組成的不控全橋整流器,能夠實現(xiàn)將交流輸入變?yōu)橹绷鬏敵龅腁C/DC功能。這里輸入的是單相220V交流電網,得到的輸出是310V左右的直流電壓。

圖1 拓撲圖

2.2 發(fā)射端逆變部分

發(fā)射端逆變部分如圖1第二部分所示,它是由4個開關管組成的全控H橋逆變器。它能夠將直流電變成交流電,實現(xiàn)逆變功能,得到高頻交流電輸出給發(fā)射線圈部分。這里開關頻率為100k Hz,而控制采用50%占空比的PWM。

2.3 諧振部分

諧振部分如圖1第三部分所示,分為發(fā)射和接收部分,兩部分線圈及其諧振電容的諧振頻率都為100k Hz,在發(fā)生諧振時兩個線圈之間能夠得到很高的傳輸效率,并實現(xiàn)較遠距離的能量傳輸。由于諧振頻率為

當選取電容值為1μF時,可以算出線圈電感為：

2.4 接收端整流部分

接收端整流部分如圖1第四部分所示,它同樣是由四個二極管組成的不控整流橋,能夠實現(xiàn)將交流輸入變?yōu)橹绷鬏敵龅腁C/DC功能。這里輸入的是接受線圈輸出的高頻交流電,輸出的是較高電壓的直流電。其輸出的電壓相對于無人機電池太高,所以不能對無人機直接進行充電。

2.5 接收端降壓部分

接收端降壓部分如圖1第五部分所示,因為根據表1無人機能夠接受的充電電壓不到20V,而前面整流端得到的電壓太高,需要進行直流降壓。這一部分電路是由一個開關管和一個二極管等組成的BUCK直流降壓變換器,可以將較高的輸入電壓變成適合無人機的較低電壓,并可以自由控制充電電流和電壓。

3 仿真分析

為了驗證上述無人機無線充電系統(tǒng)的可行性和有效性,我們在MATLAB/SIMULINK中搭建的一個完整的仿真模型。假設無人機蓄電池為容量為5500m A·h,充電電壓為17V,若充電電流為17A,則最快只需要20分鐘左右即可基本充滿。

電路中諧振線圈的電壓的仿真結果如圖2中左圖所示,可以看出電壓波形都很接近正弦,正是因為變換器的開關頻率為100k Hz,使諧振電感和電容發(fā)生了諧振。

圖2 諧振電壓波形

圖3 輸出電壓波形

最后電池的充電電壓的仿真結果如圖3所示,可以看到充電電壓也很好地穩(wěn)定在17V,達到了預定的設計效果。

從所有仿真結果可以看出整個無人機的無線充電系統(tǒng)運行良好,可以實現(xiàn)給無人機無線快速充電的功能,驗證了本文提出的采用無線電能傳輸技術的無人機自主充電方案。

4 結論

針對無人機電池容量小,續(xù)航時間較短的問題,本文提出了應用無線電力傳輸的解決方式,該方案在戶外分步安裝無線充電平臺,無人機電量較低時可以?？吭诟郊钠脚_上快速充電。為此分析了無人機無線電能傳輸的可行性,設計并搭建了較為完整的無線充電仿真模型,實驗結果證明表明該方案有效可行。該方案可以在不改變電池重量和無人機重量的基礎上大大增加無人機的飛行時間和飛行距離,相信未來無人機的使用價值可以進一步提高。

[1]何茜,朱棟山,潘銀松.無線電能傳輸系統(tǒng)原理分析與設計[J].微型機與應,2009,(23)：60-62.

[2]何秀,顏國正,馬官營.互感系數的影響因素及其對無線能量傳輸系統(tǒng)效率的影響[J].測控技術2007,26(11)：57-59.

[3]趙爭鳴,張藝明,陳凱楠.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術新進展[J].中國電機工程學報,2013,3(3)：1-13.

[4]傅旻帆,張統(tǒng),馬澄斌等.磁共振式無線電能傳輸的基礎研究與前景展望[J].電工技術學報,2015,30(S1)：256-262.