基于無線充電的無人機(jī)充電平臺研究

金昭 夏國華 王瀾

摘 要：由于無人機(jī)電池儲能的不足及充電的復(fù)雜性，本文提出了一種基于無線充電的無人機(jī)充電平臺。首先，對比了多種充電方案的優(yōu)缺點(diǎn);其次，搭建了該平臺的模型并解釋了充放電的具體實(shí)現(xiàn)方法;最后，詳細(xì)說明了互感耦合理論的具體實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);無線充電;互感耦合

中圖分類號：TP3919;V279;V242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）31-0011-03

Research on UAV Charging Platform Based on Wireless Charging

JIN Zhao XIA Guohua WANG Lan

（State Grid Hubei Electric Power Co.， Ltd. Xianning Power Supply Company，Xianning Hubei 437100）

Abstract： Due to the lack of energy storage and charging complexity of the UAV battery， this paper proposed a charging platform based on wireless charging. Firstly， the advantages and disadvantages of various charging schemes were compared; Secondly， the model of the platform was built and the specific implementation method of charging and discharging was explained. Finally， the realization of mutual inductance coupling theory was explained in detail.

Keywords： UAVs;wireless charges;mutual coupling

由于無人機(jī)電池續(xù)航能力差影響無人機(jī)的運(yùn)行，且充電步驟又比較煩瑣，影響工作效率，由此，本文結(jié)合系統(tǒng)負(fù)載時無人機(jī)的性能特點(diǎn)和懸停狀態(tài)下拾取使用電能的獨(dú)特性，對無人機(jī)充電平臺內(nèi)的無人機(jī)懸停的無線充電部分進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

本文通過對各種充電方案進(jìn)行對比分析，建立了充電平臺模型，并對線圈進(jìn)行了研究分析，從多方面驗(yàn)證該方案的可行性。

1 無線充電技術(shù)

1.1 電磁輻射式無線充電技術(shù)

目前，這類技術(shù)通常采用微波功率傳輸（MPT）和激光功率傳輸（LPT）兩種方式實(shí)現(xiàn)，能以較小功率遠(yuǎn)距離傳輸電能[1]。然而，這類技術(shù)在傳輸路徑中找不到障礙物，且局限性較大，應(yīng)用面較小，本文不討論此類技術(shù)。

1.2 電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)

電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)基于電磁感應(yīng)定律，通過形成于原級和次級線圈之間互相耦合的電磁場來進(jìn)行電能傳輸，是一種屬于電磁場近場耦合的無線電能傳輸技術(shù)[2]。但是，該技術(shù)的傳輸距離較短，因此只能適用于小型家電及便攜電子設(shè)備的充電。

1.3 電磁共振式無線充電技術(shù)

與感應(yīng)式無線電能傳輸技術(shù)相比，電磁共振式無線充電技術(shù)增加了兩個共振線圈，這兩個共振線圈自身品質(zhì)因數(shù)[Q]值很高，并且相互耦合[3]。這兩個[Q]值極高的共振線圈，在空間中形成更高強(qiáng)度的磁場，電能可在更遠(yuǎn)的距離進(jìn)行高效傳遞，對人類的影響相對較小，十分可靠和安全[4]。

2 無線充電平臺

2.1 無線充電平臺特征

無線充電產(chǎn)品充電時都需要保持充電原級和次級線圈的相對靜止。而無人機(jī)自重較輕，且受環(huán)境、人為因素的制約，因此，其內(nèi)部充電原級很難保持與電能發(fā)射線圈的相對靜止。由此，對于無人機(jī)無線充電系統(tǒng)，需要考慮無人機(jī)自身的特征，進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，并對懸停情況下的無線電能傳輸進(jìn)行重點(diǎn)分析[5]。

2.2 無線充電平臺模型

該無線充電平臺主要由三部分組成：電能變換裝置、能量發(fā)射線圈和高壓線纜。電能變換裝置直接從高壓線纜取電，先將發(fā)電機(jī)的交流電用整流器變成直流電給蓄電池充電，再將直流電用逆變器變換成電壓和頻率穩(wěn)定的交流電輸出供給負(fù)載使用。耦合機(jī)構(gòu)的互感模型如圖1所示。

無人機(jī)懸停充電時電路會表現(xiàn)出如下特征。

第一，動態(tài)負(fù)載。在空中，無人機(jī)必須與發(fā)射裝置保持相對位置靜止。此時，系統(tǒng)負(fù)載的電動機(jī)輸出功率會發(fā)生改變，對于基于無線電能傳輸技術(shù)的充電系統(tǒng)，則等效為負(fù)載發(fā)生變化，即是一個具有動態(tài)負(fù)載特性的系統(tǒng)。

第二，動態(tài)互感。懸停情況下的無人機(jī)會不斷進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，與能量發(fā)射裝置產(chǎn)生位移，這種位移可能是多方向的。這將直接導(dǎo)致耦合機(jī)構(gòu)間的互感發(fā)生變化，使系統(tǒng)具有動態(tài)互感特性。

第三，耦合機(jī)構(gòu)弱耦合。兩個線圈的耦合程度，即耦合系數(shù)[K]由原級線圈自感系數(shù)[LP]、次級線圈自感系數(shù)[Ls]及原級、初級間的互感系數(shù)[M]共同決定，[K]的表達(dá)式為：

[K=MLPLS]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

筆者希望無人機(jī)懸停充電時與能量發(fā)射線圈的距離越大越好。但是，距離變大，耦合機(jī)構(gòu)間的互感系數(shù)將會變小，當(dāng)距離為耦合機(jī)構(gòu)尺寸的若干倍時，耦合機(jī)構(gòu)間的互感系數(shù)會變得十分小，導(dǎo)致線圈耦合程度較弱，即基于無線充電的無人機(jī)充電平臺是一個具有弱耦合特性的無線電能傳輸系統(tǒng)。

3 互感耦合理論

3.1 互感現(xiàn)象

由電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動勢會隨著穿過線圈的磁力線的變化而變化。某一線圈的磁通會隨著自身電流的變化而改變，從而在線圈中產(chǎn)生自感電動勢，若兩個線圈相距很近，前一線圈的磁力線會穿過另一個線圈。當(dāng)電流改變時，相鄰線圈中的磁力線也會跟著改變，從而在該線圈中形成感應(yīng)電動勢，該現(xiàn)象稱為互感現(xiàn)象。

圖2為耦合機(jī)構(gòu)的互感模型，其中[Lp]是原級線圈，[Ls]是次級線圈，[Ip]和[Is]是原級及次級線圈中的電流值，[M]是原級和次級線圈的互感。當(dāng)原級線圈通入頻率為[ω]的高頻交流電時，線圈周圍會形成高頻的電磁場。當(dāng)次級線圈感應(yīng)到原級線圈發(fā)出的電磁場后，便會產(chǎn)生高頻感應(yīng)電壓，這個電壓由[Ip]決定，大小等于[jωMIp]。同理，原級線圈的電壓由[Is]決定，大小等于-[jωMIp]。通過改變輸入高頻電流的頻率可以提高傳輸電壓及效率。

3.2 諧振補(bǔ)償方式

角頻率會隨著線圈阻抗的增加而增加，從而增加線圈的無功損耗，無功損耗又會影響傳輸功率。為降低無功損耗，增大傳輸功率，需要增加電容進(jìn)行補(bǔ)償，讓整個耦合機(jī)構(gòu)在諧振狀態(tài)下工作。諧振補(bǔ)償方式有兩種，即并聯(lián)補(bǔ)償和串聯(lián)補(bǔ)償。當(dāng)原級和次級線圈采用這兩種補(bǔ)償方式時，可構(gòu)成四種耦合基本拓?fù)洌篠S拓?fù)?、SP拓?fù)洹S拓?fù)?、PP拓?fù)?。四種耦合基本拓?fù)淙鐖D3所示。

帶反射阻抗的原級電路主要包含原邊串聯(lián)諧振和原邊并聯(lián)諧振兩種。其中，次級作用在原級上面的等效阻抗，即反射阻抗，通常用[Zr]表示。

反射阻抗[Zr]是由原級線圈中交流電壓的角頻率和原級線圈與次級線圈之間的互感[M]共同決定的，其關(guān)系式為：

[Zr=ω2M2ZS]? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中，[Zs]是次級線圈的等效阻抗，可根據(jù)式（3）計(jì)算得出。

[Zs=jωLs+1jωCs+R? ? ? 次級串聯(lián)諧振jωLs+1jωCs+1/R? ? ?次級并聯(lián)諧振]? ? ? ? ?（3）

將式（2）代入式（1），可以得到反射阻抗[Zr]的實(shí)部[ReZr]和虛部[ImZr]分別為：

[ReZr=ω2C2SM2R2（ω2CSLS-1）2+ω2C2SR2? ? ?次級串聯(lián)諧振ω2M2R2R2（ω2CSLS-1）2+ω2L2S? ? ?次級并聯(lián)諧振]? ? ? （4）

[ImZr=-ω3CsM2（ω2CsLs-1）（ω2CsLs-1）2+ω2C2sR2? ? ? ? ? ?次級串聯(lián)諧振-ω3M2[CsR2（ω2CsLs-1）+Ls]R2（ω2CsLs-1）2+ω2L2S? ? ? 次級并聯(lián)諧振]? ? ? ?（5）

當(dāng)角頻率為1/[LSCs]時，次級線圈的等效阻抗[Zs]為純阻性，初級線圈傳遞到次級線圈的能量均為有功功率。

4 結(jié)語

為了簡化無人機(jī)充電模式，本文提出了一種無人機(jī)無線充電平臺。首先對比了三種無線充電方案，并對充電平臺的特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)無線電能傳輸具有三個特征：弱耦合、動態(tài)負(fù)載及動態(tài)互感。最后，對充電線圈的互感耦合理論進(jìn)行重點(diǎn)分析，歸納無人機(jī)無線充電所表現(xiàn)出來的特征。

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