應(yīng)用于無人機的無線充電技術(shù)研究

馬秀娟 武帥 蔡春偉 秦沐 楊子

摘要：針對無人機有線充電不便利、需要人工干預(yù)的問題，采用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)，設(shè)計一種無人機無線充電系統(tǒng)。提出一種適用于無人機無線充電耦合裝置，其發(fā)射裝置具有雙極性磁場特性，接收裝置采用在小型鐵氧體條上繞制線圈的方式，接收裝置裝設(shè)在起落架底端。利用有限元分析方法分析耦合裝置磁場分布，發(fā)現(xiàn)磁場被約束在接收裝置附近，避免無線充電系統(tǒng)對無人機產(chǎn)生漏磁干擾。根據(jù)系統(tǒng)恒壓輸出要求選擇原邊LCL一副邊串聯(lián)補償拓撲，建立系統(tǒng)電路數(shù)學(xué)模型，獲得輸入輸出電壓關(guān)系，以指導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計。搭建樣機系統(tǒng)，結(jié)果表明：系統(tǒng)實測與電路模型計算理論值一致;所設(shè)計系統(tǒng)可以在錯位30mm的范圍內(nèi)對80w無人機正常充電。

關(guān)鍵詞：無人機;無線充電;磁耦合諧振;耦合裝置;補償

DoI：10.15938/j.emc.2019.08.001

中圖分類號：TM12文獻標志碼：A 文章編號：1007-449X（2019）08-0001-09

0引言

無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）具有高靈活性的優(yōu)點，已經(jīng)在偵查、勘測、巡檢、救援等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。受負重能力的限制，無人機搭載電池容量有限，續(xù)航能力不足、巡航范圍受限成為限制無人機進一步發(fā)展的瓶頸問題之一。目前，無人機充電主要依賴于人工手動插拔插頭的方式，這種方式降低了無人機的作業(yè)范圍，即使利用中繼充電站對無人機進行電能補給也無法擺脫充電過程中人的作用。而且，傳統(tǒng)接觸式充電方式自動化程度低，降低了無人機的工作效率，也無法實現(xiàn)無人機無人值守的目標。無線充電技術(shù)避免了導(dǎo)線的直接接觸，省去了人工插拔插頭的步驟，為無人機充電過程實現(xiàn)全自動提供了可能。

磁耦合諧振式無線充電是無線充電領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種方式，其基本原理是在原邊發(fā)射線圈通人交變勵磁電流后產(chǎn)生交變磁場，完成電能到磁能的轉(zhuǎn)變，該交變磁場與接收線圈耦合后感生出電動勢，實現(xiàn)磁能到電能的轉(zhuǎn)化，最終以非導(dǎo)線直接接觸的方式實現(xiàn)電能傳遞。此外，通過調(diào)整電路參數(shù)，使發(fā)射端和接收端工作在相同的諧振頻率下，可以提高系統(tǒng)的電能傳遞能力及效率。當(dāng)前，已有一些學(xué)者嘗試對無人機進行無線充電，以提高無人機作業(yè)范圍、實現(xiàn)其無人值守。韓國慶尚大學(xué)將發(fā)射線圈和接收線圈設(shè)計為平面空心線圈，接收線圈裝設(shè)在機架側(cè)面，實現(xiàn)充電功率51w，最大效率63.4%。印度學(xué)者采用沿?zé)o人機機架四周繞制空心線圈的方式，實現(xiàn)35W、效率71%的無人機無線充電。意大利羅馬大學(xué)采用將空心平面接收線圈裝設(shè)在無人機腹部的方式，在對準良好的條件下實現(xiàn)功率70w、效率89%的電能傳遞。受接收線圈裝配位置的影響，以上幾種方案的接收線圈與發(fā)射線圈之間距離較遠，耦合能力弱，而高的耦合能力是確保系統(tǒng)高效率無線傳輸電能的基礎(chǔ)。為提高耦合能力，香港城市大學(xué)采用沿?zé)o人機起落架底端四周繞制接收線圈的方式。這種方式提高了耦合能力，但只能針對腹部沒裝設(shè)云臺或其他作業(yè)設(shè)備的無人機。如果無人機裝設(shè)這些設(shè)備，設(shè)備會直接暴露在耦合裝置的交變磁場中，影響設(shè)備性能，甚至遭到損壞。同樣，之前提到的幾種方案也存在耦合裝置與無人機之問的漏磁干擾問題。對于以上問題，F(xiàn).Maradei提出在起落架底端裝設(shè)一個小平面線圈的方案，該方案既適用于無人機腹部裝設(shè)設(shè)備的無人機，也有高的耦合能力，但對于錯位的容忍能力低，需要通過外加輔助設(shè)備移動發(fā)射裝置實現(xiàn)精確對準。

為擴大無人機巡航范圍、實現(xiàn)無人值守、提高無人機工作效率，有必要研究無人機無線充電技術(shù)。搭載云臺或其他設(shè)備是無人機完成偵查、巡檢等任務(wù)的必要手段，必須考慮無線充電系統(tǒng)與無人機設(shè)備之間的漏磁干擾問題。為保證充電性能的可靠性，耦合裝置必須具備一定容忍錯位的能力。因此，設(shè)計一種對于錯位容忍能力強，同時又能有效約束磁場，避免對無人機產(chǎn)生漏磁干擾的無線充電系統(tǒng)就顯得尤為重要?；谝陨蠁栴}，本文將提出一種應(yīng)用于無人機無線充電的耦合裝置，分析該裝置磁場分布以及對于錯位的敏感性;設(shè)計無人機的無線充電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，并建模分析，利用模型設(shè)計系統(tǒng)參數(shù);最終，搭建樣機并測試系統(tǒng)性能。

1無人機無線充電系統(tǒng)設(shè)計

典型的無線充電系統(tǒng)如圖1所示，其主要包含3部分。原邊激勵電路產(chǎn)生10～100kHz的正弦電流，此正弦高頻電流通過原邊發(fā)射裝置后激勵出交變磁場。副邊接收裝置通過磁場耦合方式接收原邊發(fā)出的電能，從而實現(xiàn)電能的無線傳輸。副邊電能處理電路先將交流電變換成電池需要的直流電，再經(jīng)過DC-DC及電池管理電路后給電池充電。原邊直流電源為整個系統(tǒng)提供電能，其可以由市電整流得到，也可以直接由蓄電池來充當(dāng)?？紤]到無人機巡航路線中部分區(qū)域離電網(wǎng)較遠，需要使用新能源發(fā)電加蓄電池儲能的方式作為充電站電源，本文采用48V直流電源進行供電。逆變電路實現(xiàn)直流到交流的電能轉(zhuǎn)換，其主要有2種結(jié)構(gòu)，即電壓型逆變電路和電流型逆變電路。電流型逆變電路具備短路保護能力，并且電感的壽命比電解電容壽命長。相比電流型逆變電路來說，電壓型逆變電路只需要在直流側(cè)并接大電容就可實現(xiàn)，制作成本低，所以本文采用電壓型逆變電路。相比于傳統(tǒng)電機、變壓器等強耦合系統(tǒng)來說，用于無線充電系統(tǒng)的耦合裝置漏感較大，如果不進行補償，將會有較大的無功功率流過逆變電路，這既會增加系統(tǒng)損耗，同時也增加了器件應(yīng)力。通過在發(fā)射端添加補償電路，可使逆變電路電壓和電流同相位，從而避免無功功率流經(jīng)逆變橋引起額外損耗;通過在接收端添加補償電路，可有效提升電能傳遞能力。本次系統(tǒng)設(shè)計的詳細要求如表1所示，無人機采用的電池電壓為14.8V，最大充電電流5.2A。DC-DC及電池管理電路正常工作要求的輸入電壓范圍為10～18V。

無線充電系統(tǒng)常用的4種基本補償方式有：原邊串聯(lián)一副邊串聯(lián)（series-series，SS）、原邊串聯(lián)一副邊并聯(lián)（series-parallel，SP）、原邊并聯(lián)一副邊串聯(lián)（parallel-series，PS）、原邊并聯(lián)一副邊并聯(lián)（parallel-parallel，PP）。并聯(lián)補償由于電容的作用，電壓無法突變，在采用電壓型逆變橋時需采用SS或SP補償方式。sP補償方式存在反映電抗，而且該反映電抗與負載電阻相關(guān)，系統(tǒng)充電過程中會改變電路功率因數(shù)，影響系統(tǒng)效率;ss補償只有純阻性的反映電阻，系統(tǒng)功率因數(shù)不受負載電阻影響。但SS輸出是恒流特性，而本文無人機無線充電系統(tǒng)的DC-DC及電池管理電路要求有較穩(wěn)定的電壓，即要求系統(tǒng)具有恒壓輸出特性。對比之下，本文在發(fā)射端選用電感一電容一電感（inductor-capaci-tor-inductor，LCL）混合補償方式，該補償方式優(yōu)勢在于：工作在諧振狀態(tài)時，輸出勵磁電流不受負載電阻和耦合系數(shù)的影響。此外，LCL補償?shù)墓β室驍?shù)不受耦合系數(shù)、負載等參數(shù)變化的影響，能在恒頻控制方式下保持逆變橋高效率工作。當(dāng)耦合裝置原邊發(fā)射線圈通入恒定勵磁電流后，副邊采用并聯(lián)補償即可恒流輸出，副邊采用串聯(lián)補償即可恒壓輸出，因此本文采用原邊LCL一副邊串聯(lián)（LCL-S）的補償拓撲。本文采用的無線充電系統(tǒng)電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。添加補償電容C1是為得到相應(yīng)的輸入與輸出電壓增益，其還能防止直流成分流過耦合裝置引起磁芯飽和，該部分將在后文進一步分析。

2耦合裝置設(shè)計

2.1耦合裝置的提出

耦合裝置對于無線充電系統(tǒng)至關(guān)重要，耦合裝置決定了系統(tǒng)的耦合能力，從而決定了系統(tǒng)的電能傳遞能力;耦合裝置的幾何形狀決定了磁場分布，進一步?jīng)Q定了無線充電系統(tǒng)對無人機的漏磁干擾水平;耦合裝置對于錯位的敏感性決定了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。相比于電動汽車無線充電的耦合裝置來說，無人機對耦合裝置的體積與重量有嚴格要求，大的體積與重量都可能會引起無人機續(xù)航能力降低、機身不平衡等問題，因此無人機無線充電系統(tǒng)對耦合裝置要求更為苛刻。耦合裝置之間的氣隙是決定耦合能力的一個關(guān)鍵因素，為了提高耦合能力，本文將耦合裝置放置在無人機起落架底端。但小的氣隙容易引起耦合裝置對非對準情況的過度敏感，即耦合裝置在小范圍錯位時耦合裝置自感、互感參數(shù)發(fā)生大的波動，此時要保證系統(tǒng)正常工作，就需要采用變頻控制等更復(fù)雜的控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)，這無疑增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。針對于此，本文提出一種適用于無人機的雙極性耦合裝置，如圖3所示。該耦合裝置即使在小氣隙時也能保證耦合裝置參數(shù)穩(wěn)定，這樣提高了耦合能力，降低了漏磁，也能保證使用簡單的恒頻控制系統(tǒng)完成無線充電。

發(fā)射裝置由發(fā)射線圈以及放置在發(fā)射線圈下的鐵氧體磁芯構(gòu)成。發(fā)射線圈分成2個平面螺旋線圈，并且2個線圈的電流走向相反，如圖4所示，發(fā)射線圈中的一個平面螺旋線圈電流方向為順時針方向，另一個平面螺旋線圈的電流方向為逆時針方向。相反的電流走向使得發(fā)射線圈內(nèi)部磁場有2個方向，即一個平面螺旋線圈內(nèi)部磁場垂直線圈平面向上、另一個平面螺旋線圈內(nèi)部磁場垂直線圈平面向下，發(fā)射裝置磁場具有雙極性特性。在發(fā)射線圈下放置鐵氧體磁芯，可以減小磁路磁阻，提高耦合能力，同時降低系統(tǒng)漏磁。

接收裝置裝設(shè)在起落架底端，其采用了小的I型鐵氧體磁芯，外側(cè)繞制接收線圈。由于接收裝置中放置了鐵氧體，鐵氧體磁阻比空氣中小很多，所以發(fā)射線圈中的一個平面螺旋線圈發(fā)射出的磁通絕大多數(shù)會經(jīng)由接收裝置的鐵氧體進入發(fā)射線圈的另一個平面螺旋線圈內(nèi)部。發(fā)射線圈下方也放置了鐵氧體，最終構(gòu)成整個主磁路，耦合裝置的主磁路如圖4所示。由于接收線圈繞制在接收端的鐵氧體上，當(dāng)上述交變磁通穿過接收端的鐵氧體時，也就穿過了接收線圈，從而實現(xiàn)電能的無線傳輸。

發(fā)射裝置的2個平面螺旋線圈通過串聯(lián)連接最終構(gòu)成一個發(fā)射裝置，耦合裝置雙極性磁場的特性使得2個平面螺旋線圈的電路和磁路均串聯(lián)連接。耦合裝置的電路模型如圖5所示，其中Lp1和Lp2分別是發(fā)射線圈的2個平面螺旋線圈自感，M1和M2分別是2個平面螺旋線圈與副邊接收線圈的互感，M3是2個平面螺旋線圈之間的互感。對圖5（a）列寫KVL方程并化簡，可將圖5（a）化簡為圖5（b）。如式（1）所示，耦合裝置的等效原邊自感和原副邊等效互感可分別用Lp和M表示，耦合裝置電路模型進一步簡化為一個發(fā)射線圈和一個接收線圈的模式，如圖5（c）所示。因此，在圖2中直接使用了一個發(fā)射線圈、一個接收線圈的耦合電感模型代表所設(shè)計耦合裝置。

2.2耦合裝置磁場分析

利用有限元仿真工具ANSYS Maxwell搭建耦合裝置的仿真模型，如圖6所示。仿真模型的具體參數(shù)如表2所示。

圖7（a）是耦合裝置的磁力線分布情況?？砂l(fā)現(xiàn)，其主磁路與上述分析一致;磁力線的疏密程度代表磁場強度，由圖中能看出，發(fā)射裝置發(fā)出的磁通絕大多數(shù)流經(jīng)接收裝置的鐵氧體，耦合裝置有較強的耦合能力。無線充電系統(tǒng)依靠交變磁場來傳遞電能，無人機云臺等機身設(shè)備如果暴露在該交變磁場中，會對這些設(shè)備造成影響，甚至損壞這些設(shè)備，所以漏磁干擾問題是設(shè)計無人機無線充電系統(tǒng)應(yīng)該考慮的一個重要因素。圖7（b）是原邊發(fā)射線圈電流為4.3A時耦合裝置的磁通密度分布，此時的磁場是系統(tǒng)傳輸78w時對應(yīng)的峰值磁場。從仿真結(jié)果可得到，耦合裝置磁場主要分布在發(fā)射裝置以上30mm高度范圍內(nèi)，在高于30mm的高度上磁通密度低于8.96uT，不會對無人機機身設(shè)備造成影響。磁芯飽和會造成磁芯損耗增加、系統(tǒng)溫升加快等問題，所以磁芯的飽和問題也是無線充電系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)該考慮的一個方面。本文使用的磁芯材料是TDK公司的PC40，該材料25℃時飽和磁通為510mT。圖7仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在傳遞90w功率時對應(yīng)的峰值磁通密度是12.544mT，遠低于材料飽和磁通密度。

2.3耦合裝置容錯位能力分析

受無人機降落精度限制，無法保證無人機每次都精準降落，即使安裝輔助耦合裝置對準的設(shè)備，也有一定的誤差，所以耦合裝置需要有一定的容錯位能力。耦合裝置原邊及副邊自感和原副邊之間的互感隨錯位的變化情況是體現(xiàn)系統(tǒng)容錯位能力的重要因素。由于補償電容是基于對準良好時的參數(shù)計算得到，并且錯位過程中補償電容不會改變，這就要求錯位過程中系統(tǒng)自感要穩(wěn)定，否則系統(tǒng)工作狀態(tài)將發(fā)生改變;此外，互感決定了副邊接收電能的能力，為了保證系統(tǒng)輸出電壓與輸出功率穩(wěn)定，就需要錯位時互感降低速度慢。為了測試耦合裝置的容錯位性能，根據(jù)表2參數(shù)搭建如圖8所示的耦合裝置。自感、互感隨錯位的變化情況如圖9所示。

由圖9可得，耦合裝置原邊自感受非對準的影響較小，在x軸和Y軸偏移40mm時，原邊自感分別減小1.028uH和2.215uH。副邊接收裝置自感在x軸和y軸偏移40mm時，分別增加2.089uH和減小2.064uH。耦合裝置自感變化小，自感變化對補償電路諧振工作狀態(tài)影響小;互感受錯位的影響較大，當(dāng)偏移大于30mm時，互感跌落速度加快，這會影響到的系統(tǒng)的電能傳遞能力。該耦合裝置可容忍錯位的范圍在后文討論。

3電路系統(tǒng)分析與設(shè)計

諧振補償電路有帶通濾波作用，分析時只需要考慮基波成分即可。逆變橋采用互差180°的互補控制方式，通過傅里葉分解得到逆變橋輸出電壓基波有效值為。

本文研究針對靜止式無線充電技術(shù)，充電過程中互感和自感都是恒定的。由式（13）可得，只要保持輸入電壓恒定，就可以實現(xiàn)恒壓輸出。另外，要得到規(guī)定輸出電壓范圍，只需要相應(yīng)地調(diào)整耦合互感M和等效電感厶即可。前文中測得耦合裝置原邊自感與互感分別為78.1uH和16.78uH，在不添加C1時，由式（4）知L2=Lp此時由式（13）得uab為9.28V，剛好滿足系統(tǒng)輸出電壓需求。但還需要考慮耦合裝置非對準和線圈內(nèi)阻的影響，非對準時，系統(tǒng)的互感會降低，則輸出電壓也會降低，此時系統(tǒng)小范圍偏移就會導(dǎo)致無法正常充電，即系統(tǒng)對于非對準的容忍能力降低;此外，線圈內(nèi)阻也會影響到系統(tǒng)輸出電壓，在電池充電初期，負載電阻小，則輸出電壓會因為線圈內(nèi)阻分壓過多而低于忽略線圈內(nèi)阻時推導(dǎo)的理論值，如果輸出電壓理論值設(shè)置過低會導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常充電。考慮到以上情況以及防止過壓損壞DC-DC及電池管理電路，本文將系統(tǒng)輸出直流電壓目標值區(qū)問設(shè)置為15～18V。如式（4）所示，通過添加c1可以降低等效漏感L2，即提高了M與L2的比值，從而提高輸出電壓。本文設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表3，根據(jù)式（13）得到Uab理論值為15.758V，此時輸出直流電壓為17.5V。

4系統(tǒng)實驗

為了測試無線充電系統(tǒng)的性能，根據(jù)以上計算參數(shù)搭建如圖11所示的實驗系統(tǒng)。在輸入電壓48V、負載電阻2.4Ω、工作頻率50kHz、良好對準的工作條件下，對系統(tǒng)進行測試。逆變橋輸出電壓和電流波形如圖12所示，從圖中看出電壓與電流同相位。利用功率分析儀測試系統(tǒng)的電能傳遞能力如圖13所示。系統(tǒng)輸出功率為77.62w，從系統(tǒng)直流輸入側(cè)到負載側(cè)效率為77.81%，所搭建的實驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)對無人機進行無線充電。

系統(tǒng)充電過程中負載電阻會不斷變化，圖14是系統(tǒng)輸出電壓隨負載變化情況的測試結(jié)果。發(fā)現(xiàn)：負載電阻變化時，系統(tǒng)的輸出電壓基本恒定，驗證了系統(tǒng)的恒壓源輸出特性;負載電阻較小時，實測值與理論值相差較大，主要由于理論分析時忽略了線圈內(nèi)阻。在充電初期等效負載電阻值小，線圈內(nèi)阻分壓所占比例大，導(dǎo)致輸出電壓較低;隨著負載電阻增大，系統(tǒng)內(nèi)阻分壓所占比例越來越小，實測值逐漸趨于理論值。當(dāng)負載電阻為35Ω時，實際輸出電壓為15.7V，與理論值偏差1.8V（主要由于理論分析時忽略了二極管和開關(guān)管導(dǎo)通壓降）。

圖15是在耦合裝置發(fā)生錯位時，輸出電壓的測試及理論計算結(jié)果。為了削弱系統(tǒng)內(nèi)阻對于測試結(jié)果的影響，選擇負載電阻為35Ω時進行測試。其中，理論值根據(jù)圖9耦合裝置自感與互感測試結(jié)果及上述電路模型計算得到。結(jié)果表明，測試結(jié)果與理論值吻合，證明可以利用所建立電路模型指導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計。另外，系統(tǒng)分別在x軸和y軸的[-30mm，30mm]范圍內(nèi)偏移時，系統(tǒng)輸出電壓均在12.7V以上，此時即使負載電阻較小，輸出也在10V以上;而當(dāng)偏移到40mm時，輸出電壓為10V附近，系統(tǒng)稍微出現(xiàn)波動就可能導(dǎo)致DC-DC及電池管理模塊無法正常充電，即本無線充電系統(tǒng)在x軸及Y軸容錯位能力均設(shè)定為[-30mm，30mm]。

5結(jié)論

本文為無人機設(shè)計一個無線充電系統(tǒng)，其中包含提出一種耦合裝置，以及設(shè)計能保持輸出電壓恒定的系統(tǒng)電路。通過對耦合裝置的有限元分析可知，耦合裝置能有效將磁場約束在發(fā)射裝置平面上方30mm高度以內(nèi)，避免無線充電過程中交變磁場對無人機的漏磁干擾。通過測量并對比不同偏移情況下耦合裝置自感與互感，分析獲知耦合裝置錯位時自感變化小，不會對電路諧振工作狀態(tài)造成影響;互感在x軸和y軸30mm錯位范圍內(nèi)互感波動小，系統(tǒng)有較強的容錯位能力。通過對設(shè)計系統(tǒng)建模分析，獲得輸入與輸出電壓之間的內(nèi)在數(shù)量關(guān)系。搭建實驗系統(tǒng)，證明系統(tǒng)的恒壓輸出特性，得到系統(tǒng)的容錯位能力，并驗證所建立的輸入與輸出電壓關(guān)系模型的準確性。該模型可以用于指導(dǎo)對于輸入和輸出電壓有特定要求的無線充電系統(tǒng)設(shè)計。