CN106505748A - 无人机机载储能反向无线供电系统及供电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及无人机机载储能反向无线供电系统及供电方法，包括无人机、小功率受电设备、发射单元和接收单元，发射单元设置于无人机上，接收单元设置于小功率受电设备上；发射单元包括依次连接的机载电池、DC/DC变换器、逆变器、原边补偿电路、发射线圈和增强线圈，连接控制器和发射线圈的电流检测模块，连接控制器和逆变器的驱动电路，连接控制器和DC/DC变换器的功率控制模块；接收单元包括依次连接的接收线圈、副边补偿电路、整流滤波电路和电池；增强线圈与发射线圈同心且在同一平面上，发射线圈与接收线圈平行且同轴。该系统增强了中远距离的传输效率，使无线充电系统具有更强的鲁棒性和相对较低的环境电磁辐射特性。

Description

无人机机载储能反向无线供电系统及供电方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及无人机机载储能反向无线供电系统及供电方法。

背景技术

无线供电技术主要通过电磁感应、电磁共振、射频、微波和激光等方式实现非接触式的电力传输。根据在空间实现无线电能传输供电距离的不同，可以把无线电能传输形式分为短程、中程和远程三大类。

其中，通过电磁感应电能传输技术（ICPT）实现的一类属于短程传输。ICPT主要以磁场为媒介，利用变压器耦合，通过初级和次级线圈感应产生电流，电能可以隔着很多非金属材料进行传输从而将能量从发射端转移到接收端，实现无电气连接的电能传输。电磁感应传输功率大，能达几百千瓦，但电磁感应原理的应用受制于过短的供电端和受电端距离。

通过电磁耦合共振电能传输技术（ERPT）或射频电能传输技术(RFPT)实现的一类属于中程传输。ERPT主要是利用接收天线固有频率与发射场电磁频率相一致时引起电磁共振，发生强电磁耦合的工作原理，通过非辐射磁场实现电能的高效传输。电磁共振型与电磁感应型相比，采用的磁场要弱得多，传输功率可达几千瓦，能实现更长距离的传输，传输距离可达3～4m。RFPT主要通过功率放大器发射射频信号，通过检波、高频整流后得到直流电，供负载使用。RFPT距离较远，能达10m，但传输功率很小，为几毫瓦至百毫瓦。

通过微波电能传输技术（MPT）或激光电能传输技术（LPT）实现的一类属于远程传输。MPT是将电能转化为微波，让微波经自由空间传送到目标位置，再经整流，转化成直流电能，提供给负载。微波电能传输适合应用于大范围、长距离且不易受环境影响的电能传输。LPT是利用激光可以携带大量的能量，用较小的发射功率实现较远距离的电能传输。激光方向性强、能量集中，不存在干扰通信卫星的风险，但障碍物会影响激光与接收装置之间的能量交换，射束能量在传输途中会部分丧失。

随着各种高科技产品的不断问世，在山顶或树林中安装有红外摄像机、山顶上临时通讯基站等小功率设备，存在大量的供电需求，而正常的供电设施往往无法到达设备所在地。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用便捷、运行可靠、维护成本低、安全高效的无人机机载无线供电系统，机载电池通过无线电能传输的方式为在困难到达区的小功率设备提供无线充电服务，大大地节省了人力、物力和财力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：无人机机载储能反向无线供电系统，包括无人机、小功率受电设备、发射单元和接收单元，发射单元设置于无人机上，接收单元设置于小功率受电设备上；发射单元包括依次连接的机载电池、DC/DC变换器、逆变器、原边补偿电路、发射线圈和增强线圈，连接控制器和发射线圈的电流检测模块，连接控制器和逆变器的驱动电路，连接控制器和DC/DC变换器的功率控制模块；接收单元包括依次连接的接收线圈、副边补偿电路、整流滤波电路和电池；增强线圈与发射线圈同心且在同一平面上，发射线圈与接收线圈平行且同轴。

在上述的无人机机载储能反向无线供电系统中，机载电池包括至少1个可拆卸电池模块，电池模块为扁平式，层叠在无人机机载平台上。

在上述的无人机机载储能反向无线供电系统中，系统工作频率为90kHz。

在上述的无人机机载储能反向无线供电系统中，原边补偿电路为与发射线圈串联的电容，发射线圈与电容组成振荡电路的频率与系统工作频率一致，为90kHz。

在上述的无人机机载储能反向无线供电系统中，增强线圈及接收线圈的频率与系统工作频率一致，为90kHz。

无人机机载储能反向无线供电系统供电的方法，包括以下步骤：

步骤1、机载电池提供直流电，控制器输出的一路PWM信号控制功率控制模块，从而间接控制DC/DC变换器，为后级逆变器提供不同的输入直流电压，用于控制功率；

步骤2、控制器输出另一路PWM信号，通过驱动电路，间接控制逆变器的工作频率，使逆变器输出高频交流电；

步骤3、选择工作频率，原边补偿电路与发射线圈组成振荡电路的工作频率与所选择工作频率一致；后级的增强线圈及接收线圈的工作频率和所选择工作频率保持一致；

步骤4、高频交流电在发射线圈外产生高频交变磁场，通过高频交变磁场，能量从发射线圈传至增强线圈，在增强线圈内产生高频交流电；通过交变磁场能量传递到接收线圈中，并产生高频交流电；高频交流电通过整流滤波电路后成为可供电池充电的直流电；

步骤5、电流检测模块检测发射线圈电流并送入控制器进行策略控制，保证控制器输出的PWM信号控制驱动电路的频率跟随负载的变化而变化，保证系统电能传输效率最大化。

在上述的无人机机载储能反向无线供电系统供电的方法中，步骤3所选择工作频率为90kHz。

本发明的有益效果是：采用三线圈结构，增强了中远距离的传输效率，克服了互感耦合结构在特定负载下实现最优效率的局限性，使无线充电系统具有更强的鲁棒性和相对较低的环境电磁辐射特性；无人机机载电池的模块化，保证无人机的总重量在设计重量范围内，且无人机可正常工作；可拆卸电池模块根据无人机机载平台设计为扁平式，并层叠在无人机机载平台上，保证了可拆卸电池模块的增加或减小不会使无人机整体的重心发射较严重的偏移，确保了无人机的良好的操控性。采用了与传统的无线电能传输技术应用方式完全相反的方式，将传统的无线电能传输技术中的受电方无人机、电动汽车等移动设备变成供电方，实现了无人机机载电池通过无线电能传输的方式为困难到达区的小功率设备提供无线充电服务。上述的无线充电系统使用便捷、运行可靠、维护成本低、安全高效。

附图说明

图1是本发明一个实施例系统示意图；

图2是本发明一个实施例三线圈结构示意图；其中，1-增强线圈，2-发射线圈，3-接收线圈；

图3是本发明一个实施例机载电池的排布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例的技术方案如下：无人机机载储能反向无线供电系统，包括无人机、小功率受电设备、发射单元和接收单元，发射单元设置于无人机上，接收单元设置于小功率受电设备上；发射单元包括依次连接的机载电池、DC/DC变换器、逆变器、原边补偿电路、发射线圈和增强线圈，连接控制器和发射线圈的电流检测模块，连接控制器和逆变器的驱动电路，连接控制器和DC/DC变换器的功率控制模块；接收单元包括依次连接的接收线圈、副边补偿电路、整流滤波电路和电池；增强线圈与发射线圈同心且在同一平面上，发射线圈与接收线圈平行且同轴。

进一步，机载电池包括至少1个可拆卸电池模块，电池模块为扁平式，层叠在无人机机载平台上。

进一步，系统工作频率为90kHz。

进一步，原边补偿电路为与发射线圈串联的电容，发射线圈与电容组成振荡电路的频率与系统工作频率一致，为90kHz。

进一步，增强线圈及接收线圈的频率与系统工作频率一致，为90kHz。

无人机机载储能反向无线供电系统供电的方法，包括以下步骤：

步骤1、机载电池提供直流电，控制器输出的一路PWM信号控制功率控制模块，从而间接控制DC/DC变换器，为后级逆变器提供不同的输入直流电压，用于控制功率；

步骤2、控制器输出另一路PWM信号，通过驱动电路，间接控制逆变器的工作频率，使逆变器输出高频交流电；

步骤3、选择工作频率，原边补偿电路与发射线圈组成振荡电路的工作频率与所选择工作频率一致；后级的增强线圈及接收线圈的工作频率和所选择工作频率保持一致；

步骤4、高频交流电在发射线圈外产生高频交变磁场，通过高频交变磁场，能量从发射线圈传至增强线圈，在增强线圈内产生高频交流电；通过交变磁场能量传递到接收线圈中，并产生高频交流电；高频交流电通过整流滤波电路后成为可供电池充电的直流电；

步骤5、电流检测模块检测发射线圈电流并送入控制器进行策略控制，保证控制器输出的PWM信号控制驱动电路的频率跟随负载的变化而变化，保证系统电能传输效率最大化。

更进一步，步骤3所选择工作频率为90kHz。

具体实施时，无人机机载储能反向无线供电系统，包括发射单元和接收单元：发射单元包括依次连接的机载电池、DC/DC变换器、逆变器、原边补偿电路、发射线圈；分别与控制器和发射线圈连接的电流检测模块，与控制器和逆变电路连接的驱动电路，与控制器和DC/DC变换器连接的功率控制模块，还有增强线圈；接收单元包括依次连接的接收线圈、副边补偿电路、整流滤波电路（二次侧）以及电池。

利用上述的无人机机载储能反向无线供电系统实现供电的方法如图1所示，机载电池提供直流电，在控制器输出的PWM信号控制功率控制模块并间接控制DC/DC变换器，为后级逆变器提供不同的输入直流电压，从而达到控制功率的目的。同样，控制器输出另外一个PWM信号，通过驱动电路，间接控制逆变器的工作频率。逆变器输出高频交流电，本实施例的工作频率为90kHz，原边补偿电路为和发射线圈串联的电容，发射线圈和电容组成的振荡电路的工作频率应和上述工作频率保持一致。同理，后级的增强线圈及接收线圈的工作频率应和上述工作频率保持高度一致，即为90kHz。高频交流电在发射线圈外产生高频交变磁场，通过高频交变磁场，能量从发射线圈传至增强线圈，在增强线圈内产生高频交流电；同理，通过交变磁场能量可以传递到接收线圈中，并产生高频交流电。高频交流电通过整流滤波电路（二次侧）后变为可供电池充电的直流电。电流检测模块检测发射线圈电流并送入控制器进行策略控制，保证控制器控制驱动电路输出的PWM信号的频率可以跟随负载的变化而变化，保证系统电能传输效率较高。

本实施例提出的无人机机载储能反向无线供电系统及其无线供电方法，机载电池通过无线电能传输的方式为在困难到达区的小功率设备提供无线充电服务。与传统的无线电能传输技术应用方式完全相反，传统的无线电能传输技术将无人机、电动汽车等移动设备设计成受电方，而本实施例则将把无人机设计为供电方。

为了在中远距离提高无线电能传输效率，克服互感耦合结构在特定负载下实现最优效率的局限性，使无线充电系统具有更强的鲁棒性和相对较低的环境电磁辐射特性。本发明采用三线圈结构，如图2所示，三线圈结构包括发射线圈2、增强线圈1和接收线圈3，发射线圈2和增强线圈1为同心且在同一平面；接收线圈3与发射线圈2平行且同轴。

为确保无人机的良好的操控性，能在设计重量范围内正常工作。采用了无人机机载电池模块化，机载电池分为多块可方便拆卸的电池模块，根据具体执行的任务的受电方所需电量以及飞行往返消耗的电量之和，可以为无人机机载电池添加或者减少电池模块，

为保证可拆卸电池模块的增加或减小不会使无人机整体的重心发生较严重的偏移，可拆卸电池模块根据无人机机载平台设计为扁平式，并层叠在无人机机载平台上。如图3所示，模块1、模块2、模块3，模块n可单独拆卸，安装时使重量在无人机上平均分配。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.无人机机载储能反向无线供电系统，包括无人机、小功率受电设备、发射单元和接收单元，发射单元设置于无人机上，接收单元设置于小功率受电设备上；其特征是，发射单元包括依次连接的机载电池、DC/DC变换器、逆变器、原边补偿电路、发射线圈和增强线圈，连接控制器和发射线圈的电流检测模块，连接控制器和逆变器的驱动电路，连接控制器和DC/DC变换器的功率控制模块；接收单元包括依次连接的接收线圈、副边补偿电路、整流滤波电路和电池；增强线圈与发射线圈同心且在同一平面上，发射线圈与接收线圈平行且同轴。

2.如权利要求1所述的无人机机载储能反向无线供电系统，其特征是，机载电池包括至少1个可拆卸电池模块，电池模块为扁平式，层叠在无人机机载平台上。

3.如权利要求1所述的无人机机载储能反向无线供电系统，其特征是，系统工作频率为90kHz。

4.如权利要求3所述的无人机机载储能反向无线供电系统，其特征是，原边补偿电路为与发射线圈串联的电容，发射线圈与电容组成振荡电路的频率与系统工作频率一致，为90kHz。

5.如权利要求3所述的无人机机载储能反向无线供电系统，其特征是，增强线圈及接收线圈的频率与系统工作频率一致，为90kHz。

6.利用权利要求1所述的无人机机载储能反向无线供电系统供电的方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、机载电池提供直流电，控制器输出的一路PWM信号控制功率控制模块，从而间接控制DC/DC变换器，为后级逆变器提供不同的输入直流电压，用于控制功率；

步骤2、控制器输出另一路PWM信号，通过驱动电路，间接控制逆变器的工作频率，使逆变器输出高频交流电；

步骤3、选择工作频率，原边补偿电路与发射线圈组成振荡电路的工作频率与所选择工作频率一致；后级的增强线圈及接收线圈的工作频率和所选择工作频率保持一致；

步骤4、高频交流电在发射线圈外产生高频交变磁场，通过高频交变磁场，能量从发射线圈传至增强线圈，在增强线圈内产生高频交流电；通过交变磁场能量传递到接收线圈中，并产生高频交流电；高频交流电通过整流滤波电路后成为可供电池充电的直流电；

步骤5、电流检测模块检测发射线圈电流并送入控制器进行策略控制，保证控制器输出的PWM信号控制驱动电路的频率跟随负载的变化而变化，保证系统电能传输效率最大化。

7.如权利要求6所述的无人机机载储能反向无线供电系统供电的方法，其特征是，步骤3所选择工作频率为90kHz。