CN110544990A - 一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统的传输效率提升方法 - Google Patents

一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统的传输效率提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统的传输效率提升方法。步骤1：设电池等效电阻为Ro，依据磁耦合机构的参数，确定磁耦合机构正对情况下的最佳负载值Re1，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X值的大小；步骤2：确定满足效率要求的等效负载值Re的范围为[Remin，Remax]；步骤3：测量在不同偏移情况下的磁耦合机构的互感，并计算此时的最佳等效负载值为序列R2；步骤4：判断序列R2与[Remin，Remax]的关系。现有方法中传输效率随电池电压的升高而大幅降低，而本发明的系统传输效率保持在86％以上，由此证明了本发明的有效性。

Description

一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统的传 输效率提升方法
技术领域
本发明属于无人机无线充电的技术领域；具体涉及一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统的传输效率提升方法。
背景技术
无人机广泛应用于军事、农业、娱乐、救援、遥感测绘等多个领域，重塑了人们的生产生活方式。然而，由于体积和空间的限制，无人机自带的电池续航时间较短，需频繁更换电池，尤其对于小型无人机而言，续航里程成为其普及应用的瓶颈问题。目前常用的无人机充电方式是有线充电，每次充电需要人工操作，不仅费时费力，而且不适合很多特殊场合，例如电网巡检飞行器等，近年来兴起的无线充电技术能为上述问题的解决提供新思路。
无线充电技术具有安全性高、便捷性强、充电范围大等多种优点，并逐渐成为电力电子领域热门的研究方向。该技术减少了导线的连接，减小了插拔磨损，可不拆卸电池进行远距离充电，为智能化充电的发展提供了技术基础，可以较好地解决目前无人机面临的充电困难的问题。
电池典型充电曲线如图1所示，由图可知，电池等效电阻不断变化。在无线充电系统中，如图2所示，系统传输效率η与等效负载Re息息相关，对于一套特定的能量发射、接收线圈及配谐电容、电感组成的磁耦合机构而言，都有一个特定的使系统传输效率达到最大的等效负载值(此处定义为最佳负载值)。换言之，只要电池等效负载值不是最佳负载值，系统传输效率就会大幅降低，这是无人机无线充电中不希望看到的情况。
另外，由于能量发射端与接收端的位置难以准确对准，这将导致磁耦合机构的互感M发生变化，如图3所示，每一个互感M下都对应了一个最佳等效负载，当互感发生变化，但等效负载值不变时，系统传输效率显著降低，因此，可通过调节等效负载值Re的大小来使系统传输效率提高。
现有技术在对无人机无线充电系统进行传输效率提升时，算法的复杂度高，耗时多，且误差较大。
发明内容
本发明提供一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统的传输效率提升方法，系统传输效率保持在86％以上，而不利用本方法的传输效率随电池电压的升高而大幅降低，证明了本发明的有效性。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统，所述无人机无线充电系统传输系统包括原边逆变器、磁耦合机构和副边接收端，
所述副边接收端包括电感L’1a、电感L1a、电感L’2a、电感L2a、电感L’1b、电感L1b、电感L’2b、电感L2b、电容C’1a、电容C1a、电容C’2a、电容C2a、电容C’1b、电容C1b、电容C’2b、电容C2b、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电容C0和电阻R0；
所述磁耦合机构分别与电感L’1a的一端、电感L1a的一端、电感L’1b的一端和电感L1b的一端相连接，所述电感L’1a的另一端和电容C’1a的一端连接，所述电感L1a的另一端和电容C1a的一端连接，所述电容C’1a的另一端和电容C1a的另一端、二极管D1的正极、二极管D2的负极相连接，
所述电感L’1b的另一端和电容C’1b的一端连接，所述电感L1b的另一端和电容C1b的一端连接，所述电容C’1b的另一端和电容C1b的另一端、二极管D3的正极、二极管D4的负极相连接，
所述磁耦合机构分别与电感L’2a的一端、电感L2a的一端、电感L’2b的一端和电感L2b的一端相连接，所述电感L’2a的另一端和电容C’2a的一端连接，所述电感L2a的另一端和电容C2a的一端连接，所述电容C’2a的另一端和电容C2a的另一端、二极管D7的正极、二极管D8的负极相连接，
所述电感L’2b的另一端和电容C’2b的一端连接，所述电感L2b的另一端和电容C2b的一端连接，所述电容C’2b的另一端和电容C2b的另一端、二极管D5的正极、二极管D6的负极相连接，
所述二极管D1的负极和二极管D7的负极、二极管D3的负极、二极管D5的负极、电容C0的一端、电阻R0的一端相连接，
所述二极管D4的正极和二极管D6的正极、二极管D2的正极、二极管D8的正极、电容C0的另一端、电阻R0的另一端相连接；
所述原边逆变器、磁耦合机构、副边接收端工作频率均相同。
一种如副边接收端所述系统，所述副边接收端通过磁耦合机构和原边逆变器连接。磁耦合机构和副边接收端，所述原边逆变器连接磁耦合机构，所述磁耦合机构连接副边接收端。
进一步的，所述原边逆变器中的拓扑为单个逆变器或DC-DC变换器和逆变器组合形成的逆变器。
进一步的，所述磁耦合机构中的拓扑为串串SS基本拓扑、双边LCC复合拓扑、S-LCC复合拓扑或LCC-S复合拓扑。
本发明还提出一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统的传输效率提升方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：设电池等效电阻为Ro，依据磁耦合机构的参数，确定磁耦合机构正对情况下的最佳负载值Re1，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X值的大小；
步骤2：确定满足效率要求的等效负载值Re的范围为[Remin，Remax]，从而计算出副边接收端的阻抗Zin；
步骤3：测量在不同偏移情况下的磁耦合机构的互感，并计算此时的最佳等效负载值为序列R2；
步骤4：判断序列R2与[Remin，Remax]的关系；
步骤5：若序列集合R2真包含于[Remin，Remax]，则直接对电池进行充电；
步骤6：若R2不包含于[Remin，Remax]，则进行步骤7；
步骤7：若R2k<Remin，则令R3＝Remin,记录此时的互感为M1，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X’值的大小，则进行步骤8；
若R2k>Remax，则令R3＝Remax，记录此时的互感为M2，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X’值的大小，则进行步骤9；
步骤8：对电池进行充电，若此时的互感大于M1，则不切换匹配网络，若此时的互感小于M1，切换阻抗匹配网络参数至X’，不断重复此过程，直至充电完成；
步骤9：对电池进行充电，若此时的互感小于M2，则不切换匹配网络，若此时的互感大于M2，切换阻抗匹配网络参数至X’，不断重复此过程，直至充电完成。
所述步骤2具体为：
步骤2.1根据当前使用的拓扑结构形成电路参数表达式；
步骤2.2根据电路参数表达式计算出系统传输效率η；
步骤2.3对系统传输效率η求导，求出等效负载值Re；
步骤2.4计算得到不同互感下的最佳负载集合。
所述阻抗匹配网络参数X表示为：
其中，L1a为第1组阻抗匹配电感a，L1b为第1组阻抗匹配电感b，L2a为第2组阻抗匹配电感a，L2b为第2组阻抗匹配电感b，C1a为第1组阻抗匹配电容a，C1b为第1组阻抗匹配电容b，C2a为第2组阻抗匹配电容a，C2b为第2组阻抗匹配电容b，ω为系统工作频率。
本发明的有益效果是：
在使用本方法后，系统传输效率提升明显，在无人机电池无线充电过程中可始终保持高效率运行；该控制方法具有宽负载适应性，有效提升无线充电性能；系统在运行过程中，无需双边通信，系统可靠性高。
附图说明
附图1是现有技术中电池恒流恒压充电曲线。
附图2是现有技术中无人机无线充电系统组成结构及系统传输效率定义。
附图3是现有技术中不同互感下传输效率与等效负载关系曲线。
附图4是本发明的基于阻抗匹配并联整流电路的无线充电系统电路拓扑。
附图5是本发明的副边等效阻抗Zin随等效负载Re变化曲线。
附图6是本发明的并联整流阻抗匹配与传统全桥整流效率对比曲线。
附图7是本发明的阻抗匹配并联整流与传统的全桥整流效率对比曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图4所示，一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统，所述无人机无线充电系统传输系统包括原边逆变器、磁耦合机构和副边接收端，
所述副边接收端包括电感L’1a、电感L1a、电感L’2a、电感L2a、电感L’1b、电感L1b、电感L’2b、电感L2b、电容C’1a、电容C1a、电容C’2a、电容C2a、电容C’1b、电容C1b、电容C’2b、电容C2b、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电容C0和电阻R0；
所述磁耦合机构分别与电感L’1a的一端、电感L1a的一端、电感L’1b的一端和电感L1b的一端相连接，所述电感L’1a的另一端和电容C’1a的一端连接，所述电感L1a的另一端和电容C1a的一端连接，所述电容C’1a的另一端和电容C1a的另一端、二极管D1的正极、二极管D2的负极相连接，
所述电感L’1b的另一端和电容C’1b的一端连接，所述电感L1b的另一端和电容C1b的一端连接，所述电容C’1b的另一端和电容C1b的另一端、二极管D3的正极、二极管D4的负极相连接，
所述磁耦合机构分别与电感L’2a的一端、电感L2a的一端、电感L’2b的一端和电感L2b的一端相连接，所述电感L’2a的另一端和电容C’2a的一端连接，所述电感L2a的另一端和电容C2a的一端连接，所述电容C’2a的另一端和电容C2a的另一端、二极管D7的正极、二极管D8的负极相连接，
所述电感L’2b的另一端和电容C’2b的一端连接，所述电感L2b的另一端和电容C2b的一端连接，所述电容C’2b的另一端和电容C2b的另一端、二极管D5的正极、二极管D6的负极相连接，
所述二极管D1的负极和二极管D7的负极、二极管D3的负极、二极管D5的负极、电容C0的一端、电阻R0的一端相连接，
所述二极管D4的正极和二极管D6的正极、二极管D2的正极、二极管D8的正极、电容C0的另一端、电阻R0的另一端相连接；
所述原边逆变器、磁耦合机构、副边接收端工作频率均相同。
所述副边接收端通过磁耦合机构和原边逆变器连接。磁耦合机构和副边接收端，所述原边逆变器连接磁耦合机构，所述磁耦合机构连接副边接收端。
进一步的，所述原边逆变器中的拓扑为单个逆变器或DC-DC变换器和逆变器组合形成的逆变器。
进一步的，所述磁耦合机构中的拓扑为串串SS基本拓扑、双边LCC复合拓扑、S-LCC复合拓扑或LCC-S复合拓扑。
如图4所示，本发明还提出一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统的传输效率提升方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：设电池等效电阻为Ro，依据磁耦合机构的参数，确定磁耦合机构正对情况下的最佳负载值Re1，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X值的大小；
步骤2：确定满足效率要求的等效负载值Re的范围为[Remin，Remax]，从而计算出副边接收端的阻抗Zin；
步骤3：测量在不同偏移情况下的磁耦合机构的互感，并计算此时的最佳等效负载值为序列R2；R2＝{R21,…,R2k,…,R2n}(按偏移程度由小到大排列)，其中k＝1,…,n，n为偏移位置；
步骤4：判断序列R2与[Remin，Remax]的关系；
步骤5：若序列集合R2真包含于[Remin，Remax]，则直接对电池进行充电；
步骤6：若R2不包含于[Remin，Remax]，则进行步骤7；
步骤7：若R2k<Remin，则令R3＝Remin,记录此时的互感为M1，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X’值的大小，则进行步骤8；
R3是一个变量，变量区间大于R2的变量区间；
若R2k>Remax，则令R3＝Remax，记录此时的互感为M2，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X’值的大小，则进行步骤9；
步骤8：对电池进行充电，若此时的互感大于M1，则不切换匹配网络，若此时的互感小于M1，切换阻抗匹配网络参数至X’，不断重复此过程，直至充电完成；
步骤9：对电池进行充电，若此时的互感小于M2，则不切换匹配网络，若此时的互感大于M2，切换阻抗匹配网络参数至X’，不断重复此过程，直至充电完成。
开关管Q1～Q4组成原边全桥逆变电路，两组开关管(Q1和Q4)和(Q2和Q3)交替导通，其输出电压Us，原边电路的发射线圈Lp、内阻Rp、补偿电感L1、串联谐振电容Cp、并联谐振电容C1构成原边谐振回路；副边电路的接收线圈Ls、内阻Rs、补偿电感L2、串联谐振电容Cs、并联谐振电容C2构成副边谐振回路。能量由发射线圈通过空间磁场传输到副边，经过副边电路的整流与滤波电路后，为无人机负载(电池、电机等)提供直流电。
为降低电源输入的无功功率以及提高系统功率传输性能，一般尽可能保证原边和副边谐振频率与系统工作频率ω一致。
步骤2.1根据当前使用的拓扑结构形成电路参数表达式；
步骤2.2根据电路参数表达式计算出系统传输效率η；
步骤2.3对系统传输效率η求导，求出等效负载值Re；
步骤2.4计算得到不同互感下的最佳负载集合。
所述阻抗匹配网络参数X表示为：
其中，L1a为第1组阻抗匹配电感a，L1b为第1组阻抗匹配电感b，L2a为第2组阻抗匹配电感a，L2b为第2组阻抗匹配电感b，C1a为第1组阻抗匹配电容a，C1b为第1组阻抗匹配电容b，C2a为第2组阻抗匹配电容a，C2b为第2组阻抗匹配电容b，ω为系统工作频率。
磁耦合机构正对情况下的最佳等效负载值Re1＝20Ω，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X＝20，因此可将系统中参数进行调整，使副边等效阻抗依旧为20Ω，满足效率要求的[Remin，Remax]＝[10，40]；
而在不同偏移下，本套系统等效最佳负载变化范围为[7，30](此范围根据图3来限定的)。
如图4-6所示，因此，选择阻抗匹配网络参数X’＝10，满足效率要求的[Remin，Remax]＝[0，20]，等效负载10Ω，提供计算其所对应互感为5μH；在电池充电过程中，当互感大于5μH时，选取为阻抗匹配网络参数X，当互感小于5μH时，将阻抗匹配网络参数X切换为阻抗匹配网络参数X’。
副边端口阻抗Zin可表示为：
由此，可作出如图5所示的Zin随Re变化曲线。由曲线可知，可通过调节图4中X的值，即调节图中的电感电容(L1a，L1b，L2a，L2b，C1a，C1b，C2a，C2b)，使得整个端口看进去的等效阻抗Zin平稳。
等效负载值Re的范围是6Ω-17Ω，只要等效负载值Re的有效率在90％以上均可。
图7给出了并联整流阻抗匹配与传统全桥不控整流电路效率对比曲线，显然采用并联整流方法，由于等效阻抗Re被限制在了一个窄带范围内，因此对于充电过程中电池等效内阻变化造成的影响可降至最低，使得充电过程中系统的效率有效提升，始终维持在一个较高值。

Claims (8)

1.一种基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统，其特征在于，所述无人机无线充电系统传输系统包括原边逆变器、磁耦合机构和副边接收端，
所述副边接收端包括电感L’1a、电感L1a、电感L’2a、电感L2a、电感L’1b、电感L1b、电感L’2b、电感L2b、电容C’1a、电容C1a、电容C’2a、电容C2a、电容C’1b、电容C1b、电容C’2b、电容C2b、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、电容C0和电阻R0；
所述磁耦合机构分别与电感L’1a的一端、电感L1a的一端、电感L’1b的一端和电感L1b的一端相连接，所述电感L’1a的另一端和电容C’1a的一端连接，所述电感L1a的另一端和电容C1a的一端连接，所述电容C’1a的另一端和电容C1a的另一端、二极管D1的正极、二极管D2的负极相连接，
所述电感L’1b的另一端和电容C’1b的一端连接，所述电感L1b的另一端和电容C1b的一端连接，所述电容C’1b的另一端和电容C1b的另一端、二极管D3的正极、二极管D4的负极相连接，
所述磁耦合机构分别与电感L’2a的一端、电感L2a的一端、电感L’2b的一端和电感L2b的一端相连接，所述电感L’2a的另一端和电容C’2a的一端连接，所述电感L2a的另一端和电容C2a的一端连接，所述电容C’2a的另一端和电容C2a的另一端、二极管D7的正极、二极管D8的负极相连接，
所述电感L’2b的另一端和电容C’2b的一端连接，所述电感L2b的另一端和电容C2b的一端连接，所述电容C’2b的另一端和电容C2b的另一端、二极管D5的正极、二极管D6的负极相连接，
所述二极管D1的负极和二极管D7的负极、二极管D3的负极、二极管D5的负极、电容C0的一端、电阻R0的一端相连接，
所述二极管D4的正极和二极管D6的正极、二极管D2的正极、二极管D8的正极、电容C0的另一端、电阻R0的另一端相连接；
所述原边逆变器、磁耦合机构、副边接收端工作频率均相同。
2.一种如权利要求1所述系统，其特征在于，所述副边接收端通过磁耦合机构和原边逆变器连接。磁耦合机构和副边接收端，所述原边逆变器连接磁耦合机构，所述磁耦合机构连接副边接收端。
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，原边逆变器中的拓扑为单个逆变器或DC-DC变换器和逆变器组合形成的逆变器。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述磁耦合机构中的拓扑为串串SS基本拓扑、双边LCC复合拓扑、S-LCC复合拓扑或LCC-S复合拓扑。
5.一种如权利要求2所述的基于并联整流阻抗匹配电路的无人机无线充电系统的传输效率提升方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：设电池等效电阻为Ro，依据磁耦合机构的参数，确定磁耦合机构正对情况下的最佳负载值Re1，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X值的大小；
步骤2：确定满足效率要求的等效负载值Re的范围为[Remin，Remax]，从而计算出副边接收端的阻抗Zin；
步骤3：测量在不同偏移情况下的磁耦合机构的互感，并计算此时的最佳等效负载值为序列R2；
步骤4：判断序列R2与[Remin，Remax]的关系；
步骤5：若序列集合R2真包含于[Remin，Remax]，则直接对电池进行充电；
步骤6：若R2不包含于[Remin，Remax]，则进行步骤7；
步骤7：若R2k<Remin，则令R3＝Remin,记录此时的互感为M1，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X’值的大小，则进行步骤8；
若R2k>Remax，则令R3＝Remax，记录此时的互感为M2，确定并联整流电路的阻抗匹配网络参数X’值的大小，则进行步骤9；
步骤8：对电池进行充电，若此时的互感大于M1，则不切换匹配网络，若此时的互感小于M1，切换阻抗匹配网络参数至X’，不断重复此过程，直至充电完成；
步骤9：对电池进行充电，若此时的互感小于M2，则不切换匹配网络，若此时的互感大于M2，切换阻抗匹配网络参数至X’，不断重复此过程，直至充电完成。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1根据当前使用的拓扑结构形成电路参数表达式；
步骤2.2根据电路参数表达式计算出系统传输效率η；
步骤2.3对系统传输效率η求导，求出等效负载值Re；
步骤2.4计算得到不同互感下的最佳负载集合。
7.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述阻抗匹配网络参数X表示为：
其中，L1a为第1组阻抗匹配电感a，L1b为第1组阻抗匹配电感b，L2a为第2组阻抗匹配电感a，L2b为第2组阻抗匹配电感b，C1a为第1组阻抗匹配电容a，C1b为第1组阻抗匹配电容b，C2a为第2组阻抗匹配电容a，C2b为第2组阻抗匹配电容b，ω为系统工作频率。
8.根据权利要求5所述方法，其特征在于，副边接收端的阻抗Zin可表示为：
Zin随Re变化，可通过调节X的值，即调节电感电容L1a，L1b，L2a，L2b，C1a，C1b，C2a，C2b，使得整个端口的等效阻抗Zin平稳；
等效负载值Re的范围是6Ω-17Ω。
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