CN112721667A - 用于无人机无线充电的单电容耦合机构、系统及无人机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于无人机无线充电的单电容耦合机构、系统及无人机，耦合机构包括发射端和接收端，发射端设置有上小下大的充电圆台，该充电圆台的侧面通过敷设金属薄膜形成原边发射极板；接收端设置有与充电圆台相互配合的圆台状接收罩，该圆台状接收罩的侧面通过敷设金属薄膜形成副边接收极板；原边发射极板与副边接收极板构成单电容电场耦合机构实行无线充电。在其构成的系统中，发射端还设置有直流电源、逆变器和原边电路拓扑结构，接收端还设置有整流滤波装置和充电电池包。其效果是：结构简单，重量较轻，可极大提升耦合电容值，能利用无人机自身重力修正偏差，提高系统的抗偏移能力，同时可以满足小型无人机频繁切换负载和轻便性的需求。

Description

用于无人机无线充电的单电容耦合机构、系统及无人机
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种用于无人机的无线充电的单电容耦合机构、系统及无人机。
背景技术
无人驾驶飞机是一种通过无线电实时遥控或者自身事先存储好的程序来控制的、具有携带多种功能设备执行各种任务的能力的、并且能够多次利用的航空器，简称无人机(Unmanned Aerial Vehicle缩写UAV)。
无人机由于尺寸小、使用灵活、适应性强等优势广泛应用于勘测、侦察以及预警等方面，涵盖科研、民用及军事领域。在评估无人机性能好坏的诸项指标中，其中一项重要的指标是无人机的续航能力，而长航程也是今后无人机的主要发展趋势之一。从能源角度出发，增加无人机续航里程的途径总结起来主要可分为两种：携带更多的电能或者在任务中多次进行电能补给。对于前者，由于目前比较成熟的电池技术的已经发展到了瓶颈期，更大的电池容量就意味着更大的电池体积和重量，因而增加电池容量必将影响无人机的机动性能和轻量化；对于通过多次进行电能补给这种途径，如果是基于传统电气接触式传导方式的充电技术，那么意味着无人机在需要补充电能的时候都需要返回降落到基站或者充电站中，电气接触点会裸露在外，显然这样的方式在安全性、可靠性等方面有所不足。
为了提高无人机的续航能力，各国的学者已经围绕无人机无线充电技术展开了大量的研究。例如可利用太阳能技术为无人机进行充电，将多余的能量储存在机载电池中，但是太阳能电池的转换效率和功率还受季节、飞行高度和飞行纬度的影响，因此在应用上存在一定局限性。常见的无线充电方式是采用磁耦合无线电能传输技术(ICPT)，但由于线圈的重量会使无人机的负重增加，对于小型无人机而言，负重是直接影响无人机的轻便性和飞行速度的关键因素。而电场耦合式无线电能传输技术(ECPT)具有低电磁干扰、低涡流损耗、低成本、重量轻等特点，更加适用于小型无人机的无线充电应用。但是现有的电场耦合式无线电能传输系统中通常都是采用两对极板构成双电容耦合结构，对极板之间的相对位置要求较高，结构设计较为复杂，实施不够方便。
发明内容
基于上述缺陷，本发明的第一目的在于提出一种用于无人机的无线充电的单电容耦合机构，主要解决现有技术中耦合机构质量较重，对准精度要求高，抗偏移能力弱等方面的问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于无人机的无线充电的单电容耦合机构，包括发射端和接收端，其关键在于：所述发射端设置有上小下大的充电圆台，该充电圆台的侧面通过敷设金属薄膜形成原边发射极板；所述接收端设置有与所述充电圆台相互配合的圆台状接收罩，该圆台状接收罩的侧面通过敷设金属薄膜形成副边接收极板；所述原边发射极板与所述副边接收极板构成单电容电场耦合机构实行无线充电。
通过上述设计，本发明提供的无线充电的单电容耦合机构，其接收端可以只采用一块副边接收极板，从而降低无人机的重量，充电过程中往往只需要确保一对耦合极板对准即可，降低了对耦合机构充电对准的精度要求，同时利用充电圆台的设计，无人机在降落过程中可以利用自身重力修正偏差，在一定程度上提高了系统的抗偏移能力。
为了进一步简化接收端的电路设计，减少接收端对电感的需求，可选地，所述充电圆台的外边缘还设置有一圈接地金属圆环，所述接地金属圆环与所述原边发射极板之间具有绝缘介质隔离，所述接收端还设置有至少一个金属片，当无人机停靠在所述充电圆台上进行无线充电时，所述金属片与所述接地金属圆环接触导通共地。
可选地，所述圆台状接收罩设计为空心圆台状，上下两端之间形成有气流通道，从而减少无人机停靠过程中接收罩内部气流的扰动，同时也提升散热能力。
可选地，所述充电圆台设置在无人机停机平台上，所述圆台状接收罩设置在无人机起落架的中央，在所述无人机起落架的脚架底部设置所述金属片，使其充电对准更加方便。
基于上述耦合机构，本发明的另一目的在于提供一种用于无人机的无线充电系统，主要解决无人机频繁切换负载和轻便性需求，具体的技术方案如下：
一种用于无人机的无线充电系统，包括上文所述的无线充电的单电容耦合机构，其发射端还设置有直流电源、逆变器和原边电路拓扑结构，其接收端还设置有整流滤波装置和充电电池包，所述整流滤波装置的输入端组一路直接连接所述副边接收极板，另一路直接连接所述金属片。
可选地，所述逆变器采用半桥型逆变器，当然也可以采用全桥逆变器。
可选地，所述原边电路拓扑结构包括谐振电感L1、谐振电感L2、谐振电感L3、谐振电容C1和谐振电容C2，所述谐振电容C1、谐振电感L2和谐振电容C2构成T型CLC谐振网络，谐振电容C1的前端经过谐振电感L1连接所述逆变器的一个输出端，谐振电感L2的下端与所述逆变器的另一个输出端同时连接在所述接地金属圆环上，谐振电容C2的后端经过谐振电感L3也与所述接地金属圆环相连，在所述谐振电容C2和所述谐振电感L3的公共端上连接所述原边发射极板。
可选地，所述谐振电容C1和所述谐振电容C2分别由多个电容元件串/并连组合等效而成。
可选地，谐振电感L1的自感是谐振电感L2的自感的k倍数，谐振电感L2和谐振电感L3的自感相同，k>1。
基于上述无线充电系统，本发明还保护一种采用上述无线充电系统进行无线充电的无人机。
本发明的效果是：
耦合机构采用单电容机构，结构简单，重量较轻，在同样耦合机构大小情形下，单电容无线电能传输系统可极大提升耦合电容值，系统的传输功率和传输性能可得到进一步提升，通过设计圆台式耦合机构，能在降落过程中利用无人机自身重力修正偏差，一定程度上提高了系统的抗偏移能力，同时采用的电路拓扑结构还可以实现小型无人机移出后系统处于待机状态，移入后自动给无人机供电，移入移出时不会对电路中元件产生冲击，接收端没有补偿网络，可满足无人机轻便性的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明具体实施例的系统架构图；
图2为本发明具体实施例中耦合结构的结构示意图；
图3为本发明具体实施例中基于T型CLC谐振网络的无线充电系统的电路原理图；
图4为图3的等效电路图；
图5为仿真实验中负载变化过程的输出电压变化波形图；
图6为仿真实验中负载变化过程的输出电流变化波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1：
本实施例主要提供一种用于无人机的无线充电的单电容耦合机构，如图1、图2所示，包括发射端和接收端，发射端设置有上小下大的充电圆台，充电圆台的本体可以采用轻质绝缘材料制成，其侧面通过敷设金属薄膜形成原边发射极板P1；接收端设置有与充电圆台相互配合的圆台状接收罩，圆台状接收罩的本体也采用轻质绝缘材料制成，其侧面通过敷设金属薄膜形成副边接收极板P2；原边发射极板与所述副边接收极板构成单电容电场耦合机构实行无线充电，具体实施时，可以在原边发射极板的外表面或/和副边接收极板的内表面设置绝缘介质层，这里的绝缘介质层可以直接采用绝缘材料包裹在金属极板表面，从而保证两块金属极板不会产生直接触碰。为了进一步简化接收端的电路元件，本实施例中，在充电圆台的外边缘还设置有一圈接地金属圆环，接地金属圆环与原边发射极板之间具有绝缘介质隔离，接收端还设置有至少一个金属片，当无人机停靠在所述充电圆台上进行无线充电时，金属片与接地金属圆环接触导通共地。
基于单电容的灵活性，耦合机构可根据不同无人机的型号和外形进行设计，为了使无人机飞行时尽量不受耦合机构影响，可根据无人机的脚架设计相应的圆台状接收罩，将其设计为空心圆台状，上下两端之间形成有气流通道。将充电圆台设置在无人机停机平台上，圆台状接收罩设置在无人机起落架的中央，在无人机起落架的脚架底部设置金属片。通过图1和图2可以看出，金属圆环与大地相连，圆台形的耦合机构决定了无人机在降落充电时允许一定的偏差，能在降落过程中利用自身重力修正偏差，一定程度上提高了系统的抗偏移能力。
其优越性至少可以体现以下几点：
(1)不同于圆筒式耦合机构，“圆台式”耦合机构上小下大，无人机在降落充电时允许一定的偏差，能在降落过程中利用自身重力修正偏差，一定程度上提高了系统的抗偏移能力；
(2)较平板式或圆环式耦合机构来说，此“圆台式”耦合机构为空心结构，接收端契合于机身，无人机在起飞或降落时的阻力大大减小，一定程度上减小飞行功耗，增强续航能力；
(3)与ICPT的耦合机构比起来，“圆台式”耦合机构更为轻巧，成本低，更有利于应用于无人机的无线充电。
(4)与传统的两对极板的ECPT耦合机构相比，该耦合机构的耦合电容值更大，且不存在交叉耦合电容，更有利于提升系统的传输功率和传输性能。
结合图1所示的系统架构，利用本实施例提供的耦合机构构建无线充电系统，直流电源接入逆变器将直流电转换成交流电，其中电能可以由直流电源提供，也可以由工频交流电整流滤波之后提供。然后通过发射端拓扑结构将交流电传输到耦合结构，发射端的一端接到充电圆台上的发射极板P1上，另一端接到接地金属圆环。无人机在落地时通过金属片与地面的接地圆环金属片相连，达到与大地连接的效果。圆环金属片与大地相连，不会发生漏电，同时也不会对生物体造成危险。接收端一端接在接收极板P2上，另一端接到无人机底部的金属片上。电能传递到整流器，整流器将交流电转换成直流电给电池供电。
可以看出，本实施例提出的用于无人机的无线充电的单电容耦合机构，可以将发射端放置在充电圆台中，甚至可以埋入地下，接收端放置于无人机内部，有效节省空间。
实施例2：
如图3所示，本实施例提供一种用于无人机的无线充电系统，基于实施例1所提供的无线充电的单电容耦合机构，其发射端还设置有直流电源、逆变器和原边电路拓扑结构，其接收端还设置有整流滤波装置和充电电池包，所述整流滤波装置的输入端组一路直接连接所述副边接收极板，另一路直接连接所述金属片。本例中逆变器采用半桥型逆变器，原边电路拓扑结构包括谐振电感L1、谐振电感L2、谐振电感L3、谐振电容C1和谐振电容C2，所述谐振电容C1、谐振电感L2和谐振电容C2构成T型CLC谐振网络，谐振电容C1的前端经过谐振电感L1连接所述逆变器的一个输出端，谐振电感L2的下端与所述逆变器的另一个输出端同时连接在所述接地金属圆环上，谐振电容C2的后端经过谐振电感L3也与所述接地金属圆环相连，在所述谐振电容C2和所述谐振电感L3的公共端上连接所述原边发射极板。
当然，也可以采用全桥逆变器，而且谐振电容C1和谐振电容C2还可以分别由多个电容元件串/并连组合等效而成。
由于无人机的载重限制，对于无线充电系统而言，为避免增加无人机的负重需选择少量元件的副边补偿结构，且无人机的充电特性决定了需频繁进行负载端的移入移出行为，且无人机进行电能补给最好是在中途，也就意味着充电系统在负载移除后最好能自动进入低功耗状态。结合以上需求，因此本实施例选用基于T型CLC结构的谐振网络系统，此结构对于移入移出时具备不会出现电压电流冲击、移出后自动处于待机状态及负载接收端没有无功补偿元件等优势。
结合图3可以看出，本系统的副边补偿没有任何无功元件，搭建在无人机机身上所需部件只有副边耦合机构和整流器件，此种结构减轻了无人机的负担，不会导致无人机速度下降及续航能力减弱。其中，供电电源Edc，半桥型逆变器(由2个MOSFET S1-S2组成)，谐振电感L1、L2、L3，谐振电容C1、C2与两块发射极板共同构成系统的电能发射端。全桥整流器(由4个二极管D1-D4组成)、滤波电容Cf、负载电阻RL与两块接收极板构成系统的电能接收端，该单电容充电系统的直流输入电压经过半桥式逆变器和发射端的谐振网络后得到高频交流电，在高频交流电的作用下，耦合机构的一对极板之间形成交互电场，在交互电场的作用下产生位移电流“流过”耦合极板，实现电能的无线传输。
进一步分析，图4为图3的等效电路图，Req为整流器和负载共同等效出来的交流阻抗，当在整流器后使用电容滤波时，其等效值为8RL/π2。将谐振电容C1和C2分别拆分为电容C1a和电容C1b的串联，电容C2a和电容C2b的串联，便得到如图4所示的等效电路。通过图4可以看出，整个ECPT系统的谐振网络可看作由N1、N2和N3三个子网络组成，其中N2和N3网络即为T型CLC谐振网络，N1网络主要是滤掉方波电压源uin中包含的高次谐波，N2和N3网络主要是起到两级阻抗变换的作用。
在本发明中，发射端接地点设置在圆台中或地底，接收端通过无人机的脚架接地，两个接地点距离很短，根据公式可知两点之间的阻抗基本可以忽略不计，因此在本发明中，阻抗Z的值为零，两点之间可视为短路。同时，系统的无功元件满足以下关系：
Figure BDA0002853592490000081
式中ω为系统共振角频率。
根据阻抗分析及基尔霍夫定理，可推导出阻抗Zin1的公式为：
Figure BDA0002853592490000082
令
L1＝kL3 (3)
根据式(1)可得：
C2a＝kC2b (4)
将公式(4)带入(2)中可得到：
Figure BDA0002853592490000083
可求得系统的功率和等效电阻的负载电压为：
Figure BDA0002853592490000091
由公式(6)可知，该谐振网络的输入阻抗表现为纯阻性，表明其运行在零相角输入状态，因而具有较高的功率因数。此外，双T型谐振网络的输入阻抗与负载电阻RL成正比的关系，因此可根据负载电阻R的大小将输入阻抗放大或者缩小。通过公式(6)，在k和直流电源Edc确定的情况下，可以根据功率需求设置相应的电阻。当k>1时有利于提升系统的输出功率，但是k值的增加使得系统等效负载电阻减小，其他部分损耗的占比增大，导致系统的电能传输效率降低，该系统可根据k的值向下或向上提供输入阻抗，故可以通过负载情况选择合适的k值，在规定的电源和工作频率下产生所需的功率，综合考虑下，本次设计将k值设置为2。
当负载移除后，由公式(1)-公式(3)可知，电容C2b和电感L3谐振，且C2b与L3串联可等效为短路，电感L2与电容C2a共振，L2与C2a并联等效为无限大阻抗，系统空载时谐振网络的输入阻抗在基波激励下近似为无穷大，基波电流近似为零，由此可知当负载移除前可以正常传输功率，移除后系统相当于开路。因此，当负载移除时，本发明所选择的双T型系统可自动处于待机状态，且不会对逆变器的元件产生高电流高电压冲击，保护了系统的安全稳定运行，同时当负载再次进行充电工作时，无需任何额外的检测和控制手段。
实施例3：
提供一种无人机，可以采用图1所示的安装架构，利用实施例2提供的无线充电系统进行无线充电。
小型无人机常应用于民用中，使用用途比较广泛，例如巡线、拍照、监测数据等。一般而言，小型无人机充电为了增加续航能力，其载重较轻，携带的电池容量也较小，通常所需充电功率在百瓦级左右。
为了验证本发明所提及的效果，下面还根据图3所示的ECPT系统拓扑在LT-spice仿真平台建立了系统的仿真电路模型。根据小型无人机的电池参数设定RL的值，根据公式(6)和小型无人机电池的输出功率需求设定Edc和k的值，根据无人机的外观限制设定Cs的值，根据经验参数设定初始频率f。其他无功元件L1、L2、L3、C1、C2根据公式(1)和(3)计算。得到系统的主要参数值如表1所示。将此参数代入仿真模型，通过仿真得到图5和图6所示的结果。
表1系统主要参数
Figure BDA0002853592490000101
图5为负载切换过程中输出电压的仿真波形。从图中可以看出，输出电压迅速增加到56V左右且波形毛刺较小，输出电流为1.8A，功率输出功率为100.8W，满足大部分小型无人机电池的基本充电需求。同时，从图中可以看到接收端移除时电压迅速降低并接近于0，当接收端再次接入系统时又迅速达到系统所需的充电电压值。
图6为负载端移除移入时逆变器输出电流的瞬态响应仿真波形。当电能接收端移除后，逆变器输出电流没有出现任何尖峰并快速减小到0.02A以下，系统处于待机状态；当电能接收端重新移入后，逆变输出电流迅速恢复至负载端移除前的电流值。
在设计过程中，逆变器还可以采用电压型全桥谐振变换器，由S1-S4共4个MOSFET构成逆变网络，两组开关(S1、S4)与(S2、S3)以互补导通的方式产生方波逆变输出电压。当其中一组开关导通时，另一组开关的两个开关管的端电压均等于供电电压，因此在电能接收端移除移入的过程中不会对逆变器开关管造成过电压冲击。
综上所述，本发明通过提供一种用于无人机的无线充电的单电容耦合机构、系统及无人机，针对无人机的特殊应用设计了一套新型的耦合机构，之后从小型无人机需要频繁切换负载和轻便的需求出发，选取适用于小型无人机的无线充电拓扑结构构成无线充电系统，结合单电容系统进行理论推导和电路分析，并通过有限元仿真分析了单电容系统的抗偏移能力，最终通过仿真验证了所提出的无线充电系统的可行性。本发明的优点在于单电容的结构简单，重量较轻，在同样耦合机构大小情形下，单电容无线电能传输系统可极大提升耦合电容值，系统的传输功率和传输性能可得到进一步提升。新型圆台式耦合机构能在降落过程中利用自身重力修正偏差，一定程度上提高了系统的抗偏移能力。同时采用的电路拓扑结构还可以实现小型无人机移出后系统处于待机状态，移入后自动给无人机供电，移入移出时不会对电路中元件产生冲击，接收端没有补偿网络，可满足无人机轻便性的需求。
最后需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，比如根据耦合机构及其辅助电路所配置的位置，在耦合机构上可以单设发射极板或接收极板，也可以将直流电源、逆变电路、原边谐振补偿电路中的任何一种或多种组合配置在耦合机构上，或者配置在耦合机构外，这样的变换均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种用于无人机无线充电的单电容耦合机构，包括发射端和接收端，其特征在于：所述发射端设置有上小下大的充电圆台，该充电圆台的侧面通过敷设金属薄膜形成原边发射极板；所述接收端设置有与所述充电圆台相互配合的圆台状接收罩，该圆台状接收罩的侧面通过敷设金属薄膜形成副边接收极板；所述原边发射极板与所述副边接收极板构成单电容电场耦合机构实行无线充电。
2.根据权利要求1所述的用于无人机无线充电的单电容耦合机构，其特征在于：所述充电圆台的外边缘还设置有一圈接地金属圆环，所述接地金属圆环与所述原边发射极板之间具有绝缘介质隔离，所述接收端还设置有至少一个金属片，当无人机停靠在所述充电圆台上进行无线充电时，所述金属片与所述接地金属圆环接触导通共地。
3.根据权利要求1或2所述的用于无人机无线充电单电容耦合机构，其特征在于：所述圆台状接收罩设计为空心圆台状，上下两端之间形成有气流通道。
4.根据权利要求3所述的用于无人机的无线充电的单电容耦合机构，其特征在于：所述充电圆台设置在无人机停机平台上，所述圆台状接收罩设置在无人机起落架的中央，在所述无人机起落架的脚架底部设置所述金属片。
5.一种用于无人机的无线充电系统，其特征在于：包括权利要求2-4任一所述的无线充电的单电容耦合机构，其发射端还设置有直流电源、逆变器和原边电路拓扑结构，其接收端还设置有整流滤波装置和充电电池包，所述整流滤波装置的输入端组一路直接连接所述副边接收极板，另一路直接连接所述金属片。
6.根据权利要求5所述的用于无人机的无线充电系统，其特征在于：所述逆变器采用半桥型逆变器。
7.根据权利要求5或6所述的用于无人机的无线充电系统，其特征在于：所述原边电路拓扑结构包括谐振电感L1、谐振电感L2、谐振电感L3、谐振电容C1和谐振电容C2，所述谐振电容C1、谐振电感L2和谐振电容C2构成T型CLC谐振网络，谐振电容C1的前端经过谐振电感L1连接所述逆变器的一个输出端，谐振电感L2的下端与所述逆变器的另一个输出端同时连接在所述接地金属圆环上，谐振电容C2的后端经过谐振电感L3也与所述接地金属圆环相连，在所述谐振电容C2和所述谐振电感L3的公共端上连接所述原边发射极板。
8.根据权利要求7所述的用于无人机的无线充电系统，其特征在于：所述谐振电容C1和所述谐振电容C2分别由多个电容元件串/并连组合等效而成。
9.根据权利要求7所述的用于无人机的无线充电系统，其特征在于：谐振电感L1的自感是谐振电感L2的自感的k倍数，谐振电感L2和谐振电感L3的自感相同，k>1。
10.一种无人机，其特征在于：采用权利要求5-9任一所述的无线充电系统进行无线充电。
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