CN112744096A - 面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，包括发射端和接收端，发射端包括直流稳压电源、Buck变换器、全桥逆变器、LCC补偿拓扑和第一控制电路，接收端包括电感、整流桥、滤波电容、电池和第二控制电路，其中，接收端的电感与发射端的LCC补偿拓扑的电感构成磁耦合机构，且两个电感尺寸不对称，发射端采用LCC补偿拓扑,且接收端未采用LCC补偿拓扑构成LCC‑None补偿拓扑。该系统在不采用接收端补偿电容的前提下，不仅保证接收端的轻量化和简单化，还维持了无线充电系统的高性能工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及旋翼无人机技术领域，特别涉及一种面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统。
背景技术
近年来，旋翼无人机广泛地应用于图像拍摄、线路巡检以及快递运输等领域，并且具备机械结构简单、安全性高以及使用成本低等优点。然而，受限于旋翼无人机的结构尺寸、载重负荷以及电池容量等因素，旋翼无人机续航里程或续航时间通常较短(20～30min)。虽然增加电池容量有效地提升了旋翼无人机的续航里程和续航时间，但是不可避免地影响旋翼无人机的载重负荷和整体成本。因此，在不改变电池容量的前提下，通常采用快速(大功率)充电方法提高旋翼无人机特定时间内利用率。
现阶段，旋翼无人机采用的接触式充电(电线连接)方法存在充电接口不统一，易受天气环境影响以及人工参与操作等问题，难以充分地适用于日益发展的自动化和智能化旋翼无人机充电需求。非接触式无线充电系统有效地解决了上述问题，其工作原理为：电能发射装置(发射端)将能量以磁场方式隔空传输到位于旋翼无人机上能量接收装置(接收端)，经过能量变换与功率调节后，对其中电池进行恒流或恒压充电。采用无线充电的旋翼无人机实现了无人值守的自动化充电，极大地提升了其在实际应用中的灵活性、便捷性和安全性等。
如前所述，由于旋翼无人机的结构尺寸、载重负荷以及电池容量等参数通常受限，并且无线充电系统需将能量接收装置安放于其上，此时能量接收装置应该具备重量轻、尺寸小、结构简单以及易于安装等性能。针对此需求，从磁耦合机构、复合补偿拓扑以及充电控制电路角度出发，设计了具备较强抗偏移性能的轻量化且简单化磁耦合机构、设计了发射端LCC补偿拓扑与接收端无(None)补偿拓扑(简称为LCC-None补偿拓扑)，设计了采用发射端Buck变换器的恒流/恒压充电电路。
现有关于旋翼无人机无线充电系统的磁耦合机构和接收端补偿拓扑，根据旋翼无人机的不同结构和尺寸，主要分为三种，如图1所示。类型1和类型3中接收线圈影响旋翼无人机上摄像头或机械装置的全方向运动，并且接收线圈的尺寸较大将影响旋翼无人机内部电子元器件。类型2充分地利用了旋翼无人机的起落架，虽然有效地解决了类型1和类型3存在的问题，但是存在耦合系数较低、控制难度高以及发射线圈阵列复杂等问题。因此，亟待一种在保证接线线圈轻量化和简单化的基础上，使其更加适用于旋翼无人机无线充电系统。
另外，为保证旋翼无人机无线充电系统的接收端最大限度的轻量化和简单化，通常采用串联补偿拓扑，但这种方式的补偿电容的体积较大且成本较高，随着功率的增加，此问题也将愈发严重。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统。
为达到上述目的，本发明实施例提出了面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，包括：发射端和接收端，其中，所述发射端包括直流稳压电源、Buck变换器、全桥逆变器、LCC补偿拓扑和第一控制电路，所述直流稳压电源与所述Buck变换器连接，所述Buck变换器分别与所述全桥逆变器和所述控制电路连接，所述全桥逆变器分别与所述LCC补偿拓扑和所述第一控制电路连接；所述接收端包括电感、整流桥、滤波电容、电池和第二控制电路，所述电感分别于所述LCC补偿拓扑和所述整流桥连接，所述整流桥与所述滤波电容连接，所述电池分别于所述滤波电容和所述第二控制电路连接；所述接收端的电感与所述发射端的LCC补偿拓扑的电感构成磁耦合机构，且两个电感尺寸不对称，所述发射端采用LCC补偿拓扑,且所述接收端未采用LCC补偿拓扑构成LCC-None补偿拓扑。
本发明实施例的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，针对磁耦合机构展开了深入地优化设计，保证接线线圈轻量化和简单化的基础上，使其更加适用于旋翼无人机无线充电系统，还在不采用接收端补偿电容的前提下，提出了LCC-None补偿拓扑，不仅保证了接收端的轻量化和简单化，而且维持了无线充电系统的高性能工作状态。
另外，根据本发明上述实施例的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，工作时，所述直流稳压电源的输出电压由所述Buck变换器降压，输入到所述全桥逆变器转换为预设数值交流电，经过所述LCC补偿拓扑后，以交变磁场方式将所述发射端能量传输到所述接收端，所述接收端通过电磁感应获得所述预设数值交流电，经过所述整流桥和所述滤波电容处理后，对所述电池进行充电，同时利用所述第二控制电路将采集情况传输给所述第一控制电路。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述发射端置于地面，所述接收端置于旋翼无人机。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一控制电路包括第一微处理器、MOSFET驱动模块和第一无线通信模块。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述发射端的第一微控制器通过PI算法控制所述Buck变换器，以保证对所述接收端的电池进行恒流/恒压充电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二控制电路包括信号采集与调理电路、第二微处理器和第二无线通信模块。
进一步地，在本发明的一个实施例中，工作时，所述信号采集与调理电路采集充电电流/电压，并输入至所述第二微处理器中，再通过所述第二无线通信模块传输到所述发射端的第一控制电路中。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有技术中用于旋翼无人机的不同类型磁耦合机构示意图；
图2是本发明一个实施例的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统结构示意图；
图3是本发明一个实施例的LCC-None补偿拓扑的互感模型示意图；
图4是本发明一个实施例的用于旋翼无人机的不对称型DD磁耦合机构结构示意图；
图5是本发明一个实施例的不对称型DD磁耦合机构的安装位置示意图；
图6是本发明一个实施例的不同方向偏移特性的仿真结果示意图；
图7是本发明一个实施例的电路仿真结果示意图，(a)为恒流充电状态，(b)为恒压充电状态。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统。
图2是本发明一个实施例的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统结构示意图。
如图2所示，该系统20包括：发射端21和接收端22，发射端21置于地面，接收端22置于旋翼无人机。
其中，发射端21包括直流稳压电源Ubus、Buck变换器(MOSFET Qb、二极管Db、滤波电感Lb和滤波电容Cb组成)、全桥逆变器MOSFET Q1～Q4、LCC补偿拓扑(电感L1p和L1以及电容C1p、Cp和C1)和第一控制电路，具体地，直流稳压电源Ubus与Buck变换器连接，Buck变换器分别与全桥逆变器和控制电路连接，全桥逆变器分别与LCC补偿拓扑和第一控制电路连接；接收端22包括电感L2、整流桥(二极管D1～D4)、滤波电容Co、电池和第二控制电路，电感分别于LCC补偿拓扑和整流桥连接，整流桥与滤波电容连接，电池分别于滤波电容和第二控制电路连接。
本发明提出的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统的工作原理为：直流稳压电源的输出电压由Buck变换器降压，输入到全桥逆变器转换为85kHz(此频率可根据不同的系统参数需求适当调节，在此不做具体限定)交流电，经过LCC补偿拓扑后，以交变磁场方式将发射端能量传输到接收端，通过电磁感应获得的85kHz交流电整流/滤波后对电池进行充电。接收端的电流/电压传感器采集充电电流/电压，经过信号调理电路后输入到第二微处理器，通过第二无线通信模块传输到发射端的第一控制电路中。在此基础上，发射端的第一微控制器通过PI算法控制Buck变换器，从而对旋翼无人机的电池进行恒流/恒压充电。
进一步地，发射端采用LCC补偿拓扑,且接收端未采用LCC补偿拓扑构成LCC-None补偿拓扑。
如图3所示，全桥逆变器的输出电压为us，流过电感L1p的电流为i1p，流过电感L1的电流为i1，流过电感L2的电流为i2，接收端整流桥的等效输入电阻和输入电压分别为Re和ue。相较于现有接收端常用的串联补偿拓扑和LCC补偿拓扑，本发明实施例中提出的接收端无(LCC-None)补偿拓扑极大地降低了接收端的成本、体积、重量以及损耗等。
进一步地，如图3所示，接收端阻抗Z2的表达式为：
Z2＝jωL2+Re (1)
反馈阻抗Zr的表达式为：
全桥逆变器输出阻抗Zp的表达式为：
发射线圈电流有效值I1的表达式为：
整流桥输入电压有效值Ue的表达式为：
电池充电电压Uo的表达式为：
由式(6)可知：(1)合理地减小L2能够降低其对Uo的影响。也就是说，即使接收端不采用任何补偿拓扑，无线充电系统依旧高性能运行。(2)调节发射端Buck变换器的占空比D调节了输出电压Uo，从而避免了采用接收端阻抗调节电路控制充电电流/电压，进一步地降低了接收端的重量和体积。
故结合上述公式推导与理论分析可知，在保证系统高性能运行的基础上，LCC-None补偿拓扑有效地减小了接收端线圈的自感值，从而更加有利于降低接收端的轻量化和简单化设计难度。
进一步地，接收端的电感与发射端的LCC补偿拓扑的电感构成磁耦合机构。
具体地，本发明实施例为保证接收端的轻量化和简单化，接收线圈的匝数越少越好；保证耦合性能的基础上，尽可能的避免或减少使用铁氧体磁芯和屏蔽铝板。因此，如图4所示，设计了不对称型DD磁耦合机构，该结构中两个电感尺寸不对称。
在实际应用中，本领域技术人员根据不同的旋翼无人机结构尺寸，针对性的设计不同尺寸的不对称型DD磁耦合机构。如图5所示，将接收线圈放置于无人机的起落底部的横梁上，该种安装方式，充分地利用了旋翼无人机的起落架，不仅未影响旋翼无人机下面所载摄像头或机械装置，而且降低了接收线圈周围漏磁对于无人机内部电子元件的影响。
下面以一个实施例对本发明提出的面向四旋翼无人机的轻量化无线充电系统进一步说明。
表1面向四旋翼无人机的轻量化无线充电系统的参数
如图6所示，可知：随着偏移距离的增加，x轴和y轴方向的互感值均减小，并且y轴方向的互感值减小幅度较弱，即y轴方向具备更强的抗偏移性能。针对本发明实施例的四旋翼无人机而言，优化设计后接收线圈的整体重量不超过100g。
结合表1中参数搭建PLECS仿真模型，采用发射端Buck变换器的占空比调节方式实现恒流/恒压充电，电路仿真结果如图7所示。由图7a可知：恒流充电状态，等效负载电阻由4.5Ω变为6Ω时，增加占空比维持了充电电流为4A。由图7b可知：恒压充电状态，等效负载电阻由10Ω变为40Ω时，减小占空比维持了充电电压为24V。显然，仿真结果验证了采用发射端控制电路实现恒流/恒压充电的可行性。
综上所述，本发明实施例提出的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，以降低旋翼无人机的载重负荷为出发点，从磁耦合机构、复合补偿拓扑以及控制电路角度出发，对放置于旋翼无人机上的接收端结构展开优化设计，实现了具备重量小，结构简单以及便于安装的轻量化无线充电系统。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，其特征在于，包括：发射端和接收端，其中，
所述发射端包括直流稳压电源、Buck变换器、全桥逆变器、LCC补偿拓扑和第一控制电路，所述直流稳压电源与所述Buck变换器连接，所述Buck变换器分别与所述全桥逆变器和所述控制电路连接，所述全桥逆变器分别与所述LCC补偿拓扑和所述第一控制电路连接；
所述接收端包括电感、整流桥、滤波电容、电池和第二控制电路，所述电感分别于所述LCC补偿拓扑和所述整流桥连接，所述整流桥与所述滤波电容连接，所述电池分别于所述滤波电容和所述第二控制电路连接；
所述接收端的电感与所述发射端的LCC补偿拓扑的电感构成磁耦合机构，且两个电感尺寸不对称，所述发射端采用LCC补偿拓扑,且所述接收端未采用LCC补偿拓扑构成LCC-None补偿拓扑。
2.根据权利要求1所述的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，其特征在于，工作时，所述直流稳压电源的输出电压由所述Buck变换器降压，输入到所述全桥逆变器转换为预设数值交流电，经过所述LCC补偿拓扑后，以交变磁场方式将所述发射端能量传输到所述接收端，所述接收端通过电磁感应获得所述预设数值交流电，经过所述整流桥和所述滤波电容处理后，对所述电池进行充电，同时利用所述第二控制电路将采集情况传输给所述第一控制电路。
3.根据权利要求1所述的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，其特征在于，所述发射端置于地面，所述接收端置于旋翼无人机。
4.根据权利要求1所述的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，其特征在于，所述第一控制电路包括第一微处理器、MOSFET驱动模块和第一无线通信模块。
5.根据权利要求1所述的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，其特征在于，所述发射端的第一微控制器通过PI算法控制所述Buck变换器，以保证对所述接收端的电池进行恒流/恒压充电。
6.根据权利要求1所述的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，其特征在于，所述第二控制电路包括信号采集与调理电路、第二微处理器和第二无线通信模块。
7.根据权利要求6所述的面向旋翼无人机的轻量化无线充电系统，其特征在于，工作时，所述信号采集与调理电路采集充电电流/电压，并输入至所述第二微处理器中，再通过所述第二无线通信模块传输到所述发射端的第一控制电路中。
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