CN112937320A - 一种多无人机无线充电系统的参数设置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多无人机无线充电系统的参数设置方法，其中，所述方法包括：构建LCC‑S补偿拓扑单元的多负载无线充电系统的初始模型；根据初始模型获得负载输出电压ULCC‑Soi与初级串联补偿电感Lr之间的关系；获得初级串联补偿电感Lr与初始模型中各个电容之间的关系；根据负载输出电压ULCC‑Soi的大小，获得初级串联补偿电感Lr的大小；根据初级串联补偿电感Lr的大小获得初始模型中各个电容的大小；根据初级串联补偿电感Lr的大小和初始模型中各个电容的大小获得LCC‑S补偿拓扑单元的多负载无线充电系统的最终模型。在本发明实施例中，实现了多路恒压输出，提升了系统输出电压的稳定性。

Description

一种多无人机无线充电系统的参数设置方法
技术领域
本发明涉及无人机无线充电技术领域，尤其涉及一种多无人机无线充电系统的参数设置方法。
背景技术
目前的无人机无线充电技术大多只是基于“一对一”无线充电模式，对于多无人机无线充电场合，这种方式效率较为低下，控制不便。多无人机无线充电技术可以有效解决这一问题，提升系统效率，控制也较为方便。然而，在多负载无线充电系统中，接收端数量的变化、负载的不稳定都可能会影响系统的恒压输出特性，所以在系统设计中，需要提高系统的稳压输出能力，来适应多负载无线充电系统中可能出现的各种影响系统稳压输出特性的情况。
目前应用于多负载无线充电系统常见的稳压策略有两种：一种是给系统加闭环稳压控制系统，这种方法从系统整体控制设计角度出发，在副边负载输出端加电压电流传感器检测输出特性，再通过原副边闭环控制系统调节原边系统中逆变器前Buck-Boost电路的占空比达到调节系统输入电压的效果，此方法可以有效地保证系统稳压输出特性，但增加了系统的整体设计难度和复杂性，同时还增加了系统的体积和成本；另一种方法是设计适应接收端数量变化、负载不稳定的多负载无线充电系统磁耦合机构和补偿网络，从电路特性角度出发，降低副边接收端数量变化、负载不稳定对系统恒压输出特性的影响，该方法相对于上述第一种方法简化了系统结构，减小了系统设计难度，同时还降低了系统成本，但存在的问题有系统恒压输出效果，不如加闭环稳压控制的系统有效。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种多无人机无线充电系统的参数设置方法，实现了多路恒压输出，提升了系统输出电压的稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种多无人机无线充电系统的参数设置方法，所述系统包括设置在无人机充电机场上的若干个无线电能发射装置和设置在无人机上的无线电能接收装置；所述无线电能发射装置包括依次连接的原边电能变换单元、LCC-S补偿拓扑单元和无线发射单元，在所述无线发射单元由多个依次串联的无线发射线圈组成；其中，
所述方法包括：
构建所述LCC-S补偿拓扑单元的多负载无线充电系统的初始模型；
根据所述初始模型获得负载输出电压ULCC-Soi与初级串联补偿电感Lr之间的关系；
获得所述初级串联补偿电感Lr与所述初始模型中各个电容之间的关系；
根据所述负载输出电压ULCC-Soi的大小，获得初级串联补偿电感Lr的大小；
根据所述初级串联补偿电感Lr的大小获得所述初始模型中各个电容的大小；
根据所述初级串联补偿电感Lr的大小和所述初始模型中各个电容的大小获得所述LCC-S补偿拓扑单元的多负载无线充电系统的最终模型。
可选的，所述无线发射线圈上设置充电电位，并且所述充电电位上设置有一个充电发射线圈，两两相邻的无线发射线圈及两两相邻的充电点位之间均设置有屏蔽铝板。
可选的，所述无线发射线圈内设置有磁芯。
可选的，所述LCC-S补偿拓扑单元包括初级串联补偿电感Lr、电容Cp1、电容Cp2、电阻Rr和电阻Rp；
所述原边电能变换单元的一端一次串联所述初级串联补偿电感Lr、电容Cp1、电阻Rr接原边电能变换单元的另一端，所述电感Lr、电容Cp1的公共端经依次串联的电容Cp2、若干无线发射线圈、电阻Rp接电容Cp1和电阻Rr的公共端。
可选的，所述负载输出电压ULCC-Soi与初级串联补偿电感Lr之间的关系如下：
Figure BDA0002962523600000031
Figure BDA0002962523600000032
其中，Uin表示输入电压，Mi、j、Lr、ω、Rr、RP、Rei、RSi、IP均为确定的常数。
可选的，所述初级串联补偿电感Lr与所述初始模型中各个电容之间的关系如下：
Figure BDA0002962523600000033
Figure BDA0002962523600000034
其中，ω为确定常数；CP1、CP2、CS1，…，CSn对应的各个电容的大小；Lp表示次无线发射线圈的等效自感；Lr表示初级串联补偿电感。
在本发明实施例中，通过一套无线电能发射装置同时为多个无人机充电，提高了无线充电效率；通过LCC-S的补偿拓扑设计，实现了多路恒压输出，提升了系统输出电压的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的多无人机无线充电系统的参数设置方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中的多无人机无线充电系统的结构组成示意图；
图3是本发明实施例中的多无人机无线充电系统的电路结构组成示意图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1，图1是本发明实施例中的多无人机无线充电系统的参数设置方法的流程示意图。
如图1所示，一种多无人机无线充电系统的参数设置方法，其特征在于，所述方法包括：
S11：构建所述LCC-S补偿拓扑单元的多无人机无线充电系统的初始模型；
S12：根据所述初始模型获得负载输出电压ULCC-Soi与初级串联补偿电感Lr之间的关系；
S13：获得所述初级串联补偿电感Lr与所述初始模型中各个电容之间的关系；
S14：根据所述负载输出电压ULCC-Soi的大小，获得初级串联补偿电感Lr的大小；
S15：根据所述初级串联补偿电感Lr的大小获得所述初始模型中各个电容的大小；
S16：根据所述初级串联补偿电感Lr的大小和所述初始模型中各个电容的大小获得所述LCC-S补偿拓扑单元的多无人机无线充电系统的最终模型。
在本发明具体实施过程中，多无人机无线充电系统包括设置在无人机充电机场上的若干个无线电能发射装置和设置在无人机上的无线电能接收装置；所述无线电能发射装置包括依次连接的原边电能变换单元、LCC-S补偿拓扑单元和无线发射单元，在所述无线发射单元由多个依次串联的无线发射线圈组成。
进一步的，所述无线发射线圈上设置充电电位，并且所述充电电位上设置有一个充电发射线圈，两两相邻的无线发射线圈及两两相邻的充电点位之间均设置有屏蔽铝板。
进一步的，所述无线发射线圈内设置有磁芯。
进一步的，所述LCC-S补偿拓扑单元包括初级串联补偿电感Lr、电容Cp1、电容Cp2、电阻Rr和电阻Rp；所述原边电能变换单元的一端一次串联所述初级串联补偿电感Lr、电容Cp1、电阻Rr接原边电能变换单元的另一端，所述电感Lr、电容Cp1的公共端经依次串联的电容Cp2、若干无线发射线圈、电阻Rp接电容Cp1和电阻Rr的公共端。
具体的，请参阅图2和图3，图2是本发明实施例中的多无人机无线充电系统的结构组成示意图；图3是本发明实施例中的多无人机无线充电系统的电路结构组成示意图。
如图2和图3所示，包括设置于无人机充电机场上的无线电能发射装置和设置于无人机上的无线电能接收装置；无线电能发射装置包括原边电能变换单元、LCC-S补偿拓扑单元和无线发射单元，无线发射单元包括多个依次串联的无线发射线圈，充电机场上设有多个充电位，每个充电位上设有一个充电发射线圈；无线充电方式采用一对多的方式，即一套无线电能发射装置为多个无人机充电。
在在无人机充电机场上设有n个充电位，因此设有n个充电发射线圈，可同时为n个无人机充电，多个充电位成一字排开设置或成阵列布置，多个发射线圈分别为多个无人机无线充电时，难免会产生交叉耦合，因此，为了防止交叉耦合，本实施例设计了多组耦合线圈(一组耦合线圈包括发射线圈和接收线圈)之间的磁场屏蔽方案，即在两两相邻的发射线圈或充电位之间设有屏蔽铝板，以屏蔽彼此间(多组耦合线圈之间)的磁场，降低交叉耦合。本实施例不仅设置了屏蔽铝板，还在每个发射线圈内均设有磁芯，在屏蔽彼此间的磁场的同时，增强发射线圈与对应接收线圈之间的耦合。从而保证系统的恒压输出不受影响。
LCC-S补偿拓扑单元包括电感Lr、电容Cp1、电容Cp2、电阻Rr和电阻Rp；原边电能变换单元的一端一次串联所述初级串联补偿电感Lr、电容Cp1、电阻Rr接原边电能变换单元的另一端，所述电感Lr、电容Cp1的公共端经依次串联的电容Cp2、若干无线发射线圈、电阻Rp接电容Cp1和电阻Rr的公共端。
无线充电系统采用如上描述的LCC-S补充拓扑结构(原边电能变换单元，通过图2中的高频逆变后的电压源Uin进行表示)，从而实现多路输出电压的恒压输出。在多无人机无线充电系统同时为多个无人机充电，提高了无线充电效率；通过LCC-S的补偿拓扑设计，实现了多路恒压输出，提升了系统输出电压的稳定性；通过屏蔽铝板和磁芯的设计，在防止多组耦合线圈之间交叉耦合的同时，增强发射线圈与对应接收线圈之间的耦合，减少交叉耦合对系统输出的影响，保证系统的恒压输出不受影响。
然后构建LCC-S补偿拓扑单元的多无人机无线充电系统的初始模型。为了达到恒压输出的效果，采用LCC-S补偿拓扑来设计多无人机无线充电系统。在构建好无线充电系统的初始模型后，为了得到设定的负载输出电压，需要对初始模型中的各个参数进行设置。
在本发明具体实施过程中，所述负载输出电压ULCC-Soi与初级串联补偿电感Lr之间的关系如下：
Figure BDA0002962523600000061
Figure BDA0002962523600000062
其中，Uin表示输入电压，Mi、j、Lr、ω、Rr、RP、Rei、RSi、IP均为确定的常数。
所述初级串联补偿电感Lr与所述初始模型中各个电容之间的关系如下：
Figure BDA0002962523600000063
Figure BDA0002962523600000064
其中，ω为确定常数；CP1、CP2、CS1，…，CSn对应的各个电容的大小；Lp表示次无线发射线圈的等效自感；Lr表示初级串联补偿电感。
如图2所示，Uin为高频逆变后的电压源，Lr为初级串联补偿电感，Rr为初级串联补偿电感内阻，CP1为初级并联补偿电容，CP2为初级串联补偿电容，LPi为第i个发射线圈的自感，
Figure BDA0002962523600000065
Lp为多个串联的发射线圈的等效自感，RP表示初级串联的发射线圈的总内阻，LSi为第i个接收线圈的自感，RSi为第i个次级线圈的内阻，CSi为第i个接收端的串联补偿电容，LSi与CSi组成串联谐振回路。Mi为第i对耦合线圈的耦合互感。Ir为逆变电路输出电流，IP为初级线圈电流，ISi为第i个接收端的输出电流，Rei为等效负载。其中，i∈[1,n]。
根据互感耦合原理，利用基尔霍夫电压定律对LCC-S多无人机无线充电系统进行分析可得：
Figure BDA0002962523600000071
为了得到系统传输效率最大值，减小或消除系统无功功率的传输，在系统原副边要求发射线圈、接收线圈与各自的补偿网络一起工作在谐振状态。
定义γ为原边回路电感之比：
Figure BDA0002962523600000072
由上述阻抗特性研究结果可知，LCC拓扑结构谐振频率条件为：
Figure BDA0002962523600000073
将(2)式代入(1)式可以化简得到原边线圈电流IP为：
Figure BDA0002962523600000074
负载输出电压可以表示为：
Figure BDA0002962523600000075
在构建初始模型时，电压源、耦合机构(即发射线圈和接收线圈)和负载是确定的，因此高频逆变后的电压源Uin、耦合互感Mi、多个串联的发射线圈的等效自感Lp、初级串联补偿电感内阻Rr、发射线圈的总内阻Rp、等效负载Rei、第i个次级线圈的内阻RSi是确定的，ω为设定的常数。
根据公式(3)得到Ip的表达式，并将其代入公式(4)中，就能得到ULCC-Soi与Lr之间的关系。在确定所需恒压输出的负载输出电压ULCC-Soi的大小后，就得到了Lr的大小。
根据公式(1)，在确定Lr和LP后得到。再根据公式(2)就能得到各电容CP1、CP2、CS1，…，CSn的大小。本实施例中，LCC-S多无人机无线充电系统的初始模型，确定各个参数后，得到了LCC-S多无人机无线充电系统的最终模型。
综上所述，通过LCC-S的补偿拓扑设计，实现了多路恒压输出，提升了系统输出电压的稳定性；通过对LCC-S多无人机无线充电系统的初始模型，进行合适的参数设计，能得到确定的负载输出电压的大小，不仅实现了恒压输出，而且实现了对恒压输出电压的确定。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种多无人机无线充电系统的参数设置方法进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种多无人机无线充电系统的参数设置方法，其特征在于，所述系统包括设置在无人机充电机场上的若干个无线电能发射装置和设置在无人机上的无线电能接收装置；所述无线电能发射装置包括依次连接的原边电能变换单元、LCC-S补偿拓扑单元和无线发射单元，在所述无线发射单元由多个依次串联的无线发射线圈组成；其中，
所述方法包括：
构建所述LCC-S补偿拓扑单元的多无人机无线充电系统的初始模型；
根据所述初始模型获得负载输出电压ULCC-Soi与初级串联补偿电感Lr之间的关系；
获得所述初级串联补偿电感Lr与所述初始模型中各个电容之间的关系；
根据所述负载输出电压ULCC-Soi的大小，获得初级串联补偿电感Lr的大小；
根据所述初级串联补偿电感Lr的大小获得所述初始模型中各个电容的大小；
根据所述初级串联补偿电感Lr的大小和所述初始模型中各个电容的大小获得所述LCC-S补偿拓扑单元的多无人机无线充电系统的最终模型。
2.根据权利要求1所述的参数设置方法，其特征在于，所述无线发射线圈上设置充电电位，并且所述充电电位上设置有一个充电发射线圈，两两相邻的无线发射线圈及两两相邻的充电点位之间均设置有屏蔽铝板。
3.根据权利要求1所述的参数设置方法，其特征在于，所述无线发射线圈内设置有磁芯。
4.根据权利要求1所述的参数设置方法，其特征在于，所述LCC-S补偿拓扑单元包括初级串联补偿电感Lr、电容Cp1、电容Cp2、电阻Rr和电阻Rp；
所述原边电能变换单元的一端一次串联所述初级串联补偿电感Lr、电容Cp1、电阻Rr接原边电能变换单元的另一端，所述电感Lr、电容Cp1的公共端经依次串联的电容Cp2、若干无线发射线圈、电阻Rp接电容Cp1和电阻Rr的公共端。
5.根据权利要求1所述的参数设置方法，其特征在于，所述负载输出电压ULCC-soi与初级串联补偿电感Lr之间的关系如下：
Figure FDA0002962523590000021
Figure FDA0002962523590000022
其中，Uin表示输入电压，Mi、j、Lr、ω、Rr、RP、Rei、RSi、IP均为确定的常数。
6.根据权利要求1所述的参数设置方法，其特征在于，所述初级串联补偿电感Lr与所述初始模型中各个电容之间的关系如下：
Figure FDA0002962523590000023
Figure FDA0002962523590000024
其中，ω为确定常数；CP1、CP2、CS1，…，CSn对应的各个电容的大小；Lp表示次无线发射线圈的等效自感；Lr表示初级串联补偿电感。
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