CN112994268A - 接收端、发射端、无人机无线充电系统及方法 - Google Patents

接收端、发射端、无人机无线充电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种接收端、发射端、无人机无线充电系统及方法，一种接收端，应用于无人机无线充电系统，其包括接收线圈和待充电电源，接收端还包括：与接收线圈连接的第一耦合补偿电路，第一耦合补偿电路与接收线圈组成第一谐振电路；与第一耦合补偿电路连接的不控整流电路；以及滤波电路，滤波电路的输入端与不控整流电路连接，滤波电路的输出端与待充电电源连接。通过确定无人机停放位置和电池状态，并通过控制电路基于电池充电过程中状态的变化规律调节输入电压，从而使得无人机无线充电系统在没有接收端反馈的情况下，能够维持接收端电流的稳定，对无人机电池进行恒流充电。

Description

接收端、发射端、无人机无线充电系统及方法
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及接收端、发射端、无人机无线充电系统及方法。
背景技术
近年来，随着各类小型电子产品的增多，无线充电技术愈发受到人们的关注。相较于传统的有线充电，无线充电技术安全性更高、不易损坏、易于实现自动化。19世纪末，Tesla提出了无线电能传输的猜想。之后的一个多世纪，无线输电的研究从未停止过，直到2007年，美国麻省理工学院的Marin等人提出了磁耦合谐振式无线输电，在距离两米的位置上点亮了一个60瓦灯泡。这使得无线电能传输的研究重新获得了广泛的关注。
目前，电网正朝着越来越智能化、自动化的方向发展，在电网输电线巡检的过程中，以电力设备巡检代替人工巡检将会是未来的趋势。其中，无人机巡线已经成为输电线路巡检的一种重要方式，目前在输电线路巡检中得到广泛应用。巡检无人机主要依靠锂电池作为动力驱动，具有工艺成熟、控制灵活、可靠性高等优点，无线充电技术作为新型供电方式，提高了无人机充电自由度，扩展了无人机巡线的应用安全性与可靠性。然而，机载重量与续航里程是限制当前无人机作业半径与巡线效率的重要因素。传统的无线充电拓扑中，为了保证对负载电池进行恒流充电，需要在电能接收端加入采样与反馈环节，或使用可控整流，使得增加无人机的多余载荷量，降低了无人机的续航里程和巡检作业效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是在保证对负载电池进行恒流充电的同时，避免无人机增加多余的载荷量。
本发明提供一种接收端，应用于无人机无线充电系统，其包括接收线圈和待充电电源，所述接收端还包括：与所述接收线圈连接的第一耦合补偿电路，所述第一耦合补偿电路与所述接收线圈组成第一谐振电路，所述第一谐振电路用于接收发射线圈传递的能量并产生相同频率的高频交流电；与所述第一耦合补偿电路连接的不控整流电路，所述不控整流电路用于对所述高频交流电进行整流，将其转化为低压直流电；以及用于滤除所述不控整流电路输出电压中脉动与谐波的滤波电路，所述滤波电路的输入端与所述不控整流电路连接，所述滤波电路的输出端与所述待充电电源连接。
在发明的一些实施方式中，所述第一耦合补偿电路采用S拓扑。
在发明的一些实施方式中，所述不控整流电路为单相不控全桥整流电路。
本发明还提供一种发射端，应用于无人机无线充电系统，所述发射端包括：发射线圈；与所述发射线圈连接的第二耦合补偿电路，所述第二耦合补偿电路与所述发射线圈组成第二谐振电路，所述第二谐振电路用于将逆变得到的高频方波交流电转化为高频正弦交流电，并发射能量；与所述第二耦合补偿电路连接的高频逆变电路，所述高频逆变电路用于将驱动电路中传输的低压直流电逆变为高频低压交流电，并传输至所述第二耦合补偿电路；控制电路，所述控制电路的输入端与所述第二耦合补偿电路连接，所述控制电路的输出端与所述高频逆变电路连接。
在发明的一些实施方式中，所述第二耦合补偿电路采用LCC拓扑。
本发明还提供一种无人机无线充电系统，其包括上述实施方式中的接收端和上述实施方式中的发射端。
本发明还提供一种无人机无线充电方法，应用于无人机无线充电系统，所述无线充电系统包括发射端和接收端，所述方法包括以下步骤：
步骤一、建立所述发射端的输入电压与所述发射端的耦合电流的第一关联关系，其中，所述第一关联关系中包含所述发射端与所述接收端之间的耦合系数以及所述接收端的初始负载电阻值；步骤二、输入至少两个短时间的输入电压以及与所述至少两个短时间的输入电压相关联的所述发射端的耦合电流至所述第一关联关系中，使确定在电路检测到负载接入后的所述发射端与所述接收端之间的耦合系数以及所述接收端的初始负载电阻值；步骤三、建立所述发射端的输入电压与所述接收端的充电电流的第二关联关系，其中，所述第二关联关系中包含所述发射端与所述接收端之间的耦合系数以及接收端的实时负载电阻值；步骤四、基于所述初始负载电阻值和电池充电电压变化规律，修正实时负载电阻值；步骤五、基于修正的实时负载电阻值，通过控制电路调整所述发射端的输入电压，使所述接收端的充电电流保持稳定。
在发明的一些实施方式中，所述发射端的输入电压与所述接收端的充电电流的关联关系的表达式为：
Figure BDA0003003458630000031
其中，
Figure BDA0003003458630000032
式中，is为接收端的充电电流、RL为负载电阻、j为虚数单位、ω0为电路工作频率、M为发射端与接收端线圈之间的耦合系数、ip为耦合电感电流、up发射端的输入电压、Cf为发射端谐振电容、Rf为发射端谐振电感电阻、Rp为发射线圈电阻。
本发明还提供一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行无人机无线充电方法的步骤。
本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现无人机无线充电方法的步骤。
相比现有技术，本发明通过确定无人机停放位置(耦合系数)和电池状态(初始负载电阻值)，并通过控制电路基于电池充电过程中状态的变化规律(负载电阻值变化规律)调节输入电压，从而使得无人机无线充电系统在没有接收端反馈的情况下，能够维持接收端电流的稳定，对无人机电池进行恒流充电，实现了在最大化程度上减轻无人机上接收端重量的同时，保证了充电的电能质量与充电安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种无人机无线充电系统的电路拓扑图；
图2为本发明一实施例提供的一种无人机无线充电系统中接收端的待充电电池充电曲线示意图；
图3为为本发明一实施例提供的一种无人机无线充电方法的流程图；
图4是本发明一实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种接收端，应用于无人机无线充电系统，其包括接收线圈和待充电电源，所述接收端还包括：与所述接收线圈连接的第一耦合补偿电路，所述第一耦合补偿电路与所述接收线圈组成第一谐振电路，所述第一谐振电路用于接收发射线圈传递的能量并产生相同频率的高频交流电；与所述第一耦合补偿电路连接的不控整流电路，所述不控整流电路用于对所述高频交流电进行整流，将其转化为低压直流电；以及用于滤除所述不控整流电路输出电压中脉动与谐波的滤波电路，所述滤波电路的输入端与所述不控整流电路连接，所述滤波电路的输出端与所述待充电电源连接。
应用本实施例的技术方案，在能够保持对接收端进行恒流充电的同时，将接收端的反馈环节去掉，仅保留一个不控整流环节，使得能够减轻接收端的重量。
请参阅图1，第一耦合补偿电路采用S拓扑，谐振电感Lf与谐振电容Cf构成串联谐振，Rs为电感电阻。谐振电感电容的参数配置和谐振频率ω0满足下式：
Figure BDA0003003458630000051
接收端的整流电路由4个电力二极管构成，是单相不控全桥整流电路。整流电路之后经过滤波电路链接至待充电电源。
本申请还提供一种发射端，应用于无人机无线充电系统，所述发射端包括：发射线圈；与所述发射线圈连接的第二耦合补偿电路，所述第二耦合补偿电路与所述发射线圈组成第二谐振电路，所述第二谐振电路用于将逆变得到的高频方波交流电转化为高频正弦交流电，并发射能量；与所述第二耦合补偿电路连接的高频逆变电路，所述高频逆变电路用于将驱动电路中传输的低压直流电逆变为高频低压交流电，并传输至所述第二耦合补偿电路；控制电路，所述控制电路的输入端与所述第二耦合补偿电路连接，所述控制电路的输出端与所述高频逆变电路连接。
应用本实施例的技术方案，通过控制电路基于电池充电过程中的电阻值变化规律调节输入电压，从而使得无人机无线充电系统在没有接收端反馈的情况下，能够维持接收端电流的稳定，对无人机电池进行恒流充电。
进一步参阅图1，第二耦合补偿电路采用LCC拓扑，其中，Lf为谐振电感、Cf和Cp为谐振电容、Lp为发射线圈电感，Lf、Cf构成串联谐振，Lf、Cp、Lp也构成串联谐振，Rf、Rp均为电感电阻。谐振电感电容的参数配置和谐振频率ω0满足下式：
Figure BDA0003003458630000052
本申请还提供一种无人机无线充电系统，其包括上述实施例中的接收端和上述实施例中的发射端。
本申请还提供一种无人机无线充电方法，应用于无人机无线充电系统，无线充电系统包括发射端和接收端，方法包括以下步骤：
步骤一、建立发射端的输入电压与发射端的耦合电流的第一关联关系，其中，第一关联关系中包含发射端与接收端之间的耦合系数以及接收端的初始负载电阻值；
步骤二、输入至少两个短时间的输入电压以及与至少两个短时间的输入电压相关联的发射端的耦合电流至第一关联关系中，使确定在电路检测到负载接入后的发射端与接收端之间的耦合系数以及接收端的初始负载电阻值；
步骤三、建立发射端的输入电压与接收端的充电电流的第二关联关系，其中，第二关联关系中包含发射端与接收端之间的耦合系数以及接收端的实时负载电阻值；
步骤四、基于初始负载电阻值和电池充电电压变化规律，修正实时负载电阻值；
步骤五、基于修正的实时负载电阻值，通过控制电路调整发射端的输入电压，使接收端的充电电流保持稳定。
下面对通过描述发明人在实现本发明的过程中遇到的一些问题和对最终确定的方案的一个具体实施例进行说明，以使本领域技术人员更好地理解本申请的方案。
发明人在实现本申请的过程中发现：
在给无人机的电池充电的过程中，需要控制接收端的充电电流恒定。但是在每次充电开始时，电池中剩余电量未知，电池两端电压无法确定。可以理解为在电路每次开始工作时，负载电阻RL是未知的。且在锂电池充电时，电池两端的电压会随时间不断变化，如图2所示。可以理解为在电路工作时，负载电阻RL在持续变化。同时，无人机在停靠过程中无法精准的定点，会导致发射端与接收端之间的耦合系数M发生变化。
根据图1中LCC-S电路拓扑可推导出充电电流is的表达式为：
Figure BDA0003003458630000061
其中，
Figure BDA0003003458630000062
式中，is为接收端的充电电流、RL为负载电阻、j为虚数单位、ω0为电路工作频率、M为发射端与接收端线圈之间的耦合系数、ip为耦合电感电流、up发射端的输入电压、Cf为发射端谐振电容、Rf为发射端谐振电感电阻、Rp为发射线圈电阻。
可以表示为接收端的充电电流is与发射端的输入电压up与发射端的耦合电感电流ip之间满足含有未知变量M和RL的函数关系式，即is＝f(M，RL)up或is＝g(M，RL)ip。在没有接收端反馈的情况下，依据该关系式控制接收端电流。因此，在上述拓扑和工作情况的基础上，通过发射端的控制电路能够实现控制在不同工况下接收端电流的恒定。
每次充电开始时，耦合系数M与负载电阻RL均为未知量。在无人机停靠完毕之后的充电过程中，耦合系数M不再发生变化，负载电阻RL按照已知的充电曲线规律持续变化，故只需要通过一定的手段测得开始时的M和RL，之后结合充电时的电池电压变化规律，计算负载电阻变化情况，即可根据is＝f(M，RL)up或is＝g(M，RL)ip，通过控制发射端电压up或发射端的耦合电感电流ip来控制充电电流。考虑到up和ip之间的关系同样满足含有未知变量M和RL的函数关系式ip＝y(M，RL)up，故可以通过产生不同的up，检测相应的ip，列写方程求解M和RL。当持续时间较短时，可近似认为电池没有充入电量，两端电压没有变化，负载电阻不变，只需要两个方程便可求解出M和RL。
由以上分析可知，整个充电过程中控制方法的工作流程如下：
(1)无人机停靠完毕，电路检测到负载接入，准备进行充电。
(2)发射端发射两个短时间的电压脉冲up1和up2，检测到相应的发射端电流ip1和ip2。
(3)列写方程组
Figure BDA0003003458630000071
求解M和RL。
(4)根据已知的电池充电电压变化规律和is＝f(M，RL)up，每隔一定时间修正RL，通过控制up使is保持稳定。
(5)检测到电池电压(通过负载电阻反应)超过上限，进行断电保护，充电完成。
通过此种控制方法，可让该无线充电系统在没有接收端反馈的情况下，维持接收端电流的稳定，对无人机电池进行恒流充电。在最大化程度上减轻无人机上接收端重量的同时，保证了充电的电能质量与充电安全。
在另一些实施例中，本发明实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的无人机无线充电方法；
作为一种实施方式，本发明的非易失性计算机存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令设置为：
建立发射端的输入电压与发射端的耦合电流的第一关联关系，其中，第一关联关系中包含发射端与接收端之间的耦合系数以及接收端的初始负载电阻值；
输入至少两个短时间的输入电压以及与至少两个短时间的输入电压相关联的发射端的耦合电流至第一关联关系中，使确定在电路检测到负载接入后的发射端与接收端之间的耦合系数以及接收端的初始负载电阻值；
建立发射端的输入电压与接收端的充电电流的第二关联关系，其中，第二关联关系中包含发射端与接收端之间的耦合系数以及接收端的实时负载电阻值；
基于初始负载电阻值和电池充电电压变化规律，修正实时负载电阻值；
基于修正的实时负载电阻值，通过控制电路调整发射端的输入电压，使接收端的充电电流保持稳定。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，使计算机执行上述任一项无人机无线充电方法。
图4是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图4所示，该设备包括：一个或多个处理器110以及存储器120，图4中以一个处理器110为例。手术器械清点方法的设备还可以包括：输入装置130和输出装置140。处理器110、存储器120、输入装置130和输出装置140可以通过总线或者其他方式连接，图4中以通过总线连接为例。存储器120为上述的非易失性计算机可读存储介质。处理器110通过运行存储在存储器120中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例手术器械清点方法。输入装置130可接收输入的数字或字符信息，以及产生与手术器械清点装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置140可包括显示屏等显示设备。
上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。未在本实施例中详尽描述的技术细节，可参见本发明实施例所提供的方法。
作为一种实施方式，上述电子设备应用于手术器械清点装置中，用于客户端，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够：
建立发射端的输入电压与发射端的耦合电流的第一关联关系，其中，第一关联关系中包含发射端与接收端之间的耦合系数以及接收端的初始负载电阻值；
输入至少两个短时间的输入电压以及与至少两个短时间的输入电压相关联的发射端的耦合电流至第一关联关系中，使确定在电路检测到负载接入后的发射端与接收端之间的耦合系数以及接收端的初始负载电阻值；
建立发射端的输入电压与接收端的充电电流的第二关联关系，其中，第二关联关系中包含发射端与接收端之间的耦合系数以及接收端的实时负载电阻值；
基于初始负载电阻值和电池充电电压变化规律，修正实时负载电阻值；
基于修正的实时负载电阻值，通过控制电路调整发射端的输入电压，使接收端的充电电流保持稳定。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种接收端，应用于无人机无线充电系统，其包括接收线圈和待充电电源，其特征在于，所述接收端还包括：
与所述接收线圈连接的第一耦合补偿电路，所述第一耦合补偿电路与所述接收线圈组成第一谐振电路，所述第一谐振电路用于接收发射线圈传递的能量并产生相同频率的高频交流电；
与所述第一耦合补偿电路连接的不控整流电路，所述不控整流电路用于对所述高频交流电进行整流，将其转化为低压直流电；以及
用于滤除所述不控整流电路输出电压中脉动与谐波的滤波电路，所述滤波电路的输入端与所述不控整流电路连接，所述滤波电路的输出端与所述待充电电源连接。
2.根据权利要求1所述的一种接收端，其特征在于，所述第一耦合补偿电路采用S拓扑。
3.根据权利要求1所述的一种接收端，其特征在于，所述不控整流电路为单相不控全桥整流电路。
4.一种发射端，应用于无人机无线充电系统，其特征在于，所述发射端包括：
发射线圈；
与所述发射线圈连接的第二耦合补偿电路，所述第二耦合补偿电路与所述发射线圈组成第二谐振电路，所述第二谐振电路用于将逆变得到的高频方波交流电转化为高频正弦交流电，并发射能量；
与所述第二耦合补偿电路连接的高频逆变电路，所述高频逆变电路用于将驱动电路中传输的低压直流电逆变为高频低压交流电，并传输至所述第二耦合补偿电路；
控制电路，所述控制电路的输入端与所述第二耦合补偿电路连接，所述控制电路的输出端与所述高频逆变电路连接。
5.根据权利要求4所述的一种发射端，其特征在于，所述第二耦合补偿电路采用LCC拓扑。
6.一种无人机无线充电系统，其特征在于，其包括权利要求1-3任一所述的接收端和权利要求4-5任一所述的发射端。
7.一种无人机无线充电方法，应用于无人机无线充电系统，所述无线充电系统包括发射端和接收端，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立所述发射端的输入电压与所述发射端的耦合电流的第一关联关系，其中，所述第一关联关系中包含所述发射端与所述接收端之间的耦合系数以及所述接收端的初始负载电阻值；
步骤二、输入至少两个短时间的输入电压以及与所述至少两个短时间的输入电压相关联的所述发射端的耦合电流至所述第一关联关系中，使确定在电路检测到负载接入后的所述发射端与所述接收端之间的耦合系数以及所述接收端的初始负载电阻值；
步骤三、建立所述发射端的输入电压与所述接收端的充电电流的第二关联关系，其中，所述第二关联关系中包含所述发射端与所述接收端之间的耦合系数以及接收端的实时负载电阻值；
步骤四、基于所述初始负载电阻值和电池充电电压变化规律，修正实时负载电阻值；
步骤五、基于修正的实时负载电阻值，通过控制电路调整所述发射端的输入电压，使所述接收端的充电电流保持稳定。
8.根据权利要求7所述的一种无人机无线充电方法，其特征在于，所述发射端的输入电压与所述接收端的充电电流的关联关系的表达式为：
Figure FDA0003003458620000021
其中，
Figure FDA0003003458620000022
式中，ls为接收端的充电电流、RL为负载电阻、j为虚数单位、ω0为电路工作频率、M为发射端与接收端线圈之间的耦合系数、ip为耦合电感电流、up发射端的输入电压、Cf为发射端谐振电容、Rf为发射端谐振电感电阻、Rp为发射线圈电阻。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求7至8任一项所述方法的步骤。
10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求7至8任一项所述方法的步骤。
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