CN115771413B - 无线充电系统、无人机及其悬停状态无线充电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线充电系统，该系统包括用于发射电磁能的原边系统、用于接收电磁能的副边系统及充电控制系统；原边系统包括逆变器、原边谐振补偿网络和发射线圈；原边谐振补偿网络包括原边电容组件；原边电容组件和发射线圈串联后并接在逆变器的交流输出侧；副边系统包括接收线圈、副边谐振补偿网络、整流系统、滤波电容和充电电池；副边谐振补偿网络包括副边电容组件；副边电容组件和接收线圈串联后并接在整流器的交流输入侧；充电控制系统包括PWM系统，PWM系统根据流经发射线圈的电流信号的频率及相位，输出脉冲信号控制逆变器开关功率管通断，从而使发射线圈和接收线圈工作频率相同。本发明可实现宇称‑时间对称无线电能传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线充电系统及方法，特别涉及一种无线充电系统、无人机及其悬停状态无线充电系统及方法。
背景技术
目前，近年来，无人机因其小巧灵活的优点，在航空摄影、电力线路巡检、边境巡逻等商业和军事领域得到了广泛的应用。尤其针对特高压输电主干网的高空巡检作业，无人机巡检相较于传统的人工巡检方式具有高效率、低风险、灵活便捷的优势，并且可以包括运动控制、图像识别、机器人等智能化故障诊断算法，确保特高压输电安全稳定运行，为构建新型能源输送网络保驾护航。然而，受限于无人机的电池容量限制，无人机的平均飞行时间大约只有半小时。为了实现快速、便捷的能量补充，无线电能传输特别是无人机悬停无线充电是一种革命性的技术。与降落-充电方式相比，无人机悬停无线充电可以避免再次降落和起飞过程中可能出现的安全问题，同时避免了无人机降落时机械手的高精度识别，定期技术维护和校准的需求。此外，悬停中的无人机可以通过飞行控制系统的连续运行，抵御强风等恶劣环境的干扰，同时实现线路的空中监测和无人机的快速能量补充。
无人机悬停无线充电系统面临着特殊的技术挑战，具体包括轻量化接收侧装置设计(无人机载重限制)和连续性扰动的实时平抑需求(无人机悬停状态下的位置波动引起的无线充电系统中耦合系数的连续变化)。针对该系统的特殊需求，J.Zhou,B.Zhang,W.Xiao,D.Qiu,and Y.Chen,“Nonlinear parity-time-symmetric model for constantefficiency wireless power transfer:application to a drone-in-flight wirelesscharging platform,”IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.66,no.5,pp.4097-4107,May 2019.提出一种宇称-时间对称无线电能传输系统，该系统通过设计一种具有自激振荡的逆变器来实现一定范围(宇称-时间对称区域)内的系统输出恒功率。该系统不需要增加任何副边控制电路，克服了无线充电系统中耦合系数变化对输出功率的影响，然而只有当系统耦合系数大于临界耦合系数时，才能实现输出恒功率特性。在无人机悬停无线充电系统中，由于无人机与悬停充电塔架(即发射-接收线圈)间的相对位置影响着耦合系数的大小，因此需要保证无人机悬停波动下的耦合系数均落在宇称-时间对称区域内，进而实现该范围下的恒定功率输出。此外，理论分析发现，对称区域的扩充会伴随着系统输出效率的降低，因此，对称区域扩充时也需要考虑对输出效率的影响。在实际系统中，需要针对不同结构和型号的无人机实现宇称-时间对称区域的灵活调节，进而在保证无人机悬停位置波动下系统恒功率输出的同时，提升无线充电系统的传输效率。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种无线充电系统、无人机及其悬停状态无线充电系统及方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种无线充电系统，该系统包括用于发射电磁能的原边系统、用于接收电磁能的副边系统及充电控制系统；原边系统包括直流电源、逆变器、原边谐振补偿网络和发射线圈；直流电源与逆变器的直流输入侧连接；原边谐振补偿网络包括原边电容组件；原边电容组件和发射线圈串联后并接在逆变器的交流输出侧；副边系统包括接收线圈、副边谐振补偿网络、整流器、滤波电容和充电负载；发射线圈和接收线圈之间相互电磁耦合；副边谐振补偿网络包括副边电容组件；副边电容组件和接收线圈串联后并接在整流器的交流输入侧；整流器的直流侧分别与滤波电容及充电负载并联；充电控制系统包括PWM系统，PWM系统根据流经发射线圈的电流信号的频率及相位，输出脉冲信号控制逆变器功率开关管通断，从而使发射线圈和接收线圈工作频率相同。
进一步地，PWM系统包括依次连接的电流传感器、运算放大器、低通滤波器、比较器及PWM信号发生器；电流传感器用于采集流经发射线圈的原边电流信号；运算放大器用于对电流传感器采集的原边电流信号进行放大；低通滤波器用于滤除运算放大器放大后的原边电流信号中的振铃信号；比较器用于将低通滤波后的原边电流信号转换为与原边电流信号同相位的方波信号A；PWM信号发生器，其输入开关键控调制占空比信号及方波信号A，生成一个对应方波信号A的频率和相位的频率较高的方波信号B，及一个对应开关键控调制占空比信号的频率较低的方波信号C；其将方波信号B与方波信号C相与后输出至逆变器功率开关管的控制端。
进一步地，PWM信号发生器包括脉冲捕获模块及数字处理器模块，脉冲捕获模块用于检知方波信号A的频率和相位；数字处理器模块，其根据脉冲捕获模块检知得到的方波信号A的频率和相位生成方波信号B，其根据开关键控调制占空比信号生成方波信号C。
进一步地，脉冲捕获模块为TI-DSP28335的eCAP模块。
进一步地，原边电容组件和副边电容组件的电容值满足原边系统的固有频率与副边系统的固有频率相等。
进一步地，逆变器由四个高频氮化镓MOSFET构成的全桥逆变器。
本发明还提供了一种无人机悬停状态无线充电系统，该系统包括权利要求1至6任一所述的无线充电系统。
进一步地，该方法包括如下步骤：
步骤1，根据无人机悬停时的最大波动范围，确定发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值κc，使发射线圈和接收线圈的工作频率处于宇称-时间对称区域；
步骤2，根据κc值计算出开关键控调制占空比；
步骤3，采集流经发射线圈的原边电流信号，进一步得到原边电流信号的频率和相位信息；
步骤4，采用PWM系统，使PWM系统基于原边电流信号的频率和相位信息，产生一个与原边电流信号同相位同频率且基于开关键控调制占空比的PWM信号来驱动逆变器，PWM信号包含一个频率较高的方波信号和一个频率较低的方波信号，频率较高的方波信号为系统操作频率，频率较低的方波信号控制频率较高的方波信号的输出，当频率较低的方波信号为高电平1时，频率较高的方波信号正常输出，当频率较低的方波信号为低电平0时，频率较高的方波信号输出为0；
步骤5，检测无人机最大波动范围是否发生变化，当无人机最大波动范围变化时，返回到步骤1；当无人机最大波动范围无变化时，PWM系统保持输出当前的PWM信号。
9.根据权利要求8所述的无人机悬停状态无线充电方法，其特征在于，步骤2中，开关键控调制占空比的计算方法为：
RLeq＝κcω0Ls-Rs；
其中，d为开关键控调制占空比，RLeq为整流电路等效电阻负载的电阻值，RL为充电负载电阻值，κc为发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值，Ls为接收线圈自感值，Rs为接收线圈内阻值，ω0为副边系统的固有频率。
本发明还提供了一种无人机，该无人机包括上述的无人机悬停状态无线充电系统的副边系统，并采用上述的无人机悬停状态无线充电系统充电。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明提出的无线充电系统可以利用原边逆变器的开关键控调制策略，动态调整系统副边的等效负载，实现宇称-时间对称区域的扩充，实现效率的动态调整，可提升了无线充电系统的灵活性。
无人机悬停状态无线充电系统可实现宇称-时间对称无线电能传输。其开关键控调制策略，均在无人机悬停状态无线充电系统的原边系统实现，不需要在无人机侧(副边系统)增加任何检测和控制回路，便可以保证宇称-时间对称区域内的恒功率输出，满足无人机侧的轻量化设计，相比于其他需要在副边增加控制回路的方式，本发明降低了无人机侧的悬停功率损耗。
本发明不仅适用于无人机悬停无线充电系统，也适用于其他无线电能传输系统，比如电动汽车等移动工具。
附图说明
图1为本发明的一种无线充电系统电气原理图。
图2为本发明的一种无线充电系统中“负电阻”的电压电流示意图。
图3为PWM系统生成的控制逆变器开关通断的几种信号信号。
图4为开关键控调制的宇称-时间对称无线充电系统的等效电路图。
图5为本发明的一种无线充电系统耦合系数-输出功率/效率输出特性图。
图6为本发明的一种无线充电系统耦合系数-工作频率输出特性图。
图7为本发明的一种无线充电系统负载-输出功率/效率输出特性图。
图8为本发明的一种无人机悬停状态无线充电方法的工作流程图。
图中：S1、全桥逆变器的左上半桥的开关器件；S2、全桥逆变器的左下半桥的开关器件；S3、全桥逆变器的右上半桥的开关器件；S4、全桥逆变器的右下半桥的开关器件；CP、发射侧谐振补偿电容值；CS、接收侧谐振补偿电容值；IP、发射侧电流；IS、接收侧电流；RL、充电负载电阻值；Lp为发射线圈自感值；Rp为发射线圈内阻值；Ls为接收线圈自感值；Rs为接收线圈内阻值；RLeq为整流电路等效电阻负载的电阻值；RN、将直流电源和逆变器整体等效为“负电阻”的等效阻值；M、原边与副边线圈的互感值；Ci、逆变器前端的稳压电容值；Cf、整流器后端的滤波电容值；Vdc、直流电源输出的电压值；UP、直流电压经过逆变器后的交流电压值；UR、等效负载两端的电压值；d、开关键控调制占空比；SHF、高频方波信号；SLF、低频方波信号；vin、开关键控调制后的逆变器输出交流电压；κ、发射线圈与接收线圈的耦合系数；κc、发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本申请中如下英文单词及短语的中文注释如下：
Varied：变化的。
PWM：脉冲宽度调制。
MOSFET：场效应晶体管。
GaN：氮化镓。
eCAP模块：数字信号处理器中用于检测脉冲上升沿的模块。
DSP：数字信号处理器。
请参见图1至图8，一种无线充电系统，该系统包括用于发射电磁能的原边系统、用于接收电磁能的副边系统及充电控制系统；原边系统包括直流电源、逆变器、原边谐振补偿网络和发射线圈；直流电源与逆变器的直流输入侧连接；原边谐振补偿网络包括原边电容组件；原边电容组件和发射线圈串联后并接在逆变器的交流输出侧；副边系统包括接收线圈、副边谐振补偿网络、整流器、滤波电容和充电负载；发射线圈和接收线圈之间相互电磁耦合；副边谐振补偿网络包括副边电容组件；副边电容组件和接收线圈串联后并接在整流器的交流输入侧；整流器的直流侧分别与滤波电容及充电负载并联；充电控制系统包括PWM系统，PWM系统根据流经发射线圈的电流信号的频率及相位，输出脉冲信号控制逆变器功率开关管通断，从而使发射线圈和接收线圈工作频率相同。
电容组件可以是一个电容，也可以是多个电容串联或并联构成。
优选地，PWM系统可包括依次连接的电流传感器、运算放大器、低通滤波器、比较器及PWM信号发生器；电流传感器可用于采集流经发射线圈的原边电流信号；运算放大器可用于对电流传感器采集的原边电流信号进行放大；低通滤波器可用于滤除运算放大器放大后的原边电流信号中的振铃信号；比较器可用于将低通滤波后的原边电流信号转换为与原边电流信号同相位的方波信号A；PWM信号发生器，其可输入开关键控调制占空比信号及方波信号A，可生成一个对应方波信号A的频率和相位的频率较高的方波信号B，及一个对应开关键控调制占空比信号的频率较低的方波信号C；其可将方波信号B与方波信号C相与后输出至逆变器功率开关管的控制端。
优选地，PWM信号发生器可包括脉冲捕获模块及数字处理器模块，脉冲捕获模块可用于检知方波信号A的频率和相位；数字处理器模块，其可根据脉冲捕获模块检知得到的方波信号A的频率和相位生成方波信号B，其可根据开关键控调制占空比信号生成方波信号C。
优选地，脉冲捕获模块可为TI-DSP28335的eCAP模块。
优选地，原边电容组件和副边电容组件的电容值可满足原边系统的固有频率与副边系统的固有频率相等。
优选地，逆变器可由四个高频氮化镓MOSFET构成的全桥逆变器。
本发明还提供了一种无人机悬停状态无线充电系统，该系统包括上述的无线充电系统。
本发明还提供了一种无人机，该无人机包括上述的无人机悬停状态无线充电系统的副边系统，并采用上述的无人机悬停状态无线充电系统充电。
本发明还提供了一种电动车，该电动车包括上述的无线充电系统的副边系统，并采用上述的无线充电系统充电。
本发明还提供了一种上述的无人机悬停状态无线充电系统的无人机悬停状态无线充电方法，该方法包括如下步骤：
步骤1，根据无人机悬停时的最大波动范围，确定发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值κc，使发射线圈和接收线圈的工作频率处于宇称-时间对称区域。
步骤2，根据κc值计算出开关键控调制占空比。
步骤3，采集流经发射线圈的原边电流信号，进一步得到原边电流信号的频率和相位信息。
步骤4，采用PWM系统，使PWM系统基于原边电流信号的频率和相位信息，产生一个与原边电流信号同相位同频率且基于开关键控调制占空比的PWM信号来驱动逆变器，PWM信号包含一个频率较高的方波信号和一个频率较低的方波信号，频率较高的方波信号为系统操作频率，频率较低的方波信号控制频率较高的方波信号的输出，当频率较低的方波信号为高电平1时，频率较高的方波信号正常输出，当频率较低的方波信号为低电平0时，频率较高的方波信号输出为0。
步骤5，检测无人机最大波动范围是否发生变化，当无人机最大波动范围变化时，返回到步骤1；当无人机最大波动范围无变化时，数字处理器模块保持输出当前的PWM信号。
优选地，步骤1中，确定发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值κc方法可为：
当耦合系数κ大于临界耦合系数时，无线充电系统进入宇称-时间对称区域，可以实现恒定的输出功率和效率。其中，临界耦合系数为：
其中，Ls、Rs分别对应为副边接收线圈自感值和内阻值，ω0为原边谐振补偿网络与发射线圈构成的谐振子的固有谐振频率或副边谐振补偿网络与接收线圈构成的谐振子的固有谐振频率。确定元器件参数，使原边谐振补偿网络与发射线圈构成的原边谐振子的固有谐振频率与副边谐振补偿网络与接收线圈构成的副边谐振子的固有谐振频率相等。
优选地，步骤2中，开关键控调制占空比的计算方法可为：
RLeq＝κcω0Ls-Rs；
其中，d为开关键控调制占空比，RLeq为整流电路等效电阻负载的电阻值，RL充电负载电阻值，κc为发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值，Ls为接收线圈自感值，Rs为接收线圈内阻值，ω0为副边系统的固有频率。
下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作流程及工作原理：
为实现宇称-时间对称无线充电系统中对称区域和传输效率的动态权衡，解决现有系统中对称区域恒定的问题，本发明提出基于开关键控调制的对称区域灵活可调的一种无线充电系统，请参见图1，该系统包括用于发射电磁能的原边系统、用于接收电磁能的副边系统及充电控制系统；原边系统包括直流电源、逆变器、原边谐振补偿网络和发射线圈；直流电源与逆变器的直流输入侧连接；原边谐振补偿网络包括原边电容组件；原边电容组件和发射线圈串联后并接在逆变器的交流输出侧；副边系统包括接收线圈、副边谐振补偿网络、整流器、滤波电容和充电负载；发射线圈和接收线圈之间相互电磁耦合；副边谐振补偿网络包括副边电容组件；副边电容组件和接收线圈串联后并接在整流器的交流输入侧；整流器的直流侧分别与滤波电容及充电负载并联；充电控制系统包括PWM系统，PWM系统根据流经发射线圈的电流信号的频率及相位，输出脉冲信号控制逆变器功率开关管通断，从而使发射线圈和接收线圈工作频率相同。该系统可实现宇称-时间对称无线充电系统中对称区域和传输效率的动态权衡。
本发明的一种无人机悬停状态无线充电系统，该系统包括上述的无线充电系统。
上述的无线充电系统中，逆变器为四个MOSFET构成的GaN全桥逆变器。整流器为由四个快速恢复二极管构成的全桥整流器。原、副边谐振补偿网络由串联的电容组成。电池为锂电池。
其中，原、副边谐振补偿网为串联-串联型补偿网络。可在原边发射线圈和副边接收线圈的所在电路中分别各串联一个电容组件，原边电容组件与原边发射线圈串联构成原边谐振电路，也称原边谐振子；副边电容组件与副边接收线圈串联构成副边谐振电路，也称副边谐振子。原边谐振电路中原边电容组件与原边发射线圈的固有(自然)谐振频率ω0，设原边电容组件的等效电容为C，原边发射线圈的等效电感为L，ω0 2＝1/(LC)，选用串联型谐振补偿网络具有结构简单的特点，满足无人机悬停状态无线充电系统原、副边设计轻量化的需求，仅需一个电容组件即可实现大功率无线能量的传输。
针对该拓扑进行原边电流反馈，实现宇称-时间对称无线充电系统，保证悬停无人机在一定区域(对称态区域)下的恒功率输出。
如图2所示，在实现宇称-时间对称无线电能传输过程中，需要实现的是逆变器输出电压与原边电流相位相反，也就是电源和逆变器等效为一个“负电阻”。为实现基于开关键控调制的宇称-时间对称无线电能传输，PWM系统包括依次连接的电流传感器、运算放大器、低通滤波器、比较器及PWM信号发生器；电流传感器用于采集流经发射线圈的原边电流信号；运算放大器用于对电流传感器采集的原边电流信号进行放大；低通滤波器用于滤除运算放大器放大后的原边电流信号中的振铃信号；比较器用于将低通滤波后的原边电流信号转换为与原边电流信号同相位的方波信号A；PWM信号发生器，其输入开关键控调制占空比信号及方波信号A，生成一个对应方波信号A的频率和相位的频率较高的方波信号B，及一个对应开关键控调制占空比信号的频率较低的方波信号C；其将方波信号B与方波信号C相与后输出至逆变器功率开关管的控制端。
PWM信号发生器包括脉冲捕获模块及数字处理器模块，脉冲捕获模块用于检知方波信号A的频率和相位；数字处理器模块，其根据脉冲捕获模块检知得到的方波信号A的频率和相位生成方波信号B，其根据开关键控调制占空比信号生成方波信号C。
首先流经发射线圈的原边电流信号Ip由电流传感器检测得到，经过运算放大器电路进行放大并通过低通滤波器电路滤除振铃；然后经过快速比较器电路得到与原边电流同相位的方波，该方波由TI-DSP28335的eCAP模块捕获，得到原边电流信号的频率和相位信息；最后，在数字处理器模块(DSP)中产生一个带有开关键控调制占空比的同相位同频率PWM信号来驱动逆变器。PWM信号如图3所示，其包含一个高频方波信号SHF和低频方波信号SLF，高频方波信号SHF即为方波信号B，低频方波信号SLF即为方波信号C。
高频方波信号SHF为系统操作频率，低频方波信号SLF控制高频方波信号的输出，当低频方波信号SLF为高电平1时，高频方波信号SHF正常输出，当低频方波信号SLF为低电平0时，高频方波信号SHF输出为0。开关键控调制方法实现了对原边逆变器PWM信号的控制，进而通过下式实现等效负载的调节：
其中，其中，d为开关键控调制占空比，RLeq为整流电路等效电阻负载的电阻值，RL为充电负载电阻值。
本发明的一种无线充电系统的等效电路图如图4所示，基于该系统的耦合模型可得：
其中，a1和a2分别表示耦合模形式，|a1|2和|a2|2分别对应为着原边谐振子和副边谐振子储存的能量，ω1和ω2分别对应为原边谐振子和副边谐振子的自然谐振频率，γ1、γ2和γLeq分别对应发射、副边谐振子和等效负载的内在损耗率，g是原边“负电阻”的增益率，κ是发射、接收线圈的耦合系数。
经过理论分析可知，当耦合系数κ大于临界耦合系数时，无线充电系统进入宇称-时间对称区域，可以实现恒定的输出功率和效率。其中，发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值κc为：
其中，Ls、Rs分别为副边接收线圈自感值和内阻值，ω0为原边谐振子或副边谐振子的固有谐振频率。RLeq为整流电路等效电阻负载的电阻值。原边谐振子与副边谐振子的固有谐振频率相等。宇称-时间对称区域内的系统操作频率ω、输出功率PL和效率η对应计算公式如下：
其中，
Lp为发射线圈自感值；
Rp为发射线圈内阻值；
Ls为接收线圈自感值；
Rs为接收线圈内阻值；
RLeq为整流电路等效电阻负载的电阻值；
γ1为原边谐振子的内在损耗率；
γ2为副边谐振子的内在损耗率；
γLeq为等效负载的内在损耗率；
|a1|2代表着原边谐振子储存的能量；
|a2|2代表着副边谐振子储存的能量；
uin为开关键控调制后的逆变器输出交流电压；
κ为发射线圈与接收线圈的耦合系数；
ω0为原边谐振子或副边谐振子的固有谐振频率。可使原边谐振子或副边谐振子的固有谐振频率相等。
根据理论、仿真和实验得到了系统操作频率、输出功率和效率的结果图如图5至图7所示，其中图5表示了在耦合系数变化下的输出功率和效率，当处于宇称-时间对称区域时，系统的输出功率和效率是恒定的，图6表示了耦合系数变化下的系统工作频率，其中在宇称-时间对称区域内系统工作频率不等于原边谐振子或副边谐振子的固有谐振频率ω0，满足公式(4)，图7表示了等效负载变化下系统功率和效率变化的情况，满足公式(6)。
根据公式(3)和(6)可知，当等效负载RLeq减小时，临界耦合系数减小，对称区域扩大，而系统效率减小，因此需要在对称区域和系统效率之间进行权衡。由公式(1)可知，所述的逆变器的开关键控调制实现了等效负载的调节，即可以实现对称区域和系统效率的动态权衡。
本发明的一种利用上述的无人机悬停状态无线充电系统的无人机悬停状态无线充电方法的工作流程如图8所示，具体为：
第一步，根据某款无人机在无人机悬停无线充电系统中的最大波动范围确定合适的临界耦合系数值，即通过设置发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值κc，保证无人机悬停状态下始终处于对称区域内；
第二步，基于公式(1)和(3)，根据κc值计算出满足该对称区域的开关键控调制占空比d；
第三步，利用电流传感器检测原边电流Ip，经过运算放大器电路进行放大并通过低通滤波器电路滤除振铃；然后经过快速比较器电路得到与原边电流同相位的方波，该方波由TI-DSP28335的eCAP模块捕获，得到原边电流的频率和相位信息；
第四步，采用数字处理器模块(DSP)，在数字处理器模块(DSP)中产生一个带有开关键控调制占空比的同相位同频率PWM信号来驱动逆变器，其中包含一个高频方波信号SHF和低频方波信号SLF，高频方波信号为系统操作频率，低频方波信号决定着高频方波信号的输出，当低频方波信号为高电平1时，高频方波信号正常输出，当低频方波信号为低电平0时，高频方波信号输出为0。
第五步，当无人机最大波动范围变化时，引起了临界耦合系数κc期望值的变动，返回到第一步循环进行。
该无人机悬停状态无线充电系统还包括缠绕原边发射线圈的悬停充电塔架以及悬停充电控制柜；悬停充电控制柜控制系统电源的开通和关断，并提供安装急停按钮用于紧急制动；悬停充电塔架上方悬挂发射线圈产生感应磁场；无人机悬停状态无线充电系统包括接收线圈用于接收发射线圈产生的感应磁场。在该无人机悬停状态无线充电系统上部署基于开关键控调制的对称区域灵活可调的控制算法，实现无人机悬停状态无线充电系统的宇称-时间对称无线充电系统的对称区域灵活可调，进而在保证无人机悬停位置波动下系统恒功率输出的同时，提升无线充电系统的传输效率。
上述的直流电源、逆变器、原边谐振补偿网络和发射线圈、接收线圈、副边谐振补偿网络、整流器、滤波电容、充电负载、原边电容组件、副边电容组件、PWM系统、电流传感器、运算放大器、低通滤波器、比较器、PWM信号发生器、脉冲捕获模块、数字处理器模块、高频氮化镓MOSFET等元器件和功能模块，均可为现有技术中的元器件和功能模块；或者均可采用现有技术中的元器件和功能模块并采用常规技术手段构建。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (9)
1.一种无线充电系统，其特征在于，该系统包括用于发射电磁能的原边系统、用于接收电磁能的副边系统及充电控制系统；原边系统包括直流电源、逆变器、原边谐振补偿网络和发射线圈；直流电源与逆变器的直流输入侧连接；原边谐振补偿网络包括原边电容组件；原边电容组件和发射线圈串联后并接在逆变器的交流输出侧；副边系统包括接收线圈、副边谐振补偿网络、整流器、滤波电容和充电负载；发射线圈和接收线圈之间相互电磁耦合；副边谐振补偿网络包括副边电容组件；副边电容组件和接收线圈串联后并接在整流器的交流输入侧；整流器的直流侧分别与滤波电容及充电负载并联；充电控制系统包括PWM系统，PWM系统根据流经发射线圈的电流信号的频率及相位，输出脉冲信号控制逆变器功率开关管通断，从而使发射线圈和接收线圈工作频率相同；
PWM系统包括依次连接的电流传感器、运算放大器、低通滤波器、比较器及PWM信号发生器；电流传感器用于采集流经发射线圈的原边电流信号；运算放大器用于对电流传感器采集的原边电流信号进行放大；低通滤波器用于滤除运算放大器放大后的原边电流信号中的振铃信号；比较器用于将低通滤波后的原边电流信号转换为与原边电流信号同相位的方波信号A；PWM信号发生器，其输入基于开关键控调制占空比信号及方波信号A，生成一个对应方波信号A的频率和相位的频率较高的方波信号B，及一个对应开关键控调制占空比信号的频率较低的方波信号C；其将方波信号B与方波信号C相与后输出至逆变器功率开关管的控制端；
根据无人机悬停时的最大波动范围，确定发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值κc，使发射线圈和接收线圈的工作频率处于宇称-时间对称区域；
确定发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值κc方法为：
当耦合系数κ大于临界耦合系数时，无线充电系统进入宇称-时间对称区域，实现恒定的输出功率和效率；其中，临界耦合系数为：
其中，Ls、Rs分别对应为副边接收线圈自感值和内阻值，ω0为原边谐振补偿网络与发射线圈构成的谐振子的固有谐振频率或副边谐振补偿网络与接收线圈构成的谐振子的固有谐振频率；确定元器件参数，使原边谐振补偿网络与发射线圈构成的原边谐振子的固有谐振频率与副边谐振补偿网络与接收线圈构成的副边谐振子的固有谐振频率相等；
根据κc值计算出开关键控调制占空比；
开关键控调制占空比的计算方法为：
RLeq＝κcω0Ls-Rs；
其中，d为开关键控调制占空比，RLeq为整流电路等效电阻负载的电阻值，RL为充电负载电阻值，κc为发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值，Ls为接收线圈自感值，Rs为接收线圈内阻值，ω0为副边系统的固有频率。
2.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，PWM信号发生器包括脉冲捕获模块及数字处理器模块，脉冲捕获模块用于检知方波信号A的频率和相位；数字处理器模块，其根据脉冲捕获模块检知得到的方波信号A的频率和相位生成方波信号B，其根据开关键控调制占空比信号生成方波信号C。
3.根据权利要求2所述的无线充电系统，其特征在于，脉冲捕获模块为TI-DSP28335的eCAP模块。
4.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，原边电容组件和副边电容组件的电容值满足原边系统的固有频率与副边系统的固有频率相等。
5.根据权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，逆变器由四个高频氮化镓MOSFET构成的全桥逆变器。
6.一种无人机悬停状态无线充电系统，其特征在于，该系统包括权利要求1至5任一所述的无线充电系统。
7.一种利用权利要求6所述的无人机悬停状态无线充电系统的无人机悬停状态无线充电方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1，根据无人机悬停时的最大波动范围，确定发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值κc，使发射线圈和接收线圈的工作频率处于宇称-时间对称区域；
步骤2，根据κc值计算出开关键控调制占空比；
步骤3，采集流经发射线圈的原边电流信号，进一步得到原边电流信号的频率和相位信息；
步骤4，采用PWM系统，使PWM系统基于原边电流信号的频率和相位信息，产生一个与原边电流信号同相位同频率且基于开关键控调制占空比的PWM信号来驱动逆变器，PWM信号包含一个频率较高的方波信号和一个频率较低的方波信号，频率较高的方波信号为系统操作频率，频率较低的方波信号控制频率较高的方波信号的输出，当频率较低的方波信号为高电平1时，频率较高的方波信号正常输出，当频率较低的方波信号为低电平0时，频率较高的方波信号输出为0；
步骤5，检测无人机最大波动范围是否发生变化，当无人机最大波动范围变化时，返回到步骤1；当无人机最大波动范围无变化时，PWM系统保持输出当前的PWM信号。
8.根据权利要求7所述的无人机悬停状态无线充电方法，其特征在于，步骤2中，开关键控调制占空比的计算方法为：
RLeq＝κcω0Ls-Rs；
其中，d为开关键控调制占空比，RLeq为整流电路等效电阻负载的电阻值，RL为充电负载电阻值，κc为发射线圈和接收线圈的临界耦合系数期望值，Ls为接收线圈自感值，Rs为接收线圈内阻值，ω0为副边系统的固有频率。
9.一种无人机，其特征在于，该无人机包括权利要求6所述的无人机悬停状态无线充电系统的副边系统，并采用权利要求6所述的无人机悬停状态无线充电系统充电。
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