CN117068419B - 一种适用于无人机群的无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于无人机群的无线充电系统，包括发射侧电路、一对发射极板、n对接收极板和n个接收侧电路，n为正整数，所述接收极板和所述接收侧电路一一对应，所述发射极板与所述发射侧电路的输出端电连接，所述接收极板与其对应的所述接收侧电路的输入端电连接，每个所述发射极板均由整块极板构成，所述发射极板的面积大于所述接收极板的面积。另外，本发明还提出在无线充电系统中采用的配套谐振网络及参数配置方法。本发明能够实现多路负载间相互解耦，还可以实现同负载的两块接收极板间无交叉耦合电容，减小对电能传输的影响，与无人机结构适应性好，特别适用于为无人机群充电，各个接收侧电路也可以独立进行谐振网络参数设计。
Description
技术领域
本发明属于无线充电领域，更具体地，涉及一种适用于无人机群的无线充电系统。
背景技术
无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）又称无人飞行器，是伴随现代电力电子和飞控技术日益成熟而出现的新型设备。凭借其在灵活性、经济性和自动化程度等方面的优势，UAV在电力工业、军事国防、安防搜救和消费电子等众多领域得到广泛使用，具有相当广阔的市场前景。目前，中小型无人机多采用电池储能、电力驱动，补能方式成为制约无人机续航力和自动化程度的短板。传统导线充电方式需要人力操作或者结构复杂成本高昂的机械对准机构，不利于发挥无人机机动灵活和经济方便的优势。
无线电能传输技术（Wireless Power Transfer, WPT）借助空间无形介质实现从发射端到接收端的能量传递，能够使供电端和用电设备摆脱物理导线的限制，是极具潜力的UAV补能问题解决方式。目前，较为成熟的WPT技术形式包括感应式无线电能传输（Inductive Power Transfer, IPT）和电容式无线电能传输（Capacitive PowerTransfer, CPT）。相比于IPT，CPT技术具有耦合器轻便、占用体积小，对外界电磁干扰小等优势，特别适用于无人机无线充电的应用场合。
目前，CPT技术的研究多集中于电动汽车充电、旋转机构供电、植入式医疗设备充电和便携式电子设备充电等领域，针对无人机无线充电的研究较少。已有的报道也限于单台无人机无线充电的应用场景，而无人机往往需要集群分布和协同作业，多台无人机同时充电才能更好地满足无人机集群高效补能的需求。
综上所述，亟需开发一种适用于无人机群的无线充电系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于无人机群的无线充电系统，实现多路负载间相互解耦，还可以实现同负载的两块接收极板间无交叉耦合电容，减小对电能传输的影响，与无人机结构适应性好，特别适用于为无人机群充电。
为实现上述目的，本发明提供了一种适用于无人机群的无线充电系统，包括：发射侧电路、一对发射极板、n对接收极板和n个接收侧电路，n为正整数，所述接收极板和所述接收侧电路一一对应，所述发射极板与所述发射侧电路的输出端电连接，所述接收极板与其对应的所述接收侧电路的输入端电连接，每个所述发射极板均由整块极板构成，所述发射极板的面积大于所述接收极板的面积。
进一步地，所述发射极板安装于水平承载面，所述接收极板安装于无人机起落架最底层。
进一步地，所述一对发射极板包括两块相互平行的矩形极板，每对接收极板中两块极板间的间距均大于两块所述发射极板之间的间距。
进一步地，所述发射极板与所述接收极板之间设有绝缘层。
进一步地，每个所述接收侧电路均包括接收侧谐振网络和整流器，所述接收侧谐振网络包括接收侧串联补偿电感、接收侧串联补偿电容和接收侧并联补偿电感，所述接收侧串联补偿电感的第一端与对应的一对接收极板中的一个极板电连接，所述接收侧串联补偿电感的第二端与所述接收侧串联补偿电容的第一端电连接，所述接收侧串联补偿电容的第二端电连接与所述整流器的一端电连接，所述接收侧并联补偿电感的第一端与所述接收侧串联补偿电感的第二端电连接，所述接收侧并联补偿电感的第二端与所述整流器的另一端电连接，所述接收侧并联补偿电感的第二端还与对应的一对接收极板中的另一个极板电连接。
进一步地，
；
；
其中，C S为所述发射极板与对应的一对接收极板间的传输电容，L S为所述接收侧串联补偿电感，C R1为L S与C S串联后等效的谐振电容，C R2为所述接收侧串联补偿电容，L R为所述接收侧并联补偿电感，ω为系统角频率。
进一步地，根据接收侧预设恒定输出电流和发射侧预设恒定输出电压确定L R，将接收侧预设恒定输出电流记为，将发射侧预设恒定输出电压记为/>，满足/>；
根据系统工作频率计算系统角频率ω，根据ω和L R计算C R1和C R2；
获得C S的测量值，根据C S的测量值和C R1计算补偿电感L S。
进一步地，所述发射侧电路包括逆变器和发射侧谐振网络，所述发射侧谐振网络包括第一发射侧串联补偿电感、第二发射侧串联补偿电感、第一发射侧并联补偿电容和第二发射侧并联补偿电容，所述第一发射侧串联补偿电感的第一端与所述逆变器的第一输出端电连接，所述第一发射侧串联补偿电感的第二端与所述第二发射侧串联补偿电感的第一端电连接，所述第二发射侧串联补偿电感的第二端与一个发射极板电连接，所述第一发射侧并联补偿电容的第一端与所述第一发射侧串联补偿电感的第二端电连接，所述第一发射侧并联补偿电容的第二端与所述逆变器的第二输出端电连接，所述第一发射侧并联补偿电容的第二端还与另一个发射极板电连接，所述第二发射侧并联补偿电容的第一端与所述第二发射侧串联补偿电感的第二端电连接，所述第二发射侧并联补偿电容的第二端与所述第一发射侧并联补偿电容的第二端电连接。
进一步地，
；
；
其中，C Tp为所述第二发射侧并联补偿电容，C 12为两块发射极板间的耦合电容，C T2为C TP与C 12并联后的等效电容，C T1为所述第一发射侧并联补偿电容，L T1为所述第一发射侧串联补偿电感，L T2为所述第二发射侧串联补偿电感，ω为系统角频率。
进一步地，根据所述逆变器输出电压和发射侧预设恒定输出电压确定C T1和，将所述逆变器输出电压记为/>，将发射侧预设恒定输出电压记为/>，满足/> ；
根据系统工作频率计算系统角频率ω，根据C T1和C T2确定L T1和L T2；
获取C 12的测量值，根据C 12的测量值和C T2计算C Tp。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有有益效果：
（1）本发明的无线充电系统中，接收极板相互之间耦合电容极小可以忽略，不仅能实现负载间相互解耦，还可以实现同负载的两块接收极板间无交叉耦合电容，减小对电能传输的影响，与无人机结构适应性好，特别适用于为无人机群充电，对无人机内部元件的电磁干扰小，且系统成本低，易于使用和推广。
（2）本发明还提出在无线充电系统中采用的配套耦合器及参数配置方法，接收侧采用CLL型谐振网络，能够实现单个负载的恒流输出，即输出电流不会随负载变化，且保证每个负载的接收侧输入阻抗为纯阻性；发射侧采用LCLC型谐振网络，在接收侧输入阻抗为纯阻性时能够实现恒压输出，即发射极板电压不会随充电负载大小、数量变化，负载的投入/切出以及充电参数变化不会对其他负载的充电过程产生影响；另外系统整体输入阻抗为纯阻性，可以改善系统功率因数。
附图说明
图1为本发明实施例的无线充电系统的总体示意图；
图2为本发明实施例的耦合器的结构示意图；
图3为本发明实施例的耦合器安装后示意图；
图4为本发明实施例的无线充电系统的整体电路图；
图5为本发明实施例的单负载系统等效电路图；
附图标记：11、12：发射极板；13、14、15、16、17、18：接收极板；19、绝缘层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例中术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明实施例的一种适用于无人机群的无线充电系统，包括：发射侧电路、一对发射极板、n对接收极板和n个接收侧电路，n为正整数，所述接收极板和所述接收侧电路一一对应，所述发射极板与所述发射侧电路的输出端电连接，所述接收极板与其对应的所述接收侧电路的输入端电连接，每个所述发射极板均由整块极板构成，例如金属板、或其他导电性好的极板，所述发射极板的面积大于所述接收极板的面积。
如图1所示，为本发明的总体示意图，发射极板和接收极板构成了耦合器。进一步地，发射侧电路包括逆变器和发射侧谐振网络，每个接收侧电路均包括接收侧谐振网络和整流器，共包括n个接收侧谐振网络，n个整流器、n个负载。逆变器的输入端接直流电源的输出端，逆变器的输出端通过发射侧谐振网络连接耦合器的发射极板，耦合器的接收极板通过接收侧谐振网络连接整流器的输入端，整流器的输出端给负载充电。
本发明实施例的耦合器具有强抗偏移特性、可供多负载充电、贴合无人机结构的耦优点。如图2所示，该耦合器包括一对发射极板11、12和多对接收极板13和14、15和16、17和18。发射极板11、12为两块相互平行的矩形极板，每对接收极板中两块极板间的间距均大于两块发射极板之间的间距。需要注意的是，为简洁起见，本实施例中只示出了3对极板，对应3个充电负载，在实际使用中只需将发射极板延长，同时增加接收极板数量就可扩展应用更多负载。
发射极板11、12可由由整块面积较大的导电性好的金属材料（如铜、铝）制成，连接到发射侧电路的两个端子上，工作通电时，每块极板可视为等势体。接收极板13和14、15和16、17和18两两成对，连接到后续接收侧电路的两个端子上，每对极板可向一个负载供电。
优选的，如图3所示，发射极板11、12安装于水平承载面，例如地面或其他适合作为充电平台的平整地面，便于无人机集群起降；接收极板13和14、15和16、17和18安装于无人机起落架内最底层，能够缩短传输距离、提高耦合效果，且减小充电对无人机舱体内电子元件的干扰。
优选的，发射极板11、12面积大于接收极板13和14、15和16、17和18，以实现较好地抗偏移性能。
优选的，发射极板和接收极板间设有绝缘层19，绝缘层19由绝缘材料构成，例如环氧板。绝缘层19的作用包括：
（1）实现发射侧和接收侧电气隔离；
（2）增大发射极板和接收极板间的耦合电容；
（3）防止外界异物侵入造成短路或损坏。
图4为本发明实施例的无线充电系统的整体电路图，n个负载的等效电阻分别为R L1、R L2…R Ln。如图4所示，发射极板可视为两条“母线”，各负载间为并联关系。由于巧妙的结构设计，接收极板相互之间耦合电容极小可以忽略，整个耦合器中只存在发射极板和接收极板间的传输电容和发射极板间的耦合电容。
图5为本发明实施例的单负载系统等效电路图。为简洁起见，图中只示出了一个负载时的电路，而由于耦合器和系统参数设计方法带来的各负载独立性，只考虑单负载不会影响分析的准确性，且分析结论可扩展至多负载的情形。
如图5所示，该补偿拓扑为LCLC-CLL结构。发射侧谐振网络采用LCLC谐振网络，接收侧谐振网络采用CLL型谐振网络。
接收侧谐振网络包括接收侧串联补偿电感L S、接收侧串联补偿电容C R2和接收侧并联补偿电感L R，所述接收侧串联补偿电感L S的第一端与对应的接收极板中的一个极板电连接，所述接收侧串联补偿电感L S的第二端与所述接收侧串联补偿电容C R2的第一端电连接，所述接收侧串联补偿电容C R2的第二端电连接与所述整流器的一端电连接，所述接收侧并联补偿电感L R的第一端与所述接收侧串联补偿电感L S的第二端电连接，所述接收侧并联补偿电感L R的第二端与所述整流器的另一端电连接，所述接收侧并联补偿电感L R的第二端还与对应的接收极板中的另一个极板电连接。
C S为发射极板与一对接收极板间的传输电容，补偿电感L S与传输电容C S串联后可等效为谐振电容C R1，ω为系统角频率，即
（1）
通过这一等效，接收侧谐振网络将传输电容“吸收”，接收侧CLL谐振网络参数配置方法为
（2）
据此公式进行参数配置后，有
；
其中，Z R为接收侧输入阻抗，X CR1为等效谐振电容CR1的电抗，X CR2为接收侧串联补偿电容C R2的电抗，U R为接收侧的交流输入电压有效值（也是发射侧的交流输出电压有效值），I out为接收侧输出电流（即负载电流）有效值，且X CR=1/ωC R=ωL R，其中ω=2πf，f为系统工作频率。
可以看到，接收侧采用CLL谐振网络，且根据公式（1）、（2）进行参数配置，可以实现以下有益效果：
（1）能够实现单个负载的恒流输出，维持充电全过程的充电电流稳定；
（2）每个接收侧的等效输入阻抗Z R均为纯阻性，从而保证接收侧整体呈纯阻性，利于发射侧调谐；
（3）完全适合所提出的耦合器，利于实现系统的设计功能。
根据以上分析可得到接收侧谐振网络的参数设计方法：
（1）首先，确定系统工作频率f，并计算系统角频率ω。并确定接收侧预设恒定输出电流I out和发射侧预设恒定输出电压U R，然后根据接收侧预设恒定输出电流I out和发射侧预设恒定输出电压U R确定L R，满足；
（2）然后，根据ω和L R计算C R1和C R2，满足1/ωC R1=1/ωC R2=ωL R；
（3）最后，测量极板传输电容C S，根据测量值和C R1计算补偿电感L S，满足。
不同接收侧电路的不同负载对应的极板和补偿参数均可以不同，可根据负载的需求灵活设置。在步骤（1）中不同接收侧电路的I out可以不同，可以根据每个接收侧电路的I out确定每个接收侧电路的L R。每个接收侧不同负载的极板面积可以不同，不同面积的极板对应的C S也不同，步骤（3）中根据每个接收侧电路的对应的C S计算每个接收侧电路的对应的补偿电感L S。
发射侧谐振网络包括第一发射侧串联补偿电感L T1、第二发射侧串联补偿电感L T2、第一发射侧并联补偿电容C T1和第二发射侧并联补偿电容C Tp，所述第一发射侧串联补偿电感L T1的第一端与所述逆变器的第一输出端电连接，所述第一发射侧串联补偿电感L T1的第二端与所述第二发射侧串联补偿电感L T2的第一端电连接，所述第二发射侧串联补偿电感L T2的第二端与一个发射极板电连接，所述第一发射侧并联补偿电容C T1的第一端与所述第一发射侧串联补偿电感L T1的第二端电连接，所述第一发射侧并联补偿电容C T1的第二端与所述逆变器的第二输出端电连接，所述第一发射侧并联补偿电容C T1的第二端还与另一个发射极板电连接，所述第二发射侧并联补偿电容C Tp的第一端与所述第二发射侧串联补偿电感L T2的第二端电连接，所述第二发射侧并联补偿电容C Tp的第二端与所述第一发射侧并联补偿电容C T1的第二端电连接。
C 12为两块发射极板间的耦合电容，第二发射侧并联补偿电容C Tp与C 12并联后的等效电容为C T2，即
（3）
这样，发射极板间耦合电容C 12同样被发射侧谐振网络“吸收”，发射侧LCLC网络的参数配置方法为
（4）
据此公式进行参数配置后，有
；
其中，Z in为系统整体等效阻抗（也是逆变器输入阻抗），U in为逆变器输出电压，U R为发射侧输出电压（也是极板电压），G v为发射侧电压增益。
可以看到，发射侧采用LCLC谐振网络，且根据公式（3）、（4）进行参数配置后，可以实现以下有益效果（接收侧按上述方法设计）：
（1）能够实现发射侧恒压输出，在负载投入/切出以及负载大小发生变化时能够维持发射极板间电压稳定；
（2）实现系统整体输入阻抗呈纯阻性，提高系统功率因数；
（3）参数设计过程考虑了发射极板间电容C 12，与耦合器完全适配。
根据以上分析可得到发射侧谐振网络的参数设计方法：
（1）首先，确定系统工作频率f，并计算系统角频率ω。并根据所述逆变器输出电压和发射侧预设恒定输出电压确定C T1和，满足/>；
（2）然后，根据C T1和C T2确定L T1和L T2，满足；
（3）最后，测量发射侧极板间耦合电容C 12，根据测量值和C T2计算C TP，满足。
为验证该系统功能和参数设计方法的有效性，在Simulink仿真软件中搭建一个3负载的验证模型，设计输出电流为10A、10A、5A，按照上述方法配置好参数，并于仿真时间的0.1、0.3、0.5s时依次进行负载切换（40Ω→20Ω）。
通过仿真发现，在负载切换前后逆变器的输出电压和输出电流始终保持同相位，说明系统的输入阻抗角并未随负载发生变化。
通过仿真发现，3个负载在阻值发生变化时，输出电流均保持基本不变，且不受其他负载变化的影响。
必须说明的是，一个基本的无线输电系统包括逆变器、发射侧谐振网络、耦合器、接收侧谐振网络、整流器，本发明提出的耦合器及配套谐振网络作为其中一个组件，可以与其它组件有多种不同组合形式，因而具有多种具体实施方式。本实施例中采用的是全桥式逆变器、全桥式整流器，本领域的技术人员容易理解，采用其它形式的逆变器、整流器也可与本发明提出的耦合器和补偿网络组合使用，均应包含在本发明的保护范围之内。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种适用于无人机群的无线充电系统，其特征在于，包括：发射侧电路、一对发射极板、n对接收极板和n个接收侧电路，n为正整数，所述接收极板和所述接收侧电路一一对应，所述发射极板与所述发射侧电路的输出端电连接，所述接收极板与其对应的所述接收侧电路的输入端电连接，每个所述发射极板均由整块极板构成，所述发射极板的面积大于所述接收极板的面积；
每个所述接收侧电路均包括接收侧谐振网络和整流器，所述接收侧谐振网络包括接收侧串联补偿电感、接收侧串联补偿电容和接收侧并联补偿电感，所述接收侧串联补偿电感的第一端与对应的一对接收极板中的一个极板电连接，所述接收侧串联补偿电感的第二端与所述接收侧串联补偿电容的第一端电连接，所述接收侧串联补偿电容的第二端电连接与所述整流器的一端电连接，所述接收侧并联补偿电感的第一端与所述接收侧串联补偿电感的第二端电连接，所述接收侧并联补偿电感的第二端与所述整流器的另一端电连接，所述接收侧并联补偿电感的第二端还与对应的一对接收极板中的另一个极板电连接。
2.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述发射极板安装于水平承载面，所述接收极板安装于无人机起落架最底层。
3.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述一对发射极板包括两块相互平行的矩形极板，每对接收极板中两块极板间的间距均大于两块所述发射极板之间的间距。
4.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述发射极板与所述接收极板之间设有绝缘层。
5.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，
；
；
其中，C S为所述发射极板与对应的一对接收极板间的传输电容，L S为所述接收侧串联补偿电感，C R1为L S与C S串联后等效的谐振电容，C R2为所述接收侧串联补偿电容，L R为所述接收侧并联补偿电感，ω为系统角频率。
6.如权利要求5所述的无线充电系统，其特征在于，根据接收侧预设恒定输出电流和发射侧预设恒定输出电压确定L R，将接收侧预设恒定输出电流记为，将发射侧预设恒定输出电压记为/>，满足/>；
根据系统工作频率计算系统角频率ω，根据ω和L R计算C R1和C R2；
获得C S的测量值，根据C S的测量值和C R1计算补偿电感L S。
7.如权利要求1所述的无线充电系统，其特征在于，所述发射侧电路包括逆变器和发射侧谐振网络，所述发射侧谐振网络包括第一发射侧串联补偿电感、第二发射侧串联补偿电感、第一发射侧并联补偿电容和第二发射侧并联补偿电容，所述第一发射侧串联补偿电感的第一端与所述逆变器的第一输出端电连接，所述第一发射侧串联补偿电感的第二端与所述第二发射侧串联补偿电感的第一端电连接，所述第二发射侧串联补偿电感的第二端与一个发射极板电连接，所述第一发射侧并联补偿电容的第一端与所述第一发射侧串联补偿电感的第二端电连接，所述第一发射侧并联补偿电容的第二端与所述逆变器的第二输出端电连接，所述第一发射侧并联补偿电容的第二端还与另一个发射极板电连接，所述第二发射侧并联补偿电容的第一端与所述第二发射侧串联补偿电感的第二端电连接，所述第二发射侧并联补偿电容的第二端与所述第一发射侧并联补偿电容的第二端电连接。
8.如权利要求7所述的无线充电系统，其特征在于，
；
；
其中，C Tp为所述第二发射侧并联补偿电容，C 12为两块发射极板间的耦合电容，C T2为C Tp与C 12并联后的等效电容，C T1为所述第一发射侧并联补偿电容，L T1为所述第一发射侧串联补偿电感，L T2为所述第二发射侧串联补偿电感，ω为系统角频率。
9.如权利要求8所述的无线充电系统，其特征在于，根据所述逆变器输出电压和发射侧预设恒定输出电压确定C T1和，将所述逆变器输出电压记为/>，将发射侧预设恒定输出电压记为/>，满足/> ；
根据系统工作频率计算系统角频率ω，根据C T1和C T2确定L T1和L T2；
获取C 12的测量值，根据C 12的测量值和C T2计算C Tp 。
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