CN210430989U - 一种应用于巡检系统的充电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于巡检系统的充电装置，包括发射端线圈、辅助线圈、辅助线圈谐振电容、发射端电路、接收端线圈、接收端电路、蓄电池、太阳能发电板、整流、滤波电路、稳压电路、电源管理模块、AC‑DC变换器；本实用新型使用太阳能发电板以及蓄电池对太阳能进行收集；使用辅助线圈改善磁场分布从而提高传能效率以及减少在天然气管道上产生磁滞损耗发热；使用以新能源发电为主，电网AC电源为辅的方式提高供电可靠性；实现了对天然气管道巡检无人机充电平台的设计。

Description

一种应用于巡检系统的充电装置

技术领域

本实用新型涉及无线电能传输领域，具体涉及一种应用于巡检系统的充电装置。

背景技术

我国国土面积广阔，纵横布置的天然气管道顺地势蜿蜒起伏，诸多特殊地段条件制约了人工巡线的有效开展，对管道长期安全运行极为不利。同时无人机巡检技术在天然气管道巡检方面也有了一定的应用，但是总的来说还处于比较初步的阶段。无人机巡检一个很大的缺点是其续航能力比较差，而且尚未有很多人对于天然气管道巡检无人机的充电作深入研究、设计。很多还是采用人工换电池或者有线充电的方式，极不方便。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是为了解决现有技术中天然气管道巡检无人机充电困难问题，结合天然气管道的运行环境特点，提供一种应用于巡检系统的充电装置。

本实用新型的第二目的在于防止无线充电装置的高频磁场在天然气管道上产生磁滞损耗发热，影响安全性。

本实用新型的第三目的在于要有效利用新能源，节约充电平台的消耗。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案达到：

本实用新型的主要目的是为了解决现有技术中天然气管道巡检无人机充电困难问题，结合天然气管道的运行环境特点，提供一种多类能源混合供应的机器续航系统。

本实用新型的第二目的在于防止无线充电装置的高频磁场在天然气管道上产生磁滞损耗发热，影响安全性。

本实用新型的第三目的在于要有效利用新能源，节约充电平台的消耗。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案达到。

一种应用于巡检系统的充电装置，包括发射端线圈、辅助线圈、辅助线圈谐振电容、发射端电路、接收端线圈、接收端电路、蓄电池、太阳能发电板、整流、滤波电路、稳压电路、电源管理模块、AC-DC变换器；

其中，发射端电路包括第一DC-DC变换器、E类放大模块、过谐振电容；

接收端电路包括谐振电容、整流桥、滤波电容、第二DC-DC变换器、蓝牙适配器；

电源管理模块包括电压采集器、功率采集器、单片机、第二MOSFET、第三MOSFET、MOSFET驱动电路、蓝牙适配器；

进一步的，所述发射端线圈、辅助线圈、接收端线圈皆使用利兹线绕制；

所述发射端线圈、辅助线圈、接收端线圈参数需要进行优化设计，优化目标与约束条件描述如下：

式中，η为传能效率，在约束条件下优化目标为其最大；23_rec、23_in分别为接收端线圈、发射端线圈功率；R_in1、R_in2、N_in分别为发射端线圈的内径、外径、匝数，R_aux1、R_aux2、N_aux分别为辅助线圈的内径、外径、匝数；L_{aux in}为发射端线圈与辅助线圈的距离；N_rec为接收端线圈的匝数，由于安装在无人机上的接收端线圈形状受到无人机形状的限制，故只有一个设计自由度；R₀为充电平台半径；B为磁场强度，μ₀为真空磁导率，w₀为允许的最大磁场能量密度，可根据需要进行选取，μ_r为天然气管道相对磁导率，取1000，

表示在管道处的磁场能量密度分布；d_conductor为绕制线圈所用利兹线的直径；H_{uav holder}为无人机支脚高度；H_23latform为充电平台高度；I_coil、I_lim分别为流过线圈的电流以及作用利兹线的限流值；约束条件意义分别为：在管道上的最大功率密度不能大于设定值、发射端线圈与辅助线圈外径小于平台外径、接收端线圈不能高于无人机的支脚并应留有10％裕度、发射端线圈与辅助线圈同理匝数应当在设定的内外径间可以绕制、发射端线圈与辅助线圈间设计的距离不能大于平台的高度、三个线圈流过电流都不能大于所用规格利兹线的限流值；

进一步的，所述发射端线圈、辅助线圈、接收端线圈参数在满足约束条件的情况下使用有限元仿真的方法进行求解；

进一步的，在发射端电路中，所述过谐振电容由以下式子进行确定：

式中，C_t为过谐振电容大小，L为发射端线圈测得的自感，f为所选取的频率大小，α为大于1的系数；

进一步的，所述辅助线圈谐振电容容量与接收端线圈谐振电容容量由以下式子进行确定：

式中，C_resonance为接收端线圈谐振电容或辅助线圈谐振电容大小，L为接收端线圈或辅助线圈测得的自感，f为所选取的频率大小；

进一步的，所述E类放大模块由软开关电容、扼流电感、第一MOSFET、MOSFET驱动电路、脉冲发生器组成，软开关电容和扼流电感的参数使用电路仿真的方式以实现软开关为目标进行确定；

进一步的，所述发射端电路与接收端电路的DC-DC变换器皆用于调节输出，使得输出电流、输出电压符合充电的要求；

进一步的，所述太阳能发电模块包括太阳能发电板、整流、滤波电路、稳压电路、第四MOSFET、第五MOSFET；太阳能发电板经过整流、滤波电路、稳压电路后输出端串联经过功率采集器测量电流端接于电源管理模块第一个输入端，功率采集器测量电压端并联接于太阳能发电模块输出端,所述第四MOSFET、第五MOSFET的S端都接于稳压电路输出端，所述第四MOSFET的D端接于第一MOSFET的S端，所述第五MOSFET的D端接于蓄电池的正极；

所述蓄电池的正极与AC-DC变换器的DC端正极接于电源管理模块的第二MOSFET与第三MOSFET的S端，负极接地；

进一步的，AC-DC变换器的AC端接于电网；

进一步的，未提及D端连接处的所有MOSFET的D端都接发射端电路的第一DC-DC变换器的输入端；

进一步的，在电源管理模块中，所述MOSFET经过MOSFET驱动电路受单片机控制；

进一步的，电压采集器接于蓄电池两端，功率采集器收集太阳能发电板实时功率信息，电源管理模块和接收端电路中的蓝牙适配器通过相互匹配判断是否有无人机过来充电，电压采集器、功率采集器和蓝牙适配器三者信号皆输入到单片机；

进一步的，单片机根据输入的信号进行处理，确定MOSFET的通断方案；

进一步的，所述的所有MOSFET的G端都经过驱动电路接于单片机并受到单片机的控制；

优选的，MOSFET的通断方案有6种。方案A：太阳能发电模块给蓄电池充电；方案B：太阳能发电模块给无人机充电；方案C：太阳能发电模块和蓄电池一起给无人机充电；方案D：电网单独给无人机充电；方案E：电池单独给无人机充电；方案F：除了蓝牙适配器外全部电源关闭；

优选的，确认方案的逻辑如下：

式中，23_set.1、23_set.2分别为太阳能发电模块能供电以及能够单独供给无人机的功率；U_set.1、U_set.2分别为蓄电池可供电、充满电的电压；bt＝0表示蓝牙未适配，即无人机未到平台充电；bt＝1表示蓝牙已适配，即无人机已到平台充电；23_solar为太阳能发电模块当前功率，U_battery为蓄电池当前电压；

优选的，采用方案C时蓄电池与太阳能发电模块在设定的第k个周期内供电时间由以下式子确定：

式中，T为控制周期大小，t为当前时间，23_solar为太阳能发电模块当前功率，23_need为充电功率需求，SOLAR＝1，BATTERY＝0表示使用太阳能发电模块供电，不使用蓄电池进行供电，SOLAR＝1，BATTERY＝0表示不使用太阳能发电模块供电，使用蓄电池进行供电。

本实用新型使用太阳能发电板以及蓄电池对太阳能进行收集；使用辅助线圈改善磁场分布从而提高传能效率以及减少在天然气管道上产生磁滞损耗发热；使用以新能源发电为主，电网AC电源为辅的方式提高供电可靠性；实现了对天然气管道巡检无人机充电平台的设计。

附图说明

图1为本实用新型所述一种应用于巡检系统的充电装置总体概况图；

图2为本实用新型所述发射端、接收端与辅助线圈电路的示意图；

图3为本实用新型所述太阳能发电模块以及电源管理模块电路图；

图4为图3中A的详细电路；

图5为仿真几何模型示意图；

其中，无人机 1；发射端线圈 2；接收端线圈 3；辅助线圈 4；充电平台 5；电源管理模块 6；E类放大模块 7；MOSFET 8；MOSFET驱动电路9；脉冲发生器10；软开关电容11；扼流电感 12，过谐振电容 13；发射端线圈 2，接收端线圈 15；接收端线圈谐振电容 16；辅助线圈 4；辅助线圈谐振电容 18；整流桥 19；滤波电容 20；第一DC-DC变换器 21；太阳能发电板 22；功率采集器 23；蓄电池 24；电压采集器 25；蓝牙适配器 26；单片机 27；第二DC-DC变换器 28；电网 29；AC-DC变换器 30；第一MOSFET 8.1；第二MOSFET 8.2；第三MOSFET8.3；第四MOSFET 8.4；第五MOSFET 8.5；整流、滤波电路 31；稳压电路 32；功率采集器 23；天然气管道 33；

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例：

本实施例公开了一种应用于巡检系统的充电装置，如图1-5所示，包括无人机1；发射端线圈2；接收端线圈3；辅助线圈4；充电平台5；电源管理模块6；E类放大模块7；MOSFET8；MOSFET驱动电路9；脉冲发生器10；软开关电容11；扼流电感12，过谐振电容13；发射端线圈2，接收端线圈15；接收端线圈谐振电容16；辅助线圈4；辅助线圈谐振电容18；整流桥19；滤波电容20；第一DC-DC变换器21；太阳能发电板22；功率采集器23；蓄电池24；电压采集器25；蓝牙适配器26；单片机27；第二DC-DC变换器28；电网29；AC-DC变换器30；第一MOSFET 8.1；第二MOSFET 8.2；第三MOSFET 8.3；第四MOSFET 8.4；第五MOSFET 8.5；整流、滤波电路31；稳压电路32；功率采集器23；天然气管道33。

选取频率为100kHz，天然气管道33中轴与发射端线圈中心距离为3m，设定w₀＝10^-2W/m³在式(1)的约束条件下以图5所示的几何仿真模型，设置周围为空气域，使用comsol有限元仿真软件进行计算，得到线圈参数如下：

此时，测得电感参数为：

L_in＝51.42μH,L_aux＝24.3μH,L_rec＝53.78μH (7)

使用式(2)、(3)，取α＝2计算得：

C_in＝98.5nF,C_aux＝104.2nF,C_rec＝47.1nF (8)

为实现软开关为目标，使用simulink仿真确定E类放大器参数如下：

C_e＝100nF,L_e＝200μH (9)

式中，Ce、Le分别为软开关电容11和扼流电感12的取值。

进一步的，各元件按照图2图4所示连接：

发射端电路包括第二DC-DC变换器28、E类放大模块7、过谐振电容13，其中第二DC-DC变换器28输入端接电源管理模块6的输出端，第二DC-DC变换器28的输出端与E类放大模块7输入端相连，7E类放大器输出端与过谐振电容13、发射端线圈2串联；

接收端电路包括谐振电容16、整流桥19、滤波电容20、第一DC-DC变换器21、蓝牙适配器26，其中谐振电容16、接收端线圈3和整流桥19输入端串联，整流桥19输出端与滤波电容20并联、与第一DC-DC变换器21输入端串联，第一DC-DC变换器21输出端接于待充电的机器的充电接口，蓝牙适配器接于待充电机器的电源，由带充电机器的蓄电池供电；

电源管理模块6包括电压采集器25、功率采集器23、单片机27、MOSFET 8、MOSFET驱动电路9、蓝牙适配器26，其中电压采集器25测量端接在蓄电池两端24，电压采集器25信号输出端接于单片机27，功率采集器23测量端接于太阳能发电模块输出端，功率采集器23信号输出端接于单片机27，MOSFET驱动电路9信号输入端接于单片机27，输出端接于MOSFET 8的G端，蓝牙适配器26接于单片机27；

所述E类放大模块7由软开关电容11、扼流电感12、MOSFET 8、MOSFET驱动电路9、脉冲发生器10组成，其中软开关电容11与第一MOSFET8.1并联，软开关电容11与第一MOSFET8.1并联的整体与扼流电感12、接收端电路的第二DC-DC变换器28的输出端串联，软开关电容11和扼流电感12的参数使用simulink仿真以实现软开关为目标进行确定；

所述太阳能发电模块包括太阳能发电板22、整流、滤波电路31、稳压电路32、第四MOSFET 8.4、第五MOSFET 8.5，太阳能发电板22经过整流、滤波电路31、稳压电路32后输出端串联经过功率采集器23的测量电流端接于电源管理模块第一个输入端，功率采集器测量23的电压端并联接于太阳能发电模块输出端,所述第四MOSFET 8.4、第五MOSFET 8.5的S端都接于稳压电路输出端，所述第四MOSFET 8.4的D端接于第一MOSFET 8.1的S端，所述第五MOSFET 8.5的D端接于蓄电池24的正极；

所述蓄电池24的正极与AC-DC变换器30的DC端正极接于电源管理模块6的第二MOSFET8.2与第三MOSFET8.3的S端，负极接地；

所述AC-DC变换器30的AC端接于电网29；

第一MOSFET8.1、第二MOSFET8.2、第三MOSFET8.3的D端均接发射端电路的第一DC-DC变换器的输入端；

未提及D端连接处的所有MOSFET8的D端都接发射端电路第二DC-DC变换器的输入端；

所述的所有MOSFET8的G端都经过驱动电路接于单片机并受到单片机的控制；

优选的，MOSFET 8的通断方案有6种。方案A：太阳能发电模块A给蓄电池24充电；方案B：太阳能发电模块A给无人机1充电；方案C：太阳能发电模块A和蓄电池24一起给无人机1充电；方案D：电网29单独给无人机1充电；方案E：电池单独给无人机1充电；方案F：除了蓝牙适配器26外全部电源关闭；

优选的，确认方案的逻辑如下：

式中，23_set.1、23_set.2分别为太阳能发电模块A能供电以及能够单独供给无人机1的功率；U_set.1、U_set.2分别为蓄电池24可供电、充满电的电压；bt＝0表示蓝牙未适配，即无人机1未到平台充电；bt＝1表示蓝牙已适配，即无人机1已到平台充电；23_solar为太阳能发电模块A当前功率，U_battery为蓄电池24当前电压；

如图3图4所示，采用不同方案时，开通的MOSFET 8如表1所示：

表1

优选的，采用方案C时蓄电池24与太阳能发电模块A在设定的第k个周期内供电时间由以下式子确定：

其中，T为控制周期大小，23_need为充电功率需求，SOLAR＝1,BATTERY＝0时只开通1、4号MOSFET，SOLAR＝0,BATTERY＝1时只开通第二MOSFET 8。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于巡检系统的充电装置，包括发射端线圈、辅助线圈、辅助线圈谐振电容、发射端电路、接收端线圈、接收端电路、蓄电池、太阳能发电模块、电源管理模块、AC-DC变换器；

发射端电路包括第一DC-DC变换器、E类放大模块、过谐振电容，其中发射端电路中的DC-DC变换器输入端接电源管理模块的输出端，发射端电路中的第一DC-DC变换器的输出端与E类放大器模块输入端相连，E类放大模块输出端与过谐振电容、发射端线圈串联，辅助线圈与辅助线圈谐振电容串联构成独立闭合回路，放置于发射端线圈下方；

接收端电路包括谐振电容、整流桥、滤波电容、第二DC-DC变换器、蓝牙适配器，其中谐振电容、接收端线圈和整流桥输入端串联，整流桥输出端与滤波电容并联、与接收端电路中的第二DC-DC变换器输入端串联，接收端电路中的第二DC-DC变换器输出端接于待充电机器的充电接口，接收端电路中的蓝牙适配器接于待充电机器的电源，由待充电机器的蓄电池供电；

电源管理模块包括电压采集器、功率采集器、单片机、第二MOSFET、第三MOSFET、MOSFET驱动电路、蓝牙适配器，其中电压采集器测量端接在蓄电池两端，电压采集器信号输出端接于单片机，功率采集器测量端接于太阳能发电模块输出端，功率采集器信号输出端接于单片机，MOSFET驱动电路信号输入端接于单片机，MOSFET驱动电路信号输出端接于MOSFET的G端，电源管理模块中的蓝牙适配器接于单片机。

2.根据权利要求1所述的一种应用于巡检系统的充电装置，其特征在于：所述E类放大模块由软开关电容、扼流电感、第一MOSFET、MOSFET驱动电路、脉冲发生器组成，其中软开关电容与第一MOSFET的S、D端并联，软开关电容与第一MOSFET的S、D端并联的整体与扼流电感、接收端电路的第二DC-DC变换器的输出端串联，软开关电容和扼流电感的参数使用电路仿真的方式以实现软开关为目标进行确定。

3.根据权利要求1所述的一种应用于巡检系统的充电装置，其特征在于：所述太阳能发电模块包括太阳能发电板、整流、滤波电路、稳压电路、第四MOSFET、第五MOSFET；太阳能发电板经过整流、滤波电路、稳压电路后输出端串联经过功率采集器测量电流端接于电源管理模块第一个输入端，功率采集器测量电压端并联接于太阳能发电模块输出端,所述第四MOSFET、第五MOSFET的S端都接于稳压电路输出端，所述第四MOSFET的D端接于第一MOSFET的S端，所述第五MOSFET的D端接于蓄电池的正极；

所述蓄电池的正极与AC-DC变换器的DC端正极接于电源管理模块的第二MOSFET与第三MOSFET的S端，负极接地；

所述AC-DC变换器的AC端接于电网；

其余所有MOSFET的D端都接发射端电路第一DC-DC变换器的输入端；

所述的所有MOSFET的G端都经过驱动电路接于单片机并受到单片机的控制。

4.根据权利要求1所述的一种应用于巡检系统的充电装置，其特征在于：所述发射端线圈、辅助线圈、接收端线圈皆使用利兹线绕制。

5.根据权利要求1所述的一种应用于巡检系统的充电装置，其特征在于：所述发射端电路与接收端电路的第二DC-DC变换器皆用于调节输出，使得输出电流、输出电压符合充电的要求；所述电压采集器接于蓄电池两端，所述功率采集器收集太阳能发电板实时功率信息，所述电源管理模块与接收端电路中的蓝牙适配器通过相互匹配判断是否有无人机过来充电，电压采集器、功率采集器和蓝牙适配器三者的信号皆输入到单片机。

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