雙LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償無人機(jī)無線充電系統(tǒng)

鐘文琦 ，付 宇 ，王 榮

（1.中國民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300)

近年來，無人機(jī)以其成本低廉、效費(fèi)比高、生存能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)在民用領(lǐng)域得到越來越廣闊的應(yīng)用。尤其是，無人機(jī)因其不斷地發(fā)展完善，在地圖測(cè)繪、地質(zhì)勘測(cè)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、氣象探測(cè)、空中交通管制、邊境巡邏監(jiān)控、通信中繼、農(nóng)藥噴灑等領(lǐng)域起著極其重要的作用。然而，作為無人機(jī)的動(dòng)力之源，其電池續(xù)航能力一直是業(yè)界亟待解決的問題[1]，也是森林防火、牧區(qū)、交通、災(zāi)情偵察監(jiān)視等領(lǐng)域困擾的主要難題之一，續(xù)航時(shí)間已經(jīng)成為無人機(jī)行業(yè)的短板。

受數(shù)理模型發(fā)展的限制，以往對(duì)無人機(jī)充電的研究更多地集中在靜態(tài)充電模[2]，而忽略了無線自主動(dòng)態(tài)充電問題。在此開發(fā)了基于磁耦合諧振原理的無人機(jī)無線充電技術(shù)。該技術(shù)克服了雙LCL結(jié)構(gòu)傳輸功率偏小的弱點(diǎn)[3]，創(chuàng)新性地引入雙LCCL諧振補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了原邊電纜的電流恒定控制以及副邊輸出電壓恒定控制。該技術(shù)的特點(diǎn)還在于能夠動(dòng)態(tài)檢測(cè)自身鋰電池電量，若低于設(shè)定閾值，無人機(jī)通過北斗定位以及圖像處理使無人機(jī)精確定位到標(biāo)志物充電臺(tái)，并通過無線充電單向傳輸系統(tǒng)進(jìn)行續(xù)航充電。與傳統(tǒng)插座式傳輸相比，其靈活性強(qiáng)，完全省去了人工充電操作并且不需要精確對(duì)位充電，從而提高了無人機(jī)的續(xù)航能力。

1 雙LCCL諧振無線充電原理

文中設(shè)計(jì)的無線充電系統(tǒng)采用雙LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償充電結(jié)構(gòu)。其中，發(fā)射線圈鑲嵌于充電平臺(tái)，接收線圈固定在無人機(jī)起落架內(nèi)，通過磁耦合諧振將發(fā)射端的電能傳輸給接收端對(duì)鋰電池充電。其磁耦合諧振網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償原理是，在發(fā)射端與接收端配置諧振頻率相同的線圈，在一定距離范圍內(nèi)，發(fā)射端輸入與線圈諧振頻率相同的信號(hào)，發(fā)射端與接收端產(chǎn)生諧振，能量從發(fā)射端傳輸給接收端，從而實(shí)現(xiàn)2個(gè)電路模塊之間電能的無線傳輸[4-5]。雙LCCL補(bǔ)償無人機(jī)無線充電系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 雙LCCL補(bǔ)償無人機(jī)無線充電系統(tǒng)原理Fig.1 Double-sided LCCL resonant compensation network for UAV wireless power transfer principle

圖1中，諧振網(wǎng)絡(luò)輸入信號(hào)由220 V，50 Hz交流電經(jīng)過整流和逆變提供高頻交流信號(hào)；接收端經(jīng)過整流和濾波給恒流恒壓充電模塊供電。基于雙LCCL諧振補(bǔ)償?shù)臒o人機(jī)WPT系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2 中，Lp，C1，C1s，L1構(gòu)成發(fā)射端 LCCL 諧振補(bǔ)償電路；Ls，C2，C2s，L2構(gòu)成接收端 LCCL 諧振補(bǔ)償電路；M為發(fā)射端與接收端互感。在諧振網(wǎng)絡(luò)[6-8]的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了雙LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)即在發(fā)射線圈支路上額外串入電容，通過合理選擇串入的電容值來調(diào)整發(fā)射線圈上的電流，同時(shí)隔離電源側(cè)的直流分量，避免傳輸線圈的直流磁化。逆變器H橋臂軟開關(guān)工作模態(tài)與雙LCCL諧振輸入電壓波形如圖3所示。

圖2 基于雙LCCL諧振的無人機(jī)WPT系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Basedondouble-disedLCCLresonantcompensation network for UAV wireless power transfer topology

圖3 逆變器H橋臂軟開關(guān)工作模態(tài)與輸入電壓波形Fig.3 Working mode and input voltage waveform of inverter H bridge arm soft switching

圖3中，逆變電路采用全控型H橋移相控制，使得諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓和電流零相位角，移相調(diào)制來減小線圈損耗。α為軟開關(guān)移相角，軟開關(guān)1與軟開關(guān)4反相；軟開關(guān)2與軟開關(guān)3反相。

2 雙LCCL諧振系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

通過耦合諧振原理和等效電路原理，對(duì)無人機(jī)WPT電路進(jìn)行建模，同時(shí)對(duì)電路進(jìn)行推導(dǎo)和求解。接收端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效電路如圖4所示。

圖4 接收端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效電路Fig.4 Equivalent circuit of receiving topology structure

根據(jù)等效電路圖和諧振原理，可以得到電容C1s

同理，電容C′2s和與電感L′s2串聯(lián)等效電感L′e2為

根據(jù)疊加定理，將圖4所示等效電路分為只有UAB作用和只有U′ab作用的諧振頻率狀態(tài)等效電路。如圖5和圖6所示。和電感Ls1串聯(lián)的等效電感Le1為

圖5 只有UAB作用狀態(tài)等效電路Fig.5 Only UABaction state equivalent circuit

圖6 只有U′ab作用狀態(tài)等效電路Fig.6 Only U′abaction state equivalent circuit

如圖5所示，由于電感L′s與電容C′2和電感Lp與電容C1串聯(lián)諧振，故I′2AB=Ip，AB=0。 根據(jù)

式（1）和式（3），整理可得

同理，可進(jìn)行只有U′ab作用狀態(tài)的分析與求解。若UAB參考相位為0°，由此可得

由式（7），可得輸入功率

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，可以得到輸出功率

其中

所用的線圈采用扁平電感器的平面圓形螺旋線圈。通過窄帶法計(jì)算接收端線圈和發(fā)射端線圈的電感值。所謂“窄帶法”，是指通過假設(shè)電感器中的所有電流都集中在螺旋形導(dǎo)體正中央，電流在此窄小范圍內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)下計(jì)算的電感值。

根據(jù)Biot-Savart定律，可以得到磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量微分和矢量積分公式為

線圈微元中磁感應(yīng)強(qiáng)度分析如圖7所示。

圖7 線圈微元中磁感應(yīng)強(qiáng)度分析Fig.7 Analysis of magnetic induction intensity in coil microelement

對(duì)于圓形線圈分隔成n邊形。如圖7（a）所示，將圓環(huán)線圈微元n邊形，其中一段長度為2a，線圈導(dǎo)體寬度為w，其通過電流i，在2b的范圍內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖7（b）所示，不妨設(shè)：

由此得出微元導(dǎo)體長度為2a的磁通量為

根據(jù)式（13）～式（16），推出N匝M層線圈電感理論計(jì)算值為

接收端與發(fā)射端線圈之間的間隙為h，可以得到兩側(cè)線圈之間互感值近似為

線圈電感近似為

3 雙LCCL諧振電路設(shè)計(jì)

3.1 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)線圈匝數(shù)18匝，5層線圈，線圈半徑為12.5 cm，銅線導(dǎo)體寬度為0.8 mm串聯(lián)繞制。電能傳輸過程中，軟開關(guān)的開關(guān)頻率等于LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率，由諧振原理及式（11）（12）可得接收端和發(fā)射端LCCL參數(shù)理論計(jì)算值為

根據(jù)式（20）（21），可以得到雙 LCCL 諧振網(wǎng)絡(luò)無人機(jī)無線充電的理論參數(shù)，見表1。

表1 雙LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)無人機(jī)無線充電理論參數(shù)Tab.1 Double-sided LCCL resonant compensation network for UAV wireless power transfer theoretical parameters

3.2 系統(tǒng)電路仿真

輸入表1理論數(shù)值，得到的仿真電路原理如圖8所示。

圖8 無人機(jī)無線充電Simulink電路仿真Fig.8 Simulink circuit simulation for UAV wireless power transfer

使用MatLab/Simulink仿真軟件，得到雙LCCL的輸入電壓、輸出電壓波形和發(fā)射端線圈、接收端線圈兩端的電壓、電流波形，2組波形結(jié)果如圖9所示。由圖可見，系統(tǒng)傳輸效率的理論計(jì)算值與仿真值相近，為后續(xù)的試驗(yàn)驗(yàn)證提供了參考依據(jù)。

圖9 無人機(jī)無線充電Simulink仿真電流、電壓波形結(jié)果Fig.9 Simulink circuit simulation voltage waveform results for UAV wireless power transfer

3.3 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)理論計(jì)算和仿真結(jié)果，并考慮升壓模塊、降壓模塊和恒流恒壓充電模塊的輸入輸出阻抗、容抗，調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)。其中

1）電網(wǎng)220 V，50 Hz的電壓經(jīng)過整流器變成12V直流電，再經(jīng)過SG3525逆變器輸出為7.605kHz高頻12 V交流電。

2）通過全橋大功率驅(qū)動(dòng)控制模塊，向發(fā)射端LCCL提供高頻交流信號(hào)，接收端配置與發(fā)射端諧振頻率相同的線圈，接收端接收到發(fā)射端交流信號(hào)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表2，發(fā)射端與接收端電壓峰峰值約為65 V，諧振頻率為7.64 kHz。

表2 逆變器和線圈測(cè)試電壓值Tab.2 Inverter and coil test voltage values

3）經(jīng)過UF5408超快恢復(fù)整流二極管整流后得到直流電壓，電容濾波后得到一個(gè)比較穩(wěn)定的直流輸出電壓。在接收端部分，電路經(jīng)過諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后，整流前電壓峰峰值65.20 V，頻率為7.64 kHz為正弦交流電。經(jīng)濾波后，電壓穩(wěn)定于33.90 V，紋波較小。

4）濾波信號(hào)降壓后，向恒流恒壓充電模塊提供直流電，充電模塊輸出電壓為12.4 V，示波器測(cè)試結(jié)果如圖10所示。顯示結(jié)果表明，可以有效地對(duì)12.6 V，5400 mA·h鋰電池充電。

圖10 示波器測(cè)試充電模塊輸出波形Fig.10 Output voltage of charging test

在此，采用恒流恒壓充電方式，既可以避免恒壓充電開始時(shí)充電電流過大的問題，又克服了恒流充電后期容易出現(xiàn)過充的現(xiàn)象。設(shè)置充電模塊浮充電壓為12.6 V，最大充電電流為2.5 A，對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流恒壓充電。實(shí)物裝置結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 無人機(jī)無線充電試驗(yàn)裝置Fig.11 Experimental setup of UAV wireless transfer

測(cè)試結(jié)果表明：①設(shè)置充電模塊浮充電壓12.6 V，最大充電電流2.5 A，進(jìn)行對(duì)鋰電池恒流恒壓充電，該充電方式克服了恒流充電后期容易出現(xiàn)過充的現(xiàn)象；②在發(fā)射線圈支路上串入電容，通過合理選擇串入的電容值來調(diào)整發(fā)射線圈上的電流，同時(shí)可以隔離電源側(cè)的直流分量，避免傳輸線圈的直流磁化；③發(fā)射端LCCL輸入電壓的改變，對(duì)系統(tǒng)輸出功率影響較大，而鋰電池充電功率最大為31.5 W，對(duì)系統(tǒng)消耗功率影響較小，但考慮到鋰電池充電安全電壓和對(duì)無人機(jī)電磁干擾，輸入電壓提高對(duì)系統(tǒng)作用不大。充電時(shí)兩線圈在5 cm范圍內(nèi)能保證穩(wěn)定功率輸出，充電效率可達(dá)到83%以上。

4 結(jié)語

首先對(duì)雙LCCL諧振網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償無人機(jī)無線充電系統(tǒng)建模，進(jìn)行理論計(jì)算分析，再通過Simulink電路仿真驗(yàn)證理論計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)，最后進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。與插座式靜態(tài)傳輸相比，所提出的系統(tǒng)模型靈活性強(qiáng)，不需要精確對(duì)位充電，無需人工操作，充電效率達(dá)到83%以上，大大提高了無人機(jī)的工作效率。