應用于無人機的無線充電技術研究

馬秀娟 武帥 蔡春偉 秦沐 楊子

摘要：針對無人機有線充電不便利、需要人工干預的問題，采用磁耦合諧振式無線充電技術，設計一種無人機無線充電系統。提出一種適用于無人機無線充電耦合裝置，其發射裝置具有雙極性磁場特性，接收裝置采用在小型鐵氧體條上繞制線圈的方式，接收裝置裝設在起落架底端。利用有限元分析方法分析耦合裝置磁場分布，發現磁場被約束在接收裝置附近，避免無線充電系統對無人機產生漏磁干擾。根據系統恒壓輸出要求選擇原邊LCL一副邊串聯補償拓撲，建立系統電路數學模型，獲得輸入輸出電壓關系，以指導系統參數設計。搭建樣機系統，結果表明：系統實測與電路模型計算理論值一致;所設計系統可以在錯位30mm的范圍內對80w無人機正常充電。

關鍵詞：無人機;無線充電;磁耦合諧振;耦合裝置;補償

DoI：10.15938/j.emc.2019.08.001

中圖分類號：TM12文獻標志碼：A 文章編號：1007-449X（2019）08-0001-09

0引言

無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）具有高靈活性的優點，已經在偵查、勘測、巡檢、救援等領域發揮重要作用。受負重能力的限制，無人機搭載電池容量有限，續航能力不足、巡航范圍受限成為限制無人機進一步發展的瓶頸問題之一。目前，無人機充電主要依賴于人工手動插拔插頭的方式，這種方式降低了無人機的作業范圍，即使利用中繼充電站對無人機進行電能補給也無法擺脫充電過程中人的作用。而且，傳統接觸式充電方式自動化程度低，降低了無人機的工作效率，也無法實現無人機無人值守的目標。無線充電技術避免了導線的直接接觸，省去了人工插拔插頭的步驟，為無人機充電過程實現全自動提供了可能。

磁耦合諧振式無線充電是無線充電領域應用最為廣泛的一種方式，其基本原理是在原邊發射線圈通人交變勵磁電流后產生交變磁場，完成電能到磁能的轉變，該交變磁場與接收線圈耦合后感生出電動勢，實現磁能到電能的轉化，最終以非導線直接接觸的方式實現電能傳遞。此外，通過調整電路參數，使發射端和接收端工作在相同的諧振頻率下，可以提高系統的電能傳遞能力及效率。當前，已有一些學者嘗試對無人機進行無線充電，以提高無人機作業范圍、實現其無人值守。韓國慶尚大學將發射線圈和接收線圈設計為平面空心線圈，接收線圈裝設在機架側面，實現充電功率51w，最大效率63.4%。印度學者采用沿無人機機架四周繞制空心線圈的方式，實現35W、效率71%的無人機無線充電。意大利羅馬大學采用將空心平面接收線圈裝設在無人機腹部的方式，在對準良好的條件下實現功率70w、效率89%的電能傳遞。受接收線圈裝配位置的影響，以上幾種方案的接收線圈與發射線圈之間距離較遠，耦合能力弱，而高的耦合能力是確保系統高效率無線傳輸電能的基礎。為提高耦合能力，香港城市大學采用沿無人機起落架底端四周繞制接收線圈的方式。這種方式提高了耦合能力，但只能針對腹部沒裝設云臺或其他作業設備的無人機。如果無人機裝設這些設備，設備會直接暴露在耦合裝置的交變磁場中，影響設備性能，甚至遭到損壞。同樣，之前提到的幾種方案也存在耦合裝置與無人機之問的漏磁干擾問題。對于以上問題，F.Maradei提出在起落架底端裝設一個小平面線圈的方案，該方案既適用于無人機腹部裝設設備的無人機，也有高的耦合能力，但對于錯位的容忍能力低，需要通過外加輔助設備移動發射裝置實現精確對準。

為擴大無人機巡航范圍、實現無人值守、提高無人機工作效率，有必要研究無人機無線充電技術。搭載云臺或其他設備是無人機完成偵查、巡檢等任務的必要手段，必須考慮無線充電系統與無人機設備之間的漏磁干擾問題。為保證充電性能的可靠性，耦合裝置必須具備一定容忍錯位的能力。因此，設計一種對于錯位容忍能力強，同時又能有效約束磁場，避免對無人機產生漏磁干擾的無線充電系統就顯得尤為重要?；谝陨蠁栴}，本文將提出一種應用于無人機無線充電的耦合裝置，分析該裝置磁場分布以及對于錯位的敏感性;設計無人機的無線充電系統拓撲結構，并建模分析，利用模型設計系統參數;最終，搭建樣機并測試系統性能。

1無人機無線充電系統設計

典型的無線充電系統如圖1所示，其主要包含3部分。原邊激勵電路產生10～100kHz的正弦電流，此正弦高頻電流通過原邊發射裝置后激勵出交變磁場。副邊接收裝置通過磁場耦合方式接收原邊發出的電能，從而實現電能的無線傳輸。副邊電能處理電路先將交流電變換成電池需要的直流電，再經過DC-DC及電池管理電路后給電池充電。原邊直流電源為整個系統提供電能，其可以由市電整流得到，也可以直接由蓄電池來充當。考慮到無人機巡航路線中部分區域離電網較遠，需要使用新能源發電加蓄電池儲能的方式作為充電站電源，本文采用48V直流電源進行供電。逆變電路實現直流到交流的電能轉換，其主要有2種結構，即電壓型逆變電路和電流型逆變電路。電流型逆變電路具備短路保護能力，并且電感的壽命比電解電容壽命長。相比電流型逆變電路來說，電壓型逆變電路只需要在直流側并接大電容就可實現，制作成本低，所以本文采用電壓型逆變電路。相比于傳統電機、變壓器等強耦合系統來說，用于無線充電系統的耦合裝置漏感較大，如果不進行補償，將會有較大的無功功率流過逆變電路，這既會增加系統損耗，同時也增加了器件應力。通過在發射端添加補償電路，可使逆變電路電壓和電流同相位，從而避免無功功率流經逆變橋引起額外損耗;通過在接收端添加補償電路，可有效提升電能傳遞能力。本次系統設計的詳細要求如表1所示，無人機采用的電池電壓為14.8V，最大充電電流5.2A。DC-DC及電池管理電路正常工作要求的輸入電壓范圍為10～18V。

無線充電系統常用的4種基本補償方式有：原邊串聯一副邊串聯（series-series，SS）、原邊串聯一副邊并聯（series-parallel，SP）、原邊并聯一副邊串聯（parallel-series，PS）、原邊并聯一副邊并聯（parallel-parallel，PP）。并聯補償由于電容的作用，電壓無法突變，在采用電壓型逆變橋時需采用SS或SP補償方式。sP補償方式存在反映電抗，而且該反映電抗與負載電阻相關，系統充電過程中會改變電路功率因數，影響系統效率;ss補償只有純阻性的反映電阻，系統功率因數不受負載電阻影響。但SS輸出是恒流特性，而本文無人機無線充電系統的DC-DC及電池管理電路要求有較穩定的電壓，即要求系統具有恒壓輸出特性。對比之下，本文在發射端選用電感一電容一電感（inductor-capaci-tor-inductor，LCL）混合補償方式，該補償方式優勢在于：工作在諧振狀態時，輸出勵磁電流不受負載電阻和耦合系數的影響。此外，LCL補償的功率因數不受耦合系數、負載等參數變化的影響，能在恒頻控制方式下保持逆變橋高效率工作。當耦合裝置原邊發射線圈通入恒定勵磁電流后，副邊采用并聯補償即可恒流輸出，副邊采用串聯補償即可恒壓輸出，因此本文采用原邊LCL一副邊串聯（LCL-S）的補償拓撲。本文采用的無線充電系統電路拓撲結構如圖2所示。添加補償電容C1是為得到相應的輸入與輸出電壓增益，其還能防止直流成分流過耦合裝置引起磁芯飽和，該部分將在后文進一步分析。

2耦合裝置設計

2.1耦合裝置的提出

耦合裝置對于無線充電系統至關重要，耦合裝置決定了系統的耦合能力，從而決定了系統的電能傳遞能力;耦合裝置的幾何形狀決定了磁場分布，進一步決定了無線充電系統對無人機的漏磁干擾水平;耦合裝置對于錯位的敏感性決定了系統的適應能力。相比于電動汽車無線充電的耦合裝置來說，無人機對耦合裝置的體積與重量有嚴格要求，大的體積與重量都可能會引起無人機續航能力降低、機身不平衡等問題，因此無人機無線充電系統對耦合裝置要求更為苛刻。耦合裝置之間的氣隙是決定耦合能力的一個關鍵因素，為了提高耦合能力，本文將耦合裝置放置在無人機起落架底端。但小的氣隙容易引起耦合裝置對非對準情況的過度敏感，即耦合裝置在小范圍錯位時耦合裝置自感、互感參數發生大的波動，此時要保證系統正常工作，就需要采用變頻控制等更復雜的控制系統來調節，這無疑增加了系統復雜度。針對于此，本文提出一種適用于無人機的雙極性耦合裝置，如圖3所示。該耦合裝置即使在小氣隙時也能保證耦合裝置參數穩定，這樣提高了耦合能力，降低了漏磁，也能保證使用簡單的恒頻控制系統完成無線充電。

發射裝置由發射線圈以及放置在發射線圈下的鐵氧體磁芯構成。發射線圈分成2個平面螺旋線圈，并且2個線圈的電流走向相反，如圖4所示，發射線圈中的一個平面螺旋線圈電流方向為順時針方向，另一個平面螺旋線圈的電流方向為逆時針方向。相反的電流走向使得發射線圈內部磁場有2個方向，即一個平面螺旋線圈內部磁場垂直線圈平面向上、另一個平面螺旋線圈內部磁場垂直線圈平面向下，發射裝置磁場具有雙極性特性。在發射線圈下放置鐵氧體磁芯，可以減小磁路磁阻，提高耦合能力，同時降低系統漏磁。

接收裝置裝設在起落架底端，其采用了小的I型鐵氧體磁芯，外側繞制接收線圈。由于接收裝置中放置了鐵氧體，鐵氧體磁阻比空氣中小很多，所以發射線圈中的一個平面螺旋線圈發射出的磁通絕大多數會經由接收裝置的鐵氧體進入發射線圈的另一個平面螺旋線圈內部。發射線圈下方也放置了鐵氧體，最終構成整個主磁路，耦合裝置的主磁路如圖4所示。由于接收線圈繞制在接收端的鐵氧體上，當上述交變磁通穿過接收端的鐵氧體時，也就穿過了接收線圈，從而實現電能的無線傳輸。

發射裝置的2個平面螺旋線圈通過串聯連接最終構成一個發射裝置，耦合裝置雙極性磁場的特性使得2個平面螺旋線圈的電路和磁路均串聯連接。耦合裝置的電路模型如圖5所示，其中Lp1和Lp2分別是發射線圈的2個平面螺旋線圈自感，M1和M2分別是2個平面螺旋線圈與副邊接收線圈的互感，M3是2個平面螺旋線圈之間的互感。對圖5（a）列寫KVL方程并化簡，可將圖5（a）化簡為圖5（b）。如式（1）所示，耦合裝置的等效原邊自感和原副邊等效互感可分別用Lp和M表示，耦合裝置電路模型進一步簡化為一個發射線圈和一個接收線圈的模式，如圖5（c）所示。因此，在圖2中直接使用了一個發射線圈、一個接收線圈的耦合電感模型代表所設計耦合裝置。

2.2耦合裝置磁場分析

利用有限元仿真工具ANSYS Maxwell搭建耦合裝置的仿真模型，如圖6所示。仿真模型的具體參數如表2所示。

圖7（a）是耦合裝置的磁力線分布情況。可發現，其主磁路與上述分析一致;磁力線的疏密程度代表磁場強度，由圖中能看出，發射裝置發出的磁通絕大多數流經接收裝置的鐵氧體，耦合裝置有較強的耦合能力。無線充電系統依靠交變磁場來傳遞電能，無人機云臺等機身設備如果暴露在該交變磁場中，會對這些設備造成影響，甚至損壞這些設備，所以漏磁干擾問題是設計無人機無線充電系統應該考慮的一個重要因素。圖7（b）是原邊發射線圈電流為4.3A時耦合裝置的磁通密度分布，此時的磁場是系統傳輸78w時對應的峰值磁場。從仿真結果可得到，耦合裝置磁場主要分布在發射裝置以上30mm高度范圍內，在高于30mm的高度上磁通密度低于8.96uT，不會對無人機機身設備造成影響。磁芯飽和會造成磁芯損耗增加、系統溫升加快等問題，所以磁芯的飽和問題也是無線充電系統設計中應該考慮的一個方面。本文使用的磁芯材料是TDK公司的PC40，該材料25℃時飽和磁通為510mT。圖7仿真結果表明，系統在傳遞90w功率時對應的峰值磁通密度是12.544mT，遠低于材料飽和磁通密度。

2.3耦合裝置容錯位能力分析

受無人機降落精度限制，無法保證無人機每次都精準降落，即使安裝輔助耦合裝置對準的設備，也有一定的誤差，所以耦合裝置需要有一定的容錯位能力。耦合裝置原邊及副邊自感和原副邊之間的互感隨錯位的變化情況是體現系統容錯位能力的重要因素。由于補償電容是基于對準良好時的參數計算得到，并且錯位過程中補償電容不會改變，這就要求錯位過程中系統自感要穩定，否則系統工作狀態將發生改變;此外，互感決定了副邊接收電能的能力，為了保證系統輸出電壓與輸出功率穩定，就需要錯位時互感降低速度慢。為了測試耦合裝置的容錯位性能，根據表2參數搭建如圖8所示的耦合裝置。自感、互感隨錯位的變化情況如圖9所示。

由圖9可得，耦合裝置原邊自感受非對準的影響較小，在x軸和Y軸偏移40mm時，原邊自感分別減小1.028uH和2.215uH。副邊接收裝置自感在x軸和y軸偏移40mm時，分別增加2.089uH和減小2.064uH。耦合裝置自感變化小，自感變化對補償電路諧振工作狀態影響小;互感受錯位的影響較大，當偏移大于30mm時，互感跌落速度加快，這會影響到的系統的電能傳遞能力。該耦合裝置可容忍錯位的范圍在后文討論。

3電路系統分析與設計

諧振補償電路有帶通濾波作用，分析時只需要考慮基波成分即可。逆變橋采用互差180°的互補控制方式，通過傅里葉分解得到逆變橋輸出電壓基波有效值為。

本文研究針對靜止式無線充電技術，充電過程中互感和自感都是恒定的。由式（13）可得，只要保持輸入電壓恒定，就可以實現恒壓輸出。另外，要得到規定輸出電壓范圍，只需要相應地調整耦合互感M和等效電感厶即可。前文中測得耦合裝置原邊自感與互感分別為78.1uH和16.78uH，在不添加C1時，由式（4）知L2=Lp此時由式（13）得uab為9.28V，剛好滿足系統輸出電壓需求。但還需要考慮耦合裝置非對準和線圈內阻的影響，非對準時，系統的互感會降低，則輸出電壓也會降低，此時系統小范圍偏移就會導致無法正常充電，即系統對于非對準的容忍能力降低;此外，線圈內阻也會影響到系統輸出電壓，在電池充電初期，負載電阻小，則輸出電壓會因為線圈內阻分壓過多而低于忽略線圈內阻時推導的理論值，如果輸出電壓理論值設置過低會導致系統無法正常充電。考慮到以上情況以及防止過壓損壞DC-DC及電池管理電路，本文將系統輸出直流電壓目標值區問設置為15～18V。如式（4）所示，通過添加c1可以降低等效漏感L2，即提高了M與L2的比值，從而提高輸出電壓。本文設計補償網絡參數見表3，根據式（13）得到Uab理論值為15.758V，此時輸出直流電壓為17.5V。

4系統實驗

為了測試無線充電系統的性能，根據以上計算參數搭建如圖11所示的實驗系統。在輸入電壓48V、負載電阻2.4Ω、工作頻率50kHz、良好對準的工作條件下，對系統進行測試。逆變橋輸出電壓和電流波形如圖12所示，從圖中看出電壓與電流同相位。利用功率分析儀測試系統的電能傳遞能力如圖13所示。系統輸出功率為77.62w，從系統直流輸入側到負載側效率為77.81%，所搭建的實驗系統可以實現對無人機進行無線充電。

系統充電過程中負載電阻會不斷變化，圖14是系統輸出電壓隨負載變化情況的測試結果。發現：負載電阻變化時，系統的輸出電壓基本恒定，驗證了系統的恒壓源輸出特性;負載電阻較小時，實測值與理論值相差較大，主要由于理論分析時忽略了線圈內阻。在充電初期等效負載電阻值小，線圈內阻分壓所占比例大，導致輸出電壓較低;隨著負載電阻增大，系統內阻分壓所占比例越來越小，實測值逐漸趨于理論值。當負載電阻為35Ω時，實際輸出電壓為15.7V，與理論值偏差1.8V（主要由于理論分析時忽略了二極管和開關管導通壓降）。

圖15是在耦合裝置發生錯位時，輸出電壓的測試及理論計算結果。為了削弱系統內阻對于測試結果的影響，選擇負載電阻為35Ω時進行測試。其中，理論值根據圖9耦合裝置自感與互感測試結果及上述電路模型計算得到。結果表明，測試結果與理論值吻合，證明可以利用所建立電路模型指導系統參數設計。另外，系統分別在x軸和y軸的[-30mm，30mm]范圍內偏移時，系統輸出電壓均在12.7V以上，此時即使負載電阻較小，輸出也在10V以上;而當偏移到40mm時，輸出電壓為10V附近，系統稍微出現波動就可能導致DC-DC及電池管理模塊無法正常充電，即本無線充電系統在x軸及Y軸容錯位能力均設定為[-30mm，30mm]。

5結論

本文為無人機設計一個無線充電系統，其中包含提出一種耦合裝置，以及設計能保持輸出電壓恒定的系統電路。通過對耦合裝置的有限元分析可知，耦合裝置能有效將磁場約束在發射裝置平面上方30mm高度以內，避免無線充電過程中交變磁場對無人機的漏磁干擾。通過測量并對比不同偏移情況下耦合裝置自感與互感，分析獲知耦合裝置錯位時自感變化小，不會對電路諧振工作狀態造成影響;互感在x軸和y軸30mm錯位范圍內互感波動小，系統有較強的容錯位能力。通過對設計系統建模分析，獲得輸入與輸出電壓之間的內在數量關系。搭建實驗系統，證明系統的恒壓輸出特性，得到系統的容錯位能力，并驗證所建立的輸入與輸出電壓關系模型的準確性。該模型可以用于指導對于輸入和輸出電壓有特定要求的無線充電系統設計。