摘要：針對(duì)無人機(jī)有線充電不便利、需要人工干預(yù)的問題，采用磁耦合諧振式無線充電技術(shù)，設(shè)計(jì)一種無人機(jī)無線充電系統(tǒng)。提出一種適用于無人機(jī)無線充電耦合裝置，其發(fā)射裝置具有雙極性磁場(chǎng)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(shè)在起落架底端。利用有限元分析方法分析耦合裝置磁場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)被約束在接收裝置附近，避免無線充電系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)產(chǎn)生漏磁干擾。

　　根據(jù)系統(tǒng)恒壓輸出要求選擇原邊LCL一副邊串聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)洌⑾到y(tǒng)電路數(shù)學(xué)模型，獲得輸入輸出電壓關(guān)系，以指導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。搭建樣機(jī)系統(tǒng)，結(jié)果表明：系統(tǒng)實(shí)測(cè)與電路模型計(jì)算理論值一致;所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以在錯(cuò)位30mm的范圍內(nèi)對(duì)80w無人機(jī)正常充電。

　　關(guān)鍵詞：無人機(jī);無線充電;磁耦合諧振;耦合裝置;補(bǔ)償

　　《中國無線電》(月刊)創(chuàng)刊于1990年，由工業(yè)和信息化部主管。雜志緊緊依托國家無線電管理機(jī)構(gòu)，以為無線電管理機(jī)構(gòu)服務(wù)為宗旨，是無線電管理機(jī)構(gòu)的重要喉舌和宣傳陣地。

　　0引言

　　無人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)具有高靈活性的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在偵查、勘測(cè)、巡檢、救援等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。受負(fù)重能力的限制，無人機(jī)搭載電池容量有限，續(xù)航能力不足、巡航范圍受限成為限制無人機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸問題之一。目前，無人機(jī)充電主要依賴于人工手動(dòng)插拔插頭的方式，這種方式降低了無人機(jī)的作業(yè)范圍，即使利用中繼充電站對(duì)無人機(jī)進(jìn)行電能補(bǔ)給也無法擺脫充電過程中人的作用。而且，傳統(tǒng)接觸式充電方式自動(dòng)化程度低，降低了無人機(jī)的工作效率，也無法實(shí)現(xiàn)無人機(jī)無人值守的目標(biāo)。無線充電技術(shù)避免了導(dǎo)線的直接接觸，省去了人工插拔插頭的步驟，為無人機(jī)充電過程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)提供了可能。

　　磁耦合諧振式無線充電是無線充電領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的一種方式，其基本原理是在原邊發(fā)射線圈通人交變勵(lì)磁電流后產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，完成電能到磁能的轉(zhuǎn)變，該交變磁場(chǎng)與接收線圈耦合后感生出電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)磁能到電能的轉(zhuǎn)化，最終以非導(dǎo)線直接接觸的方式實(shí)現(xiàn)電能傳遞。此外，通過調(diào)整電路參數(shù)，使發(fā)射端和接收端工作在相同的諧振頻率下，可以提高系統(tǒng)的電能傳遞能力及效率。當(dāng)前，已有一些學(xué)者嘗試對(duì)無人機(jī)進(jìn)行無線充電，以提高無人機(jī)作業(yè)范圍、實(shí)現(xiàn)其無人值守。

　　韓國慶尚大學(xué)將發(fā)射線圈和接收線圈設(shè)計(jì)為平面空心線圈，接收線圈裝設(shè)在機(jī)架側(cè)面，實(shí)現(xiàn)充電功率51w，最大效率63.4%。印度學(xué)者采用沿?zé)o人機(jī)機(jī)架四周繞制空心線圈的方式，實(shí)現(xiàn)35W、效率71%的無人機(jī)無線充電。意大利羅馬大學(xué)采用將空心平面接收線圈裝設(shè)在無人機(jī)腹部的方式，在對(duì)準(zhǔn)良好的條件下實(shí)現(xiàn)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(fā)射線圈之間距離較遠(yuǎn)，耦合能力弱，而高的耦合能力是確保系統(tǒng)高效率無線傳輸電能的基礎(chǔ)。為提高耦合能力，香港城市大學(xué)采用沿?zé)o人機(jī)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(duì)腹部沒裝設(shè)云臺(tái)或其他作業(yè)設(shè)備的無人機(jī)。如果無人機(jī)裝設(shè)這些設(shè)備，設(shè)備會(huì)直接暴露在耦合裝置的交變磁場(chǎng)中，影響設(shè)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(jī)之問的漏磁干擾問題。對(duì)于以上問題，F(xiàn).Maradei提出在起落架底端裝設(shè)一個(gè)小平面線圈的方案，該方案既適用于無人機(jī)腹部裝設(shè)設(shè)備的無人機(jī)，也有高的耦合能力，但對(duì)于錯(cuò)位的容忍能力低，需要通過外加輔助設(shè)備移動(dòng)發(fā)射裝置實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)。

　　為擴(kuò)大無人機(jī)巡航范圍、實(shí)現(xiàn)無人值守、提高無人機(jī)工作效率，有必要研究無人機(jī)無線充電技術(shù)。搭載云臺(tái)或其他設(shè)備是無人機(jī)完成偵查、巡檢等任務(wù)的必要手段，必須考慮無線充電系統(tǒng)與無人機(jī)設(shè)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(cuò)位的能力。因此，設(shè)計(jì)一種對(duì)于錯(cuò)位容忍能力強(qiáng)，同時(shí)又能有效約束磁場(chǎng)，避免對(duì)無人機(jī)產(chǎn)生漏磁干擾的無線充電系統(tǒng)就顯得尤為重要。基于以上問題，本文將提出一種應(yīng)用于無人機(jī)無線充電的耦合裝置，分析該裝置磁場(chǎng)分布以及對(duì)于錯(cuò)位的敏感性;設(shè)計(jì)無人機(jī)的無線充電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并建模分析，利用模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù);最終，搭建樣機(jī)并測(cè)試系統(tǒng)性能。

　　1無人機(jī)無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　典型的無線充電系統(tǒng)如圖1所示，其主要包含3部分。原邊激勵(lì)電路產(chǎn)生10～100kHz的正弦電流，此正弦高頻電流通過原邊發(fā)射裝置后激勵(lì)出交變磁場(chǎng)。副邊接收裝置通過磁場(chǎng)耦合方式接收原邊發(fā)出的電能，從而實(shí)現(xiàn)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(jīng)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(gè)系統(tǒng)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(dāng)。考慮到無人機(jī)巡航路線中部分區(qū)域離電網(wǎng)較遠(yuǎn)，需要使用新能源發(fā)電加蓄電池儲(chǔ)能的方式作為充電站電源，本文采用48V直流電源進(jìn)行供電。逆變電路實(shí)現(xiàn)直流到交流的電能轉(zhuǎn)換，其主要有2種結(jié)構(gòu)，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(hù)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(cè)并接大電容就可實(shí)現(xiàn)，制作成本低，所以本文采用電壓型逆變電路。相比于傳統(tǒng)電機(jī)、變壓器等強(qiáng)耦合系統(tǒng)來說，用于無線充電系統(tǒng)的耦合裝置漏感較大，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，將會(huì)有較大的無功功率流過逆變電路，這既會(huì)增加系統(tǒng)損耗，同時(shí)也增加了器件應(yīng)力。通過在發(fā)射端添加補(bǔ)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(jīng)逆變橋引起額外損耗;通過在接收端添加補(bǔ)償電路，可有效提升電能傳遞能力。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)要求如表1所示，無人機(jī)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(tǒng)常用的4種基本補(bǔ)償方式有：原邊串聯(lián)一副邊串聯(lián)(series-series，SS)、原邊串聯(lián)一副邊并聯(lián)(series-parallel，SP)、原邊并聯(lián)一副邊串聯(lián)(parallel-series，PS)、原邊并聯(lián)一副邊并聯(lián)(parallel-parallel，PP)。并聯(lián)補(bǔ)償由于電容的作用，電壓無法突變，在采用電壓型逆變橋時(shí)需采用SS或SP補(bǔ)償方式。sP補(bǔ)償方式存在反映電抗，而且該反映電抗與負(fù)載電阻相關(guān)，系統(tǒng)充電過程中會(huì)改變電路功率因數(shù)，影響系統(tǒng)效率;ss補(bǔ)償只有純阻性的反映電阻，系統(tǒng)功率因數(shù)不受負(fù)載電阻影響。

　　但SS輸出是恒流特性，而本文無人機(jī)無線充電系統(tǒng)的DC-DC及電池管理電路要求有較穩(wěn)定的電壓，即要求系統(tǒng)具有恒壓輸出特性。對(duì)比之下，本文在發(fā)射端選用電感一電容一電感(inductor-capaci-tor-inductor，LCL)混合補(bǔ)償方式，該補(bǔ)償方式優(yōu)勢(shì)在于：工作在諧振狀態(tài)時(shí)，輸出勵(lì)磁電流不受負(fù)載電阻和耦合系數(shù)的影響。

　　此外，LCL補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)不受耦合系數(shù)、負(fù)載等參數(shù)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(dāng)耦合裝置原邊發(fā)射線圈通入恒定勵(lì)磁電流后，副邊采用并聯(lián)補(bǔ)償即可恒流輸出，副邊采用串聯(lián)補(bǔ)償即可恒壓輸出，因此本文采用原邊LCL一副邊串聯(lián)(LCL-S)的補(bǔ)償拓?fù)洹１疚牟捎玫臒o線充電系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。添加補(bǔ)償電容C1是為得到相應(yīng)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(jìn)一步分析。