一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法技术

本发明专利技术属于无人机充电技术领域，公开了一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法，对充电平台无线电能传输中弱耦合，动态负载及动态互感特征进行分析；对充电线圈的互感耦合理论进行分析，建立耦合机构的互感模型，增加电容进行补偿，使整个耦合机构在谐振的状态下工作；归纳无人机无线充电展示的电压和电流特征。本发明专利技术提供的基于无线充电的无人机充电平台及充电方法，安全性高，充电过程简单，可以实现电能在更远的距离内进行更高效的传递。本发明专利技术有效解决了无人机电池的充电步骤繁琐，影响工作效率、有线充电存在充电设备易磨损、易产生火花等问题。

A charging platform and method of UAV Based on wireless charging

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法
本专利技术属于无人机充电
，尤其涉及一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：随着科技的进步及经济的迅猛发展，已有的航空遥感技术跟不上经济发展的需求，以无人机为航空遥感的技术正在蓬勃发展。由于无人机的体积有限，严重限制了电池的容量，影响了续航，而无人机电池的充电步骤又比较繁琐，影响了工作效率。近年来，无人机在人们生活中越来越普及。目前无人机的充电方式分为有线充电和无线充电，有线充电存在充电设备易磨损、易产生火花等问题。而无线充电可以实现动态充电，灵活性高，能够减少对电网的冲击，稳定性高，并且无线充电还解决了有线充电在安全维护方面的问题。同时，一个无线充电装置可以对接多个用电装置，实现了充电设施的兼容性，省去了多个充电设备的成本。因此，亟需一种无人机的充电平台及充电方法。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)无人机的体积有限，严重限制了电池的容量，影响了续航，而无人机电池的充电步骤又比较繁琐，影响了工作效率。(2)有线充电存在充电设备易磨损、易产生火花等问题。(3)蓄电池技术已经发展到瓶颈期，更大的蓄电池容量就意味着更大的蓄电池体积和重量，因而增加蓄电池容量必将影响无人机的机动性能和轻量化。解决上述技术问题的难度：(1)无人机在充电过程中存在潜在的短路危险。(2)对系统的电磁兼容性要求极高。(3)能否轻易脱离电缆并在落地之前再次起飞也是不确定的。解决上述技术问题的意义：无人机自1917年问世以来，就不断受到越来越多的国家的重视。随着技术发展逐渐成熟，现今的无人机已经被广泛地应用于诸多领域，尤其是在军事领域里，无人机已经逐渐成为现代战争中一股不可或缺的重要力量，各个国家都在积极地发展着新型无人机，在全世界范围内掀起了无人机研究热潮。其中，长航时则是未来无人机发展的主要方向之一。目前，无人机的续航能力主要受限于蓄电池性能和传统充电方法。本专利技术将无线电能传输技术结合到无人机充电技术中，提出一种基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电技术，使无人机能够通过高压线缆灵活的进行电能补给，从而增加无人机的续航能力，具有研究意义和实用价值。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于无线充电的无人机充电平台及充电方法。本专利技术是这样实现的，一种基于无线充电的无人机充电方法，包括以下步骤：步骤一，对充电平台无线电能传输中弱耦合，动态负载及动态互感特征进行分析。步骤二，对充电线圈的互感耦合理论进行分析，建立耦合机构的互感模型，增加电容进行补偿，使整个耦合机构在谐振的状态下工作。步骤三，进行无人机无线充电的电压和电流特征展示。进一步，步骤一中，所述无人机充电时，会不停调整自己的姿态和位置来使自己和能量发射线圈的位置相对固定，以便自动悬停在能量发射线圈的正上方。无人机悬停充电时电路会表现出如下特征：(1)动态负载。由于在空中无人机无法保持完全静止，因此必须进行姿态调整，以保持能量接受与发射装置相对位置静止。此时，系统负载的电动机的输出功率会发生改变，对于基于无线电能传输技术的充电系统则等效为负载发生变化，即是一个具有动态负载特性的系统。(2)动态互感。悬停情况下的无人机拾取电能的时候，即使会不断进行姿态调整，但由于自身的环境因素的影响，很难保持完全静止，会与能量发射装置产生位移，这种位移可能是垂直或者水平方向的，也可能由于无人机的倾斜导致。无论是哪种位移，耦合机构的相对位移将不可避免。这将直接导致耦合机构间的互感发生变化，使系统具有动态互感特性。(3)耦合机构弱耦合。K一般用来表示两个线圈的耦合程度，即耦合系数，它由原级线圈自感系数LP、次级线圈自感系数Ls以及原级初级间的互感系数M共同决定，K的表达式为：进一步，步骤二中，所述耦合机构的互感模型中，Lp是原级线圈，Ls是次级线圈，Ip和Is是原级及次级线圈中的电流值，M是原级和次级线圈的互感。当原级线圈通入频率为ω的高频交流电时，线圈周围会形成高频的电磁场。当次级线圈感应到原级线圈发出的电磁场后，便会产生高频感应电压，这个电压由Ip决定，大小等于jωMIp。同理，原级线圈的电压由Is决定，大小等于-jωMIs。通过改变输入高频电流的频率可以提高传输电压及效率。进一步，步骤二中，所述谐振补偿方式有两种，分别是并联补偿谐振和串联补偿谐振。当原级和次级线圈采用这两种补偿方式时，将可以构成四种耦合基本拓扑：SS、SP、PS、PP。其中，第一个S(Series)代表初级串联补偿，第一个P(Parallel)代表初级并联补偿；第二个S(Series)代表次级串联补偿，第二个P(Parallel)代表次级并联补偿。所述带反射阻抗的原级电路主要包含原边串联谐振和原边并联谐振两种，其中次级作用在原级上面的等效阻抗，即反射阻抗，通常用Zr表示。反射阻抗Zr是由原级线圈中交流电压的角频率和原级线圈与次级线圈之间的互感M共同决定的，它们之间的关系式为：其中，Zs是次级线圈的等效阻抗，可根据式(2)计算得出。将式(2)代入式(1)，可以得到反射阻抗Zr的实部ReZr和虚部ImZr分别为：进一步，步骤二中，所述反射阻抗的实部反映了原级线圈传递到次级线圈的有功功率，虚部反映了原级线圈传递到次级线圈的无功功率。当角频率为时，次级线圈的等效阻抗Zs为纯阻性，初级传递到次级线圈的能量均为有功功率。进一步，所述无人机充电方法基于磁耦合谐振式无线充电技术，基本原理是利用两个具有相同频率的物体作为介质实现高效的能量交换。所述充电方法是无线充电装置先给无人机自备电池充电，再由电池向无人机提供电能。电池充电过程，先以恒流模式充电，当电压达到阈值时，再由恒压模式充电，电流降低至相应阈值时，充电过程完成。所述无线充电装置必须具备恒流和恒压输出能力。进一步，步骤二中，所述磁耦合谐振式无线充电的工作电路拓扑结构由两个LCL电路组成不仅具备单LCL结构恒压恒流特性和电压电流增益灵活可调的特点，在一定参数配置下，还可实现恒频、功率因数为1等特点。电路拓扑结构中，Uin为输入电压，Iin为输入电流，Uout为输出电压，Iout为输出电压，UP为原边输出电压，IP为原边输出电流，IS为副边输入电流，CP、L1、LP为原边补偿元件，CS、L2、LS为副边补偿元件，Rac为负载电阻。进一步，步骤三包括：根据有限元仿真方法对磁耦合谐振式无线充电的工作电路进行仿真得出输出电压和电流的情况，具体包括：(1)首先建立电路原边侧的二端口网络模型：式中，Z11、Z12、Z21、Z22为原边侧二端口的Z参数；Zeq为副边侧等效到原边侧的等效阻抗，且有：对式(6)进行求解可以得到：式中，Z1为电路总等效阻抗，且：...

【技术保护点】
1.一种基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，所述基于无线充电的无人机充电方法包括以下步骤：/n步骤一，对充电平台无线电能传输中弱耦合，动态负载及动态互感特征进行分析；/n步骤二，对充电线圈的互感耦合理论进行分析，建立耦合机构的互感模型，增加电容进行补偿，使整个耦合机构在谐振的状态下工作；/n步骤三，进行无人机无线充电的电压和电流特征展示。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，所述基于无线充电的无人机充电方法包括以下步骤：
步骤一，对充电平台无线电能传输中弱耦合，动态负载及动态互感特征进行分析；
步骤二，对充电线圈的互感耦合理论进行分析，建立耦合机构的互感模型，增加电容进行补偿，使整个耦合机构在谐振的状态下工作；
步骤三，进行无人机无线充电的电压和电流特征展示。


2.如权利要求1所述的基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，步骤一中，所述无人机充电时，不停调整本身的姿态和位置和能量发射线圈的位置相对固定，自动悬停在能量发射线圈的正上方；无人机悬停充电时进行如下特征分析：
(1)动态负载：无人机在空中必须进行姿态调整，保持能量接受与发射装置相对位置静止；系统负载的电动机的输出功率发生改变，对于基于无线电能传输技术的充电系统等效为负载发生变化的具有动态负载特性的系统；
(2)动态互感：悬停情况下的无人机拾取电能时与能量发射装置产生位移，使耦合机构间的互感发生变化，使系统具有动态互感特性；
(3)耦合机构弱耦合：K表示两个线圈的耦合程度，为耦合系数，由原级线圈自感系数LP、次级线圈自感系数Ls以及原级初级间的互感系数M共同决定，K的表达式为：





3.如权利要求1所述的基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，步骤二中，所述耦合机构的互感模型中，Lp是原级线圈，Ls是次级线圈，Ip和Is是原级及次级线圈中的电流值，M是原级和次级线圈的互感；当原级线圈通入频率为ω的高频交流电时，线圈周围形成高频的电磁场；当次级线圈感应到原级线圈发出的电磁场后，产生高频感应电压，电压由Ip决定，大小等于jωMIp；原级线圈的电压由Is决定，大小等于-jωMIs；通过改变输入高频电流的频率提高传输电压及效率。


4.如权利要求1所述的基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，步骤二增加电容进行补偿中，包括并联补偿谐振和串联补偿谐振；原级和次级线圈构成四种耦合基本拓扑：SS、SP、PS、PP；其中，第一个S代表初级串联补偿，第一个P代表初级并联补偿；第二个S代表次级串联补偿，第二个P代表次级并联补偿；
带反射阻抗的原级电路包含原边串联谐振和原边并联谐振，次级作用在原级上面的反射阻抗，用Zr表示；
反射阻抗Zr由原级线圈中交流电压的角频率和原级线圈与次级线圈之间的互感M共同决定，关系式为：



其中，Zs是次级线圈的等效阻抗，计算得出；



将反射阻抗Zr式代入K的表达式，得到反射阻抗Zr的实部ReZr和虚部ImZr分别为：






反射阻抗的实部反映原级线圈传递到次级线圈的有功功率，虚部反映原级线圈传递到次级线圈的无功功率；当角频率为时，次级线圈的等效阻抗Zs为纯阻性，初级传递到次级线圈的能量均为有功功率。


5.如权利要求1所述的基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，步骤二，耦合机构的互感模型包括耦合谐振式无线充电的工作电路拓扑结构，由两个LCL电路组成，在一定参数配置下，实现恒频、功率因数为1；
LCL电路中，Uin为输入电压，Iin为输入电流，Uout为输出电压，Iout为输出电压，UP为原边输出电压，IP为原边输出电流，IS为副边输入电流，CP、L1、LP为原边补偿元件，CS、L2、LS为副边补偿元件，Rac为负载电阻。


6.如权利要求5所述的基于无线充电的无人机充电方法，其特征在于，步骤三中，根据有限元仿真方法对磁耦合谐振式无线充电的工作电路进行仿真得出输出电压和电流的情况，具体包括：
(1)建立电路原边侧的二端口网络模型：



式中，Z11、Z12、Z21、Z22为原边侧二端口的Z参数；Zeq为副边侧等效到原边侧的等效阻抗，且有：



对电路原边侧的二端口网络模型进行求解得到：









式中，Z1为电路总等效阻抗，且：
A＝1-ω2CPLP，B＝ωCPZeq；
式分母实部为0时，原边侧的电流与负载无关；此时的谐振频率为：



原边电流为：



令λP＝L1/LP，当λP＝1时，电路的...

【专利技术属性】
技术研发人员：金昭，夏国华，姚斌，高志勇，蔡得志，韩振，王澜，甘林，李伟，李凡，郭建军，
申请(专利权)人：国网湖北省电力有限公司咸宁供电公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42