无人机的无线电能传输研究

骆新然

(西安高新唐南中学,陕西 西安710075)

1 无人机与无线电能传输

无人机的优点在于小巧便捷,但与此相对应,它的电池注定也不能很大。我们对市面上主流的无人机的电池及其充电特性进行了调研,发现大部分无人机电池容量在4000～7000m A·h之间,平均在5000～6000m A·h,所以市面上常见的无人机平均续航时间都在20～40分钟,平均30分钟,针对一些服务业项目还难以满足,但无线充电技术正好可以满足这个需求。如果使用无线充电技术,在户外分布安装充电平台,当无人机快没电时可以飞到最近的平台上进行充电,通过设置适当的电压电流,可以让无人机在较短的时间内完成充电,而且只要能在一定间隔的距离内都安装充电平台,就能大大加强无人机的续航时间,可以让无人机从事更加远距离和持久的工作。

目前常见的无线电力传输主要有四类,分别是超声波等非电磁场方式、电磁辐射式、电场耦合式和磁场耦合式。其中超声波无线电能传输技术是将电能转化为超声波发射出去,接收端再将超声波转化为电能,其最大缺点是功率小和效率低。电磁辐射式,电场耦合式和磁场耦合式都是利用电磁场效应进行的无线电能传输技术。其中电磁辐射式分为无线电波式和激光式,其传输距离远,但需定向装置,并且对人体的危害明显。电场耦合式是利用耦合的电场进行电能传输,其最大的缺点是传输距离短和效率低。磁场耦合式是利用耦合的磁场进行电能传输,其最大的特点是传输距离较远,效率较高,其中谐振式效果更为明显。由于无人机有支架,当停靠在充电平台上时,无人机上的充电装置和充电平台上的供电装置会有一定的距离,因此通过比较各种无线电能传输技术,我们最终选择最适合无人机充电的磁场耦合式中的谐振式。

2 无人机的无线电能传输设计

在户外搭建无人机充电平台,并将电源和无线电能发射部分安装在充电平台中,相应的无线电能接受部分和充电器安装在无人机上,只有无人机停降在充电平台上就能够实现自主无线充电。无人机的无线能量传输系统具体拓扑结构如图1所示,其中包括电网,发射端整流器,发射端逆变器,发射线圈部分,接受线圈部分,接收端整流器,BUCK变换器和无人机电池,下面将逐一介绍。

2.1 发射端整流部分

发射端整流部分如图1第一部分所示,它是由四个二极管组成的不控全桥整流器,能够实现将交流输入变为直流输出的AC/DC功能。这里输入的是单相220V交流电网,得到的输出是310V左右的直流电压。

图1 拓扑图

2.2 发射端逆变部分

发射端逆变部分如图1第二部分所示,它是由4个开关管组成的全控H桥逆变器。它能够将直流电变成交流电,实现逆变功能,得到高频交流电输出给发射线圈部分。这里开关频率为100k Hz,而控制采用50%占空比的PWM。

2.3 谐振部分

谐振部分如图1第三部分所示,分为发射和接收部分,两部分线圈及其谐振电容的谐振频率都为100k Hz,在发生谐振时两个线圈之间能够得到很高的传输效率,并实现较远距离的能量传输。由于谐振频率为

当选取电容值为1μF时,可以算出线圈电感为：

2.4 接收端整流部分

接收端整流部分如图1第四部分所示,它同样是由四个二极管组成的不控整流桥,能够实现将交流输入变为直流输出的AC/DC功能。这里输入的是接受线圈输出的高频交流电,输出的是较高电压的直流电。其输出的电压相对于无人机电池太高,所以不能对无人机直接进行充电。

2.5 接收端降压部分

接收端降压部分如图1第五部分所示,因为根据表1无人机能够接受的充电电压不到20V,而前面整流端得到的电压太高,需要进行直流降压。这一部分电路是由一个开关管和一个二极管等组成的BUCK直流降压变换器,可以将较高的输入电压变成适合无人机的较低电压,并可以自由控制充电电流和电压。

3 仿真分析

为了验证上述无人机无线充电系统的可行性和有效性,我们在MATLAB/SIMULINK中搭建的一个完整的仿真模型。假设无人机蓄电池为容量为5500m A·h,充电电压为17V,若充电电流为17A,则最快只需要20分钟左右即可基本充满。

电路中谐振线圈的电压的仿真结果如图2中左图所示,可以看出电压波形都很接近正弦,正是因为变换器的开关频率为100k Hz,使谐振电感和电容发生了谐振。

图2 谐振电压波形

图3 输出电压波形

最后电池的充电电压的仿真结果如图3所示,可以看到充电电压也很好地稳定在17V,达到了预定的设计效果。

从所有仿真结果可以看出整个无人机的无线充电系统运行良好,可以实现给无人机无线快速充电的功能,验证了本文提出的采用无线电能传输技术的无人机自主充电方案。

4 结论

针对无人机电池容量小,续航时间较短的问题,本文提出了应用无线电力传输的解决方式,该方案在户外分步安装无线充电平台,无人机电量较低时可以停靠在附件的平台上快速充电。为此分析了无人机无线电能传输的可行性,设计并搭建了较为完整的无线充电仿真模型,实验结果证明表明该方案有效可行。该方案可以在不改变电池重量和无人机重量的基础上大大增加无人机的飞行时间和飞行距离,相信未来无人机的使用价值可以进一步提高。

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