雙LCCL諧振網絡補償無人機無線充電系統

鐘文琦 ，付 宇 ，王 榮

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

近年來，無人機以其成本低廉、效費比高、生存能力強、機動性能好、使用方便等優點在民用領域得到越來越廣闊的應用。尤其是，無人機因其不斷地發展完善，在地圖測繪、地質勘測、災害監測、氣象探測、空中交通管制、邊境巡邏監控、通信中繼、農藥噴灑等領域起著極其重要的作用。然而，作為無人機的動力之源，其電池續航能力一直是業界亟待解決的問題[1]，也是森林防火、牧區、交通、災情偵察監視等領域困擾的主要難題之一，續航時間已經成為無人機行業的短板。

受數理模型發展的限制，以往對無人機充電的研究更多地集中在靜態充電模[2]，而忽略了無線自主動態充電問題。在此開發了基于磁耦合諧振原理的無人機無線充電技術。該技術克服了雙LCL結構傳輸功率偏小的弱點[3]，創新性地引入雙LCCL諧振補償結構，實現了原邊電纜的電流恒定控制以及副邊輸出電壓恒定控制。該技術的特點還在于能夠動態檢測自身鋰電池電量，若低于設定閾值，無人機通過北斗定位以及圖像處理使無人機精確定位到標志物充電臺，并通過無線充電單向傳輸系統進行續航充電。與傳統插座式傳輸相比，其靈活性強，完全省去了人工充電操作并且不需要精確對位充電，從而提高了無人機的續航能力。

1 雙LCCL諧振無線充電原理

文中設計的無線充電系統采用雙LCCL諧振網絡補償充電結構。其中，發射線圈鑲嵌于充電平臺，接收線圈固定在無人機起落架內，通過磁耦合諧振將發射端的電能傳輸給接收端對鋰電池充電。其磁耦合諧振網絡補償原理是，在發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，發射端輸入與線圈諧振頻率相同的信號，發射端與接收端產生諧振，能量從發射端傳輸給接收端，從而實現2個電路模塊之間電能的無線傳輸[4-5]。雙LCCL補償無人機無線充電系統原理如圖1所示。

圖1 雙LCCL補償無人機無線充電系統原理Fig.1 Double-sided LCCL resonant compensation network for UAV wireless power transfer principle

圖1中，諧振網絡輸入信號由220 V，50 Hz交流電經過整流和逆變提供高頻交流信號；接收端經過整流和濾波給恒流恒壓充電模塊供電。基于雙LCCL諧振補償的無人機WPT系統拓撲結構如圖2所示。

圖 2 中，Lp，C1，C1s，L1構成發射端 LCCL 諧振補償電路；Ls，C2，C2s，L2構成接收端 LCCL 諧振補償電路；M為發射端與接收端互感。在諧振網絡[6-8]的基礎之上，設計了雙LCCL諧振網絡即在發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整發射線圈上的電流，同時隔離電源側的直流分量，避免傳輸線圈的直流磁化。逆變器H橋臂軟開關工作模態與雙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WPT系統拓撲結構Fig.2 Basedondouble-disedLCCLresonantcompensation network for UAV wireless power transfer topology

圖3 逆變器H橋臂軟開關工作模態與輸入電壓波形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，使得諧振網絡輸入電壓和電流零相位角，移相調制來減小線圈損耗。α為軟開關移相角，軟開關1與軟開關4反相；軟開關2與軟開關3反相。

2 雙LCCL諧振系統數學模型

通過耦合諧振原理和等效電路原理，對無人機WPT電路進行建模，同時對電路進行推導和求解。接收端拓撲結構等效電路如圖4所示。

圖4 接收端拓撲結構等效電路Fig.4 Equivalent circuit of receiving topology structure

根據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串聯等效電感L′e2為

根據疊加定理，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等效電路。如圖5和圖6所示。和電感Ls1串聯的等效電感Le1為

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

圖6 只有U′ab作用狀態等效電路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串聯諧振，故I′2AB=Ip，AB=0。 根據

式（1）和式（3），整理可得

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

由式（7），可得輸入功率

根據文獻[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。通過窄帶法計算接收端線圈和發射端線圈的電感值。所謂“窄帶法”，是指通過假設電感器中的所有電流都集中在螺旋形導體正中央，電流在此窄小范圍內流動狀態下計算的電感值。

根據Biot-Savart定律，可以得到磁感應強度矢量微分和矢量積分公式為

線圈微元中磁感應強度分析如圖7所示。

圖7 線圈微元中磁感應強度分析Fig.7 Analysis of magnetic induction intensity in coil microelement

對于圓形線圈分隔成n邊形。如圖7（a）所示，將圓環線圈微元n邊形，其中一段長度為2a，線圈導體寬度為w，其通過電流i，在2b的范圍內產生的磁感應強度如圖7（b）所示，不妨設：

由此得出微元導體長度為2a的磁通量為

根據式（13）～式（16），推出N匝M層線圈電感理論計算值為

接收端與發射端線圈之間的間隙為h，可以得到兩側線圈之間互感值近似為

線圈電感近似為

3 雙LCCL諧振電路設計

3.1 電路參數設計

設計線圈匝數18匝，5層線圈，線圈半徑為12.5 cm，銅線導體寬度為0.8 mm串聯繞制。電能傳輸過程中，軟開關的開關頻率等于LCCL諧振網絡的諧振頻率，由諧振原理及式（11）（12）可得接收端和發射端LCCL參數理論計算值為

根據式（20）（21），可以得到雙 LCCL 諧振網絡無人機無線充電的理論參數，見表1。

表1 雙LCCL諧振網絡無人機無線充電理論參數Tab.1 Double-sided LCCL resonant compensation network for UAV wireless power transfer theoretical parameters

3.2 系統電路仿真

輸入表1理論數值，得到的仿真電路原理如圖8所示。

圖8 無人機無線充電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、輸出電壓波形和發射端線圈、接收端線圈兩端的電壓、電流波形，2組波形結果如圖9所示。由圖可見，系統傳輸效率的理論計算值與仿真值相近，為后續的試驗驗證提供了參考依據。

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

3.3 試驗結果驗證

根據理論計算和仿真結果，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，調整試驗參數。其中

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

2）通過全橋大功率驅動控制模塊，向發射端LCCL提供高頻交流信號，接收端配置與發射端諧振頻率相同的線圈，接收端接收到發射端交流信號。試驗測試結果見表2，發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 逆變器和線圈測試電壓值Tab.2 Inverter and coil test voltage values

3）經過UF5408超快恢復整流二極管整流后得到直流電壓，電容濾波后得到一個比較穩定的直流輸出電壓。在接收端部分，電路經過諧振補償網絡后，整流前電壓峰峰值65.20 V，頻率為7.64 kHz為正弦交流電。經濾波后，電壓穩定于33.90 V，紋波較小。

4）濾波信號降壓后，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，示波器測試結果如圖10所示。顯示結果表明，可以有效地對12.6 V，5400 mA·h鋰電池充電。

圖10 示波器測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充電電流過大的問題，又克服了恒流充電后期容易出現過充的現象。設置充電模塊浮充電壓為12.6 V，最大充電電流為2.5 A，對鋰電池進行恒流恒壓充電。實物裝置結構如圖11所示。

圖11 無人機無線充電試驗裝置Fig.11 Experimental setup of UAV wireless transfer

測試結果表明：①設置充電模塊浮充電壓12.6 V，最大充電電流2.5 A，進行對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過充的現象；②在發射線圈支路上串入電容，通過合理選擇串入的電容值來調整發射線圈上的電流，同時可以隔離電源側的直流分量，避免傳輸線圈的直流磁化；③發射端LCCL輸入電壓的改變，對系統輸出功率影響較大，而鋰電池充電功率最大為31.5 W，對系統消耗功率影響較小，但考慮到鋰電池充電安全電壓和對無人機電磁干擾，輸入電壓提高對系統作用不大。充電時兩線圈在5 cm范圍內能保證穩定功率輸出，充電效率可達到83%以上。

4 結語

首先對雙LCCL諧振網絡補償無人機無線充電系統建模，進行理論計算分析，再通過Simulink電路仿真驗證理論計算設計參數，最后進行了試驗測試。與插座式靜態傳輸相比，所提出的系統模型靈活性強，不需要精確對位充電，無需人工操作，充電效率達到83%以上，大大提高了無人機的工作效率。