張 迪，張世杰，王鏡允，孫學(xué)良，曹春陽，樊 京，李定珍

(1.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢 430000； 2.南陽理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，河南南陽 473000)

0 引言

無人機(jī)應(yīng)用靈活、結(jié)構(gòu)簡單、易操作[1]，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航、提供通訊、救援和自然災(zāi)害防治等方面[2-3]。無人機(jī)大多用鋰電池作為源動力，用有線設(shè)備補(bǔ)充電能，這造成了無人機(jī)航程短的缺點(diǎn)。如何方便快捷的為無人機(jī)補(bǔ)充電量成為急需解決的熱點(diǎn)問題。近兩年有人考慮使用無線技術(shù)為無人機(jī)補(bǔ)充電能，為電網(wǎng)巡查的無人機(jī)補(bǔ)充電量，以及通過懸停方式對無人機(jī)進(jìn)行充電[4-6]，這都用到了耦合線圈[7]。耦合線圈體積大，則增加無人機(jī)載重，影響其使用；線圈體積小，則傳輸距離和效率都會受到較大影響。文獻(xiàn)[8-9]研究用新技術(shù)為無人機(jī)無線補(bǔ)充電能，但儲存電量過低，無經(jīng)濟(jì)使用價值。

針對上述問題，本文設(shè)計了自諧振ZVS的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)，作為無人機(jī)的補(bǔ)充能源平臺，其無線傳輸功率大、工作頻率高，不僅能降低無人機(jī)的充電時間，而且在滿足大功率的同時又能減小無人機(jī)接收端線圈體積。并且對鐵損和銅損進(jìn)行詳細(xì)研究后，減小了空載電路損耗，提升了系統(tǒng)傳輸效率。這都很好地適應(yīng)了無人機(jī)載重小的要求。

1 無人機(jī)無線充電系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)采用磁共振傳輸方式，用近場的電磁耦合傳輸能量，系統(tǒng)增加了2個耦合的并且自身品質(zhì)因數(shù)很高的共振線圈，在空間中產(chǎn)生了更強(qiáng)的磁場，擴(kuò)大了傳輸距離，適用于中距離傳輸場合。并且可在曠闊區(qū)域建立多處無線充電平臺，解決無人機(jī)航程短的問題。由于無人機(jī)載重影響，該系統(tǒng)必須要盡可能做到質(zhì)量輕、體積小。

平臺發(fā)射端 耦合網(wǎng)絡(luò) 無人機(jī)接收端圖1 無人機(jī)無線能量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

無人機(jī)無線能量傳輸系統(tǒng)簡要結(jié)構(gòu)框圖見圖1。包括：平臺發(fā)射端、耦合網(wǎng)絡(luò)和無人機(jī)接收端。

平臺發(fā)射端包括：電源、整流/濾波和新型ZVS電路，電源為220 V交流電，經(jīng)整流/濾波變成直流電，再經(jīng)過ZVS將直流電逆變成高頻交流電輸給耦合網(wǎng)絡(luò)。耦合網(wǎng)絡(luò)包括初級發(fā)射線圈和次級接收線圈，初級線圈將高頻交流電通過電磁感應(yīng)發(fā)射到次級線圈，次級線圈將感應(yīng)到的高頻交流電輸給無人機(jī)接收端。無人機(jī)接收端包含整流/濾波、DC/DC變換器和無人機(jī)電池3個模塊，整流/濾波部分將接收到的高頻交流電變成直流電，再通過DC/DC將直流電調(diào)整為電池所需電壓，為無人機(jī)補(bǔ)充電能。

2 ZVS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理分析

2.1 ZVS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成

圖2是新型自諧振ZVS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。電感L1和L2的主要作用是使流入諧振回路的電流近似為方波，相當(dāng)于兩個電流源；逆變器由兩個MOSEFT管Q1、Q2組成；諧振回路包括L、C、R，目的使拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能自諧振；Q1、Q2管驅(qū)動部分，包括肖特基二極管D1和D2(快恢復(fù)二極管)、補(bǔ)償電容C1和C2、限流電阻R1和R2，主要控制Q1和Q2的通、斷。

圖2 新型自諧振ZVS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 ZVS拓?fù)涔ぷ髟矸治?/h3>

Q1、Q2的柵極起始驅(qū)動電壓直接經(jīng)R1、R2取自Vdc，并且柵極通過交叉連接二極管與諧振回路相連。電源接通時，Q1、Q2柵極起始驅(qū)動電壓是由Vdc單獨(dú)提供，此時電容開始充電，并且充電速度很快。Q1、Q2的開關(guān)轉(zhuǎn)換是通過短路來實(shí)現(xiàn)的，即起始時兩管導(dǎo)通，柵極電壓會通過D1、D2接地導(dǎo)通放電，由于元件參數(shù)差異，會導(dǎo)致一個Q1、Q2柵極驅(qū)動電壓過小而先被關(guān)斷。隨之兩電容快速充放電以及D1、D2的作用，可使Q1、Q2能夠?qū)崿F(xiàn)快速的開關(guān)轉(zhuǎn)換，其結(jié)果是可保持較高的工作頻率而無較大的功率損耗，電路可實(shí)現(xiàn)自啟動。起初Q1和Q2均會關(guān)閉，直流電源接通后，兩者同時打開，并且會有部分直流電流通過電感L1、L2進(jìn)入諧振回路，使諧振回路開始起振。Q1和Q2不能一直保持“開”狀態(tài)，由于元件參數(shù)差異干擾，“開”一個開關(guān)，會使另一個開關(guān)的柵極驅(qū)動電壓拉低，而使開關(guān)管關(guān)閉，諧振回路的起振使得開關(guān)Q1和Q2的“開”和“關(guān)”狀態(tài)往復(fù)循環(huán)。

2.3 ZVS拓?fù)涔ぷ鞣€(wěn)態(tài)分析

電路穩(wěn)定工作時L1和L2交替與諧振回路串聯(lián)，循環(huán)過程中兩電感不會同時工作，因此可將工作的電感等效為電流源，圖3是穩(wěn)態(tài)電路等效模型圖。

圖3 電路穩(wěn)態(tài)工作等效模型圖

由圖3電路可以得到vc的表達(dá)式：

(1)

一個周期循環(huán)結(jié)束時vc=0，即電路的初始值為

(2)

由初始條件，二階微分方程通解可表示為

(3)

式中：θv為初始相位角；ωf為自振角頻率，ωf=2πff。

每個循環(huán)周期結(jié)束時vc=0，則式(3)可以表示為

e[-τR/(2L)]sin(ωftz-θv)+sinθv=0

(4)

式(4)為非線性方程，無法求通解，所以采用數(shù)值方法求得ZVS的實(shí)際工作頻率為fzvs=2/tz。

3 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

無人機(jī)可以通過精準(zhǔn)定位準(zhǔn)確地降落到充電平臺上，且線圈距離可近似認(rèn)為不變，耦合系數(shù)近似為定值。采用Simplorer11.0搭建電路模型仿真[10]，驗(yàn)證該電路在無人機(jī)無線充電的可行性。仿真模型如圖4所示。由圖中參數(shù)求得諧振頻率約為87.6 kHz。

圖4 搭建的仿真模型圖

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真可得C的電壓vc與電流ic波形如圖5所示。同時得Q2柵極電壓與諧振回路A點(diǎn)的電壓波形如圖6所示。從圖5的諧振電壓電流波形圖可以看出，并聯(lián)諧振回路的最大電壓幅值約為90 V，大約是Vdc的3倍，可為元器件的選擇提供依據(jù)，并從仿真結(jié)果得到了電路工作頻率是89.5 kHz，這是一個相對較高的工作頻率。通過圖6看到在A點(diǎn)電壓較高時，D1被截止，Q1達(dá)到柵極門電壓從而導(dǎo)通，此時Q1工作；B點(diǎn)電壓較高時，D2被截止，Q2達(dá)到可以達(dá)到柵極門電壓，此時Q2工作。

圖5 88 kHz時諧振電壓與電流波形

圖6 Q2柵極電壓Vg2與A點(diǎn)電壓VA波形

通過Simplorer11.0也可得到諧振電感L3在不同頻率下的電流相位角θ，如圖7所示。從圖7可看出頻率在0～87.5 kHz時θ為-90°，頻率由87.5 kHz上升到88.8 kHz時θ快速增加到9.6°與θ=0有一個交點(diǎn)。當(dāng)頻率由88.8 kHz增大到92.1 kHz時θ角又快速降低到約-90°，并且與θ=0有一個交點(diǎn)。

圖7 不同頻率下的電流相位角θ

通過圖7的不同頻率下的θ值，可以計算出電路在不同頻率下的Pin、Pout以及電路的傳輸效率。如圖8所示。從圖8的Pin、Pout、efficiency三幅仿真圖可得到電路的最大輸入與輸出的工作頻率約為90 kHz，但最大效率工作點(diǎn)在78 kHz左右，可以看出最大功率傳輸工作頻率與傳輸最大效率的工作頻率之間是不相同的。而無人機(jī)的充電需要盡可能的縮短充電時間，因此電路工作頻率為90 kHz時能夠以較大輸入與輸出功率充電，縮短無人機(jī)充電時間。

圖8 輸入輸出功率及效率波形

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與功耗分析

4.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

綜合理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，基于仿真模型，搭建了對應(yīng)的為多旋翼無人機(jī)電池充電的無線充電系統(tǒng)模型，此系統(tǒng)以ZVS結(jié)構(gòu)為發(fā)射核心電路，使用直流電源代替了系統(tǒng)中工頻交流電的整流濾波模塊。

利用示波器得耦合過程中諧振回路的工作電壓如圖9所示。從圖9中可以清晰看到諧振回路的周期時11.20 μs，諧振頻率是89.28 kHz，諧振輸出電壓最大91.20 V，最小-91.20 V，峰峰值是182.40 V。

圖9 諧振回路的工作電壓波形圖

在正常工作條件下，經(jīng)測量，電路輸入電壓為30 V，電流為5.50 A，即輸入功率為165.00 W；此時電路的輸出電壓是26 V，電流為5.00 A，即輸出功率為130.00 W?？汕蟮眯蕿?8.79%。

對電路的輸入、輸出功率進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)差別不大，說明該系統(tǒng)可以在較高的工作頻率下，依然能以較高功率對外傳輸。

4.2 功耗分析

測量電路空載時損耗為8 W左右，用溫度探測儀測溫，發(fā)現(xiàn)電感發(fā)熱最嚴(yán)重，電路工作5 min溫度就達(dá)到65.3 ℃。損耗主要由電感發(fā)熱造成，使效率較低。因此該電路效率需要進(jìn)一步提高，辦法是把線圈L1、L2的發(fā)熱問題解決。

理想電感不消耗有功功率，只儲存磁能；而實(shí)際電感線圈有銅損和鐵損，消耗有功功率。因此可通過減少電感線圈的銅損和鐵損來降低功率損耗。

4.2.1 銅損研究

銅損主要是指在非零電阻導(dǎo)體中通過電流時產(chǎn)生的熱量損耗。熱量損耗功率有效值用式(5)計算：

(5)

減少銅損的方法：選用低電流密度；減少線圈匝數(shù)及層數(shù)；增加銅線股數(shù)，可增加每股銅線的直徑；降低電路的工作頻率；采用更低電阻率的銅線。

選用長度同為60 cm的幾種不同材料的多股線進(jìn)行電阻測量。將不同材料的線拉直固定在測量板上，使用電橋測量頻率為1 kHz、10 kHz、20 kHz、100 kHz、1 MHz的電阻值如表1所示。經(jīng)比較，最終選用Laz線作為繞制線圈的材料。

4.2.2 鐵損研究

系統(tǒng)中的鐵損有Ph、Pe及Pr，這是由于磁芯的存在造成的。損耗的大小取決于磁芯的材料、f、Bm和磁芯的電阻率。鐵損功率計算公式為

表1 多股線的電阻值

Pc=Ph+Pc+Pr
=f

(6)

式中：Ph為磁滯損耗；Pe為渦流損耗；Pr為剩余損耗；C為常數(shù)；f為工作頻率；Bm為工作磁通密度。

工作頻率和磁通密度越低，電導(dǎo)率越大，鐵損變小。同樣在無人機(jī)充電的ZVS中，工作頻率只能較高，不能降低。若降低線圈的磁通密度，會相應(yīng)的增加線圈匝數(shù)，導(dǎo)致銅損增大，在鐵損大于銅損時適用于此方法。

采用鐵硅鋁的磁芯繞制電感線圈，電感值為246 μF時，相比于用普通的磁芯繞制的線圈，發(fā)射端空載損耗從3.359 W下降到1.889 W。

5 結(jié)束語

無人機(jī)無線充電要求高頻率、低功耗、高功率。本文以多旋翼無人機(jī)無線充電為研究背景，提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低的新型ZVS自諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了將該拓?fù)鋺?yīng)用到無人機(jī)無線充電上，對如何減小接收線圈的體積和質(zhì)量，以及減少電路功耗展開詳細(xì)研究，并得到了較好效果。

通過對電路進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)分析，得到新型ZVS可以提升工作頻率、降低電路損耗，使充電過程簡化。不僅驗(yàn)證了該電路能減小接收和發(fā)射線圈的體積和質(zhì)量，而且還解決了空載功耗較高的問題。

綜合理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，后通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了應(yīng)用于無人機(jī)無線充電的改進(jìn)型ZVS電路工作頻率顯著提升，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。