蔡春偉 姜龍?jiān)?陳 軼 武 帥 張志鵬

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）新能源學(xué)院 威海 264209 2. 中國人民解放軍92578部隊(duì) 北京 100161）

0 引言

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）具有控制靈活、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于監(jiān)測(cè)、植保、巡檢、救災(zāi)等方面[1-3]。無人機(jī)的飛行時(shí)間是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)，是決定無人機(jī)的飛行范圍、獲取信息量、執(zhí)行任務(wù)數(shù)量與質(zhì)量的關(guān)鍵因素[4]。因此，如何有效地延長無人機(jī)的飛行時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵問題。

延長無人機(jī)的飛行時(shí)間目前有兩種方法：第一種方法是增加鋰電池的容量，但無人機(jī)的載重能力有限，鋰電池過重會(huì)影響其性能；第二種方法是及時(shí)地對(duì)無人機(jī)進(jìn)行充電，若使用傳統(tǒng)的有線插拔充電方式，會(huì)耗費(fèi)大量人力，且降低無人機(jī)的靈活性，若充電過程不需要人工干預(yù)則會(huì)大大提高無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的效率[5]。文獻(xiàn)[6]提出無人機(jī)通過調(diào)整飛行的軌跡借助風(fēng)能來增加飛行時(shí)間，但此方法受環(huán)境條件的影響過大，并且飛行路徑的靈活性不足。文獻(xiàn)[7]提出在無人機(jī)機(jī)翼上安裝光伏電池，但此方法過于依賴太陽輻射，僅限制在白天運(yùn)行。并且這兩種技術(shù)只能針對(duì)固定翼無人機(jī)，而多旋翼無人機(jī)沒有足夠的機(jī)翼來應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]提出激光波束技術(shù)給無人機(jī)充電，但此方法的電源始終要移動(dòng)靠近于無人機(jī)，增加無人機(jī)運(yùn)行的成本，而且激光會(huì)對(duì)生物體造成嚴(yán)重危害。

無線充電可以通過非物理直接接觸實(shí)現(xiàn)能量的無線傳輸，具有高安全性、強(qiáng)可靠性和易于實(shí)現(xiàn)充電過程自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)[9]，因此無線充電技術(shù)在電動(dòng)汽車充電[10-11]、機(jī)器人充電[12]等多領(lǐng)域得到了廣泛研究。無人機(jī)的高效自主無線充電將是推動(dòng)無人機(jī)發(fā)展的創(chuàng)新性方法，采用無人值守的充電基站對(duì)無人機(jī)進(jìn)行無線充電，可以彌補(bǔ)其短時(shí)運(yùn)行的局限性。

目前關(guān)于無人機(jī)無線充電技術(shù)的研究還較少。文獻(xiàn)[13]將一個(gè)小型接收線圈安裝在無人機(jī)起落架底部，此耦合裝置的磁場(chǎng)作用空間小，對(duì)無人機(jī)的設(shè)備產(chǎn)生影響較小。然而小的接收線圈導(dǎo)致其捕獲磁通的能力較差，無法進(jìn)行大功率傳輸。文獻(xiàn)[14]提出將接收線圈圍著四軸無人機(jī)的機(jī)臂來繞制，研究了效率為71%的35W無人機(jī)無線充電系統(tǒng)，但該系統(tǒng)未對(duì)閉環(huán)充電控制開展研究。此接收線圈會(huì)造成無人機(jī)整體的體積增加，妨礙其靈活性和機(jī)動(dòng)性，使無人機(jī)極易受到外界環(huán)境的影響和破壞，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[15]研制出了一款最大充電效率為63.4%的51W六翼無人機(jī)無線充電系統(tǒng)，提出將接收線圈懸空橫放在無人機(jī)的兩機(jī)翼間的機(jī)側(cè)，接收線圈的質(zhì)量以及外界環(huán)境都會(huì)容易使六翼無人機(jī)不平衡，難以操控。文獻(xiàn)[16]提出將平面空心接收線圈放置于機(jī)架的中心板下，系統(tǒng)傳輸功率為70W，效率為89%，使用副邊DC-DC電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行恒流充電。此系統(tǒng)的接收線圈占據(jù)了無人機(jī)下方的大部分空間，無人機(jī)云臺(tái)等設(shè)備無法安裝，并且接收線圈的位置也可能會(huì)導(dǎo)致磁通進(jìn)入機(jī)體內(nèi)干擾設(shè)備。

由文獻(xiàn)分析可知，無線充電技術(shù)在無人機(jī)充電領(lǐng)域的應(yīng)用尚未成熟，存在一些問題亟待解決，傳統(tǒng)的面對(duì)面式的磁耦合裝置存在對(duì)無人機(jī)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性差、對(duì)無人機(jī)漏磁干擾強(qiáng)、耦合能力不足的問題，因此有必要結(jié)合無人機(jī)特殊外形及實(shí)際工程特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種新型磁耦合裝置。此外，當(dāng)前無線充電系統(tǒng)廣泛采用的副邊功率控制會(huì)過多增加無人機(jī)機(jī)載側(cè)的重量，可見研究一種無人機(jī)機(jī)載側(cè)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的功率控制方案對(duì)提升無人機(jī)無線充電技術(shù)具有重要意義。由于無人機(jī)異型結(jié)構(gòu)的特殊性和載荷的有限性，無人機(jī)無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的四個(gè)關(guān)鍵問題為：①磁耦合裝置對(duì)無人機(jī)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性；②裝載于無人機(jī)的接收側(cè)的重量；③充電控制方法；④無線充電系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)的電磁干擾。針對(duì)以上問題本文設(shè)計(jì)了一套可靠有效的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用原邊功率控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)鋰電池精確的恒流/恒壓閉環(huán)充電，提高了無人機(jī)充電系統(tǒng)的效率和實(shí)用性；使用正交式磁結(jié)構(gòu)的耦合裝置，接收線圈較輕，利用Ansys-Maxwell進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)此耦合裝置具有磁場(chǎng)分布良好、耦合能力強(qiáng)的特點(diǎn)；最后建立了一個(gè)500W無人機(jī)無線充電樣機(jī)，驗(yàn)證了該方案的有效性。

1 無人機(jī)無線充電耦合裝置

1.1 耦合裝置結(jié)構(gòu)分析

耦合裝置是無線充電系統(tǒng)中的重要部分，其性能決定了系統(tǒng)電能傳遞能力和傳遞效率。耦合裝置的發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)決定磁場(chǎng)的分布情況，良好的磁場(chǎng)分布有利于提高耦合裝置的電能傳輸效能。單極性和雙極性發(fā)射裝置的磁場(chǎng)分布如圖1所示，圖中的閉合曲線為磁力線。單極性發(fā)射裝置的磁場(chǎng)是以發(fā)射線圈的兩邊為中心向外擴(kuò)散，線圈中心位置上方磁力線較稀疏，整體磁場(chǎng)較發(fā)散。雙極性發(fā)射裝置的磁場(chǎng)是以發(fā)射裝置的中心位置向外擴(kuò)散，中心位置上方磁力線較密集，兩側(cè)向外發(fā)射的漏磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，磁場(chǎng)收斂性較好。因此，本次設(shè)計(jì)采用了雙極性發(fā)射裝置。

圖1 單極性、雙極性發(fā)射裝置的磁場(chǎng)分布Fig.1 Magnetic field distribution of monopolar and bipolar transmitter

針對(duì)雙極性發(fā)射裝置，本文通過改變發(fā)射線圈的纏繞方式，提出四種發(fā)射結(jié)構(gòu)，使用Ansys Maxwell有限元仿真工具對(duì)其進(jìn)行建模分析如圖2所示。為對(duì)比公平，將四種結(jié)構(gòu)的匝數(shù)、鐵氧體體積等參數(shù)設(shè)定一致。根據(jù)仿真結(jié)果可得Ⅰ~Ⅳ號(hào)耦合裝置的耦合系數(shù)分別為0.328、0.327、0.275、0.296。此外，Ⅰ、Ⅱ號(hào)耦合裝置的發(fā)射平臺(tái)下方漏磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，磁場(chǎng)分布良好；Ⅲ、Ⅳ號(hào)耦合裝置下方磁力線較密集，會(huì)在發(fā)射平臺(tái)下方產(chǎn)生較多漏磁通。由于Ⅰ號(hào)耦合裝置的耦合系數(shù)最高，磁場(chǎng)分布也更好，故本文選擇Ⅰ號(hào)雙極性平面型發(fā)射裝置。

圖2 Ⅰ~Ⅳ號(hào)耦合裝置仿真模型及其磁場(chǎng)分布Fig.2 Simulation model of magnetic coupler Ⅰ~Ⅳ and its magnetic field distribution

在磁設(shè)計(jì)過程中，通常會(huì)在原、副邊添加鐵氧體來增強(qiáng)耦合能力。但易碎的鐵氧體如果添加在無人機(jī)機(jī)載側(cè)，極易在無人機(jī)降落過程中損壞。若將接收線圈水平放置在無人機(jī)機(jī)腹部位置，會(huì)占據(jù)云臺(tái)的空間，而且泄露的磁通將進(jìn)入無人機(jī)內(nèi)部?；谝陨显?，本次設(shè)計(jì)采用一種垂直于充電平臺(tái)的空心接收線圈結(jié)構(gòu)，如圖3所示。形成的無人機(jī)無線充電耦合裝置如圖4所示，發(fā)射裝置采用了兩個(gè)發(fā)射線圈和放置在線圈下的鐵氧體磁心；接收線圈垂直放置，能有效地接收發(fā)射裝置發(fā)出的水平磁通，實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置與接收裝置的有效耦合；鐵氧體下方放置鋁板，可起到增加耦合裝置機(jī)械強(qiáng)度及漏磁屏蔽的作用。相比傳統(tǒng)的面對(duì)面式耦合裝置，所提出磁耦合裝置的接收線圈和發(fā)射線圈氣隙小，耦合能力強(qiáng)；接收線圈不改變無人機(jī)外形，占用無人機(jī)空間小，質(zhì)量輕，易安裝。

圖3 無人機(jī)正交磁耦合裝置磁結(jié)構(gòu)Fig.3 Orthogonal magnetic structure for UAVs

圖4 無人機(jī)無線充電示意圖Fig.4 Diagram of the UAV wireless charging system

根據(jù)無人機(jī)起落架的尺寸結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的耦合裝置參數(shù)見表1。系統(tǒng)漏磁是無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的重要方面，使用Ansys Maxwell有限元仿真工具構(gòu)建耦合裝置的仿真模型，其橫截面磁場(chǎng)分布情況如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，發(fā)射磁場(chǎng)分布在發(fā)射平臺(tái)附近，而且接收線圈可以較好地捕獲發(fā)射磁通。

表1 耦合裝置參數(shù)Tab.1 Parameter of magnetic coupler

圖5 正交磁耦合裝置橫截面磁場(chǎng)分布Fig.5 Cross section magnetic field distribution of orthogonal magnetic coupling device

1.2 耦合裝置容錯(cuò)位能力分析

無人值守?zé)o人機(jī)的自主精確降落技術(shù)配合無人機(jī)充電基站內(nèi)的輔助對(duì)準(zhǔn)的機(jī)械裝置，可以確保無線充電系統(tǒng)處于良好對(duì)準(zhǔn)的情況下進(jìn)行充電[17-19]。但在特殊情況下可能會(huì)出現(xiàn)小范圍的錯(cuò)位，為了使無線充電系統(tǒng)能正常運(yùn)行，需要耦合裝置具有一定的容錯(cuò)位能力。恒定的電感是原邊和副邊補(bǔ)償電路穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，恒定的互感是穩(wěn)定功率傳輸?shù)幕A(chǔ)。因此，耦合裝置的互感以及原、副邊的自感隨錯(cuò)位變化程度決定容錯(cuò)位能力的強(qiáng)弱。

為了測(cè)試耦合裝置的容錯(cuò)位性能，以發(fā)射線圈中心為原點(diǎn)，將接收線圈在X軸、Y軸和夾角45°方向進(jìn)行偏移測(cè)試，錯(cuò)位方向標(biāo)注如圖3所示。分別測(cè)試原邊、副邊電感和互感隨錯(cuò)位變化情況，如圖6所示。由測(cè)試結(jié)果得到，在三個(gè)方向0~20mm偏移范圍內(nèi)，原邊自感在±1μH范圍內(nèi)發(fā)生變化，副邊自感在±0.5μH范圍內(nèi)發(fā)生變化，電感值變化小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受原副邊自感變化的干擾小。當(dāng)在X軸方向的0~20mm范圍內(nèi)出現(xiàn)偏差時(shí)，互感幾乎是恒定的；當(dāng)在45°方向偏移20mm處時(shí)，互感值下降28.3%；當(dāng)在Y軸方向偏移20mm處時(shí)，互感值下降55.6%。本文耦合裝置X軸方向比Y軸方向具有更強(qiáng)的容錯(cuò)位能力。

圖6 偏移時(shí)耦合裝置參數(shù)變化情況Fig.6 Parameters variation of coupler with misalignmen

2 無人機(jī)無線充電原邊功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

功率調(diào)節(jié)電路的作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出電流及電壓，實(shí)現(xiàn)電池的恒流及恒壓（CC/CV）充電任務(wù)。副邊功率控制不依賴無線通信電路，可靠性更高，但會(huì)過多增加無人機(jī)負(fù)重[20-21]。為了使無線充電系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)產(chǎn)生影響最小化，本文采用原邊功率控制方法，通過調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓來控制充電功率。本文所設(shè)計(jì)的無人機(jī)無線充電系統(tǒng)整體方案如圖7所示。直流電源Ubus經(jīng)高頻逆變部分將直流電逆變成可控的100kHz的交流方波，經(jīng)原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)將電能傳輸給原邊線圈。耦合裝置通過磁耦合將原邊電能傳輸給副邊線圈。副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償副邊線圈無功后輸入副邊整流部分，再由副邊整流部分將交流電整流輸出直流電給電池負(fù)載充電[22]。恒流/恒壓閉環(huán)充電過程中，原、副邊的控制器通過無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，原邊控制器實(shí)時(shí)獲得電池負(fù)載端的電壓電流值，采用增量式PID控制逆變橋輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)充電功率。利用無線通信模塊，原邊充電平臺(tái)控制器可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)檢測(cè)、啟動(dòng)或停止充電、過電流保護(hù)等功能。

圖7 系統(tǒng)整體方案Fig.7 Overall scheme of the system

無線充電的基本補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有四種，分別為原邊串聯(lián)-副邊串聯(lián)（Series-Series, SS）、原邊并聯(lián)-副邊串聯(lián)（Parallel-Series, PS）、原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)（Series-Parallel, SP）、原邊并聯(lián)-副邊并聯(lián)（Parallel-Parallel, PP）[23]。SS與SP補(bǔ)償方式的補(bǔ)償電容取值與負(fù)載電阻無關(guān)。而PS和PP補(bǔ)償方式的補(bǔ)償電容取值與負(fù)載電阻有關(guān)，在充電過程中電池等效負(fù)載電阻的阻值會(huì)發(fā)生變化，系統(tǒng)電路無法一直處于諧振狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)高效率傳輸[24]。相比SP補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，SS補(bǔ)償?shù)妮敵鼍哂泻懔魈匦裕m合于電池充電場(chǎng)合，故本文采用了SS補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。

2.2 原邊控制拓?fù)浞治?/h3>

為了在不增加其他硬件電路基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)，本文對(duì)逆變器實(shí)行移相控制，逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電壓如圖8所示。開關(guān)管S1與S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的，開關(guān)管S3與S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的，通過改變開關(guān)管S1、S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與開關(guān)管S4、S3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的移相角φ（0°≤φ≤180°）就可以改變逆變橋輸出電壓的大小[25]。

圖8 逆變橋移相控制時(shí)序圖Fig.8 Phase shift control sequence diagram of inverter

圖9 為處于諧振狀態(tài)下的移相控制的逆變電路模態(tài)圖。在t0~t1時(shí)，開關(guān)管S1、S4導(dǎo)通，UAB=Ubus，逆變電路工作在模態(tài)Ⅰ；在t1~t2時(shí)，S4關(guān)斷，由于PWM信號(hào)有死區(qū)間隔，此時(shí)電流會(huì)沿S1和VD3進(jìn)行續(xù)流，UAB=0，逆變電路工作在模態(tài)Ⅱ；在t2~t3時(shí)，S3導(dǎo)通，電流先保持正向流動(dòng)，電路繼續(xù)工作在模態(tài)Ⅱ，由于處于諧振狀態(tài)，電流IP逐漸減小到0，之后經(jīng)S3和VD1反向進(jìn)行續(xù)流，UAB=0，逆變電路工作在模態(tài)Ⅲ；在t3~t4時(shí)，S1關(guān)斷，UAB=0，逆變電路繼續(xù)工作在模態(tài)Ⅲ；在t4~t5時(shí)，S2導(dǎo)通，UAB=-Ubus，逆變電路工作在模態(tài)Ⅳ；在t5~t6時(shí)，S3關(guān)斷，電流沿S2和VD4進(jìn)行續(xù)流，UAB=0，逆變電路工作在模態(tài)Ⅴ；在t6~t7時(shí)，S4導(dǎo)通，電流先保持逆向流動(dòng)逐漸減小到0，之后電流變?yōu)檎蚪?jīng)S4和VD2進(jìn)行續(xù)流，UAB=0，逆變電路工作在模態(tài)Ⅵ；在t7~T時(shí)，S2關(guān)斷，UAB=0，逆變電路保持工作在模態(tài)Ⅵ；在T時(shí)刻后，逆變電路工作在模態(tài)Ⅰ，開始新的周期。

圖9 移相控制的逆變電路模態(tài)圖Fig.9 Mode diagram of inverter circuit for phase shifting control

由分析可知，逆變橋的輸出電壓為

通過傅里葉分解得到逆變橋輸出電壓有效值為

由式（2）可知，調(diào)節(jié)移相角φ可改變逆變器輸出電壓UAB。

2.3 系統(tǒng)拓?fù)浞治雠c參數(shù)確定

無線充電系統(tǒng)的電路模型如圖10所示，UAB表示逆變器輸出電壓，Req表示表示整流器和電池的等效負(fù)載，LP、LS是原、副邊電感，CP、CS是原、副邊補(bǔ)償電容，IP是原邊線圈中電流的有效值，IS是副邊線圈中電流的有效值。

圖10 無線充電系統(tǒng)的電路模型Fig.10 The circuit model of the wireless charging system

通過傅里葉分解可得到輸出充電電流Idc為

由基爾霍夫電壓定律可知，圖10能夠被描述為

式中，ω為逆變器的角頻率。

副邊電路對(duì)原邊電路的反射阻抗為

當(dāng)電路參數(shù)滿足式（6）時(shí)，副邊回路對(duì)原邊回路的反射阻抗虛部為零，副邊回路總阻抗為純阻性，這可有效提高原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)諧振穩(wěn)定性。

此時(shí)，輸入阻抗保持為純阻性，系統(tǒng)諧振頻率不受負(fù)載電阻的影響，并且該狀態(tài)不會(huì)受耦合裝置互感變化影響。

在諧振狀態(tài)下，將式（4）代入式（3）得到輸出充電電流Idc為

進(jìn)一步可得輸出充電電壓Udc為

式中，RL為電池充電時(shí)的等效電阻。由式（7）和式（8）可得到：調(diào)節(jié)原邊逆變器的移相角φ可以實(shí)現(xiàn)Idc和Udc的輸出控制，從而調(diào)節(jié)電池的充電功率。

2.4 閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制流程如圖11所示，副邊程序的主要功能是在定時(shí)器中斷時(shí)進(jìn)行ADC采樣，采集電池電壓、電流值并濾波，然后利用SCI功能通過無線通信模塊把檢測(cè)到的電壓電流值發(fā)送到原邊控制器。原邊程序的主要功能是通過SCI模塊的接收中斷獲得電池負(fù)載端電壓、電流數(shù)值，通過PID控制運(yùn)算程序使逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓閉環(huán)充電控制。在PID運(yùn)算程序中，首先判斷此時(shí)的電池電壓值是否達(dá)到從恒電流充電轉(zhuǎn)變?yōu)楹汶妷撼潆姷碾妷涸O(shè)定值，若沒到此設(shè)定值則進(jìn)行恒電流充電，反之則進(jìn)行恒壓充電。在恒壓充電時(shí)，隨著充電過程的進(jìn)行，電流值逐漸減少，當(dāng)電流值到了電流設(shè)定停止值時(shí)，PWM停止輸出，充電過程結(jié)束。

圖11 系統(tǒng)控制流程Fig.11 Control flow chart of the developed system

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

使用前文所描述的磁耦合裝置和原邊功率控制技術(shù)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖12所示。由式（6）可計(jì)算補(bǔ)償電容，電路參數(shù)見表2。

表2 系統(tǒng)電路參數(shù)Tab.2 Parameter of magnetic coupler

圖12 無線充電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.12 Wireless charging experiment system

利用Aaronia PBS-H4磁場(chǎng)探頭測(cè)量接收線圈上方和無人機(jī)腹部的磁通密度，測(cè)量結(jié)果如圖13所示。對(duì)測(cè)量位置的正交坐標(biāo)XYZ三個(gè)維度方向分布進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得接收線圈上方的磁通密度分別為5.14μT、4.74μT、4.63μT，無人機(jī)腹部的磁通密度分別為4.74μT、2.64μT、4.63μT，對(duì)測(cè)得的磁通密度數(shù)據(jù)取向量平均值，可得接收線圈上方的磁通密度為4.84μT，對(duì)地200mm高度的無人機(jī)腹部位置磁通密度為4.0μT，均低于人體安全磁通密度值27μT[26]。由測(cè)試結(jié)果可知，無線充電系統(tǒng)對(duì)無人機(jī)電磁干擾弱。

圖13 磁通密度測(cè)試Fig.13 Flux density test

在輸入電壓100V、系統(tǒng)工作頻率100kHz、良好對(duì)準(zhǔn)的工作條件下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形如圖14所示，從圖中可看出逆變器的輸出電壓UAB和原邊電流IP是同相位的，電路處于諧振狀態(tài)。利用功率分析儀測(cè)試系統(tǒng)的電能傳遞能力如圖15所示，充電電流為10.042A，充電電壓為50.596V，同時(shí)輸出功率為508W，整個(gè)系統(tǒng)效率為90.86%。

圖14 系統(tǒng)測(cè)量波形Fig.14 Measured waveforms of system

圖15 輸入輸出功率測(cè)試Fig.15 Input and output power test

鋰電池充電過程中的第一階段是以10A恒定電流充電，第二階段是以50V恒定電壓充電。本次實(shí)驗(yàn)未使用實(shí)際鋰電池，而是利用可編程電子負(fù)載模擬電池充電特性。恒流充電階段充電電流Idc為10A，充電電壓Udc可能變化范圍是30~50V，對(duì)應(yīng)等效負(fù)載電阻RL變化范圍是3~5Ω；恒壓階段Udc為50V，Idc由10A降至2A以下時(shí)截止，對(duì)應(yīng)RL變化范圍是5~25Ω。圖16顯示了恒流10A充電下輸出電壓隨等效負(fù)載電阻變化和恒壓50V充電下輸出電流隨等效負(fù)載電阻變化的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果顯示系統(tǒng)實(shí)際輸出電壓電流和設(shè)定值一致，此無線充電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓閉環(huán)充電。

圖16 系統(tǒng)閉環(huán)充電實(shí)驗(yàn)測(cè)試Fig.16 Closed loop charging test of the system

為了測(cè)試在耦合裝置發(fā)生錯(cuò)位時(shí)無線充電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在等效負(fù)載電阻為5Ω的最大輸出功率點(diǎn)下，開環(huán)測(cè)試X、Y軸和沿夾角45°方向三種整體錯(cuò)位情況下的系統(tǒng)的整機(jī)效率和充電電流Idc變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。由測(cè)試結(jié)果可知，在等效負(fù)載電阻為5Ω時(shí)，系統(tǒng)在X軸方向[0, 55mm]范圍內(nèi)偏移、在Y軸方向[0, 20mm]范圍內(nèi)和沿夾角45°方向[0, 25mm]范圍內(nèi)整體偏移時(shí)，充電電流都在10A以上，整機(jī)效率都在85%以上，在此范圍內(nèi)的X、Y軸和沿夾角45°方向整體錯(cuò)位過程中，無線充電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)正常充電運(yùn)行。

圖17 系統(tǒng)錯(cuò)位開環(huán)充電實(shí)驗(yàn)測(cè)試Fig.17 Open-loop charging experiment of the systen with misalignment

4 結(jié)論

本文對(duì)無人機(jī)無線充電的磁耦合裝置、能量傳輸拓?fù)?、功率控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于中大型多旋翼無人機(jī)的接收側(cè)輕量化無線充電系統(tǒng)。使用了一種接收側(cè)重量為130g的正交磁結(jié)構(gòu)的耦合裝置，對(duì)其磁場(chǎng)分布和容錯(cuò)位能力進(jìn)行了分析與實(shí)驗(yàn)。采用原邊功率控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)鋰電池的充電控制，減輕了機(jī)載負(fù)重，提高了系統(tǒng)的效率和實(shí)用性。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)能量傳輸拓?fù)?，并完成了系統(tǒng)的閉環(huán)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文無人機(jī)無線充電系統(tǒng)可有效地傳輸500W充電功率，整個(gè)系統(tǒng)效率為90.86%，可實(shí)現(xiàn)恒流/恒壓閉環(huán)充電。