摘要：針對無人機有線充電不便利、需要人工干預的問題，采用磁耦合諧振式無線充電技術，設計一種無人機無線充電系統。提出一種適用于無人機無線充電耦合裝置，其發射裝置具有雙極性磁場特性，接收裝置采用在小型鐵氧體條上繞制線圈的方式，接收裝置裝設在起落架底端。利用有限元分析方法分析耦合裝置磁場分布，發現磁場被約束在接收裝置附近，避免無線充電系統對無人機產生漏磁干擾。

　　根據系統恒壓輸出要求選擇原邊LCL一副邊串聯補償拓撲，建立系統電路數學模型，獲得輸入輸出電壓關系，以指導系統參數設計。搭建樣機系統，結果表明：系統實測與電路模型計算理論值一致;所設計系統可以在錯位30mm的范圍內對80w無人機正常充電。

　　關鍵詞：無人機;無線充電;磁耦合諧振;耦合裝置;補償

　　《中國無線電》(月刊)創刊于1990年，由工業和信息化部主管。雜志緊緊依托國家無線電管理機構，以為無線電管理機構服務為宗旨，是無線電管理機構的重要喉舌和宣傳陣地。

　　0引言

　　無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)具有高靈活性的優點，已經在偵查、勘測、巡檢、救援等領域發揮重要作用。受負重能力的限制，無人機搭載電池容量有限，續航能力不足、巡航范圍受限成為限制無人機進一步發展的瓶頸問題之一。目前，無人機充電主要依賴于人工手動插拔插頭的方式，這種方式降低了無人機的作業范圍，即使利用中繼充電站對無人機進行電能補給也無法擺脫充電過程中人的作用。而且，傳統接觸式充電方式自動化程度低，降低了無人機的工作效率，也無法實現無人機無人值守的目標。無線充電技術避免了導線的直接接觸，省去了人工插拔插頭的步驟，為無人機充電過程實現全自動提供了可能。

　　磁耦合諧振式無線充電是無線充電領域應用最為廣泛的一種方式，其基本原理是在原邊發射線圈通人交變勵磁電流后產生交變磁場，完成電能到磁能的轉變，該交變磁場與接收線圈耦合后感生出電動勢，實現磁能到電能的轉化，最終以非導線直接接觸的方式實現電能傳遞。此外，通過調整電路參數，使發射端和接收端工作在相同的諧振頻率下，可以提高系統的電能傳遞能力及效率。當前，已有一些學者嘗試對無人機進行無線充電，以提高無人機作業范圍、實現其無人值守。

　　韓國慶尚大學將發射線圈和接收線圈設計為平面空心線圈，接收線圈裝設在機架側面，實現充電功率51w，最大效率63.4%。印度學者采用沿無人機機架四周繞制空心線圈的方式，實現35W、效率71%的無人機無線充電。意大利羅馬大學采用將空心平面接收線圈裝設在無人機腹部的方式，在對準良好的條件下實現功率70w、效率89%的電能傳遞。

　　受接收線圈裝配位置的影響，以上幾種方案的接收線圈與發射線圈之間距離較遠，耦合能力弱，而高的耦合能力是確保系統高效率無線傳輸電能的基礎。為提高耦合能力，香港城市大學采用沿無人機起落架底端四周繞制接收線圈的方式。這種方式提高了耦合能力，但只能針對腹部沒裝設云臺或其他作業設備的無人機。如果無人機裝設這些設備，設備會直接暴露在耦合裝置的交變磁場中，影響設備性能，甚至遭到損壞。同樣，之前提到的幾種方案也存在耦合裝

　　置與無人機之問的漏磁干擾問題。對于以上問題，F.Maradei提出在起落架底端裝設一個小平面線圈的方案，該方案既適用于無人機腹部裝設設備的無人機，也有高的耦合能力，但對于錯位的容忍能力低，需要通過外加輔助設備移動發射裝置實現精確對準。

　　為擴大無人機巡航范圍、實現無人值守、提高無人機工作效率，有必要研究無人機無線充電技術。搭載云臺或其他設備是無人機完成偵查、巡檢等任務的必要手段，必須考慮無線充電系統與無人機設備之間的漏磁干擾問題。為保證充電性能的可靠性，耦合裝置必須具備一定容忍錯位的能力。因此，設計一種對于錯位容忍能力強，同時又能有效約束磁場，避免對無人機產生漏磁干擾的無線充電系統就顯得尤為重要。基于以上問題，本文將提出一種應用于無人機無線充電的耦合裝置，分析該裝置磁場分布以及對于錯位的敏感性;設計無人機的無線充電系統拓撲結構，并建模分析，利用模型設計系統參數;最終，搭建樣機并測試系統性能。

　　1無人機無線充電系統設計

　　典型的無線充電系統如圖1所示，其主要包含3部分。原邊激勵電路產生10～100kHz的正弦電流，此正弦高頻電流通過原邊發射裝置后激勵出交變磁場。副邊接收裝置通過磁場耦合方式接收原邊發出的電能，從而實現電能的無線傳輸。副邊電能處理電路先將交流電變換成電池需要的直流電，再經過DC-DC及電池管理電路后給電池充電。

　　原邊直流電源為整個系統提供電能，其可以由市電整流得到，也可以直接由蓄電池來充當。考慮到無人機巡航路線中部分區域離電網較遠，需要使用新能源發電加蓄電池儲能的方式作為充電站電源，本文采用48V直流電源進行供電。逆變電路實現直流到交流的電能轉換，其主要有2種結構，即電壓型逆變電路和電流型逆變電路。電流型逆變電路具備短路保護能力，并且電感的壽命比電解電容壽命長。

　　相比電流型逆變電路來說，電壓型逆變電路只需要在直流側并接大電容就可實現，制作成本低，所以本文采用電壓型逆變電路。相比于傳統電機、變壓器等強耦合系統來說，用于無線充電系統的耦合裝置漏感較大，如果不進行補償，將會有較大的無功功率流過逆變電路，這既會增加系統損耗，同時也增加了器件應力。通過在發射端添加補償電路，可使逆變電路電壓和電流同相位，從而避免無功功率流經逆變橋引起額外損耗;通過在接收端添加補償電路，可有效提升電能傳遞能力。本次系統設計的詳細要求如表1所示，無人機采用的電池電壓為14.8V，最大充電電流5.2A。DC-DC及電池管理電路正常工作要求的輸入電壓范圍為10～18V。

　　無線充電系統常用的4種基本補償方式有：原邊串聯一副邊串聯(series-series，SS)、原邊串聯一副邊并聯(series-parallel，SP)、原邊并聯一副邊串聯(parallel-series，PS)、原邊并聯一副邊并聯(parallel-parallel，PP)。并聯補償由于電容的作用，電壓無法突變，在采用電壓型逆變橋時需采用SS或SP補償方式。sP補償方式存在反映電抗，而且該反映電抗與負載電阻相關，系統充電過程中會改變電路功率因數，影響系統效率;ss補償只有純阻性的反映電阻，系統功率因數不受負載電阻影響。

　　但SS輸出是恒流特性，而本文無人機無線充電系統的DC-DC及電池管理電路要求有較穩定的電壓，即要求系統具有恒壓輸出特性。對比之下，本文在發射端選用電感一電容一電感(inductor-capaci-tor-inductor，LCL)混合補償方式，該補償方式優勢在于：工作在諧振狀態時，輸出勵磁電流不受負載電阻和耦合系數的影響。

　　此外，LCL補償的功率因數不受耦合系數、負載等參數變化的影響，能在恒頻控制方式下保持逆變橋高效率工作。當耦合裝置原邊發射線圈通入恒定勵磁電流后，副邊采用并聯補償即可恒流輸出，副邊采用串聯補償即可恒壓輸出，因此本文采用原邊LCL一副邊串聯(LCL-S)的補償拓撲。本文采用的無線充電系統電路拓撲結構如圖2所示。添加補償電容C1是為得到相應的輸入與輸出電壓增益，其還能防止直流成分流過耦合裝置引起磁芯飽和，該部分將在后文進一步分析。