- 頭條哈工大科研人員提出無人機無線充電的新方法，效率超過90%2022-04-21 作者：蔡春偉、姜龍云 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語哈爾濱工業大學（威海）新能源學院、中國人民解放軍92578部隊的研究人員蔡春偉、姜龍云 等，在2021年第17期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于正交磁耦合機構的無線充電系統，采用原邊功率控制策略實現中大型多旋翼無人機靜態無線充電。研究結果表明系統可有效傳輸500W充電功率，效率為90.86%，可實現10A恒流/50V恒壓閉環充電控制；接收端重130g，可便捷安裝于無人機上。
無人機（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）具有控制靈活、結構簡單、造價低等優點，廣泛用于監測、植保、巡檢、救災等方面。無人機的飛行時間是衡量其性能的一個重要指標，是決定無人機的飛行范圍、獲取信息量、執行任務數量與質量的關鍵因素。因此，如何有效地延長無人機的飛行時間是一個關鍵問題。
延長無人機的飛行時間目前有兩種方法：第一種方法是增加鋰電池的容量，但無人機的載重能力有限，鋰電池過重會影響其性能；第二種方法是及時地對無人機進行充電，若使用傳統的有線插拔充電方式，會耗費大量人力，且降低無人機的靈活性，若充電過程不需要人工干預則會大大提高無人機執行任務的效率。
有學者提出無人機通過調整飛行的軌跡借助風能來增加飛行時間，但此方法受環境條件的影響過大，并且飛行路徑的靈活性不足。有學者提出在無人機機翼上安裝光伏電池，但此方法過于依賴太陽輻射，僅限制在白天運行。并且這兩種技術只能針對固定翼無人機，而多旋翼無人機沒有足夠的機翼來應用。有學者提出激光波束技術給無人機充電，但此方法的電源始終要移動靠近于無人機，增加無人機運行的成本，而且激光會對生物體造成嚴重危害。
無線充電可以通過非物理直接接觸實現能量的無線傳輸，具有高安全性、強可靠性和易于實現充電過程自動化的優勢，因此無線充電技術在電動汽車充電、機器人充電等多領域得到了廣泛研究。無人機的高效自主無線充電將是推動無人機發展的創新性方法，采用無人值守的充電基站對無人機進行無線充電，可以彌補其短時運行的局限性。
目前關于無人機無線充電技術的研究還較少，無線充電技術在無人機充電領域的應用尚未成熟，存在一些問題亟待解決，傳統的面對面式的磁耦合裝置存在對無人機結構的適應性差、對無人機漏磁干擾強、耦合能力不足的問題，因此有必要結合無人機特殊外形及實際工程特點設計一種新型磁耦合裝置。
此外，當前無線充電系統廣泛采用的副邊功率控制會過多增加無人機機載側的重量，可見研究一種無人機機載側結構簡單、體積小、重量輕的功率控制方案對提升無人機無線充電技術具有重要意義。
圖1 無人機無線充電示意圖
由于無人機異型結構的特殊性和載荷的有限性，無人機無線充電系統設計需要考慮的四個關鍵問題為：①磁耦合裝置對無人機結構的適應性；②裝載于無人機的接收側的重量；③充電控制方法；④無線充電系統對無人機的電磁干擾。
針對以上問題，哈爾濱工業大學（威海）新能源學院等單位的科研人員對無人機無線充電的磁耦合裝置、能量傳輸拓撲、功率控制系統進行了設計與分析，設計了應用于中大型多旋翼無人機的接收側輕量化無線充電系統。
圖2 系統控制流程
圖3 無線充電實驗系統
該系統使用原邊功率控制技術實現對無人機鋰電池精確的恒流/恒壓閉環充電，減輕了機載負重，提高了無人機充電系統的效率和實用性。科研人員使用了一種接收側重量為130g的正交磁結構的耦合裝置，接收線圈較輕，利用Ansys-Maxwell進行了有限元分析，發現此耦合裝置具有磁場分布良好、耦合能力強的特點。
研究人員最后建立了一個無人機無線充電樣機，實驗結果表明該無人機無線充電系統可有效地傳輸500W充電功率，整個系統效率為90.86%，可實現恒流/恒壓閉環充電。
本文編自2021年第17期《電工技術學報》，論文標題為“基于正交式磁結構及原邊功率控制的無人機無線充電系統”，作者為蔡春偉、姜龍云 等。
