CN110649685A - 一种巡检无人机高压电缆无线充电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种巡检无人机高压电缆无线充电装置及其充电方法，充电装置包括：充电站侧部的高压线路取能单元、功率发射单元和耦合单元的发射线圈、发射端共振线圈；无人机侧部的耦合单元的接收端共振线圈、接收线圈和无人机侧电能拾取单元;高压线路取能单元，将高压电缆电能直接转化为可用电源。发射单元包括供电电源、高频逆变电路、过零检测电路、FPGA、MOSFET驱动电路及相控电感支路。无人机侧拾取单元包括AC‑DC不控全桥整流电路、DC‑DC电压型BUCK电路、电压比较电路、FPGA及MOSFET。本发明使无人机能够在高压线缆灵活地进行就地电能补给，提高无线充电效率，克服了无人机续航受限于蓄电池和传统充电方法的现状。

Description

一种巡检无人机高压电缆无线充电装置及方法
技术领域
本发明主要涉及高压在线取能技术、无线电能传输技术,尤其涉及一种巡检无人机高压电缆无线充电装置。
背景技术
无线电能传输技术按照能量传输机制来分类，主要可以分为以下三类：
第一类：电磁辐射式无线电能传输技术。目前该类技术通常采用激光能量传输技术（Laser Power Transfer，简称 LPT）和微波能量传输技术（Microwave Power Transfer，简称 MPT）来实现，可以实现较小功率的远距离传输。但是由于该技术传输方向性强，运行过程中需要复杂的跟踪定位***，并且在传输路径中不能有障碍物。因此该技术局限性较大，不适用于无人机的悬停充电。
第二类：电磁感应式无线电能传输技术（Inductively Coupled Power Transfer，简称 ICPT）。该技术属于电磁场近场耦合无线电能传输技术，基于电磁感应定律，通过原级线圈与次级线圈之间相互耦合的电磁场来实现无线电能传输。电磁感应式无线电能传输技术可以通过在空气磁路中加入高导磁材料来增大传输功率和提高传输效率。但是，该技术的有效传输距离比较有限，通常应用于距离在 10 cm以内且原级线圈和次级线圈相对固定的情况，一般适用于为小型便携式电子设备或者家用电器充、供电等。
第三类：磁共振式无线电能传输技术。磁共振式无线电能传输技术也属于电磁场近场耦合无线电能传输技术，它在电磁感应式无线电能传输技术的基础上增加了两个相互耦合且自身品质因数Q值很高的共振线圈，通过这两个高Q值的共振线圈，可以在空间内产生更高强度的磁场，使得电能可以在更远的距离进行高效传递。该技术的特点是不具有明显的方向性，传输距离远于电磁感应式，理论上可以在中距离（中距离即共振线圈间的距离可达线圈直径的几倍以上）实现最高数千瓦功率高效传输，并且能够透过非金属物质进行传输，对人体和周围环境的影响也相对较小，更加安全可靠。因此更适用于巡检无人机的悬停无线充电续航。
发明内容
本发明的目的在于：为电力巡检无人机提供悬停状态下无线充电的无线充电装置设计，装置直接安装于高压电缆上，无需停电作业，使得无人机的续航更加便捷高效。在无人机与发射端距离较远的弱耦合条件下，负载和互感不断变化的过程中尽可能地保证较高的功率的传输能力。同时降低因耦合单元因互感和负载变化导致的无功损耗和确保控制***输出电压恒定。
本发明所采用的技术方案是：1.1充电站侧部:包括高压线路取能单元、功率发射单元和耦合单元的包括发射线圈、发射端共振线圈；1.2无人机侧部：包括耦合单元（3）的接收端共振线圈(3-3)、接收线圈(3-4)和无人机侧电能拾取单元（4）;所述耦合单元(3)包括发射线圈(3-1)、发射端共振线圈(3-2)、接收端共振线圈(3-3)、接收线圈(3-4);
所述高压线路取能单元包括取能CT，将高压线缆上的工频交流电能通过电磁感应传输至用电侧；整流电路，将取能CT输出的工频交流电转化为稳定的直流电平，为后级供电；脉冲保护电路，在用电侧接入脉冲保护电流可能造成瞬时大电流在用电侧感应出过电压；充电保护电路，通过检测取能蓄电池单元的充电电压与充电电流，对蓄电池充电状态进行控制，防止出现充电出现过大电流对电路造成损坏；蓄电池单元，将取能CT取到的电能进行存储，适应高压线路在不同负载条件下的稳定功率输出。
所述发射单元包括供电电源，经由高压线路取能蓄电池单元为发射单元供电，提供需要的不同直流电平；高频逆变电路，将高压线路取能蓄电池单元输出的直流电转换为高频交流电；过零检测电路，对原级谐振电压进行过零检测；FPGA，作为原级控制芯片在发射端进行基于动态调谐的恒频控制；MOSFET驱动电路，控制高频逆变电路与相控电感支路的MOSFET开断；相控电感支路，调整补偿谐振支路的容抗值。
所述耦合单元包括发射线圈、发射端共振线圈、接收端共振线圈、接收线圈。
所述无人机侧拾取单元包括AC-DC不控全桥整流电路，将高频交流电变换为直流电；DC-DC电压型BUCK电路，进行降压以供给无人机电源；电压比较电路，对输出电压进行采样，与参考电压进行比较；FPGA作为控制芯片，调节MOSFET的占空比进行稳压控制；MOSFET驱动电路控制MOSFET开断。
本发明所述的FPGA控制器作为原级控制芯片，为克服互感和负载动态变化所导致的耦合单元的谐振频率漂移，FPGA采用基于相控电感动态调谐的恒频工作模式，保证耦合单元的功率传输能力,过零检测电路对交流谐振电压进行采样，信号送入比较器前进行超前校正以便与控制信号同步,FPGA根据过零检测电路的输出结果产生MOSFET驱动电路的输出信号。
本发明所述的高压线路取能单元与发射单元直接安装于输电线路上，通过取能蓄电池单元与供电电源连接，维持发射单元的持续稳定供电，高压线路取能单元与发射单元可带电安装与维护，并就地取电为无人机供能，实现无人机悬停充电。
本发明所述的发射单元采用推挽式高频逆变电路，出口端接有相控电感支路，相控电感支路由两个反向并联的MOSFET与一个固定电感组成，在负载无人机姿态调整导致线圈互感和负载变化的情况下经由基于动态调谐的恒频控制实现***恒频工作。
本发明所述的拾取单元中电压比较电路使用参考电压信号与采样信号进行比较，FPGA根据比较结果对MOSFET占空比进行调节，维持输出电压稳定。
本发明所述的发射线圈、发射端共振线圈、接收端共振线圈、接收线圈，均用利兹线绕制。
本发明所述的发射线圈、发射端共振线圈安装于高压线缆上的充电装置上；接收端共振线圈、接收线圈安装于无人机设备下方。
本发明所述耦合单元的发射线圈采用串联电容方式进行补偿，接收线圈同样采用补偿电容串联,电容参数经过优化与发射单元与耦合单元参数进行匹配，以提高弱耦合条件下的传输功率。
本发明还提供一种巡检无人机高压电缆无线充电装置充电方法，其特征在于：充电站侧部:包括高压线路取能单元、功率发射单元和耦合单元的包括发射线圈、发射端共振线圈；无人机侧部：包括耦合单元的接收端共振线圈、接收线圈和无人机侧电能拾取单元;功率发射单元在负载无人机姿态调整导致线圈互感和负载变化的情况下经由基于动态调谐的恒频控制实现***恒频工作;无人机高压电缆无线充电装置采用FPGA控制器作为原级控制芯片， FPGA采用基于相控电感动态调谐的恒频工作模式，保证耦合单元的功率传输能力;过零检测电路对交流谐振电压进行采样，信号送入比较器前进行超前校正以便与控制信号同步。FPGA根据过零检测电路的输出结果产生MOSFET驱动的输出信号;当原级固有谐振频率f p与***额定工作频率f 0不同时，即f p≠f 0时，通过FPGA调节MOSFET驱动电路的输出占空比，调整相控电感的等效电感值L teq;使原级固有谐振频率f p始终与***额定工作频率f 0保持相等，避免发射线圈谐振网络失谐;具体而言，当***工作频率f 0< f p时，增大相控电感等效值L teq，即增大相控电感导通角α，实现降低原级固有频率f p；当***工作频率f 0> f p时，减小相控电感等效值L teq，即减小相控电感导通角α，增大原级固有频率f p；当***工作频率f 0= f p时，保持相控电感导通角α输出量。
为了保证输电线路的安全稳定运行，无人机需要保持尽量大的安全距离进行无线充电，而距离的增大会导致互感系数降低，弱耦合特性突出。为此采用更适应弱耦合条件的基于磁共振的无线电能传输方式，耦合单元的发射线圈采用串联电容方式进行补偿，接收线圈同样采用补偿电容串联。电容参数经过优化与发射单元与耦合单元参数进行匹配，以提高弱耦合条件下的传输功率。
无人机悬停充电的过程一方面受到发射单元的恒频控制以保证弱耦合条件下的传输效率，另一方面受到无人机侧拾取单元的稳压控制以保证输出电压稳定。本发明巡检无人机高压电缆无线充电装置提高了弱耦合条件下的无人机的无线充电传输功率，采用动态调谐控制克服了因互感和负载变化导致的工作频率频率漂移，维持了较高的传输效率。使无人机能够在高压线缆灵活地进行就地电能补给，为增加无人机的续航能力提供了一种可行方案。
附图说明
图1是本发明***框图；
图2是巡检无人机高压电缆无线充电装置的高压线路取能单元1的结构框图；
图3是巡检无人机高压电缆无线充电装置的发射单元2的结构框图；
图4是巡检无人机高压电缆无线充电装置的耦合单元3的结构框图；
图5是巡检无人机高压电缆无线充电装置的拾取单元4的结构框图；
图6是本发明高压线路取能单元1与发射单元2在高压输电线缆上的安装连接图；
图7是本发明通过动态调谐进行恒频控制的控制过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
本发明所述的巡检无人机高压电缆无线充电装置，包括1.1充电站侧部:包括高压线路取能单元、功率发射单元和耦合单元的包括发射线圈、发射端共振线圈；1.2无人机侧部：包括耦合单元3的接收端共振线圈3-3、接收线圈3-4和无人机侧电能拾取单元4;所述耦合单元3包括发射线圈3-1、发射端共振线圈3-2、接收端共振线圈3-3、接收线圈3-4;
其中：
所述高压线路取能单元1包括取能CT 1-1，将高压线缆上的工频交流电能通过电磁感应传输至用电侧；整流电路1-2，将取能CT输出的工频交流电转化为稳定的直流电平，为后级供电；脉冲保护电路1-3，在用电侧接入脉冲保护电流防止雷击、短路等可能造成瞬时大电流在用电侧感应出过电压；充电保护电路1-4，通过检测蓄电池单元1-5的充电电压与充电电流，对蓄电池充电状态进行控制，防止出现充电出现过大电流对电路造成损坏；蓄电池单元1-5，将取能CT取到的电能进行存储，适应高压线路在不同负载条件下的稳定功率输出。
所述发射单元2包括供电电源2-1，经由高压线路取能单元蓄电池1-5为发射单元2供电，提供需要的不同直流电平；高频逆变电路2-2，将高压线路取能单元蓄电池1-5输出的直流电转换为高频交流电；过零检测电路2-3，对原级谐振电压进行过零检测；FPGA 2-4，作为原级控制芯片在发射端进行基于动态调谐的恒频控制；MOSFET驱动电路2-5，控制高频逆变电路2-1与相控电感支路2-6的MOSFET开断；相控电感支路2-6，调整补偿谐振支路的容抗值。
单元3包括发射线圈3-1、发射端共振线圈3-2、接收端共振线圈3-3、接收线圈3-4，均用利兹线绕制。发射线圈3-1，发射端共振线圈3-2安装于高压线缆上的充电装置上。接收端共振线圈3-3、接收线圈3-4安装于无人机设备下方。
拾取单元4包括AC-DC不控全桥整流电路4-1，将高频交流电变换为直流电；DC-DC电压型BUCK电路4-2，进行降压以供给无人机电源；电压比较电路4-3，对输出电压进行采样，与参考电压进行比较；FPGA 4-4作为控制芯片，调节MOSFET的占空比进行稳压控制；MOSFET驱动电路4-5控制MOSF
高压线路取能单元1与发射单元2在输电线路上的安装与连接如图6所示，高压线路取能单元1与发射单元2可带电安装与维护，可以实现并就地取电为无人机供能。
高压线路取能单元1通过卡扣固定的取能CT 1-1将高压线缆上的工频交流电能通过电磁感应传输至用电侧，经过整流电路1-2与充电保护电路1-4，将取能CT输出的工频交流电转化为稳定的直流电平，并为蓄电池单元1-5充电。高压线路取能单元1采取的保护电路有：脉冲保护电路1-3，在用电侧接入脉冲保护电流防止雷击，短路等可能造成瞬时大电流在用电侧感应出过电压；充电保护电路1-4，通过检测蓄电池单元1-5的充电电压与充电电流，对蓄电池充电状态进行控制，防止出现充电出现过大电流对电池电路造成损坏。最终蓄电池单元1-5将取能CT 1-1取到的电能进行存储，适应高压线路在不同负载条件下的稳定功率输出，通过蓄电池单元1-5与供电电源2-1连接，维持发射单元2的持续稳定供电。
发射单元2采用推挽式高频逆变电路2-2，出口端接有相控电感支路2-6，相控电感支路2-6由两个反向并联的MOSFET与一个固定电感组成，在负载无人机姿态调整导致线圈互感和负载变化的情况下经由基于动态调谐的恒频控制实现***恒频工作。本无人机高压电缆无线充电装置采用FPGA控制器 2-4作为原级控制芯片，为了克服互感和负载动态变化所导致的耦合单元3的谐振频率漂移，FPGA 2-4采用基于相控电感动态调谐的恒频工作模式，保证耦合单元的功率传输能力。过零检测电路2-3对交流谐振电压进行采样，信号送入比较器前进行超前校正以便与控制信号同步。FPGA 2-4根据过零检测电路2-3的输出结果产生MOSFET驱动2-5的输出信号。当原级固有谐振频率f p与***额定工作频率f 0不同时，即f p≠f 0时，通过FPGA 2-4调节MOSFET驱动电路2-5的输出占空比，调整相控电感2-6的等效电感值L teq。使原级固有谐振频率f p始终与***额定工作频率f 0保持相等，避免发射线圈谐振网络失谐。具体而言，当***工作频率f 0< f p时，增大相控电感等效值L teq，即增大相控电感导通角α，实现了降低原级固有频率f p；当***工作频率f 0> f p时，减小相控电感等效值L teq，即减小相控电感导通角α，增大原级固有频率f p；当***工作频率f 0= f p时，保持相控电感导通角α输出量，控制流程如图7所示。
耦合单元3的发射线圈3-1采用串联电容方式进行补偿，接收线圈3-4同样采用补偿电容串联，以提高弱耦合条件下的传输功率。为了保证输电线路的安全稳定运行，无人机需要保持尽量大的安全距离进行无线充电，而距离的增大会导致互感系数降低，弱耦合特性突出，因此耦合单元3采用更适应弱耦合条件的基于磁共振的无线电能传输方式，补偿电容参数经过优化与发射单元2与耦合单元3参数进行匹配保证f 0= f p。
无人机悬停至充点电后，由高压线路取能单元1与发射单元2组成线路供电电源，经高频逆变电路2-2将供电电源提供的直流电逆变为高频交流电，经由发射线圈3-1在线圈间隙产生高频交变磁场，高Q值的发射端共振线圈3-2在感应到发射线圈3-1所产生的磁场后会产生更大的高频感应电压和感应电流，产生强度更高的共振磁场。同理，接收端共振线圈3-3自身的Q值也很高，尽管发射端共振线圈3-2和接收端共振线圈3-3的耦合程度很低，但由于高强度的磁场以及高Q值使得接收端共振线圈3-3仍能感应到高频磁场，并且产生很大的高频感应电压和高频电流，从而将能量传送到接收线圈3-4。之后经过无人机侧的整流稳压装置将高频交流电变换为可供无人机电源充电的直流电平。
具体而言，在拾取单元4，AC-DC不控全桥整流电路4-1将接收线圈3-4传输的交流电进行整流，整流获得的直流电经由DC-DC电压型BUCK电路4-2降压输出为无人机蓄电池供电。电能输出过程受到稳压控制，电压比较电路4-3对直流电压信号进行采样，在进行比较前对采样信号进行超前校正以便与控制信号同步，采样电压与参考电压信号进行比较，FPGA 4-4根据比较电路输出的采样比较结果通过PWM控制对MOSFET驱动4-5的占空比进行调节，保持输出电压稳定。

Claims (10)

1.一种巡检无人机高压电缆无线充电装置，其特征在于：包括:
充电站侧部:包括高压线路取能单元（1）、功率发射单元（2）和耦合单元（3）的包括发射线圈(3-1)、发射端共振线圈(3-2)；
所述高压线路取能单元（1）包括取能CT（1-1），将高压线缆上的工频交流电能通过电磁感应传输至用电侧；整流电路（1-2），将取能CT输出的工频交流电转化为稳定的直流电平，为后级供电；脉冲保护电路（1-3），在用电侧接入脉冲保护电流可能造成瞬时大电流在用电侧感应出过电压；充电保护电路（1-4），通过检测取能蓄电池单元（1-5）的充电电压与充电电流，对蓄电池充电状态进行控制，防止出现充电出现过大电流对电路造成损坏；蓄电池单元（1-5），将取能CT取到的电能进行存储，适应高压线路在不同负载条件下的稳定功率输出;
所述发射单元(2)包括供电电源(2-1)，经由高压线路取能蓄电池单元 (1-5)为发射单元(2)供电，提供需要的不同直流电平；高频逆变电路(2-2)，将高压线路取能蓄电池单元(1-5)输出的直流电转换为高频交流电；过零检测电路(2-3)，对原级谐振电压进行过零检测；FPGA (2-4)，作为原级控制芯片在发射端进行基于动态调谐的恒频控制；MOSFET驱动电路(2-5)，控制高频逆变电路(2-1)与相控电感支路(2-6)的MOSFET开断；相控电感支路(2-6)，调整补偿谐振支路的容抗值;
所述耦合单元(3)包括发射线圈(3-1)、发射端共振线圈(3-2)、接收端共振线圈(3-3)、接收线圈(3-4);
无人机侧部：包括耦合单元（3）的接收端共振线圈(3-3)、接收线圈(3-4)和无人机侧电能拾取单元（4）;
所述无人机侧拾取单元(4)包括AC-DC不控全桥整流电路(4-1)，将高频交流电变换为直流电，无人机悬停至充点电后，无人机侧拾取单元将耦合单元输出的高频交流电进行电能变换，采用-DC不控全桥整流电路进行整流，DC-DC电压型BUCK电路（4-2），进行降压变换得到可供无人机续航用的充电电压；电压比较电路(4-3)，对输出电压进行采样，与参考电压进行比较；FPGA( 4-4)作为控制芯片，调节MOSFET的占空比进行稳压控制；MOSFET驱动电路(4-5)控制MOSFET开断。
2.根据权利要求1所述的巡检无人机高压电缆无线充电装置，其特征在于：所述FPGA控制器(2-4)作为原级控制芯片，为克服互感和负载动态变化所导致的耦合单元(3)的谐振频率漂移，FPGA(2-4)采用基于相控电感动态调谐的恒频工作模式，保证耦合单元的功率传输能力,过零检测电路(2-3)对交流谐振电压进行采样，信号送入比较器前进行超前校正以便与控制信号同步,FPGA( 2-4)根据过零检测电路(2-3)的输出结果产生MOSFET驱动电路(2-5)的输出信号。
3.根据权利要求1或2所述的巡检无人机高压电缆无线充电装置，其特征在于：所述高压线路取能单元(1)与发射单元(2)直接安装于输电线路上，通过取能蓄电池单元(1-5)与供电电源（2-1）连接，维持发射单元的持续稳定供电，高压线路取能单元（1）与发射单元（2）可带电安装与维护，并就地取电为无人机供能，实现无人机悬停充电。
4.根据权利要求1或2所述的巡检无人机高压电缆无线充电装置，其特征在于：发射单元（2）采用推挽式高频逆变电路（2-2），出口端接有相控电感支路（2-6），相控电感支路（2-6）由两个反向并联的MOSFET与一个固定电感组成，在负载无人机姿态调整导致线圈互感和负载变化的情况下经由基于动态调谐的恒频控制实现***恒频工作。
5.根据权利要求1或2所述的巡检无人机高压电缆无线充电装置，其特征在于：拾取单元（4）中电压比较电路（4-3）使用参考电压信号与采样信号进行比较，FPGA（2-4）根据比较结果对MOSFET占空比进行调节，维持输出电压稳定。
6.根据权利要求1或2所述的巡检无人机高压电缆无线充电装置，其特征在于：所述发射线圈(3-1)、发射端共振线圈(3-2)、接收端共振线圈(3-3)、接收线圈(3-4)，均用利兹线绕制。
7.根据权利要求6所述的巡检无人机高压电缆无线充电装置，其特征在于：所述发射线圈(3-1),发射端共振线圈(3-2)安装于高压线缆上的充电装置上;接收端共振线圈(3-3)、接收线圈(3-4)安装于无人机设备下方。
8.根据权利要求1或2所述的巡检无人机高压电缆无线充电装置，其特征在于：耦合单元(3)的发射线圈(3-1)采用串联电容方式进行补偿，接收线圈(3-4)同样采用补偿电容串联,电容参数经过优化与发射单元(2)与耦合单元(3)参数进行匹配，以提高弱耦合条件下的传输功率。
9.一种巡检无人机高压电缆无线充电装置充电方法，其特征在于：充电站侧部:包括高压线路取能单元（1）、功率发射单元（2）和耦合单元（3）的包括发射线圈(3-1)、发射端共振线圈(3-2)；1.2无人机侧部：包括耦合单元（3）的接收端共振线圈(3-3)、接收线圈(3-4)和无人机侧电能拾取单元（4）; 功率发射单元（2）在负载无人机姿态调整导致线圈互感和负载变化的情况下经由基于动态调谐的恒频控制实现***恒频工作;无人机高压电缆无线充电装置采用FPGA控制器 2-4作为原级控制芯片， FPGA 2-4采用基于相控电感动态调谐的恒频工作模式，保证耦合单元的功率传输能力;过零检测电路(2-3)对交流谐振电压进行采样，信号送入比较器前进行超前校正以便与控制信号同步。
10.FPGA (2-4)根据过零检测电路(2-3)的输出结果产生MOSFET驱动(2-5)的输出信号;当原级固有谐振频率(f p)与***额定工作频率(f 0)不同时，即f p ≠ f 0时，通过FPGA(2-4)调节MOSFET驱动电路(2-5)的输出占空比，调整相控电感(2-6)的等效电感值(L teq);使原级固有谐振频率(f p始终与***额定工作频率f 0保持相等，避免发射线圈谐振网络失谐;具体而言，当***工作频率f 0< f p时，增大相控电感等效值(L teq)，即增大相控电感导通角(α)，实现降低原级固有频率(f p)；当***工作频率f 0> f p时，减小相控电感等效值(L teq)，即减小相控电感导通角(α)，增大原级固有频率(f p)；当***工作频率f 0= f p时，保持相控电感导通角(α)输出量。
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