CN210554244U - 一种巡视无人机在线充电补给装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种巡视无人机在线充电补给装置，包括控制基站和分组控制电路，所述控制基站通过所述分组控制电路连接有储能充电电路，所述储能充电电路内部设置有推挽式逆变电路、全桥不可控整流电路以及BUCK电路，所述推挽式逆变电路的输出端通过发射线圈耦合连接有第一共振线圈，所述第一共振线圈通过磁耦合连接有第二共振线圈，所述第二共振线圈通过磁耦合接收线圈连接所述全桥不可控整流电路，装置采用动态调谐支路补偿***原级固有谐振频率的变化，在保证***工作频率恒定的同时实现了***原级发射线圈谐振，从而提高整个耦合机构的功率传输能力，使得无人机能够通过电磁感应技术灵活地进行电能补给，从而增加无人机的续航能力。

Description

一种巡视无人机在线充电补给装置

技术领域

本实用新型实施例涉及无人机充电技术领域，具体涉及一种巡视无人机在线充电补给装置。

背景技术

从能源角度出发，增加无人机续航里程的途径总结起来主要可分为两种：携带更多的电能或者在任务中多次进行电能补给。对于前者，由于目前比较成熟的蓄电池技术的已经发展到了瓶颈期，更大的蓄电池容量就意味着更大的蓄电池体积和重量，因而增加蓄电池容量必将影响无人机的机动性能和轻量化；对于通过多次进行电能补给这种途径，如果是基于传统接触式电能传导方式的充电技术，那么意味着无人机在需要补充电能的时候都需要返回降落到基站或者母港中，并投入人力为其充电，显然这样的方式在可靠性、灵活性、便捷性等方面有所不足，而基于该方式的悬停充电形式安全性低，对无人机的各项技术性能都有很高的要求，实现难度大。因此，设计一种可以使无人机在任务中灵活、便捷地进行充电的方案并对实现该方案的技术进行研究是很有必要的。

针对无人机的续航能力受到蓄电池性能的制约以及传统的直接接触式充电方法可靠性差、灵活性低、操作繁复等现状，将无线电能传输技术与无人机充电技术相结合，提出一种基于无线电能传输模式的无人机悬停无线充电技术，使无人机可以从高压线缆上获取电能为自身充电，但是现有的无人机悬停无线充电技术尽管会不断进行姿态调整，但由于自身的性能或者环境因素的影响不可能保持完全静止，最终都会导致耦合机构的相对位置发生改变，导致耦合机构的功率传输能力低，损耗高。

实用新型内容

为此，本实用新型实施例提供一种巡视无人机在线充电补给装置，采用相控电感的动态调谐支路补偿在恒频工作模式下因互感参数和负载变化导致的***原级固有谐振频率的变化，使原级固有谐振频率始终与***工作频率一致，从而提高了整个耦合机构的功率传输能力，降低损耗，以解决现有技术中由于自身的性能或者环境因素的影响不可能保持完全静止，最终都会导致耦合机构的相对位置发生改变，导致耦合机构的功率传输能力低的问题。

为了实现上述目的，本实用新型的实施方式提供如下技术方案：

一种巡视无人机在线充电补给装置，包括控制基站和分组控制电路，所述控制基站通过所述分组控制电路连接有储能充电电路，所述储能充电电路内部设置有推挽式逆变电路、全桥不可控整流电路以及BUCK电路，所述推挽式逆变电路的输出端通过发射线圈耦合连接有第一共振线圈，所述第一共振线圈通过磁耦合连接有第二共振线圈，所述第二共振线圈通过磁耦合接收线圈连接所述全桥不可控整流电路，所述全桥不可控整流电路的输出端并接所述BUCK电路。

作为本实用新型的一种优选方案，所述推挽式逆变电路包括第一开关管、第二开关管以及储能电源，所述第一开关管、第二开关管的漏极依次连接有第一电感、第二电感，所述第一开关管、第一电感与第二开关管、第二电感之间设置为并联连接，所述第一开关管、第一电感两端还并接所述储能电源，所述第一开关管、第二开关管的漏极之间还串接有电感相控电路。

作为本实用新型的一种优选方案，所述电感相控电路包括源、漏极相并接的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管的漏极连接所述第一开关管的漏极，所述第三开关管和第四开关管源极连接有相控电感，所述相控电感的另一端连接所述第二开关管的漏极，所述第三开关管、第四开关管以及相控电感组成的支路上并接有相控电容，所述相控电容的两端并接有相互串联的第四电感和相控阻抗。

作为本实用新型的一种优选方案，所述第四电感和相控阻抗组成发射线圈磁耦合连接所述第一共振线圈，所述第一共振线圈由第一电容、共振阻抗A、第一电阻以及第五电感组成，所述第一电容串接所述共振阻抗A的支路与所述第一电阻串接所述第五电感的支路相并接，所述第一共振线圈通过第一电阻、第五电感的串接支路连接所述第二共振线圈，所述第二共振线圈第二电容、共振阻抗B、第二电阻以及第六电感组成，所述第二电容串接所述共振阻抗B的支路与所述第二电阻串接所述第六电感的支路相并接。

作为本实用新型的一种优选方案，所述接收线圈由第三电容、第三电阻以及第七电感组成串接组成，所述第三电容、第三电阻以及第七电感串接支路连接所述全桥不可控整流电路输入端。

作为本实用新型的一种优选方案，所述分组控制电路两端通过电压过零检测电路检测原极谐振电路电压。

作为本实用新型的一种优选方案，所述电压过零检测电路包括电压比较器，所述电压比较器的同相端与反相端之间并接有第四电阻，所述第四电阻的一端支路上连接有相并联的第五电阻和第四电容，所述第五电阻和第四电容的并接支路通过第九电阻接地、通过第六电阻连接所述分组控制电路输出端，所述分组控制电路的输出端还通过第七电阻连接所述第四电阻，所述第七电阻的一端通过第八电阻直接接地。

作为本实用新型的一种优选方案，所述电压比较器的电源端连接电源，所述电压比较器的输出端连接有调压电阻。

本实用新型的实施方式具有如下优点：

本实用新型实质上是基于电磁感应原理控制充电过程的巡视无人机在线充电补给装置及方法，通过在***原级谐振网络中加入基于相控电感的动态调谐支路，用来补偿在恒频工作模式下因互感参数和负载变化导致的***原级固有谐振频率的变化，使原级固有谐振频率始终与***工作频率一致，在保证***工作频率恒定的同时实现了***原级发射线圈谐振，从而提高了整个耦合机构的功率传输能力，降低了损耗，使得无人机能够通过电磁感应技术灵活地进行电能补给，从而增加无人机的续航能力。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本实用新型实施方式中巡视无人机在线充电补给装置的结构框图；

图2为本实用新型实施方式中储能充电电路电路图；

图3为本实用新型实施方式中电压过零检测电路电路图。

图中：

1-控制基站；2-分组控制电路；3-储能充电电路；4-推挽式逆变电路；5-发射线圈；6-第一共振线圈；7-第二共振线圈；8-接收线圈；9-全桥不可控整流电路；10-BUCK电路；11-电压过零检测电路。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种巡视无人机在线充电补给装置，通过在***原级谐振网络中加入基于相控电感的动态调谐支路，用来补偿在恒频工作模式下因互感参数和负载变化导致的***原级固有谐振频率的变化，使原级固有谐振频率始终与***工作频率一致，在保证***工作频率恒定的同时实现了***原级发射线圈谐振，从而提高了整个耦合机构的功率传输能力，降低了损耗，使得无人机能够通过电磁感应技术灵活地进行电能补给，从而增加无人机的续航能力。

具体地，包括控制基站1和分组控制电路2，所述控制基站1通过所述分组控制电路2连接有储能充电电路3，所述储能充电电路3内部设置有推挽式逆变电路4、全桥不可控整流电路9以及BUCK电路10，所述推挽式逆变电路4的输出端通过发射线圈5耦合连接有第一共振线圈6，所述第一共振线圈6通过磁耦合连接有第二共振线圈7，所述第二共振线圈7通过磁耦合接收线圈8连接所述全桥不可控整流电路9，所述全桥不可控整流电路9的输出端并接所述BUCK电路10。

本实施例中，为了能够在弱耦合条件下保证电能高效传输，采用了基于磁共振方式的耦合机构，该耦合机构的原级发射线圈采用了并联谐振补偿结构，且耦合机构的拓扑结构设置为PSSS型拓扑。

本实施例中，发射线圈5、第一共振线圈6、第二共振线圈7以及接收线圈8均采用利兹线绕制而成，其内部的补偿电容选用具有优良高频性能的云母电容以减少趋肤效应。

本实施例中，采用高频逆变拓扑的推挽式逆变电路4，电路结构简单，只有两个功率开关管，采用交替互补导通的驱动方式，并且可以采用非隔离驱动，控制十分简单，在工作过程中，输入回路中只有单个开关管的导通压降，导通损耗较小。

本实施例中开关管均采用FQPF6N60C型号的功率开关管。

如图2所示，所述推挽式逆变电路4包括第一开关管S1、第二开关管S2以及储能电源E，所述第一开关管S1、第二开关管S2的漏极依次连接有第一电感L1、第二电感L2，所述第一开关管S1、第一电感L1与第二开关管S2、第二电感L2之间设置为并联连接，所述第一开关管S1、第一电感L1两端还并接所述储能电源E，所述第一开关管S1、第二开关管S2的漏极之间还串接有电感相控电路LS。

所述电感相控电路LS包括源、漏极相并接的第三开关管S3和第四开关管S4，所述第三开关管S3和第四开关管S4的漏极连接所述第一开关管S1的漏极，所述第三开关管S3和第四开关管S4源极连接有相控电感L3，所述相控电感L3的另一端连接所述第二开关管S2的漏极，所述第三开关管S3、第四开关管S4以及相控电感L3组成的支路上并接有相控电容Ct，所述相控电容Ct的两端并接有相互串联的第四电感L4和相控阻抗Z1。

本实施例中，电感相控电路LS采用的相控电感L3由一个自感为5.3μH的电感和第三开关管S3、第四开关管S4串联组成，电感由利兹线绕制而成，以降低导线在高频工作条件下所产生的趋肤效应减少功率损耗。

所述第四电感L4和相控阻抗Z1组成发射线圈磁耦合连接所述第一共振线圈，所述第一共振线圈由第一电容C1、共振阻抗AZ2、第一电阻R1以及第五电感L5组成，所述第一电容C1串接所述共振阻抗AZ2的支路与所述第一电阻R1串接所述第五电感L5的支路相并接，所述第一共振线圈通过第一电阻R1、第五电感L5的串接支路连接所述第二共振线圈，所述第二共振线圈第二电容C2、共振阻抗BZ3、第二电阻R2以及第六电感L6组成，所述第二电容C2串接所述共振阻抗BZ3的支路与所述第二电阻R2串接所述第六电感L6的支路相并接。

所述接收线圈8由第三电容C3、第三电阻R3以及第七电感L7组成串接组成，所述第三电容C3、第三电阻R3以及第七电感L7串接支路连接所述全桥不可控整流电路9输入端。

所述控制基站1内部通过恒频控制策略对分组控制电路2进行控制，所述分组控制电路2两端通过电压过零检测电路11检测原极谐振电路电压。

所述恒频控制策略步骤如下：

S701、当储能充电电路开始工作时，假设***工作在稳态，通过磁耦合连接的所有线圈均处于谐振状态且***工作在额定工作频率，即f＝f0；

S702、在***运行一段时间t后，判断所述第一共振线圈与所述第二共振线圈之间的互感参数M以及所述BUCK电路连接的负载电阻R0是否发生变化；

S703、根据上述互感参数M以及负载电阻R0的变化，判断原级谐振网络的固有谐振频率fp与额定工作频率f0的大小；

S704、通过改变相控电感导通角的大小来调节相控电感等效值，从而调节原级固有谐振频率fp的大小。

本实施例中，当互感参数M和负载电阻R0变化时，原级谐振网络的固有谐振频率fp会随之改变，而加入动态调谐支路的作用就在于，当原级固有谐振频率与***额定工作频率不同时，即fp≠f0时，通过调节相控电感的等效值，使原级固有谐振频率始终与***额定工作频率保持相等。

本实施例中，恒频控制策略为：在原级电路中加入ZVS软开关控制环节，用以对原级谐振网络的固有谐振频率fp进行跟踪采样，然后通过对比采样频率和***额定工作频率的大小关系，产生相应的控制信号来调节相控电感等效值，使原级固有谐振频率与***额定工作频率保持相等，从而在互感参数M和负载电阻R0变化的条件下实现***工作频率恒定，同时实现原级高频逆变电路软开关工作模式，降低开关损耗。

本实施例中，恒频控制策略的控制逻辑为：

1、当***工作频率fp>f0时，增大相控电感等效值，即增大相控电感导通角；

2、当***工作频率fp<f0时，减小相控电感等效值，即减小相控电感导通角；

3、当***工作频率fp＝f0时，保持相控电感导通角输出量。

本实施例中，考虑到实际电路中元件的不是完全理想的，当开关管打开或者关断的时候，电路中的电流可能还没有减小到零，而电感电流不能突变，在开关管关断的瞬间电感会产生很高的反向电压冲击，导致开关管损坏，因此，实际操作中延长开关管的导通时间，使开关管驱动波形的占空比达到50％，使得两路驱动波形互补，这样在一个开关管开通的同时关断另一个开关管，可以确保在每个开关管状态切换的时候，调谐支路中的电流已经减小到零，从而实现开关管S1和S2工作在ZCS模式，并且可以通过在开关管S1或S2驱动波形的基础上延迟导通角即可得到开关管S1和S2的驱动波形。

如图3所示，所述电压过零检测电路11包括电压比较器A，所述电压比较器A的同相端与反相端之间并接有第四电阻R4，所述第四电阻R4的一端支路上连接有相并联的第五电阻R5和第四电容C4，所述第五电阻R5和第四电容C4的并接支路通过第九电阻R9接地GND、通过第六电阻R6连接所述分组控制电路2输出端，所述分组控制电路2的输出端还通过第七电阻R7连接所述第四电阻R4，所述第七电阻R7的一端通过第八电阻R8直接接地GND。

所述电压比较器A的电源端连接电源VCC，所述电压比较器A的输出端连接有调压电阻R10。

本实施例中，在实现基于动态调谐的恒频控制时，需要对原级谐振电压进行过零检测，其中，第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8以及第九电阻R9构成分压采样电阻，对交流谐振电压进行采样，第四电阻R4、第五电阻R5和第四电容C4构成RC串联超前校正电路。

本实施例中，采用LM311型号的电压比较器A，工作时，电压采样信号输入到电压比较器A的2、3脚，并在2、3脚产生电压差ΔU₂₃，当ΔU₂₃<0时，电压比较器A的7脚输出0V低电平信号，当ΔU₂₃>0时，电压比较器A的7脚输出正3.3V高电平信号，通过分组控制电路内部设置的EP2C5T144C8型号的控制芯片作为原级控制芯片，控制芯片将根据电压比较器A输出的高、低电平来产生相对应的驱动信号。

本实施例中，利用EP2C5T144C8型号的控制芯片控制分组控制电路的电压等级分为750千伏、500千伏、220千伏以及110千伏的电压等级，通过程序控制这几种电压等级自适应自动调节充电电压，在无人机巡航期间，通过无人机所携带的装置对周围的感应电场做磁力线切割，产生出的电流通过全桥不可控整流电路9后达到不间断给机器充电。

所述恒频控制策略控制充电软件流程如下：

首先、将充电***进行初始化，初始化之后发送端控制***处于待机检测状态；

其次、接收无人机控制部分发来的信息，当需要充电时，对电池状态等进行分析，初始化充电模块，并控制充电设备给无人机补给装置充电；

最后、充电期间发送端不断接收无人机送来的电池状态信号，并且分析是否需要改变控制策略或者是否充电完成，并做出相应改变。

本实施例中，设置一个独立的控制基站1，实现每架无人机的电能计量，***中当无人机需要充电时便飞入到充电区域中，并向本区域中的控制基站1发出充电请求，并且将无人机的位置、速度以及自身电池状态监测结果上传到控制基站1，控制基站1将实时电价等信息发送给无人机，并确认无人机是否充电，若确认充电则将会根据无人机的实时位置以及速度控制区域中无人机对应位置的供电设备打开或关断，并且根据当前电池的状态以及电池的需求，对下一步供电设备控制策略进行选择，延长电池寿命和使用安全，当电池电量充满或者，用户选择终止充电时，无人机向控制基站1发送停止充电请求，控制基站1则停止，跟踪该无人机位置，停止充电，整个***工作过程中采用双向互动模式，无人机与控制基站1相互发送请求和工作信息，同时控制基站1根据工作要求控制相应电能发送端实现充电功能。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种巡视无人机在线充电补给装置，包括控制基站(1)和分组控制电路(2)，其特征在于，所述控制基站(1)通过所述分组控制电路(2)连接有储能充电电路(3)，所述储能充电电路(3)内部设置有推挽式逆变电路(4)、全桥不可控整流电路(9)以及BUCK电路(10)，所述推挽式逆变电路(4)的输出端通过发射线圈(5)耦合连接有第一共振线圈(6)，所述第一共振线圈(6)通过磁耦合连接有第二共振线圈(7)，所述第二共振线圈(7)通过磁耦合接收线圈(8)连接所述全桥不可控整流电路(9)，所述全桥不可控整流电路(9)的输出端并接所述BUCK电路(10)。

2.根据权利要求1所述的一种巡视无人机在线充电补给装置，其特征在于，所述推挽式逆变电路(4)包括第一开关管(S1)、第二开关管(S2)以及储能电源(E)，所述第一开关管(S1)、第二开关管(S2)的漏极依次连接有第一电感(L1)、第二电感(L2)，所述第一开关管(S1)、第一电感(L1)与第二开关管(S2)、第二电感(L2)之间设置为并联连接，所述第一开关管(S1)、第一电感(L1)两端还并接所述储能电源(E)，所述第一开关管(S1)、第二开关管(S2)的漏极之间还串接有电感相控电路(LS)。

3.根据权利要求2所述的一种巡视无人机在线充电补给装置，其特征在于，所述电感相控电路(LS)包括源、漏极相并接的第三开关管(S3)和第四开关管(S4)，所述第三开关管(S3)和第四开关管(S4)的漏极连接所述第一开关管(S1)的漏极，所述第三开关管(S3)和第四开关管(S4)源极连接有相控电感(L3)，所述相控电感(L3)的另一端连接所述第二开关管(S2)的漏极，所述第三开关管(S3)、第四开关管(S4)以及相控电感(L3)组成的支路上并接有相控电容(Ct)，所述相控电容(Ct)的两端并接有相互串联的第四电感(L4)和相控阻抗(Z1)。

4.根据权利要求3所述的一种巡视无人机在线充电补给装置，其特征在于，所述第四电感(L4)和相控阻抗(Z1)组成发射线圈磁耦合连接所述第一共振线圈，所述第一共振线圈由第一电容(C1)、共振阻抗A(Z2)、第一电阻(R1)以及第五电感(L5)组成，所述第一电容(C1)串接所述共振阻抗A(Z2)的支路与所述第一电阻(R1)串接所述第五电感(L5)的支路相并接，所述第一共振线圈通过第一电阻(R1)、第五电感(L5)的串接支路连接所述第二共振线圈，所述第二共振线圈第二电容(C2)、共振阻抗B(Z3)、第二电阻(R2)以及第六电感(L6)组成，所述第二电容(C2)串接所述共振阻抗B(Z3)的支路与所述第二电阻(R2)串接所述第六电感(L6)的支路相并接。

5.根据权利要求1所述的一种巡视无人机在线充电补给装置，其特征在于，所述接收线圈(8)由第三电容(C3)、第三电阻(R3)以及第七电感(L7)组成串接组成，所述第三电容(C3)、第三电阻(R3)以及第七电感(L7)串接支路连接所述全桥不可控整流电路(9)输入端。

6.根据权利要求1所述的一种巡视无人机在线充电补给装置，其特征在于，所述分组控制电路(2)两端通过电压过零检测电路(11)检测原极谐振电路电压。

7.根据权利要求6所述的一种巡视无人机在线充电补给装置，其特征在于，所述电压过零检测电路(11)包括电压比较器(A)，所述电压比较器(A)的同相端与反相端之间并接有第四电阻(R4)，所述第四电阻(R4)的一端支路上连接有相并联的第五电阻(R5)和第四电容(C4)，所述第五电阻(R5)和第四电容(C4)的并接支路通过第九电阻(R9)接地(GND)、通过第六电阻(R6)连接所述分组控制电路(2)输出端，所述分组控制电路(2)的输出端还通过第七电阻(R7)连接所述第四电阻(R4)，所述第七电阻(R7)的一端通过第八电阻(R8)直接接地(GND)。

8.根据权利要求7所述的一种巡视无人机在线充电补给装置，其特征在于，所述电压比较器(A)的电源端连接电源(VCC)，所述电压比较器(A)的输出端连接有调压电阻(R10)。

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