基于雙耦合線圈的無人機輕量化無線充電耦合機構設計

李 陽，安張磊，孟 航，寇蘇雅，蒲曉飛

（1.天津工業大學電氣工程學院，天津 300387；2.天津理工大學天津市新能源電力變換傳輸與智能控制重點實驗室，天津 300387）

無人機具有控制靈活、結構簡單、造價低廉等優點，因此被廣泛應用在工業、農業、航空航天和軍事等領域[1-3]。無人機飛行時間作為衡量其性能的一個重要指標，決定了無人機的飛行范圍、獲取信息量、執行任務數量與質量，因此如何有效延長無人機的飛行時間尤為重要[4]。目前，延長無人機的飛行時間主要有以下3 種方法[5]：第1 種是增加無人機電池的容量，但是隨著電池容量的增加，無人機的載重能力會受到影響[6]；第2 種是設置地面基站為無人機更換電池，該方法可以解決無人機的續航問題，但是也存在操作復雜、需要人員值守和難以實現智能化的問題[7]；第3 種是采用無線充電技術，無線充電可以通過非物理直接接觸的方式來實現電能的傳輸，具有便捷性、可靠性和易于實現智能化的優勢，且不會對無人機增加過多載重，因此無人機無線充電技術具有更為廣泛的應用前景[8]。

對于無線充電技術，文獻[9]設計了一種“8”字型接收線圈結構，接收線圈環繞式的繞制在無人機頂部防撞支架上，采用多個發射線圈安裝在一個大范圍的充電平臺上，增加無人機容錯位性，然而防撞支架頂部距離發射線圈較遠，導致其電能傳輸效率較低，且可能導致磁通進入機體內干擾設備；文獻[10]研制了一款單側雙極性耦合線圈結構，將接收線圈安裝在無人機的單側底部支架上，發射線圈采用磁場極性相反的2 個橢圓線圈，此耦合機構可成功對500 W 無人機實施無線充電，系統效率為90.8%，但是無人機的不平衡降落會使傳輸效率大大降低；文獻[11]提出了一款位于無人機腹部位置的圓盤式接收線圈，發射線圈采用同心圓線圈設計，使得發射磁場較為均勻，提高了無人機的水平容錯位能力，但其接收線圈繞制在塑料圓盤上，使得無人機側的載重增加，飛行時的電能損耗增加，并且耦合面小、線圈匝數少，僅適用于小功率場合；文獻[12]提出了一種垂直螺線管的磁耦合機構，其接收裝置安裝在經過改裝的無人機起落架的底端，配合鐵氧體插入發射機構中，可以有效降低系統漏磁，但含鐵氧體的接收裝置易在無人機起落過程中損壞，并且該結構需要改造無人機的起落架結構；文獻[13]提出將平面空心接收線圈放置于機架的中心板下，系統傳輸功率為70 W，效率為89%，接收線圈重量較輕不會對無人機增加過多載重，但是接收線圈的安裝位置占據了無人機下方大部分空間，導致其云臺等設備無法安裝。

由上述文獻分析可知，無線充電技術在無人機方面的應用具有重要研究價值，尤其是耦合機構的研究對于性能提升至關重要，但是現有耦合機構的設計在結構適應性、電磁干擾、輕量化等方面尚未進行深入的研究[14]。本文在前人研究的基礎上，綜合考慮無人機無線充電的需求，首先采用梯形發射平臺固定無人機支架解決抗偏移問題，然后充分利用無人機支架的形狀、空間和位置設計線圈，最后以輕量化為目標對發射線圈和接收線圈進行了設計與優化。

1 無人機無線充電系統整體設計

無人機在降落過程中，易受氣流、地形和風速等多種因素的影響，容易出現降落位置偏移的情況，對于無線充電系統而言，耦合機構的位置偏移會嚴重影響充電功率和效率。此外，還要考慮耦合機構的結構、安裝位置與無人機的適應性，減小其對無人機飛行狀態和能力的影響，同時保障耦合機構不對無人機造成電磁干擾?；谏鲜鏊伎?，本文提出了無人機無線充電系統的整體設計方案，其結構如圖1 所示，主要包括高頻電源、梯形發射平臺、耦合機構、整流與調壓電路和負載（無人機電池），Cp和Cs分別為原邊與副邊耦合機構的補償電容。高頻電源產生10～100 kHz 的正弦電流，經過原邊發射裝置后產生交變磁場；副邊接收裝置通過磁耦合方式接收原邊電能，再經過整流與調壓電路變化成電池需要的直流電，繼而為電池充電。

圖1 無人機無線充電系統整體結構Fig.1 Overall structure of wireless charging system for UAVs

為了減小無人機在降落時受環境因素影響而導致的位置偏移，確保其在降落時的定位準確，同時為高效的無線充電提供保障，本文采用梯形發射平臺來固定無人機位置。無人機頂部和腹部位置距離發射平臺較遠，且耦合機構產生的磁場會對其造成一定干擾，因此不宜安裝接收線圈。無人機最下側的支架部分對無人機起到支撐作用，沒有精密部件的存在，因此，本文設計將接收線圈安裝在無人機支架位置，以此來減小耦合機構磁場對無人機的干擾并避免接收線圈對無人機飛行狀態和能力的影響。同時，為減少因無人機位置偏移而導致的電能損失，平衡無人機重量并增加無線輸電功率，本文設計在兩側支架上均安裝接收線圈，同時為實現高效的耦合電能傳輸，將發射線圈和接收線圈采用相同的結構和參數，并確保位置對齊。

本設計中兩側發射線圈采用順向串聯的形式進行連接，以保證兩側發射線圈通過大小相同的電流，使其電流的渦流方向相同，從而在傳輸電磁信號時具有相同的相位和方向，使電磁場可以更加集中在梯形發射支架中，減小因磁場的泄漏和輻射對無人機造成的干擾，使電流流動更為穩定和連續。兩側接收線圈與發射線圈同樣采用順向串聯連接的形式，使其高效和可靠地接收電能。

無人機無線充電系統需要對系統的無功功率進行補償，從而增大傳輸功率和效率，目前無線充電的基本補償結構有4 種，分別是原邊串聯-副邊串聯SS（series-series）、原邊串聯-副邊并聯SP（series-parallel）、原邊并聯-副邊并聯PP（parallel-parallel）、原邊并聯-副邊串聯PS（parallel-series）。由反射阻抗原理的推導可知，SS與SP 補償結構的補償電容與負載電阻無關，PP與PS 補償結構的補償電容與負載電阻有關。值得注意的是，無人機電池在充電過程中其負載會隨時間的增加而增大，這使得系統電路無法一直處于諧振狀態，不能實現持續高效率傳輸電能。相比SP 補償結構，SS 補償結構的拓撲具有恒流輸出特性，其功率因數不受負載電阻的影響，更加適用于鋰電池充電場合，故本文采用SS 補償結構。

本文設計的耦合機構需要滿足中大型無人機電池的充電功率需求，對于無線充電而言，增加線圈匝數和長度可以增加其磁場密度；在耦合機構中加入導磁性良好的材料可以增大傳輸功率和效率，但同時會增加耦合機構的重量，對于無人機而言，過重的耦合機構會對其載重能力和飛行效率造成影響。無人機無線充電耦合機構的主要參數有：線圈長度、線圈匝數、磁性材料與系統傳輸頻率等，在耦合機構的輕量化設計中不同參數相互耦合，對系統影響比較復雜，設計難度大，且設計周期長，因此，本文采用有限元仿真的方式對參數進行優化。

2 耦合機構輕量化設計與參數優化

本文所設計無線充電系統的耦合機構需要在不影響無人機飛行狀態和能力的同時，滿足最大充電電壓48 V、最大充電電流20 A 的電氣需求，且在小范圍內發生位置偏移時，系統仍具有較高的傳輸效率。目前常用的耦合線圈形狀包括圓形和矩形2 種形式，相比于圓形線圈，矩形線圈具有良好的形狀匹配能力，產生的磁場更為均勻，并且矩形形狀與無人機支架相同，可以緊密纏繞在無人機支架部位，防止掉落，從而更好地適應無人機的機身形態和空間限制，滿足無人機無線充電的需求，因此本文發射和接收線圈均采用矩形形狀。為滿足無人機電池最大充電電流20 A 的電氣需求，本文選用橫截面積為3 mm2的500 股利茲線。使用COMSOL有限元仿真軟件搭建耦合機構仿真模型，計算得到模擬電源對接收線圈的輸出功率與模擬等效負載兩端的輸入功率的比值，從而得到耦合機構的傳輸效率；通過參數掃描的方式，對線圈匝數、線圈長度、工作頻率與鐵磁材料的參數進行變更，從而對不同參數下耦合機構的傳輸效率對比分析，以此對雙耦合線圈耦合機構的參數優化設計。

發射線圈和接收線圈傳輸距離越近其傳輸效率越高，但對于無人機而言，需要留有一定空間裕量便于其順利起降，因此傳輸距離選定為10 mm。為使接收線圈與無人機支架有更好的適應性，將其寬度與支架寬度保持一致，固定為130 mm。同時，按照無人機快速無線充電的功率需求，系統輸出功率需要大于等于1 kW。因線圈長度、工作頻率也是重點研究參數，故采用控制變量法進行參數優化。

根據無人機支架結構，線圈長度最大為180 mm，因此先研究線圈長度為180 mm、耦合機構不加入磁性材料時的參數對傳輸效率的影響。在不同傳輸頻率下，分別改變耦合線圈匝數，得到不同頻率下線圈匝數與傳輸效率的關系，如圖2 所示。

圖2 線圈匝數與傳輸效率關系Fig.2 Coil turns versus transmission efficiency

由圖2 可知，在傳輸頻率60 和80 kHz 下，不同線圈匝數的傳輸效率均可保持在90%以上，而傳輸頻率20 和40 kHz 下的傳輸效率與前兩者差距較大，因此傳輸頻率為60 或80 kHz 時更佳。傳輸頻率為60 kHz、線圈在匝數為8、9、10、11 時傳輸效率較大，分別為94.959%、95.220%、95.140%、95.046%；而傳輸頻率為80 kHz、線圈匝數為8、9、10、11 時傳輸效率較大，分別為95.918%、95.930%、95.623%、95.400%。雖然線圈9 匝時效率最大，但與線圈8 匝效率差距不大，因此考慮輕量化原則，選定匝數為8。

在不同傳輸頻率下，分別改變耦合線圈長度，得到不同頻率下線圈長度與傳輸效率的關系，如圖3 所示。

圖3 線圈長度與傳輸效率關系Fig.3 Coil length versus transmission efficiency

由圖3 可知，在傳輸頻率60 和80 kHz 下，不同線圈長度的傳輸效率均可保持在90%以上，而傳輸頻率20 和40 kHz 下的傳輸效率與前兩者差距較大，因此傳輸頻率為60 或80 kHz 時更佳。傳輸頻率為60 kHz、線圈在長度為120、130、140、150、160、170、180 mm（線圈長度最大值）時的傳輸效率分別為92.022%、92.855%、93.522%、93.996%、94.216%、94.679%、95.132%；傳輸效率增長率由0.90%逐漸減小為0.22%，當線圈長度從120 mm 逐漸增加到160 mm 時，傳輸效率的增長率呈現逐漸緩慢的態勢；而在160 mm 之后增長率下降趨勢更為平緩，故線圈長度大于160 mm 時，每增長10 mm 其傳輸效率增加效果不顯著；傳輸頻率為80 kHz、線圈長度 為120、130、140、150、160、170、180 mm 時的傳輸效率分別為94.025%、94.581%、95.033%、95.325%、95.574%、95.761%、95.921%，傳輸效率增長率由0.59%減小為0.17%，當線圈長度從120 mm 逐漸增加到160 mm 時，傳輸效率的增長率呈現逐漸緩慢的態勢，而在160 mm 之后增長率下降趨勢更為平緩。雖然線圈長度增加時效率會隨之增大，但傳輸效率改善不顯著，且會使無人機載重增加，因此考慮輕量化原則，選定長度為160 mm。

從上述仿真結果對比中可以看出，系統傳輸頻率越高，耦合線圈在不同參數下的傳輸效率越高，并且在傳輸頻率為60 和80 kHz 時，耦合機構傳輸效率在不同參數下均大于等于90%。然而較高的傳輸頻率會增加電源的開關損耗，并對無人機造成電磁干擾，因此在設計無人機無線充電系統時需要權衡傳輸頻率與其他因素之間的平衡，故本文選擇60 kHz 為系統傳輸頻率。

同時，為探究磁性材料對耦合機構傳輸效率的影響，固定線圈的匝數為8、長度為160 mm、工作頻率為60 kHz，在輸出功率為1 kW 時，改變磁性材料（鐵氧體）在耦合機構中的安放位置，得到不同傳輸距離下磁性材料安放位置與傳輸效率的關系，如圖4 所示。

圖4 磁性材料不同安放位置與傳輸效率關系Fig.4 Relationship between different placement positions of magnetic materials and transmission efficiency

由圖4 可知，隨著傳輸距離的增加，傳輸效率會隨之降低。在傳輸距離為10 mm 時，耦合機構中不加磁性材料時的傳輸效率為94.90%，接收側加入磁性材料時的傳輸效率為95.26%，發射側和接收側均加入磁性材料時的傳輸效率為95.41%。接收側加入磁性材料與雙側均不加入磁性材料相比傳輸效率增加了0.36%，雙側均加入磁性材料與雙側均不加入磁性材料相比傳輸效率增加了0.51%，盡管耦合機構中加入磁性材料后的傳輸效率有所提升，但相比之下效率改善不顯著，且會增加無人機側的載重，因此考慮輕量化原則，耦合機構中不加入磁性材料。

通過仿真分析，明確了耦合線圈匝數、長度、工作頻率和磁性材料對耦合機構傳輸效率的影響，并按照輕量化原則選取了優化后的參數。但在實際應用中，這些因素同時存在，且和系統中其他因素相互作用。本文為了更加真實地模擬系統運行情況，對仿真結果進行驗證，搭建了無人機無線充電實驗系統。

3 實驗驗證

本文以塑料支架代替無人機支架搭建了無人機無線充電實驗系統，如圖5 所示，其中包括高頻電源、耦合機構、模擬梯形發射平臺、補償網絡和無人機電池模擬負載。實驗系統中耦合線圈的參數、補償結構數值以及系統頻率等參數如表1 所示。耦合機構中的耦合線圈是由橫截面積為3 mm2的500 股利茲線繞制而成，模擬發射平臺與目標無人機的傾斜角度相同，逆變電源連接到耦合機構內側串聯發射線圈上，兩側串聯接收線圈與雙發射線圈保持正對，其后接高頻整流電路進而對無人機模擬負載進行供電，用功率分析儀實時測量耦合機構發射線圈和接收線圈上的電壓、電流與功率。

圖5 無線充電實驗系統Fig.5 Wireless charging experimental system

在傳輸距離為10 mm，系統工作頻率為60 kHz，良好對準的工作條件下，對系統進行測試，功率分析儀所測得實驗數據如圖6 所示。發射線圈輸入電壓為75.355 V，輸入電流為18.679 A，輸入功率為1.245 4 kW，等效負載充電電壓為80.634 V，充電電流為16.995 8 A，同時輸出功率為1.190 05 kW，因此耦合機構傳輸效率為95.554%。實驗結果表明，該耦合機構可以高效地為無人機負載傳輸電能。

圖6 輸入、輸出功率測試數據Fig.6 Input and output power tests data

為驗證無人機著陸位置偏移時對耦合機構傳輸效率的影響，本文對Y 和X 兩方向整體偏移情況下的傳輸效率變化進行實驗驗證，其中XYZ 三維方向如圖5 所示，以兩側線圈的幾何中點為坐標原點。在兩側傳輸距離為10 mm 時，得到無人機在沿Y 軸正方向不同偏移距離下與傳輸效率和耦合線圈互感變化的關系如圖7 所示。

圖7 沿Y 軸不同偏移距離下傳輸效率與互感變化曲線Fig.7 Curves of transmission efficiency versus mutual inductance at different offset distances along Y-axis

由圖7 可知，隨著偏移距離的增加，傳輸效率與耦合機構之間的互感會隨之減小。由圖7（a）可知，偏移距離為80 mm 時，傳輸效率降低為85.65%，當偏移距離為100 mm 時，傳輸效率降低為74.64%。由圖7（b）可知，偏移距離80 mm 以內，耦合機構偏移步長為20 mm 時，互感值平均減小0.9 μH；偏移距離大于80 mm 后，互感值減小量增大為3.31 μH。在偏移距離超過80 mm 后，耦合機構傳輸效率與互感值減小趨勢增大，因此，該耦合機構在沿Y 軸正方向0～80 mm 范圍內具有良好的抗偏移傳輸特性，與仿真結果趨勢相同。

改變耦合機構的傳輸距離分別為10、15 和20 mm，以5 mm 為步長將接收線圈逐漸的沿X軸正方向進行偏移，實驗得到不同偏移距離與傳輸效率和耦合線圈互感變化關系如圖8 所示。

由圖8 可知，當兩側傳輸距離相同時，耦合機構傳輸效率與互感均會隨著傳輸距離的增加而減小。由圖8（a）可知：傳輸效率隨著傳輸距離的增加而下降，當傳輸距離擴大到20 mm 時，傳輸效率為92.34%，因此在左右對稱的距離下，可以實現無人機電池電能的穩定有效傳輸；當兩側傳輸距離不同時，即一側傳輸距離增加而另一側傳輸距離減少的情況下傳輸效率呈現下降趨勢；當一側的傳輸距離為0 時，與沒有發生偏移時相比，傳輸效率會有所降低；在傳輸距離為15 mm，向左偏移15 mm，即傳輸距離為左30 mm 和右0 時，傳輸效率為89.46%；在傳輸距離為20 mm，向左偏移20 mm，即傳輸距離為左40 mm 和右0 時，傳輸效率為84.75%。由圖8（b）可知：耦合機構互感隨著傳輸距離的增加而下降，當傳輸距離擴大為20 mm 時，互感為20.75 μH，相較于傳輸距離10 mm 時的21.88 μH，降低了1.13 μH，因此在左右對稱的距離下，互感變化量較??；當兩側傳輸距離不同時，在一側傳輸距離增加而另一側傳輸距離減少的情況下耦合機構的互感也呈現下降趨勢；當一側的傳輸距離為0 mm 時，與沒有發生偏移時相比，互感會明顯降低；在傳輸距離為20 mm，向左偏移20 mm，即傳輸距離為左40 mm 和右0 時，耦合機構互感為15.87 μH，此時傳輸效率為84.75%。因此，該耦合機構在沿X 軸正方向0～40 mm 范圍內，均可保持較高的傳輸效率，與仿真結果趨勢相同。

為進一步觀察耦合機構在不同方向的偏移特性，得出在傳輸距離為10 mm 時，耦合機構位置正對與沿Y 軸正方向偏移100 mm 時的電壓和電流變化實驗波形；在傳輸距離為20 mm 時，沿X 軸正方向偏移20 mm 時的實驗電壓和電流變化波形，如圖9 所示。

圖9 不同偏移程度時的相關實驗電壓和電流波形Fig.9 Correlated experimental voltage and current waveforms at different offset levels

為保持接收側的接收功率不變，增加了高頻逆變電源的輸出電壓和功率。由圖9 可知：耦合機構沿X 和Y 軸方向偏移時，發射線圈兩端電壓相位會超前于電流相位，從而使耦合機構工作在感性狀態，使得無線充電過程中的無功增大，耦合機構傳輸效率降低；沿X 軸正方向偏移時的電壓紋波相比于Y 軸的??；耦合機構在沿X 軸方向偏移20 mm時其相位變化量與電源電壓增大量均比沿Y 軸方向偏移100 mm 時小，其傳輸效率對比位置正對時下降幅度較低。因此，耦合機構沿X 軸方向的抗偏移能力優于Y 軸方向。

4 結論

本文設計了一種應用于中大型無人機的接收側輕量化無線充電耦合機構，并具有良好的抗偏移特性。通過有限元仿真對比分析的方法，研究了耦合線圈在不同線圈匝數、不同長度、在不同位置加入鐵氧體和不同系統頻率下對無線充電傳輸效率的影響，結合輕量化設計原則優化了設計參數。最后通過實驗驗證了該耦合機構在不過多增加無人機側載重的同時具有較高的傳輸能效，且具有一定的抗偏移能力，所得結論如下。

（1）本文所設計耦合機構可有效對無人機電池以1.2 kW 功率進行充電，傳輸效率為95.554%，無人機側耦合機構重量為320 g，因此該耦合機構可以實現對無人機電池的高效能無線充電，并且位于無人機側的重量小，滿足耦合機構輕量化設計的需求。

（2）對耦合機構在無人機縱向（Y）和橫向（X）兩個方向下對其偏移特性進行實驗分析可知，在1 kW接收功率等級下，無人機在縱向0～80 mm、橫向0～40 mm 范圍內產生偏移時，耦合機構傳輸效率都大于等于85%，抗偏移性較好。