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無人機（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）具有控制靈活、結(jié)構(gòu)簡單、造價低等優(yōu)點，廣泛用于監(jiān)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(zhí)行任務數(shù)量與質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，如何有效地延長無人機的飛行時間是一個關(guān)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(tǒng)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(zhí)行任務的效率。

有學者提出無人機通過調(diào)整飛行的軌跡借助風能來增加飛行時間，但此方法受環(huán)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(shù)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(shù)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(xiàn)能量的無線傳輸，具有高安全性、強可靠性和易于實現(xiàn)充電過程自動化的優(yōu)勢，因此無線充電技術(shù)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(fā)展的創(chuàng)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(guān)于無人機無線充電技術(shù)的研究還較少，無線充電技術(shù)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(tǒng)的面對面式的磁耦合裝置存在對無人機結(jié)構(gòu)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(jié)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(tǒng)廣泛采用的副邊功率控制會過多增加無人機機載側(cè)的重量，可見研究一種無人機機載側(cè)結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)的特殊性和載荷的有限性，無人機無線充電系統(tǒng)設計需要考慮的四個關(guān)鍵問題為：①磁耦合裝置對無人機結(jié)構(gòu)的適應性；②裝載于無人機的接收側(cè)的重量；③充電控制方法；④無線充電系統(tǒng)對無人機的電磁干擾。

針對以上問題，哈爾濱工業(yè)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(tǒng)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(cè)輕量化無線充電系統(tǒng)。

圖2 系統(tǒng)控制流程

圖3 無線充電實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)使用原邊功率控制技術(shù)實現(xiàn)對無人機鋰電池精確的恒流/恒壓閉環(huán)充電，減輕了機載負重，提高了無人機充電系統(tǒng)的效率和實用性?？蒲腥藛T使用了一種接收側(cè)重量為130g的正交磁結(jié)構(gòu)的耦合裝置，接收線圈較輕，利用Ansys-Maxwell進行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)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(jié)果表明該無人機無線充電系統(tǒng)可有效地傳輸500W充電功率，整個系統(tǒng)效率為90.86%，可實現(xiàn)恒流/恒壓閉環(huán)充電。

本文編自2021年第17期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“基于正交式磁結(jié)構(gòu)及原邊功率控制的無人機無線充電系統(tǒng)”，作者為蔡春偉、姜龍云 等。