无人机无线充电的新方法，效率超过90%，重130g！

哈尔滨工业大学（威海）新能源学院、中国人民解放军92578部队的研究人员蔡春伟、姜龙云等，在2021年第17期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于正交磁耦合机构的无线充电系统，采用原边功率控制策略实现中大型多旋翼无人机静态无线充电。研究结果表明系统可有效传输500W充电功率，效率为90.86%，可实现10A恒流/50V恒压闭环充电控制；接收端重130g，可便捷安装于无人机。

无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）具有控制灵活、结构简单、造价低等优点，广泛用于监测、植保、巡检、救灾等方面。无人机的飞行时间是衡量其性能的一个重要指标，是决定无人机的飞行范围、获取信息量、执行任务数量与质量的关键因素。因此，如何有效地延长无人机的飞行时间是一个关键问题。

延长无人机的飞行时间目前有两种方法：第一种方法是增加锂电池的容量，但无人机的载重能力有限，锂电池过重会影响其性能；第二种方法是及时地对无人机进行充电，若使用传统的有线插拔充电方式，会耗费大量人力，且降低无人机的灵活性，若充电过程不需要人工干预则会大大提高无人机执行任务的效率。

有学者提出无人机通过调整飞行的轨迹借助风能来增加飞行时间，但此方法受环境条件的影响过大，并且飞行路径的灵活性不足。有学者提出在无人机机翼上安装光伏电池，但此方法过于依赖太阳辐射，仅限制在白天运行。并且这两种技术只能针对固定翼无人机，而多旋翼无人机没有足够的机翼来应用。有学者提出激光波束技术给无人机充电，但此方法的电源始终要移动靠近于无人机，增加无人机运行的成本，而且激光会对生物体造成严重危害。

无线充电可以通过非物理直接接触实现能量的无线传输，具有高安全性、强可靠性和易于实现充电过程自动化的优势，因此无线充电技术在电动汽车充电、机器人充电等多领域得到了广泛研究。无人机的高效自主无线充电将是推动无人机发展的创新性方法，采用无人值守的充电基站对无人机进行无线充电，可以弥补其短时运行的局限性。

目前关于无人机无线充电技术的研究还较少，无线充电技术在无人机充电领域的应用尚未成熟，存在一些问题亟待解决，传统的面对面式的磁耦合装置存在对无人机结构的适应性差、对无人机漏磁干扰强、耦合能力不足的问题，因此有必要结合无人机特殊外形及实际工程特点设计一种新型磁耦合装置。

此外，当前无线充电系统广泛采用的副边功率控制会过多增加无人机机载侧的重量，可见研究一种无人机机载侧结构简单、体积小、重量轻的功率控制方案对提升无人机无线充电技术具有重要意义。

图1 无人机无线充电示意图

由于无人机异型结构的特殊性和载荷的有限性，无人机无线充电系统设计需要考虑的四个关键问题为：①磁耦合装置对无人机结构的适应性；②装载于无人机的接收侧的重量；③充电控制方法；④无线充电系统对无人机的电磁干扰。

针对以上问题，哈尔滨工业大学（威海）新能源学院等单位的科研人员对无人机无线充电的磁耦合装置、能量传输拓扑、功率控制系统进行了设计与分析，设计了应用于中大型多旋翼无人机的接收侧轻量化无线充电系统。

图2 系统控制流程

图3 无线充电实验系统

该系统使用原边功率控制技术实现对无人机锂电池精确的恒流/恒压闭环充电，减轻了机载负重，提高了无人机充电系统的效率和实用性。科研人员使用了一种接收侧重量为130g的正交磁结构的耦合装置，接收线圈较轻，利用Ansys-Maxwell进行了有限元分析，发现此耦合装置具有磁场分布良好、耦合能力强的特点。

研究人员最后建立了一个无人机无线充电样机，实验结果表明该无人机无线充电系统可有效地传输500W充电功率，整个系统效率为90.86%，可实现恒流/恒压闭环充电。

本文编自2021年第17期《电工技术学报》，论文标题为“基于正交式磁结构及原边功率控制的无人机无线充电系统”，作者为蔡春伟、姜龙云等。

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