图1 S-S型无线电能传输系统
纸质出版日期:2022-11-25,
网络出版日期:2022-04-20,
收稿日期:2022-03-08,
录用日期:2022-03-18
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针对带锂电池负载的无人机无线充电系统轻量化和大偏移容忍度的需求,提出一种基于宇称时间对称原理(PT对称,parity-time symmetry)的无线充电原边控制技术,该控制方法不需要通信及副边控制,简化了拾取端结构。首先,利用电路理论对PT对称无线电能传输系统进行建模;其次,提出了锂电池分段式充电原边控制算法,阐明了控制流程;最后,搭建了实验样机,验证了原边控制的可行性。结果表明,系统可以在错位80 mm以上的范围内对65 W无人机实现1C快充,最高充电效率约90%。
Aiming at the requirements of lightweight and large offset tolerance of UAV wireless charging system with lithium battery load, a wireless charging primary-side control technology based on parity-time symmetry is proposed. This control method does not need communication and secondary side control, and simplifies the structure of the pickup end. First of all, the PT symmetric wireless charging system is modeled by using circuit theory. Next, the primary side control algorithm of lithium battery segmented charging is proposed, and the control flow is clarified. Finally, an experimental prototype is built to verify the feasibility of primary side control. The system can realize 1C fast charging of 65 W UAV within the range of dislocation of more than 80 mm, and the maximum charging efficiency is about 90%.
无线电能传输(WPT,wireless power transfer)实现了电源与负载之间的完全电气隔离,具有灵活、安全和可靠等特点。目前,WPT技术已广泛应用于电动汽车、手机和机器人充电中[
目前,已有一些学者对无人机无线充电技术展开了研究。文献[
由文献分析可知,无线充电技术在无人机充电领域存在系统抗偏移能力差、锂电池的恒流-恒压充电控制、拾取线圈对无人机自身设备的干扰等亟待解决的问题。因此,本文提出一种基于PT对称的原边控制方法,PT对称系统指的是经过宇称-时间反演变换时系统特性保持不变,而在单独的时间反转或是单独的宇称反转时系统特性发生变化的一类系统[
S-S型无线电能传输系统的电路模型,如
图1 S-S型无线电能传输系统
Fig.1 S-S magnetic coupling resonant WPT system
对
(1ωL1C1-ω+j-Rn+r1L1ωk√L2L1ωk√L1L21ωL2C2-ω+jRL+r2L2) · (˙I1˙I2)=0 , | (1) |
其中k=M/√L1L2为线圈的耦合系数,ω为交流功率源的角频率,˙I1,˙I2分别为发射线圈和接受线圈的电流,˙U1,˙U2分别为原边负电阻的电压和副边负载的电压。记ω1=1/√L1C1 为发射端固有谐振角频率,ω2=1/√L2C2为接收端固有谐振角频率。
当系统谐振时,发射端与接收端固有谐振角频率相等,记ω1=ω2=ω0,若
{(ω0ω-ωω0)2-(ωkω0)2-(-Rn+r1)(RL+r2)ω20L1L2=0,(ω0ω-ωω0)(-Rn+r1ω0L1+RL+r2ω0L2)=0 . | (2) |
根据
1)当ω=ω0时,系统工作在PT破碎态,由
k2=(-Rn+r1)(RL+r2)ω20L1L2 . | (3) |
将
PL=ω2k2L1L2RLU21[r1(RL+r2)+ω2k2L1L2]2 , | (4) |
η=ω2k2L1L2RLω2k2L1L2(RL+r2)+r1(RL+r2)2 . | (5) |
此时,系统与S-S型磁耦合无线电能传输系统等效。由于ω=ω0,系统恒工作于谐振频率点f0 .
2)当ω≠ω0时,系统工作在PT非破碎态,自然满足
-Rn+r1ω0L1+RL+r2ω0L2=0 . | (6) |
即
RL=L2L1(U1I1-r1)-r2 . | (7) |
将式(
I1I2=|˙I1˙I2|=√L2L1 , | (8) |
U1U2=|˙U1˙U2|=√L1L2RL+r2RL+√L2L1r1RL . | (9) |
由(7)~(9)式,推导出系统在非破碎态区域的输出功率和效率为
PL=U21RLL1L2(RL+r2)2+2r1(RL+r2)+L2L1r21 . | (10) |
η=RL/(L2L1r1+r2+RL) . | (11) |
由式(
将
ω=ω01√2(1-k2){2-(RL+r2ω0L2)2 ±√[2-(RL+r2ω0L2)2]2+4(k2-1)}12. (12) |
为保证ω有真实值,可解得
{RL+r2ω0L2<2, k≥√-[12(RL+r2ω0L2)2-1]2+1=kc . | (13) |
其中kc为临界耦合系数。当k>kc时,系统处于PT对称非破碎态,即磁耦合谐振中的过耦合区域;当k=kc时,系统处于临界耦合状态;当k<kc时,系统处于PT对称破碎态,即磁耦合谐振中的欠耦合区域。为保证系统工作于非破碎态,在系统参数设计时,必须满足k>kc并留取一定裕度。
3)记接收侧品质因数Q2=ω0L2RL+r2,由
{Q2>√2/2, kc=√-(12Q-22-1)2+1, ff0=√2-Q-22±√(2-Q-22)2+4(k2-1)2(1-k2),k≥kc,ff0=1,k<kc , | (14) |
式中f0=ω0/2π。归一化频率f / f0 与k和Q2的关系,如
图2 非破碎态PT对称系统频率特性
Fig.2 Frequency characteristics of non-broken PT symmetric system
在过耦合区域,工作频率向固有谐振频率f0的两边偏移,分裂成为高频分支fH和低频分支fL .随着k的减小,与逐渐汇聚至f0 .可以看到,相较于受耦合系数的偏移影响更小,并且两个分支几乎不受Q2的影响。在实际中,非破碎态PT对称系统仅能稳定工作于其中一个频率分支fL或fH .
针对无人机轻便化与恒流-恒压充电的需求,本文提出一种基于PT对称的原边控制系统,如
图3 基于宇称时间对称原理的原边控制方法系统框架
Fig.3 System framework of primary edge control method based on PT symmetric principle
逆变器自振荡控制采用模拟控制方式,通过采样逆变器输出电流i1进行过零比较,经过驱动环节最终驱动逆变器开关管。逆变器输出电压u1始终与输出电流i1保持同相位,方波u1的幅值等于Ud,其有效值U1与的关系为
U1=2√2πUd . | (15) |
Buck变换器闭环调节控制采用数字控制方式,通过采样Ud以及全桥逆变器输出电流有效值I1,利用DSP执行控制算法,最终控制Buck变换器占空比,实现恒流-恒压充电控制。
接收侧采用全桥整流电路,输入电流i2为正弦波,电池电流Io与电流i2的有效值I2的关系为
Io=1π∫π0√2I2sin(ωt)d(ωt)=2√2πI2 . | (16) |
若忽略整流桥损耗,则I22RL=I2oRo,可得
RL=8π2Ro . | (17) |
Uo=2√2π8U2 . | (18) |
由上推导出输出端电池电流Io、电池电压Uo、负载等效电阻Ro为
Io=2√2π√L1L2I1 , | (19) |
Uo=√L2L1Ud-2√2π8(√L2L1r1+√L1L2r2)I1 , | (20) |
Ro=π28L2L1(2√2UdπI1-r1)-π28r2 , | (21) |
式中L1、L2、r1、r2可以通过阻抗分析仪进行测量。频率在150~200 kHz范围内变化时,线圈内阻变化小于0.02 Ω,可以认为基本保持不变;两线圈发生垂直距离、水平偏移距离变化时,由于发射侧与接收侧线圈结构、铁氧体结构均对称且相同,因此L1与L2的比值基本保持恒定。
通过对PT对称无线电能传输系统的分析,得到了接收侧参数估计式。这表明通过采样发射端的Ud与I1,不仅可以进行负载识别,而且可以得到电池电流与电压的估计值,从而进行相应的控制,全程无需检测互感值,且不需要原副边通信。
目前,无人机电池大多为动力锂电池,恒流-恒压分段式充电不仅可以缩短锂电池充电时间,提高锂电池充电效率,并且可以延长电池寿命。本文选用规格为5 300 mAh/11.1 V的无人机动力锂电池作为负载进行研究,该电池允许快速充放电,能够承受1C充电速率下的充电电流。1C是指1小时充满电池,对于该款电池的容量而言,恒流充电电流为5.3 A,恒压充电电压为12.6 V。设定充电电流为0.2倍恒流充电电流时停止充电,该款锂电池恒流-恒压充电曲线如
图4 恒流-恒压充电曲线
Fig.4 Constant current- voltage charging curve
当负载发生变化时,可通过式(
图5 电池电流、电压控制算法框图
Fig.5 Block diagram of battery current and voltage control algorithm
以上参数估计式与控制算法均以PT对称无线电能传输系统为基础,因此必须保证系统工作于非破碎态区域,可以通过检测i1的频率判断系统是否处于k>kc区域。当系统处于破碎态区域时,发出错位警告并重新定位。对于该系统而言,可允许线圈之间8 cm以上的水平偏移以及8 cm以上的垂直传输距离,可满足绝大部分无人机无线充电应用场景。根据锂电池恒流-恒压充电曲线,不难计算出充电开始、恒压恒流切换、充电结束时对应的负载等效电阻RL分别为2.09 、2.38 、11.89 Ω。根据
图6 恒流-恒压充电控制流程图
Fig.6 Constant current-voltage charging control flow chart
为了验证所提出的锂电池充电控制方法,搭建如
图7 PT对称无线输电样机
Fig.7 PT symmetric wireless transmission prototype
为提高PT对称无线充电系统的工作范围,减少对无人机本身设备的干扰,接收线圈采用空心结构并悬挂于无人机机翼下方,方便无人机腹部支架与摄像头穿过。同时,添加铁氧体薄膜不仅增强了线圈磁屏蔽效果,也增大了线圈之间的耦合程度。在Maxwell中绘制线圈模型并进行磁场仿真,空心接收线圈如
图8 空心接收线圈
Fig.8 Hollow receiving coil
首先对样机在不同水平偏移距离和传输距离下的传输特性进行了研究。将负载设置为2.3 Ω,即Ro=2.3 Ω,此时为恒流充电阶段,实验波形见
图9 不同偏移距离的实验波形
Fig.9 Experimental waveforms of different offset distance
图10 不同传输距离的实验波形(偏移距离为0 cm)
Fig.10 Experimental waveforms of different transmission distance (offset distance is 0 cm)
由图可知,通过逆变器自振荡控制,系统工作频率小于固有谐振频率,系统工作于低频分支fL。在不同的传输距离与水平偏移距离,系统可以自动选择工作频率,当水平偏移距离由0 cm变为8 cm时,系统频率由168.2 kHz自动调整为181.8 kHz;当传输距离由2 cm变为8 cm时,系统频率由151.4 kHz自动调整为185.6 kHz。逆变器输出电压u1与输出电流i1基本保持同相,输出电流Io稳定在参考值5.3 A,由于电子负载不变,输出电压Uo同样稳定。在传输距离、偏移距离变化的过程中,功率稳定在64.6 W左右,效率稳定在78%左右,系统具有很强的抗偏移特性,实验结果见
图11 系统传输特性随传输距离与偏移距离变化
Fig.11 The transmission characteristics of the system vary with the transmission distance and offset distance
设定传输距离为4 cm,水平偏移距离为0 cm,改变负载Ro,可得恒流与恒压阶段的动态响应波形如
图12 负载切换实验波形图
Fig.12 Load switching experiment waveform
图13 电池电流、电压随负载变化
Fig.13 Battery current and voltage vary with load
图14 整机效率
Fig.14 Overall efficiency
本文提出了一种基于PT对称原理的无线充电系统,采用原边控制技术实现对无人机锂电池的充电控制,减轻了机载负重,控制系统无需原副边通信及互感检测,具有较强的适用性。实验结果表明,该系统传输距离远、抗偏移能力强,可实现锂电池恒流-恒压充电,系统可有效传输65 W充电功率,整机效率最高接近90%。
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