基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统及传输、磁屏蔽方法与流程

本发明属于无线电能传输，具体涉及基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统，本发明还涉及基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽方法。

背景技术：

1、无线电能传输(wireless power transfer，wpt)一般是指利用发射器将电能转换为一定形式的中继能量，无导线传输一定距离后，由接收器接收并将该能量转换为电能的过程。无线电能传输方式同传统有线充电方式相比，具有电气隔离安全性、非接触式充电便捷性和对恶劣环境良好的适应性等诸多无法取代的优越性。

2、对于无线电能传输方式而言，磁耦合谐振式(magnetic coupling resonantwireless power transfer,mcr-wpt)是一种近磁场的强耦合方式，当发射系统与接受系统振动频率相同时二者强耦合，能量的传输效率将大大提高。磁耦合谐振式无线电能传输以其独特的传输优势，成为当前无线电能传输技术的研究热点。

3、随着无人机技术不断发展，无人机(unmanned aerial vehicle，uav)作为一种无人驾驶飞行器，具有高度自主性、多功能性、多次操作性、可重复利用性。目前，无人机广泛应用在物流、农业、安全、救灾等领域，具有很好的环境适应能力和灵活性，能够很大程度降低人工成本，甚至在某些特殊领域可以降低人员伤亡率。目前，无人机续航被蓄电池的蓄电能力和体积重量限制，如何为无人机在户外长时间工作进行电能供给是无人机发展的瓶颈之一。当下，利用传统的插拔式充电方式由于户外地形，天气等因素，增加了充电的风险。因此，结合无线电能传输技术，在户外建立无线充电平台，减少了人工式手动插拔充电带来的风险，避免了外界因素对充电线缆产生影响。但考虑到磁耦合线圈进行无线电能传输过程中产生的高频交变磁场会对无人内部电子设备和传感器产生影响，且无人机在无线充电平台定点停靠时仍会产生位置偏差等问题需要得到优化与改进。

4、在这种背景下，本发明专利提出了在发射线圈和接收线圈同时引入铝-铁氧体复合屏蔽装置的无线电能传输系统，并且利用铁氧体结构增加耦合强度提高偏移情况下的容忍度。以具有屏蔽电磁干扰能力的构造与强耦合线圈的设计应用于当前户外的无人机无线充电技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统，能够屏蔽无线电能传输过程中对无人机内部电子设备和传感器所产生的电磁干扰，在偏移情况下高效率的电能供给。

2、本发明的另一目的是提供基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统的传输及磁屏蔽方法。

3、本发明所采用的第一技术方案是，基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统，依次由高频逆变网络、原边谐振补偿网络、耦合机构、副边谐振补偿网络和整流滤波电路五部分连接组成，原边谐振补偿网络、耦合机构、副边谐振补偿网络构成lcc-s补偿网络。

4、本发明的第一技术方案特点还在于，

5、高频逆变网络为由开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4组成的全桥逆变电路，全桥逆变电路输入端连接直流电源uin，全桥逆变电路的开关管q1和开关管q4与所述原边谐振补偿网络连接。

6、原边谐振补偿网络包括电感lr，电感lr一端与开关管q1连接，电感lr另一端与电容cp的一端连接，电容cp的另一端连接电感lp后与所述原边谐振补偿网络的开关管q4连接，电感lr和电容cp之间还连接有电容cr的一端，电容cr的另一端与开关管q4连接；电感lp和电感ls构成所述耦合机构，电感lp为发射线圈电感，电感ls为接收线圈电感；耦合机构的电感ls又与所述副边谐振补偿网络连接。

7、副边谐振补偿网络包括电容cs，电容cs一端与所述电感ls的一端连接，电容cs另一端与所述整流滤波电路连接，电感ls的另一端所述整流滤波电路连接。

8、整流滤波电路包括由二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4构成的整流桥，其中，二极管d1与二极管d3串联，二极管d2和二极管d4串联后与电容co并联，二极管d1与所述副边谐振补偿网络的电容cs连接，二极管d4与所述耦合机构的电感ls连接，电容co还与负载ro连接。

9、本发明所采用的第二技术方案是，基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽的方法，具体为：

10、列写kvl方程，得；

11、

12、确保系统处于谐振状态下需满足：

13、

14、将式(2)代入式(1)，电路中相应的电流向量简化为：

15、

16、输出功率表达为：

17、

18、uin逆变输出电压，i1为逆变输出电流，ip为原边谐振电流，lr为原边谐振电感，cr为原边并联谐振电容，cp为原边串联谐振电容，lp为原边线圈自感，rp为原边线圈寄生电阻，ls为副边线圈自感，rs为副边线圈寄生电阻，cs为副边串联谐振电容，is为副边谐振电流，rl为等效负载，ω为谐振角频率，m为互感，j为虚部表示，p为输出功率。

19、本发明的第二技术方案特点还在于，

20、磁屏蔽结构设计：屏蔽铝板上涡流损耗产生的磁场表示为：

21、

22、式中，h铝为线圈内部涡流产生的反向磁场；

23、h为屏蔽铝板附近源磁场大小：

24、l铝为屏蔽铝板的等效电感；

25、采用由两种类型的材料构成的铝-铁氧体复合屏蔽。

26、接收端小型化设计：

27、得出系统输出效率表达式为：

28、

29、η为系统传输效率；

30、具有最高效率的互感表达式为：

31、

32、mmax为系统最高效率互感值；

33、通过式(7)得出最优效率表达式下的互感值大小，在保持互感值不变的情况下，利用铁氧体增大发射端线圈自感值，进而降低接收端线圈自感值，能够缩减无人机所携带的接收端线圈体积，发射线圈和接收线圈结合铝-铁氧体设计极大程度的避免磁场的外部泄露和内部损耗。

34、本发明的有益效果是，基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统及方法，所涉及的铝-铁氧体复合屏蔽结构，铝板结构可以屏蔽系统对外的电磁辐射，同时，铁氧体结构可以减少铝板上的涡流对系统电气参数造成的影响并且。解决了由于外界金属干扰造成的系统输出功率和效率波动的问题。本发明所涉及的磁耦合谐振式无线电能传输方式采用lcc-s补偿拓扑结构，通过优化补偿网络参数，可以提高电能传输效率，具备良好的稳定性，有助于实现稳定的无线电能传输，并且有助于减少能量损耗。本发明采用的无线电能传输系统在发射线圈结合屏蔽装置中的铁氧体，实现强磁耦合的同时，也能减少无人机携带的接收端线圈重量，延长无人机航行工作时间和巡航里程。

技术特征：

1.基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统，其特征在于，依次由高频逆变网络、原边谐振补偿网络、耦合机构、副边谐振补偿网络和整流滤波电路五部分连接组成，原边谐振补偿网络、耦合机构、副边谐振补偿网络构成lcc-s补偿网络。

2.根据权利要求1所述的基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统，其特征在于，所述高频逆变网络为由开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4组成的全桥逆变电路，全桥逆变电路输入端连接直流电源uin，全桥逆变电路的开关管q1和开关管q4与所述原边谐振补偿网络连接。

3.根据权利要求2所述的基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统，其特征在于，所述原边谐振补偿网络包括电感lr，电感lr一端与开关管q1连接，电感lr另一端与电容cp的一端连接，电容cp的另一端连接电感lp后与所述原边谐振补偿网络的开关管q4连接，电感lr和电容cp之间还连接有电容cr的一端，电容cr的另一端与开关管q4连接；电感lp和电感ls构成所述耦合机构，电感lp为发射线圈电感，电感ls为接收线圈电感；耦合机构的电感ls又与所述副边谐振补偿网络连接。

4.根据权利要求3所述的基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统，其特征在于，所述副边谐振补偿网络包括电容cs，电容cs一端与所述电感ls的一端连接，电容cs另一端与所述整流滤波电路连接，电感ls的另一端所述整流滤波电路连接。

5.根据权利要求4所述的基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统，其特征在于，所述整流滤波电路包括由二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4构成的整流桥，其中，二极管d1与二极管d3串联，二极管d2和二极管d4串联后与电容co并联，二极管d1与所述副边谐振补偿网络的电容cs连接，二极管d4与所述耦合机构的电感ls连接，电容co还与负载ro连接。

6.基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽的方法，其特征在于，具体为：

7.根据权利要求6所述的基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽的方法，其特征在于，磁屏蔽结构设计：屏蔽铝板上涡流损耗产生的磁场表示为：

8.根据权利要求7所述的基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽的方法，其特征在于，接收端小型化设计：

技术总结本发明的目的是提供基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统，依次由高频逆变网络、原边谐振补偿网络、耦合机构、副边谐振补偿网络和整流滤波电路五部分连接组成，原边谐振补偿网络、耦合机构、副边谐振补偿网络构成LCC‑S补偿网络。本发明还公开了基于强耦合无人机无线电能传输及磁屏蔽系统的传输及磁屏蔽方法。本发明能够屏蔽无线电能传输过程中对无人机内部电子设备和传感器所产生的电磁干扰，在偏移情况下高效率的电能供给。技术研发人员：赵航,贾静,李旭辉,李晓余,杨永斌,李军社,陈小飞,安媚,杨磊,陈团受保护的技术使用者：国网陕西省电力有限公司咸阳供电公司技术研发日：技术公布日：2024/12/2