充电无人机IPT系统恒流恒压输出研究

作     者：韦泫池 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李金刚

授予年度：2024年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：充电无人机 感应式无线电能传输(IPT) 恒流 恒压 ZPA 

摘      要：由无人机携带无线充电发射源对目标执行充电任务的装置称为充电无人机(Charging Unmanned Aerial Vehicles,CUAV),其可为远离电网的无线传感器网络进行电能补充,被认为是满足物联网设备灵活能源需求的有效解决方案,有广阔的发展前景。 为满足充电需求,要求充电无人机具有先恒流后恒压两种输出模式。同时,由于无人机的特殊性,系统需关注无人机落点位置偏移和机身轻量化设计。感应式无线电能传输(Inductive Power Transfer,IPT)有充电速度快、效率高的优点而被广泛应用。因此,本文选取IPT为充电无人机无线充电方案,在考虑IPT系统发射端轻量化、系统抗偏移和负载变化的同时,对充电无人机IPT系统恒流恒压输出进行研究。 对IPT系统引入高阶补偿网络并分别设计恒流、恒压输出频率点,以频率切换实现负载变化下恒流恒压分阶段输出,相较于采用DC-DC、变补偿网络结构和变补偿网络参数等方式,其在传输效率、功率密度和控制复杂度上更具优势。基于此,本文选用S-LCC高阶补偿网络,该网络发射端采用单电容补偿,接收端采用LCC网络补偿,在满足发射端轻量化设计需求的同时保留了输出特性设计的自由度,并从零相角(Zero Phase Angle,ZPA)输入下系统恒流、恒压输出工作频率点的设计和抗偏移展开研究。 本文首先根据充电无人机IPT系统的应用特点和需求,确定系统主电路结构,并建立互感等效模型。然后对系统ZPA条件下恒流、恒压输出特性的谐振条件进行了分析推导,得出两种满足系统输出特性的参数设计方案。从系统具有更高功率密度角度,对两方案进行对比,分析了系统参数设计方法并对系统参数进行设计,系统通过切换工作频率即可实现恒流恒压输出切换。另外,根据ZPA条件下恒流、恒压输出的谐振条件,分析了耦合系数变化对于系统输出特性的影响,通过补偿参数调节使得系统在耦合系数变化下依然保持负载无关的恒流恒压输出特性,并给出了抗偏移方案和系统控制策略。最后搭建仿真和实验平台,结果表明系统具有良好的恒流恒压输出能力,且系统偏移容忍范围符合当前无人机降落水平要求,验证了系统参数设计方法和抗偏移方案理论分析的正确性。