[发明专利]电场耦合式无线充电系统原、副边电路及充电方法

说明书

本发明涉及无线充电技术，其公开了一种电场耦合式无线充电系统原、副边电路及充电方法，既能满足电力巡检无人机无线充电的需求，又能降低充电系统的复杂度，满足对机载装置小体积、轻量化的要求。原边电路设置于无人机充电平台中，其包括顺次相连的电源、逆变电路、原边补偿电路以及发射极板；副边电路设置于无人机中，其包括顺次相连的拾取极板、副边补偿电路、整流电路以及电池负载。当无人机停靠于充电平台上，两对耦合极板靠近形成电场耦合回路，从而实现电能由原边侧向副边侧的无线传输。

技术领域

本发明涉及无线充电技术，具体涉及一种电力巡检无人机电场耦合式无线充电系统原边电路、副边电路及充电方法。

背景技术

现有的无线电能传输技术的主流方案基于磁场耦合，市面上已经有的无人机无线充电绝大多数是基于磁场耦合，但是基于磁场耦合的无线充电无人机需安装磁芯、屏蔽板、线圈等体积较大、重量较重的耦合装置，一定程度上影响了无人机的续航里程与运载能力。

相较于磁场耦合方案，基于电场耦合的无线电能传输技术(CPT)在耦合机构体积、重量、可塑性、环境适应性等诸多方面存在诸多优势，尤其适用于无人机等小型运载工具。

由于无人机的充电对象为锂电池等储能元件，其充电过程需分为恒流充电阶段与恒压充电阶段。目前，实现电压或电流恒定输出的主要方式分为两类：①控制方式；②拓扑设计方式。其中，控制方式需增加额外的DC/DC电能变换装置与控制系统，增加系统体积、重量与成本；而拓扑设计方式利用补偿电路输出电压或电流自稳定特性实现恒定输出，无需增加额外电路与控制系统，因此，拓扑设计方式成为当前CPT系统恒定输出的主要研究方向。

目前，具有恒定输出特性的CPT系统补偿电路主要可分为恒压型、恒流型以及恒压/恒流切换型三种。其中恒压型与恒流型补偿电路分别仅具有恒压输出或恒流输出特性；恒压/恒流切换型补偿电路可通过电路拓扑切换使得系统在恒压输出与恒流输出两种工作模态之间实现切换。具体介绍如下：

一、恒压型补偿电路：

目前已有的具有恒压输出特性的补偿电路主要包括三种，分别为：如图1所示的原边T-LCL，副边Π-CLC电路^[1]、如图2所示的原边F-LCLC，副边F-LCLC电路^[2]、如图3所示的原边Π-CLC，副边S电路^[3]，其中系统原副边的界定以耦合电容Cs1和Cs2为界，耦合电容左侧的为系统原边、耦合电容右侧的为系统负边。

上述三个电路所实现的功能相同，均只能实现恒压输出，不能实现恒流输出。其中图1和图2所示的补偿电路的电路结构上非常复杂，无功元件电感和电容的数量多，不利于降低系统成本、体积与重量。尤其在系统副边分别包含了3个和4个无功元件，副边的体积与重量均不适用于电力巡检无人机无线充电对体积小、质量低的需求。虽然图3所示的电路在电路复杂度和无功元件数量上相对图1、图2的电路较少，但从其功能上来说也只能实现恒压输出，而不能实现恒流输出，并且在系统副边仍安装有电感元件1个，占用了无人机侧一部分体积与重量。

二、恒流型补偿电路：

目前具有恒流输出特性的CPT系统补偿电路如图4所示，为原边F-CLCL，副边T-CLC电路^[4]。在电路复杂度和无功元件使用数量上，图4所示的恒流型补偿电路与图1、图2所示的恒压型补偿电路相似，具有电路结构复杂、无功元件多等问题，仍然不适用于无人机无线充电场景。在功能上，图4所示CPT系统采用的补偿电路也只能实现恒流输出特性，而不能实现恒压输出特性，不能完全满足蓄电池同时具备恒压和恒流无线充电的需求。

三、恒压/恒流切换型补偿电路：