用于無人飛機的充電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于無人飛機的充電系統(tǒng)，其特征在于：包括有安裝架空輸電線的取電裝置；電能發(fā)射裝置，將工頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電；設(shè)置在無人飛機上的電能接收裝置，電能接收裝置和電能發(fā)射裝置之間通過無線實現(xiàn)電能傳輸；以及機載電池，設(shè)置于無人飛機上并給該無人飛機供電，機載電池串接在電能接收裝置的電流回路上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型提出了一種基于交流輸電架空線的電動無人飛機充電系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機全自主的、安全的充電方式，提升無人飛機續(xù)航里程；同時，提供了一種基于不穩(wěn)定交流電源的、高頻感應(yīng)恒電流式充電電路，完全實現(xiàn)無人化充電操作，減小無人機對地面基地或移動基站的依賴，減少人工作業(yè)，降低人力成本。
【專利說明】用于無人飛機的充電系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種充電系統(tǒng)，特別是一種用于無人飛機的充電系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著時代的發(fā)展，社會對空中執(zhí)行任務(wù)的需求日漸強烈。而相比起載人飛機，無人 機擁有著許多無可比擬的優(yōu)勢：尺寸相對較小，總體布局靈活，成本較低，使用方便，可以進 入危險環(huán)境，能夠滿足特殊用途的需求。
[0003] 電動無人機是指依靠電動機而不是內(nèi)燃機驅(qū)動的飛機，電力來源包括燃料電池、 太陽能電池、超級電容器、無線能量傳輸或其他種類的電池等。電動飛機使用電動力推進系 統(tǒng)代替內(nèi)燃機動力，獲得了很多優(yōu)點和獨特品質(zhì)，最突出的優(yōu)點是節(jié)能環(huán)保，效率高、能耗 低；此外，還具有安全可靠(不會發(fā)生爆炸和燃料泄漏)、結(jié)構(gòu)簡單、操作使用簡便、維修性好 等特點。如今，電動無人機可以在低空、小區(qū)域進行高精度航拍及監(jiān)測，具有效率高、比有人 駕駛直升機使用成本低得多的特點，可以作為空中作業(yè)平臺，搭載高分辨率數(shù)碼相機、光學(xué) 攝像機等設(shè)備，根據(jù)需要對整個區(qū)域進行掃描，或?qū)χ攸c目標(biāo)進行拍攝、監(jiān)測。無人機應(yīng)用 不但在軍事上被廣泛重視，在民生領(lǐng)域也越來越受到關(guān)注。
[0004] 現(xiàn)有的電動無人機在需要充電時通常是返回地面基地，然后將電池拆卸下來充電 或者更換電池，這種方式由此造成的缺點是：首先，無人飛機的飛行工作半徑小。由于續(xù) 航受到電池容量和性能的限制，無人飛機無法長時間在空中飛行，當(dāng)電池耗盡時就需要返 回地面基地；其次，需要大量的人工作業(yè)。雖然，增加地面基地或者地面移動基站的分布密 度可以提高無人飛機的工作半徑，但多個基地或移動基站的設(shè)立需要投入更多的人力和物 力，大大增加經(jīng)濟成本。 實用新型內(nèi)容
[0005] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種可擴大飛 行半徑且有效減少人工作業(yè)量的用于無人飛機的充電系統(tǒng)。
[0006] 本實用新型解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種用于無人飛機的充電系 統(tǒng)，其特征在于：該充電系統(tǒng)包括有
[0007] 取電裝置，安裝于架空輸電線上；
[0008] 電能發(fā)射裝置，將工頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，該電能發(fā)射裝置安裝在架空輸 電線的桿塔上，所述取電裝置通過交流母線將電能傳輸至所述電能發(fā)射裝置；
[0009] 電能接收裝置，接收來自所述電能發(fā)射裝置的電能，該電能接收裝置設(shè)置在無人 飛機上，所述電能接收裝置和所述電能發(fā)射裝置之間通過無線實現(xiàn)電能傳輸；以及 [0010] 機載電池，設(shè)置于無人飛機上并給該無人飛機供電，所述的機載電池串接在所述 電能接收裝置的電流回路上。
[0011] 架空輸電線可以采用多種分布結(jié)構(gòu)，作為優(yōu)選，所述的架空輸電線可以為通過電 流的單股線組成的絞線或通過電流的不相互絕緣的多股線組成的絞線。
[0012] 為滿足不同充電電路的電流、電壓需求，作為優(yōu)選，所述架空輸電線上可以間隔設(shè) 置有多個串聯(lián)或者并聯(lián)連接的取電裝置。
[0013] 為了便于裝配和方便維修更換，作為優(yōu)選，所述的取電裝置包括有兩個結(jié)構(gòu)相同 且可對稱地拼合于一起的采電單元，每個采電單元包括有絕緣層、磁芯和相應(yīng)地繞設(shè)于所 述磁芯上的一組取電線圈，每組取電線圈具有兩個輸出端，所述取電裝置經(jīng)所述整流器整 流后具有四個交流輸出端，所述架空輸電線穿設(shè)在由兩個所述采電單元的絕緣層拼合后形 成的孔腔中，所述磁芯套設(shè)于所述絕緣層之外。取電裝置采用模塊化設(shè)計，是由兩個獨立的 采電單元拼合而成，可以實現(xiàn)更為靈活多樣的電路連接結(jié)構(gòu)，以便滿足不同電壓、電流的需 求；而且方便加工生產(chǎn)和后續(xù)維修，降低生產(chǎn)和維修成本；另外，這種模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計的取 電裝置還具有電路容錯能力。
[0014] 作為優(yōu)選，所述電能發(fā)射裝置包括有脈寬調(diào)制整流器和高頻逆變器，所述取電裝 置的輸出端和所述脈寬調(diào)制整流器的輸入端相連，所述脈寬調(diào)制整流器輸出端和所述高頻 逆變器的輸入端相連，所述脈寬調(diào)制整流器和高頻逆變器之間為直流連接；所述電能接收 裝置的控制電路包括有高頻整流充電器；所述電能發(fā)射裝置和電能接收裝置之間通過高頻 感應(yīng)變壓器實現(xiàn)無線電能傳輸。
[0015] 作為優(yōu)選，所述脈寬調(diào)制整流器可以包括有直流正極輸出端、直流負極輸出端、 第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、第一電容、第一電子開關(guān)、第二電子開 關(guān)、第三電子開關(guān)和第四電子開關(guān)；其中，所述取電裝置的第一交流輸出端的一路和所述第 一二極管的正極相連，另一路經(jīng)所述第一電子開關(guān)連接至所述脈寬調(diào)制整流器的直流負極 輸出端；所述取電裝置的第二交流輸出端的一路和所述第二二極管的正極相連，另一路經(jīng) 所述第二電子開關(guān)連接至所述脈寬調(diào)制整流器的直流負極輸出端；所述取電裝置的第三交 流輸出端的一路和所述第三二極管的正極相連，另一路經(jīng)所述第三電子開關(guān)連接至所述脈 寬調(diào)制整流器的直流負極輸出端；所述取電裝置的第四交流輸出端的一路和所述第四二 極管的正極相連，另一路經(jīng)所述第四電子開關(guān)連接至所述脈寬調(diào)制整流器的直流負極輸出 端；所述第一二極管的負極、所述第二二極管的負極、所述第三二極管的負極和所述第四二 極管的負極共接后連接至所述脈寬調(diào)制整流器的直流正極輸出端；所述第一電容的兩端分 別連接在所述脈寬調(diào)制整流器的直流正極輸出端和直流負極輸出端。
[0016] 作為另一優(yōu)選，所述脈寬調(diào)制整流器包括有直流正極輸出端、直流負極輸出端、 第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、第一電容、第一電子開關(guān)、第二電子開 關(guān)、第三電子開關(guān)和第四電子開關(guān)；其中，所述取電裝置的第一交流輸出端的一路和所述第 一二極管的負極相連，另一路經(jīng)所述第一電子開關(guān)連接至所述脈寬調(diào)制整流器的直流正極 輸出端；所述取電裝置的第二交流輸出端的一路和所述第二二極管的負極相連，另一路經(jīng) 所述第二電子開關(guān)連接至所述脈寬調(diào)制整流器的直流正極輸出端；所述取電裝置的第三交 流輸出端的一路和所述第三二極管的正極相連，另一路經(jīng)所述第三電子開關(guān)連接至所述脈 寬調(diào)制整流器的直流負極輸出端；所述取電裝置的第四交流輸出端的一路和所述第四二 極管的正極相連，另一路經(jīng)所述第四電子開關(guān)連接至所述脈寬調(diào)制整流器的直流負極輸出 端；所述第一二極管的正極和所述第二二極管的正極共接后連接至所述脈寬調(diào)制整流器的 直流負極輸出端；所述第三二極管的負極和所述第四二極管的負極共接后連接至所述脈寬 調(diào)制整流器的直流正極輸出端；所述第一電容的兩端分別連接在所述脈寬調(diào)制整流器的直 流正極輸出端和直流負極輸出端。
[0017] 上述的脈寬調(diào)制整流器由PI閉環(huán)控制器驅(qū)動，該PI閉環(huán)控制器具有四路脈寬調(diào) 制輸出信號，脈寬調(diào)制輸出信號分別驅(qū)動第一電子開關(guān)、第二電子開關(guān)、第三電子開關(guān)和第 四電子開關(guān)的門極。
[0018] 上述兩種脈寬調(diào)制整流器電路保證了電能的單向流動，實現(xiàn)了可取電電流正弦控 制和功率因數(shù)校正，完全消除了對電網(wǎng)的低次諧波注入，解決了由于架空線電流幅值變化 導(dǎo)致的充電電壓不穩(wěn)的問題，使得電力傳輸線路的電能質(zhì)量獲得了改善；由于取電器線圈 本身具有足夠的電感，無需增加額外的電感實現(xiàn)電流濾波，從而使系統(tǒng)的重量減輕、成本降 低。
[0019] 作為優(yōu)選，所述第一電子開關(guān)、第二電子開關(guān)、第三電子開關(guān)和第四電子開關(guān)可以 為各種現(xiàn)有的電子電力開關(guān)，如上述各電子開關(guān)可以為M0S場效應(yīng)管（M0SFET)或者PN結(jié) 型場效應(yīng)晶體管（JFET)或者三極管（BJT)或者絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)中的任意一種 或者組合。
[0020] 作為優(yōu)選，所述的架空輸電線的桿塔上安裝有絕緣體，所述絕緣體的上方設(shè)置有 所述的電能發(fā)射裝置，所述電能發(fā)射裝置的上方設(shè)置有可供無人機降落的停機平臺，其中， 所述電能發(fā)射裝置包括有多個間隔平行排列設(shè)置的磁片和繞設(shè)于所述磁片的磁槽內(nèi)的感 應(yīng)充電線圈。電能發(fā)射裝置使用多個磁片間隔設(shè)置的結(jié)構(gòu)，采用了輕量化磁芯設(shè)計，能夠減 少整體體積和重量，方便電能發(fā)射裝置安裝在架空線桿塔上，充分利用桿塔上的空間讓無 人飛機降落在電能發(fā)射裝置上充電。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點在于：提出了一種基于交流輸電架空線的電 動無人飛機充電系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機全自主的、安全的充電方式，從而擴大無人機飛行工作半 徑，不僅提升電動無人飛機續(xù)航里程，乃至在已鋪設(shè)架空交流輸電線的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無限續(xù)航， 而且還能夠減小無人機機載電池體積和重量；同時，由于從架空線上取得的電隨著電網(wǎng)負 載變化而變化，本申請的充電系統(tǒng)提供了 一種基于不穩(wěn)定交流電源的、高頻感應(yīng)恒電流式 充電電路，電能發(fā)射裝置和電能接收裝置之間可以采用無線傳輸方式實現(xiàn)無電極接觸充 電，不必拆卸電池而通過高頻感應(yīng)充電，完全實現(xiàn)無人化充電操作，減小無人機對地面基地 或移動基站的依賴，提高充電的智能化程度，減少人工作業(yè)，降低人力成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為本實用新型實施例的充電系統(tǒng)原理框圖。
[0023] 圖2為本實用新型實施例的取電裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖3為本實用新型實施例的取電裝置等效電路圖。
[0025] 圖4為本實用新型實施例的取電裝置安裝電路結(jié)構(gòu)示意圖之一。
[0026] 圖5為本實用新型實施例的取電裝置安裝電路結(jié)構(gòu)示意圖之二。
[0027] 圖6為本實用新型實施例的脈寬調(diào)制整流器電路結(jié)構(gòu)示意圖之一。
[0028] 圖7為本實用新型實施例的脈寬調(diào)制整流器電路結(jié)構(gòu)示意圖之二。
[0029] 圖8為本實用新型實施例的感應(yīng)充電電路的電路功能框圖。
[0030] 圖9為圖8所示高頻感應(yīng)充電電路的具體電路連接結(jié)構(gòu)圖之一。
[0031] 圖10為圖8所示高頻感應(yīng)充電電路的具體電路連接結(jié)構(gòu)圖之二。
[0032] 圖11為本實用新型實施例的電能發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖12為本實用新型實施例的脈寬調(diào)制整流器電路的控制原理圖。
[0034] 圖13為本實用新型實施例的高頻感應(yīng)充電電路的控制原理圖。

【具體實施方式】
[0035] 以下結(jié)合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。
[0036] 如圖1?13所示，本實施例涉及一種用于無人飛機的充電系統(tǒng)，該充電系統(tǒng)包括 有取電裝置1、電能發(fā)射裝置2、電能接收裝置3和機載電池4 ;取電裝置1安裝于架空輸電 線14上，架空輸電線14可以為通過電流的單股線組成的絞線或者可以為通過電流的不相 互絕緣的多股線組成的絞線；架空輸電線14的桿塔上安裝有絕緣體，絕緣體的上方設(shè)置有 電能發(fā)射裝置2,電能發(fā)射裝置2可以用于將工頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電用于無線充電， 也可以將工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電用于有線充電；取電裝置1通過交流母線將電能傳輸至 電能發(fā)射裝置2 ;電能發(fā)射裝置2的下方設(shè)置有絕緣板，電能發(fā)射裝置2的上方設(shè)置有可供 無人機降落的停機平臺，電能接收裝置3接收來自電能發(fā)射裝置2的電能，該電能接收裝置 3設(shè)置在無人飛機上，電能接收裝置3和電能發(fā)射裝置2之間可以通過有線或無線實現(xiàn)電能 傳輸；機載電池4設(shè)置于無人飛機上并給該無人飛機供電，并且，機載電池4串接在電能接 收裝置3的電流回路上。
[0037] 其中，取電裝置1采用模塊化設(shè)計，該取電裝置包括有兩個結(jié)構(gòu)相同且可對稱地 拼合于一起的獨立采電單元，每個采電單元包括有絕緣層13、磁芯11和相應(yīng)地繞設(shè)于該磁 芯11上的一組取電線圈12,參見圖2,兩個采電單元拼合后，由兩個半圈絕緣層13形成一 個封閉的絕緣環(huán)，兩個半圈磁芯11形成一個封閉的磁環(huán)，架空輸電線14穿設(shè)在整個絕緣環(huán) 的孔腔中，磁芯11套設(shè)于絕緣層13之外，即磁環(huán)套設(shè)于絕緣環(huán)之外，架空輸電線14位于絕 緣環(huán)的中心。
[0038] 本實施例的取電裝置共有兩組取電線圈12,每組取電線圈12具有兩個輸出端，如 圖3所示，為本實施例取電裝置的等效電路，該等效電路中的To即為架空輸電線14, Ta表 示取電裝置的其中一個采電單元中的取電線圈12, Tb表示取電裝置另一個采電單元中的 取電線圈12,位于To和Ta、Tb之間的為取電裝置的磁芯11，AP、AN為第一組取電線圈12 的兩個交流輸出端，BP、BN為第二組取電線圈12的兩個交流輸出端，由兩個獨立的采電單 元拼合后的取電裝置經(jīng)過整流器整流后具有四個交流輸出端。架空輸電線14的交流電流 在取電裝置的磁芯11中產(chǎn)生交流磁場，從而在兩組取電線圈12的輸出口 AP與AN、BP與BN 上產(chǎn)生相同的感應(yīng)電動勢。
[0039] 架空輸電線14上可以安裝多個取電裝置，多個取電裝置可以用串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接 以滿足不同的電壓、電流需求。如圖4所示，取電裝置的安架空輸電線14上間隔設(shè)置有多 個串聯(lián)連接的取電裝置。如圖5所示，架空輸電線14上間隔設(shè)置有多個并聯(lián)連接的取電裝 置。
[0040] 本實施例的電能發(fā)射裝置2和電能接收裝置3之間是采用無線送電方式實現(xiàn)感應(yīng) 充電，如圖8所示，電能發(fā)射裝置2包括有脈寬調(diào)制整流器21和高頻逆變器22,電能接收裝 置3的控制電路包括有高頻整流充電器31 ;取電裝置1的輸出端和脈寬調(diào)制整流器21的 輸入端相連，脈寬調(diào)制整流器21輸出端和高頻逆變器22的輸入端相連，脈寬調(diào)制整流器21 和高頻逆變器22之間為直流連接；電能發(fā)射裝置2和電能接收裝置3之間通過高頻感應(yīng)變 壓器Tc實現(xiàn)無線電能傳輸。其中，高頻感應(yīng)變壓器Tc包括有初級無線送電線圈23、次級無 線受電線圈32、初級無線送電磁芯24和次級無線受電磁芯33,初級無線送電磁芯24和次 級無線受電磁芯33可以是導(dǎo)磁材料或者是空氣。
[0041] 其中，脈寬調(diào)制整流器21可以采用以下兩種電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)：該脈寬調(diào)制整流器21 包括有直流正極輸出端DC+、直流負極輸出端DC-、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極 管D3、第四二極管D4、第一電容C1、第一電子開關(guān)K1、第二電子開關(guān)K2、第三電子開關(guān)K3和 第四電子開關(guān)K4 ;取電裝置的第一交流輸出端AP的一路和第一二極管D1的正極相連，另 一路經(jīng)第一電子開關(guān)K1連接至脈寬調(diào)制整流器21的直流負極輸出端DC-;取電裝置的第 二交流輸出端AN的一路和第二二極管D2的正極相連，另一路經(jīng)第二電子開關(guān)K2連接至脈 寬調(diào)制整流器21的直流負極輸出端DC-;取電裝置的第三交流輸出端BP的一路和第三二 極管D3的正極相連，另一路經(jīng)第三電子開關(guān)K3連接至脈寬調(diào)制整流器21的直流負極輸出 端DC-;取電裝置的第四交流輸出端BN的一路和第四二極管D4的正極相連，另一路經(jīng)第四 電子開關(guān)K4連接至脈寬調(diào)制整流器21的直流負極輸出端DC-;第一二極管D1的負極、第 二二極管D2的負極、第三二極管D3的負極和第四二極管D4的負極共接后連接至脈寬調(diào)制 整流器21的直流正極輸出端DC+ ;第一電容C1的兩端分別連接在脈寬調(diào)制整流器21的直 流正極輸出端DC+和直流負極輸出端DC-。
[0042] 脈寬調(diào)制整流器21的另一種電路連接結(jié)構(gòu)為：取電裝置的第一交流輸出端AP的 一路和第一二極管D1的負極相連，另一路經(jīng)第一電子開關(guān)K1連接至脈寬調(diào)制整流器21的 直流正極輸出端DC+ ;取電裝置的第二交流輸出端AN的一路和第二二極管D2的負極相連， 另一路經(jīng)第二電子開關(guān)K2連接至脈寬調(diào)制整流器21的直流正極輸出端DC+ ;取電裝置的 第三交流輸出端BP的一路和第三二極管D3的正極相連，另一路經(jīng)第三電子開關(guān)K3連接 至脈寬調(diào)制整流器21的直流負極輸出端DC-;取電裝置的第四交流輸出端BN的一路和第 四二極管D4的正極相連，另一路經(jīng)第四電子開關(guān)K4連接至脈寬調(diào)制整流器21的直流負極 輸出端DC-;第一二極管D1的正極和第二二極管D2的正極共接后連接至脈寬調(diào)制整流器 21的直流負極輸出端DC-;第三二極管D3的負極和第四二極管D4的負極共接后連接至脈 寬調(diào)制整流器21的直流正極輸出端DC+ ;第一電容C1的兩端分別連接在脈寬調(diào)制整流器 21的直流正極輸出端DC+和直流負極輸出端DC-。
[0043] 上述脈寬調(diào)制整流器21電路中的第一電子開關(guān)K1、第二電子開關(guān)K2、第三電子開 關(guān)K3和第四電子開關(guān)K4為電力電子開關(guān)器件，可以是M0S場效應(yīng)管（M0SFET)或者PN結(jié) 型場效應(yīng)晶體管（JFET)或者三極管（BJT)或者絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)中的任意一種 或者組合。
[0044] 上述兩種脈寬調(diào)制整流器21電路都保證了電能只能從交流側(cè)流入到直流側(cè)，而 不可以反向流動，這對于維持電網(wǎng)穩(wěn)定非常重要。
[0045] 同時，抑制注入交流電網(wǎng)側(cè)的諧波也非常的重要，為此，上述兩種脈寬調(diào)制整流器 21電路的實現(xiàn)形式都可以使用同一種控制原理，以實現(xiàn)控制直流輸出電壓和消除電網(wǎng)側(cè)諧 波的目的。抑制諧波的控制原理圖參見圖12,電壓調(diào)節(jié)器使用PI閉環(huán)控制器，電流調(diào)節(jié)器 也使用PI閉環(huán)控制器，該PI閉環(huán)控制器具有四路脈寬調(diào)制輸出信號，脈沖寬度調(diào)制（PWM) 模塊的輸出門級驅(qū)動信號驅(qū)動脈寬調(diào)制整流器21中的四個電子開關(guān)，即PI閉環(huán)控制器的 脈寬調(diào)制輸出信號分別連接至第一電子開關(guān)K1、第二電子開關(guān)K2、第三電子開關(guān)K3和第四 電子開關(guān)Κ4這四個電子開關(guān)的門級。在這一控制方式下，上述兩種脈寬調(diào)制整流器21的 交流輸入端口 ΑΡ與AN、ΒΡ與ΒΝ會分別出現(xiàn)相位剛好相反的二次諧波分量，由于相位正好 相反所以這些二次諧波分量會在取電裝置的磁芯11中互相抵消，使得只有正弦波作用于 架空輸電線14,而不會有諧波注入架空輸電線14,保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和輸電質(zhì)量。
[0046] 本實施例可以選擇兩種高頻感應(yīng)充電電路，第一種是非諧振式感應(yīng)充電電路，參 見圖9,具體地，商頻逆變器22包括有第五電子開關(guān)K5、第六電子開關(guān)K6、第七電子開關(guān)K7 和第八電子開關(guān)K8,高頻整流充電器31包括有第九電子開關(guān)K9、第十電子開關(guān)K10、第十一 電子開關(guān)K11、第十二電子開關(guān)K12、第二電容C2和第一電感L1 ;脈寬調(diào)制整流器21包括 有直流正極輸出端DC+和直流負極輸出端DC-;
[0047] 其中，脈寬調(diào)制整流器21的直流正極輸出端DC+ -路經(jīng)第五電子開關(guān)K5連接至 高頻感應(yīng)變壓器Tc的初級無線送電線圈23第一輸入端，另一路經(jīng)第六電子開關(guān)K6連接至 高頻感應(yīng)變壓器Tc的初級無線送電線圈23的第二輸入端；脈寬調(diào)制整流器21的直流負 極輸出端DC- -路經(jīng)第七電子開關(guān)K7連接至高頻感應(yīng)變壓器Tc的初級無線送電線圈23 第一輸入端，另一路經(jīng)第八電子開關(guān)K8連接至高頻感應(yīng)變壓器Tc的初級無線送電線圈23 第二輸入端；高頻感應(yīng)變壓器Tc的次級無線受電線圈32第一輸入端一路經(jīng)第十電子開關(guān) K10和第二電容C2的一端相連，另一路經(jīng)第十二電子開關(guān)K12和第二電容C2的另一端相 連，高頻感應(yīng)變壓器Tc的次級無線受電線圈32第二輸入端一路經(jīng)第九電子開關(guān)K9和第二 電容C2的一端相連，另一路經(jīng)第^ 電子開關(guān)K11和第二電容C2的另一端相連；第二電容 C2的一端經(jīng)第一電感L1和機載電池4的正極相連，第二電容C2的另一端連接機載電池4 的負極。
[0048] 非諧振式感應(yīng)充電電路適用于高頻感應(yīng)變壓器Tc的無線受電磁芯的磁導(dǎo)率高、 漏磁少的情況，該非諧振式感應(yīng)充電電路的控制原理如圖13所示：圖中的相角調(diào)節(jié)器是PI 閉環(huán)控制器，高頻逆變器22中的四個電子開關(guān)以固定的頻率（Fs赫茲）和50%占空比進行 高速開關(guān)，產(chǎn)生高頻電壓激勵高頻感應(yīng)變壓器Tc的初級無線送電線圈23,由此在初級無線 送電磁芯24、次級無線受電磁芯33中產(chǎn)生高頻磁鏈，并在次級無線受電線圈32中感應(yīng)產(chǎn)生 同樣頻率的電動勢。高頻整流充電器31中的四個電子開關(guān)也以固定的Fs赫茲和50%占空 比進行高速開關(guān)，通過控制高頻整流充電器31產(chǎn)生的高頻電壓波形相對于高頻逆變器22 產(chǎn)生的高頻電壓波形的相角，實現(xiàn)對機載電池4的恒流充電。
[0049] 當(dāng)無人機與充電平臺的磁耦合不緊密，就必須使用第二種諧振式感應(yīng)充電電路。 諧振式感應(yīng)充電電路與非諧振式感應(yīng)充電電路在結(jié)構(gòu)上的不同點在于：（1)增加了諧振電 容；（2)高頻感應(yīng)變壓器Tc的無線受電磁芯的磁導(dǎo)率較低，漏磁較大。
[0050] 具體地，參見圖10,基本電路連接結(jié)構(gòu)和圖9所示相同，所不同的是在原圖9的高 頻逆變器22電路的基礎(chǔ)上增設(shè)第三電容C3作為諧振電容，該第三電容C3 -端和高頻感應(yīng) 變壓器Tc的初級無線送電線圈23第二輸入端相連，第三電容C3的另一端經(jīng)第八電子開關(guān) K8和脈寬調(diào)制整流器21的直流負極輸出端DC-相連。
[0051] 上述兩種感應(yīng)充電電路中的第五?第十二電子開關(guān)K12均為電力電子開關(guān)器件， 可以是M0S場效應(yīng)管（M0SFET)或者PN結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET)或者三極管（BJT)或者絕 緣柵雙極型晶體管（IGBT)中的任意一種或者組合；第二電容C2為濾波電容，第一電感L1 為濾波電感，從第一電感L1流入機載電池4的電流即直流充電點電流。
[0052] 諧振式感應(yīng)充電電路的控制方式與非諧振式感應(yīng)充電電路基本相同，除了一點： 即開關(guān)頻率Fs需要根據(jù)系統(tǒng)諧振點設(shè)置，諧振點取決于具體安裝的系統(tǒng)中高頻感應(yīng)變壓 器Tc的初級無線送電線圈23和次級無線受電線圈32的電感值和第三電容C3 (諧振電容） 的電容值。
[0053] 本實施例的電能發(fā)射裝置2包括有多個間隔平行排列設(shè)置的磁片24'和繞設(shè)于磁 片24'的磁槽內(nèi)的感應(yīng)充電線圈23'，磁片24'相當(dāng)于高頻感應(yīng)變壓器Tc的初級無線送電 磁芯24,感應(yīng)充電線圈23'相當(dāng)于高頻感應(yīng)變壓器Tc的初級無線送電線圈23,參見圖11， 多個磁片24'彼此之間隔開一定距離而構(gòu)成龍骨結(jié)構(gòu)，以此減輕電能發(fā)射裝置2的總重量， 感應(yīng)充電線圈23'纏繞在磁片24'的磁槽中。
[0054] 本實施例的電能發(fā)射裝置2還集成有自動發(fā)熱除雪功能，高頻逆變器22向高頻感 應(yīng)變壓器Tc的初級無線送電線圈23施加高頻電壓，使高頻感應(yīng)變壓器Tc的初級無線送電 線圈23由于自身電阻發(fā)熱，同時使高頻感應(yīng)變壓器Tc的初級無線送電磁芯24由于自身磁 芯損耗發(fā)熱，達到讓位于電能發(fā)射裝置2上方的停機平臺上的積雪融化的目的。
[0055] 本實施例實現(xiàn)了無人飛機的自動充電，擴大了無人飛機的飛行半徑，減少了人工 作業(yè)的參與，提高了無人飛機充電的智能化程度。由于采用了新型的取電裝置結(jié)構(gòu)，通過兩 個相互之間電路獨立、電磁耦合的單匝變壓器對架空輸電線14進行采電，從而實現(xiàn)了更為 靈活多樣的電路結(jié)構(gòu)，方便生產(chǎn)安裝和維護；這種新型的取電裝置結(jié)合本實施例的脈寬調(diào) 制整流器電路以及高頻感應(yīng)充電電路，有效地解決了無人飛機在充電時由于架空輸電線14 電流幅值變化導(dǎo)致的充電電壓不穩(wěn)的問題，同時還解決了電網(wǎng)側(cè)諧波抑制的問題，保證了 電網(wǎng)工作的可靠性和穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于無人飛機的充電系統(tǒng)，其特征在于：該充電系統(tǒng)包括有 取電裝置（1)，安裝于架空輸電線（14)上； 電能發(fā)射裝置（2)，將工頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，該電能發(fā)射裝置（2)安裝在架空 輸電線（14)的桿塔上，所述取電裝置（1)通過交流母線將電能傳輸至所述電能發(fā)射裝置 (2)； 電能接收裝置（3)，接收來自所述電能發(fā)射裝置（2)的電能，該電能接收裝置（3)設(shè)置 在無人飛機上，所述電能接收裝置（3)和所述電能發(fā)射裝置（2)之間通過無線實現(xiàn)電能傳 輸；以及 機載電池（4)，設(shè)置于無人飛機上并給該無人飛機供電，所述的機載電池（4)串接在所 述電能接收裝置（3)的電流回路上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無人飛機的充電系統(tǒng)，其特征在于：所述的架空輸電線 (14)上安裝有多個所述取電裝置（1)，所述取電裝置（1)的輸出端之間通過串聯(lián)或并聯(lián)方 式連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無人飛機的充電系統(tǒng)，其特征在于：所述的取電裝置包 括有兩個結(jié)構(gòu)相同且可對稱地拼合于一起的采電單元，每個采電單元包括有絕緣層（13)、 磁芯（11)和相應(yīng)地繞設(shè)于所述磁芯（11)上的一組取電線圈（12)，每組取電線圈（12)具有 兩個輸出端，所述取電裝置經(jīng)整流器整流后具有四個交流輸出端，所述架空輸電線（14)穿 設(shè)在由兩個所述采電單元的絕緣層（13)拼合后形成的孔腔中，所述磁芯（11)套設(shè)于所述 絕緣層（13)之外。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于無人飛機的充電系統(tǒng)，其特征在于：所述電能發(fā)射裝置 (2)包括有脈寬調(diào)制整流器（21)和高頻逆變器（22)，所述取電裝置（1)的輸出端和所述 脈寬調(diào)制整流器（21)的輸入端相連，所述脈寬調(diào)制整流器（21)輸出端和所述高頻逆變器 (22)的輸入端相連，所述脈寬調(diào)制整流器（21)和高頻逆變器（22)之間為直流連接；所述 電能接收裝置（3)的控制電路包括有高頻整流充電器（31);所述電能發(fā)射裝置（2)和電能 接收裝置（3)之間通過高頻感應(yīng)變壓器（Tc)實現(xiàn)無線電能傳輸。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于無人飛機的充電系統(tǒng)，其特征在于：所述脈寬調(diào)制整流 器（21)包括有直流正極輸出端（DC+)、直流負極輸出端（DC-)、第一二極管（D1)、第二二極 管（D2)、第三二極管（D3)、第四二極管（D4)、第一電容（C1)、第一電子開關(guān)（K1)、第二電子 開關(guān)（K2)、第三電子開關(guān)（K3)和第四電子開關(guān)（K4); 其中，所述取電裝置的第一交流輸出端（AP)的一路和所述第一二極管（D1)的正極 相連，另一路經(jīng)所述第一電子開關(guān)（K1)連接至所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流負極輸 出端（DC-);所述取電裝置的第二交流輸出端（AN)的一路和所述第二二極管（D2)的正極 相連，另一路經(jīng)所述第二電子開關(guān)（K2)連接至所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流負極輸出 端（DC-);所述取電裝置的第三交流輸出端（BP)的一路和所述第三二極管（D3)的正極相 連，另一路經(jīng)所述第三電子開關(guān)（K3)連接至所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流負極輸出 端（DC-);所述取電裝置的第四交流輸出端（BN)的一路和所述第四二極管（D4)的正極相 連，另一路經(jīng)所述第四電子開關(guān)（K4)連接至所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流負極輸出端 (DC-);所述第一二極管（D1)的負極、所述第二二極管（D2)的負極、所述第三二極管（D3) 的負極和所述第四二極管（D4)的負極共接后連接至所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流正極 輸出端（DC+);所述第一電容（Cl)的兩端分別連接在所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流正 極輸出端（DC+)和直流負極輸出端（DC-)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于無人飛機的充電系統(tǒng)，其特征在于：所述脈寬調(diào)制整流 器（21)包括有直流正極輸出端（DC+)、直流負極輸出端（DC-)、第一二極管（D1)、第二二極 管（D2)、第三二極管（D3)、第四二極管（D4)、第一電容（C1)、第一電子開關(guān)（K1)、第二電子 開關(guān)（K2)、第三電子開關(guān)（K3)和第四電子開關(guān)（K4); 其中，所述取電裝置的第一交流輸出端（AP)的一路和所述第一二極管（D1)的負極 相連，另一路經(jīng)所述第一電子開關(guān)（K1)連接至所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流正極輸出 端（DC+);所述取電裝置的第二交流輸出端（AN)的一路和所述第二二極管（D2)的負極相 連，另一路經(jīng)所述第二電子開關(guān)（K2)連接至所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流正極輸出 端（DC+);所述取電裝置的第三交流輸出端（BP)的一路和所述第三二極管（D3)的正極相 連，另一路經(jīng)所述第三電子開關(guān)（K3)連接至所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流負極輸出 端（DC-);所述取電裝置的第四交流輸出端（BN)的一路和所述第四二極管（D4)的正極相 連，另一路經(jīng)所述第四電子開關(guān)（K4)連接至所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流負極輸出端 (DC-);所述第一二極管（D1)的正極和所述第二二極管（D2)的正極共接后連接至所述脈寬 調(diào)制整流器（21)的直流負極輸出端（DC-);所述第三二極管（D3)的負極和所述第四二極 管（D4)的負極共接后連接至所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流正極輸出端（DC+);所述第 一電容（C1)的兩端分別連接在所述脈寬調(diào)制整流器（21)的直流正極輸出端（DC+)和直流 負極輸出端（DC-)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的用于無人飛機的充電系統(tǒng)，其特征在于：所述第一電子 開關(guān)（K1)、第二電子開關(guān)（K2)、第三電子開關(guān)（K3)和第四電子開關(guān)（K4)為MOS場效應(yīng)管 或者PN結(jié)型場效應(yīng)晶體管或者三極管或者絕緣柵雙極型晶體管的任意一種或組合。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無人飛機的充電系統(tǒng)，其特征在于：所述的架空輸電線 (14)的桿塔上安裝有絕緣體，所述絕緣體的上方設(shè)置有所述的電能發(fā)射裝置（2)，所述電 能發(fā)射裝置（2)的上方設(shè)置有可供無人機降落的停機平臺，其中，所述電能發(fā)射裝置（2)包 括有多個間隔平行排列設(shè)置的磁片（24'）和繞設(shè)于所述磁片（24'）的磁槽內(nèi)的感應(yīng)充電 線圈（23'）。
【文檔編號】H02M5/458GK203871930SQ201420119513
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】王洋, 李大鵬, 蔣棟 申請人:王洋, 李大鵬, 蔣棟, 張碩