基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置和系统

1.本发明涉及无线电能传输技术领域，尤其涉及一种基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置和系统。


背景技术：

2.随着无人机技术的发展，无人机因其自主飞行、机动灵活、视野全面、设备搭载便捷等诸多优势，不仅在军事中具有极其重要的作用，在民用领域更有广阔的前景。近年来，无人机开始在民用市场崭露头角，并已在电力巡检、农林植保、城市安防等领域有诸多应用，且具备较为可观的市场规模前景。
3.但是由于电池的容量、使用寿命等技术水平限制，无人机的续航能力提升一直是一个技术挑战。无人机大多采用有线插头或者更换电池的方式来实现充电，但无人机的续航时间很短，很难超过一个小时，而多次进行插拔式充电或更换电池极不方便，且由于野外复杂地理环境及气象条件，市电网络的接入存在较大难度，电池更换较为繁琐，并不能解决续航能力短的问题。
4.目前，磁耦合谐振式无线输电技术是一种新型的能量传输技术。该技术可使无人机充电摆脱线路的限制，实现无人机与电源完全分离，极大提升了无人机续航的灵活性、安全性等要求，让户外条件下的供电变得更为简洁和方便，同时也避免了常见的诸如电线老化短路、插座进水等原因而引发的电路故障。
5.结合新型的磁耦合谐振式无线传能技术，面向自主作业无人机灵活、安全、高效的无限功率适应性传输需求，在无人机静态化无线充电的基础上，探索无人机空中悬停动态耦合扰动下的无线电能传输机理是目前研究的热点。针对无人机动态耦合下的抗偏移性能的提升，构建满足无人机悬停位置偏差的耦合系统高效传能策略，搭建高适应性全向多接收端野外无线充电平台，实现高供电自由度下的无人机高效快捷充电，是无人机无线充电领域面临的技术挑战。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提供一种基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，该装置基于矩阵式供电阵列的多元矩阵式供电线圈阵列，基于悬停位置偏差的受电线圈精准位置识别电磁信号传感器，基于供电线圈阵列灵活扩展的高适应激活单元，基于用于实现各通道输出功率的实时调控并实现大功率输出的聚合输出控制单元，以及基于用于消除各通道之间的功率抵消和环流状况并实现均流预测控制的均流预测控制单元，可实现对高机动性自主作业无人机的快速补能。
7.本发明的第二个目的在于提供一种基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输系统。
8.为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
9.一种基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，包括依次连接的直流电压源和多通道无线传能单元，每一通道无线传能单元包括依次连接的变换器、用以消除供电线圈交叉耦合的补偿单元和所述供电线圈，其中，所述多通道无线传能单元中的各个所述供电线圈形成供电线圈阵列，所述供电线圈阵列用于将所述变换器变换后的电能无线传输至无人机的多个接收端的受电线圈，以向所述无人机无线供电。
10.可选的，所述供电线圈阵列上设置有至少三个电磁信号传感器，无线电能传输装置通过三个电磁信号传感器识别受电线圈内部永磁体的磁场，并根据三个电磁信号传感器的磁场范围识别结果确定受电线圈所在接收端的降落位置。
11.可选的，该装置还包括：激活单元，与所述供电线圈阵列连接，用于在确定所述接收端位于有效充电区域时，激活检测到最大永磁体磁场信号的供电线圈进行供电。
12.可选的，所述激活单元还用于在所述接收端位于相邻供电线圈中间位置或者四供电线圈中间位置时，同时激活两相邻供电线圈或者四供电线圈进行供电。
13.可选的，每一通道无线传能单元还包括：聚合输出控制单元，分别与相应的变换器和供电线圈连接，用于实现各通道输出功率的实时调控，并实现大功率输出。
14.可选的，所述聚合输出控制单元包括：
15.相位差动态辨识模块，分别与相应的变换器和供电线圈连接，用于采集相应供电线圈的电流和相应变换器的输出电压，并计算得到相应供电线圈的电流和相应变换器的输出电压之间的相位角差值；
16.增益动态辨识模块，与所述供电线圈连接，用于采集相应供电线圈的电流，并计算得到相应通道负载端的输出电流；
17.第一pi控制模块，与所述相位差动态辨识模块连接，用于将实时计算的所述相位角差值与预设相位角差值进行比较，并计算得到时序导通控制角；
18.第二pi控制模块，与所述增益动态辨识模块连接，用于将实时计算的相应通道负载端的输出电流与预设电流进行比较，并计算得到变换器移相控制角；
19.移相调制控制模块，分别与所述第一pi控制模块、所述第二pi控制模块和相应的所述变换器连接，用于根据所述时序导通控制角和所述变换器移相控制角输出调节信号，以通过所述调节信号调节相应变换器中各个开关管的控制信号时序和占空比，以实现相应通道输出功率的实时调控。
20.可选的，每一通道无线传能单元还包括：均流预测控制单元，与相应通道的所述变换器连接，用于消除各通道之间的功率抵消和环流状况，实现均流预测控制。
21.可选的，所述均流预测控制单元包括：
22.相位比较器，与相应通道的所述变换器连接，用于采集相应通道的所述变换器的输出电压和输出电流信息，并计算得到相应接收端电流的相位；
23.幅值比较器，与相应通道的所述变换器连接，用于采集相应通道的所述变换器的输出电压和输出电流信息，并计算得到相应接收端电流的幅值；
24.第三pi控制模块，与所述相位比较器连接，用于将实时计算的相应接收端电流的相位与期望输出相位值进行比较，并输出相位比较信号；
25.第四pi控制模块，与所述幅值比较器连接，用于将实时计算的相应接收端电流的幅值与期望输出幅值进行比较，并输出幅值比较信号；
26.移相脉冲调制发生器，分别与所述第三pi控制模块和所述第四pi控制模块连接，用于根据所述相位比较信号和所述幅值比较信号输出调控信号；
27.模块化功率变换模块，分别与所述移相脉冲调制发生器和相应通道的所述变换器连接，所述移相脉冲调制发生器通过所述调控信号调节所述模块化功率变换模块中的开关管的时序和占空比，以调节相应通道的变换器输出电压、输出电流的幅值和相位，实现均流预测控制。
28.可选的，所述供电线圈阵列为矩形阵列，所述供电线圈为圆角矩形结构。
29.为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输系统，包括：
30.无人机，包括多个接收端，每一所述接收端内设置有受电线圈；以及，
31.如上述所述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，所述无线电能传输装置用于通过多通道无线传能单元向各受电线圈传输电能，以向所述无人机供电。
32.本发明至少具有以下技术效果：
33.1、本发明中的供电线圈阵列由多个供电线圈集成，呈矩阵式排列，其中，供电线圈结构采用圆角矩形，有助于减少漏磁和环流现象，形成均匀磁场，从而保证无人机停靠于充电平台的任意位置，都能与无线充电平台建立磁场产生高效耦合，并且本发明采用补偿单元可消除供电线圈交叉耦合，另外本发明采用的供电线圈阵列为可扩展式多元矩阵线圈阵列，其易于解决因接收端和发射端线圈大小不一致引起的传输效率低、系统抗偏移韧性差的问题。
34.2、本发明中的供电线圈阵列上设置有多个电磁信号传感器，该无线电能传输装置通过三个电磁信号传感器对受电线圈内部永磁体的磁场进行识别，并可根据三个电磁信号传感器的磁场范围识别结果实现受电线圈所在接收端的具体降落位置的精准识别。
35.3、本发明中的激活单元可在确定接收端位于有效充电区域时，激活检测到最大永磁体磁场信号的供电线圈进行供电，以及在接收端位于相邻供电线圈中间位置或者四供电线圈中间位置时，同时激活两相邻供电线圈或者四供电线圈进行供电，从而实现供电线圈的自适应供电控制。
36.4、本发明通过多通道无线传能单元和聚合输出控制单元中的具体结构，以及相应的多通道聚合系统功率输出控制策略，可实现多接收端并联模块的大功率输出，并有利于提高大功率密度整流稳压过程稳定性。
37.5、本发明中的均流预测控制单元通过计算多通道接收端电流的幅值和相位关系，采用基于发射端电气参量的信息和基于递归未知参数识别的接收端电流幅值和相位在线估计策略，相比于传统的输出阻抗调节法和平均电流法，所述均流预测控制单元不需通过改变外部条件来达到调节目的，可在多通道能量传输过程中自动调整供电端输出容量，消除各个通道模块之间的环流，实现均流预测控制，从而可解决接收端电流分配不均和环流问题。
38.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
39.图1为本发明实施例的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置的工作原理图。
40.图2为本发明实施例的无线电能传输装置的传输过程示意图。
41.图3为本发明实施例的矩阵式供电网络的搭建流程示意图。
42.图4为本发明实施例的电磁信号传感器的定位示意图。
43.图5为本发明实施例的聚合输出控制单元调控工作原理图。
44.图6为本发明实施例的均流预测控制单元的控制原理示意图。
具体实施方式
45.下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
46.下面参考附图描述本实施例的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置和系统。
47.图1为本发明实施例的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置的工作原理图。如图1所示，该基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置包括依次连接的直流电压源和多通道无线传能单元如n个通道无线传能单元，每一通道无线传能单元包括依次连接的变换器、用以消除供电线圈交叉耦合的补偿单元和供电线圈，其中，多通道无线传能单元中的各个供电线圈形成供电线圈阵列，供电线圈阵列用于将变换器变换后的电能无线传输至无人机的多个接收端的受电线圈，以向无人机无线供电。
48.具体的，本实施例的无线电能传输装置应用于基于悬停动态耦合扰动下的无人机野外作业，其传输过程示意图如图2所示，其中，供电线圈采用矩形阵列布置，相邻供电线圈所在的供电单元之间采用无源元件构成的t型补偿单元与等效回路耦合相结合的供电网络简化调谐拓扑，以消除多元协同离散线圈工况下的交叉耦合问题。
49.本实施例中，将高功率发射密度单元线圈即供电线圈采用如图3所示的阵列构建思路搭建矩阵式供电网络，且供电线圈采用圆角矩形单元结构，可减少漏磁，环流等现象，有利于矩阵网络的灵活扩展，并有助于形成均匀磁场，从而保证无人机停靠于充电平台的任意位置，都能与无线充电平台建立磁场产生高效耦合。
50.具体而言，如图3所示，对供电线圈进行单元优化得到绕组，然后对绕组进行绕组组合扩展优化和离散耦合协同运行方式优化得到双供电线圈结构，再进行矩阵运行优化得到所述供电供电线圈阵列。需要说明的是，该供电供电线圈阵列为传能容量灵活扩展的多解耦供电阵列，该阵列具有高度灵活的可扩展性，可扩展到任意尺寸。在聚焦于多接收端非对称耦合线圈的无人机无线供电技术中，采用该可扩展式多元矩阵线圈阵列即所述供电线圈阵列，可易于解决因接收端和发射端线圈大小不一致引起的传输效率低、系统抗偏移韧性差的问题。
51.进一步的，本实施例还围绕无人机多接收端端能量聚合需要，建立了多通道智能聚合策略，该多通道智能聚合策略具体通过下文中的聚合输出控制单元实现。
52.本实施例中，为实现离散耦合协同运行方式和多接收端全向高功率密度供电，本
实施例分析了离散单元及多元协同线圈传输特性，探明了多元绕组组合有效运行机制，在典型谐振匹配网络的基础上建立了高适应性多传能通道矩阵供电网络解耦方法，为建立多通道功率流分布智能聚合提供技术基础。
53.具体而言，根据灵活矩阵供电阵列即所述供电线圈阵列，建立多尺寸、多类型绕组磁场耦合解析和有限元模型，得到绕组组合耦合离散单元线圈结构参数，然后确定基于矩阵供电网络和多轻量受电线圈的智能传能通道离散解耦方法，并根据所述的解耦方法，分析多通道分时交互信息传输特性，建立适应多通道传输的系统拓扑结构，然后通过下述的聚合输出控制单元实现多通道智能聚合策略，以实现多接收端并联模块的大功率输出，并有利于提高大功率密度整流稳压过程稳定性。
54.进一步的，本实施例的供电线圈阵列上设置有至少三个电磁信号传感器，无线电能传输装置通过三个电磁信号传感器识别受电线圈内部永磁体的磁场，并根据三个电磁信号传感器的磁场范围识别结果确定受电线圈所在接收端的降落位置。
55.其中，该装置还包括激活单元，其与供电线圈阵列连接，用于在确定接收端位于有效充电区域时，激活检测到最大永磁体磁场信号的供电线圈进行供电。该激活单元还用于在接收端位于相邻供电线圈中间位置或者四供电线圈中间位置时，同时激活两相邻供电线圈或者四供电线圈进行供电。
56.作为一个示例，无人机准备降落充电后，无人机自带gps(全球定位系统)导航系统识别充电平台的大致空间坐标位置，充电请求信息发送至omc(无人机操作和维护中心)，omc指挥无人机降落在充电平台区域，电磁信号传感器通过识别接收线圈内部永磁体的磁场，判断无人机多接收端降落的具体位置，并将磁场信号转化为电信号传递至供电线圈继电器，供电线圈继电器通电后激活相应的供电线圈单元，以进行无线供电。
57.其中，电磁信号传感器的定位示意图如图4所示，所述可灵活扩展的矩阵式供电线圈阵列以四个供电线圈单元为基准，鉴于永磁体激发磁场范围和电磁信号传感器可检测范围，可设置如图4所示的有效充电区域，其中，在矩形虚线区域以外的线圈部分为无效充电区域，另外图4中的接收线圈降落位置即为受电线圈或其所在的接收端的降落位置，且图4中的r1～r3分别为各电磁信号传感器确定目标时对应检测范围的检测半径。
58.进一步的，在无人机多接收端降落至充电平台后，以其中一个接收端降落为例，如图4所示，距离接收端降落位置最近的一个电磁信号传感器检测到永磁体激发的磁场后，相邻两供电线圈电磁信号传感器同时定位永磁体位置，其中，处于对角线位置的电磁信号传感器不激活，然后通过三个电磁信号传感器的定位，可定位接收端的具体位置，若此接收端位于有效充电区域，则激活单元激活其中检测到最大永磁体磁场信号的供电线圈单元。需要说明的是，该供电线圈单元包括供电线圈。可以理解的是，该供电线圈单元还包括与供电线圈连接的开关，例如激活所述开关导通，以激活所述供电线圈单元中的供电线圈向所述接收端传输电能。
59.本实施例中，当接收端处于相邻供电线圈中间位置和四线圈中间位置的特殊情况时，激活单元可同时激活两相邻供电线圈或四供电线圈进行供电，从而实现供电线圈的自适应供电控制。
60.进一步的，在该无线电能传输装置中，由供电线圈阵列和受电线圈组成的单能量传输通道在大功率运行时，不可避免地面临较高电气应力和泄露磁场，鉴于此，本实施例可
基于系统场路耦合模型，通过计算单传能通道在能量耗散安全边界下的功率限值，建立传能容量灵活扩展的多通道智能聚合输出控制系统，即上述的聚合输出控制单元。
61.本实施例中，每一通道无线传能单元还包括所述聚合输出控制单元，其分别与相应的变换器和供电线圈连接，用于实现各通道输出功率的实时调控，并实现大功率输出。
62.该聚合输出控制单元包括：相位差动态辨识模块、增益动态辨识模块、第一pi(比例积分)控制模块、第二pi控制模块和移相调制控制模块，相位差动态辨识模块分别与相应的变换器和供电线圈连接，增益动态辨识模块与相应的供电线圈连接，第一pi控制模块与相位差动态辨识模块连接，第二pi控制模块与增益动态辨识模块连接，移相调制控制模块分别与第一pi控制模块、第二pi控制模块和相应的变换器连接。其中，相位差动态辨识模块用于采集相应供电线圈的电流和相应变换器的输出电压，并计算得到相应供电线圈的电流和相应变换器的输出电压之间的相位角差值。增益动态辨识模块用于采集相应供电线圈的电流，并计算得到相应通道负载端的输出电流。第一pi控制模块用于将实时计算的相位角差值与预设相位角差值进行比较，并计算得到时序导通控制角，第二pi控制模块用于将实时计算的相应通道负载端的输出电流与预设电流进行比较，并计算得到变换器移相控制角。移相调制控制模块用于根据时序导通控制角和变换器移相控制角输出调节信号，以通过调节信号调节相应变换器中各个开关管的控制信号时序和占空比，以实现相应通道输出功率的实时调控。
63.图5为本发明实施例的聚合输出控制单元调控工作原理图。如图5所示，该聚合输出控制单元调控工作原理图描述了无人机实现多通道恒定功率充电的具体控制流程，图中每个传能通道输出功率调控策略均一致，并通过无线通信模块连接，进而实现无人机无线充电多通道输出智能联动调控。鉴于图中每个通道输出功率控制流程一致，所以本示例仅以通道n控制流程为例描述其信号传递过程及参数含义。首先，动态辨识模块通过实时采集供电线圈电流i
pn
和变换器输出电压u
invn
来计算出两个参量之间的相位角差值和相应通道负载端的输出电流i
on
，再通过两个pi控制模块分别将实时计算值与该通道预先设定的预设电流i
on-set
和预设相位角差值进行差值比较，计算得到变换器移相控制角αn在和时序导通控制角θn，移相调制控制模块在接收到两pi控制模块输出的控制角调控参数后，输出调节信号，以调节相应变换器中各个开关管的控制信号时序和占空比，进而达到调整变换器输出电压幅值和相位的目的，从而实现对传能通道输出功率的实时调控。
64.需要说明的是，图5中的无人机机载端还设置整流电压模块，该整流电压模块对接收的电能进行整流稳压后，向蓄电池供电，其中蓄电池通过机载端设置的bms(电池管理系统)进行电池管理。本实施例中，无人机机载端通过设置整流电压模块，可便于实现对蓄电池的稳定补电。
65.本实施例中，该无线电能传输装置围绕无人机动态悬停耦合扰动下多接收端供能需求，通过建立多传能通道系统等效电路模型，分析多通道聚合传输输出功率及环流特性，推导了多通道聚合系统最大效率传输条件，进而建立了供电通道分离等效数学模型，并通过推导系统端口激励响应映射规律，构建了基于源端电气参量的系统输入输出增益与相位差动态辨识模型。其次，通过推导系统动态变量如互感、储能负载等未知量表达式。最后，基于递推最小二乘法和供电端电气量采集，采用基于所述供电线圈阵列的未知参量精准识别方法，通过系统输入输出增益与相位差在线识别，建立所述聚合输出控制单元，实现了多通
道聚合系统功率输出控制策略，进而实现了多接收端并联模块的大功率输出。
66.进一步的，为防止多接收端模块并联引起的电流不均和环流现象，本实施例中，可设置均流预测控制单元以解决该问题。本实施例中，每一通道无线传能单元还包括均流预测控制单元，其与相应通道的变换器连接，用于消除各通道之间的功率抵消和环流状况，实现均流预测控制。
67.该均流预测控制单元包括：相位比较器、幅值比较器、第三pi控制模块、第四pi控制模块、移相脉冲调制发生器和模块化功率变换模块。其中，相位比较器和幅值比较器均与相应通道的变换器连接，第三pi控制模块和第四pi控制模块分别与相位比较器和幅值比较器连接，移相脉冲调制发生器分别与第三pi控制模块和第四pi控制模块连接，模块化功率变换模块分别与移相脉冲调制发生器和相应通道的变换器连接。
68.本实施例中，相位比较器用于采集相应通道的变换器的输出电压和输出电流信息，并计算得到相应接收端电流的相位，幅值比较器用于采集相应通道的变换器的输出电压和输出电流信息，并计算得到相应接收端电流的幅值。第三pi控制模块用于将实时计算的相应接收端电流的相位与期望输出相位值进行比较，并输出相位比较信号，第四pi控制模块用于将实时计算的相应接收端电流的幅值与期望输出幅值进行比较，并输出幅值比较信号。移相脉冲调制发生器用于根据相位比较信号和幅值比较信号输出调控信号，并通过调控信号调节模块化功率变换模块中的开关管的时序和占空比，以调节相应通道的变换器输出电压、输出电流的幅值和相位，从而实现均流预测控制。
69.图6为本发明实施例的均流预测控制单元的控制原理示意图。如图6所示，相位比较器和幅值比较器可获取发射端变换器的输出电压u和输出电流i的幅值和相位信息，然后计算得到接收端电流的幅值|i|和相位∠(i)，再通过两个pi控制模块将实测计算值与期望输出值进行相位和幅值的比较得到相位比较信号和幅值比较信号。移相脉冲调制发生器接收到两pi控制模块的相位比较信号和幅值比较信号后，输出调控信号以调整模块化功率变换模块中开关管的时序和占空比，从而达到调整发射端变换器输出电压和电流幅值和相位的目的，可间接调控多接收端输出电流，以防止多通道之间的功率抵消和环流，进而便于实现供电线圈阵列多传能通道均流预测智能控制。
70.本实施例中，所述均流预测控制单元通过计算多通道接收端电流的幅值和相位关系，采用基于发射端电气参量的信息和基于递归未知参数识别的接收端电流幅值和相位在线估计方法，相比于传统的输出阻抗调节法和平均电流法，所述均流预测控制单元不需通过改变外部条件来达到调节目的，可在多通道能量传输过程中自动调整供电端输出容量，从而可消除各个通道模块之间的环流，实现均流预测控制。
71.进一步的，本发明还提供了一种基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输系统，包括：无人机和上述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，其中，无人机包括多个接收端，每一接收端内设置有受电线圈，该无线电能传输装置通过多通道无线传能单元向各受电线圈传输电能，以向无人机供电。
72.作为一个具体示例，如图2所示，无人机准备降落充电时，无人机操作和维护中心指挥无人机的降落架降落在包括矩阵式供电阵列即所述供电线圈阵列的充电平台上方，图中多个降落架中内置有接收端，接收端内设置有接收线圈即所述受电线圈。在降落架降落在充电平台上方后，供电线圈阵列上的多个电磁信号传感器开始识别接收线圈内部永磁体
的磁场，以判断无人机多接收端降落的具体位置。在判断具体位置后，通过激活单元激活其中检测到最大永磁体磁场信号的供电线圈单元，以使该供电线圈单元中的供电线圈向所述接收端中的受电线圈进行电能传输，其中，该供电线圈所传输的电能通过直流电压源和逆变电路即所述变换器变换得到。当多个接收端的受电线圈接受电能后，将电能传输至整流电路即前述的整流电压模块进行整流稳压，并向蓄电池稳定补电，其中蓄电池用于向无人机中的电机进行供电，该电机受到无人机omc系统控制。需要说明的是，为防止多接收端模块并联引起的电流不均和环流现象，本示例中还基于发射端电气参量的信息和基于递归未知参数识别的接收端电流幅值和相位在线估计方法来实现均流预测控制。
73.综上所述，本发明中的供电线圈阵列由多个供电线圈集成，呈矩阵式排列，其中，供电线圈结构采用圆角矩形，有助于减少漏磁和环流现象，形成均匀磁场，从而保证无人机停靠于充电平台的任意位置，都能与无线充电平台建立磁场产生高效耦合，并且本发明采用补偿单元可消除供电线圈交叉耦合，另外本发明采用的供电线圈阵列为可扩展式多元矩阵线圈阵列，其易于解决因接收端和发射端线圈大小不一致引起的传输效率低、系统抗偏移韧性差的问题；本发明中的供电线圈阵列上设置有多个电磁信号传感器，该无线电能传输装置通过三个电磁信号传感器对受电线圈内部永磁体的磁场进行识别，并可根据三个电磁信号传感器的磁场范围识别结果实现受电线圈所在接收端的具体降落位置的精准识别；本发明中的激活单元可在确定接收端位于有效充电区域时，激活检测到最大永磁体磁场信号的供电线圈进行供电，以及在接收端位于相邻供电线圈中间位置或者四供电线圈中间位置时，同时激活两相邻供电线圈或者四供电线圈进行供电，从而实现供电线圈的自适应供电控制；本发明通过多通道无线传能单元和聚合输出控制单元中的具体结构，以及相应的多通道聚合系统功率输出控制策略，可实现多接收端并联模块的大功率输出，并有利于提高大功率密度整流稳压过程稳定性；以及，本发明中的均流预测控制单元通过计算多通道接收端电流的幅值和相位关系，采用基于发射端电气参量的信息和基于递归未知参数识别的接收端电流幅值和相位在线估计策略，相比于传统的输出阻抗调节法和平均电流法，所述均流预测控制单元不需通过改变外部条件来达到调节目的，可在多通道能量传输过程中自动调整供电端输出容量，消除各个通道模块之间的环流，实现均流预测控制，从而可解决接收端电流分配不均和环流问题。
74.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
75.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，其特征在于，包括依次连接的直流电压源和多通道无线传能单元，每一通道无线传能单元包括依次连接的变换器、用以消除供电线圈交叉耦合的补偿单元和所述供电线圈，其中，所述多通道无线传能单元中的各个所述供电线圈形成供电线圈阵列，所述供电线圈阵列用于将所述变换器变换后的电能无线传输至无人机的多个接收端的受电线圈，以向所述无人机无线供电。2.如权利要求1所述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，其特征在于，所述供电线圈阵列上设置有至少三个电磁信号传感器，无线电能传输装置通过三个电磁信号传感器识别受电线圈内部永磁体的磁场，并根据三个电磁信号传感器的磁场范围识别结果确定受电线圈所在接收端的降落位置。3.如权利要求2所述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，其特征在于，还包括：激活单元，与所述供电线圈阵列连接，用于在确定所述接收端位于有效充电区域时，激活检测到最大永磁体磁场信号的供电线圈进行供电。4.如权利要求3所述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，其特征在于，所述激活单元还用于在所述接收端位于相邻供电线圈中间位置或者四供电线圈中间位置时，同时激活两相邻供电线圈或者四供电线圈进行供电。5.如权利要求1所述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，其特征在于，每一通道无线传能单元还包括：聚合输出控制单元，分别与相应的变换器和供电线圈连接，用于实现各通道输出功率的实时调控，并实现大功率输出。6.如权利要求5所述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，其特征在于，所述聚合输出控制单元包括：相位差动态辨识模块，分别与相应的变换器和供电线圈连接，用于采集相应供电线圈的电流和相应变换器的输出电压，并计算得到相应供电线圈的电流和相应变换器的输出电压之间的相位角差值；增益动态辨识模块，与所述供电线圈连接，用于采集相应供电线圈的电流，并计算得到相应通道负载端的输出电流；第一pi控制模块，与所述相位差动态辨识模块连接，用于将实时计算的所述相位角差值与预设相位角差值进行比较，并计算得到时序导通控制角；第二pi控制模块，与所述增益动态辨识模块连接，用于将实时计算的相应通道负载端的输出电流与预设电流进行比较，并计算得到变换器移相控制角；移相调制控制模块，分别与所述第一pi控制模块、所述第二pi控制模块和相应的所述变换器连接，用于根据所述时序导通控制角和所述变换器移相控制角输出调节信号，以通过所述调节信号调节相应变换器中各个开关管的控制信号时序和占空比，以实现相应通道输出功率的实时调控。7.如权利要求6所述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，其特征在于，每一通道无线传能单元还包括：均流预测控制单元，与相应通道的所述变换器连接，用于消除各通道之间的功率抵消和环流状况，实现均流预测控制。
8.如权利要求7所述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，其特征在于，所述均流预测控制单元包括：相位比较器，与相应通道的所述变换器连接，用于采集相应通道的所述变换器的输出电压和输出电流信息，并计算得到相应接收端电流的相位；幅值比较器，与相应通道的所述变换器连接，用于采集相应通道的所述变换器的输出电压和输出电流信息，并计算得到相应接收端电流的幅值；第三pi控制模块，与所述相位比较器连接，用于将实时计算的相应接收端电流的相位与期望输出相位值进行比较，并输出相位比较信号；第四pi控制模块，与所述幅值比较器连接，用于将实时计算的相应接收端电流的幅值与期望输出幅值进行比较，并输出幅值比较信号；移相脉冲调制发生器，分别与所述第三pi控制模块和所述第四pi控制模块连接，用于根据所述相位比较信号和所述幅值比较信号输出调控信号；模块化功率变换模块，分别与所述移相脉冲调制发生器和相应通道的所述变换器连接，所述移相脉冲调制发生器通过所述调控信号调节所述模块化功率变换模块中的开关管的时序和占空比，以调节相应通道的变换器输出电压、输出电流的幅值和相位，实现均流预测控制。9.如权利要求1-8中任一项所述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，其特征在于，所述供电线圈阵列为矩形阵列，所述供电线圈为圆角矩形结构。10.一种基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输系统，其特征在于，包括：无人机，包括多个接收端，每一所述接收端内设置有受电线圈；以及，如权利要求1-9中任一项所述的基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置，所述无线电能传输装置用于通过多通道无线传能单元向各受电线圈传输电能，以向所述无人机供电。

技术总结
本发明公开了一种基于矩阵式发射线圈阵列的无线电能传输装置和系统，该装置包括依次连接的直流电压源和多通道无线传能单元，每一通道无线传能单元包括依次连接的变换器、用以消除供电线圈交叉耦合的补偿单元和供电线圈，其中，多通道无线传能单元中的各个供电线圈形成供电线圈阵列，供电线圈阵列用于将变换器变换后的电能无线传输至无人机的多个接收端的受电线圈，以向无人机无线供电。本发明能够实现对高机动性自主作业无人机的快速补能。现对高机动性自主作业无人机的快速补能。现对高机动性自主作业无人机的快速补能。


技术研发人员：蔡昌松 王军华 万乐柯
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/6/29