用于无人机（UAS）无线充电的可重构动力总成集成IPT接收器的设计与优化

集成无人机动力系统组件实现无线充电，优化高频损耗下的逆变器与电机协同控制，实验验证45mm距离下3.71 W/g功率密度和88.5%-90%充电效率。

摘要：

无线充电技术可以为无人机（UAS）延长飞行时间，实现完全自主和互操作的充电方式。然而，这需要将接收线圈及相关电力电子设备集成到无人机中，从而增加成本和重量。本研究提出了一种集成式无线充电器，该充电器重新利用了混合式垂直起降固定翼无人机现有的动力系统组件（如驱动逆变器和电机）作为无线接收器。文章回顾了可行的拓扑结构和重构方法，分析了充电过程中电机的性能，并开发了一个优化框架，以确定逆变器和电机的最佳工作条件（这两种组件在充电模式下都容易受到高频损耗的影响）。此外，这种集成式接收器可以直接在无人机上控制电池充电，无需传输端的充电控制和通信。研究的目标是实现最大的单位重量功率密度和直流-直流（DC-DC）效率。通过将1.73千瓦的无线充电系统与一个约4.4千瓦的无人机动力系统结合，实验验证了最优设计方案。结果显示，在45毫米的垂直充电距离下，根据所选电机的不同，单位重量功率密度可达3.71瓦/克，峰值充电效率可达88.5%–90%。

引言

近年来，用于无人机（UAS）的感应式电力传输（IPT）技术在学术界和快速发展的无人机行业中引起了广泛关注。IPT技术可以为各种类型的无人机提供通用且互操作的充电方式，并实现完全自主的电池充电。为此，需要在无人机上额外安装一个接收电力电子设备来捕捉磁场能量并调节电池充电过程。但这会增加成本，并降低无人机的有效载荷和续航时间[1][2]。此外，典型的全电动无人机动力系统使用低压锂聚合物（LiPo）电池，电压通常在22至45伏之间，充电时电流较大且时间较短。在低压高电流（LVHC）系统中，大电流会导致更多的能量损失，从而需要改进热管理措施并增加设备体积，这进一步增加了重量并降低了接收器的功率密度[3][4]。