电场耦合式水下无线电能传输系统最大效率跟踪方法

专利名称：电场耦合式水下无线电能传输系统最大效率跟踪方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202010126068.X

专利申请（专利权）人：国网黑龙江省电力有限公司鸡西供电公司,国家电网有限公司
权利人地址：黑龙江省鸡西市鸡冠区东风办永兴委(兴国中路26号)

专利发明（设计）人：杨磊,马力,同向前,谢超然,张元启,简家乐

专利摘要：本发明公开了一种电场耦合式水下无线电能传输系统最大效率跟踪方法，首先建立电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合电容模型，实现对基于水介质的耦合电容的模拟；然后构造电场耦合式水下无线电能传输系统的无线电能传输单元的等效电路模型，计算最大能量传输效率情况下等效输出电阻，寻找最大能量传输效率情况下等效输出电阻和耦合电容之间的关系，从而通过检测耦合电容值构建最大能量传输效率；最后通过检测到的耦合电容值实时调整发射端全桥逆变电路的开关频率和接收端全桥整流电路的移相角，从而实现无线电能传输系统最大能量传输效率跟踪。本发明解决了现有技术中存在的水下设备因为洋流、水压、温度、盐度等因素带来充电功率不稳定的问题。

主权利要求：电场耦合式水下无线电能传输系统最大效率跟踪方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种电场耦合式水下无线电能传输系统最大效率跟踪方法。
背景技术
[0002] 当今，大规模海下智能系统和军事设施(例如：水下传感器、海洋监控系统以及自主水下航行器(AUVs))建设以及长期运行维护面临的重大技术挑战是缺少安全和可靠的能源供应。尤其是深海条件下，相比其它电能传输方式(更换电池、电缆)，无线电能传输系统具有高可靠性和高安全性的显著优势，更适合应用于自主水下航行器或者其它水下平台。因此，海下无线电能传输系统关键技术的研究对于国家实现“海洋强国”战略具有至关重要的作用。

[0003] 海洋环境是一个复杂多变的环境。海洋中的温度、盐度以及天气等因素将会直接影响海下无线电能传输系统的安全运行。例如，由于外界环境或者水下航行器自身移动所导致的无线电能传输系统发射端线圈和接收端线圈的角度或者距离发生变化时，海下无线电能传输系统的电能传输将会受到很大影响。因此，如何实现无线电能传输系统稳定和安全运行是水下无线电能传输系统需要解决问题的关键所在。在海下环境中，电能资源极其有限，如何实现对电能资源的最大化利用也是当前需要迫切解决的问题。随着科学技术的发展和国家海洋战略的实施，自主水下航行器在海洋考察、军事、科学和工业勘探等领域得到了越来越广泛的应用。现阶段，自主水下航行器主要采取的充电方式是物理电缆、手动更换电池和基于海底基站的无线电能传输系统。相对于物理电缆和手动更换电池方式，海下无线电能传输系统可以高效、便捷的实现对水下自主航行器的充电。当前采用的海下无线电能传输系统主要是基于磁场感应式或者磁场耦合谐振式无线电能传输系统。但是，电感线圈在具有导电性的淡水或者海水中将会产生涡流损耗且随着频率的增加而不断升高。另外，电感线圈对周围金属比较敏感，这将严重影响自主水下航行器的无线充电安全。
[0004] 电场耦合式无线电能传输系统已经被证明可以高效、远距离、大功率地进行无线电能传输，其在海水中无涡流损耗且对纵向角度偏移不敏感。另外，电场耦合式无线电能传输系统在运行时受周围金属的影响不大。由于海水介质大概是是空气介质相对介电常数的72倍(水温25度，海水盐度35‰，频率2GHz以下)。因此，相对于空气介质，其海下电能传输能力将大大增强。另外，只采用金属板作为无线电能传输的媒介，将可以很大程度上降低成本。因此，电场耦合式无线电能传输系统将会在海下无线电能传输方面具有光明的应用前景。但是，现在还缺少针对电场耦合式无线电能传输系统基于海水介质的耦合电容模型和最大效率跟踪算法等方面的研究，这些方面的工作将会实现海下无线电能的动态和高效率运行。因此，这些研究对无线电能传输系统安全和稳定地运行将起着关键影响。

[0005] 在这种背景下，本发明专利提出一种电场耦合式水下无线电能传输系统最大效率跟踪方法。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种电场耦合式水下无线电能传输系统最大效率跟踪方法，解决了现有技术中存在的水下设备因为洋流、水压、温度、盐度等因素而带来充电功率不稳定的问题。
[0007] 本发明所采用的技术方案是，电场耦合式水下无线电能传输系统最大效率跟踪方法，具体按照以下步骤实施：
[0008] 步骤1、建立电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合电容模型，实现对基于水介质的耦合电容的模拟；
[0009] 步骤2、构造电场耦合式水下无线电能传输系统的无线电能传输单元的等效电路模型，从而计算最大能量传输效率情况下等效输出电阻，寻找最大能量传输效率情况下等效输出电阻和耦合电容之间的关系，从而通过检测耦合电容值构建最大能量传输效率；
[0010] 步骤3、通过所检测到的耦合电容值实时调整发射端全桥逆变电路的开关频率和接收端全桥整流电路的移相角，从而实现无线电能传输系统的最大能量传输效率跟踪。
[0011] 本发明的特点还在于，
[0012] 步骤1中电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合电容模型具体结构为：包括通过耦合电容连接的全桥逆变电路和全桥整流电路，全桥逆变电路中，Vin为无线电能传输系统电源，S11～S14为全桥逆变电路四个功率开关管，其中S11和S14组成一个桥臂，S12和S13组成一个桥臂；
[0013] 耦合电容中，P1～P4为构成耦合电容的四块金属板，其中，P1和P4为发射端金属板，P2和P3为接收端金属板；
[0014] 全桥整流电路中，S21～S24为全桥整流电路的四个功率开关管，其中，S21和S24组成一个桥臂，S22和S23组成一个桥臂；
[0015] LP为原边谐振网络的谐振电感，谐振电感LP连接于功率开关管S11和发射端金属板P1之间，LS为副边谐振网络的谐振电感，谐振电感LS连接于接收端金属板P2和功率开关管S21之间；
[0016] 整个结构由电池Vbattery供电。
[0017] 步骤2中耦合电容的等效电路具体如下：
[0018] 设耦合电容原边的等效电容为CP，等效电压为VP，等效电流为IP；将耦合电容的原边等效为一个电流源，等效电流源的电流为I＝jωCMVS，设耦合电容的副边等效电容为CS，等效电压为VS，等效电流为IS，将耦合电容的副边等效为一个电流源等效电流源电流为I＝jωCMVP；
[0019] 电容耦合系数kc和耦合电容CM存在的关系用下面的公式表示为：
[0020]
[0021] 步骤2中电容式水下无线电能传输系统的无线电能传输单元的等效电路模型具体如下：
[0022] 包括无线电能传输系统电源Us，原边谐振网络的等效电压VP，原边谐振网络等效电感LP，原边谐振网络等效电阻RP，原边谐振网络等效电阻CP，等效电流源的电流为I＝jωCMVS；
[0023] 设副边谐振网络的等效电压VS，副边谐振网络的等效电阻RS，副边谐振网络的等效电感LS，副边谐振网络的等效电容CS，等效输出电阻RLeq，则：
[0024] 电场耦合式无线电能传输最大电能传输效率满足公式：
[0025]
[0026] 令α＝[jωCpCs‑jω(CM)2]，β＝(jωLs+Rs)[jωCpCs‑jω(CM)2]+Cp，γ＝β2Rp+(CM)2
Rs，α、β、r为中间替换量；

[0027] 公式(3)化简得：
[0028]
[0029] 其中，CM为耦合电容，RLeq为等效输出电阻，Rp为原边谐振网络的等效电阻；
[0030] 公式(4)为电场耦合式无线电能传输系统的最大电能传输效率公式；
[0031] 对公式(4)中的等效输出电阻RLeq求导，在最大电能传输效率情况下，等效输出电阻RLeq表示为：
[0032]
[0033] 其中，Rp为原边谐振网络的等效电阻，CM为耦合电容，Rs为副边谐振网络的等效电阻。
[0034] 步骤3具体如下：
[0035] 设所述步骤1中电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合电容模型中接收端全桥整流电路移相角为θ，负载电阻RL和等效输出电阻RLeq之间的关系表示为：
[0036]
[0037] 结合公式(5)和(6)，得出在最大电能传输功率情况下，耦合电容CM和移相角θ的关系为：
[0038]
[0039] 耦合电容CM与原边谐振电压Vp和副边谐振电压Vs满足关系如下：
[0040]
[0041] 式中： k3＝Cs，Vs为副边谐振网络电压，Vp为原边谐振网络电压，Cs为副边谐振网络的等效电容，Ls为副边谐振网络的等效电感，Rs为副边谐振网络的等效电阻，RLeq为等效输出电阻；

[0042] 通过公式(7)和(8)可以看出，只要检测谐振网络的原边谐振电压Vp和副边谐振电压Vs，就能够计算出耦合电容CM，当负载电阻RL确定、当耦合电容CM实时变化时，可以通过实时调节全桥整流电路的移相角θ使得公式(7)恒成立，结合发射端谐振网络频率实时调节从而获得最大电能传输效率。
[0043] 本发明的有益效果是，(1)本发明的耦合电容式水下无线电能传输系统无涡流损耗且对周围金属不敏感，其非常适合水下无线充电场景，且可以大功率、高效率运行；(2)在动态的水下环境中，可以为水下设备进行稳定的充电。采用基于导电水介质(包括海水介质)的耦合电容模型实现最大电能传输效率跟踪，从而实现系统的最大能量传输效率；(3)耦合电容式水下无线电能传输系统仅仅采用金属板就可以实现对水下设备的充电，其可以很大程度上降低水下无线电能传输系统的成本；(4)本发明的所提出的最大效率跟踪方法，可以广泛的应用于水下无线充电领域或者其他领域，拓宽水下设备的带电运行时间以及工作范围。
附图说明
[0044] 图1是本发明所应用的一种电场耦合式水下无线电能传输系统拓扑；
[0045] 图2是本发明的所使用的耦合电容拓扑的等效电路；
[0046] 图3本发明所涉及无线电能传输单元的等效电路。
具体实施方式
[0047] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0048] 本发明提出一种用于自主水下航行器的电场耦合式无线电能传输系统。电场耦合式无线电能传输系统具一定的抑制充电耦合单元横向偏移或者错位所带来的充电功率不稳定的能力。因此，在动态的海水环境中，可以实现自主航行器锂电池稳定的充电过程。采用基于电场耦合式无线电能传输系统的最大电能传输效率跟踪实现最大能量传输效率。所采用的电场耦合式无线传输系统的拓扑结构如图1所示(图中所采用的简单的谐振网络电路，本发明专利同样适用于其他拓扑)。
[0049] 无线电能传输系统最大效率跟踪是实现对海下有限电能有效利用的关键技术。本发明专利根据海水耦合电容模型对电场耦合式海下无线电能传输系统的最大效率跟踪策略进行研究，其内容包括：根据电场耦合式无线电能传输系统建立等效电路。基于等效电路推导最大电能传输效率情况下等效输出电阻模型。计算最大电能传输效率情况下，等效输出电阻和耦合电容之间的关系从而通过间接调节耦合电容实现最大电能效率跟踪算法。结合控制模块和海水耦合电容模型，建立最大效率跟踪控制策略，从而实现对耦合电容式海下无线电能传输系统的最大效率跟踪。
[0050] 本发明电场耦合式水下无线电能传输系统最大效率跟踪方法，具体按照以下步骤实施：
[0051] 步骤1、建立电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合电容模型，如图1所示，实现对基于水介质的耦合电容的模拟；
[0052] 步骤2、构造电场耦合式水下无线电能传输系统的无线电能传输单元的等效电路模型，从而计算最大能量传输效率情况下等效输出电阻，寻找最大能量传输效率情况下等效输出电阻和耦合电容之间的关系，从而通过检测耦合电容值构建最大能量传输效率；
[0053] 步骤3、通过所检测到的耦合电容值实时调整发射端全桥逆变电路的开关频率和接收端全桥整流电路的移相角，从而实现无线电能传输系统的最大能量传输效率跟踪。
[0054] 其中，如图2、图3所示，步骤1中电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合电容模型具体结构为：包括通过耦合电容连接的全桥逆变电路和全桥整流电路，全桥逆变电路中，Vin为无线电能传输系统电源，S11～S14为全桥逆变电路四个功率开关管，其中S11和S14组成一个桥臂，S12和S13组成一个桥臂；
[0055] 耦合电容中，P1～P4为构成耦合电容的四块金属板，其中，P1和P4为发射端金属板，P2和P3为接收端金属板；
[0056] 全桥整流电路中，S21～S24为全桥整流电路的四个功率开关管，其中，S21和S24组成一个桥臂，S22和S23组成一个桥臂；
[0057] LP为原边谐振网络的谐振电感，谐振电感LP连接于功率开关管S11和发射端金属板P1之间，LS为副边谐振网络的谐振电感，谐振电感LS连接于接收端金属板P2和功率开关管S21之间；
[0058] 整个结构由电池Vbattery供电。
[0059] 步骤2中耦合电容的等效电路具体如下：
[0060] 设耦合电容原边的等效电容为CP，等效电压为VP，等效电流为IP；将耦合电容的原边等效为一个电流源，等效电流源的电流为I＝jωCMVS，设耦合电容的副边等效电容为CS，等效电压为VS，等效电流为IS，将耦合电容的副边等效为一个电流源等效电流源电流为I＝jωCMVP；
[0061] 电容耦合系数kc和耦合电容CM存在的关系用下面的公式表示为：
[0062]
[0063] 步骤2中电容式水下无线电能传输系统的无线电能传输单元的等效电路模型具体如下：
[0064] 包括无线电能传输系统电源Us，原边谐振网络的等效电压VP，原边谐振网络等效电感LP，原边谐振网络等效电阻RP，原边谐振网络等效电阻CP，等效电流源的电流为I＝jωCMVS；
[0065] 设副边谐振网络的等效电压VS，副边谐振网络的等效电阻RS，副边谐振网络的等效电感LS，副边谐振网络的等效电容CS，等效输出电阻RLeq，则：
[0066] 电场耦合式无线电能传输最大电能传输效率满足公式：
[0067]
[0068] 令α＝[jωCpCs‑jω(CM)2]，β＝(jωLs+Rs)[jωCpCs‑jω(CM)2]+Cp，γ＝β2Rp+(CM)2
Rs，α、β、r为中间替换量；

[0069] 公式(3)化简得：
[0070]
[0071] 其中，CM为耦合电容，RLeq为等效输出电阻，Rp为原边谐振网络的等效电阻；
[0072] 公式(4)为电场耦合式无线电能传输系统的最大电能传输效率公式；
[0073] 对公式(4)中的等效输出电阻RLeq求导，在最大电能传输效率情况下，[0074] 等效输出电阻RLeq表示为：
[0075]
[0076] 其中，Rp为原边谐振网络的等效电阻，CM为耦合电容，Rs为副边谐振网络的等效电阻。
[0077] 步骤3具体如下：
[0078] 设所述步骤1中电场耦合式水下无线电能传输系统的耦合电容模型中接收端全桥整流电路移相角为θ，负载电阻RL和等效输出电阻RLeq之间的关系表示为：
[0079]
[0080] 结合公式(5)和(6)，得出在最大电能传输功率情况下，耦合电容CM和移相角θ的关系为：
[0081]
[0082] 耦合电容CM与原边谐振电压Vp和副边谐振电压Vs满足关系如下：
[0083]
[0084] 式中： k3＝Cs，Vs为副边谐振网络电压，Vp为原边谐振网络电压，Cs为副边谐振网络的等效电容，Ls为副边谐振网络的等效电感，Rs为副边谐振网络的等效电阻，RLeq为等效输出电阻；

[0085] 通过公式(7)和(8)可以看出，只要检测谐振网络的原边谐振电压Vp和副边谐振电压Vs，就能够计算出耦合电容CM，当负载电阻RL确定、当耦合电容CM实时变化时，可以通过实时调节全桥整流电路的移相角θ使得公式(7)恒成立，结合发射端谐振网络频率实时调节从而获得最大电能传输效率。
[0086] 本发明提出电场耦合式水下无线电能传输系统最大效率跟踪方法，该方法可以实现在动态的水下环境中无线电能传输系统的稳定和高效运行。

专利地区：黑龙江

专利申请日期：2020-02-27

专利公开日期：2023-12-29

专利公告号：CN111224471B