[發明專利]一種自主水下航行器的無線充電系統

在審

• 申請號: 201710847481.3
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107612152A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 楊燦軍;林鳴威;李德駿;林日;張濤;王天磊
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02J50/10
• 分類號: H02J50/10;H02J50/40;B60L11/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 萬尾甜,韓介梅

技術領域

本發明屬于水下無線充電技術領域，涉及一種自主水下航行器的無線充電系統。

背景技術

隨著科技的進步,人們對于海底世界的探索越來越多,自主水下航行器的使用也更加廣泛。為了提高自主水下航行器的續航能力,需要對其進行回收并充電。為了避免母船回收自主水下航行器帶來的高昂成本，人們希望能在水下完成對潛水器的充電過程。傳統的水下充電方式是通過“濕插拔”，即通過特殊的機械結構擠開水，實現直接的電氣連接的方式。然而這一過程會造成設備的磨損，并且需要很高的對準精度，使得“濕插拔”的應用受到一定的限制。

為了更簡單的在水下對自主水下航行器進行充電，專利CN 103708012A和專利CN102320362A都公開了一種回收自主水下航行器的接駁基站，使得自主水下航行器在海底有一個安全的停靠點，并且能夠進行無線充電。然而自主水下航行器在進入基站的過程中，會有一定的橫滾角，導致接駁基站和自主水下航行器上用來進行無線充電的發射和接收線圈不能對齊，造成充電效率低甚至不能進行充電；此外，自主水下航行器的直徑各不相同，所攜帶的電池容量也不相同，這就意味著其額定的充電功率也不相同。大功率的無線充電如果用一路電路來承載，往往會造成電路上的元件承受過高的電壓和電流應力，同時造成熱量集中，降低了系統的可靠性。因此，需要設計出一套能適應不同直徑自主水下航行器，并且能克服航行器自身的橫滾角對實現無線充電的影響，還要能克服單個電路承載過高功率所帶來的潛在隱患的水下無線充電系統。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種能夠適應不同AUV直徑的自主水下航行器的無線充電系統，該系統適應性強，且能夠克服因自主水下航行器存在橫滾角所造成的發射和接收線圈之間對不齊的問題；此外，該無線充電系統的接收端采用多路并聯，通過均衡控制策略保證每一路輸出功率相同，滿足大功率的無線充電需求。

本發明采用的技術方案如下：

一種自主水下航行器的無線充電系統主要包括：AUV接駁基站、水密直線電機、發射線圈、伸縮桿、接收線圈和自主水下航行器；所述的AUV接駁基站的接駁腔體內壁沿周向均勻安裝若干個伸縮桿，每個伸縮桿由一臺水密直線電機控制伸縮，伸縮桿頂端固定有發射線圈，在自主水下航行器上沿周向均勻設置有與發射線圈個數相同的接收線圈。

所述的發射線圈和接收線圈的接觸面均繞制成曲面，朝向一致，且曲率為AUV接駁基站所需適應的AUV的最大直徑和最小直徑所對應的曲率的平均值。

所述的發射線圈和接收線圈的直徑應滿足：

AUV接駁基站所能適應的最大自主水下航行器的橫滾角為：±θ(單位：度)，其中，θ＝45Δd/R，Δd為接收線圈與發射線圈的直徑差，R為自主水下航行器的半徑。

為避免各對發射、接收線圈之間的相互干擾，所述的伸縮桿的數目優選為奇數個。

為使安裝方便，所述的AUV接駁基站的接駁腔體的截面可以設計為多邊形，其邊數為伸縮桿數量的兩倍。

當自主水下航行器進入AUV接駁基站后，二者通信，觸發伸縮桿徑向運動，當發射線圈與自主水下航行器外表面接觸后，伸縮桿4停止運動，開始進行無線充電；充電結束后，自主水下航行器向AUV接駁基站發出信號，觸發伸縮桿徑向收縮。

在充電電路設計上，所述的每個接收線圈經過整流、升壓(boost)后，輸出相互并聯給電池充電；通過均衡控制策略，保證每一路輸出的功率相同。所述的均衡控制策略使用PID控制，以升壓(boost)電路的輸出電壓作為控制目標，以升壓(boost)電路的輸入電流與所有升壓(boost)電路輸入的平均電流的差值、以及升壓(boost)電路的輸入電壓與所有升壓電路輸入電壓平均值的差值，作為PID內環控制的誤差輸入。

與現有技術相比,本發明的優點在于:

(1)采用多組線圈組合，共同為電池充電。利用發明的均衡控制算法，使得每一路承載的功率相同，降低了每一路的承載功率。即使有一路發生故障,剩余幾路仍然能繼續充電,降低了系統故障概率；

(2)接收線圈的直徑大于發射線圈，且二者應滿足一定要求，保證在自主水下航行器進入接駁基站后即使有一定的橫滾角下，也能保證充電的正常進行；

(3)利用水密直線電機和伸縮桿帶動發射線圈徑向運動，使得發明的無線充電系統能適用于不同直徑的自主水下航行器；

附圖說明

圖1是自主水下航行器進入接駁基站(a)和沒進入接駁基站時(b)的斜視圖；