[發明專利]電場耦合式水下無線電能傳輸系統最大效率跟蹤方法

在審

• 申請號: 202010126068.X
• 申請日: 2020-02-27
• 公開（公告）號: CN111224471A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 楊磊;馬力;同向前;謝超然;張元啟;簡家樂
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H02J50/05
• 分類號: H02J50/05;H02J7/00
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 張皎

本發明公開了一種電場耦合式水下無線電能傳輸系統最大效率跟蹤方法，首先建立電場耦合式水下無線電能傳輸系統的耦合電容模型，實現對基于水介質的耦合電容的模擬；然后構造電場耦合式水下無線電能傳輸系統的無線電能傳輸單元的等效電路模型，計算最大能量傳輸效率情況下等效輸出電阻，尋找最大能量傳輸效率情況下等效輸出電阻和耦合電容之間的關系，從而通過檢測耦合電容值構建最大能量傳輸效率；最后通過檢測到的耦合電容值實時調整發射端全橋逆變電路的開關頻率和接收端全橋整流電路的移相角，從而實現無線電能傳輸系統最大能量傳輸效率跟蹤。本發明解決了現有技術中存在的水下設備因為洋流、水壓、溫度、鹽度等因素帶來充電功率不穩定的問題。

技術領域

本發明屬于無線電能傳輸技術領域，具體涉及一種電場耦合式水下無線電能傳輸系統最大效率跟蹤方法。

背景技術

當今，大規模海下智能系統和軍事設施(例如：水下傳感器、海洋監控系統以及自主水下航行器(AUVs))建設以及長期運行維護面臨的重大技術挑戰是缺少安全和可靠的能源供應。尤其是深海條件下，相比其它電能傳輸方式(更換電池、電纜)，無線電能傳輸系統具有高可靠性和高安全性的顯著優勢，更適合應用于自主水下航行器或者其它水下平臺。因此，海下無線電能傳輸系統關鍵技術的研究對于國家實現“海洋強國”戰略具有至關重要的作用。

海洋環境是一個復雜多變的環境。海洋中的溫度、鹽度以及天氣等因素將會直接影響海下無線電能傳輸系統的安全運行。例如，由于外界環境或者水下航行器自身移動所導致的無線電能傳輸系統發射端線圈和接收端線圈的角度或者距離發生變化時，海下無線電能傳輸系統的電能傳輸將會受到很大影響。因此，如何實現無線電能傳輸系統穩定和安全運行是水下無線電能傳輸系統需要解決問題的關鍵所在。在海下環境中，電能資源極其有限，如何實現對電能資源的最大化利用也是當前需要迫切解決的問題。隨著科學技術的發展和國家海洋戰略的實施，自主水下航行器在海洋考察、軍事、科學和工業勘探等領域得到了越來越廣泛的應用。現階段，自主水下航行器主要采取的充電方式是物理電纜、手動更換電池和基于海底基站的無線電能傳輸系統。相對于物理電纜和手動更換電池方式，海下無線電能傳輸系統可以高效、便捷的實現對水下自主航行器的充電。當前采用的海下無線電能傳輸系統主要是基于磁場感應式或者磁場耦合諧振式無線電能傳輸系統。但是，電感線圈在具有導電性的淡水或者海水中將會產生渦流損耗且隨著頻率的增加而不斷升高。另外，電感線圈對周圍金屬比較敏感，這將嚴重影響自主水下航行器的無線充電安全。

電場耦合式無線電能傳輸系統已經被證明可以高效、遠距離、大功率地進行無線電能傳輸，其在海水中無渦流損耗且對縱向角度偏移不敏感。另外，電場耦合式無線電能傳輸系統在運行時受周圍金屬的影響不大。由于海水介質大概是是空氣介質相對介電常數的72倍(水溫25度，海水鹽度35‰，頻率2G Hz以下)。因此，相對于空氣介質，其海下電能傳輸能力將大大增強。另外，只采用金屬板作為無線電能傳輸的媒介，將可以很大程度上降低成本。因此，電場耦合式無線電能傳輸系統將會在海下無線電能傳輸方面具有光明的應用前景。但是，現在還缺少針對電場耦合式無線電能傳輸系統基于海水介質的耦合電容模型和最大效率跟蹤算法等方面的研究，這些方面的工作將會實現海下無線電能的動態和高效率運行。因此，這些研究對無線電能傳輸系統安全和穩定地運行將起著關鍵影響。

在這種背景下，本發明專利提出一種電場耦合式水下無線電能傳輸系統最大效率跟蹤方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種電場耦合式水下無線電能傳輸系統最大效率跟蹤方法，解決了現有技術中存在的水下設備因為洋流、水壓、溫度、鹽度等因素而帶來充電功率不穩定的問題。

本發明所采用的技術方案是，電場耦合式水下無線電能傳輸系統最大效率跟蹤方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、建立電場耦合式水下無線電能傳輸系統的耦合電容模型，實現對基于水介質的耦合電容的模擬；