[發(fā)明專(zhuān)利]用于自主水下航行器無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010175327.8
• 申請(qǐng)日: 2020-03-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111313563A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊磊;馬力;同向前;王哲;鹿樂(lè);常國(guó)義
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H02J50/05
• 分類(lèi)號(hào): H02J50/05;H02J7/02
• 代理公司: 西安弘理專(zhuān)利事務(wù)所 61214
• 代理人: 曾慶喜

1.一種用于自主水下航行器無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法，其特征在于，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1、將自主水下航行器無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的金屬板設(shè)計(jì)為帶有弧度的橢圓形，接收端金屬板的弧度和自主水下航行器的外殼保持一致，發(fā)射端的金屬板和接收端的金屬板弧度保持一致；

步驟2、基于水介質(zhì)包括溫度、鹽度在內(nèi)的因素，搭建水介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)模型；

步驟3、搭建耦合電容等效電路；

步驟4、基于步驟3得到的耦合電容等效電路和步驟2得到的水介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)模型求解水介質(zhì)耦合電容。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于自主水下航行器無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法，其特征在于，所述步驟1中發(fā)射端金屬板的面積大于接收端金屬板的面積，以保證電能傳輸能力。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于自主水下航行器無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法，其特征在于，所述步驟1中一對(duì)發(fā)射端金屬板和接收端金屬板之間的電容容值表示為：

式中，ε_r為水介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，ε₀為真空介質(zhì)介電常數(shù)，s為發(fā)射端金屬板和接收端金屬板之間的接觸面積，d為發(fā)射端金屬板和接收端金屬板之間的距離。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于自主水下航行器無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法，其特征在于，所述步驟2搭建的水介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)模型表示如下：

式中，T表示水溫度，S表示水鹽度，ε_∞(T,S)表示水溫度為T(mén)和水鹽度為S條件下無(wú)限大的頻率下水介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，ε_s(T,S)表示水溫度為T(mén)和水鹽度為S條件下穩(wěn)態(tài)水介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)；

τ₁(T,S)表示水溫度為T(mén)和水鹽度為S條件下德拜模型1的馳豫時(shí)間，τ₂(T,S)表示水溫度為T(mén)和水鹽度為S條件下德拜模型2的馳豫時(shí)間，ω為電場(chǎng)振蕩的角頻率，σ(T,S)為水溫度為T(mén)和水鹽度為S條件下水離子導(dǎo)電率。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于自主水下航行器無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法，其特征在于，所述步驟3中耦合電容等效電路具體如下：

將P₁和P₄作為發(fā)射端金屬板，P₂和P₃作為接收端金屬板，然后將電容C₁₄作為發(fā)射端金屬板P₁和發(fā)射端金屬板P₄之間的等效電容；電容C₁₂作為發(fā)射端金屬板P₁和接收端金屬板P₂之間的等效電容；電容C₁₃作為發(fā)射端金屬板P₁和接收端金屬板P₃之間的等效電容；電容C₂₄作為接收端金屬板P₂和發(fā)射端金屬板P₄之間的等效電容；電容C₃₄作為發(fā)射端金屬板P₄和接收端金屬板P₃之間的等效電容；電容C₂₃作為接收端金屬板P₂和接收端金屬板P₃之間的等效電容。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于自主水下航行器無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法，其特征在于，所述步驟4具體如下：

傳統(tǒng)電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率公式表示如下：

P_out＝αωC_MV_C1V_C2 (3)

式中：ω＝2πf_sw,f_sw為全橋逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，C_M為金屬板的耦合電容，V_C1為發(fā)射端諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的諧振電壓，V_C2為接收端諧振補(bǔ)償頻網(wǎng)絡(luò)的諧振電壓，V_C1＝V_C2，α為比例常數(shù)，耦合電容C_M與水介質(zhì)的介電常數(shù)正相關(guān)；

從公式(4)看出，當(dāng)發(fā)射端金屬板和接收端金屬板之間的電壓V_C1和V_C2固定時(shí)，電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸功率與諧振頻率和耦合電容正相關(guān)，當(dāng)耦合電容增大時(shí)，輸出功率等級(jí)將提高，

動(dòng)態(tài)的水環(huán)境中，水的鹽度和溫度是實(shí)時(shí)變化的，因此，水介質(zhì)耦合電容的算法是一種動(dòng)態(tài)模型算法，依據(jù)外界水環(huán)境的溫度和鹽度參數(shù)，另外，水介質(zhì)耦合電容的計(jì)算和耦合電容的結(jié)構(gòu)特性相關(guān)，包括發(fā)射端金屬板和接收端金屬板的接觸面積、距離、厚度、形狀在內(nèi)，因此，中水介質(zhì)耦合電容表示如下：

由此可見(jiàn)，當(dāng)把接收端金屬板放在發(fā)射端金屬板的內(nèi)部可以增大電容C₁₂和C₃₄的電容值，而減小電容C₁₃和C₂₄的電容值，從而增大耦合電容。