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

在審

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• 申請日: 2020-03-13
• 公開（公告）號: CN111313563A
• 公開（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;常國義
• 申請（專利權(quán)）人: 西安理工大學(xué)
• 主分類號: H02J50/05
• 分類號: H02J50/05;H02J7/02
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 曾慶喜

本發(fā)明公開了一種用于自主水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法，具體按照以下步驟實(shí)施：步驟1、將自主水下航行器無線電能傳輸系統(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)相對介電常數(shù)模型求解水介質(zhì)耦合電容。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的自主水下航行器無線電能傳輸穩(wěn)定性差、且局限性大的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于自主水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法。

背景技術(shù)

磁場感應(yīng)型或者磁場耦合諧振型無線電能傳輸系統(tǒng)自身無法解決的瓶頸問題：第一：基于電磁場的無線電能傳輸系統(tǒng)對周圍的金屬物體特別敏感，由于海水具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，耦合線圈之間的高頻電磁場將在海水中引起電渦流損耗，降低能量傳輸效率，影響系統(tǒng)傳輸性能。由于磁耦合諧振式與感應(yīng)式傳輸結(jié)構(gòu)相似，且工作頻率更高，故水環(huán)境中磁耦合諧振式系統(tǒng)的渦流損耗現(xiàn)象更為明顯。同時(shí)，多線圈結(jié)構(gòu)下過多的耦合次數(shù)會(huì)增加能量損耗，降低了長距離傳輸時(shí)的功率和效率。深水條件下的巨大海水壓力造成“壓磁效應(yīng)”，鐵氧體磁導(dǎo)率下降，引起系統(tǒng)參數(shù)突變，耦合性能降低。第二：水作為電的良導(dǎo)體，具有較高的電導(dǎo)率，因而對高頻電磁波具有強(qiáng)烈的衰減作用。隨著傳輸距離增加，系統(tǒng)效率同時(shí)受到了互感減小和電磁波振幅衰減兩種效應(yīng)的影響。同時(shí)，水阻抗隨著傳輸距離而改變，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)射端和接收端的阻抗不匹配。第三：為了避免電感線圈的集膚效應(yīng)，需要使用價(jià)格比較昂貴的Lize線圈。為了使得電感線圈能夠在高開關(guān)頻率下進(jìn)行工作，要嚴(yán)格限制Lize線圈的直徑，進(jìn)行多股繞制。為了提高電感線圈的磁耦合強(qiáng)度，電感線圈需要使用鐵素體。另外，需要增加鋁屏蔽板來減少漏磁。這無形中增加了無線電能傳輸系統(tǒng)的體積和成本，同時(shí)也加大了制作難度。

一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)無線充電單元(例如電感線圈或者金屬板電容)的角度和距離變化時(shí)，耦合電容式無線電能傳輸系統(tǒng)比電感式無線電能傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。實(shí)踐證明電場耦合無線電能傳輸功率提高到了數(shù)千瓦功率等級并大幅度擴(kuò)展無線充電距離到數(shù)十厘米，最大充電效率可以達(dá)到90％以上。

但是，至今還沒有針對水環(huán)境中的用于自主水下航行器的耦合電容式無線電能傳輸系統(tǒng)的耦合電容模型。

自主水下航行器在充電的過程中有可能受到外界影響而發(fā)生輕微翻滾或者充電距離的變化，電場耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的耦合電容將會(huì)隨之發(fā)生變化。這將嚴(yán)重影響無線電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性。另外，由于自主水下航行器內(nèi)部空間的局限性，無線電能傳輸系統(tǒng)的接收端的安裝位置和形狀將會(huì)受到挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種用于自主水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的自主水下航行器無線電能傳輸穩(wěn)定性差、且局限性大的問題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種用于自主水下航行器無線電能傳輸系統(tǒng)耦合電容建模方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1、將自主水下航行器無線電能傳輸系統(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)相對介電常數(shù)模型求解水介質(zhì)耦合電容。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

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。