CN111313563B - 用于自主水下航行器无线电能传输系统耦合电容建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自主水下航行器无线电能传输系统耦合电容建模方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、将自主水下航行器无线电能传输系统发射端和接收端的金属板设计为带有弧度的椭圆形，接收端金属板的弧度和自主水下航行器的外壳保持一致，发射端的金属板和接收端的金属板弧度保持一致；步骤2、基于水介质包括温度、盐度在内的因素，搭建水介质相对介电常数模型；步骤3、搭建耦合电容等效电路；步骤4、基于步骤3得到的耦合电容等效电路和步骤2得到的水介质相对介电常数模型求解水介质耦合电容。本发明解决了现有技术中存在的自主水下航行器无线电能传输稳定性差、且局限性大的问题。

Description

用于自主水下航行器无线电能传输系统耦合电容建模方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种用于自主水下航行器无线电能传输系统耦合电容建模方法。

背景技术

磁场感应型或者磁场耦合谐振型无线电能传输系统自身无法解决的瓶颈问题：第一：基于电磁场的无线电能传输系统对周围的金属物体特别敏感，由于海水具有很强的导电性，耦合线圈之间的高频电磁场将在海水中引起电涡流损耗，降低能量传输效率，影响系统传输性能。由于磁耦合谐振式与感应式传输结构相似，且工作频率更高，故水环境中磁耦合谐振式系统的涡流损耗现象更为明显。同时，多线圈结构下过多的耦合次数会增加能量损耗，降低了长距离传输时的功率和效率。深水条件下的巨大海水压力造成“压磁效应”，铁氧体磁导率下降，引起系统参数突变，耦合性能降低。第二：水作为电的良导体，具有较高的电导率，因而对高频电磁波具有强烈的衰减作用。随着传输距离增加，系统效率同时受到了互感减小和电磁波振幅衰减两种效应的影响。同时，水阻抗随着传输距离而改变，导致系统发射端和接收端的阻抗不匹配。第三：为了避免电感线圈的集肤效应，需要使用价格比较昂贵的Lize线圈。为了使得电感线圈能够在高开关频率下进行工作，要严格限制Lize线圈的直径，进行多股绕制。为了提高电感线圈的磁耦合强度，电感线圈需要使用铁素体。另外，需要增加铝屏蔽板来减少漏磁。这无形中增加了无线电能传输系统的体积和成本，同时也加大了制作难度。

一些学者发现当无线充电单元(例如电感线圈或者金属板电容)的角度和距离变化时，耦合电容式无线电能传输系统比电感式无线电能传输系统的稳定性更好。实践证明电场耦合无线电能传输功率提高到了数千瓦功率等级并大幅度扩展无线充电距离到数十厘米，最大充电效率可以达到90％以上。

但是，至今还没有针对水环境中的用于自主水下航行器的耦合电容式无线电能传输系统的耦合电容模型。

自主水下航行器在充电的过程中有可能受到外界影响而发生轻微翻滚或者充电距离的变化，电场耦合式无线电能传输系统的耦合电容将会随之发生变化。这将严重影响无线电能传输的稳定性。另外，由于自主水下航行器内部空间的局限性，无线电能传输系统的接收端的安装位置和形状将会受到挑战。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于自主水下航行器无线电能传输系统耦合电容建模方法，解决了现有技术中存在的自主水下航行器无线电能传输稳定性差、且局限性大的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于自主水下航行器无线电能传输系统耦合电容建模方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将自主水下航行器无线电能传输系统发射端和接收端的金属板设计为带有弧度的椭圆形，接收端金属板的弧度和自主水下航行器的外壳保持一致，发射端的金属板和接收端的金属板弧度保持一致；

步骤2、基于水介质包括温度、盐度在内的因素，搭建水介质相对介电常数模型；

步骤3、搭建耦合电容等效电路；

步骤4、基于步骤3得到的耦合电容等效电路和步骤2得到的水介质相对介电常数模型求解水介质耦合电容。

本发明的特点还在于，

步骤1中发射端金属板的面积大于接收端金属板的面积，以保证电能传输能力。

步骤1中一对发射端金属板和接收端金属板之间的电容容值表示为：

式中，ε_r为水介质相对介电常数，ε₀为真空介质介电常数，s为发射端金属板和接收端金属板之间的接触面积，d为发射端金属板和接收端金属板之间的距离。

步骤2搭建的水介质相对介电常数模型表示如下：

式中，T表示水温度，S表示水盐度，ε_∞(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下无限大的频率下水介质的相对介电常数，ε_s(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下稳态水介质相对介电常数；

τ₁(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下德拜模型1的驰豫时间，τ₂(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下德拜模型2的驰豫时间，ω为电场振荡的角频率，σ(T,S)为水温度为T和水盐度为S条件下水离子导电率。

步骤3中耦合电容等效电路具体如下：

将P₁和P₄作为发射端金属板，P₂和P₃作为接收端金属板，然后将电容C₁₄作为发射端金属板P₁和发射端金属板P₄之间的等效电容；电容C₁₂作为发射端金属板P₁和接收端金属板P₂之间的等效电容；电容C₁₃作为发射端金属板P₁和接收端金属板P₃之间的等效电容；电容C₂₄作为接收端金属板P₂和发射端金属板P₄之间的等效电容；电容C₃₄作为发射端金属板P₄和接收端金属板P₃之间的等效电容；电容C₂₃作为接收端金属板P₂和接收端金属板P₃之间的等效电容。

步骤4具体如下：

传统电场耦合式无线电能传输系统的输出功率公式表示如下：

P_out＝αωC_MV_C1V_C2 (3)

式中：ω＝2πf_sw,f_sw为全桥逆变器的开关频率，C_M为金属板的耦合电容，V_C1为发射端谐振补偿网络的谐振电压，V_C2为接收端谐振补偿频网络的谐振电压，V_C1＝V_C2，α为比例常数，耦合电容C_M与水介质的介电常数正相关；

从公式(4)看出，当发射端金属板和接收端金属板之间的电压V_C1和V_C2固定时，电场耦合式无线电能传输系统的传输功率与谐振频率和耦合电容正相关，当耦合电容增大时，输出功率等级将提高，

动态的水环境中，水的盐度和温度是实时变化的，因此，水介质耦合电容的算法是一种动态模型算法，依据外界水环境的温度和盐度参数，另外，水介质耦合电容的计算和耦合电容的结构特性相关，包括发射端金属板和接收端金属板的接触面积、距离、厚度、形状在内，因此，中水介质耦合电容表示如下：

由此可见，当把接收端金属板放在发射端金属板的内部可以增大电容C₁₂和C₃₄的电容值，而减小电容C₁₃和C₂₄的电容值，从而增大耦合电容。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所涉及的电场耦合式水下无线电能传输系统耦合电容模型可以根据温度、盐度等因素实时实现对耦合电容的模拟，可考虑了多种影响因素，模拟进度高；

(2)本发明中的电场耦合式无线电能传输系统的金属板充分考虑了自主水下航行器的形状和内部空间，更易于安装和电能传输；

(3)基于金属板的耦合电容式水下无线电能传输系统具有高电能传输能力和高效率的特点，特殊的金属板形状有利于在动态的水下环境中实现电能的稳定和高效传输；

(4)本发明中所涉及的电能传输金属板单元，价格低，容易制作。相较于基于电感线圈的水下无线电能传输系统，该发明降低了成本和制作难度。

附图说明

图1(a)是本发明中所涉及的空气和真空介质电容结构；

图1(b)是本发明中所涉及的淡水或者海水介质电容结构；

图2是本发明所构建的“船坞仓”水下电场耦合式无线电能传输系统；

图3是本发明“船坞仓”水下电场耦合式无线电能传输系统水下充电示意图；

图4(a)是本发明中所涉及AUV接收端为内置金属基板的耦合电容结构；

图4(b)是本发明中所涉及的AUV接收端为AUV金属外壳的耦合电容结构；

图5是本发明中耦合电容机构的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明所采用的技术方案是，一种用于自主水下航行器无线电能传输系统耦合电容建模方法，具体按照以下步骤实施：

如图2、图3所示，步骤1、将自主水下航行器无线电能传输系统发射端和接收端的金属板设计为带有弧度的椭圆形，接收端金属板的弧度和自主水下航行器的外壳保持一致，发射端的金属板和接收端的金属板弧度保持一致；

其中，发射端金属板的面积大于接收端金属板的面积，以保证电能传输能力，步骤1中一对发射端金属板和接收端金属板之间的电容容值表示为：

式中，ε_r为水介质相对介电常数，ε₀为真空介质介电常数，s为发射端金属板和接收端金属板之间的接触面积，d为发射端金属板和接收端金属板之间的距离。

步骤2、基于水介质包括温度、盐度在内的因素，搭建水介质相对介电常数模型，搭建的水介质相对介电常数模型表示如下：

式中，T表示水温度，S表示水盐度，ε_∞(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下无限大的频率下水介质的相对介电常数，ε_s(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下稳态水介质相对介电常数；

τ₁(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下德拜模型1的驰豫时间，τ₂(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下德拜模型2的驰豫时间，ω为电场振荡的角频率，σ(T,S)为水温度为T和水盐度为S条件下水离子导电率。

如图5所示，步骤3、搭建耦合电容等效电路，具体如下：

将P₁和P₄作为发射端金属板，P₂和P₃作为接收端金属板，然后将电容C₁₄作为发射端金属板P₁和发射端金属板P₄之间的等效电容；电容C₁₂作为发射端金属板P₁和接收端金属板P₂之间的等效电容；电容C₁₃作为发射端金属板P₁和接收端金属板P₃之间的等效电容；电容C₂₄作为接收端金属板P₂和发射端金属板P₄之间的等效电容；电容C₃₄作为发射端金属板P₄和接收端金属板P₃之间的等效电容；电容C₂₃作为接收端金属板P₂和接收端金属板P₃之间的等效电容。

步骤4、基于步骤3得到的耦合电容等效电路和步骤2得到的水介质相对介电常数模型求解水介质耦合电容。

步骤4具体如下：

如图1(a)、图1(b)所示，传统电场耦合式无线电能传输系统的输出功率公式表示如下：

P_out＝αωC_MV_C1V_C2 (3)

式中：ω＝2πf_sw,f_sw为全桥逆变器的开关频率，C_M为金属板的耦合电容，V_C1为发射端谐振补偿网络的谐振电压，V_C2为接收端谐振补偿频网络的谐振电压，V_C1＝V_C2，α为比例常数，耦合电容C_M与水介质的介电常数正相关；

从公式(4)看出，当发射端金属板和接收端金属板之间的电压V_C1和V_C2固定时，电场耦合式无线电能传输系统的传输功率与谐振频率和耦合电容正相关，当耦合电容增大时，输出功率等级将提高，

动态的水环境中，水的盐度和温度是实时变化的，因此，水介质耦合电容的算法是一种动态模型算法，依据外界水环境的温度和盐度参数，另外，水介质耦合电容的计算和耦合电容的结构特性相关，包括发射端金属板和接收端金属板的接触面积、距离、厚度、形状在内，因此，中水介质耦合电容表示如下：

由此可见，当把接收端金属板放在发射端金属板的内部可以增大电容C₁₂和C₃₄的电容值，而减小电容C₁₃和C₂₄的电容值，从而增大耦合电容。

本发明针对自主水下航行器自身形状，开展“船坞仓”水下电场耦合式海下无线电能传输系统的研究，其内容包括：(1)自主水下航行器无线电能传输系统发射端和接收端的金属板将被设计为带有弧度的椭圆形。其中，P₁和P₄为发射端金属板，P₂和P₃为接收端金属板。接收端金属板的弧度和自主水下航行器的外壳保持一致。发射端的金属板要和接收端的金属板弧度保持一致。发射端金属板的面积要大于接收端金属板的面积以保证电能传输能力。采用此方法，接收端金属板可以方便地安装到自主水下航行器的两端以实现在发生翻滚或者充电距离变化时稳定的电能传输。另外，根据实际需要，自主水下航行器的接收端金属板可以分为两种：一种是接收端金属板不作为AUV外壳的一部分，被内置于AUV内部；另一种是接收端金属板作为AUV外壳的一部分，利用AUV的金属外壳进行电能接收。图4(a)是本发明中所涉及AUV接收端为内置金属基板的耦合电容结构；图4(b)是本发明中所涉及的AUV接收端为AUV金属外壳的耦合电容结构。

用水下电场耦合式无线电能传输系统来取代水下磁场感应式或者磁场耦合谐振式无线电能传输系统，从而消除涡流损耗，同时大大减小了电感线圈设计和制作的难度。相对于空气介质，纯水或者海水的介电常数将会提高。特别是海水的相对介电常数约等于81，因此，相对于真空介质，基于海水介质的电场耦合式无线电能传输系统的电能传输能力将大大提高。自主水下航行器电场耦合式无线电能传输系统可以有效抑制横向偏移或者角度错位所带来的充电功率不稳定的问题。在动态的水环境中，可以为水下自主航行器稳定的充电。采用基于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。

本发明提出了一种水下耦合电容式无线电能传输系统耦合电容求解方法，可以实现在动态水下环境中无线电能传输系统的稳定和高效运行。本发明所涉及的耦合电容模型结合多种水环境因素，其模型精确度高。基于金属板的耦合电容模型可以降低水下无线电能传输系统的成本和制作难度。

Claims (3)

1.一种用于自主水下航行器无线电能传输系统耦合电容建模方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、将自主水下航行器无线电能传输系统发射端和接收端的金属板设计为带有弧度的椭圆形，接收端金属板的弧度和自主水下航行器的外壳保持一致，发射端的金属板和接收端的金属板弧度保持一致；

所述步骤1中一对发射端金属板和接收端金属板之间的电容容值表示为：

式中，ε_r为水介质相对介电常数，ε₀为真空介质介电常数，s为发射端金属板和接收端金属板之间的接触面积，d为发射端金属板和接收端金属板之间的距离；

步骤2、基于水介质包括温度、盐度在内的因素，搭建水介质相对介电常数模型；

所述步骤2搭建的水介质相对介电常数模型表示如下：

式中，T表示水温度，S表示水盐度，ε_∞(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下无限大的频率下水介质的相对介电常数，ε_s(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下稳态水介质相对介电常数；

τ₁(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下德拜模型1的驰豫时间，τ₂(T,S)表示水温度为T和水盐度为S条件下德拜模型2的驰豫时间，ω为电场振荡的角频率，σ(T,S)为水温度为T和水盐度为S条件下水离子导电率；

步骤3、搭建耦合电容等效电路；

所述步骤3中耦合电容等效电路具体如下：

将P₁和P₄作为发射端金属板，P₂和P₃作为接收端金属板，然后将电容C₁₄作为发射端金属板P₁和发射端金属板P₄之间的等效电容；电容C₁₂作为发射端金属板P₁和接收端金属板P₂之间的等效电容；电容C₁₃作为发射端金属板P₁和接收端金属板P₃之间的等效电容；电容C₂₄作为接收端金属板P₂和发射端金属板P₄之间的等效电容；电容C₃₄作为发射端金属板P₄和接收端金属板P₃之间的等效电容；电容C₂₃作为接收端金属板P₂和接收端金属板P₃之间的等效电容；

步骤4、基于步骤3得到的耦合电容等效电路和步骤2得到的水介质相对介电常数模型求解水介质耦合电容。

2.根据权利要求1所述的一种用于自主水下航行器无线电能传输系统耦合电容建模方法，其特征在于，所述步骤1中发射端金属板的面积大于接收端金属板的面积，以保证电能传输能力。

3.根据权利要求1所述的一种用于自主水下航行器无线电能传输系统耦合电容建模方法，其特征在于，所述步骤4具体如下：

传统电场耦合式无线电能传输系统的输出功率公式表示如下：

P_out＝αωC_MV_C1V_C2 (3)

式中：ω＝2πf_sw,f_sw为全桥逆变器的开关频率，C_M为金属板的耦合电容，V_C1为发射端谐振补偿网络的谐振电压，V_C2为接收端谐振补偿频网络的谐振电压，V_C1＝V_C2，α为比例常数，耦合电容C_M与水介质的介电常数正相关；

从公式(4)看出，当发射端金属板和接收端金属板之间的电压V_C1和V_C2固定时，电场耦合式无线电能传输系统的传输功率与谐振频率和耦合电容正相关，当耦合电容增大时，输出功率等级将提高，

动态的水环境中，水的盐度和温度是实时变化的，因此，水介质耦合电容的算法是一种动态模型算法，依据外界水环境的温度和盐度参数，另外，水介质耦合电容的计算和耦合电容的结构特性相关，包括发射端金属板和接收端金属板的接触面积、距离、厚度、形状在内，因此，中水介质耦合电容表示如下：

由此可见，当把接收端金属板放在发射端金属板的内部可以增大电容C₁₂和C₃₄的电容值，而减小电容C₁₃和C₂₄的电容值，从而增大耦合电容。