CN112564314A - 一种提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输效率的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明以水下锚系链的感应耦合模型为基础，提出了一种提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输效率的实现方法，建立了多节点能量传输效率的理论模型，确定了多节点电能传输效率的阻抗匹配方法，分析了海水的频率选择性，磁芯材料，负载匹配电阻，磁环匝数和频率选择等参数对电能传输效率的影响规律，根据仿真结果搭建了实验平台，验证了磁芯材质，磁环绕组，负载电阻、和频率之间的匹配关系，最终完成了10个节点电能传输，单节点的输出功率为10W，总输出功率为100W，总传输效率达到80％，本发明为实现锚系链更多节点大功率电能传输提供了一种解决方案，也为初级回路电感量小，电能损耗大的非接触式电能传输技术提供参考和借鉴。
Description
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输效率的实现方法。
背景技术
基于浮标和潜标的海洋用感应耦合锚系链是现代海洋环境立体网监测的重要组成部分，而水下多节点设备的电能补给是提高节点工作性能和寿命的一项关键技术。在结构上，锚系链系泊钢缆穿过所有的水下节点磁环内孔，两端裸露的钢缆和海水构成回路，基于感应耦合原理实现对多节点的电能供给。随着水下节点设备功能需求的不断增强，单节点的工作电能会超几W甚至更大，所有节点的电能需求会超过百W量级。传统的感应耦合锚系链电能传输进行了研究在单节点上仅实现了满足100mW的能量需求而且为闭环回路。闭环回路不仅布置复杂而且安全性得不到保证，已有的研究并未解决海水构成的开环回路存在能量损耗大，多节点大功率能量传输不易实现等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明为一种提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输效率的实现方法，为水下设备供电。
本发明的主要技术特点包括：
1)建立海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输的理论模型；
2)在初级电路中海水介质被等效为一个电阻，根据海水的频率选择性，确定一个最佳的能量传输频率范围；
3)在初级电路中钢缆上磁环两端的电感量小且参数动态变化的条件下，设计次级绕组匝数参数，同时结合负载电阻，对传输效率进行了理论，并搭建了实验平台，在此基础上完成传输参数选择的实验验证，获得了多节点条件下的最优能量传输方案，最终根据分析得到的能量传输方案获得了相对应的实验结果。
本发明的技术方案：
本发明为一种提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输效率的实现方法，本发明首先推导出多节点电路的理论公式，确定提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输效率的阻抗匹配方法；根据本课题组对于海水的频率选择性的研究结果，确定了海水在不同频率下的等效电阻，分析了电能传输效率与频率，电感量，磁芯损耗和负载参数的关系。根据仿真结果搭建了实验平台，通过实际测试，验证了磁芯材质，磁环绕组，负载电阻、和频率之间的匹配关系，确定了最优的能量传输参数。
具体步骤是：
(1)提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输效率的阻抗匹配方法
多节点能量传输电路如图1所示，初级电路由两端裸露的钢缆和海水构成的回路组成，其中，Lpi和Cpi(i＝1，2..n)代表套在钢缆上磁环两端的电感和谐振电容，RH为海水的等效电阻。次级电路由节点磁环和负载组成，其中，Lsi、Csi(i＝1，2..n)为磁环电感和谐振电容，RL为等效负载电阻。假设每个节点的磁环电感和负载相同，多节点磁环穿过一条钢缆上的总电感量为nLP，总损耗电阻为nRP，基于图1进行理论公式推导，得到影响效率的关键参数，建立效率与参数的理论模型。由于海水和钢缆组成的长距离单匝初级回路电感量小，无功功率对能量的传输功效影响大，因此在初级和次级回路中均采用串联谐振方式，不仅会降低回路阻抗，增大电流，不受海水电阻的干扰，且结构简单便于实现。
(2)提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输关键参数的设计
由于本发明中初级回路为开环，有一段海水回路，为了更好的去分析需将其等效为固定阻抗。在无线电能传输中无论是海水的频率选择性还是磁芯在不同频率下品质因数的改变都与频率息息相关，同时负载电阻的变化会对电路产生一定影响。这些关键参数都会对效率的分析产生影响，因此控制变量原则去逐一分析这些参数引起的改变，对于磁环绕组匝数随频率变化而变化的特点，通过仿真建模的方法进一步分析磁芯材料、匝数、频率选择性和节点个数等关键参数与电传输效率间的关系。
(3)海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输实验平台搭建与实验验证
在上述研究的基础上，本发明搭建了满足要求的多节点电能传输实验平台，在理论研究的基础上，进行了实验验证，获得了多节点条件下的最优能量传输方案，并获得了最终的实验结果。
本发明的优点和有益效果：
综上所述，本发明为一种提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输效率的实现方法，属于电能传输和电磁耦合技术领域，包括钢缆发射端和磁环接收端两个部分。本发明解决了感应耦合锚系链初级回路海水损耗大，单匝电感储能小，多节点大功率电能传输的需求。建立了多节点能量传输效率的理论模型，分析了海水的频率选择性，磁芯材料，负载匹配电阻，磁环匝数和频率选择等参数对电能传输效率影响的匹配规律，并结合实际测确定了提高能量传输的电路匹配参数，最终完成了10个节点电能传输，单节点功率为10W，总输出功率为100W，总传输效率达到80％。
本发明结构简单，传输效率高，可靠性强，稳定性好，能够长时间工作在水下环境中并且在复杂水下环境下有效实现无线电能传输，能够保证水下无线电能传输的平稳性。本方法也为未来实现锚系链更多节点大功率电能传输提供了一种解决方案，同样也为初级回路初级电感量小，电能损耗大，初级与次级匝数不相同的非接触式电能传输技术提供参考和借鉴。
附图说明
图1多节点能量传输电路图
图2(A)5类磁芯单匝电感量随频率的变化曲线(B)5类磁芯自身损耗随频率的变化曲线(C)5类磁芯单匝品质因数Q随频率的变化曲线
图3(A)单节点不同缠绕匝数磁环时频率-效率的理论曲线图.(B)多节点不同缠绕匝数磁环时频率-效率的理论曲线图
图4多节点不同缠绕匝数磁环时频率-效率的实际测试曲线图
具体实施方式
第1步、推导多节点电路理论公式
由钢缆穿过磁芯组成的长距离初级回路电感量小，无功功率对能量的传输功效影响大，因此为了提高传输效率需要采用谐振方式来补偿无功功率。在钢缆和海水回路中使用并联谐振方式，海水电阻存在于电容与电感之间，会减弱谐振效果.与此相比，串联谐振方式使回路阻抗小，电流增大，且不受海水电阻的干扰，结构简单且易实现。因此本研究在初级和次级回路采用SS型谐振，多节点电能传输如公式(1)所示。
其中，Msipj＝ksipjLsiLpj(i，j＝1，2，...，n；i≠j)是钢缆上磁环间的互感，由于磁环间距离相对较远，互感量近似为0，计算得到的电能传输效率如式(2)所示。
其中，在多节点负载相同的情况下，负载节点电流与初级电流的比为，
初级线圈和次级线圈的品质因数为，
将公式(3)和(4)代入公式(2)后可简化为，
据式5水下非接触电能传输理论模型可知，电能传输效率与频率，电感量，磁芯损耗和负载等这些参数的关系。
第2步、海水的频率选择性
本发明研究的感应耦合锚系链电能传输初级回路的一段为海水介质，海水等效电阻RH具有频率选择性，而在无限大的海水域中，海水电阻RH的频率选择不易测量。根据传统的电磁场理论，频率达到MHz以上时，海水的电导率迅速减小，无法实现长距离信号的传输。根据我们之前的研究分析了电信号在海水介质中的传输特性，确定了20kHz-200kHz的频率范围，RH不仅衰减量较小，同时幅值的变化也相对稳定，对谐振电路干扰也相对较小，因此本发明选择这个频率范围实现能量传输。
第3步、磁芯材料的选择
根据公式5，磁芯材料的频率特性也是提高能量传输效率的一个关键因素。初级电路总的品质因数为ωLP/(RP+RH)，而RP远远比RH要小，随着单匝电感量Ls的增大，传输效率也会提高。对次级电路而言，电感量LP增大，意味着绕匝的增多，次级损耗RP也会增大，传输效率并未增大，其主要原因为Qs＝ωLs/Rs并没有改变，由此可见，品质因数QS对提高传输效率十分重要。为了选择单匝电感量大，且品质因数高的磁芯，本发明选择了的5种磁芯材料，使用阻抗分析仪4249a对磁芯的参数进行了分析。
图2.A表明，非晶体磁芯在200kHz内单匝电感量最大，其次为锰锌磁芯，其它磁芯电感量相对较小。从图2.B可知，在200kHz频段内，非晶体磁芯损耗大，其它磁芯损耗较小。从图2.C可知，在100kHz内锰锌磁芯的品质因数最大。综上磁芯特性和海水的频率选择性，本发明选择锰锌铁氧体磁芯，能量传输频率为20kHz-100kHz。
第4步、负载匹配电阻分析
为进一步明确负载匹配电阻对电能传输效率的影响，将公式5展开为公式6。
从公式(6)可知，R2/RL是影响能量传输效率的重要因素，当RS远小于RL时，影响能量传输的总效率的因素主要为海水损耗。若RS与RL相近时，传输总效率最大只能为50％。当RS远大于RL时，影响总能量传输效率的因素主要为磁芯损耗RS，此时总效率较低。除此之外，负载电阻RL的大小也直接影响了能量的传输效率，当RS远小于RL，在RL＝nLP*ω2LS/RH有50％的总输出效率，在此基础上RL越小总输出效率越高，结合实际情况总终选取10欧姆作为负载电阻取值。在确定好RL取值后，RS与ω2LS配置得当能实现最大效率，而RS与ω2LS都和匝数紧密相关。
第5步、磁环匝数与频率选择性
为进一步对磁环匝数，能量传输频率与效率之间关系做对比，本发明选择1匝，2匝，3匝，4匝，10匝以及20匝进行了单节点仿真分析，如图3所示。当磁环缠绕1匝时其最大效率点在140kHz左右，当缠绕20匝时，其最大效率点会在20kHz左右，说明匝数越多时，频率越小时获得的能量传输效率越高；为了确定传输效率与节点数量间的关系，本发明进行了4个节点的仿真分析，如图3所示。相对于单节点，4个节点的传输效率会显著提升，当影响传输效率的主要因素为海水损耗RH，增大节点个数总效率会增高。但当磁芯损耗RS为主要影响因素时，增大节点个数时传输效率总效率并不会增加。这说明匝数越多其最大效率点会在频率越小时候获得。
第6步、多节点电能传输实验平台的搭建
在初级回路上将穿过多节点磁环的导线(最大电流10A)两端放入水桶中(直径＝35cm，高＝60cm)，水桶中海水来自中国南海，导线和海水构成单匝回路，电能驱动主要由逆变器，功率放大器，直流电源组成，输出电能经初级回路后，进行整流滤波，在可调大功率负载上满足100W的功率输出。
第7步、多节点电能传输参数选择的实验验证
当负载阻抗为10Ω时，采用绕组为1匝，在能量传输频率为100kHz，电源提供2A电流，节点上会得到21W的功率；当负载阻抗为20Ω时，采用绕组为2匝，100kHz频率，此时电源提供2A电流，节点上会得到21W的功率；当负载阻抗为50Ω时，采用绕组为3匝，100kHz频率，电源提供2A电流，节点上会得到23W的功率；当负载阻抗为100Ω时，采用绕组为4匝，100kHz频率，电源提供2A电流，节点上会得到21W的功率。
第8步、海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输的实验结果
本方法最终选择了磁环绕组为3匝，10个节点，负载为10，进行实际测试。实测结果如图4所示，总输入电压峰峰值为103V，输入电流峰峰值为2.4A，每个节点获得的输出电压峰峰值为14.14V，10W的有效功率；10个节点的总输入功率为123W，获得的总功率输出为100W，电能传输效率达到80％。
Claims (1)
1.一种提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输效率的实现方法，其特征是：
第1步、提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输效率的阻抗匹配方法
感应耦合锚系链多节点能量传输的初级电路由两端裸露的钢缆和海水构成的回路组成，次级电路由节点磁环和负载组成；由于海水和钢缆组成的长距离单匝初级回路电感量小，无功功率对能量的传输功效影响大，因此在初级和次级回路中均采用串联谐振方式，不仅会降低回路阻抗，增大电流，不受海水电阻的干扰，且结构简单便于实现；
第2步、提高海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输关键参数的设计
基于海水介质的幅频特性，确定20kHz-200kHz的能量传输频率范围；在此基础上，根据磁芯材料的磁损和品质因素参数特性，选择锰锌铁氧体磁芯材料，进一步确定了能量传输的频率范围为20kHz-100kHz；在磁环绕组选择上，选择1匝，2匝，3匝，4匝，10匝和20匝进行了传输频率与效率之间的单节点仿真分析，当磁环绕组为1匝时，最大效率点在140kHz左右；当绕组为20匝时，最大效率点在20kHz左右，说明匝数越多时，频率越小时获得的能量传输效率越高；在相同条件下进行了多节点仿真分析，相对于单节点，4个节点的能量传输效率会显著提升；
第3步，海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输实验平台的搭建
在初级回路上将穿过多节点磁环的导线(最大电流10A)两端放入水桶中(直径＝35cm，高＝60cm)，水桶中海水来自中国南海，导线和海水构成单匝回路，电能驱动主要由逆变器，功率放大器，直流电源组成，输出电能经初级回路后，进行整流滤波，在可调大功率负载上满足100W的功率输出；
第4步，多节点电能传输参数选择的实验验证
当负载阻抗为10Ω时，采用绕组为1匝，在能量传输频率为100kHz，电源提供2A电流，节点上会得到21W的功率；当负载阻抗为20Ω时，采用绕组为2匝，100kHz频率，此时电源提供2A电流，节点上会得到21W的功率；当负载阻抗为50Ω时，采用绕组为3匝，100kHz频率，电源提供2A电流，节点上会得到23W的功率；当负载阻抗为100Ω时，采用绕组为4匝，100kHz频率，电源提供2A电流，节点上会得到21W的功率；
第5步，海洋用感应耦合锚系链多节点电能传输的实验结果
本方法最终选择了磁环绕组为3匝，10个节点，负载为10Ω进行实际测试，总输入电压峰峰值为103V，输入电流峰峰值为2.4A，每个节点获得的输出电压峰峰值为14.14V，10W的有效功率；10个节点的总输入功率为123W，获得的总功率输出为100W，电能传输效率达到80％。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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