CN112906238B - 基于水下旋转式电场耦合机构的ec-wpt系统及其参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于水下旋转式电场耦合机构的EC‑WPT系统及其参数设计方法，该系统包括发射端和接收端，发射端包括直流电源E_dc、全桥逆变电路、原边LC谐振补偿电路和电场发射极板，接收端包括电场接收极板、副边LC谐振补偿电路和负载电阻R_L；电场发射极板和电场接收极板构成水下旋转式电场耦合机构。该参数设计方法基于该系统，综合考虑了耦合机构的参数、绝缘层的参数、系统工作频率、系统谐振关系等因素，得到的参数使得系统具有较高的传输效率。经过理论的分析和实验的验证，该系统在水下环境中耦合机构不偏移时传输效率保持在82.5％以上，偏移时在79％以上，具有良好的抗偏移性，并且在水下的抗偏移性优于空气环境。

Description

基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统及其参数设计 方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统及其参数设计方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术将电力电子技术和现代控制理论与技术等相结合，通过磁场、电场、微波、激光等载体实现电能的无线传输，该技术已经成为了全球研究的热点，它可以解决传统导线直接电气接触带来的很多问题，具有广阔的应用前景。电场耦合无线电能传输(Electric-filed Coupled Wireless Power Transfer,EC-WPT)技术利用金属板间的高频交变电场，实现能量无线传输，其耦合机构具有成本低、重量轻、形状易变等特点，系统工作时在耦合机构周围及之间的金属导体上产生涡流损耗小，并且能够跨越金属传能。目前EC-WPT技术已经在消费电子、医疗用品以及电动汽车等领域得到了应用。

相对于空气中的EC-WPT技术的研究而言，水下电场耦合无线电能传输技术的研究才刚起步。EC-WPT技术在水下应用具有诸多优势，其利用高频电场传能，产生涡流损耗较小；耦合机构采用金属极板，结构简单，在水下应用时只需在表面涂上一层绝缘层即可；金属极板比较坚固，能够适应深水中压强较大的场合。此外，极板间的耦合电容是EC-WPT系统传能的关键因素，而水中的相对介电常数为81，能够极大地提高极板间的耦合电容，有利于提升系统的传输功率和效率。同时在系统中，耦合电容的提高意味着可以用更小的电感进行补偿，进一步减小了系统的体积且可以降低成本，有利于提高系统的功率密度。

在现有的水下EC-WPT系统研究中，耦合机构大多采用平板式极板。比如采用四块40*80mm的金属极板两两正对，并且在极板表面没有加绝缘层，工作频率设置在射频范围内，可达100MHz以上，因此系统发射端需要射频电源提供能量，实验证明从发射端射频电源输入到接收端整流输出效率为45％。还比如将一对正对极板绝缘，另一对正对极板直接暴露在水中，在发射端和接收端分别串联一个补偿电感，传输性能取决于水中离子浓度，实验中传输距离为5mm时，实现了32mW的功率输出，效率为62.4％。上述两种方法将正对极板直接暴露在水中，可将正对极板中间的水介质等效为电阻，会使得系统的损耗增大。还比如采用四块长度为200mm的平板式金属极板，并且对四块极板都进行绝缘，实验证明在长距离传输时输出功率达到220W，效率为60.17％。

目前EC-WPT系统耦合机构主要采用四块正对的平行金属极板，不能用于水下旋转体无线供电，且传输效率有待提高。

发明内容

基于上述情况，本发明解决的技术问题在于：提供一种可用于水下旋转体无线供电的EC-WPT系统及其参数设计方法，并能达到较高的传输效率。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统，所述发射端包括顺序连接的直流电源E_dc、全桥逆变电路、原边LC谐振补偿电路和电场发射极板，所述接收端包括顺序连接的电场接收极板、副边LC谐振补偿电路和负载电阻R_L；所述电场发射极板和所述电场接收极板构成水下旋转式电场耦合机构；

所述电场发射极板包括第一发射极板和第二发射极板，分别连接所述原边LC谐振补偿电路中原边谐振电容C₁的两端；所述电场接收极板包括第一接收极板和第二接收极板，分别连接所述副边LC谐振补偿电路中副边谐振电容C₂的两端；

无线传输电能时，所述电场接收极板嵌套在所述电场发射极板的里面或外面，所述第一发射极板和所述第一接收极板正对，所述第二发射极板和所述第二接收极板正对，且正对的四个极板的表面覆盖有绝缘层。

可选地，所述第一发射极板和所述第二发射极板为上下设置的第一圆柱形发射筒和第二圆柱形发射筒，所述第一接收极板和所述第二接收极板为上下设置的第一圆柱形接收筒和第二圆柱形接收筒。

可选地，所述第一圆柱形发射筒和所述第二圆柱形发射筒的高度均为l₁、半径均为r₁，两者之间的距离为d；所述第一圆柱形接收筒和所述第二圆柱形接收筒的高度均为l₂、半径均为r₂，两者之间的距离也为d；当所述电场接收极板与所述电场发射极板同轴嵌套时之间的距离即无线传输距离为d_t；所述第一发射极板、所述第二发射极板、所述第一接收极板和所述第二接收极板的材料相同且厚度均为d_c，四个绝缘层的材料相同且厚度均为d_s。

可选地，所述电场接收极板嵌套在所述电场发射极板的里面。

可选地，所述第一发射极板P₁、所述第二发射极板P₂、所述第一接收极板P₃和所述第二接收极板P₄之间形成交叉耦合模型，利用四块极板的材质和尺寸得到交叉耦合模型中任意两极板间的电容C_ij(i,j＝1,2,3,4；i≠j)的值，然后将其等效为π模型进行系统分析，所述交叉耦合模型与所述π模型之间的相互关系为：

其中，C_x1、C_x2分别为所述π模型中的原边等效电容和副边等效电容，C_M为所述π模型中原副边之间的互电容。

针对基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统，本发明还提供一种参数设计方法，包括步骤：

S1：根据应用需求确定负载电阻R_L、目标输出功率P_o及所述水下旋转式电场耦合机构的尺寸；

S2：根据绝缘层的相对介电常数ε_s、厚度d_s与与绝缘层和水介质串联形成的电容C_in的关系，选取C_in最大时的绝缘层的材料和厚度；C_in表示为：

其中，ε₀为真空的介电常数，ε_s和ε_w分别为绝缘层和水的相对介电常数，S为两正对极板的正对面积；

S3：根据经验确定系统工作频率f，根据所述交叉耦合模型与所述π模型之间的相互关系确定C_M、C_x1和C_x2；

S4：根据k＝C₁₁/C_M＝C₂₂/C_M的取值，以及

确定C₁和C₂；

S5：根据系统谐振关系确定原边LC谐振补偿电路中原边谐振电感L₁和副边LC谐振补偿电路中副边谐振电感L₂；

S6：根据

确定所述全桥逆变电路输出的初始电压V_in，其中

ω＝2πf；

S7：判断系统实际的输出功率是否达到目标输出功率P_o，若是则确定此时所有参数的取值为系统参数，若否则调整V_in直到输出功率达到目标输出功率P_o并确定此时所有参数的取值为系统参数。

可选地，k的取值范围为9～11。

本发明的有益效果是：

本发明针对水下环境中旋转设备无线供电的应用需求，以及供电设备移入可能会发生偏移的应用场景，提出了一种基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统，在这种耦合机构及谐振电路等的设计下，根据应用需求、经验、影响规律等，可确定耦合机构的各个参数，使其具有良好的能量传输性能和抗偏移性；

针对该EC-WPT系统，本发明还设计了一种参数设计方法，经过理论的分析和实验的验证，耦合结构在水下不偏移时系统的传输效率保持在82.5％以上，偏移时在79％以上，具有良好的抗偏移性，并且在水下的抗偏移性优于空气环境。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明具体实施例中基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统的电路拓扑图；

图2为本发明实施例提供的水下旋转式电场耦合机构的结构示意图；

图3为绝缘层和水介质串联形成的电容C_in随绝缘层相对介电常数ε_s和绝缘层材料厚度d_s的变化图；

图4为发射极板及接收极板间距离d足够大时耦合机构的等效模型图；

图5为发射极板及接收极板间距离d没有足够大时耦合机构的等效模型图；

图6为图2所示耦合机构的偏移示意图；

图7为图2所示耦合机构发生横向偏移时水下和空气中互电容C_M随横向偏移距离d_x的变化图；

图8为图2所示耦合机构发生纵向偏移时水下和空气中互电容C_M随纵向偏移距离d_y的变化图；

图9为图1的等效电路图；

图10为本发明具体实施例中EC-WPT系统的参数设计步骤图；

图11为本发明具体实施例中EC-WPT系统在仿真中逆变输出电压u_in、输出电流i_in以及系统输出电流i_o的波形图；

图12为本发明具体实施例中EC-WPT系统在实验中逆变输出电压u_in、输出电流i_in以及系统输出电流i_o的波形图；

图13为本发明具体实施例中EC-WPT系统的输出功率其计算值、仿真值和实验值随输入电压的变化图；

图14为本发明具体实施例中EC-WPT系统的输出效率其仿真值和实验值随输入电压的变化图；

图15为本发明具体实施例中EC-WPT系统在空气实验环境中输出功率和效率随纵向偏移距离d_y的变化图；

图16为本发明具体实施例中EC-WPT系统在空气实验环境中输出功率和效率随横向偏移距离d_x的变化图；

图17为本发明具体实施例中EC-WPT系统在水下实验环境中输出功率和效率随纵向偏移距离d_y的变化图；

图18为本发明具体实施例中EC-WPT系统在水下实验环境中输出功率和效率随横向偏移距离d_x的变化图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1的拓扑图所示，本实施例提供的一种基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统，包括发射端和接收端，发射端包括顺序连接的直流电源E_dc、全桥逆变电路(由4个MOSFET S₁-S₄组成)、原边LC谐振补偿电路(由原边谐振电容C₁和原边谐振电感L₁组成)和电场发射极板，接收端包括顺序连接的电场接收极板、副边LC谐振补偿电路(由副边谐振电容C₂和副边谐振电感L₂组成)和负载电阻R_L；电场发射极板和电场接收极板构成水下旋转式电场耦合机构。

电场发射极板包括第一发射极板P₁和第二发射极板P₂，分别连接原边谐振电容C₁的两端；电场接收极板包括第一接收极板P₃和第二接收极板P₄，分别连接副边谐振电容C₂的两端。

其中电能可以由直流电源E_dc提供，也可以由交流电整流滤波之后提供。

该系统的直流电压经全桥逆变电路转换为高频交流电注入由L₁和C₁构成的原边LC谐振补偿电路，耦合机构发射极板与接收极板在交互电场的作用下产生位移电流，实现极板之间能量的传输，由L₂和C₂构成的副边LC谐振补偿电路进一步补偿无功功率，为负载电阻R_L提供电能，实现能量的无线传输。采用双侧LC补偿网络的EC-WPT系统具有拓扑结构简单、系统参数敏感性弱等特点，因此本实施例采用双侧LC补偿网络作为该系统的谐振拓扑。

如图2的结构视图所示，第一发射极板P₁和第二发射极板P₂为上下设置的第一圆柱形发射筒和第二圆柱形发射筒，第一接收极板P₃和第二接收极板P₄为上下设置的第一圆柱形接收筒和第二圆柱形接收筒。

当电场接收极板嵌套在电场发射极板的里面(其他实施例可嵌套在外面)时，第一圆柱形发射筒和第一圆柱形接收筒正对，第二圆柱形发射筒和第二圆柱形接收筒正对，且正对的四个筒面的表面覆盖有绝缘层。

更具体的，第一圆柱形发射筒和第二圆柱形发射筒的高度均为l₁、半径均为r₁，两者之间的距离为d；第一圆柱形接收筒和第二圆柱形接收筒的高度均为l₂、半径均为r₂，两者之间的距离也为d；当电场接收极板与电场发射极板同轴嵌套时之间的距离即无线传输距离为d_t；第一发射极板P₁、第二发射极板P₂、第一接收极板P₃和第二接收极板P₄的材料相同且厚度均为d_c，四个绝缘层的材料相同且厚度均为d_s。

两块正对极板之间的电容形成了能量传输通道，所以正对极板间电容值的大小对能量传输有着重要影响。从图2可看出，两块正对极板之间的介质分布为：绝缘层-水-绝缘层，绝缘层的材料以及厚度可根据发射端和接收端的材质和应用场景进行选择，在一般情况下，绝缘层选用相同的材料，并且厚度相同。根据平板电容计算方法，得到绝缘层形成的电容C_s、水介质形成的电容C_w，以及C_s与C_w串联之后的总电容C_in的计算公式如式(1)所示：

其中，ε₀为真空的介电常数，ε_s和ε_w分别为绝缘层和水的相对介电常数，S为正对极板的正对面积。以图2中P₁和P₃极板为例，它们之间距离d_t为10mm，外侧半径r₁和内侧半径r₂分别为82mm和72mm，极板高度为30mm，淡水环境下相对介电常数为81，结合式(1)，可得到P₁和P₃极板间的耦合电容值C_in随绝缘层相对介电常数ε_s和绝缘材料厚度d_s之间的关系如图3所示。从图3中可以看出，C_in随ε_s增大而增大；d_s越小，C_in随ε_s增大速度越快，C_in增大到阈值之后变化速度趋于平稳；为了获得较大的耦合电容，ε_s应选择C_in增大到阈值之后的值。C_in随d_s增大而减小；ε_s越小，C_in随d_s减小速度越快，C_in减小到阈值之后变化速度趋于平稳；为了获得较大的耦合电容，d_s应选择C_in减小到阈值之前的值。以图2为例，为了获得较大的C_in，d_s小于2mm为最佳，常用固体绝缘材料的相对介电常数一般在10以下，所以在选择绝缘材料时应选择可选范围内ε_s最大的材料。同理，其他尺寸耦合极板也可用该方法得到较大耦合电容时的d_s和ε_s。

对于图2中耦合机构，距离d可以随着应用场景的变化而变化，当d足够大时，正对极板之外的交叉耦合电容可以忽略，图2所示耦合机构可以等效为图4左边所示的两个耦合电容C₁₃和C₂₄，分别为两对正对极板P₁-P₃和P₂-P₄形成的电容，可进一步等效为图4右边所示的模型，其中C_s＝C₁₃·C₂₄/(C₁₃+C₂₄)。若d没有足够大，则需要考虑电容之间的交叉耦合，图2耦合机构可等效为图5左边所示的六个交叉耦合电容，C₁₂和C₃₄分别为极板P₁-P₂和P₃-P₄形成的电容，分别位于能量发射端和接收端；C₁₃和C₂₄分别为极板P₁-P₃和P₂-P₄形成的电容，构成能量传输通道；C₂₃和C₁₄分别为极板P₂-P₃和P₁-P₄形成的电容。利用外套筒和内套筒的材质和尺寸可以得到交叉耦合模型中任意两金属极板间的电容C_ij(i,j＝1,2,3,4；i≠j)的值。可将六电容等效模型进一步等效为图5右边所示的π型模型。

为了适用于一般情况，本实施例采用考虑交叉耦合电容的等效模型进行分析。根据上述等效，得到π模型中互电容C_M、自电容C_x1和C_x2的计算公式如式(2)所示。

在实际应用中，图2所示耦合机构可能会发生位置偏移，为了探究该耦合机构的抗偏移性，根据应用环境，利用COMSOL软件分别在水下环境和空气中进行仿真，比较同样的耦合机构在不同环境下的抗偏移效果。仿真中设置P₂和P₄极板高度l₁为30mm，P₁和P₃极板高度l₂为50mm，耦合机构外侧半径r₁和内侧半径r₂分别为82mm和72mm，同一侧板之间距离d为50mm，传输距离d_t为10mm；极板表面绝缘层材料选择环氧树脂，相对介电常数为4，绝缘层厚度d_s为1mm。

耦合机构偏移示意图如图6所示，图6(a)表示耦合机构横向偏移，图6(b)表示耦合机构纵向偏移，其中d_x和d_y分别为耦合机构的横向和纵向偏移量。图7和图8分别为横向和纵向偏移时，水下和空气环境中C_M值的变化图，水下C_M值对应左侧坐标，空气中C_M值对应右侧坐标。可以看到耦合机构发生同样的偏移时，水下和空气中C_M值变化趋势基本一致，但是水下C_M值远大于空气C_M值。发生横向偏移时，C_M值随着偏移量的增大而略增大，偏移9mm时，水下环境的C_M值从正对时的40.7pF变为42pF，增加了3％；空气环境的C_M值从正对时的6.9pF变为8.7pF，增加了26％。当发生纵向偏移时，C_M值随着偏移量的增大而减小，考虑到P₂和P₄极板高度只有30mm，纵向偏移20mm已是很少见的情况，此时的水下环境的C_M值为32.9pF，减小了19％；空气中的C_M值为5.2pF，减小了24％。

综上，从C_M值来看，耦合机构发生偏移时C_M在水下环境的变化量远小于空气环境，尤其是横向抗偏移性在水下环境中得到大幅提升。此外，由于空气中的耦合电容值较小，除了会使得系统能量传输功率和效率变低，还需要用较大电感进行补偿，这样会使系统负载品质因数增大，而过高的负载品质因数会导致系统参数敏感性增加，使系统的鲁棒性变差，因此进一步减弱了该耦合机构空气环境下的抗偏移性；而在水下的耦合电容值比空气中大，有利于提高系统抗偏移性。

图1所示EC-WPT系统电路图可等效为图9所示，其中u_in为逆变输出的等效电源，C₁₁与C₂₂设置为相等，即为：

对图9所示的等效电路采用基波近似(Fundamental Harmonics Approximation,FHA)法进行分析，各级阻抗可表示为：

其中ω＝2πf，f为系统工作频率。令中间变量：

系统的输入阻抗可表示为：

式中，a,b,c,d为中间变量，分别代表：

根据上述分析，结合式(3)，得到系统的输出电压为：

其中，V_in为全桥逆变电路输出的输入电压。

进而可得到系统的输入功率和输出功率分别为：

其中，I_in表示全桥逆变电路输出的输入电流，I_o表示系统的输出电流。

当输入阻抗Z_in虚部为0，即b＝d＝0时，此时满足

系统能达到良好的性能，可将系统输出电压的计算公式化简为：

式(11)可以看到输出电压滞后输入电压90°。综合前文的分析，可得到系统参数设计的步骤流程和工作流程分别如图10所示。具体包括步骤：

S1：根据应用需求确定负载电阻R_L、目标输出功率P_o及水下旋转式电场耦合机构的尺寸；

S2：根据绝缘层的相对介电常数ε_s、厚度d_s与耦合机构总电容C_in的关系(图3)，选取C_in最大时的绝缘层的材料和厚度；

S3：根据经验确定系统工作频率f，根据交叉耦合模型与π模型之间的相互关系[式(2)]确定C_M、C_x1和C_x2；

S4：根据k＝C₁₁/C_M＝C₂₂/C_M[式(5)]的取值，以及

确定C₁和C₂；

S5：根据系统谐振关系确定原边LC谐振补偿电路中原边谐振电感L₁和副边LC谐振补偿电路中副边谐振电感L₂；

S6：根据

确定全桥逆变电路输出的初始电压V_in，其中

ω＝2πf；

S7：判断系统实际的输出功率是否达到目标输出功率P_o，若是则确定此时所有参数的取值为系统参数，若否则调整V_in直到输出功率达到目标输出功率P_o并确定此时所有参数的取值为系统参数。

结合极板电压和系统的其他参数，本实施例k取9～11。

根据图1所示电路拓扑，本实施例在LT-spice中建立系统仿真模型。为了和实验进行对比，仿真中系统参数设置为与实验装置中一致，并且逆变器件型号和电感内阻设置为与实验中一致。根据耦合机构的设计思路，仿真中设计一套耦合机构尺寸参数如表1所示。耦合机构尺寸确定之后，可实际测得耦合机构六个端口电容值，得到六个交叉耦合电容值如表2所示。结合图10的参数设计方法，确定系统参数如表3所示。

表1耦合机构尺寸

表2交叉耦合电容值

表3系统参数

注：R_L1、R_L2分别表示L₁和L₂的内阻。

逆变器输出电压u_in和输出电流i_in以及系统输出电流i_o波形如图11所示，可以看出，逆变器的输出电流稍微滞后于输出电压。输出电流滞后输入电压90°，由于系统中为阻性负载，即输出电压与也滞后输入电压90°，这与式(11)中的结果一致。仿真输出功率为319W，输入功率为362W，系统效率为88.4％。此时系统中的各个器件所承受的最大电压/电流峰值如表4所示，可作为实验中器材选型的参考。

表4器件承受电压/电流

为了进一步验证水下旋转式EC-WPT系统的能量传输性能及抗偏移性，基于图1所示拓扑和表3所示的系统参数，本实施例还搭建了实验装置。实验中使用两个亚克力筒来模拟水下旋转式无线供电的应用场景，将四片铜箔贴在亚克力筒表面来充当电容极板，为了适用于一般情况，实验中耦合机构设置为非对称结构，即上下两对极板的高度l₁和l₂不相等；在耦合机构外部贴合了一层用ABS树脂打印的绝缘层，相对介电常数为3，用来保证极板与水之间的良好绝缘。通过测量和计算，耦合机构内部的交叉耦合电容值如表2所示。实验中电感L₁和L₂采用0.04*1200规格的利兹线所绕制的空心电感，这样可以很大程度地减少集肤效应，从而减少能量传输过程中的损耗；电容C₁和C₂采用多层陶瓷电容，以减少电容值随频率的漂移，同时能承受高电压。逆变器采用了型号为C2M0080120D的碳化硅(SiC)MOSFET，有利于增加系统的开关频率；增大开关频率可以减小电路中电感的尺寸，但是会增加开关损耗，根据实验确定频率为2.025MHz。

实验中逆变输出电压/电流u_in/i_in以及系统输出电流i_o如图12所示，在实验中，逆变器开关管需要一定的导通电压，所以逆变开关管的实际导通点在电压波形的过零点之后，应当使逆变电流的过零点稍滞后于开关管导通点，减少开关损耗，使L₁稍大于L₂达到该效果。图12可以看到输出电流滞后输入电压90°，由于为阻性负载，因此输出电压滞后输入电压90°，这与仿真结果和计算结果都一致。直流输入电压为100V时，在直流电源上可看到输入电流为3.56A，计算得到输入功率为356W，此时负载电流的有效值为2.94A，计算得到系统的输出功率为311W，系统的传输效率为87.4％。

图13为全桥逆变电路输出的输入电压从20V-100V范围变化时，输出功率计算值、仿真值、实验值的对比，可以看到，输出功率三个值的变化趋势基本一致，由于仿真中考虑了电感的内阻值以及各个器件的损耗，所以仿真值和实验值无太大差别，随着输入电压的升高，器件的损耗逐渐增大，使得计算值与仿真值和实验值之间差异略微增大。图14为系统效率仿真值和实验值的对比，可以看到，随着输入电压的变化，仿真值和实验值都能够保持较高的效率，并且趋势大致相同，在高于70V时，仿真和实验值基本保持一致。从实验值曲线可以看出，实验中系统效率保持在82.5％以上，说明系统能够在20V-100V的输入范围内保持能量高效率传输。

图15和图16分别为实验水下环境中，系统接收端纵向偏移和横向偏移时，系统输出功率和效率的变化，左侧坐标为输出功率，右侧坐标为效率。可以看到，当接收端纵向偏移时，输出功率先增大后减小，这是由于在双边LC的拓扑中，在一定范围内C_M与输出功率成反比；系统效率随着偏移距离增大而减小；当接收端横向偏移时，输出功率和效率变化幅度很小。

为了进一步证明该系统在水下环境中的抗偏移效果，实验中探究了该系统在空气环境中的抗偏移性进行对照。在空气环境中，采用相同的耦合机构、电路拓扑以及配谐方法，使得系统工作在最佳状态，并且输入电压E_dc、工作频率f和负载电阻R_L与水下环境相同。得到空气环境中系统接收端纵向偏移和横向偏移时，系统输出功率和效率的变化如图17和图18所示。

对比可以得到，空气环境中的输出功率远远小于水下环境；在空气中发生偏移时，输出功率和效率随偏移量的变化趋势与水下环境中一致，但是输出功率在空气中的变化量远大于水下的变化量；可得到该系统在水下和空气环境中能量传输性能及抗偏移性对比如表5所示。

表5水下环境和空气环境能量传输性能及抗偏移对比

综上，本实施例针对水下环境中旋转设备无线供电的应用需求，以及供电设备移入可能会发生偏移的应用场景，提出了一种基于水下旋转式耦合机构的EC-WPT系统及其参数设计方法，并采用仿真和实验的方式探究了系统的抗偏移性。具体来说，本实施例分析了绝缘层相对介电常数和厚度对耦合电容的影响规律，对绝缘层相对介电常数和厚度的选取给出了参考方法；建立了耦合机构模型，给出了水下和空气中耦合机构偏移情况下交叉耦合电容的变化规律，从电容值变化的角度阐述了该系统在水下具有比空气中优越的抗偏移性；给出了双侧LC补偿网络的EC-WPT系统的系统参数设计方法，并在LT-Spice中进行了仿真，通过仿真验证了系统的可行性，并为实验器件选型提供了参考；最后搭建了实验装置，给出了实验值与仿真和理论值的对比，实验中比较了在系统参数基本一致的情况下，同样的耦合机构在水下和空气中的能量传输性能和抗偏移效果。仿真和实验表明，在水下环境中，当输入电压变化时，系统都具有较高的效率，且输出功率的理论值、仿真值和实验值趋势基本保持一致，说明了仿真和实验与理论相吻合；实验中输出功率为311W时，传输效率为87.4％。在耦合机构、电路拓扑及配谐方法相同，并且输入电压E_dc、工作频率f和负载电阻R_L也相同时，系统在水下环境中输出功率远远大于空气环境，在水下的抗偏移性优于空气环境；系统在水下的补偿电感小于空气环境，减小了系统损耗，降低了系统成本，提升了系统的功率密度。

此外，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统的参数设计方法，所述EC-WPT系统包括发射端和接收端，所述发射端包括顺序连接的直流电源E_dc、全桥逆变电路、原边LC谐振补偿电路和电场发射极板，所述接收端包括顺序连接的电场接收极板、副边LC谐振补偿电路和负载电阻R_L；所述电场发射极板和所述电场接收极板构成水下旋转式电场耦合机构；所述电场发射极板包括第一发射极板和第二发射极板，分别连接所述原边LC谐振补偿电路中原边谐振电容C₁的两端；所述电场接收极板包括第一接收极板和第二接收极板，分别连接所述副边LC谐振补偿电路中副边谐振电容C₂的两端；无线传输电能时，所述电场接收极板嵌套在所述电场发射极板的里面或外面，所述第一发射极板和所述第一接收极板正对，所述第二发射极板和所述第二接收极板正对，且正对的四个极板的表面覆盖有绝缘层；所述第一发射极板、所述第二发射极板、所述第一接收极板和所述第二接收极板的材料相同且厚度均为d_c，四个绝缘层的材料相同且厚度均为d_s；

所述第一发射极板P₁、所述第二发射极板P₂、所述第一接收极板P₃和所述第二接收极板P₄之间形成交叉耦合模型，利用四块极板的材质和尺寸得到交叉耦合模型中任意两极板间的电容C_ij(i,j＝1,2,3,4；i≠j)的值，然后将其等效为π模型进行系统分析，所述交叉耦合模型与所述π模型之间的相互关系为：

其中，C_x1、C_x2分别为所述π模型中的原边等效电容和副边等效电容，C_M为所述π模型中原副边之间的互电容；

其特征在于，所述参数设计方法包括步骤：

S1：根据应用需求确定负载电阻R_L、目标输出功率P_o及所述水下旋转式电场耦合机构的尺寸；

S2：根据绝缘层的相对介电常数ε_s、厚度d_s与绝缘层和水介质串联形成的电容C_in的关系，选取C_in最大时的绝缘层的材料和厚度；C_in表示为：

其中，ε₀为真空的介电常数，ε_s和ε_w分别为绝缘层和水的相对介电常数，S为两正对极板的正对面积；

S3：根据经验确定系统工作频率f，根据所述交叉耦合模型与所述π模型之间的相互关系确定C_M、C_x1和C_x2；

S4：根据k＝C₁₁/C_M＝C₂₂/C_M的取值，以及

确定C₁和C₂；

S5：根据系统谐振关系确定所述原边LC谐振补偿电路中原边谐振电感L₁和所述副边LC谐振补偿电路中副边谐振电感L₂；

S6：根据

确定所述全桥逆变电路输出的初始电压V_in，其中

ω＝2πf；

S7：判断系统实际的输出功率是否达到目标输出功率P_o，若是则确定此时所有参数的取值为系统参数，若否则调整V_in直到输出功率达到目标输出功率P_o并确定此时所有参数的取值为系统参数。

2.根据权利要求1所述基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统的参数设计方法，其特征在于：k的取值范围为9～11。

3.根据权利要求1所述基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统的参数设计方法，其特征在于：所述第一发射极板和所述第二发射极板为上下设置的第一圆柱形发射筒和第二圆柱形发射筒，所述第一接收极板和所述第二接收极板为上下设置的第一圆柱形接收筒和第二圆柱形接收筒；所述第一圆柱形发射筒和所述第二圆柱形发射筒的高度均为l₁、半径均为r₁，两者之间的距离为d；所述第一圆柱形接收筒和所述第二圆柱形接收筒的高度均为l₂、半径均为r₂，两者之间的距离也为d；当所述电场接收极板与所述电场发射极板同轴嵌套时之间的距离即无线传输距离为d_t。

4.根据权利要求3所述基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统的参数设计方法，其特征在于：所述电场接收极板嵌套在所述电场发射极板的里面。

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