CN113904457A - 基于e类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，所述系统包括：初级发送电路、耦合单元和次级接收电路，所述初级发送回路中包括：直流电源、高频逆变电路、调谐电路，所述调谐电路采用π‑S型谐振网络；所述次级接收回路中包括：整流电路、滤波电路和负载；所述耦合单元采用平板形电容器结构，由上下两对铜板组成，分别为发射极板和接收极板，两极板中间填充介质为海水。本发明优化了基于单级LC谐振型电场耦合式水下无线电能传输系统存在的输出功率低、谐振容量小、频率偏移大等问题。
Description
技术领域
本发明基于CLC-S调谐网络，综合E类放大器频率高、效率高的特点，设计一种输出功率大、频率偏移低、谐振容量小的更适用于海水环境的无线电能传输系统。
背景技术
自主式水下航行器(Autonomous Under-water Vehicle,AUV)作为探索海洋空间的重要手段，由于巨大的科技和军事价值，其发展一直为世界各海洋强国所关注。目前，AUV的供电方式主要是自身携带的锂离子电池和燃料电池。它的主要缺陷在于工作时间较短，且需要频繁的回收和投放，难以长时间执行航行和深海环境监测任务，这在一定程度上限制了AUV的自主性和灵活性。因此，水下无线电能传输技术的研究就显得尤为关键。
电场耦合式电能传输(Electrical-field Coupled Power Transfer，ECPT)技术是指在电能的传输过程中，在发送能量侧和接收能量侧分别设置电极，通过极板间产生的电场来传输能量的技术。当下，有学者提出了一种适于电动汽车无线充电的电能传输系统，在传输距离为150mm时，最大输出功率为2.4kW，这正好满足了AUV无线电能传输对于大功率供电的需求。因此，将无线充电技术应用到水下AUV的充电续航中具有重要意义。但是，现有的基于单级LC谐振型电场耦合式水下无线电能传输系统，虽然一定程度上可以满足海水环境的需要，但存在系统的输出功率低、谐振容量小、频率漂移大等关键问题，制约着电能传输系统性能的提升。
针对上述问题，及海洋环境这一具体场景，结合CLC-S调谐网络，综合E类放大器频率高、效率高的特点，设计一种输出功率大、频率偏移低、谐振容量小的更适用于海水环境的无线电能传输系统。
发明内容
本发明提供了一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，本发明优化了基于单级LC谐振型电场耦合式水下无线电能传输系统存在的输出功率低、谐振容量小、频率偏移大等问题，详见下文描述：
一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，所述系统包括：初级发送电路、耦合单元和次级接收电路，
所述初级发送回路中包括：直流电源、高频逆变电路、调谐电路，所述调谐电路采用π-S型谐振网络；
所述次级接收回路中包括：整流电路、滤波电路和负载；
所述耦合单元采用平板形电容器结构，由上下两对铜板组成，分别为发射极板和接收极板，两极板中间填充介质为海水。
其中，所述E类放大器的品质因数Q在5～20之间。所述两极板中间填充介质为海水具体为：
在铜板与海水的接触一侧覆着一层厚度d1＝1mm的PVC介质，另一侧通过灌环氧隔离海水引出连接导线，d为海水的厚度。
优选地，所述发射极板的激励电压设为5V，接收极板的激励电压0V，铜板上覆着1mm的PVC介质，平行板电容器的中间充斥着电导率为0.04S/cm的海水。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过对海水环境下耦合机构的电容值进行有限元分析，结合负载品质因数、归一化频率等参数对水下无线电能传输系统的影响规律，利用E类放大器频率高、效率高的特点，优化基于单级LC谐振型电场耦合式水下无线电能传输系统存在的输出功率低、谐振容量小、频率偏移大等问题，满足了实际应用中的多种需要。
附图说明
图1为基于E类放大器的ECPT系统；
图2为耦合机构结构示意图；
图3为耦合机构电场强度矢量分布图；
图4为海水间隙对电容值的影响示意图；
图5为水下实测电压增益随品质因数的变化曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提供了一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，参见图1，该系统包括：
本发明实施例结合E类放大器的特性构建电场耦合式电能传输系统。无线电能传输系统的组成部分主要有初级发送电路、耦合单元和次级接收电路。
其中，在初级发送回路中包括：直流电源、高频逆变电路、调谐电路，在次级接收回路中包括：整流电路、滤波电路和负载。
具体实施时，耦合单元由发射极板和接收极板构成，中间填充介质为海水。由于E类放大器开关管数目较少，导通损耗也就较低，更适于在高频条件下运行，这样可以降低补偿电感值，更有利于提升ECPT系统的传输能力。
上述初级发送回路中的调谐电路采用π-S型谐振网络，与LC串联谐振电路相比，阶数较高的CLC复合型谐振回路具有电压泵升的作用，这就使得耦合机构的电压高于逆变网络的输出电压，有效地解决了E类逆变器MOSFET管的低压需求和耦合机构的高压激励需求之间的矛盾，既降低了开关管的电压等级，又保证了较高的传输功率。
为了使E类放大器工作在最佳状态，确定品质因数Q在5～20之间，参考现有文献，可以确定基于E类放大器的ECPT系统的各项参数。
水下耦合机构的设计、建模与有限元分析。对于基于E类放大器的ECPT系统来说，耦合机构的设计是提高输出功率和效率的关键。常见的耦合机构有两种形式：平板型电容器和圆筒型电容器。平行板电容器结构简单，由上下两对铜板组成，分别为发射极板和接收极板。圆筒型电容器由内外两个同心圆柱体构成，每对耦合机构由内筒和外筒组成，外筒为发射极板，内筒为接收极板，内圆柱体是固定的，外圆柱体是可旋转的，通过更换不同的外筒来改变耦合极板之间的传输距离。
对于圆盘型平行板电容器而言，要求上下极板严格对齐，有稍微的偏差则会带来交叉耦合，耦合机构的电容值一般在pF量级，会增大耦合机构电容值的偏差，带来系统的失谐，进而影响水下电能传输的质量。圆筒型电容器则适用于旋转应用领域，而AUV对接技术多采用平台式对接。综合考虑，平板形电容器更适用于现有研究场景。
因此，基于平板形电容器展开耦合机构的建模和有限元分析，得出海水间隙对耦合机构电容值、对ECPT最终输出功率的影响规律。
实施例2
下面结合具体的实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
一、设计基于E类放大器构架ECPT系统
分析一般ECPT系统各组成模块及相应的功能。分析E类放大器的工作原理如图1所示，结合电路拓扑分析谐振频率等关键参数。此外，为使E类放大器工作在最佳状态，确定品质因数Q在5～20之间。然后基于E类放大器构建ECPT系统，确定其他各ECPT模块的参数。最后分析调谐网络拓扑，得到调谐网络的输入输出电压增益。
二、耦合机构的选择、建模
耦合机构的设计直接影响ECPT系统输出功率的大小。结合现有的研究实例及具体的应用环境，选择平板形电容器作为耦合机构。设计了如图2所示的平板型水下耦合机构。电容器由两个半径为51mm，厚度为3mm的铜质圆盘组成，铜盘嵌入在PVC材料的凹槽之内，周围有四个安装孔，通过螺杆连接保证严格对准，在此基础上进行建模和分析。由于两个电容器相同，可就其中一个进行分析。与空气有所不同，空气是良好的绝缘介质，然而海水中富含各种导电离子，无法与铜盘构成电容器，因此，海水并不适合作为单独的电介质，于是在铜盘与海水的接触一侧覆着一层厚度d1＝1mm的PVC(聚氯乙烯)介质，另一侧通过灌环氧隔离海水引出连接导线，d为海水的厚度。分析时将海水视为导体，当两对极板存在电压差时，海水中的离子会产生定向移动，表现为有电流“流向”接收极板。于是耦合电容器的极板中间分为两部分，每部分可看作一个平行板电容器，然后其等效电容就相当于两个电容器的串联，最终可得出水下耦合机构的总电容值。
三、耦合机构的有限元分析
耦合机构性能的优劣决定着整个电能传输系统输出功率的大小。而耦合机构内的电场分布、电容变化在海水环境中又受海水间隔等因素的影响。所以有必要对海水中耦合机构的电场矢量分布进行研究，利用研究结果对耦合机构的设计参数进行修正，以取得更好的效果。本发明实施例中利用Ansoft公司的有限元软件Maxwell对所设计的水下耦合机构进行了3D建模，上极板激励电压设为5V，下极板电压0V，铜板上覆着1mm的PVC介质，平行板电容器的中间充斥着电导率为0.04S/cm的海水。从得到的电场矢量分布图中可以看出，电场强度主要集中分布在PVC介质内部，可近似看作匀强电场，电场强度为2.6198×103V/m，在平行板的边缘场强向周围扩散，当圆盘直径远大于海水间隙时，可忽略电场的边缘效应。在间隙为d的海水间隙的内部，电场强度几乎处处为零。通过Maxwell软件对耦合机构进行有限元计算，得到海水间隙和空气间隙为1mm-50mm时耦合机构电容值，其结果如图3所示。随着空气间隙增加，耦合机构电容值急剧下降，而海水间隙距离d的增加，耦合机构的电容值趋于稳定，且比空气中大，这也验证了耦合机构的建模的有效性。
四、设计实现，验证基于E类放大器的ECPT系统的性能
基于上述仿真分析，搭建ECPT水下无线电能传输系统实验电路。实验电路主要包括驱动电路、E类放大器谐振电路、水下耦合机构和负载。该系统的输入直流电源Vcc＝12V，MOSFET的型号为IRF640N，Vdss＝200V，Rds＝0.18Ω，Id＝18A。驱动信号由单片机的IO口产生，可以产生频率为0-1MHz的占空比为50％的脉冲信号，由光耦芯片6N137隔离主谐振回路，经驱动电路转化为可以控制MOSFET场效应管的开关的控制信号。由于传输频率较高，电感线圈采用空心漆包线绕制而成以降低损耗。耦合机构由两个厚度为3mm的铜质圆盘组成，铜盘的外表面覆着一层1mm的PVC材料以隔绝海水，两块圆盘由塑料螺柱紧密固定且严格对齐，浸没在电导率为40mS/cm的盐水中来近似模拟海水环境进行本次实验。实验中谐振频率f＝500KHz，负载电阻RL＝500Ω，水下传输测试距离为2mm。实验结果最终说明了基于E类放大器的ECPT系统在海水环境中提升输出功率的有效性。
由图5可得，输出电压得到一定程度提升。虽然有所提升，但是效果并不显著。产生这种情况的原因有：一是实际电路中电感和电容的寄生参数在频率较高时会消耗一部分能量且MOSFET存在发热损耗；二是海水下的不同频率的损耗机制、最优传输频率尚有待研究；三是水下耦合机构的电场强度会随着传输距离下降，且海水电阻会消耗一部分能量。因此，实验说明，结合E类放大器来设计ECPT系统，在提高输出功率方面是行之有效的。而为了进一步发挥出这种设计的优势，需要考虑进一步优化耦合机构的设计。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，其特征在于，所述系统包括：初级发送电路、耦合单元和次级接收电路，
所述初级发送回路中包括：直流电源、高频逆变电路、调谐电路，所述调谐电路采用π-S型谐振网络；
所述次级接收回路中包括：整流电路、滤波电路和负载；
所述耦合单元采用平板形电容器结构，由上下两对铜板组成，分别为发射极板和接收极板，两极板中间填充介质为海水。
2.根据权利要求1所述的一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，其特征在于，所述E类放大器的品质因数Q在5～20之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，其特征在于，所述两极板中间填充介质为海水具体为：
在铜板与海水的接触一侧覆着一层厚度d1＝1mm的PVC介质，另一侧通过灌环氧隔离海水引出连接导线，d为海水的厚度。
4.根据权利要求3所述的一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，其特征在于，所述发射极板的激励电压设为5V，接收极板的激励电压0V，铜板上覆着1mm的PVC介质，平行板电容器的中间充斥着电导率为0.04S/cm的海水。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| 于广强: "海洋环境下电场耦合式无线电能传输系统研究", 《万方学位论文》 * |
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