CN114884226A - 基于水下涡流的中距离无线电能传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水下涡流的中距离无线电能传输方法，包括：建立水下无线电能传输系统电路模型，并基于实验数据来进行模型参数确定方法等步骤。在涡流帮助下，海水中的中距离无线电能传输效率远高于空气中。在此基础上，将涡流作为一个中继线圈对实验现象进行解释，并对该中继线圈进行了参数估计，可用于传输距离优先的传输场景中。

Description

基于水下涡流的中距离无线电能传输方法

技术领域

本发明涉及水下涡流的中距离传输技术领域，尤其涉及一种基于水下涡流的中距离无线电能传输方法。

背景技术

我国拥有着包括海洋生物、海洋空间、石油天然气、海底固体矿产、海洋风浪能和海滨旅游等种类丰富且十分具有开发潜力和意义的海洋资源，在当前自然资源缺乏的情况下，海洋资源的开发利用具有十分重大的意义。海洋资源的开发和利用需要大量的水下设备作为支持，当下对海洋开发最大的限制在于水下设备的活动范围较小，造成这种情况的主要原因是水下设备的续航问题没有得到较好地解决。水下设备传统的电能补给方式主要有两种：一种是最常用的水下湿插拔式充电，就是在船舶、海底基站等供电平台通过电缆系统向水下设备进行供电；第二种是最直接的将水下设备打捞上岸，更换新电池或通过插头和插座等电连接器的接触来使电池充电。第一种方式操作复杂，成本高，需要大量的维护，由于接插口为金属，容易引起火花、漏电、腐蚀等；第二种方式需要人工操作，浪费人力物力，自动化程度低，动作很大不利于隐蔽，不适用于军事活动。传统供电方法影响了水下设备的续航能力进而影响了工作效率，所以我们需要探索新的供电方式。

为了避免传统接触式电能传输的缺陷，人们探索出一种不需要直接接触的无线充电方式。水下无线电能传输技术主要有以下几个方面的优势：首先，应用无线电能传输技术的水下设备，供电端和受电端以电磁场的形式连接在一起，不存在直接的物理接触，不再需要使用湿拔插接口等昂贵密封装置来与水环境隔离，也不需要打捞更换电池或充电，节约了人力物力，减小了水下设备充电的成本。其次，应用水下无线电能传输技术，可以避免使用者插拔设备供电接口时因电火花、漏电、腐蚀等问题受到伤害。另外，减少了水下作业时对人体和海洋生物的影响。相比传统充电方式，无线电能传输系统具有安全，方便，灵活的优点。

水下无线电能传输过程中，由于涡流的存在，使得它与在空气中传输时有很大不同，在以往的研究中，普遍认为涡流是损耗，会降低海水中的传输效率，所以通过对发、收线圈间磁场的研究对涡流损耗进行了计算，之后再将涡流损耗的计算结果放入无线电能传输系统中分析水下的传输情况。2016年张克涵等人通过电磁场计算总结出了涡流损耗的一般规律，即涡流效应与谐振频率的二次方、线圈半径的四次方和磁感应强度的二次方成正比。2019年JongwookKim等人提出了用等效电路的方法来预测涡流的大小，使用z参数的方法，利用电磁分析和二端口网络分析，推导出考虑海水频率和导电性的线圈阻抗模型。2020年张克涵等人提出了一种考虑海水中失谐效应的移相互感电路模型，该模型还包含了基于电场积分的等效涡流损耗阻抗。

但是以上研究都未能直观阐明水下无线电能传输机理，以上理论有待进一步实践检验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水下涡流的中距离无线电能传输方法，在涡流帮助下，海水中的中距离无线电能传输效率远高于空气中，在此基础上，将涡流作为一个中继线圈对实验现象进行解释，并对该中继线圈进行了参数估计，可用于传输距离优先的传输场景中。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于水下涡流的中距离无线电能传输方法，包括：

(S1)建立水下无线电能传输系统电路模型，所述无线电能传输系统电路模型包括：发射端，海水等效电路，接收端，所述海水等效电路设于所述发射端与所述接收端之间；所述发射端包括：激励电压源(U)、发射端电阻(R₁)、发射端电容(C₁)和发射端电感(L₁)；所述接收端包括：接收端电容(C₂)、接收端电感(L₂)、接收端负载(R_L)；所述发射端线圈和所述接收端线圈之间的互感为M₁₂；将所述发射端线圈和所述接收端线圈置于海水中；

R_p1为所述发射端线圈、所述发射端电容器内阻和功放的输出电阻；R_p2为接收端线圈和电容器内阻；

内阻R_p1和R_p2通常比较小，令R_p1和R_p2等于零，可以列出各回路方程为

0＝(R_w+jωL_w)I_w-jωM_wI₁+jωM_wI₂ (3)

其中，I_w为流过涡流等效电路的电流，L_w、R_w分别为涡流等效电感和电阻；M_1w为发射端线圈与涡流等效线圈之间的互感；M_2w为接收端线圈与涡流等效线圈之间的互感；

(S2)模型参数确定方法

将电涡流等效线圈映射到发射端和接收端，在所述接收端和所述发射端的回路里引入海水引起的电阻变化量(ΔR)和由于海水引起的电感变化量(ΔL)，且有如下：

在所述发射端电感(L₁)与所述接收端电感(L₂)距离较远时，接收端电路对发射端电路影响设置为0，即去掉接收端；

通过与空气中比较获得所述接收端的电阻变化和电感变化，得到：

ΔX＝X_w-X_a (6)

ΔR＝R_w-R_a (7)

其中，X_w＝ωL_w为海水中的输入电抗，X_a＝ωL₁为空气中的输入电抗，R_w为海水中的输入电阻，R_a为空气中的输入电阻。

一种实现方式中，发射端线圈与涡流等效线圈之间的互感或者接收端线圈与涡流等效线圈之间的互感M_w为：

线圈的等效涡流电阻：

电涡流等效电路到发射端的反射阻抗为：

其中，当工作频率固定时，由式(8)可知M_w ²＝aL_w，由式(10)可知R_w＝bL_w，其中，a和b均为常数，带入式(11)反射阻抗变为

所以反射阻抗与L_w的取值无关，为简化模型，在这里假设L_w为一定值，即令L_w＝-1μH。

一种实现方式中，接收端在空气和海水中对发射端的反射阻抗和接收端对涡流等效电路的反射阻抗分别如式(12)、式(13)、式(14)所示。

其中Z₂为二次测阻抗，Z_w为涡流等效电路阻抗。

一种实现方式中，在空气和海水中的传输效率分别如式(15)、式(16)

其中，η_1.air，η_2.air分别为空气中发射端和接收端的效率，η_1.seawater，η_2.seawater分别为海水中发射端和接收端的效率，η_w.seawater为涡流等效线圈电路的效率。

一种实现方式中，当工作频率固定时，M_w ²＝aL_w，R_w＝bL_w，则有Z_w＝cL_w，

由式(16)-(18)可知，η_w.seawater，Z_{2→1.seawater}和η_1.seawater都与L_w无关，L_w＝-1μH不影响传输效率的分析。

本发明实施例中，通过改进后的基于水下涡流的中距离无线电能传输方法，获得至少以下有益效果：

1.水下无线电能传输(WPT)过程中，由于涡流的存在会使其与在空气中的传输情况有很大不同。目前普遍认为空气中的传输效率要高于海水中，本发明与其相反，中距离段海水中传输效率高于空气中。并将涡流等效为一中继线圈对实验现象进行了解释。

2.提出了含涡流中继线圈的电路模型并完成了电路模型的参数估计。

3.本发明中，将涡流作为一个中继线圈来解释实验观测结果，并通过将该中继线圈等效到两侧电路的方法对中继线圈的参数进行计算。涡流虽然有助于水下功率的传输，但也消耗了大量的能量，无线电能传输系统在中距离的平均传输效率较低，仅为20％，可用于传输距离优先的场景。

附图说明

图1是实验电路图

图2a空气中实验结果图，2b海水中实验结果图；

图3a接收端负载电压对比图，图3b传输效率对比图；

图4是水下无线电能传输系统电路模型图；

图5是映射的双线圈等效电路模型图；

图6a发射端等效电路模型图，图6b映射的单线圈等效电路模型图；

图7a海水中电阻变化情况图，图7b是海水中电感变化情况图；

图8是在海水中在无接收端和在有接收端的四种不同传输距离下的发射端电阻电压图；

图9a是耦合系数k_w、图9b是等效电阻值R_w，图9c是等效互感值M_w；

图10是海水中的二次负荷电压三维图；

图11a是海水中的二次负荷电压与距离关系图，图11b海水中的二次负荷电压与频率关系图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

本例为对于直径22.5cm平面线圈、谐振频率460kHz的无线电能传输系统，中距离段，在海水中的传输特性研究实验。包括以下步骤：

1.建立试验电路。

实验电路如图1所示，其中，U为激励电压源，I₁为发射端电流，R₁、C₁，L₁分别为发射端电阻、电容和电感；I₂为接收端电流，C₂和L₂分别为接收端电容和电感；M₁₂为在空气中发射端线圈与接收端线圈之间的互感；R_L为接收端负载电压；R_p1为发射端线圈、电容器内阻和功放的输出电阻；R_p2为接收端线圈和电容器内阻。将其分别放置在空气中和海水中，测量接收端负载上的电压值，其结果分别如图2所示，谐振频率时海水中于空气中接收端负载电压与传输效率对比分别如图3所示，从图2和图3可以看出海水中的中距离传输效率远高于空气中，在460kHz时海水中的中距离传输效率平均可达到空气中的17倍。

需要说明的是，发射端线圈是由导线绕制的平面线圈。该线圈的电感称为发射端电感，该线圈的内阻称为发射线圈内阻。接收端线圈与发射端线圈原理相同。

2.建立水下无线电能传输系统电路模型。

将涡流等效为一中继线圈，建立电路模型如图4所示，其中，最左侧电路为发射端，中间为海水等效电路，最右侧为接收端，为简单起见,图1中的内部电阻R_p1和R_p2在后面的计算中认为等于零，可以列出各回路方程为

0＝(R_w+jωL_w)I_w-jωM_wI₁+jωM_wI₂ (3)

其中，I_w为流过涡流等效电路的电流，L_w、R_w分别为涡流等效电感和电阻；M_1w为发射端线圈与涡流等效线圈之间的互感；M_2w为接收端线圈与涡流等效线圈之间的互感，在本文实验中两侧电路完全对称，所以M_1w＝M_2w，令M_1w＝M_2w＝M_w。

3.模型参数确定方法。

电涡流等效线圈是一个假想线圈，其参数不能直接测量，但可以映射到发射端和接收端，易于测量。映射的双线圈等效模型如图5所示，ΔR是由于海水引起的电阻变化量，ΔL是由于海水引起的电感变化量，且有

由于此时两线圈距离较远，接收端电路对发射端电路影响几乎可忽略(后面发射端实验会验证)，则假设传输距离无穷大，即去掉接收端，此时电路得到进一步简化，更利于计算，此时发射端等效模型与映射的单线圈等效模型如图6所示。

现在，电阻变化和电感变化可以通过实验确定。在海水和空气中测量发射端传输系统的输入阻抗。在这两种介质中的输入阻抗差可以用来计算电阻和电感的变化，如(6)和(7)所示。

ΔX＝X_w-X_a (6)

ΔR＝R_w-R_a (7)

其中，X_w＝ωL_w为海水中的输入电抗，X_a＝ωL₁为空气中的输入电抗，R_w为海水中的输入电阻，R_a为空气中的输入电阻。

4.发射端实验。

去掉接收端电路，在海水和空气中测量了无线电能传输系统发射端的电压和相位信息。由(6)和(7)可知，电阻和电感的变化如图7所示，其中，虚线为实验值，实线为拟合值。

图8为在海水中，没有接收端线圈和有接收端线圈在四个不同的传输距离时的发射端电阻电压值。这五条线基本重合，说明在中距离传输时，接收端对发射端的影响可以忽略不计。即电阻变化和电感变化与传输距离无关。

5.模型参数确定。

在这里要确定等效线圈模型L_w，R_w，M_w和k_w，k_w为一次线圈与涡流等效线圈之间的耦合系数。

已知

由式(4)、式(5)和式(8)可知

由式(4)、式(5)可得线圈的等效涡流电阻为

电涡流等效电路到发射端的反射阻抗为

因为ΔL由实验已知大于零，反射阻抗(ΔR+jωΔL)呈感性，由式(11)可知，为得到Z_w→1，(R_w+jωL_w)必呈容性，即L_w必小于零，此时的L_w已经没有物理意义。

当工作频率固定时，由式(8)可知M_w ²＝aL_w，由式(10)可知R_w＝bL_w，其中，a和b均为常数，带入式(11)反射阻抗变为

所以反射阻抗与L_w的取值无关，为简化模型，在这里假设L_w为一定值，即令L_w＝-1μH。所得模型参数值如图9所示。

6.模型仿真验证。

根据步骤2中的电路模型计算得到的理论负载电压与实验数据的对比如图10所示，红线为实测数据，连续面为理论值。负载电压分别随距离、频率变化的二维曲线如图11所示。这两幅图表明，模型的输出与实验测量值基本一致。

7.解释实验现象。

反射阻抗表明线圈从其前一个线圈获取能量的能力。由图1和图4可知接收端在空气和海水中对发射端的反射阻抗和接收端对涡流等效电路的反射阻抗分别如式(12)、式(13)、式(14)所示。

其中Z₂为二次测阻抗，Z_w为涡流等效电路阻抗。

在空气和海水中的传输效率分别如式(15)、式(16)

其中，η_1.air，η_2.air分别为空气中发射端和接收端的效率，η_1.seawater，η_2.seawater分别为海水中发射端和接收端的效率，η_w.seawater为涡流等效线圈电路的效率。

由以上分析可知，当工作频率固定时，M_w ²＝aL_w，R_w＝bL_w，则有Z_w＝cL_w，所以

由式(16)-(18)可知，η_w.seawater，Z_{2→1.seawater}和η_1.seawater都与L_w无关，所以上面假设L_w＝-1μH不影响传输效率的分析。

在中距离无线电能传输系统中，空气中两线圈耦合系数k₁₂在0.003-0.03的范围内，所以M₁₂趋近于零，由式(12)可知空气中的反射阻抗趋近于零，所以空气中的传输效率趋近于零。在海水中由于涡流的存在，它相当于一个中继线圈在传递电能，M_w远大于M₁₂，海水中两反射阻抗都远大于空气中，所以在海水中的传输效率远大于空气中的。

当系统工作在空气谐振频率460kHz，两个线圈之间的距离为50cm时，Z_2→1.air≈0.0094Ω，Z_{2→1.seawater}≈(16.84+j13)Ω，Z_2→w＝2.26Ω，η_air≈0.04％，η_seawater≈24％。海水中传输效率远高于空气中。

涡流等效电路虽然提高了海水中无线电能传输系统的传输效率，但也消耗了相当多的能量，因此传输效率相对较低。同样在频率为460kHz，传输距离为50厘米时，η_2.seawater≈1，η_w.seawater≈48％，η_1.seawater≈25％。此时，水下传输效率仅为24％，而图3b中相同条件下，实验传输效率为20％。造成这种差异的主要原因是步骤2提出的模型基本与实验值相符。因此，涡流消耗了大量的能量使得传输效率不高。

本发明中，实验发现，对于直径22.5cm平面线圈、谐振频率460kHz的无线电能传输系统，在海水中的中距离传输效率平均达到空气中的17倍。在此基础上，将涡流作为一个中继线圈来解释实验观测结果，并通过将该中继线圈等效到两侧电路的方法对中继线圈的参数进行计算。提出了含涡流中继线圈的电路模型解释了中距离水下无线电能传输实验发现，并完成了电路模型的参数估计。涡流虽然有助于水下功率的传输，但也消耗了大量的能量，无线电能传输系统在中距离的平均传输效率较低，仅为20％，可用于传输距离优先的场景。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种基于水下涡流的中距离无线电能传输方法，其特征在于，包括：

S1：建立水下无线电能传输系统电路模型，所述无线电能传输系统电路模型包括：发射端，海水等效电路，接收端，所述海水等效电路设于所述发射端与所述接收端之间；所述发射端包括：激励电压源(U)、发射端电阻(R₁)、发射端电容(C₁)和发射端电感(L₁)；所述接收端包括：接收端电容(C₂)、接收端电感(L₂)、接收端负载(R_L)；所述发射端线圈和所述接收端线圈之间的互感为M₁₂；将所述发射端线圈和所述接收端线圈置于海水中；

R_p1为所述发射端线圈、所述发射端电容器内阻和功放的输出电阻；R_p2为接收端线圈和电容器内阻；

内阻R_p1和R_p2通常比较小，令R_p1和R_p2等于零，可以列出各回路方程为

0＝(R_w+jωL_w)I_w-jωM_wI₁+jωM_wI₂ (3)

其中，I_w为流过涡流等效电路的电流，L_w、R_w分别为涡流等效电感和电阻；M_1w为发射端线圈与涡流等效线圈之间的互感；R_2w为接收端线圈与涡流等效线圈之间的互感；

S2：模型参数确定方法

将电涡流等效线圈映射到发射端和接收端，在所述接收端和所述发射端的回路里引入海水引起的电阻变化量(ΔR)和由于海水引起的电感变化量(ΔL)，且有如下：

在所述发射端线圈与所述接收端线圈距离较远时，接收端电路对发射端电路影响设置为0，即去掉接收端；

通过与空气中参数比较获得所述接收端的电阻变化和电感变化，得到：

ΔX＝X_w-X_a (6)

ΔR＝R_w-R_a (7)

其中，X_w＝ωL_w为海水中的输入电抗，X_a＝ωL₁为空气中的输入电抗，R_w为海水中的输入电阻，R_a为空气中的输入电阻。

2.根据权利要求1所述的基于水下涡流的中距离无线电能传输，其特征在于，发射端线圈与涡流等效线圈之间的互感或者接收端线圈与涡流等效线圈之间的互感M_w为：

线圈的等效涡流电阻：

电涡流等效电路到发射端的反射阻抗为：

其中，当工作频率固定时，由式(8)可知M_w ²＝aL_w，由式(10)可知R_w＝bL_w，其中，a和b均为常数，带入式(11)反射阻抗变为

所以反射阻抗与L_w的取值无关，为简化模型，在这里假设L_w为一定值，即令L_w＝-1μH。

3.根据权利要求2所述的基于水下涡流的中距离无线电能传输，其特征在于，接收端在空气和海水中对发射端的反射阻抗和接收端对涡流等效电路的反射阻抗分别如式(12)、式(13)、式(14)所示。

其中Z₂为二次测阻抗，Z_w为涡流等效电路阻抗。

4.根据权利要求3所述的基于水下涡流的中距离无线电能传输，其特征在于，

在空气和海水中的传输效率分别如式(15)、式(16)

其中，η_1.air，η_2.air分别为空气中发射端和接收端的效率，η_1.seawater，η_2.seawater分别为海水中发射端和接收端的效率，η_w.seawater为涡流等效线圈电路的效率。

5.根据权利要求4所述的基于水下涡流的中距离无线电能传输，其特征在于，当工作频率固定时，M_w ²＝aL_w，R_w＝bL_w，则有Z_w＝cL_w，所以

由式(16)-(18)可知，η_w.seawater，Z_{2→1.seawater}和η_1.seawater都与L_w无关，L_w＝-1μH不影响传输效率的分析。

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