CN115296443A - 基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法和装置 - Google Patents

基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法和装置，可以应用于无线电能传输技术领域。该方法包括：利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数；对多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，第i处理操作用于表征对开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作；利用电流采集模块对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值；基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。本发明还提供了一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制系统。

Description

基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法和装置
技术领域
本发明涉及无线电能传输技术领域，更具体地，涉及一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法、装置和系统。
背景技术
在相关技术中，通常使用海洋锚系浮标对海洋环境进行监测与探测，从而及时的获取海洋的变化信息。通常与钢缆和耦合磁环结构等一起作为传统的海洋锚系浮标感应耦合多负载海洋监测装置在出现偏离谐振点现象的情况下，不能对电能传输效率进行较好的控制，降低电能的传输效率。
在实现本发明构思的过程中，发明人发现相关技术中至少存在如下问题：多负载海洋监测装置在海洋环境或者负载数量发生变化的情况下，不能高效的传输电能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法、装置和系统。
本发明的一方面提供了一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法，包括：
利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数，初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，多负载海洋监测装置中还包括作为次级电路的至少一个耦合磁环结构，至少一个耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个半环形磁环对接并缠绕利兹线；
对多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，第i处理操作用于表征对开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作；
利用电流采集模块对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值；以及
基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，其中，基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值，包括：
基于第i电流值与第i+1电流值的差值的绝对值，确定是否对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作；
在确定对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，基于第i电流值和第i+1电流值，确定第i+1处理操作的操作类型；
基于操作类型，对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作；
利用电流采集模块对经过第i+1处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+2电流值；以及
基于第i+1电流值和第i+2电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，其中，在确定对多负载海洋监测装置进
行第i+1处理操作的情况下，基于第i电流值和第i+1电流值，确定第i+1处理操作的操作类型，包括：
确定第i电流值是否大于第i+1电流值；
在确定第i电流值大于第i+1电流值的情况下，确定第i+1处理操作的操作类型与第i处理操作的操作类型相同；以及
在确定第i电流值小于或等于第i+1电流值的情况下，确定第i+1处理操作的操作类型与第i处理操作的操作类型不同。
根据本发明的实施例，上述方法还包括：
在确定不对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，上述方法还包括：
在确定系统频率为40kHz的情况下，开关电容阵列的总电容值为4uF。
根据本发明的实施例，上述方法还包括：在耦合磁环结构的位置和数量发生变化的情况下，能够基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，其中，两个半环形磁环的气隙小于等于0.1mm。
本发明的又一方面提供了一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制装置，包括：
第一得到模块，用于利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数，多负载海洋监测装置的初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，多负载海洋监测装置中还包括至少一个耦合磁环结构，至少一个耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个半环形磁环对接并缠绕利兹线；
处理模块，用于对多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，第i处理操作用于表征对开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作；
第二得到模块，用于利用电流采集模块对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值；以及
确定模块，用于基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，其中，确定模块包括：
第一确定单元，用于基于第i电流值与第i+1电流值的差值的绝对值，确定是否对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作；
第二确定单元，用于在确定对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，基于第i电流值和第i+1电流值，确定第i+1处理操作的操作类型；
第三确定单元，用于基于操作类型，对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作；
第四确定单元，用于利用电流采集模块对经过第i+1处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+2电流值；以及
第五确定单元，用于基于第i+1电流值和第i+2电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
本发明的又一方面提供了一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制系统，包括：
多负载海洋监测装置，包括初级电路和次级电路，其中，初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，次级电路包括至少一个耦合磁环结构，至少一个耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个半环形磁环对接并缠绕利兹线；
电流采集模块，用于对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，并对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值，其中，i为大于等于1的整数；
控制模块，用于对多负载海洋监测装置进行第i处理操作，并基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值，其中，第i处理操作用于表征对开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作。
根据本发明的实施例，因为采用了利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数，初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，多负载海洋监测装置中还包括作为次级电路的至少一个耦合磁环结构，至少一个耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个半环形磁环对接并缠绕利兹线；对多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，第i处理操作用于表征对开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作；利用电流采集模块对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值；基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值的技术手段，可以及时根据初级电路中的电流值对开关电容阵列进行处理操作，从而调节回路中的电容值，使得多负载海洋监测装置的电能传输效率为最大值，所以至少部分地克服了多负载海洋监测装置在海洋环境或者负载数量发生变化的情况下，不能高效的传输电能技术问题，在水下环境中有效实现多负载的电能传输，能够保证水下动态电能传输的稳定性和高效性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制系统的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的耦合磁环结构的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的耦合磁环结构的次级线圈电感和寄生电阻与气隙变化曲线；
图4示出了根据本发明实施例的基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制系统的等效电路示意图；
图5示出了根据本发明实施例的初级电路电流值与开关电容阵列的电容值变化关系的曲线图；
图6示出了根据本发明实施例的基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法的流程图；
图7示出了根据本发明实施例的基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制装置的框图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。
在相关技术中，水下节点耦合磁环的位置和个数可以实现任意改变，在节点耦合磁环的位置和个数发生改变的情况下，会导致初级电路的电感发生变化，进而造成初级电路偏离谐振点，降低多负载海洋监测装置的电能传输效率。并且，传统的锚系浮标感应耦合多负载海洋监测装置进行了多负载的静态传输性能，没有考虑海洋环境变化导致的初级电路阻抗变化及节点耦合磁环的个数变化造成的偏离谐振点现象，相关技术中也没有对锚系浮标感应耦合节点多负载海洋监测装置的电能传输效率控制。
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法。该方法包括：利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数，初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，多负载海洋监测装置中还包括作为次级电路的至少一个耦合磁环结构，至少一个耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个半环形磁环对接并缠绕利兹线；对多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，第i处理操作用于表征对开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作；利用电流采集模块对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值；基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
为了更好的理解本发明实施例提供的基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法，下面首先对基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制系统进行描述。
图1示出了根据本发明实施例的基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制系统的示意图。
如图1所示，该系统100包括多负载海洋监测装置110、电流采集模块120和控制模块130。
根据本发明的实施例，多负载海洋监测装置110中包括有海洋锚系浮标111、锚112、钢缆113以及至少一个耦合磁环结构114，其中，海洋锚系浮标111的底部金属外壳1111和锚112作为电极分别与钢缆113的上部和下部连接，并与海水形成闭合回路，钢缆113可以是带绝缘层的钢缆，锚112是金属材质的，钢缆113在海水中的自身电感、电阻以及与海水间的分布电容可以作为寄生阻抗，海洋锚系浮标111还包括电源1112。用海洋锚系浮标111的底部金属外壳1111和锚112作为电极增加了电极与海水的接触面积，可以减小海水回路的电阻。
根据本发明的实施例，每个耦合磁环结构114包括两个半环形磁环，两个半环形磁环对接并缠绕利兹线构成次级电感，可以通过紧固件将耦合磁环结构114固定在钢缆上来增加耦合磁环结构114的数量，也可以将紧固件卸下减少耦合磁环结构114的数量，还可以改变耦合磁环结构114的位置，增加了系统挂载节点的灵活性和可扩展性。
根据本发明的实施例，多负载海洋监测装置110中还可以串联开关电容阵列（图中未示出），开关电容阵列作为谐振电容，开关电容阵列的开关可以使用金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET，简称MOS管）以提高开关速度。
根据本发明的实施例，底部金属外壳1111、锚112、钢缆113、开关电容阵列以及寄生阻抗组成初级电路，至少一个耦合磁环结构组成次级电路。
根据本发明的实施例，电流采集模块120可以串联在多负载海洋监测装置110的回路中，对多负载海洋监测装置110中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，并对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置110中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值，其中，i为大于等于1的整数。电流采集模块120可以是AD637电流有效值采集模块，对初级电路中的电流进行实时监测。
根据本发明的实施例，控制模块130可以用于对多负载海洋监测装置中的开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的第i处理操作，并基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，利用控制模块130对电流采集模块120采集到的第i电流值和第i+1电流值，调节开关电容的电容大小。
根据本发明的实施例，根据初级电路中的电流值对开关电容阵列进行处理操作，从而调节回路中的电容值，使得多负载海洋监测装置的电能传输效率为最大值，所以至少部分地克服了多负载海洋监测装置在海洋环境或者负载数量发生变化的情况下，不能高效的传输电能技术问题，在水下环境中有效实现多负载的电能传输，能够保证水下动态电能传输的稳定性和高效性，并且该系统的结构简单，可靠性强，提高了电能传输效率。
图2示出了根据本发明实施例的耦合磁环结构的示意图。
如图2所示，耦合磁环结构包括磁环横截面210和气隙220，其中气隙220可以调节。
根据本发明的实施例，在多负载海洋监测装置中，耦合磁环结构的次级线圈寄生电阻的寄生电阻对电能传输效率影响比较大，可以通过改变两个半环形磁环间的气隙220来减小线圈寄生电阻，提高线圈的Q值（电感质量）。
根据本发明的实施例，由于耦合磁环结构的次级线圈的寄生电阻与负载串联，会有分压作用，且次级线圈的寄生电阻较大会导致发热，降低系统效率，更严重会使次级线圈的电感变化导致次级电路偏离谐振状态，引入无功损耗。
因此，为了保证次级线圈具有合适的电感和较小的寄生电阻，在次级线圈匝数为10匝的情况下，使用LCR表（电感、电容、电阻测试仪）E4980L测量气隙从0mm至0.1mm，次级线圈的电感变化和寄生电阻值变化。
图3示出了根据本发明实施例的耦合磁环结构的次级线圈电感和寄生电阻与气隙变化曲线。
如图3所示，通过仿真和实际测量得到气隙（Air gap）从0mm至0.1mm逐渐变大的情况下，次级线圈的电感（L）和寄生电阻（ESR）都减小，并且寄生电阻急剧减小，减小的比例远远高于电感减小的比例，也就是Q值增大进而提高次级电路对电能传输的效率。所以为了减小寄生电阻，将气隙设置为0.1mm，此时电感为190uH，寄生电阻为150mΩ。
图4示出了根据本发明实施例的基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制系统的等效电路示意图。
如图4所示，其中初级电路和次级电路补偿电容均采用串联补偿。根据电路列写回路方程，得到多负载电能传输的理论表达的公式（1）。
Figure 679562DEST_PATH_IMAGE001
；
Figure 518074DEST_PATH_IMAGE002
Figure 625707DEST_PATH_IMAGE003
； （1-1）
Figure 552075DEST_PATH_IMAGE004
； （1-2）
Figure 632026DEST_PATH_IMAGE005
； （1-3）
… （…）
Figure 985647DEST_PATH_IMAGE006
； （1-n）
其中，U in 表示输入电压，A表示初级电路的总阻抗，A 1 表示第1个磁环耦合结构在次 级电路的总阻抗，A 2 表示第2个磁环耦合结构在次级电路的总阻抗……A n 表示第n个磁环耦 合结构在次级电路的总阻抗，j表示复数，
Figure 252680DEST_PATH_IMAGE007
表示角频率，M 1 、M 2 ……M n 分别表示每个磁环耦 合结构的初级电路和接收线圈之间的互感，I t 表示初级电路的电流，I r1 、I r2 ……I rn 分别表 示每个耦合磁环结构在次级电路中电流的有效值，图4中的i r1 、i r2 ……i rn 分别表示每个耦 合磁环结构在次级电路中的电流，C t 表示开关电容阵列，R C 表示钢缆在海水中的电阻，C C 表 示钢缆与海水间的分布电容，L r 表示耦合磁环结构在次级电路中总的电感，L r1 、L r2 ……L rn 分别表示每个耦合磁环结构在次级电路中的电感，C 1 、C 2 ……C n 分别表示每个耦合磁环结构 在次级电路中的补偿电容，R s1 、R s2 ……R sn 分别表示每个耦合磁环结构在次级电路中的寄生 电阻，R L1 、R L2 ……R Ln 分别表示每个耦合磁环结构在次级电路中的负载，L t 表示耦合磁环结 构在初级电路中总的耦合电感，可以等效为初级多个电感串联，分别表示为L t1 、L t2 ……L tn 。
由于耦合磁环结构距离较远且半环形磁环为磁场提供了相对闭合的磁路，所以接收线圈之间的几乎没有交叉互感，可以忽略。电流采集模块120可以利用电流传感器（Current Sensor）测量初级电路的电流I t ，控制模块利用微控制单元(Micro ControllerUnit，MCU)根据电流I t 控制开关电容阵列C t 的闭合，经过开关电容阵列C t 的电流记为i t 。
在初级电路和次级电路都满足谐振条件的公式（2）和公式（3）：
Figure 779477DEST_PATH_IMAGE008
； （2）
其中，L C 表示钢缆在海水中存在自身电感，L C 、C C 可以与R C 一起表示为钢缆的总阻抗Z C 。
Figure 713935DEST_PATH_IMAGE009
； （3）
其中，L ri 表示第i个耦合磁环结构在次级电路中的电感，C i 表示第i个耦合磁环结构在次级电路中的补偿电容。
在负载电阻相同的情况下，系统的电能传输效率表达式可以为公式（4）：
Figure 238457DEST_PATH_IMAGE010
； （4）
其中，
Figure 992786DEST_PATH_IMAGE011
表示系统的电能传输效率，I ri 表示第i个耦合磁环结构在次级电路中电流 的有效值，I t 表示初级电路的电流，M i 表示第i个耦合磁环结构的接收线圈之间的交叉互感，R Li 表示第i个耦合磁环结构在次级电路中的负载，R si 表示第i个耦合磁环结构在次级电路 中的寄生电阻。
根据公式（4）可以看出初级电路中的总电阻R c 越小，系统效率越高。总电阻R c 包括海水作用下产生的电阻和钢缆的电阻，其中，海水产生的电阻可以通过增加电极表面积来降低，钢缆的电阻无法改变。
图5示出了根据本发明实施例的初级电路电流值与开关电容阵列的电容值变化关系的曲线图。
如图5所示，根据公式（1）进行仿真实验，设置初级电路的电感、电阻和电容为已知参数，设置开关电容阵列容值变化，仿真得到初级电流I t 随开关电容阵列的电容值变化的曲线图，可以看出在满足初级电路谐振条件的情况下，电流达到最大值，并且系统的电能传输效率也是最大值。
根据本发明的实施例，由于海洋监测装置的系统应用场景一般在海水中，从而导致初级电路的电感、电阻和电容等的参数测量不便，并且随着耦合磁环结构的节点个数变化还会导致初级电路中的参数动态改变，因此通过开关电容阵列作为补偿电容，分别对测试了海洋监测装置的系统挂载1-15个耦合磁环结构情况下的最佳补偿电容，最终确定了补偿电容阵列的最大容值为4uF。采用多个电容并联的结构，开关使用MOS管以提高开关速度。
图6示出了根据本发明实施例的基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法的流程图。
如图6所示，该方法包括操作S601~S604。
在操作S601，利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数，初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，多负载海洋监测装置中还包括作为次级电路的至少一个耦合磁环结构，至少一个耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个半环形磁环对接并缠绕利兹线。
在操作S602，对多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，第i处理操作用于表征对开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作。
在操作S603，利用电流采集模块对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值。
在操作S604，基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，多负载海洋监测装置和电流采集模块可以分别是上述系统100中的多负载海洋监测装置110和电流采集模块120，详情参见上述图1中的描述，在此不在赘述。
根据本发明的实施例，可以利用电流采集模块对初级电路中的电流进行实时监测，得到第i电流值，记作I i 。
根据本发明的实施例，对多负载海洋监测装置进行第i处理操作可以是，打开或者关闭多负载海洋监测装置中的开关电容阵列中的其中至少一个开关电容，开关电容阵列的开关可以使用MOS管以提高开关速度。
根据本发明的实施例，电流采集模块是实时监测的，可以在对经过第i处理操作后，利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值，记作I i+1 。
根据本发明的实施例，可以基于第i电流值和第i+1电流值之间的变化快慢，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值，还可以基于第i电流值和第i+1电流值之间的变化比例，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
例如，第i电流值I i 在第0.01秒为2A，随机对开关电容阵列中的一个开关电容进行关闭操作，在第0.02秒测得第i+1电流值I i+1 为2.01A，由于第0.01秒与第0.02秒的电流变化为0.01A，因此可以确定第i电流值和第i+1电流值变化较慢，并基于第i电流值和第i+1电流值变化较慢，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
再例如，第i电流值I i 为2A，随机对开关电容阵列中的一个开关电容进行关闭操作，测得第i+1电流值I i+1 为2.01A，由于电流变化为0.01A，是第i电流值I i 的0.5%，因此可以确定第i电流值和第i+1电流值变化幅度较小，并基于第i电流值和第i+1电流值变化较慢，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，因为采用了利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数，初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，多负载海洋监测装置中还包括作为次级电路的至少一个耦合磁环结构，至少一个耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个半环形磁环对接并缠绕利兹线；对多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，第i处理操作用于表征对开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作；利用电流采集模块对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值；基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值的技术手段，可以及时根据初级电路中的电流值对开关电容阵列进行处理操作，从而调节回路中的电容值，使得多负载海洋监测装置的电能传输效率为最大值，所以至少部分地克服了多负载海洋监测装置在海洋环境或者负载数量发生变化的情况下，不能高效的传输电能技术问题，在水下环境中有效实现多负载的电能传输，能够保证水下动态电能传输的稳定性和高效性。
根据本发明的实施例，其中，基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值，包括：
基于第i电流值与第i+1电流值的差值的绝对值，确定是否对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作。
在确定对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，基于第i电流值和第i+1电流值，确定第i+1处理操作的操作类型。
基于操作类型，对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作。
利用电流采集模块对经过第i+1处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+2电流值。
基于第i+1电流值和第i+2电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，基于第i电流值与第i+1电流值的差值的绝对值，确定是否对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作可以是：将第i电流值与第i+1电流值的差值的绝对值，与预定阈值进行比较，得到第一比较结果，根据第一比较结果确定是否对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作。
根据本发明的实施例，在确定第一比较结果表征第i电流值与第i+1电流值的差值的绝对值小于或等于预定阈值的情况下，确定对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作。在确定第一比较结果表征第i电流值与第i+1电流值的差值的绝对值大于预定阈值的情况下，确定不对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作。
根据本发明的实施例，预定阈值可以设置为0.01A。
根据本发明的实施例，在确定对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，基于第i电流值和第i+1电流值，确定第i+1处理操作的操作类型可以是：对第i电流值和第i+1电流值进行比较，得到第二比较结果，根据第二比较结果，确定第i+1处理操作的操作类型。
根据本发明实施例，可以在对经过第i+1处理操作后，利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+2电流值。
根据本发明的实施例，基于第i+1电流值和第i+2电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值，可以参见上述图6中的操作S604，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，在对第i电流值与第i+1电流值进行比对，确定是否对开关电容阵列进行第i+1处理操作的情况下，可以通过第i+1处理操作改变回路中的电容值，使得多负载海洋监测装置的电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，其中，在确定对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，基于第i电流值和第i+1电流值，确定第i+1处理操作的操作类型，包括：
确定第i电流值是否大于第i+1电流值。
在确定第i电流值大于第i+1电流值的情况下，确定第i+1处理操作的操作类型与第i处理操作的操作类型相同。
在确定第i电流值小于或等于第i+1电流值的情况下，确定第i+1处理操作的操作类型与第i处理操作的操作类型不同。
根据本发明的实施例，由上述图5中，初级电路电流值与开关电容阵列的电容值变化关系的曲线图可知，初级电路中的电流达到最大值的情况下，电能传输效率为最大值，因此，在确定第二比较结果表征第i电流值小于或等于第i+1电流值的情况下，即经过第i处理操作后，初级电路中的电流值增加，则确定第i+1处理操作的操作类型与第i处理操作的操作类型一致，在确定第二比较结果表征第i电流值大于第i+1电流值的情况下，即经过第i处理操作后，初级电路中的电流值减小，则确定第i+1处理操作的操作类型与第i处理操作的操作类型相反。
根据本发明的实施例，通过第i电流值和第i+1电流值的第二比较结果，可以准确的确定第i+1处理操作的操作类型，从而对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作，操作简单。
根据本发明的实施例，上述方法还包括：
在确定不对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，确定不对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作，即第i电流值与第i+1电流值的差值的绝对值大于预定阈值，确定不对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作。
根据本发明的实施例，上述方法还包括：在耦合磁环结构的位置和数量发生变化的情况下，能够基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，在耦合磁环结构的位置和数量发生变化的情况下，基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值可以参见本发明其他实施例中的相关描述，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，对多负载海洋监测装置的电能传输效率进行了理论分析，搭建了试验样机，并在海水中完成了动态电能传输效率最优效率跟踪控制实验，得到了耦合磁环结构变化的情况下，电能传输效率达到最大值的调整时间小于0.1s的实验结果。
根据本发明的实施例，将海洋锚系浮标和200米钢缆放入海水中，拉开海洋锚系浮标和锚的距离，在钢缆上挂载10个耦合磁环结构，每个耦合磁环结构的负载电阻为10Ω，直流电源电压为50V，交流电源由全桥逆变器产生，频率为40kHz。系统可以实现传输150W功率。当满足初级电路的谐振条件时，系统传输总功率为120W，效率为83%。并且根据实验测得，在耦合磁环结构为5个的情况下，电能传输效率的最大值为61%；在耦合磁环结构为6个的情况下，电能传输效率的最大值为68%；在耦合磁环结构为7个的情况下，电能传输效率的最大值为73%；在耦合磁环结构为8个的情况下，电能传输效率的最大值为78%；在耦合磁环结构为9个的情况下，电能传输效率的最大值为81%；在耦合磁环结构为10个的情况下，电能传输效率的最大值为83%。
图7示出了根据本发明实施例的基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制装置的框图。
如图7所示，基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制装置700包括第一得到模块710、处理模块720、第二得到模块730和确定模块740。
第一得到模块710，用于利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数，多负载海洋监测装置的初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，多负载海洋监测装置中还包括至少一个耦合磁环结构，至少一个耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个半环形磁环对接并缠绕利兹线。
处理模块720，用于对多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，第i处理操作用于表征对开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作。
第二得到模块730，用于利用电流采集模块对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值。
确定模块740，用于基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，因为采用了利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数，初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，多负载海洋监测装置中还包括作为次级电路的至少一个耦合磁环结构，至少一个耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个半环形磁环对接并缠绕利兹线；对多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，第i处理操作用于表征对开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作；利用电流采集模块对经过第i处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值；基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值的技术手段，可以及时根据初级电路中的电流值对开关电容阵列进行处理操作，从而调节回路中的电容值，使得多负载海洋监测装置的电能传输效率为最大值，所以至少部分地克服了多负载海洋监测装置在海洋环境或者负载数量发生变化的情况下，不能高效的传输电能技术问题，在水下环境中有效实现多负载的电能传输，能够保证水下动态电能传输的稳定性和高效性。
根据本发明的实施例，其中，用于基于第i电流值和第i+1电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值的确定模块740包括：
第一确定单元，用于基于第i电流值与第i+1电流值的差值的绝对值，确定是否对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作；
第二确定单元，用于在确定对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，基于第i电流值和第i+1电流值，确定第i+1处理操作的操作类型；
第三确定单元，用于基于操作类型，对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作；
第四确定单元，用于利用电流采集模块对经过第i+1处理操作后的多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+2电流值；以及
第五确定单元，用于基于第i+1电流值和第i+2电流值，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例，其中，用于在确定对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，基于第i电流值和第i+1电流值，确定第i+1处理操作的操作类型的第二确定单元，包括：
第一确定子单元，用于确定第i电流值是否大于第i+1电流值；
第二确定子单元，用于在确定第i电流值大于第i+1电流值的情况下，确定第i+1处理操作的操作类型与第i处理操作的操作类型相同；
第三确定子单元，用于在确定第i电流值小于或等于第i+1电流值的情况下，确定第i+1处理操作的操作类型与第i处理操作的操作类型不同。
根据本发明的实施例，上述装置还包括：
最大值确定模块，用于在确定不对多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，确定多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
根据本发明的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑阵列（PLA）、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路（ASIC），或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式的硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的一个或多个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
例如，第一得到模块710、处理模块720、第二得到模块730和确定模块740中的任意多个可以合并在一个模块/单元/子单元中实现，或者其中的任意一个模块/单元/子单元可以被拆分成多个模块/单元/子单元。或者，这些模块/单元/子单元中的一个或多个模块/单元/子单元的至少部分功能可以与其他模块/单元/子单元的至少部分功能相结合，并在一个模块/单元/子单元中实现。根据本发明的实施例，第一得到模块710、处理模块720、第二得到模块730和确定模块740中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑阵列（PLA）、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路（ASIC），或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，第一得到模块710、处理模块720、第二得到模块730和确定模块740中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。
需要说明的是，本发明的实施例中基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制装置部分与本发明的实施例中基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法部分是相对应的，基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制装置部分的描述具体参考基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法部分，在此不再赘述。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和装置的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制方法，其特征在于，所述方法包括：
利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数，所述初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与所述电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，所述多负载海洋监测装置中还包括作为次级电路的至少一个耦合磁环结构，至少一个所述耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个所述半环形磁环对接并缠绕利兹线；
对所述多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，所述第i处理操作用于表征对所述开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作；
利用所述电流采集模块对经过第i处理操作后的所述多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值；以及
基于所述第i电流值和所述第i+1电流值，确定所述多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述基于所述第i电流值和所述第i+1电流值，确定所述多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值，包括：
基于所述第i电流值与所述第i+1电流值的差值的绝对值，确定是否对所述多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作；
在确定对所述多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，基于所述第i电流值和所述第i+1电流值，确定所述第i+1处理操作的操作类型；
基于所述操作类型，对所述多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作；
利用所述电流采集模块对经过第i+1处理操作后的所述多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+2电流值；以及
基于所述第i+1电流值和所述第i+2电流值，确定所述多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述在确定对所述多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，基于所述第i电流值和所述第i+1电流值，确定所述第i+1处理操作的操作类型，包括：
确定所述第i电流值是否大于所述第i+1电流值；
在确定所述第i电流值大于所述第i+1电流值的情况下，确定所述第i+1处理操作的操作类型与所述第i处理操作的操作类型相同；以及
在确定所述第i电流值小于或等于所述第i+1电流值的情况下，确定所述第i+1处理操作的操作类型与所述第i处理操作的操作类型不同。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括：
在确定不对所述多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，确定所述多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在确定系统频率为40kHz的情况下，所述开关电容阵列的总电容值为4uF。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述耦合磁环结构的位置和数量发生变化的情况下，能够基于所述第i电流值和所述第i+1电流值，确定所述多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，两个所述半环形磁环的气隙小于等于0.1mm。
8.一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制装置，其特征在于，所述装置包括：
第一得到模块，用于利用电流采集模块对多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，其中，i为大于等于1的整数，所述多负载海洋监测装置的初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与所述电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，所述多负载海洋监测装置中还包括至少一个耦合磁环结构，至少一个所述耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个所述半环形磁环对接并缠绕利兹线；
处理模块，用于对所述多负载海洋监测装置进行第i处理操作，其中，所述第i处理操作用于表征对所述开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作；
第二得到模块，用于利用所述电流采集模块对经过第i处理操作后的所述多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值；以及
确定模块，用于基于所述第i电流值和所述第i+1电流值，确定所述多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述确定模块包括：
第一确定单元，用于基于所述第i电流值与所述第i+1电流值的差值的绝对值，确定是否对所述多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作；
第二确定单元，用于在确定对所述多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作的情况下，基于所述第i电流值和所述第i+1电流值，确定所述第i+1处理操作的操作类型；
第三确定单元，用于基于所述操作类型，对所述多负载海洋监测装置进行第i+1处理操作；
第四确定单元，用于利用所述电流采集模块对经过第i+1处理操作后的所述多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+2电流值；以及
第五确定单元，用于基于所述第i+1电流值和所述第i+2电流值，确定所述多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值。
10.一种基于海洋锚系浮标多负载的电能传输效率控制系统，其特征在于，所述系统包括：
多负载海洋监测装置，包括初级电路和次级电路，其中，所述初级电路中包括作为电极的海洋锚系浮标的底部金属外壳和锚、与所述电极相连接的钢缆、作为谐振电容的开关电容阵列以及寄生阻抗，所述次级电路包括至少一个耦合磁环结构，至少一个所述耦合磁环结构包括两个半环形磁环，两个所述半环形磁环对接并缠绕利兹线；
电流采集模块，用于对所述多负载海洋监测装置中的初级电路进行电流采样，得到第i电流值，并对经过第i处理操作后的所述多负载海洋监测装置中的初级电路进行采样，得到第i+1电流值，其中，i为大于等于1的整数；
控制模块，用于对所述多负载海洋监测装置进行第i处理操作，并基于所述第i电流值和所述第i+1电流值，确定所述多负载海洋监测装置的当前电能传输效率为最大值，其中，所述第i处理操作用于表征对所述开关电容阵列进行操作类型为打开或者关闭的操作。
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