基于可变电感的无人潜航器高抗偏移无线充电系统

本发明涉及的是一种无线充电的充电系统，特别是一种接收端电路采用失谐设计的基于可变电感的无人潜航器高抗偏移无线充电系统。

背景技术：

1、水下无人潜航器作为海洋探测重要装备，在海洋探测、军事应用、海洋资源开发、海洋生物研究等领域发挥重大作用。但因其存在续航不足的问题，目前进一步的发展和应用受到限制。

2、现有的无人潜航器充电方式主要有打捞更换电池方式、湿插拔接头充电方式和无线充电方式。其中打捞更换电池方式需要母船跟随，人力物力耗费大，同时也增加了无人潜航器的停机时间和无效行程；湿插拔接头充电方式需要高精度的水下对接技术，成本高昂，其次此外由于海水的腐蚀性、渗透性问题，会出现短路、漏电等电气安全隐患；而现有的传统无线充电方式虽然提高了充电的安全性、灵活性和隐蔽性，摆脱复杂的捕获机构，降低了对无人潜航器的定位精度要求，但是存在着充电功率随潜航器相对充电站偏移距离的增加而显著减小的问题，充电功率不稳定，制约了该充电方式的发展应用。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出一种基于可变电感的无人潜航器高抗偏移无线充电系统，不但可以解决传统无线充电方式抗偏移能力差的问题，传统的电路补偿拓扑设计抗偏移范围有限的问题，还可以解决传统无线充电方式依赖水下无线通讯的问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括可变电感、谐振电容、副边线圈、整流桥、滤波电容、电池、定额电流信号、pi控制器、限制器、电压可控电流源、功率线、信号线；整流桥包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管，第一二极管的正极与第四二极管的负极相连，第二二极管的正极与第三二极管的负极相连，第一二极管的负极与第二二极管的负极相连，第三二极管的正极与第四二极管的正极相连；整流桥与滤波电容、电池并联连接；可变电感、谐振电容、副边线圈依次串接在功率线上，功率线的一端与第一二极管的正极相连接，功率线的另一端与第二二极管的正极相连接；pi控制器、限制器、电压可控电流源依次串接在信号线上，电池的电流信号以及定额电流信号均与信号线一端的pi控制器相连接，信号线的另一端与可变电感相连接。

3、本发明主要组成有：失谐输出电路、可变电感、有源阻尼控制电路等。

4、在s-s谐振电路中加入谐振电感构成失谐电路，随着主、副线圈偏移距离的增加，通过副线圈的充电电流在小范围内按照二次函数变化，使得充电功率稳定，同时降低电路损耗，提高充电效率。可变电感主要由励磁绕组(接入控制电路)和谐振绕组(接入输出电路)构成。通过改变控制电路电流，影响磁路的磁场强度，从而控制磁芯磁导率，最终改变电感大小。可变电感的中心磁芯(绕有谐振绕组)包含一个气隙，以避免磁饱和。励磁绕组按照相反极性串联，产生相反的磁通方向，以抵消谐振绕组产生的交流电压。

5、本发明为实现对可变电感的控制，设计有源阻尼控制电路。如果测得输出电流小于额定电流，产生偏差△i，通过pi控制器控制栅极电压来降低输出电流至所需水平。为提高驱动能力，采用带mosfet的压控电流源。

6、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本系统设计创新合理，控制框架简单，功能优化度高；实现了无人潜航器水下无线充电的抗偏移能力提升，显著提高了系统能效和经济性。采用接收端电路失谐设计实现了无线充电功率随偏移距离增加非线性变化，实现了一定偏移范围内充电功率的稳定性；通过可变电感调控失谐电路，进一步扩大抗偏移的范围。通过该可变电感失谐电路设计，无人潜航器可在±60％线圈尺寸范围内维持充电效率在88％以上，满足实际应用标准。

技术特征：

1.一种基于可变电感的无人潜航器高抗偏移无线充电系统，包括可变电感(1)、谐振电容(2)，其特征在于还包括副边线圈(3)、整流桥(4)、滤波电容(5)、电池(6)、定额电流信号(7)、pi控制器(8)、限制器(9)、电压可控电流源(10)、功率线(11)、信号线(12)；

2.根据权利要求1所述的基于可变电感的无人潜航器高抗偏移无线充电系统，其特征在于所述可变电感(1)由励磁绕组和谐振绕组构成，励磁绕组按照相反极性串联。

3.根据权利要求1所述的基于可变电感的无人潜航器高抗偏移无线充电系统，其特征在于所述可变电感(1)绕有谐振绕组的中心磁芯包含一个气隙。

技术总结
一种无线充电技术领域的基于可变电感的无人潜航器高抗偏移无线充电系统，包括可变电感、谐振电容、副边线圈、整流桥、滤波电容、电池、定额电流信号、PI控制器、限制器、电压可控电流源、功率线、信号线，整流桥与滤波电容、电池并联连接，可变电感、谐振电容、副边线圈依次串接在功率线上，PI控制器、限制器、电压可控电流源依次串接在信号线上。本发明采用接收端电路失谐设计实现了无线充电功率随偏移距离增加非线性变化，实现了一定偏移范围内充电功率的稳定性；通过可变电感调控失谐电路，进一步扩大抗偏移的范围。通过该可变电感失谐电路设计，无人潜航器可在±60％线圈尺寸范围内维持充电效率在88％以上，满足实际应用标准。

技术研发人员：纪君逸,叶子心,许易成
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13