基于频率切换的水下无线充电系统互感与负载识别方法

本发明属于无线电能传输领域，尤其涉及一种基于频率切换的水下无线充电系统互感与负载识别方法。

背景技术：

1、因为无线电能传输技术具有安全性、灵活性以及隐蔽性等优点，所以其广泛应用于水下各种机电设备的电能供给。例如水下无人自主航行器(autonomous underwatervehicle，auv)。其凭借着智能性、隐蔽性和优异的流动性的特点在海底探测、海洋搜索等民用领域以及军事领域起着不可替代的作用，而水下无线电能传输与空气中的无线电能传输相比，由于海水具有导电性、海波扰动和洋流等影响，故其环境更加复杂。当对水下无人自主航行器进行无线充电时，系统中会产生涡流损耗，发射线圈与接收线圈的回路中会增加涡流等效电阻以及线圈之间也受涡流影响，从而发生角度偏移。线圈之间的互感会受充电平台中的发收线圈相对偏移的影响，从而导致发收线圈互感幅值的不确定，而水下无人自主航行器中的电池在充电过程中其等效负载也会发生变化，这会大大地影响无线电能充电的功率、效率甚至会危害系统中的器件，所以需要对发射线圈与接收线圈互感与电池的等效负载值进行在线实施识别。

技术实现思路

1、发明目的：为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于频率切换的水下无线充电系统互感与负载识别方法，在不改变系统中元器件参数的情况下，通过改变一次驱动频率，根据基尔霍夫定律列写方程组，然后求解方程组，即可得到充电系统中实时的互感以及负载的等效电阻值，从而可以准确的控制系统的传输功率以及传输效率，确保水下无线电能传输系统的安全性与高效性。

2、技术方案：本发明的一种基于频率切换的水下无线充电系统互感与负载识别方法，包括以下步骤：

3、步骤1、构建水下两线圈无线电能传输系统的电路拓扑结构，所述电路拓扑结构包括直流电压激励源、dc-ac高频逆变模块、发射线圈模块、涡流损耗模块、接收线圈模块、整流滤波模块和系统负载，所述的涡流损耗模块包括发射线圈中的涡流电阻reddy1，接收线圈中的涡流电阻reddy2；其中，整流滤波模块有多种电路结构选择，在本发明中优选一种电路结构：整流部分是由四个二极管所构成的单相整流电路，滤波部分是由一个电容cfilter构成，整流电路与滤波电路相并联。

4、而系统负载是水下无人自主航行器的电池，为水下无线电能传输系统充电的对象，一般做实验时，直接用一个电阻负载进行等效。

5、步骤2、通过编译程序，使得dc-ac高频逆变模块的驱动频率为fd1，控制接收线圈回路中的开关管s5保持关断状态，设置直流电压激励源，当无线电能传输系统保持正常工作时，测量发射线圈模块中的瞬时电压、瞬时电流以及相位差，从而计算出整个无线电能传输系统的输入阻抗，根据输入阻抗计算出涡流损耗模块在发射线圈回路中的涡流电阻reddy1的阻值；

6、其中，接收线圈回路中包含接收线圈模块；同理发射线圈回路也包含发射线圈模块；但是由于考虑水下的特殊环境，当系统正常运行时，会产生涡流损耗模块，所以分别在发射线圈回路和接收线圈回路中设置一个涡流电阻来进行等效。另外接收线圈回路中还设置了一个开关管s5来控制接收线圈回路的通断。

7、步骤3、保持系统驱动频率不变，仍为fd1，控制开关管s5保持开通状态，设置直流电压激励源，当无线电能传输系统保持正常工作时，测量发射线圈模块中的瞬时电压、瞬时电流以及相位差，从而计算出整个无线电能传输系统的输入阻抗；

8、步骤4、通过编译程序，改变dc-ac高频逆变模块的驱动频率为fd2，控制接收线圈回路中的开关管s5保持关断状态，设置直流电压激励源，当无线电能传输系统保持正常工作时，测量发射线圈模块中的瞬时电压、瞬时电流以及相位差，从而计算出整个无线电能传输系统的输入阻抗，根据输入阻抗计算出涡流损耗模块在发射线圈中的涡流电阻reddy1′的阻值；

9、步骤5、保持系统驱动频率不变，仍为fd2，控制开关管s5保持开通状态，设置直流电压激励源，当无线电能传输系统保持正常工作时，测量发射线圈模块中的瞬时电压、瞬时电流以及相位差，从而计算出整个无线电能传输系统的输入阻抗；

10、步骤6，确定水下两线圈无线电能传输系统等效电路，根据基尔霍夫电压以及电流定律，得到整个系统的输入阻抗中实部与虚部关于驱动频率、互感以及系统负载阻值关系的方程组；

11、其中，在步骤2和步骤4中，开关管s5保持关断的状态下reddy1+r1构成了系统输入阻抗的实部，其中r1为线圈寄生参数是已知值，则可根据阻抗实部算出reddy1。在步骤2和步骤4中reddy1并不相等。故在步骤2中为reddy1，在步骤4中为reddy1′。在步骤3和步骤5中，reddy1只是整个系统输入阻抗中实部的一部分，其中步骤3中的reddy1和步骤2中的reddy1相等，而步骤4的reddy1′和步骤5的reddy1′的相等。

12、步骤7、将步骤2-5中的各个输入阻抗的实部与虚部分别带入步骤6的方程组，通过计算得到发射线圈与接收线圈之间的互感m的幅值和负载等效电阻的阻值，从而实现系统互感与负载的识别。

13、进一步的，步骤1中，所述直流电压激励源与dc-ac高频逆变模块的输入端相连接，dc-ac高频逆变模块的输出端与发射线圈模块的输入端相连，发射线圈模块的输出端与发射线圈回路中的涡流损耗模块的输入端相连，发射线圈模块的输出端与接收线圈模块的输入端相对设置，接收线圈模块的输出端与接收线圈回路的涡流损耗模块的输入端相连，接收线圈回路涡流损耗模块的输出端与整流滤波模块的输入端相连，整流滤波模块的输出端与系统负载相连；发射线圈回路中的涡流电阻reddy1的一端与dc-ac高频逆变模块的一个输出端相连接，reddy1的另一端与发射线圈模块中的l1相连接；接收线圈回路涡流电阻reddy2的一端与接收线圈模块的l2相连接，reddy2的另一端与整流滤波模块的一个输入端相连接；所述的线圈之间的互感包括两部分，分别为其幅值k以及偏移的角度θ。

14、进一步的，步骤2具体包括如下步骤：

15、步骤2.1：令整个系统的驱动频率为fd1，控制接收线圈回路中的开关管s5保持在关断状态，给整个系统设置直流电压激励源，判断系统是否保持稳定以及正常运行；

16、步骤2.2：通过测量仪器获取系统发射线圈模块中的瞬时电压u1、瞬时电流i1以及瞬时电压u1与瞬时电流i1之间的相位差从而计算得到系统的输入阻抗zin1＝rin1+jxin1＝u1/i1；reddy1＝reddy2＝rin1；

17、其中zin1表示在驱动频率为fd1且接收线圈回路中的开关管s5保持关断情况下，整个系统的输入阻抗，rin1表示输入阻抗的实部，xin1表示输入阻抗的虚部；u1表示在驱动频率为fd1且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块的瞬时电压矢量；i1表示在驱动频率为fd1且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块的瞬时电流矢量；表示在驱动频率为fd1且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块瞬时电压u1与瞬时电流i1之间的相位差；reddy1表示整个系统在驱动频率fd1的状态下，发射线圈中涡流电阻的阻值；reddy2表示整个系统在驱动频率fd1的状态下，接收线圈中涡流电阻的阻值。

18、进一步的，步骤3具体包括如下步骤：

19、步骤3.1：保持系统驱动频率不变仍为fd1，控制接收线圈回路开通管s5保持在开通状态下，给整个系统设置直流电压激励源，判断系统是否保持稳定以及正常运行；

20、步骤3.2：通过测量仪器获取系统发射线圈模块中的瞬时电压u2、瞬时电流i2以及瞬时电压u2与瞬时电流i2之间的相位差从而计算得到系统的输入阻抗zin2＝rin2+jxin2＝u2/i2；

21、其中zin2表示在驱动频率为fd1且接收线圈回路中的开关管s5保持开通情况下，整个系统的输入阻抗，rin2表示输入阻抗的实部，xin2表示输入阻抗的虚部；u2表示在驱动频率为fd1且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块的瞬时电压矢量；i2表示在驱动频率为fd1且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块的瞬时电流矢量；表示在驱动频率为fd1且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块瞬时电压u2与瞬时电流i2之间的相位差。

22、进一步的，步骤4具体包括如下步骤：

23、步骤4.1：切换水下无线电能传输系统的驱动频率，使其驱动频率为fd2，控制接收线圈回路中的开关管s5保持在关断状态，给整个系统设置直流电压激励源，判断系统是否保持稳定以及正常运行；

24、步骤4.2：通过测量仪器获取系统发射线圈模块中的瞬时电压u3、瞬时电流i3以及瞬时电压u3与瞬时电流i3之间的相位差从而计算得到系统的输入阻抗zin3＝rin3+jxin3＝u3/i3；reddy1′＝reddy2′＝rin3；

25、其中zin3表示在驱动频率为fd2且接收线圈回路中的开关管s5保持关断情况下，整个系统的输入阻抗，rin3表示输入阻抗的实部，xin3表示输入阻抗的虚部；u3表示在驱动频率为fd2且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块的瞬时电压矢量；i3表示在驱动频率为fd2且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块的瞬时电流矢量；表示在驱动频率为fd2且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块瞬时电压u3与瞬时电流i3之间的相位差。reddy1′表示整个系统在驱动频率fd2的状态下，发射线圈中涡流电阻的阻值。reddy2′表示整个系统在驱动频率fd2的状态下，接收线圈中涡流电阻的阻值。

26、进一步的，步骤5具体包括如下步骤：

27、步骤5.1：保持系统驱动频率不变仍为fd2，控制接收线圈回路开通管s5保持在开通状态下，给整个系统设置直流电压激励源，判断系统是否保持稳定以及正常运行；

28、步骤5.2：通过测量仪器获取系统发射线圈模块中的瞬时电压u4、瞬时电流i4以及瞬时电压u4与瞬时电流i4之间的相位差从而计算得到系统的输入阻抗zin4＝rin4+jxin4＝u4/i4；

29、其中zin4表示在驱动频率为fd2且接收线圈回路中的开关管s5保持开通情况下，整个系统的输入阻抗，rin4表示输入阻抗的实部，xin4表示输入阻抗的虚部；u4表示在驱动频率为fd2且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块的瞬时电压矢量；i4表示在驱动频率为fd2且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块的瞬时电流矢量；表示在驱动频率为fd2且接收线圈回路中的开关管s5关断情况下发射线圈模块瞬时电压u4与瞬时电流i4之间的相位差。

30、进一步的，步骤6中，所述方程组具体如下：

31、

32、

33、

34、

35、其中，r1为发射线圈寄身电阻，r2为接收线圈寄身电阻；l1为发射线圈电感值；l2为接收线圈电感值；c1为发射线圈回路中的补偿电容，c2为接收线圈中的补偿电容；rp2为发射线圈回路在驱动频率为fd1运行状态下的总电阻值，xp2为发射线圈回路在驱动频率为fd1运行状态下的总电抗值；rs2为接收线圈回路在驱动频率为fd1运行状态下的总电阻值，xs2为接收线圈回路在驱动频率为fd1运行状态下的总电抗值；rin2与xin2分别为系统在驱动频率为fd1运行状态下的总输入阻抗zin2的实部与虚部；rp4为发射线圈回路在驱动频率为fd2运行状态下的总电阻值，xp4为发射线圈回路在驱动频率为fd2运行状态下的总电抗值；rs4为接收线圈回路在驱动频率为fd2运行状态下的总电阻值，xs4为接收线圈回路在驱动频率为fd2运行状态下的总电抗值；rin4与xin4分别为系统在驱动频率为fd2运行状态下的总输入阻抗zin4的实部与虚部；rle为负载等效电阻；m2和m4分别为系统在fd1和fd2的驱动频率下发射线圈与接收线圈的互感，其中k1和k2分别为fd1和fd2的驱动频率下互感的幅值，而θ1和θ2分别为fd1和fd2的驱动频率下互感偏移的角度；reddy1和reddy1′分别为发射线圈回路与接收线圈回路中的涡流电阻。

36、进一步的，所述dc-ac高频逆变模块为一个单相全桥逆变器，直流电压激励源vdc通过dc-ac高频逆变模块后变为幅值为vdc的方波，利用傅里叶变化可以得到其输出电压的基波有效值为在互感与负载的识别过程中，需要改变逆变器的驱动频率，但是固定输出电压的占空比。

37、进一步的，发射线圈模块的回路包括发射线圈l1和其补偿电容c1，l1与c1相串联，发射线圈l1的两端分别与dc-ac高频逆变模块的一个输出端以及补偿电容c1的一端相连接，补偿电容c1的另一个端口与dc-ac高频逆变模块的另一个输出端相连接，系统的固有谐振频率为ωr＝2πfr，其中，fr为系统谐振频率；发射线圈l1和其补偿电容c1皆为固定的已知值，其与固有谐振频率之间的关系满足公式：

38、接收线圈模块的回路是由接收线圈l2和其补偿电容c2以及开关管s5串联构成；接收线圈l2的一端与开关管s5的漏极相连接，另一端与整流滤波模块的一个输入端口相连接，开关管s5的源极与补偿电容c2的一个端子相连接，补偿电容c2的另一个端子与整流滤波模块的另一个输入端口相连接；接收线圈l2和其补偿电容c2皆为固定的已知值，其与固有谐振频率之间的关系满足公式：

39、进一步的，所述整流滤波模块中的整流部分是由四个二极管所构成的单相整流电路，滤波部分是由一个电容cfilter构成，整流电路与滤波电路相并联。

40、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

41、(1)本发明在系统正常传输电能时，通过切换系统的驱动频率以及控制接收线圈回路的开通与关断，从而改变整个系统的输入阻抗的大小，通过采集发射线圈回路中输入的电压和电流的信息，计算系统的输入阻抗，利用方程组求解系统线圈之间的互感以及整个系统中负载的等效阻值。通过采集发射线圈和系统负载的电压和电流即可实现互感与负载的识别，无需增加复杂的电路，其步骤简单，对存在动态扰动的系统线圈间互感以及电池充电过程中等效负载的实时识别精度高。

42、(2)本发明考虑了水下的复杂环境对无线电能传输系统中的影响，完善了水下两线圈无线电能传输系统的等效电路结构。

43、(3)本发明对海水涡流所引起的互感角度的偏移进行了识别，完善了发射线圈与接收线圈之间的互感模型，并且用涡流电阻对系统中涡流损耗进行了等效计算，涡流电阻可以识别，从而可以计算出整个系统的涡流损耗。