一种双发射磁耦合谐振式水下无线供电系统

本发明涉及无线输电，尤其涉及一种双发射磁耦合谐振式水下无线供电系统。

背景技术：

1、auv(自主水下航行器，autonomous underwater vehicles)作为一种海上力量，以自主控制、海上作业更加灵活自如等优点，在勘探地貌、打捞沉船、铺设水下电缆及水下维护等领域发挥着重要作用。对于auv的非接触式充电系统在发射端和接收端的电路完全隔离，通过线圈间的电磁耦合将电能以无接触的方式进行传输，两侧电路独立封装，不仅消除了摩擦漏电等危险，通过简单的封装就能使其拥有不错的防水性。avu在水下完成充电，可以有效的增加水下作业时间、提高工作效率，这使得无线充电成为了auv的一种理想的充电方式。

2、而目前水下无线供电系统又面临着传输功率和效率不足以给auv供电、距离和体积矛盾以及电能传输不稳定等问题。当两线圈之间的距离增大时，若想达到同样的传输效果需要增加线圈半径，而且水下无线充电因环境复杂多变，对稳定性要求更高，水流冲击的不确定性对无线充电系统的传输效果产生影响，这些问题促使各国学者对水下无线电能传输系统有了更深入的研究。目前，针对无线充电的稳定性提出了多种解决方式，但多采用复杂的线圈结构保持磁芯间隙的稳定，但这会导致线圈间的耦合结构复杂和系统重量增加。

技术实现思路

1、根据上述现有技术存在的技术问题，而提供一种双发射磁耦合谐振式水下无线供电系统。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种双发射磁耦合谐振式水下无线供电系统，其特征在于包括：auv接收端和水下充电装置；

4、所述auv接收端包括：线圈接收端、第一磁铁阵列、谐振补偿电路、整流滤波电路、第一电池组、第一nfc模块、调制电路、控制电路、电磁铁驱动电路和变压器；

5、所述第一磁铁阵列连接在线圈接收端上，所述线圈接收端与谐振补偿电路相连接，所述谐振补偿电路与整流滤波电路相连接，所述整流滤波电路与第一电池组相连接，所述谐振补偿电路上还连接有调制电路，所述调制电路与控制电路相连接，所述控制电路与电磁铁驱动电路相连接，所述电磁铁驱动电路与线圈接收端相连接，所述电池组与变压器相连接；

6、所述水下充电装置包括水密接头、水下电缆、第二磁铁阵列，第二nfc模块、双线圈发射端、补偿调制电路、补偿控制电路、驱动电路、补偿电路、高频逆变电路和第二电池组，所述第二磁铁阵列连接在双线圈发射端上，所述双线圈发射端与补偿电路相连接，所述补偿电路与高频逆变电路相连接，所述高频逆变电路与第二电池组相连接，所述高频逆变电路与驱动电路相连接，所述补偿电路上还连接有补偿控制电路，所述补偿控制电路与补偿调制电路相连接，所属补偿调制电路与双线圈发射端相连接。

7、进一步地，所述双线圈发射端包括：2个驱动电路和2个发射模块lpn；

8、所述线圈接收端包括：接收模块和负载rl；所述发射模块分别与驱动电路串联连接，每个发射模块lpn均包括：串联连接的发射线圈lpi和发射端谐振模块；

9、所述发射端谐振模块包括：电感lti和电容模块；所述电容模块包括：两个电容cti，2个发射模块lpn的发射线圈lpi相互之间处于解耦或弱耦合状态；所述接收模块与负载rl并联连接，所述接收模块包括：串联连接的接收线圈ls和接收端谐振电容cs。

10、进一步地，所述双线圈发射端耦合线圈由抗涡流的导线绕制成曲面双矩形形状；耦合线圈的几何结构选用利兹线缠绕而成；

11、所述发射端谐振模块的电容为可变电容，包括：一对反向串联的开关管sc1、sc2与定值电容c11并联再与定值电容c12串联连接；

12、所述可变电容的电容大小ceq通过开关管可调导通相角α来确定，输入直流电经逆变转换为交流电，当交流电处于正半周期且sc1处于关断状态时，电容c11开始充电，当交流电进入负半周期，电容c11开始放电，直至电压为零，并循环此过程；所述可变电容的电容大小可由以下公式得到：

13、

14、补偿电容中的cs1、cs2、cp1、cp2均可由以上公式得到，其中ceq最低值为最高值为c12。

15、进一步地，所述驱动电路包括：直流电压源和控制模块；所述控制模块包括：逆变控制模块和电容控制模块；

16、所述逆变控制模块包括：依次相连的驱动控制信号生成模块、驱动控制信号切换模块和开关驱动模块；所述驱动控制信号生成模块包括电压电流检测模块、pi控制模块、驱动控制信号；

17、其中电压电流检测模块输入端与负载输出端连接，pi控制模块输入端与电压电流检测模块输出端连接，驱动控制信号由pi控制模块发出并传递给驱动控制信号切换模块；

18、所述电容控制模块包括：电压电流检测模块、相位比较模块、相位矫正模块；

19、其中，所述电流电压检测模块输入端与发射线圈输出端相连，相位比较模块输入端与电压电流检测模块输出端相连，相位矫正模块输入端与相位比较模块输出端相连，相位矫正模块输出端与变电容模块相连接。

20、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

21、本发明提供的一种双发射磁耦合谐振式水下无线供电系统，该系统考虑耦合线圈变化会导致参数发生改变，使系统处于失谐状态，以及auv充电过程耗时费力不安全等问题，因此采取在auv需要充电时，只需要接近变电容无线充电双发射装置，就可以实现自调谐稳定无线充电，且采用曲面双矩形线圈结构，符合auv的外形。无线充电变电容双发射装置可以广泛的安装于船只、海上补给站，海上风力发电站，海上太阳能发电站等，因此有效缩短充电过程，提高工作效率和工作范围，另外本发明针对auv的充电过程，给出了无线充电的实现过程，解决了auv充电的效率低且不稳定问题，在尽可能不增加设备体积和重量的前提下，通过磁耦合谐振式充电方式，有效的实现稳定无线电能传输。

技术特征：

1.一种双发射磁耦合谐振式水下无线供电系统，其特征在于包括：auv接收端和水下充电装置；

2.根据权利要求1所述的一种双发射磁耦合谐振式水下无线供电系统，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的一种双发射磁耦合谐振式水下无线供电系统，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种双发射磁耦合谐振式水下无线供电系统，其特征在于：

技术总结
本发明公开了一种双发射磁耦合谐振式水下无线供电系统，包括：AUV接收端和水下充电装置；所述AUV接收端包括线圈接收端、第一磁铁阵列、谐振补偿电路、整流滤波电路、第一电池组、第一NFC模块、调制电路、控制电路、电磁铁驱动电路和变压器，所述水下充电装置包括水密接头、水下电缆、第二磁铁阵列，第二NFC模块、双线圈发射端、补偿调制电路、补偿控制电路、驱动电路、补偿电路、高频逆变电路和第二电池组本发明系统考虑耦合线圈变化会导致参数发生改变，使系统处于失谐状态，以及AUV充电过程耗时费力不安全等问题，因此采取在AUV需要充电时，只需要接近变电容无线充电双发射装置，就可以实现自调谐稳定无线充电，且采用曲面双矩形线圈结构，符合AUV的外形。

技术研发人员：付友,梁俊,刘宇轩
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17