[发明专利]基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统

说明书

本发明公开了一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，所述系统包括：初级发送电路、耦合单元和次级接收电路，所述初级发送回路中包括：直流电源、高频逆变电路、调谐电路，所述调谐电路采用π‑S型谐振网络；所述次级接收回路中包括：整流电路、滤波电路和负载；所述耦合单元采用平板形电容器结构，由上下两对铜板组成，分别为发射极板和接收极板，两极板中间填充介质为海水。本发明优化了基于单级LC谐振型电场耦合式水下无线电能传输系统存在的输出功率低、谐振容量小、频率偏移大等问题。

技术领域

本发明基于CLC-S调谐网络，综合E类放大器频率高、效率高的特点，设计一种输出功率大、频率偏移低、谐振容量小的更适用于海水环境的无线电能传输系统。

背景技术

自主式水下航行器(Autonomous Under-water Vehicle,AUV)作为探索海洋空间的重要手段，由于巨大的科技和军事价值，其发展一直为世界各海洋强国所关注。目前，AUV的供电方式主要是自身携带的锂离子电池和燃料电池。它的主要缺陷在于工作时间较短，且需要频繁的回收和投放，难以长时间执行航行和深海环境监测任务，这在一定程度上限制了AUV的自主性和灵活性。因此，水下无线电能传输技术的研究就显得尤为关键。

电场耦合式电能传输(Electrical-field Coupled Power Transfer，ECPT)技术是指在电能的传输过程中，在发送能量侧和接收能量侧分别设置电极，通过极板间产生的电场来传输能量的技术。当下，有学者提出了一种适于电动汽车无线充电的电能传输系统，在传输距离为150mm时，最大输出功率为2.4kW，这正好满足了AUV无线电能传输对于大功率供电的需求。因此，将无线充电技术应用到水下AUV的充电续航中具有重要意义。但是，现有的基于单级LC谐振型电场耦合式水下无线电能传输系统，虽然一定程度上可以满足海水环境的需要，但存在系统的输出功率低、谐振容量小、频率漂移大等关键问题，制约着电能传输系统性能的提升。

针对上述问题，及海洋环境这一具体场景，结合CLC-S调谐网络，综合E类放大器频率高、效率高的特点，设计一种输出功率大、频率偏移低、谐振容量小的更适用于海水环境的无线电能传输系统。

发明内容

本发明提供了一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，本发明优化了基于单级LC谐振型电场耦合式水下无线电能传输系统存在的输出功率低、谐振容量小、频率偏移大等问题，详见下文描述：

一种基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统，所述系统包括：初级发送电路、耦合单元和次级接收电路，

所述初级发送回路中包括：直流电源、高频逆变电路、调谐电路，所述调谐电路采用π-S型谐振网络；

所述次级接收回路中包括：整流电路、滤波电路和负载；

所述耦合单元采用平板形电容器结构，由上下两对铜板组成，分别为发射极板和接收极板，两极板中间填充介质为海水。

其中，所述E类放大器的品质因数Q在5～20之间。所述两极板中间填充介质为海水具体为：

在铜板与海水的接触一侧覆着一层厚度d₁＝1mm的PVC介质，另一侧通过灌环氧隔离海水引出连接导线，d为海水的厚度。

优选地，所述发射极板的激励电压设为5V，接收极板的激励电压0V，铜板上覆着1mm的PVC介质，平行板电容器的中间充斥着电导率为0.04S/cm的海水。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明通过对海水环境下耦合机构的电容值进行有限元分析，结合负载品质因数、归一化频率等参数对水下无线电能传输系统的影响规律，利用E类放大器频率高、效率高的特点，优化基于单级LC谐振型电场耦合式水下无线电能传输系统存在的输出功率低、谐振容量小、频率偏移大等问题，满足了实际应用中的多种需要。

附图说明