[发明专利]用于水下移动设备充电的单电容WPT系统及参数设计方法

说明书

本发明提出一种用于水下移动设备充电的单电容WPT系统及参数设计方法，其特征在于：针对水下环境中的移动设备，提出考虑绝缘层的无线供电耦合机构设计方法，以双侧LC补偿的水下单电容耦合WPT系统为例，给出使系统达到零相位角状态的系统参数设计方法。其效果是：相比于传统的水下电场耦合无线电能传输方式，本发明实现了水下三维空间内移动设备的无线供电，提高了系统的灵活性，降低了系统成本，对结构空间的要求更低，并且提高了能量的传输距离；相比于空气中的单电容WPT传输方式，在相同的条件下，本发明中的能量传输功率和效率以及能量传输距离都得到了提高。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种用于水下移动设备充电的单 电容WPT系统及参数设计方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术将电力电子技术和现 代控制理论与技术等相结合，通过磁场、电场、微波、激光等载体实现电能的 无线传输，该技术已经成为了全球研究的热点，它可以解决传统导线直接电气 接触带来的很多问题，具有广阔的应用前景。电场耦合无线电能传输 (Electric-field Coupled Wireless PowerTransfer,EC-WPT)技术利用金属板间 的高频交变电场作为能量传输载体，实现能量无线传输，其耦合机构一般由金 属极板构成，具有成本低、重量轻、形状易变等特点，系统工作时在耦合机构 之间及周围的金属导体上产生涡流损耗小，绝大部分电通量分布在极板之间， 对环境电磁干扰影响小，并且能够跨越金属进行传能。由于EC-WPT系统具 有以上优势，吸引了国内外大量学者展开研究，目前EC-WPT技术已经在消 费电子、医疗用品以及电动汽车等领域得到了应用。

相对于空气中的EC-WPT技术的研究而言，水下电场耦合无线电能传输 技术的研究才刚起步。EC-WPT技术在水下应用具有诸多优势，其利用高频电 场传能，在水中产生涡流损耗较小；耦合机构采用金属极板，结构简单，在水 下应用时只需在表面涂上一层绝缘层即可；金属极板比较坚固，能够适应深水 中压强较大的场合。此外，极板间的耦合电容是EC-WPT系统传能的关键因 素，而水中的相对介电常数较大，能够极大的提高极板间的耦合电容，有利于 提升系统的传输功率和效率。此外，耦合电容的提高意味着可以用更小的电感 进行补偿，进一步减小系统的体积，并且降低系统成本，有利于提高系统的功 率密度。

然而，现有技术中针对水下应用的EC-WPT系统，耦合机构主要采用四 块正对的平行金属极板，可以应用在于耦合机构相对位置固定的场合。然而， 对于水下移动设备的无线供电系统来说，一般能量发射极板会固定在确定的位 置，例如水下供电基站，而能量接收端会经常移入移出，甚至改变方向，这会 使得发射极板和接收极板的相对位置发生改变，在三维空间中体现为能量接收 端相对发射端处于不同的方位。两对金属极板之间存在交叉耦合电容，降低了 系统供电的灵活性，严重制约了EC-WPT技术在三维空间内移动设备无线供 电的应用。

发明内容

基于上述需求，本发明的首要目的在于提出一种用于水下移动设备充电的 单电容WPT系统，通过对耦合机构的结构改进，使其提高系统供电的灵活性， 从而满足水下三维空间内移动设备的无线供电。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种用于水下移动设备充电的单电容WPT系统，包括电能发射端和电能 接收端，其关键在于，所述电能发射端包括供电基站设备和电能发射球，所述 供电基站设备中配置有电能发射电路，所述电能发射电路包括供电电源、高频 逆变器和原边谐振网络，所述电能发射球通过导电线缆连接在所述原边谐振网 络中，在所述电能发射球的外侧包覆有第一绝缘防护层；所述电能接收端设置 在水下移动设备上，包括凸出设置在水下移动设备外表面的电能接收球和位于 水下移动设备内部的电能接收电路，所述电能接收电路包括副边谐振网络、整 流滤波电路和用电负载，在所述电能接收球的外侧包覆有第二绝缘防护层，所 述电能发射球和所述电能接收球之间构成单电容耦合结构实现电能无线传输。