海水下电场耦合式无线电能传输系统、设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种海水下电场耦合式无线电能传输系统、设计方法及系统。该设计方法包括步骤：设定系统输入电压、负载电阻和工作频率；构建耦合结构等效电容的电路模型，根据等效电容的电路模型确定极板面积比k的值；根据面积比k的值，设定各个极板的面积以及绝缘介质的厚度，计算出耦合结构的等效电容值；根据耦合结构的等效电容值进行系统其他元器件的设计。本发明专利技术设计的无线电能传输系统在海水中可实现长距离、高效率的电能传输，且对耦合极板的位置关系不敏感。板的位置关系不敏感。板的位置关系不敏感。

【技术实现步骤摘要】
海水下电场耦合式无线电能传输系统、设计方法及系统


[0001]本专利技术属于无线电能传输
，更具体地，涉及一种海水下电场耦合式无线电能传输系统、设计方法及系统。

技术介绍

[0002]当今世界，人类对海洋的开发利用日益频繁，大量水下设备投入现实生产活动，特别是近年来水下无人装备装置正不断兴起，如水下无人潜航器，发挥着不可替代的重要作用。这些水下无人设备通常都是采用电池储能，能量补给也就自然成为首先要重点解决的问题。于是，无线电能传输成为这些水下设备的首选的供电方式。目前水下无线电能传输技术主要集中在电磁感应式无线供电（IPT）。但是IPT在海水中的传输距离较小，而且会产生涡流损耗从而影响传输效率，IPT系统的耦合线圈需要有较好的同轴性，因而对偏移也比较敏感。电场耦合式无线电能传输是一种近几年才开始兴起的无线电能传输技术，其耦合器是由两对金属板构成电容并形成闭合回路，实现电能无线传输，且耦合电容值的大小对金属板的厚度、形状无关，只与耦合极板正对面积、及距离有关。目前，电场耦合式无线电能技术还尚未成功运用到海水环境中，海水中电场耦合式无线电能传输系统的设计技术不成熟。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种海水下电场耦合式无线电能传输系统、设计方法及系统，设计的无线电能传输系统在海水中可实现长距离、高效率的电能传输，且对耦合极板的位置关系不敏感。
[0004]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种海水下电场耦合式无线电能传输系统设计方法，该无线电能传输系统中耦合结构包括4个采用绝缘介质封装的极板P1、P2、P3和P4，P1和P2构成了发射极板组，P3和P4构成了接收极板组，P1和P3构成了第一对平行耦合极板，P2和P4构成了第二对平行耦合极板，P2、P4的面积是P1、P3面积的k倍，所述设计方法包括步骤：设定系统输入电压、负载电阻和工作频率；构建耦合结构等效电容的电路模型，根据等效电容的电路模型确定极板面积比k的值；根据面积比k的值，设定各个极板的面积以及绝缘介质的厚度，计算出耦合结构的等效电容值；根据耦合结构的等效电容值进行系统其他元器件的设计。
[0005]进一步地，所述构建耦合结构的等效电容的电路模型包括步骤：确定每对平行耦合极板在海水中的等效电容，该等效电容是绝缘介质的厚度的函数；构建耦合结构的等效电容的电路模型，根据每对平行耦合极板在海水中的等效电
容确定耦合结构的等效电容的函数、以及耦合系数的函数，该两个函数都与面积比k相关。
[0006]进一步地，所述根据等效电容的电路模型确定极板面积比k的值包括步骤：根据耦合结构等效电容的函数、以及耦合系数的函数，确定面积比k的值，使得耦合结构的等效电容以及耦合系数均大于预设值。
[0007]进一步地，每对平行耦合极板在海水中的等效电容的计算公式为：其中，C为每对平行耦合极板在海水中的等效电容，ε为常数，S为平行耦合极板的面积，d0为封装极板的绝缘介质的厚度。
[0008]进一步地，k=0.1。
[0009]进一步地，该无线电能传输系统还包括逆变器、双侧LC补偿网络和整流模块，所述根据耦合结构的等效电容值进行系统其他元器件的设计包括步骤：根据系统设计电流增益以及耦合结构的等效电容值，计算确定双侧LC补偿网络的电容值；根据双侧LC补偿网络的电容值、以及谐振条件，计算确定双侧LC补偿网络的电感值；根据系统设计电压电流等级选择逆变器的开关管以及整流模块的二极管；设定系统软开关条件；基于设计参数计算系统效率，若系统效率大于效率目标值，则完成系统设计，否则重新设定各个极板的面积以及封装极板的绝缘介质的厚度，并且重新进行系统其他元器件的设计。
[0010]按照本专利技术的第二方面，提供了一种海水下电场耦合式无线电能传输系统设计系统，该无线电能传输系统中耦合结构包括4个采用绝缘介质封装的极板P1、P2、P3和P4，P1和P2构成了发射极板组，P3和P4构成了接收极板组，P1和P3构成了第一对平行耦合极板，P2和P4构成了第二对平行耦合极板，P2、P4的面积是P1、P3面积的k倍，所述设计系统包括：设定模块，用于设定系统输入电压、负载电阻和工作频率；极板面积比确定模块，用于构建耦合结构的等效电容的电路模型，根据等效电容的电路模型确定极板面积比k的值；极板面积及绝缘介质确定模块，用于根据面积比k的值，设定各个极板的面积以及绝缘介质的厚度，计算出耦合结构的等效电容值；系统元器件设计模块，用于根据耦合结构的等效电容值进行系统其他元器件的设计。
[0011]按照本专利技术的第三方面，一种海水下电场耦合式无线电能传输系统，包括耦合结构，该无线电能传输系统中耦合结构包括4个采用绝缘介质封装的极板P1、P2、P3和P4，P1和P2构成了发射极板组，P3和P4构成了接收极板组，P1和P3构成了第一对平行耦合极板，P2和P4构成了第二对平行耦合极板，P2、P4的面积是P1、P3的面积的k倍，k=0.1。
[0012]总体而言，本专利技术非常适用于海水条件下的电场耦合式无线电能传输系统，设计的无线电能传输系统在海水中可实现长距离、高效率的电能传输，且对耦合极板的位置关
系不敏感。
附图说明
[0013]图1是本专利技术实施例的海水下电场耦合式无线电能传输系统设计方法的流程图；图2是本专利技术实施例的海水下极板工作原理示意图；图3是本专利技术实施例的海水下平行耦合极板在海水中的等效电容的电路模型；图4是本专利技术实施例的海水下平行耦合极板在海水中的等效电容的另一电路模型；图5是本专利技术实施例的耦合结构的工作原理示意图；图6是本专利技术实施例的耦合结构的等效电容的电路模型；图7是本专利技术实施例的耦合结构的等效电容及耦合系数的曲线；图8是本专利技术实施例的海水下电场耦合式无线电能传输系统的电路图；图9是本专利技术实施例的海水下电场耦合式无线电能传输系统的等效电路图。
具体实施方式
[0014]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0015]本专利技术实施例的一种海水下电场耦合式无线电能传输系统设计方法，该无线电能传输系统中耦合结构包括4个采用绝缘介质封装的极板P1、P2、P3和P4，P1和P2构成了发射极板组，P3和P4构成了接收极板组，P1和P3构成了第一对平行耦合极板，P2和P4构成了第二对平行耦合极板，P2、P4的面积是P1、P3的面积的k倍。
[0016]该设计方法包括步骤：S1，设定系统输入电压、负载电阻和工作频率。
[0017]S2，构建耦合结构的等效电容的电路模型，根据等效电容的电路模型确定极板面积比k的值。
[0018]S3，根据面积比k的值，设定各个极板的面积以及绝缘介质的厚度，计算出耦合结构的等效电容值。
[0019]S4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海水下电场耦合式无线电能传输系统设计方法，其特征在于，该无线电能传输系统中耦合结构包括4个采用绝缘介质封装的极板P1、P2、P3和P4，P1和P2构成了发射极板组，P3和P4构成了接收极板组，P1和P3构成了第一对平行耦合极板，P2和P4构成了第二对平行耦合极板，P2、P4的面积是P1、P3面积的k倍，所述设计方法包括步骤：设定系统输入电压、负载电阻和工作频率；构建耦合结构等效电容的电路模型，根据等效电容的电路模型确定极板面积比k的值；根据面积比k的值，设定各个极板的面积以及绝缘介质的厚度，计算出耦合结构的等效电容值；根据耦合结构的等效电容值进行系统其他元器件的设计。2.如权利要求1所述的一种海水下电场耦合式无线电能传输系统设计方法，其特征在于，所述构建耦合结构的等效电容的电路模型包括步骤：确定每对平行耦合极板在海水中的等效电容，该等效电容是绝缘介质的厚度的函数；构建耦合结构的等效电容的电路模型，根据每对平行耦合极板在海水中的等效电容确定耦合结构的等效电容的函数、以及耦合系数的函数，该两个函数都与面积比k相关。3.如权利要求2所述的一种海水下电场耦合式无线电能传输系统设计方法，其特征在于，所述根据等效电容的电路模型确定极板面积比k的值包括步骤：根据耦合结构的等效电容的函数、以及耦合系数的函数，确定面积比k的值，使得耦合结构的等效电容以及耦合系数均大于预设值。4.如权利要求2所述的一种海水下电场耦合式无线电能传输系统设计方法，其特征在于，每对平行耦合极板在海水中的等效电容的计算公式为：其中，C为每对平行耦合极板在海水中的等效电容，ε为常数，S为平行耦合极板的面积，d0为封装极板的绝缘介质的厚度。5.如权利要求1所述的一种海水下电场耦合式无线电能传输系统设计方法，其特征在于，k=0.1。6.如权利要求1所述的一种海水下电场耦合式无线电能传输系统设计方法，其特征在于，该无线电能传输系统还包括逆变器、双侧LC补偿网络和整流模块，所述根据耦合结构的等效电容值进行系统其他元器件的设计包括步骤：根据系统设计电流增益以及耦合结构的等效电容值，计算确定双侧LC补偿网络的电容值；根据双侧LC补偿网络的电容值、以及谐振条件，计算确定双侧LC补偿网络的电感值；根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊乔，邵英，孙盼，孙军，冯国利，王蕾，梁彦，蔡进，荣恩国，谢海浪，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：