0 引言

    隨著海洋資源的開發(fā),，水下探測(cè)器的續(xù)航問題一直都是制約水下探索的關(guān)鍵問題。目前歐美,、日本等國采用的海底電纜網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)成本高,、技術(shù)難度大，而對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)我國剛處于起步階段,，水下設(shè)備仍使用傳統(tǒng)的接觸式供電方式進(jìn)行電能傳輸,，而且我國不掌握水下接駁盒這一關(guān)鍵組件的生產(chǎn)、制造技術(shù),，極大限制了海底資源的開發(fā),。

    無線電能傳輸技術(shù)也稱為非接觸電能傳輸技術(shù)，是一種借助于空間的無形軟介質(zhì)實(shí)現(xiàn)將電能由電源端傳遞至用電設(shè)備的一種傳輸模式^[1],。與一般的充電方式相比,，無線充電技術(shù)擁有自由度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),、危險(xiǎn)系數(shù)低等諸多優(yōu)點(diǎn)^[2],。無線電能傳輸在陸地上的研究已經(jīng)十分成熟，尤其是在電動(dòng)汽車的應(yīng)用上,，成功實(shí)現(xiàn)了在較長的傳輸距離下?lián)碛休^高的傳輸效率^[3-4],。文獻(xiàn)[3]分析了無線充電過程中混入金屬異物對(duì)系統(tǒng)參數(shù)及效率的影響，得出金屬混入會(huì)影響充電系統(tǒng)參數(shù)并導(dǎo)致傳輸效率降低的結(jié)論,。文獻(xiàn)[4]分析了無線傳輸系統(tǒng)的發(fā)射線路和接收線路的耦合結(jié)構(gòu),，得出接收線路不同位置時(shí)線路耦合情況以及系統(tǒng)效率的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[5]推導(dǎo)出了無線電能傳輸系統(tǒng)隨耦合系數(shù)改變的最佳負(fù)載,，并為無線傳輸系統(tǒng)負(fù)載的選取提供了理論指導(dǎo),。

    在水下尤其是深海條件下，無線電能傳輸系統(tǒng)具有更高的可靠性和安全性,，更適合在水下自主航行器上應(yīng)用^[6],。相比較無線充電技術(shù)在陸地上的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)在水下的研究相對(duì)較少,，而已有的關(guān)于水下無線輸電的研究成果未能兼顧傳輸效率和傳輸距離兩項(xiàng)重要指標(biāo)^[7-10],。文獻(xiàn)[7]實(shí)現(xiàn)了水下間距5 mm、功率300 W,、效率85%的電能傳輸,，并進(jìn)行了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[8]中,，美國華盛頓大學(xué)完成了間隙2 mm,、功率240 W、效率70%的電能傳輸,。文獻(xiàn)[9]中提出了一種在海底進(jìn)行非接觸式電能傳輸?shù)姆桨?，?shí)現(xiàn)了當(dāng)傳輸距離為50 mm時(shí),，傳輸效率為40%。文獻(xiàn)[10]提出了一種給水中機(jī)器魚充電的方案,，并指出當(dāng)諧振頻率變高時(shí),，渦流損耗會(huì)急劇增大，嚴(yán)重影響了充電效率,。

    由國內(nèi)外文獻(xiàn)分析可知,，目前水下探測(cè)器的電能供給以充電站向探測(cè)器的單向能量傳輸模式為主，如何提高傳輸效率已成為實(shí)現(xiàn)海水介質(zhì)中非接觸式輸電實(shí)用化的關(guān)鍵環(huán)節(jié),。本文提出的雙向無線電能傳輸拓?fù)?，是一種新型的水下探測(cè)器供電方案，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞,。該項(xiàng)功能可應(yīng)用于水下移動(dòng)能源站,，增加水下探測(cè)器的作業(yè)時(shí)間，提高探測(cè)效率,。具體工作模式為：水下移動(dòng)能源站從主干網(wǎng)?？空疚针娔懿⒋鎯?chǔ)，隨后根據(jù)定位移動(dòng)到指定位置對(duì)水下探測(cè)裝置進(jìn)行充電,，這個(gè)過程中,，水下移動(dòng)能源站接收了電能，并發(fā)射了電能,，進(jìn)行了能量的雙向傳輸,。

    本文采用移相控制的控制方式，通過調(diào)節(jié)偏移量達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率的目的,；分析了系統(tǒng)的頻率特性,，并做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；分析了海水介質(zhì)下的渦流損耗,，并對(duì)理論值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比,。將無線充電系統(tǒng)的原、副邊線圈放置在水池中進(jìn)行海水下無線電能傳輸試驗(yàn),，在線圈間距15 cm的條件下,，傳輸效率達(dá)83%，驗(yàn)證了本文所提方案的可行性,。

1 雙向無線電能傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理分析

    無線充電技術(shù)主要是利用電磁感應(yīng)基本原理進(jìn)行工作,，在初級(jí)端線圈的兩端加入交流電壓，通過與諧振電容的諧振作用在線圈中產(chǎn)生交變磁場(chǎng),，繼而在次級(jí)線圈中感應(yīng)出相同頻率的交變電壓,，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸。本文所采用的雙向供電方案框圖如圖1所示。當(dāng)能量從主干網(wǎng)?？空鞠蛞苿?dòng)能源站傳遞時(shí)，開關(guān)管Q1~Q4,、反并聯(lián)二極管D5~D8工作,，如圖2所示；當(dāng)能量從移動(dòng)能源站向水下探測(cè)器傳遞時(shí),，開關(guān)管Q5~Q8,、反并聯(lián)二極管D1~D4工作，如圖3所示,。

    在無線電能傳輸技術(shù)中,，原副邊耦合線圈之間存在的漏感增加了系統(tǒng)的無功功率的輸出，降低系統(tǒng)傳輸功率能力,。因此,，為了提高系統(tǒng)的傳輸性能，有必要對(duì)原副邊耦合線圈的漏感進(jìn)行補(bǔ)償,。常見的補(bǔ)償方式有4種：發(fā)射端串聯(lián)接收端串聯(lián)補(bǔ)償(SS),、發(fā)射端串聯(lián)接收端并聯(lián)補(bǔ)償(SP)、發(fā)射端并聯(lián)接收端串聯(lián)補(bǔ)償(PS),、發(fā)射端并聯(lián)接收端并聯(lián)補(bǔ)償(PP),。通過對(duì)4種補(bǔ)償方式下的無線充電系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，得出4種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)下諧振電容的表達(dá)式如表1所示,。其中Cp,、Cs分別為原、副邊諧振電容,，Lp,、Ls分別為原、副邊線圈電感,，M為互感,，ω為諧振角頻率，R_L為負(fù)載電阻,。

    由表1可知,，只有SS補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可以保證在線圈相對(duì)位置變化時(shí)諧振電容不變，且能夠保證系統(tǒng)在受水流沖擊作用時(shí)保持在諧振狀態(tài),，所以本文選用SS補(bǔ)償方式,。以單側(cè)傳輸為例來分析系統(tǒng)的傳輸性能，單向傳輸?shù)南到y(tǒng)簡化拓?fù)涫疽鈭D如圖4所示,。其中U_S為直流電源,，C₁、C₂為濾波電容,。

    由系統(tǒng)傳輸效率公式可知,，當(dāng)線圈大小,、線圈之間的距離以及負(fù)載確定后，效率僅和系統(tǒng)工作頻率相關(guān),，效率隨系統(tǒng)頻率的升高單調(diào)遞增,。

    移相控制方式可以通過調(diào)整移相角，實(shí)現(xiàn)逆變器輸出功率的調(diào)節(jié),。由于逆變器負(fù)載為感性,，電流滯后電壓，因此逆變器容易形成導(dǎo)通時(shí)的軟開關(guān),，并通過開關(guān)管并聯(lián)緩沖電容,，實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷，提高電源系統(tǒng)傳輸效率,。接下來在移相控制方式下分析頻率變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,。

    由SS補(bǔ)償電路下的電路拓?fù)淇梢缘玫骄€圈原邊總的等效阻抗為：

    令Lp=Ls=L、Cp=Cs=C,，由上式可知,，當(dāng)M不變，頻率大于諧振頻率且越大時(shí),，系統(tǒng)感性特征越明顯,；頻率小于諧振頻率且越小時(shí)，系統(tǒng)容性特征越明顯,，其中間的過渡點(diǎn)即為諧振頻率,。而系統(tǒng)在容性狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管換流時(shí)產(chǎn)生較大的開關(guān)尖峰，在感性狀態(tài)下,，開關(guān)管換流階段波形較為平穩(wěn),，而且頻率的增大也會(huì)使得系統(tǒng)傳輸效率的提升，所以試驗(yàn)過程中應(yīng)使系統(tǒng)的工作頻率略大于諧振頻率,。

2 海水介質(zhì)下能量的損耗分析

    本文研究的無線傳輸系統(tǒng)應(yīng)用于海水下能量交換,，交變磁場(chǎng)會(huì)在海水中感應(yīng)出渦電流，造成功率損耗,，降低傳輸效率,。下面主要對(duì)電磁波在海水中傳播產(chǎn)生的損耗進(jìn)行分析。

    通常認(rèn)為海水是一種各向同性的均勻?qū)щ娊橘|(zhì),，這可以大大簡化分析計(jì)算,。電磁波在海水中傳播，滿足麥克斯韋方程的復(fù)數(shù)形式為：

其中P為發(fā)射的功率,，p1為損耗的功率,，d為傳輸?shù)木嚯x。

    圖5、圖6分別為海水介質(zhì)下,，線圈傳遞效率以及海水渦流損耗隨線圈間距變化的曲線,。從曲線中可以得出，隨著線圈間距的增加,，線圈間能量傳遞效率明顯變低,，而損耗隨著間距的增加而增大，超過10 cm后,，效率下降幅度以及損耗增加幅度均增大。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究與分析

3.1 系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)及海水損耗實(shí)驗(yàn)

    硬件電路包括：主電路,、DSP芯片主控電路,、驅(qū)動(dòng)電路、諧振網(wǎng)絡(luò),、整流電路,、負(fù)載。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示,。其中圖7(a)中顯示的分別為系統(tǒng)的主電路板,、DSP芯片主控電路板、驅(qū)動(dòng)電路板,；圖7(b)顯示的是諧振線圈放置在海水水槽中,。本文根據(jù)需求設(shè)計(jì)了1.5 kW硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作電壓為375 V,，峰值電流15 A,，開關(guān)頻率為20～100 kHz。系統(tǒng)的主控芯片為DSP TMS320S2812,。

    實(shí)驗(yàn)中,，分別測(cè)得空氣中和海水介質(zhì)中的系統(tǒng)傳遞效率，并計(jì)算得出海水介質(zhì)下系統(tǒng)的損耗,。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2,。理論損耗值與實(shí)際測(cè)量損耗值的對(duì)比曲線如圖8所示。從圖中可以看出實(shí)際測(cè)得的損耗值比理論值小,，最大誤差在5%左右,，原因在于實(shí)驗(yàn)中線圈的繞制和測(cè)量均存在一定的誤差，使用的鹽水與真實(shí)的海水也有差別,，從而導(dǎo)致實(shí)際值低于理論值,。

3.2 系統(tǒng)頻率特性研究

    如圖5所示，隨著線圈間距的增加,，系統(tǒng)傳遞效率明顯降低,，當(dāng)間距為15 cm時(shí)系統(tǒng)傳遞效率僅為60%，不能滿足設(shè)計(jì)需求，為了減小渦流損耗,，增加海水中無線系統(tǒng)的傳輸效率,，本文采用在線圈外側(cè)添加隔磁片的方式，其裝配圖如圖9所示,。選取諧振電容Cp=30 nF,，Cs=30 nF，發(fā)射線圈和接收線圈距離15 cm,，加入磁芯后,，線圈自感變?yōu)?40 μH，此時(shí)計(jì)算出的諧振頻率為44 kHz,。保持兩線圈相對(duì)位置不變及線圈之間的互感不變,，改變工作頻率得到的電壓電流相位差如表3所示。

    從表3中可以得出：工作頻率為諧振頻率時(shí),，逆變器輸出電壓電流的相位差為0,，隨著工作頻率的增大，逆變器輸出電壓電流的相位差隨之增大,。圖10為工作頻率分別為50 kHz,、47 kHz、44 kHz時(shí)電壓電流波形,，從圖中可以看出,，當(dāng)工作頻率接近諧振頻率時(shí)，換流階段開關(guān)尖峰較大,；當(dāng)工作頻率大于諧振頻率時(shí),，系統(tǒng)工作狀態(tài)較為穩(wěn)定。

3.3 空氣以及海水環(huán)境下無線傳輸實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)中,，諧振電容Cp=30 nF,，Cs=30 nF，供電電壓為375 V,，工作頻率為48 kHz,，為了模擬負(fù)載為電池的工況，調(diào)節(jié)偏移量使得輸出電壓也為375 V,。負(fù)載電阻100 Ω,，發(fā)射線圈和接收線圈距離15 cm，加入磁芯后,，線圈自感變?yōu)?50 μH,。空氣,、海水中實(shí)驗(yàn)波形分別如圖11,、圖12所示,。

    從圖中可以看出，由于采用移相控制,，逆變器輸出電壓超前于電流,，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，且實(shí)驗(yàn)采用的開關(guān)頻率高于諧振頻率,，電壓電流波形較為平穩(wěn),，與前文研究一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在空氣中,，直流側(cè)輸入功率為1 542 W,，線圈間距15 cm，輸出功率為1 406 W,，系統(tǒng)傳輸效率約為91%,；在海水中，直流側(cè)輸入功率為1 693 W,，線圈間距15 cm,，輸出功率為1 406 W,，系統(tǒng)傳輸效率約為83%,，相較于其他水下無線充電的研究，本文在傳輸距離和傳輸效率上存在一定的優(yōu)勢(shì),。

4 結(jié)論

    本文提出一種新型的水下探測(cè)器供電方案,，設(shè)計(jì)了雙向傳輸系統(tǒng)的電路拓?fù)洌治霾⒋_定了諧振補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛥?shù),；為了實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)并降低開關(guān)損耗,，確定了移相控制的控制方式并分析了系統(tǒng)工作的最佳頻率與諧振頻率的關(guān)系；對(duì)海水介質(zhì)下的渦流損耗進(jìn)行了估算并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，本文會(huì)在接下來的工作中繼續(xù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件,，縮小估算與實(shí)測(cè)值的偏差；在空氣及海水環(huán)境下完成了距離15 cm的傳輸實(shí)驗(yàn),，在海水環(huán)境下,，較好地抑制了渦流損耗對(duì)傳輸效率的影響，實(shí)驗(yàn)效率達(dá)到83%,，實(shí)現(xiàn)了水下無線電能傳輸距離和傳輸效率的優(yōu)化,，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提方案的可行性和有效性。

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作者信息:

高雪飛1,，張  劍1，2,，李金龍1

（1.中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院電工研究所,，北京100190；

2.電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大功率電力電子器件封裝技術(shù)北京市工程實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院電工研究所,，北京100190）