无人水下航行器无线能量传输系统补偿网络研究

王宏健 于 乐 陈 江 张晓涛

(哈尔滨工程大学自动化学院 哈尔滨 150001)



无人水下航行器无线能量传输系统补偿网络研究

王宏健1于 乐1陈 江1张晓涛1

(哈尔滨工程大学自动化学院 哈尔滨 150001)

针对无线能量传输系统中耦合器一、二次侧分离所造成的系统传输效率低、损耗大等问题，提出一种基于双口网络分析的补偿网络研究方法。建立适用于不同补偿网络类型分析的统一数学模型，设计了一种基于模型参数计算系统输出功率与传输效率的方法，用以衡量各种补偿网络结构的电路工作性能；基于Simulink平台构建仿真实验电路，通过改变负载电阻值检验各种补偿网络的电路工作稳定性；基于ANSYS有限元仿真软件，对耦合器周围电磁场分布进行仿真分析；综合理论分析与仿真实验结果，得到一次侧串联-二次侧并联补偿网络结构的电路工作性能最优，进而搭建带有该补偿网络的实物电路。实物实验结果表明：应用补偿网络后电路的输出功率与传输效率有明显提高。

无线能量传输技术 感应耦合 补偿网络 双口网络

0 引言

随着无人水下航行器的广泛应用，能源成为限制其续航能力及可持续作业能力的主要因素[1]。传统的充电方式既繁琐又耗时，而且影响电池舱的密闭性。因此，将无线能量传输技术引入到航行器水下充电过程中具有重要意义[2]。当航行器需要充电时，只需将其停靠在水下充电平台，即可实现无线能量与数据传输。

无线能量传输技术是近年来迅速发展的一个新兴领域[3-5]。无线能量传输技术研究的关键突破点在于如何提高系统的输出功率与传输效率[6，7]。由于电路中耦合器一、二次侧存在较大气隙，造成漏感较大、耦合系数较低，从而降低了系统的传输能力[8，9]。因此在系统中增加有效的补偿网络来提高系统传输能力是必要的手段[10，11]。

目前，多采用交流阻抗分析方法对一次侧和二次侧补偿网络进行分析[12-14]。文献[15]给出了不同补偿网络形式下，电路各参数对电压电流增益的影响。文献[16]分析出各种补偿网络的参数计算方法，给出效率及功率随谐振频率及耦合系数的影响。但是，这些方法并未给出一个适用于各种补偿网络的统一数学模型。

本文提出用双口网络方法对系统进行分析，给出适用于各种补偿网络形式的输出功率和传输效率的数学模型。通过输出功率与传输效率曲线可比较出各种补偿网络形式下电路工作性能的优劣。在Simulink仿真环境中对各种补偿电路进行仿真实验研究，在负载阻抗发生变化的情况下，得到各种补偿网络形式的输出稳定性。通过理论分析与仿真实验，选出工作性能最优的补偿电路搭建实验电路，验证加入补偿网络后系统的工作性能。

1 无人水下航行器无线能量传输系统

无人水下航行器依靠电力作为主要能源来进行推进和游动，实现通信、照明、操作和导航等工作。目前多采用蓄电池类化学式能源或热能和核能类物理式能源，但无论用哪种能源都有一定的寿命和连续工作的时间，因此都有更换能源和补充能源的问题。以蓄电池为例，其再充电和周转时间往往超过航行器自身工作时间，所以本文将无线能量传输技术引入到充电过程中，对航行器内部结构进行改进，使充电过程得到简化。

1.1 无线能量传输技术原理

无线能量传输技术是基于电磁感应及耦合原理实现能量的无线传输。图1为无线能量传输系统的原理框图。

图1 无线能量传输系统原理框图

典型的无线能量传输系统包括能量发射端、耦合器和能量接收端3部分。发射端电路将220 V工频交流电整流滤波成直流电，再通过高频逆变电路将直流电逆变成高频交流电用以激励耦合器的一次侧，能量通过电磁感应原理发射到耦合器二次侧。接收端电路将耦合器二次侧接收到的交流电通过整流滤波成直流，再通过DC-DC变换器将直流电调整为负载所需电压，为其供电。

1.2 无人水下航行器无线能量传输系统结构设计

根据无线能量传输技术的工作原理，设计无人水下航行器的无线能量传输系统内部结构如图2所示。为了实现能量的无线传输，无人水下航行器中增加了3个连接接口：接口1为充电控制接口，接口2为通信接口，接口3为电池充电接口。无人水下航行器正常工作时，电池通过接口3将能量传输给总线，为控制器及负载提供能量。当航行器需要充电时，只需将其停靠在水下充电平台便可通过耦合器实现能量的无线传输。耦合器将接收的能量整流滤波成直流电，经过DC-DC变换器将能量提供给总线，由总线为电池进行充电。充电过程中，通过电流传感器检测电池充电电流，微处理器通过通信接口2利用RS485协议与电池进行通信，检测电池充电电压，并将电压电流值反馈给主控制器，通过调节DC-DC变换器的占空比实现充电过程的控制。

图2 无人水下航行器无线能量传输系统设计框图

1.3 面向水下应用的耦合器结构设计

感应耦合器中的能量损耗是影响系统传输效率的关键，通常耦合器的损耗主要由磁心损耗Pcore与线圈损耗Pwind组成。磁心损耗Pcore主要包括磁滞损耗、涡流损耗和磁饱和损耗，为了减少损耗，应选择具有高磁导率、高电阻率、高饱和磁感应强度和低磁滞损耗的材料。线圈损耗Pwind主要包括线圈电阻造成的导通损耗和高频下趋肤效应及邻近效应造成的损耗。以铜线为线圈材料，趋肤深度Δ可表示为

(1)

式中：σ为铜的电导率，σ=5.8×107S/m；ω为电路工作角频率；μ为铜的磁导率，铜的相对磁导率μr=1，因此根据公式μ=μrμo(μo为真空磁导率)，可求出μ=μ0=4π×10-7H/m。通过式(1)可求出不同频率下导线的趋肤深度。当导线直径d>2Δ时，导体中心距离表面超过趋肤深度的部分电流密度很弱，因此在设计时单根导线的直径不能超过趋肤深度的2倍。

当耦合器应用到水下环境时，由于海水具有较高的传导率，在耦合器中将产生额外的涡流损耗Peddy。

(2)

式中：D为耦合器磁心直径；JP为极化度；ρ为电阻率，是随频率变化的函数。当频率f增加时，ρ随之极具减小，从式(2)可看出涡流损耗将增大。为了减小涡流损耗，设计时应适当选择工作频率。

综合考虑损耗分析，本文最终选择具有高磁导率、高电阻率以及低损耗的PM74型铁氧体磁心作为耦合器磁心。考虑到水下应用的特殊性，系统选择工作频率为100kHz，根据式(1)可计算出此时趋肤效应的趋肤深度为0.21mm，因此设计时单根导线的直径不应超过0.42mm。本文选择标称直径d=0.1mm×150的漆包线，在100kHz的工作频率下可有效防止趋肤效应和邻近效应。

2 补偿网络分析

2.1 补偿网络形式

由于松耦合变压器传输效率非常低，通常在一、二次侧电路中加入补偿电容与线圈电感形成谐振回路补偿电路中损耗的无功功率。根据补偿电容加在电路中的位置，补偿网络可分为单边补偿和双边补偿。单边补偿只能单独提高一次侧电路或二次侧电路的工作质量，为了进一步提高电路的输出功率与传输效率，需要同时对一、二次侧电路进行双边补偿。双边补偿结构如图3所示，主要分为以下4种形式：一次侧串联-二次侧串联补偿(PSSS)、一次侧串联-二次侧并联补偿(PSSP)、一次侧并联-二次侧串联补偿(PPSS)、一次侧并联-二次侧并联补偿(PPSP)。

图3 双边补偿方式

2.2 松耦合变压器的双口网络模型建立

图4为典型的双口网络模型，图中共有4个端口变量：入口电压U1与电流I1及出口电压U2与电流I2。

图4 典型双口网络示意图

用出口电压和电流表示入口电压和电流的双口网络方程为系统的传输参数方程，形式为

(3)

式中T为双口网络的传输参数矩阵。

图5为用双口网络表示的松耦合变压器的等效模型。

图5 松耦合变压器的双口网络模型

图5中，L1和R1分别为一次侧绕组电感和内阻，L2和R2分别为二次侧绕组电感和内阻。根据模型可推导出输入端与输出端之间阻抗参数方程

(4)

式中：Z为阻抗参数矩阵；z11=R1+jωL1，z12=z21=jωM，z22=R2+jωL2。

将阻抗参数矩阵转Z转换成传输参数矩阵T

(5)

式中：z12=z21， Δz=z11z22-z12z21。

(6)

式中

若负载用R0表示，则

(7)

负载端的输出功率为

(8)

输入阻抗可表示为

(9)

电源端输入功率为

(10)

这样可推导出传输效率为

(11)

2.3 补偿后的双口网络模型

电路中加入补偿网络后，双边补偿的4种补偿电路传输参数方程如下。

PSSS补偿

(12)

PSSP补偿

(13)

PPSS补偿

(14)

PPSP补偿

(15)

2.4 系统输出功率与效率分析

引入双口网络后，可更直观的反映出输出与输入变量之间的关系。将补偿后的传输参数矩阵T′带入到双口网络模型中，可得到补偿后系统的输出功率与传输效率。由于双边补偿效果优于单边补偿，电路可实现更好的工作性能，因此本文仅对双边补偿进行输出功率与传输效率的计算与分析。图6为计算出的4种双边补偿方式下系统的输出功率与传输效率随频率变化的曲线图。

从图6中可看出PSSS与PSSP两种补偿情况下最大输出功率基本相同，且远大于PPSS与PPSP两种补

表1 双边补偿情况下传输参数矩阵T′

图6 双边补偿情况下输出功率与效率曲线

偿方式。PSSP补偿的传输效率曲线优于PSSS补偿。综合考虑输出功率与传输效率曲线，PSSP补偿电路表现出的系统传输性能最好。

3 实验结果与分析

3.1 电路仿真实验与分析

为了更好的验证4种双边补偿电路的工作性能，在Simulink仿真环境下搭建了4种电压型双边补偿电

路，通过改变负载电阻大小，对电路的输出稳定性进行仿真。表2为仿真参数的取值。

表2 仿真实验参数

图7为未加补偿电路时输出电压与电流的波形图。电路在运行到0.1 s时给负载并联一个相同阻值的电阻，可看出输出电压与电流均受到明显影响。

图7 未加补偿时输出电压与电流波形

图8为一次侧串联补偿时，二次侧串联和并联两种情况下输出电压与电流的波形图。由图8a可看出PSSS补偿时，在0.1 s时负载阻值改变，输出电压出现很小的波动，且很快恢复到稳定状态，电压值保持不变，此时二次侧端口处近似于一个电压源，不受负载变化的影响，因此可适用于输出要求恒压的情况。由图8b可看出PSSP补偿时，输出电流在0.1 s时出现一个小尖峰，之后很快恢复到稳定状态，电流保持不变，此时二次侧端口可近似成一个电流源，输出电流不受负载变化的影响，因此可适用于输出要求恒流的情况。

图8 一次侧串联情况下输出电压/电流波形

图9为一次侧并联补偿时，二次侧串联(图9a)和并联(图9b)两种情况下输出电压与电流的波形图。可看出两种补偿方式下输出电压与电流在负载发生变化时都会改变。通过仿真分析，可看出一次侧为串联补偿情况下系统输出稳定性优于并联补偿情况。

图9 一次侧并联情况下输出电压/电流波形

3.2 耦合器磁场仿真实验与分析

图10为运用有限元仿真软件对耦合器在淡水环境中进行的电磁场仿真。仿真中将PM74型磁心简化成二维轴对称模型进行分析。根据给定的尺寸和材料建立耦合器模型，通过划分网格、耦合自由度、搭建电路、施加边界条件与载荷以及求解与后处理等一系列过程，最终得到耦合器电磁场分布的情况。

图10 耦合器磁力线分布图

图10中顶部为耦合器一次侧，底部为耦合器二次侧，一、二次侧之间间距为10 mm情况的仿真结果。可看出磁力线大部分穿过耦合器中磁路实现了能量的传输，部分磁力线分布在周围介质中造成能量的损耗，使得耦合器的耦合系数降低。为此在今后设计及实验中应考虑加入磁屏蔽外壳，以减少能量在介质中的损耗，提高耦合器传输效率。

3.3 实物实验与分析

综合理论分析与仿真实验的结果，本文选用PSSP补偿结构搭建实物实验电路。图11为PSSP补偿结构的无线能量传输系统实验装置图。系统性能指标为：电源输入220 V交流电，负载接入32 Ω电阻，在气隙间距为8 mm条件下，一次侧的输入功率为117.7 W，二次侧的接收功率为79.88 W，系统传输效率达67.87%。图中发射端电路由整流滤波电路和高频逆变电路组成，产生高频交变电流激励耦合装置实现能量的传输。电磁耦合装置采用PM74型磁心及0.1 mm×150股的漆包线绕制而成，具有较高的功率因数。接收端电路采用整流滤波电路，将接收到的交变电流通过整流滤波，为负载提供稳定的直流电。

图11 无线能量传输系统实验装置图

图12为运用移相控制的逆变电路开关管驱动信号波形。设置驱动信号时，开关管1和2的驱动信号分别超前开关管4和3的相位角φ。为了实现更高的输出功率，尽量增加开关管1和4、2和3同时导通的时间。

图12 移相控制各开关管驱动信号波形

图13为补偿后系统输出功率与传输效率曲线图。经测量，未补偿情况下系统最大传输效率非常低，仅达到9%，而补偿后最大传输效率可达65%以上，补偿效果非常明显。从图中可看出，随着传输距离的增加，输出功率与传输效率都有明显下降。

图13 补偿后系统输出功率/传输效率曲线图

由于该系统只是设计的雏形，设计中仍存在一些不足。为了今后面向水下的应用，耦合器的设计需考虑密封及耐压等问题，系统的设计需进一步提高输出功率、传输效率及输出稳定性。

4 结论

本文以无人水下航行器为研究背景，设计了无人水下航行器无线能量传输系统的内部结构图，并根据能量损耗设计了适用于水下能量传输的耦合器。由于系统中耦合器属于松耦合系统，系统传输效率低，需要加入补偿网络对损耗的无功功率进行补偿。提出了利用双口网络方法对不同补偿电路进行统一分析。通过计算系统输出功率与传输效率，得到4种双边补偿电路的系统工作性能。应用Simulink软件进行仿真实验，得到了4种补偿电路在负载发生变化时的输出稳定性特征。通过ANSYS有限元仿真软件，对耦合器的磁场分布进行了分析。综合理论分析与仿真实验结果，选择性能表现最佳的一次侧串联-二次侧并联的补偿网络搭建实验电路。最后通过实物实验，验证了系统增加补偿网络后输出功率与传输效率均得到明显提高。

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This work is financially supported by National Natural Science Foundation of China (51477117、51307120 and 51237005)、Youth project of Tianjin fundamental application and advanced technology research plan(15JCQNJC01900)

Received May 30，2015；revised August 2，2015

Study on Compensation Network for Wireless Power Transmission System of Unmanned Underwater Vehicle

WangHongjian1YuLe1ChenJiang1ZhangXiaotao1

(College of Automation Harbin Engineering University Harbin 150001 China)

This paper presents a compensation network research method based on the double port network analysis.Firstly，we focus on the problems of low transmission efficiency and significant losses in the wireless power transmission system caused by big air gap between couplers.Then we present the uniform mathematical model which is applicable to different types of compensating network analyses，and suggest a method to calculate the output power and the transmission efficiency based on model parameters to measure the working performance of different compensation networks.Based on Simulink platform，the simulation circuit is built.By changing the load resistance，the working stability of the circuit with various compensating network is tested.Through ANSYS finite element simulation software，the distribution of the electromagnetic field around the coupler has been obtained.By integrating the theoretical analysis and the simulation results，the primary-series-secondary-parallel circuit is found to maintain the optimal performance.The experiment results show that the output power and the transmission efficiency of the compensation network circuit are improved notably.

Wireless power transmission technology，inductive coupling，compensation network，two-port network

国家自然科学基金(E091002/50979017、E091002/51309067)、教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20092304110008)、中央高校基本科研业务费专项资金(HEUCFZ1026)、教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-10-0053)、哈尔滨市科技创新人才(优秀学科带头人)研究专项资金(2012RFXXG083)资助项目。

2015-05-29 改稿日期2015-08-02

TM133