基于電磁耦合的水下無線能量傳輸系統(tǒng)

劉敬彪,陳貽想,于海濱

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，杭州 下沙 310018）

基于電磁耦合的水下無線能量傳輸系統(tǒng)

劉敬彪,陳貽想,于海濱

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，杭州 下沙 310018）

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于電磁耦合的水下無線能量傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用全橋整流電路實(shí)現(xiàn)高頻逆變，優(yōu)化驅(qū)動電路，采用STM32F103VBT6處理器實(shí)現(xiàn)全橋PWM控制與電流監(jiān)測，結(jié)合理論計(jì)算與有限元分析方法獲取最優(yōu)參數(shù)耦合器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能的無線耦合傳輸。水下試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有效的水下無線能量傳輸。

水下；能量傳輸；電磁耦合

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國對海洋的科考有了長足的發(fā)展。本文結(jié)合“深海抓斗”、“深海淺鉆”等海洋科考設(shè)備對其供電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。目前多數(shù)水下設(shè)備都使用電池供電,也有部分進(jìn)行電纜傳輸。本文通過對電源系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以無電纜連接實(shí)現(xiàn)能量傳輸，減少對儀器設(shè)備的束縛，配合水下非接觸式耦合信息傳輸，實(shí)現(xiàn)“無線”水下設(shè)備,為海洋科考實(shí)驗(yàn)提供更加優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。同時,無接觸的能量傳輸可以有效地避免因?yàn)殡娫床蹇谕饴?、電纜拖曳斷裂帶來的安全隱患，提高系統(tǒng)的安全性。

常見的無線能量傳輸方式有三種：電磁感應(yīng)、電磁輻射、電磁諧振。而耦合器主要有兩種形式：導(dǎo)軌形式、柱體形式。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)闡述利用電磁耦合方式的設(shè)計(jì)方法，并提出優(yōu)化策略實(shí)現(xiàn)水下的設(shè)備供電。

1 水下無線能量傳輸原理

根據(jù)麥克斯韋方程,變化的電場可以產(chǎn)生磁場，而變化的磁場又可以產(chǎn)生電場。本設(shè)計(jì)基于此基本原理，利用電磁耦合器件，實(shí)現(xiàn)電—磁—電的轉(zhuǎn)換，其中的磁是在水中傳播。同時針對水中電導(dǎo)率較大的情況進(jìn)行模型優(yōu)化。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

水下無線能量傳輸系統(tǒng)可分為三大部分：高頻逆變和后端的整流電路、控制電路及耦合器。高頻逆變和后端的整流電路可對控制信號進(jìn)行驅(qū)動放大用以控制逆變電源；控制電路可產(chǎn)生PWM控制信號，同時根據(jù)電路的狀況進(jìn)行過壓保護(hù)處理；耦合器是實(shí)現(xiàn)能量水下隔離傳輸?shù)闹攸c(diǎn)，其設(shè)計(jì)的好壞對傳輸效率有很大的影響。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 高頻逆變電路

本設(shè)計(jì)采用的是全橋整流電路實(shí)現(xiàn)高頻逆變，全橋逆變效率雖然不高，但實(shí)現(xiàn)的逆變功率較大。為此，選用了MOSFET功率器件,能夠在MOS管發(fā)熱損耗較少的情況下，實(shí)現(xiàn)大功率的能量傳輸。MOS管的開關(guān)驅(qū)動電路由IR公司的驅(qū)動芯片與門級關(guān)斷鉗位電路組成。IR2110是 IR公司推出的帶自舉的低成本驅(qū)動芯片，廣泛應(yīng)用在各種MOS管與IGBT驅(qū)動電路中，上臂自舉能減少所需的驅(qū)動電源數(shù)目。門級關(guān)斷鉗位電路是用兩級MOS管組成反相器。驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)是選擇自舉電容C1與上拉電阻R23。在Q13關(guān)斷時C1能被快速充電，開通 Q14，把 Q13的柵源極電壓控制在門級閾值電壓以下，所以C1與R23構(gòu)成的充電電路時間常數(shù)要小，以便實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷，減少開關(guān)損耗。在 Q13、Q15開通時，Q14始終保持在閾值電壓以下，電容C1通過R23對橋的左邊放電，但 Q13、Q15的電平仍然要保持在高電平，所以R23的阻值要大，C1值要小，以減小由D13、R23、Q15構(gòu)成的電路電流和減少自舉電源的功耗。在實(shí)際電路中采取犧牲輔助電源的部分功耗，R23選取500 Ω，便能取得一個較好的效果。全橋MOS管驅(qū)動電路如圖2所示。

通過示波器觀察可以看到驅(qū)動電平已沒有常見的下橋干擾毛刺（下臂的驅(qū)動電路同理）。在Q14柵極上的R21、R22、R24、D11構(gòu)成電路對驅(qū)動電壓進(jìn)行防震蕩處理，D11加快電平下拉。D12、R24在門級鉗位電路中，當(dāng)Q13柵極上有毛刺且超過15 V齊納而被擊穿時，起到保護(hù)Q14的效果。同時開關(guān)的13 V電平跳變更加快速，Q值更高，可減少開關(guān)損耗。

2.2 控制電路

本設(shè)計(jì)采用STM32F103VBT6為主控芯片。該芯片是ST公司推出的一款基于Cortex-M3內(nèi)核的高性價比ARM處理器，最高主頻可達(dá) 72 MHz[1];其自帶 3通道的互補(bǔ)6路輸出定時器,選用其中2通道與DMA功能一起使用，能有效地實(shí)現(xiàn)輸出全橋 PWM控制[2]，同時其自帶的多通道12位AD可以滿足系統(tǒng)的各種參量的測量需要。

實(shí)現(xiàn)過流過壓保護(hù)，可在左右臂的下臂接地處串接0.1 Ω的康銅電阻，再用LTV274運(yùn)放放大其兩端的電壓后，接到STM32的自帶12位AD腳進(jìn)行電流監(jiān)測。同理對輸入的直流電壓用電阻分壓后接到AD腳。當(dāng)檢測到超過預(yù)設(shè)值（電壓 500 V，電流 3 A），將關(guān)斷信號發(fā)送給兩片 IR2110的 DS端，關(guān)斷 MOS管，并關(guān)閉輸入電源，直到電壓恢復(fù)到較低的水平（對應(yīng)的電壓＜10 V,電流＜0.1 A）后重新開啟系統(tǒng)。

2.3 耦合器

耦合器的材料選取常用的變壓器材料有硅鋼、鎳鐵合金、鈷鐵合金、非晶體金屬合金及鐵氧體。考慮到頻率比較高，而且是大功率傳輸，選取鐵氧體磁芯為設(shè)計(jì)材料。根據(jù)耦合器能量傳播的特點(diǎn)，要保證磁路是開放對稱的，以有利于能量的傳輸，選取實(shí)驗(yàn)磁芯的外形有PC型、RM型、GU型，同時要考慮磁芯所能承受的最大功率，本文的功率為視在功率，是輸入輸出功率的和，而體積過小的磁芯進(jìn)行大功率傳輸將面臨磁芯溫升等問題。

線圈的匝數(shù)為：

其中：Np為初級線圈的匝數(shù) （匝），Vp是初級線圈所加的電壓（V），Kf為波形系數(shù)（方波為 4.0），Bac為磁芯磁通密度（T），f為工作頻率（Hz）,Ac為有效磁芯截面（m2）。電流密度選取：

其中:Pt為視在功率（W）,Ku為窗口利用系數(shù)，Ap為磁芯面積。

選用銅線為線材，考慮趨膚深度：

其中:μ為導(dǎo)線材料的磁導(dǎo)率,對于銅線μ＝4π×10-7H/m，γ=1/ρ，20℃時純銅的 ρ= 1.75×10-8Ω·m，k=（1+ （T-20）/234.5）為導(dǎo)電材料溫度系數(shù)。工作頻率為100 kHz，趨膚深度為0.209 mm,取線徑為兩倍趨膚深度，實(shí)際選取線內(nèi)徑Ф為0.402 mm 。

一匝線所含的股數(shù)：

其中：D為電壓導(dǎo)通的占空比,實(shí)現(xiàn)計(jì)算時最大值可取0.5。代入相關(guān)參數(shù)可知至少需要4股線。

根據(jù)計(jì)算所得的模型參數(shù),進(jìn)行有限元建模分析。有限元分析是一種目前在工程上較為實(shí)用的分析方法，其基本的思路就是將原本復(fù)雜的整個模型分解成較為簡單的小區(qū)域，再加上一定的邊界條件限制，即可以求出一些小區(qū)域的解,同時解可與邊上的小區(qū)域共享，最終求得整個模型的近似解。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3所示為GU型磁芯，以及繞線、1/2水下截面的有限元進(jìn)行區(qū)域劃分后的狀況。其磁導(dǎo)率采用的參考文獻(xiàn)[4-5]的模型，取有球型進(jìn)行仿真。假設(shè)下端的磁芯為發(fā)射端,上端為接收端。仿真結(jié)果顯示了下端磁芯線圈在200 V、100 kHz電源作用下水中的磁場分布狀態(tài)。在大氣隙情況下,有比例大的磁力線未經(jīng)過次級線圈，所以效率必然較低。至此改變頻率、電壓、氣隙等參數(shù)，重新仿真直到最優(yōu)結(jié)果。

圖4所示為輸入電壓對輸出效率和功率的影響，采用的是GU50磁芯，在水中輸入100 V、100 kHz電壓，氣隙為5 mm。

圖5所示為在相同條件下，耦合磁性的電感進(jìn)行改變后的耦合輸出效率。

圖6所示為系統(tǒng)實(shí)物圖，圖中上方是驅(qū)動電路部分。電路工作時，直流電源由PIN進(jìn)入，經(jīng)過高頻逆變后，輸入至POUT到磁芯。采用PC74磁芯在約2 cm的氣隙下點(diǎn)亮60 W燈泡。

本文論述了基于電磁耦合的水下無線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。針對驅(qū)動電路部分詳細(xì)論述了一種實(shí)現(xiàn)較高功率的中高頻逆變電路。同時提供了有效的耦合器設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)經(jīng)過水下驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了最大電壓300 V、最大輸出電流2 A，在5 mm氣隙下實(shí)現(xiàn)最大輸出功率為350 W。

[1]王永虹.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[2]范玲莉,鄧焰.基于LM25037的車載便攜式SPWM逆變器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2009,35（7）:11-13.

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Underwater wireless energy transmission system based on electromagnetic coupling

LIU Jing Biao,CHEN Yi Xiang,YU Hai Bin
（Electronic Information College,Hangzhou Dianzi University,Xiasha 310018,China）

This paper designed and implemented underwater wireless energy transmission system based on electromagnetic coupling. The system used full-bridge rectifier circuit to achieve high-frequency inverter and optimize the drive circuit,used STM32F103VBT6 processors for full-bridge PWM control and current monitoring,combined with theoretical calculation and finite element analysis method to obtain the optimal parameters coupler,so as to realize the wireless power coupled transport.Underwater test proved that the system can achieve effective underwater wireless power transmission.

underwater;energy transfer;electromagnetic coupling

TP202

A

0258-7998（2010）09-0090-03

2010-03-05）

劉敬彪，男，1964年生,副教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動化、智能儀器儀表、遙測遙控、海洋電子設(shè)備等。

陳貽想，男，1985年生，在讀研究生，主要研究方向：海洋電子應(yīng)用技術(shù)。

于海濱，男，1979年生，博士，主要研究方向：圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺、模式識別、計(jì)算機(jī)并行處理以及電子系統(tǒng)集成技術(shù)。