無人水下航行器無線能量傳輸系統(tǒng)補償網絡研究

王宏健 于 樂 陳 江 張曉濤

(哈爾濱工程大學自動化學院 哈爾濱 150001)

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無人水下航行器無線能量傳輸系統(tǒng)補償網絡研究

王宏健1于 樂1陳 江1張曉濤1

(哈爾濱工程大學自動化學院 哈爾濱 150001)

針對無線能量傳輸系統(tǒng)中耦合器一、二次側分離所造成的系統(tǒng)傳輸效率低、損耗大等問題，提出一種基于雙口網絡分析的補償網絡研究方法。建立適用于不同補償網絡類型分析的統(tǒng)一數學模型，設計了一種基于模型參數計算系統(tǒng)輸出功率與傳輸效率的方法，用以衡量各種補償網絡結構的電路工作性能；基于Simulink平臺構建仿真實驗電路，通過改變負載電阻值檢驗各種補償網絡的電路工作穩(wěn)定性；基于ANSYS有限元仿真軟件，對耦合器周圍電磁場分布進行仿真分析；綜合理論分析與仿真實驗結果，得到一次側串聯(lián)-二次側并聯(lián)補償網絡結構的電路工作性能最優(yōu)，進而搭建帶有該補償網絡的實物電路。實物實驗結果表明：應用補償網絡后電路的輸出功率與傳輸效率有明顯提高。

無線能量傳輸技術 感應耦合 補償網絡 雙口網絡

0 引言

隨著無人水下航行器的廣泛應用，能源成為限制其續(xù)航能力及可持續(xù)作業(yè)能力的主要因素[1]。傳統(tǒng)的充電方式既繁瑣又耗時，而且影響電池艙的密閉性。因此，將無線能量傳輸技術引入到航行器水下充電過程中具有重要意義[2]。當航行器需要充電時，只需將其?？吭谒鲁潆娖脚_，即可實現(xiàn)無線能量與數據傳輸。

無線能量傳輸技術是近年來迅速發(fā)展的一個新興領域[3-5]。無線能量傳輸技術研究的關鍵突破點在于如何提高系統(tǒng)的輸出功率與傳輸效率[6，7]。由于電路中耦合器一、二次側存在較大氣隙，造成漏感較大、耦合系數較低，從而降低了系統(tǒng)的傳輸能力[8，9]。因此在系統(tǒng)中增加有效的補償網絡來提高系統(tǒng)傳輸能力是必要的手段[10，11]。

目前，多采用交流阻抗分析方法對一次側和二次側補償網絡進行分析[12-14]。文獻[15]給出了不同補償網絡形式下，電路各參數對電壓電流增益的影響。文獻[16]分析出各種補償網絡的參數計算方法，給出效率及功率隨諧振頻率及耦合系數的影響。但是，這些方法并未給出一個適用于各種補償網絡的統(tǒng)一數學模型。

本文提出用雙口網絡方法對系統(tǒng)進行分析，給出適用于各種補償網絡形式的輸出功率和傳輸效率的數學模型。通過輸出功率與傳輸效率曲線可比較出各種補償網絡形式下電路工作性能的優(yōu)劣。在Simulink仿真環(huán)境中對各種補償電路進行仿真實驗研究，在負載阻抗發(fā)生變化的情況下，得到各種補償網絡形式的輸出穩(wěn)定性。通過理論分析與仿真實驗，選出工作性能最優(yōu)的補償電路搭建實驗電路，驗證加入補償網絡后系統(tǒng)的工作性能。

1 無人水下航行器無線能量傳輸系統(tǒng)

無人水下航行器依靠電力作為主要能源來進行推進和游動，實現(xiàn)通信、照明、操作和導航等工作。目前多采用蓄電池類化學式能源或熱能和核能類物理式能源，但無論用哪種能源都有一定的壽命和連續(xù)工作的時間，因此都有更換能源和補充能源的問題。以蓄電池為例，其再充電和周轉時間往往超過航行器自身工作時間，所以本文將無線能量傳輸技術引入到充電過程中，對航行器內部結構進行改進，使充電過程得到簡化。

1.1 無線能量傳輸技術原理

無線能量傳輸技術是基于電磁感應及耦合原理實現(xiàn)能量的無線傳輸。圖1為無線能量傳輸系統(tǒng)的原理框圖。

圖1 無線能量傳輸系統(tǒng)原理框圖

典型的無線能量傳輸系統(tǒng)包括能量發(fā)射端、耦合器和能量接收端3部分。發(fā)射端電路將220 V工頻交流電整流濾波成直流電，再通過高頻逆變電路將直流電逆變成高頻交流電用以激勵耦合器的一次側，能量通過電磁感應原理發(fā)射到耦合器二次側。接收端電路將耦合器二次側接收到的交流電通過整流濾波成直流，再通過DC-DC變換器將直流電調整為負載所需電壓，為其供電。

1.2 無人水下航行器無線能量傳輸系統(tǒng)結構設計

根據無線能量傳輸技術的工作原理，設計無人水下航行器的無線能量傳輸系統(tǒng)內部結構如圖2所示。為了實現(xiàn)能量的無線傳輸，無人水下航行器中增加了3個連接接口：接口1為充電控制接口，接口2為通信接口，接口3為電池充電接口。無人水下航行器正常工作時，電池通過接口3將能量傳輸給總線，為控制器及負載提供能量。當航行器需要充電時，只需將其?？吭谒鲁潆娖脚_便可通過耦合器實現(xiàn)能量的無線傳輸。耦合器將接收的能量整流濾波成直流電，經過DC-DC變換器將能量提供給總線，由總線為電池進行充電。充電過程中，通過電流傳感器檢測電池充電電流，微處理器通過通信接口2利用RS485協(xié)議與電池進行通信，檢測電池充電電壓，并將電壓電流值反饋給主控制器，通過調節(jié)DC-DC變換器的占空比實現(xiàn)充電過程的控制。

圖2 無人水下航行器無線能量傳輸系統(tǒng)設計框圖

1.3 面向水下應用的耦合器結構設計

感應耦合器中的能量損耗是影響系統(tǒng)傳輸效率的關鍵，通常耦合器的損耗主要由磁心損耗Pcore與線圈損耗Pwind組成。磁心損耗Pcore主要包括磁滯損耗、渦流損耗和磁飽和損耗，為了減少損耗，應選擇具有高磁導率、高電阻率、高飽和磁感應強度和低磁滯損耗的材料。線圈損耗Pwind主要包括線圈電阻造成的導通損耗和高頻下趨膚效應及鄰近效應造成的損耗。以銅線為線圈材料，趨膚深度Δ可表示為

(1)

式中：σ為銅的電導率，σ=5.8×107S/m；ω為電路工作角頻率；μ為銅的磁導率，銅的相對磁導率μr=1，因此根據公式μ=μrμo(μo為真空磁導率)，可求出μ=μ0=4π×10-7H/m。通過式(1)可求出不同頻率下導線的趨膚深度。當導線直徑d>2Δ時，導體中心距離表面超過趨膚深度的部分電流密度很弱，因此在設計時單根導線的直徑不能超過趨膚深度的2倍。

當耦合器應用到水下環(huán)境時，由于海水具有較高的傳導率，在耦合器中將產生額外的渦流損耗Peddy。

(2)

式中：D為耦合器磁心直徑；JP為極化度；ρ為電阻率，是隨頻率變化的函數。當頻率f增加時，ρ隨之極具減小，從式(2)可看出渦流損耗將增大。為了減小渦流損耗，設計時應適當選擇工作頻率。

綜合考慮損耗分析，本文最終選擇具有高磁導率、高電阻率以及低損耗的PM74型鐵氧體磁心作為耦合器磁心。考慮到水下應用的特殊性，系統(tǒng)選擇工作頻率為100kHz，根據式(1)可計算出此時趨膚效應的趨膚深度為0.21mm，因此設計時單根導線的直徑不應超過0.42mm。本文選擇標稱直徑d=0.1mm×150的漆包線，在100kHz的工作頻率下可有效防止趨膚效應和鄰近效應。

2 補償網絡分析

2.1 補償網絡形式

由于松耦合變壓器傳輸效率非常低，通常在一、二次側電路中加入補償電容與線圈電感形成諧振回路補償電路中損耗的無功功率。根據補償電容加在電路中的位置，補償網絡可分為單邊補償和雙邊補償。單邊補償只能單獨提高一次側電路或二次側電路的工作質量，為了進一步提高電路的輸出功率與傳輸效率，需要同時對一、二次側電路進行雙邊補償。雙邊補償結構如圖3所示，主要分為以下4種形式：一次側串聯(lián)-二次側串聯(lián)補償(PSSS)、一次側串聯(lián)-二次側并聯(lián)補償(PSSP)、一次側并聯(lián)-二次側串聯(lián)補償(PPSS)、一次側并聯(lián)-二次側并聯(lián)補償(PPSP)。

圖3 雙邊補償方式

2.2 松耦合變壓器的雙口網絡模型建立

圖4為典型的雙口網絡模型，圖中共有4個端口變量：入口電壓U1與電流I1及出口電壓U2與電流I2。

圖4 典型雙口網絡示意圖

用出口電壓和電流表示入口電壓和電流的雙口網絡方程為系統(tǒng)的傳輸參數方程，形式為

(3)

式中T為雙口網絡的傳輸參數矩陣。

圖5為用雙口網絡表示的松耦合變壓器的等效模型。

圖5 松耦合變壓器的雙口網絡模型

圖5中，L1和R1分別為一次側繞組電感和內阻，L2和R2分別為二次側繞組電感和內阻。根據模型可推導出輸入端與輸出端之間阻抗參數方程

(4)

式中：Z為阻抗參數矩陣；z11=R1+jωL1，z12=z21=jωM，z22=R2+jωL2。

將阻抗參數矩陣轉Z轉換成傳輸參數矩陣T

(5)

式中：z12=z21， Δz=z11z22-z12z21。

(6)

式中

若負載用R0表示，則

(7)

負載端的輸出功率為

(8)

輸入阻抗可表示為

(9)

電源端輸入功率為

(10)

這樣可推導出傳輸效率為

(11)

2.3 補償后的雙口網絡模型

電路中加入補償網絡后，雙邊補償的4種補償電路傳輸參數方程如下。

PSSS補償

(12)

PSSP補償

(13)

PPSS補償

(14)

PPSP補償

(15)

2.4 系統(tǒng)輸出功率與效率分析

引入雙口網絡后，可更直觀的反映出輸出與輸入變量之間的關系。將補償后的傳輸參數矩陣T′帶入到雙口網絡模型中，可得到補償后系統(tǒng)的輸出功率與傳輸效率。由于雙邊補償效果優(yōu)于單邊補償，電路可實現(xiàn)更好的工作性能，因此本文僅對雙邊補償進行輸出功率與傳輸效率的計算與分析。圖6為計算出的4種雙邊補償方式下系統(tǒng)的輸出功率與傳輸效率隨頻率變化的曲線圖。

從圖6中可看出PSSS與PSSP兩種補償情況下最大輸出功率基本相同，且遠大于PPSS與PPSP兩種補

表1 雙邊補償情況下傳輸參數矩陣T′

圖6 雙邊補償情況下輸出功率與效率曲線

償方式。PSSP補償的傳輸效率曲線優(yōu)于PSSS補償。綜合考慮輸出功率與傳輸效率曲線，PSSP補償電路表現(xiàn)出的系統(tǒng)傳輸性能最好。

3 實驗結果與分析

3.1 電路仿真實驗與分析

為了更好的驗證4種雙邊補償電路的工作性能，在Simulink仿真環(huán)境下搭建了4種電壓型雙邊補償電

路，通過改變負載電阻大小，對電路的輸出穩(wěn)定性進行仿真。表2為仿真參數的取值。

表2 仿真實驗參數

圖7為未加補償電路時輸出電壓與電流的波形圖。電路在運行到0.1 s時給負載并聯(lián)一個相同阻值的電阻，可看出輸出電壓與電流均受到明顯影響。

圖7 未加補償時輸出電壓與電流波形

圖8為一次側串聯(lián)補償時，二次側串聯(lián)和并聯(lián)兩種情況下輸出電壓與電流的波形圖。由圖8a可看出PSSS補償時，在0.1 s時負載阻值改變，輸出電壓出現(xiàn)很小的波動，且很快恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，電壓值保持不變，此時二次側端口處近似于一個電壓源，不受負載變化的影響，因此可適用于輸出要求恒壓的情況。由圖8b可看出PSSP補償時，輸出電流在0.1 s時出現(xiàn)一個小尖峰，之后很快恢復到穩(wěn)定狀態(tài)，電流保持不變，此時二次側端口可近似成一個電流源，輸出電流不受負載變化的影響，因此可適用于輸出要求恒流的情況。

圖8 一次側串聯(lián)情況下輸出電壓/電流波形

圖9為一次側并聯(lián)補償時，二次側串聯(lián)(圖9a)和并聯(lián)(圖9b)兩種情況下輸出電壓與電流的波形圖?？煽闯鰞煞N補償方式下輸出電壓與電流在負載發(fā)生變化時都會改變。通過仿真分析，可看出一次側為串聯(lián)補償情況下系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性優(yōu)于并聯(lián)補償情況。

圖9 一次側并聯(lián)情況下輸出電壓/電流波形

3.2 耦合器磁場仿真實驗與分析

圖10為運用有限元仿真軟件對耦合器在淡水環(huán)境中進行的電磁場仿真。仿真中將PM74型磁心簡化成二維軸對稱模型進行分析。根據給定的尺寸和材料建立耦合器模型，通過劃分網格、耦合自由度、搭建電路、施加邊界條件與載荷以及求解與后處理等一系列過程，最終得到耦合器電磁場分布的情況。

圖10 耦合器磁力線分布圖

圖10中頂部為耦合器一次側，底部為耦合器二次側，一、二次側之間間距為10 mm情況的仿真結果?？煽闯龃帕€大部分穿過耦合器中磁路實現(xiàn)了能量的傳輸，部分磁力線分布在周圍介質中造成能量的損耗，使得耦合器的耦合系數降低。為此在今后設計及實驗中應考慮加入磁屏蔽外殼，以減少能量在介質中的損耗，提高耦合器傳輸效率。

3.3 實物實驗與分析

綜合理論分析與仿真實驗的結果，本文選用PSSP補償結構搭建實物實驗電路。圖11為PSSP補償結構的無線能量傳輸系統(tǒng)實驗裝置圖。系統(tǒng)性能指標為：電源輸入220 V交流電，負載接入32 Ω電阻，在氣隙間距為8 mm條件下，一次側的輸入功率為117.7 W，二次側的接收功率為79.88 W，系統(tǒng)傳輸效率達67.87%。圖中發(fā)射端電路由整流濾波電路和高頻逆變電路組成，產生高頻交變電流激勵耦合裝置實現(xiàn)能量的傳輸。電磁耦合裝置采用PM74型磁心及0.1 mm×150股的漆包線繞制而成，具有較高的功率因數。接收端電路采用整流濾波電路，將接收到的交變電流通過整流濾波，為負載提供穩(wěn)定的直流電。

圖11 無線能量傳輸系統(tǒng)實驗裝置圖

圖12為運用移相控制的逆變電路開關管驅動信號波形。設置驅動信號時，開關管1和2的驅動信號分別超前開關管4和3的相位角φ。為了實現(xiàn)更高的輸出功率，盡量增加開關管1和4、2和3同時導通的時間。

圖12 移相控制各開關管驅動信號波形

圖13為補償后系統(tǒng)輸出功率與傳輸效率曲線圖。經測量，未補償情況下系統(tǒng)最大傳輸效率非常低，僅達到9%，而補償后最大傳輸效率可達65%以上，補償效果非常明顯。從圖中可看出，隨著傳輸距離的增加，輸出功率與傳輸效率都有明顯下降。

圖13 補償后系統(tǒng)輸出功率/傳輸效率曲線圖

由于該系統(tǒng)只是設計的雛形，設計中仍存在一些不足。為了今后面向水下的應用，耦合器的設計需考慮密封及耐壓等問題，系統(tǒng)的設計需進一步提高輸出功率、傳輸效率及輸出穩(wěn)定性。

4 結論

本文以無人水下航行器為研究背景，設計了無人水下航行器無線能量傳輸系統(tǒng)的內部結構圖，并根據能量損耗設計了適用于水下能量傳輸的耦合器。由于系統(tǒng)中耦合器屬于松耦合系統(tǒng)，系統(tǒng)傳輸效率低，需要加入補償網絡對損耗的無功功率進行補償。提出了利用雙口網絡方法對不同補償電路進行統(tǒng)一分析。通過計算系統(tǒng)輸出功率與傳輸效率，得到4種雙邊補償電路的系統(tǒng)工作性能。應用Simulink軟件進行仿真實驗，得到了4種補償電路在負載發(fā)生變化時的輸出穩(wěn)定性特征。通過ANSYS有限元仿真軟件，對耦合器的磁場分布進行了分析。綜合理論分析與仿真實驗結果，選擇性能表現(xiàn)最佳的一次側串聯(lián)-二次側并聯(lián)的補償網絡搭建實驗電路。最后通過實物實驗，驗證了系統(tǒng)增加補償網絡后輸出功率與傳輸效率均得到明顯提高。

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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

國家自然科學基金(E091002/50979017、E091002/51309067)、教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20092304110008)、中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(HEUCFZ1026)、教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-10-0053)、哈爾濱市科技創(chuàng)新人才(優(yōu)秀學科帶頭人)研究專項資金(2012RFXXG083)資助項目。

2015-05-29 改稿日期2015-08-02

TM133