[发明专利]基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统及其参数设计方法

说明书

本发明提供了一种基于水下旋转式电场耦合机构的EC‑WPT系统及其参数设计方法，该系统包括发射端和接收端，发射端包括直流电源E_dc、全桥逆变电路、原边LC谐振补偿电路和电场发射极板，接收端包括电场接收极板、副边LC谐振补偿电路和负载电阻R_L；电场发射极板和电场接收极板构成水下旋转式电场耦合机构。该参数设计方法基于该系统，综合考虑了耦合机构的参数、绝缘层的参数、系统工作频率、系统谐振关系等因素，得到的参数使得系统具有较高的传输效率。经过理论的分析和实验的验证，该系统在水下环境中耦合机构不偏移时传输效率保持在82.5％以上，偏移时在79％以上，具有良好的抗偏移性，并且在水下的抗偏移性优于空气环境。

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术，具体涉及一种基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统及其参数设计方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术将电力电子技术和现代控制理论与技术等相结合，通过磁场、电场、微波、激光等载体实现电能的无线传输，该技术已经成为了全球研究的热点，它可以解决传统导线直接电气接触带来的很多问题，具有广阔的应用前景。电场耦合无线电能传输(Electric-filed Coupled Wireless Power Transfer,EC-WPT)技术利用金属板间的高频交变电场，实现能量无线传输，其耦合机构具有成本低、重量轻、形状易变等特点，系统工作时在耦合机构周围及之间的金属导体上产生涡流损耗小，并且能够跨越金属传能。目前EC-WPT技术已经在消费电子、医疗用品以及电动汽车等领域得到了应用。

相对于空气中的EC-WPT技术的研究而言，水下电场耦合无线电能传输技术的研究才刚起步。EC-WPT技术在水下应用具有诸多优势，其利用高频电场传能，产生涡流损耗较小；耦合机构采用金属极板，结构简单，在水下应用时只需在表面涂上一层绝缘层即可；金属极板比较坚固，能够适应深水中压强较大的场合。此外，极板间的耦合电容是EC-WPT系统传能的关键因素，而水中的相对介电常数为81，能够极大地提高极板间的耦合电容，有利于提升系统的传输功率和效率。同时在系统中，耦合电容的提高意味着可以用更小的电感进行补偿，进一步减小了系统的体积且可以降低成本，有利于提高系统的功率密度。

在现有的水下EC-WPT系统研究中，耦合机构大多采用平板式极板。比如采用四块40*80mm的金属极板两两正对，并且在极板表面没有加绝缘层，工作频率设置在射频范围内，可达100MHz以上，因此系统发射端需要射频电源提供能量，实验证明从发射端射频电源输入到接收端整流输出效率为45％。还比如将一对正对极板绝缘，另一对正对极板直接暴露在水中，在发射端和接收端分别串联一个补偿电感，传输性能取决于水中离子浓度，实验中传输距离为5mm时，实现了32mW的功率输出，效率为62.4％。上述两种方法将正对极板直接暴露在水中，可将正对极板中间的水介质等效为电阻，会使得系统的损耗增大。还比如采用四块长度为200mm的平板式金属极板，并且对四块极板都进行绝缘，实验证明在长距离传输时输出功率达到220W，效率为60.17％。

目前EC-WPT系统耦合机构主要采用四块正对的平行金属极板，不能用于水下旋转体无线供电，且传输效率有待提高。

发明内容

基于上述情况，本发明解决的技术问题在于：提供一种可用于水下旋转体无线供电的EC-WPT系统及其参数设计方法，并能达到较高的传输效率。

为了实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种基于水下旋转式电场耦合机构的EC-WPT系统，所述发射端包括顺序连接的直流电源E_dc、全桥逆变电路、原边LC谐振补偿电路和电场发射极板，所述接收端包括顺序连接的电场接收极板、副边LC谐振补偿电路和负载电阻R_L；所述电场发射极板和所述电场接收极板构成水下旋转式电场耦合机构；