本發(fā)明屬于水下充電，具體涉及水下裝備無線充電耦合器、充電系統(tǒng)及最大效率控制方法。

背景技術(shù)：

1、自主式水下航行器作為一種重要的海上力量，是進(jìn)行海洋地質(zhì)地貌勘探、海洋環(huán)境觀測(cè)、海洋資源勘探等工作的重要工具；但受自主式水下航行器自身體積和負(fù)載能力限制，所搭載的電池容量有限，續(xù)航問題一直限制了自主式水下航行器的進(jìn)一步發(fā)展。無線充電技術(shù)由于其方便且具備一定的傳輸效率的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水下塢站的充電系統(tǒng)中。

2、由于水流的影響，水下航行器與水下充電裝置對(duì)接并不能完全按照設(shè)計(jì)的理想情況實(shí)現(xiàn)；因此，磁耦合器并不能完全對(duì)準(zhǔn)，由于磁耦合器產(chǎn)生的感應(yīng)鏈路影響著無線充電的充電功率和充電效率，那么如何在水下航行器對(duì)接不十分精確的情況下設(shè)計(jì)磁耦合器以保證無線充電的功率和效率是需要解決的問題。

3、中國(guó)專利申請(qǐng)cn117275913a、中國(guó)專利cn109192473b和cn210608704u中提供的磁耦合器，在一些方面雖然降低了磁耦合器對(duì)接不準(zhǔn)對(duì)無線充電系統(tǒng)的影響。然而，前者需要在航行器端增加較重的耦合器結(jié)構(gòu)，降低了航行器的帶載能力；后兩者在航行器端的磁耦合器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且只能降低航行器橫滾對(duì)磁耦合器對(duì)不準(zhǔn)的影響。

4、鑒于此，本發(fā)明研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為有必要對(duì)耦合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步地優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有水下航行器無線充電系統(tǒng)需在航行器端搭載較重或較復(fù)雜的耦合器，影響水下航行器帶載能力，以及在水下航行器對(duì)接不十分精準(zhǔn)的情況下存在影響無線充電功率和效率的問題，為此提供水下裝備無線充電耦合器、充電系統(tǒng)及最大效率控制方法，旨在不增加水下航行器端磁耦合器復(fù)雜程度的同時(shí)，能在橫滾和軸向躥動(dòng)方向上降低對(duì)水下航行器對(duì)接精度的要求，實(shí)現(xiàn)水下航行器對(duì)心不準(zhǔn)確下的高效能源補(bǔ)給。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)解決方案是：

3、水下裝備無線充電磁耦合器，其特殊之處在于：包括適配安裝在水下裝備上的次級(jí)側(cè)磁耦合模塊和適配安裝在水下充電裝置上的初級(jí)側(cè)磁耦合模塊；

4、所述次級(jí)側(cè)磁耦合模塊包括第一金屬屏蔽本體、第一導(dǎo)磁層和第一線圈；所述第一金屬屏蔽本體為圓弧面結(jié)構(gòu)，第一線圈通過第一導(dǎo)磁層安裝在第一金屬屏蔽本體的凸面上，且第一線圈為獨(dú)立耦合線圈，也稱次級(jí)側(cè)線圈；

5、所述初級(jí)側(cè)磁耦合模塊包括第二金屬屏蔽本體、第二導(dǎo)磁層和第二線圈；所述第二金屬屏蔽本體為圓弧面結(jié)構(gòu)，第二線圈通過第二導(dǎo)磁層安裝在第二金屬屏蔽本體的凹面上，且第二線圈為由m×n個(gè)耦合線圈組成的m×n線圈陣列，其中，m和n均不小于3，也稱初級(jí)側(cè)線圈陣列；

6、其中，所述耦合線圈與所述第一線圈的尺寸相同；這里主要指面積相同，因此，水下裝備（比如：水下航行器）只需要航行進(jìn)入初級(jí)側(cè)線圈陣列的區(qū)域中，即可實(shí)現(xiàn)無線能源補(bǔ)給，體現(xiàn)了本發(fā)明中無線充電耦合器的寬工作區(qū)域性；由于初級(jí)側(cè)線圈陣列同時(shí)在軸向和徑向上擴(kuò)大了耦合器的磁場(chǎng)范圍，因此該結(jié)構(gòu)在保證水下裝備端次級(jí)側(cè)磁耦合模塊簡(jiǎn)單輕便的條件下，能同時(shí)在橫滾和軸向躥動(dòng)多個(gè)方向上降低磁耦合器對(duì)心的要求，實(shí)現(xiàn)在對(duì)接不精確時(shí)的能量補(bǔ)給；

7、當(dāng)次級(jí)側(cè)磁耦合模塊與初級(jí)側(cè)磁耦合模塊對(duì)接后，第一金屬屏蔽本體與第二金屬屏蔽本體同心設(shè)置，且第一線圈能夠與第二線圈的任意一處適配對(duì)接。

8、進(jìn)一步地，所述第一導(dǎo)磁層包括多個(gè)導(dǎo)磁磁芯，多個(gè)導(dǎo)磁磁芯自第一金屬屏蔽本體的一端至另一端均勻間隔鋪設(shè)在第一金屬屏蔽本體上；

9、所述第二導(dǎo)磁層包括多個(gè)導(dǎo)磁磁芯，多個(gè)導(dǎo)磁磁芯以陣列的形式鋪設(shè)在第二金屬屏蔽本體上。

10、進(jìn)一步地，所述第一金屬屏蔽本體凸面的中部設(shè)置有安裝凹槽，邊緣設(shè)置有多個(gè)安裝孔；第一導(dǎo)磁層鋪設(shè)在所述安裝凹槽內(nèi)；

11、所述第二金屬屏蔽本體凹面設(shè)置有金屬屏蔽框架，邊緣設(shè)置有多個(gè)安裝孔；金屬屏蔽框架圍合的內(nèi)部區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)所述第二導(dǎo)磁層。

12、進(jìn)一步地，所述第一線圈為與第一金屬屏蔽本體凸面隨形設(shè)計(jì)的曲面盤式線圈；

13、所述第二線圈中的各個(gè)耦合線圈均為與第二金屬屏蔽本體凹面隨形設(shè)計(jì)的曲面盤式線圈。

14、進(jìn)一步地，上述導(dǎo)磁層的導(dǎo)磁材料可選用鐵氧體。

15、本發(fā)明還提供了水下裝備無線充電系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括發(fā)射單元、接收單元、以及上述水下裝備無線充電耦合器；

16、所述發(fā)射單元包括發(fā)射端儲(chǔ)能組件、發(fā)射端控制器、發(fā)射端逆變器、發(fā)射端繼電器組件以及發(fā)射端補(bǔ)償組件；其中，發(fā)射端繼電器組件為可控繼電器陣列，包括m×n個(gè)繼電器；發(fā)射端補(bǔ)償組件包括m×n個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；

17、所述發(fā)射端儲(chǔ)能組件通過發(fā)射端逆變器與各個(gè)繼電器電性連接，m×n個(gè)繼電器通過m×n個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與第二線圈中的m×n個(gè)耦合線圈電性連接，形成m×n個(gè)線圈回路；其中，一個(gè)繼電器對(duì)應(yīng)一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)耦合線圈；

18、所述發(fā)射端控制器與發(fā)射端逆變器和發(fā)射端繼電器組件電性連接，控制各個(gè)線圈回路的通斷；

19、所述接收單元包括接收端儲(chǔ)能組件、接收端整流器以及接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；

20、所述接收端儲(chǔ)能組件依次通過接收端整流器和接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)與第一線圈電性連接。

21、然而，當(dāng)無線充電系統(tǒng)在海洋環(huán)境下使用時(shí)，海水電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣電導(dǎo)率，線圈中的高頻交變電流會(huì)在海水中產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生渦流損耗，為了避免所有耦合線圈同時(shí)開啟造成的能量損耗，本發(fā)明還提出了基于二分法的初級(jí)側(cè)最大效率控制方法，也可稱最大效率跟蹤方法，將m×n線圈陣列按照該方法依次通電，直至找到無線充電系統(tǒng)的最大效率傳輸點(diǎn)，即上述水下裝備無線充電系統(tǒng)的最大效率控制方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

22、步驟1：當(dāng)初級(jí)側(cè)磁耦合模塊與次級(jí)側(cè)磁耦合模塊對(duì)接后，將第二線圈陣列對(duì)角線作為第一二分分割線對(duì)m×n線圈陣列進(jìn)行劃分，將m×n線圈陣列劃分為處于第一二分分割線上的區(qū)域以及處于第一二分分割線兩側(cè)的區(qū)域mn/2-top和區(qū)域mn/2-bot；

23、步驟2：通過發(fā)射端控制器控制發(fā)射端繼電器組件中各個(gè)繼電器，接通位于區(qū)域mn/2-top內(nèi)以及第一二分分割線上的耦合線圈，斷開位于區(qū)域mn/2-bot內(nèi)的耦合線圈，記錄此時(shí)的發(fā)射端輸入功率pin-mn/2-top；

24、通過發(fā)射端控制器控制發(fā)射端繼電器組件中各個(gè)繼電器，接通位于區(qū)域mn/2-bot內(nèi)以及第一二分分割線上的耦合線圈，斷開位于區(qū)域mn/2-top內(nèi)的耦合線圈，記錄此時(shí)的發(fā)射端輸入功率pin-mn/2-bot；

25、比較pin-mn/2-top和pin-mn/2-bot：

26、若pin-mn/2-top＝pin-mn/2-bot，則說明此次對(duì)接中，作為次級(jí)側(cè)線圈的第一線圈落在了第一二分分割線上的區(qū)域內(nèi)；

27、若pin-mn/2-top＜pin-mn/2-bot，則說明此次對(duì)接中，作為次級(jí)側(cè)線圈的第一線圈落在了區(qū)域mn/2-top內(nèi)；

28、若pin-mn/2-top＞pin-mn/2-bot，則說明此次對(duì)接中，作為次級(jí)側(cè)線圈的第一線圈落在了區(qū)域mn/2-?bot內(nèi)；

29、步驟3：對(duì)步驟2判斷出來的線圈區(qū)域，繼續(xù)用第二二分分割線進(jìn)行劃分，分為處于第二二分分割線上的區(qū)域以及處于第二二分分割線兩側(cè)的區(qū)域mn/4-top和區(qū)域mn/4-bot；

30、通過發(fā)射端控制器控制發(fā)射端繼電器組件中各個(gè)繼電器，接通位于區(qū)域mn/4-top內(nèi)以及第二二分分割線上的耦合線圈，斷開位于區(qū)域mn/4-bot內(nèi)的耦合線圈，記錄此時(shí)的發(fā)射端輸入功率pin-mn/4-top；

31、通過發(fā)射端控制器控制發(fā)射端繼電器組件中各個(gè)繼電器，接通位于區(qū)域mn/4-bot內(nèi)以及第二二分分割線上的耦合線圈，斷開位于區(qū)域mn/4-top內(nèi)的耦合線圈，記錄此時(shí)的發(fā)射端輸入功率pin-mn/4-bot；

32、比較pin-mn/4-top和pin-mn/4-bot：

33、若pin-mn/4-top＝pin-mn/4-bot，則說明此次對(duì)接中，作為次級(jí)側(cè)線圈的第一線圈落在了第二二分分割線上的區(qū)域內(nèi)；

34、若pin-mn/4-top＜pin-mn/4-bot，則說明此次對(duì)接中，作為次級(jí)側(cè)線圈的第一線圈落在了區(qū)域mn/4-top內(nèi)；

35、若pin-mn/4-top＞pin-mn/4-bot，則說明此次對(duì)接中，作為次級(jí)側(cè)線圈的第一線圈落在了區(qū)域mn/4-?bot內(nèi)；

36、以此類推，繼續(xù)進(jìn)行二分，直至m×n/n＜2，其中n=2k，k為二分次數(shù)；

37、步驟4：只接通m×n線圈陣列中在第k-1次二分后判斷得出的區(qū)域內(nèi)的耦合線圈，實(shí)現(xiàn)水下裝備無線充電系統(tǒng)的最大效率控制。

38、通過上述方法，可以在初級(jí)側(cè)磁耦合模塊和次級(jí)側(cè)磁耦合模塊對(duì)接后，根據(jù)對(duì)接情況，篩選出最大效率傳輸線圈通斷控制的方案，通過關(guān)閉耦合效果差的耦合線圈，導(dǎo)通耦合效果好的耦合線圈（即pin-min對(duì)應(yīng)的耦合線圈），實(shí)現(xiàn)能源的高效率補(bǔ)給。在此過程中，不僅弱化了對(duì)心不準(zhǔn)帶來的影響，還能避免其余耦合線圈開通時(shí)造成的額外渦流損耗。

39、簡(jiǎn)而言之，假定次級(jí)側(cè)線圈為面積1，初級(jí)側(cè)線圈陣列由m×n個(gè)和次級(jí)側(cè)線圈大小一樣的線圈組成，即面積為m×n；面積為1的次級(jí)側(cè)線圈落在面積為m×n的初級(jí)側(cè)線圈陣列內(nèi)的任意區(qū)域均可以工作，因此實(shí)現(xiàn)了寬區(qū)域工作的特點(diǎn)，降低對(duì)耦合精度（即對(duì)接精度）的要求；而為了避免面積為m×n的初級(jí)側(cè)線圈陣列均開通造成的損耗，因此，本發(fā)明又提供了與之對(duì)應(yīng)的最大效率跟蹤的篩選過程，即找到與次級(jí)側(cè)一個(gè)線圈耦合效果最好的一個(gè)或幾個(gè)初級(jí)側(cè)線圈，通過僅開通該組線圈，關(guān)閉其余線圈，避免額外的渦流損耗。

40、本發(fā)明的工作原理：

41、水下航行器對(duì)接完成后，只要次級(jí)側(cè)磁耦合模塊落入初級(jí)側(cè)磁耦合模塊所在的區(qū)域內(nèi)，無線充電系統(tǒng)即可上電，為水下航行器能源補(bǔ)給做好準(zhǔn)備。組成初級(jí)側(cè)磁耦合模塊的線圈陣列中，與次級(jí)側(cè)磁耦合模塊的線圈距離越近，對(duì)能量傳輸?shù)呢暙I(xiàn)越大。若所有線圈均開啟工作，會(huì)在周圍的海水環(huán)境中產(chǎn)生很大的渦流損耗，從而降低無線充電系統(tǒng)的效率?？紤]到在無線充電系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，接收端的接收功率在短時(shí)間內(nèi)基本不變；此時(shí)，若發(fā)射端僅開啟與次級(jí)側(cè)磁耦合模塊耦合效果最好的線圈，即可在輸出功率一定時(shí)找到一個(gè)最小的輸入功率（此處，輸出功率為次級(jí)側(cè)磁耦合模塊供給水下航行器的功率；輸入功率為水下充電裝置供給初級(jí)側(cè)磁耦合模塊的功率），就能實(shí)現(xiàn)無線充電系統(tǒng)的最大效率傳輸。

42、因此，本發(fā)明在磁耦合器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上還提出了基于二分法的初級(jí)側(cè)最大效率控制方法，采用將初級(jí)側(cè)線圈陣列逐步二分的思想，從而快速找到與次級(jí)側(cè)線圈耦合效果最好的初級(jí)側(cè)線圈，實(shí)現(xiàn)無線充電系統(tǒng)的快速最大效率跟蹤，保證無線充電系統(tǒng)能量穩(wěn)定高效傳輸。

43、基于二分法的初級(jí)側(cè)最大效率跟蹤方法的原理如圖3所示：一般情況下，次級(jí)側(cè)負(fù)載所需的恒定輸出電壓?vout?保持不變，短時(shí)間內(nèi)電阻r也保持不變，則此時(shí)無線充電系統(tǒng)的輸出功率pout=vout×（vout/r），由負(fù)載決定，短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化。由于無線充電系統(tǒng)輸入功率pin=vin×iin，系統(tǒng)效率η=pout/pin，那么當(dāng)pout不變，pin最小時(shí)，η最大。因此，可以通過切換初級(jí)側(cè)線圈的導(dǎo)通和斷開，找到最小的輸入功率pin，即找到與次級(jí)側(cè)線圈耦合效果最好的初級(jí)側(cè)線圈，避免其余線圈開通時(shí)造成的額外渦流損耗，從而實(shí)現(xiàn)無線充電系統(tǒng)的高效傳輸。

44、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

45、1.本發(fā)明無線充電耦合器的結(jié)構(gòu)巧妙，尤其是次級(jí)側(cè)磁耦合模塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，在不額外增加次級(jí)側(cè)磁耦合模塊復(fù)雜度和重量的前提下，能一定程度上解決在橫滾和軸向躥動(dòng)方向上因?qū)泳炔蛔闶柜詈掀鳠o法對(duì)中從而造成無線充電系統(tǒng)失效的情況，具有寬工作區(qū)域的優(yōu)勢(shì)。

46、2.本發(fā)明結(jié)合所提出的基于二分法的最大效率控制方法，可以快速確定與次級(jí)側(cè)線圈耦合效果最好的初級(jí)側(cè)線圈，從而僅接通對(duì)應(yīng)位置的初級(jí)側(cè)線圈，避免其余線圈在海水中產(chǎn)生額外的渦流損耗，提高無線充電系統(tǒng)的整體效率，實(shí)現(xiàn)航行器在對(duì)心不準(zhǔn)確下的高效能源補(bǔ)給。