李爭(zhēng) 高世豪 張巖 李彥辰 譚聰

摘 要：為了驗(yàn)證水下電能傳輸?shù)目尚行院脱芯坑绊憘鬏斝实囊蛩?，采用電?chǎng)耦合原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的無(wú)線充電電路設(shè)計(jì)，對(duì)電場(chǎng)耦合式無(wú)線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本工作原理進(jìn)行介紹，分析了其相比于磁場(chǎng)耦合方式的特點(diǎn)，以及由此帶來(lái)的相應(yīng)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)多物理場(chǎng)仿真模擬極板間電場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)了一種LC雙邊的CPT系統(tǒng)，采用單片機(jī)組成脈寬調(diào)制控制電路并用功率放大電路模塊組成發(fā)射端和接收端。結(jié)果表明了運(yùn)用電場(chǎng)耦合原理進(jìn)行無(wú)線充電的可行性，在研究中發(fā)現(xiàn)極板間的傳輸距離是影響水下無(wú)線充電效率的一個(gè)因素，而且兩個(gè)電極之間的雜散電容也會(huì)影響極板間的功率，所以由于極板間隙的存在極板間的功率損耗較大。所提出的LC雙邊CPT系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了水下無(wú)線電能傳輸， 還保證了在一定距離和頻率下傳輸效率的穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù);電場(chǎng)耦合;無(wú)線電能傳輸;水下;極板間距;功率損耗

中圖分類號(hào)：TM935?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-1542（2018）06-0552-07

水下無(wú)線電能傳輸（wireless power transfer， WPT）技術(shù)是借助水介質(zhì)實(shí)現(xiàn)將電能由能量發(fā)射端通過(guò)無(wú)直接電氣連接的形式傳遞至能量拾取端的全新電能傳輸技術(shù)，消除了傳統(tǒng)接觸式供電方式所帶來(lái)的如導(dǎo)線裸露、插頭磨損、接觸電火花等[1-4]的固有缺陷，此方式提高了水下電能傳輸?shù)陌踩訹1]，可用于海底基站對(duì)水下航行器（AUV） 的供電[2-4]、海洋浮標(biāo)對(duì)水下設(shè)備的供電[5-6]、AUV對(duì)水下傳感器的電池補(bǔ)電以及對(duì)水處理節(jié)點(diǎn)的供電[7-8]。

基于磁場(chǎng)耦合方式的感應(yīng)能量傳輸（inductive power transfer，IPT）和基于電場(chǎng)耦合方式的電容能量傳輸（capacitive power transfer， CPT）是兩種有效的無(wú)線電能傳輸方式。由于磁場(chǎng)耦合式具有傳輸功率較大，距離較遠(yuǎn)，效率較高等優(yōu)點(diǎn)[9-11]，目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)主要集中在磁場(chǎng)耦合方式。但是IPT存在成本高、質(zhì)量大、對(duì)金屬敏感及產(chǎn)生渦流損耗等問(wèn)題。而電場(chǎng)耦合作為同磁場(chǎng)耦合對(duì)偶的一種工作方式，采用高頻交變電場(chǎng)傳遞能量，僅用輕薄廉價(jià)的鋁板或銅板作為發(fā)射接收極，且在周圍存在金屬物體時(shí)，泄露電場(chǎng)不會(huì)在其中引起渦流損耗，對(duì)位置偏移具有很好的魯棒性[12-13]。

CPT在動(dòng)態(tài)供電、電動(dòng)汽車充電等方面有優(yōu)勢(shì)。國(guó)外研究著重于水電耦合無(wú)線電力傳輸?shù)男矢倪M(jìn)。利用三維仿真和測(cè)量，闡明平行板電耦合器的S參數(shù)?；谠摻Y(jié)果，通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果揭示了淡水電耦合無(wú)線電力傳輸最大效率的頻率特性[15-17]。

印度學(xué)者對(duì)不同的無(wú)線充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，變壓器設(shè)計(jì)方法，電池選擇標(biāo)準(zhǔn)以及與可再生能源的集成進(jìn)行全面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，此外，還解釋了給定系統(tǒng)的最大效率條件[15-17]。日本學(xué)者還通過(guò)電磁耦合的WPT在空氣和水中的10 kHz～1 MHz范圍內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)量值與模擬值一致;比較了空氣和水中的特性，80倍的電容差導(dǎo)致諧振頻率附近的峰值篩選和峰值擴(kuò)大;指出廣泛的特征峰意味著較難受到參數(shù)改變的影響。在這種情況下，電極位置的改變導(dǎo)致電容的改變，使得諧振頻率也隨之改變[18-20]。

目前該研究在中國(guó)還處在初級(jí)階段，研究工作開(kāi)展較少，因此其深入的研究顯得尤為必要。本文提出了一種較為具體的CPT系統(tǒng)，它能夠調(diào)諧耦合電容兩端電壓，使其幅值盡量相等，從而減少耦合電容無(wú)功功率。

1?系統(tǒng)建模與分析

1.1?電路拓?fù)浞治?/p>

1.1.1?基于LC雙邊式CPT系統(tǒng)

LC雙邊式CPT系統(tǒng)如圖1所示，其主要包括供電直流電源、高頻逆變電路、耦合機(jī)構(gòu)、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、整流部分和輸出濾波電路5個(gè)部分。發(fā)射極板和接收極板共同構(gòu)成耦合機(jī)構(gòu)，并可等效為一對(duì)集中電容。

系統(tǒng)的基本原理是直流電源經(jīng)高頻逆變電路轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔冸妷?，系統(tǒng)通過(guò)升壓網(wǎng)絡(luò)提升電壓后供給耦合單元。當(dāng)兩塊接收極板放置在發(fā)射極板附近時(shí)，交變電場(chǎng)在接收極板上感應(yīng)出電勢(shì)差，再經(jīng)過(guò)降壓型網(wǎng)絡(luò)整流濾波成負(fù)載所需的直流電壓。系統(tǒng)的控制方式可以采用半橋式或者全橋式，本文采用全橋式逆變電路。CPT系統(tǒng)的耦合電容較小所以需要在高頻下進(jìn)行能量傳輸，系統(tǒng)直流電在高頻逆變電路中轉(zhuǎn)為高頻交流電。

原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)元件構(gòu)成：串聯(lián)電感L，并聯(lián)電容C。補(bǔ)償電感和電容的作用是降低逆變器輸出無(wú)功功率。系統(tǒng)通過(guò)諧振提高極板間電壓同時(shí)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。同樣L為調(diào)諧電感與耦合電容C組成諧振網(wǎng)絡(luò)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用全橋逆變相對(duì)于簡(jiǎn)單的CPT而言更適合于大功率場(chǎng)合。

發(fā)射板在高壓、高頻交流電作用下與接收板產(chǎn)生互交電場(chǎng)，形成位移電流實(shí)現(xiàn)能量的傳遞。

1.1.2?補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治?/p>

在電容式無(wú)線能量傳輸方式的CPT系統(tǒng)中，發(fā)射側(cè)和接收側(cè)電容板之間的距離會(huì)產(chǎn)生很大的電場(chǎng)損耗，兩極板之間的互容相對(duì)較小漏電場(chǎng)很大。如果在諧振回路中不加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)，發(fā)射側(cè)的漏電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸入電流與電壓之間的相角較大，功率因數(shù)較小，極大地增加了對(duì)供電電源容量的需求，同時(shí)還會(huì)增大開(kāi)關(guān)器件的應(yīng)力、不利于系統(tǒng)安全;而接收側(cè)線圈的漏電場(chǎng)則會(huì)降低系統(tǒng)的輸出電壓增益，減弱系統(tǒng)的功率傳輸能力。所以，為了提髙系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)電路電場(chǎng)耦合必須加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

電場(chǎng)耦合方式發(fā)射側(cè)和接收側(cè)諧振回路補(bǔ)償環(huán)節(jié)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將決定整體系統(tǒng)的輸出特性，其中原邊和副邊的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可為任意結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)是一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。目前使用較多的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為串聯(lián)電感方式，也有一些較為復(fù)雜的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高功率和效率，在此設(shè)計(jì)了一種LC雙邊式的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其等效電路如圖2所示。

1.2?耦合極板模型建立

為了研究耦合機(jī)構(gòu)的電場(chǎng)分布規(guī)律，考慮到計(jì)算的復(fù)雜性，采用多物理場(chǎng)仿真平臺(tái)來(lái)進(jìn)行分析。由于電容器板周圍可能存在明顯的彌散場(chǎng)，因此模型中包含了空氣區(qū)域。實(shí)際上，彌散電場(chǎng)可以無(wú)限延伸，但其強(qiáng)度與距離的三次方成反比，因此場(chǎng)強(qiáng)會(huì)迅速減小，在數(shù)值上可以忽略不計(jì)。這里，假設(shè)空氣體積足夠大，能夠準(zhǔn)確地捕捉彌散場(chǎng)，可以通過(guò)增大空氣體積并比較結(jié)果來(lái)檢查。假設(shè)為靜電條件時(shí)，每個(gè)電極整個(gè)表面的電勢(shì)必須相同否則電流將流過(guò)這些導(dǎo)體。本次要做到分析是空氣和水介質(zhì)中的電勢(shì)分布，不必求解電極中的電位?？梢圆捎靡韵?種方法：第一，在電極上應(yīng)用終端域特征，或者從物理場(chǎng)接口的選擇中移除電極域，并在與空氣或電介質(zhì)的接觸面使用合適的邊界條件（如接地或邊界終端）;第二，采用一端接地，一端接電勢(shì)，該方法更適用于無(wú)線充電的特征，所以此模型中采用第2種方法。

建立2塊厚度為1 cm、邊寬5 cm、長(zhǎng)8 cm的方形電極模型，左右電極之間相距8 cm，極板的材料選擇銅。仿真后耦合機(jī)構(gòu)的電場(chǎng)分布情況如圖3和4所示，圖3為平板耦合機(jī)構(gòu)對(duì)立放置時(shí)電場(chǎng)分布，圖4為平板耦合機(jī)構(gòu)的水平放置時(shí)電場(chǎng)分布。

2?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立與驗(yàn)證

2.1?實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

能量發(fā)送端采用STM32F103微處理器作為控制器，發(fā)送端產(chǎn)生特定頻率高頻互補(bǔ)方波用于控制功率器件工作，功率部分采用全橋驅(qū)動(dòng)，MOSFET型號(hào)為L(zhǎng)R7843。MOSFET相比于晶體管沒(méi)有飽和壓降，其導(dǎo)通電阻僅有2 mΩ且導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都在40 ns以內(nèi)，有效減小了導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。在運(yùn)行中

500 kHz開(kāi)關(guān)頻率下，供電電壓25 V功率器件也僅僅是微熱。

MOS驅(qū)動(dòng)器選擇HIP4082作為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)4N-MOS的全橋驅(qū)動(dòng)器，它具有可編程死區(qū)時(shí)間

在驅(qū)動(dòng)1 000 pF負(fù)載時(shí)上升，其下降時(shí)間僅為15 ns，也為系統(tǒng)的高頻運(yùn)行提供前提條件，同時(shí)其具有貫通保護(hù)和欠壓保護(hù)，為系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供了條件。功率電路部分如圖5所示。

2.2?電路仿真

基于SIMULINK仿真平臺(tái)搭建了系統(tǒng)電路模型，仿真獲得了電壓和電流波形，如圖6—9所示。

圖7所示由方波和階躍信號(hào)擬合出幅值為10 V的電壓，作為電路電源輸入。

圖8為經(jīng)過(guò)降壓型網(wǎng)絡(luò)后整流濾波成負(fù)載所需的直流電壓電流波形，在0～0.05 ms快速充電后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖9給出了通過(guò)升壓網(wǎng)絡(luò)提升電壓后供給耦合單元的電壓和電流波形，電壓經(jīng)升壓后得到交變電壓，當(dāng)兩塊接收極板放置在發(fā)射極板附近時(shí)，交變電場(chǎng)在接收極板上感應(yīng)出電勢(shì)差。

2.3?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)制作了水下無(wú)線電場(chǎng)耦合傳能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用頻率自跟蹤高頻逆變電源和一致尺寸的發(fā)射、接收極板組成的能量耦合機(jī)構(gòu)，接收極板接收到的高頻能量經(jīng)整流模塊轉(zhuǎn)換為直流;負(fù)載采用電子負(fù)載，系統(tǒng)的發(fā)射、接收功率及傳輸效率由功率計(jì)進(jìn)行測(cè)量。功率分析儀通過(guò)測(cè)量輸入高頻逆變電源工頻交流電的電壓、電流有效值來(lái)計(jì)算得到輸入有功功率有效值，通過(guò)測(cè)量整流模塊輸出的電壓電流值計(jì)算出負(fù)載消耗的有功功率有效值，從而得到系統(tǒng)效率。圖10給出了實(shí)驗(yàn)獲得的功率與極板距離關(guān)系。耦合極板由覆有防水膠密封的PCB板組成，極板尺寸設(shè)計(jì)為 7 cm×7 cm，頻率定在300 kHz，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及波形如圖11—13所示。

3?結(jié)?論

本文研究了一種水下的無(wú)線電力傳輸系統(tǒng)，其電場(chǎng)耦合相當(dāng)于電容充電的原理。在電路設(shè)計(jì)以及研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，極板間的傳輸距離是此充電方式的關(guān)鍵問(wèn)題，在水中進(jìn)行電場(chǎng)耦合，極板間的水介質(zhì)會(huì)影響電能的傳輸而且兩個(gè)電極之間的雜散電容也會(huì)影響極板間的功率，所以由于間隙的存在極板間的功率損耗較大。提出的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了基于水下電場(chǎng)耦合的無(wú)線充電器的功能，并探討了水下電場(chǎng)耦合來(lái)進(jìn)行無(wú)線充電的可行性。磁感應(yīng)式水下無(wú)線電能傳輸是目前的研究熱點(diǎn)，水下無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在空氣、淡水、海水等不同介質(zhì)中的傳輸特性研究有著重要意義?；诜抡孳浖M極板和電路的電場(chǎng)和電壓電流的變化，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出極板不同間距下的功率變化結(jié)果，對(duì)于水下電力傳輸?shù)男室约俺潆娮罴杨l率的選擇有待于更近一步的研究。

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