水下装备无线充电耦合器、充电系统及最大效率控制方法

本发明属于水下充电，具体涉及水下装备无线充电耦合器、充电系统及最大效率控制方法。

背景技术：

1、自主式水下航行器作为一种重要的海上力量，是进行海洋地质地貌勘探、海洋环境观测、海洋资源勘探等工作的重要工具；但受自主式水下航行器自身体积和负载能力限制，所搭载的电池容量有限，续航问题一直限制了自主式水下航行器的进一步发展。无线充电技术由于其方便且具备一定的传输效率的特点，广泛应用于水下坞站的充电系统中。

2、由于水流的影响，水下航行器与水下充电装置对接并不能完全按照设计的理想情况实现；因此，磁耦合器并不能完全对准，由于磁耦合器产生的感应链路影响着无线充电的充电功率和充电效率，那么如何在水下航行器对接不十分精确的情况下设计磁耦合器以保证无线充电的功率和效率是需要解决的问题。

3、中国专利申请cn117275913a、中国专利cn109192473b和cn210608704u中提供的磁耦合器，在一些方面虽然降低了磁耦合器对接不准对无线充电系统的影响。然而，前者需要在航行器端增加较重的耦合器结构，降低了航行器的带载能力；后两者在航行器端的磁耦合器结构复杂且只能降低航行器横滚对磁耦合器对不准的影响。

4、鉴于此，本发明研究团队认为有必要对耦合器结构进行进一步地优化。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有水下航行器无线充电系统需在航行器端搭载较重或较复杂的耦合器，影响水下航行器带载能力，以及在水下航行器对接不十分精准的情况下存在影响无线充电功率和效率的问题，为此提供水下装备无线充电耦合器、充电系统及最大效率控制方法，旨在不增加水下航行器端磁耦合器复杂程度的同时，能在横滚和轴向蹿动方向上降低对水下航行器对接精度的要求，实现水下航行器对心不准确下的高效能源补给。

2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：

3、水下装备无线充电磁耦合器，其特殊之处在于：包括适配安装在水下装备上的次级侧磁耦合模块和适配安装在水下充电装置上的初级侧磁耦合模块；

4、所述次级侧磁耦合模块包括第一金属屏蔽本体、第一导磁层和第一线圈；所述第一金属屏蔽本体为圆弧面结构，第一线圈通过第一导磁层安装在第一金属屏蔽本体的凸面上，且第一线圈为独立耦合线圈，也称次级侧线圈；

5、所述初级侧磁耦合模块包括第二金属屏蔽本体、第二导磁层和第二线圈；所述第二金属屏蔽本体为圆弧面结构，第二线圈通过第二导磁层安装在第二金属屏蔽本体的凹面上，且第二线圈为由m×n个耦合线圈组成的m×n线圈阵列，其中，m和n均不小于3，也称初级侧线圈阵列；

6、其中，所述耦合线圈与所述第一线圈的尺寸相同；这里主要指面积相同，因此，水下装备（比如：水下航行器）只需要航行进入初级侧线圈阵列的区域中，即可实现无线能源补给，体现了本发明中无线充电耦合器的宽工作区域性；由于初级侧线圈阵列同时在轴向和径向上扩大了耦合器的磁场范围，因此该结构在保证水下装备端次级侧磁耦合模块简单轻便的条件下，能同时在横滚和轴向蹿动多个方向上降低磁耦合器对心的要求，实现在对接不精确时的能量补给；

7、当次级侧磁耦合模块与初级侧磁耦合模块对接后，第一金属屏蔽本体与第二金属屏蔽本体同心设置，且第一线圈能够与第二线圈的任意一处适配对接。

8、进一步地，所述第一导磁层包括多个导磁磁芯，多个导磁磁芯自第一金属屏蔽本体的一端至另一端均匀间隔铺设在第一金属屏蔽本体上；

9、所述第二导磁层包括多个导磁磁芯，多个导磁磁芯以阵列的形式铺设在第二金属屏蔽本体上。

10、进一步地，所述第一金属屏蔽本体凸面的中部设置有安装凹槽，边缘设置有多个安装孔；第一导磁层铺设在所述安装凹槽内；

11、所述第二金属屏蔽本体凹面设置有金属屏蔽框架，边缘设置有多个安装孔；金属屏蔽框架围合的内部区域内铺设所述第二导磁层。

12、进一步地，所述第一线圈为与第一金属屏蔽本体凸面随形设计的曲面盘式线圈；

13、所述第二线圈中的各个耦合线圈均为与第二金属屏蔽本体凹面随形设计的曲面盘式线圈。

14、进一步地，上述导磁层的导磁材料可选用铁氧体。

15、本发明还提供了水下装备无线充电系统，其特殊之处在于：包括发射单元、接收单元、以及上述水下装备无线充电耦合器；

16、所述发射单元包括发射端储能组件、发射端控制器、发射端逆变器、发射端继电器组件以及发射端补偿组件；其中，发射端继电器组件为可控继电器阵列，包括m×n个继电器；发射端补偿组件包括m×n个补偿网络；

17、所述发射端储能组件通过发射端逆变器与各个继电器电性连接，m×n个继电器通过m×n个补偿网络与第二线圈中的m×n个耦合线圈电性连接，形成m×n个线圈回路；其中，一个继电器对应一个补偿网络和一个耦合线圈；

18、所述发射端控制器与发射端逆变器和发射端继电器组件电性连接，控制各个线圈回路的通断；

19、所述接收单元包括接收端储能组件、接收端整流器以及接收端补偿网络；

20、所述接收端储能组件依次通过接收端整流器和接收端补偿网络与第一线圈电性连接。

21、然而，当无线充电系统在海洋环境下使用时，海水电导率远大于空气电导率，线圈中的高频交变电流会在海水中产生交变电磁场，进而产生涡流损耗，为了避免所有耦合线圈同时开启造成的能量损耗，本发明还提出了基于二分法的初级侧最大效率控制方法，也可称最大效率跟踪方法，将m×n线圈阵列按照该方法依次通电，直至找到无线充电系统的最大效率传输点，即上述水下装备无线充电系统的最大效率控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

22、步骤1：当初级侧磁耦合模块与次级侧磁耦合模块对接后，将第二线圈阵列对角线作为第一二分分割线对m×n线圈阵列进行划分，将m×n线圈阵列划分为处于第一二分分割线上的区域以及处于第一二分分割线两侧的区域mn/2-top和区域mn/2-bot；

23、步骤2：通过发射端控制器控制发射端继电器组件中各个继电器，接通位于区域mn/2-top内以及第一二分分割线上的耦合线圈，断开位于区域mn/2-bot内的耦合线圈，记录此时的发射端输入功率pin-mn/2-top；

24、通过发射端控制器控制发射端继电器组件中各个继电器，接通位于区域mn/2-bot内以及第一二分分割线上的耦合线圈，断开位于区域mn/2-top内的耦合线圈，记录此时的发射端输入功率pin-mn/2-bot；

25、比较pin-mn/2-top和pin-mn/2-bot：

26、若pin-mn/2-top＝pin-mn/2-bot，则说明此次对接中，作为次级侧线圈的第一线圈落在了第一二分分割线上的区域内；

27、若pin-mn/2-top＜pin-mn/2-bot，则说明此次对接中，作为次级侧线圈的第一线圈落在了区域mn/2-top内；

28、若pin-mn/2-top＞pin-mn/2-bot，则说明此次对接中，作为次级侧线圈的第一线圈落在了区域mn/2- bot内；

29、步骤3：对步骤2判断出来的线圈区域，继续用第二二分分割线进行划分，分为处于第二二分分割线上的区域以及处于第二二分分割线两侧的区域mn/4-top和区域mn/4-bot；

30、通过发射端控制器控制发射端继电器组件中各个继电器，接通位于区域mn/4-top内以及第二二分分割线上的耦合线圈，断开位于区域mn/4-bot内的耦合线圈，记录此时的发射端输入功率pin-mn/4-top；

31、通过发射端控制器控制发射端继电器组件中各个继电器，接通位于区域mn/4-bot内以及第二二分分割线上的耦合线圈，断开位于区域mn/4-top内的耦合线圈，记录此时的发射端输入功率pin-mn/4-bot；

32、比较pin-mn/4-top和pin-mn/4-bot：

33、若pin-mn/4-top＝pin-mn/4-bot，则说明此次对接中，作为次级侧线圈的第一线圈落在了第二二分分割线上的区域内；

34、若pin-mn/4-top＜pin-mn/4-bot，则说明此次对接中，作为次级侧线圈的第一线圈落在了区域mn/4-top内；

35、若pin-mn/4-top＞pin-mn/4-bot，则说明此次对接中，作为次级侧线圈的第一线圈落在了区域mn/4- bot内；

36、以此类推，继续进行二分，直至m×n/n＜2，其中n=2k，k为二分次数；

37、步骤4：只接通m×n线圈阵列中在第k-1次二分后判断得出的区域内的耦合线圈，实现水下装备无线充电系统的最大效率控制。

38、通过上述方法，可以在初级侧磁耦合模块和次级侧磁耦合模块对接后，根据对接情况，筛选出最大效率传输线圈通断控制的方案，通过关闭耦合效果差的耦合线圈，导通耦合效果好的耦合线圈（即pin-min对应的耦合线圈），实现能源的高效率补给。在此过程中，不仅弱化了对心不准带来的影响，还能避免其余耦合线圈开通时造成的额外涡流损耗。

39、简而言之，假定次级侧线圈为面积1，初级侧线圈阵列由m×n个和次级侧线圈大小一样的线圈组成，即面积为m×n；面积为1的次级侧线圈落在面积为m×n的初级侧线圈阵列内的任意区域均可以工作，因此实现了宽区域工作的特点，降低对耦合精度（即对接精度）的要求；而为了避免面积为m×n的初级侧线圈阵列均开通造成的损耗，因此，本发明又提供了与之对应的最大效率跟踪的筛选过程，即找到与次级侧一个线圈耦合效果最好的一个或几个初级侧线圈，通过仅开通该组线圈，关闭其余线圈，避免额外的涡流损耗。

40、本发明的工作原理：

41、水下航行器对接完成后，只要次级侧磁耦合模块落入初级侧磁耦合模块所在的区域内，无线充电系统即可上电，为水下航行器能源补给做好准备。组成初级侧磁耦合模块的线圈阵列中，与次级侧磁耦合模块的线圈距离越近，对能量传输的贡献越大。若所有线圈均开启工作，会在周围的海水环境中产生很大的涡流损耗，从而降低无线充电系统的效率。考虑到在无线充电系统稳定工作后，接收端的接收功率在短时间内基本不变；此时，若发射端仅开启与次级侧磁耦合模块耦合效果最好的线圈，即可在输出功率一定时找到一个最小的输入功率（此处，输出功率为次级侧磁耦合模块供给水下航行器的功率；输入功率为水下充电装置供给初级侧磁耦合模块的功率），就能实现无线充电系统的最大效率传输。

42、因此，本发明在磁耦合器结构的基础上还提出了基于二分法的初级侧最大效率控制方法，采用将初级侧线圈阵列逐步二分的思想，从而快速找到与次级侧线圈耦合效果最好的初级侧线圈，实现无线充电系统的快速最大效率跟踪，保证无线充电系统能量稳定高效传输。

43、基于二分法的初级侧最大效率跟踪方法的原理如图3所示：一般情况下，次级侧负载所需的恒定输出电压 vout 保持不变，短时间内电阻r也保持不变，则此时无线充电系统的输出功率pout=vout×（vout/r），由负载决定，短时间内不会发生变化。由于无线充电系统输入功率pin=vin×iin，系统效率η=pout/pin，那么当pout不变，pin最小时，η最大。因此，可以通过切换初级侧线圈的导通和断开，找到最小的输入功率pin，即找到与次级侧线圈耦合效果最好的初级侧线圈，避免其余线圈开通时造成的额外涡流损耗，从而实现无线充电系统的高效传输。

44、本发明的优点：

45、1.本发明无线充电耦合器的结构巧妙，尤其是次级侧磁耦合模块的结构简单，体积小，在不额外增加次级侧磁耦合模块复杂度和重量的前提下，能一定程度上解决在横滚和轴向蹿动方向上因对接精度不足使耦合器无法对中从而造成无线充电系统失效的情况，具有宽工作区域的优势。

46、2.本发明结合所提出的基于二分法的最大效率控制方法，可以快速确定与次级侧线圈耦合效果最好的初级侧线圈，从而仅接通对应位置的初级侧线圈，避免其余线圈在海水中产生额外的涡流损耗，提高无线充电系统的整体效率，实现航行器在对心不准确下的高效能源补给。