一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置

1.本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置。


背景技术：

2.随着国家对于海洋等水下探测、巡检、开发的大力发展，水下自主航行器得到了越来越多的应用。目前，绝大多数水下自主航行器采用打捞回收充电或者水下有接触充电方式，这类传统的充电方式存在一定的安全隐患，且其需要人工维护，难以实现彻底的智能化和无人化。同时这种方式使得水下自主航行器续航里程不足，需要频繁充电，对电池依赖较高。无线充电作为近些年的一项新兴技术，通过磁耦合线圈将供电侧的电能转变为磁能再转变为受电侧电能，避免了供电侧和受电侧的直接接触，相较于传统的插拔充电方法，具有环境污染小，环境适应性强等优点。本发明旨在提出一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置，解决水下自主航行器在水下的低能耗补给问题，提升系统无人化能量补给和作业能力。


技术实现要素：

3.为克服现有技术的不足，本发明提出一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置，解决自主航行器的水下能量高效补给问题，提升整体智能化水平和无人化能力。
4.为实现上述目的，首先提出了一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置，该系统包括两个二分之一圆周结构发射线圈、一个四分之一圆周结构接收线圈、直流电源、两个高频全桥逆变器、层叠式分散补偿电容、发射端补偿电路用空心电感、电流检测模块。
5.进一步地，所述发射线圈或接收线圈所在的圆柱夹层结构均为两层亚克力圆柱面构成，由利兹线绕制的发射线圈和接收线圈均安装在大小不同的圆柱模具夹层中，夹层采用灌胶防水工艺处理。并且发射线圈所在的圆柱模具半径较大，接收线圈所在的圆柱模具半径相对较小，两个圆柱模具同轴放置。发射端装置包括两个二分之一圆周结构的线圈，各占发射端线圈模具的二分之一表面，整体组成一个圆柱面。接收端装置为一个四分之一圆周结构的线圈，占接收端线圈模具的四分之一表面。
6.进一步地，所述发射端两个二分之一圆周结构发射线圈分别连接两个高频全桥逆变器和两组发射端补偿电路，两个高频全桥逆变器共用一组直流电源输入并且可以独立调整输出电压。高频逆变器可输出两档电压，高电压输出模式和低电压输出模式下的电压比例不低于20倍。当没有负载接入时，两组逆变器采用低电压输出模式，从而降低整体系统的损耗。
7.进一步地，所述发射端和接收端补偿电路中补偿电容均采用层叠式分散补偿电容结构设计，针对大电容值的补偿电容，选取小于其五十分之一的小容值电容作为电容单元，
采用多个小容值电容单元并联形成分散补偿结构，分散并联结构可以有效降低在补偿电容环节的电能损耗，并且多个小容值电容的排布上采用层叠结构，进一步通过增强其散热效果来降低其电能损耗。
8.进一步地，当没有负载接入时，两组逆变器a和逆变器b均以低电压输出，输出电压分别表示为u
a1
和u
b1
(u
a1
＝u
b1
)。通过电流检测模块实时监测两组逆变器输出的电流大小，在低电压输出模式下，当检测到逆变器a(或b)的输出电流i
a1
(或i
b1
)增大，表示负载端的接收线圈接入系统。并且通过比较两个逆变器输出电流i
a1
和i
b1
增大的幅值，若i
a1
大于i
b1
，则表示接收线圈接入的位置在逆变器a连接的二分之一圆周结构发射线圈a区域内，实现对接收线圈的定位，进而调整逆变器a的输出电压，使其工作于高电压输出模式，增加整体系统的无线能量补给功率。反之，若i
a1
小于i
b1
，则表示接收线圈接入的位置在逆变器b连接的二分之一圆周结构发射线圈b区域内，实现对接收线圈的定位，进而调整逆变器b的输出电压，使其工作于高电压输出模式，增加整体系统的无线能量补给功率。当逆变器处于高电压输出模式时，仍实时监测逆变器输出电流大小，当检测到逆变器a(或b)的输出电流i
a1
(或i
b1
)减小至一定程度，表示负载端的接收线圈退出系统或发生翻滚，将相应的逆变器a(或b)输出电压降低，调整至低电压工作模式，降低系统损耗。同时，如果另一组逆变器b(或a)的输出电流升高，则表示接收端发生翻滚，接收线圈转向另一发射线圈区域，进而调整另一组逆变器b(或a)的输出电压，使其工作于高电压输出模式，增加整体系统的无线能量补给功率，同时提升系统抗翻滚的能力，进一步降低因接收线圈翻滚导致的系统损耗。
9.本发明可以解决自主航行器的水下无线能量低能耗补给问题，提升整体智能化水平和无人化能力。
附图说明
10.下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。
11.图1是本发明首选实施方式的一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置示意图。
具体实施方式
12.下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。
13.本发明所述的一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置，该系统包括两个二分之一圆周结构发射线圈、一个四分之一圆周结构接收线圈、直流电源、两个高频全桥逆变器、层叠式分散补偿电容、发射端补偿电路用空心电感、电流检测模块。
14.所述发射线圈或接收线圈所在的圆柱夹层结构均为两层亚克力圆柱面构成，由利兹线绕制的发射线圈和接收线圈均安装在大小不同的圆柱模具夹层中，夹层采用灌胶防水工艺处理。并且发射线圈所在的圆柱模具半径较大，接收线圈所在的圆柱模具半径相对较小，两个圆柱模具同轴放置。发射端装置包括两个二分之一圆周结构的线圈，各占发射端线圈模具的二分之一表面，整体组成一个圆柱面。接收端装置为一个四分之一圆周结构的线圈，占接收端线圈模具的四分之一表面。
15.所述发射端两个二分之一圆周结构发射线圈分别连接两个高频全桥逆变器和两
组发射端补偿电路，两个高频全桥逆变器共用一组直流电源输入并且可以独立调整输出电压。高频逆变器可输出两档电压，高电压输出模式和低电压输出模式下的电压比例不低于20倍。例如低电压模式输出电压可以设置为5v，高电压输出模式的输出电压可以设置为100v。当没有负载接入时，两组逆变器采用低电压输出模式，从而降低整体系统的损耗。
16.所述发射端和接收端补偿电路中补偿电容均采用层叠式分散补偿电容结构设计，针对大电容值的补偿电容，选取小于其五十分之一的小容值电容作为电容单元，采用多个小容值电容单元并联形成分散补偿结构，分散并联结构可以有效降低在补偿电容环节的电能损耗，并且多个小容值电容的排布上采用层叠结构，进一步通过增强其散热效果来降低其电能损耗。例如，经过设计的补偿电容值为100nf，选择采用100个1nf的电容并联，且采用层叠结构以两层50个电容单元阵列组成补偿电容，降低在补偿电路环节的损耗并提升散热水平。
17.控制器可以优选为dsp芯片。
18.当没有负载接入时，两组逆变器a和逆变器b均以低电压输出，输出电压分别表示为u
a1
和u
b1
(u
a1
＝u
b1
)。通过电流检测模块实时监测两组逆变器输出的电流大小，在低电压输出模式下，当检测到逆变器a(或b)的输出电流i
a1
(或i
b1
)增大，表示负载端的接收线圈接入系统。并且通过比较两个逆变器输出电流i
a1
和i
b1
增大的幅值，若i
a1
大于i
b1
，则表示接收线圈接入的位置在逆变器a连接的二分之一圆周结构发射线圈a区域内，实现对接收线圈的定位，进而调整逆变器a的输出电压，使其工作于高电压输出模式，增加整体系统的无线能量补给功率。反之，若i
a1
小于i
b1
，则表示接收线圈接入的位置在逆变器b连接的二分之一圆周结构发射线圈b区域内，实现对接收线圈的定位，进而调整逆变器b的输出电压，使其工作于高电压输出模式，增加整体系统的无线能量补给功率。当逆变器处于高电压输出模式时，仍实时监测逆变器输出电流大小，当检测到逆变器a(或b)的输出电流i
a1
(或i
b1
)减小至一定程度，表示负载端的接收线圈退出系统或发生翻滚，将相应的逆变器a(或b)输出电压降低，调整至低电压工作模式，降低系统损耗。同时，如果另一组逆变器b(或a)的输出电流升高，则表示接收端发生翻滚，接收线圈转向另一发射线圈区域，进而调整另一组逆变器b(或a)的输出电压，使其工作于高电压输出模式，增加整体系统的无线能量补给功率，同时提升系统抗翻滚的能力，进一步降低因接收线圈翻滚导致的系统损耗。本发明可以解决自主航行器的水下无线能量低能耗补给问题，提升整体智能化水平和无人化能力。
19.上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

技术特征：
1.一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置，其特征在于，该系统包括两个二分之一圆周结构发射线圈、一个四分之一圆周结构接收线圈、直流电源、两个高频全桥逆变器、层叠式分散补偿电容、发射端补偿电路用空心电感、电流检测模块。2.根据权利要求1所述的一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置，其特征在于，发射线圈或接收线圈所在的圆柱夹层结构均为两层亚克力圆柱面构成，由利兹线绕制的发射线圈和接收线圈均安装在大小不同的圆柱模具夹层中，夹层采用灌胶防水工艺处理。并且发射线圈所在的圆柱模具半径较大，接收线圈所在的圆柱模具半径相对较小，两个圆柱模具同轴放置。发射端装置包括两个二分之一圆周结构的线圈，各占发射端线圈模具的二分之一表面，整体组成一个圆柱面。接收端装置为一个四分之一圆周结构的线圈，占接收端线圈模具的四分之一表面。3.根据权利要求1所述的一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置，其特征在于，发射端两个二分之一圆周结构发射线圈分别连接两个高频全桥逆变器和两组发射端补偿电路，两个高频全桥逆变器共用一组直流电源输入并且可以独立调整输出电压。高频逆变器可输出两档电压，高电压输出模式和低电压输出模式下的电压比例不低于20倍。当没有负载接入时，两组逆变器采用低电压输出模式，从而降低整体系统的损耗。4.根据权利要求1所述的一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置，其特征在于，发射端和接收端补偿电路中补偿电容均采用层叠式分散补偿电容结构设计，针对大电容值的补偿电容，选取小于其五十分之一的小容值电容作为电容单元，采用多个小容值电容单元并联形成分散补偿结构，分散并联结构可以有效降低在补偿电容环节的电能损耗，并且多个小容值电容的排布上采用层叠结构，进一步通过增强其散热效果来降低其电能损耗。5.根据权利要求1所述的一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置，其特征在于，当没有负载接入时，两组逆变器a和逆变器b均以低电压输出，输出电压分别表示为u
a1
和u
b1
(u
a1
＝u
b1
)。通过电流检测模块实时监测两组逆变器输出的电流大小，在低电压输出模式下，当检测到逆变器a(或b)的输出电流i
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(或i
b1
)增大，表示负载端的接收线圈接入系统。并且通过比较两个逆变器输出电流i
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和i
b1
增大的幅值，若i
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大于i
b1
，则表示接收线圈接入的位置在逆变器a连接的二分之一圆周结构发射线圈a区域内，实现对接收线圈的定位，进而调整逆变器a的输出电压，使其工作于高电压输出模式，增加整体系统的无线能量补给功率。反之，若i
a1
小于i
b1
，则表示接收线圈接入的位置在逆变器b连接的二分之一圆周结构发射线圈b区域内，实现对接收线圈的定位，进而调整逆变器b的输出电压，使其工作于高电压输出模式，增加整体系统的无线能量补给功率。当逆变器处于高电压输出模式时，仍实时监测逆变器输出电流大小，当检测到逆变器a(或b)的输出电流i
a1
(或i
b1
)减小至一定程度，表示负载端的接收线圈退出系统或发生翻滚，将相应的逆变器a(或b)输出电压降低，调整至低电压工作模式，降低系统损耗。同时，如果另一组逆变器b(或a)的输出电流升高，则表示接收端发生翻滚，接收线圈转向另一发射线圈区域，进而调整另一组逆变器b(或a)的输出电压，使其工作于高电压输出模式，增加整体系统的无线能量补给功率，同时提升系统抗翻滚的能力，进一步降低因接收线圈翻滚导致的系统损耗。

技术总结
本发明公开了一种应用于自主航行器的水下无线能量低能耗补给装置，该系统包括两个二分之一圆周结构发射线圈、一个四分之一圆周结构接收线圈、直流电源、两个高频全桥逆变器、层叠式分散补偿电容、发射端补偿电路用空心电感、电流检测模块。本发明提出的新型能量收发线圈结构有助于提升接收功率稳定性，并且通过分别检测两个高频全桥逆变器的输出电流大小，判断接收线圈所在区域，从而调整相应区域的高频逆变器出力，进一步降低因接收线圈翻滚导致的系统损耗。本发明可以实现自主航行器在水下进行能量无线低功耗补给，在提高接收端翻滚自由度的基础上，保障了接收功率和效率的稳定。保障了接收功率和效率的稳定。保障了接收功率和效率的稳定。


技术研发人员：刘瀚 王赟 印宇涵 张犁
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/8/5