劉潤鵬, 楊金明

一種改進(jìn)線圈結(jié)構(gòu)的AUV無線充電系統(tǒng)

劉潤鵬, 楊金明

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院, 廣東 廣州, 510640)

通過應(yīng)用無線充電技術(shù), 可以將自主水下航行器(AUV)制作成全封閉狀態(tài), 避免海水腐蝕, 消除漏電的危險(xiǎn)。為解決AUV無線充電過程中可能存在的電磁干擾問題, 優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu), 文中設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)線圈結(jié)構(gòu)的AUV無線充電系統(tǒng), 可應(yīng)用于AUV充電裝置中。ANSYS MAXWELL的仿真結(jié)果表明, 所提出的線圈結(jié)構(gòu)能夠使耦合磁場主要分布于AUV外殼附近, 最大程度地降低了對AUV內(nèi)部器件的影響, 且在發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移時(shí)仍能保持互感的穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 所搭建無線充電系統(tǒng)在發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移時(shí)輸出電壓波動小于10%, 傳輸40 W電能的效率約為70%。

自主水下航行器; 無線充電; 電磁干擾; 線圈

0 引言

隨著人類對海洋探索范圍的擴(kuò)大, 海洋移動自主觀測裝置的應(yīng)用方興未艾。其中, 自主水下航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)通過海洋巡查和監(jiān)測, 可以為岸上人員提供有價(jià)值信息, 在海洋探索和開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用。實(shí)際使用中, AUV所攜帶的電池電量有限, 需要返回充電。目前常用的充電方式一般是將AUV打撈上岸更換電池或重復(fù)充電, 這些方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 而且頻繁更換電池可能導(dǎo)致接觸不良問題[1]。

為了使AUV的充電過程更加便捷高效, 水下無線充電技術(shù)受到了廣泛重視。通過無線傳輸電能的方式, 不僅免去了將AUV打撈上岸的環(huán)節(jié), 還有望將整個(gè)航行器制作成全封閉狀態(tài), 既能避免被海水腐蝕, 還能消除充電時(shí)摩擦和漏電的危險(xiǎn)。

然而, 目前對于AUV無線充電的研究大多關(guān)注于充電效率和水下?lián)p耗分析, 較少針對AUV的特殊結(jié)構(gòu)和水下應(yīng)用場合對線圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。目前大多數(shù)研究采用的線圈結(jié)構(gòu)與陸上電動汽車無線充電采用的線圈結(jié)構(gòu)類似, 發(fā)射線圈和接收線圈垂直于AUV的圓柱體軸線上, 使得高頻耦合磁場集中在AUV內(nèi)部, 可能會干擾AUV內(nèi)部器件的工作。

文獻(xiàn)[3]分析了目前幾種常見的線圈充電結(jié)構(gòu)的耦合磁場分布, 雖然能夠通過優(yōu)化現(xiàn)有線圈結(jié)構(gòu), 在傳輸一定功率時(shí)將磁場影響控制在合理范圍, 但在傳輸更大功率時(shí)將無法滿足要求。文中借鑒文獻(xiàn)[4]和[5]中的垂直十字形接收線圈結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)了適用于AUV無線充電的線圈, 使得高頻耦合磁場對AUV內(nèi)部器件的影響盡可能小, 并通過MAXWELL有限元仿真軟件研究該線圈結(jié)構(gòu)的耦合磁場分布和抗偏移性能。

在無線電能傳輸系統(tǒng)中, 補(bǔ)償拓?fù)鋵﹄娔軅鬏數(shù)挠绊懸埠艽?。常用的補(bǔ)償拓?fù)浒ㄗ詈唵蔚脑叴?lián)-副邊串聯(lián)(S-S)補(bǔ)償拓?fù)湟约拜^為復(fù)雜的原邊電感電容電感-副邊電感電容電感(LCL- LCL)拓?fù)洹UV無線充電的發(fā)射線圈和接收線圈距離較小, 因此對無線電能傳輸距離要求不高, 可采用較為常見的S-S補(bǔ)償拓?fù)? 即發(fā)射和接收線圈各自串聯(lián)諧振電容的補(bǔ)償方式。這樣可以提高電能接收部分的集成度, 降低制造成本。為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否在發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移時(shí)維持電壓恒定并以較高效率傳輸電能, 將搭建實(shí)物電路驗(yàn)證。

1 改進(jìn)結(jié)構(gòu)線圈設(shè)計(jì)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

在無線電能傳輸中, 傳輸線圈的結(jié)構(gòu)對傳輸效率和傳輸能力有較大影響, 對于AUV的水下無線充電應(yīng)用場景, 還需考慮AUV本身結(jié)構(gòu)較小、內(nèi)部器件緊密度高、存在旋轉(zhuǎn)偏移等問題。AUV的無線充電傳輸線圈的設(shè)計(jì)原則應(yīng)考慮以下幾方面:

1) 線圈形狀應(yīng)與AUV的圓柱體結(jié)構(gòu)貼合, 盡量減少傳輸線圈和接收線圈之間的距離;

2) 在保證傳輸效率和傳輸功率的前提下, 應(yīng)優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu), 控制磁芯用量, 盡量減小充電裝置的體積和重量;

3) 當(dāng)AUV存在旋轉(zhuǎn)偏移時(shí), 所設(shè)計(jì)的線圈能夠保持互感參數(shù)的穩(wěn)定, 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出功率;

4) 盡量縮小傳輸線圈產(chǎn)生磁場在AUV中的分布范圍, 減少高頻磁場對AUV內(nèi)部器件的干擾。

目前大多數(shù)研究所采用的發(fā)射線圈和接收線圈都是空心圓盤形, 且處于同一軸線上, 這種結(jié)構(gòu)能夠保證較高的傳輸效率, 且不存在旋轉(zhuǎn)偏移帶來的互感波動問題。然而由于傳輸線圈與AUV同軸線, 線圈間的耦合磁場將集中于AUV內(nèi)部, 雖然能通過優(yōu)化線圈和磁芯的設(shè)計(jì)保證一定功率下磁場對其他器件的干擾保持較低水平, 但隨著傳輸功率的增大, 磁場干擾將越發(fā)難以避免。為此, 設(shè)計(jì)非同軸線的傳輸線圈十分必要。

文獻(xiàn)[4]中介紹了一種消化道膠囊形內(nèi)窺器的無線充電線圈設(shè)計(jì), 為配合內(nèi)窺器的較小體積和旋轉(zhuǎn)偏移, 采用了垂直十字形的接收線圈, 該接收線圈在膠囊形內(nèi)窺器發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移時(shí)仍能保持傳輸功率的穩(wěn)定, 且磁場的傳輸方向和膠囊形內(nèi)窺器的軸線正交。該種類型的接收線圈示意圖如圖1所示。如果將這種無線電能傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)思想應(yīng)用于AUV的水下充電中, 使接收線圈和高頻磁場與AUV的軸線正交, 將有望減少高頻磁場對AUV內(nèi)部器件的影響。

圖1所示的接收線圈由線圈和線圈組成, 兩接收線圈互相垂直, 平行于高頻磁場。當(dāng)磁場頻率為且方向?yàn)閳D中軸負(fù)方向時(shí), 與線圈的夾角為, 此時(shí)可得出穿過兩線圈的磁通量和感應(yīng)電壓為

式中:Ψ代表通過線圈的磁通量;Ψ代表通過線圈的磁通量;為磁場強(qiáng)度;為線圈和線

圖1 垂直螺旋線圈示意圖

圈的線圈面積;為兩線圈各自的匝數(shù)。

若接收線圈和接收線圈串聯(lián)在一起, 則總磁通量為

由上式可以發(fā)現(xiàn), 在特定角度下, 磁通量有可能一直為0, 所以一般不采取直接串聯(lián)方式。但若將線圈和線圈直接并聯(lián)在一起, 由于線圈和線圈的輸出電壓一般情況下不相同, 可能出現(xiàn)耦合系數(shù)較大的線圈被短路解耦的問題[4]。后文將主要研究兩接收線圈經(jīng)過整流后再串聯(lián)或并聯(lián)的方式。

將上文中垂直十字形接收線圈的設(shè)計(jì)思路應(yīng)用于AUV無線充電的線圈設(shè)計(jì)中, 設(shè)計(jì)出如圖2所示的無線充電線圈結(jié)構(gòu)。

所設(shè)計(jì)的無線充電線圈的發(fā)射線圈和接收線圈由利茲線圈和方條I型錳鋅鐵氧體磁芯組成。其中發(fā)射線圈包含8個(gè)繞在鐵氧體磁芯上的線圈1~8, 8個(gè)線圈串聯(lián)組成發(fā)射線圈, 貼合AUV外殼。通過改變線圈繞向, 使得1和5、2和6、3和7、4和8的磁場方向相同, 整個(gè)發(fā)射線圈所產(chǎn)生的磁場分布如圖2所示。

接收線圈包含4個(gè)繞在錳鋅鐵氧體磁芯上的繞組, 其中線圈1和線圈2串聯(lián)在一起, 組成線圈, 相當(dāng)于圖1中的線圈, 線圈1和線圈2串聯(lián)在一起, 組成線圈, 相當(dāng)于圖1中的線圈。2個(gè)接收線圈互不相連, 貼近AUV內(nèi)壁。

1.2 旋轉(zhuǎn)偏移分析

由某一磁芯上的發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁通將主要與靠近該磁芯的接收線圈耦合, 使得高頻磁場主要分布于AUV外殼附近的小片區(qū)域, 對于AUV的其他部分影響較小。

通過以上分析, 2個(gè)接收線圈的組合不能采取直接串聯(lián)或直接并聯(lián)的方式, 對于2個(gè)線圈各自經(jīng)整流后串聯(lián)或并聯(lián)的連接方式, 展開以下討論。

圖2 改進(jìn)結(jié)構(gòu)線圈示意圖

如果2個(gè)接收線圈采取各自整流后再串聯(lián)的方式, 由于串聯(lián)對同一負(fù)載供電, 流過2個(gè)接收線圈的電流幅值一定相等, 但相位可能相同, 也可能相差180°。雖然相位會有差異, 但兩線圈經(jīng)過整流的輸入直流電壓可以加和, 因此接收線圈和發(fā)射線圈之間總互感可表示為

式中:M為發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感;M為發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感。

如果2個(gè)接收線圈采取各自整流后再并聯(lián)給負(fù)載供電, 易知只有輸出電壓較大的線圈才能經(jīng)過整流輸出, 輸出電壓較小線圈的整流橋?qū)o法導(dǎo)通, 由此可得此時(shí)接收線圈和發(fā)射線圈之間總互感為

采用整流后串聯(lián)的總互感明顯大于整流后并聯(lián)的總互感, 但是在線圈設(shè)計(jì)中, 另一個(gè)需要考慮的因素是由于水下洋流作用, AUV可能存在一定的旋轉(zhuǎn)偏移, 產(chǎn)生圖1中θ角。為了驗(yàn)證在發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移時(shí)哪種連接方式能夠保持互感的穩(wěn)定, 在有限元仿真軟件ANSYS MAXWELL中搭建了所提的無線充電線圈結(jié)構(gòu), 如圖3所示。

通過MAXWELL的參數(shù)掃描功能, 設(shè)定角從0~360°每次變化2°, 經(jīng)整理后得出2種組合方式下發(fā)射線圈和接收線圈的總互感變化, 如圖4所示。

由圖可知, 采用整流后串聯(lián)的總互感比整流后并聯(lián)的總互感大, 但其波動也較大, 采用整流后并聯(lián)的總互感基本維持在20 μH左右, 因此文中將采用線圈和線圈經(jīng)過整流后并聯(lián)給負(fù)載供電的連接方式。

1.3 磁場分布對比

為了驗(yàn)證所提出的設(shè)計(jì)是否有效減少磁場對AUV內(nèi)部器件的影響, 在有限元仿真軟件ANSYS MAXWELL中將所提線圈結(jié)構(gòu)與較為流行的同軸線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比。為保證對比的準(zhǔn)確, 2種線圈結(jié)構(gòu)的體積基本一致, 接收線圈和發(fā)射線圈之間的互感也保持一致。每塊磁芯的尺寸為40 mm×25 mm×10 mm, AUV外徑為11 cm。初步仿真計(jì)算出2種線圈結(jié)構(gòu)各自的發(fā)射接收線圈的自感和互感后, 將數(shù)值分別代入SIMULINK中, 測量出2種線圈結(jié)構(gòu)在相同的外電路設(shè)計(jì)和負(fù)載下, 傳輸200 W電能時(shí)流過發(fā)射線圈和輸出線圈的電流大小。通過SIMULINK得到仿真中所用到的參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)列表

將電流數(shù)值分別輸入MAXWELL中2種線圈的給定激勵(lì), 得出2種線圈結(jié)構(gòu)在與軸線垂直和平行的2種截面下的磁場強(qiáng)度分布, 如圖5和圖6所示。4張磁場強(qiáng)度分布截面圖采用完全相同的刻度大小和范圍, 從仿真圖中可以看出, 在與AUV軸線垂直的-截面上, 2種線圈結(jié)構(gòu)的磁場分布有所差異, 采用改進(jìn)結(jié)構(gòu)線圈的磁場多分布在AUV外殼及外圍, 采用傳統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)的磁場則在發(fā)射線圈和接收線圈之間均勻分布。

在與AUV軸線平行的-截面下, 二者差異更為明顯, 改進(jìn)結(jié)構(gòu)線圈的耦合磁場主要分布于發(fā)射接收線圈和AUV外殼附近, 而傳統(tǒng)無線充電線圈所產(chǎn)生的耦合磁場貫穿AUV艙體, 因此改進(jìn)的結(jié)構(gòu)線圈的耦合磁場對AUV內(nèi)部器件的影響更小。

圖5 2種無線充電線圈X-Y截面磁場強(qiáng)度圖

圖6 2種無線充電線圈Y-Z截面磁場強(qiáng)度圖

2 外電路設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 外電路設(shè)計(jì)

在無線電能傳輸系統(tǒng)中, 補(bǔ)償拓?fù)溆绊懼到y(tǒng)的傳輸效率和電壓電流大小。補(bǔ)償拓?fù)湟话闶窃谠吅透边叴?lián)(S)或并聯(lián)(P)電容, 與線圈電感發(fā)生諧振。常見的拓?fù)浒⊿-S, 原邊串聯(lián)-副邊并聯(lián)(S-P), 原邊并聯(lián)-副邊并聯(lián)(P-P), 也有研究在補(bǔ)償電容基礎(chǔ)上加入電容電感(LC)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), 構(gòu)成了更為復(fù)雜的電感電容電感(LCL)補(bǔ)償拓?fù)洹?/p>

如前文所述，對于AUV無線充電系統(tǒng)，考慮使用S-S補(bǔ)償拓?fù)? 提高電能接收部分的集成度, 也能降低制造成本。外電路連接如圖7所示。

圖7 電路連接示意圖

盡管電路中有2個(gè)接收線圈, 但是由于采用接收線圈采取整流后再并聯(lián)給負(fù)載充電的方式, 且發(fā)射線圈和接收線圈之間互感基本恒定, 因此只需分析發(fā)射線圈和其中一個(gè)接收線圈即可。此外, 由于2組接收線圈相互垂直, 實(shí)際中互感極小, 所以忽略接收線圈之間的互感。

圖7中,in為直流電壓源, 經(jīng)過1~44個(gè)可控開關(guān)管組成的逆變橋后, 逆變?yōu)榉讲妷?i>u, 在方波電壓作用下發(fā)射線圈L產(chǎn)生交流電流i, 使接收線圈側(cè)感產(chǎn)生交流電壓jωMi, 經(jīng)過整流橋后向負(fù)載供電, 在S-S補(bǔ)償拓?fù)渲? 原邊補(bǔ)償電容與原邊傳輸線圈串聯(lián)諧振, 副邊補(bǔ)償電容與副邊傳輸線圈串聯(lián)諧振。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)傳輸電能的穩(wěn)定性和傳輸效率, 搭建出實(shí)物如圖8和圖9所示。其中每塊磁芯的大小與MAXWELL中的仿真大小相同, 為40 mm ×25 mm×10 mm。線圈使用3 mm利茲線繞線。電路使用型號為TMS320F28335的數(shù)字信號處理器(digital signal processor, DSP)產(chǎn)生占空比50%的100 kHz脈沖信號, 脈沖信號經(jīng)過IR2110芯片組成的逆變驅(qū)動電路放大后, 控制逆變電路中的開關(guān)管開斷, 其中開關(guān)管型號為MOSFET- IRFP260N。接受端的整流橋由4個(gè)型號為HER308的二極管組成。發(fā)射線圈和接收線圈相距約為15 mm, 輸入直流電壓為50 V。電路中各元件參數(shù)如表2所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)電路連接示意圖

圖9 傳輸線圈實(shí)物

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)列表

圖10 逆變橋輸出電壓和電流波形

通電后, 逆變橋輸出電壓和電流經(jīng)示波器記錄后如圖10所示。從圖中可知, 逆變橋輸出±50 V的電壓方波。由于電路本身具有一定濾波作用[6], 使得逆變橋輸出電流為正弦形, 與電壓波形同相位, 說明原邊和副邊補(bǔ)償電容已經(jīng)與所串聯(lián)的線圈諧振。

當(dāng)接收線圈分別發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移時(shí), 系統(tǒng)的輸出電壓波動如圖11所示。

圖11 負(fù)載電壓波動曲線

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知, 當(dāng)偏移角度在–90o~90o之間時(shí), 負(fù)載電壓在13.2~14 V之間波動, 電壓波動小于10%。經(jīng)計(jì)算, 所搭建無線充電系統(tǒng)的傳輸效率約為70%。經(jīng)過粗略分析, 功率損耗集中在耦合線圈。

通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn), 改進(jìn)的線圈結(jié)構(gòu)AUV無線電能傳輸系統(tǒng)在發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移時(shí)基本能夠保持輸出電壓的恒定, S-S補(bǔ)償拓?fù)淠軌蚴瓜到y(tǒng)的電能傳輸保持較高效率。

需要說明的是, 在實(shí)際使用中, 充電槽是置于水下的, 發(fā)射線圈和接收線圈之間會有海水存在。不過由于發(fā)射線圈外殼和AUV外殼相互貼緊, 之間海水較少, 忽略后影響不大。相關(guān)研究也表明, 在耦合頻率在100 kHz附近時(shí), 線圈在水下和空氣中的電氣參數(shù)幾乎無差別, 渦流損耗引起的效率降低也不明顯[7-10], 故文中的無線充電實(shí)驗(yàn)沒有在水下進(jìn)行。

3 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)線圈結(jié)構(gòu)的AUV無線充電系統(tǒng), 通過ANSYS MAXELL有限元仿真和搭建實(shí)物實(shí)驗(yàn), 驗(yàn)證了所提改進(jìn)結(jié)構(gòu)線圈可以優(yōu)化無線電能傳輸時(shí)耦合磁場的分布, 使耦合磁場主要分布于線圈所在截面的AUV外殼附近, 比起傳統(tǒng)無線充電線圈所產(chǎn)生的耦合磁場分布在AUV艙體內(nèi), 改進(jìn)線圈結(jié)構(gòu)的無線充電系統(tǒng)對AUV內(nèi)部器件的影響更小。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 在AUV發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移時(shí), 輸出電壓基本保持穩(wěn)定, 驗(yàn)證了所提設(shè)計(jì)的有效性。之后將深入研究水下無線充電的效率提升和海水影響。

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AUV Wireless Charging System with Improved Coil Structure

LIURun-peng, YANGJin-min

(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

By applying wireless charging technology, the autonomous undersea vehicle (AUV) can be made into a fully enclosed structure to avoid corrosion in seawater and eliminate the risk of leakage of electricity. In order to solve the electromagnetic interference problem that may exist in the AUV wireless charging process and optimize the coil structure, an AUV wireless charging system with improved coil structure is designed, which can be used in AUV charging device. Simulation results in ANSYS MAXWELL show that the proposed coil structure can make the coupled magnetic field mainly distributed in the vicinity of the AUV casing, minimizing the influence on the internal components of the AUV, and maintaining the mutual inductance stability even when the rotational offset occurs. Experimental results show that the output voltage fluctuation of the built-in wireless charging device is less than 10% in the condition of rotational offset, and the efficiency is about 70% for transmitting 40 W of electric energy.

autonomous undersea vehicle(AUV); wireless charging; electromagnetic interference; coil

TJ630.32; TN973

A

2096-3920(2020)03-0323-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.013

2019-10-10;

2019-11-03.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177050).

劉潤鵬(1996-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向?yàn)闊o線電能傳輸.

劉潤鵬, 楊金明. 一種改進(jìn)線圈結(jié)構(gòu)的AUV無線充電系統(tǒng)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(3): 323-329.

(責(zé)任編輯: 許 妍)