基于電場感應的水下無線電力傳輸

李爭 高世豪 張巖 李彥辰 譚聰

摘 要：為了驗證水下電能傳輸的可行性和研究影響傳輸效率的因素，采用電場耦合原理進行了簡單的無線充電電路設計，對電場耦合式無線電能傳輸的系統結構和基本工作原理進行介紹，分析了其相比于磁場耦合方式的特點，以及由此帶來的相應優勢，通過多物理場仿真模擬極板間電場分布，設計了一種LC雙邊的CPT系統，采用單片機組成脈寬調制控制電路并用功率放大電路模塊組成發射端和接收端。結果表明了運用電場耦合原理進行無線充電的可行性，在研究中發現極板間的傳輸距離是影響水下無線充電效率的一個因素，而且兩個電極之間的雜散電容也會影響極板間的功率，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，不僅實現了水下無線電能傳輸， 還保證了在一定距離和頻率下傳輸效率的穩定。

關鍵詞：電力電子技術;電場耦合;無線電能傳輸;水下;極板間距;功率損耗

中圖分類號：TM935?文獻標志碼：A

文章編號：1008-1542（2018）06-0552-07

水下無線電能傳輸（wireless power transfer， WPT）技術是借助水介質實現將電能由能量發射端通過無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，消除了傳統接觸式供電方式所帶來的如導線裸露、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的安全性[1]，可用于海底基站對水下航行器（AUV） 的供電[2-4]、海洋浮標對水下設備的供電[5-6]、AUV對水下傳感器的電池補電以及對水處理節點的供電[7-8]。

基于磁場耦合方式的感應能量傳輸（inductive power transfer，IPT）和基于電場耦合方式的電容能量傳輸（capacitive power transfer， CPT）是兩種有效的無線電能傳輸方式。由于磁場耦合式具有傳輸功率較大，距離較遠，效率較高等優點[9-11]，目前國內外研究的熱點主要集中在磁場耦合方式。但是IPT存在成本高、質量大、對金屬敏感及產生渦流損耗等問題。而電場耦合作為同磁場耦合對偶的一種工作方式，采用高頻交變電場傳遞能量，僅用輕薄廉價的鋁板或銅板作為發射接收極，且在周圍存在金屬物體時，泄露電場不會在其中引起渦流損耗，對位置偏移具有很好的魯棒性[12-13]。

CPT在動態供電、電動汽車充電等方面有優勢。國外研究著重于水電耦合無線電力傳輸的效率改進。利用三維仿真和測量，闡明平行板電耦合器的S參數。基于該結果，通過仿真和實測結果揭示了淡水電耦合無線電力傳輸最大效率的頻率特性[15-17]。

印度學者對不同的無線充電器拓撲結構，變壓器設計方法，電池選擇標準以及與可再生能源的集成進行全面的標準規范化，此外，還解釋了給定系統的最大效率條件[15-17]。日本學者還通過電磁耦合的WPT在空氣和水中的10 kHz～1 MHz范圍內進行了測試，測量值與模擬值一致;比較了空氣和水中的特性，80倍的電容差導致諧振頻率附近的峰值篩選和峰值擴大;指出廣泛的特征峰意味著較難受到參數改變的影響。在這種情況下，電極位置的改變導致電容的改變，使得諧振頻率也隨之改變[18-20]。

目前該研究在中國還處在初級階段，研究工作開展較少，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，它能夠調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功功率。

1?系統建模與分析

1.1?電路拓撲分析

1.1.1?基于LC雙邊式CPT系統

LC雙邊式CPT系統如圖1所示，其主要包括供電直流電源、高頻逆變電路、耦合機構、補償網絡、整流部分和輸出濾波電路5個部分。發射極板和接收極板共同構成耦合機構，并可等效為一對集中電容。

系統的基本原理是直流電源經高頻逆變電路轉變為交變電壓，系統通過升壓網絡提升電壓后供給耦合單元。當兩塊接收極板放置在發射極板附近時，交變電場在接收極板上感應出電勢差，再經過降壓型網絡整流濾波成負載所需的直流電壓。系統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系統的耦合電容較小所以需要在高頻下進行能量傳輸，系統直流電在高頻逆變電路中轉為高頻交流電。

原邊補償網絡和副邊補償網絡由2個元件構成：串聯電感L，并聯電容C。補償電感和電容的作用是降低逆變器輸出無功功率。系統通過諧振提高極板間電壓同時實現軟開關。同樣L為調諧電感與耦合電容C組成諧振網絡，該拓撲結構采用全橋逆變相對于簡單的CPT而言更適合于大功率場合。

發射板在高壓、高頻交流電作用下與接收板產生互交電場，形成位移電流實現能量的傳遞。

1.1.2?補償網絡拓撲分析

在電容式無線能量傳輸方式的CPT系統中，發射側和接收側電容板之間的距離會產生很大的電場損耗，兩極板之間的互容相對較小漏電場很大。如果在諧振回路中不加入補償環節，發射側的漏電場會導致系統輸入電流與電壓之間的相角較大，功率因數較小，極大地增加了對供電電源容量的需求，同時還會增大開關器件的應力、不利于系統安全;而接收側線圈的漏電場則會降低系統的輸出電壓增益，減弱系統的功率傳輸能力。所以，為了提髙系統性能實現電路電場耦合必須加入補償環節。

電場耦合方式發射側和接收側諧振回路補償環節的拓撲結構將決定整體系統的輸出特性，其中原邊和副邊的補償網絡可為任意結構，其具體結構和參數是一個重要研究內容。目前使用較多的補償網絡為串聯電感方式，也有一些較為復雜的補償網絡來實現更高功率和效率，在此設計了一種LC雙邊式的補償網絡，其等效電路如圖2所示。

1.2?耦合極板模型建立

為了研究耦合機構的電場分布規律，考慮到計算的復雜性，采用多物理場仿真平臺來進行分析。由于電容器板周圍可能存在明顯的彌散場，因此模型中包含了空氣區域。實際上，彌散電場可以無限延伸，但其強度與距離的三次方成反比，因此場強會迅速減小，在數值上可以忽略不計。這里，假設空氣體積足夠大，能夠準確地捕捉彌散場，可以通過增大空氣體積并比較結果來檢查。假設為靜電條件時，每個電極整個表面的電勢必須相同否則電流將流過這些導體。本次要做到分析是空氣和水介質中的電勢分布，不必求解電極中的電位。可以采用以下2種方法：第一，在電極上應用終端域特征，或者從物理場接口的選擇中移除電極域，并在與空氣或電介質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，該方法更適用于無線充電的特征，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。仿真后耦合機構的電場分布情況如圖3和4所示，圖3為平板耦合機構對立放置時電場分布，圖4為平板耦合機構的水平放置時電場分布。

2?實驗平臺建立與驗證

2.1?實驗電路設計

能量發送端采用STM32F103微處理器作為控制器，發送端產生特定頻率高頻互補方波用于控制功率器件工作，功率部分采用全橋驅動，MOSFET型號為LR7843。MOSFET相比于晶體管沒有飽和壓降，其導通電阻僅有2 mΩ且導通時間和關斷時間都在40 ns以內，有效減小了導通損耗和開關損耗，提高了系統運行效率。在運行中

500 kHz開關頻率下，供電電壓25 V功率器件也僅僅是微熱。

MOS驅動器選擇HIP4082作為獨立驅動4N-MOS的全橋驅動器，它具有可編程死區時間

在驅動1 000 pF負載時上升，其下降時間僅為15 ns，也為系統的高頻運行提供前提條件，同時其具有貫通保護和欠壓保護，為系統可靠運行提供了條件。功率電路部分如圖5所示。

2.2?電路仿真

基于SIMULINK仿真平臺搭建了系統電路模型，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擬合出幅值為10 V的電壓，作為電路電源輸入。

圖8為經過降壓型網絡后整流濾波成負載所需的直流電壓電流波形，在0～0.05 ms快速充電后進入穩定狀態。

圖9給出了通過升壓網絡提升電壓后供給耦合單元的電壓和電流波形，電壓經升壓后得到交變電壓，當兩塊接收極板放置在發射極板附近時，交變電場在接收極板上感應出電勢差。

2.3?實驗驗證

根據仿真結果設計制作了水下無線電場耦合傳能實驗系統，系統采用頻率自跟蹤高頻逆變電源和一致尺寸的發射、接收極板組成的能量耦合機構，接收極板接收到的高頻能量經整流模塊轉換為直流;負載采用電子負載，系統的發射、接收功率及傳輸效率由功率計進行測量。功率分析儀通過測量輸入高頻逆變電源工頻交流電的電壓、電流有效值來計算得到輸入有功功率有效值，通過測量整流模塊輸出的電壓電流值計算出負載消耗的有功功率有效值，從而得到系統效率。圖10給出了實驗獲得的功率與極板距離關系。耦合極板由覆有防水膠密封的PCB板組成，極板尺寸設計為 7 cm×7 cm，頻率定在300 kHz，實驗平臺及波形如圖11—13所示。

3?結?論

本文研究了一種水下的無線電力傳輸系統，其電場耦合相當于電容充電的原理。在電路設計以及研究過程中發現，極板間的傳輸距離是此充電方式的關鍵問題，在水中進行電場耦合，極板間的水介質會影響電能的傳輸而且兩個電極之間的雜散電容也會影響極板間的功率，所以由于間隙的存在極板間的功率損耗較大。提出的設計方案實現了基于水下電場耦合的無線充電器的功能，并探討了水下電場耦合來進行無線充電的可行性。磁感應式水下無線電能傳輸是目前的研究熱點，水下無線電能傳輸系統在空氣、淡水、海水等不同介質中的傳輸特性研究有著重要意義。基于仿真軟件模擬極板和電路的電場和電壓電流的變化，通過實驗得出極板不同間距下的功率變化結果，對于水下電力傳輸的效率以及充電最佳頻率的選擇有待于更近一步的研究。

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