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自主式水下航行器非接触充电系统研究
| 论文题名： | 自主式水下航行器非接触充电系统研究 |
| 关键词： | 自主式水下航行器;非接触充电系统;耦合电能传输;动力电池;微控制器 |
| 摘要： | 自主式水下航行器(Automatic Underwater Vehicle，AUV)作为主要的动态观测平台，在海底探测和水下巡逻发挥重要作用。但由于自身动力电池所携带的能量有限，因此每次能量快要耗尽时，AUV需要返回母船进行能量补给，这约束了动态观测范围和海底探测效率。为了克服这一缺点，本文开展了AUV非接触充电系统研究，可使水下接驳基站无需直接的电气连接就可以给AUV动力电池充电。 AUV非接触充电系统涉及两个子系统，分别是水下感应耦合电能传输(InductivelyCoupled Power Transfer,ICPT)系统和充电管理系统。本文针对次级串联单边补偿的水下ICPT系统，提出了次级回路实现谐振补偿，初级回路实现移相软开关的设计方法，可以减小功率开关管的开关损耗来改善其发热情况。其次，本文针对AUV的腔体空间有限和动力电池容量大的特征，设计出基于微控制器的充电管理系统，其具有实时监控充电状态和均衡每个单体电池的功能。最后，为了使AUV非接触充电系统能稳定工作，本文通过水下ICPT系统的等效模型和开关模型推导出系统电压增益函数和开关管实现软开关的约束条件，并通过锂电池的Thevenin模型推导出在恒流恒压充电方式下锂电池的充电功率的数学表达式，为系统参数优化设计提供理论依据。 AUV非接触充电系统的设计主要包括三大内容。首先是空心线圈的设计，其中包括线圈匝数的确定和密封装置的设计;其次是硬件电路的设计，其中包括基于UCC3895的全桥逆变电路、具有谐振补偿的整流滤波电路、基于VICOR的降压电路、基于LT8705的充电电路、基于LTC4000的充电管理电路、基于LTC6802的电压采样及均衡电路和基于STM32主控制电路的设计;最后是软件程序开发，其中包括MCP3204、AD5242与LTC6802的驱动程序开发和基于Python的上位机开发。 本文设计了一套AUV非接触充电系统的样机，并通过试验得知当水下ICPT系统的移相角处于合理范围内可使开关管在全负载下实现软开关;其次，通过充电管理系统可以实时监控充电状态并得到AUV动力电池组的充电功率曲线;最后，通过联合调试得知该系统样机能稳定工作，且最大非接触充电功率可达524W，整体传输效率为63％。 |
| 作者： | 邬国权 |
| 专业： | 机械电子工程 |
| 导师： | 杨灿军;李德骏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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