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原文传递水下自主航行器双向无线充电系统设计与实现

论文题名：	水下自主航行器双向无线充电系统设计与实现
关键词：	水下自主航行器;双向无线充电;磁耦合装置;补偿网络;闭环控制
摘要：	海洋资源的探测和开发，需要借助水下自主航行器(AutonomousUnderwaterVehicle，AUV)和水下传感器(UnderwaterWirelessSensor，UWS)等水下探测设备。但是，水下探测设备的电能补给问题制约着工作的效率和适用范围。无线充电技术可以实现无接触充电，避免短路问题。同时，AUV作为灵活的探测设备，可以进入充电坞充电，也可以向UWS定点工作的水下设备提供电能。为此，本文将从磁耦合装置、双向传输谐振补偿网络、双向功率控制以及实验样机方面设计AUV双向无线充电系统。　　针对本文圆柱型AUV，通过分析环形和罐形磁耦合装置磁链耦合方式，设计了AUV周向上闭合的磁链，并提出了一种基于偶极线圈的磁耦合装置。首先从传统水下磁耦合装置中分析磁链耦合方式，对螺线管结构进行结构设计；根据磁耦合装置错位性能要求，采用参数扫描的方式得到磁耦合装置尺寸对错位性能影响规律。为实现磁耦合装置，本文对铁基纳米晶软磁材料进行了研究，通过磁场仿真软件与铁氧体材料耦合能力对比。最后结合AUV内部空间，对磁耦合装置磁场进行仿真测试。仿真实验结果表明，基于偶极线圈的磁耦合装置具有体积小，耦合性能较好，磁场约束能力强的特点。　　为实现水下双向无线电能传输，对谐振补偿网络拓扑和参数进行分析设计。针对电动汽车双向无线充电补偿网络拓扑进行建模分析，并结合水下双向传输功率控制要求等采用正向LCL-S补偿网络以及反向SS补偿网络。通过对双向无线电能传输补偿网络建模，得到系统输出电压、输出功率等要求。根据输出电压增益、输出功率、软开关条件等对双向补偿网络进行参数设计。在PSpice中搭建仿真电路，测试在错位情况下的系统输出能力和开关管工作状态，验证双向补偿网络设计的稳定性和有效性。　　通过对双向无线电能传输系统进行建模，获得在动态下的系统稳定工作频率范围。通过分析锂电池充电过程的负载电阻变化规律和双向功率控制过程，设计了双向DC-DC功率控制电路。正向传输采用Buck功率控制电路，反向传输利用Boost实现功率控制，并分析了双向DC-DC功率控制阻抗变化特点。通过在simulink中搭建双向DC-DC闭环仿真模型，实现了功率控制要求。最后，设计了双向无线充电闭环控制整体结构以及控制程序流程。　　为验证所设计双向无线充电系统可行性，搭建了双向无线充电系统的测试平台。首先制作了铁基纳米晶软磁材料的磁耦合装置，通过仿真和实测结果对比，所提出磁耦合装置可满足设计要求。设计了AUV侧双向传输和功率控制主电路以及开关管驱动和电压电流采样电路。对双向无线充电系统开展了开环和闭环的变负载和错位性能实验。测试结果表明，所设计双向无线充电系统电池充电负载范围内，正向传输开环实测输出功率650W，效率92.35%；反向传输开环实测输出功率600W，效率89.67%。通过仿真实验验证了正向无线充电可实现双闭环恒流恒压充电，反向传输可满足UWS侧电池恒流充电要求。最后测试正向无线充电系统在恒流过程充电中电流稳定在10.8A，恒压阶段的负载电压为54.7V，整机效率在84%以上；在两种错位情况下，反向无线充电闭环控制可维持系统充电电流10A，输出功率为400W，整机效率80%以上。
作者：	张言语
专业：	电气工程
导师：	蔡春伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020