重庆大学苏玉刚教授团队提出一种水下电场耦合式无线电能传输系统

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2022-07-18 06:58吉林媒体人,《电气技术》杂志社有限公司,科技领域创作者
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无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)技术将电力电子技术和现代控制理论与技术等相结合,通过磁场、电场、微波、激光等载体实现电能的无线传输,该技术已经成为了全球研究的热点,它可以解决传统导线直接电气接触带来的很多问题,具有广阔的应用前景。

电场耦合无线电能传输(Electric-filed Coupled Wireless Power Transfer, EC-WPT)技术利用金属板间的高频交变电场,实现能量无线传输,其耦合机构具有成本低、质量轻、形状易变等特点,系统工作时在耦合机构周围及之间的金属导体上产生的涡流损耗小,并且能够跨越金属传能。目前EC-WPT技术已经在消费电子、医疗用品及电动汽车等领域得到了广泛应用。

相对于空气中的EC-WPT技术而言,水下电场耦合无线电能传输技术的研究才刚刚起步。EC-WPT技术在水下应用具有诸多优势,其利用高频电场传能,产生涡流损耗较小;耦合机构采用金属极板,结构简单,在水下应用时只需在表面涂上一层绝缘层即可;金属极板比较坚固,能够适应深水中压强较大的场合。

此外,极板间的耦合电容是EC-WPT系统传能的关键因素,而水中的相对介电常数为81,能够极大地提高极板间的耦合电容,有利于提升系统的传输功率和效率。同时在系统中,耦合电容的提高意味着可以用更小的电感进行补偿,进一步减小了系统的体积且可以降低成本,有利于提高系统的功率密度。

目前面向水下的EC-WPT系统耦合机构主要采用四块正对的平行金属极板,不能适用于水下旋转设备无线供电的应用场景,且对于水下耦合机构发生位置偏移的情况尚未有文献进行研究。

针对水下环境中旋转设备无线供电的应用需求,以及取电设备移入移出可能会发生偏移的应用场景,重庆大学自动化学院、国家无线电能传输技术国际联合研究中心的研究人员苏玉刚、钱林俊、刘哲、邓仁为、孙跃,在2022年第10期《电工技术学报》上撰文,以淡水中利用电场耦合方式给旋转设备进行无线供电的应用为例,提出一种考虑绝缘层情况的水下通过旋转耦合机构供电的EC-WPT系统,分析绝缘层相对介电常数和厚度对电容的影响规律,得到绝缘层材料和厚度的选取方法,建立耦合机构模型。

图1 水下旋转式耦合机构示意图

研究人员以双侧LC补偿的EC-WPT系统为例,建立系统的等效电路模型,以系统输出功率、传输效率为待优化目标函数,系统频率、k值和补偿电感作为决策变量,将谐振条件、器件耐压耐流值和抗偏移性作为约束条件,给出基于第二代非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II)的多约束多目标优化方法,优化得到多约束条件下的Pareto最优前沿,根据实际需求选择一组最优解。

图2 系统实验装置

他们构建系统仿真模型,并搭建旋转式水下EC-WPT实验样机,通过实验比较在耦合机构及参数优化方法相同的情况下,系统在水下和空气中的能量传输性能,以及不同环境中的抗偏移效果。

表1 水下和空气环境指标对比

研究人员指出,当搭建的实验装置输出功率为311W时,传输效率为87.4%,系统纵向偏移20mm或横向偏移9mm时,输出功率和效率仍能满足需求。他们在实验中比较了在输入电压、负载、耦合机构和参数优化方法相同的情况下,系统在水下和空气中的输出功率、效率和抗偏移效果,结果表明,系统在水下的输出功率比空气中高约2倍,并且在水下的抗偏移性优于空气环境。

本文编自2022年第10期《电工技术学报》,论文标题为“水下具有旋转耦合机构的电场耦合无线电能传输系统及参数优化方法”。本课题得到了国家自然科学基金资助项目的支持。

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