Design and analysis of an underwater inductive coupling power transfer system for autonomous underwater vehicle docking applications

We develop a new kind of underwater inductive coupling power transfer(ICPT)system to evaluate wireless power transfer in autonomous underwater vehicle(AUV)docking applications.Parameters that determine the performance of the system are systematically analyzed through mathematical methods.A circuit simulation model and a finite element analysis(FEA)simulation model are developed to study the power losses of the system,including copper loss in coils,semiconductor loss in circuits,and eddy current loss in transmission media.The characteristics of the power losses can provide guidelines to improve the efficiency of ICPT systems.Calculation results and simulation results are validated by relevant experiments of the prototype system.The output power of the prototype system is up to 45 W and the efficiency is up to 0.84.The preliminary results indicate that the efficiency will increase as the transmission power is raised by increasing the input voltage.When the output power reaches 500 W,the efficiency is expected to exceed 0.94.The efficiency can be further improved by choosing proper semiconductors and coils.The analysis methods prove effective in predicting the performance of similar ICPT systems and should be useful in designing new systems.

水下磁耦合式无线电能传输系统建模与分析

无线电能传输技术是解决水下设备续航问题的有效手段,但无线电能传输技术在水下应用时会受到海洋环境的影响。针对水下磁耦合式无线电能传输MCR-WPT(magnetically-coupled resonant wireless power transfer)系统,论述了磁耦合式无线电能传输系统的系统组成,建立了水下磁耦合式无线电能传输系统电路模型,并对海洋环境中产生的涡流损耗进行了定量分析。根据海洋环境分析了海水水流冲击对磁耦合式无线电能传输系统影响,并搭建实验平台进行验证。

水下单线电能传输机理分析及实验研究

为了实现缆系水下感知平台挂载传感器的低成本、非接触全天候供电,提出了一种以系泊缆和开放海水构成电能传输链路的水下单线电能传输系统。首先从电磁波在系泊缆和海水中的传播机理进行了分析,建立了麦克斯韦方程组并通过分析得到了电磁波束缚在系泊缆表面传播的结论;然后使用Ansys/HFSS软件建立了系泊缆在海水中的模型,仿真得到了电磁场分布情况以及坡印廷矢量分布情况,验证了理论分析的正确性;最后搭建了50 m单线电能传输实验样机,在海水中进行了电能传输实验。实验结果表明,提出的水下单线电能传输系统最高可以实现187 W的电能传输,系统最大效率可达49.2%,证明水下单线电能传输系统具有为缆系水下感知平台挂载传感器非接触供电的可行性。

水下无线电能传输技术及应用研究综述

为了解决海洋水下设备的能源供给问题,无线电能传输技术正成为新型的水下电能传输方式,它具有传统的电能补给方式不可比拟的技术优势,可有效提高水下设备的供电安全性、可靠性、便捷性和隐蔽性。本文在分析水下无线电能传输技术发展现状基础上,论述电磁感应式、磁耦合谐振式和超声波耦合式三种水下无线电能传输技术的实现原理和优缺点,总结分析当前水下无线电能传输领域的研究热点,最后针对技术发展趋势,阐述了水下无线电能传输亟需解决的技术问题。

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

现有水下环境的电场耦合式无线电能传输(EC-WPT)系统耦合机构大多采用平板式,无法适用于水下旋转场合无线供电应用场景。针对以上问题,提出一种水下具有旋转耦合机构的EC-WPT系统,给出耦合机构绝缘层相对介电常数和厚度对耦合电容的影响规律和绝缘层材料及厚度的选取方法,并建立耦合机构模型;以双侧LC补偿的EC-WPT系统为例,建立该系统的等效电路模型,以系统输出功率和传输效率为优化目标,将抗偏移性作为约束条件之一,给出基于第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)的多约束多目标优化方法;通过LT-Spice仿真验证了参数优化方法的可行性和有效性;实验中搭建具有水下旋转耦合机构的EC-WPT系统样机,实现311W的功率传输,效率为87.4%,系统具有良好的抗偏移性。实验比较了水下和空气中的能量传输性能,在耦合机构及参数优化方法相同的情况下,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。

水下无人航行器水下无线充电关键技术研究

目前水下无人航行器可以承担搜救、情报、监视和侦察任务,具有重要的应用价值。但其续航能力及充电问题,制约着水下无人航行器的机动能力。本文通过分析水下无线充电技术优势,研究不同国家及机构对水下无人航行器水下无线充电技术的应用成果,提出水下无线充电关键技术,针对磁耦合机构设计、水下损耗分析、双向能量传输拓扑及控制策略及水下磁通信技术4个方向展开深入讨论。

基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统设计

针对单级LC谐振型电场耦合式水下无线电能传输(electrical-field coupled power transfer,ECPT)系统的输出功率低、谐振容量小、频率漂移大等关键问题,设计一种更适于海水环境下的无线电能传输系统。该系统基于CLC-S调谐网络,综合E类放大器效率高、频率高等优点,实现较大的功率输出。利用Maxwell有限元仿真软件,对海水环境下耦合机构的电容值进行了有限元分析。通过对水下耦合机构进行试验,分析负载品质因数Q、归一化频率μ对水下无线电能传输系统的影响规律,可为水下ECPT系统设计提供参考。

基于无线供电的LED水下景观灯设计

针对水下景观灯的电缆布线复杂、后期维修困难、存在漏电隐患等问题,提出一种基于无线供电的水下LED景观照明系统。采用COMSOL软件建立耦合线圈模型,对不同形状和尺寸的耦合线圈,从发射线圈与接收线圈间传输距离、位置偏移和传输角度方面,仿真分析了水下系统的无线电能传输特性。设计了全桥逆变模块和LED驱动电源。最后,搭建系统实验平台,实验验证了水下景观灯无线供电系统的有效性。水下灯具的无线供电模式提高了系统的灵活性,具有一定的应用价值。