CN110194066A - 一种基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，包括以下步骤：（1）充电桩利用直驱式波浪发电***发电，并储存至复合储能***中或利用全桥谐振逆变器对自主潜航器快速充电；（2）自主潜航器与充电桩的电磁铁通电，通过电磁铁将自主潜航器固定在充电桩上；（3）自主潜航器和充电桩通过谐振感应无线充电***实现无接触充电；（4）充电完成后，电磁铁断电，自主潜航器离开充电桩。本发明方法采用谐振感应无线充电***实现自主潜航器无接触充电。无接触充电法不像直接接触充电法需要很高精度的配对，能适应自主潜航器高度的变化，且维护简单。
Description
技术领域
本发明涉及基于波浪能能的自主潜航器的快速充电方法,属于电力***输电领域。
背景技术
近年来，自主潜航器(Autonomous Underwater Vehicles，AUVs)在海洋探索研究、军事探测和巡航应用得到越来越广泛的应用。但是其续航力、速度、航程以及有效载荷仍然受到潜航器上储能装置类型和容量的限制。充电装置及方法对于提高其性能指标至关重要。
目前，AUV的储能装置仍然占据了潜航器内的大量空间，这限制了AUV的续航力以及航程。AUV储能装置，按照种类可分为燃料电池、半燃料电池、一次和二次电池。大多数AUV使用锂电池。海洋环境中，具有丰富的可再生能源，如海洋波浪能、温差能、海流能、潮汐能。为保证AUV的隐匿性，波浪能在给AUV供电方面具有天然优势。利用海洋波浪能为AUV补充电能，可以减小储能装置的规模，并提高AUV的航程、速度以及有效载荷。因此如何实现给自主潜航器快速充电，显得很有必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对自主潜航器，提供一种基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，该控制方法包括如下步骤：
(1)充电桩利用直驱式波浪发电***发电，并储存至复合储能***中或利用全桥谐振逆变器对自主潜航器快速充电；
(2)自主潜航器与充电桩的电磁铁通电，通过电磁铁将自主潜航器固定在充电桩上；
(3)自主潜航器和充电桩通过谐振感应无线充电***实现无接触充电，谐振感应无线充电***分为负载部分和充电桩部分，分别设置在自主潜航器和充电桩内，直驱式波浪发电***发出的交流电经过PWM整流、全桥谐振逆变器输送至谐振感应无线充电***，复合储能***通过双向DC/DC电路输送电能至谐振感应无线充电***，通过耦合线圈将电能传送至二次侧，再传输给自主潜航器内储能；
(4)充电完成后，电磁铁断电，自主潜航器离开充电桩。
作为本发明的一种改进，所述的复合储能***通过监测直流母线电压值，控制复合储能充放电，当直流母线电压值高于参考值时，双向DC/DC电路变为Buck电路，直驱式波浪发电***发出电能，储存至复合储能***中，作为备用；当直流母线电压值低于参考值时，充电桩给自主潜航器充电，双向DC/DC电路变为Boost电路，通过直驱式波浪发电***以及复合储能***输出功率，给自主潜航器供电。
作为本发明的一种改进，所述的全桥谐振逆变器同一桥臂上、下开关管互补导通，对角线的两个开关管驱动波形相差移相角，改变移相角来调节***的输出功率。
作为本发明的一种改进，所述的全桥谐振逆变器开关频率保持在85kHz。
作为本发明的一种改进，将同一桥臂上待开通的功率管上升沿滞后于另一个功率管的下降沿时间，这个时间区域称为死区。
作为本发明的一种改进，所述的自主潜航器包括动力***、导航***、主电池区、副电池区、照明装置、应急照明装置、GPS/Wifi通信装置、声音通信装置、声呐装置、压力/深度传感器、无接触充电装置的负载部分以及电磁铁。
作为本发明的一种改进，所述的自主潜航器储能装置为锂离子电池储能装置。
作为本发明的一种改进，所述的直驱式波浪发电***和复合储能***两者之间通过电缆连接，其中复合储能为超级电容和铅酸蓄电池复合储能，超级电容和铅酸蓄电池之间为并联连接。
与现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果：
(1)本发明方法针对自主潜航器，提出了一种基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的快速充电方法，相较于太阳能发电***和风力发电***，直驱式波浪发电***能够设置在海面以下，能保证自主潜航器任务的隐匿性。
(2)本发明方法采用直驱式波浪发电***，利用海洋中丰富的波浪能，可以减小自主潜航器锂离子电池等储能装置的规模，将潜航器内宝贵空间用于其他方面，提高自主潜航器的航程、速度以及有效载荷。通过在海面下多点设置直驱式波浪发电充电桩，可以提高自主潜航器的续航力。
(3)本发明方法采用全桥谐振逆变器实现对自主潜航器快速充电。充电时，充电桩和自主潜航器的电磁铁通电，通过磁铁吸力将自主潜航器固定。与谐振式逆变器和半桥逆变器相比，全桥逆变电路具有电压利用率高、功率可调节范围大、控制方式灵活等优点。通过移相控制策略来控制***的输出功率，不需要增加额外的硬件电路，而且负载电路本身具有很好的滤波效果，其鲁棒性足以保持在85kHz。该控制技术的开关频率不变，避免了频率失控的问题。
(4)本发明方法采用谐振感应无线充电***实现自主潜航器无接触充电。无接触充电法不像直接接触充电法需要很高精度的配对，能适应自主潜航器高度的变化，且维护简单。
附图说明
图1为AUV以及无接触充电时的示意图。
图2为全桥谐振逆变器的电路拓扑。
图3为双向DC/DC电路的两种工作状态。
图4为双向DC/DC电路控制框图。
图5为谐振感应无线充电***结构图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步地说明。
AUV及直驱式波浪发电***：
本发明所使用的AUV以及无接触充电时的示意图如图1所示。其中，1为浮力执行器，为充电***提供浮力，浮力执行器保持与海平面的相对距离不变，因此海浪运动时，浮力执行器也会相应运动，从而通过系缆带动直线电机运动。2为系缆，浮力执行器通过系缆与直驱式波浪发电***连接。3为自主潜航器(AUV)。4为电磁铁(充电桩部分)，设置在充电桩顶部。当自主潜航器不充电时，电磁铁不通电，当自主潜航器需要充电时，电磁铁通电，通过磁铁吸力将自主潜航器固定。5为充电桩，包括超级电容器组、铅酸蓄电池组、双向DC/DC电路、PWM整流电路和全桥谐振逆变电路。超级电容器组和铅酸蓄电池组并联，通.过双向DC/DC电路实现储能充放电。6为电缆，连接直驱式波浪发电装置和充电桩。7为直驱式波浪发电装置，采用永磁直线电机发电。永磁直线电机将波浪能转化为电能，再通过充电桩中的PWM整流电路控制永磁直线电机输出功率，通过充电桩中的全桥谐振逆变电路将直流电转化为交流电输送至谐振感应无线充电***。
全桥谐振逆变器及控制策略：
如图3所示，全桥逆变器有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成，是目前单相逆变电源中应用最为广泛的拓扑结构。其工作原理是斜对角的两个开关管为一组且同时导通，两组开关管交替导通半个周期。
全桥逆变的优点是结构简单、对称，在不考虑死区的影响下，输出交流的幅值Usmax＝Udc，因此，同半桥式逆变相比，当负载相同时，其输出电压和电流的幅值都是半桥逆变电路的2倍，适用于各个功率等级的逆变电路，而且也不存在直流侧中点电压平衡的问题，所以控制上方便、灵活；缺点是相比于半桥，其需要的开关器件数量增加一倍，驱动电路较为复杂，成本较高。
与谐振式逆变器和半桥逆变器相比，全桥逆变电路具有电压利用率高、功率可调节范围大、控制方式灵活等诸多优点，因此，本发明方法采用全桥高频逆变，以获得更好的性能。
谐振线圈中的电流频率越高，其传输效率也越高，但是，太高的频率对开关器件来说却极为不利，一是由于开关损耗会随着开关频率的提高而增大，会造成逆变器的效率下降；二是开关器件的散热问题也越发突出，自然散热己经不能满足要求，需要附加风冷或水冷设备等；三是对逆变电路的储能电容、补偿电容的高频要求也随之增高，增大电源成本；四是频率提高到一定程度后，谐振线圈的效率提升并不明显(只能无限接近于1)；五是频段作为一种资源，本身可用的就很有限，如果不加限制，容易干扰己有的通信频段。
综合考虑以上因素，本发明方法采用2016年6月IEC颁布的WPT领域的61980标准，85kHz作为***的工作频率。
无接触电能传输***的高频逆变电源的控制方式根据工作频率是否变化可以分为两大类，一类是变频控制，包括调频控制、锁相环(Phase Locked Loop，PLL)控制；另一类是恒频控制，包括改变电路参数控制、改变输入电压控制、PWM控制、移相控制等多种控制方式。本发明方法采用恒频移相控制。
移相控制中所有开关管占空比均为50％，同一桥臂上、下开关管互补导通，对角线的两个开关管驱动波形相差移相角可通过调节移相角来调整传输线圈上电流大小，进而调节***的输出功率。通过移相控制策略来控制***的输出功率，不需要增加额外的硬件电路，而且负载电路本身具有很好的滤波效果，其鲁棒性足以保持在85kHz。该控制技术的开关频率不变，避免了频率失控的问题。
全桥谐振电路同一桥臂上的两个开关管不可以同时导通，如果两个开关管同时导通，就会形成短路。因此输入同一桥臂上的两个开关管的驱动信号必须互补控制，即S1导通时，S2须可靠截止。但是，实际情况中没有绝对理想的脉冲波，所有的数字信号实际都是模拟信号，在脉冲形成时，总会有上升时间与下降时间。理想情况是S1在上升沿时开通，S2在下降沿时关断。但如果S1在导通时，S2尚未有效关断，此时就形成短路，瞬时电流很大，并且会烧坏功率管。由于MOSFET的制造工艺总会有一些分散性，关断与开通的准确时间点，也有一定的随机性，因此为了确保功率管有效关断，设计同一桥臂上待开通的功率管上升沿滞后于另一个功率管的下降沿时间，这个时间区域，很有可能两个功率管都不导通，因此称为死区。设置死区可使功率管有效关断，避免两个功率管同时导通并短路的问题。
复合储能***控制策略：
超级电容为功率型储能元件，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、温度范围宽的特点，但其比能量较小、无法储存大量电能。将超级电容器与铅酸蓄电池互补使用，结合两者分别具有的高功率密度特性与高能量密度特性，将超级电容用于存储尖峰负荷相对应的能量，主要用于平抑发电机瞬时功率的变化，而铅酸蓄电池用于存储基荷相对应的能量。通过双向DC/DC电路，控制复合储能***的充放电。本发明采用铅酸蓄电池和超级电容复合储能，当充电桩不给AUV充电时，双向DC/DC电路变为Buck电路，直驱式波浪发电***发出电能，储存至复合储能***中，作为备用。当充电桩给AUV充电时，双向DC/DC电路变为Boost电路，通过直驱式波浪发电***以及复合储能***输出功率，给AUV供电。双向DC/DC电路两种工作状态如图3。其控制框图如图4所示。
谐振感应无线充电***：
水面下的直驱式波浪发电***吸收波浪能转换成电能，可以储存在充电桩中的复合储能***中，当AUV需要充电时，通过无接触充电方式，将充电桩复合储能内的能量传输至AUV。也可以当AUV需要充电时，通过无接触充电方式，具体是感应无线充电法(InductiveWireless Power Transfer，IWPT)，直接将直驱式波浪发电***发出的电能传输至AUV。本发明方法所用自主潜航器无接触充电装置采用谐振感应无线充电***(ResonantInductive Wireless Power Transfer，RIWPT)。RIWPT***的结构图如图5所示，由电力电子器件(逆变器/整流器)、RC补偿电路和耦合线圈组成，并向AUV供电。***参数包括一次侧自感LP和二次侧自感LS，以及互感M。该***由直驱式波浪发电***经过PWM整流得到直流电，经过PWM逆变器以及补偿电路得到交流电并传输至耦合线圈中。通过耦合线圈将一次侧电能传输至二次侧，实现无接触充电，二次侧交流电能经过RC补偿电路，再经过电力变换，给AUV充电。在该模型中，耦合线圈由等效耦合电路表示，IP为一次侧电流，IS为二次侧电流。
RC补偿电路用于补偿由于漏感较高而引起的高无功功率，被用于一次侧和二次侧以提高电能传输能力。与变压器不同的是，RIWPT***由于线圈之间的气隙较大，泄漏电感较高。在这样的松耦合***中，所需的无功功率可高达传输功率的50倍，这就要求给定传输功率的VA额定值非常高，从而限制了***的最大功率和效率。为了克服这个限制，将一个电容器并联或串联到初级和次级线圈上，以补偿漏电感。常用的四种补偿方法是串联-串联(Series-Series，SS)、串联-并联(Series-Parallel，SP)、并联-串联(Parallel-Series，PS)和并联-并联(Parallel-Parallel，PP)。Vinv是PWM逆变器输出电压，而CP和CS分别是一次侧、二次侧补偿电容。本发明采用的补偿方法为串联-串联(Series-Series，SS)。二次侧等效阻抗为：
为了最大化电能传输，二次侧等效阻抗Zr的虚部应该为0。此时，***运行在二次侧谐振频率二次侧等效阻抗Zr：
传输至AUV的电能为：
其中QS是二次侧有载品质因数。
谐振感应无线充电***分为无接触充电装置(充电桩部分)和无接触充电装置(负载部分)。其中，无接触充电装置(充电桩部分)设置在充电桩中。无接触充电装置(负载部分)设置在AUV中。
Claims (10)
1.一种基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：
（1）充电桩利用直驱式波浪发电***发电，并储存至复合储能***中或利用全桥谐振逆变器对自主潜航器快速充电；
（2）自主潜航器与充电桩的电磁铁通电，通过电磁铁将自主潜航器固定在充电桩上；
（3）自主潜航器和充电桩通过谐振感应无线充电***实现无接触充电，谐振感应无线充电***分为负载部分和充电桩部分，分别设置在自主潜航器和充电桩内，直驱式波浪发电***发出的交流电经过PWM整流、全桥谐振逆变器输送至谐振感应无线充电***，复合储能***通过双向DC/DC电路输送电能至谐振感应无线充电***，通过耦合线圈将电能传送至二次侧，再传输给自主潜航器内储能；
（4）充电完成后，电磁铁断电，自主潜航器离开充电桩。
2.根据权利要求1所述的基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，其特征在于：所述的复合储能***通过监测直流母线电压值，控制复合储能充放电，当直流母线电压值高于参考值时，双向DC/DC电路变为Buck电路，直驱式波浪发电***发出电能，储存至复合储能***中，作为备用；当直流母线电压值低于参考值时，充电桩给自主潜航器充电，双向DC/DC电路变为Boost电路，通过直驱式波浪发电***以及复合储能***输出功率，给自主潜航器供电。
3.根据权利要求1所述的基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，其特征在于：所述的全桥谐振逆变器同一桥臂上、下开关管互补导通，对角线的两个开关管驱动波形相差移相角，改变移相角来调节***的输出功率。
4.根据权利要求1所述的基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，其特征在于：所述的全桥谐振逆变器开关频率保持在85kHz。
5.根据权利要求1所述的基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，其特征在于：将同一桥臂上待开通的功率管上升沿滞后于另一个功率管的下降沿时间，这个时间区域称为死区。
6.根据权利要求1所述的基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，其特征在于：所述的自主潜航器包括动力***、导航***、主电池区、副电池区、照明装置、应急照明装置、GPS/Wifi通信装置、声音通信装置、声呐装置、压力/深度传感器、无接触充电装置的负载部分以及电磁铁。
7.根据权利要求1所述的基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，其特征在于：所述的自主潜航器储能装置为锂离子电池储能装置。
8.根据权利要求1所述的基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，其特征在于：所述的直驱式波浪发电***和复合储能***两者之间通过电缆连接，其中复合储能为超级电容和铅酸蓄电池复合储能，超级电容和铅酸蓄电池之间为并联连接。
9.根据权利要求1所述的基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，其特征在于：所述的直驱式波浪发电***为海面下直驱式波浪发电***，采用永磁直线电机发电，包括直线电机、浮力执行器、系缆、支座、电缆、电磁铁装置。
10.根据权利要求1所述的基于直驱式波浪发电***及全桥谐振逆变器的自主潜航器快速充电方法，其特征在于：所述的电磁铁，分别设置在充电桩复合储能***和自主潜航器上，自主潜航器需要充电时，电磁铁通电，通过磁铁吸力将自主潜航器固定，充电完成时，电磁铁断电。
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