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水下无人航行器无线充电技术研究

余涛  
【摘要】:随着人类对海洋矿产资源的开发利用,水下无人航行器技术得到快速发展。为了保证水下无人航行器能够在水下长时间地执行任务,对其能源系统提出了很高的要求。而目前解决这一问题的方法主要有提高能量密度、加强能源管理、进行水下充电、降低设备功耗等。本文主要研究水下无线充电技术,研制出一套水下无人航行器无线充电系统。首先分析当前水下无线充电技术原理,设计出用于在水下进行无线充电的系统。其次根据水下环境介质特性以及Maxwell v12.0软件仿真结果,选择合适的磁芯材料及型号,并设计出适用的高频逆变电路及相应的控制电路、整流电路、功率补偿电路等。在完成整个水下无线充电系统硬件电路设计之后,进行相应的调试实验。由于本课题中水下无人航行器使用的能源类型为锂聚合物电池,因此需要研制出水下承压电池管理系统,从而保证电池的安全性。最后根据水下承压电池电芯的特性,设计出能够实时监测水下承压电池电芯的电压、充放电电流、内部环境温度等信息的系统,并进行相应的调试实验。论文主要的研究内容有:(1)将水下无线充电系统划分为初级电路、水下耦合电路、次级电路三个部分。根据各部分电路的功能,设计出合理的初级电路及次级电路。再根据水下环境介质特性,设计出合理的水下耦合电路,并进行相应的调试实验,从而实现水下无线电能传输。(2)在进行水下磁芯类型选择时,借助电磁场计算软件来进行水下电磁场仿真实验,获得在水中不同间距下磁芯的耦合系数。通过水下电磁场仿真实验的结果,选用在同一间距下耦合系数较大的磁芯,并且极大的提高了测试实验的效率。(3)为了减小水下无线电能传输系统的无功功率,提高水下无线电能传输效率,在设计时加入水下功率补偿电路。(4)水下承压电池过放电或者过充电都会损伤电池寿命。为了保证水下无人航行器所携带电池的安全性,需要设计出相应的电池管理系统。再通过进行水下承压电池的充放电实验证明了研制的水下承压电池以及电池管理系统的可靠性。


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