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水下MC-WPT系统最大效率跟踪及宽功率调节复合控制方法

李皓 钱林俊 李盛洪 王锋 李志强

李皓, 钱林俊, 李盛洪, 等. 水下MC-WPT系统最大效率跟踪及宽功率调节复合控制方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0065
引用本文: 李皓, 钱林俊, 李盛洪, 等. 水下MC-WPT系统最大效率跟踪及宽功率调节复合控制方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0065
LI Hao, QIAN Linjun, LI Shenghong, WANG Feng, LI Zhiqiang. Maximum efficiency tracking and wide power regulation composite control method for underwater MC-WPT system[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0065
Citation: LI Hao, QIAN Linjun, LI Shenghong, WANG Feng, LI Zhiqiang. Maximum efficiency tracking and wide power regulation composite control method for underwater MC-WPT system[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0065

水下MC-WPT系统最大效率跟踪及宽功率调节复合控制方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0065
详细信息
    作者简介:

    李皓(19-), 男, 高级工程师, 主要研究方向为水下能源与动力

  • 中图分类号: TJ632; U674.941

Maximum efficiency tracking and wide power regulation composite control method for underwater MC-WPT system

  • 摘要: 针对无人水下航行器无线充电系统最大效率传输和不同功率输出的需求, 提出一种既能实现最大效率跟踪又能调节输出功率的复合控制方法。首先分析水下磁场耦合式无线电能传输(MC-WPT)系统传输功率和效率的影响因素, 围绕海水介质环境需考虑耦合机构涡流损耗的问题, 采用磁场和电路联合仿真的方法得到了耦合机构涡流等效电阻, 计算得到最优负载; 其次, 在接收端级联Cuk电路进行阻抗匹配实现最大效率跟踪, 同时在发射端通过控制移相角实现宽功率范围调节, 该复合控制方法中效率和功率2个控制回路之间互不干扰。最后, 构建系统仿真模型, 并搭建系统实验样机, 通过仿真和实验验证了文中理论分析和所提出方法的正确性。实验结果表明引入最大效率跟踪方法后, 各个负载工况均能提升至最佳效率, 以输出2 kW、负载5 Ω为例, 效率由84.8%提升至93.1%; 实验中输入电压变化时, 通过调节移相角实现了最大效率情况下1~3 kW的功率输出, 仿真和实验表明系统能够时刻保持较高效率运行并根据需求实时调节输出功率。

     

  • 图  1  LCC-S型MC-WPT系统拓扑图

    Figure  1.  Topology diagram of LCC-S MC-WPT system

    图  2  LCC-S型MC-WPT系统等效电路图

    Figure  2.  Equivalent circuit diagram of LCC-S MC-WPT system

    图  3  耦合机构涡流损耗分布图

    Figure  3.  Distribution diagram of eddy current losses in coupling mechanism

    图  4  Cuk变换器电路图

    Figure  4.  Circuit diagram of Cuk converter

    图  5  基于Cuk变换器的最大效率跟踪等效电路图

    Figure  5.  Equivalent circuit diagram of maximum efficiency tracking based on Cuk converter

    图  6  移相控制驱动电压及输出电压波形图

    Figure  6.  Phase shifted control driving voltage and output voltage waveform diagram

    图  7  效率随负载变化图

    Figure  7.  Efficiency versus load variation graph

    图  8  移相角随输入电压和需求输出功率变化图

    Figure  8.  Dephasing angle variation diagram with input voltage and required output power

    图  9  移相角随输入电压和需求输出功率变化图

    Figure  9.  Dephasing angle variation diagram with input voltage and required output power

    图  10  系统参数设计及复合控制流程图

    Figure  10.  System parameter design and composite control flowchart

    图  11  最大效率跟踪下的输出功率调节范围图

    Figure  11.  Diagram of output power adjustment range under maximum efficiency tracking

    图  12  仿真逆变输出电压/电流和系统输出电压波形

    Figure  12.  Simulate the waveform of inverter output voltage/current and system output voltage

    图  13  实验装置图

    Figure  13.  Experimental setup diagram

    图  14  实验逆变输出电压/电流和系统输出电压波形

    Figure  14.  Experimental inverter output voltage/current and system output voltage waveform

    图  15  引入最大效率跟踪方法前效率随负载变化曲线

    Figure  15.  Efficiency versus load curve before introducing maximum efficiency tracking method

    图  16  引入最大效率跟踪方法后效率随负载变化曲线

    Figure  16.  Efficiency variation curve with load after introducing maximum efficiency tracking method

    图  17  电压变化过程中各功率下的移相角

    Figure  17.  Phase shift angle at different powers during voltage variation process

    表  1  LCC-S型MC-WPT系统参数

    Table  1.   LCC-S MC-WPT system parameters

    参数数值参数数值
    ƒ/kHz80Cp/nF52.8
    Lf/μH75Cs/nF26.4
    Lp/μH150Cf/μF470
    Ls/μH150Rp0.2
    M/μH55Rs0.2
    Cr/nF52.8
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    表  2  Cuk变换器参数

    Table  2.   Cuk converter parameters

    参数数值
    L1/μH50
    L2/μH50
    C1/nF47
    C2/μF4.7
    下载: 导出CSV

    表  3  引入最大效率跟踪方法前后效率值对比

    Table  3.   Comparison of efficiency before and after introducing maximum efficiency tracking method

    负载/Ω 功率/W
    3 000 2 000 1 000
    ηa ηmax ηa ηmax ηa ηmax
    5 87.6 93.9 84.8 93.1 82.9 91.7
    10 89.7 94.0 87.5 92.9 85.4 91.7
    30 93.8 94.2 92.8 93.4 91.5 92.1
    50 93.1 94.3 92.0 93.1 90.9 92.0
    70 91.7 94.3 90.1 93.2 88.2 92.0
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-05-16
  • 修回日期:  2025-06-20
  • 录用日期:  2025-07-04
  • 网络出版日期:  2025-09-26

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