水下具有旋轉耦合機構的電場耦合無線電能傳輸系統及參數優化方法

蘇玉剛 錢林俊 劉 哲 鄧仁為 孫 躍

水下具有旋轉耦合機構的電場耦合無線電能傳輸系統及參數優化方法

蘇玉剛1,2錢林俊1劉 哲1鄧仁為1孫 躍1,2

（1. 重慶大學自動化學院 重慶 400044 2. 國家無線電能傳輸技術國際聯合研究中心 重慶 400044）

現有水下環境的電場耦合式無線電能傳輸（EC-WPT）系統耦合機構大多采用平板式，無法適用于水下旋轉場合無線供電應用場景。針對以上問題，提出一種水下具有旋轉耦合機構的EC-WPT系統，給出耦合機構絕緣層相對介電常數和厚度對耦合電容的影響規律和絕緣層材料及厚度的選取方法，并建立耦合機構模型；以雙側LC補償的EC-WPT系統為例，建立該系統的等效電路模型，以系統輸出功率和傳輸效率為優化目標，將抗偏移性作為約束條件之一，給出基于第二代非支配排序遺傳算法（NSGA-II）的多約束多目標優化方法；通過LT-Spice仿真驗證了參數優化方法的可行性和有效性；實驗中搭建具有水下旋轉耦合機構的EC-WPT系統樣機，實現311W的功率傳輸，效率為87.4%，系統具有良好的抗偏移性。實驗比較了水下和空氣中的能量傳輸性能，在耦合機構及參數優化方法相同的情況下，系統在水下的輸出功率比空氣中高約2倍，并且在水下的抗偏移性優于空氣環境。

無線電能傳輸 電場耦合 水下旋轉耦合機構 參數優化 抗偏移性

0 引言

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術將電力電子技術和現代控制理論與技術等相結合，通過磁場、電場、微波、激光等載體實現電能的無線傳輸[1-3]，該技術已經成為了全球研究的熱 點[4-6]，它可以解決傳統導線直接電氣接觸帶來的很多問題，具有廣闊的應用前景[7-8]。電場耦合無線電能傳輸（Electric-filed Coupled Wireless Power Transfer, EC-WPT）技術利用金屬板間的高頻交變電場，實現能量無線傳輸，其耦合機構具有成本低、質量輕、形狀易變等特點[9-12]，系統工作時在耦合機構周圍及之間的金屬導體上產生的渦流損耗小，并且能夠跨越金屬傳能[13-15]。目前EC-WPT技術已經在消費電子[16]、醫療用品[17-19]及電動汽車[20-21]等領域得到了廣泛應用。

相對于空氣中的EC-WPT技術而言，水下電場耦合無線電能傳輸技術的研究才剛剛起步。EC-WPT技術在水下應用具有諸多優勢，其利用高頻電場傳能，產生渦流損耗較小；耦合機構采用金屬極板，結構簡單，在水下應用時只需在表面涂上一層絕緣層即可；金屬極板比較堅固，能夠適應深水中壓強較大的場合。此外，極板間的耦合電容是EC-WPT系統傳能的關鍵因素，而水中的相對介電常數為81，能夠極大地提高極板間的耦合電容，有利于提升系統的傳輸功率和效率。同時在系統中，耦合電容的提高意味著可以用更小的電感進行補償，進一步減小了系統的體積且可以降低成本，有利于提高系統的功率密度。

在現有的水下EC-WPT系統研究中，耦合機構大多采用平板式極板。文獻[22]采用四塊40mm× 80mm的金屬極板兩兩正對，并且在極板表面沒有加絕緣層，工作頻率設置在射頻范圍內，可達100MHz以上，因此系統發射端需要射頻電源提供能量，實驗證明，從發射端射頻電源輸入到接收端整流輸出效率為45%。文獻[23]將一對正對極板絕緣，另一對正對極板直接暴露在水中，在發射端和接收端分別串聯一個補償電感，傳輸性能取決于水中離子濃度，實驗中傳輸距離為5mm時，實現了32mW的功率輸出，效率為62.4%。上述兩種方法將正對極板直接暴露在水中，可將正對極板中間的水介質等效為電阻，使得系統的損耗增大。文獻[24]提出一種在淡水環境中的遠距離EC-WPT系統，用有限元仿真軟件HFSS對電路模型進行了仿真和分析，耦合機構采用四塊長度為200mm的平板式金屬極板，并且對四塊極板都進行絕緣，實驗證明，在傳輸距離為0.5m時，輸出功率達到220W，效率為60.17%。

目前面向水下的EC-WPT系統耦合機構主要采用四塊正對的平行金屬極板，不能適用于旋轉設備無線供電的應用場景，且對于水下耦合機構發生位置偏移的情況尚未有文獻進行研究。針對上述問題，本文以淡水中利用電場耦合方式給旋轉設備進行無線供電的應用為例，提出一種考慮絕緣層情況的水下通過旋轉耦合機構供電的EC-WPT系統，分析絕緣層相對介電常數和厚度對電容的影響規律，得到絕緣層材料和厚度的選取方法，建立耦合機構模型。以雙側LC補償的EC-WPT系統為例，建立系統的等效電路模型，以系統輸出功率、傳輸效率為待優化目標函數，系統頻率、值和補償電感作為決策變量，將諧振條件、器件耐壓耐流值和抗偏移性作為約束條件，給出基于第二代非支配排序遺傳算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II）的多約束多目標優化方法，優化得到多約束條件下的Pareto最優前沿，根據實際需求選擇一組最優解；構建系統仿真模型，并搭建旋轉式水下EC-WPT實驗樣機，通過仿真和實驗驗證參數優化方法的可行性和有效性。通過實驗比較在耦合機構及參數優化方法相同的情況下，系統在水下和空氣中的能量傳輸性能，以及不同環境中的抗偏移效果。

1 水下旋轉式耦合機構分析

應用于水下旋轉式場景的EC-WPT系統的耦合機構示意圖如圖1所示，在實際應用中，可用外部作為發射端、內部作為接收端，或者內部作為發射端、外部作為接收端，本文以外部作為發射端為例進行分析。文中，發射端簡化為半徑為1的套筒，接收端簡化為半徑為2的套筒。圖1給出了耦合機構的三維圖和平面圖，圖中，P1和P2構成能量發射極板，P3和P4構成能量接收極板，同一側極板即P1～P2和P3～P4之間的距離為，發射端與接收端之間介質為淡水，傳輸距離為t。P1與P3極板正對，高度為2；P2與P4極板正對，高度為1，四塊極板厚度均為c。同時，為了使該耦合機構適用于水下環境，需要給與水接觸的部分加上一層絕緣材料，厚度為s。

圖1 水下旋轉式耦合機構示意圖

兩塊正對極板之間的電容形成了能量傳輸通道，所以正對極板間電容值的大小對能量傳輸有著重要影響。從圖1中可看出，兩塊正對極板之間的介質分布為：絕緣層1-水-絕緣層2，絕緣層的材料以及厚度可根據發射端和接收端的材質和應用場景進行選擇，在一般情況下，絕緣層選用相同的材料，并且厚度相同。根據圓筒形電容的計算方法，可得絕緣層1形成的電容s1、水介質形成的電容w、絕緣層2形成的電容s2分別為

以圖1中P1和P3板為例，設它們之間距離dt= 10mm，外側半徑r1=82mm，內側半徑r2=72mm，極板高度為30mm，淡水環境下相對介電常數ew為81，根據式（2），可得到P1和P3板間的電容值Cin隨絕緣層相對介電常數es和絕緣材料厚度ds變化的關系如圖2所示。從圖2中可以看出，為了得到較大的電容Cin，ds要盡可能小。ds確定后，隨著es增大，Cin快速增大之后變化速度趨于平穩，所以es選擇對應ds情況下Cin變化速度趨于平穩時的值為最佳。以圖2為例，為了獲得較大的Cin，ds取圖中最小值0.2mm，該情況下Cin變化速度趨于平穩時的es為5，但實際情況中，常用固體絕緣材料相對介電常數一般在10以下，若Cin變化速度趨于平穩時的es沒有對應的可選材料，則選擇可選范圍內es最大的材料。同理，其他尺寸耦合極板也可以先繪出Cin隨ds和es的變化，根據圖中Cin的變化規律確定ds和es的選取。

圖1所示耦合機構需要考慮電容之間的交叉耦合，可等效為如圖3a所示六電容模型，12和34分別為極板P1-P2和P3-P4形成的電容，位于能量發射端和接收端；13和24分別為極板P1-P3和P2-P4形成的電容，構成能量傳輸通道；23和14分別為極板P2-P3和P1-P4形成的電容；該模型與空氣中的六電容模型等效方法相同，區別在于各個交叉耦合電容值比空氣中大。可將六電容等效模型進一步等效為圖3b所示的p模型，圖中，M為互電容、x1和x2為自電容，計算公式[10]分別為

2 基于NSGA-II的EC-WPT系統參數設計與優化

2.1 雙側LC型EC-WPT系統及參數設計方法

雙側LC補償網絡的EC-WPT系統具有拓撲結構簡單、系統參數敏感性弱等特點[25]，因此本文采用雙側LC補償網絡作為諧振拓撲。

圖4為水下雙側LC型EC-WPT系統拓撲，供電電源dc、全橋型逆變器（由4個MOSFET S1～S4組成）、諧振電感1、諧振電容1與P1和P2發射極板共同構成系統的電能發射端，其中電能可以由直流電源dc提供，也可以由交流電整流濾波之后提供。P3和P4接收極板、諧振電容2、諧振電感2與負載電阻L構成系統的電能接收端，其中L可以是交流負載，也可以是整流濾波環節和直流負載的等效電阻。該系統的直流電壓經全橋逆變電路轉換為高頻交流電注入LC補償網絡，耦合機構發射極板與接收極板在交互電場的作用下產生位移電流，實現極板之間能量的傳輸，接收端補償網絡進一步補償無功功率，為負載電阻L提供電能，實現能量的無線傳輸。

圖4 水下雙側LC型EC-WPT系統拓撲

圖5 等效電路

系統諧振補償電路可以濾除大部分高次諧波，因此對圖5所示的等效電路可以采用基波近似（Fundamental Harmonics Approximation, FHA）法進行分析[25]，各級阻抗可表示為

式中，2p，為系統工作頻率。由于系統具有對稱性，為了便于分析，將電感和電容參數也設置為對稱，即

由于1=2，因此R1=R2。令=11/M22/M，系統輸入阻抗可表示為

通過等效電路可推導得到分別為

結合上述分析，得到系統輸出電壓為

從式（9）可以看到，輸出電壓滯后輸入電壓90°。進一步得到輸出功率o和效率分別為

當耦合機構確定之后，可根據式（3）得到M、x1和x2，進一步得到電容比值，可根據式（5）得到1和2，根據式（8）諧振關系得到1和2。

2.2 基于NSGA-II的系統參數優化方法

基于2.1節參數設計方法可以得到系統參數，但是部分參數只能根據經驗確定，不能保證系統處于全局最優狀態，為了提升系統性能，需要對系統參數進一步優化。在對EC-WPT系統進行優化時，需要考慮多個系統參數共同對系統造成的影響，例如，輸入電壓、工作頻率、的取值、補償電感等；同時需要考慮多種約束條件，例如，極板電壓、器件承受的最大電壓和電流、耦合機構偏移等，為了使得系統達到全局最優的狀態，本文基于NSGA-II在系統中搜索最優參數，實現系統性能全局最優。

對系統進行優化之前，首先要建立系統的非線性規劃（Nonlinear Programming, NLP）模型，確定目標函數、決策變量和約束條件。根據2.1節的參數設計方法，系統工作在ZPA狀態，為了使系統性能達到最優，應保證輸出功率o滿足要求的前提下，系統效率盡可能大，因此本文以o和作為待優化目標，即式（10）和式（11）作為目標函數；選擇對系統能量傳輸有影響的參數作為決策變量，包括系統輸入電壓dc、工作頻率、值、負載電阻L、耦合機構交叉電容、補償電感等。

確定決策變量之后，需要選取其約束范圍。由于輸入電壓dc、負載電阻L、耦合機構可以根據實際應用場景確定，耦合機構確定之后，其交叉耦合電容也隨之確定，所以為了簡化優化算法，文中對決策變量進行約束時只考慮了。增大工作頻率可以減小電路中電感的尺寸，但是會增加開關損耗，同時使得系統魯棒性變差，增大控制難度；改變值可以改變極板的激勵電壓，進而改變系統的輸出參數；電感值過大會使得電感上的損耗增大，過小會使系統的增益變小，不利于實際應用，根據上述分析可以確定的約束范圍。系統工作在ZPA狀態需要滿足諧振關系，故將式（8）作為等式約束條件；為了保證安全性，根據器件所能承受的最大電壓和電流進行不等式約束。

水下套筒式無線供電應用場景中，系統電能接收端會移入移出，可能會發生相對位置偏移，導致輸出功率和效率改變。為了滿足對負載的供電需求，在進行參數優化時將抗偏移性考慮在內，系統偏移使耦合機構的交叉耦合電容發生變化，而其他參數保持不變，導致系統偏離了最佳的能量傳輸狀態。為了使系統接收端在一定程度內偏移時，輸出功率op和效率p能夠滿足系統的能量傳輸需求，因此將偏移狀態下的op和p作為不等式約束條件。可以確定EC-WPT系統的NLP模型為

式中，下標為l和h分別為決策變量的上限與下限；下標m為各個元器件的最大耐壓耐流值；s、s為系統偏移情況下系統需求的輸出功率和效率。本文系統的輸出功率要求不小于200W，效率要求不低于80%。基于NLP模型中的目標函數和約束條件，考慮到實際系統可能具有誤差，文中以o不小于250W，不低于82%為優化目標；以M、x1和x2在0.9～1.1范圍內變化時，輸出功率和效率仍然滿足系統要求作為偏移的約束條件，利用NSGA-II對系統進行多約束多目標優化，得到Pareto最優前沿，優化得到的Pareto最優前沿如圖6所示。

從圖6中可以看到，輸出功率和效率相互約束的關系，且最優解不是唯一的。在選取最優解時，應選擇輸出功率滿足要求的情況下，效率盡可能大的解，從最優前沿中選取五組最優解見表1，表中給出了、三個決策變量對o、兩個目標函數造成的影響。

圖6 優化得到的Pareto最優前沿

表1 從Pareto最優前沿得到的五組解

Tab.1 Five sets of solutions obtained from the Pareto optimal frontier

根據表1，輸出功率滿足要求的情況下第一組數據的效率最高，考慮到第二組數據的輸出功率對比第一組有明顯提高，但效率并無大幅度下降，輸出功率能有更大的裕度，所以選擇第二組數據為最佳。綜合對耦合機構及系統參數的分析，可得到系統參數設計優化流程如圖7所示。

圖7 系統參數設計優化流程

圖7中，根據應用需求確定系統耦合機構的尺寸大小，包括傳輸距離t、P1～P2和P3～P4間距離，負載L；根據第1節分析方法確定絕緣層材料和絕緣層厚度s；再根據應用需求，確定系統目標輸出功率o和效率，利用NSGA-II算法，以o和為目標函數，作為決策變量進行參數優化，得到一組最佳的值；根據式（3）確定Mx1和x2，結合式（5）和式（8）得到1和2，根據式（10）確定輸入電壓的基波p進一步計算得到dc，最后給出系統參數。

3 仿真證明

根據圖4系統拓撲，在LT-Spice中建立系統仿真模型，采用表1中的第二組參數作為最優結果，仿真和實驗中要求系統輸出功率不小于200W，效率不低于80%。為了和實驗進行對比，仿真中系統參數設置為與實驗裝置中一致，并且逆變器件型號和電感內阻設置與實驗中一致。根據第1節耦合機構的設計思路，設計一套耦合機構尺寸見表2。耦合機構尺寸確定之后，利用LCR電橋測得耦合機構6個端口電容值，再根據文獻[26]計算方法，計算得到6個交叉耦合電容見表3。結合圖7參數設計優化方法，確定系統參數見表4。

表2 耦合機構尺寸

Tab.2 Coupler size （單位: mm）

表3 交叉耦合電容

Tab.3 Cross-coupling capacitance （單位: pF）

逆變器輸出電壓in和輸出電流in以及系統輸出電流o波形如圖8所示，可以看出，逆變器的輸出電壓電流同相位，系統處于ZPA狀態；輸出電流滯后輸入電壓90°，由于系統中為阻性負載，即輸出電壓滯后輸入電壓90°，這與式（9）中的結果一致。仿真輸出功率為319W，輸入功率為362W，系統效率為88.1%，與優化結果有少許差別，主要是由于逆變器損耗導致。

表4 系統參數

Tab.4 System parameters

圖8 仿真中逆變器輸出電壓、電流和系統輸出電流

若系統發生偏移使得耦合機構Mx1和x2減小為原來的0.9，系統其他參數見表4，仿真得到此時輸出功率為210W，效率為86.7%；當耦合機構的Mx1和x2增大為原來的1.1倍時，仿真得到系統輸出功率為236W，效率為87.1%，仿真結果達到了參數優化目標。

4 實驗驗證

為了進一步驗證水下旋轉式EC-WPT系統的能量傳輸性能及抗偏移性，基于圖4所示拓撲和表4所示的系統參數，搭建了如圖9所示的水下具有旋轉式耦合機構的EC-WPT系統實驗裝置。

圖9 水下具有旋轉耦合機構的EC-WPT系統實驗裝置

實驗中使用兩個亞克力筒來模擬水下旋轉式無線供電的應用場景，將四片銅箔貼在亞克力筒表面來充當電容極板，為了適用于一般情況，實驗中耦合機構設置為非對稱結構，即上下兩對極板的高度1和2不相等；考慮到實驗成本及條件限制，以及絕緣層的防水性、可靠性及耐壓性等因素，絕緣層材料選擇了實驗條件下相對介電常數最大的ABS樹脂，相對介電常數為3，厚度設置為1mm，絕緣層與極板貼合，用來保證極板與水之間的良好絕緣。實驗中電感1和2采用0.04mm×1 200股規格的利茲線繞制的空心電感，這樣可以很大程度地減少趨膚效應，從而減少能量傳輸過程中的損耗；電容1和2采用多層陶瓷電容，損耗因數為5×10-4，電容值隨頻率的漂移小，同時能承受高電壓；逆變器采用了型號為C2M0080120D的碳化硅（SiC）MOSFET，導通電阻為80mW。

實驗中逆變器的輸出電壓、電流和系統輸出電流如圖10所示，在實驗中，逆變器開關管需要一定的導通電壓，所以逆變器開關管的實際導通點在電壓波形的過零點之后，應當使逆變器電流的過零點稍滯后于開關管導通點以實現零電壓軟開關（Zero Voltage Switching, ZVS），減少開關損耗[24]，因此實驗中電感1被設計為稍大于電感2。

從圖10中可以看到，輸出電流滯后輸入電壓90°，由于為阻性負載，因此輸出電壓滯后輸入電壓90°，這與仿真結果和計算結果都一致。直流輸入電壓為100V時，在直流電源上可看到，輸入電流為3.55A，計算得到輸入功率為356W，此時負載電流的有效值為2.94A，計算得到系統的輸出功率為311W，系統的傳輸效率為87.4%。

圖10 實驗中逆變器輸出電壓、電流和系統輸出電流

實驗中系統損耗的功率45W，主要包括電感、電容、耦合機構和逆變器的損耗。實驗中測量得到的電感內阻見表4，根據文獻[27]可計算得到電容1、2的寄生電阻分別為0.94W和0.56W，計算得到系統損耗分布如圖11所示，其中耦合機構損耗的計算方法為總損耗減去其他器件損耗。

圖11 系統損耗分布

從圖11中可以看出，補償電感的損耗占了總損耗的近70%，所以在第2節中系統優化時考慮了電感的損耗。

圖12和圖13分別為輸入電壓從20～100V范圍變化時，輸出功率和效率計算、仿真、實驗的對比。可以看到，隨著輸入電壓的變化，系統輸出功率3個值的變化基本保持一致，都能夠保持較高的效率，輸出功率仿真值和實驗值略小于計算值，主要是由于逆變器和耦合機構產生的損耗導致的。從實驗值曲線可以看出，實驗中系統效率保持在82.5%以上，說明系統能夠在20～100V的輸入范圍內保持能量高效率傳輸。

圖12 輸出功率的計算值、仿真值、實驗值隨輸入電壓的變化

圖13 系統效率的計算值、仿真值、實驗值隨輸入電壓的變化

圖14和圖15分別為水下環境中，系統接收端縱向偏移和橫向偏移時，輸出功率和效率的變化。圖中縱向偏移的正負代表內筒相對外筒上下錯位的距離，其中向上為正，向下為負。可以看到，當接收端縱向偏移時，輸出功率先增大后減小，這是由于在雙邊LC的拓撲中，在一定范圍內M與輸出功率成反比[24]，系統效率隨著偏移距離增大而減小；當接收端橫向偏移時，輸出功率和效率變化幅度很小。

圖14 水下輸出功率和效率隨縱向偏移的變化

圖15 水下輸出功率和效率隨橫向偏移變化

實驗中比較了空氣中和水下環境中的能量傳輸性能及抗偏移性。在空氣環境中，采用與水下相同的耦合機構、電路拓撲以及參數優化方法，并且系統輸入電壓dc和負載L相同，在空氣環境中用優化算法優化得到2.5MHz，=14.1，1=2=39.3mH。通過實驗得到空氣環境中系統接收端縱向偏移和橫向偏移時，輸出功率和效率的變化如圖16和圖17所示。

圖16 空氣中輸出功率和效率隨縱向偏移變化

圖17 空氣中輸出功率和效率隨橫向偏移變化

通過圖14～圖17的對比，可得到系統在水下和空氣環境中能量傳輸性能及抗偏移性對比見表5。從表5中可以看出，實驗結果達到了參數優化目標，采用相同的輸入電壓、負載、耦合機構和參數優化方法，系統在水下環境中輸出功率為311W，比在空氣中輸出功率高2倍。系統縱向偏移20mm時，水下的輸出功率變化量僅為12%，空氣中變化量為48%；橫向偏移9mm時，水下的輸出功率變化量僅為4%，空氣中變化量為28%。

表5 水下和空氣環境能量傳輸性能及抗偏移對比

Tab.5 Comparison of energy transfer performance and antimisalignment between water and air

5 結論

本文針對水下環境中旋轉設備無線供電的應用需求，以及取電設備移入移出可能會發生偏移的應用場景，提出了一種水下具有旋轉耦合機構的EC- WPT系統，給出了絕緣層材料和厚度的選取方法，以雙側LC補償的EC-WPT系統為例，給出了使系統達到ZPA狀態的參數設計方法，基于NSGA-II算法給出了系統參數多約束多目標優化方法；仿真和實驗結果驗證了文中理論分析和所提出方法的正確性。搭建的實驗裝置輸出功率為311W時，傳輸效率為87.4%，系統縱向偏移20mm或橫向偏移9mm時，輸出功率和效率仍能滿足需求。實驗中比較了在輸入電壓、負載、耦合機構和參數優化方法相同的情況下，系統在水下和空氣中的輸出功率、效率和抗偏移效果，證明了系統在水下環境中能量傳輸性能和抗偏移性優于空氣環境。

[1] 薛明, 楊慶新, 章鵬程, 等. 無線電能傳輸技術應用研究現狀與關鍵問題[J]. 電工技術學報, 2021, 36(8): 1547-1568.

Xue Ming, Yang Qingxin, Zhang Pengcheng, et al. Application status and key issues of wireless power transmission technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1547-1568.

[2] 葛學健, 孫躍, 唐春森, 等. 用于動態無線供電系統的雙輸出逆變器[J]. 電工技術學報, 2020, 35(4): 786-798.

Ge Xuejian, Sun Yue, Tang Chunsen, et al. Dual- output inverter for dynamic wireless power transfer system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(4): 786-798.

[3] 羅成鑫, 丘東元, 張波, 等. 多負載無線電能傳輸系統[J]. 電工技術學報, 2020, 35(12): 2499-2516.

Luo Chengxin, Qiu Dongyuan, Zhang Bo, et al. Wireless power transfer system for multiple loads[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(12): 2499-2516.

[4] 蘇玉剛, 侯信宇, 戴欣, 等. 磁耦合無線電能傳輸系統異物檢測技術綜述[J]. 中國電機工程學報, 2021, 41(2): 715-728.

Su Yugang, Hou Xinyu, Dai Xin, et al. Review of foreign object detection technology in magnetic coupling wireless power transfer system[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 2021, 41(2): 715-728.

[5] Qing Xiaodong, Su Yugang, Hu Aiguo Patrick, et al. A CPT system with switchable compensation for constant current or voltage output against load and coupling capacitance variations[J]. Electrical Engin- eering, 2021, 103(5): 2391-2402.

[6] 王佩月, 左志平, 孫躍, 等. 基于雙側LCC的全雙工無線電能傳輸能量信號并行傳輸系統[J]. 電工技術學報, 2021, 36(23): 4981-4991.

Wang Peiyue, Zuo Zhiping, Sun Yue, et al. Full- Duplex simultaneous wireless power and data transfer system based on double-sided LCC topology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(23): 4981-4991.

[7] 李陽, 石少博, 劉雪莉, 等. 磁場耦合式無線電能傳輸耦合機構綜述[J]. 電工技術學報, 2021, 36(增刊2): 389-403.

Li Yang, Shi Shaobo, Liu Xueli, et al. Overview of magnetic coupling mechanism for wireless power transfer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(S2): 389-403.

[8] 廖志娟, 孫躍, 葉兆虹, 等. 無線電能傳輸系統共振機理及共振點分布特性研究[J]. 電工技術學報, 2020, 35(2): 215-224.

Liao Zhijuan, Sun Yue, Ye Zhaohong, et al. Research on resonance mechanism and resonant point dis- tribution characteristic of magnetic coupling wireless power transfer systems[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 215-224.

[9] Qing Xiaodong, Wang Zhihui, Su Yugang, et al. Parameter design method with constant output voltage characteristic for bilateral LC-compensated CPT system[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 8(3): 2707-2715.

[10] 卿曉東, 蘇玉剛. 電場耦合無線電能傳輸技術綜述[J]. 電工技術學報, 2021, 36(17): 3649-3663.

Qing Xiaodong, Su Yugang. An overview of electric- filed coupling wireless power transfer technology[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(17): 3649-3663.

[11] 趙魚名, 王智慧, 蘇玉剛, 等. 基于T型CLC諧振網絡的恒壓型電場耦合電能傳輸系統負載自適應技術[J]. 電工技術學報, 2020, 35(1): 106-114.

Zhao Yuming, Wang Zhihui, Su Yugang, et al. Load adaptive technology of constant voltage electric-field coupled power transfer system based on T-CLC resonant network[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2020, 35(1): 106-114.

[12] 蘇玉剛, 傅群鋒, 馬浚豪, 等. 電場耦合電能傳輸系統層疊式耦合機構漏電場抑制方法[J]. 電力系統自動化, 2019, 43(2): 130-136.

Su Yugang, Fu Qunfeng, Ma Junhao, et al. Fringing electric field suppression method of electric-field coupled power transfer system with fourplate coupler[J]. Automation of Electric Power System, 2019, 43(2): 130-136.

[13] 陳希有, 伍紅霞, 牟憲民, 等. 電流型電場耦合無線電能傳輸技術[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(9): 2279-2286.

Chen Xiyou, Wu Hongxia, Mu Xianmin, et al. The current-type capacitively coupled wireless power transfer technology[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(9): 2279-2286.

[14] Li Siqi, Liu Zhe, Zhao Han, et al. Wireless power transfer by electric field resonance and its application in dynamic charging[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2016, 63(10): 6602-6612.

[15] Zhou Wei, Su Yugang, Huang Liang, et al. Wireless power transfer across a metal barrier by combined capacitive and inductive coupling[J]. IEEE Transa- ctions on Industrial Electronics, 2019, 66(5): 4031- 4041.

[16] Zhu Jiaqi, Ban Yongling, Xu Minrui, et al. An NFC-CPT-combined coupler with series-none com- pensation for metal-cover smartphone applications[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 9(3): 3758-3769.

[17] Jegadeesan R, Guo Y X, Je M. Electric near-field coupling for wireless power transfer in biomedical applications[C]//IEEE MTT-S International Micro- wave Workshop Series on RF and Wireless Tech- nologies for Biomedical and Healthcare Applications, Singapore, 2013: 1-3.

[18] Erfani R, Marefat F, Sodager A M, et al. Trans- cutaneous capacitive wireless power transfer (C-WPT) for biomedical implants[C]//IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Baltimore MD, USA, 2017: 1-4.

[19] Narayanamoorthi R. Modeling of capacitive resonant wireless power and data transfer to deep biomedical implants[J]. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2019, 9(7): 1253-1263.

[20] 吳麗君, 馬皓, 李冠西, 等. 一種具有恒流恒壓輸出自切換特性的電動汽車無線電能傳輸系統拓撲[J]. 電工技術學報, 2020, 35(18): 3781-3791.

Wu Lijun, Ma Hao, Li Guanxi, et al. A wireless power transfer system topology with automatic switching characteristics of constant current and constant voltage output for electric vehicle charging[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(18): 3781-3791.

[21] 郭歷謀, 羅博, 麥瑞坤. 基于電場耦合式的電動汽車無線充電技術電壓優化方法[J]. 電工技術學報, 2020, 35(增刊1): 19-27.

Guo Limou, Luo Bo, Mai Ruikun. Voltage optimi- zation method for wireless charging of electric vehicles based on capacitive power transfer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(S1): 19-27.

[22] Tamura M, Naka Y, Murai K, et al. Design of a capacitive wireless power transfer system for operation in fresh water[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2018, 66(12): 5873-5884.

[23] Urano M, Ata K, Takahashi A. Study on underwater wireless power transfer via electric coupling[C]// IEEE International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai (IMFEDK), Kyoto, Japan, 2016: 1-2.

[24] Lu Fei, Zhang Hua. Insulated coupler structure design for the long-distance freshwater capacitive power transfer[J]. IEEE Transactions on Industrial Infor- matics, 2020, 16(8): 5191-5201.

[25] 蘇玉剛, 吳學穎, 趙魚名, 等. 互補對稱式LCC諧振網絡的電場耦合式無線電能傳輸系統參數優化[J]. 電工技術學報, 2019, 34(14): 2874-2883.

Su Yugang, Wu Xueying, Zhao Yuming, et al. Parameter optimization of electric-field coupled wireless power transfer system with complementary symmetric LCC resonant network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 2874- 2883.

[26] Wu Xueying, Su Yugang, Hu Aiguo Patrick, et al. Multiobjective parameter optimization of a four-plate capacitive power transfer system[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2021, 9(2): 2328-2342.

[27] Lu Fei, Zhang Hua, Hofmann H, et al, A high efficiency 3.3kW loosely-coupled wireless power transfer system without magnetic material[C]//2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Montreal, QC, Canada, 2015: 2282-2286.

Underwater Electric-Filed Coupled Wireless Power Transfer System with Rotary Coupler and Parameter Optimization Method

1,21111,2

（1. School of Automation Chongqing University Chongqing 400044 China 2. China National Center for International Research on Wireless Power Transfer Technology Chongqing 400044 China）

The present coupler of the Electric-filed Coupled Wireless Power Transfer (EC-WPT) system in the water environment mostly uses flat plate, which is not suitable for the application of wireless power supply in underwater rotating occasions. Therefore, an underwater EC-WPT system with a rotary coupler is proposed. The influence of the relative permittivity and thickness of the insulating layer on the coupling capacitance is analyzed, and the selection method of the insulating layer material and thickness is given. The coupler model is established. Taking the EC-WPT system with double-sided LC compensation network as an example, the equivalent circuit model of the system is established. Taking the system output power and transmission efficiency as the optimization objectives, and the antimisalignment as one of the constraints, a multi-constrained and multi-objective optimization method based on the NSGA-II algorithm is given. The feasibility and effectiveness of the parameter optimization method are verified by LT-Spice simulation. The prototype of the underwater rotary coupler EC-WPT system is built in the experiment, the efficiency is 87.7% when the output power is 311W, and the system has good antimisalignment. Under the same coupler and parameter optimization method, the output power of the system under water is about 2 times higher than that in air, and the antimisalignment performance under water is far better than that in air.

Wireless power transfer, electric-field coupled, underwater rotary coupler, parameter optimization, antimisalignment

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210558

TM724

蘇玉剛 男，1962年生，博士，教授，研究方向為無線電能傳輸技術、電力電子技術、控制理論應用與自動化系統集成。E-mail: su7558@qq.com（通信作者）

錢林俊 男，1998年生，碩士研究生，研究方向為無線電能傳輸技術。E-mail: 921187520@qq.com

2020-04-20

2020-06-22

國家自然科學基金資助項目（51977015）。

（編輯 陳 誠）