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一种基于超 声波的远距离高功率水下无线充电系统

阅读：254发布：2020-05-13

专利汇可以提供一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，属于远距离、高功率水下无线充电领域。本发明包括电源、前端发射系统、超声波、后端接收系统、电能储存装置。电源为交流电源或者直流电源，用于为整套系统提供高功率电能。前端发射系统将电能转换成在水中远距离低损耗传播的超声波能量。后端接收系统接收超声波能量并将其转换成适用于充电的电信号，为所述的储能装置充电。本发明在深水中的水下机电设备或水下航行体不需要返航的基础上，为深水中的水下机电设备或航行体的电储能装置实现基于超声波远距离、高功率无线充电，以进一步延长水下机电设备在深海中的工作时长，扩大水下航行体的深海巡航距离与范围。，下面是一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，其特征在于：包括电源(1)、前端发射系统(2)、超声波(3)、后端接收系统(4)、电能储存装置(5)；所述电源(1)为交流电源或者直流电源，用于为整套系统提供高功率电能；所述的前端发射系统(2)将电能转换成在水中远距离低损耗传播的超声波(3)能量；所述的后端接收系统(4)接收所述的超声波(3)能量并将其转换成适用于充电的电信号，为所述的储能装置(5)充电；
所述前端发射系统(2)主要由信号发生器(2.1)、功率放大器(2.2)、发射端水声换能器(2.3)构成；在上述的外部电源(1)的供电下，信号发生器(2.1)生成具有预定频率的电信号，由功率放大器(2.2)将电信号放大，再传递至发射端水声换能器(2.3)，放大的电信号转换为超声波形式的超声能量，并以水为传播媒介向上述的后端接收系统(4)传播；
所述后端接收系统(4)主要由接收端水声换能器(4.1)、变压器(4.2)、整流器(4.3)构成；接收端水声换能器(4.1)接收超声波形式的超声能量，并转换交流电信号形式的电能，再经过所述的变压器(4.2)、整流器(4.3)处理为达到充电指标的直流电信号，所述的储能装置(5)接收所述的直流电信号以进行充电；
为了降低无线充电传输过程的能量耗散，实现远距离、高功率无线充电，所述的发射端水声换能器(2.3)为单指向性好的压电型超声换能器，输出能量集中的窄波束超声波(3)，所述的超声波(3)窄波束范围为-3dB开角0.1°～10°。
2.如权利要求1所述的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，其特征在于：为了使输出的超声波(3)方向性优异，携带高能量，从而实现水下无线充电系统远距离、高功率传输能量，所述的信号发生器(2.1)输出高频交流电信号，频率为50kHz～1000kHz，从而驱动所述的发射端水声换能器(2.3)在50kHz～1000kHz高频范围内工作，且电压发送响应为160dB以上。
3.如权利要求2所述的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，其特征在于：为了实现水下无线充电系统高功率传输能量，所述的发射端水声换能器(2.3)选用具有高发射声功率的换能器，高发射声功率为50W及以上；
为了提高能量转换效率，实现水下无线充电系统高功率传输能量，所述的发射端水声换能器(2.3)具有高电声效率，高电声效率为20％以上；
为了有效应对深海高静水压极端环境，保证深海环境中的能量传输，所述的后端接收系统(4)选用具有耐高静水压、耐腐蚀、耐高盐的结构装置。
4.如权利要求3所述的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，其特征在于：为了提高能量传输效率，减少能量的发散损耗，实现水下无线充电系统远距离、高功率传输能量，所述的发射端水声换能器(2.3)以阵列布置的多个换能器，产生聚焦的超声能量波束。
5.如权利要求4所述的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，其特征在于：为了经由相控阵产生聚焦的超声能量波束，发射端水声换能器(2.3)选定时延迟换能器或参数阵列换能器或碗形换能器阵列。
6.如权利要求5所述的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，其特征在于：为了增加能量接收面积以接收更多的超声能量，实现水下无线充电系统高功率传输能量，所述的接收端水声换能器(4.1)阵列式排布，接收更多的超声能量。
7.如权利要求6所述的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，其特征在于：为了增加能量接收面积以接收更多的超声能量，并在非充电状态下保持与水下航行体或机电设备相当的空间体积，所述的接收端水声换能器(4.1)与空间展开结构组装，接收更多的超声能量，提高充电效率，实现远距离、高功率无线充电。
8.如权利要求7所述的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，其特征在于：为了提高能量转换效率和传输效率，实现水下无线充电系统高功率传输能量，所述的接收端水声换能器(4.1)为压电型超声换能器，在与所述的发射端水声换能器(2.3)工作频率相同的频率下具有较高的声压灵敏度和高的电声效率，高的电声效率为20％以上。
9.如权利要求8所述的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，其特征在于：所述的变压器(4.2)、整流器(4.3)根据实际情况进行工作调整以及增加额外的电路器件；当接收端水声换能器(4.1)输出电压低于储能装置(5)充电电压标准，变压器(4.2)对电信号进行升压处理；当接收端水声换能器(4.1)输出电压高于储能装置(5)充电电压标准，变压器(4.2)对电信号进行降低压处理。
10.如权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，其特征在于：工作方法为，将前端发射系统(2)通过电线与外部供电装置电源(1)连接，操作设置信号发生器(2.1)以产生预定频率50kHz-1000kHz的电信号，该预定频率为后续发射端水声换能器(2.3)的工作频率；预定频率50kHz-1000kHz的电信号传递至功率放大器(2.2)，经过功率放大器(2.2)后电信号进一步放大成为高功率电信号，从而驱动具有
50W及以上高发射声功率的发射端水声换能器(2.3)高功率地工作；阵列排布的发射端水声换能器(2.3)将高功率电信号转化为聚焦的超声波(3)波束以携带高功率超声能量，同时所述的超声波波束为3dB开角0.1°～10°的窄波束，从而保证降低超声波传输过程的能量耗散，实现远距离、高功率能量传输；发射端水声换能器(2.3)向水中发出输出超声波(3)以水为传播媒介向处于远距离处的后端接收系统(4)传播；后端接收系统(4)接收超声波(3)，阵列式排布、与空间展开结构结合的接收端水声换能器(4.1)将超声能量转换成电能，以交流电信号输出，再经过变压器(4.2)和整流器(4.3)处理，转换成适用于充电的直流电信号并输出，输出的直流电信号为所述的储能装置(5)充电。

说明书全文

一种基于超 声波的远距离高功率水下无线充电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，属于远距离、高功率水下无线充电领域。

背景技术

[0002] 深水机电设备长时间正常工作需要不断的能源支撑，运行设备与电源之间主要通过电线相连，这限制了设备的运动范围，使其只能在距电源一定距离范围内有效工作。对于携带独立电池的水下航行体，其体积大小限制了携带电池数量，从而影响其有效工作时长。目前深水航行体主要通过定时返航至水面上以进行能源补给，使得大量能源被消耗在往返过程中，限制了其有效巡航范围。因此将无线电能传输技术运用于水下电能补给，有望延长深水机电设备持续工作时长，扩大水下航行体的巡航时长与巡航范围。

[0003] 根据工作原理的不同，无线电能传输技术主要有电场耦合式、磁场耦合式、微波辐射、激光和超声波等方式。水的导电性表明了水下环境中电场耦合技术无法使用。磁场耦合分为感应耦合式和谐振耦合式，基于变压器原理的感应式耦合传输距离仅为毫米级别，谐振耦合式极易受到海洋环境的影响，如海流冲击、海水温度等，且无法实现远距离无线电能传输。微波辐射和激光方式的无线电能传输依靠电磁波原理，但水下环境复杂，电磁波在水中会迅速衰减，无法作为水中有效的信息、能量载体。深水环境中静水压强大，如水下1000米处静水压强为10MPa，因此深水机电设备和航行体均需要面临深水高压极端工作环境，这对设备装置的结构耐静水压性能提出严格要求。同时，为了保证机电设备和航行体持续性稳定工作，需要高功率无线充电技术来解决水下快速充放电的需求。

[0004] 上述的电场耦合式、磁场耦合式、微波辐射和激光无线电能传输技术无法在深水高压极端环境下实现远距离、高功率无线充电技术，而声波在水中能在能够远距离传播(可达上百公里)且能量衰减小。

发明内容

[0005] 为了解决现有的无线充电技术与装置无法在水下深海高压极端环境中进行远距离、高功率能量传输的问题，本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统要解决的技术问题是：在深水中的水下机电设备或水下航行体不需要返航的基础上，为深水中的水下机电设备或航行体的电储能装置实现基于超声波远距离、高功率无线充电，以进一步延长水下机电设备在深海中的工作时长，扩大水下航行体的深海巡航距离与范围。

[0006] 为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

[0007] 本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，包括电源、前端发射系统、超声波、后端接收系统、电能储存装置。所述的电源为交流电源或者直流电源，用于为整套系统提供高功率电能。所述的前端发射系统将电能转换成在水中远距离低损耗传播的超声波能量。所述的后端接收系统接收所述的超声波能量并将其转换成适用于充电的电信号，为所述的储能装置充电。

[0008] 所述的前端发射系统主要由信号发生器、功率放大器、发射端水声换能器构成。在上述的外部电源的供电下，信号发生器生成具有预定频率的电信号，由功率放大器将电信号放大，再传递至发射端水声换能器，放大的电信号转换为超声波形式的超声能量，并以水为传播媒介向上述的后端接收系统传播。

[0009] 所述的后端接收系统主要由接收端水声换能器、变压器、整流器构成。接收端水声换能器接收超声波形式的超声能量，并转换交流电信号形式的电能，再经过所述的变压器、整流器处理为达到充电指标的直流电信号，所述的储能装置接收所述的直流电信号以进行充电。

[0010] 为了降低无线充电传输过程的能量耗散，实现远距离、高功率无线充电，所述的发射端水声换能器为单指向性好的压电型超声换能器，输出能量集中的窄波束超声波，所述的超声波窄波束范围为-3dB开角0.1°～10°。

[0011] 为了使输出的超声波方向性优异，携带高能量，从而实现水下无线充电系统远距离、高功率传输能量，作为优选，所述的信号发生器输出高频交流电信号，频率为50kHz～1000kHz，从而驱动所述的发射端水声换能器在50kHz～1000kHz高频范围内工作，且电压发送响应为160dB以上。

[0012] 为了实现水下无线充电系统高功率传输能量，作为优选，所述的发射端水声换能器选用具有高发射声功率的换能器，高发射声功率为50W及以上。

[0013] 为了提高能量转换效率，实现水下无线充电系统高功率传输能量，作为优选，所述的发射端水声换能器具有高电声效率，高电声效率为20％以上。

[0014] 为了提高能量传输效率，减少能量的发散损耗，实现水下无线充电系统远距离、高功率传输能量，作为优选，所述的发射端水声换能器优选以阵列布置的多个换能器，产生聚焦的超声能量波束。进一步优选，为了经由相控阵产生聚焦的超声能量波束，所述的发射端水声换能器优选定时延迟换能器或参数阵列换能器或碗形换能器阵列。

[0015] 为了有效应对深海高静水压极端环境，保证深海环境中的能量传输，作为优选，所述的后端接收系统选用具有耐高静水压、耐腐蚀、耐高盐的结构装置。

[0016] 为了增加能量接收面积以接收更多的超声能量，实现水下无线充电系统高功率传输能量，作为优选，所述的接收端水声换能器优选阵列式排布，接收更多的超声能量。

[0017] 为了增加能量接收面积以接收更多的超声能量，并在非充电状态下保持与水下航行体或机电设备相当的空间体积，作为优选，所述的接收端水声换能器优选与空间展开结构组装，接收更多的超声能量，提高充电效率，实现远距离、高功率无线充电。

[0018] 为了提高能量转换效率和传输效率，实现水下无线充电系统高功率传输能量，作为优选，所述的接收端水声换能器为压电型超声换能器，在与所述的发射端水声换能器工作频率相同的频率下具有较高的声压灵敏度和高的电声效率，高的电声效率为20％以上。

[0019] 作为优选，所述的变压器、整流器根据实际情况进行工作调整以及增加额外的电路器件。进一步优选，当接收端水声换能器输出电压低于储能装置充电电压标准，变压器对电信号进行升压处理；当接收端水声换能器输出电压高于储能装置充电电压标准，变压器对电信号进行降低压处理。

[0020] 本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统的工作方法为：将前端发射系统通过电线与外部供电装置电源连接，操作设置信号发生器以产生预定频率
50kHz-1000kHz的电信号，该预定频率为后续发射端水声换能器的工作频率。预定频率
50kHz-1000kHz的电信号传递至功率放大器，经过功率放大器后电信号进一步放大成为高功率电信号，从而驱动具有50W及以上高发射声功率的发射端水声换能器高功率地工作。阵列排布的发射端水声换能器将高功率电信号转化为聚焦的超声波波束以携带高功率超声能量，同时所述的超声波波束为3dB开角0.1°～10°的窄波束，从而保证降低超声波传输过程的能量耗散，实现远距离、高功率能量传输。发射端水声换能器向水中发出输出超声波以水为传播媒介向处于远距离处的后端接收系统传播。后端接收系统接收超声波，阵列式排布、与空间展开结构结合的接收端水声换能器将超声能量转换成电能，以交流电信号输出，再经过变压器和整流器处理，转换成适用于充电的直流电信号并输出，输出的直流电信号为所述的储能装置充电。

[0021] 有益效果：

[0022] 1、本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，采用超声波作为能量传输的载体，能够在水下深海高压极端环境中实现远距离、高功率无线电能的有效传输，避免传统能源补给中水下航行体或水下机电设备因往返而消耗大量能源的问题。

[0023] 2、本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，采用耐高静水压、耐腐蚀、耐高盐的水声换能器，能够在深海环境中有效工作，为深海环境中的机电设备或水下航行体提供电能补给。

[0024] 3.本发明公开的一种基于超声波的水下无线充电系统，后端接收系统装置采用具有耐高静水压、耐腐蚀、耐高盐的结构，保证无线充电系统在深海环境中的有效工作。

[0025] 4、本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，采用超声波作为能量传输的载体实现水下无线能量传输，能够解决基于电磁场原理的非接触式能量传输中存在的问题。

[0026] 5、本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，不同于电磁波，所述的基于超声波形式能量传输技术对水下航行体的后端接收系统的电路系统不存在电磁干扰影响，保证系统电路的正常工作。

[0027] 6、本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，采用压电型换能器作为发射端水声换能器、接收端水声换能器，保证在水下环境中对超声波的高效发射与接收，进一步降低远距离、高功率无线充电传输过程的能量耗散。

[0028] 7、本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，采用具有50W及以上的高发射声功率、20％以上的高电声效率的发射端水声换能器，保证了水下无线充电系统高功率、高效率地传输能量。

[0029] 8、本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，发射端水声换能器输出的-3dB开角0.1°～10°的单指向性好的窄波束形超声波，降低远距离、高功率无线充电传输过程的能量耗散。

[0030] 9、本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，采用阵列布置的发射端水声换能器产生聚焦的超声能量波束，能够实现提高远距离、高功率无线充电中的能量传输效率，减少能量发散损耗的有益效果。

[0031] 10、本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，接收端水声换能器采用阵列式排布，增加能量接收面积以接收更多的超声能量，在提高远距离、高功率无线充电中的能量传输效率上具有很大的优势。

[0032] 11、本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，接收端水声换能器与空间展开结构组装，增加能量接收面积以接收更多的超声能量，在非工作状态下维持小体积、工作状态下提高能量传输效率上，实现远距离高功率无线充电具有很大的优势。附图说明：

[0033] 图1本发明公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统示意图。

[0034] 其中：1-电源；2-前端发射系统；3-超声波；4-后端接收系统；5-储能装置。

[0035] 图2水下无线充电系统的前端发射系统。

[0036] 其中：2.1-信号发生器；2.2-功率放大器；2.3-发射端水声换能器[0037] 图3水下无线充电系统的后端接收系统；

[0038] 其中：4.1-接收端水声换能器；4.2-变压器；4.3-整流器。具体实施方式：

[0039] 现在结合附图对本发明进行进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

[0040] 实施例：

[0041] 如图1所示，本实施例公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统，包括电源1、前端发射系统2、超声波3、后端接收系统4、电能储存装置5。所述的电源1为交流电源或者直流电源，用于为整套系统提供电能。所述的前端发射系统2将电能转换成在水中远距离低损耗传播的超声波3能量。所述的后端接收系统4接收所述的超声波3能量并将其转换成适用于充电的电信号，为所述的储能装置5充电。

[0042] 如图2所示，所述的前端发射系统2主要由信号发生器2.1、功率放大器2.2、发射端水声换能器2.3构成。在上述的外部电源1的供电下，信号发生器2.1生成具有预定频率的电信号，由功率放大器2.2将电信号放大，再传递至发射端水声换能器2.3，放大的电信号转换为超声波形式的超声能量，并以水为传播媒介向上述的后端接收系统4传播。

[0043] 如图3所示，所述的后端接收系统4主要由接收端水声换能器4.1、变压器4.2、整流器4.3构成。接收端水声换能器4.1接收超声波形式的超声能量，并转换交流电信号形式的电能，再经过所述的变压器4.2、整流器4.3等处理为达到充电指标的直流电信号，所述的储能装置5接收所述的直流电信号以进行充电。

[0044] 为了降低无线充电传输过程的能量耗散，实现远距离、高功率无线充电，所述的发射端水声换能器2.3为单指向性好的压电型超声换能器，输出能量集中的窄波束超声波3，所述的超声波3窄波束范围为-3dB开角3°。

[0045] 为了使输出的超声波3方向性优异，携带高能量，从而实现水下无线充电系统远距离、高功率传输能量，所述的信号发生器2.1输出高频交流电信号，频率为100kHz，从而驱动所述的发射端水声换能器2.3在100kHz高频范围内工作，且电压发送响应为180dB。

[0046] 为了实现水下无线充电系统高功率传输能量，所述的发射端水声换能器2.3选用具有高发射声功率的换能器，高发射声功率为100W。

[0047] 为了提高能量转换效率，实现水下无线充电系统高功率传输能量，所述的发射端水声换能器2.3具有高电声效率，高电声效率为40％。

[0048] 为了提高能量传输效率，减少能量的发散损耗，实现水下无线充电系统远距离、高功率传输能量，所述的发射端水声换能器2.3以阵列布置的多个换能器，产生聚焦的超声能量波束。为了经由相控阵产生聚焦的超声能量波束，所述的发射端水声换能器2.3为参数阵列换能器。

[0049] 为了有效应对深海高静水压极端环境，保证深海环境中的能量传输，所述的后端接收系统4选用橡胶蒙皮点阵夹芯结构装置，保证耐高静水压、耐腐蚀、耐高盐。

[0050] 为了增加能量接收面积以接收更多的超声能量，实现水下无线充电系统高功率传输能量，所述的接收端水声换能器4.1阵列式排布，接收更多的超声能量。

[0051] 为了增加能量接收面积以接收更多的超声能量，并在非充电状态下保持与水下航行体或机电设备相当的空间体积，所述的接收端水声换能器4.1与空间展开结构组装，接收更多的超声能量，提高充电效率，实现远距离、高功率无线充电。

[0052] 为了提高能量转换效率和传输效率，实现水下无线充电系统高功率传输能量，所述的接收端水声换能器4.1为压电型超声换能器，在与所述的发射端水声换能器2.3工作频率相同的频率下具有高声压灵敏度和高的电声效率，高的电声效率为40％。

[0053] 所述的变压器4.2、整流器4.3根据实际情况进行工作调整以及增加额外的电路器件。当接收端水声换能器4.1输出电压低于储能装置5充电电压标准，变压器4.2对电信号进行升压处理；当接收端水声换能器4.1输出电压高于储能装置5充电电压标准，变压器4.2对电信号进行降低压处理。

[0054] 本实施例公开的一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统的工作方法为：将前端发射系统2通过电线与外部供电装置电源1连接，操作设置信号发生器2.1以产生预定频率100kHz的电信号，该预定频率为后续发射端水声换能器2.3的工作频率。预定频率100kHz的电信号传递至功率放大器2.2，经过功率放大器2.2后电信号进一步放大成为高功率电信号，从而驱动具有100W高发射声功率的发射端水声换能器2.3高功率地工作。阵列排布的发射端水声换能器2.3将高功率电信号转化为聚焦的超声波3波束以携带高功率超声能量，同时所述的超声波波束为-3dB开角3°的窄波束，从而保证降低超声波传输过程的能量耗散，实现远距离、高功率能量传输。发射端水声换能器2.3向水中发出输出超声波3以水为传播媒介向处于远距离处的后端接收系统4传播。后端接收系统4接收超声波3，阵列式排布、与空间展开结构结合的接收端水声换能器4.1将超声能量转换成电能，以交流电信号输出，再经过变压器4.2和整流器4.3处理，转换成适用于充电的直流电信号并输出，输出的直流电信号为所述的储能装置5充电。

[0055] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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一种基于超声波的远距离高功率水下无线充电系统

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