Модель системы беспроводного заряда при функционировании в морской воде в условиях качки. Ч. 1

Исследование посвящено разработке комплексной математической и компьютерной модели системы беспроводного заряда аккумуляторов автономных плавучих аппаратов, функционирующей в морской воде в условиях качки. Актуальность обусловлена отсутствием моделей, учитывающих совместное влияние переменного взаимного положения катушек и специфики высокопроводящей среды. Приведено математическое описание системы беспроводного заряда с последовательной LC-топологией. Модель системы построена на основе эквивалентных схем замещения и описывает электромагнитные процессы в резонансном контуре. Проведен анализ различных влияющих факторов: изменения взаимного расположения передающей и приемной катушек вследствие качки, вихревых токов в морской воде, паразитных емкостных связей и нелинейности полупроводниковых элементов. Для учета влияния качки предложен метод поэтапной аппроксимации, позволяющий представить взаимную индуктивность в виде полиномиальных зависимостей от параметров бортовой, килевой и вертикальной качки с сохранением точности расчета при сокращении временных затрат на вычисления. Математическое описание применимо для разработки инженерных методик расчета систем беспроводного заряда и алгоритмов управления такими системами.

1. Zhe L., Tong L., Siqi L., Chunting M. Advancements and challenges in wireless power transfer: A comprehensive review // Nexus. 2024. Vol. 1, iss. 2. P. 100014. DOI: 10.1016/j.ynexs.2024.100014.

2. Houran M. A., Yang X., Chen W. Magnetically coupled resonance WPT: Review of compensation topologies, resonator structures with misalignment, and EMI diagnostics // Electronics. 2018. Vol. 7, iss. 11. P. 296. DOI: 10.3390/electronics7110296.

3. Ahmad A., Alam M. S., Chabaan R. A comprehensive review of wireless charging technologies for electric vehicles // IEEE Trans. on Transportation Electrification. 2017. Vol. 4, iss. 1. P. 38–63. DOI: 10.1109/TTE.2017.2771619.

4. Mohammed S. A. Q., Jung J. W. A comprehensive state-of-the-art review of wired/wireless charging technologies for battery electric vehicles: Classification/common topologies/future research issues // IEEE Access. 2021. Vol. 9. P. 19572–19585. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3055027.

5. Qiu C., Chau K. T., Liu C., Chan C. C. Overview of wireless power transfer for electric vehicle charging // 2013 World Electric Vehicle Symposium and Exhibition (EVS27). Barcelona, Spain. 2013. P. 1–9. DOI: 10.1109/EVS.2013.6914731.

6. Cai C., Cui Q., Meng X., Wu S., Chai W. Design of a misalignment-tolerant wireless charging system based on multidimensional cross-coupling for autonomous underwater vehicles // Journal of Power Electronics. 2022. Vol. 22, iss. 12. P. 2147–2157. DOI: 10.1007/s43236-022-00504-z.

7. Xia C., Wang W., Ren S., Wu X., Sun Y. Robust control for inductively coupled power transfer systems with coil misalignment // IEEE Trans. on Power Electronics. 2018. Vol. 33, iss. 9. P. 8110–8122. DOI: 10.1109/TPEL.2017.2771532.

8. Liu Y., Madawala U. K., Mai R., He Z. Control of Wireless Power Transfer Systems under Large Coil Misalignments // IEEE 15th Brazilian Power Electronics Conf. and 5th IEEE Southern Power Electronics Conference (COBEP/SPEC), Santos, Brazil. 2019. P. 1–4. DOI: 10.1109/COBEP/SPEC44138.2019.9065433.

9. Wang D., Zhang J., Cui S., Bie Z., Chen F., Zhu C. The state-of-the-arts of underwater wireless power transfer: A comprehensive review and new perspectives // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2023. Vol. 189. P. 113910. DOI: 10.1016/j.rser.2023.113910.

10. Zhang W., Mi C. C. Compensation topologies of high-power wireless power transfer systems // IEEE Trans. on Vehicular Technology. 2016. Vol. 65, iss. 6. P. 4768–4778. DOI: 10.1109/TVT.2015.2454292.

11. Shevchenko V., Husev O., Strzelecki R., Pakhaliuk B., Poliakov N., Strzelecka N. Compensation topologies in IPT systems: Standards, requirements, classification, analysis, comparison and application // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 120559–120580. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2937891.

12. Panchal C., Stegen S., Lu J. Review of static and dynamic wireless electric vehicle charging system // Engineering Science and Technology. 2018. Vol. 21, iss. 5. P. 922–937. DOI: 10.1016/j.jestch.2018.06.015.

13. Campagna N., Castiglia V., Miceli R., Mastromauro R. A., Spataro C., Trapanese M., Viola F. Battery models for battery powered applications: A comparative study // Energies. 2020. Vol. 13, iss. 16. P. 4085. DOI: 10.3390/en13164085.

14. Imura T. Wireless Power Transfer: Using Magnetic and Electric Resonance Coupling Techniques. Singapore: Springer, 2020. 427 p. DOI: 10.1007/978-981-15-4580-1.

15. Cheng Z., Lei Y., Song K., Zhu C. Design and loss analysis of loosely coupled transformer for an underwater highpower inductive power transfer system // IEEE Trans. on Magnetics. 2015. Vol. 51, iss. 7. P. 1–10. DOI: 10.1109/TMAG.2014.2346737.

16. Xu F., Huang H. Frequency selection for underwater wireless power transfer based on the analysis of eddy current loss // AEU — Intern. Journal of Electronics and Communications. 2023. Vol. 163. P. 154618. DOI: 10.1016/j.aeue.2023.154618.

17. Глебов Б. Моделирование потерь мощности от вихревых токов в проводниках обмоток магнитных элементов // Силовая электроника. 2022. № 3(96). С. 14–16.

18. Yu L. Research on key technologies of wireless power transmission system for underwater application: Extended Abstract of PhD Thesis. Harbin Engineering Univ. 2016.

19. Silberman Z. J., Adams T. R., Faber J. A., Etienne Z. B., Ruchlin I. Numerical generation of vector potentials from specified magnetic fields // Journal of Computational Physics. 2019. Vol. 379. P. 421–437. DOI: 10.1016/j.jcp.2018.12.006.

20. Semykina I. Y., Velilyaev A.-K. S., Smoktal N. N. On the coils’ mutual inductance determination of a wireless power transfer system with a quasi-free positioning of the receiver // Intern. Conf. on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi. 2025. P. 344–349. DOI: 10.1109/ICIEAM65163.2025.11028257.

21. Foote A., Onar O. C. A review of high-power wireless power transfer // IEEE Transportation Electrification Conf. and Expo (ITEC). IEEE, 2017. P. 234–240. DOI: 10.1109/ITEC.2017.7993277.

22. Zhang Y., de Rooij M. Rectifier topology comparison in 6.78 MHz highly resonant wireless power systems // IEEE Applied Power Electronics Conf. and Exposition (APEC). IEEE, 2019. P. 671–677. DOI: 10.1109/APEC.2019.8722127.