Analysis and control of inductive power transfer systems for wireless battery charging in subsea applications

Abstract

I mange år har AUVer hovedsakelig blitt brukt som verktøy for å utforske havet. I dag er de i ferd med å utvikles til å bli flerbruks-verktøy. Dette kommer som et resultat av progresjonen som har skjedd innenfor kunstig intelligens, maskinsyn, og stordata. Flerbruks AUVer kan brukes til mer sofistikerte oppgaver, som for eksempel oppgaver som er direkte relatert til operasjonen av undervannsinstallasjoner. Slike oppgaver blir i dag utført av ROVer som blir sendt ut ved behov. Å ha permanente stasjonerte AUVer på sjøbunnen gir mange fordeler som igjen fører til økt sikkerhet og reduserte kostnader. AUVer kan også operere uten en tilkoblet kabel, noe som vil gjøre den mer agil. Effekten vil da istedenfor bli levert fra et batteri. Å hente opp igjen AUVen fra sjøen for lading er både tids-konsumerende og upraktisk, spesielt for de dypeste undervannsinstallasjonene lokalisert 3000 meter under havet. Trådløs lading under vann kan få bukt med dette, og gjøre AUVer mer uavhengig av fartøy. Det vil også gjøre det mulig for AUVene å legge ut på lengre og mer omfattende oppdrag, som vil føre til en økt datainnhenting.

Trådløs oppladning har blitt en moden teknologi, og utvikling har skutt fart gjennom forbruker-elektronikk men også seinere; elektriske kjøretøy. Mange forskere har bevist at det er mulig å overføre effekt trådløst under vann, hvor resonant induktiv effekt overføring er blitt vist til å være den mest lovende fremgangsmetoden. Det største problemet med sjøvann som separerende medium er at det har høyere konduktivitet enn luft, som fører til høyere virvelstrømmer. Denne oppgaven presenterer et design av en induktiv lader som passer kriteriene til en flerburks AUV, samtidig som retningslinjene for å minimere virvelstrømmer er tatt hensyn til. Systemet er designet slik at det opererer på bifurkasjons-grensen. Bifurkasjons-karakteristikkene blir videre utnyttet for kontroll av effekten levert til batteriet for varierende magnetiske koblinger. Dette blir gjort ved å tillate operasjon utenfor resonans-frekvensen. Å kontrollere den leverte effekten på en slik måte gjør at volt ampere kravene til omformerne er minimert. Dette står i kontrast til mer konvensjonell kontroll, hvor systemet opererer på resonansfrekvensen for alle variasjoner i magnetisk kobling. Amplituden på spenningen vil da variere, som igjen krever varierende VA krav til omformerne avhengig av den magnetiske koblingen.

Karakteristikkene til systemet blir også påvirket av hvordan batteriet er modellert. Et batteri vil fremstå som en konstant spenningslast (CVL) in en elektrikst krets, men forskere foretrekker ofte å se på batteriet som en konstant resistiv last (CRL) for simplisitet. Det er vist at området av koblinger hvor levert effekt kan bli kontrollert ved å justere frekvensen er teoretisk høyere for en CVL enn en CRL. Dette området kan også bli forlenget ved å ubalansere forholdet mellom inngangs- og utgangsspenning, og å detune den resonante delen av sende-siden. Dette gir en ulik resonans-frekvens på begge sider av kretsen.

Basert på frekvens-karakteristikkene til systemet, har en PI-kontroller blitt implementert i Simulink som suksessfullt kontrollerer utgangseffekten til den induktive laderen fra den maksimale forventede koblingen og helt ned til den minimale koblingen som blir bestemt som en del av designet. Kontrolleren møter ingen problemer hva gjelder stabilitet eller degradert ytelse når koblingen endres. Som et resultat av designet, er effektiviteten til det foreslåtte systemet ca. 96,7 % over hele det forventede koblingsspekteret. Selv om tapene i det implementerte system ville være høyere på grunn av virvelstrømmer, termiske konstanter, og ikke-ideelle komponenter, er det fremdeles forventet at effekten vil ha små eller treige endringer når koblingen endres. Denne egenskapen kan bli utnyttet for å designe en kontroller som utnytter sende-sidens variabler for å opprettholde den ønskede utgangseffekten. Dette vil forsikre at en tilbakekobling som er avhengig av rask kommunikasjon med den mottakende siden ikke er nødvendig. Basert på antagelsen om at effekten vil endre seg tregt, vil det være nødvendig med en trådløs tilbakekobling fra mottaker-siden som justerer sende-sidens referanse slik at effekten ut vil være nominell.

In many years, AUVs have primarily been used as tools for ocean-exploration. Today, they are in the development of becoming multi-purpose tools. This comes as a result of the progress that is seen within artificial intelligence, machine vision and big data. Multi-purpose AUVs can be used to more sophisticated purposes, as for instance tasks directly related to operation of subsea oil fields. Such tasks are today performed by remotely operated vehicles (ROVs) that are deployed on demand. Having permanently stationed AUVs on the seabed yields many benefits that leads to both increased safety and reduced costs. AUVs can also be completely tetherless with the advantage of them becoming more agile. The power will then be delivered from a battery. Retracting the AUV for charging is obviously time consuming and not practical, especially at the deepest subsea installations at 3000 meters below sea level (mbsl). Wireless charging subsea can cope with this, and make AUVs more independent on surface-vessels in general. This will also enable AUVs intended for exploration and mapping to embark in longer and more extensive missions, which will result in an increased data-retrieval.

Wireless power transfer (WPT) is becoming a mature technology, and has seen a rapid development through consumer electronics, but also later; electric vehicles (EVs). Transferring power wirelessly subsea has also been proved to be feasible by many researchers, where resonant inductive power transfer (RIPT) is shown to be the most promising approach. The biggest problem with seawater as the separating medium is that it is more conductive than air, which leads to power loss due to eddy currents. This thesis presents a design of an inductive charger that suits the ratings of a multi-purpose AUV, while following design guidelines to reduce eddy current loss. The system is designed so that it operates at the bifurcation limit. The bifurcation-characteristics is then utilized to control the output-power for variable coupling coefficients (k). This is done by allowing off-resonant operation of the input voltage. Controlling the output power in such a manner ensures that the volt ampere (VA) requirements of the converters are minimized. This is in contrast to more conventional fixed frequency control, where operation at the resonance frequency is assured for all changes in coupling, while the amplitude of the voltage on the sending side will vary, thus demanding varying VA requirements to the converters.

The characteristics of the system is also affected by how the battery is modelled. A battery will appear as a constant voltage load (CVL), while it is often found that authors prefer viewing the battery as a constant resistance load (CRL) for simplicity. It is shown that the range of couplings where the power output can be controlled by adjusting the systems operating frequency is theoretically bigger for a CVL than what a CRL-equivalent indicates. This range can also be extended by unbalancing the ratio between the supply-voltage and the output-voltage, and detuning the resonant part of the sending side, thereby having different resonance-frequencies on both sides of the circuit.

Based on the frequency characteristics of the system, a PI-controller has been implemented in Simulink that successfully controls the output power of the inductive charger for the maximum expected coupling and down to a minimum coupling that is decided as part of the design. The controller faces no problems with stability or degraded performance when the coupling changes. As a result of the design, the efficiency of the proposed system has a constant efficiency of approximately 96,7 % over this range of couplings. Even though the losses in an implemented system would be larger due to eddy-current losses, thermal constants and non-ideal components, it is still expected that the efficiency will have small or slow changes when the coupling changes. This property can be utilized to control the variables on the receiving side based on the variables on the sending side, thus eliminating the need for a feedback that requires fast communication from the receiving side. However, based on the assumption that the efficiency will change slowly, a wireless feedback from the secondary side that adjusts the primary side reference will ensure that the power output remains nominal for a varying efficiency.