豐利軍，朱春波，張劍韜，余林剛

(1. 中國人民解放軍92942 部隊，上海 200235；2. 哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

目前，海洋觀測設備的能源主要來自水面船舶電纜或海底電纜，無纜設備則依賴于自身儲能裝置。海底電纜工程的建設受地域建設條件、海洋工程條件和施工設備等條件的限制，涉及技術領域廣泛，投資規(guī)模較大，施工技術復雜。無纜設備受限于自身儲能裝置的容量，其布放范圍以及自持能力都受到嚴重制約。無線電能傳輸技術由于采用非接觸方式實現(xiàn)能量傳遞，具有安全性高、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，將成為解決水下傳能問題的有效手段。

如圖1 所示，水下無人航行器（UUV）除執(zhí)行本身任務以外，同時還可設計成電能載體，建立以電能載體UUV 為中轉(zhuǎn)的海洋能量網(wǎng)絡。一方面，UUV 可以從母船、漂浮能源島、水上風機、或水下有纜充電樁獲取能量，增加自身作戰(zhàn)半徑；另一方面，水下的探測設備如水下聲吶設備、水下機器人等可以從UUV獲取電能以增加自持能力和擴大布放范圍。

1 水下無線充電技術優(yōu)勢

采用傳統(tǒng)的直接接觸式充電方式，必須設計復雜而嚴密的密封結(jié)構，制成濕插拔接口，但其制作工藝和結(jié)構復雜，且存在漏水、漏電等安全隱患、插拔操作過程復雜、安裝定位精度要求高、使用壽命短等弊端。特別是在近海防衛(wèi)、水文監(jiān)測、遠洋水下預警以及水下導航等領域的應用，接觸式充電方式將極大地限制UUV 機動能力。主要體現(xiàn)在由于受供電線纜長度、海水腐蝕、自身儲能裝置的容量以及能源補給方式的制約，水下探測設備的布放范圍以及UUV 檢測距離均受到嚴重制約，隱蔽性也難以保障。

利用水下無線電能傳輸技術所具有的安全性強、自動化水平高、隱蔽性強的優(yōu)勢，可以更好地解決水下探測設備的電能補給需求。在當今建設海洋強國新形勢下，水下無線電能傳輸技術應用場景非常廣泛，可極大地提高海洋作業(yè)的自動化程度，解除海洋物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點布局限制，提高UUV 作戰(zhàn)半徑與自主能力等。

無線充電技術帶來的技術優(yōu)勢如下：

1）UUV 隱蔽性好。不再需要用水面艦只收回充電或換電；

2）UUV 可配置多種能量來源。水面或水下船只，水面或水下能源島，水下有線供電網(wǎng)絡；

3）水下探測系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、武器系統(tǒng)等用電設備，可以不依賴于有線供電網(wǎng)絡，由能量載體UUV 進行巡回補電。

圖 1 水下無線供電體系示意圖Fig. 1The schematic diagram of WPT for UUV

2 國外研究現(xiàn)狀

最早將無線能量傳輸技術應用到水下領域的是麻省理工學院（MIT）與伍茲霍爾海洋研究所（WHOI），將 OdysseyII 水下航行器用于海底采樣網(wǎng)絡，通過海底采樣網(wǎng)絡的靠泊系統(tǒng)實現(xiàn)無線充電[1-2]。

2012 年，由美國海軍研究辦公室指揮，潛艇部隊參與組裝及測試的水下無人航行器對接充電項目完成了試驗。該項目成功測試了水下塢站技術的相關功能，即水下無線能量傳輸和水下數(shù)據(jù)交換等功能。其中水下無線充電功率為450 W[3]。2013 年，日本NEC公司發(fā)表了一篇有關水下非接觸充電裝置能量和信息同步傳送的文章[4]，它摒棄了以往水下充電裝置依賴聲吶的通信方式，取而代之的是通過選取不同的變壓器工作頻率，使之既可以傳輸能量，又可進行信息傳送，其中能量傳輸頻率為1 MHz，信息載波頻率為92 MHz，信號傳輸頻率為20 MHz。

圖 2 水下潛航器無線充電平臺Fig. 2Platform of WPT for UUV

2015 年，Carderock[5]領導他的團隊與美國海軍海底作戰(zhàn)中心聯(lián)手開始在馬里蘭州西貝塞斯達總部，用被弄臟以及加鹽的水來模擬實際的海洋環(huán)境，在6 000加侖的水箱內(nèi)進行將數(shù)據(jù)和能量以無線方式自動從“水面母艦”傳輸?shù)経UV 的系統(tǒng)演示，并且在演示過程中尋找提高傳輸系統(tǒng)可擴展性的可能性，使其可以運用到其他平臺上去。

2017 年，美國太平洋空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部的海軍科學家開發(fā)了一種使用無線技術為水下無人航行器充電的方法，其設想是在海底布設有纜充電樁，水下無人航行器通過自主?？吭诔潆姌东@取電能，這種技術將擴大水下無人航行器的執(zhí)行任務范圍[6]。

針對UUV 在水下與能量基站進行無線電能傳輸難以實現(xiàn)發(fā)射和接收端精密對準，從而不能獲得較高傳輸效率的問題，美國海軍近岸作戰(zhàn)司令部太平洋實驗室的Sean Patten 與美國海軍于2017 年聯(lián)合開發(fā)出一種發(fā)射線圈與接收線圈“軟連接”的耦合機構方案，其特點是發(fā)射線圈系統(tǒng)“嵌套在”接收線圈系統(tǒng)中[7]。該系統(tǒng)的發(fā)射線圈系統(tǒng)由非平面錐形發(fā)射線圈（線圈繞制在非平面錐形鐵氧體上）、圍繞在發(fā)射線圈外的絕緣外殼組成；該系統(tǒng)的接收線圈系統(tǒng)由鐵氧體插頭，繞制在鐵氧體插頭柱狀部分的接收線圈以及包絡在外的半球形（凹形）絕緣層組成。該系統(tǒng)的軟連接方式如圖4 所示。

雖然世界各國研究機構仍在不斷進行水下無線電能傳輸技術的研究[8-10]，但仍然存在一些關鍵技術問題有待研究，其中包括：深水應用的磁耦合機構結(jié)構、海水介質(zhì)中損耗特性與傳輸特性、系統(tǒng)魯棒控制技術、能量和信息同步傳輸技術，以便最大限度提升系統(tǒng)工作性能，保證系統(tǒng)的安全、可靠、穩(wěn)定、高效運行。

圖 3 美國軍方為UUV 無線充電的設想Fig. 3U.S. military's vision for wireless charging of UUV

圖 4 美國海軍為UUV 無線充電耦合機構軟連接方式Fig. 4U.S. Navy soft connection mode for UUV wireless charging coupling mechanism

3 關鍵技術研究

3.1 深水應用的磁耦合機構結(jié)構設計

目前，有關水下磁耦合機構主要采用2 種結(jié)構，分別是無磁芯和有磁芯結(jié)構。在無磁芯結(jié)構研究過程中，有人基于無磁芯結(jié)構，在重點分析了海水和空氣不同介質(zhì)中系統(tǒng)傳輸功率、副邊電流及效率的關系后，提出一種錐形線圈結(jié)構，該磁芯結(jié)構相對于螺旋形磁芯結(jié)構，可在提升傳輸效率的同時抑制水下暗流對系統(tǒng)傳輸能量的影響，這種無磁芯磁耦合結(jié)構，雖然可極大降低耦合機構的體積和重量，減少UUV 負荷，增加其機動性，但耦合系數(shù)較低，工作頻率高，漏磁嚴重，傳輸效率較低，且結(jié)構復雜，線圈散熱較為困難，很難提升功率級別。

而在有磁芯結(jié)構研究過程中，先后有人提出過原邊與副邊帶磁芯的磁耦合結(jié)構以及環(huán)形電磁耦合器。前者雖然提高了傳輸效率，但該耦合機構會增加UUV載重，增加電能損耗的同時，也極大地降低了其機動性。后者雖具有良好的電壓穩(wěn)定性和較高的效率，但該電磁耦合器中間的環(huán)形空間部分較大，且在工作過程中該空間流有主磁通，從而導致這部分空間的海水中產(chǎn)生一定的渦流損耗，降低了系統(tǒng)的傳輸效率，同樣該耦合機構會增加UUV 載重，增加電能損耗的同時降低了其機動性。

3.2 海水介質(zhì)中能量傳輸和渦流損耗特性研究

水下無線電能傳輸系統(tǒng)在工作過程中采用非接觸方式進行能量傳遞，因此在傳能過程中具有安全性高、無需精確定位等優(yōu)勢，使之非常適合應用到水下等惡劣環(huán)境中。然而，由于水介質(zhì)相對于空氣介質(zhì)在介電常數(shù)和電導率方面有所不同，使得水下與常規(guī)空氣中應用的無線電能傳輸系統(tǒng)在模型結(jié)構及傳輸特性上存在較大差異。通過表1 可以看出3 種介質(zhì)的磁導率幾乎沒有差別，即3 種介質(zhì)的相對磁導率與真空近似，但其電導率和介電常數(shù)存在較大的差異，其中海水的電導率最大，其次是淡水，而在空氣中電導率并不存在。水介質(zhì)中電導率的存在會產(chǎn)生高頻渦電流而引起渦流損耗，從而影響了磁耦合機構傳輸效率。水的相對介電常數(shù)為81，因此水下磁耦合機構模型要考慮兩線圈間的電容效應。

表 1 三種介質(zhì)參數(shù)對比Tab. 1 Comparison of parameters under three mediums

目前，基于海水介質(zhì)建模方面的研究較少。一些研究團隊在水下磁耦合機構建模過程中，有些雖然考慮了水下渦流損耗對系統(tǒng)傳輸效率的影響，但僅考慮了工作電流而并未考慮工作頻率對水下渦流損耗的影響，同時也未能考慮水下電容效應對水下磁耦合機構模型及傳輸性能的影響；有些雖考慮了工作頻率對水下渦流損耗的影響，并在水下磁耦合機構模型中引入了兩線圈間的寄生跨接電容，但未考慮工作電流對水下渦流損耗的影響，也未對寄生跨接電容對系統(tǒng)傳輸性能的影響做深入硏究。

3.3 水下雙向無線電能傳輸電路拓撲及快速魯棒控制策略

有關水下無線電能傳輸控制技術方面，主要分為原邊控制、副邊控制和雙邊控制等3 種控制方式，不同控制策略優(yōu)缺點比較見表2。

1）原邊控制方式。

首先通過理論推導給出了原邊補償電容端電壓Vc1的表達式，后根據(jù)采集獲得的原邊線圈電壓與電流間的相位得到Vc1的實部與虛部，進而可估算出互感值M，利用Vc1的實部和M 可計算出輸出電壓Voref，該計算電壓值在與給定輸出電壓值Voref相比較后的差值，經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器后產(chǎn)生開關管驅(qū)動信號，最后通過控制線圈電流以達到控制負載端電壓的目的。

2）副邊控制方式。

一種副邊控制方式是在整流電路后加入Buck 變換器，利用狀態(tài)空間平均法建立小信號模型，基于極配置法設計PI 控制器，實現(xiàn)恒功率或最大效率控制。另一種是基于可控整流和滯后比較器的副邊控制方法，對輸出功率或最大效率進行控制。

表 2 不同控制策略優(yōu)缺點比較Tab. 2Comparison of advantage and disadvantage between various control strategy

3）雙邊控制方式。

可分為雙邊無通信與通信控制2 種方式。經(jīng)典的雙邊無通信控制方式，它的原邊部分由全橋結(jié)構和LCL 諧振網(wǎng)絡構成，所采用的控制方法是通過變頻控制方式保證變壓器原邊線圈的恒流輸出，副邊部分采用并聯(lián)補償結(jié)構，經(jīng)不控整流和 Boost 升壓變換器對負載進行能量調(diào)節(jié)。雙邊通信控制方式是將原副邊相結(jié)合，提出基于工作頻率調(diào)制和雙邊無線通信的閉環(huán)控制方法，實現(xiàn)無線充電。

對于無線電能傳輸?shù)聂敯艨刂撇呗裕壳捌毡椴捎肞I 控制算法，控制參數(shù)一般通過極點配置法選取，控制策略較為簡單且易于實現(xiàn)。但是現(xiàn)有的建模方法與控制策略通常忽略無線電能技術實際應用中的多種不確定擾動因素。系統(tǒng)動態(tài)響應特性以及多參數(shù)擾動下快速魯棒控制器的設計研究亟待進行。

3.4 水下能量和信息同步傳輸技術

在水下無線電能傳輸?shù)膽脠鼍爸校复?、UUV與水下探測設備之間不只存在能量交互同時也存在信息傳遞，因此還需要研究海水中無線電能與信息同步傳輸技術。需要從嵌入式雙向水下耦合機構出發(fā)，采用雙邊LCC 補償諧振拓撲，以及改進型注入式磁耦合通信技術與能量調(diào)制型FSK 通信技術，實現(xiàn)海水中電能與信息的同步傳輸。以下問題亟待解決：

1）研究基于嵌入式耦合機構的注入式磁耦合通信技術優(yōu)化方案

針對無線電能與信息同步傳輸技術受耦合系數(shù)影響顯著的問題，為此可設計出一種嵌入式耦合機構，該耦合機構便于原副邊對準，抗偏移能力強，耦合系數(shù)大，因此基于嵌入式耦合機構的注入式磁耦合通信技術是其中的難點。

2）研究復合諧振拓撲LCC 結(jié)構的傳輸特性

針對電能傳輸對于信息傳輸?shù)母蓴_問題，需要研究雙邊LCC 諧振補償網(wǎng)絡。LCC 結(jié)構具備多個諧振頻點，當原邊與副邊均采用LCC 補償拓撲時，選取原邊與副邊不同的諧振頻點進行搭配時，可以使得系統(tǒng)具備多種傳輸特性，因此需要從對稱與非對稱2 個角度對其進行詳細的分析。

3）研究基于LCC 補償諧振拓撲的能量調(diào)制型FSK 通信技術以及全雙工磁耦合通信技術

針對目前的磁耦合通信技術均只能實現(xiàn)單工與半雙工通信的問題，需要研究雙邊LCC 結(jié)構通過參數(shù)設計，進而實現(xiàn)具備兩個輸出特性相同的諧振頻點，保證功率傳輸穩(wěn)定性的前提下實現(xiàn)能量調(diào)制型FSK 通信技術。

4 結(jié) 語

本文分析水下無線充電的技術優(yōu)勢，研究不同國家及機構對UUV 水下無線充電技術的最新研究成果，針對水下無線充電在磁耦合機構設計、海水介質(zhì)中能量傳輸和渦流損耗特性研究、水下雙向無線電能傳輸電路拓撲及快速魯棒控制策略、水下能量和信息同步傳輸技術等4 個方向展開了深入討論，為UUV 水下無線充電技術的發(fā)展應用奠定一定基礎。