深海无线传能技术的发展与展望

郑恒持，王孙清，李彬彬，徐纪伟

深海无线传能技术的发展与展望

郑恒持1,2,3，王孙清1,2,3，李彬彬1,2,3，徐纪伟1,2,3

（1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2.深海技术科学太湖实验室，江苏 无锡 214082； 3.深海载人装备全国重点实验室，江苏 无锡 214082）

深海无线传能技术具有安全、可靠、隐蔽、灵活等特点，可以大大提升水下无人装备的续航能力，支撑其连续、隐蔽作业。本文综述了水下无线传能技术的发展现状，分析了复杂海洋环境对无线传能传输效率、稳定性、低噪声、电磁兼容性、境耐压防腐的影响，综合判断水下无线传能的发展趋势，提炼出水下无线传能的关键技术方向，以期水下无线传能技术为我国海洋装备的发展奠定基础。

无线传能；深海；网络化；标准化；能信同传

0 引言

深海供电系统是支撑深海进入、深海探测、深海开发发展战略的重要保障。而传统有线充电技术在能量发送端和用电设备之间存在直接电气连接，在高腐蚀性水下环境中存在线缆老化、漏电、短路等安全隐患，而且机动性差，难以满足水下无人潜器应用需求，无线传能技术通过非物理直接接触的方式对用电设备进行电能补充，可以有效提高充电安全性、便携性、隐蔽性。解决了海水介质中常规电气连接点的密封难度大、充电操作复杂、可靠性低、寿命短等一系列问题，能大幅提升水下作业、作战装备的安全性、可靠性、灵活性和隐蔽性。

1 国内外研究现状

美国从1994年就开始研究水下无线传能技术，2007年建立了250 W为锚系海洋剖面观测仪提供能量补偿的水下无线电能传输系统[1]，2011年研制了带有450 W水下无线电能传输功能的子母无人艇[2]。2018年开始研制了水下无线电能传输站[3]。2019年对水下无线传能系统涡流损耗进行了建模分析，基于损耗模型对谐振频率和工作频率进行了优化[4]。日本从2003年就开始研究水下无线传能技术，2004年设计了以铁氧体磁芯及锥形线圈组成的耦合器结构，输出功率500 W，效率90%[5]。2007年研制了一种应用于海洋观测系泊浮标上的水下传感器的无线传能和数据一体传输系统[6]。2019年利用带通滤波器理论设计了一种多线圈的基于磁共振的无线传能系统[7]。2021年设计了一种基于电容耦合器的无线传能装置，功率可达1 kW[8]。德国方面，MESA公司设计了一套水下可旋转的无线电能传输装置，可为传感器、照明装置、电机、微处理器及电池进行充电。实现了100 W的功率传输。在国内，水下无线传能的研究起步较晚，重庆大学、中科院沈阳自动化研究所、浙江大学、西北工业大学、天津大学等科研院校在水下无人潜航器、浮标等方面进行了无线电能传输应用研究，并取得了一定的研究成果。但是目前仍处于实验阶段，距离水下实装还有距离。

图1 美国Battelle公司研发的水下坞站系统

图2 浙江大学无人潜器无线传能实物

2 深海应用技术难点

受深海高压、高盐度、海流冲击等多环境复杂变量扰动的影响，深海环境下无线电能传输技术与陆地上有较大区别，需要突破较多关键技术。

2.1 复杂海洋环境对无线传输效率影响

海洋环境复杂多变，随着水深的变化，海水温度、盐度、海水压力以及海流冲击都在变化，海洋参数变化导致互感变化、系统耦合参数等变化，直接影响了电能传输的效率。可以通过优化设计补偿结构，闭环控制，实时调控，主动应对参数变化，提高传输效率。

与空气相比，海水具有良好的导电性能(空气电导率为0 s/m，海水电导率为1～6 s/m)。当线圈中有高频交变电流时，会产生交变高频磁场，交变磁场会产生涡旋电场，进而在海水中产生涡旋电流，并由此产生较大的电涡流损耗，高频电磁场衰减，系统谐振状态偏移，若不提出降损策略将大大降低传输效率[9]。对涡流损耗的研究对于揭示水下无线供能系统机理具有重要意义。可以通过调控频率和相位，降低分布电场强度；优化线圈布局，减少漏磁区能量损耗；采用多种材料组合屏蔽策略，提高电能传输指向性，以提升传输效率。

图3 水下无线传能损耗占比

2.2 复杂海洋环境对无线传输稳定性影响

海洋环境参数变化导致系统耦合参数变化，电池充电过程中等效负载动态变化，要通过设计，实现海洋环境下负载及互感变化下电能稳定传输。另外，无线电能传输系统需要收发线圈近距离大致对正，深海环境下受导航精度以及复杂海水环境影响，线圈的对正情况不能保证，考虑其安装、对接等需求和抗海流冲击干扰等多种因素，还要协调传输距离与电磁耦合器体积之间的矛盾，因此需要设计强偏移和距离适应性的磁耦合机构，保证深海复杂环境下的无线能量的稳定传输。开展磁耦合机构抗偏移性能的优化设计，针对磁耦合机构因深海洋流所可能产生的横向和纵向偏移对传统的静态无线电能传输磁耦合机构模态进行多目标参数优化，在保证功率传输能力的前提下实现满足技术指标偏移需求的磁耦合机构优化设计，结合自主式无人潜航器的悬停技术及水下定位技术，最终实现深海洋流环境下的水下无线电能传输系统高效稳定功率传输。

2.3 深海无线电能传输系统的低噪及电磁兼容问题

水下无线电能传输系统的电能发送线圈和接收线圈在工作时会产生高频交变磁场，部分电磁场会泄漏到系统之外，容易对水下航行器等机电设备的导航、声呐、引信等电子部件产生干扰，影响其正常功能，甚至引起误动作，造成损坏。在军事应用中，水下无线供电系统电磁场向外辐射，也将严重降低水下航行器的电磁隐身性能。海洋机电设备的电子、电气部件工作时产生的高次谐波也会对水下无线电能传输系统造成干扰，当高次谐波和系统谐振频率接近时，干扰最严重，会导致系统电能传输效率严重下降。因此，需要解决水下系统的电磁兼容问题，采取有效措施减小系统对外界的电磁干扰，同时增强系统的抗外界电磁干扰能力。该科技问题的解决预计可实现系统最优整体噪声降低效果不小于20%，最优供电可靠性提升效果不低于20%[10]。

2.4 深海环境耐压防腐技术研究

深海环境复杂，系统壳体的耐压、密封性、耐腐蚀性能至关重要，直接决定系统能否可靠工作。提高水下磁耦合结构密封性能，做好分离力检测、密封性检测、互换性检测、振动检测、冲击检测、浑浊试验检测等等，通过性能的不断提高，以更好地适应和满足深海工作环境。此外，深海压力环境下的外部振动、冲击易导致磁耦合结构的接触件出现松脱等情况，运行环境复杂多变，大量杂物等形成，也会造成水密连接器接触不良，进而出现运行状态不稳定，影响到信号和电能的稳定传输。另外，电磁耦合线圈表面及其绝缘材料既要满足一定耐压等级与密封的要求，又要满足系统在长期海水环境工作条件下耐腐蚀的要求，化学性能稳定；最后，结合水下航行器表面的弧度曲线，合理设计电场能量发射和接收侧的耦合结构，从而实现系统小型化、轻量化的要求。

3 深海无线传能技术发展趋势

3.1 分布式无线电能传输网络化

目前国内外都主要集中于解决单体设备水下无线传能的问题，尚未达到谱系化、网络化使用。而未来水下装备的集群化作业作战，需要谱系化、标准化、网络化应用水下无线传能技术。在水下基站中设立多个无线传能平台，作为水下能源基站节点，各个节点间通过无线电能传输的方式建立能量链路，合理配置节点的数量以及各个节点的容量，供/受电优先级以及主从关系进行合理的设计，以提高基站分布式能源系统的灵活性和可靠性，实现同时对水下集群装备协调无线电能传输。

3.2 无线电能传输接口标准化

水下装备种类繁多，为同时满足不同尺寸，不同功率等级、不同电制的水下装备的充电需求，必须要对无线传能的接口标准化进行研究和规范。以确保按照既定标准，设计具有通用性的收发装置，当水下供能基站的发射端与多种水下装备的接收装置间满足无线传能设计标准时，发射端与接收端间即可匹配，以实现为不同种类水下装备的兼容充电。

3.3 深海无线传能与载波通信一体化技术

无人潜器在无线电能传输的同时实时传输数据信息可以大大提升作业作战能力，既保证了信息实时回传，由提升了续航能力和隐蔽性。实现该供能的核心技术就是传能与载波通信一体化设计。主要包括，传能与载波通信的并行传输技术、能信互扰机理研究、高速数据传输系统结构与耦合电路研究、基于磁耦合线圈的载波收发模块研究，基于机器学习的信号解调方法研究。

4 结论

要建设海洋强国就必须在深海进入、深海探测、深海开发方面掌握关键技术。解决水下装备电能的生产，传输、存储、组网以及信息交互通信等难题，是推进深海装备大规模拓展的必要手段。无线传能是实现水下装备能源补给不可或缺的技术手段，水下无线传能未来将向着谱系化、网络化、标准化、能信一体化方向发展，这将会大大提升水下装备的工作效率和隐蔽性，颠覆传统水下装备作业模式，为我国深远海发展奠定重大基础。

[1] McGinnis T, Henae C P, Conroy K. Inductive power system for autonomous underwater vehicles[C]//OCEANS 2007. Vancouver, BC, Canada: IEEE, 2007: 1-5.

[2] Pyle D, Granger R, Geoghegan B, et al. leveraging a large UUV platform with a docking station to enable forward basing and persistence for light weight AUVs[C]//2012 Oceans. Hampton Roads, VA, USA, 2012: 1-8.

[3] Kan T, Zhang Y M, Yan Z C, et al. A Rotation-Resilient wireless charging system for lightweight autonomous underwater vehicles[J]. IEEE Trans Veh Technol, 2018, 67(8): 6935-6942.

[4] Yan Z C, Zhang Y M, Kan T Z. et al. Frequency optimization of a loosely coupled underwater wireless power transfer system considering eddy current loss[J]. IEEE Trans Ind Electron, 2019, 66(5): 3468-3476.

[5] Kojiya T, Saot F, Matsuki H, et al. Construction of non-contacting power feeding system to underwater vehicle utilizing electromagnetic induction[C]//Europe Oceans 2005. Brest, France: IEEE, 2005: 709-712.

[6] Yoshioka D, Sakamoto H, Ishihara Y, et al. Power feeding and Data-Transmission system using magnetic coupling for an ocean observation mooring buoy[J]. IEEE Trans Magn, 2007, 43(6): 2663-2665.

[7] Hasaba R, Katsuya O, Yagi t, et al. Experimental study on underwater wireless power transfer with degree of free position inside the coils[C]//2019 IEEE Underwater Technology (UT). Kaohsiung, Taiwan: IEEE, 2019:1-4.

[8]Tamura M, Murai K, Matsumoto M. Design of conductive coupler for underwater wireless power and data transfer[J]. IEEE Trans Microw Theory Tech, 2021, 69(1): 1161-1175.

[9]Bana V, Kerber M, Anderson G, et al. Underwater wireless power transfer for maritime applications[C]//2015 IEEE Wireless Power Transfer Conference (WPTC). Boulder, CO, USA：IEEE, 2015: 1-4.

[10] Yan Z C, Song B W, Zhang Y M, et al. A Rotation-Free wireless power transfer system with stable output power and efficiency for autonomous underwater vehicles[J]. IEEE Trans Power Electron, 2019, 34(5): 4005-4008.

The development and prospects of deep-sea wireless power transmission technology

Zheng Hengchi1,2,3, Wang Sunqing1,2,3, Li binbin1,2,3, Xu Jiwei1,2,3

(1.China Ship Scientific Research Centre, Wuxi 214082, Jiangsu, China; 2.Taihu Laboratory of Deep-sea Technological Science, Wuxi 214082, Jiangsu, China; 3. State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

TM724

A

1003-4862（2024）03-0054-03

2023-08-08

郑恒持（1990-），男，硕士，工程师，研究方向为水下装备供配电。E-mail：602242643@qq.com