深海無線傳能技術的發展與展望

鄭恒持，王孫清，李彬彬，徐紀偉

深海無線傳能技術的發展與展望

鄭恒持1,2,3，王孫清1,2,3，李彬彬1,2,3，徐紀偉1,2,3

（1.中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082；2.深海技術科學太湖實驗室，江蘇 無錫 214082； 3.深海載人裝備全國重點實驗室，江蘇 無錫 214082）

深海無線傳能技術具有安全、可靠、隱蔽、靈活等特點，可以大大提升水下無人裝備的續航能力，支撐其連續、隱蔽作業。本文綜述了水下無線傳能技術的發展現狀，分析了復雜海洋環境對無線傳能傳輸效率、穩定性、低噪聲、電磁兼容性、境耐壓防腐的影響，綜合判斷水下無線傳能的發展趨勢，提煉出水下無線傳能的關鍵技術方向，以期水下無線傳能技術為我國海洋裝備的發展奠定基礎。

無線傳能；深海；網絡化；標準化；能信同傳

0 引言

深海供電系統是支撐深海進入、深海探測、深海開發發展戰略的重要保障。而傳統有線充電技術在能量發送端和用電設備之間存在直接電氣連接，在高腐蝕性水下環境中存在線纜老化、漏電、短路等安全隱患，而且機動性差，難以滿足水下無人潛器應用需求，無線傳能技術通過非物理直接接觸的方式對用電設備進行電能補充，可以有效提高充電安全性、便攜性、隱蔽性。解決了海水介質中常規電氣連接點的密封難度大、充電操作復雜、可靠性低、壽命短等一系列問題，能大幅提升水下作業、作戰裝備的安全性、可靠性、靈活性和隱蔽性。

1 國內外研究現狀

美國從1994年就開始研究水下無線傳能技術，2007年建立了250 W為錨系海洋剖面觀測儀提供能量補償的水下無線電能傳輸系統[1]，2011年研制了帶有450 W水下無線電能傳輸功能的子母無人艇[2]。2018年開始研制了水下無線電能傳輸站[3]。2019年對水下無線傳能系統渦流損耗進行了建模分析，基于損耗模型對諧振頻率和工作頻率進行了優化[4]。日本從2003年就開始研究水下無線傳能技術，2004年設計了以鐵氧體磁芯及錐形線圈組成的耦合器結構，輸出功率500 W，效率90%[5]。2007年研制了一種應用于海洋觀測系泊浮標上的水下傳感器的無線傳能和數據一體傳輸系統[6]。2019年利用帶通濾波器理論設計了一種多線圈的基于磁共振的無線傳能系統[7]。2021年設計了一種基于電容耦合器的無線傳能裝置，功率可達1 kW[8]。德國方面，MESA公司設計了一套水下可旋轉的無線電能傳輸裝置，可為傳感器、照明裝置、電機、微處理器及電池進行充電。實現了100 W的功率傳輸。在國內，水下無線傳能的研究起步較晚，重慶大學、中科院沈陽自動化研究所、浙江大學、西北工業大學、天津大學等科研院校在水下無人潛航器、浮標等方面進行了無線電能傳輸應用研究，并取得了一定的研究成果。但是目前仍處于實驗階段，距離水下實裝還有距離。

圖1 美國Battelle公司研發的水下塢站系統

圖2 浙江大學無人潛器無線傳能實物

2 深海應用技術難點

受深海高壓、高鹽度、海流沖擊等多環境復雜變量擾動的影響，深海環境下無線電能傳輸技術與陸地上有較大區別，需要突破較多關鍵技術。

2.1 復雜海洋環境對無線傳輸效率影響

海洋環境復雜多變，隨著水深的變化，海水溫度、鹽度、海水壓力以及海流沖擊都在變化，海洋參數變化導致互感變化、系統耦合參數等變化，直接影響了電能傳輸的效率。可以通過優化設計補償結構，閉環控制，實時調控，主動應對參數變化，提高傳輸效率。

與空氣相比，海水具有良好的導電性能(空氣電導率為0 s/m，海水電導率為1～6 s/m)。當線圈中有高頻交變電流時，會產生交變高頻磁場，交變磁場會產生渦旋電場，進而在海水中產生渦旋電流，并由此產生較大的電渦流損耗，高頻電磁場衰減，系統諧振狀態偏移，若不提出降損策略將大大降低傳輸效率[9]。對渦流損耗的研究對于揭示水下無線供能系統機理具有重要意義?？梢酝ㄟ^調控頻率和相位，降低分布電場強度；優化線圈布局，減少漏磁區能量損耗；采用多種材料組合屏蔽策略，提高電能傳輸指向性，以提升傳輸效率。

圖3 水下無線傳能損耗占比

2.2 復雜海洋環境對無線傳輸穩定性影響

海洋環境參數變化導致系統耦合參數變化，電池充電過程中等效負載動態變化，要通過設計，實現海洋環境下負載及互感變化下電能穩定傳輸。另外，無線電能傳輸系統需要收發線圈近距離大致對正，深海環境下受導航精度以及復雜海水環境影響，線圈的對正情況不能保證，考慮其安裝、對接等需求和抗海流沖擊干擾等多種因素，還要協調傳輸距離與電磁耦合器體積之間的矛盾，因此需要設計強偏移和距離適應性的磁耦合機構，保證深海復雜環境下的無線能量的穩定傳輸。開展磁耦合機構抗偏移性能的優化設計，針對磁耦合機構因深海洋流所可能產生的橫向和縱向偏移對傳統的靜態無線電能傳輸磁耦合機構模態進行多目標參數優化，在保證功率傳輸能力的前提下實現滿足技術指標偏移需求的磁耦合機構優化設計，結合自主式無人潛航器的懸停技術及水下定位技術，最終實現深海洋流環境下的水下無線電能傳輸系統高效穩定功率傳輸。

2.3 深海無線電能傳輸系統的低噪及電磁兼容問題

水下無線電能傳輸系統的電能發送線圈和接收線圈在工作時會產生高頻交變磁場，部分電磁場會泄漏到系統之外，容易對水下航行器等機電設備的導航、聲吶、引信等電子部件產生干擾，影響其正常功能，甚至引起誤動作，造成損壞。在軍事應用中，水下無線供電系統電磁場向外輻射，也將嚴重降低水下航行器的電磁隱身性能。海洋機電設備的電子、電氣部件工作時產生的高次諧波也會對水下無線電能傳輸系統造成干擾，當高次諧波和系統諧振頻率接近時，干擾最嚴重，會導致系統電能傳輸效率嚴重下降。因此，需要解決水下系統的電磁兼容問題，采取有效措施減小系統對外界的電磁干擾，同時增強系統的抗外界電磁干擾能力。該科技問題的解決預計可實現系統最優整體噪聲降低效果不小于20%，最優供電可靠性提升效果不低于20%[10]。

2.4 深海環境耐壓防腐技術研究

深海環境復雜，系統殼體的耐壓、密封性、耐腐蝕性能至關重要，直接決定系統能否可靠工作。提高水下磁耦合結構密封性能，做好分離力檢測、密封性檢測、互換性檢測、振動檢測、沖擊檢測、渾濁試驗檢測等等，通過性能的不斷提高，以更好地適應和滿足深海工作環境。此外，深海壓力環境下的外部振動、沖擊易導致磁耦合結構的接觸件出現松脫等情況，運行環境復雜多變，大量雜物等形成，也會造成水密連接器接觸不良，進而出現運行狀態不穩定，影響到信號和電能的穩定傳輸。另外，電磁耦合線圈表面及其絕緣材料既要滿足一定耐壓等級與密封的要求，又要滿足系統在長期海水環境工作條件下耐腐蝕的要求，化學性能穩定；最后，結合水下航行器表面的弧度曲線，合理設計電場能量發射和接收側的耦合結構，從而實現系統小型化、輕量化的要求。

3 深海無線傳能技術發展趨勢

3.1 分布式無線電能傳輸網絡化

目前國內外都主要集中于解決單體設備水下無線傳能的問題，尚未達到譜系化、網絡化使用。而未來水下裝備的集群化作業作戰，需要譜系化、標準化、網絡化應用水下無線傳能技術。在水下基站中設立多個無線傳能平臺，作為水下能源基站節點，各個節點間通過無線電能傳輸的方式建立能量鏈路，合理配置節點的數量以及各個節點的容量，供/受電優先級以及主從關系進行合理的設計，以提高基站分布式能源系統的靈活性和可靠性，實現同時對水下集群裝備協調無線電能傳輸。

3.2 無線電能傳輸接口標準化

水下裝備種類繁多，為同時滿足不同尺寸，不同功率等級、不同電制的水下裝備的充電需求，必須要對無線傳能的接口標準化進行研究和規范。以確保按照既定標準，設計具有通用性的收發裝置，當水下供能基站的發射端與多種水下裝備的接收裝置間滿足無線傳能設計標準時，發射端與接收端間即可匹配，以實現為不同種類水下裝備的兼容充電。

3.3 深海無線傳能與載波通信一體化技術

無人潛器在無線電能傳輸的同時實時傳輸數據信息可以大大提升作業作戰能力，既保證了信息實時回傳，由提升了續航能力和隱蔽性。實現該供能的核心技術就是傳能與載波通信一體化設計。主要包括，傳能與載波通信的并行傳輸技術、能信互擾機理研究、高速數據傳輸系統結構與耦合電路研究、基于磁耦合線圈的載波收發模塊研究，基于機器學習的信號解調方法研究。

4 結論

要建設海洋強國就必須在深海進入、深海探測、深海開發方面掌握關鍵技術。解決水下裝備電能的生產，傳輸、存儲、組網以及信息交互通信等難題，是推進深海裝備大規模拓展的必要手段。無線傳能是實現水下裝備能源補給不可或缺的技術手段，水下無線傳能未來將向著譜系化、網絡化、標準化、能信一體化方向發展，這將會大大提升水下裝備的工作效率和隱蔽性，顛覆傳統水下裝備作業模式，為我國深遠海發展奠定重大基礎。

[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

鄭恒持（1990-），男，碩士，工程師，研究方向為水下裝備供配電。E-mail：602242643@qq.com