1 電磁感應(yīng)式無線電能傳輸

電磁感應(yīng)式原理與普通電力變壓器類似，主要通過高頻松耦合變壓器實現(xiàn)能量傳輸。在高頻交流電激勵下，松耦合變壓器一次繞組產(chǎn)生的高頻磁場穿過較大的氣隙與二次繞組耦合，從而實現(xiàn)能量傳遞。電磁感應(yīng)式無線電能傳輸相比于普通電力變壓器，松耦合變壓器注入的是高頻電能，因此松耦合變壓器采用高頻設(shè)計，且氣隙大于普通電力變壓器，但較大的氣隙會導(dǎo)致變壓器耦合因數(shù)降低，影響系統(tǒng)傳輸效率，因此電磁感應(yīng)式系統(tǒng)的供電距離一般為mm級。

電磁感應(yīng)式系統(tǒng)工作原理如圖1所示，系統(tǒng)包含整流濾波、高頻逆變、一次側(cè)補(bǔ)償、松耦合變壓器、二次側(cè)補(bǔ)償、高頻整流和功率調(diào)節(jié)等。電磁感應(yīng)式系統(tǒng)的工作原理是工頻交流電能經(jīng)過整流和高頻逆變后變換為高頻交流電能，輸入到松耦合變壓器的一次繞組，激勵產(chǎn)生高頻電磁場并與二次繞組感應(yīng)耦合，二次繞組兩端得到的高頻交變電經(jīng)高頻整流和功率調(diào)節(jié)后向負(fù)載供電。

圖1 電磁感應(yīng)式系統(tǒng)工作原理

由于海水磁導(dǎo)率與真空磁導(dǎo)率極為接近，故可認(rèn)為感應(yīng)式系統(tǒng)的傳輸線圈在空氣和海水兩種環(huán)境下的耦合能力是一致的，但同時應(yīng)注意到，空氣的電導(dǎo)率極小，可近似認(rèn)為空氣不導(dǎo)電，所以不存在電渦流損耗問題。以海水為傳輸介質(zhì)時，海水導(dǎo)電性好，電導(dǎo)率較大，高頻交變磁場在海水中產(chǎn)生渦旋電場，進(jìn)而產(chǎn)生渦旋電流和電渦流損耗，一部分能量被海水吸收。

因此，為了精確描述海水介質(zhì)下的電磁感應(yīng)式系統(tǒng)，文獻(xiàn)[21]提出可在陸上感應(yīng)式系統(tǒng)等效電路的基礎(chǔ)上，將海水介質(zhì)等效為阻抗Ze并入電路中，如圖2所示，該等效電路真實反映出海水介質(zhì)改變了系統(tǒng)的阻抗參數(shù)，但并未改變系統(tǒng)傳輸機(jī)理。

2 磁耦合諧振式無線電能傳輸

磁耦合諧振式系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，主要由高頻電源、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、發(fā)射線圈、接收線圈和負(fù)載驅(qū)動電路等組成。系統(tǒng)的工作原理：高頻電源向發(fā)射線圈輸出高頻交變電流，在磁耦合諧振作用下接收線圈與發(fā)射線圈發(fā)生耦合諧振，從而實現(xiàn)電能從發(fā)射端到接收端的高效無線傳輸，而接收到的電能經(jīng)過負(fù)載驅(qū)動電路進(jìn)行整流濾波處理后，便可以直接給負(fù)載供電。

其工作頻率較高，一般在MHz級，其傳輸結(jié)構(gòu)與電磁感應(yīng)式較為接近，二者差別主要體現(xiàn)在系統(tǒng)諧振頻率上，有部分學(xué)者針對磁耦合諧振式WPT和磁耦合感應(yīng)式WPT技術(shù)之間的關(guān)系，從原理結(jié)構(gòu)、傳輸特性等方面的異同進(jìn)行了深入研究。

圖2 海水介質(zhì)下松耦合變壓器的等效電路模型

圖3 磁耦合諧振式系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)一次、二次電路補(bǔ)償元件的不同聯(lián)結(jié)方式，補(bǔ)償電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可劃分為SS型、SP型、PS型和PP型（S表示串聯(lián)補(bǔ)償、P表示并聯(lián)補(bǔ)償），四種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。其中L1和L2分別為一次、二次諧振電感，R1和R2分別為一次、二次電感等效內(nèi)阻，C1和C2分別為一次、二次諧振電容，RL為等效負(fù)載，M12為一次、二次線圈之間的互感，US和RS分別為一次輸入電壓和內(nèi)阻，I1和I2分別為一次、二次諧振電流。

圖4 磁耦合諧振補(bǔ)償電路的四種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了隔離高頻電源和負(fù)載對諧振線圈的影響，方便阻抗匹配，麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊在2007年提出了四線圈的結(jié)構(gòu)，在發(fā)射端增加一個電源激勵線圈，在接收端增加一個負(fù)載線圈，其電路模型如圖5所示。

圖5 四線圈結(jié)構(gòu)磁耦合諧振式無線供電系統(tǒng)

由于磁耦合諧振式與感應(yīng)式傳輸結(jié)構(gòu)相似，且工作頻率更高，故海水環(huán)境中磁耦合諧振式系統(tǒng)的渦流損耗現(xiàn)象更為明顯，同時，多線圈結(jié)構(gòu)下過多的耦合次數(shù)會增加能量損耗，降低了長距離傳輸時的功率和效率。西北工業(yè)大學(xué)張克涵教授等設(shè)計了一種三線圈耦合結(jié)構(gòu)，較好地解決了兩線圈模型傳輸性能差和四線圈模型耦合次數(shù)多的問題。

3 超聲波耦合式無線電能傳輸

超聲波耦合式無線電能傳輸技術(shù)的系統(tǒng)總體方案如圖6所示。壓電超聲換能器的機(jī)電等效模型如圖7所示，壓電超聲換能器在工作過程中，包含了電路系統(tǒng)、機(jī)械振動系統(tǒng)和聲學(xué)系統(tǒng)三部分。通過機(jī)電等效和聲電等效原理，可將三者統(tǒng)一用電路模型來等效，以便用電路理論對換能器進(jìn)行系統(tǒng)研究。該模型既適用于聲電轉(zhuǎn)換，也適用于電聲轉(zhuǎn)換。

圖6 超聲波耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)總體方案

圖7 壓電超聲換能器機(jī)電等效模型

與電磁感應(yīng)式、磁耦合諧振式相比，超聲波耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)不受電磁干擾與渦流損耗的影響，其系統(tǒng)本身也不會產(chǎn)生電磁輻射，降低了水下設(shè)備電磁暴露的風(fēng)險。由于超聲波波長較長，故該方式傳輸方向性較好。

同時應(yīng)注意到，超聲波耦合技術(shù)雖然實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的水下無線能量傳輸，但其聲電、電聲轉(zhuǎn)換的過程降低了傳輸效率，且隨著傳輸功率的增大，其效率會逐漸降低，在已有研究中，許康等在10W級的系統(tǒng)上實現(xiàn)95%的傳輸效率；Lawry等在50W級的系統(tǒng)上實現(xiàn)了50%的傳輸效率；Ozery等研制100MW級大功率樣機(jī)，但其傳輸效率只能達(dá)到39%。因此，為保證傳輸效率，超聲波耦合式無線電能傳輸通常被限制在幾十瓦，該功率等級僅適用于微型水下設(shè)備的無線充電應(yīng)用。

（摘編自《電工技術(shù)學(xué)報》，原文標(biāo)題為“水下無線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用研究綜述”，作者為吳旭升、孫盼等。）水下無線電能傳輸技術(shù)及應(yīng)用研究綜述