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海洋中蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)與生物資源，人類正在嘗試對海洋領(lǐng)域做進(jìn)一步探索與開發(fā)。水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）作為探測海洋的重要裝備，將在海洋資源開發(fā)、海洋生物研究等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

但是，續(xù)航能力不足、巡航范圍受限是限制AUV廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。傳統(tǒng)接觸式充電有短路風(fēng)險(xiǎn)，而且需要母船跟隨保障。無線充電技術(shù)通過非物理直接接觸的方式對用電設(shè)備補(bǔ)充電能，可有效提高充電系統(tǒng)的安全性與便捷性。

正是這些優(yōu)點(diǎn)，使無線充電技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車、AGV、無人機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域。通過在海底基站及人工浮臺上布置AUV水下無線充電系統(tǒng)，不僅能避免海水引起的安全隱患，還能實(shí)現(xiàn)充電過程全自動(dòng)化，推進(jìn)無人值守的海洋觀測網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程。

關(guān)于AUV無線充電技術(shù)，目前研究還較少。2001年美國North Caroliana State大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出200W功率等級的AUV水下無線充電系統(tǒng)，初步驗(yàn)證水下無線充電技術(shù)的可行性。日本Tohoku大學(xué)和NEC公司在2004年聯(lián)合開發(fā)了應(yīng)用于AUV無線充電的錐型磁耦合裝置，并搭建了500W功率等級的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

近些年，美國San Diego State大學(xué)的Chunting Chris Mi教授團(tuán)隊(duì)在應(yīng)用于AUV無線充電的磁耦合裝置方面開展了大量研究，致力于開發(fā)出能有效抵抗AUV滾動(dòng)錯(cuò)位且漏磁小的磁結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)以浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)為代表，浙江大學(xué)的陳鷹教授團(tuán)隊(duì)對AUV水下無線充電技術(shù)開展了深入研究，利用罐型磁耦合裝置搭建了AUV無線充電系統(tǒng)，并研究了海水壓強(qiáng)對磁參數(shù)的性能影響規(guī)律。此外，該團(tuán)隊(duì)還利用環(huán)型磁耦合裝置搭建300W的AUV水下無線充電系統(tǒng)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)際水下充電測試。

西北工業(yè)大學(xué)張克涵教授團(tuán)隊(duì)基于環(huán)型磁耦合裝置設(shè)計(jì)了水下無線充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有輸出電壓增益穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，并對海水中能量傳輸機(jī)理和渦流損耗情況進(jìn)行了研究與分析。哈爾濱工業(yè)大學(xué)海洋自主航行器研究所針對AUV水下無線充電系統(tǒng)的磁設(shè)計(jì)和水下能量穩(wěn)定控制方面開展了大量研究，已提出無需改變AUV外形的形磁耦合裝置，并搭建測試系統(tǒng)。

無線充電系統(tǒng)的能量傳輸與控制涉及到磁耦合裝置、能量傳輸系統(tǒng)和能量控制系統(tǒng)三部分。磁耦合裝置作為實(shí)現(xiàn)能量傳遞的關(guān)鍵部件，由發(fā)射和接收兩部分構(gòu)成；能量傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)將電能穩(wěn)定、可靠、高效地輸送到用電設(shè)備內(nèi)部，通常由電源系統(tǒng)、高頻逆變器、諧振補(bǔ)償電路、整流及濾波電路構(gòu)成。

無線充電系統(tǒng)不可避免會出現(xiàn)錯(cuò)位情況，導(dǎo)致能量傳輸系統(tǒng)輸出發(fā)生變化，而且電池充電過程中耐受的電壓和電流能力不斷變化，這就需要能量控制系統(tǒng)來實(shí)時(shí)對系統(tǒng)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。能量控制系統(tǒng)通常由能量調(diào)節(jié)主電路、采樣及反饋系統(tǒng)和控制器三部分構(gòu)成。

相比大氣中無線充電系統(tǒng)，AUV無線充電系統(tǒng)面臨AUV外形為圓弧形狀、海水介質(zhì)會引起渦流損耗、海水中不便于建立穩(wěn)定無線通信、洋流及海洋生物對系統(tǒng)的對接姿態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)四個(gè)主要問題。

特殊外形造成磁耦合裝置設(shè)計(jì)困難；海水渦流損耗會降低系統(tǒng)效率；對接姿態(tài)變化對能量傳輸與控制系統(tǒng)穩(wěn)定性提出嚴(yán)格要求；在無通信模式下如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率控制及如何保證系統(tǒng)安全，這都增加了水下無線充電技術(shù)的難度。

針對以上問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研人員從磁耦合裝置、能量傳輸拓?fù)浼俺潆姽β士刂葡到y(tǒng)三部分開展研究，設(shè)計(jì)一套基于弧形線圈和二次側(cè)控制的無線充電系統(tǒng)，為水下自主航行器無線充電形成一定的技術(shù)積累，期望對AUV無線充電技術(shù)發(fā)展提供一定的借鑒作用。

圖1 磁耦合裝置結(jié)構(gòu)與裝配

首先，提出一種可適應(yīng)AUV特殊圓弧外形且接收端體積小、質(zhì)量輕的磁耦合裝置，利用有限元分析和實(shí)際測試對磁耦合裝置進(jìn)行性能分析，得知磁耦合裝置具有良好的磁場自約束能力和耦合系數(shù)高達(dá)0.53的耦合能力。該裝置具有可適應(yīng)水下自主航行器特殊圓弧外形、接收端質(zhì)量輕、磁場自約束效果好的優(yōu)勢。

圖2 磁耦合裝置實(shí)物

其次，對能量傳輸與控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行可靠、二次側(cè)獨(dú)立控制的能量傳輸和控制拓?fù)洌治鼋邮諅?cè)Buck變換器對充電電壓和電流的調(diào)節(jié)作用，得到占空比與充電電壓和電流的關(guān)系，并完成閉環(huán)環(huán)路設(shè)計(jì)。采用二次側(cè)控制方式，調(diào)節(jié)Buck電路占空比實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)恒流與恒壓充電控制。最后，通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了該方案的可行性。

圖3 無線充電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對48V電池組（恒流階段設(shè)定11A，恒壓階段設(shè)定54.1V）正常充電，系統(tǒng)最大充電功率600W，對應(yīng)效率88.3%。

以上研究成果發(fā)表在2020年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于弧形線圈結(jié)構(gòu)的無線充電系統(tǒng)能量傳輸與控制”，作者為蔡春偉、武帥、張言語、劉金泉、楊世彥。