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無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）技術(shù)將電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論與技術(shù)等相結(jié)合，通過磁場、電場、微波、激光等載體實現(xiàn)電能的無線傳輸，該技術(shù)已經(jīng)成為了全球研究的熱點，它可以解決傳統(tǒng)導(dǎo)線直接電氣接觸帶來的很多問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

電場耦合無線電能傳輸（Electric-filed Coupled Wireless Power Transfer, EC-WPT）技術(shù)利用金屬板間的高頻交變電場，實現(xiàn)能量無線傳輸，其耦合機構(gòu)具有成本低、質(zhì)量輕、形狀易變等特點，系統(tǒng)工作時在耦合機構(gòu)周圍及之間的金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生的渦流損耗小，并且能夠跨越金屬傳能。目前EC-WPT技術(shù)已經(jīng)在消費電子、醫(yī)療用品及電動汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

相對于空氣中的EC-WPT技術(shù)而言，水下電場耦合無線電能傳輸技術(shù)的研究才剛剛起步。EC-WPT技術(shù)在水下應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢，其利用高頻電場傳能，產(chǎn)生渦流損耗較??；耦合機構(gòu)采用金屬極板，結(jié)構(gòu)簡單，在水下應(yīng)用時只需在表面涂上一層絕緣層即可；金屬極板比較堅固，能夠適應(yīng)深水中壓強較大的場合。

此外，極板間的耦合電容是EC-WPT系統(tǒng)傳能的關(guān)鍵因素，而水中的相對介電常數(shù)為81，能夠極大地提高極板間的耦合電容，有利于提升系統(tǒng)的傳輸功率和效率。同時在系統(tǒng)中，耦合電容的提高意味著可以用更小的電感進行補償，進一步減小了系統(tǒng)的體積且可以降低成本，有利于提高系統(tǒng)的功率密度。

目前面向水下的EC-WPT系統(tǒng)耦合機構(gòu)主要采用四塊正對的平行金屬極板，不能適用于水下旋轉(zhuǎn)設(shè)備無線供電的應(yīng)用場景，且對于水下耦合機構(gòu)發(fā)生位置偏移的情況尚未有文獻進行研究。

針對水下環(huán)境中旋轉(zhuǎn)設(shè)備無線供電的應(yīng)用需求，以及取電設(shè)備移入移出可能會發(fā)生偏移的應(yīng)用場景，重慶大學(xué)自動化學(xué)院、國家無線電能傳輸技術(shù)國際聯(lián)合研究中心的研究人員蘇玉剛、錢林俊、劉哲、鄧仁為、孫躍，在2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，以淡水中利用電場耦合方式給旋轉(zhuǎn)設(shè)備進行無線供電的應(yīng)用為例，提出一種考慮絕緣層情況的水下通過旋轉(zhuǎn)耦合機構(gòu)供電的EC-WPT系統(tǒng)，分析絕緣層相對介電常數(shù)和厚度對電容的影響規(guī)律，得到絕緣層材料和厚度的選取方法，建立耦合機構(gòu)模型。

圖1 水下旋轉(zhuǎn)式耦合機構(gòu)示意圖

研究人員以雙側(cè)LC補償?shù)腅C-WPT系統(tǒng)為例，建立系統(tǒng)的等效電路模型，以系統(tǒng)輸出功率、傳輸效率為待優(yōu)化目標函數(shù)，系統(tǒng)頻率、k值和補償電感作為決策變量，將諧振條件、器件耐壓耐流值和抗偏移性作為約束條件，給出基于第二代非支配排序遺傳算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-II）的多約束多目標優(yōu)化方法，優(yōu)化得到多約束條件下的Pareto最優(yōu)前沿，根據(jù)實際需求選擇一組最優(yōu)解。

圖2 系統(tǒng)實驗裝置

他們構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，并搭建旋轉(zhuǎn)式水下EC-WPT實驗樣機，通過實驗比較在耦合機構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化方法相同的情況下，系統(tǒng)在水下和空氣中的能量傳輸性能，以及不同環(huán)境中的抗偏移效果。

表1 水下和空氣環(huán)境指標對比

研究人員指出，當搭建的實驗裝置輸出功率為311W時，傳輸效率為87.4%，系統(tǒng)縱向偏移20mm或橫向偏移9mm時，輸出功率和效率仍能滿足需求。他們在實驗中比較了在輸入電壓、負載、耦合機構(gòu)和參數(shù)優(yōu)化方法相同的情況下，系統(tǒng)在水下和空氣中的輸出功率、效率和抗偏移效果，結(jié)果表明，系統(tǒng)在水下的輸出功率比空氣中高約2倍，并且在水下的抗偏移性優(yōu)于空氣環(huán)境。

本文編自2022年第10期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“水下具有旋轉(zhuǎn)耦合機構(gòu)的電場耦合無線電能傳輸系統(tǒng)及參數(shù)優(yōu)化方法”。本課題得到了國家自然科學(xué)基金資助項目的支持。